JP5527936B2 - Method and apparatus for separating particles in suspension - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも二種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から誘電泳動を利用して捕捉対象粒子を分離する方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for separating particles to be captured from a suspension containing a particle group composed of at least two kinds of particles using dielectrophoresis.
従来、誘電泳動力を作用させて懸濁液中の複数の粒子からなる粒子群から特定の粒子を分離する場合、捕捉対象となる粒子(以下、捕捉対象粒子という)の種類に応じて周波数を選択することで、粒子群に正の誘電泳動力を作用させ電極に捕捉したり、負の誘電泳動力を作用させて電極から排除したりすることが可能である。しかし、例えば、血球細胞と微生物が混在している懸濁液では、ある血球細胞には正の誘電泳動力を作用させ、他の微生物には負の誘電泳動力を作用させるというようなことはできず、各粒子の種類毎に誘電泳動力の正負の振り分けを一般化することができない。したがって、血球細胞や微生物固有の誘電特性を利用して、特定の血球細胞や微生物のみに選択的に正または負の誘電泳動力を作用させて分離することは難しい。しかし、正負の振り分けは難しいものの、電界を特定の周波数で変化させると、それぞれの分極率の違いに起因する異なる誘電泳動力を血球細胞や微生物に作用させることができるため、この誘電泳動力の差により各粒子の種類に応じて分離することができる。 Conventionally, when a specific particle is separated from a group of particles composed of a plurality of particles in a suspension by applying a dielectrophoretic force, the frequency is set according to the type of particles to be captured (hereinafter referred to as capture target particles). By selecting, it is possible to apply a positive dielectrophoretic force to the particle group and capture it on the electrode, or to apply a negative dielectrophoretic force to the particle group and exclude it from the electrode. However, for example, in a suspension in which blood cells and microorganisms are mixed, a positive dielectrophoretic force acts on one blood cell and a negative dielectrophoretic force acts on another microorganism. It is impossible to generalize the positive / negative distribution of the dielectrophoretic force for each particle type. Therefore, it is difficult to selectively separate only specific blood cells or microorganisms by applying a positive or negative dielectrophoretic force using dielectric properties unique to blood cells or microorganisms. However, although it is difficult to sort positive and negative, if the electric field is changed at a specific frequency, different dielectrophoretic forces due to differences in polarizability can be applied to blood cells and microorganisms. Depending on the difference, the particles can be separated according to the type.
特許文献1又は2では、一定の速度で流れてくる粒子の誘電泳動力の差を利用し、出口に到達する時間の差から粒子の分離を行っている。 In Patent Document 1 or 2, the difference in the dielectrophoretic force of particles flowing at a constant speed is used to separate the particles from the difference in time to reach the outlet.
また、特許文献3では、懸濁液中に存在する複数種類の粒子を一度電極に捕捉し、抗体を結合させることで誘電特性を選択的に変化させる。その後、流動作用を加えることにより、抗体と特異的に反応した特定の粒子だけを流動させ分離精度を向上させている。
しかし、特許文献1又は2に記載の方法では、特定の粒子を分取するためには正確な流速調整が必要である。さらに、分離対象液体のスタート位置を明確に決めないと粒子を正確に分離できない。 However, in the method described in Patent Document 1 or 2, accurate flow rate adjustment is necessary to sort out specific particles. Furthermore, the particles cannot be accurately separated unless the starting position of the liquid to be separated is clearly determined.
また、特許文献3の記載の方法では、特定の抗体を選定する必要がある。特定の抗体の選別は困難であるため、分離対象が限定される。 In the method described in Patent Document 3, it is necessary to select a specific antibody. Since selection of a specific antibody is difficult, the separation target is limited.
以上より、本発明の目的は、少なくとも2種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から捕捉対象粒子を分離する方法であって、流速調整等が不要で、且つ抗体などの処理が不要な特定の粒子を捕捉して分離する方法、および装置を提供することを目的とする。 As described above, an object of the present invention is a method of separating particles to be captured from a suspension containing a particle group composed of at least two kinds of particles, which does not require flow rate adjustment and does not require treatment of an antibody or the like. It is an object to provide a method and apparatus for capturing and separating specific particles.
本発明に係る粒子の分離方法は、
少なくとも二種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から誘電泳動により捕捉対象粒子を分離する方法であって、
基板上に設けられた少なくとも2つの電極間に交流電圧を印加して不均一電界を形成させることにより、前記粒子群を誘電泳動させて前記電極間付近の基板面に接触させるように前記粒子群を引き寄せ、
前記基板上の前記電極間に設けられた流動発生手段により局所的な流動を発生させることにより、前記捕捉対象粒子以外の誘電泳動力の低い粒子を前記電極間付近から排除し、捕捉対象粒子を前記電極間付近に捕捉することを特徴とする。
The method for separating particles according to the present invention includes:
A method of separating particles to be captured by dielectrophoresis from a suspension containing a particle group consisting of at least two kinds of particles,
An AC voltage between at least two electrodes provided on the substrate by applying by forming a non-uniform electric field, the particles so as to contact with the substrate surface near the between the electrodes the particles by dielectrophoresis Draw
By generating a local flow by the flow generation means provided between the electrodes on the substrate, particles having a low dielectrophoretic force other than the capture target particles are excluded from between the electrodes, and the capture target particles are It captures in the vicinity between the electrodes.
また、本発明に係る粒子の分離装置は、
少なくとも二種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から誘電泳動の差を利用して捕捉対象粒子を捕捉する装置であって、
前記懸濁液を保持するチャンバーと、
前記チャンバーを構成する基板上に設置され、交流電圧を印加することにより不均一電界を発生し、前記粒子群を誘電泳動させて基板面に接触させるように引き寄せる少なくとも2つの電極と、
前記基板上であって前記電極間に設けられ、前記電極間付近に局所的な流動を発生させる流動発生手段と、を有し、
前記捕捉対象粒子以外の誘電泳動力の低い粒子を前記電極間付近から前記流動によって排除し、捕捉対象粒子を前記電極間付近に捕捉することを特徴とする。
Moreover, the particle separation apparatus according to the present invention comprises:
An apparatus for capturing particles to be captured from a suspension containing a particle group composed of at least two kinds of particles using a difference in dielectrophoresis,
A chamber over to hold the suspension,
Disposed on a substrate constituting the chamber over the non-uniform electric field generated by applying an AC voltage, and at least two electrodes to draw so as to contact with the substrate surface the particles by dielectrophoresis,
A flow generation means provided between the electrodes on the substrate and generating a local flow in the vicinity of the electrodes ; and
Particles with low dielectrophoretic force other than the capture target particles are excluded from the vicinity between the electrodes by the flow, and the capture target particles are captured in the vicinity between the electrodes .
本発明によれば、電極間付近に局所的な液体の流動を発生させることで、電極間付近に引き寄せられた不要な粒子を除去できる。これにより、流速調整が不要で、抗体等を用いることなく、簡便且つ精度良く、特定の粒子を選択的に捕捉し、懸濁液中の粒子を分離することが可能となる。 According to the present invention, by generating a local liquid flow in the vicinity of the electrodes, unnecessary particles attracted in the vicinity of the electrodes can be removed. As a result, it is not necessary to adjust the flow rate, and it is possible to selectively capture specific particles and separate particles in the suspension simply and accurately without using an antibody or the like.
誘電泳動は一般的に周知であるので詳細な説明は省略し、簡潔に説明する。誘電泳動とは、粒子の電導率及び誘電率と媒質の電導率及び誘電率と、印加する交流電圧の周波数との相互作用により、不均一な電界内で粒子が移動する現象のことであり、この際に粒子に働く力を誘電泳動力と呼ぶ。また、誘電泳動力は、粒子が電界の強い方へと移動する正の誘電泳動力と電界の弱い方へと移動する負の誘電泳動力の2種類に分けられる。粒子の種類に応じて周波数を選択すると、正の誘電泳動力を作用させて捕捉したり、負の誘電泳動力を作用させて排除することも可能である。 Since dielectrophoresis is generally well known, a detailed description thereof will be omitted and a brief description will be given. Dielectrophoresis is a phenomenon in which particles move in a non-uniform electric field due to the interaction between the electric conductivity and dielectric constant of the particles, the electric conductivity and dielectric constant of the medium, and the frequency of the applied AC voltage. The force acting on the particles at this time is called dielectrophoretic force. In addition, the dielectrophoretic force is classified into two types, that is, a positive dielectrophoretic force in which particles move toward a stronger electric field and a negative dielectrophoretic force that moves toward a weaker electric field. When the frequency is selected according to the type of particle, it is possible to capture by applying a positive dielectrophoretic force or to eliminate it by applying a negative dielectrophoretic force.
