JPWO2009093458A1 - Fine particle measuring apparatus and fine particle measuring method - Google Patents
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Abstract
微粒子測定装置が設置された環境温度あるいは、試料液の温度によって測定結果に変動が無く、必要十分な精度で測定することが可能な微粒子測定装置および微粒子測定方法を提供する。微粒子含有の試料液2を導入するセル1と、セル1内部の試料液2に浸漬される位置に少なくとも一対の電極と、電極間に、交流電界を発生するための電圧を印加する泳動電源部4と、交流電界によって誘起された誘電泳動力によって移動した微粒子による変化を測定する測定部5と、環境温度を検出する温度検出手段8と、測定部5が測定した結果に対し、温度検出手段8が測定した結果に基づいて補正処理を行い、試料液2中の微粒子を測定する制御演算部6と、を備える。There are provided a fine particle measurement device and a fine particle measurement method capable of performing measurement with necessary and sufficient accuracy without variation in measurement results depending on the environmental temperature in which the fine particle measurement device is installed or the temperature of the sample liquid. Cell 1 for introducing sample solution 2 containing fine particles, at least a pair of electrodes at positions immersed in sample solution 2 inside cell 1, and an electrophoretic power supply unit for applying a voltage for generating an alternating electric field between the electrodes 4, a measurement unit 5 that measures changes due to fine particles moved by a dielectrophoretic force induced by an alternating electric field, a temperature detection unit 8 that detects an environmental temperature, and a temperature detection unit that measures the measurement results of the measurement unit 5. And a control calculation unit 6 that performs correction processing based on the measurement result of 8 and measures the fine particles in the sample liquid 2.
Description
本発明は、誘電泳動を用いて試料液中の微粒子数を測定するための微粒子測定装置および微粒子測定方法に関する。 The present invention relates to a fine particle measuring apparatus and a fine particle measuring method for measuring the number of fine particles in a sample solution using dielectrophoresis.
昨今、食中毒や感染症などの原因となり、人体に何らかの害を及ぼす可能性がある微生物を、迅速、簡便、高感度に定量測定するニーズは特に高い。食品の製造工程や微生物検査施設を備えない診療所などにおいて、その場で微生物検査を実施することで、食中毒や感染症などの防止、予防が可能になるためである。 In recent years, there is a particularly high need for rapid, simple, and highly sensitive quantitative measurement of microorganisms that cause food poisoning, infections, and the like and can cause some harm to the human body. This is because, in a clinic that does not have a food production process or a microbiological examination facility, the microbiological examination can be performed on the spot to prevent or prevent food poisoning or infectious diseases.
また、いわゆるバイオセンサにおいて、抗体など、測定対象に特異的に結合する物質を標識したポリスチレンなどの人工微粒子を用いて、検体中の生化学的物質を定量測定する際に、検体中の微粒子数あるいはその結合状態を定量測定する必要がある。このように、昨今、液体中に含まれる微粒子を迅速、簡便、定量的に測定する要求は高い。 In addition, in so-called biosensors, the number of fine particles in a sample when quantitatively measuring a biochemical substance in a sample using an artificial fine particle such as polystyrene labeled with a substance that specifically binds to an object such as an antibody. Alternatively, it is necessary to quantitatively measure the binding state. Thus, nowadays, there is a high demand for quickly, simply and quantitatively measuring fine particles contained in a liquid.
ここで、本願における微粒子の定義について説明する。本願で言う微粒子とは、ポリスチレンやそれらに何らかのコーティングを施した粒子、カーボンナノチューブ、金コロイドなどの金属粒子、細菌、真菌、放線菌、リケッチア、マイコプラズマ、ウイルス、として分類されているいわゆる微生物、原生動物や原虫のうちの小型のもの、生物体の幼生、動植物細胞、精子、血球、核酸、蛋白質等も含む広い意味での生体または生体由来の微粒子である。この他にも、本願で言う微粒子とは、誘電泳動可能な大きさのあらゆる粒子を意味する。本願では特に、微生物の測定を想定している。 Here, the definition of the fine particles in the present application will be described. The microparticles referred to in this application are polystyrene, particles coated with them, metal particles such as carbon nanotubes and gold colloid, bacteria, fungi, actinomycetes, rickettsia, mycoplasma, viruses, so-called microorganisms, protozoa It is a living organism or a fine particle derived from living organisms in a broad sense, including small animals and protozoa, larvae of organisms, animal and plant cells, sperm, blood cells, nucleic acids, proteins, and the like. In addition, the fine particles referred to in the present application mean all particles having a size capable of dielectrophoresis. In this application, in particular, measurement of microorganisms is assumed.
液体中に懸濁された誘電体微粒子を電気的に操作する方法の一つとして、誘電泳動現象が用いられる。誘電泳動現象の原理は後述するが、液体中に懸濁された誘電体微粒子に不平等電界を印加することによって、微粒子の選別・分離や、誘電特性調査を行うことができる。 As one method for electrically manipulating dielectric fine particles suspended in a liquid, a dielectrophoresis phenomenon is used. Although the principle of the dielectrophoresis phenomenon will be described later, by applying an unequal electric field to the dielectric fine particles suspended in the liquid, the fine particles can be selected / separated and the dielectric characteristics can be investigated.
例えば、特許文献1は、複数種類の微粒子が混合された液体中から、特定の微粒子を選別・回収する装置に関するもので、微粒子の大きさや誘電特性の差異に起因する誘電泳動力の差を利用して、特定の微粒子のみに誘電泳動力を誘起してフローから回収する技術が開示されている。
For example,
また、特許文献2は、異なる微生物に働く誘電泳動力の周波数スペクトルが、その物性の差異から異なることを利用して、液体中に含まれる微生物の種類を同定する技術が開示されている。
更に、本発明者は他の発明者らと共に、誘電泳動を利用して液体中に含まれる微生物濃度を迅速、簡便、高感度に測定する微生物数測定装置および方法として、誘電泳動とインピーダンス計測を組み合わせたDEPIM(Dielectrophoretic Impedance Measurement Method)法を提案した(例えば、特許文献3を参照)。 Furthermore, the present inventor, together with the other inventors, conducted dielectrophoresis and impedance measurement as a microbial count measuring apparatus and method for rapidly, simply and sensitively measuring the concentration of microorganisms contained in a liquid using dielectrophoresis. A combined DEPIM (Dielectrophoretic Impedance Measurement Method) method was proposed (see, for example, Patent Document 3).
DEPIM法は、液体中に懸濁された微生物を誘電泳動力によってマイクロ電極に捕集し、同時にマイクロ電極のインピーダンス変化を測定することによって試料液中の微生物数を定量測定する方法である。以下、その測定原理について概説する。 The DEPIM method is a method for quantitatively measuring the number of microorganisms in a sample solution by collecting microorganisms suspended in a liquid on a microelectrode by dielectrophoretic force and simultaneously measuring the impedance change of the microelectrode. The measurement principle will be outlined below.
微生物は一般に、イオンリッチで誘電率および導電率の高い細胞質および細胞壁が、比較的誘電率および導電率の低い細胞膜に囲まれた構造を有し、誘電体粒子とみなすことができる。DEPIM法では、電界中で分極した誘電体粒子に一定方向に働く力である誘電泳動力を利用し、誘電体粒子である微生物をマイクロ電極のギャップ間に捕集する。 Microorganisms generally have a structure in which cytoplasm and cell walls having a high dielectric constant and conductivity are ion-rich and surrounded by a cell membrane having a relatively low dielectric constant and conductivity, and can be regarded as dielectric particles. In the DEPIM method, a dielectrophoretic force that is a force acting in a certain direction on dielectric particles polarized in an electric field is used to collect microorganisms that are dielectric particles between gaps of microelectrodes.
誘電体粒子に働く誘電泳動力FDEPは、以下の(数1)で与えられることが公知である(例えば、非特許文献1を参照)。以下、誘電体粒子が、微生物である場合を例として説明する。It is known that the dielectrophoretic force F DEP acting on the dielectric particles is given by the following ( Equation 1) (for example, see Non-Patent Document 1). Hereinafter, a case where the dielectric particles are microorganisms will be described as an example.
ここで、a:球形近似したときの微生物の半径、ε0:真空の誘電率、εm:試料液の比誘電率、E:電界強度であり、▽は演算子で勾配(gradient)を表す。この場合、▽E2は、電界E2の勾配なので、その位置でどれだけE2が傾斜を持っているか、つまり電界Eが空間的にどれだけ急に変化をするかを意味する。また、Kはクラウジウス・モソッティ数と呼ばれ、(数2)で表され、Re[K]>0は正の誘電泳動を表し、微生物は電界勾配と同方向、つまり、電界集中部に向かって泳動される。Re[K]<0は負の誘電泳動を表し、電解集中部から遠ざかる方向、すなわち弱電界部に向かって泳動される。Here, a: radius of microorganism when approximated by a sphere, ε 0 : dielectric constant of vacuum, ε m : relative permittivity of sample liquid, E: electric field strength, and ▽ represents a gradient by an operator . In this case, ▽ E 2 is the gradient of the electric field E 2 , and means how much E 2 has an inclination at that position, that is, how suddenly the electric field E changes spatially. K is called Clausius Mosotti number, expressed by (Expression 2), Re [K]> 0 indicates positive dielectrophoresis, and microorganisms are in the same direction as the electric field gradient, that is, toward the electric field concentration part. Electrophoresed. Re [K] <0 represents negative dielectrophoresis and migrates away from the electrolytic concentration part, that is, toward the weak electric field part.
ここで、εb *およびεm *はそれぞれ、微生物および溶液の複素誘電率を表し、一般に複素誘電率εr *は(数3)で表される。Here, ε b * and ε m * represent the complex permittivity of the microorganism and the solution, respectively, and generally the complex permittivity ε r * is expressed by (Equation 3).
ここで、εr:微生物あるいは試料液の比誘電率、σ:微生物あるいは試料液の導電率、ω:印加電界の角周波数を表す。Here, ε r represents the relative dielectric constant of the microorganism or sample solution, σ represents the conductivity of the microorganism or sample solution, and ω represents the angular frequency of the applied electric field.
(数1)(数2)(数3)から、誘電泳動力は、微生物の半径、クラウジウス・モソッティ数の実部(以下、Re[K]と表す)および電界強度に依存することが分かる。また、Re[K]は、試料液および微生物の複素誘電率、電界周波数に依存して変化することが分かる。 From (Equation 1), (Equation 2), and (Equation 3), it can be seen that the dielectrophoretic force depends on the radius of the microorganism, the real part of the Clausius Mosotti number (hereinafter referred to as Re [K]), and the electric field strength. It can also be seen that Re [K] varies depending on the complex permittivity and electric field frequency of the sample solution and the microorganism.
そのため、DEPIM法では、これらのパラメータを適切に選択し、微生物に働く誘電泳動力を十分大きくし、微生物を電極ギャップに確実に捕集する必要がある。また、DEPIM法では、上記誘電泳動による電極への微生物捕集と同時に、電気的計測を行い、試料液中の微生物数を定量測定することを特徴としている。 Therefore, in the DEPIM method, it is necessary to appropriately select these parameters, sufficiently increase the dielectrophoretic force acting on the microorganism, and reliably collect the microorganism in the electrode gap. In addition, the DEPIM method is characterized in that the number of microorganisms in a sample solution is quantitatively measured by performing electrical measurement simultaneously with the collection of microorganisms on the electrode by dielectrophoresis.
微生物は、前述した構造を有するため、電気的には固有のインピーダンスを持った微粒子と考えることができる。そのため、誘電泳動によりマイクロ電極のギャップ間に捕集される微生物数が増加すると、その捕集数に応じて電極間のインピーダンスが変化する。 Since the microorganism has the structure described above, it can be considered as a fine particle having an inherent impedance electrically. Therefore, when the number of microorganisms collected between the gaps of the microelectrodes by dielectrophoresis increases, the impedance between the electrodes changes according to the number of collections.
従って、電極間インピーダンス時間変化の傾きは、単位時間当たりに電極ギャップ間に捕集される微生物数に応じた値となり、傾きの大きさは試料液中の微生物濃度に対応する。よって、電極間インピーダンス時間変化の傾きを測定することで、試料液中の微生物濃度、言い換えれば微生物数を測定することが可能となる。 Therefore, the slope of the interelectrode impedance time change is a value corresponding to the number of microorganisms collected between the electrode gaps per unit time, and the magnitude of the slope corresponds to the microorganism concentration in the sample solution. Therefore, it is possible to measure the microorganism concentration in the sample solution, in other words, the number of microorganisms, by measuring the slope of the interelectrode impedance time change.
更に、DEPIM法では、誘電泳動を開始直後のインピーダンス時間変化の傾きから微生物数を定量することで、短時間での微生物測定を実現している。以上、DEPIM法の測定原理について概説したが、詳しくは非特許文献2を参照されたい。
Furthermore, in the DEPIM method, microorganisms are measured in a short time by quantifying the number of microorganisms from the slope of the change in impedance time immediately after the start of dielectrophoresis. The measurement principle of the DEPIM method has been outlined above. For details, refer to Non-Patent
一般に、測定装置が使用される環境は様々であり、微粒子測定装置も例外ではない。特に、環境温度(室温)は空調の有無などによって大きく変わる因子であり、0℃〜40℃程度の範囲で変わる可能性は十分にある。 In general, the environment in which the measuring device is used varies, and the particle measuring device is no exception. In particular, the environmental temperature (room temperature) is a factor that varies greatly depending on the presence or absence of air conditioning and the like, and there is a possibility that it will vary in the range of about 0 ° C to 40 ° C.
一方、液体の粘度は、温度によって変化することが一般に知られており、微粒子が懸濁された液体(以下、試料液と呼ぶ)の粘度が変化することで、微粒子に働く誘電泳動力と粘性力のバランスに変化が生じるため、環境温度によって測定結果に差異が生じ、微粒子測定結果の精度が低下するという問題がある。また、物質の比誘電率および導電率は、温度によって変化することが一般に知られており、この温度変化によって誘電泳動力が変化し、同様に微粒子測定結果の精度が低下するという問題がある。 On the other hand, it is generally known that the viscosity of a liquid changes with temperature, and the dielectrophoretic force and viscosity acting on the fine particles change by changing the viscosity of the liquid in which the fine particles are suspended (hereinafter referred to as a sample liquid). Since the balance of force changes, there is a problem that the measurement result varies depending on the environmental temperature, and the accuracy of the fine particle measurement result decreases. In addition, it is generally known that the relative permittivity and conductivity of a substance change depending on temperature, and the dielectrophoretic force changes due to this temperature change, and similarly there is a problem that the accuracy of the particle measurement result is lowered.
しかしながら、特許文献1〜3においては、これら問題を解決する手段については、開示も示唆もされていない。
However,
本発明の目的は、上記事情に鑑みてなされたものであって、微粒子測定装置が設置された環境温度あるいは、試料液の温度によって測定結果に変動が無く、必要十分な精度で測定することが可能な微粒子測定装置および微粒子測定方法を提供することである。 The object of the present invention has been made in view of the above circumstances, and the measurement result does not vary depending on the environmental temperature at which the particle measuring device is installed or the temperature of the sample solution, and the measurement can be performed with sufficient and sufficient accuracy. An object is to provide a fine particle measuring apparatus and a fine particle measuring method.
本発明者らは、微粒子を誘電泳動する際に、溶液の温度変化に伴い電極にトラップされる微粒子の量的な変化が生じることを見出した。すなわち、溶液温度の変化に伴い、溶液粘度が変化することによって、微粒子に生じる誘電泳動力と粘性力が相対的に変化する結果、電極へトラップされる微粒子量が変化する。あるいは、溶液温度の変化に伴い、溶液と微粒子の複素誘電率が変化することによって、微粒子に働く誘電泳動力が変化し、電極へトラップされる微粒子量が変化する。トラップされる微粒子量が変わると、測定される応答も変化する。溶液温度とトラップ量の関係を定量化すれば、溶液に含まれる微粒子濃度を正確に推定できることが明らかとなった。本発明は、かかる知見に基づき達成されたものである。 The inventors of the present invention have found that when the fine particles are subjected to dielectrophoresis, a quantitative change of the fine particles trapped on the electrode occurs with a change in temperature of the solution. That is, as the solution temperature changes as the solution temperature changes, the dielectrophoretic force and the viscous force generated in the fine particles relatively change, and as a result, the amount of fine particles trapped on the electrode changes. Alternatively, as the solution temperature changes, the complex permittivity of the solution and fine particles changes, so that the dielectrophoretic force acting on the fine particles changes, and the amount of fine particles trapped on the electrode changes. As the amount of particulate trapped changes, so does the measured response. It became clear that the concentration of fine particles contained in the solution can be accurately estimated by quantifying the relationship between the solution temperature and the trap amount. The present invention has been achieved based on such findings.
本発明に係る微粒子測定装置は、微粒子含有の試料液を導入するセルと、前記セル内部の前記試料液に浸漬される位置に設けられた少なくとも一対の電極と、前記電極間に、交流電界を発生するための電圧を印加する泳動電源部と、前記交流電界によって誘起された誘電泳動力によって移動した微粒子による電磁気的な変化を測定する測定部と、温度を検出する温度検出手段と、前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が検出した結果に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定する制御演算部と、を備える。 The particle measuring apparatus according to the present invention includes a cell for introducing a sample solution containing particles, at least a pair of electrodes provided at positions immersed in the sample solution inside the cell, and an alternating electric field between the electrodes. An electrophoretic power supply for applying a voltage for generating, a measuring unit for measuring an electromagnetic change caused by fine particles moved by the dielectrophoretic force induced by the AC electric field, a temperature detecting means for detecting temperature, and the measurement A control calculation unit that performs a correction process on the result measured by the temperature detection unit based on the result detected by the temperature detection unit and measures the fine particles in the sample liquid.
この構成によれば、温度変動によって微粒子に働く誘電泳動力およびその他全ての力のバランスが変化した場合にも、補正によってその影響をキャンセルすることができるため、様々な環境温度でも正しい測定結果を提示することが可能な微粒子測定装置を実現できる。 According to this configuration, even when the balance of the dielectrophoretic force acting on the microparticles and all other forces changes due to temperature fluctuations, the effect can be canceled by correction, so correct measurement results can be obtained even at various environmental temperatures. A fine particle measuring apparatus that can be presented can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記温度検出手段が、前記セル内部の前記試料液に浸漬される位置に設けられ、前記制御演算部が、前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が検出した試料液の温度に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである。 Further, in the fine particle measurement apparatus according to the present invention, the temperature detection means is provided at a position immersed in the sample liquid inside the cell, and the control calculation unit is configured to perform the measurement by the measurement unit. Correction processing is performed based on the temperature of the sample liquid detected by the temperature detection means, and the fine particles in the sample liquid are measured.
この構成によれば、試料液の温度を直接測定できるので、溶液温度に依存する、微粒子に働く力の変化を正確に補正することができ、高精度な微粒子測定装置を実現することができる。 According to this configuration, since the temperature of the sample solution can be directly measured, a change in force acting on the fine particles depending on the solution temperature can be accurately corrected, and a highly accurate fine particle measuring apparatus can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記温度検出手段が、前記電極が形成された基板上の前記試料液に浸漬される位置に設けられ、前記制御演算部が、前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が測定した試料液の温度に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである。 Further, in the fine particle measuring apparatus according to the present invention, the temperature detecting means is provided at a position where the temperature detecting means is immersed in the sample liquid on the substrate on which the electrode is formed, and the control calculation unit is measured by the measuring unit. The result is corrected based on the temperature of the sample solution measured by the temperature detecting means, and the fine particles in the sample solution are measured.
この構成によれば、電極チップ上に誘電泳動を行う電極と、温度測定を行う温度検出手段を共存させることができるため、配線を行うためのコネクタを1つにすることができるため、簡易な構造で、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定装置を実現することができる。 According to this configuration, since the electrode for performing the dielectrophoresis and the temperature detecting means for performing the temperature measurement can coexist on the electrode chip, the number of connectors for performing the wiring can be reduced to one. With the structure, it is possible to realize a particle measuring apparatus capable of presenting accurate results even under different temperature conditions.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記温度検出手段が、前記セルの壁面外側に接する位置に設けられ、前記制御演算部が、前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が測定した前記セルの温度に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである。 Further, in the fine particle measuring apparatus according to the present invention, the temperature detecting means is provided at a position in contact with the outer wall surface of the cell, and the temperature calculating means Correction processing is performed based on the measured temperature of the cell, and fine particles in the sample liquid are measured.
この構成によれば、温度検出手段が直接試料液に接しないため、腐蝕や劣化が防げるし、測定対象が微生物であり、汚染を考慮してセルを使い捨てにする場合であっても、温度検出手段の汚染が防げ、温度検出手段を繰り返し使用することができるため、1回の測定にかかる費用を抑えつつ、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定装置を実現することができる。 According to this configuration, since the temperature detection means does not directly contact the sample solution, corrosion and deterioration can be prevented, and even if the measurement target is a microorganism and the cell is disposable in consideration of contamination, temperature detection is possible. Since the contamination of the means can be prevented and the temperature detecting means can be used repeatedly, it is possible to realize a particle measuring apparatus capable of presenting accurate results even under different temperature conditions while suppressing the cost of one measurement. .
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記セルの壁面の一部に端子を備え、前記端子が、前記セル内部で前記電極に電気的に接続され、前記セル外部で前記泳動電源部および前記測定部に電気的に接続され、かつ、前記端子が、前記セル内部で前記試料液に接し、前記セル外部では前記温度検出手段に接するものである。 The fine particle measurement apparatus according to the present invention further includes a terminal on a part of the wall surface of the cell, the terminal is electrically connected to the electrode inside the cell, and the electrophoresis power supply unit and the outside of the cell It is electrically connected to a measurement unit, and the terminal is in contact with the sample solution inside the cell, and is in contact with the temperature detection means outside the cell.
この構成によれば、電極を電気的に接続する端子と、試料液の温度を検出するための端子を共用としているため、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定装置のセル構造を簡略化できる。 According to this configuration, since the terminal for electrically connecting the electrode and the terminal for detecting the temperature of the sample liquid are shared, the cell structure of the particle measuring apparatus capable of presenting an accurate result even under different temperature conditions Can be simplified.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記端子が、低電気抵抗かつ高熱伝導率であるものである。 In the fine particle measuring apparatus according to the present invention, the terminal has low electrical resistance and high thermal conductivity.
この構成によれば、セル外部に設けた温度検出手段を用いて、セル内部の試料液温度をより正確に検出できるため、異なる温度条件においてもより正確な結果を提示可能な粒子測定装置を実現することができる。 According to this configuration, the temperature of the sample liquid inside the cell can be detected more accurately using the temperature detection means provided outside the cell, thus realizing a particle measuring device that can present more accurate results even under different temperature conditions. can do.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記温度検出手段が、前記電極間に温度測定電圧が印加された場合に前記測定部が測定した結果から試料液の温度を推定することにより、温度を検出するものである。 Further, in the fine particle measuring apparatus according to the present invention, the temperature detection means estimates the temperature of the sample liquid from the result measured by the measurement unit when a temperature measurement voltage is applied between the electrodes. It is to detect.
