JPWO2005121767A1 - マイクロ流体デバイス及びこれを用いる分析分取装置 - Google Patents

Abstract

本発明の１例のマイクロ流体デバイスでは、キャリヤー液体と試料からなる流体が流れるメイン流路を有し前記試料を分析又は分取するためのマイクロ流体デバイスであって、前記メイン流路の一部の周囲に設けられ、電気力学的作用あるいは電気流体力学的作用を、通過する前記試料に対して及ぼす、電圧を加えられる複数の電極を備える。

Description

本発明は、ガラス基板やプラスティック基板にマイクロサイズの流路を掘り、わずかな量の試料を扱うマイクロ流体デバイスに係わり、特に、遺伝子や蛋白質、ウイルス、細胞、バクテリアなどの生体物質や微小物質が混在する試料の成分分析や、特定の成分を選り分けて分取する、分析や分取のためのマイクロ流体デバイスとその装置に関する。

測定精度のよい分析および分取の方法として、従来から、ガスクロマトグラフィーや液体クロマトグラフィー、マススペクトロメトリーなどが知られている。しかし、これらの方法に用いられる装置では、試料は加熱気化あるいは放電イオン化、強電界、高電圧、大電流、真空、強いずり応力、化学的修飾、化学薬品投入のいずれかに晒される。そのため遺伝子や蛋白質、細胞などの生体物質を試料とした場合、熱による分解あるいは電気的、力学的、化学的ダメージにより、分析後に試料を元の状態で回収することは難しい。

また、ナノサイズの物質を検知するために蛍光色素や蛍光タンパク質、量子ドットなどを付加する蛍光標識や、標的と選択的に結合しやすい既知の物質による標識が使われるが、励起光や蛍光という高エネルギー光の被曝からのダメージだけでなく、タンパク質試料などでは結合した標識物質によるコンフォメーション変化や変質を防止できないという課題がある。マイクロサイズの生体物質である白血球や血小板は、通常と異なる環境や物質の存在により粘着能の活性化や変形を生じやすいという課題がある。

分析速度の向上、試料の少量化、装置の小型化などでの利点により、近年、多く用いられるようになったマイクロ流体デバイスでは、シンプルな構成でも比較的高い精度が実現できる電気泳動クロマトグラフィーとその派生技術である電気浸透流クロマトグラフィーによる分析が主流となっている。しかし、従来からのガラスキャピラリーなどを用いた電気泳動クロマトグラフィーに比べ、短い分離距離や流路形状の精度の悪さにより、測定精度の点で劣るという問題がある。

また、微細化したことによりキャピラリー内壁へ付着する物質の除去がさらに困難となること、微細化により使用する試料の量は少なくなっても無駄になる試料の割合は小さくならないこと（デッドボリューム問題）など、課題は多く残されている。

さらに電気泳動クロマトグラフィーでは、精度の良い分離が可能な粒子の最大径は１５ｎｍ（分子量で約１Ｍダルトン）くらいであり、大きな分子の分析が可能な方法といわれる通常の液体クロマトグラフィーでも、測定物質の大きさが３０ｎｍ（分子量で約１０Ｍダルトン）以上の径となると分離が難しくなる。しかし蛋白質のような生体物質では、１Ｍダルトンを超えるような巨大な高分子物質も数多く存在するので、大きな分子量の試料を少量でも精度良く分析する方法と装置が望まれている。

一方、従来から用いられている手法の単なるダウンサイジング効果だけではなく、マイクロサイズ、サブマイクロサイズで可能となる特有の性質を活かした新しい分離手法を導入する研究も進められている。例として特許文献１、特許文献２、特許文献３、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５にあげた誘電泳動力を作用させる方法や、例として特許文献４、特許文献５にあげた柱状の障害物構造を流路中に設ける方法などである。流路内に障害物を設置するとともに誘電泳動力を作用させる非特許文献６や特許文献６のような方法も提案されている。

特許文献１には、流路の底面に設置した櫛型の電極へ周波数が１００Ｈｚから１００ＭＨｚまでの交流電圧を印加して流路内を流れる試料に誘電泳動力を作用させ、試料が流路を通過する時間を測定するクロマトグラフィーが提案されている。この方法は精度向上が大きな課題であるが、その後の技術進展の報告は無い。

特許文献２には、縦に長い断面の流路を用い、重力と誘電泳動力の釣合いあるいは力の差を利用して分離する方法が提案されているが、分離精度が悪く、また重力が作用するマイクロメーター以上の大きな粒子にしか適用できない。

非特許文献１は、誘電泳動により、細胞などの試料の電気的性質（誘電率や導電率）と構造（細胞膜厚や細胞径、偏心率）の情報を得るための理論を提示した。誘電泳動の理論によれば、その周波数スペクトルパターンから、試料の電気的性質だけでなく簡単な内部構造（膜構造の有無）まで推定できる。非特許文献２には、球状の物質形状だけでなく、ＤＮＡなどの紐状分子でも回転楕円体として扱う分析が可能なことが示されている。

この誘電泳動の理論に基づき、次のような試みがなされている。非特許文献３では、液体の塩濃度を変数とする、誘電泳動の符号が正負反転する周波数（クラジウス−モソッティ係数の符号が切り替わる周波数）の特性から、細胞膜や細胞内部の複素誘電率（誘電率εと導電率σ、虚数単位ｊ、角周波数ωを用いてε＋σ／ｊωで表される）を得ている。

また非特許文献４では、液体槽内の横断面方向に貫く平面流れに乗って流れる試料を、柱状の四重極電極でトラップする実験を行っている。しかし、流れや電圧の制御が難しいだけでなく、原理的にトラップが流れを遮断する面積率が小さく、トラップする力も弱いためにすり抜けて無駄となる試料が多い。これら非特許文献３と非特許文献４の方法は、ともに省試料化と、測定や観測の精度向上、自動化が課題である。

また非特許文献５では、試料の電気的特性を測定するための４つのプロセス要素（funnel, aligner, cage, switch）の概念を実施している。しかし、これらの方法では試料を静止した状態で測定し、場合によっては人間の目による判定も必要となるため信頼性が低く、やはり自動化が難しいという問題がある。

特許文献３では、円環状の電極を円筒状の流路に沿って何段も並べた構造のマイクロ流路を用い、試料を流路の中央に集束させる実験を行っている。しかしこの構造では、集束以外の、誘電泳動で可能な種々の性能を引き出すことはできない。

一方、従来から使われているゲルのような充填材ではなく、流路の中に隙間の多いナノサイズの柱を林立させた構造体（ナノピラー）を用いて分離能を向上させる特許文献４や特許文献５の方法が提案されている。しかし、固定相である柱と試料との相互作用に含まれる偶発性、不均一性が大きく、スペクトル（クロマトグラム）の分散幅も広く、精度の良い分離や分析に使用するには難しい。

