WO2007020703A1 - 回転磁場によるマニピュレーション方法 - Google Patents
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Definitions
- the invention of this application relates to a manipulation method using a rotating magnetic field. More specifically, the invention of this application relates to a manipulation method using a rotating magnetic field that can easily and inexpensively manipulate magnetic particle-containing substances or non-magnetic particles on a substrate.
- Manipulation by an electric field is also known, but manipulation by such an electric field is not limited to magnetic particles to be moved, but all particles may move by electrophoretic movement or generate electroosmotic flow. In some cases, it was difficult to move only the fine magnetic particles to be moved.
- the invention of this application is easy and inexpensive, can move only the magnetic particle-containing substance or non-magnetic particles to be moved, and includes magnetic particles including various magnetic particles such as molecules.
- the aim is to provide a manipulation method using a rotating magnetic field that enables manipulation of contained substances and non-magnetic particles.
- the invention of this application is firstly arranged on a base material having a magnetism of paramagnetism or ferromagnetic diamagnetism and the base material.
- the magnetic dipole in the magnetic particle is rotated by applying a rotating magnetic field to the magnetic particle-containing material including the magnetic particle having any one of paramagnetism, ferromagnetism, and diamagnetism.
- Provides a manipulation method using a rotating magnetic field characterized in that the magnetic particle-containing material including the magnetic particles is moved on the substrate by the magnetic dipole-magnetic dipole interaction between the magnetic particles and the substrate.
- the invention of this application is the same as that of the first invention, when the magnetic particles contained in the magnetic particle-containing substance to be moved on the base material are paramagnetic or ferromagnetic.
- a manipulation method using a rotating magnetic field characterized in that a base material having ferromagnetism is provided.
- the substrate when the magnetic particles contained in the magnetic particle-containing material to be moved on the substrate have diamagnetism, the substrate is used as the diamagnetic substrate.
- a manipulation method using a rotating magnetic field Provided is a manipulation method using a rotating magnetic field.
- a manipulation method using a rotating magnetic field characterized in that the particle size of the magnetic particles is 1 nm or more.
- the manipulator by the rotating magnetic field is characterized in that the moving direction of the magnetic particle-containing material on the substrate is changed by changing the rotating direction of the rotating magnetic field.
- a single magnetic particle is moved on a substrate having irregularities on the order of the radius of the magnetic particle or more.
- a manipulation method using a rotating magnetic field is provided.
- the magnetic particle-containing material is a single magnetic particle, a plurality of magnetic particles, a cluster of magnetic particles, a fullerene of magnetic atom inclusions, or a magnetic atom inclusion nanotube.
- a manipulation method using a rotating magnetic field is provided.
- the present invention provides a manipulation method using a rotating magnetic field characterized by inducing in a direction and moving nonmagnetic particles on a nonmagnetic substrate.
- the eighth invention there is provided a manipulation method using a rotating magnetic field, characterized in that the magnetic fluid is a liquid solvent in which ferromagnetic particles of 1 nm or more and 1 O nm or less are dispersed. provide.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of an electromagnet that generates a rotating magnetic field used in the rotation magnetic field manipulation method of the invention of this application.
- FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of a manipulation method using a rotating magnetic field according to the invention of this application.
- FIG. 3 is a diagram showing an example where the manipulation method using a rotating magnetic field of the invention of this application cannot be applied.
- Fig. 4 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the magnetic dipole moment and the potential energy in the case of Fig. 3.
- FIG. 5 is a diagram illustrating another embodiment of a manipulation method using a rotating magnetic field according to the invention of this application.
- FIG. 6 is a graph showing the relationship between the movement of two magnetic particles, the magnetic field strength, and the magnetic field frequency using the rotating magnetic field manipulation method of the present invention.
- FIG. 7 is a diagram illustrating another embodiment of a manipulation method using a rotating magnetic field according to the invention of this application.
- FIG. 8 (a) is an experimental example of manipulation of a cluster consisting of two paramagnetic particles, (b) is an experimental example of manipulation of a cluster consisting of five paramagnetic particles, and (c) (D) is a diagram showing an experimental example of the manipulation of a cluster consisting of two nonmagnetic particles, and (d) is an experimental example of the manipulation of a cluster consisting of two nonmagnetic particles.
- FIG. 9 is a diagram showing an experimental example of manipulation of iron atom-containing carbon nanotubes along paramagnetic particles.
- FIG. 10 is a diagram showing an experimental example of erythrocyte manipulation.
- the manipulation method using a rotating magnetic field of the invention of this application is a substrate having any one of paramagnetism, ferromagnetism, and diamagnetism, and paramagnetic, ferromagnetism, and diamagnetism arranged on the substrate.
- magnetic particle-containing substance in the invention of this application means not only a substance containing magnetic particles and other magnetic particle-containing substances, but also a single or a plurality of magnetic particles themselves.
- the “base material” is a base for moving the magnetic particle-containing substance in addition to the base material. Means a broad sense.
- the “rotating magnetic field” means that the direction of the uniform magnetic field rotates with time.
- the rotating magnetic field can be generated by, for example, rotating a permanent magnet or electromagnet (1) as shown in Fig. 1.
- the sample (2) is installed in the center, and the coils (4 A), (4 B), and (4 B) of each electromagnet are connected to the mass generator (3 A) and slave (3 B) of the function generator (3).
