JP6171124B2 - 検査装置、検査システム、及び検査方法 - Google Patents

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Description

本発明は、試料液中の細菌や細胞等の誘電体粒子を検査する検査装置、検査システム、及び検査方法に関する。
試料液中に含まれる細菌や細胞等の誘電体粒子を、誘電泳動を利用して検査する検査方法が知られている。
例えば、特許文献1は、検体液中に含まれる細菌や微生物等の微粒子を、誘電泳動を利用して、効率よく計数するための微生物検出方法を開示している。特許文献1の方法では、一対の薄膜電極が形成された検出基板上の検出領域を、電極間隙の各直線部の全長を数十分割する検出単位面に区切り、各検出単位面において、誘電泳動によって電極の縁に一端が付着した微粒子の数を計数している。さらに、検出単位面を順次走査して、微粒子の数を合算することにより、検出領域内に存在していた微粒子の総数を検出している。
特開2008−196860号公報
特許文献1の微生物検出方法では、各検出単位面において、誘電泳動によって電極の縁に微粒子の一端を付着させ、固定化された微粒子を一つずつ計数していた。このため、微粒子の総数を検出するために手間がかかり、労力を浪費していた。
本発明の目的は、試料液中に含まれる細菌や細胞等の量を簡単に検査することができる検査装置、検査システムおよび検査方法を提供することである。
本発明の一態様に係る検査装置は、試料液中に含まれる誘電体粒子の量を検査する装置である。検査装置は、誘電体捕集部と、ポンプ部と、交流電圧供給部とを備える。誘電体捕集部は、少なくとも一対の電極と上記一対の電極上に所定方向に延在する流路とを有する。ポンプ部は、上記流路を上記所定方向に進むように、上記試料液を送液する。交流電圧供給部は、上記送液される試料液中の誘電体粒子が誘電泳動を起こすように、所定周波数の交流電圧を上記一対の電極に供給する。上記誘電体捕集部は、上記一対の電極の間で上記所定方向に並んだ複数のスリット領域を有する。上記複数のスリット領域のそれぞれは、上記流路中において互いに分離している。
本発明の一態様に係る検査システムは、検査装置と、表示部とを備える。検査装置は、上記複数のスリット領域が並んだ所定領域を撮像する撮像部をさらに備える。表示部は、上記検査装置の撮像部によって撮像された画像を表示する。
本発明の一態様に係る検査方法は、試料液中に含まれる誘電体粒子の量を検査する方法である。本方法は、少なくとも一対の電極と上記一対の電極上に所定方向に延在する流路とを有する誘電体捕集部において、上記流路を上記所定方向に進むように上記試料液を送液するステップを含む。本方法は、上記送液される試料液中の誘電体粒子が誘電泳動を起こすように、所定周波数の交流電圧を上記一対の電極に供給するステップを含む。本方法は、上記誘電体捕集部において上記一対の電極の間で上記所定方向に並んだ複数のスリットの中で、上記誘電体粒子が飽和したスリットを計数するステップを含む。
本発明に係る検査装置、検査システム、及び検査方法によると、細菌や細胞等の誘電体粒子が飽和したスリットを計数することで、試料液中に含まれる細菌や細胞等の量を簡単に検査することができる。
実施形態1に係る検査システムの構成を示すブロック図 本システムの誘電泳動装置における捕集ユニットを説明するための図 捕集ユニットにおけるフィルム電極の配線領域の拡大図 配線領域におけるマイクロ電極部の拡大図 本検査方法の原理を説明するための図 本システムにおける撮像方法を説明するための図 実施形態1に係る検査方法の第1の実験結果を示すグラフ 本検査方法の第1の実験における撮像画像 本検査方法の第2の実験における撮像画像 実施形態2に係る多段階切替法におけるマイクロ電極部の状態を示す画像 本システムにおける多段階切替処理を示すフローチャート 図11のステップS4の撮像処理を説明するための図 多段階切替法の実験結果を示すグラフ 多段階切替処理の変形例を示すフローチャート
以下、添付の図面を参照して本発明に係る誘電泳動を用いた検査装置、検査システム及び検査方法の実施の形態を説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
(実施形態1)
1.構成
1−1.システム構成
実施形態1に係る検査システムの全体構成について、図1を参照して説明する。図1は、実施形態1に係る検査システムの構成を示すブロック図である。本実施形態に係る検査システムは、誘電泳動装置1と、制御装置20と、情報処理装置21と、廃液チャンバ22とを備える。本検査システムは、誘電泳動装置1において、試料液(サンプル)中の細菌や細胞の誘電泳動を利用して、細菌等の検査を行うシステムである。本システムにおいて、誘電泳動装置1は制御装置20で制御され、誘電泳動装置1において細菌等の検査対象が捕集された状態は、情報処理装置21において表示される。
誘電泳動装置1は、ポンプ部10と、交流電圧供給部11と、撮像部12と、捕集ユニット3とを備える。誘電泳動装置1は、本実施形態における検査装置の一例である。
ポンプ部10は、例えばシリンジポンプで構成され、駆動部10aと、サンプルシリンジ10bとを備える。駆動部10aは、モータなどを備えて構成され、制御装置20により駆動制御される。サンプルシリンジ10bは、試料液を保持するシリンジである。サンプルシリンジ10bにおける送液部分には、捕集ユニット3が接続されている。ポンプ部10では、駆動部10aの駆動制御によってサンプルシリンジ10bから試料液が、流速や流量を適宜設定されて、捕集ユニット3に送液される。
