(57)【要約】【課題】検出しようとする粒子を高濃度に濃縮することのできるサンプル濃縮装置を提供する。【解決手段】流路１４の内壁面はマイナスに帯電しており、流路１４内のサンプル溶液２８に含まれるプラスイオン３０が流路１４の内壁面に吸着されている。濃縮用電極１８、１９間に電界を発生させると、濃縮用電極１８、１９間の濃縮エリア内にあるサンプル溶液２８のマイナスに帯電した粒子２９が電界と反対向けに力を受けて移動し（電気泳動）、濃縮用電極１８に吸引されて凝集し、濃縮用電極１８の場所で濃縮される。一方、プラスイオン３０が電界方向にクーロン力を受けて移動し、それによってサンプル溶液２８の流れ（電気浸透流）が生じる。そのため、濃縮エリアには電気浸透流によって連続的に粒子２９が供給され、供給された粒子２９が電気泳動によって濃縮される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル溶液の供給部と回収部を結ぶ流路を有し、検出目的とするサンプル溶液の帯電した成分物質を濃縮させるための少なくとも２つの電極を前記流路に備え、前記成分物質と同じ極性で前記流路の内壁面が帯電していることを特徴とするサンプル濃縮装置。
【請求項２】
前記流路の断面は、その幅よりも高さが小さな扁平形状をしていることを特徴とする、請求項１に記載のサンプル濃縮装置。
【請求項３】
検出目的とする成分物質の帯電電荷をｅ、サンプル溶液の粘度をη、検出目的とする成分物質の平均半径をｒ、サンプル溶液の誘電率をε、ゼータ電位をζ、流路の全体に電界が加わったと仮定したときに電界によって駆動されるサンプル溶液の流速に対する、前記濃縮用の電極がｘの距離をおいて配置されたときに前記濃縮用の電極間に発生する電界によって駆動されるサンプル溶液の流速の比をｆ(ｘ)とするとき、
ｅ／（６πηｒ） ＞ ｆ(ｘ)・（εζ／η）
の関係が成り立つことを特徴とする、請求項１に記載のサンプル濃縮装置。
【請求項４】
前記流路内のサンプル溶液と共に同じ方向へ前記成分物質を送液するための少なくとも２つの電極を前記流路内又は前記流路の近傍に備えていることを特徴とする、請求項１に記載のサンプル濃縮装置。
【請求項５】
前記送液用の電極間の距離が、前記濃縮用の電極間の距離よりも長いことを特徴とする、請求項４に記載のサンプル濃縮装置。
【請求項６】
前記送液用の電極が前記供給部と前記回収部とに設けられていることを特徴とする、請求項４に記載のサンプル濃縮装置。
【請求項７】
前記濃縮用の電極のうち一部が、前記送液用の電極を兼ねていることを特徴とする、請求項４に記載のサンプル濃縮装置。
【請求項８】
サンプル溶液の誘電率をε、ゼータ電位をζ、サンプル溶液の粘度をη、検出目的とする成分物質の帯電電荷をｅ、検出目的とする成分物質の平均半径をｒとするとき、
εζ／η ＞ ｅ／（６πηｒ）
の関係が成り立つことを特徴とする、請求項４に記載のサンプル濃縮装置。
【請求項９】
サンプル溶液の供給部と回収部を結ぶ流路を有し、目的とするサンプル溶液の成分物質を濃縮させるための少なくとも２つの電極を前記流路に備え、前記流路内のサンプル溶液と共に同じ方向へ前記成分物質を送液するための少なくとも２つの電極を前記流路内又は前記流路の近傍に備え、検出目的とするサンプル溶液の帯電した成分物質と反対の極性で前記流路の内壁面が帯電したサンプル濃縮装置を用いたサンプル濃縮方法であって、
前記濃縮用の電極間に電界を発生させ、当該電極のうちいずれかの電極に前記成分物質を濃縮させるとともに、前記成分物質の吸引方向と反対方向にむけてサンプル溶液の流れを生じさせる工程と、
前記送液用の電極間に電界を発生させて前記流路内にサンプル溶液の流れを生じさせるとともに、前記成分物質をサンプル溶液の流れと同じ方向へ移動させる工程と、
を備えたことを特徴とするサンプル濃縮方法。
【請求項１０】
請求項１に記載したサンプル濃縮装置と、前記サンプル濃縮装置の前記濃縮用の電極間の領域に配置されたセンサとを備えたことを特徴とする検出装置。
【請求項１１】
請求項４に記載したサンプル濃縮装置と、前記サンプル濃縮装置の前記濃縮用の電極間の領域の外側に配置されたセンサとを備えたことを特徴とする検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサンプル濃縮装置及びサンプル濃縮方法に関する。具体的に言えば、細菌、ウィルス、ＤＮＡ、タンパク質などの生体物質を含んだサンプルを電気泳動法によって濃縮させるためのサンプル濃縮装置と当該装置を用いたサンプル濃縮方法に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
（電気泳動法の概観）
バイオセンサ、化学センサの分野では、低濃度物質を検出するためや装置の小型化に伴う検出能力の低下を補うために、センサ感度の向上が求められている。例えば細菌検査では、細菌を数日間培養した後、細菌培養したサンプルを用いて目的とする細菌を検出する方法が用いられている。しかし、この方法では細菌の検出までに数日間要したり、検出感度が細菌の増殖能力に依存したりするため、迅速な検査には対応できない。また、高感度で短時間に検出する方法としてはＤＮＡを分析する方法があるが、この方法では死菌と生菌の区別ができないため、殺菌した菌も検出してしまい、根本的な問題がある。
【０００３】
これに対し、電気泳動を用いた濃縮法では、電気泳動による細菌の濃縮と分離が可能であるため、サンプルを濃縮することにより細菌の高感度検出が行えるようになり、さらに生菌を死菌から分離することで生菌の高感度検出が行えるようになることが期待される。特に、キャピラリー電気泳動法では、高い分離能を有し、短い時間で分析を行え、必要とするサンプルや試薬の量が少ないなどの利点によって近年注目されている。
【０００４】
従来の電気泳動を利用した濃縮システムでは、ゲルや二種類の溶液を用いて濃縮するスタッキングという手法が一般的に用いられてきたが、このシステムでは濃縮サンプルの検出方法が限られてしまったり、サンプル量が限られてしまう欠点がある。また、公知の発明例でも、濃縮についての発明はあるが、濃縮したサンプルを検出する機構まで考えた例は少なく、そのままでは濃縮サンプルを検出するまでに拡散してしまったり、センサ上で検出できなかったりした。
【０００５】
（公知文献例の説明）
公知文献としては、例えば特開２００５−１２７７７１号公報（特許文献１）がある。この文献に開示されているものは、ＤＮＡサンプルのゲル電気泳動用マイクロチップである。このチップでは、流路の途中に中間電極を設け、マイナスに帯電しているＤＮＡをプラスの電圧を印加した中間付近に集める。そして、その後、中間電極の電圧をオープンさせ、その先の電極にプラス電圧を印加することで取り出している。
【０００６】
しかし、この特許文献１のマイクロチップでは、ゲルを使用する必要があるため、電気浸透流などの流れがある場合には、そのままの機構で濃縮に適用することができない。また、ゲルを用いるため、大腸菌などの大きな粒子のサンプルを濃縮することもできない。さらに、溶液中の粒子をそのまま分析できず、粒子がゲル中に侵入するため検出方法が限られるという難点がある。特に、化学センサやＳＰＲとの相性が悪い。
【０００７】
また、別な公知文献としては、特表平６−５０５５９３号公報（特許文献２）がある。この文献に開示されているのは、サンプルの成分を補助バッファ内にスタックしながら、電気浸透流で毛細管からサンプルバッファを抽出してサンプル濃度を改良するものである。