この構成によれば、誘電泳動を行う電極が温度検出手段を兼ねる構成で実現できるため、装置の構成が簡素化され、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定装置を実現することができる。 According to this configuration, since the electrode for performing dielectrophoresis can be realized with a configuration that also serves as a temperature detecting means, the configuration of the device is simplified, and a particle measuring device capable of presenting accurate results even under different temperature conditions is realized. Can do.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記制御演算部が、前記温度検出手段が測定した温度に基づき、前記電極間に印加する交流電圧の振幅あるいは周波数を決定するものである。 In the fine particle measuring apparatus according to the present invention, the control calculation unit determines the amplitude or frequency of the alternating voltage applied between the electrodes based on the temperature measured by the temperature detecting means.
この構成によれば、試料液の温度に応じて十分かつ一定の誘電泳動力を作用させる電圧値を選択することにより、常に高いS/Nで測定することができるため、より高精度な微粒子測定を実現できる。 According to this configuration, it is possible to always measure with a high S / N by selecting a voltage value that exerts a sufficient and constant dielectrophoretic force according to the temperature of the sample solution, and therefore, more accurate fine particle measurement. Can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記制御演算部が、前記測定部が測定した結果に対し、前記測定部が当該測定を行った時点における前記温度検出手段による温度検出結果に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである。 Further, in the fine particle measurement apparatus according to the present invention, the control calculation unit corrects the result measured by the measurement unit based on the temperature detection result by the temperature detection unit when the measurement unit performs the measurement. Processing is performed to measure fine particles in the sample solution.
この構成によれば、電磁気的な変化の測定時点における温度を測定することによって、リアルタイムの温度変化に基づいた補正を行うことができるため、測定途中で試料液の温度が変化する場合にも、正確な測定結果を提示することが可能な微粒子測定装置を実現できる。 According to this configuration, by measuring the temperature at the time of measurement of the electromagnetic change, it is possible to perform correction based on the real-time temperature change, so even when the temperature of the sample liquid changes during the measurement, It is possible to realize a fine particle measuring apparatus capable of presenting an accurate measurement result.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記セル内部の前記試料液に浸漬される位置に温度検出手段として更に少なくとも1極の温度検出用電極を備え、温度検出用電極は前記測定部に接続され、前記測定部は温度検出用電極のインピーダンスを測定し、前記制御演算部は、温度検出用電極のインピーダンスから前記試料液の温度を測定する。 The fine particle measurement apparatus according to the present invention further includes at least one temperature detection electrode as a temperature detection means at a position immersed in the sample solution inside the cell, and the temperature detection electrode is connected to the measurement unit. The measurement unit measures the impedance of the temperature detection electrode, and the control calculation unit measures the temperature of the sample solution from the impedance of the temperature detection electrode.
この構成によれば、リアルタイムの温度測定を実現することが可能な微粒子測定装置を実現できる。 According to this configuration, it is possible to realize a fine particle measuring apparatus capable of realizing real-time temperature measurement.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、微粒子含有の試料液に浸漬した一対の電極間に発生させた交流電界によって誘起された誘電泳動力によって移動した前記微粒子による電磁気的な変化を測定することにより、前記試料液中における微粒子を測定する微粒子測定方法であって、温度を検出する温度検出ステップと、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した温度に基づく補正処理を行う補正処理ステップと、を有する。 Further, the fine particle measurement method according to the present invention measures an electromagnetic change caused by the fine particles moved by a dielectrophoretic force induced by an alternating electric field generated between a pair of electrodes immersed in a sample solution containing fine particles. And a correction method based on the temperature detected in the temperature detection step with respect to the measurement result of the electromagnetic change. And a correction processing step for performing processing.
この構成によれば、温度変動によって微粒子に働く誘電泳動力およびその他全ての力のバランスが変化した場合にも、補正によってその影響をキャンセルすることができるため、様々な環境温度でも正しい測定結果を提示することが可能な微粒子測定方法を実現できる。 According to this configuration, even when the balance of the dielectrophoretic force acting on the microparticles and all other forces changes due to temperature fluctuations, the effect can be canceled by correction, so correct measurement results can be obtained even at various environmental temperatures. A fine particle measurement method that can be presented can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップが、前記試料液の温度を検出し、前記補正処理ステップが、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した試料液の温度に基づく補正処理を行うものである。 In the fine particle measurement method according to the present invention, the temperature detection step detects the temperature of the sample solution, and the correction processing step detects the electromagnetic change measurement result in the temperature detection step. Correction processing based on the temperature of the sample liquid is performed.
この構成によれば、試料液の温度を直接測定できるので、溶液温度に依存する、微粒子に働く力の変化を正確に補正することができ、高精度な微粒子測定方法を実現することができる。 According to this configuration, since the temperature of the sample solution can be directly measured, a change in force acting on the fine particles depending on the solution temperature can be accurately corrected, and a highly accurate fine particle measurement method can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップが、前記試料液の温度を、誘電泳動を行う電極基板上で検出するものである。 In the fine particle measurement method according to the present invention, the temperature detection step detects the temperature of the sample solution on an electrode substrate that performs dielectrophoresis.
この構成によれば、電極チップ上に誘電泳動を行う電極と、温度測定を行う温度検出手段を共存させることができるため、配線を行うためのコネクタを1つにすることができるため、簡易な構造で、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定方法を実現することができる。 According to this configuration, since the electrode for performing the dielectrophoresis and the temperature detecting means for performing the temperature measurement can coexist on the electrode chip, the number of connectors for performing the wiring can be reduced to one. With the structure, it is possible to realize a particle measuring method capable of presenting accurate results even under different temperature conditions.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップが、前記試料液が貯留された、セルの温度を検出し、前記補正処理ステップが、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した前記セルの温度に基づく補正処理を行うものである。 Further, in the fine particle measurement method according to the present invention, the temperature detection step detects a temperature of the cell in which the sample liquid is stored, and the correction processing step is performed on the measurement result of the electromagnetic change. Correction processing based on the temperature of the cell detected in the temperature detection step is performed.
この構成によれば、温度検出手段が直接試料液に接することなく試料液温度を検出できるため、腐蝕や劣化が防げるし、測定対象が微生物であり、汚染を考慮してセルを使い捨てにする場合であっても、温度検出手段の汚染が防げ、温度検出手段を繰り返し使用することができるため、1回の測定にかかる費用を抑えつつ、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定方法を実現することができる。 According to this configuration, the temperature detection means can detect the temperature of the sample liquid without directly contacting the sample liquid, so that corrosion and deterioration can be prevented, the measurement target is a microorganism, and the cell is made disposable in consideration of contamination. Even so, the temperature detection means can be prevented from being contaminated, and the temperature detection means can be used repeatedly, so that particle measurement that can present accurate results even under different temperature conditions while suppressing the cost of one measurement. A method can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップが、前記試料液が貯留されたセルの壁面の一部に設けられた、端子の温度を検出し、前記補正処理ステップが、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した前記端子の温度に基づく補正処理を行うものである。 Further, in the fine particle measurement method according to the present invention, the temperature detection step detects a temperature of a terminal provided on a part of the wall surface of the cell in which the sample liquid is stored, and the correction processing step includes the electromagnetic A correction process based on the temperature of the terminal detected in the temperature detection step is performed on the measurement result of the change.
この構成によれば、電極を電気的に接続する端子と、試料液の温度を検出するための端子を共用としているため、簡略なセル構造で、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定方法を実現できる。 According to this configuration, since the terminal for electrically connecting the electrode and the terminal for detecting the temperature of the sample solution are shared, an accurate result can be presented even under different temperature conditions with a simple cell structure. A particle measuring method can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップが、前記電極間に、温度測定のための電圧を印加するステップと、前記電極間のインピーダンスを測定した結果から、試料液温度を推定するステップと、を含み、前記補正処理ステップが、前記電極間に、誘電泳動のための電圧を印加するステップと、誘電泳動によって前記微粒子を所定位置に配置し、電磁気的な変化を測定するステップと、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記推定した試料液温度に基づく補正処理を行うステップと、を含む。 Further, in the fine particle measurement method according to the present invention, the temperature detection step estimates the sample liquid temperature from the step of applying a voltage for temperature measurement between the electrodes and the result of measuring the impedance between the electrodes. A step of applying a voltage for dielectrophoresis between the electrodes, disposing the fine particles at a predetermined position by dielectrophoresis, and measuring an electromagnetic change. And a step of performing correction processing based on the estimated sample solution temperature on the measurement result of the electromagnetic change.
この構成によれば、誘電泳動を行う電極が温度検出手段を兼ねる構成で実現できるため、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定方法を簡易な装置で実現することができる。 According to this configuration, since the electrode for performing dielectrophoresis can be realized as a configuration that also serves as a temperature detection means, a particle measuring method capable of presenting an accurate result even under different temperature conditions can be realized with a simple apparatus.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップで測定した温度に基づいて前記電極間に印加する誘電泳動のための電圧の振幅あるいは周波数を決定する。 In the fine particle measurement method according to the present invention, the amplitude or frequency of the voltage for dielectrophoresis applied between the electrodes is determined based on the temperature measured in the temperature detection step.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップを実施した時点において、前記電磁気的な変化の測定を行うステップを有し、前記補正処理ステップが、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、当該測定時点において検出した温度に基づく補正処理を行うものである。 In addition, the fine particle measurement method according to the present invention includes a step of measuring the electromagnetic change at the time when the temperature detection step is performed, and the correction processing step includes the measurement result of the electromagnetic change. On the other hand, correction processing based on the temperature detected at the time of the measurement is performed.
この構成によれば、電磁気的な変化の測定時点における温度を測定することによって、リアルタイムの温度変化に基づいた補正を行うことができるため、測定途中で試料液の温度が変化する場合にも、正確な測定結果を提示することが可能な微粒子測定方法を実現できる。 According to this configuration, by measuring the temperature at the time of measurement of the electromagnetic change, it is possible to perform correction based on the real-time temperature change, so even when the temperature of the sample liquid changes during the measurement, A fine particle measuring method capable of presenting an accurate measurement result can be realized.
本発明に係る微粒子測定装置および微粒子測定方法によれば、温度変動によって微粒子に働く誘電泳動力およびその他全ての力のバランスが変化した場合にも、補正によってその影響をキャンセルすることができるため、様々な環境温度でも正しい測定結果を提示することが実現できる。 According to the fine particle measuring apparatus and the fine particle measuring method according to the present invention, even when the balance of the dielectrophoretic force acting on the fine particles and all other forces changes due to temperature fluctuations, the influence can be canceled by the correction. It is possible to present correct measurement results even at various environmental temperatures.
1 セル
2 試料液
3 電極チップ
4 泳動電源部
5 測定部
6 制御演算部
7 攪拌手段
8 温度検出手段
9 表示手段
10 基板
11a,11b 電極
13 ギャップ
15 電気力線
60 サーミスタ
61 接続極
62 配線
63 導電体
80a、80b、81a、81b パッド
100 熱伝達部
110 接続端子
111 接触端子
200 微粒子
201 光源
202 受光部
203 カバー
204 スペーサDESCRIPTION OF
(第1の実施形態)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。図1は、本実施形態の微粒子測定装置の構成図、図2は、本実施形態の微粒子測定装置の電極チップを表す概略図である。(First embodiment)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a particle measuring apparatus according to the present embodiment, and FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an electrode chip of the particle measuring apparatus according to the present embodiment.
図1において、1は測定対象の微粒子が含まれる試料液2を保持するセル、3は誘電泳動で微粒子を捕集する電極対を含む電極チップ、4は泳動電源部、5は電極間インピーダンスを測定する測定部、6は微粒子測定装置全体の制御やインピーダンス算出などの演算行う制御演算部、7は溶液の攪拌を行う攪拌手段、8は温度を検出するための温度検出手段である。
In FIG. 1, 1 is a cell for holding a
図2において、10は基板、11a、11bは基板10上に形成され一対の極をなす電極である。基板10には、金属などの導電性材料によって電極11a、11bのパターンが形成される。
In FIG. 2, 10 is a substrate, and 11a and 11b are electrodes formed on the
電極11a、11bはその幅に対して十分に薄い薄膜であることが望ましく、例えば100μmの幅に対して厚さ1000Å程度である。これにより、厚さ方向で見たエッジ部分に不平等電界が形成され、微粒子を効率的に誘電泳動することが可能となる。
The
図3は、測定電極11a,11b間に印加される電圧によって生じる電気力線15を示す。本実施の形態では測定電極11a,11bの端面で電界集中が最も大きいため、ギャップ13付近の構成が電界集中部にあたる。従ってギャップ13部分にもっとも強く微粒子が泳動される。
FIG. 3 shows electric lines of
本実施の形態では、基板10は、セル1とは分離した形態となっているが、基板10をセル1の壁面の一部として一体にしてもよい。
In the present embodiment, the
また、電極11a、11bの平面パターンは、そのギャップ13間に誘電泳動により微粒子を捕集し、捕集した微粒子によるインピーダンス変化を効率よく測定可能な形状でパターニングされる。具体的には、例えば、図2に示すような、電極11a、11bの対向部分が互いに入れ子状になった、いわゆる櫛歯形状が最も好ましい形状の一つである。
In addition, the planar pattern of the
微粒子を効率よく捕集するためには、ギャップ13部の面積を広くし、微粒子が電極に捕集される確率を高くする必要がある。ただし、ギャップ13間の距離を長くすると、電極11a、11b間に同じ電圧を印加したときの電界強度が低下し、誘電泳動力が弱まる結果、微粒子を効率的に捕集できなくなる。このため、ギャップ13間距離は、例えば1〜100μm程度に狭くすることが望ましい。
In order to efficiently collect the fine particles, it is necessary to increase the area of the
微粒子を効率的に捕集するためには、電極11a、11bが対向する対向部の長さ方向に電極パターンを伸ばすのが効果的であり、例えば20〜1000mm程度が望ましい。このとき、電極平面パターンを櫛歯形状にすることにより、対向部を実質的に長くすることができるし、電極パターンを微少領域に集積化が可能なため、電極チップ3を小型化することができるメリットがある。
In order to efficiently collect the fine particles, it is effective to extend the electrode pattern in the length direction of the facing portion where the
以上は電極の設計を行う際の一例であって、ギャップ13間の距離、対向部の長さ、電極の厚さやパターンは、電極11a、11b間に印加する電圧、微粒子の大きさに合わせて最適な組み合わせを選択することが望ましい。
The above is an example when designing the electrode. The distance between the
次に、電極チップ3の作成方法を説明する。電極チップ3は、ホウ珪酸ガラスの基板10上に、スパッタリングや蒸着によってクロムを下地とした白金薄膜を作成した後、一般的なフォトリソグラフィーによって電極11a、11bのパターンを形成したものである。
Next, a method for producing the
本実施の形態における電極チップ3では、基板10にガラスを用いたが、絶縁性の材料であればいずれも使用可能であり、例えば、PETやポリカーボネートなどのプラスチック材料や、セラミックなど基板材料の使用を妨げるものではない。また、薄膜材料は導電性の材料であればいずれも使用可能であり、金、銀、銀などの金属粒子含有の導電性ペースト、カーボンなども選択可能である。
In the
また、電極11a、11bのパターニングは、選択した材料で所望のパターンを形成できればフォトリソグラフィー以外も選択可能であり、レーザー加工、スクリーン印刷、インクジェット印刷など、生産性やコストなどを勘案して最も適切な加工法が選択可能である。
In addition, the patterning of the
電極チップ3は、微粒子が含まれた試料液2を保持したセル1内に浸漬され、泳動電源部4および測定部5に電気的に接続される。セル1には、マグネチックスターラなどの攪拌手段7を設けることができる。
The
試料液2をセル1内で攪拌することにより、試料液2内での微粒子濃度を均一にすることができ、かつ、多くの微粒子を電極11a、11bのギャップ13間に導くことができるため、より効率的に微粒子をギャップ13間に捕集でき、測定時間の短縮や測定感度の向上が可能である。
By stirring the
また、セル1を、電極チップ3上にスペーサと蓋などを設けて作成した微小チャンバーとした場合は、攪拌手段7は微小チャンバーを含む循環流路を持つ閉流路として実現することも可能である。ペリスタポンプなどによって試料液を微小チャンバー内の電極チップ3上に循環することによって、前記マグネチックスターラによる攪拌と同様な効果を得ることが可能である。
Further, when the
泳動電源部4は、誘電泳動を行うための交流電圧を、電極11a、11b間に印加する。これにより電極11a、11b間に誘起された不平等電界によって微粒子を誘電泳動し、電界集中部である電極エッジを含む電極11a、11b間のギャップ13に捕集する。なお、ここで交流電圧というのは、正弦波のほか、ほぼ一定の周期で流れの向きを変える電圧のことであり、かつ両方向の電流の平均値がほぼ等しいものである。
The electrophoresis
測定部5は、電極11a、11b間のインピーダンスを算出するために必要な測定を行う。測定部5は、具体的には、電極11a、11b間に流れる電流値と、泳動電源部4が印加した電圧と電流の位相差を測定するための回路等から構成される。測定部5は、誘電泳動によって微粒子が移動し電界集中部近傍であるギャップ13に濃縮されることに起因する電極11a、11b間の電流および位相差の変化を測定する。測定部5で測定した電流値と位相差は、制御演算部6に渡される。
The
制御演算部6は、図示しないマイクロプロセッサと、予め設定されたプログラムやデータテーブルなどを保存するためのメモリ、タイマー等から構成され、前記プログラムおよびデータテーブルに従い泳動電源部4を制御する。泳動電源部4は、制御演算部6の制御に従って、電極11a、11b間に特定の周波数と電圧をもった交流電圧を印加する。
The
さらに制御演算部6は、測定部5と信号の送受信を行ない、測定部5が測定した電流値と位相差のデータを受け取る。制御演算部6は、これら電圧、電流、位相差、周波数のデータから、電極11a、11b間のインピーダンスを算出し、結果を逐次メモリに格納する。
Further, the
制御演算部6は、これら一連の測定動作を、予め設定されたプログラムに従って一定の時間間隔毎に行い、定められた時間が経過すると、泳動電源部4を制御し、電極11a、11b間への電圧印加を停止して、測定動作を終了する。
The
次に、制御演算部6は、メモリに格納されたインピーダンス測定結果から、インピーダンス時間変化の傾きを算出する。メモリ中のデータテーブルには、与えられた電圧や周波数、微粒子種など毎に、検量線データが格納されている。制御演算部6は、算出したインピーダンス時間変化の傾きと検量線を比較することで、試料液中に含まれる微粒子濃度を算出し、メモリへの結果格納、あるいはLCDなどの表示手段9に結果表示を行うなどする。
Next, the
本実施の形態では、測定結果を微粒子濃度で表すこととしているが、予め試料液の容量が規定されている場合は、微粒子数に換算して結果表示しても良い。また、使用者は測定された微粒子数を試料1mlあたりの微粒子数として直接知ることができるが、表示手段9には、たとえば多いまたは少ないであるとか、目的に応じてほかの表示方法で結果表示を行っても良い。 In the present embodiment, the measurement result is expressed by the fine particle concentration. However, when the volume of the sample solution is defined in advance, the result may be converted into the number of fine particles and displayed. Further, the user can directly know the measured number of fine particles as the number of fine particles per 1 ml of the sample, but the display means 9 displays the result by other display methods depending on the purpose, for example, whether it is large or small. May be performed.
さらに、試料中の微粒子数を調べて殺菌装置を制御するとか、温度などの培養条件を制御するなど、使用者が直接微粒子数を知る必要が無く、本微粒子測定装置を含む任意の装置の制御を行うために微粒子数が明らかであれば良いような場合には、表示手段は特に設ける必要がないのは言うまでもない。 Furthermore, it is not necessary for the user to know the number of particles directly, such as controlling the sterilization device by checking the number of particles in the sample or controlling the culture conditions such as temperature, etc. Control of any device including this particle measuring device Needless to say, there is no need to provide a display means when it is sufficient if the number of fine particles is clear in order to perform the above.
温度検出手段8は、温度による測定結果の差異を補償するための元データとなる、環境温度を測定する。温度を測定する素子としては、必要な温度範囲(0〜50℃程度)で必要な精度で温度測定できればいずれも使用可能であるが、本実施の形態では、NTCサーミスタを使用している。NTCサーミスタは、温度上昇と共に抵抗値が低下する一種の抵抗素子である。本実施の形態では、制御演算部6にサーミスタの抵抗値を測定する回路、および、メモリ内に抵抗値と温度を換算するテーブルを持たせている。すなわち、制御演算部6は、温度検出手段8を介して環境温度を測定する。
The temperature detecting means 8 measures the environmental temperature that is the original data for compensating for the difference in the measurement result due to the temperature. Any element can be used as long as the element can measure the temperature within the required temperature range (about 0 to 50 ° C.) with the required accuracy. In this embodiment, an NTC thermistor is used. An NTC thermistor is a kind of resistance element whose resistance value decreases with increasing temperature. In this embodiment, the control
以下、温度が微粒子の測定結果に与える影響について記述する。誘電泳動を利用した微粒子検出は、誘電泳動力によって電極に微粒子をトラップすることが、直接測定応答値の大きさに影響するものであることは明らかである。DEPIM法の場合、より大きな誘電泳動力を働かせることにより、より多くの微粒子を電極にトラップできる結果、電極間のインピーダンス変化もトラップされる微粒子数に比例して大きくなる。 Hereinafter, the influence of temperature on the measurement result of fine particles will be described. In the detection of fine particles using dielectrophoresis, it is clear that trapping the fine particles on the electrode by the dielectrophoretic force directly affects the magnitude of the measurement response value. In the case of the DEPIM method, by applying a larger dielectrophoretic force, more fine particles can be trapped on the electrodes. As a result, the impedance change between the electrodes also increases in proportion to the number of trapped fine particles.
一方、液体中の微粒子には、誘電泳動力以外に働く力がある。例えば重力、粘性力、抗力、ブラウン運動などである。微粒子検出の際には、誘電泳動力と、その他の力とのバランスによって、電極にトラップされる微粒子数が定まる。一般に、粘性力は液体粘度の温度依存性により温度上昇と共に低下するし、ブラウン運動は温度上昇と共に激しくなる。従って、温度変化によって電極にトラップされる微粒子数が異なり、微粒子検出の結果が変化することになる。 On the other hand, the fine particles in the liquid have a force acting other than the dielectrophoretic force. For example, gravity, viscous force, drag, Brownian motion. When detecting the fine particles, the number of fine particles trapped on the electrode is determined by the balance between the dielectrophoretic force and other forces. In general, the viscosity force decreases with increasing temperature due to the temperature dependence of liquid viscosity, and the Brownian motion increases with increasing temperature. Therefore, the number of particles trapped on the electrode varies depending on the temperature change, and the result of particle detection changes.
