(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から誘電泳動により捕捉対象粒子を分離する方法であって、
基板上に設けられた少なくとも２つの電極間に交流電圧を印加して不均一電界を形成させることにより、前記粒子群を誘電泳動させて前記電極間付近の基板面に接触させるように前記粒子群を引き寄せ、
前記基板上の前記電極間に設けられた流動発生手段により局所的な流動を発生させることにより、前記捕捉対象粒子以外の誘電泳動力の低い粒子を前記電極間付近から排除し、捕捉対象粒子を前記電極間付近に捕捉することを特徴とする粒子の分離方法。
【請求項２】
前記粒子群を前記電極間付近に引き寄せた後に、前記局所的な流動を発生させることを特徴とする請求項１に記載の粒子の分離方法。
【請求項３】
前記不均一電界を形成する前に、前記懸濁液を前記電極に接触させる工程と、
前記捕捉対象粒子以外の粒子を前記電極間付近から排除した後に、前記捕捉対象粒子以外の粒子を含む液体を回収する工程と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子の分離方法。
【請求項４】
前記流動が、加熱による対流であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの請求項に記載の粒子の分離方法。
【請求項５】
前記対流は、前記基板上であって前記電極間に設けられた加熱素子によるものであることを特徴とする請求項４に記載の粒子の分離方法。
【請求項６】
前記捕捉対象粒子は、細胞又は微生物であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの請求項に記載の粒子の分離方法。
【請求項７】
前記補足対象粒子が血球細胞であって、前記血球細胞と細菌と分離するものである請求項１乃至５のいずれかに記載の粒子の分離方法。
【請求項８】
少なくとも二種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から誘電泳動力の差を利用して捕捉対象粒子を捕捉する装置であって、
前記懸濁液を保持するチャンバーと、
前記チャンバーを構成する基板上に設置され、交流電圧を印加することにより不均一電界を発生し、前記粒子群を誘電泳動させて基板面に接触させるように引き寄せる少なくとも２つの電極と、
前記基板上であって前記電極間に設けられ、前記電極間付近に局所的な流動を発生させる流動発生手段と、を有し、
前記捕捉対象粒子以外の誘電泳動力の低い粒子を前記電極間付近から前記流動によって排除し、捕捉対象粒子を前記電極間付近に捕捉することを特徴とする粒子の分離装置。
【請求項９】
さらに、前記懸濁液を前記チャンバー内に注入するための流入口と、前記捕捉対象粒子以外の粒子を含む液体を回収するための流出口とを有することを特徴とする請求項８に記載の粒子の分離装置。
【請求項１０】
前記流動発生手段が、加熱素子、圧電素子、微小ポンプ若しくは微小モータ、又は局所的に加熱可能なレーザー局所加熱手段であることを特徴とする請求項８又は９に記載の分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも二種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から誘電泳動を利用して捕捉対象粒子を分離する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、誘電泳動力を作用させて懸濁液中の複数の粒子からなる粒子群から特定の粒子を分離する場合、捕捉対象となる粒子（以下、捕捉対象粒子という）の種類に応じて周波数を選択することで、粒子群に正の誘電泳動力を作用させ電極に捕捉したり、負の誘電泳動力を作用させて電極から排除したりすることが可能である。しかし、例えば、血球細胞と微生物が混在している懸濁液では、ある血球細胞には正の誘電泳動力を作用させ、他の微生物には負の誘電泳動力を作用させるというようなことはできず、各粒子の種類毎に誘電泳動力の正負の振り分けを一般化することができない。したがって、血球細胞や微生物固有の誘電特性を利用して、特定の血球細胞や微生物のみに選択的に正または負の誘電泳動力を作用させて分離することは難しい。しかし、正負の振り分けは難しいものの、電界を特定の周波数で変化させると、それぞれの分極率の違いに起因する異なる誘電泳動力を血球細胞や微生物に作用させることができるため、この誘電泳動力の差により各粒子の種類に応じて分離することができる。
【０００３】
特許文献１又は２では、一定の速度で流れてくる粒子の誘電泳動力の差を利用し、出口に到達する時間の差から粒子の分離を行っている。
【０００４】
