JPH0724311A

JPH0724311A - 粒子の分離方法及び装置

Info

Publication number: JPH0724311A
Application number: JP5169199A
Authority: JP
Inventors: Fujitaro Imasaka; 藤太郎今坂; Takeshi Miyazaki; 健宮崎; Toshiichi Onishi; 敏一大西; Kazuo Isaka; 和夫井阪
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-07-08
Filing date: 1993-07-08
Publication date: 1995-01-27

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な手法で高い分別性能が得られる方法の
提供。【構成】フローセル１内に流路２を形成して、ここに
複数種の粒子が混在する分散媒を流す。この流路に対し
てストライプ状の干渉縞を形成する干渉光３を照射す
る。移動する粒子は干渉縞の１本１本を通過する毎に光
勾配力によって制動力を受けるが、その際、サイズの小
さい（あるいは屈折率が小さい）粒子よりもサイズの大
きな（あるいは屈折率が大きい）粒子に、より大きな制
動力が作用する。これにより作用する制動力の小さい粒
子ほど照射位置を早く通過し、制動力の小さい粒子から
大きな粒子の順に分別されて流れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光によって粒子を分別す
る技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】細胞、微生物、リポソームなどの生体関
連粒子、あるいはラテックス粒子、ゲル粒子、工業用粒
子などの合成粒子などの粒子を分別するため、種々の方
法が従来より知られている。

【０００３】一例として、レーザ光を集光して粒子を空
間内に閉じ込めるいわゆるレーザトラッピングを利用し
て粒子を分別しようとする報告がある［ H.Misawa, et
al.Chem.Lett., 469(1991) ]。

【０００４】レーザトラッピングとは、光による粒子へ
の力学的作用を利用して粒子を操作する技術である。レ
ーザ光などの強度勾配を有する光ビームを粒子に集光照
射すると、粒子には光ビームの照射方向へ作用する光圧
力（放射圧）と光軸中に粒子を閉じこめる力（光勾配
力）の２つの力が作用する。これら光圧力及び光勾配力
は、いずれも光強度そして光軸方向の強度分布つまりレ
ンズ等による集光の度合い及び光軸に直角方向の強度分
布に依存する。さらには粒子の屈折率や吸収率（反射
率）及び粒子のサイズ等にも依存する。この内の勾配力
の作用によって照射位置に粒子を捕捉することができ
る。

【０００５】上述のレーザトラッピングを利用した粒子
の分別は、大きさの異なる２種類のポリスチレンラテッ
クス粒子が混在する粒子群を用意して、これに向けてレ
ーザ光を光干渉によって多重リング状に集光させる。そ
して、多数の粒子を各リング上に光トラップした状態
で、リングの径を変化させると、トラッピング力の弱い
小さい粒子がリング外にはじき出されて排除され、大き
な粒子だけがリング上にトラップされ続け、結果的に大
きな粒子が選択的に分別されるものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法では分別性能に劣り、例えば３種類以上の粒子群を分
別することが困難である。

【０００７】本発明は上記従来例に鑑みなされたもの
で、簡単な手法で高い分別性能が得られる方法の提供を
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の粒子の分別方法は、移動する粒子に対して干渉縞を
形成する干渉光を照射することにより、粒子の種類に応
じた作用力を与えて粒子の分別を行なうことを特徴とす
る。

【０００９】又、本発明の粒子の分別装置は、粒子が移
動する流路と、該流路に干渉縞を形成する干渉光を照射
する手段とを有し、該照射によって粒子の種類に応じた
作用力を与えて粒子の分別を行なうことを特徴とする。

【００１０】

【実施例】

＜実施例１＞本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図２、図３は本実施例の装置の全体構成を示すものであ
る。図２は本実施例の装置の流体搬送系の構成を示す図
である。図中、試料容器４の内部には複数種類（３種類
以上）の粒子と分散媒（例えば水）からなる粒子分散液
５が蓄積されている。ここで粒子と分散媒とは同程度の
比重を有している。本実施例において異なる粒子とは、
（１）サイズが異なる、（２）屈折率が異なる、（３）
サイズ及び屈折率が異なる、のいずれかとする。粒子の
具体例としては、例えば、細胞、ウイルス、微生物、リ
ポソーム、ＤＮＡ、ＲＮＡなどの生体関連粒子、あるい
はラテックス粒子、ゲル粒子、工業用粒子、ミセルなど
の合成粒子、あるいはゴミなどの異物、土壌粒子などが
挙げられる。

【００１１】容器６には分散媒７（例えば緩衝液などの
水系溶媒や、エタノールなどの有機溶媒）が蓄積され
る。試料容器４及び容器６にはそれぞれチューブ８、９
が挿入され、これらチューブはジョイントバルブ１０を
介して流通路１１に接続されている。流通路１１には、
石英ガラスからなるフローセル１（ステージ１９上に保
持されている）が接続され、フローセル１は排気チャン
バ１２に接続されている。排気チャンバ１２はバルブ１
３を閉じることにより内部の気密が保たれる。排気チャ
ンバ１２内には分別容器１４が設置され、流通路を流れ
た液体は分別容器１４に収容される。この構成におい
て、吸引ポンプ１５を作動させると、排気チャンバ内が
負圧となりフローセル１に粒子を含む分散媒の流れを形
成することができる。フローセル１の下流には、例えば
光学的（散乱光検出や蛍光検出など）、電気的、磁気
的、音響光学的な手法を用いた粒子測定手段１６が設け
られている。