流路内に設置したマイクロサイズの台地状の構造体（マイクロポスト）と誘電泳動を組み合わせる非特許文献６や、流路内に充填したビーズと誘電泳動力を組み合わせる特許文献６のように、障害物と誘電泳動力の作用を利用して細菌等の試料をフィルターする方法も提案されている。これらの方法で、設定した閾値により試料を２種類に分離する実験がなされているが、その尤度は低く、計測目的としての使用は難しい。
特許公開平５−１２６７９６ 特許公表２００３−５０７７３９ WO 2004/074814 (PCT/US2004/004783) 特許公開２００４−１５６９２６ 特許公開２００４−４５３５７ 特許公開２００３−２０００８１ 特許公表平１０−５０７５１６ 特許公開２０００−３５６６１１ 特許公開２０００−３５６７４６ K. V. I. S. Kaler and T. B. Jones: "Dielectrophoretic spectra of single cells determined by feedback-controlled levitation", Biophysical Journal, vol.57, pp.173-182 (1990). Lifeng Zheng, James P. Brody, and Peter J. Burke: "Electronic Manipulation of DNA, Proteins, and Nanoparticles for Potential Circuit Assembly", Biosensors & Bioelectronics, vol.20, no.3, pp.606-619 (2004). M. P. Hughes, H. Morgan, and F. J. Rixon: "Measuring the dielectric properties of herpes simplex virus type 1 virions with dielectrophoresis", Biochimica et Biophysica Acta, 1571, pp.1-8 (2002). J. Voldman, M. L. Gray, M. Toner, and M. A. Schmidt: "A Microfabrication-Based Dynamic Array Cytometer", Analytical Chemistry, vol.74, no.16, pp.3984-3990 (2002). T. Muller, G. Gradl, S. Howitz, S. Shirley, Th. Schnelle, and G. Fuhr: "A 3-D microelectrode system for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics, vol.14, pp.247-256 (1999). B. H. Lapizco-Encinas, Blake A. Simmons, Eric B. Cummings, and Yolanda Fintschenko: "Insulator-based dielectrophoresis for the selective concentration and separation of live bacteria in water", Electrophoresis, vol.25, pp.1695-1704 (June 2004).

上で述べたように、マイクロ流体デバイスには、今まで以上の高精度の分析や、測定対象となる特性の多様化、デッドボリュームの削減も含めた試料の少量化など、さらなる性能の向上を求められている。特に、生体物質などの試料に対して物理的、化学的ダメージを与えることなく、精度良く分析する手法が無いなどの課題がある。また、マイクロサイズ、ナノサイズの小さな試料に関する誘電率や導電率などの電気的特性を、オンラインのフロープロセス内で自動的に測定する方法も無い。

本発明は、少量の試料を用いて精度良く分析や分取を行うことを目的とする。本発明の実施形態によれば、キャリヤー液体中に分散状態あるいは浮遊状態で存在する試料がキャリヤー液体と共に流れるメイン流路の周囲を、交流電圧を印加した複数の電極のエッジが取り囲む構造の流路を用いることにより、上記、課題を解決するものである。

本発明による実施形態１の概略平面図である。 試料導入の動作を説明する部分平面図である。 試料導入の動作を説明する部分平面図である。 試料導入の動作を説明する部分平面図である。 ゲート効果と濃縮効果を説明する部分平面図である。 ゲート効果と濃縮効果を説明する部分平面図である。 ゲート効果と濃縮効果を説明する部分平面図である。 試料導入部の立体図である。 試料導入部の立体図である。 分離部の構成と動作を説明する縦断面図である。 分離部の構成と動作を説明する縦断面図である。 分離部の構成と動作を説明する縦断面図である。 分離の原理を説明するためのグラフである。 分離の原理を説明するためのグラフである。 分析部と周辺装置の概略図である。 分析部で得られる到達時間スペクトル図である。 分析部で得られる周波数スペクトル図である。 分取部を説明するための部分図である。 分取部を説明するための部分図である。 分取部を説明するための部分図である。 本発明の実施形態１の全体装置の構成例を示す図である。 実施形態１の誘電泳動用交流電源１５０の構成例を示す図である。 図１２の誘電泳動用交流電源１５０の出力と、試料導入部電極群の各電極に加える交流の位相との関係を示す図である。 本発明の実施形態２の全体装置の構成例を示す図である。 本発明による実施形態２の概略平面図である。 上記実施形態２の試料導入の動作を説明するための部分平面図である。 上記実施形態２の試料導入の動作を説明するための部分平面図である。 上記実施形態２の試料導入の動作を説明するための部分平面図である。 上記実施形態２の分離部の立体図である。 柱状障害物領域横断面の部分図である。 柱状障害物領域横断面の部分図である。 柱状障害物領域の電界勾配を示す等高線図である。 柱状障害物領域の電界勾配を示す等高線図である。 柱状障害物領域のゲート効果と濃縮効果を説明するための部分立体図である。 柱状障害物領域のゲート効果と濃縮効果を説明するための部分立体図である。 柱状障害物領域のゲート効果と濃縮効果を説明するための部分立体図である。 柱状障害物領域の分離効果を説明するための部分立体図である。 柱状障害物領域の分離効果を説明するための部分立体図である。 柱状障害物領域の分離効果を説明するための部分立体図である。 柱状障害物領域の分離の原理を説明するグラフである。 柱状障害物領域の分離の原理を説明するグラフである。 上記実施形態２の分析部と周辺装置の概略図である。 実施形態２の分取部を説明する部分図である。 実施形態２の分取部を説明する部分図である。 実施形態２の分取部を説明する部分図である。 他の実施形態である柱状障害物の断面図である。 他の実施形態である柱状障害物の断面図である。 他の実施形態である柱状障害物の断面図である。 他の実施形態である柱状障害物の断面図である。 他の実施形態である柱状障害物の断面図である。

発明の詳細な説明

本発明の具体的な実施形態について述べる前に、まず、本発明の説明に必要な、誘電泳動力による濃縮効果、ゲート効果、分離効果の原理について簡単に説明する。

非特許文献１によれば、誘電泳動力（Ｆ）は、粒子（比誘電率ε_２）が分散された流体中（比誘電率ε_１）に電界勾配が存在する場合に発生し、電界の極性（電気力線の向き）には関係なく粒子に作用する引力（あるいは斥力）であり
Ｆ＝２πｒ^３ε_０ε_１ Ｒ_ｅ［ＣＭ（ω）］ ｇｒａｄ｜Ｅ｜^２ …（式１）
ε_０：真空の誘電率、ｄ：粒子の直径、Ｅ：電界ベクトル
と表される。（式１）から、誘電泳動力（Ｆ）は粒子半径ｒの３乗（または体積）と、クラジウス−モソッティ係数ＣＭ（ω）＝｛（ε_２−ε_１）／（ε_２＋２ε_１）｝の実数部であるＲ_ｅ［ＣＭ（ω）］と、電界の２乗の勾配である∇｜Ｅ｜^２の３つの項の積に比例することが分かる。

流体を２５℃の水とすれば比誘電率ε_１は約８０であり、通常の生体物質では多くても比誘電率ε_２は１０以下であるから、水中ではほとんどの物質に、電極から反発する力（斥力）である負の誘電泳動力（つまりε_２＜＜ε_１だから、Ｆ＜０）が働く。

この誘電泳動力が作用すると、キャリヤーに浮遊して移動する試料（速度ｖ）と、キャリヤー液体（流速ｕ）との間に、次の相対速度差（ｖ−ｕ）を生じる。

６πηｒ（ｖ−ｕ）＝２πｒ^３ε_０ε_１・Ｒ_ｅ［ＣＭ（ω）］・∇｜Ｅ｜^２ …（式２）
この速度差は、後に述べるようにｒ^３に依存した距離あるいは時間の差に変換されるため、試料の成分がバンド状に並んで分かれる（分離効果）。

さらに（式２）でｕ＝０のとき、つまり、
６πηｒｖ−２πｒ^３ε_０ε_１・Ｒ_ｅ［ＣＭ（ω）］∇｜Ｅ｜^２＝０ …（式３）
の電界勾配の条件が満たされる位置で、試料はキャリヤー液体の流れの中で静止する（ゲート効果）。また、平面内の４電極あるいは空間内の８電極に囲まれた領域に負の誘電泳動力を作用させると、試料は狭い空間に押し込められてトラップされることが、例えば非特許文献３にも記載されている（濃縮効果）。このトラップされた状態で（式３）が満たされる流れの中に置かれた試料は、流れの方向に圧縮され、さらに濃縮される。