つまり、粒子に高周波の交流電圧を印加すると、これによって発生する交流電界の作用により、粒子は最も電場が強くかつ不均一な部分に向かって泳動する正の誘電泳動が発生する。そして、誘電泳動力Fは、電場E、粒子の比誘電率εp、粒子を含んでいる溶液の比誘電率εm、粒子を球形と見なしたときの半径a、円周率π、パラメータReとすると、以下のような式で示される。 That is, when a high-frequency AC voltage is applied to the particles, a positive dielectrophoresis in which the particles migrate toward the non-uniform portion where the electric field is strongest due to the action of the AC electric field generated thereby. The dielectrophoretic force F includes the electric field E, the relative dielectric constant ε p of the particle, the relative dielectric constant ε m of the solution containing the particle, the radius a when the particle is regarded as a sphere, the circumference ratio π, the parameter Assuming Re, it is represented by the following equation.
この式は、誘電泳動による力が、電位勾配、懸濁液の比誘電率と粒子の比誘電率との差などの影響を受けることを示している。 This equation shows that the force due to dielectrophoresis is affected by the potential gradient, the difference between the relative permittivity of the suspension and the relative permittivity of the particles.
本発明に係る粒子の分離方法は、この誘電泳動力を利用して懸濁液中の粒子群を少なくとも2つの電極間付近に引き寄せつつ、該電極間付近に局所的な流動を発生させることにより、電極に近づく又は捕捉された粒子群をその流動により排除することにより、誘電泳動力の強い粒子のみを選択的に電極に捕捉し、粒子の分離を行うものである。 The particle separation method according to the present invention uses this dielectrophoretic force to draw a group of particles in suspension near at least two electrodes and generate a local flow in the vicinity between the electrodes. By excluding the particle group that approaches or is captured by the flow, only particles having a strong dielectrophoretic force are selectively captured by the electrode and the particles are separated.
したがって、本発明に係る粒子の分離方法は、
少なくとも二種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から誘電泳動により捕捉対象粒子を分離する方法であって、
基板上に設けられた少なくとも2つの電極間に交流電圧を印加して不均一電界を形成し、前記粒子群を誘電泳動させ、前記電極間付近に前記粒子群を引き寄せ、前記電極間付近に局所的な流動を発生させることにより、
前記捕捉対象粒子以外の粒子を前記電極間付近から排除し、捕捉対象粒子を前記電極間付近に捕捉することを特徴とする。
Therefore, the method for separating particles according to the present invention comprises:
A method of separating particles to be captured by dielectrophoresis from a suspension containing a particle group consisting of at least two kinds of particles,
An AC voltage is applied between at least two electrodes provided on the substrate to form a non-uniform electric field, the particles are dielectrophoresed, the particles are attracted near the electrodes, and the particles are localized near the electrodes. By generating a dynamic flow,
Particles other than the capture target particles are excluded from the vicinity between the electrodes, and the capture target particles are captured in the vicinity between the electrodes.
(粒子)
粒子は、細胞、細胞内小器官、真菌、放線菌、細菌、ウイルス若しくは核酸等の生物由来物質、無機質、結晶若しくは合成粒子等の無機物質、又は油中の微細な水滴等の液体や気泡等の気体を広く含む概念として用いられている。特に限定されるものではないが、生物由来物質としては、さらに具体的には、例えば、ヌクレオチド鎖、染色体、ペプチド鎖、蛋白質、免疫グロブリン、血清蛋白質、抗体、抗原、脂質、培養した動植物細胞、精子、核酸、タンパク質、糖鎖又は微生物等が挙げられる。無機物質としては、例えば、シリカ、アルミナ等の酸化物、金、チタン、鉄若しくはニッケル等の金属、アガロース、セルロース若しくは不溶性デキストラン等の多糖類、セラミック等の無機酸化物、又は、ポリマーラテックス、ポリスチレン若しくはスチレン‐ブタジエン共重合体等の高分子化合物等が挙げられる。本発明では、特に血球細胞等の細胞や細菌や真菌等の微生物を対象とする場合に有効である。
(particle)
Particles include cells, intracellular organelles, fungi, actinomycetes, bacteria, viruses or nucleic acids, biological substances such as inorganic substances, crystals or synthetic particles, or liquids or bubbles such as fine water droplets in oil. It is used as a concept that includes a wide range of gases. Although not particularly limited, the biological material is more specifically, for example, nucleotide chain, chromosome, peptide chain, protein, immunoglobulin, serum protein, antibody, antigen, lipid, cultured animal and plant cells, Examples include sperm, nucleic acid, protein, sugar chain, or microorganism. Examples of inorganic substances include oxides such as silica and alumina, metals such as gold, titanium, iron and nickel, polysaccharides such as agarose, cellulose and insoluble dextran, inorganic oxides such as ceramic, polymer latex, polystyrene Alternatively, a polymer compound such as a styrene-butadiene copolymer can be used. The present invention is particularly effective when targeting cells such as blood cells and microorganisms such as bacteria and fungi.
(懸濁液)
本発明における懸濁液とは、前記少なくとの二種類の粒子からなる粒子群を含む液体のことであり、例えば、血清、血漿、髄液、滑液、リンパ液等の体液若しくは尿、糞便のような排泄物等の生体由来試料、又はその処理物等が挙げられる。処理物としては、例えばこれら生体由来試料を水や緩衝液等で適宜希釈等したもの、あるいはこれら生体由来試料に由来する粒子を水や緩衝液等に適宜溶解又は懸濁させ、再構成して得られたもの等が挙げられる。
(Suspension)
The suspension in the present invention is a liquid containing a particle group composed of at least two kinds of particles, for example, body fluid such as serum, plasma, spinal fluid, synovial fluid, lymph fluid, urine, fecal matter, etc. Examples thereof include biological samples such as excreta or processed products thereof. As the processed product, for example, a sample obtained by appropriately diluting these biological samples with water or a buffer solution, or by dissolving or suspending particles derived from these biological samples in water or a buffer solution, etc. What was obtained is mentioned.
(電極)
本発明における電極は、粒子群に誘電泳動力を発生させるための不均一電界を形成する少なくとも2つの電極であり、基板上で平面対向した薄膜対向型電極である。薄膜対向型電極は、基板上に薄膜状に設けられた一対の電極が平面対向したものであり、例えばスクリーン印刷法やフォトリソグラフィーになどによる薄膜形成法により形成することができる。
(electrode)
The electrodes in the present invention are at least two electrodes that form a non-uniform electric field for generating a dielectrophoretic force in a particle group, and are thin-film opposed electrodes that face each other on a substrate. The thin-film counter electrode is a pair of electrodes provided in a thin film on a substrate in a plane-facing manner, and can be formed, for example, by a thin film forming method such as screen printing or photolithography.
薄膜対向型電極として、例えば、図2に示すような櫛歯型電極を挙げることができる。櫛歯型電極は、櫛のように歯(例えば30μm〜100μm幅)を形成された一対の電極がそれぞれの溝に入れ子状に挿入され組み合わされた対向電極である(図2参照)。櫛歯型電極をはじめとする薄膜対向型電極では、誘電泳動のための電圧を印加すると、対向電極間に不均一電界が形成され、前記粒子群はこの薄膜対向型電極が設けられた基板側に引き寄せられることになる。特に電極間付近の電界がもっとも強くなるため、主に電極の間が粒子を捕捉する部分(捕捉部)となる。なお、詳細には、電極のエッジ部分が最も電界密度が強く不均一電界となる。電極エッジ部に細胞が付くと細胞部分が不均一電界となる。結果的に、細胞は電極間に集まる。 An example of the thin-film counter electrode is a comb-shaped electrode as shown in FIG. The comb-shaped electrode is a counter electrode in which a pair of electrodes having teeth (for example, a width of 30 μm to 100 μm) formed like a comb are inserted and combined in respective grooves (see FIG. 2). When a voltage for dielectrophoresis is applied to a thin-film counter electrode such as a comb-shaped electrode, a non-uniform electric field is formed between the counter electrodes, and the particles are on the substrate side on which the thin-film counter electrode is provided. Will be drawn to. In particular, since the electric field in the vicinity of the electrodes is the strongest, the portion between the electrodes (capturing portion) mainly captures particles. In detail, the edge portion of the electrode has the highest electric field density and a non-uniform electric field. When cells attach to the electrode edge portion, the cell portion becomes a non-uniform electric field. As a result, cells collect between the electrodes.
