JP7375834B2 - 粒子配列運搬デバイスおよび粒子配列運搬方法 - Google Patents
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Description
本発明は、細菌等の粒子の配列を生成して運搬する粒子配列運搬デバイスおよび粒子配列運搬方法に関するものである。
細菌の数を測定する技術は、バイオテクノロジーの基礎研究分野だけでなく、医療、食品、衛生管理等その応用先は多岐にわたっている（非特許文献１参照）。例えば、医療現場では、患者の皮膚、粘膜や尿中に含まれる細菌の数を測定することで患者の体調管理を行っている。食品分野では、食品の発酵の制御指針を得るために細菌数をモニタリングしている。このように様々な分野において、現場での測定に対応できる可搬型の細菌カウンタが求められている。
従来、細菌の数を測定する方法としては、コロニー法や蛍光染色法等の、画像認識を利用する方法と、個々の細菌を光学的に分析するフローサイトメトリー法が提案されている（非特許文献２参照）。
しかしながら、コロニー法や蛍光染色法は細菌の培養を要する方法であり、フローサイトメトリー法は光学的な手法のために大型の装置を必要とする。したがって、非特許文献２に開示された方法は、いずれも可搬性に欠ける。
しかしながら、コロニー法や蛍光染色法は細菌の培養を要する方法であり、フローサイトメトリー法は光学的な手法のために大型の装置を必要とする。したがって、非特許文献２に開示された方法は、いずれも可搬性に欠ける。
一方、近年では、ペプチドを埋め込んだ金の細孔に流れる電気パルスパターンを分析することにより、細孔を通過する細菌の数を測定する方法が提案されている（非特許文献３参照）。非特許文献３に開示された方法によれば、単一の細菌を検出可能な可搬型の細菌カウンタを実現することができる。
しかしながら、非特許文献３に開示された方法では、個々の細菌を検出するためには、細菌の配列を生成して細孔に運搬する必要があり、このような細菌の配列、運搬を実現する装置が実現されていないという課題があった。
しかしながら、非特許文献３に開示された方法では、個々の細菌を検出するためには、細菌の配列を生成して細孔に運搬する必要があり、このような細菌の配列、運搬を実現する装置が実現されていないという課題があった。
O.Lazcka，et al.，"Pathogen detection:A perspective of traditional methods and biosensors"，Biosensors and Bioelectronics，Vol.22，pp.1205-1217，2007
R.Hazan，et al.，"A method for high throughput determination of viable bacteria cell counts in 96-well plates"，BMC Microbiology，Vol.12，No.259，2012
M.Tsutsui，et al.，"Identification of Individual Bacterial Cells through the Intermolecular Interactions with Peptide-Functionalized Solid-State Pores"，Analytical Chemistry，Vol.90，pp.1511-1515，2018
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、細菌等の粒子の配列を生成して特定の場所に運搬することができる粒子配列運搬デバイスおよび粒子配列運搬方法を提供することを目的とする。
本発明の粒子配列運搬デバイスは、配列、運搬の対象となる粒子を含む溶液が導入される入口側開口から出口側開口に達する流路が形成された基材と、前記流路中に露出する前記基材の壁面に前記流路に沿って形成された第１の電極と、前記流路の両側の前記基材中に前記流路に沿って形成された第２、第３の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に交流電圧を印加するように構成された電源とを備え、前記流路の延伸方向と直交する方向の前記第１の電極の幅は、運搬の対象となる前記粒子の配列に応じて設定されていることを特徴とするものである。
また、本発明の粒子配列運搬デバイスは、配列、運搬の対象となる粒子を含む溶液が導入される入口側開口から出口側開口に達する流路が形成された基材と、前記流路中に露出する前記基材の壁面に前記流路に沿って形成された第１の電極と、前記流路の両側の前記基材中に前記流路に沿って形成された第２、第３の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に交流電圧を印加するように構成された電源とを備え、前記電源は、前記粒子の複素誘電率が前記溶液の複素誘電率よりも大きくなる周波数の前記交流電圧を、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に印加することを特徴とするものである。