一般には、誘電泳動力を発生するために電極へ印加する電圧として、周波数が約１００Ｈｚから１００ＭＨｚの間の交流を使用する。この周波数範囲の交流電圧を用いると、粒子が帯電している場合に作用する電気泳動力を時間平均の効果によりキャンセルすることができる。また、電極が直に流体に接触している場合に生じる（電気分解などの）電極反応を抑制することができる。

以下、本発明に基づくマイクロ流体デバイスと装置を、図面を用いて詳細に説明する。

＜実施形態１＞
図１に、本発明の実施形態１に基づく分析および分取のためのマイクロ流体デバイス例の概略平面図を示し、以下にその構成と作用を述べる。マイクロ流体デバイスの主要部は、試料導入部２００、分離部３００、分析部４００、分取部５００、およびそれらの周辺部分からなる。メイン流路１２１は、試料導入部２００で試料流路１２０と、分取部５００で分取用流路１２２と交差する構成となっている。

試料導入部２００では、メイン流路１２１と交差する試料流路１２０から切り取った試料１０１に負の誘電泳動力を作用させ、十字流路内のほぼ中央の狭い領域に集中、濃縮し、静止状態で分析プロセスの開始まで待機させる。

分離部３００では、メイン流路１２１の断面内のほぼ中央に集中した試料１０１に負の誘電泳動力を作用させ、後に述べる原理により、試料のサイズに応じた速度の遅延、位置の後方シフトを生じさせる。

分析部４００では、分離部３００で生じた個々の試料成分ごとの遅延時間あるいは位置の後方シフトを、光学的検知方法を用いて測定する。この測定から遅延時間に対する成分存在量のスペクトル（クロマトグラム）が得られる。

分取部５００では、分析部４００からの成分情報あるいは分離成分の到達時間予想値に応じて、必要な成分だけをメイン流路から抜き取る。

図２Ａ，図２Ｂ、図２Ｃを用いて、試料導入部２００に試料１０１が供給されるまでの動作を説明する。キャリヤー液体内に赤血球や白血球、血小板などの血液成分を含む試料１０１は、図２Ａに示すように、試料流入口１１１からの圧力、あるいは試料流路１２０の下流に位置する廃液流出口１１３からの負圧（吸引）により駆動され、試料流路１２０内を満たしていたキャリヤー液体を押出すように流れて供給される。試料の先頭がメイン流路１２１を横切り、図２Ｂに示すように交差点を塞ぐ状態になったら、試料の駆動を止める。

次に、４つの角の上下２層、併せて８つの電極からなる試料導入部電極群２０１に交流電圧が供給されると、メイン流路との交差点内にある試料に誘電泳動力が作用し、十字状流路の交差点内にある試料は、図２Ｃに示すように試料流路１２０を満たす試料から切り離される。

図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃを用いて、試料導入部２００で試料１０１が濃縮され、分離プロセスがスタートするまでの動作を説明する。試料１０１は、８つの電極から強い反発力を受けて交差点中央の狭い領域に閉じ込められ、静止したまま、図３Ａに示すように濃縮される。

次に、キャリヤー流入口１１２からの加圧あるいは図３Ａのメイン流路１２１の最下流に位置する廃液流出口１１５からの吸引が開始され、キャリヤー液体１０５がメイン流路１２１内部を流れ始める。試料１０１は、キャリヤーの流れからの粘性抗力によりメイン流路下流側へ押されるが、下流側の電極群からの反発力に阻まれるため、交差点内にトラップされたまま圧縮され、図３Ｂに示すように、さらに濃縮される。

この静止状態で、図３Ｃに示すように、下流側の電極群２２０（あるいは試料導入部電極群２０１の全て）に印加していた交流電圧をオフにすると、試料へ下流側から働いていた反発力が消滅し、試料は流れに乗って下流側へ動き始める。そして、このタイミングで分離プロセスがスタートする。

図４Ｂに示した十字状流路の立体図には、ゲート電極群２０１の電極全てに印加する交流の位相が示されている。この交流の位相は、断面方向で隣り合う電極は逆位相（位相シフト量が１８０度あるいはπラジアン）、対角の電極どうしは同位相の関係に設定される。さらに上流側の電極群と、下流側の電極群の間でも、隣り合う電極は逆位相となるように設定されている。ゲート電極群を構成する８つの電極に印加する交流を、隣どうしで逆相とすることにより、小さい領域内で強い電界と大きな電界勾配を発生させることができ、強い誘電泳動力を作用させることができる。

試料１０１は、この狭い領域に閉じ込められ、静止状態で濃縮されるため、流れ方向の速度ゆらぎや位置ゆらぎ、蓄積した熱拡散のゆらぎなどが極力取り除かれる。これらの効果により、従来から用いられている十字状の流路から試料を導入する方法よりも優れた性能を発揮することができる。

次に図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃを用いて、分離部３００における分離電極群１２１の作用と原理、試料１０１の分離状態について説明する。図５Ａは流れの中心の狭い領域に閉じ込められた状態で、分離部３００へ流れ込む試料１０１と、分離電極群の位置関係を示している。

この分離電極が試料を成分に分離する動作と原理を、第２段目の分離電極群３２０を中心にして説明する。試料が図５Ａに示した第１段目の分離電極群３１０と第２段目の分離電極群３２０との間の中間点３０３に到達するまでは、全ての成分は、まだ一斉に同じ動きをしている状態にあると仮定する。この中間点３０３の位置では電気力線が平行であり、電界強度の傾斜は無いので試料には流体からの粘性抗力しか作用しない。

図５Ｂに示すように、試料が中間点３０３を越えて下流側に入ると、試料１０１が進む方向に対して電気力線は密になり、試料は第２段目の分離電極群３２０から働く負の誘電泳動力（反発力）により速度が遅くなる。上記（式１）から分かるように誘電泳動力は粒子の径ｒの３乗、つまり体積に比例するので、流れの速度からのシフト量である相対速度も、個々の試料成分の体積に比例して遅くなり、分離する。この状態は第２段目の分離電極群３２０を通過するまで続く。

図５Ｃに示すように、試料が第２段目の分離電極群３２０を通過した後は、この第２段目の分離電極群３２０から働く負の誘電泳動力（反発力）により、今度は、試料は後ろから押されて速度が速くなる。この状態は第２段目の分離電極群３２０と第３段目の分離電極群３３０との中間点３０４を通過するまで続く。

ここで分離した試料１０１は再び元の状態のように一緒になることは無い。その理由を、半径比１．２６（体積比２に相当）の大小２つの粒子成分から成る試料を仮定して計算した結果である図６Ａ、図６Ｂを用いて説明する。

図６Ａには、試料１０１とキャリヤー液体との相対速度差が、電極を中心として流れ方向に対称の関係にあることが示されている。試料は、上流側の中間点３０３から第２段目の分離電極群３２０までの間では速度が遅く、この第２段目の分離電極群３２０から下流側の中間点３０４までの間では速度が速い。

しかし、この２つの領域を試料が横切る時間の長さに注目すると、上流側の中間点３０３から第２段目の分離電極群３２０までを通過する時間は、第２段目の分離電極群３２０から下流側の中間点３０４までを通過する時間よりも長く、非対称の関係にある。図６Ａにおける速度を上流側の中間点３０３から任意の位置まで時間で積分し、時間と試料位置との関係に直したグラフを図６Ｂに示す。