- (4 C), (4 D) There is a method of changing the phase of the coil current. Of these, the latter method is advantageous in that the magnetic field strength can be changed.
- (5A) and (5B) are power amplifiers.
- the appropriate magnetic field rotation frequency for manipulating magnetic particle-containing materials including magnetic particles is: magnetic particle mass, particle diameter, particle shape (nanotubes, etc.), particle magnetic dipole moment, substrate magnetic dipole moment
- a magnetic particle-containing substance including magnetic particles when a magnetic particle-containing substance including magnetic particles is present in a solvent, it varies depending on the viscosity coefficient of the solvent.
- the magnetic dipole rotates following the rotating magnetic field up to a considerably high frequency, and the magnetic particle-containing material moves due to the attractive force between the magnetic dipole moments, but the relaxation time of the movement of the magnetic particle-containing material is
- the magnetic particle-containing substance does not move unless it is shorter than the fluctuation time. That is, the period of the rotating magnetic field must be longer than the time required to move the magnetic particle-containing material (the rotating frequency must be lowered).
- the resistance to movement of the magnetic particle-containing material is viscous resistance from the solvent (depending on the viscosity and particle diameter of the solvent), and from the solvent molecule.
- the attractive force between particles depends on the magnitude of the magnetic dipole moment, and when the magnetic particles contained in the magnetic particle-containing material are paramagnetic, the magnitude of the magnetic dipole moment depends on the magnetic field strength.
- the manipulation method using a rotating magnetic field according to the invention of this application can be performed not only in a vacuum or in a gas such as air, but also in a liquid (solvent) such as water or oil.
- a base material having paramagnetic or ferromagnetism such as a magnetic solid or a magnetic thin film is suitable as the base material.
- the base material is preferably a paramagnetic material in that there is no residual magnetization.
- a diamagnetic substrate such as a diamagnetic solid or a diamagnetic thin film can be used as the substrate.
- the particle-containing substance is a single magnetic particle
- the single magnetic particle can be moved on a substrate having irregularities on the order of the radius of the magnetic particle or more.
- a substrate made of a nonmagnetic substance can be used.
- the manipulation method using a rotating magnetic field according to the invention of this application can suitably perform manipulation of a magnetic particle-containing substance containing the magnetic particle when the particle size of the magnetic particle is 1 nm or more. It is also possible to change the moving direction of the magnetic particle-containing material on the substrate by changing the rotating direction of the rotating magnetic field applied to the magnetic particles.
- the manipulation method using the rotating magnetic field of the invention of this application is suitably applied to any one of a single magnetic particle, a plurality of magnetic particles, a cluster of magnetic particles, a fullerene of magnetic atom inclusions, and a magnetic atom inclusion nanotube. can do.
- the molecules are manipulated by modifying various molecules such as biomolecules on the surface of the magnetic particles. It becomes possible to do.
- manipulation of fullerenes and nanotubes containing magnetic atoms can be performed, and their application to drug delivery can be expected.
- the rotating magnetic field is applied to the nonmagnetic particles arranged in the magnetic fluid on the nonmagnetic base material, thereby the nonmagnetic particles. It is also possible to induce an apparent magnetic dipole moment in the direction opposite to the rotating magnetic field and move the nonmagnetic particles on the nonmagnetic substrate.
- nonmagnetic particles such as polystyrene can be moved to the nonmagnetic substrate. It can be moved along.
- the nonmagnetic particles can be suitably moved along the nonmagnetic substrate. it can.
- a single magnetic particle (6) is manipulated on a substrate (7).
- the magnetic particles (6) are manipulated. If there are irregularities on the surface of the magnetic substrate (7) on the order of the radius of the magnetic particles (6), the magnetic particles (6)
- the magnetic particle (6) can be moved, ie, manipulated, using the magnetic dipole-magnetic dipole interaction.
- an upward magnetic dipole moment is induced in a single magnetic particle (6) on the substrate (7) by the rotating magnetic field, and also in the substrate (7).
- Magnetic dipole moment is induced and magnetic dipole-magnetic dipole interaction works between magnetic particle (6) and substrate (7), and the magnetic dipole in magnetic particle (6) is rotated by a rotating magnetic field. This rotates the magnetic dipole moment so that the magnetic particles (6) can be transported to a stable position with low potential energy.
- the potential energy increases due to the movement, so a single magnetic particle Cannot be manipulated. That is, for example, as shown in Fig. 3 (a) to (c), the magnetic dipole moment rotates with the magnetic particle (6) on the substrate (7) in the position shown in Fig. 3 (a). Potato when When the magnetic dipole moment is rotated with the lowest local energy and the magnetic particles (6) on the substrate (7) in the position shown in Fig. 3 (b), the position shown in Fig. 3 (a) The potential energy is higher than when the magnetic dipole moment rotates. Also, as shown in Fig.
- Fig. 4 shows the relationship between the potential energy (Ak T) and the rotation angle of the magnetic dipole moment in the system of Fig. 3 (a) to (c).
- ⁇ is the dipole-dipole interaction energy to thermal energy ratio
- k is the Boltzmann constant
- T is the absolute temperature.
- the black triangle in Fig. 4 is a graph showing the state of Fig. 3 (a)
- the black square is a graph showing the state of Fig. 3 (b)
- the white circle is a graph showing the state of Fig. 3 (c).