本発明における電極の間には、後述の流動発生手段が設けられ、その流動発生手段は捕捉部に流動を発生させる。櫛歯型電極の場合、例えば図1乃至3に示すように、流動発生手段は基板上であって各電極間に設置することができる。このように設置することで、電極間付近に局所的に流動を発生させることができる。 Between the electrodes in the present invention, a flow generating means described later is provided, and the flow generating means generates a flow in the capturing part. In the case of a comb-shaped electrode, for example, as shown in FIGS. 1 to 3, the flow generating means can be placed between the electrodes on the substrate. By installing in this way, a flow can be locally generated near between the electrodes.
電極の間隔は、例えば1μm〜1000μmとすることができ、捕捉対象とする粒子の大きさにより最も適当な値を選択するのが望ましい。捕捉対象が細菌の場合は、0.1μm〜100μmとすることが好ましく、1μm〜10μmとすることがより好ましい。捕捉対象が細胞の場合は、10〜1000μmとすることが好ましく、50μm〜500μmとすることがより好ましい。 The distance between the electrodes can be, for example, 1 μm to 1000 μm, and it is desirable to select the most appropriate value depending on the size of the particles to be captured. When the capture target is bacteria, it is preferably 0.1 μm to 100 μm, and more preferably 1 μm to 10 μm. When the capture target is a cell, it is preferably 10 to 1000 μm, and more preferably 50 to 500 μm.
電極の材料としては、電極として使用可能な公知材料であれば特に限定されるものではないが、例えばクロムや白金等の金属、カーボン等の導電性材料又はITO等の透明電極等を挙げることができる。また、電極は、スクリーン印刷法やフォトリソグラフィー法などを組み合わせた薄膜形成法により形成することができる。具体的には、ガラス基板やプラスチック基板等の基板にスパッタリングや蒸着、メッキ等で成膜し、フォトリソグラフィー法等でエッチングして形成することができる。なお、電極の材料は、交流電圧を印加したとき電気分解が生じないイオン化傾向の小さい金属が好ましい。 The material of the electrode is not particularly limited as long as it is a known material that can be used as an electrode. Examples thereof include metals such as chromium and platinum, conductive materials such as carbon, and transparent electrodes such as ITO. it can. The electrode can be formed by a thin film forming method that combines a screen printing method, a photolithography method, or the like. Specifically, it can be formed by forming a film on a substrate such as a glass substrate or a plastic substrate by sputtering, vapor deposition, plating, or the like, and etching by a photolithography method or the like. The electrode material is preferably a metal with a low ionization tendency that does not cause electrolysis when an alternating voltage is applied.
例えば、電極を櫛歯型電極とした場合、電極の厚さは1μm〜100μmが好ましく、電極の幅は100μm〜1000μmが好ましい。 For example, when the electrode is a comb-shaped electrode, the thickness of the electrode is preferably 1 μm to 100 μm, and the width of the electrode is preferably 100 μm to 1000 μm.
また、電極は、誘電泳動を発生させるための交流電圧を印加する電源と繋がって形成される。交流電圧の周波数は、捕捉対象粒子に正の誘電泳動を行わせるように、懸濁液の誘電率も考慮して、値を適宜選択することが望ましい。捕捉対象粒子が微生物の場合、とくにその細胞質導電率に応じて周波数を選択すると、正の誘電泳動力を作用させて捕集することが可能である。通常は、事前検討を行い、最適に選択された単一の周波数の交流電圧を電極間に付与する。また、捕捉対象が細胞や微生物の場合、周波数は1kHz〜10MHzが好ましく、100kHz〜5MHzがより好ましい。なお、粒子群が受ける誘導泳動力は懸濁液のpHや導電率や電圧の周波数等の影響を受けるため、これらを考慮して分離条件を選択することが望ましい。 The electrodes are connected to a power source that applies an AC voltage for generating dielectrophoresis. The frequency of the alternating voltage is desirably selected as appropriate in consideration of the dielectric constant of the suspension so that the particles to be captured perform positive dielectrophoresis. When the particles to be captured are microorganisms, particularly when the frequency is selected according to the cytoplasmic conductivity, the particles can be collected by applying a positive dielectrophoretic force. Usually, a preliminary examination is performed, and an AC voltage having a single frequency selected optimally is applied between the electrodes. In addition, when the capture target is a cell or a microorganism, the frequency is preferably 1 kHz to 10 MHz, and more preferably 100 kHz to 5 MHz. The induced electrophoretic force received by the particle group is affected by the pH of the suspension, the conductivity, the frequency of the voltage, and the like, so it is desirable to select the separation conditions in consideration of these.
(流動発生手段)
流動発生手段は、前記電極間付近(特に電極間)に局所的に流動を発生させるものである。この流動により、誘電泳動力が弱い粒子を電極間付近に近づけ難くしたり、引き寄せられたとしても電極間付近から排除したりすることができる。
(Flow generation means)
The flow generation means generates a flow locally near the electrodes (particularly between the electrodes). By this flow, it is possible to make it difficult for particles having a weak dielectrophoretic force to approach the vicinity between the electrodes, or to exclude them from the vicinity between the electrodes even if they are attracted.
流動発生手段は、前述のように、基板上であって前記電極間に設けることができる。電極が櫛歯型電極の場合、例えば図1乃至3に示すように、流動発生手段は基板上であって各電極間に設置することができる。このように設置することで、電極間付近に局所的に流動を発生させることができる。 As described above, the flow generation means can be provided on the substrate and between the electrodes. In the case where the electrodes are comb-shaped electrodes, for example, as shown in FIGS. 1 to 3, the flow generating means can be placed between the electrodes on the substrate. By installing in this way, a flow can be locally generated near between the electrodes.
流動発生手段としては、電極間付近に対流を発生できるものなら特に制限されずに用いることができ、例えば加熱素子、圧電素子、微小ポンプ又は微小モータ等を挙げることができる。また、レーザーの局所加熱により電極間付近に対流を発生させてもよい。加熱素子の場合、例えばペルチェ素子を櫛歯型電極間に配置する構成とすることができる。圧電素子としては、例えば圧電体を2枚の電極で挟んだ素子(ピエゾ素子)が前記電極間にくるように配置する構成とすることができる。微小ポンプ、微小モータの場合、圧電素子と同様、誘電泳動用電極の下層側に微小ポンプ、微小モータのデバイスを配置する構成とすることができる。レーザー局所加熱手段による場合、前記電極間にレーザー吸収部を配置し、外部からレーザー照射し、電極間のみを局所的に加熱可能な構成とすることができる。 As the flow generation means, any means that can generate convection between the electrodes can be used without particular limitation, and examples thereof include a heating element, a piezoelectric element, a micro pump, and a micro motor. Further, convection may be generated near the electrodes by local heating of the laser. In the case of the heating element, for example, a Peltier element can be arranged between the comb-shaped electrodes. As the piezoelectric element, for example, an element in which a piezoelectric body is sandwiched between two electrodes (piezo element) can be arranged so as to be between the electrodes. In the case of a micro pump and a micro motor, the micro pump and micro motor devices can be arranged on the lower layer side of the dielectrophoresis electrode, similarly to the piezoelectric element. In the case of using the local laser heating means, a configuration in which a laser absorbing portion is disposed between the electrodes, laser irradiation is performed from the outside, and only the electrodes can be locally heated.
加熱素子としては、特に限定されるものではないが、例えば抵抗体としてペルチェ素子を用いることができる。例えば、前述のように電極が櫛歯型電極の場合、電極間であって基板上に、ペルチェ素子を設けることができる(例えば図1)。この構成とすることにより、捕捉部に熱対流を発生させることができる。 Although it does not specifically limit as a heating element, For example, a Peltier device can be used as a resistor. For example, when the electrodes are comb-shaped electrodes as described above, a Peltier element can be provided between the electrodes and on the substrate (for example, FIG. 1). With this configuration, heat convection can be generated in the capturing unit.