【０００８】
しかし、特許文献２に記載されている方法では、希釈したサンプル溶液を用いるため、構造が複雑になる。また、全体の構造が大きく、複雑であるという難点がある。さらに、スタッキングによる濃縮であるため、一般的なスタッキング濃縮と同様な課題がある。
【０００９】
一般に、スタッキング濃縮では、泳動液間にサンプル溶液を保持させなければならないので、サンプル溶液の注入量に限界があるという点が最大の短所である。すなわち、サンプル溶液の注入量が増大すると溶液中と泳動液中における電場の強さの違いにより電気浸透流に差が生じて，溶液が混合してしまい、分離できなくなるのである。この短所は、特許文献２の方法でも同様である。
【００１０】
また、別な公知文献としては、特表２００２−５１７７５１号公報（特許文献３）がある。この文献に開示されているものは、マイクロチップあるいは毛細管を用いて、その入口に電極を形成しておき、溶液の流れと電極による電気泳動のバランスにより、入口付近に成分物質を濃縮させる方法である。この溶液の流れには、圧力流、電気浸透流などが含まれる。
【００１１】
しかしながら、特許文献３の方法では、入口の電極に１４ｋＶという非常に高い高電圧をかけているので、使用上の安全面で問題があり、用途も限定される。また、流路の外部に電極を設けているため、成分物質を電気泳動させる領域が広くなり、そのため濃縮効率が悪く、低電圧では使用できないと考えられる。また、流路の外部で濃縮するため、成分物質の濃縮位置が正確に定まらず、検出が不正確になる恐れがある。さらに、流路内にセンサ部を設けた場合には、成分物質をセンサ部まで移動させるために、何らかの手段が必要になる。
【００１２】
また、別な公知文献としては、特開２００５−８７８６８号公報（特許文献４）がある。ここに開示されているものは、導電率の異なる２種類の溶液をＴ字型流路の両端から電気浸透流により送液し、溶液界面にて目的とする粒子をいずれかに寄せて分離するという方法である。
【００１３】
しかし、この方法では、２種類の溶液を用いる必要があり、簡便性に欠ける。また、なによりも、この方法は粒子の分離方法であって、濃縮方法ではない。
【００１４】
また、別な公知文献としては、特開２００２−２３３７９２号公報（特許文献５）がある。ここに開示されているものでは、流路の内面に流路方向に沿って複数の電極を配置してあり、流路断面方向に配置した電極に電界を与え、粒子を電極に寄せて捕捉している。
【００１５】
しかし、特許文献５に開示されているものも粒子分離機構であって、粒子を濃縮するものではない。また、補足した粒子を検出する点や、補足した粒子を移動させる点については記載されていない。
【００１６】
また、別な公知文献としては、特開２００１−５０４９３７号公報（特許文献６）がある。ここに開示されているのは、流路の外側から電界を与え、荷電している粒子を流路壁に寄せ、pＨを調製して目的とする粒子の等電点とすることで、目的の粒子のみを粒子壁に寄せることなく通過させ、これによって粒子を分離するものである。
【００１７】
しかし、特許文献６に開示されている方法も、粒子の分離方法であって、粒子を濃縮する方法ではない。また、この方法では、物質毎にｐＨを調整する必要があり、実施に手間が掛かる。
【００１８】
【特許文献１】特開２００５−１２７７７１号公報
【特許文献２】特表平６−５０５５９３号公報
【特許文献３】特表２００２−５１７７５１号公報
【特許文献４】特開２００５−８７８６８号公報
【特許文献５】特開２００２−２３３７９２号公報
【特許文献６】特開２００１−５０４９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その主な目的とするところは、電気泳動と電気浸透流を利用することにより、簡単な構造により、検出しようとする成分物質を高濃度に濃縮することのできるサンプル濃縮装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明のサンプル濃縮装置は、サンプル溶液の供給部と回収部を結ぶ流路を有し、検出目的とするサンプル溶液の帯電した成分物質を濃縮させるための少なくとも２つの電極を前記流路に備え、前記成分物質と同じ極性で前記流路の内壁面が帯電していることを特徴としている。
【００２１】
サンプル溶液の帯電した成分物質を濃縮させるための少なくとも２つの電極とは、当該電極間に電界を発生させることによって帯電した成分物質をいずれかの電極に吸引して濃縮（凝集）させるための電極である。なお、成分物質の濃度を高めるためには、成分物質を吸引して濃縮させる電極は１つであることが望ましい。
【００２２】
本発明のサンプル濃縮装置にあっては、流路の内壁面が成分物質と同じ極性（プラス又はマイナス）で帯電しているので、サンプル溶液中の成分物質と逆極性のイオンは流路の内壁面に吸着される。従って、濃縮用の電極間に電界を発生させると、帯電している成分物質は電界と同じ方向、あるいは逆方向へ吸引され、ある濃縮用の電極に集められて濃縮される。また、流路の内壁面に吸着しているイオンは電界によって成分物質と反対方向へ力を受けて移動し、それによってサンプル溶液に流れを生じさせる。よって、成分物質が電極に吸引されて成分物質が少なくなったサンプル溶液は濃縮エリアから排出されて成分物資を含んだ新しいサンプル溶液が濃縮エリアに送り込まれる。そのため、サンプル溶液によって連続的に成分物質が濃縮エリアへ供給されてさらに濃縮されることになり、成分物質を高い濃度に濃縮することが可能になる。
【００２３】
本発明にかかるサンプル濃縮装置のある実施態様においては、前記流路の断面が、その幅よりも高さが小さな扁平形状をしていることを特徴としている。かかる実施態様においては、流路の高さが低いので、イオンの移動によって流路内のサンプル溶液を均一に流動させることができる。一方、流路の幅が広くなっているので、流路にながれるサンプル溶液の流量を大きくすることができる。
【００２４】
本発明にかかるサンプル濃縮装置の別な実施態様は、検出目的とする成分物質の帯電電荷をｅ、サンプル溶液の粘度をη、検出目的とする成分物質の平均半径をｒ、サンプル溶液の誘電率をε、ゼータ電位をζ、流路の全体に電界が加わったと仮定したときに電界によって駆動されるサンプル溶液の流速に対する、前記濃縮用の電極がｘの距離をおいて配置されたときに前記濃縮用の電極間に発生する電界によって駆動されるサンプル溶液の流速の比をｆ(ｘ)とするとき、
ｅ／（６πηｒ） ＞ ｆ(ｘ)・（εζ／η）
の関係が成り立つことを特徴としている。この関係式が成り立てば、濃縮用の電極間に電界を発生させたとき、電界によって成分物質が得る速度がサンプル溶液の流速よりも大きくなる。よって、成分物質がサンプル溶液に流されることなく、濃縮用の電極に濃縮させることができる。
【００２５】
本発明にかかるサンプル濃縮装置のさらに別な実施態様は、前記流路内のサンプル溶液と共に同じ方向へ前記成分物質を送液するための少なくとも２つの電極を前記流路内又は前記流路の近傍に備えている。かかる実施態様によれば、濃縮用の電極間に電界を発生させて成分物質を濃縮させた後、送液用の電極間に電界を発生させてサンプル溶液を流動させることにより、濃縮された成分物質をサンプル溶液の流れとともに搬送することができる。例えば、濃縮された成分物質を濃縮位置からセンサの設置位置まで移動させることによって、成分物質を簡便に、かつ高感度で検出することが可能になる。
【００２６】