また、特許文献３では、懸濁液中に存在する複数種類の粒子を一度電極に捕捉し、抗体を結合させることで誘電特性を選択的に変化させる。その後、流動作用を加えることにより、抗体と特異的に反応した特定の粒子だけを流動させ分離精度を向上させている。
【特許文献１】特表平７−５０５７１７号公報（特許第３１８２１５１号明細書）
【特許文献２】特開平５−１２６７９６号公報
【特許文献３】特開２００３−２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１又は２に記載の方法では、特定の粒子を分取するためには正確な流速調整が必要である。さらに、分離対象液体のスタート位置を明確に決めないと粒子を正確に分離できない。
【０００６】
また、特許文献３の記載の方法では、特定の抗体を選定する必要がある。特定の抗体の選別は困難であるため、分離対象が限定される。
【０００７】
以上より、本発明の目的は、少なくとも２種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から捕捉対象粒子を分離する方法であって、流速調整等が不要で、且つ抗体などの処理が不要な特定の粒子を捕捉して分離する方法、および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る粒子の分離方法は、
少なくとも二種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から誘電泳動により捕捉対象粒子を分離する方法であって、
基板上に設けられた少なくとも２つの電極間に交流電圧を印加して不均一電界を形成させることにより、前記粒子群を誘電泳動させて前記電極間付近の基板面に接触させるように前記粒子群を引き寄せ、
前記基板上の前記電極間に設けられた流動発生手段により局所的な流動を発生させることにより、前記捕捉対象粒子以外の誘電泳動力の低い粒子を前記電極間付近から排除し、捕捉対象粒子を前記電極間付近に捕捉することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る粒子の分離装置は、
少なくとも二種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から誘電泳動の差を利用して捕捉対象粒子を捕捉する装置であって、
前記懸濁液を保持するチャンバーと、
前記チャンバーを構成する基板上に設置され、交流電圧を印加することにより不均一電界を発生し、前記粒子群を誘電泳動させて基板面に接触させるように引き寄せる少なくとも２つの電極と、
前記基板上であって前記電極間に設けられ、前記電極間付近に局所的な流動を発生させる流動発生手段と、を有し、
前記捕捉対象粒子以外の誘電泳動力の低い粒子を前記電極間付近から前記流動によって排除し、捕捉対象粒子を前記電極間付近に捕捉することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電極間付近に局所的な液体の流動を発生させることで、電極間付近に引き寄せられた不要な粒子を除去できる。これにより、流速調整が不要で、抗体等を用いることなく、簡便且つ精度良く、特定の粒子を選択的に捕捉し、懸濁液中の粒子を分離することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
誘電泳動は一般的に周知であるので詳細な説明は省略し、簡潔に説明する。誘電泳動とは、粒子の電導率及び誘電率と媒質の電導率及び誘電率と、印加する交流電圧の周波数との相互作用により、不均一な電界内で粒子が移動する現象のことであり、この際に粒子に働く力を誘電泳動力と呼ぶ。また、誘電泳動力は、粒子が電界の強い方へと移動する正の誘電泳動力と電界の弱い方へと移動する負の誘電泳動力の２種類に分けられる。粒子の種類に応じて周波数を選択すると、正の誘電泳動力を作用させて捕捉したり、負の誘電泳動力を作用させて排除することも可能である。
【００１２】
つまり、粒子に高周波の交流電圧を印加すると、これによって発生する交流電界の作用により、粒子は最も電場が強くかつ不均一な部分に向かって泳動する正の誘電泳動が発生する。そして、誘電泳動力Ｆは、電場Ｅ、粒子の比誘電率εp、粒子を含んでいる溶液の比誘電率εm、粒子を球形と見なしたときの半径ａ、円周率π、パラメータＲｅとすると、以下のような式で示される。
【００１３】
【数１】
0005527936.tif 000002
【００１４】
この式は、誘電泳動による力が、電位勾配、懸濁液の比誘電率と粒子の比誘電率との差などの影響を受けることを示している。
【００１５】
