JP2003066004A - 微粒子分離方法、微粒子分離装置、およびセンサ - Google Patents
微粒子分離方法、微粒子分離装置、およびセンサInfo
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- JP2003066004A JP2003066004A JP2001260749A JP2001260749A JP2003066004A JP 2003066004 A JP2003066004 A JP 2003066004A JP 2001260749 A JP2001260749 A JP 2001260749A JP 2001260749 A JP2001260749 A JP 2001260749A JP 2003066004 A JP2003066004 A JP 2003066004A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 簡便・高速で、高精度に微粒子を分離する方
法および装置を提供すること、ならびに定量定性分析を
行うセンサを実現することを目的とする。 【解決手段】 電極対４、５間に交流電圧を印加し、溶
液チャンバー８内を流れる溶液９に含まれている微粒子
に誘電泳動力を働かせて、流れの力と誘電泳動力とがつ
りあう位置へ微粒子を集める。微粒子の種類によってつ
りあいの位置が異なるので、分離が可能となる。また、
交流電圧の周波数や電界強度を変化させることにより、
つりあいの位置を制御することができる。
法および装置を提供すること、ならびに定量定性分析を
行うセンサを実現することを目的とする。 【解決手段】 電極対４、５間に交流電圧を印加し、溶
液チャンバー８内を流れる溶液９に含まれている微粒子
に誘電泳動力を働かせて、流れの力と誘電泳動力とがつ
りあう位置へ微粒子を集める。微粒子の種類によってつ
りあいの位置が異なるので、分離が可能となる。また、
交流電圧の周波数や電界強度を変化させることにより、
つりあいの位置を制御することができる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微粒子分離方法、
微粒子分離装置、およびセンサに関する。
微粒子分離装置、およびセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、溶液中に含まれる微粒子を分離す
る方法として、遠心力と電気泳動力の力のつりあいを利
用した方法がある。これは、遠心力が働く場の中に微粒
子を含む溶液を置き、遠心力と反対方向に作用する電場
を与えて電気泳動力を発生させ、遠心力と電気泳動力と
がつりあった位置に微粒子を分離する方法である。
る方法として、遠心力と電気泳動力の力のつりあいを利
用した方法がある。これは、遠心力が働く場の中に微粒
子を含む溶液を置き、遠心力と反対方向に作用する電場
を与えて電気泳動力を発生させ、遠心力と電気泳動力と
がつりあった位置に微粒子を分離する方法である。
【０００３】例えば、特許第１６０３２２４号公報に
は、イオン交換膜を用いて溶液にイオン濃度勾配を発生
させてその大きさが位置に依存する電場を作り出し、溶
液中の任意の位置にある粒子に働く遠心力と電気泳動力
の合成ベクトルがつりあいの位置に向かうような場を作
ることで高分子または粒子等溶液を分離する発明が記載
されている。
は、イオン交換膜を用いて溶液にイオン濃度勾配を発生
させてその大きさが位置に依存する電場を作り出し、溶
液中の任意の位置にある粒子に働く遠心力と電気泳動力
の合成ベクトルがつりあいの位置に向かうような場を作
ることで高分子または粒子等溶液を分離する発明が記載
されている。
【０００４】具体的に説明すると、荷電Ｑ、質量Ｍ、比
容積ｖの微粒子に働く力ｆは、遠心力ｆcと遠心力と反
対方向の大きさＥの電場による力（電気泳動力）ｆeの
合力で示され、次の（数１）式のようになる。
容積ｖの微粒子に働く力ｆは、遠心力ｆcと遠心力と反
対方向の大きさＥの電場による力（電気泳動力）ｆeの
合力で示され、次の（数１）式のようになる。
【０００５】
【数１】
【０００６】ここで、ρは粒子の数密度、ωは回転の角
速度、ｒは遠心力の回転半径を示す。回転中心から一定
の点より半径ｒが増大するに従い、その大きさが増大す
るような分布を持つ電場をイオン濃度勾配を生み出すイ
オン交換膜の設置により実現し、角速度ωを適当に選ぶ
ことにより遠心力ｆcと電気泳動力ｆeのつりあう位置ｒ
pを決定、すなわち同一の粒子をすべて同じ位置に集合
させる分離方法を実現している。
速度、ｒは遠心力の回転半径を示す。回転中心から一定
の点より半径ｒが増大するに従い、その大きさが増大す
るような分布を持つ電場をイオン濃度勾配を生み出すイ
オン交換膜の設置により実現し、角速度ωを適当に選ぶ
ことにより遠心力ｆcと電気泳動力ｆeのつりあう位置ｒ
pを決定、すなわち同一の粒子をすべて同じ位置に集合
させる分離方法を実現している。
【０００７】また、従来、様々な種類の分子や微粒子を
含む溶液を分析する方法として、ゲルを用いて吸着の差
を利用して分析を行うゲルクロマトグラフィー法や、高
周波不平等電界を発生させて分子や粒子に働く誘電泳動
力の差を利用して分析を行う静電クロマトグラフィー法
がある。
含む溶液を分析する方法として、ゲルを用いて吸着の差
を利用して分析を行うゲルクロマトグラフィー法や、高
周波不平等電界を発生させて分子や粒子に働く誘電泳動
力の差を利用して分析を行う静電クロマトグラフィー法
がある。
【０００８】例えば、特許第３０９７９３２号公報に
は、入口から一定速度で流れているキャリアーにサンプ
ルとなる分子や粒子を添加し、これらに誘電泳動力を働
かせ、出口に達する所要時間の差から分子や粒子の分析
を行う静電クロマトグラフィー装置が記載されている。