- Figs. 4 shows the relationship between the potential energy (Ak T) and the rotation angle of the magnetic dipole moment in the system of Fig. 3 (a) to (c).
- the potential energy in the state (a) is greater than that in the states (b) and (c), especially when the rotation angle of the magnetic dipole moment is large. Therefore, the state of (a) is more stable than the states of (b) and (c). Therefore, in the case of a smooth substrate surface, a single magnetic particle (6) cannot move. I understand that.
- the magnetic dipole moment of the two magnetic particles (8) can be reduced by applying a rotating magnetic field as shown in Figs. 5 (a) to (c).
- one magnetic particle (8A) of two magnetic particles (8) is rotated around the other magnetic particle (8B), and then the magnetic particle (8B) is rotated.
- the two magnetic particles (8) can be manipulated regardless of the surface irregularities of the substrate (7).
- Fig. 6 shows the relationship between the movement of the two magnetic particles and the magnetic field strength 'magnetic field frequency.
- the horizontal axis in Fig. 6 is the ratio of the translational speed of one particle to the rotational speed of two magnetic particles, ⁇ ⁇ , and the vertical axis is the ratio ⁇ of the dipole-dipole interaction energy to thermal energy, ⁇ And ⁇
- Each B is expressed by the formula (I) and formula (II).
- ⁇ are the particle or particle-induced magnetic moment, solvent permeability (equal to vacuum permeability), particle size, Boltzmann constant, absolute The temperature, the viscosity coefficient of the solvent, and the angular frequency of the rotating magnetic field.
- two magnetic particles can be manipulated in the area indicated by black circles, and the movement of the two magnetic particles is chaotic in the white triangle area. In the X region, the two magnetic particles do not move.
- ⁇ (absolute temperature) 300 ⁇ : 7 ?.
- (Viscosity coefficient of solvent) 1X 10 " 3 Pa-s, diamonds (a) to (c) in Fig. 6 correspond to the following conditions.
- the rotation method using the rotating magnetic field of the invention of this application applies a rotating magnetic field to the magnetic particle-containing material on the substrate, and the magnetic particles contained in the magnetic particle-containing material Rotate the magnetic dipole, the magnetism between the magnetic particles and the substrate
- the manipulation of the magnetic particle-containing material on the substrate can be performed easily and inexpensively compared to laser-manipulation, etc.
- non-magnetic particles for example, as shown in Fig. 7, non-magnetic particles (11) placed in a magnetic fluid (10) on a non-magnetic substrate (9) (in Fig. 7, three non-magnetic By applying a rotating magnetic field (12) to the particles), the apparent magnetic dipole moment (13) in the nonmagnetic particle (11) is reversed in the opposite direction to the rotating magnetic field (12). The nonmagnetic particles (11) are moved on the nonmagnetic substrate (9). At this time, as the magnetic fluid (10), one in which ferromagnetic particles of 1 nm to 10 nm are dispersed in a liquid solvent can be suitably used.
- Figure 8 (a) shows an experimental example of manipulation of a cluster consisting of two paramagnetic particles.
- the paramagnetic particles magnetite (Fe 3 0 4 ) particles having a particle size of 2.8 m were used.
- the rotating magnetic field frequency was 1 Hz.
- Figure 8 (b) shows an experimental example of manipulation of a class class consisting of five paramagnetic particles.
- paramagnetic particles magnetite particles with a particle size of 2.8 / zm were used.
- the rotating magnetic field frequency was 1 Hz.
- Fig. 8 (c) shows an experimental example of class-class manipulation consisting of a large number of paramagnetic particles.
- paramagnetic particles magnetite particles with a particle size of 2.8 tm were used.
- the rotating magnetic field frequency was set to 0.1 Hz.
- Figure 8 (d) shows an experimental example of manipulation of a cluster consisting of two nonmagnetic particles.
- the non-magnetic particles polystyrene particles having a particle size of 6.0 m were used.
- the rotating magnetic field frequency was set to 0.1 Hz.
- Non-magnetic particles are ferrofluid (particle size 10 n m magnetite particles dispersed in an aqueous solvent), and an apparent dipole is induced in the non-magnetic particles.
- Figure 9 shows an experimental example of manipulation of carbon nanotubes containing iron atoms along paramagnetic particles (magnetite particles with a particle size of 4.5).
- the rotating magnetic field frequency was 0.5 Hz.
- FIG. 10 shows an experimental example of red blood cell manipulation.
- Two paramagnetic particles can be attached to red blood cells to manipulate the cells. Magnetite particles with a particle size of 2.0 zm were used as paramagnetic particles, and sheep erythrocytes were used as erythrocytes. The rotating magnetic field frequency was 0.5 Hz.
- the invention of this application provides a manipulation method using a rotating magnetic field that can easily and inexpensively manipulate magnetic particle-containing substances or non-magnetic particles on a base material, such as biomolecules.
- a base material such as biomolecules.