本発明に係る粒子の分離方法は、この誘電泳動力を利用して懸濁液中の粒子群を少なくとも２つの電極間付近に引き寄せつつ、該電極間付近に局所的な流動を発生させることにより、電極に近づく又は捕捉された粒子群をその流動により排除することにより、誘電泳動力の強い粒子のみを選択的に電極に捕捉し、粒子の分離を行うものである。
【００１６】
したがって、本発明に係る粒子の分離方法は、
少なくとも二種類の粒子からなる粒子群を含む懸濁液から誘電泳動により捕捉対象粒子を分離する方法であって、
基板上に設けられた少なくとも２つの電極間に交流電圧を印加して不均一電界を形成し、前記粒子群を誘電泳動させ、前記電極間付近に前記粒子群を引き寄せ、前記電極間付近に局所的な流動を発生させることにより、
前記捕捉対象粒子以外の粒子を前記電極間付近から排除し、捕捉対象粒子を前記電極間付近に捕捉することを特徴とする。
【００１７】
（粒子）
粒子は、細胞、細胞内小器官、真菌、放線菌、細菌、ウイルス若しくは核酸等の生物由来物質、無機質、結晶若しくは合成粒子等の無機物質、又は油中の微細な水滴等の液体や気泡等の気体を広く含む概念として用いられている。特に限定されるものではないが、生物由来物質としては、さらに具体的には、例えば、ヌクレオチド鎖、染色体、ペプチド鎖、蛋白質、免疫グロブリン、血清蛋白質、抗体、抗原、脂質、培養した動植物細胞、精子、核酸、タンパク質、糖鎖又は微生物等が挙げられる。無機物質としては、例えば、シリカ、アルミナ等の酸化物、金、チタン、鉄若しくはニッケル等の金属、アガロース、セルロース若しくは不溶性デキストラン等の多糖類、セラミック等の無機酸化物、又は、ポリマーラテックス、ポリスチレン若しくはスチレン‐ブタジエン共重合体等の高分子化合物等が挙げられる。本発明では、特に血球細胞等の細胞や細菌や真菌等の微生物を対象とする場合に有効である。
【００１８】
（懸濁液）
本発明における懸濁液とは、前記少なくとの二種類の粒子からなる粒子群を含む液体のことであり、例えば、血清、血漿、髄液、滑液、リンパ液等の体液若しくは尿、糞便のような排泄物等の生体由来試料、又はその処理物等が挙げられる。処理物としては、例えばこれら生体由来試料を水や緩衝液等で適宜希釈等したもの、あるいはこれら生体由来試料に由来する粒子を水や緩衝液等に適宜溶解又は懸濁させ、再構成して得られたもの等が挙げられる。
【００１９】
（電極）
本発明における電極は、粒子群に誘電泳動力を発生させるための不均一電界を形成する少なくとも２つの電極であり、基板上で平面対向した薄膜対向型電極である。薄膜対向型電極は、基板上に薄膜状に設けられた一対の電極が平面対向したものであり、例えばスクリーン印刷法やフォトリソグラフィーになどによる薄膜形成法により形成することができる。
【００２０】
薄膜対向型電極として、例えば、図２に示すような櫛歯型電極を挙げることができる。櫛歯型電極は、櫛のように歯（例えば３０μｍ〜１００μｍ幅）を形成された一対の電極がそれぞれの溝に入れ子状に挿入され組み合わされた対向電極である（図２参照）。櫛歯型電極をはじめとする薄膜対向型電極では、誘電泳動のための電圧を印加すると、対向電極間に不均一電界が形成され、前記粒子群はこの薄膜対向型電極が設けられた基板側に引き寄せられることになる。特に電極間付近の電界がもっとも強くなるため、主に電極の間が粒子を捕捉する部分（捕捉部）となる。なお、詳細には、電極のエッジ部分が最も電界密度が強く不均一電界となる。電極エッジ部に細胞が付くと細胞部分が不均一電界となる。結果的に、細胞は電極間に集まる。
【００２１】
本発明における電極の間には、後述の流動発生手段が設けられ、その流動発生手段は捕捉部に流動を発生させる。櫛歯型電極の場合、例えば図１乃至３に示すように、流動発生手段は基板上であって各電極間に設置することができる。このように設置することで、電極間付近に局所的に流動を発生させることができる。
【００２２】
電極の間隔は、例えば１μｍ〜１０００μｍとすることができ、捕捉対象とする粒子の大きさにより最も適当な値を選択するのが望ましい。捕捉対象が細菌の場合は、０．１μｍ〜１００μｍとすることが好ましく、１μｍ〜１０μｍとすることがより好ましい。捕捉対象が細胞の場合は、１０〜１０００μｍとすることが好ましく、５０μｍ〜５００μｍとすることがより好ましい。
【００２３】
電極の材料としては、電極として使用可能な公知材料であれば特に限定されるものではないが、例えばクロムや白金等の金属、カーボン等の導電性材料又はＩＴＯ等の透明電極等を挙げることができる。また、電極は、スクリーン印刷法やフォトリソグラフィー法などを組み合わせた薄膜形成法により形成することができる。具体的には、ガラス基板やプラスチック基板等の基板にスパッタリングや蒸着、メッキ等で成膜し、フォトリソグラフィー法等でエッチングして形成することができる。なお、電極の材料は、交流電圧を印加したとき電気分解が生じないイオン化傾向の小さい金属が好ましい。