これは、分子や粒子に働く誘電泳動力が、その分子や粒
子に固有の電気双極子モーメントによって大きさが異な
ることを利用して分子や粒子を分析するクロマトグラフ
ィー装置に関する発明である。
は、入口から一定速度で流れているキャリアーにサンプ
ルとなる分子や粒子を添加し、これらに誘電泳動力を働
かせ、出口に達する所要時間の差から分子や粒子の分析
を行う静電クロマトグラフィー装置が記載されている。
これは、分子や粒子に働く誘電泳動力が、その分子や粒
子に固有の電気双極子モーメントによって大きさが異な
ることを利用して分子や粒子を分析するクロマトグラフ
ィー装置に関する発明である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術はいず
れも、分子や粒子等を分離する方法や装置の確立を目的
としている。しかしながら、上記従来の技術において
は、以下に示すような課題を有する。
れも、分子や粒子等を分離する方法や装置の確立を目的
としている。しかしながら、上記従来の技術において
は、以下に示すような課題を有する。
【００１０】特許第１６０３２２４号公報では、遠心力
と電気泳動力とがつりあう位置に粒子を集合させて分離
を行っており、具体的には任意の位置にある粒子に働く
合力が常につりあいの位置に向かうよう、イオン交換膜
を用いて勾配を持つ電場を作り出している。しかし、電
気泳動を利用することにより、様々な課題が発生する。
例えば、通電中に電気泳動槽中のイオンが消耗するた
め、電解質貯蔵溶液を別途設けるなど、非常に複雑な前
処理を必要とする。また、水溶液に直流電圧を印加した
場合、電極近傍において水が電気分解し、安全対策が必
要な場合も起こりうる。
と電気泳動力とがつりあう位置に粒子を集合させて分離
を行っており、具体的には任意の位置にある粒子に働く
合力が常につりあいの位置に向かうよう、イオン交換膜
を用いて勾配を持つ電場を作り出している。しかし、電
気泳動を利用することにより、様々な課題が発生する。
例えば、通電中に電気泳動槽中のイオンが消耗するた
め、電解質貯蔵溶液を別途設けるなど、非常に複雑な前
処理を必要とする。また、水溶液に直流電圧を印加した
場合、電極近傍において水が電気分解し、安全対策が必
要な場合も起こりうる。
【００１１】また、特許第３０９７９３２号公報では、
一定速度で流れているキャリアーに含まれる分子や粒子
に誘電泳動力を働かせ、一定距離を移動するのに必要な
所要時間の差から様々な分子や粒子の分離を行ってい
る。しかし、所要時間の差に基づく分離方法であるた
め、分離にはある程度の時間がかかってしまうことにな
る。
一定速度で流れているキャリアーに含まれる分子や粒子
に誘電泳動力を働かせ、一定距離を移動するのに必要な
所要時間の差から様々な分子や粒子の分離を行ってい
る。しかし、所要時間の差に基づく分離方法であるた
め、分離にはある程度の時間がかかってしまうことにな
る。
【００１２】以上に鑑み、本発明の目的は、簡便・高速
で、高精度に微粒子を分離する方法および装置を提供す
ること、ならびに定量定性分析を行うセンサを提供する
ことである。
で、高精度に微粒子を分離する方法および装置を提供す
ること、ならびに定量定性分析を行うセンサを提供する
ことである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、微粒子を含む溶液が流れている中で、前記
流れの力と反対方向に微粒子を誘電泳動させ、前記流れ
の力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分
離させる微粒子分離方法としたものである。
に本発明は、微粒子を含む溶液が流れている中で、前記
流れの力と反対方向に微粒子を誘電泳動させ、前記流れ
の力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分
離させる微粒子分離方法としたものである。
【００１４】そして、誘電泳動を発生させる際に印加す
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを
制御することで、微粒子に働く流れの力と誘電泳動力と
がつりあう位置を制御するようにするのがよい。
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを
制御することで、微粒子に働く流れの力と誘電泳動力と
がつりあう位置を制御するようにするのがよい。
【００１５】また、本発明は、微粒子を含む溶液に遠心
力を与え、前記遠心力と反対方向に微粒子を誘電泳動さ
せ、前記遠心力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記
微粒子を分離させる微粒子分離方法としたものである。
力を与え、前記遠心力と反対方向に微粒子を誘電泳動さ
せ、前記遠心力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記
微粒子を分離させる微粒子分離方法としたものである。
【００１６】そして、誘電泳動を発生させる際に印加す
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、遠心力を発生させる角速度の少なくともい
ずれかひとつを制御することで、微粒子に働く遠心力と
誘電泳動力とがつりあう位置を制御するのがよい。
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、遠心力を発生させる角速度の少なくともい
ずれかひとつを制御することで、微粒子に働く遠心力と
誘電泳動力とがつりあう位置を制御するのがよい。
【００１７】また、本発明は、第一の電極と第二の電極
からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を
