(57)【要約】【課題】  一様な向きの電気浸透流を発生させる。【解決手段】  電気浸透フローセルにおいて、電気浸透流の流路は、少なくとも流路の底面が、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる。流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続く。この電気浸透フローセルにおいて、前記の中空部の２つの端部は、中央部の長手方向に関して同じ側であってもよく、異なる側であってもよい。また、２つの流路を交差させた卍型でもよい。また、中央部は２つの端部の間で非直線形状で存在してもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気浸透流の流路を形成した電気浸透フローセルであって、
少なくとも流路の底面が、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなり、
流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続くことを特徴とする電気浸透フローセル。
【請求項２】
前記の中空部の２つの端部は中央部の長手方向に関して同じ側にあることを特徴とする請求項１に記載された電気浸透フローセル。
【請求項３】
前記の中空部の２つの端部は中央部の長手方向に関して異なる側にあることを特徴とする請求項１に記載された電気浸透フローセル。
【請求項４】
前記の流路を複数備え、複数の流路の中央部が相互に交差することを特徴とする請求項１に記載された電気浸透フローセル。
【請求項５】
前記の流路を複数備え、複数の流路の中央部が共通の両端部を備えることを特徴とする請求項１に記載された電気浸透フローセル。
【請求項６】
電気浸透流の流路を備える電気浸透フローセルであって、
少なくとも流路の底面が電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなり、
前記の流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、前記の中央部は２つの端部の間で非直線形状で存在することを特徴とする電気浸透フローセル。
【請求項７】
さらに、１以上の柱状部を、前記の底面の上に、かつ、前記の流路の中に設けることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載された電気浸透フローセル。
【請求項８】
さらに、１以上の壁状部を、前記の底面の上に、かつ、前記の絶縁体シートの中空部の中に設けることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載された電気浸透フローセル。
【請求項９】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の基板と、前記の基板の上に設置される絶縁体シートとからなり、前記の流路は、前記の絶縁体シートの中空部として形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載された電気浸透フローセル。
【請求項１０】
さらに、前記の端部にそれぞれ電極を備えることを特徴とする請求項１〜９の中のいずれか１項に記載された電気浸透フローセル。
【請求項１１】
さらに、試料を流路内に注入する注入口と、試料を流路内から排出する排出口を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載された電気浸透フローセル。
【請求項１２】
さらに、注入口に試料を注入する注入ポンプと、排出口から試料を排出する排出ポンプを備えることを特徴とする請求項１１に記載された電気浸透フローセル。
【請求項１３】
さらに、各端部に設けた電極に直流定電圧を印加する定電圧電源を備えることを特徴とする請求項１０に記載された電気浸透フローセル装置。
【請求項１４】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の表面上に設置されて電気浸透フローセルを形成するための絶縁体シートであって、流路となる一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなる中空部を備え、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続くことを特徴とする絶縁体シート。
【請求項１５】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の表面上に設置されて電気浸透フローセルを形成するための絶縁体シートであって、流路となる一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなる中空部を備え、前記の中央部は２つの端部の間で非直線形状で存在することを特徴とする絶縁体シート。
【請求項１６】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる底面を備える複数の流路を形成した電気浸透フローセルチップであって、
各流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続くことを特徴とする電気浸透フローセルチップ。
【請求項１７】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる底面を備える複数の流路を形成した電気浸透フローセルチップであって、
各流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、中央部は、両端部の間で非直線形状で存在することを特徴とする電気浸透フローセルチップ。
【請求項１８】
さらに、前記の中空部の両端部にそれぞれ電極を備えることを特徴とする請求項１６または１７に記載された電気浸透フローセルチップ。
【請求項１９】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備える電気浸透フローセルを用意し、
ＤＮＡまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入し、
電気フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させ、ＤＮＡまたは直鎖状高分子を一様な電気浸透流の方向に展開、整列することによって解析する解析方法。
【請求項２０】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備える電気浸透フローセルを用意し、
１０ｎｍから１００μｍの大きさの分子を含む液体を流路に導入し、
電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させて、１０ｎｍから１００μｍの大きさの分子を搬送する搬送方法。
【請求項２１】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備え、流路内に複数の柱状部を形成した電気浸透フローセルを用意し、
ＤＮＡまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入し、
電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させ、ＤＮＡまたは直鎖状高分子を一様な電気浸透流の方向に展開、整列し、
前記の電極に印加する電圧を変化させて印加電場の方向を変化させて電気浸透流の方向を変化して、展開されたＤＮＡまたは直鎖状高分子を柱状部の間に懸架する処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気浸透流を用いるフローセル、装置及び処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気浸透流（EOF）とは、固体／液体界面に生じる電気二重層内のイオンが、外部から印加された電界により移動することにより生じる流れをいう。ガラス基板の場合、それに接する溶液のｐＨが３以上の場合には表面のシラノール基の解離により表面が負に帯電し、これに溶液中の陽イオンが引き寄せられて電気２重層が形成される。電気二重層に直流電場を印加すると陽イオンによる電気浸透流が流れ、基板付近に強いせん断流れを生む。
【０００３】
電気浸透流は、旧来の水圧力駆動のマイクロ搬送装置（microfluidic devices）の代替として期待されている［Stroock, A. D., et al., Physical Review Letters 84 (15), 3314 (2000)］。なぜなら、圧駆動には精緻なポンプが必要であるが、電気浸透流には単純な陽極・陰極の電極対と電荷を帯びた表面さえあればよいし、また、電気浸透流は圧駆動では得難いせん断力を発生できるからである。これらの電気浸透流の優位性は、小型化学分析装置（mTAS, micro Total Analysis system、または携帯型医療診断装置）の実現に不可欠である。たとえば、ゲノム解析・改変装置の開発の一環として、Washizuらは、電気浸透流を用いることで、丸まった形状をもつ長鎖DNAを直線状に伸長して展開する（ファイバー化する）試みを行っている［Washizu et al., Journal of Electrostatics. 57 (3), 395 (2003)］。
【非特許文献１】Stroock, A. D., et al., Physical Review Letters 84 (15), 3314 (2000)
【非特許文献２】Washizu et al., Journal of Electrostatics. 57 (3), 395 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
先に述べたように、Washizuらは、電気浸透流を用いて長鎖DNAを直線状に伸長して展開することを試みた。ところが、DNAの入れ子である細胞の搬送や、せん断力によるDNAのファイバー化のために不可欠である電気浸透流の一様な向きを再現性良く得るまでには至っていない。
【０００５】
この発明の目的は、一様な向きの電気浸透流を発生させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る第１の電気浸透フローセルは、電気浸透流の流路を形成した電気浸透フローセルであって、少なくとも流路の底面が電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる。流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続く。この電気浸透フローセルにおいて、前記の中空部の２つの端部は、中央部の長手方向に関して同じ側であってもよく、異なる側であってもよい。
【０００７】
第１の電気浸透フローセルにおいて、たとえば、前記の流路を複数備え、複数の流路の中央部を相互に交差させる。
【０００８】
また、第１の電気浸透フローセルにおいて、たとえば、前記の流路を複数備え、複数の流路の中央部が共通の両端部を備える。
【０００９】
本発明に係る第２の電気浸透フローセルは、電気浸透流の流路を備える電気浸透フローセルであって、少なくとも流路の底面が電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる。前記の流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、前記の中央部は２つの端部の間で非直線形状で存在する。
【００１０】
第２の電気浸透フローセルにおいて、好ましくは、さらに、１以上の柱状部を、前記の底面の上に、かつ、前記の流路の中に設ける。
【００１１】
第２の電気浸透フローセルにおいて、好ましくは、さらに、１以上の壁状部を、前記の底面の上に、かつ、前記の絶縁体シートの中空部の中に設ける。
【００１２】