このグラフから、分離した試料は再び元の位置関係には戻らないことが理解できる。さらに、分離電極群を通過するたびに試料成分間の距離が広がるので、分離電極の段数は多いほど分離性能が向上することが分かる。

この分離部３００における分離の感度は、圧力流れの速度と印加する交流電圧の２つを変化させて決めることができる。また測定したい粒子径の範囲ごとに、最大感度を得る最適化をおこなうことも可能である。また、試料導入部電極群２０１の場合と同様、分離部電極群３０１の場合にも、隣り合う電極間の位相が逆になるよう設定し、電極間の電位差が最大となる使い方で最大効率を引き出すことができる。

分離部３００で分離された試料は、キャリヤー液体１０５の圧力流れに乗りながら移動し、分析部４００を通過するときにデータに変換される。図７に、本実施形態の一部である分析部４００を、分析に必要な外部装置の概略とともに示す。その構成と作用を述べる。

分離部３００を通過した試料は、その直径の３乗（体積）の違いで生じた流れ方向への速度差により、速い試料成分１０２が先行し、遅い試料成分１０４が後続する位置関係を保ちながら観測点４０１へ向かって流れる。

観測点４０１を通過する試料成分は、照射光４０２による散乱光を顕微鏡４１０と光センサー４２０によって検出される。検出された散乱光の光量は微小な試料の数量や投影断面積を反映しているから、観測点内の試料の総体積あるいは密度と対応する存在量を表している。この検出データは、データ蓄積装置４３０へ送られて蓄積される。

到達時間の測定値からは、試料の種々の性質を知ることができる。基本式である（式１）の説明で述べたように、誘電泳動力は粒子半径ｒの３乗（体積）に比例する項と、クラジウス−モソッティ係数ＣＭ（ω）の実数部であるＲ_ｅ［ＣＭ（ω）］と、電界の２乗の勾配である∇｜Ｅ｜^２の３つの要素から構成される。

誘電的性質が同じ試料成分であれば、誘電泳動力は試料成分ごとの体積に相当するｒ^３に比例する。検出部で検出した到達時間は、この力の強さ、つまり試料成分の径の大きさを反映する。したがって、そのスペクトルの測定により、試料成分の粒径（あるいは体積）分布が得られる。

図８に、２種類の成分からなる試料の到達時間スペクトルの例を示す。分析部４００で検出された信号を、時間軸に対する検出光量のグラフとして表示している。このグラフの横軸である時間軸は、分離部３００において生じた試料成分に応じた時間差を表し、体積に一対一に対応する量である。また縦軸である検出光量が示す物質の空間密度分布や空間的分散は、試料成分の存在量に相当する。

したがって図８のグラフは、試料成分の体積に対する存在量のスペクトルを表している。このように、本発明によって、少ない試料で高精度、高感度の分析が実現する。

本発明はさらに、周波数をパラメータとした到達時間を計測することにより、誘電泳動力の基本式に含まれるクラジウス−モソッティ係数ＣＭ（ω）の性質から、試料の誘電率や導電率さらには簡単な内部構造まで推測することができる。図９は、２種類の成分からなる試料の到達時間を計測してクラジウス−モソッティ係数ＣＭ（ω）の実数部Ｒ_ｅ［ＣＭ（ω）］を計算し、周波数を変数として示した例である。

図９から、試料成分Ａは遷移が１回ある２段の特性であること、試料成分Ｂは遷移が２回ある３段の特性であることがわかる。この段数から、試料成分Ａは均質とみなせる内部構造を持ち、試料成分Ｂは膜で覆われた内部構造を持つと推定できる。

さらに、キャリヤー液体の誘電率と導電率をそれぞれε_ｍとσ_ｍ、試料成分Ａの誘電率と導電率と半径をε_ａとσ_ａとＲ_ａ、試料成分Ｂの内部の誘電率と導電率と半径をε_ｂとσ_ｂとＲ_ｂ、試料成分Ｂの膜部分の静電容量とコンダクタンスをＣ_ｂとＧ_ｂとすると、図９のグラフの各特徴点から、次のことを知ることができる。

Ａ１点のＲ_ｅ［ＣＭ（ω）］＝（σ_ａ−σ_ｍ）／（σ_ａ＋２σ_ｍ）
Ａ２点の角周波数（ω）＝（σ_ａ＋２σ_ｍ）／（ε_ａ＋２ε_ｍ）
Ａ３点のＲ_ｅ［ＣＭ（ω）］＝（ε_ａ−ε_ｍ）／（ε_ａ＋２ε_ｍ）
Ｂ１点のＲ_ｅ［ＣＭ（ω）］＝（Ｒ_ｂＧ_ｂ−σ_ｍ）／（Ｒ_ｂＧ_ｂ＋２σ_ｍ）
Ｂ２点の角周波数（ω）＝２σ_ｍ／Ｒ_ｂＣ_ｂ
Ｂ３点のＲ_ｅ［ＣＭ（ω）］＝（σ_ｂ−σ_ｍ）／（σ_ｂ＋２σ_ｍ）
Ｂ４点の角周波数（ω）＝（σ_ｂ＋２σ_ｍ）／（ε_ｂ＋２ε_ｍ）
Ｂ５点のＲ_ｅ［ＣＭ（ω）］＝（ε_ｂ−ε_ｍ）／（ε_ｂ＋２ε_ｍ）
図１０Ａには、分離した試料が分離部３００から流れ出て分取部５００へ向かう様子を示している。先頭から早い試料成分１０２で表した血小板（５〜５０立方μｍ）、中間的速さの試料成分１０３で表した赤血球（体積１００立方μｍ程度）、遅い試料成分１０４で表した白血球（体積２００〜５０００立方μｍ）の順に並んで層流を形成している。

図１０Ｂは、真ん中の試料成分である赤血球が分取部５００の交差点領域に達した状態を示す。この状態で、電極５１１などの８つの電極から成る分取部電極群５０１に交流電圧を印加すると、赤血球は十字流路の交差点内にトラップされる。

また図１０Ｃのように、分取部電極群５０１の電極５１１，５１２，５２１，５２２および表示されていない下面側の電極５１３，５１４，５２３，５２４に印加する交流の位相関係を非対称にすると、赤血球は分取用流路１２２の方向に力を受け、分取試料出口１１６の方向に抜き取られる。このようにして、本発明のこの実施形態によって、少ない試料で高精度の分取が実現する。

図１１に本発明のこの実施形態１の全体装置の構成を示す。マイクロ流体デバイス１００の流路の入口側には、試料リザーバー１３０と、キャリヤー液体リザーバー１３１、これらの試料，キャリヤー液体を送り出すための送液ポンプ１３２が接続されている。またマイクロ流体デバイス１００の流路の出口側には、廃液容器１３３や分取試料を貯めるための分取試料用容器１３４が設けられている。

また、マイクロ流体デバイス１００の観測点４０１に合わせて検出装置１４０である顕微鏡４１０が設置されており、この検出装置１４０にはデータ収集解析装置１４１が接続され、このデータ収集解析装置１４１には、プロセス制御装置１４２が接続され、このプロセス制御装置１４２には、誘電泳動用交流電源１５０が接続されている。

この誘電泳動用交流電源１５０は、例えば図１２に示すように構成される。即ちこの電源は、発振回路１５１と、この発振出力を増幅する増幅回路１５２と、この増幅出力を位相シフトして増幅する位相シフト増幅回路１５３と、この位相シフト増幅回路１５３の出力と接地出力と増幅回路１５２出力の１つを選択する、試料導入部電極群２０１の各電極に接続される選択回路１５４と、この選択回路１５４を切替え制御するデコーダー１５５とから成る。