捕集ユニット3は、試料液が所定方向(液流方向)に流れる流路13と、流路13中に設けられたマイクロ電極部30とを有する。ポンプ部10から送液された試料液は、捕集ユニット3内の流路13を貫流して、廃液チャンバ22に廃液される。マイクロ電極部30は、マイクロオーダで形成された電極群で構成される。捕集ユニット3では、流路13中のマイクロ電極部30上に試料液が流れている際に、交流電圧供給部11からマイクロ電極部30に所定の交流電圧が供給される。これにより、試料液中における検査対象の細菌などが、誘電泳動を起こしてマイクロ電極部30に捕集される。捕集ユニット3は、マイクロ電極部30において細菌等の誘電体粒子を捕集する誘電体捕集部の一例である。捕集ユニット3の構成の詳細については後述する。
交流電圧供給部11は、例えばファンクションジェネレータで構成される。交流電圧供給部11は、制御装置20の制御により、所望の周波数及び電圧振幅を有する交流電圧を発生して、捕集ユニット3のマイクロ電極部30に供給する。
撮像部12は、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサなどの撮像素子12aと、光学顕微鏡モジュール12bとを備える。光学顕微鏡モジュール12bは、位相差顕微鏡であってもよいし、落射顕微鏡であってもよい。また、光学顕微鏡モジュール12bは、例えばレンズ交換などにより、位相差顕微鏡と落射顕微鏡とに切替え可能に構成されてもよい。また、蛍光観察を行う場合、適宜、蛍光フィルタを用いる。撮像部12は、捕集ユニット3におけるマイクロ電極部30中の所定の領域(詳細は後述)を撮像し、撮像画像を情報処理装置21に出力する。撮像部12の撮像動作は、制御装置20によって制御されてもよいし、情報処理装置21によって制御されてもよい。
制御装置20は、例えばCPU、MPUを備える。制御装置20は、ポンプ部10による試料液の送液や交流電圧供給部11による交流電圧の供給などの誘電泳動装置1の動作を制御する。制御装置20は、フラッシュメモリなどの内部メモリを備え、内部メモリに格納されたプログラムに基づいて種々のデータ等を利用して演算処理を行うことにより、各種の機能を実現する。制御装置20は、専用に設計された電子回路や再構成可能な電子回路などのハードウェア回路(ASIC,FPGA等)で構成されてもよい。制御装置20の機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア(電子回路)のみで実現されてもよい。
情報処理装置21は、例えばパーソナルコンピュータで構成される。情報処理装置21は、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ(表示部)を備え、撮像部12の撮像画像を表示する。情報処理装置21は、フラッシュメモリなどの内部メモリを備え、内部メモリに格納されたプログラムに基づいて、各種の機能を実現する。例えば、情報処理装置21は、撮像部12の撮像画像の画像解析を行い、撮像画像中で所定の条件に該当する領域(スリット)の数を計数する。情報処理装置21は、撮像部12の撮像動作を制御してもよい。また、情報処理装置21と制御装置20とは、情報処理装置21において制御装置20の各種機能を実現することで、一体的に構成されてもよい。情報処理装置21は、本実施形態における表示部の一例であり、且つ撮像部12の撮像結果を解析する画像解析部の一例である。
廃液チャンバ22は、誘電泳動装置1の捕集ユニット3を貫流した試料液を溜めるチャンバである。廃液チャンバ22は、誘電泳動装置1の内部に組み込まれてもよい。
1−2.捕集ユニットの構成
捕集ユニット3の構成について、以下、図2〜4を参照して説明する。
図2(a)は、捕集ユニット3の平面図を示す。図2(b)は、図2(a)に示す捕集ユニット3のA−A’線断面図を示す。捕集ユニット3は、図2(a)に示すように略矩形の平板形状を有する。また、図2(b)に示すように、捕集ユニット3は、カバー板31と、スペーサ32と、電極フィルム33とを備え、これらが厚み方向に順次、重ね合わさった構造である。
図2(c)は、捕集ユニット3におけるカバー板31の平面図を示す。図2(d)は、スペーサテープ32の平面図を示す。図2(e)は、電極フィルム33の平面図を示す。
カバー板31は、例えば透明のアクリル板などで形成される平板状の部材である。図2(c)に示すように、カバー板31には、2つの挿通孔31a,31bと、切り欠き部31cとが設けられている。各挿通孔31a,31bは、それぞれ捕集ユニット3内の流路13の始点及び終点に対応している(図2(a)参照)。切り欠き部31cは、カバー板31において、電極フィルム33上の電極パッド33aに対応した位置に形成される。
スペーサ32は、例えば透明のPET(ポリエステル)テープで形成される部材である。スペーサ32には、流路13に対応する矩形穴32aと、カバー板31の切り欠き部31cと同形状の切り欠き部32bとが形成されている。スペーサ32は、3M(登録商標)9969等の粘着剤により、各主面においてそれぞれカバー板31と電極フィルム33とに接着し、カバー板31と電極フィルム33との間隔(すなわち流路13の高さ)を所定幅(例えば0.1mm)に固定する。
電極フィルム33は、PEN(ポリエチレンナフタレート)フィルムなどの透明のフィルム基材に、マイクロ電極部30が設けられた部材である。マイクロ電極部30は、電極フィルム33の主面上の配線領域(詳細は後述)において、電極パッド33aに電気的に連結している。マイクロ電極部30や電極パッド33aは、例えば、蒸着法やスパッタリング法によってクロム等の金属材料で形成される。
捕集ユニット3は、電極パッド33aにおいて、交流電圧供給部11に電気接続する(図1参照)。図2(a)に示すように、電極パッド33aは、カバー板31とスペーサ32と電極フィルム33とが重ね合わさった状態において、切り欠き部31c,32bによって露出する。このため、捕集ユニット3は、簡単に交流電圧供給部11に電気接続させることができる。