本発明にかかるサンプル濃縮装置のさらに別な実施態様は、前記送液用の電極間の距離が、前記濃縮用の電極間の距離よりも長いことを特徴としている。送液用の電極間と濃縮用の電極間に同じ電圧を印加する場合、送液用の電極間に電界を発生させて成分物質をサンプル溶液と同じ方向へ移動させ、濃縮用の電極間に電界を発生させて成分物質をサンプル溶液と反対方向へ移動させるためには、送液用の電極間の距離を濃縮用の電極間の距離よりも長くする必要があるためである。
【００２７】
本発明にかかるサンプル濃縮装置のさらに別な実施態様は、前記送液用の電極が前記供給部と前記回収部とに設けられていることを特徴としている。送液用の電極を供給部と回収部に設けることにより、送液用の電極間の距離を大きくできるからである。
【００２８】
本発明にかかるサンプル濃縮装置のさらに別な実施態様は、前記濃縮用の電極のうち一部が、前記送液用の電極を兼ねていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、電極の数を減少させることができる。
【００２９】
本発明にかかるサンプル濃縮装置のさらに別な実施態様は、サンプル溶液の誘電率をε、ゼータ電位をζ、サンプル溶液の粘度をη、検出目的とする成分物質の帯電電荷をｅ、検出目的とする成分物質の平均半径をｒとするとき、
εζ／η ＞ ｅ／（６πηｒ）
の関係が成り立つことを特徴としている。この関係式が成り立てば、送液用の電極間に電界を発生させたとき、電界によって成分物質が得る速度がサンプル溶液の流速よりも小さくなる。よって、成分物質はサンプル溶液と同じ方向へ搬送される。
【００３０】
本発明にかかるサンプル濃縮方法は、サンプル溶液の供給部と回収部を結ぶ流路を有し、目的とするサンプル溶液の成分物質を濃縮させるための少なくとも２つの電極を前記流路に備え、前記流路内のサンプル溶液と共に同じ方向へ前記成分物質を送液するための少なくとも２つの電極を前記流路内又は前記流路の近傍に備え、検出目的とするサンプル溶液の帯電した成分物質と反対の極性で前記流路の内壁面が帯電したサンプル濃縮装置を用いたサンプル濃縮方法であって、前記濃縮用の電極間に電界を発生させ、当該電極のうちいずれかの電極に前記成分物質を濃縮させるとともに、前記成分物質の吸引方向と反対方向にむけてサンプル溶液の流れを生じさせる工程と、前記送液用の電極間に電界を発生させて前記流路内にサンプル溶液の流れを生じさせるとともに、前記成分物質をサンプル溶液の流れと同じ方向へ移動させる工程とを備えたことを特徴としている。
【００３１】
本発明のサンプル濃縮方法によれば、第１の工程によって成分物質を高い濃度に濃縮させることができ、また第２の工程によって濃縮された成分物質を流路に沿った所望位置に移動させることができる。
【００３２】
本発明にかかる第１の検出装置は、本発明にかかるサンプル濃縮装置と、前記サンプル濃縮装置の前記濃縮用の電極間の領域に配置されたセンサとを備えたことを特徴としている。かかる検出装置によれば、サンプル濃縮装置で濃縮された成分物質を直ちにその位置で検出することができ、検出効率が高くなる。
【００３３】
本発明にかかる第２の検出装置は、送液用の電極を備えた本発明のサンプル濃縮装置と、前記サンプル濃縮装置の前記濃縮用の電極間の領域の外側に配置されたセンサとを備えたことを特徴としている。かかる検出装置によれば、サンプル濃縮装置で濃縮された成分物質をセンサの位置まで移動させて検出することができる。従って、濃縮用の電極や電界に妨げられることなく検出を行わせることができる。
【００３４】
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。
【００３６】
（第１の実施形態）
以下、図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して実施形態１によるサンプル濃縮装置の構造を説明する。図１（ａ）は実施形態１によるサンプル濃縮装置１１の概略断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った概略断面図である。実施形態１においては、マイナスに荷電した粒子（成分物質）を濃縮させる場合を例として説明する。
【００３７】
（構造の説明）
このサンプル濃縮装置１１は、平板状をしたプレート１２によって形成されている。プレート１２内には一対のリザーバ１３、１５（サンプル溶液の供給部、回収部）が設けられており、リザーバ１３、１５間は直線状の微小な流路１４によってつながっている。また、リザーバ１３、１５の底面には、それぞれ送液用電極１６、１７が設けられており、流路１４の底面には流路途中を横切るようにして一対の濃縮用電極１８、１９が設けられている。
【００３８】
プレート１２は粒子と同じ極性に帯電する材料によって形成されており、少なくとも流路１４の内壁面は予め粒子と同じ極性、すなわちマイナスに帯電させられている。実施形態１では、粒子はマイナスに帯電しているので、プレート１２もマイナスに帯電する材料によって形成されている。例えばガラス、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などを用いることができるが、これら以外にもマイナスに帯電するものであれば使用可能である。また、流路１４の内面に表面処理することでマイナスに帯電させれば、プレート１２としてどのような材料も使用可能となる。なお、プレート１２は透明材料であっても不透明材料であってもよいが、流路内で濃縮された粒子を光学式のセンサや検査手段で測定する場合には、少なくともその部分は透明材料によって形成する必要がある。
【００３９】
リザーバ１３、１５は柱状の空間となっており、いずれもその上面がプレート１２の上面で開口している。このうち一方のリザーバ１３は溶液供給側のリザーバであって、これから検査しようとするサンプル溶液を溜めておくためのものであり、他方のリザーバ１５は溶液回収側のリザーバであって、流路１４を通過した後のサンプル溶液を溜めておくためのものである。いずれのリザーバ１３、１５も流路１４の容積に比べて十分に大きな容積を有している。
【００４０】
流路１４の両端はそれぞれリザーバ１３、リザーバ１５の下端部側面で開口していてリザーバ１３、１５に連通している。流路１４の断面は高さが約１０μｍ、幅が約１００μｍの長方形断面となっている。
【００４１】
送液用電極１６、１７及び濃縮用電極１８、１９はＡｕをスパッタ、化学メッキ等の方法でプレート１２に付着させて形成しているが、Ａｕ以外にもＰｔなどの白金系金属も利用可能である。
【００４２】
図１（ｂ）に示すように、送液用電極１６は配線２３によって直流電源２０に接続されており、濃縮用電極１８もスイッチ２１を介して配線２４によって直流電源２０に接続されている。また、送液用電極１７は配線２５によってグランドに接続されており、濃縮用電極１９もスイッチ２２を介して配線２６によってグランドに接続されている。スイッチ２１とスイッチ２２は連投スイッチとなっており、同時に開成され、あるいは同時に閉成される。また、直流電源２０は電源スイッチ２７を備えている。
【００４３】
（濃縮動作の説明）
上記のようなサンプル濃縮装置１１によれば、電気浸透流と電気泳動を利用してサンプル溶液中の粒子を高濃度に濃縮させることが可能になる。以下、図２〜図６に従ってサンプル濃縮装置１１によるサンプル溶液の濃縮動作を説明する。図２（ａ）（ｂ）はサンプル濃縮装置１１の動作を示し、図３及び図４はそのときに粒子が濃縮される様子を模式的に表した図である。図５は電気浸透流が存在せず、電気泳動のみで粒子が濃縮される様子を示す図である。また、図６は電気浸透流と電気泳動を説明するための図である。