各選択回路１５４の出力電圧（ａ）〜（ｈ）は、図１３に示すように試料導入部電極群２０１の各電極に供給される。

図１に戻って、キャリヤー流入口１１２には、キャリヤー液体リザーバー１３１が管を介して接続され、キャリヤー液体は送液ポンプ１３２により送り出される。また、試料流入口１１１には、試料リザーバー１３０が管を介して接続され、試料は送液ポンプ１３２により送り出される。それ以降のプロセスおよびプロセス各部における動作は前述した通りである。

測定対象である試料が小さくなるにつれ、誘電泳動力は（式１）で示すように試料の半径ｒの３乗に比例して弱くなるため、通常、試料の分離や測定が難しくなる。そこで、およそ２００ナノメーター以下のサイズの試料に対しては、次に説明する実施形態２の方法が望ましい。

＜実施形態２＞
図１５に、本発明のこの実施形態２に基づく分析および分取のためのマイクロ流体デバイス例の概略平面図を示す。その構成と作用を述べる。

マイクロ流体デバイスの主要部は、分離部３００と分析部４００、およびそれらに先行する試料導入部２００と、最後のプロセスである分取部５００などの周辺部分からなり、実施形態１の構成とほぼ同じである。

ただし本実施形態では、キャリヤー液体を駆動するのは圧力ではなく、電気泳動用電極（直流電圧を印加）であること、試料導入部には電極が無い通常の十字状流路を用いていること、分離部３００と分取部５００にナノサイズ柱状障害物が設置されていること、ゲート効果および濃縮効果を試料導入部２００ではなく分離部３００で発現させること、分析部４００の試料検知手段には熱レンズ顕微鏡が使われていることなどの点で違いがある。また本実施形態では試料がタンパク質であるとして説明する。

図１４に本発明の実施形態２の全体装置の構成を示す。マイクロ流体デバイス１００のメイン流路の入口側には、試料リザーバー１３０と、キャリヤー液体リザーバー１３１、さらに試料リザーバーには試料を送り出すための送液ポンプ１３２が接続されている。

またマイクロ流体デバイス１００の流路の出口側には、廃液容器１３３や分取試料を貯めるための分取試料用容器１３４が設けられている。

また、マイクロ流体デバイス１００の観測点４０１に合わせて検出装置１４０である熱レンズ顕微鏡４１１が設置されており、この検出装置１４０の光センサー４２０にはデータ収集解析装置１４１が接続され、このデータ収集解析装置１４１には、プロセス制御装置１４２が接続され、このプロセス制御装置１４２には、誘電泳動用交流電源１５０が接続されている。さらに本実施形態では、マイクロ流体デバイス１００のメイン流路を流れるキャリヤー液体を電気泳動で駆動するための直流電源１６０が、プロセス制御装置１４２に接続されている。

図１５に戻って、試料導入部２００には、一般的な十字状の流路（角に電極が無い）が使われ、試料１０１は送液ポンプの圧力により試料流路１２０を流れて、メイン流路１２１と交差する試料導入部２００に供給される。

メイン流路の下流末端にある廃液流出口１１５にはプラス電極１６１が設けられ、イン流路の上流末端にあるキャリヤー流入口１１２には、マイナス電極１６２が設けられ、これらのプラス電極とマイナス電極の間に前述の直流電源１６０が接続されている。

メイン流路１２１に供給された試料１０１は、上記の電極から直流電圧が加えられ、電気泳動により分離部３００へ向かってメイン流路１２１の内部を、分離部３００へ向かう。

分離部３００には、メイン流路１２１内を電気泳動の作用で駆動されるキャリヤー液体と、試料流路１２０から切取った試料１０１が供給される。試料はキャリヤー液体の流れに逆らって静止し（ゲート効果）、高濃度化され（濃縮効果）、柱状障害物領域３０２の前（上流側）の薄層領域内に閉じ込められて待機する。

分離は、分離部３００の周囲を囲む第１段目の電極群３１０、第２段目の電極群３２０の８つの電極に印加されている交流電圧の振幅あるいは交流位相の切り換えにより開始される。ゲートが開放されると、試料１０１は柱状障害物領域３０２内部を通過しながら、成分に分けられたバンドを形成する（分離効果）。誘電泳動力と流れとの相互作用による効果である濃縮、ゲート、分離の原理については実施形態１で述べたので、ここでは省略する。ただし後述するように、サイズが小さい領域でのその効果は非常に強くなる。

分析部４００では、分離部３００で成分に分けられた試料の遅延時間差あるいは位置のシフト量を、例えば上述の特許文献８、特許文献９で開示された、熱レンズ顕微鏡を用いて測定する。この測定から遅延時間に対する成分存在量のスペクトル（クロマトグラム）などが得られる。

図１６Ａ，図１６Ｂ，図１６Ｃを用いて、メイン流路１２１に試料１０１が投入されるまでの動作を説明する。蛋白質を含む試料１０１は、図１６Ａに示すように、試料流入口１１１からの圧力、あるいは試料流路１２０の下流に位置する廃液流出口１１３からの負圧（吸引）により駆動され、試料の先頭がメイン流路１２１を横切り、図１６Ｂに示すように交差点を塞ぐ状態になったら、試料の駆動を止める。

次に、キャリヤー流入口１１２の内部とメイン流路１２１の下流に位置する廃液流出口１１３の内部に設置された、ここでは図示されていない２つの電極間に直流電圧が印加され、電気泳動力によるキャリヤー液体１０５の駆動が開始される。

キャリヤー液体１０５がメイン流路１２１内部を流れ始めると、図１６Ｃに示すように、メイン流路１２１との交差点内に存在した試料流路１２０の幅分の試料が分離部３００の方へ移動を始める。

図１７に示したように分離部３００の最小単位は、メイン流路１２１の途中に設けられた柱状障害物領域３０２と、それを囲むように配置された第１段目の分離電極群３１０（電極３１１，３１２，３１３，３１４）、第２段目の分離電極群３２０（電極３２１，３２２，３２３，３２４）の８つの電極で構成される。本実施形態では、この第２段目の分離電極群３２０と図示されていない第３段目の電極群３３０との間にもう１つ柱状障害物領域があり、２段階の分離プロセスを構成している。

柱状障害物領域３０２には、多数のナノサイズの柱が、隙間を開けて、一定のピッチで並んでいる。本実施形態の場合、図１８にその一部の断面を示したように、柱状障害物の形状は四角柱であり、辺の２倍のピッチで正方格子状に並んでいる。したがって柱状障害物の空間占有率はほぼ２５％である。

図１８Ａは、正方形断面の四角柱状障害物が整列した構造を示しており、図１８Ｂは同じ四角柱状障害物を４５度回転して並べた例である。

分離部３００では、一連のプロセス時間の前半にゲート効果、それと同時に進行する濃縮効果、プロセス時間の後半に分離効果という、時間的にその動作の切り替えが行われる。切り替えは、第１段目の分離電極群３１０と第２段目の分離電極群３２０の電極へ印加する交流電圧の振幅、あるいは位相、あるいは周波数を制御することによりなされる。

この誘電泳動力は（式１）を見て分かるように、ｒ^３に比例する項をもつため、試料のサイズが小さくなるにつれて急激に弱くなる。例えば、前述した実施形態１のような中空のマイクロ流路で、タンパク質（サイズは約１ｎｍから数十ｎｍくらい）の試料を扱うと、誘電泳動力は熱による分子拡散力（ブラウン運動）に負けてしまい、ほとんどゲート、濃縮、分離の効果は得られない。