(実施形態)
次に、図1及び図2を用いて本発明の実施形態における装置構成の一例を説明する。流動発生手段となる加熱部と誘電泳動用の電極部は、基板1上に、加熱部2、加熱部2を覆う絶縁層3、電極A4及び電極B5が積層されて形成されている(図1)。基板の材料としては、特に限定されるものではなく、公知の材料、例えば石英やプラスチック等を用いることができる。なお、本実施形態における装置構成では、流動発生手段を加熱部としたがこれに限定されるものではない。
(Embodiment)
Next, an example of a device configuration according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The heating part and the electrode part for dielectrophoresis as the flow generating means are formed by laminating a heating part 2, an insulating layer 3 covering the heating part 2, an electrode A4, and an electrode B5 on the substrate 1 (FIG. 1). ). The material of the substrate is not particularly limited, and a known material such as quartz or plastic can be used. In addition, in the apparatus configuration in the present embodiment, the flow generation means is the heating unit, but the present invention is not limited to this.
電極は、電極A4と電極B5との間に捕捉部10を有する薄膜対向型電極である。該薄膜対向型電極は、図2に示すように、櫛歯型電極とすることが好ましい。電極の幅は例えば10〜1000μmとすることができる。また、電極の間隔(電極A4と電極B5との間隔)は、例えば1〜1000μmとすることができる。この電極の間隔、即ち捕捉部10の幅は、懸濁液中の捕捉対象粒子の大きさにより必要に応じて調整できる。例えば、捕捉対象粒子が血球細胞のような大きなものである場合には広くし(例えば50〜500μm)、細菌のような小さいものである場合には狭く(例えば1〜10μm)することができる。しかし、電極の間隔が広くなりすぎると電場が小さくなり誘電泳動力が弱くなるため、粒子群を移動させることや捕捉対象粒子を捕捉することが難しくなるケースが考えられる。一方、狭すぎると大量の粒子を捕捉することが難しくなるケースが考えられる。したがって、電極の間隔は、捕捉対象粒子や懸濁液の特性、装置構成等を考慮して適宜調整することが好ましい。例えば、本発明の実施例で使用した血球細胞(約10μm)と細菌(0.5〜1μm)の場合、電極の間隔の好ましい範囲は100〜200μmである。また、電極の材料としては例えば金属やカーボン、ITOなどを用いることができる。さらに、例えばスクリーン印刷法やフォトリソグラフィー法などを組み合わせた薄膜形成法により形成できる。 The electrode is a thin-film counter electrode having a capturing portion 10 between the electrode A4 and the electrode B5. The thin-film counter electrode is preferably a comb-shaped electrode as shown in FIG. The width of the electrode can be, for example, 10 to 1000 μm. Further, the distance between the electrodes (the distance between the electrode A4 and the electrode B5) can be set to 1 to 1000 μm, for example. The distance between the electrodes, that is, the width of the capturing part 10 can be adjusted as necessary depending on the size of the capturing target particles in the suspension. For example, when the particles to be captured are large such as blood cells, they can be widened (for example, 50 to 500 μm), and when they are small such as bacteria, they can be narrowed (for example, 1 to 10 μm). However, if the distance between the electrodes becomes too wide, the electric field becomes small and the dielectrophoretic force becomes weak, so that it may be difficult to move the particle group or capture the particles to be captured. On the other hand, if it is too narrow, it may be difficult to capture a large amount of particles. Therefore, it is preferable to appropriately adjust the distance between the electrodes in consideration of the characteristics of the particles to be captured and the suspension, the device configuration, and the like. For example, in the case of blood cells (about 10 μm) and bacteria (0.5 to 1 μm) used in the examples of the present invention, the preferred range of the electrode spacing is 100 to 200 μm. Moreover, as a material of an electrode, a metal, carbon, ITO etc. can be used, for example. Furthermore, it can be formed by a thin film forming method combining, for example, a screen printing method or a photolithography method.
なお、捕捉対象粒子は一種類である必要はなく、二種類以上の場合もある。 Note that the trapping target particles need not be one type and may be two or more types.
加熱部2は、例えば薄膜型の微小ヒータを用いることができる。そして、加熱部2は、基板上でかつ前記薄膜対向型電極の各電極間に配置される(即ち捕捉部10の基板側面)に配置される。加熱部の幅は、例えば1〜500μmとすることができるが、電極の間隔を考慮して適当に調整されることが望ましく、電極の間隔内であることが好ましい。 As the heating unit 2, for example, a thin-film micro heater can be used. And the heating part 2 is arrange | positioned on the board | substrate and between each electrode of the said thin film opposing electrode (namely, board | substrate side surface of the capture | acquisition part 10). The width of the heating unit can be set to 1 to 500 μm, for example, but is preferably adjusted appropriately in consideration of the distance between the electrodes, and is preferably within the distance between the electrodes.
また、加熱部2の材料としては、例えば金属やカーボン、ITOなどを用いることができる。また、電極同様、例えばスクリーン印刷法やフォトリソグラフィー法などを組み合わせた薄膜形成法により形成することができる。なお、加熱部は微小ヒータに限定されるものではなく、例えば、レーザーによる局所加熱などにより熱対流を発生させてもよいし、圧電素子や微小モータなどにより対流を発生させてもよい。 Moreover, as a material of the heating part 2, a metal, carbon, ITO etc. can be used, for example. Further, like the electrode, it can be formed by a thin film forming method combining, for example, a screen printing method or a photolithography method. The heating unit is not limited to a micro heater, and for example, thermal convection may be generated by local heating using a laser, or convection may be generated by a piezoelectric element or a micro motor.
加熱部2は、溶液を熱対流させる温度に適宜設定することができ、特にその温度は限定されるものではない。温度を高くすることにより熱対流を速くすることができるが、粒子の性質により、温度を高くしすぎると粒子が変形してしまう場合がある。一方、温度が低すぎると有効な熱対流を得られない場合がある。したがって、粒子や誘電泳動力、周波数等の条件を考慮して適宜設定することが望ましい。例えば、50〜100℃とすることができ、血球細胞だと50〜70℃とすることが好ましい。 The heating unit 2 can be appropriately set to a temperature at which the solution is convected, and the temperature is not particularly limited. Although heat convection can be accelerated by increasing the temperature, the particles may be deformed if the temperature is too high due to the nature of the particles. On the other hand, if the temperature is too low, effective thermal convection may not be obtained. Therefore, it is desirable to set as appropriate in consideration of conditions such as particles, dielectrophoretic force, and frequency. For example, it can be set to 50 to 100 ° C., and is preferably 50 to 70 ° C. for blood cells.
絶縁層3は、加熱素子2と電極A,B(4,5)を電気的に絶縁できる材料であればよく、特に限定されるものではないが、半導体分野で一般的に使用されているシリコン酸化膜などの無機絶縁体や樹脂材料などの有機絶縁体が挙げられる。絶縁層3は、流動発生手段の種類に応じて電極との絶縁の必要が無ければ特に設ける必要はない。絶縁層を設ける場合、その厚みはエポキシ及びポリイミドでは、10μm程度(最厚で30μm、最薄で1μm)とすることができる。シリカまたはアルミナでは、サブミクロン程度(最厚で2〜3μm、最薄で5nm)とすることができる。 The insulating layer 3 is not particularly limited as long as it is a material that can electrically insulate the heating element 2 from the electrodes A and B (4, 5), but silicon generally used in the semiconductor field. Examples thereof include inorganic insulators such as oxide films and organic insulators such as resin materials. The insulating layer 3 is not particularly required if there is no need to insulate from the electrode according to the type of flow generating means. When the insulating layer is provided, the thickness of epoxy and polyimide can be about 10 μm (the maximum thickness is 30 μm and the minimum thickness is 1 μm). In the case of silica or alumina, the thickness can be about submicron (2 to 3 μm at the maximum thickness, 5 nm at the minimum thickness).
液体保持部11は、加熱部2と電極部が配置された基板上に、例えばスペーサー6とカバー7とにより形成することができ、簡易な構造とすることができる。スペーサー6とカバー7の厚さは、例えば0.1〜0.5mmとすることができる。 The liquid holding unit 11 can be formed by, for example, the spacer 6 and the cover 7 on the substrate on which the heating unit 2 and the electrode unit are arranged, and can have a simple structure. The thickness of the spacer 6 and the cover 7 can be set to 0.1 to 0.5 mm, for example.