発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を流すための
ポンプと流路とを具備し、前記微粒子に働く流れの力と
誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させ
る微粒子分離装置としたものである。
からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を
発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を流すための
ポンプと流路とを具備し、前記微粒子に働く流れの力と
誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させ
る微粒子分離装置としたものである。
【００１８】そして、誘電泳動を発生させる際に印加す
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを
制御することで、微粒子に働く流れの力と誘電泳動力と
がつりあう位置を制御するのがよい。
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを
制御することで、微粒子に働く流れの力と誘電泳動力と
がつりあう位置を制御するのがよい。
【００１９】また、本発明は、第一の電極と第二の電極
からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を
発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を収容する容
器とを具備し、前記容器は前記微粒子に遠心力を与える
ための回転体に保持されており、前記微粒子に働く遠心
力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離
させる微粒子分離装置としたものである。
からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を
発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を収容する容
器とを具備し、前記容器は前記微粒子に遠心力を与える
ための回転体に保持されており、前記微粒子に働く遠心
力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離
させる微粒子分離装置としたものである。
【００２０】そして、誘電泳動を発生させる際に印加す
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、回転体の角速度の少なくともいずれかひと
つを制御することで、微粒子に働く遠心力と誘電泳動力
とがつりあう位置を制御するのがよい。
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、回転体の角速度の少なくともいずれかひと
つを制御することで、微粒子に働く遠心力と誘電泳動力
とがつりあう位置を制御するのがよい。
【００２１】また、本発明は、第一の電極と第二の電極
からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を
発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を流すための
ポンプと流路と、前記微粒子の濃度を測定する濃度測定
装置とを具備し、前記微粒子に働く流れの力と誘電泳動
力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させ、分離し
た状態の微粒子濃度を前記濃度測定装置により測定する
センサとしたものである。
からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を
発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を流すための
ポンプと流路と、前記微粒子の濃度を測定する濃度測定
装置とを具備し、前記微粒子に働く流れの力と誘電泳動
力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させ、分離し
た状態の微粒子濃度を前記濃度測定装置により測定する
センサとしたものである。
【００２２】そして、誘電泳動を発生させる際に印加す
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを
制御することで、微粒子が濃度測定部位に位置するよう
制御するのがよい。
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを
制御することで、微粒子が濃度測定部位に位置するよう
制御するのがよい。
【００２３】また、本発明は、第一の電極と第二の電極
からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を
発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を収容する容
器と、前記微粒子の濃度を測定する濃度測定装置とを具
備し、前記容器は前記微粒子に遠心力を与えるための回
転体に保持されており、前記微粒子に働く遠心力と誘電
泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させ、分
離した状態の微粒子の濃度を前記濃度測定装置により測
定するセンサとしたものである。
からなる電極対と、これら電極間に不均一な交流電界を
発生せしめる電圧源と、微粒子を含む溶液を収容する容
器と、前記微粒子の濃度を測定する濃度測定装置とを具