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Abstract
常磁性、強磁性および反磁性のうちのいずれかの磁性を有する基材(7)およびその基材上に配置された常磁性、強磁性および反磁性のうちのいずれかの磁性を有する少なくとも1つの磁性粒子を含む磁性粒子含有物質(6)に対して回転磁場を印加することで、前記磁性粒子内の磁気双極子を回転させて、その磁性粒子と基材間の磁気双極子-磁気双極子相互作用によりその磁性粒子を含む磁性粒子含有物質(6)を基材(7)上で移動させる。これにより、容易かつ安価にマニピュレートすることのできる、回転磁場によるマニピュレーション方法が提供される。
Description
明 細 書
回転磁場によるマニピユレーション方法 技術分野
この出願の発明は、 回転磁場によるマニピユレーション方法に関するものであ る。 さらに詳しくは、 この出願の発明は、 磁性粒子含有物質あるいは非磁性粒子 を基材上において容易かつ安価にマユピュレー卜することのできる、 回転磁場に よるマニピュレーション方法に関するものである。 背景技術
これまで、 強磁性、 常磁性あるいは反磁性の磁性を有する微小磁性粒子の捕捉 および移動といった微小磁性粒子のマニピュレーションを行うには、 たとえばレ 一ザ一を、 移動させたい微小磁性粒子に照射することによって、 その微小磁性粒 子をトラップ (捕捉) し、 移動させるレーザーマニピュレーション装置が知られ ているが、 そのようなレーザーマニピュレーション 置は、 非常に高価であり、 微小磁性粒子に熱的なダメージも与えるため、 とくに生体分子を粒子に修飾して マニピュレートする場合に問題となり、 あまり実用的ではない。
また電場によるマニピユレ一ションも知られているが、そのような電場による マニピュレーションは、 移動させたい磁性粒子に限らず、 すべての粒子が電気泳 動によって移動してしまったり、 あるいは電気浸透流を発生させたりする場合も あり、 移動させたい微小磁性粒子のみを移動させるのは困難であった。
また、強磁性流体中の非磁性粒子に回転磁場を印加させることでそれらの非磁 性粒子の動きを制御した例も知られている (G. Helgesen, . Pieranski, "Dynamic behavior of simple Magnetic hole systems" Physical Review A 42, p. 7271-7280, 1990) o しかしながら、 この例では、 非磁性粒子すなわち磁気ホールが形成する 鎖状クラスターの回転運動に注目しているのみであり、非磁性粒子のマニピュレ ーシヨンについては具体的には一切解析されていない。
発明の開示
そこでこの出願の発明は、 以上のとおりの事情に鑑み、 容易かつ安価であり、 移動させたい磁性粒子含有物質や非磁性粒子のみを移動させることができ、分子 など様々な磁性粒子を含む磁性粒子含有物質や非磁性粒子のマニピユレ一卜が 可能な回転磁場によるマニピュレーション方法を提供することを課題とレてい る。
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第 1には、常磁性、 強磁性おょぴ反磁性のうちのいずれかの磁性を有する基材およびその基材上に 配置された常磁性、強磁性および反磁性のうちのいずれかの磁性を有する磁性粒 子を含む磁性粒子含有物質に対して回転磁場を印加することで、前記磁性粒子内 の磁気双極子を回転させて、その磁性粒子と基材間の磁気双極子—磁気双極子相 互作用によりその磁性粒子を含む磁性粒子含有物質を基材上で移動させること を特徵とする回転磁場によるマニピユレーション方法を提供する。
第 2には、 この出願の発明は、 第 1の発明において、 ¾材上で移動させる磁性 粒子含有物質に含まれる磁性粒子が常磁性または強磁性を有する場合に、その基 材を常磁性または強磁性を有する基材とすることを特徴とする回転磁場による マニピュレーション方法を提供する。
さらに、 第 3には、 第 1の発明において、 基材上で移動させる磁性粒子含有物 質に含まれる磁性粒子が反磁性を有する場合に、 その基材を、 反磁性を有する基 材とすることを特徵とする回転磁場によるマニピュレーション方法を提供する。 また、 第 4には、 第 1ないし 3いずれかの発明において、 磁性粒子の粒径が 1 nm以上であることを特徵とする回転磁場によるマニピュレーション方法をも 提供する。
第 5には、 第 1ないし 4いずれかの発明において、 回転磁場の回転方向を変え ることにより基材上での磁性粒子含有物質の移動方向を変えることを特徴とす る回転磁場によるマニピユレーション方法を提供する。
第 6には、 第 1ないし 5いずれかの発明において、 単一の磁性粒子を、 その磁 性粒子の半径以上のオーダーの凹凸を有する基材上で移動させることを特徴と
する回転磁場によるマニピユレ一ション方法を提供する。
第 7には、 第 1ないし 6いずれかの発明において、 磁性粒子含有物質が、 単一 の磁性粒子、 複数の磁性粒子、 磁性粒子のクラスター、 磁性原子内包のフラーレ ンおよび磁性原子内包ナノチューブのうちのいずれかであることを特徵とする 回転磁場によるマニピュレーション方法を提供する。