第１または第２の電気浸透フローセルは、たとえば、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の基板と、前記の基板の表面上に設置される絶縁体シートとからなる。前記の流路は、絶縁体シートの中空部として形成される。または、フローセルの全体が、（電極を除いて）電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなっていてもよい。
【００１３】
第１または第２の電気浸透フローセルにおいて、好ましくは、さらに、前記の２つの端部にそれぞれ電極を設ける。
【００１４】
第１または第２の電気浸透フローセルにおいて、好ましくは、さらに、試料を流路内に注入する注入口と、試料を流路内から排出する排出口を備える。また、さらに、注入口に試料を注入する注入ポンプと、排出口から試料を排出する排出ポンプを備えてもよい。
【００１５】
本発明に係る電気浸透フローセル装置は、上述の第１または第２の電気浸透フローセルと、電気浸透フローセルの各端部に設けた電極に直流定電圧を印加する定電圧電源とを備える。
【００１６】
本発明に係る第１の絶縁体シート（たとえばシリコンゴムシート）は、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる基板の表面上に設置されて電気浸透フローセルを形成するための絶縁体シートであって、流路となる一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなる中空部を備える。中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続く。
【００１７】
本発明に係る第２の絶縁体シート（たとえばシリコンゴムシート）は、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の表面上に設置されて電気浸透フローセルを形成するための絶縁体シートであって、流路となる一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなる中空部を備える。中央部は２つの端部の間で非直線形状で存在する。
【００１８】
本発明に係る第１の電気浸透フローセルチップは、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる基板と、前記の基板の表面上に設置される絶縁体層とからなり、前記の絶縁体層は、複数の中空部をマトリクス状に備える。ここで、各中空部は、搬送流路となる一様な幅の中央部と、搬送流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続く。
【００１９】
本発明に係る第２の電気浸透フローセルチップは、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる基板と、前記の基板の表面上に形成される絶縁体層とからなり、前記の絶縁体層は、複数の中空部をマトリクス状に備え、各中空部の形状は、搬送流路となる一様な幅の中央部と、搬送流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、中央部は、両端部の間で非直線形状で存在する。
【００２０】
第１または第２の電気浸透フローセルチップにおいて、好ましくは、さらに、前記の中空部の両端部にそれぞれ電極を備える。
【００２１】
本発明に係る解析方法では、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備える電気浸透フローセルを用意し、ＤＮＡまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入する。次に、電気フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させ、ＤＮＡまたは直鎖状高分子を一様な電気浸透流の方向に展開、整列することによって解析する。
【００２２】
本発明に係る搬送方法では、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備える電気浸透フローセルを用意し、１０ｎｍから１００μｍの大きさの分子を含む液体を流路に導入する。次に、電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させて、１０ｎｍから１００μｍの大きさの分子を搬送する。
【００２３】
本発明に係る処理方法では、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料上に形成した流路を備え、流路内に複数の柱状部を形成した電気浸透フローセルを用意し、ＤＮＡまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入する。次に、電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させ、ＤＮＡまたは直鎖状高分子を一様な電気浸透流の方向に展開、整列し、前記の電極に印加する電圧を変化させて印加電場の方向を変化させて電気浸透流の方向を変化して、展開されたＤＮＡまたは直鎖状高分子を柱状部の間に懸架する。
なお、この発明の以上に説明した構成要素は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る電気浸透フローセルにより、一様な向きの電気浸透流を発生できる。
本発明に係る電気浸透フローセルは、蛋白質、細胞（血液）などの搬送装置(アクチュエータ)として使用できる。
本発明に係る電気浸透フローセルは、ＤＮＡの操作（伸長など）や改変に使用できる。
本発明に係る電気浸透フローセルは、マイクロ搬送装置、小型化学分析装置などのマイクロ流体装置に組み込むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。なお、図面において、同じ参照記号は同一または同等のものを示す。なお、以下に説明する実施の形態は特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではない。
【００２６】