また、誘電泳動力に着目すると、前述の(数2)および(数3)から明らかなように、誘電泳動力は、溶液と微粒子の誘電率および導電率に依存することが分かる。一般に、誘電率および導電率は温度依存性を持つことが知られている。そのため、温度によって誘電泳動力も変化することになり、微粒子検出の結果に影響を与える。 Further, when focusing on the dielectrophoretic force, it is clear from the above (Equation 2) and (Equation 3) that the dielectrophoretic force depends on the dielectric constant and conductivity of the solution and the fine particles. In general, it is known that dielectric constant and conductivity have temperature dependence. For this reason, the dielectrophoretic force also changes depending on the temperature, which affects the result of particle detection.
そこで、本実施の形態では、温度検出手段8が温度を検出した結果に基づき、微粒子測定結果に補正を加えることによって、環境温度が変化しても正確な結果を提示できるようにしている。
Therefore, in the present embodiment, an accurate result can be presented even if the environmental temperature changes by correcting the fine particle measurement result based on the result of the
具体的には、予め演算部6のメモリ内に、温度に対する補正係数を記録したテーブル(以下、補正テーブルと呼ぶ)を保存しておく。温度検出手段8を介して制御演算部6が測定した温度に基づき、制御演算部6が前記補正テーブルを参照して補正係数を決定し、インピーダンス変化の時間傾きあるいは、検量線により算出した微粒子濃度に補正係数を乗じて、最終的な測定結果として提示する。
Specifically, a table (hereinafter referred to as a correction table) in which a correction coefficient for temperature is recorded in the memory of the
補正テーブルは、微粒子に働く全ての力を含む運動方程式を立ててこれを解き、電極にトラップされる微粒子数を温度の関数として求めることで作成することができる。運動方程式は解析的に解くことは難しいため、各種シミュレーションを使うことができる。誘電泳動に関する運動の数値解析については、例えば、D.Phys.D:Appl.Phys.31(1998)3160−3167を参照されたい。 The correction table can be created by establishing a motion equation including all forces acting on the fine particles, solving the equation, and obtaining the number of fine particles trapped on the electrode as a function of temperature. Since the equations of motion are difficult to solve analytically, various simulations can be used. For the numerical analysis of the motion related to dielectrophoresis, see, for example, Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998) 3160-3167.
補正係数は、各温度でトラップされる微粒子数を、温度Ttでトラップされる微粒子数で規格化したものの逆数とする。温度Ttは、制御演算部6のメモリ内に格納された検量線データを取得した際の温度とする。こうすることにより、温度変化による測定結果の変動をキャンセルし、真の微粒子濃度を最終的な測定結果として提示することができる。
The correction coefficient is the reciprocal of the number of fine particles trapped at each temperature normalized by the number of fine particles trapped at temperature Tt. The temperature Tt is the temperature when the calibration curve data stored in the memory of the
また、より簡易的には、以下のような実験を行い、実験的に補正テーブルを作成することも可能である。すなわち、想定される範囲の温度条件下で、同一微粒子濃度の検体を測定し、各温度での測定結果を求める。それぞれの測定結果を温度Ttでの測定結果によって規格化したものの逆数を補正係数とすれば良い。 Further, more simply, it is possible to create a correction table experimentally by conducting the following experiment. In other words, specimens having the same fine particle concentration are measured under temperature conditions within an assumed range, and measurement results at each temperature are obtained. What is necessary is just to use the reciprocal number of what normalized each measurement result with the measurement result in temperature Tt as a correction coefficient.
表1に、補正テーブルの作成例を示す。 Table 1 shows an example of creating a correction table.
αは温度Tの関数で、補正係数を表す。温度Tは、基準となる温度をTtとし、想定温度範囲の最も低い温度をTmin、最も高い温度をTmaxで表す。表1の例では、補正係数を求める温度ステップは1℃としているが、これはより細かいあるいは、より粗いステップでも良い。温度ステップは、求められる測定精度に応じて、決めればよい。 α is a function of temperature T and represents a correction coefficient. For the temperature T, the reference temperature is Tt, the lowest temperature in the assumed temperature range is Tmin, and the highest temperature is Tmax. In the example of Table 1, the temperature step for obtaining the correction coefficient is 1 ° C., but this may be a finer or coarser step. The temperature step may be determined according to the required measurement accuracy.
また、補正テーブルの代わりに、補正係数αを温度Tの関数として数式化し、制御演算部6がこの数式を元に補正計算を行っても良い。実験的に温度Tと補正係数αとの関係を求めた場合には、数式は、温度Tと補正係数αのプロットを、線形あるいは多項式でフィッティングした関数を用いることができる。
Further, instead of the correction table, the correction coefficient α may be expressed as a function of the temperature T, and the
図4は、本実施形態にかかる微粒子測定方法を説明するためのフローチャートである。以下、フローチャートを参照して、試料の導入からセル1内の微粒子の濃縮、測定、結果提示にいたるまでの一連の流れを説明する。まず、初期状態では、セル1に測定対象の微粒子が含有された試料液を投入する(ステップS11)。
FIG. 4 is a flowchart for explaining the fine particle measurement method according to the present embodiment. Hereinafter, with reference to a flowchart, a series of flow from introduction of a sample to concentration, measurement, and result presentation of fine particles in the
次いで、制御演算部6は、温度検出手段8を介して、環境温度を測定する(ステップS12)。この環境温度測定結果は、制御演算部6内のメモリに一時的に蓄えられ、後に補正を行う際に参照される。
Next, the
次に、制御演算部6は、測定した温度を、予めメモリ内に記憶された温度範囲(以下、測定温度範囲と呼ぶ)と比較し、測定した温度が測定温度範囲外か、すなわちエラーか、を判断する(ステップS13)。測定温度範囲は、通常測定装置が使用されると思われる温度範囲を設定しておけばよく、例えば、室内での使用を鑑み0℃〜50℃とする。比較した結果、測定温度範囲を逸脱していれば(ステップS13:Yes)、ステップS14に進み、測定温度範囲外である旨、エラー表示を行い、ステップS23に進み測定動作を終了する。
Next, the
比較した結果、測定温度範囲内であれば(ステップS13:No)、制御演算部6は、補正テーブルを参照し、電極に印加すべき電圧振幅値および周波数を選択し、電極11a、11b間へ電圧印加を開始する(ステップS15)。この場合の電圧振幅値および周波数は、微粒子をギャップ13にトラップするために十分な誘電泳動力が働くような値を選択すればよく、本実施の形態では10Vp−p、100KHzとしている。
As a result of the comparison, if it is within the measured temperature range (step S13: No), the
電極11a、11b間に所定の電圧が印加されると、測定部5は、直ちに電圧印加直後の初期状態のデータとして、電極11a、11b間のインピーダンスを測定し、測定結果は、制御演算部6に渡され、メモリに初期のインピーダンス値として保存される(ステップS16)。
When a predetermined voltage is applied between the
次に、制御演算部6は、図示しない時計手段によって所定の時間が経過するまで待つ(ステップS17)。この時、泳動電源部4は電圧印加を保持したままである。
Next, the
所定の時間が経過すると、制御演算部6は所定の測定回数が満了したかを判断し(ステップS18)、満了していなければステップS16に戻る。ステップS16に戻り、制御演算部6は、測定部5に命じて、電極11a、11b間のインピーダンスを測定させ、その結果をメモリ6aに所定時間経過後の結果として保存する。
When the predetermined time has elapsed, the
所定の測定回数が満了した場合(ステップS18:Yes)、制御演算部6は泳動電源部4に電圧印加を止めるよう指示する(ステップS19)。
When the predetermined number of measurements has expired (step S18: Yes), the
電圧印加を停止後、制御演算部6は、メモリに保存された、電極11a、11b間インピーダンスの経時変化データから、インピーダンス変化の傾きを算出する(ステップS20)。
After stopping the voltage application, the
次いで、制御演算部6は、補正テーブルより参照して、ステップS12で測定した温度に対応する補正係数を、ステップS20で求めたインピーダンス傾きに乗じる。例えば、温度測定結果がTt+1(℃)であれば、補正係数はα(Tt+1)となる。微粒子濃度の算出は、メモリに予め保存された、検量線から求める(ステップS21)。この検量線としては、微粒子濃度が明らかな校正用試料を、本実施の形態で説明した微粒子測定装置の測定系を用いて予め測定し、その時の微粒子数とインピーダンス変化の相関関係からばらつきを回帰分析して得られる曲線をあらわす関数を使用する。校正用試料の測定の際、温度は、補正係数を求める際に規格化を行う温度Ttの条件にて測定を行う。
Next, the
制御演算部6は、ステップS21で算出した結果を表示手段9に表示させ(ステップS22)、一連の測定動作を終了する。尚、本実施の形態では、補正係数αをインピーダンス傾きに乗じて補正を行ったが、検量線から微粒子濃度を求めた後に補正を行うことによっても、全く同様な補正効果を得られる。また、温度測定はステップS13で行ったが、温度測定は補正テーブルを参照するステップS21までの任意のタイミングで測定可能である。
The
本実施の形態では、測定部5は、誘電泳動で電極に微粒子をトラップした場合のインピーダンス変化を測定することで微粒子濃度を測定しているが、測定部5としては、誘電泳動によって微粒子を所定位置に移動したことを、何らかの手段で測定する測定装置および測定方法であればいずれも適用可能である。
In the present embodiment, the
例えば、測定部5を電磁気的な手段、代表的には顕微鏡などの光学的な手段で測定することで、電極間にトラップされた微粒子を測定することが可能である。図23は、測定部5を光学的測定で実現した場合の構成図である。図23において、200は測定対象の微粒子で、電極11a,11bによって形成される不平等電界によって、所定の位置に移動する。201は光源、202は光源201が照射した光を受ける受光部である。光源201および受光部202の光軸は、微粒子200が誘電泳動によって移動する箇所を横切るように設置される。
For example, it is possible to measure fine particles trapped between the electrodes by measuring the
セル1は、基板10と、カバー203および、スペーサ204から構成され、これらによって形成される空間に試料液2が充填される。また、カバー203およびスペーサ204は、光源201が照射した光を透過し、誘電泳動された微粒子が観察できるよう、ガラスやPET樹脂など、透明な材料を用いる。
The
図24(a)は正の誘電泳動によって電極11a,11b間に微粒子200がトラップされる様子、図24(b)は負の誘電泳動によって電極11a,11b間のギャップ13に微粒子200が配置される様子を示す。正の誘電泳動の場合、電界集中部である電極エッジ部に数珠状に連なった形状(以下、パールチェインと呼ぶ)で配列される。負の誘電泳動の場合、弱電界部であるギャップ13の中心部にパールチェインで配列される。この時、ギャップ13にトラップされた微粒子200を、光源201と受光部202から構成される光学系で撮像し、制御演算部6が画像解析を行い、ギャップ13に配列された微粒子200の個数、投影面積などを算出する。この算出は、電極11a,11b間の電界印加から一定時間後、あるいは電界印加からの所定時間が経過する毎に行う。このように、試料液2中の微粒子数や微粒子濃度、微粒子同士の結合の度合いを測定する。
24A shows a state in which the
誘電泳動によってギャップ13に配列される微粒子数、あるいは形成されるパールチェイン数は、当然ながら、誘電泳動力と粘性力その他の力のバランスによって決まり、それらの力が温度によって変化するため、温度による補正が必要となる。本実施の形態では、誘電泳動とインピーダンス測定にて微粒子濃度を測定する場合の補正係数の求め方を示したが、それぞれの測定手段に応じて、実験的に補正係数のテーブルや関数を作成することが可能であり、誘電泳動を利用したあらゆる微粒子測定装置、微粒子測定方法に適用が可能である。
The number of fine particles arranged in the
以上、本実施の形態によれば、温度変動によって微粒子に働く誘電泳動力およびその他全ての力のバランスが変化した場合にも、補正によってその影響をキャンセルすることができるため、様々な環境温度に設置された微粒子測定装置でも正しい測定結果を提示することができる。 As described above, according to the present embodiment, even when the balance of the dielectrophoretic force acting on the microparticles and all other forces due to temperature fluctuations is changed, the influence can be canceled by the correction, so that various environmental temperatures can be obtained. A correct measurement result can be presented even with the installed particle measuring device.
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1と同様な構成については説明を省略する。(Embodiment 2)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the description of the same configuration as that of
図5は、本実施形態の微粒子測定装置の構成図である。試料液2内の微粒子に働く力の温度による変化は、直接は試料液2の温度に依存する。従って、環境温度よりも試料液2の温度の測定結果に基づいて補正を行った方が、精度良く補正を行うことができる。そこで、本実施の形態では、温度検出手段8がセル1の試料液2内に配置されており、試料液2の温度を測定できる構成となっている。
FIG. 5 is a configuration diagram of the particle measuring apparatus of the present embodiment. The change of the force acting on the fine particles in the
図6は、セル1内に温度検出手段8として、チップ型のサーミスタ60を、セル1の試料液2側の表面に配置した模式図である。温度検出手段8は、試料液2内のいずれかに配置されていれば試料液2の温度測定が可能である。しかし、試料液2の流動などによってサーミスタ60が動揺すると、温度測定にノイズが加わる恐れがあるため、本実施形態では、サーミスタ60をセル1の壁面に固定している。
FIG. 6 is a schematic diagram in which a chip-
61はサーミスタ60の電気的な接続極、62はセル1の壁面に設けられた電気的な配線で、一般的な電子回路配線に用いられる銅箔パターンなどで構成され、セル1外の制御演算部6とサーミスタ60を電気的に接続している。63は、サーミスタ60の接続極61と配線62を電気的に接続する導電体であり、電気的な導通とサーミスタ60の固定が同時にできるため、半田を用いることが望ましい。
61 is an electrical connection electrode of the
サーミスタ60は、図7のように、セル1の試料液2側の壁面に埋め込まれる構成にしても良い。この場合、配線62もセル1内に埋め込まれており、サーミスタ60を挿入したときに電気的な接続および機械的な固定ができるようなスペースをセル1内に有している。
The
以上、本実施の形態によれば、セル1内の試料液2の温度を直接測定できるので、溶液温度に依存する、微粒子に働く力の変化を正確に補正することができ、高精度な微粒子測定装置を実現することができる。
As described above, according to the present embodiment, since the temperature of the
(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1〜2と同様な構成については説明を省略する。(Embodiment 3)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure similar to Embodiment 1-2.
図8は、本実施の形態を示す、電極チップ3の概略図である。電極チップ3の基板10の表面上、試料液2に電極チップ3を含浸した際に試料液2内に浸かる位置に温度検出手段8が配置される。本実施の形態では、温度検出手段8にサーミスタを用いており、図6と同様な方法で固定および電気的な接続を行っている。温度検出手段8および、電極11a、11bは、配線62を介してパッド80a、80b、81a、81bに接続される。パッド80a、80bは、電極11a、11bの電気的接続を担い、パッド81a、81bは、温度検出手段8の電気的接続を担っている。パッド80a、80b、81a、81bは、電極チップ3を挿入するコネクタ端子のピッチに合うように設計され、パッド80a、80bはそれぞれ泳動電源部4および測定部5へ、パッド81a、81bは制御演算部6に電気的に接続される。
FIG. 8 is a schematic view of the
以上、本実施の形態によれば、電極チップ3上に誘電泳動を行う電極と、温度測定を行う温度検出手段を共存させることにより、配線を行うためのコネクタを1つにすることができるため、簡易な構造で粒子測定装置を実現することができる。
As described above, according to the present embodiment, the electrode for performing the dielectrophoresis and the temperature detecting means for measuring the temperature can coexist on the
(実施の形態4)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1〜3と同様な構成については説明を省略する。(Embodiment 4)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure similar to Embodiment 1-3.
図9は、本実施の形態を表す微粒子測定装置の概略図である。セル1の外側、試料液2と接しない側の壁面に、温度検出手段8が接する構造を有しており、セル1の温度を測定できる構成になっている。
FIG. 9 is a schematic view of a fine particle measuring apparatus representing the present embodiment. The temperature detection means 8 is in contact with the wall surface outside the
本実施の形態では、セル1はプラスチック、温度検出手段8はサーミスタを使用している。通常、セル1は、試料液2を内部に貯留した形で保存されているため、試料液2とセル1は等温になっていると考えられる。このため、温度検出手段8をセル1の壁面に接するようにすれば、間接的に試料液2の温度を測定することが可能である。更に、温度検出手段8とセル1の間に熱伝導を助ける、シリコーングリスを塗布することで、より正確に試料液2の温度を検出することが可能になる。
In the present embodiment, the
試料液2の温度をより正確に反映する必要があれば、セル1の材料を熱伝導率の高いものにすると良い。例えば、銀や銅などの金属材料などである。セル1のコストや廃棄が問題になるのであれば、図10に示すように、セル1の壁面の一部に熱伝導率の高い熱伝達部100を設け、熱伝達部100と温度検出手段8を接触させることも可能である。
If it is necessary to reflect the temperature of the
以上、本実施の形態によれば、温度検出手段が直接試料液に接しないため、腐蝕や劣化が防げる。また、測定対象が微生物であり、汚染を考慮してセルを使い捨てにする場合であっても、温度検出手段の汚染が防げ、温度検出手段は繰り返し使用することができるため、1回の測定に掛かる費用を抑えることができる。 As described above, according to the present embodiment, since the temperature detecting means does not directly contact the sample solution, corrosion and deterioration can be prevented. Moreover, even if the measurement object is a microorganism and the cell is made disposable in consideration of contamination, the temperature detection means can be prevented from being contaminated, and the temperature detection means can be used repeatedly, so that it can be used for one measurement. The cost can be reduced.
(実施の形態5)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1〜4と同様な構成については説明を省略する。(Embodiment 5)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure similar to Embodiment 1-4.
図11は、本実施の形態を表す微粒子測定装置の概略図である。セル1の壁面に接続端子110が埋め込まれている。接続端子110は、セル1の試料液2に接する側(以下、内側と呼ぶ)と、セル1の試料液2に接しない側(以下、外側と呼ぶ)の両方に露出面を持つ。接続端子110は、低い抵抗率と高い熱伝導率を持つ材料が望ましく、本実施の形態では銅を用いている。
FIG. 11 is a schematic diagram of a fine particle measuring apparatus representing the present embodiment. A
接続端子110は、セル1の内側で、電極基板3上に形成された、誘電泳動を誘起するための電極10a、10bに電気的に接続される。接続端子110はセル1の外側で、接触端子111を介して、泳動電源部4および測定部5に電気的に接続される。つまり、接続端子110は、電気的には、電極基板3上に形成された電極10a、10bと泳動電源部4および測定部5を接続するための中継機能を果たしている。
The
接続端子110のセル1の外側の露出面に、温度検出手段8が接しており、温度検出手段8が接続端子110の温度を測定することで、間接的に試料液2の温度を測定出来る構成になっている。つまり、接続端子110は、熱的には、試料液2の温度を温度検出手段8に伝える中継機能を果たしている。
A configuration in which the temperature detection means 8 is in contact with the exposed surface of the
以上、本実施の形態によれば、電極を電気的に接続する端子と、試料液の温度を検出するための端子を共用としているため、セルの構造を簡略化できる。 As described above, according to the present embodiment, since the terminal for electrically connecting the electrode and the terminal for detecting the temperature of the sample solution are shared, the structure of the cell can be simplified.
(実施の形態6)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1〜5と同様な構成については説明を省略する。図12は、本実施形態の微粒子測定装置の構成図である。(Embodiment 6)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure similar to Embodiment 1-5. FIG. 12 is a configuration diagram of the particle measuring apparatus of the present embodiment.
図12において、1は測定対象の微粒子が含まれる試料液2を保持するセル、3は誘電泳動で微粒子を捕集する電極対を含む電極チップ、4は泳動電源部、5は電極間インピーダンスを測定する測定部、6は微粒子測定装置全体の制御やインピーダンス算出などの演算を行う制御演算部、7は溶液の攪拌を行う攪拌手段である。
In FIG. 12, 1 is a cell for holding a
本実施の形態では、誘電泳動で微粒子を捕集する電極チップ3が温度検出手段を兼ねる構成となっている。以下、電極チップ3で温度を検知する方法について説明する。
In the present embodiment, the
図13は、試料液2の温度に対する電極チップ3上の電極11a、11b間のインピーダンス変化を、試料液2の温度が25℃の時の値で規格化してプロットしたグラフである。この時、試料液2中には微粒子は含まれていない。図13中、1のプロットは電極インピーダンスの抵抗成分の逆数であるコンダクタンスGA、2のプロットは電極インピーダンスの容量成分であるキャパシタンスCAの変化を示す。コンダクタンスは温度上昇に対して単調増加、キャパシタンスは温度上昇に対して単調減少している。
FIG. 13 is a graph in which the impedance change between the
このことから、試料液2のインピーダンス測定から、試料液2の温度を推定することが可能である。具体的には、制御演算部6内のメモリにコンダクタンスGAまたはキャパシタンスCAと、試料液2の温度とを関係付けしたテーブルを設けることにより、電極11a、11b間のインピーダンス測定より試料液2の温度測定が可能である。あるいは、試料液2の温度とGAあるいはCAの関係から、適当な近似式を求めておき、その近似式を用いて計算することも可能である。図13のプロットから、直線近似でほぼ近似できることが分かる。
From this, it is possible to estimate the temperature of the
電極11a、11b間のインピーダンス測定から温度を測定する際に電極11a、11b間に印加する電圧(以下、温度測定電圧と呼ぶ)は、誘電泳動を行う際の電圧(以下、誘電泳動電圧と呼ぶ)よりも低く、誘電泳動を生じさせない程度の電圧とすることが望ましい。なぜならば、温度測定電圧を印加することによって微粒子に誘電泳動が生じると、電極11a、11b間のインピーダンスに変化が生じるため、正確な温度推定が行えないからである。このため、本実施の形態では、温度測定電圧は誘電泳動電圧の5分の1であることが望ましく、誘電泳動電圧は10Vp−p、温度測定電圧は2Vp−pとしている。
The voltage applied between the
また、温度推定を行うためのインピーダンス測定は、キャパシタンスの値を用いるほうが好ましい。なぜならば、電極11a、11b間のコンダクタンスは、試料液2の導電率によって変化するものであり、試料液2の導電率は測定に供する検体によって異なるため、異なる導電率の試料液2に対してそれぞれテーブルが必要となり、温度推定が困難になるからである。従って、本実施の形態では温度推定に用いるインピーダンス測定値にキャパシタンスを用い、測定結果の補正を行う。
In addition, it is preferable to use a capacitance value for impedance measurement for temperature estimation. This is because the conductance between the
以上、本実施の形態によれば、誘電泳動を行う電極が、温度検出手段を兼ねる構成で実現できるため、微粒子測定装置の構成が簡素化され、低コストな微粒子測定装置を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, since the electrode for performing dielectrophoresis can be realized with a configuration that also serves as a temperature detecting means, the configuration of the particle measuring device is simplified, and a low-cost particle measuring device can be realized. .