第8には、非磁性基材上の磁性流体中に配置された非磁性粒子に対して回転磁 場を印加することで、前記非磁性粒子内に見かけの磁気双極子モーメントを回転 磁場と反対方向に誘起させ、非磁性粒子を非磁性基材上で移動させることを特徵 とする回転磁場によるマニピユレーション方法を提供する。
第 9には、 第 8の発明において、 磁性流体が、 液体溶媒中に l nm以上 1 O n m以下の強磁性粒子が分散されているものであることを特徵とする回転磁場に よるマニピュレーション方法を提供する。
この出願の発明によれば、 容易かつ安価であり、 基材上で移動させたい磁性粒 子含有物質あるいは非磁性粒子のみを移動させることができ、分子など様々な磁 性粒子を含む磁性粒子含有物質や非磁性粒子のマニピュレー卜が可能な回転磁 場によるマニピュレーション方法を提供することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 この出願の発明の回転磁場によるマニピユレーション方法に用いる回 転磁場を発生させる電磁石の一実施形態を示す断面図である。
図 2は、 この出願の発明の回転磁場によるマニピュレーション方法の一実施形 態を例示した図である。
図 3は、 この出願の発明の回転磁場によるマニピュレーション方法を適用でき ない例を示した図である。
図 4は、 図 3の場合の磁気双極子モーメントの回転角度とポテンシャルェネル ギ一の関係を示すグラフである。
図 5は、 この出願の発明の回転磁場によるマニピュレーション方法の他の実施 形態を例示した図である。
図 6は、 この出願の発明の回転磁場によるマニピュレーション方法を用いた 2 つの磁性粒子の移動と磁場強度 ·磁場周波数の関係を示すグラフである。
図 7は、 この出願の発明の回転磁場によるマニピュレーション方法の他の実施 形態を例示した図である。
図 8の (a) は、 2個の常磁性粒子からなるクラスターのマニピュレーション の実験例、 (b ) は、 5個の常磁性粒子からなるクラスタ一のマニピユレ一ショ ンの実験例、 (c ) は、 多数個の常磁性粒子からなるクラスターのマニピユレ一 シヨンの実験例、 (d) は、 2個の非磁性粒子からなるクラスターのマニピユレ ーションの実験例を示す図である。
図 9は、常磁性粒子に沿った鉄原子内包カーボンナノチューブのマニピユレ一 ションの実験例を示す図である。
図 1 0は、 赤血球のマニピュレーシヨンの実験例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徵をもつものであるが、以下にその実施の 形態について説明する。 この発明は以下の例に限定されるものではなく、 細部に ついては様々な態様が可能であることは言うまでもない。
この出願の発明の回転磁場によるマニピュレーション方法は、 常磁性、 強磁性 および反磁性のうちのいずれかの磁性を有する基材およびその基材上に配置さ れた常磁性、強磁性および反磁性のうちのいずれかの磁性を有する磁性粒子を含 む磁性粒子含有物質に対して回転磁場を印加することで、前記磁性粒子内の磁気 双極子を回転させて、その磁性粒子と基材間の磁気双極子—磁気双極子相互作用 によりその磁性粒子を含む磁性粒子含有物質を基材上で移動させることを大き な特徴としている。
なお、 この出願の発明における 「磁性粒子含有物質」 は、 磁性粒子を内包する 物質やその他の磁性粒子含有物質はもちろんのこと、単一あるいは複数の磁性粒 子自体のことも意味している。
また、 「基材」 とは、 基材の他、 磁性粒子含有物質を移動させるベースとなる
広義のものを意味する。
また、 「回転磁場」とは、一様磁場の方向が時間とともに回転するものであり、 回転磁場の発生の仕方としては、 たとえば永久磁石を回転させる方法と、 図 1の ように電磁石 ( 1 ) を設置し中央に試料 ( 2 ) を設置し、 ファンクションジエネ レー夕(3 )のマス夕一(3 A)およびスレーブ(3 B)で各電磁石のコイル(4 A)、 (4 B)、 (4 C)、 (4 D) のコイル電流の位相を変化させる方法がある。 こ れらのうち、 後者の方法が磁場強度を変えられる点で有利である。 なお、 図 1の ( 5 A)、 ( 5 B) は電力増幅器である。
磁性粒子を含む磁性粒子含有物質をマニピュレートするための適切な磁場の 回転周波数は、 磁性粒子の粒子質量、 粒子径、 粒子形状 (ナノチューブ等)、 粒 子磁気双極子モーメント、 基材磁気双極子モーメント、 また磁性粒子を含む磁性 粒子含有物質が溶媒中にある場合、 その溶媒の粘性係数に依存して変化する。磁 気双極子はかなりの高周波まで回転磁場に追従して回転し、磁気双極子モーメン ト間の引力によって磁性粒子含有物質が移動するが、磁性粒子含有物質の移動の 緩和時間が磁気双極子の変動時間に比べて短くないと磁性粒子含有物質は移動 しない。すなわち、磁性粒子含有物質の移動に要する時間に比べて回転磁場の周 期は長くなければならない (回転周波数は低くならなければならない)。