図１は、電子浸透フローセル装置の概略を示す。電気浸透フローセルは、たとえば、ガラス基板１と、そのガラス基板の表面上に設置される絶縁体シート２（たとえばシリコンゴムのゴム板）とからなり、絶縁体シート２に、液体試料を導入するための中空部３を形成して流路とする。電気浸透流を発生させるための中空部（流路）は、たとえば、シリコンゴム板を切りこんで作成する。ゴム板をガラス基板などに貼りあわせることで、ゴム板にあらかじめ設けられた切り込み部分が流路として機能する。中空部３が液体試料を導入するチャンバーとなる。ガラス基板１は、透明であり、顕微鏡による観察などに適している。なお、ガラス基板は、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる基板の１例であり、電気二重層による電気浸透流の生成には、ガラス以外の材料（たとえばナフォイン膜やプラズマアッシング処理シリコン）を用いてもよい。
【００２７】
この装置を使用するとき、中空部３に液体試料を導入すると、溶液の下側にあるガラス基板１の表面は負に帯電し、これに溶液中の陽イオンが引き寄せられて、固体／液体界面に電気二重層が生じる。いま、流路の両端に設けた１対の電極（たとえば白金箔）の間に、直流定電圧電源装置４により直流電圧を印加すると、電気二重層内の陽イオンが電場により移動して、電気浸透流を生じる。直流定電圧電源装置４の代りに電池を用いることもできる。
【００２８】
本発明では、以下に説明するように、電子浸透フローセルにおいて種々の多様な形状の中空部即ち流路を用いる。図１と図２に示すフローセル（コの字型（シス型）フローセル）では、中空部３は、流路となる一様な幅の矩形の中央部１１と、流路の始点及び終点となる２つのたとえば正方形の端部１２、１３とからなる。中央部１１は、その長手方向に関して側部側から各端部１２、１３に通じる。２つの端部１２、１３は中央部１１の長手方向に関して同じ側にある。電場の方向は中央部では一様である。なお、斜線部は、端部に設けられる電極５の位置の１例を示す。また、図の中の＋と−の符号は印加電圧の極性を示し、中央部１１内の矢印は電気二重層内の陽イオンの流れる方向を示す。
【００２９】
また、図３に示すフローセル（トランス型フローセル）では、図２に示す構造と相違しているのは、２つの端部１２’、１３’が中央部１１の長手方向に関して異なる側（反対側）に位置されることである。また、図４に示すフローセルは、図２に示す構造の変形であり、２つの端部１２”、１３”は、円形部と、それと中央部１１との間をつなぐ細長い半円状の接続部とからなる。図２から図４に示す構造では、電気浸透流は＋電極から−電極の方に流れる。後で説明するように、この単純な新規の構造により、一様な電気浸透流を保証できる。
【００３０】
図５に示すフローセル（卍型フローセル）は、２つのトランス型フローセル（図３）を中央部で互いに交差するように組み合わせたものである。２つの中央部２１ａ，２１ｂは互いに直交し、端部２２ａ，２３ａが中央部２１ａにつながり、端部２２ｂ，２３ｂが中央部２１ｂにつながる。さらに２対の電極を設ける。この卍型フローセルでは、直交する２つの電場を印加できる。図において、ａ＋とａ−は、第１の流路に印加される電圧の極性を示し、ｂ＋とｂ−は、第２の流路に印加される電圧の極性を示す。また、図６に示すフローセルでは、端部２２ａ’，２２ｂ’，２３ａ’，２３ｂ’の構造が、円形部とそれを中央部２１ａ’，２１ｂ’につなぐ細長い接続部とからなる。これらのフローセルでは、２対の電極により生じる２つの電場を組み合わせて、流れの方向を連続的に変化できる。たとえば、図５の下側に示すように、斜め方向を含む８方向に電気浸透流を流すことができる。これにより、多方向から物質にせん断力を付与でき、多方向へ物質を搬送できる。小型化学分析装置などに要求される流体回路は、通常、交差する２つの流路の組み合わせからなっているが、図５などに示される多流路のフローセルは、小型化学分析装置などに要求されるそのような流体回路に使用できる。
【００３１】
また、図７に示す例では、中央部３１が、一定幅の曲線状である。この例では、中央部３１は、半円を２つ組み合わせた形状であり、中央部３１の両端に円形の端部３２，３３が続く。中央部３１が曲線状であるので、電気浸透流は非直線的に流れる。
【００３２】
また、図８に示す例では、複数の流路を設けるが、その両端部が接続されている。２つの流路は、中央部４１ａ、４１ｂとそれに両側で続く端部４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂからなり、また、端部４２ａ，４２ｂ及び４２ａ，４３ｂは互いに接続されている。すなわち、複数の流路が共通の端部を備えている。これにより、１対の電極の間に電圧を印加すると、一様な電気浸透流が２つの中央部４１ａ、４１ｂで生じる。なお、流路の数は２つに限らない。
【００３３】
また、図９に示す例では、図５に示した構造のフローセルにおいて、さらに、２つの中央部の交差部分に、複数の微小な柱状構造（マイクロピラー）２４を設ける。この例では４つの微小柱２４を正方形状に配置しているが、微小柱２４の数や位置は目的に合わせて変更すればよい。微小柱２４はガラス基板上にたとえばフォトリソグラフィによりレジストの微小柱として作成できる。
【００３４】
また、図１０に示す例では、流路は、中空部５１とそれに続く端部５２，５３からなるが、中空部５１内で、複数の壁状構造５４を流れの方向に平行に設ける。壁状構造５４は、ガラス基板上に同様にフォトリソグラフィにより作成できる。したがって、電気浸透流は、複数の壁状構造５４により別れて流れていく。
【００３５】
なお、フローセルは小型化できる。図１１は、マイクロチップの１例を示す。この例では、ガラス基板の上に絶縁体層が形成され、次に、フォトリソグラフィにより複数のフローセル用の流路に対応する部分がエッチングにより除去される。また、図示しないが電極が形成される。得られた複数のフローセルの各流路は、中央部６１と２つの端部６２、６３とからなる。また、ガラス基板をフォトリソグラフィによりエッチングすることによっても流路を作成できる。
【００３６】
次に、フローセルの具体例と、それを用いた電気浸透流の観察について説明する。
【００３７】