一方、図１８Ａ，図１８Ｂで示した２種類の四角柱要素からなる柱状障害物を流路内に設けた場合には、かなり様子が異なる。図１９Ａ，図１９Ｂは、図１８Ａ，図１８Ｂに対応し、一辺２００ｎｍの四角柱が４００ｎｍピッチで並ぶ領域に、図の水平横軸方向へ０．４Ｖ／４００ｎｍの電圧を印加した場合の電界シミュレーション結果である。誘電泳動力の構成因子である∇｜Ｅ｜^２を等高線で示している。試料に働く誘電泳動力は、中空のマイクロ流路の場合に比べて、約１０００倍に増大し、数ｎｍのサイズの試料にも有効に作用することが分かった。この新しい発見が本実施形態の基となっている。

上に述べた原理と作用による、本発明のゲート効果、濃縮効果、分離効果について、図１８Ｂに示す構成の柱状障害物を設けた場合を仮定して、さらに具体的に説明する。

図２０Ａに示すように、メイン流路１２１に投入された後の試料１０１は、測定スタート位置に到達するまでは、希薄な分散状態のまま上流から流れてくる。このとき第１段目の分離電極群３１０に通常の位相の交流電圧（ゼロ相）、第２段目の分離電極群３２０に逆相（位相差πラジアンまたは１８０度）の交流電圧を印加すると、柱状障害物領域３０２の内部には、図１９Ｂに示したように、流れと直交する方向へ柱状障害物間をブリッジする強い電界勾配領域が発生する。

図２０Ｂに示すように、試料１０１の先端が柱状障害物領域３０２の端に到達すると、試料には強い電界勾配による反発力（負の誘電泳動力）が働き、柱状障害物領域３０２内に侵入することができない。そのため試料１０１は、柱状障害物領域３０２の前で静止する（ゲート効果）。キャリヤー液体１０５には誘電泳動力が働かないため、柱状障害物領域３０２をすり抜けてゆく。

図２０Ｃに示すように、投入された試料は全てキャリヤー液体１０５の流れに乗って次々に分離部３００に到着し、静止する。それと同時に、キャリヤー流体１０５からの粘性抗力と柱状障害物からの反発力という反対方向に作用する２つの力は、試料１０１を圧縮し、柱状障害物領域３０２の前面の薄い領域に閉じ込め、濃縮する（濃縮効果）。

次に、ゲート効果から開放する方法を述べる。濃縮され、柱状障害物領域３０２の前面に堰き止められた状態で待機している試料１０１を、柱状障害物領域３０２内を通過させるには、単に印加交流電圧の振幅を小さくすればよい。しかし、本実施形態では１例として、誘電泳動特有の効果を利用した、交流電圧の位相を変更する方法で説明をする。

図２１Ａは、試料をゲート効果から開放して測定をスタートさせた瞬間の様子を示している。電極群に印加している交流電圧の位相に注目すると、ゲート解放前にゼロ相だった第１段目の右方上面電極３１２と第１段目の右方下面電極３１４がπ相へ、ゲート解放前にπ相だった第２段目の左方上面電極３２１と第２段目の左方下面電極３２３がゼロ相へ切り換えられたことがわかる。

それに伴って、ゲート解放前には流路を横断する方向に柱状障害物の間をブリッジして埋めていた強い電界勾配領域が、それとは直交する流れの方向に柱状障害物の間をブリッジして埋める状態へと変化する。その結果、試料は柱状障害物領域３０２を貫いて進行することができるようになる。つまり、ゲートが開放される。このタイミングで、下流側で試料の到達時間を測定するための計時が開始される。

図２１Ｂは、試料１０１が柱状障害物領域３０２へ流入し、少し入り始めた状態から試料成分への分離が始まる様子を示している。図２１Ｃは、柱状障害物領域３０２から、試料が速い試料成分１０２と遅い試料成分１０４に分離して出てきた様子を示している。本発明は、短距離、短時間で精度よく試料成分の分離ができる。このような過程を経て分離したバンド状の試料はキャリヤー液体とともに、次の検出部へ向かう。

上記実施形態１でも述べたように、分離は、試料とキャリヤー液体が流れる経路の電界傾きが均一ではなく、一定のピッチで高低を繰り返えす不均一の電界勾配を通過してゆく状況で生じる。つまり、電界勾配の上り坂では遅い速度で動き、電界勾配の下り坂では速い速度で動くことと、上り坂に存在する時間は下り坂に存在する時間よりも長いことが必要な条件となる。

図２２を用いて簡単に説明する。試料は、誘電率と導電率が等しく、粒径だけが異なる２種類（半径比が１：１．２６、体積比で１：２）の成分から成るとし、かなり強い上り坂領域および下り坂領域を通過すると仮定する。

図２２Ａは、柱状障害物１ピッチ内における２つの試料成分の、位置に対する速度のグラフである。この図は、図６Ａにおける電極位置と中間点を、柱真横と柱中間という言葉で置き換えたものと同等である。

これを時間対位置の特性で表すと図２２Ｂのグラフとなる。この図は、試料が柱状障害物１ピッチ分の距離を通過するための到達時間は、粒径の小さい試料成分の方が早く、一定時間で考える到達距離ならば粒径の小さい試料成分の方が遠くまで進むということを示している。つまり２つの試料成分が分離したことが分かる。実際にはこの到達時間差は、試料の大きさだけでなく、形状や複素誘電率なども含めた試料固有の値となる。

分離部３００で分離された試料は、キャリヤー液体１０５の流れに乗りながら移動し、分析部４００を通過するときにデータに変換される。図２３に、分析部４００を、分析に必要な外部装置の概略とともに示す。その構成と作用を述べる。

分離部３００を通過した試料は、その半径ｒの３乗（あるいは体積）の違いで生じた位置のシフトにより、速い試料成分１０２、中間的速さの試料成分１０３、遅い試料成分１０４の順のバンド構造を形成し、観測点４０１へ向かって流れる。

観測点４０１を通過する試料成分は、熱レンズ顕微鏡４１１によって検出され、センサー４２０の出力から微小な試料の個数や分散濃度のデータが得られる。また、ゲート開放時点から開始した計時により、観測点４０１に到達するまでの時間が得られる。これらの検出データは、データ蓄積装置４３０へ送られて蓄積される。

分析部４００で試料成分のデータ取得、さらには物質の同定や推定ができた後に、そのデータに基づいて次の分取部５００にて分取が行われる。図２４Ａ，図２４Ｂ，図２４Ｃに、本発明の分取部における操作の概略を平面図で示す。図２４Ａは、速い試料成分１０２が既に観測点４０１を通過し、中間的速さの試料成分１０３が観測点４０１を通過中であり、遅い試料成分１０４が、これから観測点４０１に向かおうとしている様子を示している。

図２４Ｂは、分析部４００での分析から、分取の目標物が中間的速さの試料成分１０３であることが分かった後、試料成分１０３が分取部に到達するのを待っている状態を示している。そして目標物が、電極群の囲まれた柱状障害物で構成された交差領域に達した状態で、電極群に印加される位相あるいは電圧を制御してメイン流路１２１から分取用流路１２２へ方向変換する組合せにすると、図２４Ｃに示すように、中間的速さの試料成分１０３だけが分取試料出口１１４に向けて移動し、分取が実現する。

＜上記実施形態の変形例＞
本発明の上記実施形態２では、分離部３００で試料にゲート効果を働かせる例として、印加交流の電界方向を変更する方法を述べたが、本発明では、他の方法を用いてよく、例えば、印加交流の電圧値を変化する制御であっても構わない。印加電圧を変化する制御であれば、特定の範囲内の試料だけを通過させるフィルター的な使い方も可能となり、また電圧を時系列として徐々に低下させることにより、予めある程度分離した状態の試料を流すことも可能になる。