【００４４】
サンプル溶液を濃縮する場合には、スイッチ２１、２２は閉じた状態となっている。まず、図２（ａ）に示すように、電源スイッチ２７をオフにしたままで、溶液供給側のリザーバ１３にサンプル溶液２８を注入して溜め、流路１４内にもサンプル溶液２８を浸入させておく。この濃縮開始前の状態では、図３に示すように、流路１４の内壁面がマイナスに帯電しているためにサンプル溶液２８内のプラスイオン３０が流路１４の内壁面に吸引され、流路１４の内壁面には電気二重層が発生している。しかし、流路１４内には電界が存在しないので、流路１４内におけるサンプル溶液２８の流れ（電気浸透流）はなく、粒子２９も流路１４の全体に均一に分散している。
【００４５】
ついで、図２（ｂ）に示すように、電源スイッチ２７をオンにすると、図４に示すように、流路１４内に電気浸透流が生じてサンプル溶液２８がリザーバ１３側からリザーバ１５側へ流れて送液されるとともに、粒子２９が濃縮用電極１８に吸引されて濃縮用電極１８の場所で濃縮される。
【００４６】
この理由を説明するため電気泳動と電気浸透流について説明する。図６は流路１４内に電気泳動と電気浸透流が生じる理屈を説明した模式図である。電気泳動とは、帯電した粒子がクーロン力により電界方向に引かれ、粒子が電荷量に依存して動く現象である。図６を参照して説明すると、流路１４に設けられた電極Ｋ１、Ｋ２間に電圧が印加されると、流路１４内で電極Ｋ１、Ｋ２間には電界Ｅが生じる。このとき粒子２９がマイナスに帯電していると、粒子２９は電界Ｅによって力を受けプラスの電極Ｋ１側へ引っ張られる。
【００４７】
電気浸透流とは、帯電した壁面に反対極性のイオンが集まり、集まったイオンがクーロン力によって電界方向へ引かれ、溶液がイオンの移動に巻き込まれることで生じる溶液の流れである。図６を参照して説明すると、流路１４の内壁面がマイナスに帯電していると、サンプル溶液２８中のプラスイオン３０が流路１４の内壁面に吸引されて当該内壁面には電気二重層が生じる。しかも、電極Ｋ１、Ｋ２間に電圧が印加されていて流路１４内に電界Ｅが生じていると、内壁面のプラスイオン３０が電界Ｅにより力を受けてマイナスの電極Ｋ２側へ引っ張られて移動する。このとき電極Ｋ２側へ移動するプラスイオン３０がサンプル溶液２８を引きずることでＫ２側に向けてサンプル溶液２８の流れが生じる。この現象を電気浸透効果といい、この流れを電気浸透流という。
【００４８】
図２（ｂ）及び図４の濃縮動作に戻って考えると、スイッチ２１、２２が閉じているために濃縮用電極１８と濃縮用電極１９の間には電界Ｅ（≠０）が発生しているが、送液用電極１６と濃縮用電極１８の間の領域、および濃縮用電極１９と送液用電極１７の間の領域では電界Ｅ＝０となっている。よって、濃縮用電極１８及び１９の間の濃縮エリアにある粒子２９は電界による力を受けて濃縮用電極１８側へ吸着され、濃縮用電極１８の近傍に凝集する。この結果、濃縮エリア内でサンプル溶液２８に分散していた粒子２９は濃縮用電極１８に集められて濃縮される。
【００４９】
また、サンプル溶液２８は、濃縮用電極１８と１９の間の領域では電界が存在しているために電気浸透効果によって駆動力を受けるが、送液用電極１６と濃縮用電極１８の間の領域や、濃縮用電極１９と送液用電極１７との間の領域では電界Ｅ＝０であるから、電気浸透効果による駆動力は発生しない。よって、流路１４内のサンプル溶液２８は、濃縮用電極１８、１９間での駆動力によってのみ電気浸透流を生じさせる。
【００５０】
いま仮に、流路１４の内壁面が帯電しておらず、電気浸透流が生じていないとすると、図５に示すように、濃縮用電極１８と濃縮用電極１９の間の濃縮エリアにある粒子２９が濃縮用電極１８に集まってしまうと、それ以上粒子２９は濃縮されない。従って、あまり大きな濃縮度は得られない。
【００５１】
これに対し、電気浸透流が存在すると、図５のように濃縮エリア内の粒子２９がすべて濃縮用電極１８に集まったとしても、電気浸透流によって粒子２９を含んだサンプル溶液２８が濃縮エリアに供給され、新しく供給された粒子２９も濃縮用電極１８に集まる。寄って、電気泳動と電気浸透流を組み合わせることによって局所的に非常に高い濃度で集まった粒子２９を得ることができる。
【００５２】
ただし、電気泳動と電気浸透流が存在すると、粒子２９は電気浸透流によって濃縮用電極１８と反対方向へ流されるので、粒子２９を濃縮用電極１８に集めるためには、電気泳動によって粒子２９が濃縮用電極１８側へ引き付けられる速度が、電子浸透流の流速よりも速くなければならない。
【００５３】
（粒子搬送動作の説明）
こうして粒子２９の濃縮が完了した後、図７に示すように、スイッチ２１、２２を開いて送液用電極１６、１７間にのみ電圧が加わるようにすると、流路１４内では電気浸透効果によってサンプル溶液２８が送液され、濃縮用電極１８に濃縮されていた粒子２９がサンプル溶液２８の流れに乗って粒子搬送される。なお、送液とはサンプル溶液を電気浸透流として通路内で移動させることをいい、粒子搬送とはサンプル溶液と共に粒子をサンプル溶液と同じ方向へ移動させることをいう。
【００５４】
スイッチ２１、２２を開いて送液用電極１６、１７間に電圧を印加している場合には、図８に示すように、送液用電極１６と送液用電極１７の間に電界Ｅ（≠０）が発生して電気泳動と電気浸透流が生じる。このためには、電気泳動によって粒子２９が濃縮用電極１８側へ引き付けられる速度が、電気浸透流の流速よりも遅くなければならない。
【００５５】
よって、スイッチ２１、２２を開いた場合には、濃縮用電極１８において濃縮されていた粒子２９を流路１４に沿って移動させることが可能になる。ただし、濃縮した粒子２９は粒子搬送によって拡散する恐れがあるので、電気浸透流の流速は粒子２９の拡散を考慮して適度な流速となるようにすることが好ましい。
【００５６】
こうして粒子搬送によって濃縮した粒子２９を移動させる目的は、粒子２９を検査するためのセンサ又は検出装置の検査位置まで粒子２９を移動させるためである。
【００５７】
以上より理解されるように、このサンプル濃縮装置１１によれば、サンプル溶液２８に含まれている帯電粒子２９を高い濃度で凝集させることが可能になる。また、濃縮された粒子２９をセンサ等の位置まで搬送することができるので、粒子２９をセンサ等により効率よく、かつ高感度で検出することが可能になる。また、電気浸透流を利用して粒子２９を搬送しているので、外部ポンプ等が必要なく、サンプル濃縮装置１１をコンパクトにできると共にコストも安価にできる。
【００５８】
（濃縮と粒子搬送を可能にするための条件）
上記のように送液しながら粒子を濃縮するためには、粒子はサンプル溶液に流されることなく濃縮用電極１８に吸引されなければならない。反対に、送液により粒子搬送を行う場合には、送液用電極１６が粒子を吸引する力よりもサンプル溶液が粒子を押し流す力が勝っていなければならない。このような作用は以下に述べるような条件のもとで実現することができる。
【００５９】
まず、送液による粒子搬送が起きるための条件を求める。この場合にはスイッチ２１、２２が開いていて流路１５の全長に電界Ｅが発生しているので、電気浸透効果によって流れるサンプル溶液２８の流速νEOFは、流路全体が駆動力となる電気浸透流速度に等しくなり、次の数式（１）で表される。
νEOF＝（εζ／η）Ｅ＝ｋEOFＥ      …（１）
ε：サンプル溶液の誘電率
ζ：ゼータ電位