備し、前記容器は前記微粒子に遠心力を与えるための回
転体に保持されており、前記微粒子に働く遠心力と誘電
泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離させ、分
離した状態の微粒子の濃度を前記濃度測定装置により測
定するセンサとしたものである。
【００２４】そして、誘電泳動を発生させる際に印加す
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、回転体の角速度の少なくともいずれかひと
つを制御することで、微粒子が濃度測定部位に位置する
よう制御するのがよい。
る交流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電
圧印加時間、回転体の角速度の少なくともいずれかひと
つを制御することで、微粒子が濃度測定部位に位置する
よう制御するのがよい。
【００２５】なお、上記濃度測定装置は、表面プラズモ
ン共鳴現象を利用したものとするのが好適である。
ン共鳴現象を利用したものとするのが好適である。
【００２６】あるいは、上記濃度測定装置は光源と光検
出器とを具備し、光源から発せられた光が微粒子を含む
溶液中を透過し、光検出器により計測されることで微粒
子による光の吸光度を求め、この値から微粒子の濃度を
求めるものとしてもよい。
出器とを具備し、光源から発せられた光が微粒子を含む
溶液中を透過し、光検出器により計測されることで微粒
子による光の吸光度を求め、この値から微粒子の濃度を
求めるものとしてもよい。
【００２７】これら本発明により、簡便・高速で、高精
度に微粒子を分離する方法および装置、ならびに定量定
性分析を行うセンサを得ることができる。
度に微粒子を分離する方法および装置、ならびに定量定
性分析を行うセンサを得ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
と数式を参照して説明する。
と数式を参照して説明する。
【００２９】（実施の形態１）本発明は、微粒子を含む
溶液が流れの方向に流速分布を有している流れの中で、
流れの力と反対方向に微粒子に誘電泳動力を印加し、流
れの力と誘電泳動力とがつりあった位置に留まることを
利用し、溶液中に含まれる様々な種類の微粒子を分離す
る方法やその装置、および分離したものを分析するセン
サに関するものである。特に、様々な種類のタンパク
質、細胞、高分子等の微粒子を含む溶液中から所望の微
粒子を選択的に抽出したり分離分析を行う生化学分析、
創薬、ＤＮＡ解析、ハイスループットスクリーニング等
に好適に用いられる。
溶液が流れの方向に流速分布を有している流れの中で、
流れの力と反対方向に微粒子に誘電泳動力を印加し、流
れの力と誘電泳動力とがつりあった位置に留まることを
利用し、溶液中に含まれる様々な種類の微粒子を分離す
る方法やその装置、および分離したものを分析するセン
サに関するものである。特に、様々な種類のタンパク
質、細胞、高分子等の微粒子を含む溶液中から所望の微
粒子を選択的に抽出したり分離分析を行う生化学分析、
創薬、ＤＮＡ解析、ハイスループットスクリーニング等
に好適に用いられる。
【００３０】図１は、流れの力と誘電泳動力とを用い
て、ある単一種の微粒子Ａを分離する場合の一形態を示
す模式図である。図１（ａ）において、筐体１には厚さ
が一定で扇形の溶液チャンバー８が形成されており、扇
の幅の狭まった側の端部には溶液流入口２が、扇の幅の
広がった側の端部には溶液流出口３が設けられている。
また、溶液流入口２と溶液流出口３の間には第一の電極
４と第二の電極５がそれぞれ設けられており、これら電
極はそれぞれ図示していない交流電圧源に接続されてい
る。第一の電極４と第二の電極５の間の電界強度は、第
一の電極４に近いほど電気力線が密となるため、図中で
は左へ行くほど電界強度が強くなる。また図１（ｂ）
は、図１（ａ）のＭ−Ｍ’断面図である。溶液チャンバ
ー８を含む流路６は微粒子Ａを含む溶液９で満たされて
おり、溶液９はポンプ７によって流路６内を一定流量で
循環している。
て、ある単一種の微粒子Ａを分離する場合の一形態を示
す模式図である。図１（ａ）において、筐体１には厚さ
が一定で扇形の溶液チャンバー８が形成されており、扇
の幅の狭まった側の端部には溶液流入口２が、扇の幅の
広がった側の端部には溶液流出口３が設けられている。
また、溶液流入口２と溶液流出口３の間には第一の電極
４と第二の電極５がそれぞれ設けられており、これら電
極はそれぞれ図示していない交流電圧源に接続されてい
る。第一の電極４と第二の電極５の間の電界強度は、第
一の電極４に近いほど電気力線が密となるため、図中で
は左へ行くほど電界強度が強くなる。また図１（ｂ）
は、図１（ａ）のＭ−Ｍ’断面図である。溶液チャンバ
ー８を含む流路６は微粒子Ａを含む溶液９で満たされて
おり、溶液９はポンプ７によって流路６内を一定流量で
循環している。
【００３１】ここで、図１において、溶液流入口２の位
置がｒin、第一の電極４がｒ1、第二の電極５がｒ2、溶
液流出口３がｒoutとなるようなｒ座標を設定する。こ
のような条件下で、溶液チャンバー８内の溶液９に含ま
れている微粒子Ａに働く流れの力Ｆfは、次の（数２）
式で示される。
置がｒin、第一の電極４がｒ1、第二の電極５がｒ2、溶
液流出口３がｒoutとなるようなｒ座標を設定する。こ
のような条件下で、溶液チャンバー８内の溶液９に含ま
れている微粒子Ａに働く流れの力Ｆfは、次の（数２）
式で示される。
【００３２】
【数２】
【００３３】ここで、μは溶液９の粘性係数、ａは微粒
子Ａの半径、Ｖ（ｒ）は流れの速さをそれぞれ示す。流
れの速さＶ（ｒ）は位置ｒの関数であるが、ここでの場
合は循環流量が一定、溶液チャンバー８の厚さが一定で
あるため、Ｖ（ｒ）はｒに反比例する関数となる。位置