また磁性粒子含有物質の移動の抵抗としては、 たとえば磁性粒子を含む磁性粒 子含有物質が溶媒中にある場合、 溶媒からの粘性抵抗(溶媒の粘性と粒子径に依 存)、 溶媒分子からの揺動力 (ブラウン運動)、 粒子質量がある。 また粒子間引力 は磁気双極子モ一メントの大きさに依存し、磁性粒子含有物質に含まれる磁性粒 子が常磁性体の場合、 磁気双極子モーメントの大きさは磁場強度に依存する。 そして、 この出願の発明の回転磁場によるマニピュレーション方法は、 真空中 あるいは空気などの気体中で行えることはもちろんのこと、水、油などの液体(溶 媒) 中においても行うことが可能である。
このように基材上の磁性粒子含有物質に回転磁場を印加し、磁性粒子含有物質 に含まれる磁性粒子内の磁気双極子を回転させ、その磁性粒子と基材間の磁気双 極子一磁気双極子相互作用を利用することにより、 レーザーマニピュレーション
に比べて基材上の磁性粒子含有物質のマニピュレーションを容易かつ安価に行 うことができ、 また熱的なダメージがないことから、 とくに生体分子を粒子に修 飾してマニピュレー卜する場合に生体分子に熱的なダメージを与えることがな くきわめて有効な手段であるといえる。 また電場によるマニピュレーションのよ うにすベての粒子が電気泳動によつて移動するといったことも防止でき、基材上 で移動させたい磁性粒子含有物質のみを移動させることが可能となる。
なお、基材上を移動させる磁性粒子含有物質に含まれる磁性粒子が常磁性また は強磁性を有する場合、その基材として磁性固体あるいは磁性薄膜といった常磁 性または強磁性を有する基材を好適に用いることができる。 なお、 残留磁化がな いという点で基材は常磁性体である方が好ましい。 また基材上を移動させる磁性 粒子含有物質に含まれる磁性粒子が反磁性を有する場合、その基材として反磁性 固体あるいは反磁性薄膜といった反磁性を有する基材を用いることができ、移動 させる磁性粒子含有物質が単一の磁性粒子の場合、その単一の磁性粒子はその磁 性粒子の半径以上のオーダーの凹凸を有する基材上において移動させることが できる。 さらに、 非磁性粒子をマニピュレートする場合には、 非磁性物質からな る基材を用いることができる。
また、 この出願の発明の回転磁場によるマニピュレーション方法は、磁性粒子 の粒径が 1 nm以上のときに、その磁性粒子を含む磁性粒子含有物質のマニピュ レーションを好適に行うことができ、基材および磁性粒子に印加する回転磁場の 回転方向を変えることにより基材上での磁性粒子含有物質の移動方向を変える ことも可能である。
そしてとくにこの出願の発明の回転磁場によるマニピュレーション方法は、単 一の磁性粒子、 複数の磁性粒子、 磁性粒子のクラスター、 磁性原子内包のフラー レンおよび磁性原子内包ナノチューブのうちのいずれかに好適に適用すること ができる。
この出願の発明の回転磁場によるマニピユレーション方法を行う場合、磁性粒 子は回転磁場により並進運動をするため、生体分子などの様々な分子を磁性粒子 表面に修飾することで分子をマニピュレ一ションすることが可能となる。 またさ
らに、磁性原子内包のフラーレン、 ナノチューブのマニピュレーションを行える ようになり、 それらのドラッグデリバリーなどへの応用が期待できる。
またこの出願の発明の回転磁場によるマニピユレーション方法によれば、非磁 性基材上の磁性流体中に配置された非磁性粒子に対して回転磁場を印加するこ とで、前記非磁性粒子内に見かけの磁気双極子モーメントを回転磁場と反対方向 に誘起させ、 非磁性粒子を非磁性基材上で移動させることも可能であり、 たとえ ば、 ポリスチレンなどの非磁性粒子を非磁性基材に沿って移動させることができ るのである。 なおこのとき、 磁性流体として液体溶媒中に 1 nm以上 1 Onm以 下の強磁性粒子が分散されているものを用いることで、非磁性粒子を非磁性基材 に沿って好適に移動させることができる。
この出願の発明の回転磁場によるマニピュレーション方法の一実施形態とし て、たとえば図 2 (a)〜(d)に示すように、単一の磁性粒子 (6)を基材 (7) 上でマニピュレートする場合には、 磁性粒子 (6) のマニピュレーションを行う 磁性を有する基材 (7)表面上に磁性粒子 (6) の半径以上のオーダの凹凸があ れば、 回転磁場により磁性粒子 (6) 内の磁気双極子モーメントを回転させ、 磁 気双極子一磁気双極子相互作用を利用して、 磁性粒子 (6) を移動すなわちマ二 ピュレートすることができる。 図 2の場合、 図 2 (a) では回転磁場によって基 材( 7 )上の単一の磁性粒子 ( 6 )に上向きの磁気双極子モーメントが誘起され、 同様に基材 (7) 中においても磁気双極子モーメントが誘起し磁性粒子 (6) と 基材 (7) の間に磁気双極子—磁気双極子相互作用が働き、 磁性粒子 (6) 内の 磁気双極子を回転磁場で回転させることによりその磁気双極子モーメン卜が回 転し、 ポテンシャルエネルギーの低い安定する位置に磁性粒子 (6) を運ぶこと ができる。
一方、 基材 (7) の表面がなめらかな場合、 すなわち基材 (7) 表面上に粒子 半径以上のオーダの凹凸がない場合には、移動によってポテンシャルエネルギー が上昇するため、 単一の磁性粒子はマニピュレートすることはできない。すなわ ちたとえば図 3 (a) 〜 (c) に示すように、 基材 (7) 上での磁性粒子 (6) が図 3 (a) の位置にある状態で、 磁気双極子モーメントが回転する場合のポテ