【００２４】
例えば、電極を櫛歯型電極とした場合、電極の厚さは１μｍ〜１００μｍが好ましく、電極の幅は１００μｍ〜１０００μｍが好ましい。
【００２５】
また、電極は、誘電泳動を発生させるための交流電圧を印加する電源と繋がって形成される。交流電圧の周波数は、捕捉対象粒子に正の誘電泳動を行わせるように、懸濁液の誘電率も考慮して、値を適宜選択することが望ましい。捕捉対象粒子が微生物の場合、とくにその細胞質導電率に応じて周波数を選択すると、正の誘電泳動力を作用させて捕集することが可能である。通常は、事前検討を行い、最適に選択された単一の周波数の交流電圧を電極間に付与する。また、捕捉対象が細胞や微生物の場合、周波数は１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚが好ましく、１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚがより好ましい。なお、粒子群が受ける誘導泳動力は懸濁液のｐＨや導電率や電圧の周波数等の影響を受けるため、これらを考慮して分離条件を選択することが望ましい。
【００２６】
（流動発生手段）
流動発生手段は、前記電極間付近（特に電極間）に局所的に流動を発生させるものである。この流動により、誘電泳動力が弱い粒子を電極間付近に近づけ難くしたり、引き寄せられたとしても電極間付近から排除したりすることができる。
【００２７】
流動発生手段は、前述のように、基板上であって前記電極間に設けることができる。電極が櫛歯型電極の場合、例えば図１乃至３に示すように、流動発生手段は基板上であって各電極間に設置することができる。このように設置することで、電極間付近に局所的に流動を発生させることができる。
【００２８】
流動発生手段としては、電極間付近に対流を発生できるものなら特に制限されずに用いることができ、例えば加熱素子、圧電素子、微小ポンプ又は微小モータ等を挙げることができる。また、レーザーの局所加熱により電極間付近に対流を発生させてもよい。加熱素子の場合、例えばペルチェ素子を櫛歯型電極間に配置する構成とすることができる。圧電素子としては、例えば圧電体を２枚の電極で挟んだ素子（ピエゾ素子）が前記電極間にくるように配置する構成とすることができる。微小ポンプ、微小モータの場合、圧電素子と同様、誘電泳動用電極の下層側に微小ポンプ、微小モータのデバイスを配置する構成とすることができる。レーザー局所加熱手段による場合、前記電極間にレーザー吸収部を配置し、外部からレーザー照射し、電極間のみを局所的に加熱可能な構成とすることができる。
【００２９】
加熱素子としては、特に限定されるものではないが、例えば抵抗体としてペルチェ素子を用いることができる。例えば、前述のように電極が櫛歯型電極の場合、電極間であって基板上に、ペルチェ素子を設けることができる（例えば図１）。この構成とすることにより、捕捉部に熱対流を発生させることができる。
【００３０】
（実施形態）
次に、図１及び図２を用いて本発明の実施形態における装置構成の一例を説明する。流動発生手段となる加熱部と誘電泳動用の電極部は、基板１上に、加熱部２、加熱部２を覆う絶縁層３、電極Ａ４及び電極Ｂ５が積層されて形成されている（図１）。基板の材料としては、特に限定されるものではなく、公知の材料、例えば石英やプラスチック等を用いることができる。なお、本実施形態における装置構成では、流動発生手段を加熱部としたがこれに限定されるものではない。
【００３１】
電極は、電極Ａ４と電極Ｂ５との間に捕捉部１０を有する薄膜対向型電極である。該薄膜対向型電極は、図２に示すように、櫛歯型電極とすることが好ましい。電極の幅は例えば１０〜１０００μｍとすることができる。また、電極の間隔（電極Ａ４と電極Ｂ５との間隔）は、例えば１〜１０００μｍとすることができる。この電極の間隔、即ち捕捉部１０の幅は、懸濁液中の捕捉対象粒子の大きさにより必要に応じて調整できる。例えば、捕捉対象粒子が血球細胞のような大きなものである場合には広くし（例えば５０〜５００μｍ）、細菌のような小さいものである場合には狭く（例えば１〜１０μｍ）することができる。しかし、電極の間隔が広くなりすぎると電場が小さくなり誘電泳動力が弱くなるため、粒子群を移動させることや捕捉対象粒子を捕捉することが難しくなるケースが考えられる。一方、狭すぎると大量の粒子を捕捉することが難しくなるケースが考えられる。したがって、電極の間隔は、捕捉対象粒子や懸濁液の特性、装置構成等を考慮して適宜調整することが好ましい。例えば、本発明の実施例で使用した血球細胞（約１０μｍ）と細菌（０．５〜１μｍ）の場合、電極の間隔の好ましい範囲は１００〜２００μｍである。また、電極の材料としては例えば金属やカーボン、ＩＴＯなどを用いることができる。さらに、例えばスクリーン印刷法やフォトリソグラフィー法などを組み合わせた薄膜形成法により形成できる。