１例として、図２に示すシス型フローセルを、絶縁体シート２として、厚さ１ｍｍの市販のシリコンゴムをカッターで切り抜いて製作した。たとえば、中空部３の中央部１１は２３×１０ｍｍであり、端部１２，１３は１２×１２ｍｍであり、端部１２から中央部１１へ続く部分の幅は５ｍｍであり、中央部１１から端部１３へ続く部分の幅は７ｍｍである。なお、工作精度は粗くてもよかった。ガラス基板１として、マツナミ社のNo. 1、カバースリップ５２ｍｍ×７６ｍｍ×０．１ｍｍ(０．１２−０．１７ｍｍ)を使用した。電極５として白金箔を用いた。後に説明するフローマーカーの試料を作成して中空部に入れた。そして、試料に電場を印加し、ＳＩＴカメラにより電気浸透流の画像を取得し、リアルタイムで観察した。
【００３８】
フローマーカーの１例としてビーズ粒子を用いた。ビーズ粒子として、Polysciences Inc社から商品名「Fluoresbrite plain YG 1.0 micron microspheres (2.6% Solids-Latex)」の蛍光マイクロビーズを購入し、これを純水で1000倍に希釈した懸濁液を使用した。
【００３９】
測定手順は以下のとおりである。
１）ガラス基板（未洗浄）に流路形状の中空部を設けたシリコンゴム板を貼り付けてから、0.8 mlのビーズ懸濁液でフローセル内を満した。シリコンゴム板のガラス基板への吸着に容易であり、液漏れは生じない。
２）倒立型の位相差蛍光顕微鏡のステージにフローセルを置き、２枚の白金箔（電極）をステージ付属の板ばねで挟むことによりフローセルの末端部分に固定した。２枚の白金箔をそれぞれ陽極と陰極とし、定電圧電源装置に接続した。
３）油浸１００倍の対物レンズを用いてフローセル内のビーズ粒子が発する蛍光（blue励起）をカラーＣＣＤカメラまたは白黒ＳＩＴカメラで可視化し、フローマーカーとした。
４）定電圧１５−３０Ｖを白金箔の電極に印加することでフローセル表面に電気浸透流を発生させ、電気浸透流で搬送されるフローマーカーの運動を１粒子毎に追跡した。
【００４０】
測定結果とその考察は以下のとおりである。
【００４１】
図１２と図１３は、それぞれ、従来の矩形型セルと図２のシス型セルについて、蛍光マイクロビーズを用いた電気浸透流の解析を示す。図の中ほどに、図の上側に示した流路において○で示した部分を拡大して示し、その下に、その部分におけるビーズの移動方向を→印で示す。また、図１４と図１５は、上述の２つのセルについて任意の各ビーズの＋極から−極方向にそった位置の経時変化（相対値）を示す。
【００４２】
フローセルの陽極と陰極の付近では、１）電圧が高いとき、そして、２）溶液の導電率が高いとき、気泡の発生や電極の侵食といった電極反応が観察された。
【００４３】
従来の矩形型セルでは、電極反応により電気浸透流が乱れる（ひいては、電気浸透流による搬送や剪断が阻害される）と想定してきたが、図１２と図１４に示すように、確かに従来の矩形型フローセルでは電気浸透流の乱れが観察された。電気浸透流の乱れの一因として、counter flowが同定された。これは、電気浸透流がフローセルの末端で折り返す（波が防波堤の岸壁で反射することと同じ機構であると思われる）現象である。counter flowによってフローマーカーの分布に密な領域と疎な領域の界面が生じ（図１２の左下側と右上側）、本来電場の向き（矢印）と平行であるべき電気浸透流の方向は領域毎にランダムであり、逆流すら発生していた）。
【００４４】
これに対し、図１３と図１５に示すように、コの字型フローセル（図２）の場合、従来の矩形型フローセルで観察された上記の電気浸透流の乱れは解消され、どの領域においても電場の方向に平行で一様な流れ、かつ、電圧の大小で制御可能な流れを有した電気浸透流が実現された。また、２つの端部がフローセルを挟んで反対側に配されたトランス型フローセル（図３）であっても、コの字型フローセルと同様の理想的な電気浸透流をもたらしたことが観察された。このような優位性をもたらすメカニズムは不明であるが、counter flowが生じる部分がフローセルの中央部から離れているため、または、電極反応で生じた気泡がコの字の終端部分に捕捉されてフローセルの中央部に侵入しないためと考えられる。以上の考察から、一様な電気浸透流を流す中央部に接続される端部としては、端部に設けられる電極により生じる電極反応の影響を分離できるものであればよい。したがって、その形状や位置は電極反応の影響を分離できるように適当に設計すればよい。上述の種々の形状の流路はこの観点から作成されたものである。
【００４５】
マイクロビーズについて一様な流れが実現できることを説明したが、同様に、蛍光標識した蛋白質（たとえばＲＮＡポリメラーゼや、抗体など）分子おのおのが電気浸透流で搬送される状況が観察された。したがって、電気浸透フローセルは、細胞（血液）などのポンプ（搬送装置）として使用できる。電気浸透フローセルは、一般的に、遺伝子チップや小型化学分析装置などで扱われている１０ｎｍから１００μｍの大きさの分子を含む液体の搬送に有用である。すなわち、電気浸透フローセルにおいて、１０ｎｍから１００μｍの大きさの分子を含む液体を流路に導入し、次に、電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させる。これにより、１０ｎｍから１００μｍの大きさの分子を搬送できる。なお、１０ｎｍは、蛋白質１分子の大きさである。また、たまにフローマーカー粒子同志が巨大なかたまりを形成することがあり、そのかたまりが電気浸透流で搬送される様子が可視化されるが、１００μｍは、そのような蛍光ビーズ粒子の凝集物の径に相当する。
【００４６】
また、図５に示す卍型のフローセルでは、直交する２つの電場の入り切りに応答して電気浸透流の向きが制御されることがフローマーカービーズの運動の観察から実証された。  
【００４７】
フローマーカーの他の例として染色体を用いた。ＤＮＡの染色にはインターカレーター蛍光色素YO-PRO-1（Molecular probes）を用いた。１例として、分裂酵母972 h-株のプロトプラストを浸透化処理してから、以下のように、当該フローセル内に吸着固定して電気浸透流で展開した。