ンシャルエネルギーが最も低く、 基材 (7) 上での磁性粒子 (6) が図 3 (b) の位置にある状態で磁気双極子モーメントが回転する場合には、 図 3 (a) の位 置で磁気双極子モーメントが回転する場合に比べてポテンシャルエネルギーは 高くなる。 また図 3 (c) に示すように、 磁性粒子 (6) が並進運動する場合の ポテンシャルエネルギーは、 磁気双極子モーメントがある角度を超えると図 3 (a) の場合よりも高くなる。 したがって、 単一の磁性粒子 (6) がなめらかな 基材 (7) 上を移動することによってポテンシャルエネルギーが上昇してしまう ため 1粒子はマニピユレ一トすることはできないのである。
ここで図 4に図 3 (a)〜(c) の状態の系のポテンシャルエネルギー (Ak T) と磁気双極子モーメントの回転角度の関係を示す。 なお λは双極子一双極子 相互作用エネルギーと熱エネルギーの比、 kはボルツマン定数、 Tは絶対温度で ある。図 4中の黒三角は図 3 (a)の状態を示すグラフであり、黒四角は図 3 (b) の状態を示すグラフであり、 白丸は図 3 (c) の状態を示すグラフであるが, 図 4 (a)〜(c) より明らかなようにとくに磁気双極子モーメントの回転角度が 大きい場合に (a) の状態のポテンシャルエネルギーが (b)、 (c) の状態のも のよりも小さいことから、 (a) の状態が (b)、 (c) の状態よりも安定してお り、 したがってなめらかな基材表面の場合、 単一の磁性粒子 (6) が移動できな いことが分かる。
一方マニピュレートを行う磁性粒子が 2つの磁性粒子の場合は、 図 5 (a) ~ (c) に示すように、 回転磁場を印加することにより 2つの磁性粒子 (8) の磁 気双極子モーメントを回転させるのであるが、 この場合には、 2つの磁気粒子 (8)の一方の磁性粒子 (8A) を中心にしてその周りで他方の磁性粒子(8B) を回転させ、 続いて磁性粒子 (8B) を中心にしてその周りで磁性粒子 (8A) を回転させるといったことを繰り返すことによって、 基材 (7) の表面の凹凸に 関係なく 2つの磁性粒子 (8) をマニピュレートすることができる。
なお、 図 6に 2つの磁性粒子の移動と磁場強度'磁場周波数の関係を示す。 な お、 図 6の横軸は 1粒子の並進速度と 2つの磁性粒子の回転速度の比 ΩΗであり、 縦軸は双極子—双極子相互作用エネルギーと熱エネルギーの比 λであり、 λと Ω
Bはそれぞれ (I) 式おょぴ (I I) 式で表される。
D
ここで、 m、 d、 k、 T、 7?0, ωはそれぞれ、 粒子あるいは粒子に誘起さ れる磁気モーメント、 溶媒の透磁率 (真空の透磁率に等しい)、 粒径、 ボルツマ ン定数、 絶対温度、 溶媒の粘性係数、 回転磁場の角周波数である。
ここで磁気双極子モーメントの大きさ I m Iと磁場 HDの関係は (I I I) 式 のとおりである。
\m\=^md3 XH0 …(I I I) ここで χは磁化率である。
図 6中、黒丸で示した領域で 2つの磁性粒子のマニピュレーションが可能とな り、 白三角の領域では、 2つの磁性粒子の移動はカオティックである。 また Xの 領域では、 2つの磁性粒子は移動しない。
たとえば Τ (絶対温度) = 300 Κ:、 7?。(溶媒の粘性係数) =1X 10"3Pa - sの場合、 図 6中の菱形状の (a) 〜 (c) は下記の条件に対応する。
(a) d (粒径) =5X10- 8m、 χ (磁化率) =4. 4X10- 6HZm、 H0 (磁場) =1. 59 X 105 A/m (B = 0. 2T)、
f (角周波数 /2TC) =ω/ (2 π) =10 ΟΗζ
(b) d = 2Xl (T7m、 % = 4. 4X10- 6H/m、
Η0= 3. 98 X 104A/m (Β=0. 05Τ)、 f =1 ΟΗζ
(c) d = 2X10—6m、 χ = 5. 0X 10- 7HZm、
Η0= 2. 39 X 104A/m (Β = 0. 03Τ)、 f = 1Ηζ
以上の例より明らかなように、 この出願の発明の回転磁場によるマニピユレ一 シヨン方法は、 基材上の磁性粒子含有物質に回転磁場を印加し、 磁性粒子含有物 質に含まれる磁性粒子内の磁気双極子を回転させ、その磁性粒子と基材間の磁気
双極子一磁気双極子相互作用を利用することにより、基材上の磁性粒子含有物質 のマニピユレーションをレーザ一マニピユレーションなどに比べて容易かつ安 価に行うことができ、 また電場によるマニピュレーションのようにすベての粒子 が電気泳動によつて移動するといったことも防止でき、基材上で移動させたい磁 性粒子含有物質のみを移動させることが可能となるのである。
一方、 非磁性粒子の場合、 たとえば、 図 7に示すように、 非磁性基材 (9) 上 の磁性流体 (10) 中に配置された非磁性粒子 (11) (図 7では 3つの非磁性 粒子が鎖状に並んだ状態) に対して回転磁場 (12) を印加することで、 非磁性 粒子 (11) 内に見かけの磁気双極子モーメント (13) を回転磁場 (12) と 反対方向に誘起させ、 非磁性粒子 (11) を非磁性基材 (9) 上で移動させる。 このとき、 磁性流体 (10) としては、 液体溶媒中に 1 nm以上 10 nm以下の 強磁性粒子が分散されているものを好適に用いることができる。