粒子群を含む懸濁液は、例えば、カバー7に設けられた流入口8から供給し、液体保持部11で保持され、流出口9から回収することができる。 The suspension containing the particle group can be supplied from, for example, the inflow port 8 provided in the cover 7, held by the liquid holding unit 11, and recovered from the outflow port 9.
上記の装置構成とすることで、加熱部2により捕捉部10(つまり電極間付近)に熱対流を発生させることができる。したがって、誘電泳動力が弱い粒子を捕捉部10に近づけ難くすることができ、誘電泳動力が強い捕捉対象粒子を選択的に捕捉することができる。また、一旦粒子群を電極間に引き寄せた後、熱対流を発生させることで、誘電泳動力が弱い粒子を捕捉部10から放出させることができる。したがって、捕捉対象粒子を選択的に捕捉部10に捉えることができ、粒子の分離が可能となる。 By setting it as said apparatus structure, a heat convection can be generated in the capture | acquisition part 10 (namely, vicinity between electrodes) by the heating part 2. FIG. Therefore, it is possible to make it difficult for the particles having a weak dielectrophoretic force to approach the capturing unit 10, and to selectively capture particles to be captured having a strong dielectrophoretic force. Further, once the particles are attracted between the electrodes, heat convection is generated, whereby particles having a weak dielectrophoretic force can be released from the capturing unit 10. Therefore, the capturing target particles can be selectively captured by the capturing unit 10 and the particles can be separated.
なお、流入口から流出口に向かって懸濁液を流しながら、場合によっては懸濁液を循環させながら分離を行うこともできる。しかし、本発明では、懸濁液をチャンバー内(液体保持部11)に注入した後、まず、静置状態で捕捉対象粒子を捕捉し、その後、捕捉対象粒子以外の粒子を含む懸濁液を回収することが好ましい。 In addition, separation can be performed while flowing the suspension from the inlet to the outlet, and in some cases, circulating the suspension. However, in the present invention, after injecting the suspension into the chamber (liquid holding unit 11), first, the capture target particles are captured in a stationary state, and then a suspension containing particles other than the capture target particles is prepared. It is preferable to collect.
さらに、静置状態で捕捉対象粒子を捕捉した後、追加の液(懸濁液又は粒子群を含まない液媒体)を流入口8からチャンバー内に導入し、捕捉対象粒子以外の粒子群をチャンバー外に回収することもできる。また、回収目的が捕捉対象粒子である場合、捕捉対象粒子以外の粒子群をチャンバー外に排出した後、電極間への電圧印加を停止して捕捉対象粒子を含む液体を回収することができる。捕捉対象粒子以外の粒子群をチャンバー外に排出する際に、捕捉対象粒子の一部もチャンバー外に排出される場合もあるが、このような捕捉対象粒子を含む排出液を回収して再度チャンバー内に導入し、処理を繰り返すことで捕捉対象粒子の回収率を高めることができる。 Furthermore, after capturing the capture target particles in a stationary state, an additional liquid (a liquid medium that does not include a suspension or particle group) is introduced into the chamber from the inflow port 8, and particle groups other than the capture target particles are placed in the chamber. It can also be collected outside. In addition, when the purpose of collection is the particles to be captured, after discharging a particle group other than the particles to be captured out of the chamber, the voltage application between the electrodes can be stopped to recover the liquid containing the particles to be captured. When a particle group other than the capture target particles is discharged out of the chamber, some of the capture target particles may be discharged out of the chamber. It is possible to increase the recovery rate of the particles to be captured by introducing them into the interior and repeating the process.
なお、本発明では、まず、正の誘電泳動により複数種類の粒子群を一旦電極間付近に引き寄せた後に、流動を発生させることもできる。 In the present invention, first, a plurality of types of particle groups are once attracted to the vicinity of the electrodes by positive dielectrophoresis, and then flow can be generated.
ここで、特定の粒子を選択的に捕捉する方法、特に誘電泳動する粒子と熱対流による粒子の流れについてさらに詳細に説明する。なお、熱対流の場合について説明するが、特に本発明における流動が熱対流に限定されるものではない。 Here, a method of selectively capturing specific particles, particularly, a particle flow caused by dielectrophoresis and thermal convection will be described in more detail. Although the case of thermal convection will be described, the flow in the present invention is not particularly limited to thermal convection.
図3は、誘電泳動する粒子群と熱対流による粒子群の流れを示す概念図であり、誘電泳動及び熱対流を発生させた直後の状態を表している。電極部に高周波の交流電圧、加熱部2の例えば直流電圧を印加する。そうすると、正の誘電泳動により粒子A(12)及び粒子B(13)が共に捕捉部10に集まる。しかし、加熱部2により発生した熱対流があるため、誘電泳動力が弱い粒子B(13)はその熱対流により浮遊し、捕捉部10から離れる。一方、誘電泳動力が強い粒子A(12)は熱対流により浮遊せず捕捉部10に捕捉される。 FIG. 3 is a conceptual diagram showing a particle group that undergoes dielectrophoresis and a flow of the particle group due to thermal convection, and shows a state immediately after the occurrence of dielectrophoresis and thermal convection. A high-frequency AC voltage, for example, a DC voltage from the heating unit 2 is applied to the electrode unit. Then, the particles A (12) and the particles B (13) are gathered together in the capturing unit 10 by positive dielectrophoresis. However, since there is a thermal convection generated by the heating unit 2, the particle B (13) having a weak dielectrophoretic force floats due to the thermal convection and moves away from the capturing unit 10. On the other hand, the particles A (12) having a strong dielectrophoretic force do not float due to thermal convection and are captured by the capturing unit 10.
印加する交流電圧は、粒子群と懸濁液のそれぞれの誘電特性を考慮して適宜選択することが望ましい。例えば、粒子群が血球細胞と細菌であって(捕捉対象粒子は血球細胞)、懸濁液の導電率が低い場合(例えば15mS/m以下)で、10Vpp以上50Vpp以下で、100kHz〜10MHzであることが好ましい。 The AC voltage to be applied is preferably selected as appropriate in consideration of the dielectric properties of the particle group and the suspension. For example, when the particle group is blood cells and bacteria (capture target particles are blood cells), and the conductivity of the suspension is low (for example, 15 mS / m or less), it is 10 Vpp or more and 50 Vpp or less and 100 kHz to 10 MHz. It is preferable.
図4は、誘電泳動と熱対流を発生させてからある程度時間が経過した後(例えば数秒後)の状態を表している。誘電泳動と熱対流の発生を続けることにより、懸濁液中の粒子A(12)が捕捉部10に捕捉され、粒子B(13)は懸濁液中に浮遊し、粒子A(12)と粒子B(13)が分離される。 FIG. 4 shows a state after a certain amount of time has passed since the occurrence of dielectrophoresis and thermal convection (for example, several seconds later). By continuing the generation of dielectrophoresis and thermal convection, the particles A (12) in the suspension are captured by the capturing unit 10, and the particles B (13) are suspended in the suspension, and the particles A (12) and Particle B (13) is separated.
なお、流出口9から排出・回収した粒子群を含む液体については、電気や光などの検出手段を用いることで粒子群の濃度や種類の特定や状態の把握などをすることができる。また、回収した捕捉対象粒子が微生物や細胞の場合、核酸の抽出などができる。さらに、回収した捕捉対象粒子が核酸の場合、PCR法により回収した核酸の増幅ができる。 In addition, about the liquid containing the particle group discharged | emitted and collect | recovered from the outflow port 9, the density | concentration and kind of particle group, a grasp of a state, etc. can be grasped | ascertained using detection means, such as electricity and light. In addition, when the collected particles to be captured are microorganisms or cells, nucleic acid can be extracted. Furthermore, when the collected particles to be captured are nucleic acids, the nucleic acids collected by the PCR method can be amplified.