また、捕集ユニット3の流路13は、矩形穴32aの周囲においてスペーサ32がカバー板31と電極フィルム33とを所定間隔で密着させることにより形成される。流路13の両端に位置する2つの挿通孔31a,31bに、それぞれサンプルシリンジ10b及び廃液チャンバ22を挿抜可能に連結させることで、試料液を流路13に簡単に貫流させることができる。以上のように、捕集ユニット3は、電機接続や流路の接続が簡単に行え、誘電泳動装置1において細菌などの捕集後、使い捨てしたり、使い回ししたりすることが容易に行える。
図3は、図2(e)の電極フィルム33における配線領域の拡大図である。本実施形態において、電極フィルム33におけるマイクロ電極部30は、二組の電極対CH1,CH2を有する。交流電圧供給部11からの交流電圧は、第1及び第2の電極対CH1,CH2の電極毎に、電極パッド33aを介して供給される。第1及び第2の電極対CH1,CH2は、中央線L1において線対称に形成されている。以下、第1の電極対CH1について説明する。
第1の電極対CH1は、2つの電極41,42からなる。電極41,42は、それぞれ等間隔に並んだ櫛歯形状を有する。2つの電極41,42の櫛歯形状における複数の凸部は、流路13の液流方向において、交互に所定間隔をあけて配列される。電極41,42の各凸部は、液流方向と交差(直交)する方向に延在している。第2の電極対CH2の電極41,42についても、同様の配置である。
図4は、流路13の端部近傍の領域Riにおけるマイクロ電極部30の拡大図である。マイクロ電極部30では、流路13上で電極41,42の各凸部の間のスリットにより、所定幅W2を有するスリット状の領域Rs(以下、「スリット領域」という)が形成される。複数のスリット領域Rsは、図4に示すように、一対の電極41,42の間で液流方向に並んでいる。各スリット領域Rsの幅W2は、例えば10μm〜20μmにおける所定値に設定される。これに対して、電極41,42の凸部の幅W1は、例えば100μmである。スリット領域Rsの幅W2は、1μm〜50μmの範囲内で設定されてもよい。
また、本実施形態において、マイクロ電極部30と流路13とは、電極41,42の各凸部がそれぞれ所定の長さΔdだけ流路13からはみ出すように設定されている。換言すると、電極フィルム33上で一対の電極41,42の間で複数のスリット領域Rsを連結する領域は、流路13の外部に配置されている。これにより、流路13が延在する所定方向(液流方向)に並んだ複数のスリット領域Rsは、流路13中においては連結せずに、互いに分離する。例えば、流路13の幅W3(図3参照)が3mmに対して、電極41,42の両端がはみ出す長さΔdは、0.3mmに設定される。また、各電極41,42の凸部の厚みは、例えば100nm程度である。
本検査システムでは、誘電泳動装置1において細菌などの誘電泳動を行う際、図3に示すように、マイクロ電極部30内で電極41,42の凸部が流路13の上流から順次並んだ領域Rcを、撮像部12により撮像する。これにより、映し出されたスリット領域Rsの数を計測すること、即ちスリット(Rs)を計数することが容易な撮像画像が得られる。
ここで、スリット領域Rs同士が流路13中で連結している場合、例えば上流側のスリット領域Rsにおいて捕集された細菌等が、電極41,42間の誘電泳動力を維持しながら下流側のスリット領域Rsに移動するような事態が想定される。これに対して、上記のように流路13中で各スリットRs領域を分離させることにより、複数のスリット領域Rs間で捕集済みの細菌等が移動することを抑制でき、スリット(Rs)の計数による菌量の検査を行い易くすることができる(以下、「スリット領域Rs」を「スリットRs」と略記する場合がある)。
2.動作及び検査方法
本システムの動作及び本システムにおける検査方法について、以下説明する。
2−1.検査方法の原理について
図5は、本実施形態に係る検査方法の原理を説明するための図である。
本実施形態に係る検査システム及び検査方法では、誘電泳動を利用して、試料液に含まれる検査対象の細菌等を捕集する。図5(a)に示すように、電極41,42間に周波数ωの交流電圧を供給した場合に、流路13を流れる試料液中の生菌や死菌などの細菌に作用する誘電泳動力FDEPは、次式で表される。
DEP=2πrεRe[K(ω)]∇E …(1)
上式(1)において、rは検査対象の生菌や死菌などの誘電体粒子の半径であり、εは試料液の媒質の誘電率であり、Eは電場の強度である。また、Re[X]は複素数Xの実部を表す。K(ω)は、Clausius-Mossotti因子であり、次式で表される。
K(ω)=(ε −ε )/(ε +2ε ) …(2)
上式(2)において、ε (=ε+ρ/(jω))は、誘電体粒子の複素誘電率である(εは誘電体粒子の誘電率で、ρはその導電率)。また、ε (=ε+ρ/(jω))は、媒質の複素誘電率である(ρは媒質の導電率)。
上式(1)において、Re[K(ω)]>0であるとき、電極41,42の設置方向に対して正の誘電泳動力FDEPが誘電体粒子に作用し、誘電体粒子は電極41,42近傍に引きつけられてスリットRsに吸着される。一方、Re[K(ω)]<0であるとき、負の誘電泳動力FDEPが誘電体粒子に作用し、誘電体粒子は電極41,42に対して反発する。このため、周波数ωを適宜、設定することにより、検査対象外の夾雑物等を排除しながら、検査対象を選択的にスリットRsに吸着させることができる。
試料液中の細菌は、正の誘電泳動力FDEPを作用させることで、スリットRsに捕集される。細菌は所定サイズを有するので、スリットRsにおいて一定量の細菌が捕集されると、スリットRsが、細菌で埋め尽くされて飽和する。また、本システムでは、流路13中で複数のスリットRsが液流方向に所定間隔を空けて配置されるようにマイクロ電極部30を設定しているので、流路13中で上流のスリットRsから順番に飽和することとなる。
そこで、本検査方法では、本システムのユーザにより、試料液中に含まれる細菌等の量を、以下のように計測する。
まず、スリットRs1つ当たりで飽和が生じた場合に捕集される細菌等の量(飽和量)をあらかじめ求めておく。