(実施の形態7)
以下、本発明の実施の形態7の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。本実施の形態7では、誘電泳動を行う前の試料液2の温度測定結果から、誘電泳動を行うための電圧値を設定することで、試料液2の温度に依らず一定の測定結果を得られる構成としている。(Embodiment 7)
Hereinafter, the particle measuring apparatus according to the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the seventh embodiment, a constant measurement result is obtained regardless of the temperature of the
図14は、本実施の形態にかかる微粒子測定方法を説明するためのフローチャートである。以下、フローチャートを参照して、一連の測定の流れを説明するが、実施の形態1と重複する部分については説明を省略する。
FIG. 14 is a flowchart for explaining the fine particle measurement method according to the present embodiment. Hereinafter, the flow of a series of measurements will be described with reference to the flowchart, but the description of the same parts as those in
ステップS24において、制御演算部6は、メモリ内のテーブルあるいは関数を参照し、ステップS12の温度測定結果に対応する電圧振幅値および周波数を決定する。この時制御演算部6が決定する電圧振幅値あるいは周波数は、想定された環境温度の範囲内において、試料液2中の測定対象微粒子に働く誘電泳動力が十分大きくかつ一定になるような条件をテーブルあるいは関数化しておく。
In step S24, the
次いで、制御演算部6は、ステップS24で決定した電圧を電極11a、11b間に印加する(ステップS15)。ステップS20で、インピーダンス傾きを算出するが、測定対象微粒子に働く誘電泳動力が一定になるため、インピーダンス傾きは温度に依存せず、試料液2中に含まれる測定対象微粒子の濃度にのみ依存する。従って、温度に基づく補正を行う必要は無く、ステップS22で制御演算部6はメモリ中に保存されている検量線から試料液2中の微粒子濃度などの結果出力を表示手段9に指示し、測定を完了する。
Next, the
試料液2の温度によって誘電泳動力が低下した場合、得られるインピーダンス傾きも小さくなるため、小さなインピーダンス傾きを基に補正を行った場合は十分なS/Nが得られない場合がある。本実施の形態によれば、試料液2の温度に応じて十分かつ一定の誘電泳動力を作用させる電圧値を選択することにより、常に高いS/Nで測定することができるため、より高精度な微粒子測定を実現することができる。
When the dielectrophoretic force is lowered due to the temperature of the
(実施の形態8)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1〜7と同様な構成については説明を省略する。(Embodiment 8)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure similar to Embodiment 1-7.
上述した各実施の形態の微粒子測定装置において、誘電泳動で試料液2中の微粒子を電極11a、11b間に捕捉しながらインピーダンス測定することを考えると、誘電泳動を行っている最中に試料液2の温度が変化することが考えられる。例えば、試料液2を10℃程度で冷蔵保存しておき、その試料液2を室温25℃の環境に移して即、測定を開始することを想定すると、試料液2の温度は、10℃から平衡の約25℃に達するまで上昇する。
In the fine particle measuring apparatus according to each of the embodiments described above, considering impedance measurement while capturing the fine particles in the
この場合、ある一時点で測定した温度を元に測定結果の補正を行えば、ある一時点での試料液2の温度と、実際に誘電泳動されている時点で試料液2の温度に乖離が生じ、正確な補正ができないという問題がある。
In this case, if the measurement result is corrected based on the temperature measured at a certain temporary point, there is a difference between the temperature of the
そこで、本実施の形態では、制御演算部6がインピーダンスを測定する際に、ほぼ同時に温度検出手段8から温度情報を取得し、リアルタイムに測定した試料液2の温度情報を元に、より正確な補正を行う。
Therefore, in the present embodiment, when the
図15は本実施の形態を示すフローチャートである。ステップS16とステップS17の間にステップS30として温度測定を行う点、ステップS20でインピーダンス傾きを算出する際に同時に図4のステップS21に相当する補正を行う点以外は、実施の形態1のフローチャート(図4)と同様である。本実施の形態では、ステップS16でインピーダンス測定を行った直後にステップS30で、温度測定を行い、制御演算部6は、インピーダンス測定結果および温度測定結果を、同じ時間タイミングの結果として、メモリに保存する。例えば、表2に示すように、時間とキャパシタンスCと温度Tとを関連付けた形式でデータを保存しておく。
FIG. 15 is a flowchart showing the present embodiment. The flowchart of the first embodiment except that temperature measurement is performed as step S30 between step S16 and step S17, and that correction corresponding to step S21 in FIG. This is similar to FIG. In the present embodiment, immediately after the impedance measurement is performed in step S16, the temperature is measured in step S30, and the
本実施の形態では、温度測定はインピーダンス測定の直後であったが、ステップS16とステップS30とを入れ替えて、温度測定の直後にインピーダンス測定を行っても良い。インピーダンスを測定した時点の温度を測定することが肝要である。 In the present embodiment, the temperature measurement is performed immediately after the impedance measurement. However, the impedance measurement may be performed immediately after the temperature measurement by exchanging Step S16 and Step S30. It is important to measure the temperature when the impedance is measured.
表2において、teは測定時間である。この例では、キャパシタンスを測定しているが、インピーダンスあるいはコンダクタンスでも良く、測定間隔は1秒毎となっているが、任意の測定間隔に設定可能である。 In Table 2, te is the measurement time. In this example, capacitance is measured, but impedance or conductance may be used, and the measurement interval is every second, but can be set to any measurement interval.
予め設定された測定回数(測定時間に相当する)を完了し、ステップS19で電圧印加停止した後、制御演算部6は、ステップS20でインピーダンスの時間傾きを算出する。この時、保存したインピーダンスと温度のデータとを用いてインピーダンス傾きの補正を行う。以下、補正の方法について説明する。
After completing the preset number of measurements (corresponding to the measurement time) and stopping the voltage application in step S19, the
図16は、横軸に時間tを取り、縦軸にインピーダンスの代表としてキャパシタンスCを取り、誘電泳動で微粒子を捕捉しながらインピーダンス測定を行った時の、キャパシタンスCの変化をプロットしたものである。添え字nは任意の整数である。グラフ中、時間tn−1からtnになったとき、キャパシタンスCn−1はからCnに、温度はTn−1からTnに変化している。任意の時間におけるキャパシタンスCの時間変化の傾きΔCnは、(数4)で表される。FIG. 16 plots changes in capacitance C when the horizontal axis is time t, the vertical axis is capacitance C as a representative impedance, and impedance measurement is performed while capturing fine particles by dielectrophoresis. . The subscript n is an arbitrary integer. In the graph, when the time t n-1 reaches t n , the capacitance C n-1 changes from C n to C n , and the temperature changes from T n -1 to T n . A slope ΔC n of the time change of the capacitance C at an arbitrary time is expressed by (Equation 4).
ΔCnは、測定間隔の間に変化した温度の影響を含んでいるため、制御演算部6は、この時の温度変化を元に傾きを補正する。補正係数は、表1に示すようなαを用いる。補正後の傾きをΔC‘nとすると、傾きの補正は数5で表される。Since ΔC n includes the influence of the temperature changed during the measurement interval, the
この時、温度Tnは、(数6)のように2点の平均値T‘nを用いることでより正確な補正を行うことができる。At this time, the temperature T n can be corrected more accurately by using the average value T ′ n of two points as in (Equation 6).
求めた補正後の傾きΔC‘nを用いて、(数7)によって、キャパシタンスの補正値CTnを得ることができる。Using the calculated slope ΔC ′ n after correction, a correction value CT n of capacitance can be obtained by (Equation 7).
CTnは、時間ゼロ(測定開始直後の時点)でゼロを取り、測定開始時点からのキャパシタンス変動分を示す値である。全ての測定データについてCTnを求め、得られたデータのプロットを示したのが図17である。得られたプロットから最小二乗法などによって直線1を求め、その傾きを算出し、最終的なインピーダンス傾きとして、微粒子数に換算を行い、ステップS22で結果を出力して測定動作を完了する(ステップS23)。CT n is a value that takes zero at time zero (the time immediately after the start of measurement) and indicates the amount of capacitance fluctuation from the measurement start time. FIG. 17 shows a plot of data obtained by obtaining CT n for all measurement data. The
以上、本実施の形態によれば、インピーダンス測定時点の温度を測定することによってリアルタイムの温度変化に基づいた補正を行うことができるため、測定途中で試料液の温度が変化する場合にも、正確な測定結果を提示することができる。 As described above, according to the present embodiment, since the correction based on the real-time temperature change can be performed by measuring the temperature at the time of impedance measurement, even when the temperature of the sample liquid changes during the measurement, Can present the measurement results.
(実施の形態9)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、既述の実施の形態と同様な構成については説明を省略する。本実施の形態では、測定中の試料液2の温度変化を測定する手段を、電極チップ3上に温度測定用の電極を設け、電極チップ3を簡易な構成にしつつ、リアルタイムの温度測定を実現するものである。(Embodiment 9)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that a description of the same configuration as that of the above-described embodiment is omitted. In the present embodiment, the means for measuring the temperature change of the
図18は、本実施形態の微粒子測定装置における電極チップ3を示す概略図である。図23において、11cは、試料液2に浸漬する位置において11aに隣接する位置に配置される第三の電極である。11cの試料液2と反対側の一端には、測定部5に接続されるパッド80cが設けられている。測定部5は、制御演算部6の指示により、第三の電極11cと電極11a間のインピーダンスを測定し、制御演算部6は測定部5のインピーダンス測定値からキャパシタンスを算出する。測定されたキャパシタンスの値は試料液2の誘電率に比例し、誘電率は前述の通り試料液2の温度を反映したものであるから、制御演算部6は第三の電極11cと電極11間のインピーダンス測定結果から試料液2の温度を測定することができる。
FIG. 18 is a schematic view showing the
このとき、11cと11a間のインピーダンスを測定するための電圧は、試料液2中の測定対象微粒子が誘電泳動あるいは電気泳動されないような電圧振幅および周波数に設定することが望ましい。これにより、電極間に微粒子が捕集されたことによって生じるインピーダンス変化に起因する温度測定誤差を回避することができる。また、誘電泳動とインピーダンス測定を行う電極11aを温度測定用の電極としても共用することで、温度検出手段をサーミスタなど別途も受ける必要が無く、電極チップ3および測定部5の構成を簡易にし、かつ、測定中の試料液温度測定をリアルタイムに行うことで精度の高い補正を実現することができる。
At this time, it is desirable that the voltage for measuring the impedance between 11c and 11a is set to a voltage amplitude and frequency so that the measurement target fine particles in the
尚、ここでは第三の電極11cと電極11a間のインピーダンスを測定することとしたが、試料液2の誘電率を正確に測定できる限りにおいては、電極11a、11bのどちらを対極として用いても良い。また、電極11aあるいは11bのいずれかを温度測定用の電極として共用する構成としたが、温度測定用の電極対を別途設け、誘電泳動とインピーダンス測定を行う電極と共用しない構成とすることを妨げるものではない。
Here, the impedance between the third electrode 11c and the
(補正係数の算出)
試料液の温度と、インピーダンス時間変化との関係から、補正係数を求めるために、以下の実験を行った。(Calculation of correction coefficient)
In order to obtain a correction coefficient from the relationship between the temperature of the sample solution and the change in impedance time, the following experiment was performed.
(1)試料液の調整
標準寒天培地(MB0010、栄研器材(株))上で37℃、16時間の好気培養を行った大腸菌K−12株(NBRC3301、製品評価技術基盤機構)をコンラージ棒で採取し、0.1M D−マニトール溶液(導電率、約5μS/cm)に懸濁したものを標準試料とし、適宜希釈して6.82×106cfu/mlの懸濁濃度となるように調整した。尚、懸濁濃度は、適宜希釈した標準試料を標準寒天培地状に塗抹し、37℃、16時間の好気培養を行った結果生育したコロニー数を計数することによって規定した。(1) Preparation of sample solution Congealed Escherichia coli K-12 (NBRC3301, Product Evaluation Technology Infrastructure) that was aerobically cultured at 37 ° C for 16 hours on a standard agar medium (MB0010, Eiken Equipment Co., Ltd.) A sample collected with a stick and suspended in a 0.1 M D-mannitol solution (conductivity, about 5 μS / cm) is used as a standard sample, and is appropriately diluted to a suspension concentration of 6.82 × 10 6 cfu / ml. Adjusted as follows. The suspension concentration was defined by smearing an appropriately diluted standard sample in a standard agar medium and counting the number of colonies grown as a result of aerobic culture at 37 ° C. for 16 hours.
(2)測定装置
図1の測定装置を使用した。印加電圧振幅は5Vp−p、周波数は100KHzで、60秒間のインピーダンス測定の後、キャパシタンスの傾きを測定応答とした。電極チップ3と試料液2を含むセル1は、恒温層内に静置して恒温層内温度と試料液2の温度が等しくなるようにした。温度は5℃、25℃、40℃の3段階とした。(2) Measuring apparatus The measuring apparatus of FIG. 1 was used. The applied voltage amplitude was 5 Vp-p, the frequency was 100 KHz, and after measuring impedance for 60 seconds, the slope of capacitance was taken as the measurement response. The
(3)結果
それぞれの温度で得られた測定応答を、25℃での測定応答の値で規格化してプロットしたのが図19である。25℃を基準に、5℃では応答が低下し、40℃では応答が上昇した。この要因の一つとして、試料液2の温度による粘度の変化が考えられる。試料液2の温度低下と共に粘度は高くなり、低温では微粒子に働く粘性力が大きくなるため、単位時間当たりに誘電泳動力によって電極にトラップされる微粒子数が少なくなる結果、図19のような応答変化となっている。(3) Results FIG. 19 shows the measurement responses obtained at the respective temperatures normalized by the measurement response values at 25 ° C. and plotted. Based on 25 ° C., the response decreased at 5 ° C., and the response increased at 40 ° C. As one of the factors, a change in viscosity due to the temperature of the
図20は、図19で示した規格化したキャパシタンス傾きの逆数をプロットしたものである。これが補正係数αに相当する。3点のプロットを多項式近似によってフィッティングしたものが曲線1である。曲線1の多項式の関数から、補正係数αを算出することが可能である。
FIG. 20 is a plot of the reciprocal of the normalized capacitance slope shown in FIG. This corresponds to the correction coefficient α.
(温度補正の効果確認)
実施例1で求めた補正係数αの関数を用いて、補正によって正確な測定を行えることを確認するため、以下の実験を行った。(Confirmation of temperature correction effect)
In order to confirm that accurate measurement can be performed by correction using the function of the correction coefficient α obtained in Example 1, the following experiment was performed.
(1)試料液の調整
試料液の調整方法は、実施例1と同様である。試料液の大腸菌濃度を6.82×106〜6.82×107cfu/mlの懸濁濃度となるように調整を行った。(1) Preparation of sample solution The method for adjusting the sample solution is the same as that in Example 1. The Escherichia coli concentration of the sample solution was adjusted to a suspension concentration of 6.82 × 10 6 to 6.82 × 10 7 cfu / ml.
(2)測定装置
測定装置および温度の条件は実施例1と同様であるため、説明を省略する。(2) Measuring device Since the measuring device and temperature conditions are the same as those in Example 1, the description thereof is omitted.
(3)結果
表3は、試料液温度が5℃、25℃、40℃の時の、大腸菌濃度6.82×106および6.82×107cfu/mlでのキャパシタンス傾きΔCTを示す。各大腸菌濃度において、(数8)にて平均値と最大値の比率ERmaxを、(数9)にて平均値と最小値の比率ERminをそれぞれ求め、その百分率を誤差の大きさとして評価した。(3) Results Table 3 shows the capacitance slope ΔCT at the E. coli concentrations of 6.82 × 10 6 and 6.82 × 10 7 cfu / ml when the sample solution temperatures are 5 ° C., 25 ° C., and 40 ° C. At each Escherichia coli concentration, the ratio ERmax between the average value and the maximum value was obtained in (Equation 8), and the ratio ERmin between the average value and the minimum value was obtained in (Equation 9), and the percentage was evaluated as the magnitude of the error.
(数8)において、ΔCTmaxは各濃度におけるキャパシタンス傾きの最大値、ΔCTavは、各濃度のキャパシタンス傾きの平均値である。 In (Equation 8), ΔCTmax is the maximum value of the capacitance gradient at each concentration, and ΔCTav is the average value of the capacitance gradient at each concentration.
(数9)において、ΔCTminは各濃度におけるキャパシタンス傾きの最小値である。 In (Equation 9), ΔCTmin is the minimum value of the capacitance gradient at each concentration.
表3に示したように、補正を行わない場合、試料液の温度が5℃〜40℃の範囲で変動すると、±50%程度の大きな測定誤差を生じる。図21は、横軸に大腸菌濃度、縦軸にキャパシタンス傾きΔCTをプロットした。試料液の温度によって、同じ大腸菌濃度におけるΔCTの値に乖離が生じているのが分かる。 As shown in Table 3, when correction is not performed, a large measurement error of about ± 50% occurs when the temperature of the sample solution fluctuates in the range of 5 ° C to 40 ° C. FIG. 21 plots the E. coli concentration on the horizontal axis and the capacitance slope ΔCT on the vertical axis. It can be seen that there is a discrepancy in the ΔCT value at the same E. coli concentration depending on the temperature of the sample solution.
一方、表4は、上記の測定結果に、実施例1で求めた補正係数αを乗じて算出した、補正後のキャパシタンス傾きを示す。 On the other hand, Table 4 shows the capacitance gradient after correction, which is calculated by multiplying the above measurement result by the correction coefficient α obtained in Example 1.
表4に示したように、補正を行うことによって、誤差は±1〜2%程度まで抑えることができ、試料液の温度に依らない、正確な測定を行うことができる。図22は、補正後のΔCTと大腸菌濃度の関係をプロットしたグラフである。図22のグラフは、試料液温度に依らず、同じ大腸菌濃度では、ほぼ同じキャパシタンス傾きを算出できることを示している。 As shown in Table 4, by performing correction, the error can be suppressed to about ± 1 to 2%, and accurate measurement can be performed regardless of the temperature of the sample solution. FIG. 22 is a graph plotting the relationship between the corrected ΔCT and the E. coli concentration. The graph of FIG. 22 shows that almost the same capacitance slope can be calculated at the same E. coli concentration regardless of the sample solution temperature.
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。 Although the present invention has been described in detail and with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
本出願は、2008年1月22日出願の日本特許出願(特願2008−011445)、に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。 This application is based on Japanese Patent Application (Japanese Patent Application No. 2008-011445) filed on Jan. 22, 2008, the contents of which are incorporated herein by reference.
本発明は、異なる環境温度や、異なる温度の試料液においても、溶液に含有された微粒子数を正確に測定することができる微粒子測定装置等として有用である。 The present invention is useful as a fine particle measuring apparatus or the like that can accurately measure the number of fine particles contained in a solution even at different environmental temperatures or sample liquids at different temperatures.
本発明は、誘電泳動を用いて試料液中の微粒子数を測定するための微粒子測定装置および微粒子測定方法に関する。 The present invention relates to a fine particle measuring apparatus and a fine particle measuring method for measuring the number of fine particles in a sample solution using dielectrophoresis.
昨今、食中毒や感染症などの原因となり、人体に何らかの害を及ぼす可能性がある微生物を、迅速、簡便、高感度に定量測定するニーズは特に高い。食品の製造工程や微生物検査施設を備えない診療所などにおいて、その場で微生物検査を実施することで、食中毒や感染症などの防止、予防が可能になるためである。 In recent years, there is a particularly high need for rapid, simple, and highly sensitive quantitative measurement of microorganisms that cause food poisoning, infections, and the like and can cause some harm to the human body. This is because, in a clinic that does not have a food production process or a microbiological examination facility, the microbiological examination can be performed on the spot to prevent or prevent food poisoning or infectious diseases.
また、いわゆるバイオセンサにおいて、抗体など、測定対象に特異的に結合する物質を標識したポリスチレンなどの人工微粒子を用いて、検体中の生化学的物質を定量測定する際に、検体中の微粒子数あるいはその結合状態を定量測定する必要がある。このように、昨今、液体中に含まれる微粒子を迅速、簡便、定量的に測定する要求は高い。 In addition, in so-called biosensors, the number of fine particles in a sample when quantitatively measuring a biochemical substance in a sample using an artificial fine particle such as polystyrene labeled with a substance that specifically binds to an object such as an antibody. Alternatively, it is necessary to quantitatively measure the binding state. Thus, nowadays, there is a high demand for quickly, simply and quantitatively measuring fine particles contained in a liquid.
ここで、本願における微粒子の定義について説明する。本願で言う微粒子とは、ポリスチレンやそれらに何らかのコーティングを施した粒子、カーボンナノチューブ、金コロイドなどの金属粒子、細菌、真菌、放線菌、リケッチア、マイコプラズマ、ウイルス、として分類されているいわゆる微生物、原生動物や原虫のうちの小型のもの、生物体の幼生、動植物細胞、精子、血球、核酸、蛋白質等も含む広い意味での生体または生体由来の微粒子である。この他にも、本願で言う微粒子とは、誘電泳動可能な大きさのあらゆる粒子を意味する。本願では特に、微生物の測定を想定している。 Here, the definition of the fine particles in the present application will be described. The microparticles referred to in this application are polystyrene, particles coated with them, metal particles such as carbon nanotubes and gold colloid, bacteria, fungi, actinomycetes, rickettsia, mycoplasma, viruses, so-called microorganisms, protozoa It is a living organism or a fine particle derived from living organisms in a broad sense, including small animals and protozoa, larvae of organisms, animal and plant cells, sperm, blood cells, nucleic acids, proteins, and the like. In addition, the fine particles referred to in the present application mean all particles having a size capable of dielectrophoresis. In this application, in particular, measurement of microorganisms is assumed.
液体中に懸濁された誘電体微粒子を電気的に操作する方法の一つとして、誘電泳動現象が用いられる。誘電泳動現象の原理は後述するが、液体中に懸濁された誘電体微粒子に不平等電界を印加することによって、微粒子の選別・分離や、誘電特性調査を行うことができる。 As one method for electrically manipulating dielectric fine particles suspended in a liquid, a dielectrophoresis phenomenon is used. Although the principle of the dielectrophoresis phenomenon will be described later, by applying an unequal electric field to the dielectric fine particles suspended in the liquid, the fine particles can be selected / separated and the dielectric characteristics can be investigated.