η：サンプル溶液の粘度
Ｅ：送液用電極１６、１７間の電位勾配（電界）
ここで、ｋEOF＝（εζ／η）は、流路１４やサンプル溶液２８によって決まる電気浸透移動度である。また、ゼータ電位ζとは、流路１４の内壁面に生成している（拡散）電気二重層の「すべり面」（サンプル溶液中で内壁面近傍に形成する「イオン固定層」と、その外側の「イオン拡散層」との間に存在すると便宜的に定義された境界）の電位として定義されるものである。
【００６０】
また、電気泳動により移動する粒子２９の電気泳動速度νEPは、次の数式（２）で表される。
νEP＝〔ｅ／（６πηｒ）〕Ｅ＝ｋEPＥ      …（２）
ｅ：粒子の電荷
η：サンプル溶液の粘度
ｒ：粒子の半径
Ｅ：送液用電極１６、１７間の電位勾配（電界）
ここで、ｋEP＝（〔ｅ／（６πηｒ）〕は、粒子２９の性質によって決まる電気泳動移動度である。
【００６１】
スイッチ２１、２２を開いたときに電気浸透流方向に粒子２９を移動させるためには、粒子２９の電気泳動速度νEPよりも、サンプル溶液２８の流速νEOFのほうが大きければよい。よって、上記数式（１）、（２）より、この条件は、
ｋEOFＥ＞ｋEPＥ
と表される。また、送液用電極１６、１７の電極間距離をＬ、送液用電極１６への印加電圧（直流電源２０の電圧）をＶとすれば、Ｅ＝Ｖ／Ｌであるから、送液による粒子搬送が起きるための条件は次の数式（３）のようになる。
ｋEOF（Ｖ／Ｌ）＞ｋEP（Ｖ／Ｌ）      …（３）
【００６２】
つぎに、粒子を濃縮させるための条件を求める。この場合にはスイッチ２１、２２が閉じていて濃縮用電極１８、１９間に電界Ｅが発生しているので、濃縮用電極１８、１９の電極間距離をｘ、濃縮用電極１８への印加電圧（直流電源２０の電圧）をＶとすれば、Ｅ＝Ｖ／ｘである。従って、濃縮用電極１８、１９間の濃縮エリアにある粒子２９の電気泳動速度νEPは、上記数式（２）を用いて、次の数式（４）のように表される。
νEP＝ｋEP（Ｖ／ｘ）      …（４）
【００６３】
一方、このときには送液用電極１６と濃縮用電極１８の間にも、濃縮用電極１９と送液用電極１７との間にも電界が発生していないので、これらの濃縮エリア外領域ではサンプル溶液２８には駆動力が加わらず溶液抵抗が生じる。よって、電気浸透流はこのような溶液抵抗の影響を受けることになり、サンプル溶液２８の流速νEOFは電気浸透流速度よりも遅くなる。この溶液抵抗による流速維持率をｆ(ｘ)という、濃縮用電極１８、１９の電極間距離ｘの関数で表すと、サンプル溶液の流速は、次の数式（５）で表される。
νEOF＝ｆ(ｘ)・ｋEOF（Ｖ／ｘ）      …（５）
なお、流速維持率ｆ(ｘ)は電極間距離ｘの増加関数であって、ｆ(ｘ)≦１である。
【００６４】
スイッチ２１、２２を閉じたときに粒子２９を電気浸透流方向と反対側（電気泳動方向）に移動させるためには、粒子２９の電気泳動速度νEPがサンプル溶液２８の流速νEOFよりも大きければよい。よって、電気泳動により粒子２９の濃縮がおきるための条件は、上記数式（４）、（５）より、次の数式（６）のようになる。
ｆ(ｘ)・ｋEOF（Ｖ／ｘ）＜ｋEP（Ｖ／ｘ）      …（６）
【００６５】
結局、スイッチ２１、２２を開いたとき送液による粒子搬送が起き、スイッチ２１、２２を閉じたとき電気泳動よる粒子２９の濃縮が起きるためには、数式（３）と数式（６）とが同時に成り立てばよいので、この条件は次の数式（７）となる。
ｋEOF＞ｋEP＞ｆ(ｘ)・ｋEOF      …（７）
あるいは、数式（７）は、次のように表すこともできる。
εζ／η ＞ ｅ／（６πηｒ） ＞ ｆ(ｘ)・（εζ／η）      …（８）
ε：サンプル溶液の誘電率
ζ：ゼータ電位
η：サンプル溶液の粘度
ｅ：粒子の電荷
ｒ：粒子の半径
ｆ(ｘ)：流速維持率
【００６６】
粒子２９の性質は基本的に変えることができないので、数式（８）の左の不等式を満たすためには、流路１４の内壁面の帯電量を大きくしてゼータ電位ζを大きくすることが有効である。また、数式（８）の右の不等式を満たすためには、流速維持率ｆ(ｘ)を小さくする（すなわち、溶液抵抗を大きくする）ことが有効である。
【００６７】
ゼータ電位ζは、シランカップリング剤や自己組織化膜（ＳＡＭ）などの表面処理により変えることが可能であるから、これらの表面処理によってゼータ電位ζを大きくすればよい。
【００６８】
溶液抵抗としては圧力損失が考えられる。圧力損失ΔＰは一般的に以下の式で表される。
ΔＰ＝（３２ηＩｕ）／Ｄ２
η：サンプル溶液の粘度
Ｉ：流れ代表長さ
ｕ：平均流速
Ｄ：流路の直径
従って、直径Ｄの小さな流路を用いれば、圧力損失ΔＰが大きくなり、溶液抵抗が増大するので、流速維持率ｆ(ｘ)を小さくできる。そのため、細い流路を用いればよいことは明らかである。
【００６９】
また、濃縮用電極１８、１９の電極間距離ｘを短くすることによっても圧力損失ΔＰを大きくし、流速維持率ｆ(ｘ)を小さくすることができる。図９は、１４ｍｍの長さの流路１４に距離ｘをあけて濃縮用電極１８、１９を設け、濃縮用電極１８、１９間に電圧を印加させてサンプル溶液２８を送液させたときの、電極間距離ｘとサンプル溶液２８の流速（単位電圧当たり）との関係を表したものである。図９には、圧力損失がないと仮定して計算により求めた流速と、サンプル溶液２８の流速の実測値とを表している。図９によれば、電極間距離ｘが小さくなるほど実測値と計算値（圧力損失の無いときの理論値）とのずれが大きくなっており、電極間距離ｘが１ｍｍのときには計算値と実測値との間に６倍の違いがある。よって、濃縮用電極１８、１９の電極間距離ｘが小さいほど圧力損失が大きくなることが分かる。従って、電極間距離ｘを小さくすれば、ｆ(ｘ)が小さくなって数式（８）の右の式の値を小さくできる。
【００７０】
さらに、サンプル溶液２８のｐＨを調整することで粒子２９の帯電量ｅを変えることができるので、数式（８）の真ん中の式の値を変化させることができるが、このときには流路１４の内壁面のゼータ電位ζやサンプル溶液の誘電率εも変化するので、注意が必要である。
【００７１】
なお、細い流路を用いることが好ましいことを上に記載したが、実施形態１では、実際には高さが約１０μｍ、幅が約１００μｍの流路１４を用いている。これはつぎのような理由による。流路１４の高さが大きい場合を考えると、流路１４の内壁面にマイナスイオンが引き付けられているので、電気浸透流を発生させたときに流路１４の内壁面近傍では電界によるサンプル溶液の流れが生じるが、流路１４内の中央部では流れが生じなかったり、流れが生じても流速が遅かったりして、流路１４内の流れが層流となる恐れがある。実験的には、流路１４の高さを約１０μｍよりも小さくすることによって流路１４内全体の流れを均一な流速とすることができた。一方、流路１４の高さをあまり小さくすると、流路１４に流れるサンプル溶液の流量が小さくなる。従って、流路１４の高さは約１０μｍとするのが最も望ましい。
【００７２】
しかし、流路１４を直径が約１０μｍの円形断面とすると、流路１４に流れるサンプル溶液の流量が少なくなる。そのため、実施形態１では、流路１４の高さを約１０μｍとして流速を均一化すると共に、流路１４の幅を大きくして（約１００μｍ）流量を確保している。
【００７３】
また、流路１４の断面形状としては、幅が約１０μｍで高さが約１００μｍといった縦長断面形状も可能である。しかし、縦長断面形状であると、リザーバ１３内のサンプル溶液が少なくなってきたときに流路１４に気泡を噛み込む恐れがある。そのため幅方向に広い流路１４を用いている。