次に、誘電泳動装置1を制御装置20で制御して、ポンプ部10から試料液を捕集ユニット3の流路13に流しながら、交流電圧供給部11から流路13中のマイクロ電極部30に所定周波数の交流電圧を供給し、検査対象に正の誘電泳動力を作用させる。
次に、マイクロ電極部30においてスリットRsが並んだ領域Rc(図3参照)を撮像し、撮像画像において、飽和したスリットRsの数を計数する。スリット数の計数は、情報処理装置21が撮像画像に対する画像解析によって行ってもよいし、情報処理装置21に表示された撮像画像に基づき、ユーザが行ってもよい。また、領域Rcを撮像せずに、ユーザが直接、光学顕微鏡を覗いて、飽和したスリットRsの計数を行ってもよい。
試料液に含まれる検査対象の細菌等の量は、あらかじめ求めた飽和量と計数結果のスリット数との積で求められる。このため、細菌等が付着して飽和したスリットの数を測定することで、試料液に含まれる検査対象を簡単に定量評価することができる。
スリットRsの飽和量は、検査対象の細菌等の種類やサイズに基づいて算出できる。また、検査対象に応じて、正の誘電泳動力が作用するように交流電圧の周波数ωを設定し、交流電圧の電圧振幅や流路13中の流速も適宜、制御する。これにより、種々の検査対象を選択的に捕集して、簡単に定量評価することができる(詳細は後述)。
例えば、周波数制御により、細菌における生菌(活性菌)と死菌(損傷菌)を区別するか否かを切り替えることができる。図5(a)は、生菌と死菌とを共に捕集する場合の例を示す。例えば周波数ω=100kHzで電極41,42に交流電圧を供給することにより、生菌と死菌との双方に正の誘電泳動力を作用させて、生菌と死菌との双方を他のものと区別して捕集することができ、定量評価することができる。
図5(b)は、生菌を選択的に捕集する場合の例を示す。図5(b)に示す例では、図5(a)に示すように周波数ω=100kHzでの動作後、周波数ωを3MHzにまで上げている。すると、生菌には正の誘電泳動力が作用する一方、死菌には作用しなくなる。これにより、生菌のみをスリットRsに吸着して、死菌を除いた生菌の量を簡単に定量評価することができる。
2−2.評価方法について
本システムでは、種々の観察法を用いて、マイクロ電極部30において細菌等で飽和したスリットを計数し、細菌等の定量評価をすることができる。以下、図6(a)〜(e)を参照して、本システムにおける菌量の評価方法について説明する。
図6(a),(b)は、位相差観察法における誘電泳動を行う前後の状態の撮像例を示す。図6(c),(d)は、明視野観察法における誘電泳動を行う前後の状態の撮像例を示す。図6(e)は、蛍光観察法における誘電泳動を行った後の状態の撮像例を示す。
本実施形態において、位相差観察を行う場合、撮像部12(図1参照)において位相差顕微鏡を用いる。この場合に、誘電泳動を行う前の初期状態において、マイクロ電極部30の領域Rcを観察(撮像)すると、図6(a)に示すように、電極41,42が暗く映る一方、スリットRsは明るく映る。これは、電極41,42が不透明である一方、スリットRsは透明であるためである。
これに対して、誘電泳動を行い、細菌がスリットRsに捕集されると、図6(b)に示すように、飽和したスリットRsが暗くなる。これは、飽和したスリットRsにおいて細菌が集積することにより、スリットRsが不透明化するためである。よって、誘電泳動を行う前後において明るく映し出されたままのスリット数を計数したり、暗くなったスリット数を計数したりすることで、細菌の量を定量評価することができる。
また、明視野観察を行う場合、撮像部12において落射顕微鏡を用いる。この場合に、誘電泳動を行う前の初期状態において、マイクロ電極部30の領域Rcを観察すると、落射顕微鏡から出射した光の反射光の調整により、図6(c)に示すように、電極41,42もスリットRsも、暗く映る。
これに対して、誘電泳動を行い、細菌がスリットRsに捕集されると、捕集された菌からの反射光により、図6(d)に示すように、飽和したスリットRsが明るく映し出される。この場合、誘電泳動を行った後に明るく映し出されたスリット数を計数することで、細菌の量を定量評価することができる。
また、蛍光観察を行う場合、試料液中の検査対象に対して、蛍光標識を用いる。また、撮像部12において、例えば蛍光フィルタ等を適宜、設定した落射顕微鏡(蛍光顕微鏡)を用いる。この場合における誘電泳動を行う前の初期状態は、明視野観察の場合(図6(c))と同様である。これに対して、誘電泳動装置1において誘電泳動を行い、細菌がスリットRsに捕集されると、図6(e)に示すように、飽和したスリットRsが蛍光発光する。このため、誘電泳動を行った後に飽和したスリットRsがより明瞭に映し出され、スリット数を計数しやすくなる。
2−3.実験結果について
以下、本実施形態に係る検査方法の実験結果について、図7〜9を参照して説明する。図7は、本検査方法の第1の実験結果を示すグラフである。図8は、本検査方法の第1の実験における撮像画像である。
図7,8に示す第1の実験では、検査対象の実験菌として、大腸菌(ATCC 11775)を用いた。試料液中の実験菌の量を変えて、複数回、上記の検査方法を実施した。撮像方法としては、位相差観察法を採用した(図6(a),(b)参照)。
図7において、横軸は、実験菌が飽和するまで捕集され、充填されたスリットの本数を表す。縦軸は、実験菌の量を表し、縦軸の単位は、10CFU(コロニー形成単位)である。
図8(a)〜(e)は、それぞれ図7のグラフでプロットされている実験結果に対応した撮像画像を示す。図8(a)は、初期状態(0CFU)の撮像画像を示す。図8(b)〜(e)は、それぞれ実験菌量を0.7×10CFU、1.4×10CFU、2.8×10CFU、4.2×10CFUに設定した場合の撮像画像を示す。