電解質濃度が高い場合電界強度が低下するため、電解質濃度は低い方が好ましい。よって、ポリスチレンなどの粒子は、電解質濃度を下げて(溶液の導電率を下げて)電界強度を強くした方が誘電泳動力が強く働くので、捕捉には適している。一方、細胞などの場合は、上記の理由でやはり電解質濃度を下げる必要があるが、機能維持のためある程度塩濃度を調整することができる。また、浸透圧は例えばマンニトールなどで調整することができる。血球の場合、高電解質の血液中にあるが、血液ダイレクトでは誘電泳動は難しいので、上記方法で希釈する。しかし、希釈効率を考えた場合、塩濃度が多少高い溶液でも使用できる方がよい。電解質濃度が高い場合は、電界強度を上げるため電圧を上げる(不均一の電界強度なので、電極間隔を短くすることも有効)必要がある。また、最適な周波数も変わる。ただ、電解質濃度が高くて電圧を上げると、電極付近で熱対流が発生する。本方法は、誘電泳動で捕捉する力と対流の力で分離する。各パラメータの範囲については、電極構成(電極形状と電極間距離)と分離粒子の種類によると思われる。今回の実施例(粒子が血球と細菌)でいえば、本電極構成の場合、熱対流を起こすには、30mS/m以上、捕捉するための誘電泳動力を得るには、数MHzで、50Vpp以上(上限は装置限界まで)で、150mS/m以下である。 Since the electric field strength decreases when the electrolyte concentration is high, the electrolyte concentration is preferably low. Therefore, particles such as polystyrene are suitable for trapping because the dielectrophoretic force is stronger when the electric field strength is increased by lowering the electrolyte concentration (lowering the conductivity of the solution). On the other hand, in the case of cells and the like, it is necessary to lower the electrolyte concentration for the above reasons, but the salt concentration can be adjusted to some extent to maintain the function. The osmotic pressure can be adjusted with mannitol, for example. In the case of blood cells, although they are in high electrolyte blood, dielectrophoresis is difficult with blood direct, so dilute by the above method. However, considering the dilution efficiency, it is better to be able to use a solution having a slightly higher salt concentration. When the electrolyte concentration is high, it is necessary to increase the voltage in order to increase the electric field strength (since the electric field strength is not uniform, it is also effective to shorten the electrode interval). Also, the optimum frequency changes. However, when the electrolyte concentration is high and the voltage is raised, thermal convection occurs near the electrode. This method separates the force captured by dielectrophoresis and the force of convection. The range of each parameter seems to depend on the electrode configuration (electrode shape and interelectrode distance) and the type of separated particles. In this example (particles are blood cells and bacteria), in the case of this electrode configuration, 30 mS / m or more is required to cause thermal convection, and 50 Vpp at several MHz to obtain dielectrophoretic force for capturing. Above (upper limit is the device limit), it is 150 mS / m or less.
さて、図1、図2で示した装置構成において、図3、図4で示した粒子の選択的捕捉による粒子懸濁液中の粒子の分離方法は、一般的に誘電泳動が利用できる低電解質溶液を主体としている。すなわち導電率が低い粒子懸濁液を用いた場合に、電極部で誘電泳動を発生させ、加熱部2で熱対流を発生させる方法である。しかし、誘電泳動時には電極間に強い電界が生じるため、印加する電圧と周波数、粒子懸濁液の電解質濃度によっては電極間で熱が発生する。つまり、電解質濃度の高い溶液を用いた場合には、電極部で誘電泳動と熱対流が同時に発生する場合がある。その場合について、以下でさらに説明する。 In the apparatus configuration shown in FIGS. 1 and 2, the method for separating particles in the particle suspension by selective trapping of the particles shown in FIGS. 3 and 4 is generally a low electrolyte that can use dielectrophoresis. The solution is mainly used. That is, when a particle suspension having a low electrical conductivity is used, dielectrophoresis is generated at the electrode section and thermal convection is generated at the heating section 2. However, since a strong electric field is generated between the electrodes during dielectrophoresis, heat is generated between the electrodes depending on the applied voltage and frequency and the electrolyte concentration of the particle suspension. That is, when a solution having a high electrolyte concentration is used, dielectrophoresis and thermal convection may occur simultaneously at the electrode portion. Such a case will be further described below.
図5及び図6に本発明の実施の形態における装置構成を説明する。誘電泳動用の電極部は、石英基板1上に電極4及び電極5が形成されている。 The apparatus configuration in the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the electrode part for dielectrophoresis, an electrode 4 and an electrode 5 are formed on a quartz substrate 1.
電極部は、一方の極4と他方の極5との間に捕捉部10を有する薄膜対向型電極である。電極の間隔は、例えば1〜500μmとすることができる。電極の間隔、即ち捕捉部10の幅は、懸濁液中の粒子の大きさにより必要に応じて調整することができる。例えば、血球細胞のような大きなものでは広く、細菌のような小さいものは狭くするように、捕捉対象となる粒子に合わせて調整することができる。しかし、電極の間隔が広くなりすぎると電場が小さくなり誘電泳動力が弱く電極間での熱対流の発生も弱くなるため、誘電泳動により粒子を移動させることや捕捉することや対流により粒子を浮遊させることが難しくなる。一方、狭すぎると大量の粒子を捕捉することが難しくなる。本発明の実施例で使用する血球細胞と細菌の場合、より好ましくは100〜200μmである。また、電極は、上記の実施形態と同様のものを使用することができる。 The electrode part is a thin film counter electrode having a capturing part 10 between one pole 4 and the other pole 5. The distance between the electrodes can be set to 1 to 500 μm, for example. The distance between the electrodes, that is, the width of the capturing unit 10 can be adjusted as necessary depending on the size of the particles in the suspension. For example, it can be adjusted according to the particles to be captured so that it is wide for large cells such as blood cells and narrow for small cells such as bacteria. However, if the distance between the electrodes becomes too wide, the electric field becomes small, the dielectrophoretic force is weak, and the generation of thermal convection between the electrodes is also weak. Therefore, the particles can be moved or trapped by dielectrophoresis or suspended by convection It becomes difficult to let you. On the other hand, when it is too narrow, it becomes difficult to capture a large amount of particles. In the case of blood cells and bacteria used in the examples of the present invention, the thickness is more preferably 100 to 200 μm. Moreover, the electrode similar to said embodiment can be used.
液体保持部11は、電極4,5が配置された基板上に厚さ0.1〜0.5mmのスペーサー6とカバー7とに囲まれた空間により形成され、簡易な構造となっている。 The liquid holding part 11 is formed by a space surrounded by a spacer 6 having a thickness of 0.1 to 0.5 mm and a cover 7 on a substrate on which the electrodes 4 and 5 are arranged, and has a simple structure.
粒子を含む粒子懸濁液は、カバー7に設けられた流入口8から供給し、液体保持部11で保持され、流出口9から回収することができる。 The particle suspension containing the particles can be supplied from the inlet 8 provided in the cover 7, held by the liquid holding unit 11, and collected from the outlet 9.
この装置構成により、電極部で誘電泳動と熱対流が同時に発生した場合、正の誘電泳動により粒子が集まる捕捉部から熱対流が発生し、粒子懸濁液中の粒子で誘電泳動力が弱い粒子は捕捉部から除去することができる。また、特定の粒子を選択的に捕捉した後、除去した粒子のみを回収することができる。回収した粒子を含む溶液は、電気や光などの検出手段を用いることで濃度や種類の特定や状態の把握などができる。また、回収した粒子が微生物や細胞の場合、核酸の抽出などができる。さらに、回収した粒子が核酸の場合、PCR法により回収した核酸の増幅ができる。 With this device configuration, when dielectrophoresis and thermal convection occur simultaneously at the electrode part, thermal convection is generated from the trapping part where particles gather due to positive dielectrophoresis, and the particles in the particle suspension have weak dielectrophoretic force. Can be removed from the trap. Also, after selectively capturing specific particles, only the removed particles can be recovered. The solution containing the collected particles can be used to identify the concentration and type and to grasp the state by using a detection means such as electricity or light. In addition, when the collected particles are microorganisms or cells, nucleic acid can be extracted. Furthermore, when the recovered particles are nucleic acids, the nucleic acids recovered by the PCR method can be amplified.