また、本発明の粒子配列運搬デバイスは、配列、運搬の対象となる粒子を含む溶液が導入される入口側開口から出口側開口に達する流路が形成された基材と、前記流路中に露出する前記基材の壁面に前記流路に沿って形成された第１の電極と、前記流路の両側の前記基材中に前記流路に沿って形成された第２、第３の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に交流電圧を印加するように構成された電源とを備え、前記電源は、前記粒子の複素誘電率が前記溶液の複素誘電率よりも大きくなる周波数の前記交流電圧を、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に印加することを特徴とするものである。
また、本発明の粒子配列運搬方法は、入口側開口から出口側開口に達する流路が形成された基材と、前記流路中に露出する前記基材の壁面に前記流路に沿って形成された第１の電極と、前記流路の両側の前記基材中に前記流路に沿って形成された第２、第３の電極とを備えた粒子配列運搬デバイスに対して、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に交流電圧を印加する第１のステップと、配列、運搬の対象となる粒子を含む溶液を、前記入口側開口から前記流路に導入する第２のステップとを含み、前記流路の延伸方向と直交する方向の前記第１の電極の幅は、運搬の対象となる前記粒子の配列に応じて設定されていることを特徴とするものである。
また、本発明の粒子配列運搬方法は、入口側開口から出口側開口に達する流路が形成された基材と、前記流路中に露出する前記基材の壁面に前記流路に沿って形成された第１の電極と、前記流路の両側の前記基材中に前記流路に沿って形成された第２、第３の電極とを備えた粒子配列運搬デバイスに対して、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に交流電圧を印加する第１のステップと、配列、運搬の対象となる粒子を含む溶液を、前記入口側開口から前記流路に導入する第２のステップとを含み、前記第１のステップは、前記粒子の複素誘電率が前記溶液の複素誘電率よりも大きくなる周波数の前記交流電圧を、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に印加するステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の粒子配列運搬方法は、入口側開口から出口側開口に達する流路が形成された基材と、前記流路中に露出する前記基材の壁面に前記流路に沿って形成された第１の電極と、前記流路の両側の前記基材中に前記流路に沿って形成された第２、第３の電極とを備えた粒子配列運搬デバイスに対して、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に交流電圧を印加する第１のステップと、配列、運搬の対象となる粒子を含む溶液を、前記入口側開口から前記流路に導入する第２のステップとを含み、前記第１のステップは、前記粒子の複素誘電率が前記溶液の複素誘電率よりも大きくなる周波数の前記交流電圧を、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に印加するステップを含むことを特徴とするものである。
本発明によれば、流路が形成された基材と、流路中に露出する基材の壁面に流路に沿って形成された第１の電極と、流路の両側の基材中に流路に沿って形成された第２、第３の電極と、電極間に交流電圧を印加する電源とを設けることにより、細菌等の粒子の配列を生成して特定の場所に運搬することができる。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る粒子配列運搬デバイスの横断面図、図２は粒子配列運搬デバイスの平面図である。本実施例では、細菌が球状の粒子であると仮定して説明する。粒子配列運搬デバイス１は、配列、運搬の対象となる粒子を含む溶液が導入される入口側開口３から出口側開口４に達する流路５が形成された基材２と、流路５中に露出する基材２の壁面に流路５に沿って形成された帯状の導体からなる電極６と、流路５の両側の基材２中に流路５に沿って形成された帯状の導体からなる電極７，８と、電極６，７間および電極６，８間に交流電圧を印加する電源９とから構成される。