図8(a)では、初期状態で実験菌が捕集されていないことに対応して、8本全てのスリットが明るく映し出されている。図8(b)では、図8(a)の左端に明るく映し出されていた1本のスリットが暗くなっている。図8(c)では、図8(b)の状態からさらに1本のスリットが暗くなっている。暗くなったスリットは、試料液中に含まれる実験菌により飽和(充填)したスリットである。図8(c)では、図8(b)の略2倍の実験菌量(1.4×10CFU)が設定されているため、暗くなったスリット数が実際に試料液中に含まれる実験菌量に対応していることがわかる。
また、図8(d),(e)においても、実験菌量が2.8×10CFU、4.2×10CFUに順次、増えていることに対応して、暗くなったスリット数が増えている。図7に示すように、図8(a)〜(e)で暗くなったスリット数と、その場合の実験菌量とは比例関係にある。以上のように、暗くなったスリット数の計数により、試料液中に含まれる菌を簡単に定量評価できることが確認できた。
図9は、本検査方法の第2の実験における撮像画像である。第2の実験では、実験菌としてS.Cerevisiaeを用い、撮像方法として落射観察法を採用した(図6(c),(d)参照)。
図9(a)〜(f)では、落射観察法に基づき飽和したスリットは明るく映る。図9(a)〜(f)において、順次、実験菌量を増やした。図9(a)では、0.5本のスリットが明るく映っている。また、図9(b)では1.0本のスリット、図9(c)では2.0本のスリット、図9(d)では3.5本のスリット、図9(e)では4.0本、図9(f)では5.5本のスリットが、それぞれ明るく映っている。図9(a)〜(f)により、第2の実験では落射観察法に基づき、明るくなったスリット数の計数により、試料液中に含まれる菌を簡単に定量評価できることが確認できた。
3.まとめ
以上のように、本実施形態に係る誘電泳動装置1は、試料液中に含まれる誘電体粒子の量を検査する検査装置である。誘電泳動装置1は、誘電体捕集部3と、ポンプ部10と、交流電圧供給部11とを備える。誘電体捕集部3は、少なくとも一対の電極41,42と一対の電極41,42上に所定の液流方向に延在する流路13とを有する。ポンプ部10は、流路13を上記液流方向に進むように、上記試料液を送液する。交流電圧供給部11は、送液される試料液中の誘電体粒子が誘電泳動を起こすように、所定周波数の交流電圧を一対の電極41,42に供給する。誘電体捕集部3は、一対の電極41,42の間で上記液流方向に並んだ複数のスリット領域Rsを有する。複数のスリット領域Rsのそれぞれは、流路13中において互いに分離している。
これにより、流路13中で液流方向に並んだ、互いに分離した複数のスリット領域Rsにおいて、上流から順番に飽和するスリットを計数でき、試料液中に含まれる細菌や細胞等の量を簡単に検査することができる。
また、本実施形態に係る検査方法は、試料液中に含まれる誘電体粒子の量を検査する検査方法である。本方法は、所定方向に等間隔に複数のスリットRsを介して交互に配置された少なくとも一対の電極CH1,CH2を備えた捕集ユニット3において、前記所定方向に進むように、試料液を送液するステップと、送液される試料液中の誘電体粒子が誘電泳動を起こすように、所定周波数の交流電圧を一対の電極に供給するステップと、捕集ユニット3において、誘電体粒子が飽和したスリットを計数するステップとを備える。
また、本実施形態に係る検査システムは、捕集ユニット3と、ポンプ部10と、交流電圧供給部11と、撮像部12と、情報処理装置21とを備える。捕集ユニット3は、所定方向に等間隔に複数のスリットRsを介して交互に配置された少なくとも一対の電極CH1,CH2を備える。ポンプ部10は、捕集ユニット3において所定方向に進むように、試料液を送液する。交流電圧供給部11は、送液される試料液中の誘電体粒子が誘電泳動を起こすように、所定周波数の交流電圧を一対の電極CH1,CH2に供給する。撮像部12は、捕集ユニット3において、複数のスリットRsが並んだ所定領域Rcを撮像する。情報処理装置21は、撮像結果を解析して、誘電体粒子が飽和したスリットRsを計数する。
これにより、細菌や細胞等の誘電体粒子が飽和したスリットを計数することで、試料液中に含まれる細菌や細胞等の量を簡単に検査することができる。
(実施形態2)
本検査システムでは、マイクロ電極部30における電極対CH1,CH2に対する供給電圧制御を、段階的に切り替えてもよい。以下では、多段階切替法により、スリットRs毎に細菌等を充填することによる定量評価を高精度に行うために、一旦、上流側の電極対CH1において検査対象の細菌等を保持し、保持した細菌等を下流側の電極対CH2において撮像する方法について説明する。
図10は、実施形態2に係る多段階切替法におけるマイクロ電極部の電極対CH1,CH2の状態を示す画像である。図11は、本実施形態に係る多段階切替処理を示すフローチャートである。
まず、制御装置20は、交流電圧供給部11の制御により、第1の電極対CH1に、所定期間(例えば1〜10分)、第1の周波数を有する交流電圧を供給する(S1)。第1の周波数は、捕集の対象の細菌等に正の誘電泳動力を作用させるための周波数であり、例えば100kHz(生菌及び死菌を捕集)に設定される。所定期間は、検査対象に応じて適宜、設定する。
図10(a)に、ステップS1の処理を継続した後の第1及び第2の電極対CH1,CH2の画像を示す。図10(a)に示す画像は、蛍光観察(図6(e)参照)に基づく画像である(図10(b),(c)も同様)。ステップS1の処理を所定期間継続したことにより、図10(a)における第1の電極対CH1において、細菌が複数のスリットに捕集され、保持されている。
次に、制御装置20は、交流電圧供給部11からの、第1の電極対CH1に対する第1の周波数の交流電圧の供給を停止する(S2)。すると、第1の電極対CH1において誘電泳動力が細菌に作用しなくなり、第1の電極対CH1から、保持された細菌が放出される(図10(b)参照)。
次に、制御装置20は、交流電圧供給部11から第2の電極対CH2に、第1の周波数の交流電圧を供給する(S3)。また、ステップS3において、制御装置20は、ポンプ部10により、適宜、流量及び流速を設定して、試料液を液流方向に流す制御も行う。
