JPWO2014122873A1 - 微小粒子分析装置及び微小粒子分析システム - Google Patents
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Abstract
Description
前記判定部は、前記インピーダンスのデータから、前記微小粒子が前記交流電場を通過したことを検出し、その検出結果に基づいて判定を行ってもよい
その場合、前記判定部は、前記インピーダンスから求めたコンダクタンスのピーク位置及びピーク高さから、前記微小粒子の通過を検出することができる。
又は、前記判定部は、前記インピーダンスから求めたキャパシタンス及び/又はコンダクタンスの値が閾値を超えたときに前記微小粒子の通過の検出を開始し、閾値以下になったときに前記微小粒子の通過の検出を終了することができる。
そして、前記判定部は、前記キャパシタンス及び/又はコンダクタンスの値が所定時間閾値を超えていた場合のみ、前記インピーダンスのデータを前記微小粒子に由来するものと判定することもできる。
また、前記判定部で前記微小粒子に由来すると判定されたデータについて、前記解析部において前記特性値の算出を行ってもよい。
その場合、前記解析部は、前記測定部で測定されたデータについて、特定のモデルとの比較又はフィッティングを行うことにより、前記特性値を算出してもよい。
また、前記特定のモデルは、例えば複素誘電スペクトルに基づく誘電緩和現象モデルを使用することができる。
この微小粒子分析装置は、前記解析部で算出された特性値に基づいて、前記微小粒子を分取する分取部を有していてもよい。
その場合、前記サンプル流路の前記交流電場が形成される領域よりも下流側に電場を形成するための第2の電極対を有し、前記第2の電極対により形成される電場によって生じる誘電泳動力により、前記微小粒子の通流方向を変更してもよい。
また、前記サンプル流路と連通する2以上の分岐流路を有し、前記微小粒子は、前記分取部によってその通流方向が変更され、任意の分岐流路に導入される構成にすることもできる。
一方、前記サンプル流路には狭窄部が設けられており、前記第1の電極対は前記狭窄部を挟むように配置されていてもよい。
また、前記交流電場を通過する微小粒子を撮像する撮像部を有していてもよい。
更に、前記微小粒子は細胞であってもよい。
その場合、前記特性値は、膜キャパシタンス、細胞質の導電率及び粒子サイズからなる群から選択される少なくとも1種の値とすることができる。
また、前記測定部は、0.1〜50MHzの周波数範囲で複素インピーダンスを多点測定してもよい。
この微小粒子分析システムは、更に、前記情報処理装置の前記解析部で算出された前記微小粒子の特性値を表示する表示装置を有していてもよい。
また、前記情報処理装置の前記解析部で算出された前記微小粒子の特性値を記憶する情報記憶部を備えるサーバを有していてもよい。
1.第1の実施の形態
(判定部を備える微小粒子分析装置の例)
2.第1の実施の形態の変形例
(解析部が判定部を兼ねている微小粒子分析装置の例)
3.第2の実施の形態
(判定部を備える微小粒子分取装置の例)
4.第3の実施の形態
(微小粒子分析システムの例)
先ず、本開示の第1の実施形態に係る微小粒子分析装置について説明する。図1は本実施形態の微小粒子分析装置の概略構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態の微小粒子分析装置1は、測定系ユニット100、水流形成系ユニット200及びこれらを制御する制御系ユニット300などで構成されている。
図2は図1に示す測定系ユニット100の構成の概要を示す図である。図2に示すように、測定系ユニット100には、サンプル流路2と、電極3a及び電極3bで構成される電極対と、測定部4と、判定部5と、解析部6とを備えており、必要に応じて情報記憶部7や撮像部8が設けられる。そして、この微小粒子分析装置1では、サンプル流路2に複数の微小粒子10を含むサンプル液が導入され、測定部4において各微小粒子10のインピーダンスが測定される。
本実施形態の微小粒子分析装置1で分析される微小粒子10には、細胞、微生物及びリボゾームなどの生体関連微小粒子、又はラテックス粒子、ゲル粒子及び工業用粒子などの合成粒子などが広く含まれる。