ｒと流れの力Ｆfとの関係を示すグラフを図２に示す。
力の働く方向は、＋ｒ方向である。
子Ａの半径、Ｖ（ｒ）は流れの速さをそれぞれ示す。流
れの速さＶ（ｒ）は位置ｒの関数であるが、ここでの場
合は循環流量が一定、溶液チャンバー８の厚さが一定で
あるため、Ｖ（ｒ）はｒに反比例する関数となる。位置
ｒと流れの力Ｆfとの関係を示すグラフを図２に示す。
力の働く方向は、＋ｒ方向である。
【００３４】次に、微粒子Ａに働く誘電泳動力Ｆdを説
明する。Ｆdは次の（数３）式で示される。
明する。Ｆdは次の（数３）式で示される。
【００３５】
【数３】
【００３６】ここで、εmは溶液９の誘電率、Ｅは二つ
の電極４、５により発生する電界強度の実効値、ωは交
流電圧源の角周波数、Ｒｅ［］は実数部、▽は勾配を求
める微分演算子をそれぞれ示す。また、Ｋ*（ω）はク
ラウジウス−モソティ関数であり、次の（数４）式で定
義される。
の電極４、５により発生する電界強度の実効値、ωは交
流電圧源の角周波数、Ｒｅ［］は実数部、▽は勾配を求
める微分演算子をそれぞれ示す。また、Ｋ*（ω）はク
ラウジウス−モソティ関数であり、次の（数４）式で定
義される。
【００３７】
【数４】
【００３８】ここで、εp *は微粒子Ａの複素誘電率、ε
m *は溶液９の複素誘電率、εpは微粒子Ａの誘電率、εm
は溶液９の誘電率、σpは微粒子Ａの導電率、σmは溶液
９の導電率、ｊは虚数単位をそれぞれ示す。電界強度の
実効値Ｅ（ｒ）は位置ｒの関数であり、ｒが増加するに
従いその大きさは単純減少する。従って、実効値Ｅの二
乗の勾配も同様にｒの増加に伴い単純減少することにな
る。位置ｒと誘電泳動力Ｆdとの関係を示すグラフも図
２に示す。力の方向は、Ｒｅ［Ｋ*（ω）］が正の場合
には電界強度の強い方向へと働き、負の場合には弱い方
向へと働く。ここでは正の場合、すなわち−ｒ方向に力
が働く場合を、以下説明する。
m *は溶液９の複素誘電率、εpは微粒子Ａの誘電率、εm
は溶液９の誘電率、σpは微粒子Ａの導電率、σmは溶液
９の導電率、ｊは虚数単位をそれぞれ示す。電界強度の
実効値Ｅ（ｒ）は位置ｒの関数であり、ｒが増加するに
従いその大きさは単純減少する。従って、実効値Ｅの二
乗の勾配も同様にｒの増加に伴い単純減少することにな
る。位置ｒと誘電泳動力Ｆdとの関係を示すグラフも図
２に示す。力の方向は、Ｒｅ［Ｋ*（ω）］が正の場合
には電界強度の強い方向へと働き、負の場合には弱い方
向へと働く。ここでは正の場合、すなわち−ｒ方向に力
が働く場合を、以下説明する。
【００３９】溶液チャンバー８内を流れる溶液９に誘電
泳動を働かせると、溶液９に含まれている微粒子Ａには
流れの力Ｆfと誘電泳動力Ｆdとが働く。微粒子Ａは、こ
れらの合力Ｆ＝Ｆf−Ｆdによって溶液９中を運動するこ
とになる。図３に、位置ｒと合力Ｆとの関係を示すグラ
フを示す。ｒ＝ｒaで示される位置は、合力Ｆ＝０とな
る位置であり、ここに位置する微粒子Ａはここに留まる
ことを表している。一方、ｒ1＜ｒ＜ｒaの領域では、微
粒子Ａには＋ｒ方向に力が働き、ｒa＜ｒ＜ｒ2の領域で
は、微粒子Ａには−ｒ方向に力が働くので、電極に挟ま
れた領域に存在する微粒子Ａはすべて、位置ｒaに集め
られる。また、電極に挟まれていない領域、すなわちｒ
＜ｒ1、ｒ2＜ｒに位置する微粒子Ａは、流れによって必
ず電極に挟まれた領域に移動するので、結果的に溶液９
に含まれるすべての微粒子Ａを位置ｒaに集めることが
できる。
泳動を働かせると、溶液９に含まれている微粒子Ａには
流れの力Ｆfと誘電泳動力Ｆdとが働く。微粒子Ａは、こ
れらの合力Ｆ＝Ｆf−Ｆdによって溶液９中を運動するこ
とになる。図３に、位置ｒと合力Ｆとの関係を示すグラ
フを示す。ｒ＝ｒaで示される位置は、合力Ｆ＝０とな
る位置であり、ここに位置する微粒子Ａはここに留まる
ことを表している。一方、ｒ1＜ｒ＜ｒaの領域では、微
粒子Ａには＋ｒ方向に力が働き、ｒa＜ｒ＜ｒ2の領域で
は、微粒子Ａには−ｒ方向に力が働くので、電極に挟ま
れた領域に存在する微粒子Ａはすべて、位置ｒaに集め
られる。また、電極に挟まれていない領域、すなわちｒ
＜ｒ1、ｒ2＜ｒに位置する微粒子Ａは、流れによって必
ず電極に挟まれた領域に移動するので、結果的に溶液９
に含まれるすべての微粒子Ａを位置ｒaに集めることが
できる。
【００４０】次に、溶液９が複数種類の微粒子を含んで
いる場合にこれらの微粒子を別々に分離する方法を説明
する。溶液９中に含まれているｎ種類の微粒子は、それ
ぞれに固有の粒子半径、誘電率、導電率を有している。
すなわち、これら固有パラメータの違いによって、それ
ぞれの微粒子に働く流れの力Ｆfと誘電泳動力Ｆdとは異
なる値を示す。従って、二つの力がつりあう位置（合力
＝０となる位置）も、各微粒子に固有の値を示すことに
なり、分離が可能となる。また、すべての微粒子がｒ1
＜ｒ2の領域につりあいの位置を持つことができない場
合には、電界強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数
ω、交流電界の電圧印加時間、流路６内を流れる流量の
少なくともいずれかひとつを変化させることによって、
つりあいの位置を持てることを（数２）（数３）は示し
ている。
いる場合にこれらの微粒子を別々に分離する方法を説明
する。溶液９中に含まれているｎ種類の微粒子は、それ
ぞれに固有の粒子半径、誘電率、導電率を有している。
すなわち、これら固有パラメータの違いによって、それ
ぞれの微粒子に働く流れの力Ｆfと誘電泳動力Ｆdとは異
なる値を示す。従って、二つの力がつりあう位置（合力
＝０となる位置）も、各微粒子に固有の値を示すことに
なり、分離が可能となる。また、すべての微粒子がｒ1
＜ｒ2の領域につりあいの位置を持つことができない場
合には、電界強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数