図10(b)は、ステップS3の処理の開始時の第1及び第2の電極対CH1,CH2の画像を示す。図10(b)において、第1の電極対CH1に保持されていた細菌は、液流方向において移動し、一部の細菌が第2の電極対CH2に到達している。
図10(c)は、図10(b)に示す状態から所定期間経過後の第1及び第2の電極対CH1,CH2の画像を示す。図10(b)に示す状態からステップS3の処理が所定期間、継続されたことにより、図10(c)における第2の電極対CH2において、細菌が上流のスリットに集中的に捕集されている。これは、ステップS1において第1の電極対CH1に一旦、細菌を保持したことにより、ステップS2,S3において菌が流路の底部近傍を伝って移動し、流路の底面に位置する第2の電極対CH2への到達時に誘電泳動力が効率良く作用したためであると考えられる。
次に、制御装置20は、撮像部12から、第2の電極対CH2においてスリットが並ぶ特定の領域を撮像する(S4)。撮像する領域は、例えば、第2の電極対CH2における最も上流のスリットを含む領域である(図12参照)。なお、ステップS4の撮像部12の制御は、情報処理装置21から行ってもよい。
以上の処理によると、ステップS1において上流側の第1の電極対CH1に一度、細菌を保持し、保持した細菌を下流側に移動させてから再度、第2の電極対CH2において捕集する。このため、第2の電極対CH2において細菌が上流のスリットから順番に捕集される確率が向上し、菌が充填したスリット数を数えることによる定量評価の精度を向上することができる。
図12(a)〜(d)は、図11のステップS4の撮像処理を説明するための図である。図12(a)〜(d)では、それぞれ第2の電極対CH2におけるスリットでは、上流側から順番に菌が充填されている。このため、図中に破線で囲った領域を撮像することにより、スリット数を数えて容易に定量評価を行うことができる。
図13は、多段階切替法の実験結果を示すグラフである。図13において、横軸は、第2の電極対CH2において実験菌が充填されたスリットの本数を表す。縦軸は、実験菌の量を表し、縦軸の単位はCFUである。
図13に示す実験では、実験菌として、大腸菌(ATCC 11775)を用いた。試料液中の実験菌の量を変えて、複数回、多段階切替法による検査方法を実施した。交流電圧の第1の周波数は100kHz、電圧振幅は5ボルトに設定した。縦軸の実験菌の量は、マイクロプレートリーダを用いたWST−1法による生菌評価法から算出した。図13によると、多段階切替法において下流側の電極対CH2内で上流から順番に充填されたスリットの本数を計数することで、試料液中に含まれる菌を簡単に定量評価が確認された。
以上の処理では、電極対CH1,CH2において1種類の周波数(第1の周波数)の交流電圧を供給したが、電極対CH1,CH2に供給する交流電圧の周波数を切り替えてもよい。以下、交流電圧の周波数を切り替えることで、生菌と死菌を分離する方法の一例について、図14を用いて説明する。
図14は、図13の多段階切替処理の変形例を示すフローチャートである。図14に示す処理では、図13のステップS2で第1の電極対CH1に交流電圧の供給を停止することに代えて、交流電圧の周波数を第1の周波数から第2の周波数に切り替える(S2A)。第2の周波数は、第1の電極対CH1に保持し続ける対象の細菌等に正の誘電泳動力を作用させるための周波数であり、例えば3MHz(生菌のみ保持)に設定される。すると、第1の電極対CH1においてステップS1で保持された細菌のうち、死菌のみに誘電泳動力が作用しなくなり、第1の電極対CH1から放出される。
次に、ステップS3では、死菌を捕集可能な第1の周波数の交流電圧が第2の電極対CH2に供給される。このため、第2の電極対CH2には、死菌のみが上流のスリットから順番に捕集され、生菌は第1の電極対CH1に保持されたままになる。このため、続くステップS4において、第2の電極対CH2の特定の領域を撮像することで、死菌が上流のスリットから順番に充填された状態の撮像画像が得られる。
以上の処理により、第1の電極対CH1に保持した生菌及び死菌の内で、死菌のみを選択的に第2の電極対CH2で捕集し直すため、生菌と死菌とを区別して定量評価を容易に行うことができる。
また、以上の処理において、生菌を検査対象とする場合、ステップS4では、第1の電極対CH1における測定の領域を撮像してもよい。また、生菌と死菌の双方を比較する場合、ステップS4において、第1及び第2の電極対CH1,CH2を含む領域を撮像してもよい。
(他の実施形態)
上記の各実施形態において、本システムの検査対象として細菌や細胞を例示した。本システムの検査対象は、細菌や細胞に限らず、誘電体粒子であればよく、例えば微生物や、真菌、芽胞、ウイルスであってもよい。
また、上記の各実施形態では、1つの流路13に対して2つの電極対CH,CH2が設けられた捕集ユニット3について説明した。捕集ユニットにおける流路及び電極対はこれに限らず、例えば、複数の流路や枝分かれした流路を設けてもよいし、各流路に対して1つ又は複数の電極対を設けてもよい。
また、上記の各実施形態において、図11,14のフローチャートにおける各ステップの処理は、制御装置20によって実行されたが、本システムのユーザによって行われてもよく、ユーザが制御装置20を操作することにより行われてもよい。
また、上記の各実施形態において、図11のステップS1において供給する交流電圧の第1の周波数として、1kHzを例示した。生菌のみを検査対象とする場合、例えば、ステップS1において供給する交流電圧の第1の周波数を、3MHzなどの生菌のみに誘電泳動力が作用する値に設定してもよい。これにより、図11のステップS4において、生菌のみが第2の電極対CH2において順番に充填されたスリットの撮像画像が得られる。
また、上記の各実施形態において、捕集ユニット3(誘電体捕集部)の電極41,42の各凸部、及び各スリットが、液流方向と直交する方向に延在する例を図示した。誘電体捕集部におけるスリットは液流方向(流路13の長手方向)と直交しなくてもよく、例えば液流方向に対して所定角度(例えば45度以上)において交差してもよい。