サンプル流路2は、例えばマイクロチップ内に形成されている。サンプル流路2を構成する材料は、特に限定されるものではなく、絶縁性でかつ測定対象の微小粒子10の電気的特性に影響を与えないものであればよい。具体的には、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー、ポリプロピレン及びポリイミドなどのプラスチック材料、PDMS(polydimethylsiloxane)及びガラスなどが挙げられる。その中でも、電極が形成しやすく、量産性にも優れることから、ポリイミドなどの絶縁性プラスチック材料で形成することが好ましい。
電極3a,3bは、サンプル流路2の少なくとも一部に交流電場を形成するためのものであり、例えば、図3及び図4に示すように、狭窄部21を挟むように配置されている。電極3a,3bの材質は、特に限定されるものではなく、微小粒子10への影響が少ないものであればよい。
測定部4は、前述した電極3aと電極3b間に交流電圧を印加し、それにより形成される交流電場を通過する各微小粒子10のインピーダンスを測定する。測定部4の構成は、各微小粒子10のインピーダンスを測定可能であれば、特に限定されるものではないが、例えば1又は2以上のインピーダンスアナライザーやネットワークアナライザーを備えた構成とすることができる。
判定部5は、前述した測定部4で測定されたインピーダンスのデータが、微小粒子10に由来するものか否かを判定する。測定部4で測定されたインピーダンスのデータには、分析対象の微小粒子10に由来する情報以外に、ノイズ成分が含まれている。そこで、本実施形態の微小粒子分析装置では、測定部4で測定されたインピーダンスデータについて、判定部5において微小粒子10に由来するものか否かを判定することで、最終的に得られる分析結果の精度を向上させている。
解析部6は、判定部5で微小粒子10に由来すると判定されたインピーダンスデータやインピーダンスデータから算出された誘電スペクトルなどについて、誘電緩和現象モデルなどの特定のモデル式との比較やフィッティングなどを行い、微小粒子10の特性値を求める。例えば、分析対象の微小粒子10が細胞である場合は、解析部6で求められる特性値としては、膜キャパシタンス、細胞質の導電率、粒子サイズ、核のサイズ、核膜の厚さなど微小粒子10に関する種々の構造パラメータが挙げられる。
情報記憶部7には、解析部6で求めた特性値や、測定部4で測定されたインピーダンスデータや複素誘電スペクトルが記憶される。なお、この情報記憶部7は装置内に設けられている必要はなく、外部接続されたハードディスクやサーバなどに設けられていてもよい。
本実施形態の微小粒子分析装置には、電極3a,3bにより形成された交流電場又はサンプル流路2の狭窄部21を通過する微小粒子10を撮像する撮像部8が設けられていてもよい。撮像部8の構成は特に限定されるものではなく、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの撮像素子を備えた光学システムを用いることができる。撮像部8で撮像されたデータは、例えば判定部5や解析部6において、微小粒子10の通過を画像確認するために利用される。
水流形成系ユニット200は、測定系ユニット100のサンプル流路2に、複数の微小粒子10を含むサンプル液を導入するためのものであり、ポンプ201、試料導入部202及びバルブ203などで構成されている。水流形成系ユニット200は、例えばポンプ201により試料導入部202に圧力を加えられると、試料導入部202に注入されたサンプル液が、バルブ203を介して測定系ユニット100のサンプル流路2に導入されるようになっている。
制御系ユニット300は、前述した測定系ユニット100や水流形成系ユニット200を制御するものである。そして、例えば入力インターフェースを介して入力された情報に基づいて、水流形成系ユニット200のポンプ201の圧力やバルブ203の開口量を制御し、測定系ユニット100のサンプル流路2を通流するサンプル液の流量や流速を調整する。
なお、本実施形態の微小粒子分析装置1には、測定系ユニット100の測定部4で測定されたインピーダンスデータ、判定部5の判定結果、解析部6で算出された誘電スペクトルや各種特性値を表示する表示部、各種媒体に出力する出力部などを設けることもできる。また、ユーザが、表示データの選択情報や測定試料に関する情報を入力するための情報入力部が設けられていてもよい。