ω、交流電界の電圧印加時間、流路６内を流れる流量の
少なくともいずれかひとつを変化させることによって、
つりあいの位置を持てることを（数２）（数３）は示し
ている。
【００４１】以上、正の誘電泳動が働く場合について説
明を行ったが、微粒子の種類によっては負の誘電泳動が
働くケースもあり、この場合については、以下のように
説明をすることができる。図４は図１同様、流れの力と
誘電泳動力とを用いてある単一種の微粒子Ｂを分離する
場合の一形態を示す模式図で、図１に示した模式図と
は、溶液チャンバー８が左右が逆になっていることのみ
が違っている。すなわち、溶液流入口１０と溶液流出口
１１以外の構成は、図１と同一である。
明を行ったが、微粒子の種類によっては負の誘電泳動が
働くケースもあり、この場合については、以下のように
説明をすることができる。図４は図１同様、流れの力と
誘電泳動力とを用いてある単一種の微粒子Ｂを分離する
場合の一形態を示す模式図で、図１に示した模式図と
は、溶液チャンバー８が左右が逆になっていることのみ
が違っている。すなわち、溶液流入口１０と溶液流出口
１１以外の構成は、図１と同一である。
【００４２】このとき、溶液１２に含まれている微粒子
Ｂに働く流れの力Ｆfと位置ｒとの関係は、図５のよう
に示される。力の働く方向は＋ｒ方向である。また、溶
液１２に含まれている微粒子Ｂに働く誘電泳動力Ｆ
dは、電界強度の弱い方向、すなわち−ｒ方向に働き、
その大きさはｒの増加に伴い単純増加することになる。
位置ｒと誘電泳動力Ｆdとの関係を示すグラフも図５に
示す。
Ｂに働く流れの力Ｆfと位置ｒとの関係は、図５のよう
に示される。力の働く方向は＋ｒ方向である。また、溶
液１２に含まれている微粒子Ｂに働く誘電泳動力Ｆ
dは、電界強度の弱い方向、すなわち−ｒ方向に働き、
その大きさはｒの増加に伴い単純増加することになる。
位置ｒと誘電泳動力Ｆdとの関係を示すグラフも図５に
示す。
【００４３】図６に、位置ｒとこれらの合力Ｆとの関係
を示すグラフを示す。ｒ＝ｒbで示される位置は、合力
Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する微粒子Ｂはこ
こに留まることを表している。一方、ｒ1＜ｒ＜ｒbの領
域では、微粒子Ｂには＋ｒ方向に力が働き、ｒb＜ｒ＜
ｒ2の領域では、微粒子Ｂには−ｒ方向に力が働くの
で、電極に挟まれた領域に存在する微粒子Ｂはすべて、
位置ｒbに集められる。また、電極に挟まれていない領
域、すなわちｒ＜ｒ1、ｒ2＜ｒに位置する微粒子Ｂは、
流れによって必ず電極に挟まれた領域に移動するので、
結果的に溶液１２に含まれるすべての微粒子Ｂを位置ｒ
bに集めることができる。
を示すグラフを示す。ｒ＝ｒbで示される位置は、合力
Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する微粒子Ｂはこ
こに留まることを表している。一方、ｒ1＜ｒ＜ｒbの領
域では、微粒子Ｂには＋ｒ方向に力が働き、ｒb＜ｒ＜
ｒ2の領域では、微粒子Ｂには−ｒ方向に力が働くの
で、電極に挟まれた領域に存在する微粒子Ｂはすべて、
位置ｒbに集められる。また、電極に挟まれていない領
域、すなわちｒ＜ｒ1、ｒ2＜ｒに位置する微粒子Ｂは、
流れによって必ず電極に挟まれた領域に移動するので、
結果的に溶液１２に含まれるすべての微粒子Ｂを位置ｒ
bに集めることができる。
【００４４】また、正の誘電泳動が働く場合での説明と
同じく、溶液１２が複数種類の微粒子を含んでいる場合
には、粒子半径、誘電率、導電率といったこれら固有パ
ラメータの違いによって、それぞれの微粒子に働く流れ
の力Ｆfと誘電泳動力Ｆdとは異なる値を示し、二つの力
がつりあう位置（合力＝０となる位置）も、各微粒子に
固有の値を示すことになり、分離が可能となるし、電界
強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数ω、交流電界の
電圧印加時間、流路６内を流れる流量の少なくともいず
れかひとつを変化させることによって、つりあいの位置
を制御することができる。
同じく、溶液１２が複数種類の微粒子を含んでいる場合
には、粒子半径、誘電率、導電率といったこれら固有パ
ラメータの違いによって、それぞれの微粒子に働く流れ
の力Ｆfと誘電泳動力Ｆdとは異なる値を示し、二つの力
がつりあう位置（合力＝０となる位置）も、各微粒子に
固有の値を示すことになり、分離が可能となるし、電界
強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数ω、交流電界の
電圧印加時間、流路６内を流れる流量の少なくともいず
れかひとつを変化させることによって、つりあいの位置
を制御することができる。
【００４５】なお、本実施の形態では簡略化のために微
粒子を球体として扱ったが、実際には複雑な形状を有す
るタンパク質や高分子の場合でも、数式が複雑になるも
のの原理的には同様な効果が得られることは言うまでも
ない。
粒子を球体として扱ったが、実際には複雑な形状を有す
るタンパク質や高分子の場合でも、数式が複雑になるも
のの原理的には同様な効果が得られることは言うまでも
ない。
【００４６】（実施の形態２）（実施の形態１）では、
図１を用いて流速が単調減少する流れの力と正の誘電泳
動力とのつりあいを利用した分離手法、および図４を用
いて流速が単調増加する流れの力と負の誘電泳動力との
つりあいを利用した分離方法について説明を行った。図
１、図４では、誘電泳動を作用させる流路の形状が扇形
であり、また二つの電極が流れの上流と下流とに位置す
る場合について説明を行ったが、流れの力と誘電泳動力
とのつりあいを利用した分離手法は、流れや電極配置に
他の様々な形態を用いても、その効果を発揮することが