例えば、特許文献1は、複数種類の微粒子が混合された液体中から、特定の微粒子を選別・回収する装置に関するもので、微粒子の大きさや誘電特性の差異に起因する誘電泳動力の差を利用して、特定の微粒子のみに誘電泳動力を誘起してフローから回収する技術が開示されている。
For example,
また、特許文献2は、異なる微生物に働く誘電泳動力の周波数スペクトルが、その物性の差異から異なることを利用して、液体中に含まれる微生物の種類を同定する技術が開示されている。
更に、本発明者は他の発明者らと共に、誘電泳動を利用して液体中に含まれる微生物濃度を迅速、簡便、高感度に測定する微生物数測定装置および方法として、誘電泳動とインピーダンス計測を組み合わせたDEPIM(DielectrophoreticImpedance Measurement Method)法を提案した(例えば、特許文献3を参照)。 Furthermore, the present inventor, together with the other inventors, conducted dielectrophoresis and impedance measurement as a microbial count measuring apparatus and method for rapidly, simply and sensitively measuring the concentration of microorganisms contained in a liquid using dielectrophoresis. A combined DEPIM (Dielectrophoretic Impedance Measurement Method) method was proposed (see, for example, Patent Document 3).
DEPIM法は、液体中に懸濁された微生物を誘電泳動力によってマイクロ電極に捕集し、同時にマイクロ電極のインピーダンス変化を測定することによって試料液中の微生物数を定量測定する方法である。以下、その測定原理について概説する。 The DEPIM method is a method for quantitatively measuring the number of microorganisms in a sample solution by collecting microorganisms suspended in a liquid on a microelectrode by dielectrophoretic force and simultaneously measuring the impedance change of the microelectrode. The measurement principle will be outlined below.
微生物は一般に、イオンリッチで誘電率および導電率の高い細胞質および細胞壁が、比較的誘電率および導電率の低い細胞膜に囲まれた構造を有し、誘電体粒子とみなすことができる。DEPIM法では、電界中で分極した誘電体粒子に一定方向に働く力である誘電泳動力を利用し、誘電体粒子である微生物をマイクロ電極のギャップ間に捕集する。 Microorganisms generally have a structure in which cytoplasm and cell walls having a high dielectric constant and conductivity are ion-rich and surrounded by a cell membrane having a relatively low dielectric constant and conductivity, and can be regarded as dielectric particles. In the DEPIM method, a dielectrophoretic force that is a force acting in a certain direction on dielectric particles polarized in an electric field is used to collect microorganisms that are dielectric particles between gaps of microelectrodes.
誘電体粒子に働く誘電泳動力FDEPは、以下の(数1)で与えられることが公知である(例えば、非特許文献1を参照)。以下、誘電体粒子が、微生物である場合を例として説明する。 It is known that the dielectrophoretic force F DEP acting on the dielectric particles is given by the following ( Equation 1) (for example, see Non-Patent Document 1). Hereinafter, a case where the dielectric particles are microorganisms will be described as an example.
ここで、a:球形近似したときの微生物の半径、ε0:真空の誘電率、εm:試料液の比誘電率、E:電界強度であり、▽は演算子で勾配(gradient)を表す。この場合、▽E2は、電界E2の勾配なので、その位置でどれだけE2が傾斜を持っているか、つまり電界Eが空間的にどれだけ急に変化をするかを意味する。また、Kはクラウジウス・モソッティ数と呼ばれ、(数2)で表され、Re[K]>0は正の誘電泳動を表し、微生物は電界勾配と同方向、つまり、電界集中部に向かって泳動される。Re[K]<0は負の誘電泳動を表し、電解集中部から遠ざかる方向、すなわち弱電界部に向かって泳動される。 Here, a: radius of microorganism when approximated by a sphere, ε 0 : dielectric constant of vacuum, ε m : relative permittivity of sample liquid, E: electric field strength, and ▽ represents a gradient by an operator . In this case, ▽ E 2 is the gradient of the electric field E 2 , and means how much E 2 has an inclination at that position, that is, how suddenly the electric field E changes spatially. K is called Clausius Mosotti number, expressed by (Expression 2), Re [K]> 0 indicates positive dielectrophoresis, and microorganisms are in the same direction as the electric field gradient, that is, toward the electric field concentration part. Electrophoresed. Re [K] <0 represents negative dielectrophoresis and migrates away from the electrolytic concentration part, that is, toward the weak electric field part.
ここで、εb *およびεm *はそれぞれ、微生物および溶液の複素誘電率を表し、一般に複素誘電率εr *は(数3)で表される。 Here, ε b * and ε m * represent the complex permittivity of the microorganism and the solution, respectively, and generally the complex permittivity ε r * is expressed by (Equation 3).
ここで、εr:微生物あるいは試料液の比誘電率、σ:微生物あるいは試料液の導電率、ω:印加電界の角周波数を表す。 Here, ε r represents the relative dielectric constant of the microorganism or sample solution, σ represents the conductivity of the microorganism or sample solution, and ω represents the angular frequency of the applied electric field.
(数1)(数2)(数3)から、誘電泳動力は、微生物の半径、クラウジウス・モソッティ数の実部(以下、Re[K]と表す)および電界強度に依存することが分かる。また、Re[K]は、試料液および微生物の複素誘電率、電界周波数に依存して変化することが分かる。 From (Equation 1), (Equation 2), and (Equation 3), it can be seen that the dielectrophoretic force depends on the radius of the microorganism, the real part of the Clausius Mosotti number (hereinafter referred to as Re [K]), and the electric field strength. It can also be seen that Re [K] varies depending on the complex permittivity and electric field frequency of the sample solution and the microorganism.
そのため、DEPIM法では、これらのパラメータを適切に選択し、微生物に働く誘電泳動力を十分大きくし、微生物を電極ギャップに確実に捕集する必要がある。また、DEPIM法では、上記誘電泳動による電極への微生物捕集と同時に、電気的計測を行い、試料液中の微生物数を定量測定することを特徴としている。 Therefore, in the DEPIM method, it is necessary to appropriately select these parameters, sufficiently increase the dielectrophoretic force acting on the microorganism, and reliably collect the microorganism in the electrode gap. In addition, the DEPIM method is characterized in that the number of microorganisms in a sample solution is quantitatively measured by performing electrical measurement simultaneously with the collection of microorganisms on the electrode by dielectrophoresis.
微生物は、前述した構造を有するため、電気的には固有のインピーダンスを持った微粒子と考えることができる。そのため、誘電泳動によりマイクロ電極のギャップ間に捕集される微生物数が増加すると、その捕集数に応じて電極間のインピーダンスが変化する。 Since the microorganism has the structure described above, it can be considered as a fine particle having an inherent impedance electrically. Therefore, when the number of microorganisms collected between the gaps of the microelectrodes by dielectrophoresis increases, the impedance between the electrodes changes according to the number of collections.
従って、電極間インピーダンス時間変化の傾きは、単位時間当たりに電極ギャップ間に捕集される微生物数に応じた値となり、傾きの大きさは試料液中の微生物濃度に対応する。よって、電極間インピーダンス時間変化の傾きを測定することで、試料液中の微生物濃度、言い換えれば微生物数を測定することが可能となる。 Therefore, the slope of the interelectrode impedance time change is a value corresponding to the number of microorganisms collected between the electrode gaps per unit time, and the magnitude of the slope corresponds to the microorganism concentration in the sample solution. Therefore, it is possible to measure the microorganism concentration in the sample solution, in other words, the number of microorganisms, by measuring the slope of the interelectrode impedance time change.
更に、DEPIM法では、誘電泳動を開始直後のインピーダンス時間変化の傾きから微生物数を定量することで、短時間での微生物測定を実現している。以上、DEPIM法の測定原理について概説したが、詳しくは非特許文献2を参照されたい。
Furthermore, in the DEPIM method, microorganisms are measured in a short time by quantifying the number of microorganisms from the slope of the change in impedance time immediately after the start of dielectrophoresis. The measurement principle of the DEPIM method has been outlined above. For details, refer to
一般に、測定装置が使用される環境は様々であり、微粒子測定装置も例外ではない。特に、環境温度(室温)は空調の有無などによって大きく変わる因子であり、0℃〜40℃程度の範囲で変わる可能性は十分にある。 In general, the environment in which the measuring device is used varies, and the particle measuring device is no exception. In particular, the environmental temperature (room temperature) is a factor that varies greatly depending on the presence or absence of air conditioning and the like, and there is a possibility that it will vary in the range of about 0 ° C to 40 ° C.
一方、液体の粘度は、温度によって変化することが一般に知られており、微粒子が懸濁された液体(以下、試料液と呼ぶ)の粘度が変化することで、微粒子に働く誘電泳動力と粘性力のバランスに変化が生じるため、環境温度によって測定結果に差異が生じ、微粒子測定結果の精度が低下するという問題がある。また、物質の比誘電率および導電率は、温度によって変化することが一般に知られており、この温度変化によって誘電泳動力が変化し、同様に微粒子測定結果の精度が低下するという問題がある。 On the other hand, it is generally known that the viscosity of a liquid changes with temperature, and the dielectrophoretic force and viscosity acting on the fine particles change by changing the viscosity of the liquid in which the fine particles are suspended (hereinafter referred to as a sample liquid). Since the balance of force changes, there is a problem that the measurement result varies depending on the environmental temperature, and the accuracy of the fine particle measurement result decreases. In addition, it is generally known that the relative permittivity and conductivity of a substance change depending on temperature, and the dielectrophoretic force changes due to this temperature change, and similarly there is a problem that the accuracy of the particle measurement result is lowered.
しかしながら、特許文献1〜3においては、これら問題を解決する手段については、開示も示唆もされていない。 However, Patent Documents 1 to 3 do not disclose or suggest means for solving these problems.
本発明の目的は、上記事情に鑑みてなされたものであって、微粒子測定装置が設置された環境温度あるいは、試料液の温度によって測定結果に変動が無く、必要十分な精度で測定することが可能な微粒子測定装置および微粒子測定方法を提供することである。 The object of the present invention has been made in view of the above circumstances, and the measurement result does not vary depending on the environmental temperature at which the particle measuring device is installed or the temperature of the sample solution, and the measurement can be performed with sufficient and sufficient accuracy. An object is to provide a fine particle measuring apparatus and a fine particle measuring method.
本発明者らは、微粒子を誘電泳動する際に、溶液の温度変化に伴い電極にトラップされる微粒子の量的な変化が生じることを見出した。すなわち、溶液温度の変化に伴い、溶液粘度が変化することによって、微粒子に生じる誘電泳動力と粘性力が相対的に変化する結果、電極へトラップされる微粒子量が変化する。あるいは、溶液温度の変化に伴い、溶液と微粒子の複素誘電率が変化することによって、微粒子に働く誘電泳動力が変化し、電極へトラップされる微粒子量が変化する。トラップされる微粒子量が変わると、測定される応答も変化する。溶液温度とトラップ量の関係を定量化すれば、溶液に含まれる微粒子濃度を正確に推定できることが明らかとなった。本発明は、かかる知見に基づき達成されたものである。 The inventors of the present invention have found that when the fine particles are subjected to dielectrophoresis, a quantitative change of the fine particles trapped on the electrode occurs with a change in temperature of the solution. That is, as the solution temperature changes as the solution temperature changes, the dielectrophoretic force and the viscous force generated in the fine particles relatively change, and as a result, the amount of fine particles trapped on the electrode changes. Alternatively, as the solution temperature changes, the complex permittivity of the solution and fine particles changes, so that the dielectrophoretic force acting on the fine particles changes, and the amount of fine particles trapped on the electrode changes. As the amount of particulate trapped changes, so does the measured response. It became clear that the concentration of fine particles contained in the solution can be accurately estimated by quantifying the relationship between the solution temperature and the trap amount. The present invention has been achieved based on such findings.
本発明に係る微粒子測定装置は、微粒子含有の試料液を導入するセルと、前記セル内部の前記試料液に浸漬される位置に設けられた少なくとも一対の電極と、前記電極間に、交流電界を発生するための電圧を印加する泳動電源部と、前記交流電界によって誘起された誘電泳動力によって移動した微粒子による電磁気的な変化を測定する測定部と、温度を検出する温度検出手段と、前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が検出した結果に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定する制御演算部と、を備える。 The particle measuring apparatus according to the present invention includes a cell for introducing a sample solution containing particles, at least a pair of electrodes provided at positions immersed in the sample solution inside the cell, and an alternating electric field between the electrodes. An electrophoretic power supply for applying a voltage for generating, a measuring unit for measuring an electromagnetic change caused by fine particles moved by the dielectrophoretic force induced by the AC electric field, a temperature detecting means for detecting temperature, and the measurement A control calculation unit that performs a correction process on the result measured by the temperature detection unit based on the result detected by the temperature detection unit and measures the fine particles in the sample liquid.
この構成によれば、温度変動によって微粒子に働く誘電泳動力およびその他全ての力のバランスが変化した場合にも、補正によってその影響をキャンセルすることができるため、様々な環境温度でも正しい測定結果を提示することが可能な微粒子測定装置を実現できる。 According to this configuration, even when the balance of the dielectrophoretic force acting on the microparticles and all other forces changes due to temperature fluctuations, the effect can be canceled by correction, so correct measurement results can be obtained even at various environmental temperatures. A fine particle measuring apparatus that can be presented can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記温度検出手段が、前記セル内部の前記試料液に浸漬される位置に設けられ、前記制御演算部が、前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が検出した試料液の温度に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである。 Further, in the fine particle measurement apparatus according to the present invention, the temperature detection means is provided at a position immersed in the sample liquid inside the cell, and the control calculation unit is configured to perform the measurement by the measurement unit. Correction processing is performed based on the temperature of the sample liquid detected by the temperature detection means, and the fine particles in the sample liquid are measured.
この構成によれば、試料液の温度を直接測定できるので、溶液温度に依存する、微粒子に働く力の変化を正確に補正することができ、高精度な微粒子測定装置を実現することができる。 According to this configuration, since the temperature of the sample solution can be directly measured, a change in force acting on the fine particles depending on the solution temperature can be accurately corrected, and a highly accurate fine particle measuring apparatus can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記温度検出手段が、前記電極が形成された基板上の前記試料液に浸漬される位置に設けられ、前記制御演算部が、前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が測定した試料液の温度に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである。 Further, in the fine particle measuring apparatus according to the present invention, the temperature detecting means is provided at a position where the temperature detecting means is immersed in the sample liquid on the substrate on which the electrode is formed, and the control calculation unit is measured by the measuring unit. The result is corrected based on the temperature of the sample solution measured by the temperature detecting means, and the fine particles in the sample solution are measured.
この構成によれば、電極チップ上に誘電泳動を行う電極と、温度測定を行う温度検出手段を共存させることができるため、配線を行うためのコネクタを1つにすることができるため、簡易な構造で、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定装置を実現することができる。 According to this configuration, since the electrode for performing the dielectrophoresis and the temperature detecting means for performing the temperature measurement can coexist on the electrode chip, the number of connectors for performing the wiring can be reduced to one. With the structure, it is possible to realize a particle measuring apparatus capable of presenting accurate results even under different temperature conditions.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記温度検出手段が、前記セルの壁面外側に接する位置に設けられ、前記制御演算部が、前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が測定した前記セルの温度に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである。 Further, in the fine particle measuring apparatus according to the present invention, the temperature detecting means is provided at a position in contact with the outer wall surface of the cell, and the temperature calculating means Correction processing is performed based on the measured temperature of the cell, and fine particles in the sample liquid are measured.
この構成によれば、温度検出手段が直接試料液に接しないため、腐蝕や劣化が防げるし、測定対象が微生物であり、汚染を考慮してセルを使い捨てにする場合であっても、温度検出手段の汚染が防げ、温度検出手段を繰り返し使用することができるため、1回の測定にかかる費用を抑えつつ、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定装置を実現することができる。 According to this configuration, since the temperature detection means does not directly contact the sample solution, corrosion and deterioration can be prevented, and even if the measurement target is a microorganism and the cell is disposable in consideration of contamination, temperature detection is possible. Since the contamination of the means can be prevented and the temperature detecting means can be used repeatedly, it is possible to realize a particle measuring apparatus capable of presenting accurate results even under different temperature conditions while suppressing the cost of one measurement. .
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記セルの壁面の一部に端子を備え、前記端子が、前記セル内部で前記電極に電気的に接続され、前記セル外部で前記泳動電源部および前記測定部に電気的に接続され、かつ、前記端子が、前記セル内部で前記試料液に接し、前記セル外部では前記温度検出手段に接するものである。 The fine particle measurement apparatus according to the present invention further includes a terminal on a part of the wall surface of the cell, the terminal is electrically connected to the electrode inside the cell, and the electrophoresis power supply unit and the outside of the cell It is electrically connected to a measurement unit, and the terminal is in contact with the sample solution inside the cell, and is in contact with the temperature detection means outside the cell.
この構成によれば、電極を電気的に接続する端子と、試料液の温度を検出するための端子を共用としているため、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定装置のセル構造を簡略化できる。 According to this configuration, since the terminal for electrically connecting the electrode and the terminal for detecting the temperature of the sample liquid are shared, the cell structure of the particle measuring apparatus capable of presenting an accurate result even under different temperature conditions Can be simplified.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記端子が、低電気抵抗かつ高熱伝導率であるものである。 In the fine particle measuring apparatus according to the present invention, the terminal has low electrical resistance and high thermal conductivity.
この構成によれば、セル外部に設けた温度検出手段を用いて、セル内部の試料液温度をより正確に検出できるため、異なる温度条件においてもより正確な結果を提示可能な粒子測定装置を実現することができる。 According to this configuration, the temperature of the sample liquid inside the cell can be detected more accurately using the temperature detection means provided outside the cell, thus realizing a particle measuring device that can present more accurate results even under different temperature conditions. can do.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記温度検出手段が、前記電極間に温度測定電圧が印加された場合に前記測定部が測定した結果から試料液の温度を推定することにより、温度を検出するものである。 Further, in the fine particle measuring apparatus according to the present invention, the temperature detection means estimates the temperature of the sample liquid from the result measured by the measurement unit when a temperature measurement voltage is applied between the electrodes. It is to detect.
この構成によれば、誘電泳動を行う電極が温度検出手段を兼ねる構成で実現できるため、装置の構成が簡素化され、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定装置を実現することができる。 According to this configuration, since the electrode for performing dielectrophoresis can be realized with a configuration that also serves as a temperature detecting means, the configuration of the device is simplified, and a particle measuring device capable of presenting accurate results even under different temperature conditions is realized. Can do.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記制御演算部が、前記温度検出手段が測定した温度に基づき、前記電極間に印加する交流電圧の振幅あるいは周波数を決定するものである。 In the fine particle measuring apparatus according to the present invention, the control calculation unit determines the amplitude or frequency of the alternating voltage applied between the electrodes based on the temperature measured by the temperature detecting means.
この構成によれば、試料液の温度に応じて十分かつ一定の誘電泳動力を作用させる電圧値を選択することにより、常に高いS/Nで測定することができるため、より高精度な微粒子測定を実現できる。 According to this configuration, it is possible to always measure with a high S / N by selecting a voltage value that exerts a sufficient and constant dielectrophoretic force according to the temperature of the sample solution, and therefore, more accurate fine particle measurement. Can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記制御演算部が、前記測定部が測定した結果に対し、前記測定部が当該測定を行った時点における前記温度検出手段による温度検出結果に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである。 Further, in the fine particle measurement apparatus according to the present invention, the control calculation unit corrects the result measured by the measurement unit based on the temperature detection result by the temperature detection unit when the measurement unit performs the measurement. Processing is performed to measure fine particles in the sample solution.
この構成によれば、電磁気的な変化の測定時点における温度を測定することによって、リアルタイムの温度変化に基づいた補正を行うことができるため、測定途中で試料液の温度が変化する場合にも、正確な測定結果を提示することが可能な微粒子測定装置を実現できる。 According to this configuration, by measuring the temperature at the time of measurement of the electromagnetic change, it is possible to perform correction based on the real-time temperature change, so even when the temperature of the sample liquid changes during the measurement, It is possible to realize a fine particle measuring apparatus capable of presenting an accurate measurement result.
また、本発明に係る微粒子測定装置は、前記セル内部の前記試料液に浸漬される位置に温度検出手段として更に少なくとも1極の温度検出用電極を備え、温度検出用電極は前記測定部に接続され、前記測定部は温度検出用電極のインピーダンスを測定し、前記制御演算部は、温度検出用電極のインピーダンスから前記試料液の温度を測定する。 The fine particle measurement apparatus according to the present invention further includes at least one temperature detection electrode as a temperature detection means at a position immersed in the sample solution inside the cell, and the temperature detection electrode is connected to the measurement unit. The measurement unit measures the impedance of the temperature detection electrode, and the control calculation unit measures the temperature of the sample solution from the impedance of the temperature detection electrode.
この構成によれば、リアルタイムの温度測定を実現することが可能な微粒子測定装置を実現できる。 According to this configuration, it is possible to realize a fine particle measuring apparatus capable of realizing real-time temperature measurement.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、微粒子含有の試料液に浸漬した一対の電極間に発生させた交流電界によって誘起された誘電泳動力によって移動した前記微粒子による電磁気的な変化を測定することにより、前記試料液中における微粒子を測定する微粒子測定方法であって、温度を検出する温度検出ステップと、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した温度に基づく補正処理を行う補正処理ステップと、を有する。 Further, the fine particle measurement method according to the present invention measures an electromagnetic change caused by the fine particles moved by a dielectrophoretic force induced by an alternating electric field generated between a pair of electrodes immersed in a sample solution containing fine particles. And a correction method based on the temperature detected in the temperature detection step with respect to the measurement result of the electromagnetic change. And a correction processing step for performing processing.
この構成によれば、温度変動によって微粒子に働く誘電泳動力およびその他全ての力のバランスが変化した場合にも、補正によってその影響をキャンセルすることができるため、様々な環境温度でも正しい測定結果を提示することが可能な微粒子測定方法を実現できる。 According to this configuration, even when the balance of the dielectrophoretic force acting on the microparticles and all other forces changes due to temperature fluctuations, the effect can be canceled by correction, so correct measurement results can be obtained even at various environmental temperatures. A fine particle measurement method that can be presented can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップが、前記試料液の温度を検出し、前記補正処理ステップが、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した試料液の温度に基づく補正処理を行うものである。 In the fine particle measurement method according to the present invention, the temperature detection step detects the temperature of the sample solution, and the correction processing step detects the electromagnetic change measurement result in the temperature detection step. Correction processing based on the temperature of the sample liquid is performed.
この構成によれば、試料液の温度を直接測定できるので、溶液温度に依存する、微粒子に働く力の変化を正確に補正することができ、高精度な微粒子測定方法を実現することができる。 According to this configuration, since the temperature of the sample solution can be directly measured, a change in force acting on the fine particles depending on the solution temperature can be accurately corrected, and a highly accurate fine particle measurement method can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップが、前記試料液の温度を、誘電泳動を行う電極基板上で検出するものである。 In the fine particle measurement method according to the present invention, the temperature detection step detects the temperature of the sample solution on an electrode substrate that performs dielectrophoresis.