【００７４】
（粒子の移動速度と電極間距離）
つぎに、濃縮時と粒子搬送時の粒子２９の移動速度を考える。スイッチ２１、２２を閉じて濃縮を行っている場合には、粒子２９の移動速度は、数式（４）、（５）より、
〔ｋEP−ｆ(ｘ)・ｋEOF〕（Ｖ／ｘ）
となる。また、このときのサンプル溶液２８の流速は、
ｆ(ｘ)・ｋEOF（Ｖ／ｘ）
である。よって、濃縮用電極１８、１９の電極間距離ｘを小さくすることによって、粒子の移動速度を大きくして濃縮効率を向上させ、またサンプル溶液２８の流速を大きくして濃縮エリアへ粒子２９を効率よく供給できることを期待できる。
【００７５】
また、スイッチ２１、２２を閉じて粒子搬送を行っている場合には、粒子２９の移動速度は、数式（１）、（２）より、
〔ｋEOF−ｋEP〕（Ｖ／Ｌ）
となる。従って、粒子搬送の場合には、送液用電極１６、１７の電極間距離Ｌを大きくすれば、粒子の移動速度を小さくすることができ、濃縮された粒子を所定のセンシング位置へ搬送して精度よく停止させることができ、センシング時の信号強度を高くして測定感度を向上させることができる。よって、送液用電極１６、１７の電極間距離Ｌは、プレート１２のサイズが大きくならない範囲で、できるだけ長くなることが好ましく、実施形態１では、送液用電極１６、１７をリザーバ１３、１５内に設けている。
【００７６】
以上より、送液用電極１６、１７の電極間距離Ｌと濃縮用電極１８、１９の電極間距離ｘの比Ｌ／ｘはできるだけ大きいことが望ましい。
【００７７】
（サンプル濃縮装置の作製方法）
つぎに、実施形態１のサンプル濃縮装置１１の作製方法を説明する。図１０（ａ）〜（ｅ）、図１１（ａ）〜（ｄ）及び図１２（ａ）〜（ｄ）は、当該作製方法を説明する概略断面図である。
【００７８】
まず、図１０（ａ）に示すように、ガラス基板４１（ウエハ）を洗浄した後、Ａｕをスパッタしてガラス基板４１の上面に膜厚３００ｎｍのＡｕ膜４２を形成する。ついで、図１０（ｂ）に示すように、Ａｕ膜４２の上にフォトレジストをスピンコートしてレジスト膜４３を形成する。ついで、図１０（ｃ）に示すように、マスクを用いてレジスト膜４３をパターニングし、さらに図１０（ｄ）のように、パターニングされたレジスト膜４３をマスクとしてＡｕ膜４２をエッチング液によってエッチングした後、Ａｕ膜４２の上のレジスト膜４３をアセトンで除去する。この結果、図１０（ｅ）に示すように、ガラス基板４１の上面には、Ａｕ膜４２によって送液用電極１６、１７及び濃縮用電極１８、１９が完成される。図１０には１枚分のガラス基板４１だけを示しているが、ガラス基板４１はウエハサイズのままで複数個分の電極１６〜１９を形成されているので、ウエハをダイシングソーによってカットし、個々のガラス基板１０に分割する。こうして分割されたガラス基板は、例えば縦２７ｍｍ、幅５５ｍｍ、厚み０.５ｍｍとなっている。
【００７９】
一方、図１１（ａ）に示すように、洗浄したシリコン基板４４の上面にフォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィ工程によってフォトレジスト膜４５をパターニングしてフォトレジスト膜４５に流路１４と同じパターンの開口４６をあける。ついで、図１１（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜４５の開口４６からシリコン基板４４をエッチングし、流路１４を形成するための溝４７を形成し、フォトレジスト膜４５を剥離する。この後、図１１（ｃ）に示すように、電鋳法によってシリコン基板４４の上面にＮｉを堆積させてＮｉ成形型４８に溝４７を転写し、図１１（ｄ）のようにＮｉ成形型４８の表面に流路１４と同じ断面サイズ、同じパターンの凸条４９を形成する。
【００８０】
この後、図１２（ａ）に示すように、Ｎｉ成形型４８の上面にＰＤＭＳ前駆体溶液を流し、６０℃の温度に２時間保持して硬化させ、硬化後にこれをＮｉ成形型４８から剥離させることにより、下面に流路１４を形成された図１２（ｂ）のような流路基板５０を得る。こうして得られた流路基板５０は、例えば縦２５ｍｍ、幅３５ｍｍ、厚み４ｍｍとなっている（ガラス基板４１と同じ縦、横サイズであってもよい。）。ついで、図１２（ｃ）に示すように、流路基板５０に２つの貫通孔５１を開口させた後、ガラス基板４１の上面に流路基板５０の下面を貼り合わせて図１２（ｄ）のようなサンプル濃縮装置１１を得る。こうして作製されたサンプル濃縮装置１１では、ガラス基板４１と流路基板５０によってプレート１２が形成され、２つの開口貫通孔５１の下面がガラス基板４１で塞がれてリザーバ１３、１５となる。
【００８１】
（実施例）
実際に作製したサンプル濃縮装置によって粒子が濃縮される様子と粒子搬送される様子を観察した。図１３（ａ）〜（ｄ）及び図１４（ａ）〜（ｃ）は、観察粒子として、表面をカルボキシル基で処理したポリスチレンビーズ（粒子直径２ｍｍ）を用いたものであり、図１３（ａ）〜（ｄ）は粒子が濃縮される様子を示し、図１４（ａ）〜（ｃ）は粒子が搬送される様子を示す。また、図１５（ａ）〜（ｅ）及び図１６（ａ）〜（ｃ）は、観察粒子として、大腸菌Ｏ-１５７を用いたものであり、図１５（ａ）〜（ｅ）は大腸菌が濃縮される様子を示し、図１６（ａ）〜（ｃ）は大腸菌が搬送される様子を示す。
【００８２】
この観察に用いたサンプル濃縮装置は、流路の高さが１０μｍ、幅が５０〜２００μｍのものである（いずれの幅のものでも、濃縮効果が確認できた。）。高さが４０μｍの流路では、流路中心付近で電気浸透流による流れが弱くなり、粒子搬送時に中心付近の粒子がプラスの送液用電極側へ逆流した。本発明のサンプル濃縮装置では、電気浸透流と電気泳動のバランスが重要であるから、流路の高さは低い方が好ましい。なお、このバランスは前記のように粒子の電荷量と流路内壁面の帯電量によって決まる。
【００８３】
２つの送液用電極及び２つの濃縮用電極は、いずれもＡｕ電極を用いた。送液用電極は円形のＡｕ電極であり、濃縮用電極は長方形のＡｕ電極で流路を横切るように配置した。また、電気泳動と電気浸透流の差を大きくするため、流路全体の長さ（１０ｍｍ）と比べて短い距離に濃縮用電極を配置した。具体的には、濃縮電極の電極間距離は１〜２ｍｍが好ましいが、この実施例では１ｍｍとした。また、リザーバ内に配置された送液用電極の電極間距離は１４ｍｍとした。濃縮用電極の幅はいずれも０.５ｍｍとした。そして、プラス側の送液用電極とプラス側の濃縮用電極との距離を５.２５ｍｍとし、マイナス側の送液用電極とマイナス側の濃縮用電極との距離を６.７５ｍｍとした。
【００８４】
さらに、濃縮用電極及び送液用電極には、電源から５０ボルトの電圧を印加することとした。印加電圧を高くするほど大きな流速を得ることができ、濃縮速度も速くなるが、印加電圧を高くするとサンプル溶液内に気泡が発生する可能性が高くなるため、印加電圧は濃縮速度と気泡発生のトレードオフである。従って、印加電圧は、これらの点を考慮して５０ボルトとした。
【００８５】
緩衝液として１０ｍＭのボーレートバッファを用いて濃縮動作等を確認した。純水ではさらに大きな流速が得られ、高濃度の緩衝液にするほど流速が遅くなった。従って、適当な緩衝液を用いることで、粒子搬送速度を調整することが可能となる。
【００８６】