また、上記の各実施形態において、電極41,42の各凸部間のスリットが、所定幅W2で直線的に形成される例を図示したが、スリットの形状は、例えば湾曲したり、屈曲したりしていてもよいし、スリット毎の幅W2が異なっていてもよい。また、複数のスリットは、互いに平行でなくてもよく、例えば所定角度の範囲内において横並びに配置されてもよい。
また、上記の各実施形態において、撮像部12を備える誘電泳動装置1(検査装置)について説明した。本発明に係る検査装置は、撮像部12を備えなくてもよく、例えば撮像部12に代えて(又はこれに加えて)、ユーザが直接、領域Rcを観察するための接眼レンズ等を有する顕微鏡を備えてもよい。
また、上記の各実施形態における検査システムによる画像解析は、例えば面積解析法によって行われてもよい。具体的に、画像解析部(情報処理装置21)は、観察対象の領域Rcにおいて飽和したスリットRsの面積を計算し、計算した面積を、流路13内のスリットRsが並ぶ領域全体中の領域Rcの有効面積の割合で除算する。これにより、飽和したスリットの計数、即ち菌量の計測を高精度に行うことができる。
また、上記の各実施形態において、情報処理装置21が表示部及び画像解析部を構成する検査システムの一例を説明したが、検査システムにおける表示部及び画像解析部は、別体で構成されてもよい。また、表示部又は画像解析部は、検査装置(誘電泳動装置1)と一体的に構成されてもよい。また、スリットの計数がユーザの目視によって行われる場合、検査システムにおいて画像解析部は省略されてもよい。
(態様のまとめ)
以上のように、本発明に係る第1の態様は、試料液中に含まれる誘電体粒子の量を検査する検査装置(1)である。検査装置は、誘電体捕集部(3)と、ポンプ部(10)と、交流電圧供給部(11)とを備える。誘電体捕集部は、少なくとも一対の電極(41,42)と上記一対の電極上に所定方向に延在する流路(13)とを有する。ポンプ部は、上記流路を上記所定方向に進むように、上記試料液を送液する。交流電圧供給部は、上記送液される試料液中の誘電体粒子が誘電泳動を起こすように、所定周波数の交流電圧を上記一対の電極に供給する。上記誘電体捕集部は、上記一対の電極の間で上記所定方向に並んだ複数のスリット領域(Rs)を有する。上記複数のスリット領域のそれぞれは、上記流路中において互いに分離している。
本発明に係る第2の態様は、第1の態様に記載の検査装置であって、上記一対の電極の間で上記複数のスリット領域を連結する領域は、上記流路の外部に配置されている。
本発明に係る第3の態様は、第1又は第2の態様に記載の検査装置であって、上記少なくとも一対の電極は、第1の電極対(CH1)と、上記流路において上記第1の電極対よりも下流側に配置される第2の電極対(CH2)とを含む。上記複数のスリット領域は、上記第2の電極対の間に形成される。上記交流電圧供給部は、上記交流電圧を上記第1の電極対に供給し、その後に上記交流電圧を上記第2の電極対に供給する。
本発明に係る第4の態様は、第3の態様に記載の検査装置であって、上記交流電圧供給部は、上記第1の電極対に対する上記交流電圧の供給を停止し、上記第1の電極対に対する上記交流電圧の供給の停止中に、上記交流電圧を上記第2の電極対に供給する。
本発明に係る第5の態様は、第3の態様に記載の検査装置であって、上記交流電圧供給部は、上記第1の電極対に供給する交流電圧の周波数を変更し、変更した周波数の交流電圧を上記第1の電極対に供給している間に、上記交流電圧を上記第2の電極対に供給する。
本発明に係る第6の態様は、第1〜第5のいずれか一つに記載の検査装置であって、上記誘電体粒子は、細菌、細胞、微生物、真菌、芽胞、及びウイルスの内の少なくとも一つを含む。
本発明に係る第7の態様は、第1〜第6のいずれか一つに記載の検査装置であって、上記誘電体捕集部において、上記複数のスリット領域が並んだ所定領域を撮像する撮像部(12)をさらに備える。
本発明に係る第8の態様は、第7の態様に記載の検査装置と、上記検査装置の撮像部によって撮像された画像を表示する表示部(21)とを備える検査システムである。
本発明に係る第9の態様は、第8の態様に記載の検査システムであって、上記撮像部によって撮像された画像を解析して、上記誘電体粒子が飽和したスリットを計数する画像解析部(21)をさらに備える。
本発明に係る第10の態様は、第9の態様に記載の検査システムであって、上記試料液は、上記誘電体粒子を蛍光発光させる蛍光標識を含む。上記画像解析部は、上記撮像された画像における蛍光発光に基づいて、上記飽和したスリットを計数する。
本発明に係る第11の態様は、第9又は第10の態様に記載の検査システムであって、上記画像解析部は、上記撮像された画像に面積解析法を適用して、上記飽和したスリットを計数する。
本発明に係る第12の態様は、試料液中に含まれる誘電体粒子の量を検査する検査方法である。本方法は、少なくとも一対の電極(41,42)と上記一対の電極上に所定方向に延在する流路(13)とを有する誘電体捕集部(3)において、上記流路を上記所定方向に進むように上記試料液を送液するステップを含む。本方法は、上記送液される試料液中の誘電体粒子が誘電泳動を起こすように、所定周波数の交流電圧を上記一対の電極に供給するステップを含む。本方法は、上記誘電体捕集部において上記一対の電極の間で上記所定方向に並んだ複数のスリットの中で、上記誘電体粒子が飽和したスリットを計数するステップを含む。
本発明に係る第13の態様は、第12の態様に記載の検査方法であって、上記試料液は、上記誘電体粒子を蛍光発光させる蛍光標識を含む。上記計数するステップは、上記飽和したスリットとして蛍光発光したスリットを計数する。