【００３２】
なお、捕捉対象粒子は一種類である必要はなく、二種類以上の場合もある。
【００３３】
加熱部２は、例えば薄膜型の微小ヒータを用いることができる。そして、加熱部２は、基板上でかつ前記薄膜対向型電極の各電極間に配置される（即ち捕捉部１０の基板側面）に配置される。加熱部の幅は、例えば１〜５００μｍとすることができるが、電極の間隔を考慮して適当に調整されることが望ましく、電極の間隔内であることが好ましい。
【００３４】
また、加熱部２の材料としては、例えば金属やカーボン、ＩＴＯなどを用いることができる。また、電極同様、例えばスクリーン印刷法やフォトリソグラフィー法などを組み合わせた薄膜形成法により形成することができる。なお、加熱部は微小ヒータに限定されるものではなく、例えば、レーザーによる局所加熱などにより熱対流を発生させてもよいし、圧電素子や微小モータなどにより対流を発生させてもよい。
【００３５】
加熱部２は、溶液を熱対流させる温度に適宜設定することができ、特にその温度は限定されるものではない。温度を高くすることにより熱対流を速くすることができるが、粒子の性質により、温度を高くしすぎると粒子が変形してしまう場合がある。一方、温度が低すぎると有効な熱対流を得られない場合がある。したがって、粒子や誘電泳動力、周波数等の条件を考慮して適宜設定することが望ましい。例えば、５０〜１００℃とすることができ、血球細胞だと５０〜７０℃とすることが好ましい。
【００３６】
絶縁層３は、加熱素子２と電極Ａ，Ｂ（４，５）を電気的に絶縁できる材料であればよく、特に限定されるものではないが、半導体分野で一般的に使用されているシリコン酸化膜などの無機絶縁体や樹脂材料などの有機絶縁体が挙げられる。絶縁層３は、流動発生手段の種類に応じて電極との絶縁の必要が無ければ特に設ける必要はない。絶縁層を設ける場合、その厚みはエポキシ及びポリイミドでは、１０μｍ程度（最厚で３０μｍ、最薄で１μｍ）とすることができる。シリカまたはアルミナでは、サブミクロン程度（最厚で２〜３μｍ、最薄で５ｎｍ）とすることができる。
【００３７】
液体保持部１１は、加熱部２と電極部が配置された基板上に、例えばスペーサー６とカバー７とにより形成することができ、簡易な構造とすることができる。スペーサー６とカバー７の厚さは、例えば０．１〜０．５ｍｍとすることができる。
【００３８】
粒子群を含む懸濁液は、例えば、カバー７に設けられた流入口８から供給し、液体保持部１１で保持され、流出口９から回収することができる。
【００３９】
上記の装置構成とすることで、加熱部２により捕捉部１０（つまり電極間付近）に熱対流を発生させることができる。したがって、誘電泳動力が弱い粒子を捕捉部１０に近づけ難くすることができ、誘電泳動力が強い捕捉対象粒子を選択的に捕捉することができる。また、一旦粒子群を電極間に引き寄せた後、熱対流を発生させることで、誘電泳動力が弱い粒子を捕捉部１０から放出させることができる。したがって、捕捉対象粒子を選択的に捕捉部１０に捉えることができ、粒子の分離が可能となる。
【００４０】
なお、流入口から流出口に向かって懸濁液を流しながら、場合によっては懸濁液を循環させながら分離を行うこともできる。しかし、本発明では、懸濁液をチャンバー内（液体保持部１１）に注入した後、まず、静置状態で捕捉対象粒子を捕捉し、その後、捕捉対象粒子以外の粒子を含む懸濁液を回収することが好ましい。
【００４１】
さらに、静置状態で捕捉対象粒子を捕捉した後、追加の液（懸濁液又は粒子群を含まない液媒体）を流入口８からチャンバー内に導入し、捕捉対象粒子以外の粒子群をチャンバー外に回収することもできる。また、回収目的が捕捉対象粒子である場合、捕捉対象粒子以外の粒子群をチャンバー外に排出した後、電極間への電圧印加を停止して捕捉対象粒子を含む液体を回収することができる。捕捉対象粒子以外の粒子群をチャンバー外に排出する際に、捕捉対象粒子の一部もチャンバー外に排出される場合もあるが、このような捕捉対象粒子を含む排出液を回収して再度チャンバー内に導入し、処理を繰り返すことで捕捉対象粒子の回収率を高めることができる。
【００４２】
なお、本発明では、まず、正の誘電泳動により複数種類の粒子群を一旦電極間付近に引き寄せた後に、流動を発生させることもできる。
【００４３】
ここで、特定の粒子を選択的に捕捉する方法、特に誘電泳動する粒子と熱対流による粒子の流れについてさらに詳細に説明する。なお、熱対流の場合について説明するが、特に本発明における流動が熱対流に限定されるものではない。
【００４４】