【００４８】
１つの細胞内にある１セットのＤＮＡを扱い、かつ、流体力による断片化を防ぐ目的で、Washizuらによる方法を用いて、人為的に補強した細胞骨格を、ＤＮＡを入れる容器として使い、伸長時に、基板上でその容器を破壊してＤＮＡを取り出す方法を用いた。
【００４９】
具体的には、まず酵素により細胞壁を消化し、プロトプラスト化する。プロトプラストは、浸透圧ショックを受けると容易に破壊されてしまい、操作が難しいため、架橋剤グルタルアルデヒドを用いて細胞骨格を補強する。さらに、補強された細胞骨格（以下、かご構造という）に閉じこめられたＤＮＡを得る。このかご構造は，ＤＮＡのような長大な高分子は保持し、タンパク質や薬剤は透過するような適度のメッシュサイズを持つ。また、かご構造を製作した後でＲＮＡをRNaseAにより消化することが染色体の伸長のために有効である。
【００５０】
かご構造化された細胞からの染色体ＤＮＡの伸長の手順を説明すると、まず、細胞懸濁液を乾燥させることにより、細胞をガラス基板の上に固定した後、タンパク分解酵素と界面活性剤によりかご構造を部分的に破壊する。これにより、内部のＤＮＡが露出するとともに、残存しているヒストンなども分解され、染色体が弛緩される。ここで、ＤＮＡの一部がかご構造を介して基板に固定されているので、電気浸透流によりかご構造からＤＮＡが引き出されて、伸長される。
【００５１】
染色体をフローマーカーとするときは、あらかじめ染色体を蛍光染料Yo-Pro-1（Molecular Probe社）で染色してからファイバー化し、ビーズの場合の測定手順の項目３と同様にblue励起で可視化した。電気浸透流によってファイバーがたなびく様子をカメラで観察した。
【００５２】
図１６は、この装置を用いた酵母（S. Pombe）の染色体ＤＮＡの伸長例を示す。伸長ＤＮＡが顕微鏡の１視野に入りきらないため、この写真は複数のフレームをつなげて示してある。写真中、左右方向に伸びている輝度の高いファイバー状のものがＤＮＡであり、伸長の長さは約８００μmである。中央左よりのところは両端に比べて輝度が高いが、これはＤＮＡが凝縮している部分であると考えられる。得られた伸長の長さは従来のメニスカスフォースを用いたＤＮＡ伸長法で得られる７００kb＝約２３０μmの３倍に相当する。写真の下側に、伸長され展開されている染色体を示す。また、基板表面に対物レンズの焦点を合わせたところから焦点を移動させ伸長ＤＮＡに合わせたときの焦点の移動距離が約２μmであることから、伸長ＤＮＡはガラス基板に吸着することなく、一方を基板に固定され多状態で、基板から２μm離れた位置に浮かんでいることがわかる。また、図１０に示すような複数の壁状構造を設けたフローセルでは、２つの壁の間に細胞を固着することにより、異なるＤＮＡ試料を同時に分離して伸長できる。
【００５３】
したがって、電気浸透フローセルは、ＤＮＡまたは直鎖状高分子の解析方法に使用できる。すなわち、電気浸透フローセルにおいて、ＤＮＡまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入し、電気フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させる。これにより、一様な剪断力が生じるので、ＤＮＡまたは直鎖状高分子を、一様な電気浸透流の方向に展開、整列することによって解析する。
【００５４】
一方、比較例として、図１７に、従来の矩形型フローセルで発生された電気浸透流による酵母染色体ＤＮＡの伸長展開の試みが失敗した状況を示す。写真の下側に展開不全の染色体分子群を図式的に示す。
【００５５】
上述のように、かご構造からのＤＮＡの伸長により、一端だけが固定され、他方が電気浸透流によりたなびいている伸長ＤＮＡが得られるが、しかし、この状態は、電圧を印加し続けなければ維持できない。そこで、電圧を切った後にも伸長状態が保持できるように、基板上に設けた微小柱状構造に伸長ＤＮＡを固定する。すなわち、ガラス基板上に複数対の電極と、その間に置かれた柱状構造を設け、その近傍に細胞をおく。ある１対の電極に電圧を印加し、細胞から引き出されたＤＮＡが伸長したところで、別の電極対に電圧を印加することにより、電気浸透流の向きを変え、微小柱にＤＮＡを吸着させ、または、巻き付けることにより固定する。このＤＮＡ処理を用いると、各ＤＮＡを長さにより分離することが可能になる。
【００５６】
１例として、図５に示す卍型フローセルの流路に、たとえばフォトレジストSU-8（MicroChem Corp）を使用してフォトリソグラフィにより高さ１０μｍ、直径１０μｍの微小柱を６ｍｍ×６ｍｍの領域に１００μｍの間隔で作成した。そして、柱群の存在する領域内に細胞を置き、卍型フローセルを用いて１つの方向（たとえば右方向）の浸透流を作り、ＤＮＡを伸長する。電気浸透流により引き出されたＤＮＡは、基板から約２μｍ離れた位置で伸長されるため、ＤＮＡはガラス基板に接触することなく、２つの微小柱２４をまたがって吊り橋状に懸架される。図１８は、懸架されている酵母染色体ＤＮＡの写真であり、図１９は、その状況を図式的に示す。まず、図２０に示すように、ａ＋からａ−の間に電圧を印加して、基板上に片端が固定されたＤＮＡを２つの微小柱２４に並行に伸長する。次に、図２１に示すように、これに直交する方向に電圧を印加して、伸長ＤＮＡを微小柱２４に宙吊りして固定させる。また、３つの微小柱を備えるセルにおいて、電場の方向を変えていくことにより、伸長ＤＮＡを３つの微小柱の周りに巻きつけることができる。このように、卍型フローセルでは、基板上に片端が固定された直鎖状高分子（染色体ＤＮＡ）の配向を、あたかも方位磁石の針を磁力で操作するが如く、制御できる。これらの結果は、卍型フローセルが、物質を多方向（定電圧印加の場合に取り得る最も単純な組み合わせで８方向）へ搬送することができること、さらには物質に多方向から剪断力を与えることができることを示している。
【００５７】