この構成によれば、電極チップ上に誘電泳動を行う電極と、温度測定を行う温度検出手段を共存させることができるため、配線を行うためのコネクタを1つにすることができるため、簡易な構造で、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定方法を実現することができる。 According to this configuration, since the electrode for performing the dielectrophoresis and the temperature detecting means for performing the temperature measurement can coexist on the electrode chip, the number of connectors for performing the wiring can be reduced to one. With the structure, it is possible to realize a particle measuring method capable of presenting accurate results even under different temperature conditions.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップが、前記試料液が貯留された、セルの温度を検出し、前記補正処理ステップが、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した前記セルの温度に基づく補正処理を行うものである。 Further, in the fine particle measurement method according to the present invention, the temperature detection step detects a temperature of the cell in which the sample liquid is stored, and the correction processing step is performed on the measurement result of the electromagnetic change. Correction processing based on the temperature of the cell detected in the temperature detection step is performed.
この構成によれば、温度検出手段が直接試料液に接することなく試料液温度を検出できるため、腐蝕や劣化が防げるし、測定対象が微生物であり、汚染を考慮してセルを使い捨てにする場合であっても、温度検出手段の汚染が防げ、温度検出手段を繰り返し使用することができるため、1回の測定にかかる費用を抑えつつ、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定方法を実現することができる。 According to this configuration, the temperature detection means can detect the temperature of the sample liquid without directly contacting the sample liquid, so that corrosion and deterioration can be prevented, the measurement target is a microorganism, and the cell is made disposable in consideration of contamination. Even so, the temperature detection means can be prevented from being contaminated, and the temperature detection means can be used repeatedly, so that particle measurement that can present accurate results even under different temperature conditions while suppressing the cost of one measurement. A method can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップが、前記試料液が貯留されたセルの壁面の一部に設けられた、端子の温度を検出し、前記補正処理ステップが、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した前記端子の温度に基づく補正処理を行うものである。 Further, in the fine particle measurement method according to the present invention, the temperature detection step detects a temperature of a terminal provided on a part of the wall surface of the cell in which the sample liquid is stored, and the correction processing step includes the electromagnetic A correction process based on the temperature of the terminal detected in the temperature detection step is performed on the measurement result of the change.
この構成によれば、電極を電気的に接続する端子と、試料液の温度を検出するための端子を共用としているため、簡略なセル構造で、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定方法を実現できる。 According to this configuration, since the terminal for electrically connecting the electrode and the terminal for detecting the temperature of the sample solution are shared, an accurate result can be presented even under different temperature conditions with a simple cell structure. A particle measuring method can be realized.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップが、前記電極間に、温度測定のための電圧を印加するステップと、前記電極間のインピーダンスを測定した結果から、試料液温度を推定するステップと、を含み、前記補正処理ステップが、前記電極間に、誘電泳動のための電圧を印加するステップと、誘電泳動によって前記微粒子を所定位置に配置し、電磁気的な変化を測定するステップと、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記推定した試料液温度に基づく補正処理を行うステップと、を含む。 Further, in the fine particle measurement method according to the present invention, the temperature detection step estimates the sample liquid temperature from the step of applying a voltage for temperature measurement between the electrodes and the result of measuring the impedance between the electrodes. A step of applying a voltage for dielectrophoresis between the electrodes, disposing the fine particles at a predetermined position by dielectrophoresis, and measuring an electromagnetic change. And a step of performing correction processing based on the estimated sample solution temperature on the measurement result of the electromagnetic change.
この構成によれば、誘電泳動を行う電極が温度検出手段を兼ねる構成で実現できるため、異なる温度条件においても正確な結果を提示可能な粒子測定方法を簡易な装置で実現することができる。 According to this configuration, since the electrode for performing dielectrophoresis can be realized as a configuration that also serves as a temperature detection means, a particle measuring method capable of presenting an accurate result even under different temperature conditions can be realized with a simple apparatus.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップで測定した温度に基づいて前記電極間に印加する誘電泳動のための電圧の振幅あるいは周波数を決定する。 In the fine particle measurement method according to the present invention, the amplitude or frequency of the voltage for dielectrophoresis applied between the electrodes is determined based on the temperature measured in the temperature detection step.
また、本発明に係る微粒子測定方法は、前記温度検出ステップを実施した時点において、前記電磁気的な変化の測定を行うステップを有し、前記補正処理ステップが、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、当該測定時点において検出した温度に基づく補正処理を行うものである。 In addition, the fine particle measurement method according to the present invention includes a step of measuring the electromagnetic change at the time when the temperature detection step is performed, and the correction processing step includes the measurement result of the electromagnetic change. On the other hand, correction processing based on the temperature detected at the time of the measurement is performed.
この構成によれば、電磁気的な変化の測定時点における温度を測定することによって、リアルタイムの温度変化に基づいた補正を行うことができるため、測定途中で試料液の温度が変化する場合にも、正確な測定結果を提示することが可能な微粒子測定方法を実現できる。 According to this configuration, by measuring the temperature at the time of measurement of the electromagnetic change, it is possible to perform correction based on the real-time temperature change, so even when the temperature of the sample liquid changes during the measurement, A fine particle measuring method capable of presenting an accurate measurement result can be realized.
本発明に係る微粒子測定装置および微粒子測定方法によれば、温度変動によって微粒子に働く誘電泳動力およびその他全ての力のバランスが変化した場合にも、補正によってその影響をキャンセルすることができるため、様々な環境温度でも正しい測定結果を提示することが実現できる。 According to the fine particle measuring apparatus and the fine particle measuring method according to the present invention, even when the balance of the dielectrophoretic force acting on the fine particles and all other forces changes due to temperature fluctuations, the influence can be canceled by the correction. It is possible to present correct measurement results even at various environmental temperatures.
(第1の実施形態)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。図1は、本実施形態の微粒子測定装置の構成図、図2は、本実施形態の微粒子測定装置の電極チップを表す概略図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a particle measuring apparatus according to the present embodiment, and FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an electrode chip of the particle measuring apparatus according to the present embodiment.
図1において、1は測定対象の微粒子が含まれる試料液2を保持するセル、3は誘電泳動で微粒子を捕集する電極対を含む電極チップ、4は泳動電源部、5は電極間インピーダンスを測定する測定部、6は微粒子測定装置全体の制御やインピーダンス算出などの演算行う制御演算部、7は溶液の攪拌を行う攪拌手段、8は温度を検出するための温度検出手段である。
In FIG. 1, 1 is a cell for holding a
図2において、10は基板、11a、11bは基板10上に形成され一対の極をなす電極である。基板10には、金属などの導電性材料によって電極11a、11bのパターンが形成される。
In FIG. 2, 10 is a substrate, and 11a and 11b are electrodes formed on the
電極11a、11bはその幅に対して十分に薄い薄膜であることが望ましく、例えば100μmの幅に対して厚さ1000Å程度である。これにより、厚さ方向で見たエッジ部分に不平等電界が形成され、微粒子を効率的に誘電泳動することが可能となる。
The
図3は、測定電極11a,11b間に印加される電圧によって生じる電気力線15を示す。本実施の形態では測定電極11a,11bの端面で電界集中が最も大きいため、ギャップ13付近の構成が電界集中部にあたる。従ってギャップ13部分にもっとも強く微粒子が泳動される。
FIG. 3 shows electric lines of
本実施の形態では、基板10は、セル1とは分離した形態となっているが、基板10をセル1の壁面の一部として一体にしてもよい。
In the present embodiment, the
また、電極11a、11bの平面パターンは、そのギャップ13間に誘電泳動により微粒子を捕集し、捕集した微粒子によるインピーダンス変化を効率よく測定可能な形状でパターニングされる。具体的には、例えば、図2に示すような、電極11a、11bの対向部分が互いに入れ子状になった、いわゆる櫛歯形状が最も好ましい形状の一つである。
In addition, the planar pattern of the
微粒子を効率よく捕集するためには、ギャップ13部の面積を広くし、微粒子が電極に捕集される確率を高くする必要がある。ただし、ギャップ13間の距離を長くすると、電極11a、11b間に同じ電圧を印加したときの電界強度が低下し、誘電泳動力が弱まる結果、微粒子を効率的に捕集できなくなる。このため、ギャップ13間距離は、例えば1〜100μm程度に狭くすることが望ましい。
In order to efficiently collect the fine particles, it is necessary to increase the area of the
微粒子を効率的に捕集するためには、電極11a、11bが対向する対向部の長さ方向に電極パターンを伸ばすのが効果的であり、例えば20〜1000mm程度が望ましい。このとき、電極平面パターンを櫛歯形状にすることにより、対向部を実質的に長くすることができるし、電極パターンを微少領域に集積化が可能なため、電極チップ3を小型化することができるメリットがある。
In order to efficiently collect the fine particles, it is effective to extend the electrode pattern in the length direction of the facing portion where the
以上は電極の設計を行う際の一例であって、ギャップ13間の距離、対向部の長さ、電極の厚さやパターンは、電極11a、11b間に印加する電圧、微粒子の大きさに合わせて最適な組み合わせを選択することが望ましい。
The above is an example when designing the electrode. The distance between the
次に、電極チップ3の作成方法を説明する。電極チップ3は、ホウ珪酸ガラスの基板10上に、スパッタリングや蒸着によってクロムを下地とした白金薄膜を作成した後、一般的なフォトリソグラフィーによって電極11a、11bのパターンを形成したものである。
Next, a method for producing the
本実施の形態における電極チップ3では、基板10にガラスを用いたが、絶縁性の材料であればいずれも使用可能であり、例えば、PETやポリカーボネートなどのプラスチック材料や、セラミックなど基板材料の使用を妨げるものではない。また、薄膜材料は導電性の材料であればいずれも使用可能であり、金、銀、銀などの金属粒子含有の導電性ペースト、カーボンなども選択可能である。
In the
また、電極11a、11bのパターニングは、選択した材料で所望のパターンを形成できればフォトリソグラフィー以外も選択可能であり、レーザー加工、スクリーン印刷、インクジェット印刷など、生産性やコストなどを勘案して最も適切な加工法が選択可能である。
In addition, the patterning of the
電極チップ3は、微粒子が含まれた試料液2を保持したセル1内に浸漬され、泳動電源部4および測定部5に電気的に接続される。セル1には、マグネチックスターラなどの攪拌手段7を設けることができる。
The
試料液2をセル1内で攪拌することにより、試料液2内での微粒子濃度を均一にすることができ、かつ、多くの微粒子を電極11a、11bのギャップ13間に導くことができるため、より効率的に微粒子をギャップ13間に捕集でき、測定時間の短縮や測定感度の向上が可能である。
By stirring the
また、セル1を、電極チップ3上にスペーサと蓋などを設けて作成した微小チャンバーとした場合は、攪拌手段7は微小チャンバーを含む循環流路を持つ閉流路として実現することも可能である。ペリスタポンプなどによって試料液を微小チャンバー内の電極チップ3上に循環することによって、前記マグネチックスターラによる攪拌と同様な効果を得ることが可能である。
Further, when the
泳動電源部4は、誘電泳動を行うための交流電圧を、電極11a、11b間に印加する。これにより電極11a、11b間に誘起された不平等電界によって微粒子を誘電泳動し、電界集中部である電極エッジを含む電極11a、11b間のギャップ13に捕集する。なお、ここで交流電圧というのは、正弦波のほか、ほぼ一定の周期で流れの向きを変える電圧のことであり、かつ両方向の電流の平均値がほぼ等しいものである。
The electrophoresis
測定部5は、電極11a、11b間のインピーダンスを算出するために必要な測定を行う。測定部5は、具体的には、電極11a、11b間に流れる電流値と、泳動電源部4が印加した電圧と電流の位相差を測定するための回路等から構成される。測定部5は、誘電泳動によって微粒子が移動し電界集中部近傍であるギャップ13に濃縮されることに起因する電極11a、11b間の電流および位相差の変化を測定する。測定部5で測定した電流値と位相差は、制御演算部6に渡される。
The
制御演算部6は、図示しないマイクロプロセッサと、予め設定されたプログラムやデータテーブルなどを保存するためのメモリ、タイマー等から構成され、前記プログラムおよびデータテーブルに従い泳動電源部4を制御する。泳動電源部4は、制御演算部6の制御に従って、電極11a、11b間に特定の周波数と電圧をもった交流電圧を印加する。
The
さらに制御演算部6は、測定部5と信号の送受信を行ない、測定部5が測定した電流値と位相差のデータを受け取る。制御演算部6は、これら電圧、電流、位相差、周波数のデータから、電極11a、11b間のインピーダンスを算出し、結果を逐次メモリに格納する。
Further, the
制御演算部6は、これら一連の測定動作を、予め設定されたプログラムに従って一定の時間間隔毎に行い、定められた時間が経過すると、泳動電源部4を制御し、電極11a、11b間への電圧印加を停止して、測定動作を終了する。
The
次に、制御演算部6は、メモリに格納されたインピーダンス測定結果から、インピーダンス時間変化の傾きを算出する。メモリ中のデータテーブルには、与えられた電圧や周波数、微粒子種など毎に、検量線データが格納されている。制御演算部6は、算出したインピーダンス時間変化の傾きと検量線を比較することで、試料液中に含まれる微粒子濃度を算出し、メモリへの結果格納、あるいはLCDなどの表示手段9に結果表示を行うなどする。
Next, the
本実施の形態では、測定結果を微粒子濃度で表すこととしているが、予め試料液の容量が規定されている場合は、微粒子数に換算して結果表示しても良い。また、使用者は測定された微粒子数を試料1mlあたりの微粒子数として直接知ることができるが、表示手段9には、たとえば多いまたは少ないであるとか、目的に応じてほかの表示方法で結果表示を行っても良い。 In the present embodiment, the measurement result is expressed by the fine particle concentration. However, when the volume of the sample solution is defined in advance, the result may be converted into the number of fine particles and displayed. Further, the user can directly know the measured number of fine particles as the number of fine particles per 1 ml of the sample, but the display means 9 displays the result by other display methods depending on the purpose, for example, whether it is large or small. May be performed.
さらに、試料中の微粒子数を調べて殺菌装置を制御するとか、温度などの培養条件を制御するなど、使用者が直接微粒子数を知る必要が無く、本微粒子測定装置を含む任意の装置の制御を行うために微粒子数が明らかであれば良いような場合には、表示手段は特に設ける必要がないのは言うまでもない。 Furthermore, it is not necessary for the user to know the number of particles directly, such as controlling the sterilization device by checking the number of particles in the sample or controlling the culture conditions such as temperature, etc. Control of any device including this particle measuring device Needless to say, there is no need to provide a display means when it is sufficient if the number of fine particles is clear in order to perform the above.
温度検出手段8は、温度による測定結果の差異を補償するための元データとなる、環境温度を測定する。温度を測定する素子としては、必要な温度範囲(0〜50℃程度)で必要な精度で温度測定できればいずれも使用可能であるが、本実施の形態では、NTCサーミスタを使用している。NTCサーミスタは、温度上昇と共に抵抗値が低下する一種の抵抗素子である。本実施の形態では、制御演算部6にサーミスタの抵抗値を測定する回路、および、メモリ内に抵抗値と温度を換算するテーブルを持たせている。すなわち、制御演算部6は、温度検出手段8を介して環境温度を測定する。
The temperature detecting means 8 measures the environmental temperature that is the original data for compensating for the difference in the measurement result due to the temperature. Any element can be used as long as the element can measure the temperature within the required temperature range (about 0 to 50 ° C.) with the required accuracy. In this embodiment, an NTC thermistor is used. An NTC thermistor is a kind of resistance element whose resistance value decreases with increasing temperature. In this embodiment, the control
以下、温度が微粒子の測定結果に与える影響について記述する。誘電泳動を利用した微粒子検出は、誘電泳動力によって電極に微粒子をトラップすることが、直接測定応答値の大きさに影響するものであることは明らかである。DEPIM法の場合、より大きな誘電泳動力を働かせることにより、より多くの微粒子を電極にトラップできる結果、電極間のインピーダンス変化もトラップされる微粒子数に比例して大きくなる。 Hereinafter, the influence of temperature on the measurement result of fine particles will be described. In the detection of fine particles using dielectrophoresis, it is clear that trapping the fine particles on the electrode by the dielectrophoretic force directly affects the magnitude of the measurement response value. In the case of the DEPIM method, by applying a larger dielectrophoretic force, more fine particles can be trapped on the electrodes. As a result, the impedance change between the electrodes also increases in proportion to the number of trapped fine particles.
一方、液体中の微粒子には、誘電泳動力以外に働く力がある。例えば重力、粘性力、抗力、ブラウン運動などである。微粒子検出の際には、誘電泳動力と、その他の力とのバランスによって、電極にトラップされる微粒子数が定まる。一般に、粘性力は液体粘度の温度依存性により温度上昇と共に低下するし、ブラウン運動は温度上昇と共に激しくなる。従って、温度変化によって電極にトラップされる微粒子数が異なり、微粒子検出の結果が変化することになる。 On the other hand, the fine particles in the liquid have a force acting other than the dielectrophoretic force. For example, gravity, viscous force, drag, Brownian motion. When detecting the fine particles, the number of fine particles trapped on the electrode is determined by the balance between the dielectrophoretic force and other forces. In general, the viscosity force decreases with increasing temperature due to the temperature dependence of liquid viscosity, and the Brownian motion increases with increasing temperature. Therefore, the number of particles trapped on the electrode varies depending on the temperature change, and the result of particle detection changes.
また、誘電泳動力に着目すると、前述の(数2)および(数3)から明らかなように、誘電泳動力は、溶液と微粒子の誘電率および導電率に依存することが分かる。一般に、誘電率および導電率は温度依存性を持つことが知られている。そのため、温度によって誘電泳動力も変化することになり、微粒子検出の結果に影響を与える。 Further, when focusing on the dielectrophoretic force, it is clear from the above (Equation 2) and (Equation 3) that the dielectrophoretic force depends on the dielectric constant and conductivity of the solution and the fine particles. In general, it is known that dielectric constant and conductivity have temperature dependence. For this reason, the dielectrophoretic force also changes depending on the temperature, which affects the result of particle detection.
そこで、本実施の形態では、温度検出手段8が温度を検出した結果に基づき、微粒子測定結果に補正を加えることによって、環境温度が変化しても正確な結果を提示できるようにしている。
Therefore, in the present embodiment, an accurate result can be presented even if the environmental temperature changes by correcting the fine particle measurement result based on the result of the
具体的には、予め演算部6のメモリ内に、温度に対する補正係数を記録したテーブル(以下、補正テーブルと呼ぶ)を保存しておく。温度検出手段8を介して制御演算部6が測定した温度に基づき、制御演算部6が前記補正テーブルを参照して補正係数を決定し、インピーダンス変化の時間傾きあるいは、検量線により算出した微粒子濃度に補正係数を乗じて、最終的な測定結果として提示する。
Specifically, a table (hereinafter referred to as a correction table) in which a correction coefficient for temperature is recorded in the memory of the
補正テーブルは、微粒子に働く全ての力を含む運動方程式を立ててこれを解き、電極にトラップされる微粒子数を温度の関数として求めることで作成することができる。運動方程式は解析的に解くことは難しいため、各種シミュレーションを使うことができる。誘電泳動に関する運動の数値解析については、例えば、D.Phys.D:Appl.Phys.31(1998)3160−3167を参照されたい。 The correction table can be created by establishing a motion equation including all forces acting on the fine particles, solving the equation, and obtaining the number of fine particles trapped on the electrode as a function of temperature. Since the equations of motion are difficult to solve analytically, various simulations can be used. For the numerical analysis of the motion related to dielectrophoresis, see, for example, Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998) 3160-3167.
補正係数は、各温度でトラップされる微粒子数を、温度Ttでトラップされる微粒子数で規格化したものの逆数とする。温度Ttは、制御演算部6のメモリ内に格納された検量線データを取得した際の温度とする。こうすることにより、温度変化による測定結果の変動をキャンセルし、真の微粒子濃度を最終的な測定結果として提示することができる。
The correction coefficient is the reciprocal of the number of fine particles trapped at each temperature normalized by the number of fine particles trapped at temperature Tt. The temperature Tt is the temperature when the calibration curve data stored in the memory of the
また、より簡易的には、以下のような実験を行い、実験的に補正テーブルを作成することも可能である。すなわち、想定される範囲の温度条件下で、同一微粒子濃度の検体を測定し、各温度での測定結果を求める。それぞれの測定結果を温度Ttでの測定結果によって規格化したものの逆数を補正係数とすれば良い。 Further, more simply, it is possible to create a correction table experimentally by conducting the following experiment. In other words, specimens having the same fine particle concentration are measured under temperature conditions within an assumed range, and measurement results at each temperature are obtained. What is necessary is just to use the reciprocal number of what normalized each measurement result with the measurement result in temperature Tt as a correction coefficient.
表1に、補正テーブルの作成例を示す。 Table 1 shows an example of creating a correction table.
αは温度Tの関数で、補正係数を表す。温度Tは、基準となる温度をTtとし、想定温度範囲の最も低い温度をTmin、最も高い温度をTmaxで表す。表1の例では、補正係数を求める温度ステップは1℃としているが、これはより細かいあるいは、より粗いステップでも良い。温度ステップは、求められる測定精度に応じて、決めればよい。 α is a function of temperature T and represents a correction coefficient. For the temperature T, the reference temperature is Tt, the lowest temperature in the assumed temperature range is Tmin, and the highest temperature is Tmax. In the example of Table 1, the temperature step for obtaining the correction coefficient is 1 ° C., but this may be a finer or coarser step. The temperature step may be determined according to the required measurement accuracy.