次に、本実施形態の微小粒子分析装置の動作、即ち、微小粒子分析装置1を用いて、微小粒子10を分析する方法について説明する。本実施形態の微小粒子分析装置1では、サンプル流路2内に、微小粒子10を含むサンプル液を通流させるか、又は、生理食塩水などの溶媒を通流させた状態で微小粒子を含む液体を注入して溶媒と共に通流させる。
次に、本開示の第1の実施形態の変形例に係る微小粒子分析装置について説明する。図5は本変形例の微小粒子分析装置の測定系ユニットの構成の概要を示す図である。なお、図5においては、図2に示す測定ユニット100の構成要素と同じものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
次に、本開示の第2の実施形態に係る微小粒子分取装置について説明する。図6は本実施形態の微小粒子分取装置の概略構成を示す図である。なお、図6においては、図1に示す微小粒子分析装置1の構成要素と同じものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。図6に示すように、本実施形態の微小粒子分取装置30には、サンプル流路2のインピーダンス測定部よりも下流側に電極対(電極3c,3d)と、分取部31が設けられている。
電極3c,3dは、サンプル流路2のインピーダンス測定領域よりも下流側に電場を形成するためのものである。電極3c,3dの材質は、特に限定されるものではなく、微小粒子10への影響が少ないものであればよい。また、図6には、インピーダンス測定領域24よりも下流側に、1対の電極を設けた構成を示しているが、本開示はこれに限定されるものではなく、この領域に複数の電極対を設けてもよい。インピーダンス測定領域24よりも下流側に複数の電極対を設けることにより、作用部に同時期に存在できる粒子の数が増えるため、単位時間当たりの処理能力を向上できると共に、微小粒子10の通流方向の微調整が可能となる。
分取部31は、解析部6で算出された特性値に基づいて、電場形成を制御し、微小粒子10の通流方向を制御する。例えば、図6に示すように、サンプル流路2と連通する2以上の分岐流路32を設け、分取部31により、電極3cと電極3d間に印加する電圧値又は電圧印加の有無を制御することで、微小粒子10の通流方向を変更し、任意の分岐流路32に導入する。そして、サンプル流路2及び分岐流路32をマイクロチップ内に設けることにより、マイクロチップ内で分析と分取を行うことが可能となる。
次に、本実施形態の微小粒子分取装置30の動作、即ち、微小粒子分取装置30を用いて、微小粒子10を分取する方法について説明する。本実施形態の微小粒子分取装置30では、サンプル流路2内に分取対象の微小粒子10を含むサンプル液を通流させる。そして、測定部4により、連続的に又は微小粒子10が通過するタイミングで、電極3a,3b間に交流電圧を印加し、サンプル流路2内に交流電場を形成し、微小粒子10のインピーダンスを測定する。
次に、本開示の第3の実施形態に係る微小粒子分析システムについて説明する。図7は本実施形態の微小粒子分析システムの概略構成を示す図である。前述した第1の実施形態の微小粒子分析装置では、装置内で、微小粒子の特性値の算出や、測定されたインピーダンスのデータの判定を行っているが、これらの処理を分析装置に接続された1又は2以上の情報処理装置で行うこともできる。
微小粒子分析装置11には、サンプル流路と、サンプル流路の少なくとも一部に交流電場を形成するための電極対と、この電極対間のインピーダンスを測定する測定部が設けられている。なお、微小粒子分析装置11を構成するサンプル流路、電極対、測定部の具体的構成及び動作は、前述した第1の実施形態と同様である。
情報処理装置12は、微小粒子分析装置11に接続されており、測定されたインピーダンスから微小粒子の特性値を算出する解析部と、測定されたインピーダンスのデータが微小粒子に由来するものか否かを判定する判定部が設けられている。なお、解析部及び判定部の具体的構成及び動作は、前述した第1の実施形態と同様である。また、解析部と判定部は、一の情報処理装置に設けられていてもよいが、それぞれ別の情報処理装置に設けられていてもよい。
サーバ13は、ネットワーク15を介して情報処理装置12や画像表示装置14と接続されており、情報記憶部などが設けられている。そして、サーバ13は、情報処理装置12からアップロードされた各種データを管理し、要求に応じて表示装置14や情報処理装置12に出力する。