したがって、本発明の流路内に複数の柱状部を形成した電気浸透フローセルを用いて、ＤＮＡまたは直鎖状高分子を柱状部の間に懸架できる。すなわち、電気浸透フローセルにおいて、ＤＮＡまたは直鎖状高分子の一端を流路に固定して液体を流路に導入し、電気浸透フローセルの電極に定電圧を印加して一様な方向に流れる電気浸透流を発生させ、ＤＮＡまたは直鎖状高分子を一様な電気浸透流の方向に展開、整列する。さらに、電極に印加する電圧を変化させて印加電場の方向を変化させて電気浸透流の方向を変化して、展開されたＤＮＡまたは直鎖状高分子を柱状部の間に懸架する。
【００５８】
図２２は、全開放系の電気浸透フローセル装置を示す。この装置は、図１と図２に示すコの字型（シス型）フローセルと同様であるが、さらに、中央部１１に、流れの方向に試料を注入する注入口１４と、流れの方向に試料を排出する排出口１５が設けられる。端部１２，１３の電極（図示しない）に定電圧が印加され、中央部１１で一様な電気浸透流が流れる状況で、注入口１４から注入された試料は中央部で一様に流れた後、排出口１５から出て行く。また、図２３は、注入口１４に注入用ポンプ（たとえば注射器）１６を設置し、排出口１５に排出用ポンプ（たとえば注射器）１７を設置した例を示す。
【００５９】
なお、注入口１４と排出口１５は、複数あってもよく、また、それらの立体配置は、図に示すように基板表面に対して平行であってもよく、また、垂直であってもよく、また、平行と垂直の組み合わせでもかまわない。また、それらの位置は、中央部１１であっても端部１２，１３であってもよい。また、フローセル装置の流路の形状は、コの字型フローセルに限られないことはいうまでもない。
【００６０】
次に、図２４と図２５は、大きな電気浸透フローセル（大セル）と小さな電気浸透フローセル（小セル）を入れ子式に組み合わせた半開放系のフローセル装置の斜視図と平面図である。小セルは、中央部６１と２つの端部６２，６３からなる。端部６２，６３は、それぞれ、矩形部６２ａ，６３ａとそれを中央部の側部側につなぐ接続部６２ｂ，６３ｂとからなり、また、矩形部６２ａは図示しない電極を備える。また、大セルは、中央部６１に続く２つの端部６４，６５を備え、端部６４，６５は、それぞれ、矩形部６４ａ，６５ａとそれを中央部の側部側につなぐ接続部６４ｂ，６５ｂとからなり、また、矩形部６４ａ，６５ａは図示しない電極を備える。接続部６４ｂ，６５ｂは途中で折れ曲がっており、電気浸透流は、細長い接続部６４ｂから幅の広い中央部６１を経て細長い接続部６４ｂへと直線的に流れる。図において、＋と−は印加直流電圧の極性を示す。（なお、図２４と図２５においてガラス基板の図示が省略され、また、図２４では大セルの壁面の図示を省略している。）大セルの矩形部６４ａは、試料注入口とポンプの両方の機能を兼ね備え、大セルのもう１つの矩形部６５ａは、試料排出口とポンプの両方の機能を兼ね備える。このフローセル装置において、大セルによって搬送された物質が小セルに運ばれる。物質の搬送は、２対の電極に印加する電圧により制御される。なお、フローセル装置の流路の形状は、コの字型フローセルに限られないことはいうまでもない。
【００６１】
以上に説明したように、本発明の各種フローセルは、ＤＮＡなどの操作、改変に使用できるが、さらに他の機能と組み合わせることもできる。小型化学分析装置（携帯型医療診断装置を含む）とは、チップ上にポンプ、バルブ、センサなどを小型化・集積化した化学分析システムである。また、さらにリアクターなどさまざまな機能を微小化、集積化させ化学合成などを行うシステムも研究されている。そのような装置やシステムにおいて、本発明のフローセルを用いたマイクロ搬送装置を組み込んで物質を搬送できる。また、本発明の複数方向に流れを制御可能なフローセルを組み込んで、物質を多方向へ搬送する操作を行える。また、フローセルの流路の近傍にセンサを配置することにより、流れている物質について分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】電子浸透フローセル装置の概略図
【図２】コの字型（シス型）フローセルの中空部の図
【図３】トランス型フローセルの中空部の図
【図４】シス型フローセルの変形例の中空部の図
【図５】卍型フローセルの中空部の図
【図６】卍型フローセルの変形例の中空部の図
【図７】非直線状フローセルの中空部の図
【図８】多流路のフローセルの中空部の図
【図９】微小柱を備えるフローセルの中空部の図
【図１０】壁状構造を備えるフローセルの中空部の図
【図１１】フローセルのマイクロチップの図
【図１２】従来の矩形型セルについて、蛍光マイクロビーズを用いた電気浸透流の解析を示す図
【図１３】シス型セルについて、蛍光マイクロビーズを用いた電気浸透流の解析を示す図
【図１４】従来の矩形型セルについて、任意の各ビーズの＋極から−極方向にそった位置の経時変化（相対値）を示す図
【図１５】シス型セルについて、任意の各ビーズの＋極から−極方向にそった位置の経時変化（相対値）を示す図
【図１６】シス型セルで発生された電気浸透流による酵母染色体ＤＮＡの伸長展開の図
【図１７】従来の矩形型フローセルで発生された電気浸透流による酵母染色体ＤＮＡの伸長展開の失敗例の図
【図１８】懸架されている酵母染色体ＤＮＡの図
【図１９】懸架されている酵母染色体ＤＮＡの状況を図式的に示す図
【図２０】酵母染色体ＤＮＡの懸架の状況を図式的に示す図
【図２１】酵母染色体ＤＮＡの懸架の状況を図式的に示す図
【図２２】全開放系フローセル装置の斜視図
【図２３】全開放系フローセル装置の斜視図
【図２４】半開放系フローセル装置の斜視図
【図２５】半開放系フローセル装置の平面図
【符号の説明】
【００６３】
１  ガラス基板、    ２  絶縁体シート２、    ３  中空部、    ４  直流定電圧電源装置、    １１、２１，３１，４１，４１，５１  中央部、    １２、１３、２２，２３，３２，３３，４２，４３，５２，５３  端部、    １４  注入口、    １５  排出口、    ２４  柱状構造、    ５４  壁状構造。
【図１】
2005249739.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
2005249739.tif 000018
【図２２】
2005249739.tif 000019
【図２３】