基材２は、板状の基板２ａと、基板２ａと接合される板状の基板２ｂとから構成される。基板２ａの上面には、電極６～８が形成されている。基板２ｂの下面には、基板２ａと基板２ｂとが接合されたときに電極６に覆いをする位置に、基板２ｂの上面側が残るように下面側を除去して形成された溝状の流路５が形成されている。流路５の幅Ｗと高さＨは、配列、運搬の対象となる粒子に対して十分に大きな値に設定されている必要がある。流路５の長さは任意に設定することができる。
基板２ａと基板２ｂの材料としては、ガラス、シリコン、プラスチック等の材料を用いることができる。
基板２ａと基板２ｂとは、基板２ｂの下面が基板２ａの上面と接し、流路５が電極６を覆い、流路５の蓋が閉じるように接合される。
基板２ａと基板２ｂとは、基板２ｂの下面が基板２ａの上面と接し、流路５が電極６を覆い、流路５の蓋が閉じるように接合される。
図３は本実施例の粒子配列運搬方法を説明する図、図４は粒子配列運搬方法を説明するフローチャートである。
電源９は、電極６と電極７間、および電極６と電極８間に交流電圧を印加する（図４ステップＳ１００）図３のＬ１は電極６と電極７間の電気力線、Ｌ２は電極６と電極８間の電気力線である。
電源９は、電極６と電極７間、および電極６と電極８間に交流電圧を印加する（図４ステップＳ１００）図３のＬ１は電極６と電極７間の電気力線、Ｌ２は電極６と電極８間の電気力線である。
そして、後述するポンプは、粒子配列運搬デバイス１の入口側開口３と接続されたパイプを介して、入口側開口３に溶液１００を送り出す（図４ステップＳ１０１）。配列、運搬の対象となる粒子１０１を含む溶液１００が入口側開口３から流路５に導入されると、上記の交流電圧の印加により、粒子１０１には式（１）に示した誘電泳動力Ｆが働くこととなる。
ここで、εｓは溶液１００の複素誘電率、εｐは粒子１０１の複素誘電率、ｒは粒子１０１の半径、Ｅは電場強度、∇はナブラ演算子を示している。Ｒｅ［］は［］内の複素数の実部を意味している。誘電泳動力Ｆについては、文献「K.Mogi，et al.，“Trapping and isolation of single prokaryotic cells in a micro-chamber array using dielectrophoresis”，RSC Advances，Vol.6，pp.113000-113006，2016」に記載されている。
複素誘電率εｓ，εｐは電極６～８に印加した交流電圧の周波数に依存しているため、誘電泳動力Ｆの方向も交流電圧の周波数に依存する。本実施例では、εｓ＜εｐを満たすような周波数の交流電圧を電極６～８に印加することで、粒子１０１を流路５内における高電場領域である電極６付近に固定することが可能となる。
電極６が直線状の場合を考えると、電極６と電極７間、および電極６と電極８間に交流電圧を印加した場合の電気力線Ｌ１，Ｌ２は、図３に示すように電極６の両側のエッジに集中するので、電極６の両側のエッジ付近が高電場領域となる。したがって、粒子１０１は、電極６の両側のエッジ付近に集まり易くなる。このような粒子１０１の性質を利用して、例えば流路５と電極６の延伸方向（図５上下方向）と直交する方向の電極６の幅Ｗを粒子１０１の直径程度とすれば、図５に示すように粒子１０１が電極６に沿ってほぼ１列に並ぶ配列を生成することが可能となる。粒子１０１は電極６の両側のエッジのうちどちらか一方の付近に集まるが、電極６が粒子１０１の直径程度の幅であるため、略１列の配列となる。
また、電極６の幅Ｗを粒子１０１の直径の２倍以上に大きくすれば、図６に示すように粒子１０１が電極６の両側のエッジに沿ってほぼ２列に並ぶ配列を生成することが可能となる。上記のとおり粒子１０１は電極６の両側のエッジのうちどちらか一方の付近に集まるので、電極６の幅が広い場合には、略２列の配列となる。
このように、電極６の配置やサイズを調整することで、粒子１０１の任意の配列を生成することができる。
このように、電極６の配置やサイズを調整することで、粒子１０１の任意の配列を生成することができる。
溶液１００の流れを発生させると、整列している粒子１０１を溶液の流れ方向に運搬することができる。
溶液１００の流れを発生させる方法としては、図７に示すように、ペリスタポンプ（登録商標）やシリンジポンプ等のポンプ１０を用いて、粒子配列運搬デバイス１に対して溶液１００を送り出すようにすればよい。
溶液１００の流れを発生させる方法としては、図７に示すように、ペリスタポンプ（登録商標）やシリンジポンプ等のポンプ１０を用いて、粒子配列運搬デバイス１に対して溶液１００を送り出すようにすればよい。
ただし、ポンプ１０の使用は本発明において必須の構成要件ではない。入口側開口３が上になり、出口側開口４が下になるように粒子配列運搬デバイス１を設置して、流路５を鉛直下向きまたは斜め下向きに配置してもよい。
以上により、本実施例では、細菌等の粒子の配列を生成して特定の場所に運搬することができる。
本実施例の粒子配列運搬デバイス１と非特許文献３に開示されたセンサとを組み合わせ、粒子配列運搬デバイス１によって細菌をセンサの細孔へ運ぶようにすれば、細菌の数を測定することができる。