表示装置14は、微小粒子分析装置11で測定されたインピーダンスのデータや情報処理装置12で算出された微小粒子の特性値、更には判定部での判定結果などを表示する。なお、表示装置には、ユーザが表示するデータを選択し入力するための情報入力部が設けられていてもよい。この場合、ユーザにより入力された情報は、ネットワーク15を介してサーバ13や情報処理装置12に送信される。
(1)
複数の微小粒子を含む液が導入されるサンプル流路と、
前記サンプル流路の少なくとも一部に交流電場を形成するための第1の電極対と、
前記第1の電極対間のインピーダンスを測定する測定部と、
前記測定部で測定されたインピーダンスから前記微小粒子の特性値を算出する解析部と、
前記測定部で測定されたインピーダンスのデータが、前記微小粒子に由来するものか否かを判定する判定部と、
を有する微小粒子分析装置。
(2)
前記判定部は、前記インピーダンスのデータから、前記微小粒子が前記交流電場を通過したことを検出し、その検出結果に基づいて判定を行う(1)に記載の微小粒子分析装置。
(3)
前記判定部は、前記インピーダンスから求めたコンダクタンスのピーク位置及びピーク高さから、前記微小粒子の通過を検出する(2)に記載の微小粒子分析装置。
(4)
前記判定部は、前記インピーダンスから求めたキャパシタンス及び/又はコンダクタンスの値が閾値を超えたときに前記微小粒子の通過の検出を開始し、閾値以下になったときに前記微小粒子の通過の検出を終了する(2)又は(3)に記載の微小粒子分析装置。
(5)
前記判定部は、前記キャパシタンス及び/又はコンダクタンスの値が所定時間閾値を超えていた場合のみ、前記インピーダンスのデータを前記微小粒子に由来するものと判定する(4)に記載の微小粒子分析装置。
(6)
前記判定部で前記微小粒子に由来すると判定されたデータについて、前記解析部において前記特性値の算出を行う(1)〜(5)のいずれかに記載の微小粒子分析装置。
(7)
前記解析部は、前記測定部で測定されたデータについて、特定のモデルとの比較又はフィッティングを行うことにより、前記特性値を算出する(6)に記載の微小粒子分析装置。
(8)
前記特定のモデルは、複素誘電スペクトルに基づく誘電緩和現象モデルである(7)に記載の微小粒子分析装置。
(9)
前記解析部で算出された特性値に基づいて、前記微小粒子を分取する分取部を有する(1)〜(8)のいずれかに記載の微小粒子分析装置。
(10)
前記サンプル流路の前記交流電場が形成される領域よりも下流側に電場を形成するための第2の電極対を有し、
前記第2の電極対により形成される電場によって生じる誘電泳動力により、前記微小粒子の通流方向を変更する(9)に記載の微小粒子分析装置。
(11)
前記サンプル流路と連通する2以上の分岐流路を有し、
前記微小粒子は、前記分取部によってその通流方向が変更され、任意の分岐流路に導入される(9)又は(10)に記載の微小粒子分析装置。
(12)
前記サンプル流路には狭窄部が設けられており、前記第1の電極対は前記狭窄部を挟むように配置されている(1)〜(11)のいずれかに記載の微小粒子分析装置。
(13)
更に、前記交流電場を通過する微小粒子を撮像する撮像部を有する(1)〜(12)のいずれかに記載の微小粒子分析装置。
(14)
前記微小粒子が細胞である(1)〜(13)のいずれかに記載の微小粒子分析装置。
(15)
前記特性値が、膜キャパシタンス、細胞質の導電率及び粒子サイズからなる群から選択される少なくとも1種の値である(14)に記載の微小粒子分析装置。
(16)
前記測定部は、0.1〜50MHzの周波数範囲で複素インピーダンスを多点測定する(14)又は(15)に記載の微小粒子分析装置。
(17)
複数の微小粒子を含む液が導入されるサンプル流路と、
前記サンプル流路の少なくとも一部に交流電場を形成するための第1の電極対と、
前記第1の電極対間のインピーダンスを測定する測定部と、
を備える微小粒子分析装置と、
前記測定部で測定されたインピーダンスから前記微小粒子の特性値を算出する解析部と、
前記測定部で測定されたインピーダンスのデータが、前記微小粒子に由来するものか否かを判定する判定部と、
を備える情報処理装置と、
を有する微小粒子分析システム。
(18)