図１３は表面をカルボキシル基で処理した直径２ｍｍのポリスチレンビーズを観察粒子として濃縮動作を観察したものであり、図１３（ａ）は濃縮開始前の流路の様子を示し、図１３（ｂ）は濃縮開始直後の流路の様子を示し、図１３（ｃ）は濃縮開始後１分経過時の流路の様子を示し、図１３（ｄ）は濃縮開始後３分経過時の流路の様子を示している。濃縮開始前の図１３（ａ）では粒子は流路内に均一に分散しているが、時間の経過とともに図１３（ｂ）、図１３（ｃ）、図１３（ｄ）というように粒子が次第にプラスの濃縮電極に凝集していき、３分経過後の図１３（ｄ）は多量の粒子が濃縮電極の近傍に凝集して濃縮されていることを観察できる。３分経過後の状態では、濃縮前の粒子密度に比べて８.６倍の粒子密度であった。
【００８７】
図１４は、図１３の濃縮工程の後、送液用電極間に電圧を印加して粒子搬送の動作に切り替えたときの様子を観察したものであり、図１４（ａ）は粒子搬送を開始して１秒後の流路の様子を示し、図１４（ｂ）は粒子搬送を開始して３秒後の流路の様子を示し、図１４（ｃ）は粒子搬送を開始して５秒後の流路の様子を示している。粒子搬送開始から１秒後の図１４（ａ）では、プラスの濃縮用電極で濃縮されていた粒子がマイナスの濃縮用電極側へ搬送されている。粒子搬送開始から３秒後の図１４（ｂ）でも、濃縮された粒子は濃縮エリア内においてマイナスの濃縮用電極側へ搬送されている。さらに、粒子搬送開始から５秒後の図１４（ｃ）では、濃縮された粒子は、マイナスの濃縮用電極を超えて濃縮エリア外へ搬送されている。なお、搬送開始から３秒後のとき、画像処理によって積算光量を計測したところ、濃縮前に比べて積算光量は８.６倍となることを確認できた。
【００８８】
図１５は大腸菌Ｏ-１５７を観察粒子として濃縮動作を観察したものであり、図１５（ａ）は濃縮開始前の流路の様子を示し、図１５（ｂ）は濃縮開始直後の流路の様子を示し、図１５（ｃ）は濃縮開始後１分経過時の流路の様子を示し、図１５（ｄ）は濃縮開始後３分経過時の流路の様子を示し、図１５（ｅ）は濃縮開始後５分経過時の流路の様子を示している。濃縮開始前の図１５（ａ）では大腸菌は流路内に均一に分散していると思われるが、時間の経過とともに図１５（ｂ）、図１５（ｃ）、図１５（ｄ）、図１５（ｅ）というように大腸菌が次第にプラスの濃縮電極に凝集していき、５分経過後の図１５（ｅ）では多くの大腸菌が濃縮電極の近傍に凝集して濃縮されている。ポリスチレンビーズを用いた場合に比べると、濃縮速度は遅いが、大腸菌の場合でも十分に濃縮できることが観察される。
【００８９】
図１６は、図１５の濃縮工程の後、送液用電極間に電圧を印加して粒子搬送の動作に切り替えたときの様子を観察したものであり、図１６（ａ）は粒子搬送を開始して１秒後の流路の様子を示し、図１６（ｂ）は粒子搬送を開始して３秒後の流路の様子を示し、図１６（ｃ）は粒子搬送を開始して５秒後の流路の様子を示している。大腸菌の場合にも、ゆっくりとした速度で濃縮された大腸菌がマイナスの濃縮用電極側へむけて搬送されていることが観察できる。
【００９０】
従って、このような実施例における観察により、実施形態１のサンプル濃縮装置の有効性を確認することができた。
【００９１】
（その他）
以上の説明においては、粒子がマイナスに荷電している場合について述べたが、粒子がプラスに荷電している場合にもサンプル濃縮装置１１を用いることができる。この場合には、プレート１２としてプラスに帯電可能なものを用いて流路１４の内壁面をプラスに帯電させ、送液用電極１６及び濃縮用電極１８側に直流電源２０を接続し、送液用電極１７及び濃縮用電極１９側をグランドに接続するようにすれば、同じ場所（マイナスの濃縮用電極）に粒子が濃縮される。
【００９２】
また、濃縮する対象は荷電した粒子に限らず、電荷を持ったイオン、生体分子なども濃縮したり、濃縮したものを搬送させることができる。
【００９３】
また、送液用電極にもスイッチを設け、濃縮時には送液用電極のスイッチを開いて電源から切り離すようにしてもよい。
【００９４】
（第２の実施形態）
図１７は本発明の実施形態２によるサンプル濃縮装置６１を示す概略図である。このサンプル濃縮装置６１は、マイナス側の送液用電極を省いて３つの電極、すなわち２つの濃縮用電極１８、１９と１つの送液用電極１６で構成したものである。このサンプル濃縮装置６１においては、送液用電極１６は配線６４によって直流電源２０に直結されている。濃縮用電極１８は、配線６５及び６６によって直流電源２０に接続可能となっており、また配線６６及び６７によってグランドに接続可能となっており、スイッチ６２によって電源側とグランド側とに切替可能となっている。濃縮用電極１９は、配線６８及び６９によってグランドに接続可能となっており、またスイッチ６２によってグランドから切離し可能となっている。
【００９５】
しかして、図１７（ａ）に示すように、スイッチ６２を電源側へ切り替えて濃縮用電極１８を直流電源２０に接続し、スイッチ６３を閉じて濃縮用電極１９をグランドに接続している状態では、濃縮用電極１８、１９間の濃縮エリアにあるマイナスの粒子は、プラス側の濃縮用電極１８に吸引されて濃縮用電極１８のある場所で濃縮される。同時に、濃縮用電極１８、１９間における電気浸透効果によって流路１４内に電気浸透流が生じてサンプル溶液がリザーバ１３からリザーバ１５へ送液される。
【００９６】
また、図１７（ｂ）に示すように、スイッチ６２をグランド側へ切り替えて濃縮用電極１８をグランドに接続し、スイッチ６３を開いて濃縮用電極１９をオープンにしている状態では、送液用電極１６と濃縮用電極１８の間における電気浸透効果によって流路１４内に電気浸透流が生じ、濃縮用電極１８で濃縮された粒子が濃縮用電極１９側へ搬送される。
【００９７】
以上のような動作から分かるように、このサンプル濃縮装置６１では、濃縮用電極１８がマイナス側の送液用電極の働きを兼ねている。また、濃縮用電極１８及び１９によって粒子の濃縮を行い、送液用電極１６及び濃縮用電極１８によって粒子搬送を行うので、送液用電極１６と濃縮用電極１８の電極間距離は、濃縮用電極１８と１９の電極間距離よりも長くなっている。
【００９８】
（第３の実施形態）
図１８は本発明の実施形態３によるサンプル濃縮装置７１を示す概略図である。このサンプル濃縮装置７１は、流路１４から濃縮用流路７２を分岐させて流路をＴ形に構成したものである。流路１４の両端に設けられたリザーバ１３、１５内にはそれぞれ送液用電極１６、１７を設けてある。濃縮用流路７２の端にもリザーバ８０を形成してあり、リザーバ８０内に送液用電極７３を設けてあり、濃縮用流路７２の途中には濃縮用電極７４を設けている。送液用電極１６は配線７５によって直流電源２０に直結され、送液用電極７３も配線７６によって直流電源２０に直結されている。送液用電極１７は配線７７によってグランドに接続されている。濃縮用電極７４はスイッチ７８を介して配線７９によって直流電源２０に接続されている。また、濃縮用電極７４と送液用電極１７との流路に沿った電極間距離は、送液用電極１６と送液用電極１７との電極間距離よりも十分短くなっている。
【００９９】
しかして、スイッチ７８を閉じて濃縮用電極７４に電圧を印加した場合には、図１９に示すように、濃縮用電極７４、と送液用電極１７の間の濃縮エリアにある粒子２９が濃縮用電極７４に吸引され（電気泳動）、濃縮用電極７４の場所に粒子２９が凝集して濃縮される。このとき送液用電極１６から送液用電極１７に向けて電気浸透流が生じている。また、濃縮用電極７４から送液用電極１７に向けて電気浸透流が生じており、これによってリザーバ８０から濃縮用電極７４に向けてもサンプル溶液２８の流れが生じ、粒子２９を含んだサンプル溶液２８がリザーバ８０から濃縮エリアに供給されている。
【０１００】