できる。すなわち、流れの力Ｆfと誘電泳動力Ｆdの合力
Ｆが、溶液チャンバー内にＦ＝０となるつりあいの位置
を持ち、つりあいの位置からはずれた場所では、つりあ
いの位置に向かう合力Ｆが働くような場を設定すれば、
溶液に含まれる微粒子を分離することが可能となる。本
実施の形態では、（実施の形態１）で示した微粒子分離
手法を具現化するための具体的な形態についていくつか
を説明する。
図１を用いて流速が単調減少する流れの力と正の誘電泳
動力とのつりあいを利用した分離手法、および図４を用
いて流速が単調増加する流れの力と負の誘電泳動力との
つりあいを利用した分離方法について説明を行った。図
１、図４では、誘電泳動を作用させる流路の形状が扇形
であり、また二つの電極が流れの上流と下流とに位置す
る場合について説明を行ったが、流れの力と誘電泳動力
とのつりあいを利用した分離手法は、流れや電極配置に
他の様々な形態を用いても、その効果を発揮することが
できる。すなわち、流れの力Ｆfと誘電泳動力Ｆdの合力
Ｆが、溶液チャンバー内にＦ＝０となるつりあいの位置
を持ち、つりあいの位置からはずれた場所では、つりあ
いの位置に向かう合力Ｆが働くような場を設定すれば、
溶液に含まれる微粒子を分離することが可能となる。本
実施の形態では、（実施の形態１）で示した微粒子分離
手法を具現化するための具体的な形態についていくつか
を説明する。
【００４７】図７は、流れの力と誘電泳動力とを用いて
微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体２
１には厚さが一定で円形の溶液チャンバー２７が形成さ
れており、円の中央に溶液流入口２２が、円の外周部に
溶液流出口２３が設けられている。また、溶液流入口２
２と溶液流出口２３の間には第一の電極２４と第二の電
極２５がそれぞれ設けられており、これら電極はそれぞ
れ図示していない交流電圧源に接続されている。第一の
電極２４と第二の電極２５の間の電界強度は、第一の電
極２４に近いほど電気力線が密となるため、溶液チャン
バー２７の中央へ行くほど電界強度が強くなる。溶液チ
ャンバー２７を含む流路２６は微粒子Ｂを含む溶液２８
で満たされており、溶液２８は図示していないポンプに
よって流路２６内を一定流量で循環している。
微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体２
１には厚さが一定で円形の溶液チャンバー２７が形成さ
れており、円の中央に溶液流入口２２が、円の外周部に
溶液流出口２３が設けられている。また、溶液流入口２
２と溶液流出口２３の間には第一の電極２４と第二の電
極２５がそれぞれ設けられており、これら電極はそれぞ
れ図示していない交流電圧源に接続されている。第一の
電極２４と第二の電極２５の間の電界強度は、第一の電
極２４に近いほど電気力線が密となるため、溶液チャン
バー２７の中央へ行くほど電界強度が強くなる。溶液チ
ャンバー２７を含む流路２６は微粒子Ｂを含む溶液２８
で満たされており、溶液２８は図示していないポンプに
よって流路２６内を一定流量で循環している。
【００４８】このとき溶液チャンバー２７内の溶液２８
に含まれている微粒子Ｂに働く流れの力Ｆfは、（実施
の形態１）と同様、（数２）で示される。また、微粒子
Ｂに働く誘電泳動力Ｆdも同様に（数３）で示される。
詳細な説明は（実施の形態１）で行ったため省略する
が、円形の溶液チャンバー２７の場合でも不均一電界が
形成されるため、扇形の溶液チャンバーの場合と全く同
様に、＋ｒ方向（中心から外へ向かう方向）に働く流れ
の力Ｆfと−ｒ方向（中心へ向かう方向）に働く正の誘
電泳動力Ｆdとのつりあいを利用して、微粒子Ｂをつり
あいの位置ｒbに集めることができる。
に含まれている微粒子Ｂに働く流れの力Ｆfは、（実施
の形態１）と同様、（数２）で示される。また、微粒子
Ｂに働く誘電泳動力Ｆdも同様に（数３）で示される。
詳細な説明は（実施の形態１）で行ったため省略する
が、円形の溶液チャンバー２７の場合でも不均一電界が
形成されるため、扇形の溶液チャンバーの場合と全く同
様に、＋ｒ方向（中心から外へ向かう方向）に働く流れ
の力Ｆfと−ｒ方向（中心へ向かう方向）に働く正の誘
電泳動力Ｆdとのつりあいを利用して、微粒子Ｂをつり
あいの位置ｒbに集めることができる。
【００４９】図８は、流れの力と誘電泳動力とを用いて
微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体３
１には厚さが一定で扇形の溶液チャンバー３７が形成さ
れており、扇の幅の狭まった側の端部には溶液流入口３
２が、扇の幅の広がった側の端部には溶液流出口３３が
設けられている。また、溶液流入口３２と溶液流出口３
３の間には流れの方向に沿って第一の電極３４と第二の
電極３５がそれぞれ設けられており、これら電極はそれ
ぞれ図示していない交流電圧源に接続されている。第一
の電極３４と第二の電極３５の間の電界強度は、溶液流
入口３２に近いほど強くなる。溶液チャンバー３７を含
む流路３６は微粒子Ｃを含む溶液３８で満たされてお
り、溶液３８は図示していないポンプによって流路２６
内を一定流量で循環している。
微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体３
１には厚さが一定で扇形の溶液チャンバー３７が形成さ
れており、扇の幅の狭まった側の端部には溶液流入口３
２が、扇の幅の広がった側の端部には溶液流出口３３が
設けられている。また、溶液流入口３２と溶液流出口３
３の間には流れの方向に沿って第一の電極３４と第二の
電極３５がそれぞれ設けられており、これら電極はそれ
ぞれ図示していない交流電圧源に接続されている。第一
の電極３４と第二の電極３５の間の電界強度は、溶液流
入口３２に近いほど強くなる。溶液チャンバー３７を含