また、補正テーブルの代わりに、補正係数αを温度Tの関数として数式化し、制御演算部6がこの数式を元に補正計算を行っても良い。実験的に温度Tと補正係数αとの関係を求めた場合には、数式は、温度Tと補正係数αのプロットを、線形あるいは多項式でフィッティングした関数を用いることができる。
Further, instead of the correction table, the correction coefficient α may be expressed as a function of the temperature T, and the
図4は、本実施形態にかかる微粒子測定方法を説明するためのフローチャートである。以下、フローチャートを参照して、試料の導入からセル1内の微粒子の濃縮、測定、結果提示にいたるまでの一連の流れを説明する。まず、初期状態では、セル1に測定対象の微粒子が含有された試料液を投入する(ステップS11)。
FIG. 4 is a flowchart for explaining the fine particle measurement method according to the present embodiment. Hereinafter, with reference to a flowchart, a series of flow from introduction of a sample to concentration, measurement, and result presentation of fine particles in the
次いで、制御演算部6は、温度検出手段8を介して、環境温度を測定する(ステップS12)。この環境温度測定結果は、制御演算部6内のメモリに一時的に蓄えられ、後に補正を行う際に参照される。
Next, the
次に、制御演算部6は、測定した温度を、予めメモリ内に記憶された温度範囲(以下、測定温度範囲と呼ぶ)と比較し、測定した温度が測定温度範囲外か、すなわちエラーか、を判断する(ステップS13)。測定温度範囲は、通常測定装置が使用されると思われる温度範囲を設定しておけばよく、例えば、室内での使用を鑑み0℃〜50℃とする。比較した結果、測定温度範囲を逸脱していれば(ステップS13:Yes)、ステップS14に進み、測定温度範囲外である旨、エラー表示を行い、ステップS23に進み測定動作を終了する。
Next, the
比較した結果、測定温度範囲内であれば(ステップS13:No)、制御演算部6は、補正テーブルを参照し、電極に印加すべき電圧振幅値および周波数を選択し、電極11a、11b間へ電圧印加を開始する(ステップS15)。この場合の電圧振幅値および周波数は、微粒子をギャップ13にトラップするために十分な誘電泳動力が働くような値を選択すればよく、本実施の形態では10Vp−p、100KHzとしている。
As a result of the comparison, if it is within the measured temperature range (step S13: No), the
電極11a、11b間に所定の電圧が印加されると、測定部5は、直ちに電圧印加直後の初期状態のデータとして、電極11a、11b間のインピーダンスを測定し、測定結果は、制御演算部6に渡され、メモリに初期のインピーダンス値として保存される(ステップS16)。
When a predetermined voltage is applied between the
次に、制御演算部6は、図示しない時計手段によって所定の時間が経過するまで待つ(ステップS17)。この時、泳動電源部4は電圧印加を保持したままである。
Next, the
所定の時間が経過すると、制御演算部6は所定の測定回数が満了したかを判断し(ステップS18)、満了していなければステップS16に戻る。ステップS16に戻り、制御演算部6は、測定部5に命じて、電極11a、11b間のインピーダンスを測定させ、その結果をメモリ6aに所定時間経過後の結果として保存する。
When the predetermined time has elapsed, the
所定の測定回数が満了した場合(ステップS18:Yes)、制御演算部6は泳動電源部4に電圧印加を止めるよう指示する(ステップS19)。
When the predetermined number of measurements has expired (step S18: Yes), the
電圧印加を停止後、制御演算部6は、メモリに保存された、電極11a、11b間インピーダンスの経時変化データから、インピーダンス変化の傾きを算出する(ステップS20)。
After stopping the voltage application, the
次いで、制御演算部6は、補正テーブルより参照して、ステップS12で測定した温度に対応する補正係数を、ステップS20で求めたインピーダンス傾きに乗じる。例えば、温度測定結果がTt+1(℃)であれば、補正係数はα(Tt+1)となる。微粒子濃度の算出は、メモリに予め保存された、検量線から求める(ステップS21)。この検量線としては、微粒子濃度が明らかな校正用試料を、本実施の形態で説明した微粒子測定装置の測定系を用いて予め測定し、その時の微粒子数とインピーダンス変化の相関関係からばらつきを回帰分析して得られる曲線をあらわす関数を使用する。校正用試料の測定の際、温度は、補正係数を求める際に規格化を行う温度Ttの条件にて測定を行う。
Next, the
制御演算部6は、ステップS21で算出した結果を表示手段9に表示させ(ステップS22)、一連の測定動作を終了する。尚、本実施の形態では、補正係数αをインピーダンス傾きに乗じて補正を行ったが、検量線から微粒子濃度を求めた後に補正を行うことによっても、全く同様な補正効果を得られる。また、温度測定はステップS13で行ったが、温度測定は補正テーブルを参照するステップS21までの任意のタイミングで測定可能である。
The
本実施の形態では、測定部5は、誘電泳動で電極に微粒子をトラップした場合のインピーダンス変化を測定することで微粒子濃度を測定しているが、測定部5としては、誘電泳動によって微粒子を所定位置に移動したことを、何らかの手段で測定する測定装置および測定方法であればいずれも適用可能である。
In the present embodiment, the
例えば、測定部5を電磁気的な手段、代表的には顕微鏡などの光学的な手段で測定することで、電極間にトラップされた微粒子を測定することが可能である。図23は、測定部5を光学的測定で実現した場合の構成図である。図23において、200は測定対象の微粒子で、電極11a,11bによって形成される不平等電界によって、所定の位置に移動する。201は光源、202は光源201が照射した光を受ける受光部である。光源201および受光部202の光軸は、微粒子200が誘電泳動によって移動する箇所を横切るように設置される。
For example, it is possible to measure fine particles trapped between the electrodes by measuring the
セル1は、基板10と、カバー203および、スペーサ204から構成され、これらによって形成される空間に試料液2が充填される。また、カバー203およびスペーサ204は、光源201が照射した光を透過し、誘電泳動された微粒子が観察できるよう、ガラスやPET樹脂など、透明な材料を用いる。
The
図24(a)は正の誘電泳動によって電極11a,11b間に微粒子200がトラップされる様子、図24(b)は負の誘電泳動によって電極11a,11b間のギャップ13に微粒子200が配置される様子を示す。正の誘電泳動の場合、電界集中部である電極エッジ部に数珠状に連なった形状(以下、パールチェインと呼ぶ)で配列される。負の誘電泳動の場合、弱電界部であるギャップ13の中心部にパールチェインで配列される。この時、ギャップ13にトラップされた微粒子200を、光源201と受光部202から構成される光学系で撮像し、制御演算部6が画像解析を行い、ギャップ13に配列された微粒子200の個数、投影面積などを算出する。この算出は、電極11a,11b間の電界印加から一定時間後、あるいは電界印加からの所定時間が経過する毎に行う。このように、試料液2中の微粒子数や微粒子濃度、微粒子同士の結合の度合いを測定する。
24A shows a state in which the
誘電泳動によってギャップ13に配列される微粒子数、あるいは形成されるパールチェイン数は、当然ながら、誘電泳動力と粘性力その他の力のバランスによって決まり、それらの力が温度によって変化するため、温度による補正が必要となる。本実施の形態では、誘電泳動とインピーダンス測定にて微粒子濃度を測定する場合の補正係数の求め方を示したが、それぞれの測定手段に応じて、実験的に補正係数のテーブルや関数を作成することが可能であり、誘電泳動を利用したあらゆる微粒子測定装置、微粒子測定方法に適用が可能である。
The number of fine particles arranged in the
以上、本実施の形態によれば、温度変動によって微粒子に働く誘電泳動力およびその他全ての力のバランスが変化した場合にも、補正によってその影響をキャンセルすることができるため、様々な環境温度に設置された微粒子測定装置でも正しい測定結果を提示することができる。 As described above, according to the present embodiment, even when the balance of the dielectrophoretic force acting on the microparticles and all other forces due to temperature fluctuations is changed, the influence can be canceled by the correction, so that various environmental temperatures can be obtained. A correct measurement result can be presented even with the installed particle measuring device.
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1と同様な構成については説明を省略する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the description of the same configuration as that of
図5は、本実施形態の微粒子測定装置の構成図である。試料液2内の微粒子に働く力の温度による変化は、直接は試料液2の温度に依存する。従って、環境温度よりも試料液2の温度の測定結果に基づいて補正を行った方が、精度良く補正を行うことができる。そこで、本実施の形態では、温度検出手段8がセル1の試料液2内に配置されており、試料液2の温度を測定できる構成となっている。
FIG. 5 is a configuration diagram of the particle measuring apparatus of the present embodiment. The change of the force acting on the fine particles in the
図6は、セル1内に温度検出手段8として、チップ型のサーミスタ60を、セル1の試料液2側の表面に配置した模式図である。温度検出手段8は、試料液2内のいずれかに配置されていれば試料液2の温度測定が可能である。しかし、試料液2の流動などによってサーミスタ60が動揺すると、温度測定にノイズが加わる恐れがあるため、本実施形態では、サーミスタ60をセル1の壁面に固定している。
FIG. 6 is a schematic diagram in which a chip-
61はサーミスタ60の電気的な接続極、62はセル1の壁面に設けられた電気的な配線で、一般的な電子回路配線に用いられる銅箔パターンなどで構成され、セル1外の制御演算部6とサーミスタ60を電気的に接続している。63は、サーミスタ60の接続極61と配線62を電気的に接続する導電体であり、電気的な導通とサーミスタ60の固定が同時にできるため、半田を用いることが望ましい。
61 is an electrical connection electrode of the
サーミスタ60は、図7のように、セル1の試料液2側の壁面に埋め込まれる構成にしても良い。この場合、配線62もセル1内に埋め込まれており、サーミスタ60を挿入したときに電気的な接続および機械的な固定ができるようなスペースをセル1内に有している。
The
以上、本実施の形態によれば、セル1内の試料液2の温度を直接測定できるので、溶液温度に依存する、微粒子に働く力の変化を正確に補正することができ、高精度な微粒子測定装置を実現することができる。
As described above, according to the present embodiment, since the temperature of the
(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1〜2と同様な構成については説明を省略する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure similar to Embodiment 1-2.
図8は、本実施の形態を示す、電極チップ3の概略図である。電極チップ3の基板10の表面上、試料液2に電極チップ3を含浸した際に試料液2内に浸かる位置に温度検出手段8が配置される。本実施の形態では、温度検出手段8にサーミスタを用いており、図6と同様な方法で固定および電気的な接続を行っている。温度検出手段8および、電極11a、11bは、配線62を介してパッド80a、80b、81a、81bに接続される。パッド80a、80bは、電極11a、11bの電気的接続を担い、パッド81a、81bは、温度検出手段8の電気的接続を担っている。パッド80a、80b、81a、81bは、電極チップ3を挿入するコネクタ端子のピッチに合うように設計され、パッド80a、80bはそれぞれ泳動電源部4および測定部5へ、パッド81a、81bは制御演算部6に電気的に接続される。
FIG. 8 is a schematic view of the
以上、本実施の形態によれば、電極チップ3上に誘電泳動を行う電極と、温度測定を行う温度検出手段を共存させることにより、配線を行うためのコネクタを1つにすることができるため、簡易な構造で粒子測定装置を実現することができる。
As described above, according to the present embodiment, the electrode for performing the dielectrophoresis and the temperature detecting means for measuring the temperature can coexist on the
(実施の形態4)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1〜3と同様な構成については説明を省略する。
(Embodiment 4)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure similar to Embodiment 1-3.
図9は、本実施の形態を表す微粒子測定装置の概略図である。セル1の外側、試料液2と接しない側の壁面に、温度検出手段8が接する構造を有しており、セル1の温度を測定できる構成になっている。
FIG. 9 is a schematic view of a fine particle measuring apparatus representing the present embodiment. The temperature detection means 8 is in contact with the wall surface outside the
本実施の形態では、セル1はプラスチック、温度検出手段8はサーミスタを使用している。通常、セル1は、試料液2を内部に貯留した形で保存されているため、試料液2とセル1は等温になっていると考えられる。このため、温度検出手段8をセル1の壁面に接するようにすれば、間接的に試料液2の温度を測定することが可能である。更に、温度検出手段8とセル1の間に熱伝導を助ける、シリコーングリスを塗布することで、より正確に試料液2の温度を検出することが可能になる。
In the present embodiment, the
試料液2の温度をより正確に反映する必要があれば、セル1の材料を熱伝導率の高いものにすると良い。例えば、銀や銅などの金属材料などである。セル1のコストや廃棄が問題になるのであれば、図10に示すように、セル1の壁面の一部に熱伝導率の高い熱伝達部100を設け、熱伝達部100と温度検出手段8を接触させることも可能である。
If it is necessary to reflect the temperature of the
以上、本実施の形態によれば、温度検出手段が直接試料液に接しないため、腐蝕や劣化が防げる。また、測定対象が微生物であり、汚染を考慮してセルを使い捨てにする場合であっても、温度検出手段の汚染が防げ、温度検出手段は繰り返し使用することができるため、1回の測定に掛かる費用を抑えることができる。 As described above, according to the present embodiment, since the temperature detecting means does not directly contact the sample solution, corrosion and deterioration can be prevented. Moreover, even if the measurement object is a microorganism and the cell is made disposable in consideration of contamination, the temperature detection means can be prevented from being contaminated, and the temperature detection means can be used repeatedly, so that it can be used for one measurement. The cost can be reduced.
(実施の形態5)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1〜4と同様な構成については説明を省略する。
(Embodiment 5)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure similar to Embodiment 1-4.
図11は、本実施の形態を表す微粒子測定装置の概略図である。セル1の壁面に接続端子110が埋め込まれている。接続端子110は、セル1の試料液2に接する側(以下、内側と呼ぶ)と、セル1の試料液2に接しない側(以下、外側と呼ぶ)の両方に露出面を持つ。接続端子110は、低い抵抗率と高い熱伝導率を持つ材料が望ましく、本実施の形態では銅を用いている。
FIG. 11 is a schematic diagram of a fine particle measuring apparatus representing the present embodiment. A
接続端子110は、セル1の内側で、電極チップ3上に形成された、誘電泳動を誘起するための電極11a、11bに電気的に接続される。接続端子110はセル1の外側で、接触端子111を介して、泳動電源部4および測定部5に電気的に接続される。つまり、接続端子110は、電気的には、電極基板3上に形成された電極11a、11bと泳動電源部4および測定部5を接続するための中継機能を果たしている。
The
接続端子110のセル1の外側の露出面に、温度検出手段8が接しており、温度検出手段8が接続端子110の温度を測定することで、間接的に試料液2の温度を測定出来る構成になっている。つまり、接続端子110は、熱的には、試料液2の温度を温度検出手段8に伝える中継機能を果たしている。
A configuration in which the temperature detection means 8 is in contact with the exposed surface of the
以上、本実施の形態によれば、電極を電気的に接続する端子と、試料液の温度を検出するための端子を共用としているため、セルの構造を簡略化できる。 As described above, according to the present embodiment, since the terminal for electrically connecting the electrode and the terminal for detecting the temperature of the sample solution are shared, the structure of the cell can be simplified.
(実施の形態6)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1〜5と同様な構成については説明を省略する。図12は、本実施形態の微粒子測定装置の構成図である。
(Embodiment 6)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure similar to Embodiment 1-5. FIG. 12 is a configuration diagram of the particle measuring apparatus of the present embodiment.
図12において、1は測定対象の微粒子が含まれる試料液2を保持するセル、3は誘電泳動で微粒子を捕集する電極対を含む電極チップ、4は泳動電源部、5は電極間インピーダンスを測定する測定部、6は微粒子測定装置全体の制御やインピーダンス算出などの演算を行う制御演算部、7は溶液の攪拌を行う攪拌手段である。
In FIG. 12, 1 is a cell for holding a
本実施の形態では、誘電泳動で微粒子を捕集する電極チップ3が温度検出手段を兼ねる構成となっている。以下、電極チップ3で温度を検知する方法について説明する。
In the present embodiment, the
図13は、試料液2の温度に対する電極チップ3上の電極11a、11b間のインピーダンス変化を、試料液2の温度が25℃の時の値で規格化してプロットしたグラフである。この時、試料液2中には微粒子は含まれていない。図13中、1のプロットは電極インピーダンスの抵抗成分の逆数であるコンダクタンスGA、2のプロットは電極インピーダンスの容量成分であるキャパシタンスCAの変化を示す。コンダクタンスは温度上昇に対して単調増加、キャパシタンスは温度上昇に対して単調減少している。
FIG. 13 is a graph in which the impedance change between the
このことから、試料液2のインピーダンス測定から、試料液2の温度を推定することが可能である。具体的には、制御演算部6内のメモリにコンダクタンスGAまたはキャパシタンスCAと、試料液2の温度とを関係付けしたテーブルを設けることにより、電極11a、11b間のインピーダンス測定より試料液2の温度測定が可能である。あるいは、試料液2の温度とGAあるいはCAの関係から、適当な近似式を求めておき、その近似式を用いて計算することも可能である。図13のプロットから、直線近似でほぼ近似できることが分かる。
From this, it is possible to estimate the temperature of the
電極11a、11b間のインピーダンス測定から温度を測定する際に電極11a、11b間に印加する電圧(以下、温度測定電圧と呼ぶ)は、誘電泳動を行う際の電圧(以下、誘電泳動電圧と呼ぶ)よりも低く、誘電泳動を生じさせない程度の電圧とすることが望ましい。なぜならば、温度測定電圧を印加することによって微粒子に誘電泳動が生じると、電極11a、11b間のインピーダンスに変化が生じるため、正確な温度推定が行えないからである。このため、本実施の形態では、温度測定電圧は誘電泳動電圧の5分の1であることが望ましく、誘電泳動電圧は10Vp−p、温度測定電圧は2Vp−pとしている。
The voltage applied between the
また、温度推定を行うためのインピーダンス測定は、キャパシタンスの値を用いるほうが好ましい。なぜならば、電極11a、11b間のコンダクタンスは、試料液2の導電率によって変化するものであり、試料液2の導電率は測定に供する検体によって異なるため、異なる導電率の試料液2に対してそれぞれテーブルが必要となり、温度推定が困難になるからである。従って、本実施の形態では温度推定に用いるインピーダンス測定値にキャパシタンスを用い、測定結果の補正を行う。
In addition, it is preferable to use a capacitance value for impedance measurement for temperature estimation. This is because the conductance between the
以上、本実施の形態によれば、誘電泳動を行う電極が、温度検出手段を兼ねる構成で実現できるため、微粒子測定装置の構成が簡素化され、低コストな微粒子測定装置を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, since the electrode for performing dielectrophoresis can be realized with a configuration that also serves as a temperature detecting means, the configuration of the particle measuring device is simplified, and a low-cost particle measuring device can be realized. .
(実施の形態7)
以下、本発明の実施の形態7の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。本実施の形態7では、誘電泳動を行う前の試料液2の温度測定結果から、誘電泳動を行うための電圧値を設定することで、試料液2の温度に依らず一定の測定結果を得られる構成としている。
(Embodiment 7)
Hereinafter, the particle measuring apparatus according to the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the seventh embodiment, a constant measurement result is obtained regardless of the temperature of the
図14は、本実施の形態にかかる微粒子測定方法を説明するためのフローチャートである。以下、フローチャートを参照して、一連の測定の流れを説明するが、実施の形態1と重複する部分については説明を省略する。
FIG. 14 is a flowchart for explaining the fine particle measurement method according to the present embodiment. Hereinafter, the flow of a series of measurements will be described with reference to the flowchart, but the description of the same parts as those in
ステップS24において、制御演算部6は、メモリ内のテーブルあるいは関数を参照し、ステップS12の温度測定結果に対応する電圧振幅値および周波数を決定する。この時制御演算部6が決定する電圧振幅値あるいは周波数は、想定された環境温度の範囲内において、試料液2中の測定対象微粒子に働く誘電泳動力が十分大きくかつ一定になるような条件をテーブルあるいは関数化しておく。
In step S24, the
次いで、制御演算部6は、ステップS24で決定した電圧を電極11a、11b間に印加する(ステップS15)。ステップS20で、インピーダンス傾きを算出するが、測定対象微粒子に働く誘電泳動力が一定になるため、インピーダンス傾きは温度に依存せず、試料液2中に含まれる測定対象微粒子の濃度にのみ依存する。従って、温度に基づく補正を行う必要は無く、ステップS22で制御演算部6はメモリ中に保存されている検量線から試料液2中の微粒子濃度などの結果出力を表示手段9に指示し、測定を完了する。
Next, the
試料液2の温度によって誘電泳動力が低下した場合、得られるインピーダンス傾きも小さくなるため、小さなインピーダンス傾きを基に補正を行った場合は十分なS/Nが得られない場合がある。本実施の形態によれば、試料液2の温度に応じて十分かつ一定の誘電泳動力を作用させる電圧値を選択することにより、常に高いS/Nで測定することができるため、より高精度な微粒子測定を実現することができる。
When the dielectrophoretic force is lowered due to the temperature of the
(実施の形態8)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、実施の形態1〜7と同様な構成については説明を省略する。
(Embodiment 8)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure similar to Embodiment 1-7.
上述した各実施の形態の微粒子測定装置において、誘電泳動で試料液2中の微粒子を電極11a、11b間に捕捉しながらインピーダンス測定することを考えると、誘電泳動を行っている最中に試料液2の温度が変化することが考えられる。例えば、試料液2を10℃程度で冷蔵保存しておき、その試料液2を室温25℃の環境に移して即、測定を開始することを想定すると、試料液2の温度は、10℃から平衡の約25℃に達するまで上昇する。
In the fine particle measuring apparatus according to each of the embodiments described above, considering impedance measurement while capturing the fine particles in the
この場合、ある一時点で測定した温度を元に測定結果の補正を行えば、ある一時点での試料液2の温度と、実際に誘電泳動されている時点で試料液2の温度に乖離が生じ、正確な補正ができないという問題がある。
In this case, if the measurement result is corrected based on the temperature measured at a certain temporary point, there is a difference between the temperature of the
そこで、本実施の形態では、制御演算部6がインピーダンスを測定する際に、ほぼ同時に温度検出手段8から温度情報を取得し、リアルタイムに測定した試料液2の温度情報を元に、より正確な補正を行う。
Therefore, in the present embodiment, when the
図15は本実施の形態を示すフローチャートである。ステップS16とステップS17の間にステップS30として温度測定を行う点、ステップS20でインピーダンス傾きを算出する際に同時に図4のステップS21に相当する補正を行う点以外は、実施の形態1のフローチャート(図4)と同様である。本実施の形態では、ステップS16でインピーダンス測定を行った直後にステップS30で、温度測定を行い、制御演算部6は、インピーダンス測定結果および温度測定結果を、同じ時間タイミングの結果として、メモリに保存する。例えば、表2に示すように、時間とキャパシタンスCと温度Tとを関連付けた形式でデータを保存しておく。
FIG. 15 is a flowchart showing the present embodiment. The flowchart of the first embodiment except that temperature measurement is performed as step S30 between step S16 and step S17, and that correction corresponding to step S21 in FIG. This is similar to FIG. In the present embodiment, immediately after the impedance measurement is performed in step S16, the temperature is measured in step S30, and the
本実施の形態では、温度測定はインピーダンス測定の直後であったが、ステップS16とステップS30とを入れ替えて、温度測定の直後にインピーダンス測定を行っても良い。インピーダンスを測定した時点の温度を測定することが肝要である。 In the present embodiment, the temperature measurement is performed immediately after the impedance measurement. However, the impedance measurement may be performed immediately after the temperature measurement by exchanging Step S16 and Step S30. It is important to measure the temperature when the impedance is measured.
表2において、teは測定時間である。この例では、キャパシタンスを測定しているが、インピーダンスあるいはコンダクタンスでも良く、測定間隔は1秒毎となっているが、任意の測定間隔に設定可能である。 In Table 2, te is the measurement time. In this example, capacitance is measured, but impedance or conductance may be used, and the measurement interval is every second, but can be set to any measurement interval.