また、上記実施形態では、位相差がπラディアン（１８０度）の２種類の交流電圧を使用する例を示したが、この位相差を制御することにより、電極間に印加される交流電圧差（電位差）を制御する方法であってもよい。

また、交流電圧の周波数を制御する方法であっても構わない。この場合に得られる周波数応答データと、周波数の関数であるクラジウス−モソッティ係数の特性から、試料の複素誘電率や粒子構造などの測定や推定も可能になる。

上記実施形態２では、試料導入部電極群２０１の各電極に加える交流の例について述べたが、他の電極群についても同様に交流を加えることができる。

上記実施形態２では、分離部に用いる柱状障害物を正方形断面の四角柱とした。しかし、断面が図２５Ａ，図２５Ｂ，図２５Ｃ，図２５Ｄ，図２５Ｅに示したような、円、楕円、紡錘形、扁平六角形、ひし形の柱状障害物を用いてもよい。

この柱の形状は、目的に沿って設計が可能で、例えば紡錘断面柱は分離目的には優れている。また、柱状障害物は、同一形状同一サイズのくり返しである必要は無く、例えば２種類の形状のくり返しであっても良い。組み合せによって分離効果に特徴的な特性パターンが出てくるので、使用用途に応じて最適化が図れる。

本発明の上記実施形態１では分離電極群が３段である例を示し、実施形態２では分離部電極群３０１が３段で柱状障害物領域３０２が２段階である例を示した。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られず、分離電極群の段数や柱状障害物領域の数に制限を設ける必要は無く、例えば、分離電極群が２段で柱状障害物領域が１つだけでも構わない。分離電極群の段数や個数を増やすほど分離性能は向上し、分離部３００は長ければ長いほど分離精度が良くなる。

実施形態１の中では試料導入部２００、実施形態２の中では分離部３００で発現するゲート効果を、試料を通過させるか阻止するかの２値的な効果として説明した。

しかし、本発明におけるゲート効果を厳密に述べるならば、（式１）を構成する変数である粒子半径ｒ（の３乗）が、ある閾値より大きい物質の通過を阻止する効果である。さらに、その閾値は、これも（式１）を構成する変数である角周波数ω（複素誘電率の変数）と電界の勾配∇｜Ｅ｜^２の関数である。つまり本実施形態内で示したゲート効果とは、試料の大きさや複素誘電率の違いでふるいわける、フィルター効果の意味も含む概念である。したがって本発明を、電気的制御により任意の設定が可能な、あるいは変更が可能なフィルターとして使っても構わないし、このゲート効果だけでも簡単な分離、分析のためのデバイスとして使用することも可能である。

実施形態１では試料導入部と分取部に、電極を有する十字状流路を用いる例を示し、実施形態２では分取部に、電極と柱状障害物を有する十字状流路を用いる例を示した。

しかし、本発明はこれらの十字状流路に限られず、試料導入部や分取部に、特許文献７にも開示されているシンプルな十字流路、本発明で提案した電極を有する十字流路、さらには柱状障害物を有する十字状流路をどう組み合わせるかについて制限を付与する必要はない。

試料導入部は、例えば二方の流入路の片方から試料を、もう一方の流入路からキャリヤー液体を導入するＹ型の流路構成、あるいは三方からの流入路の真ん中から試料を、それを挟む二方からの流入路からキャリヤー液体を導入するΨ型の流路構成であっても構わない。ただし本実施形態の構成とする方が扱いやすさと確実性（不必要な成分混入の排除）はさらに向上する。

実施形態１および実施形態２では、各電極群に印加する交流電圧の位相関係について、ゼロ相とπ相（１８０度）の組合せとなる一種類しか示さなかった。しかし、本発明はこれらの場合に限られず、これらの実施形態におけるような位相の組合せの通りである必要はない。π相（１８０度）の電極を全てアース電位としても、さらには全電極ともに同相としてほぼ同じ動作が得られるが、前者の組合せは誘電泳動力が弱く、後者はさらに弱くなる。しかし、駆動回路やデバイス上の配線はシンプルにすることができる。

実施形態１および実施形態２では、水を想定したが、本発明ではキャリヤー液体は水に限る必要はなく、通常の固体物質（比誘電率で多くても１０以下）より誘電率が高い液体であれば構わない。例えばエチレングリコール、エタノール、メタノール、アセトンは比誘電率が少なくとも２０以上あり、通常の生体物質に対して負の誘電泳動力（電極からの反発力）が働く液体なので使用可能である。ただし、ベンゼンやトルエン、ケロシン、ガソリンなどは正の誘電泳動（電極への引力）を生じる可能性があり、使用は比較的難しい。また強誘電性固体の使用も難しい。

実施形態１および実施形態２では、流路の周囲に４つの電極を備える例を示したが、本発明においては、電極の数は４つに限る必要は無く、リング状に連続して流路を囲む場合の電極数１も含め、いくつに分割しても構わない。ただし電界計算の結果によれば、流路中央付近まで及ぶ比較的強い電界勾配を発生するためには、電極位置はなるべく流路の壁に近い配置が良く、電極数は４つから８つまでの範囲で効率がよい。

実施形態１および実施形態２では、対象とする試料を球形とみなして解析したが、対象は非球形の物質であっても構わない。試料が球形でない場合には、例えば非特許文献２に示されている、ＤＮＡの様なひも状の物質も幅を短軸、長さを長軸とする回転楕円体と見なし、その形状を推測することも可能である。

実施形態１および実施形態２では、試料導入部電極群２０１、分離部電極群３１０，３２０、分取部電極群５０１の電極形状や配置は、上流側と下流側でほぼ対称となる例を示した。しかし、本発明において電極形状は対称形に限る必要は無く、非対称の電極形状や配置としてもよい。例えば加速領域は狭く、減速領域は広い構造とすれば、より短時間で効率の良い分離が得られる。

なお本発明で用いるマイクロチャネル内での試料移動のメカニズムとして、実施形態１では圧力流れによる場合を説明し、実施形態２では電気泳動による場合について説明した。しかし本発明において、流れに駆動力を生ぜしめる方法は、圧力でも電気泳動でも、あるいは電気浸透流れ（大きくは電気泳動に分類される）でも、これらの組合せでもよい。本発明において、更には他のいかなる方法であってもよく、それぞれの方法で目的を達するための効果が得られるならば、流れの種類には限定されない。

なお、実施形態１で説明した中空流路で扱うような細胞、バクテリア、血球など、そのサイズがマイクロメーター以上の比較的大きな生きている試料に対しては、電気的刺激のない圧力流れによる方法が望ましい。

また、実施形態２で説明したように柱状障害構造のある流路で扱うようなウイルス、タンパク質、ＤＮＡなど、そのサイズが２００ナノメーター以下の懸濁状態の物質である場合には、縞状の分離（クロマトグラム）に必要な均一な流れ（プラグ流）が得られる電気泳動あるいは電気浸透流を用いる方法が望ましい。

また試料として、実施形態１では血液を扱い場合を説明し、実施形態２ではタンパク質を扱う場合について説明したが、試料は血液やタンパク質、さらには生体物質に限られるものではない。

本発明によれば、蛍光物質などの標識を使わなくても精度の良い分離が得られるので、生体物質などの試料にダメージを与えることなく、正味サイズの計測や分析、元の自然な状態での分取が可能となる。例えば白血球や血小板では粘着能の活性化や変形がない状態、タンパク質ではコンフォメーション変化の無い状態のままで扱うことができる。