本発明に係る第14の態様は、第12又は第13の態様に記載の検査方法であって、上記少なくとも一対の電極は、第1の電極対と、上記流路において上記第1の電極対よりも下流側に配置される第2の電極対とを含む。上記供給するステップは、上記交流電圧を上記第1の電極対に供給するステップと、上記第1の電極対に対する上記交流電圧の供給を停止するステップと、上記交流電圧を上記第2の電極対に供給するステップとを含む。上記計数するステップは、上記第2の電極対において上記飽和したスリットを計数する。
本発明に係る第15の態様は、第12又は第13の態様に記載の検査方法であって、上記少なくとも一対の電極は、第1の電極対と、上記流路において上記第1の電極対よりも下流側に配置される第2の電極対とを含む。上記供給するステップは、上記交流電圧を上記第1の電極対に供給するステップと、上記第1の電極対に供給する交流電圧の周波数を変更するステップと、上記交流電圧を上記第2の電極対に供給するステップとを含む。上記計数するステップは、上記第2の電極対において上記飽和したスリットを計数する。
1 誘電泳動装置
10 ポンプ部
11 交流電圧供給部
12 撮像部
13 流路
20 制御装置
21 情報処理装置
3 捕集ユニット
30 マイクロ電極部
41,42 電極
CH1,CH2 第1及び第2の電極対
Rs スリット

Claims (12)

  1. 試料液中に含まれる誘電体粒子の量を検査する検査システムであって、
    少なくとも一対の電極と前記一対の電極上に所定方向に延在する流路とを有し、前記一対の電極の間で前記所定方向に複数のスリットが並んだ誘電体捕集部と、
    前記流路を前記所定方向に進むように、前記試料液を送液するポンプ部と、
    前記送液される試料液中の誘電体粒子が誘電泳動を起こすように、所定周波数の交流電圧を前記一対の電極に供給する交流電圧供給部と
    前記誘電体捕集部において前記複数のスリットが並んだ所定領域を撮像する撮像部と、
    前記撮像部によって撮像された画像を解析して、前記誘電体粒子が飽和したスリットを計数する画像解析部と
    を備えた検査システム。
  2. 前記少なくとも一対の電極は、第1の電極対と、前記流路において前記第1の電極対よりも下流側に配置される第2の電極対とを含み、
    前記所定領域は、前記第2の電極対の間のスリットが並んでおり
    前記交流電圧供給部は、前記交流電圧を前記第1の電極対に供給し、その後に前記交流電圧を前記第2の電極対に供給する
    請求項1に記載の検査システム
  3. 前記交流電圧供給部は、
    前記第1の電極対に対する前記交流電圧の供給を停止し、
    前記第1の電極対に対する前記交流電圧の供給の停止中に、前記交流電圧を前記第2の電極対に供給する
    請求項に記載の検査システム
  4. 前記交流電圧供給部は、
    前記第1の電極対に供給する交流電圧の周波数を変更し、
    変更した周波数の交流電圧を前記第1の電極対に供給している間に、前記交流電圧を前記第2の電極対に供給する
    請求項に記載の検査システム
  5. 前記誘電体粒子は、細菌、細胞、微生物、真菌、芽胞、及びウイルスの内の少なくとも一つを含む
    請求項1〜のいずれか1項に記載の検査システム
  6. 記撮像部によって撮像された画像を表示する表示部をさらに備える
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の検査システム。
  7. 前記試料液は、前記誘電体粒子を蛍光発光させる蛍光標識を含み、
    前記画像解析部は、前記撮像された画像における蛍光発光に基づいて、前記飽和したスリットを計数する
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の検査システム。
  8. 前記画像解析部は、前記撮像された画像に面積解析法を適用して、前記飽和したスリットを計数する
    請求項1〜7のいずれか1項に記載の検査システム。
  9. 試料液中に含まれる誘電体粒子の量を検査する検査方法であって、
    少なくとも一対の電極と前記一対の電極上に所定方向に延在する流路とを有する誘電体捕集部において、前記流路を前記所定方向に進むように前記試料液を送液するステップと、
    前記送液される試料液中の誘電体粒子が誘電泳動を起こすように、所定周波数の交流電圧を前記一対の電極に供給するステップと、
    前記誘電体捕集部において前記一対の電極の間で前記所定方向に並んだ複数のスリットの中で、前記誘電体粒子が飽和したスリットを計数するステップと
    を含む検査方法。
  10. 前記試料液は、前記誘電体粒子を蛍光発光させる蛍光標識を含み、
    前記計数するステップは、前記飽和したスリットとして蛍光発光したスリットを計数する
    請求項に記載の検査方法。
  11. 前記少なくとも一対の電極は、第1の電極対と、前記流路において前記第1の電極対よりも下流側に配置される第2の電極対とを含み、
    前記供給するステップは、
    前記交流電圧を前記第1の電極対に供給するステップと、
    前記第1の電極対に対する前記交流電圧の供給を停止するステップと、
    前記交流電圧を前記第2の電極対に供給するステップとを含み、
    前記計数するステップは、前記第2の電極対において前記飽和したスリットを計数する
    請求項又は10に記載の検査方法。
  12. 前記少なくとも一対の電極は、第1の電極対と、前記流路において前記第1の電極対よりも下流側に配置される第2の電極対とを含み、
    前記供給するステップは、
    前記交流電圧を前記第1の電極対に供給するステップと、
    前記第1の電極対に供給する交流電圧の周波数を変更するステップと、
    前記交流電圧を前記第2の電極対に供給するステップとを含み、
    前記計数するステップは、前記第2の電極対において前記飽和したスリットを計数する
    請求項又は10に記載の検査方法。
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