予め設定された測定回数(測定時間に相当する)を完了し、ステップS19で電圧印加停止した後、制御演算部6は、ステップS20でインピーダンスの時間傾きを算出する。この時、保存したインピーダンスと温度のデータとを用いてインピーダンス傾きの補正を行う。以下、補正の方法について説明する。
After completing the preset number of measurements (corresponding to the measurement time) and stopping the voltage application in step S19, the
図16は、横軸に時間tを取り、縦軸にインピーダンスの代表としてキャパシタンスCを取り、誘電泳動で微粒子を捕捉しながらインピーダンス測定を行った時の、キャパシタンスCの変化をプロットしたものである。添え字nは任意の整数である。グラフ中、時間tn−1からtnになったとき、キャパシタンスCn−1はからCnに、温度はTn−1からTnに変化している。任意の時間におけるキャパシタンスCの時間変化の傾きΔCnは、(数4)で表される。 FIG. 16 plots changes in capacitance C when the horizontal axis is time t, the vertical axis is capacitance C as a representative impedance, and impedance measurement is performed while capturing fine particles by dielectrophoresis. . The subscript n is an arbitrary integer. In the graph, when the time t n-1 reaches t n , the capacitance C n-1 changes from C n to C n , and the temperature changes from T n -1 to T n . A slope ΔC n of the time change of the capacitance C at an arbitrary time is expressed by (Equation 4).
ΔCnは、測定間隔の間に変化した温度の影響を含んでいるため、制御演算部6は、この時の温度変化を元に傾きを補正する。補正係数は、表1に示すようなαを用いる。補正後の傾きをΔC‘nとすると、傾きの補正は数5で表される。
Since ΔC n includes the influence of the temperature changed during the measurement interval, the
この時、温度Tnは、(数6)のように2点の平均値T‘nを用いることでより正確な補正を行うことができる。 At this time, the temperature T n can be corrected more accurately by using the average value T ′ n of two points as in (Equation 6).
求めた補正後の傾きΔC‘nを用いて、(数7)によって、キャパシタンスの補正値CTnを得ることができる。 Using the calculated slope ΔC ′ n after correction, a correction value CT n of capacitance can be obtained by (Equation 7).
CTnは、時間ゼロ(測定開始直後の時点)でゼロを取り、測定開始時点からのキャパシタンス変動分を示す値である。全ての測定データについてCTnを求め、得られたデータのプロットを示したのが図17である。得られたプロットから最小二乗法などによって直線1を求め、その傾きを算出し、最終的なインピーダンス傾きとして、微粒子数に換算を行い、ステップS22で結果を出力して測定動作を完了する(ステップS23)。
CT n is a value that takes zero at time zero (the time immediately after the start of measurement) and indicates the amount of capacitance fluctuation from the measurement start time. FIG. 17 shows a plot of data obtained by obtaining CT n for all measurement data. The
以上、本実施の形態によれば、インピーダンス測定時点の温度を測定することによってリアルタイムの温度変化に基づいた補正を行うことができるため、測定途中で試料液の温度が変化する場合にも、正確な測定結果を提示することができる。 As described above, according to the present embodiment, since the correction based on the real-time temperature change can be performed by measuring the temperature at the time of impedance measurement, even when the temperature of the sample liquid changes during the measurement, Can present the measurement results.
(実施の形態9)
以下、本発明の実施の形態の微粒子測定装置について、図表を用いて説明する。尚、既述の実施の形態と同様な構成については説明を省略する。本実施の形態では、測定中の試料液2の温度変化を測定する手段を、電極チップ3上に温度測定用の電極を設け、電極チップ3を簡易な構成にしつつ、リアルタイムの温度測定を実現するものである。
(Embodiment 9)
Hereinafter, a particle measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that a description of the same configuration as that of the above-described embodiment is omitted. In the present embodiment, the means for measuring the temperature change of the
図18は、本実施形態の微粒子測定装置における電極チップ3を示す概略図である。図23において、11cは、試料液2に浸漬する位置において11aに隣接する位置に配置される第三の電極である。11cの試料液2と反対側の一端には、測定部5に接続されるパッド80cが設けられている。測定部5は、制御演算部6の指示により、第三の電極11cと電極11a間のインピーダンスを測定し、制御演算部6は測定部5のインピーダンス測定値からキャパシタンスを算出する。測定されたキャパシタンスの値は試料液2の誘電率に比例し、誘電率は前述の通り試料液2の温度を反映したものであるから、制御演算部6は第三の電極11cと電極11間のインピーダンス測定結果から試料液2の温度を測定することができる。
FIG. 18 is a schematic view showing the
このとき、11cと11a間のインピーダンスを測定するための電圧は、試料液2中の測定対象微粒子が誘電泳動あるいは電気泳動されないような電圧振幅および周波数に設定することが望ましい。これにより、電極間に微粒子が捕集されたことによって生じるインピーダンス変化に起因する温度測定誤差を回避することができる。また、誘電泳動とインピーダンス測定を行う電極11aを温度測定用の電極としても共用することで、温度検出手段をサーミスタなど別途も受ける必要が無く、電極チップ3および測定部5の構成を簡易にし、かつ、測定中の試料液温度測定をリアルタイムに行うことで精度の高い補正を実現することができる。
At this time, it is desirable that the voltage for measuring the impedance between 11c and 11a is set to a voltage amplitude and frequency so that the measurement target fine particles in the
尚、ここでは第三の電極11cと電極11a間のインピーダンスを測定することとしたが、試料液2の誘電率を正確に測定できる限りにおいては、電極11a、11bのどちらを対極として用いても良い。また、電極11aあるいは11bのいずれかを温度測定用の電極として共用する構成としたが、温度測定用の電極対を別途設け、誘電泳動とインピーダンス測定を行う電極と共用しない構成とすることを妨げるものではない。
Here, the impedance between the third electrode 11c and the
(補正係数の算出)
試料液の温度と、インピーダンス時間変化との関係から、補正係数を求めるために、以下の実験を行った。
(Calculation of correction coefficient)
In order to obtain a correction coefficient from the relationship between the temperature of the sample solution and the change in impedance time, the following experiment was performed.
(1)試料液の調整
標準寒天培地(MB0010、栄研器材(株))上で37℃、16時間の好気培養を行った大腸菌K−12株(NBRC3301、製品評価技術基盤機構)をコンラージ棒で採取し、0.1M D−マニトール溶液(導電率、約5μS/cm)に懸濁したものを標準試料とし、適宜希釈して6.82×106cfu/mlの懸濁濃度となるように調整した。尚、懸濁濃度は、適宜希釈した標準試料を標準寒天培地状に塗抹し、37℃、16時間の好気培養を行った結果生育したコロニー数を計数することによって規定した。
(1) Preparation of sample solution Congealed Escherichia coli K-12 (NBRC3301, Product Evaluation Technology Infrastructure) that was aerobically cultured at 37 ° C for 16 hours on a standard agar medium (MB0010, Eiken Equipment Co., Ltd.) A sample collected with a stick and suspended in a 0.1 M D-mannitol solution (conductivity, about 5 μS / cm) is used as a standard sample, and is appropriately diluted to a suspension concentration of 6.82 × 10 6 cfu / ml. Adjusted as follows. The suspension concentration was defined by smearing an appropriately diluted standard sample in a standard agar medium and counting the number of colonies grown as a result of aerobic culture at 37 ° C. for 16 hours.
(2)測定装置
図1の測定装置を使用した。印加電圧振幅は5Vp−p、周波数は100KHzで、60秒間のインピーダンス測定の後、キャパシタンスの傾きを測定応答とした。電極チップ3と試料液2を含むセル1は、恒温層内に静置して恒温層内温度と試料液2の温度が等しくなるようにした。温度は5℃、25℃、40℃の3段階とした。
(2) Measuring apparatus The measuring apparatus of FIG. 1 was used. The applied voltage amplitude was 5 Vp-p, the frequency was 100 KHz, and after measuring impedance for 60 seconds, the slope of capacitance was taken as the measurement response. The
(3)結果
それぞれの温度で得られた測定応答を、25℃での測定応答の値で規格化してプロットしたのが図19である。25℃を基準に、5℃では応答が低下し、40℃では応答が上昇した。この要因の一つとして、試料液2の温度による粘度の変化が考えられる。試料液2の温度低下と共に粘度は高くなり、低温では微粒子に働く粘性力が大きくなるため、単位時間当たりに誘電泳動力によって電極にトラップされる微粒子数が少なくなる結果、図19のような応答変化となっている。
(3) Results FIG. 19 shows the measurement responses obtained at the respective temperatures normalized by the measurement response values at 25 ° C. and plotted. Based on 25 ° C., the response decreased at 5 ° C., and the response increased at 40 ° C. As one of the factors, a change in viscosity due to the temperature of the
図20は、図19で示した規格化したキャパシタンス傾きの逆数をプロットしたものである。これが補正係数αに相当する。3点のプロットを多項式近似によってフィッティングしたものが曲線1である。曲線1の多項式の関数から、補正係数αを算出することが可能である。
FIG. 20 is a plot of the reciprocal of the normalized capacitance slope shown in FIG. This corresponds to the correction coefficient α.
(温度補正の効果確認)
実施例1で求めた補正係数αの関数を用いて、補正によって正確な測定を行えることを確認するため、以下の実験を行った。
(Confirmation of temperature correction effect)
In order to confirm that accurate measurement can be performed by correction using the function of the correction coefficient α obtained in Example 1, the following experiment was performed.
(1)試料液の調整
試料液の調整方法は、実施例1と同様である。試料液の大腸菌濃度を6.82×106〜6.82×107cfu/mlの懸濁濃度となるように調整を行った。
(1) Preparation of sample solution The method for adjusting the sample solution is the same as that in Example 1. The Escherichia coli concentration of the sample solution was adjusted to a suspension concentration of 6.82 × 10 6 to 6.82 × 10 7 cfu / ml.
(2)測定装置
測定装置および温度の条件は実施例1と同様であるため、説明を省略する。
(2) Measuring device Since the measuring device and temperature conditions are the same as those in Example 1, the description thereof is omitted.
(3)結果
表3は、試料液温度が5℃、25℃、40℃の時の、大腸菌濃度6.82×106および6.82×107cfu/mlでのキャパシタンス傾きΔCTを示す。各大腸菌濃度において、(数8)にて平均値と最大値の比率ERmaxを、(数9)にて平均値と最小値の比率ERminをそれぞれ求め、その百分率を誤差の大きさとして評価した。
(3) Results Table 3 shows the capacitance slope ΔCT at the E. coli concentrations of 6.82 × 10 6 and 6.82 × 10 7 cfu / ml when the sample solution temperatures are 5 ° C., 25 ° C., and 40 ° C. At each Escherichia coli concentration, the ratio ERmax between the average value and the maximum value was obtained in (Equation 8), and the ratio ERmin between the average value and the minimum value was obtained in (Equation 9), and the percentage was evaluated as the magnitude of the error.
(数8)において、ΔCTmaxは各濃度におけるキャパシタンス傾きの最大値、ΔCTavは、各濃度のキャパシタンス傾きの平均値である。 In (Equation 8), ΔCTmax is the maximum value of the capacitance gradient at each concentration, and ΔCTav is the average value of the capacitance gradient at each concentration.
(数9)において、ΔCTminは各濃度におけるキャパシタンス傾きの最小値である。 In (Equation 9), ΔCTmin is the minimum value of the capacitance gradient at each concentration.
表3に示したように、補正を行わない場合、試料液の温度が5℃〜40℃の範囲で変動すると、±50%程度の大きな測定誤差を生じる。図21は、横軸に大腸菌濃度、縦軸にキャパシタンス傾きΔCTをプロットした。試料液の温度によって、同じ大腸菌濃度におけるΔCTの値に乖離が生じているのが分かる。 As shown in Table 3, when correction is not performed, a large measurement error of about ± 50% occurs when the temperature of the sample solution fluctuates in the range of 5 ° C to 40 ° C. FIG. 21 plots the E. coli concentration on the horizontal axis and the capacitance slope ΔCT on the vertical axis. It can be seen that there is a discrepancy in the ΔCT value at the same E. coli concentration depending on the temperature of the sample solution.
一方、表4は、上記の測定結果に、実施例1で求めた補正係数αを乗じて算出した、補正後のキャパシタンス傾きを示す。 On the other hand, Table 4 shows the capacitance gradient after correction, which is calculated by multiplying the above measurement result by the correction coefficient α obtained in Example 1.
表4に示したように、補正を行うことによって、誤差は±1〜2%程度まで抑えることができ、試料液の温度に依らない、正確な測定を行うことができる。図22は、補正後のΔCTと大腸菌濃度の関係をプロットしたグラフである。図22のグラフは、試料液温度に依らず、同じ大腸菌濃度では、ほぼ同じキャパシタンス傾きを算出できることを示している。 As shown in Table 4, by performing correction, the error can be suppressed to about ± 1 to 2%, and accurate measurement can be performed regardless of the temperature of the sample solution. FIG. 22 is a graph plotting the relationship between the corrected ΔCT and the E. coli concentration. The graph of FIG. 22 shows that almost the same capacitance slope can be calculated at the same E. coli concentration regardless of the sample solution temperature.
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。 Although the present invention has been described in detail and with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
本出願は、2008年1月22日出願の日本特許出願(特願2008−011445)、に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。 This application is based on Japanese Patent Application (Japanese Patent Application No. 2008-011445) filed on Jan. 22, 2008, the contents of which are incorporated herein by reference.
本発明は、異なる環境温度や、異なる温度の試料液においても、溶液に含有された微粒子数を正確に測定することができる微粒子測定装置等として有用である。 The present invention is useful as a fine particle measuring apparatus or the like that can accurately measure the number of fine particles contained in a solution even at different environmental temperatures or sample liquids at different temperatures.
1 セル
2 試料液
3 電極チップ
4 泳動電源部
5 測定部
6 制御演算部
7 攪拌手段
8 温度検出手段
9 表示手段
10 基板
11a,11b 電極
13 ギャップ
15 電気力線
60 サーミスタ
61 接続極
62 配線
63 導電体
80a、80b、81a、81b パッド
100 熱伝達部
110 接続端子
111 接触端子
200 微粒子
201 光源
202 受光部
203 カバー
204 スペーサ
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記セル内部の前記試料液に浸漬される位置に設けられた少なくとも一対の電極と、
前記電極間に、交流電界を発生するための電圧を印加する泳動電源部と、
前記交流電界によって誘起された誘電泳動力によって移動した微粒子による電磁気的な変化を測定する測定部と、
温度を検出する温度検出手段と、
前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が検出した結果に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定する制御演算部と、
を備える微粒子測定装置。A cell for introducing a sample solution containing fine particles;
At least a pair of electrodes provided at positions immersed in the sample solution inside the cell;
An electrophoretic power supply for applying a voltage for generating an alternating electric field between the electrodes;
A measurement unit for measuring an electromagnetic change caused by fine particles moved by the dielectrophoretic force induced by the alternating electric field;
Temperature detecting means for detecting the temperature;
A control calculation unit that performs a correction process based on a result detected by the temperature detection unit with respect to a result measured by the measurement unit, and measures fine particles in the sample liquid;
A fine particle measuring apparatus comprising:
前記温度検出手段は、前記セル内部の前記試料液に浸漬される位置に設けられ、
前記制御演算部は、前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が検出した試料液の温度に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである微粒子測定装置。The fine particle measuring apparatus according to claim 1,
The temperature detection means is provided at a position immersed in the sample liquid inside the cell,
The control calculation unit performs a correction process on the result measured by the measurement unit based on the temperature of the sample liquid detected by the temperature detection unit, and measures the fine particles in the sample liquid. .
前記温度検出手段は、前記電極が形成された基板上の前記試料液に浸漬される位置に設けられ、
前記制御演算部は、前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が測定した試料液の温度に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである微粒子測定装置。The fine particle measuring apparatus according to claim 1,
The temperature detection means is provided at a position immersed in the sample liquid on the substrate on which the electrode is formed,
The control calculation unit performs a correction process on the result measured by the measurement unit based on the temperature of the sample liquid measured by the temperature detection unit, and measures the fine particles in the sample liquid. .
前記温度検出手段は、前記セルの壁面外側に接する位置に設けられ、
前記制御演算部は、前記測定部が測定した結果に対し、前記温度検出手段が測定した前記セルの温度に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである微粒子測定装置。The fine particle measuring apparatus according to claim 1,
The temperature detecting means is provided at a position in contact with the outer wall surface of the cell,
The control calculation unit performs a correction process on the result measured by the measurement unit based on the temperature of the cell measured by the temperature detection unit, and measures the fine particles in the sample liquid. .
前記セルの壁面の一部に端子を備え、
前記端子は、前記セル内部で前記電極に電気的に接続され、前記セル外部で前記泳動電源部および前記測定部に電気的に接続され、かつ、
前記端子は、前記セル内部で前記試料液に接し、前記セル外部では前記温度検出手段に接するものである微粒子測定装置。The fine particle measuring apparatus according to claim 1,
A terminal is provided on a part of the wall of the cell,
The terminal is electrically connected to the electrode inside the cell, electrically connected to the migration power supply unit and the measurement unit outside the cell, and
The fine particle measuring apparatus, wherein the terminal is in contact with the sample solution inside the cell and is in contact with the temperature detecting means outside the cell.
前記端子は、低電気抵抗かつ高熱伝導率である微粒子測定装置。The fine particle measuring apparatus according to claim 5,
The terminal is a fine particle measuring apparatus having low electrical resistance and high thermal conductivity.
前記温度検出手段は、前記電極間に温度測定電圧が印加された場合に前記測定部が測定した結果から試料液の温度を推定することにより、温度を検出するものである微粒子測定装置。The fine particle measuring apparatus according to claim 1,
The fine particle measuring apparatus, wherein the temperature detecting means detects a temperature by estimating a temperature of a sample liquid from a result measured by the measuring unit when a temperature measuring voltage is applied between the electrodes.
前記制御演算部は、前記温度検出手段が測定した温度に基づき、前記電極間に印加する交流電圧の振幅あるいは周波数を決定する微粒子測定装置。The fine particle measuring apparatus according to claim 1,
The control calculation unit is a fine particle measuring apparatus that determines an amplitude or a frequency of an alternating voltage applied between the electrodes based on a temperature measured by the temperature detecting unit.
前記制御演算部は、前記測定部が測定した結果に対し、前記測定部が当該測定を行った時点における前記温度検出手段による温度検出結果に基づいて補正処理を行い、前記試料液中の微粒子を測定するものである微粒子測定装置。The fine particle measuring apparatus according to claim 1,
The control calculation unit performs a correction process on the result measured by the measurement unit based on a temperature detection result by the temperature detection unit at the time when the measurement unit performs the measurement, and removes fine particles in the sample liquid. A fine particle measuring device for measuring.
前記セル内部の前記試料液に浸漬される位置に温度検出手段として更に少なくとも1極の温度検出用電極を備え、
温度検出用電極は前記測定部に接続され、
前記測定部は温度検出用電極のインピーダンスを測定し、
前記制御演算部は、温度検出用電極のインピーダンスから前記試料液の温度を測定する微粒子測定装置。The fine particle measuring apparatus according to claim 9, wherein
At least one electrode for temperature detection is provided as a temperature detection means at a position immersed in the sample liquid inside the cell,
The temperature detection electrode is connected to the measurement unit,
The measurement unit measures the impedance of the temperature detection electrode,
The control calculation unit is a fine particle measuring device that measures the temperature of the sample solution from the impedance of a temperature detection electrode.
温度を検出する温度検出ステップと、
前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した温度に基づく補正処理を行う補正処理ステップと、
を有する微粒子測定方法。Measuring fine particles in the sample liquid by measuring electromagnetic changes caused by the fine particles moved by the dielectrophoretic force induced by an alternating electric field generated between a pair of electrodes immersed in the sample liquid containing the fine particles. A method for measuring fine particles,
A temperature detection step for detecting the temperature;
A correction processing step for performing correction processing based on the temperature detected in the temperature detection step with respect to the measurement result of the electromagnetic change;
A method for measuring fine particles.
前記温度検出ステップは、前記試料液の温度を検出し、
前記補正処理ステップは、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した試料液の温度に基づく補正処理を行うものである微粒子測定方法。The fine particle measurement method according to claim 11,
The temperature detecting step detects the temperature of the sample liquid,
In the fine particle measuring method, the correction processing step performs correction processing based on the temperature of the sample liquid detected in the temperature detection step on the measurement result of the electromagnetic change.
前記温度検出ステップは、前記試料液の温度を、誘電泳動を行う電極基板上で検出するものである微粒子測定方法。The fine particle measurement method according to claim 12, comprising:
The temperature detection step is a fine particle measurement method in which the temperature of the sample solution is detected on an electrode substrate that performs dielectrophoresis.
前記温度検出ステップは、前記試料液が貯留された、セルの温度を検出し、
前記補正処理ステップは、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した前記セルの温度に基づく補正処理を行うものである微粒子測定方法。The fine particle measurement method according to claim 11,
The temperature detection step detects the temperature of the cell in which the sample liquid is stored,
In the fine particle measurement method, the correction processing step performs correction processing based on the temperature of the cell detected in the temperature detection step on the measurement result of the electromagnetic change.
前記温度検出ステップは、前記試料液が貯留されたセルの壁面の一部に設けられた、端子の温度を検出し、
前記補正処理ステップは、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記温度検出ステップで検出した前記端子の温度に基づく補正処理を行うものである微粒子測定方法。The fine particle measurement method according to claim 11,
The temperature detection step detects the temperature of a terminal provided on a part of the wall surface of the cell in which the sample solution is stored,
In the fine particle measurement method, the correction processing step performs correction processing based on the temperature of the terminal detected in the temperature detection step on the measurement result of the electromagnetic change.
前記温度検出ステップは、
前記電極間に、温度測定のための電圧を印加するステップと、
前記電極間のインピーダンスを測定した結果から、試料液温度を推定するステップと、を含み、
前記補正処理ステップは、
前記電極間に、誘電泳動のための電圧を印加するステップと、
誘電泳動によって前記微粒子を所定位置に配置し、電磁気的な変化を測定するステップと、
前記電磁気的な変化の測定結果に対して、前記推定した試料液温度に基づく補正処理を行うステップと、を含む微粒子測定方法。The fine particle measurement method according to claim 11,
The temperature detecting step includes
Applying a voltage for temperature measurement between the electrodes;
Estimating the sample solution temperature from the result of measuring the impedance between the electrodes, and
The correction processing step includes
Applying a voltage for dielectrophoresis between the electrodes;
Placing the microparticles in place by dielectrophoresis and measuring an electromagnetic change;
Performing a correction process based on the estimated temperature of the sample solution with respect to the measurement result of the electromagnetic change.
前記温度検出ステップで測定した温度に基づいて前記電極間に印加する誘電泳動のための電圧の振幅あるいは周波数を決定する微粒子測定方法。The fine particle measurement method according to claim 11,
A fine particle measurement method for determining an amplitude or frequency of a voltage for dielectrophoresis applied between the electrodes based on the temperature measured in the temperature detection step.
前記温度検出ステップを実施した時点において、前記電磁気的な変化の測定を行うステップを有し、
前記補正処理ステップは、前記電磁気的な変化の測定結果に対して、当該測定時点において検出した温度に基づく補正処理を行う微粒子測定方法。The fine particle measurement method according to claim 11,
A step of measuring the electromagnetic change at the time of performing the temperature detection step;
In the fine particle measurement method, the correction processing step performs correction processing based on the temperature detected at the time of the measurement on the measurement result of the electromagnetic change.
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