【００１２】図３は本実施例の装置の照射光学系の構成
を示す図である。図中、２０は光源である。光源２０の
波長は、粒子の光吸収が少ない波長域、例えば細胞等の
生体関連粒子である場合は、光照射による損傷が少ない
波長域（近赤外〜赤外域）が好ましい。具体的には、Ｙ
ＡＧレーザ等の固体レーザ、Ａｒ⁺ レーザ等のガスレー
ザ、半導体レーザなどＴＥＭ00モード（ガウシアンビー
ム）のレーザ光源が使用できる。又、レーザ光源に限ら
ず強度勾配を有する光を生成する光源であれば使用でき
る。

【００１３】光源２０から出射した光ビーム２２は、ビ
ームエキスパンダ２１で拡大された後、偏光ビームスプ
リッタ２３で２分割される。分割された２つのビーム２
４、２５は、1/4 波長板２６と光軸に対して垂直の反射
ミラー２７からなる反射光学系と、1/4 波長板２８と光
軸に対する垂直面から僅かに傾けた反射ミラー２９から
なる反射光学系によってそれぞれ偏光ビームスプリッタ
２３に戻され、ビームスプリッタ２３で合成されて干渉
光３０となる。反射ミラー２９が僅かに傾いているた
め、干渉光３０は等間隔のピッチの明暗を繰り返す直線
状の干渉縞を形成する。この干渉縞の明暗は正弦波状の
強度分布を有している。又、干渉縞の明暗ピッチと方向
は、反射ミラー２９の傾き角度と傾き方向によって調整
することができる。

【００１４】得られた干渉光３０はレンズ系３１により
フローセル１の流路に向けて照射される。図１はフロー
セル１に照射光が与えられた状態を示した図である。直
線状の流路２に対して、干渉光のストライプ状の干渉縞
３が横断するように照射される。なお、本実施例では流
路と干渉縞のなす角度は９０゜としているが、これには
限らずステージ１９によってフローセル１を傾けて角度
を変更しても良い。

【００１５】本実施例の装置では、サイズや屈折率に応
じて粒子を分別するための閾値を設定するために、光源
から出射して照射位置に照射される干渉光の照射強度を
調整することができる。この調整の具体例としては、
（１）光源からの発光強度を調整する、（２）変調素子
やフィルタを光路中に配して照射光量を調整する、
（３）レンズ系やビームエキスパンダの拡大率を調整し
て実質的な照射光量を調整する、などが挙げられる。
又、干渉光の光波長を変えて粒子分別の閾値を変えても
良い。

【００１６】又、干渉光の干渉縞の明暗ピッチを調整す
ることによっても、閾値や分別分解能の設定が可能であ
る。この調整の具体例としては、（１）反射ミラー２９
のミラーの傾き角度を調整する、（２）ステージ１９に
よってフローセル１への照射光の入射角を変化させる、
等が挙げられる。

【００１７】このように光の照射条件を変化させるだけ
で分別条件を変えることができるため、様々な種類の粒
子の分別にフレキシブルに対応できる。

【００１８】なお、干渉縞を形成するための光学構成は
図３のような形態に限らない。例えば、ハーフミラーに
対して光源からのビームを斜入射させ、分岐した２光束
をそれぞれミラーで引き回して照射位置で両者を合成し
て干渉させる構成、あるいはグレーティングに光源から
のビームを入射させ、発生する複数の回折光同士（例え
ば＋１次光と−１次光）をそれぞれミラーで引き回して
照射位置で両者を合成して干渉させる構成など、さまざ
まなバリエーションが考えられる。

【００１９】更には、上述のようなストライプ状の干渉
縞に限らず、干渉縞が同心円状の干渉光を使用すること
もできる。同心円状の干渉光は、ニュートンリングを用
いたり、図３で示した装置の反射ミラー２９を凸面鏡ま
たは凹面鏡として得ることができる。

【００２０】次に本実施例の装置の動作について説明す
る。図２において、ジョイントバルブをチューブ８側に
して、試料容器４の粒子分散液を流通路１１に少量流入
させる。次にジョイントバルブをチューブ９側に切り替
えて分散媒のみを流す。するとフローセル１には分散媒
の流れに乗って粒子が流れる。干渉光の照射位置におい
ては、サイズの小さい（あるいは屈折率が小さい）粒子
よりもサイズの大きな（あるいは屈折率が大きい）粒子
に、より大きな作用力（制動力）が作用する。各粒子は
干渉縞の１本を横断する毎に光勾配力によって制動力を
受け、多数の干渉縞を横断するので、高い分別性能が得
られる。こうして作用する制動力の小さい粒子ほど照射
位置を早く通過し、制動力の小さい粒子から大きな粒子
の順に分別されて流れる。