なお、本実施例では、粒子の１例として細菌を例に挙げて説明しているが、本発明は細菌以外の粒子にも適用できることは言うまでもない。
本実施例の粒子配列運搬デバイス１と非特許文献３に開示されたセンサとを組み合わせ、粒子配列運搬デバイス１によって細菌をセンサの細孔へ運ぶようにすれば、細菌の数を測定することができる。
なお、本実施例では、粒子の１例として細菌を例に挙げて説明しているが、本発明は細菌以外の粒子にも適用できることは言うまでもない。
本発明は、粒子を運搬する技術に適用することができる。
１…粒子配列運搬デバイス、２…基材、５…流路、６～８…電極、９…電源、１０…ポンプ。
Claims (7)
- 配列、運搬の対象となる粒子を含む溶液が導入される入口側開口から出口側開口に達する流路が形成された基材と、
前記流路中に露出する前記基材の壁面に前記流路に沿って形成された第１の電極と、
前記流路の両側の前記基材中に前記流路に沿って形成された第２、第３の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に交流電圧を印加するように構成された電源とを備え、
前記流路の延伸方向と直交する方向の前記第１の電極の幅は、運搬の対象となる前記粒子の配列に応じて設定されていることを特徴とする粒子配列運搬デバイス。 - 配列、運搬の対象となる粒子を含む溶液が導入される入口側開口から出口側開口に達する流路が形成された基材と、
前記流路中に露出する前記基材の壁面に前記流路に沿って形成された第１の電極と、
前記流路の両側の前記基材中に前記流路に沿って形成された第２、第３の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に交流電圧を印加するように構成された電源とを備え、
前記電源は、前記粒子の複素誘電率が前記溶液の複素誘電率よりも大きくなる周波数の前記交流電圧を、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に印加することを特徴とする粒子配列運搬デバイス。 - 請求項１または２記載の粒子配列運搬デバイスにおいて、
前記入口側開口に前記溶液を送り出すように構成されたポンプをさらに備えることを特徴とする粒子配列運搬デバイス。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粒子配列運搬デバイスにおいて、
前記基材は、
上面に前記第１、第２、第３の電極が形成された第１の基板と、
前記第１の基板と接合されたときに前記第１の電極に覆いをする位置に、上面側が残るように下面側を除去して形成された溝状の前記流路が形成された第２の基板とから構成され、
前記第１の基板と前記第２の基板とは、前記第２の基板の下面が前記第１の基板の上面と接し、前記流路が前記第１の電極を覆い、前記流路の蓋が閉じるように接合されることを特徴とする粒子配列運搬デバイス。 - 入口側開口から出口側開口に達する流路が形成された基材と、前記流路中に露出する前記基材の壁面に前記流路に沿って形成された第１の電極と、前記流路の両側の前記基材中に前記流路に沿って形成された第２、第３の電極とを備えた粒子配列運搬デバイスに対して、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に交流電圧を印加する第１のステップと、
配列、運搬の対象となる粒子を含む溶液を、前記入口側開口から前記流路に導入する第２のステップとを含み、
前記流路の延伸方向と直交する方向の前記第１の電極の幅は、運搬の対象となる前記粒子の配列に応じて設定されていることを特徴とする粒子配列運搬方法。 - 入口側開口から出口側開口に達する流路が形成された基材と、前記流路中に露出する前記基材の壁面に前記流路に沿って形成された第１の電極と、前記流路の両側の前記基材中に前記流路に沿って形成された第２、第３の電極とを備えた粒子配列運搬デバイスに対して、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に交流電圧を印加する第１のステップと、
配列、運搬の対象となる粒子を含む溶液を、前記入口側開口から前記流路に導入する第２のステップとを含み、
前記第１のステップは、前記粒子の複素誘電率が前記溶液の複素誘電率よりも大きくなる周波数の前記交流電圧を、前記第１の電極と前記第２の電極間および前記第１の電極と前記第３の電極間に印加するステップを含むことを特徴とする粒子配列運搬方法。 - 請求項５または６記載の粒子配列運搬方法において、
前記第２のステップは、ポンプによって前記入口側開口に前記溶液を送り出すステップを含むことを特徴とする粒子配列運搬方法。
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