更に、前記情報処理装置の前記解析部で算出された前記微小粒子の特性値を表示する表示装置を有する(17)に記載の微小粒子分析システム。
(19)
更に、前記情報処理装置の前記解析部で算出された前記微小粒子の特性値を記憶する情報記憶部を備えるサーバを有する(17)又は(18)に記載の微小粒子分析システム。
Claims (19)
- 複数の微小粒子を含む液が導入されるサンプル流路と、
前記サンプル流路の少なくとも一部に交流電場を形成するための第1の電極対と、
前記第1の電極対間のインピーダンスを測定する測定部と、
前記測定部で測定されたインピーダンスから前記微小粒子の特性値を算出する解析部と、
前記測定部で測定されたインピーダンスのデータが、前記微小粒子に由来するものか否かを判定する判定部と、
を有する微小粒子分析装置。 - 前記判定部は、前記インピーダンスのデータから、前記微小粒子が前記交流電場を通過したことを検出し、その検出結果に基づいて判定を行う請求項1に記載の微小粒子分析装置。
- 前記判定部は、前記インピーダンスから求めたコンダクタンスのピーク位置及びピーク高さから、前記微小粒子の通過を検出する請求項2に記載の微小粒子分析装置。
- 前記判定部は、前記インピーダンスから求めたキャパシタンス及び/又はコンダクタンスの値が閾値を超えたときに前記微小粒子の通過の検出を開始し、閾値以下になったときに前記微小粒子の通過の検出を終了する請求項2に記載の微小粒子分析装置。
- 前記判定部は、前記キャパシタンス及び/又はコンダクタンスの値が所定時間閾値を超えていた場合のみ、前記インピーダンスのデータを前記微小粒子に由来するものと判定する請求項4に記載の微小粒子分析装置。
- 前記判定部で前記微小粒子に由来すると判定されたデータについて、前記解析部において前記特性値の算出を行う請求項1に記載の微小粒子分析装置。
- 前記解析部は、前記測定部で測定されたデータについて、特定のモデルとの比較又はフィッティングを行うことにより、前記特性値を算出する請求項6に記載の微小粒子分析装置。
- 前記特定のモデルは、複素誘電スペクトルに基づく誘電緩和現象モデルである請求項7に記載の微小粒子分析装置。
- 前記解析部で算出された特性値に基づいて、前記微小粒子を分取する分取部を有する請求項1に記載の微小粒子分析装置。
- 前記サンプル流路の前記交流電場が形成される領域よりも下流側に電場を形成するための第2の電極対を有し、
前記第2の電極対により形成される電場によって生じる誘電泳動力により、前記微小粒子の通流方向を変更する請求項9に記載の微小粒子分析装置。 - 前記サンプル流路と連通する2以上の分岐流路を有し、
前記微小粒子は、前記分取部によってその通流方向が変更され、任意の分岐流路に導入される請求項9に記載の微小粒子分析装置。 - 前記サンプル流路には狭窄部が設けられており、前記第1の電極対は前記狭窄部を挟むように配置されている請求項1に記載の微小粒子分析装置。
- 更に、前記交流電場を通過する微小粒子を撮像する撮像部を有する請求項1に記載の微小粒子分析装置。
- 前記微小粒子が細胞である請求項1に記載の微小粒子分析装置。
- 前記特性値が、膜キャパシタンス、細胞質の導電率及び粒子サイズからなる群から選択される少なくとも1種の値である請求項14に記載の微小粒子分析装置。
- 前記測定部は、0.1〜50MHzの周波数範囲で複素インピーダンスを多点測定する請求項14に記載の微小粒子分析装置。
- 複数の微小粒子を含む液が導入されるサンプル流路と、
前記サンプル流路の少なくとも一部に交流電場を形成するための第1の電極対と、
前記第1の電極対間のインピーダンスを測定する測定部と、
を備える微小粒子分析装置と、
前記測定部で測定されたインピーダンスから前記微小粒子の特性値を算出する解析部と、
前記測定部で測定されたインピーダンスのデータが、前記微小粒子に由来するものか否かを判定する判定部と、
を備える情報処理装置と、
を有する微小粒子分析システム。 - 更に、前記情報処理装置の前記解析部で算出された前記微小粒子の特性値を表示する表示装置を有する請求項17に記載の微小粒子分析システム。
- 更に、前記情報処理装置の前記解析部で算出された前記微小粒子の特性値を記憶する情報記憶部を備えるサーバを有する請求項17に記載の微小粒子分析システム。
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