粒子２９の濃縮が終わった後、スイッチ７８を開いて濃縮用電極７４を開放にすると、図２０に示すように、送液用電極１６から送液用電極１７に向けて電気浸透流が生じ、また送液用電極７３から送液用電極１７に向けても電気浸透流が生じ、これによって濃縮用電極７４の場所で濃縮された粒子２９が濃縮用流路７２及び流路１４に沿って送液用電極１７側へ向けて搬送される（粒子搬送）。
【０１０１】
（第４の実施形態）
図２１は本発明の実施形態４による検出装置８１を示す概略平面図である。この検出装置８１は、実施形態１のサンプル濃縮装置１１を用いたものであり、濃縮用電極１８及び１９の間の濃縮エリアに対応する位置で、プレート１２の下面にセンサ８２を設けたものである。センサ８２としては、ＳＰＲ（表面プラズモン共鳴）センサ、ＱＣＭ（クオーツクリスタルマイクロバランス）、酵素センサ、電気化学センサなどのバイオセンサのほか、蛍光検出センサ、分光装置などでもよい。
【０１０２】
この検出装置８１では、濃縮エリア特に濃縮用電極１８の近傍にセンサ８２を配置しているので、濃縮用電極１８で粒子２９を濃縮しながら、あるいは粒子２９の濃縮が終了した直後に（粒子搬送を行うことなく）、センサ８２によって粒子２９を検出することができる。よって、濃縮した粒子２９をそのまま検出できるので、粒子搬送による濃縮粒子２９の拡散を回避することができ、センサ８２による検出を高感度化できる。また、このような構成であればインキャピラリー（in-capillary）方式となるので、検出作業を効率よく行うことができる。なお、このような形態では、濃縮した粒子２９を搬送する必要がないので、送液用電極１６、１８は省略することができる。
【０１０３】
しかし、図２１のような構成であると、電界Ｅの影響によってセンサ８２を使用できなくなる可能性がある。そのような場合には、図２２に示す検出装置８３のように、センサ８２を濃縮エリア外で、粒子搬送方向の下流側となる位置に配置すればよい。この場合には、濃縮用電極１８の場所で粒子２９を濃縮した後、粒子搬送によって濃縮した粒子２９をセンサ８２の位置へ移動させて検出を行う。このような構造であれば、粒子搬送によって濃縮粒子２９が多少拡散するおそれがあるが、ほとんどすべてのセンサに適用することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明にかかるサンプル濃縮装置は、マイクロＴＡＳ（Total Analysis Systems）と呼ばれるような、微小な化学分析システムを構築する際に用いることができる。例えば、細菌、ウィルス、ＤＮＡ、タンパク質などを検出するためのバイオチップの開発や、高感度センサ（ＳＰＲセンサ、化学センサ、バイオセンサ等）の開発において、センサ感度を向上させるためなどに、採取したサンプルを前処理する工程において用いることができる。細菌の培養などに比べると簡単に成分物質の濃度を高めることができる。
【０１０５】
また、成分の分離を目的とするナノピラーチップとしての応用も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】図１（ａ）は実施形態１によるサンプル濃縮装置の概略断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った概略断面図である。
【図２】図２（ａ）（ｂ）は、実施形態１のサンプル濃縮装置により粒子の濃縮を行う方法を説明する断面図である。
【図３】図３は、粒子の濃縮を開始する前の状況における粒子の分布を模式的に表した図である。
【図４】図４は、粒子の濃縮を行っている状況における粒子の分布を模式的に表した図である。
【図５】図５は、流路内に電気浸透流が存在せず、電気泳動のみで粒子が濃縮される様子を模式的に表した図である。
【図６】図６は、流路内に電気泳動と電気浸透流が生じる理屈を説明するための模式図である。
【図７】図７は、実施形態１のサンプル濃縮装置により粒子搬送を行っている状態を示す断面図である。
【図８】図８は、粒子搬送を行っている状況における粒子の分布を模式的に表した図である。
【図９】図９は、１４ｍｍの長さの流路に距離ｘをあけて一対の濃縮用電極を設け、濃縮用電極間に電圧を印加させてサンプル溶液を送液させたときの、電極間距離ｘとサンプル溶液の流速（単位電圧当たり）との関係を表した図である。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｅ）は、実施形態１のサンプル濃縮装置の製造工程を示す図であって、ガラス基板上に電極を形成するまでの工程を表している。
【図１１】図１１（ａ）〜（ｄ）は、実施形態１のサンプル濃縮装置の製造工程を示す図であって、Ｎｉ成形型を作製するまでの工程を表している。
【図１２】図１２（ａ）〜（ｄ）は、実施形態１のサンプル濃縮装置の製造工程を示す図であって、Ｎｉ成形型を用いて流路基板を作製し、流路基板をガラス基板の上面に貼り合わせてサンプル濃縮装置を作製するまでの工程を表している。
【図１３】図１３（ａ）〜（ｄ）は、観察粒子として表面をカルボキシル基で処理したポリスチレンビーズ（粒子直径２ｍｍ）を用い、粒子が濃縮される様子を観察したものである。
【図１４】図１４（ａ）〜（ｃ）は、観察粒子として表面をカルボキシル基で処理したポリスチレンビーズ（粒子直径２ｍｍ）を用い、粒子が搬送される様子を観察したものである。
【図１５】図１５（ａ）〜（ｅ）は、観察粒子として大腸菌Ｏ-１５７を用い、大腸菌が濃縮される様子を観察したものである。
【図１６】図１６（ａ）〜（ｃ）は、観察粒子として大腸菌Ｏ-１５７を用い、大腸菌が搬送される様子を観察したものである。
【図１７】図１７（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態２によるサンプル濃縮装置を示す概略図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施形態３によるサンプル濃縮装置を示す概略図である。
【図１９】図１９は、実施形態３のサンプル濃縮装置において、濃縮用電極に粒子が濃縮する様子を模式的に表した概略図である。
【図２０】図２０は、実施形態３のサンプル濃縮装置において、濃縮された粒子が搬送される様子を模式的に表した概略図である。
【図２１】図２１は、本発明の実施形態４による検出装置を示す概略平面図である。
【図２２】図２２は、本発明の実施形態４による別な検出装置を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１１、６１、７１      サンプル濃縮装置
１３、１５      リザーバ
１４      流路
１６、１７、７３      送液用電極
１８，１９、７４      濃縮用電極
２０      直流電源
２１、２２      スイッチ
２８      サンプル溶液
２９      粒子
３０      プラスイオン
６２      スイッチ
６３      スイッチ
７２      濃縮用流路
７８      スイッチ
８０      リザーバ
８１、８３      検出装置
８２      センサ
【図１】
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【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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