このようにすることによって、 非磁性粒子の場合においても、 磁性粒子含有物 質の場合と同じように回転磁場によりマニピュレートすることができるのであ る。
次に、 実際の実験例をいくつか示す。
図 8の (a) は、 2個の常磁性粒子からなるクラスターのマニピュレーション の実験例を示す。 常磁性粒子としては、 粒径 2. 8 mのマグネ夕イト (Fe3 04) 粒子を用いた。 回転磁場周波数は 1 Hzとした。
図 8 (b) は、 5個の常磁性粒子からなるクラス夕一のマニピュレーションの 実験例を示す。 常磁性粒子としては、 粒径 2. 8 /zmのマグネ夕イト粒子を用い た。 回転磁場周波数は 1 H zとした。
図 8 (c) は、 多数個の常磁性粒子からなるクラス夕一のマニピュレーション の実験例を示す。 常磁性粒子としては、 粒径 2. 8 tmのマグネ夕イト粒子を用 いた。 回転磁場周波数は 0. 1 H zとした。
図 8の (d) は、 2個の非磁性粒子からなるクラスタ一のマニピュレーション の実験例を示す。非磁性粒子としては、 粒径 6. 0 mのポリスチレン粒子を用 いた。 回転磁場周波数は 0. 1 H zとした。 非磁性粒子は磁性流体 (粒径 10 n
mのマグネタイト粒子を水溶媒に分散させたもの) に分散されており、非磁性粒 子内に見かけの双極子が誘起される。
図 9は、 常磁性粒子 (粒径 4. 5 のマグネ夕イト粒子) に沿った鉄原子内 包カーボンナノチューブのマニピュレーションの実験例を示す。回転磁場周波数 は 0. 5 H zとした。
図 1 0は、 赤血球のマニピュレーションの実験例を示す。 2個の常磁性粒子を 赤血球に付着させ、 細胞をマニピュレートすることができる。 常磁性粒子として は、 粒径 2. 0 z mのマグネ夕イト粒子を用い、 赤血球としては羊の赤血球を用 いた。 回転磁場周波数は 0. 5 H zとした。 産業上の利用可能性
以上詳しく説明したとおり、 この出願の発明によって、 磁性粒子含有物質ある いは非磁性粒子を基材上において容易かつ安価にマニピュレートすることので きる、 回転磁場によるマニピュレーション方法が提供され、 生体分子などの様々 な分子を磁性粒子表面に修飾することで分子をマニピユレーションすることが 可能となり、 さらに、 磁性原子内包のフラーレン、 ナノチューブや非磁性粒子の マニピュレーションを行えるようになり、それらのドラッグデリバリ一などへの 応用が期待できる。
Claims
1. 常磁性、 強磁性および反磁性のうちのいずれかの磁性を有する基材およびそ の基材上に配置された常磁性、強磁性および反磁性のうちのいずれかの磁性を有 する磁性粒子を含む磁性粒子含有物質に対して回転磁場を印加することで、前記 磁性粒子内の磁気双極子を回転させて、その磁性粒子と基材間の磁気双極子ー磁 気双極子相互作用によりその磁性粒子を含む磁性粒子含有物質を基材上で移動 させることを特徴とする回転磁場によるマニピュレーション方法。
2. 基材上で移動させる磁性粒子含有物質に含まれる磁性粒子が常磁性または強 磁性を有する場合に、 その基材を、 常磁性または強磁性を有する基材とすること を特徴とする請求の範囲 1記載の回転磁場によるマニピュレーシヨン方法。
3. 基材上で移動させる磁性粒子含有物質に含まれる磁性粒子が反磁性を有する 場合に、 その基材を、 反磁性を有する基材とすることを特徴とする請求の範囲 1 記載の回転磁場によるマニピユレ一ション方法。
4. 磁性粒子の粒径が 1 nm以上であることを特徴とする請求の範囲 1ないし 3 いずれかに記載の回転磁場によるマニピユレーション方法。
5. 回転磁場の回転方向を変えることにより基材上での磁性粒子含有物質の移動 方向を変えることを 徵とする請求の範囲 1ないし 4いずれかに記載の回転磁 場によるマニピユレーション方法。
6. 単一の磁性粒子を、 その磁性粒子の半径以上のオーダ一の凹凸を有する基材 上で移動させることを特徵とする請求の範囲 1ないし 5いずれかに記載の回転 磁場によるマニピュレーション方法。
7. 磁性粒子含有物質が、 単一の磁性粒子、 複数の磁性粒子、 磁性粒子のクラス ター、磁性原子内包のフラーレンおよび磁性原子内包ナノチューブのうちのいず れかであることを特徵とする請求の範囲 1ないし 6いずれかに記載の回転磁場 によるマニピユレーション方法。
8.非磁性基材上の磁性流体中に配置された非磁性粒子に対して回転磁場を印加 することで、前記非磁性粒子内に見かけの磁気双極子モーメントを回転磁場と反 対方向に誘起させ、非磁性粒子を非磁性基材上で移動させることを特徵とする回 転磁場によるマニピユレーション方法。
9.磁性流体が液体溶媒中に 1 nm以上 1 0 nm以下の強磁性粒子が分散されて いるものであることを特徵とする請求の範囲 8記載の回転磁場によるマニピュ レ一シヨン方法。
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