図３は、誘電泳動する粒子群と熱対流による粒子群の流れを示す概念図であり、誘電泳動及び熱対流を発生させた直後の状態を表している。電極部に高周波の交流電圧、加熱部２の例えば直流電圧を印加する。そうすると、正の誘電泳動により粒子Ａ（１２）及び粒子Ｂ（１３）が共に捕捉部１０に集まる。しかし、加熱部２により発生した熱対流があるため、誘電泳動力が弱い粒子Ｂ（１３）はその熱対流により浮遊し、捕捉部１０から離れる。一方、誘電泳動力が強い粒子Ａ（１２）は熱対流により浮遊せず捕捉部１０に捕捉される。
【００４５】
印加する交流電圧は、粒子群と懸濁液のそれぞれの誘電特性を考慮して適宜選択することが望ましい。例えば、粒子群が血球細胞と細菌であって（捕捉対象粒子は血球細胞）、懸濁液の導電率が低い場合（例えば１５ｍＳ/ｍ以下）で、１０Ｖｐｐ以上５０Ｖｐｐ以下で、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚであることが好ましい。
【００４６】
図４は、誘電泳動と熱対流を発生させてからある程度時間が経過した後（例えば数秒後）の状態を表している。誘電泳動と熱対流の発生を続けることにより、懸濁液中の粒子Ａ（１２）が捕捉部１０に捕捉され、粒子Ｂ（１３）は懸濁液中に浮遊し、粒子Ａ（１２）と粒子Ｂ（１３）が分離される。
【００４７】
なお、流出口９から排出・回収した粒子群を含む液体については、電気や光などの検出手段を用いることで粒子群の濃度や種類の特定や状態の把握などをすることができる。また、回収した捕捉対象粒子が微生物や細胞の場合、核酸の抽出などができる。さらに、回収した捕捉対象粒子が核酸の場合、ＰＣＲ法により回収した核酸の増幅ができる。
【００４８】
電解質濃度が高い場合電界強度が低下するため、電解質濃度は低い方が好ましい。よって、ポリスチレンなどの粒子は、電解質濃度を下げて（溶液の導電率を下げて）電界強度を強くした方が誘電泳動力が強く働くので、捕捉には適している。一方、細胞などの場合は、上記の理由でやはり電解質濃度を下げる必要があるが、機能維持のためある程度塩濃度を調整することができる。また、浸透圧は例えばマンニトールなどで調整することができる。血球の場合、高電解質の血液中にあるが、血液ダイレクトでは誘電泳動は難しいので、上記方法で希釈する。しかし、希釈効率を考えた場合、塩濃度が多少高い溶液でも使用できる方がよい。電解質濃度が高い場合は、電界強度を上げるため電圧を上げる（不均一の電界強度なので、電極間隔を短くすることも有効）必要がある。また、最適な周波数も変わる。ただ、電解質濃度が高くて電圧を上げると、電極付近で熱対流が発生する。本方法は、誘電泳動で捕捉する力と対流の力で分離する。各パラメータの範囲については、電極構成（電極形状と電極間距離）と分離粒子の種類によると思われる。今回の実施例（粒子が血球と細菌）でいえば、本電極構成の場合、熱対流を起こすには、３０ｍＳ/ｍ以上、捕捉するための誘電泳動力を得るには、数ＭＨｚで、５０Ｖｐｐ以上（上限は装置限界まで）で、１５０ｍＳ/ｍ以下である。
【００４９】
さて、図１、図２で示した装置構成において、図３、図４で示した粒子の選択的捕捉による粒子懸濁液中の粒子の分離方法は、一般的に誘電泳動が利用できる低電解質溶液を主体としている。すなわち導電率が低い粒子懸濁液を用いた場合に、電極部で誘電泳動を発生させ、加熱部２で熱対流を発生させる方法である。しかし、誘電泳動時には電極間に強い電界が生じるため、印加する電圧と周波数、粒子懸濁液の電解質濃度によっては電極間で熱が発生する。つまり、電解質濃度の高い溶液を用いた場合には、電極部で誘電泳動と熱対流が同時に発生する場合がある。その場合について、以下でさらに説明する。
【００５０】
図５及び図６に本発明の実施の形態における装置構成を説明する。誘電泳動用の電極部は、石英基板１上に電極４及び電極５が形成されている。
【００５１】
電極部は、一方の極４と他方の極５との間に捕捉部１０を有する薄膜対向型電極である。電極の間隔は、例えば１〜５００μｍとすることができる。電極の間隔、即ち捕捉部１０の幅は、懸濁液中の粒子の大きさにより必要に応じて調整することができる。例えば、血球細胞のような大きなものでは広く、細菌のような小さいものは狭くするように、捕捉対象となる粒子に合わせて調整することができる。しかし、電極の間隔が広くなりすぎると電場が小さくなり誘電泳動力が弱く電極間での熱対流の発生も弱くなるため、誘電泳動により粒子を移動させることや捕捉することや対流により粒子を浮遊させることが難しくなる。一方、狭すぎると大量の粒子を捕捉することが難しくなる。本発明の実施例で使用する血球細胞と細菌の場合、より好ましくは１００〜２００μｍである。また、電極は、上記の実施形態と同様のものを使用することができる。
【００５２】
液体保持部１１は、電極４，５が配置された基板上に厚さ０．１〜０．５ｍｍのスペーサー６とカバー７とに囲まれた空間により形成され、簡易な構造となっている。
【００５３】