2005249739.tif 000020
【図２４】
2005249739.tif 000021
【図２５】
2005249739.tif 000022
【図１２】
2005249739.tif 000023
【図１３】
2005249739.tif 000024
【図１６】
2005249739.tif 000025
【図１７】
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【図１８】
2005249739.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月16日(2004.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気浸透流の流路を形成した電気浸透フローセルであって、
少なくとも流路の底面が、電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなり、
流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続くことを特徴とする電気浸透フローセル。
【請求項２】
前記の中空部の２つの端部は中央部の長手方向に関して同じ側にあることを特徴とする請求項１に記載された電気浸透フローセル。
【請求項３】
前記の中空部の２つの端部は中央部の長手方向に関して異なる側にあることを特徴とする請求項１に記載された電気浸透フローセル。
【請求項４】
前記の流路を複数備え、複数の流路の中央部が相互に交差することを特徴とする請求項１に記載された電気浸透フローセル。
【請求項５】
前記の流路を複数備え、複数の流路の中央部が共通の両端部を備えることを特徴とする請求項１に記載された電気浸透フローセル。
【請求項６】
電気浸透流の流路を備える電気浸透フローセルであって、
少なくとも流路の底面が電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなり、
前記の流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、前記の中央部は２つの端部の間で非直線形状で存在することを特徴とする電気浸透フローセル。
【請求項７】
さらに、１以上の柱状部を、前記の底面の上に、かつ、前記の流路の中に設けることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載された電気浸透フローセル。
【請求項８】
さらに、１以上の壁状部を、前記の底面の上に、かつ、前記の絶縁体シートの中空部の中に設けることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載された電気浸透フローセル。
【請求項９】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の基板と、前記の基板の上に設置される絶縁体シートとからなり、前記の流路は、前記の絶縁体シートの中空部として形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載された電気浸透フローセル。
【請求項１０】
さらに、前記の端部にそれぞれ電極を備えることを特徴とする請求項１〜９の中のいずれか１項に記載された電気浸透フローセル。
【請求項１１】
さらに、試料を流路内に注入する注入口と、試料を流路内から排出する排出口を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載された電気浸透フローセル。
【請求項１２】
さらに、注入口に試料を注入する注入ポンプと、排出口から試料を排出する排出ポンプを備えることを特徴とする請求項１１に記載された電気浸透フローセル。
【請求項１３】
さらに、各端部に設けた電極に直流定電圧を印加する定電圧電源を備えることを特徴とする請求項１０に記載された電気浸透フローセル。
【請求項１４】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の表面上に設置されて電気浸透フローセルを形成するための絶縁体シートであって、流路となる一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなる中空部を備え、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続くことを特徴とする絶縁体シート。
【請求項１５】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料の表面上に設置されて電気浸透フローセルを形成するための絶縁体シートであって、流路となる一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなる中空部を備え、前記の中央部は２つの端部の間で非直線形状で存在することを特徴とする絶縁体シート。
【請求項１６】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる底面を備える複数の流路を形成した電気浸透フローセルチップであって、
各流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、前記の中央部は、その長手方向に関して側部側から前記の各端部に続くことを特徴とする電気浸透フローセルチップ。
【請求項１７】
電荷を帯びた材料または人為的に荷電処理した材料からなる底面を備える複数の流路を形成した電気浸透フローセルチップであって、
各流路は、一様な幅の中央部と、流路の始点及び終点となる２つの端部とからなり、中央部は、両端部の間で非直線形状で存在することを特徴とする電気浸透フローセルチップ。
【請求項１８】
さらに、前記の中空部の両端部にそれぞれ電極を備えることを特徴とする請求項１６または１７に記載された電気浸透フローセルチップ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
なお、この発明の以上に説明した構成要素は、可能な限り組み合わせることができる。