また、キャリヤー液体は流れたままで、キャリヤー液体中に浮遊する、あるいは分散懸濁状態にある試料を静止させ、待機（ゲート効果）や濃縮が可能になる。さらに、このゲート効果は投入試料を全て無駄なく使用する省試料化や少量化を実現し、従来からの課題であるデッドボリューム問題を解決する。

また、分離のスタート位置とスタート時間を正確に設定でき、分離中の分散も少ないため、高精度の到達時間計測が実現できる。特に、従来のクロマトグラフィーでは測定が難しいとされる、比較的大きな（例えば１Ｍダルトン以上の）分子に対して精度の良い計測が可能になる。

また、交流の周波数をパラメータとする測定により、微小試料成分の誘電率、導電率、さらには簡単な構造や形状を推定することが可能になる。

また、本発明の実施形態１では試料をキャリヤーの流れの中央部で扱い、実施形態２では試料を障害物構造材からの強い反発力を作用させるため、流路の壁面や障害物構造材への付着が少なく、洗浄などのメンテナンスが容易で汚染も起こりにくいマイクロ流体デバイスおよび分析装置が実現できる。

また本発明のよるマイクロ流体デバイスは、試料を分析及び分取する為だけでなく、分析するためだけに、あるいは分取する為だけに用いることも可能である。

以上述べたように本発明によるマイクロ流体デバイスや分析分取装置は、少量の試料を用いて精度良く分析や分取を行う場合に適している。

Claims (20)

1. キャリヤー液体と試料からなる流体が流れるメイン流路を有し前記試料を分析又は分取するためのマイクロ流体デバイスであって、
   前記メイン流路の一部の周囲に設けられ、通過する前記試料に対して誘電泳動力の作用を及ぼす、交流電圧を加えられる複数の電極を備えることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
2. 前記複数の電極は、前記メイン流路と他の流路が交差する交差部に設けられ、かつこの交差部の前記メイン流路の上面の角に設けられた４つと流路の下面の角に設けられた４つ、合計８つの電極であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
3. 前記メイン流路に設けられ、前記メイン流路の方向と、前記メイン流路と交差する他の流路の方向の両方に対してほぼ直角な同一方向に設けられた複数の柱状体から成る柱状障害物を更に有することを特徴とする請求項２記載のマイクロ流体デバイス。
4. 前記キャリヤー液体と前記試料は、前記メイン流路の始端と終端の２端に設けられた電極間に印加される直流電圧により前記メイン流路を流れることを特徴とする請求項３記載のマイクロ流体デバイス。
5. 請求項４記載のマイクロ流体デバイスを用い、前記試料のサイズあるいは電気的性質に対する電気力学的作用あるいは電気流体力学的作用により生じる流路内での速度差あるいは特定位置に到達する時間を計測することにより、前記試料の分析又は分取を行うための試料分析分取装置。
6. 前記キャリヤー液体と前記試料は、前記メイン流路の始端と終端の間に印加される圧力差により前記メイン流路を流れることを特徴とする請求項２記載のマイクロ流体デバイス。
7. 請求項６記載のマイクロ流体デバイスを用い、前記試料のサイズあるいは電気的性質に対する電気力学的作用あるいは電気流体力学的作用により生じる流路内での速度差あるいは特定位置に到達する時間を計測することにより、前記試料の分析又は分取を行うための試料分析分取装置。
8. キャリヤー液体と試料からなる流体が流れるメイン流路を有し前記試料を分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
   前記キャリヤー液体を入れるキャリヤー流入口と、
   前記メイン流路の入口側に設けられ、前記キャリヤー流入口から入れられたキャリヤー液体に前記試料を加える試料流路と、
   この試料流路から加えられた前記試料が前記メイン流路を通過するとき誘電泳動力の作用を及ぼすことにより前記試料を分離させるために前記メイン流路の一部の周囲に設けられ、電圧を加えられる複数の電極から成る分離用電極群と、
   前記メイン流路を通過する前記試料を光学的に検知することにより前記試料を分析する分析部と、
   を有することを特徴とするマイクロ流体デバイス。
9. 前記分離用電極群は前記メイン流路の複数箇所に設けられ、前記メイン流路断面上、左右上下に設けられた４つの電極から成り、これらの電極には交流である第１の電圧と、前記第１の電圧とは異なる位相の交流電圧あるいは異なる振幅値の交流電圧である第２の電圧の少なくとも２種類の電圧が加えられることを特徴とする請求項８記載のマイクロ流体デバイス。
10. 前記メイン流路の、前記分離用電極群の設けられた位置の間に設けられ、流れに対してほぼ直角な同一方向に設けられた複数の柱状体から成る柱状障害物を更に有することを特徴とする請求項９記載のマイクロ流体デバイス。
11. 前記キャリヤー液体と前記試料は、前記メイン流路の始端と終端の２端に設けられた電極間に印加される直流電圧により前記メイン流路を流れることを特徴とする請求項１０記載のマイクロ流体デバイス。
12. 請求項１１記載のマイクロ流体デバイスを用い、前記試料のサイズあるいは電気的性質に対する誘電泳動力の作用により生じる流路内での速度差あるいは特定位置に到達する時間を計測することにより、前記試料の分析又は分取を行うための試料分析分取装置。
13. 前記キャリヤー液体と前記試料は、前記メイン流路の始端と終端の間に印加される圧力差により前記メイン流路を流れることを特徴とする請求項９記載のマイクロ流体デバイス。
14. 請求項１３記載のマイクロ流体デバイスを用い、前記試料のサイズあるいは電気的性質に対する誘電泳動力の作用により生じる流路内での速度差あるいは特定位置に到達する時間を計測することにより、前記試料の分析又は分取を行うための試料分析分取装置。
15. キャリヤー液体と試料からなる流体が流れるメイン流路を有し前記試料を分取するためのマイクロ流体デバイスであって、
    前記キャリヤー液体を入れるキャリヤー流入口と、
    前記メイン流路の入口側に設けられ、前記キャリヤー流入口から入れられたキャリヤー液体に前記試料を加える試料流路と、
    この試料流路から加えられた前記試料が前記メイン流路を通過するとき誘電泳動力の作用を及ぼすことにより前記試料を分離させるために前記メイン流路の一部の周囲に設けられ、交流電圧を加えられる複数の電極から成る分離用電極群と、
    前記メイン流路の出口側に設けられ、前記試料を分取する分取用通路と、
    を有することを特徴とするマイクロ流体デバイス。
16. 前記分離用電極群は前記メイン流路の複数箇所に設けられ、前記メイン流路断面上、左右上下に設けられた４つの電極から成り、これらの電極には交流である第１の電圧と、前記第１の電圧とは異なる位相の交流電圧あるいは異なる振幅値の交流電圧である第２の電圧の少なくとも２種類の電圧が加えられることを特徴とする請求項１５記載のマイクロ流体デバイス。
17. 前記メイン流路の、前記分離用電極群の設けられた位置の間に設けられ、流れに対してほぼ直角な同一方向に設けられた複数の柱状体から成る柱状障害物を更に有することを特徴とする請求項１６記載のマイクロ流体デバイス。
18. 前記キャリヤー液体と前記試料は、前記メイン流路の始端と終端の２端に設けられた電極間に印加される直流電圧により前記メイン流路を流れることを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
19. 前記柱状体は、断面四角形状を有することを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
20. 前記キャリヤー液体と前記試料は、前記メイン流路の始端と終端の間に印加される圧力差により前記メイン流路を流れることを特徴とする請求項１６記載のマイクロ流体デバイス。

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