粒子を含む粒子懸濁液は、カバー７に設けられた流入口８から供給し、液体保持部１１で保持され、流出口９から回収することができる。
【００５４】
この装置構成により、電極部で誘電泳動と熱対流が同時に発生した場合、正の誘電泳動により粒子が集まる捕捉部から熱対流が発生し、粒子懸濁液中の粒子で誘電泳動力が弱い粒子は捕捉部から除去することができる。また、特定の粒子を選択的に捕捉した後、除去した粒子のみを回収することができる。回収した粒子を含む溶液は、電気や光などの検出手段を用いることで濃度や種類の特定や状態の把握などができる。また、回収した粒子が微生物や細胞の場合、核酸の抽出などができる。さらに、回収した粒子が核酸の場合、ＰＣＲ法により回収した核酸の増幅ができる。
【００５５】
ここで、本発明における特定の粒子を選択的に捕捉し粒子懸濁液中の粒子を分離する方法についてさらに詳細に説明する。図７は、誘電泳動と熱対流を発生させた直後の状態を表している。電極部に高周波の交流電圧を印加する。正の誘電泳動により粒子Ａ１２及び粒子Ｂ１３が共に捕捉部１０に集まる。同時に発生した熱対流により粒子Ａ１２より誘電泳動力が弱い粒子Ｂ１３は対流により浮遊し捕捉部１０から離れる。一方、粒子Ａ１２は対流により浮遊せず捕捉部１０に捕捉される。
【００５６】
なお、印加する交流電圧は、粒子と粒子懸濁液のそれぞれの誘電特性による。例えば、本発明の実施例で使用する粒子が血球細胞と細菌で、粒子懸濁液が一般的に誘電泳動で使用される溶液よりも電解質が高く導電率が３０ｍＳ／ｍ以上の場合で、５０Ｖｐｐ以上、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである。図８は、誘電泳動と熱対流を発生させ数秒後の状態を表している。誘電泳動と熱対流の発生を続けることにより、粒子懸濁液中の粒子Ａ１２が捕捉部１０に捕捉され、粒子Ｂ１３は懸濁液中に浮遊し、粒子Ａ１２と粒子Ｂ１３が分離される。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例を用いて本発明に係る粒子の分離方法について詳細に説明する。なお、ここに示す実施例は、本発明の最良の実施形態の一例ではあるものの、本発明は、これら実施例により限定されるものではない。
【００５８】
電極及び加熱部は、基材上に金属を蒸着又は堆積させ、次に、エッチングを施して所望の電極パターン及び加熱部をもたらすことにより形成することができる。シリコンゴムとガラスやポリカーボネイトで所望の流路が形成された潅流チャンバを電極及び加熱部が形成された基材上に圧着（吸着）させる。
【００５９】
（実施例１）
本実施例で使用した装置構成は、図１及び２に示したものであり、例えば石英等の基板１上に、流動発生手段としての加熱部２と絶縁層３、そして誘電泳動用の電極Ａ４及び電極Ｂ５（薄膜対向型電極）が積層され形成されている。電極幅は１００μｍで、電極Ａ４と電極Ｂ５との間隔（電極の間隔）は１００μｍである。つまり、捕捉部１０の幅も１００μｍである。加熱部２は、幅５０μｍの微小ヒータであり、捕捉部１０の下方であって基板１の上に配置される。微小ヒータはペルチェ素子を用いた。なお、微小ヒータは白金薄膜抵抗体などでも可能である。スペーサーは厚さ０．５ｍｍのシリコンゴム製であり、カバー７はガラス製である。
【００６０】
懸濁液は、流入口８から供給される。そして、捕捉対象粒子を選択的に捕捉した後、捕捉部１０に捕捉されなかった粒子を含む液を流出口９から回収する。
【００６１】
次に、本発明で使用した粒子群及び液媒体について説明する。本実施例で用いた粒子群は、代表的な白血球細胞であるヒト骨髄球性白血病細胞Ｋ５６２と、代表的な微生物でグラム陰性のＥｓｃｅｒｉａ．ｃｏｌｉ（Ｅ．ｃｏｌｉ）とからなる。また、液媒体は細胞の誘電泳動で一般的に用いられる非電解質のスクロース溶液に、ウシ胎児血清（Ｆｅｔａｌ  Ｂｏｖｉｎｅ  Ｓｅｒｕｍ；ＦＢＳ）を加えて導電率の調整を行ったものを用いた。なお、血液と同等の浸透圧とするため、スクロース溶液の濃度は９．５８ｗ／ｖ％とした。調整した液媒体の導電率と血清濃度、塩濃度の関係を表１に示す。
【００６２】
【表１】
0005527936.tif 000003
【００６３】
これらの液媒体にＫ５６２細胞を１０6個／ｍｌ、Ｅ．ｃｏｌｉを１０4個／ｍｌとなるように添加し、懸濁液を調製した。
【００６４】
次に、導電率が１５ｍＳ／ｍの懸濁液を流入口８から液体保持部１１に供給し、懸濁液を電極に接触させた。次に、電極に交流電圧２０Ｖｐｐ、１ＭＨｚ、加熱部２に直流電圧（５Ｖ）を印加した。時間の経過と共に溶液中の粒子（Ｋ５６２細胞）は捕捉部１０に補足された。一方、Ｅ．ｃｏｌｉは捕捉部１０には捕捉されずに溶液中に浮遊した。また、Ｋ５６２細胞を補足した後、溶液を流出口９から回収することにより、Ｋ５６２細胞が除かれＥ．Ｃｏｌｉが浮遊している溶液を得た。なお、確認は、血球計算板を使用し、顕微鏡により目視観察により行った。