ここで、本発明における特定の粒子を選択的に捕捉し粒子懸濁液中の粒子を分離する方法についてさらに詳細に説明する。図7は、誘電泳動と熱対流を発生させた直後の状態を表している。電極部に高周波の交流電圧を印加する。正の誘電泳動により粒子A12及び粒子B13が共に捕捉部10に集まる。同時に発生した熱対流により粒子A12より誘電泳動力が弱い粒子B13は対流により浮遊し捕捉部10から離れる。一方、粒子A12は対流により浮遊せず捕捉部10に捕捉される。 Here, the method for selectively capturing specific particles in the present invention and separating the particles in the particle suspension will be described in more detail. FIG. 7 shows a state immediately after the generation of dielectrophoresis and thermal convection. A high frequency alternating voltage is applied to the electrode part. Both particles A12 and particles B13 gather in the capturing unit 10 by positive dielectrophoresis. The particle B13 having a dielectrophoretic force weaker than that of the particle A12 due to the simultaneously generated thermal convection floats by the convection and moves away from the capturing unit 10. On the other hand, the particles A12 do not float by convection and are captured by the capturing unit 10.
なお、印加する交流電圧は、粒子と粒子懸濁液のそれぞれの誘電特性による。例えば、本発明の実施例で使用する粒子が血球細胞と細菌で、粒子懸濁液が一般的に誘電泳動で使用される溶液よりも電解質が高く導電率が30mS/m以上の場合で、50Vpp以上、100kHz〜10MHzである。図8は、誘電泳動と熱対流を発生させ数秒後の状態を表している。誘電泳動と熱対流の発生を続けることにより、粒子懸濁液中の粒子A12が捕捉部10に捕捉され、粒子B13は懸濁液中に浮遊し、粒子A12と粒子B13が分離される。 The AC voltage to be applied depends on the dielectric properties of the particles and the particle suspension. For example, if the particles used in the examples of the present invention are blood cells and bacteria, and the particle suspension is higher in electrolyte than the solution generally used in dielectrophoresis and the conductivity is 30 mS / m or more, 50 Vpp This is 100 kHz to 10 MHz. FIG. 8 shows the state after several seconds after the occurrence of dielectrophoresis and thermal convection. By continuing the generation of dielectrophoresis and thermal convection, the particle A12 in the particle suspension is captured by the capturing unit 10, the particle B13 floats in the suspension, and the particle A12 and the particle B13 are separated.
以下、実施例を用いて本発明に係る粒子の分離方法について詳細に説明する。なお、ここに示す実施例は、本発明の最良の実施形態の一例ではあるものの、本発明は、これら実施例により限定されるものではない。 Hereinafter, the method for separating particles according to the present invention will be described in detail with reference to Examples. In addition, although the Example shown here is an example of the best embodiment of this invention, this invention is not limited by these Examples.
電極及び加熱部は、基材上に金属を蒸着又は堆積させ、次に、エッチングを施して所望の電極パターン及び加熱部をもたらすことにより形成することができる。シリコンゴムとガラスやポリカーボネイトで所望の流路が形成された潅流チャンバを電極及び加熱部が形成された基材上に圧着(吸着)させる。 The electrode and heating section can be formed by depositing or depositing metal on the substrate and then etching to provide the desired electrode pattern and heating section. A perfusion chamber in which a desired flow path is formed of silicon rubber and glass or polycarbonate is pressure-bonded (adsorbed) onto a substrate on which an electrode and a heating unit are formed.
(実施例1)
本実施例で使用した装置構成は、図1及び2に示したものであり、例えば石英等の基板1上に、流動発生手段としての加熱部2と絶縁層3、そして誘電泳動用の電極A4及び電極B5(薄膜対向型電極)が積層され形成されている。電極幅は100μmで、電極A4と電極B5との間隔(電極の間隔)は100μmである。つまり、捕捉部10の幅も100μmである。加熱部2は、幅50μmの微小ヒータであり、捕捉部10の下方であって基板1の上に配置される。微小ヒータはペルチェ素子を用いた。なお、微小ヒータは白金薄膜抵抗体などでも可能である。スペーサーは厚さ0.5mmのシリコンゴム製であり、カバー7はガラス製である。
Example 1
The apparatus configuration used in the present embodiment is as shown in FIGS. 1 and 2, for example, on a substrate 1 such as quartz, a heating unit 2 and an insulating layer 3 as flow generating means, and an electrode A4 for dielectrophoresis. And an electrode B5 (thin film counter electrode) are stacked. The electrode width is 100 μm, and the distance between the electrodes A4 and B5 (electrode distance) is 100 μm. That is, the width of the capturing unit 10 is also 100 μm. The heating unit 2 is a minute heater having a width of 50 μm, and is disposed on the substrate 1 below the capturing unit 10. A Peltier element was used as the minute heater. The minute heater can be a platinum thin film resistor or the like. The spacer is made of silicon rubber having a thickness of 0.5 mm, and the cover 7 is made of glass.
懸濁液は、流入口8から供給される。そして、捕捉対象粒子を選択的に捕捉した後、捕捉部10に捕捉されなかった粒子を含む液を流出口9から回収する。 The suspension is supplied from the inlet 8. Then, after selectively capturing particles to be captured, a liquid containing particles that are not captured by the capturing unit 10 is collected from the outlet 9.
次に、本発明で使用した粒子群及び液媒体について説明する。本実施例で用いた粒子群は、代表的な白血球細胞であるヒト骨髄球性白血病細胞K562と、代表的な微生物でグラム陰性のEsceria.coli(E.coli)とからなる。また、液媒体は細胞の誘電泳動で一般的に用いられる非電解質のスクロース溶液に、ウシ胎児血清(Fetal Bovine Serum;FBS)を加えて導電率の調整を行ったものを用いた。なお、血液と同等の浸透圧とするため、スクロース溶液の濃度は9.58w/v%とした。調整した液媒体の導電率と血清濃度、塩濃度の関係を表1に示す。 Next, the particle group and the liquid medium used in the present invention will be described. The particle group used in this example includes human myeloid leukemia cell K562, which is a typical white blood cell, and Escheria. E. coli (E. coli). The liquid medium used was a non-electrolyte sucrose solution generally used in cell dielectrophoresis and fetal bovine serum (FBS) added to adjust the conductivity. In order to obtain an osmotic pressure equivalent to that of blood, the concentration of the sucrose solution was set to 9.58 w / v%. Table 1 shows the relationship between the conductivity, serum concentration, and salt concentration of the adjusted liquid medium.
これらの液媒体にK562細胞を106個/ml、E.coliを104個/mlとなるように添加し、懸濁液を調製した。 10 6 cells / ml of K562 cells in these liquid media; E. coli was added at 10 4 cells / ml to prepare a suspension.
次に、導電率が15mS/mの懸濁液を流入口8から液体保持部11に供給し、懸濁液を電極に接触させた。次に、電極に交流電圧20Vpp、1MHz、加熱部2に直流電圧(5V)を印加した。時間の経過と共に溶液中の粒子(K562細胞)は捕捉部10に補足された。一方、E.coliは捕捉部10には捕捉されずに溶液中に浮遊した。また、K562細胞を補足した後、溶液を流出口9から回収することにより、K562細胞が除かれE.Coliが浮遊している溶液を得た。なお、確認は、血球計算板を使用し、顕微鏡により目視観察により行った。 Next, a suspension having an electrical conductivity of 15 mS / m was supplied from the inlet 8 to the liquid holding unit 11, and the suspension was brought into contact with the electrode. Next, an AC voltage of 20 Vpp and 1 MHz were applied to the electrodes, and a DC voltage (5 V) was applied to the heating unit 2. The particles (K562 cells) in the solution were captured by the capturing unit 10 over time. On the other hand, E.I. E. coli was not trapped in the trapping part 10 and floated in the solution. In addition, after supplementing the K562 cells, the K562 cells are removed by recovering the solution from the outlet 9, and the E. coli cells are removed. A solution with floating Coli was obtained. The confirmation was performed by visual observation with a microscope using a hemocytometer.
また、0.5mS/mの懸濁液を流入口から供給し、電極に交流電圧10Vpp、周波数1MHz、加熱部に直流電圧(5V)を印加したところ、15mS/mの懸濁液の場合と同様に、K562細胞が除かれE.Coliが浮遊している溶液を得ることができた。 In addition, when a 0.5 mS / m suspension was supplied from the inlet, an AC voltage of 10 Vpp, a frequency of 1 MHz was applied to the electrodes, and a DC voltage (5 V) was applied to the heating unit, a suspension of 15 mS / m was obtained. Similarly, K562 cells are removed and E. coli is removed. A solution in which Coli was suspended could be obtained.