【００２１】測定手段１６ではこれらの流れる粒子の測
定を行ない、測定後、分別容器１４で採取する。分別容
器１４を適切なタイミングで取り替えることにより、分
別された粒子ごとに別々に採取することができる。

【００２２】＜実施例２＞次に流体搬送系が異なる第２
実施例を説明する。本実施例では流体を移送するために
電気浸透流を利用したことを特徴とする。実施例の説明
に先立ち、この電気浸透流の原理について図５を用いて
説明する。

【００２３】流路内壁はシラノ−ル基等のイオン化によ
り固定した負電荷を持たせている。すると流路内の溶液
はその負電荷を中和するためにそれと等しい正電荷を持
つことになり、電気二重層を形成する。ここで流れ方向
の上流側に正極、下流側に負極の電場を与える、すると
正電荷が電場の力を受け、溶液全体が負極の方向へ移動
する。この電気浸透流の流路内での速度分布は、図の矢
印で示すように電気二重層（厚さ数Å）のごく近傍を除
いてほぼ均一であり、栓流に近いものとなる。一般にポ
ンプなど水圧を利用して液体を搬送する方法では、図６
に示すように流路の中心部に近づくに従い流速は速くな
り栓流にはならない。従ってこの電気浸透流を利用して
粒子分別を行なえば、液体の乱れが無く粒子の分離性能
が大幅に向上する。

【００２４】次に本実施例の流体搬送系を図４を用いて
説明する。図４において先の図２と同一の符号は同一の
部材を表わす。分別容器１４、試料容器４、容器６内に
はそれぞれ電極１００ａ、１００ｂ、１００ｃが挿入さ
れ、内部の液体に浸漬されている。これらの各電極は高
圧直流電源装置１７に接続されており、電極１００ａに
は負電場が印加され、リレー１８の切り替えによって電
極１００ｂと１００ｃのいずれかに選択的に正電場が印
加される。

【００２５】この構成の動作について説明する。まずジ
ョイントバルブ１０をチューブ８側にして、高圧直流電
源装置１７を作動させ、試料容器４に設けられた電極１
００ｃに正電場を、分別容器１４に設けられた電極１０
０ａに負電場を印加する。すると上述した原理によって
電気浸透流が発生し、試料容器４の粒子分散液５がチュ
ーブ８を移動する。粒子分散媒がジョイントバルブ１０
を通過して流通路１１に少量流入したら、次にジョイン
トバルブ１０をチューブ９側に切り替え、且つリレー１
９の切り替えによって容器６の電極１００ｂに正電場を
印加する。すると電気浸透流によって分散媒７のみが流
れる。こうしてフローセル１には分散媒の流れに乗って
粒子が流れる。

【００２６】フローセル１には先の実施例と同様、干渉
光が照射され、サイズの小さい（あるいは屈折率が小さ
い）粒子よりもサイズの大きな（あるいは屈折率が大き
い）粒子に、より大きな作用力（制動力）が作用する。
各粒子は干渉縞の１本を横断する毎に光勾配力によって
制動力を受け、多数の干渉縞を横断するので、高い分別
性能が得られる。こうして作用する制動力の小さい粒子
ほど照射位置を早く通過し、制動力の小さい粒子から大
きな粒子の順に分別されて流れる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な手法で高い分別
性能が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フローセルに照射光が与えられた状態を示す図
である。

【図２】実施例の装置の流体搬送系の構成を示す図であ
る。

【図３】実施例の装置の照射光学系の構成を示す図であ
る。

【図４】別の実施例の流体搬送系の構成を示す図であ
る。

【図５】電気浸透流による流体の流れの様子を説明する
ための図である。

【図６】圧力による流体の流れの様子を説明するための
図である。

【符号の説明】

１フローセル２流路３干渉縞４試料容器５粒子分散液６容器７分散媒８、９チューブ１０ジョイントバルブ１１流通路１２排気チャンバ１３バルブ１４分別容器１５吸引ポンプ１６測定手段１９ステージ２０光源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井阪和夫東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】移動する粒子に対して干渉縞を形成する
干渉光を照射することにより、粒子の種類に応じた作用
力を与えて粒子の分別を行なうことを特徴とする粒子の
分別方法。
【請求項２】粒子が移動する流路と、該流路に干渉縞を形成する干渉光を照射する手段とを有
し、該照射によって粒子の種類に応じた作用力を与えて
粒子の分別を行なうことを特徴とする粒子の分別装置。
【請求項３】光照射位置の後方で粒子を測定する手段
を有する請求項２の装置。
【請求項４】圧力によって流路に粒子を移動させる手
段を有する請求項２の装置。
【請求項５】電気浸透流によって流路に粒子を移動さ
せる手段を有する請求項２の装置。