【００６５】
また、０．５ｍＳ／ｍの懸濁液を流入口から供給し、電極に交流電圧１０Ｖｐｐ、周波数１ＭＨｚ、加熱部に直流電圧（５Ｖ）を印加したところ、１５ｍＳ／ｍの懸濁液の場合と同様に、Ｋ５６２細胞が除かれＥ．Ｃｏｌｉが浮遊している溶液を得ることができた。
【００６６】
また、２７ｍＳ／ｍの懸濁液を流入口から供給し、電極に交流電圧３０Ｖｐｐ、周波数１ＭＨｚ、加熱部に直流電圧（５Ｖ）を印加したところ、１５ｍＳ／ｍの懸濁液の場合と同様に、Ｋ５６２細胞が除かれＥ．Ｃｏｌｉが浮遊している溶液を得ることができた。
【００６７】
（実施例２）
本発明の実施の形態２で使用した装置構成は図５、図６で示したものである。誘電泳動用の電極部は、石英基板１上に、電極Ａ４及び電極Ｂ５が形成されている。電極幅は１００μｍで、一方の電極Ａ４と他方の電極Ｂ５との間隔は１００μｍである。検体（粒子）を含む検体懸濁液は、流入口８から供給し、電極部が配置された基板上に厚さ０．５ｍｍのシリコンゴム製のスペーサー６とガラスのカバー７とに囲まれた空間に保持される。特定の検体を選択的に捕捉した後、捕捉部に捕捉されなかった検体を含む検体懸濁液は、流出口９から回収する。この装置構成で、正の誘電泳動と同時に捕捉部１０から熱対流を同時に発生させ、検体懸濁液中の検体で誘電泳動力が弱い検体は捕捉部から除去することができる。また、特定の検体を選択的に捕捉した後、除去した検体のみを回収することができる。
【００６８】
次に、本発明で使用した検体懸濁液について説明する。本実施例で用いた検体は実施例１で記載したものと同じである。液媒体は、細胞の誘電泳動で一般的に用いられる非電解質のスクロース溶液に、ウシ胎児血清（Ｆｅｔａｌ  Ｂｏｖｉｎｅ  Ｓｅｒｕｍ；ＦＢＳ）を加えて下記表２に示すように導電率の調整を行ったものを用いた。なお、血液と同等の浸透圧とするため、スクロース溶液の濃度は９．５８ｗ／ｖ％とした。調整した液媒体の導電率と血清濃度、塩濃度の関係を表２に示す。
【００６９】
【表２】
0005527936.tif 000004
【００７０】
これらの液媒体に、Ｋ５６２細胞を１０6個／ｍｌ、Ｅ．ｃｏｌｉを１０4個／ｍｌとなるように調整し、検体懸濁液を調製した。
【００７１】
次に、本発明における特定の検体を選択的に捕捉する方法について説明する。実施例１よりも導電率が高い５６、１１０及び１３１ｍＳ／ｍの検体懸濁液を使用した。これらの検体懸濁液を流入口８から供給し、電極部が配置された基板上にシリコンゴム製のスペーサー６とガラスのカバー７とに囲まれた空間に保持した。次に、電極部に交流電圧５０Ｖｐｐ、１ＭＨｚを印加した。時間の経過と共に検体懸濁液中のＫ５６２細胞は捕捉部１０に補足された。一方、Ｅ．ｃｏｌｉは捕捉部１０には捕捉されずに検体懸濁液中に浮遊した。また、Ｋ５６２細胞を補足した後、検体懸濁液を流出口９から回収することにより、検体懸濁液からＫ５６２細胞が除かれＥ．ｃｏｌｉが浮遊している検体懸濁液を回収できた。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の装置構成の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態における薄膜対向型電極（例えば櫛歯型電極）と流動発生手段（例えば加熱部）の構造の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明の粒子の分離方法を説明するための概念図である。
【図４】本発明の粒子の分離方法を説明するための概念図である。
【図５】本発明の実施形態における装置構成を示す断面図
【図６】本発明の実施形態における電極部の構造を拡大して示す斜視図
【図７】本発明の実施形態における粒子の選択的捕捉方法を説明するための図
【図８】本発明の実施形態における粒子の選択的捕捉方法を説明するための図
【符号の説明】
【００７３】
１  基板
２  加熱部
３  絶縁膜
４  電極Ａ
５  電極Ｂ
６  スペーサー
７  カバー
８  流入口
９  流出口
１０  捕捉部
１１  液体保持部
１２  粒子Ａ
１３  粒子Ｂ
【図６】
0005527936.tif 000005
【図７】
0005527936.tif 000006
【図１】
0005527936.tif 000007
【図２】
0005527936.tif 000008
【図３】
0005527936.tif 000009
【図４】
0005527936.tif 000010
【図５】
0005527936.tif 000011
【図８】
0005527936.tif 000012