また、27mS/mの懸濁液を流入口から供給し、電極に交流電圧30Vpp、周波数1MHz、加熱部に直流電圧(5V)を印加したところ、15mS/mの懸濁液の場合と同様に、K562細胞が除かれE.Coliが浮遊している溶液を得ることができた。 In addition, a suspension of 27 mS / m was supplied from the inlet, and an AC voltage of 30 Vpp, a frequency of 1 MHz was applied to the electrode, and a DC voltage (5 V) was applied to the heating unit, as in the case of the suspension of 15 mS / m. K562 cells were removed and A solution in which Coli was suspended could be obtained.
(実施例2)
本発明の実施の形態2で使用した装置構成は図5、図6で示したものである。誘電泳動用の電極部は、石英基板1上に、電極A4及び電極B5が形成されている。電極幅は100μmで、一方の電極A4と他方の電極B5との間隔は100μmである。検体(粒子)を含む検体懸濁液は、流入口8から供給し、電極部が配置された基板上に厚さ0.5mmのシリコンゴム製のスペーサー6とガラスのカバー7とに囲まれた空間に保持される。特定の検体を選択的に捕捉した後、捕捉部に捕捉されなかった検体を含む検体懸濁液は、流出口9から回収する。この装置構成で、正の誘電泳動と同時に捕捉部10から熱対流を同時に発生させ、検体懸濁液中の検体で誘電泳動力が弱い検体は捕捉部から除去することができる。また、特定の検体を選択的に捕捉した後、除去した検体のみを回収することができる。
(Example 2)
The apparatus configuration used in Embodiment 2 of the present invention is that shown in FIGS. In the electrode part for dielectrophoresis, an electrode A4 and an electrode B5 are formed on a quartz substrate 1. The electrode width is 100 μm, and the distance between one electrode A4 and the other electrode B5 is 100 μm. The specimen suspension containing the specimen (particles) is supplied from the inflow port 8 and is surrounded by a silicon rubber spacer 6 having a thickness of 0.5 mm and a glass cover 7 on the substrate on which the electrode portion is arranged. Held in space. After selectively capturing a specific sample, the sample suspension containing the sample that has not been captured by the capturing unit is collected from the outlet 9. With this apparatus configuration, thermal convection is simultaneously generated from the capture unit 10 simultaneously with positive dielectrophoresis, and a sample having a weak dielectrophoretic force in the sample suspension can be removed from the capture unit. Further, after selectively capturing a specific specimen, only the removed specimen can be collected.
次に、本発明で使用した検体懸濁液について説明する。本実施例で用いた検体は実施例1で記載したものと同じである。液媒体は、細胞の誘電泳動で一般的に用いられる非電解質のスクロース溶液に、ウシ胎児血清(Fetal Bovine Serum;FBS)を加えて下記表2に示すように導電率の調整を行ったものを用いた。なお、血液と同等の浸透圧とするため、スクロース溶液の濃度は9.58w/v%とした。調整した液媒体の導電率と血清濃度、塩濃度の関係を表2に示す。 Next, the specimen suspension used in the present invention will be described. The specimen used in this example is the same as that described in Example 1. The liquid medium was prepared by adding fetal bovine serum (FBS) to a non-electrolyte sucrose solution generally used in cell dielectrophoresis and adjusting the conductivity as shown in Table 2 below. Using. In order to obtain an osmotic pressure equivalent to that of blood, the concentration of the sucrose solution was set to 9.58 w / v%. Table 2 shows the relationship between the conductivity, serum concentration, and salt concentration of the adjusted liquid medium.
これらの液媒体に、K562細胞を106個/ml、E.coliを104個/mlとなるように調整し、検体懸濁液を調製した。 In these liquid media, 10 6 cells / ml of K562 cells, E. coli. The sample suspension was prepared by adjusting the E. coli to 10 4 cells / ml.
次に、本発明における特定の検体を選択的に捕捉する方法について説明する。実施例1よりも導電率が高い56、110及び131mS/mの検体懸濁液を使用した。これらの検体懸濁液を流入口8から供給し、電極部が配置された基板上にシリコンゴム製のスペーサー6とガラスのカバー7とに囲まれた空間に保持した。次に、電極部に交流電圧50Vpp、1MHzを印加した。時間の経過と共に検体懸濁液中のK562細胞は捕捉部10に補足された。一方、E.coliは捕捉部10には捕捉されずに検体懸濁液中に浮遊した。また、K562細胞を補足した後、検体懸濁液を流出口9から回収することにより、検体懸濁液からK562細胞が除かれE.coliが浮遊している検体懸濁液を回収できた。 Next, a method for selectively capturing a specific specimen in the present invention will be described. Specimen suspensions of 56, 110 and 131 mS / m, which have higher conductivity than Example 1, were used. These specimen suspensions were supplied from the inlet 8 and held in a space surrounded by a spacer 6 made of silicon rubber and a glass cover 7 on the substrate on which the electrode portion was arranged. Next, an AC voltage of 50 Vpp and 1 MHz were applied to the electrode part. The K562 cells in the specimen suspension were captured by the capturing unit 10 with the passage of time. On the other hand, E.I. E. coli was not captured by the capture unit 10 but floated in the sample suspension. In addition, after supplementing the K562 cells, the sample suspension is recovered from the outlet 9, whereby the K562 cells are removed from the sample suspension. The sample suspension in which E. coli was suspended could be recovered.
1 基板
2 加熱部
3 絶縁膜
4 電極A
5 電極B
6 スペーサー
7 カバー
8 流入口
9 流出口
10 捕捉部
11 液体保持部
12 粒子A
13 粒子B
1 Substrate 2 Heating part 3 Insulating film 4 Electrode A
5 Electrode B
6 Spacer 7 Cover 8 Inlet 9 Outlet 10 Trapping part 11 Liquid holding part 12 Particle A
13 Particle B
Claims (10)
基板上に設けられた少なくとも2つの電極間に交流電圧を印加して不均一電界を形成させることにより、前記粒子群を誘電泳動させて前記電極間付近の基板面に接触させるように前記粒子群を引き寄せ、
前記基板上の前記電極間に設けられた流動発生手段により局所的な流動を発生させることにより、前記捕捉対象粒子以外の誘電泳動力の低い粒子を前記電極間付近から排除し、捕捉対象粒子を前記電極間付近に捕捉することを特徴とする粒子の分離方法。 A method of separating particles to be captured by dielectrophoresis from a suspension containing a particle group consisting of at least two kinds of particles,
An AC voltage between at least two electrodes provided on the substrate by applying by forming a non-uniform electric field, the particles so as to contact with the substrate surface near the between the electrodes the particles by dielectrophoresis Draw
By generating a local flow by the flow generation means provided between the electrodes on the substrate, particles having a low dielectrophoretic force other than the capture target particles are excluded from between the electrodes, and the capture target particles are A method for separating particles, wherein the particles are trapped in the vicinity of the electrodes.
前記捕捉対象粒子以外の粒子を前記電極間付近から排除した後に、前記捕捉対象粒子以外の粒子を含む液体を回収する工程と、
を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の粒子の分離方法。 Contacting the suspension with the electrode before forming the non-uniform electric field;
Recovering a liquid containing particles other than the capture target particles after removing particles other than the capture target particles from between the electrodes; and
The method for separating particles according to claim 1, wherein:
前記懸濁液を保持するチャンバーと、
前記チャンバーを構成する基板上に設置され、交流電圧を印加することにより不均一電界を発生し、前記粒子群を誘電泳動させて基板面に接触させるように引き寄せる少なくとも2つの電極と、
前記基板上であって前記電極間に設けられ、前記電極間付近に局所的な流動を発生させる流動発生手段と、を有し、
前記捕捉対象粒子以外の誘電泳動力の低い粒子を前記電極間付近から前記流動によって排除し、捕捉対象粒子を前記電極間付近に捕捉することを特徴とする粒子の分離装置。 An apparatus for capturing particles to be captured from a suspension containing a particle group composed of at least two kinds of particles using a difference in dielectrophoretic force ,
A chamber holding the suspension;
At least two electrodes installed on the substrate constituting the chamber, generating an inhomogeneous electric field by applying an alternating voltage, and attracting the particles to contact the substrate surface by dielectrophoresis;
Provided between the electrodes A on the substrate, we have a, a flow generating means for generating a local flow around between the electrodes,
A particle separation apparatus , wherein particles having low dielectrophoretic force other than the particles to be captured are excluded from the vicinity between the electrodes by the flow, and the particles to be captured are captured in the vicinity between the electrodes .
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