む流路３６は微粒子Ｃを含む溶液３８で満たされてお
り、溶液３８は図示していないポンプによって流路２６
内を一定流量で循環している。
【００５０】このとき溶液チャンバー３７内の溶液３８
に含まれている微粒子Ｃに働く流れの力Ｆfは、（数
２）で示され、また微粒子Ｃに働く誘電泳動力Ｆdも
（数３）で示される。詳細な説明は省略するが、流れに
沿って配置された電極を用いても不均一電界が形成され
るため、（実施の形態１）の場合と同様、＋ｒ方向に働
く流れの力Ｆfと−ｒ方向に働く正の誘電泳動力Ｆdとの
つりあいを利用して、微粒子Ｃをつりあいの位置ｒcに
集めることができる。
に含まれている微粒子Ｃに働く流れの力Ｆfは、（数
２）で示され、また微粒子Ｃに働く誘電泳動力Ｆdも
（数３）で示される。詳細な説明は省略するが、流れに
沿って配置された電極を用いても不均一電界が形成され
るため、（実施の形態１）の場合と同様、＋ｒ方向に働
く流れの力Ｆfと−ｒ方向に働く正の誘電泳動力Ｆdとの
つりあいを利用して、微粒子Ｃをつりあいの位置ｒcに
集めることができる。
【００５１】また、図示はしないが、図８に示した形態
と似たような構成として、電極機能を有する二枚の長方
形の金属板を対向させ、この金属板間に溶液を流す際
に、流出口断面積が流入口断面積よりも広くなるように
設定することによっても、同様な効果が得られることは
言うまでもない。
と似たような構成として、電極機能を有する二枚の長方
形の金属板を対向させ、この金属板間に溶液を流す際
に、流出口断面積が流入口断面積よりも広くなるように
設定することによっても、同様な効果が得られることは
言うまでもない。
【００５２】図９は、流れの力と誘電泳動力とを用いて
微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体４
１には厚さと幅が一定の細長い溶液チャンバー４７が形
成されており、微粒子Ｄを含む溶液４８は溶液流入口４
２から流入し、溶液流出口４３から流出する。溶液４８
は図示していないポンプによって流路４６内を一定流量
で循環している。また、筐体４１内には電極設置空間４
９が設けられており、ここに第一の電極４４と第二の電
極４５がそれぞれ設けられ、これら電極はそれぞれ図示
していない交流電圧源に接続されている。なお、電極設
置空間４９内は誘電体で満たされており、その種類は空
気や窒素等の気体、または水やエチルアルコール等の液
体、またはＰＭＭＡやガラス等の固体が好適に用いられ
る。第一の電極４４と第二の電極４５は、その電極間隔
が下流に行くに従い急激に広がる形状をしており、下流
ほど電界強度が弱くなる。
微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体４
１には厚さと幅が一定の細長い溶液チャンバー４７が形
成されており、微粒子Ｄを含む溶液４８は溶液流入口４
２から流入し、溶液流出口４３から流出する。溶液４８
は図示していないポンプによって流路４６内を一定流量
で循環している。また、筐体４１内には電極設置空間４
９が設けられており、ここに第一の電極４４と第二の電
極４５がそれぞれ設けられ、これら電極はそれぞれ図示
していない交流電圧源に接続されている。なお、電極設
置空間４９内は誘電体で満たされており、その種類は空
気や窒素等の気体、または水やエチルアルコール等の液
体、またはＰＭＭＡやガラス等の固体が好適に用いられ
る。第一の電極４４と第二の電極４５は、その電極間隔
が下流に行くに従い急激に広がる形状をしており、下流
ほど電界強度が弱くなる。
【００５３】このとき溶液チャンバー４７内を流れる溶
液４８に含まれている微粒子Ｄに働く流れの力Ｆfと誘
電泳動力Ｆdとは、図１０に示すようなグラフとなる。
流れの断面積と流量が一定なので、流れの力Ｆfは一定
値を示す。一方誘電泳動力Ｆdは、電界強度Ｅ（ｒ）が
円弧の一部を描くような強度分布を有するよう電極形状
と配置を取っているので、Ｅ（ｒ）2の勾配の大きさは
下流ほど大きくなり、従って誘電泳動力Ｆdは図１０に
示すようなグラフとなる。図１１に位置ｒと合力Ｆとの
関係を示すグラフを示す。ｒ＝ｒdで示される位置は、
合力Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する微粒子Ｄ
はここに留まることを表している。一方、ｒ＜ｒdの領
域では、微粒子Ｄには＋ｒ方向に力が働き、ｒd＜ｒの
領域では、微粒子Ｄには−ｒ方向に力が働くので、微粒
子Ｄをすべて位置ｒdに集めることができる。
液４８に含まれている微粒子Ｄに働く流れの力Ｆfと誘
電泳動力Ｆdとは、図１０に示すようなグラフとなる。
流れの断面積と流量が一定なので、流れの力Ｆfは一定
値を示す。一方誘電泳動力Ｆdは、電界強度Ｅ（ｒ）が
円弧の一部を描くような強度分布を有するよう電極形状
と配置を取っているので、Ｅ（ｒ）2の勾配の大きさは
下流ほど大きくなり、従って誘電泳動力Ｆdは図１０に
示すようなグラフとなる。図１１に位置ｒと合力Ｆとの
関係を示すグラフを示す。ｒ＝ｒdで示される位置は、
合力Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する微粒子Ｄ
はここに留まることを表している。一方、ｒ＜ｒdの領
域では、微粒子Ｄには＋ｒ方向に力が働き、ｒd＜ｒの
領域では、微粒子Ｄには−ｒ方向に力が働くので、微粒
子Ｄをすべて位置ｒdに集めることができる。
【００５４】以上説明したように、流れの力Ｆfと誘電
泳動力Ｆdの合力Ｆが、溶液チャンバー内にＦ＝０とな
るつりあいの位置を持ち、つりあいの位置からはずれた
場所ではつりあいの位置に向かう合力Ｆが働くように流
れの形状と電極配置を構成すれば、溶液に含まれる微粒
子をつりあいの位置に分離することが可能となる。
泳動力Ｆdの合力Ｆが、溶液チャンバー内にＦ＝０とな
るつりあいの位置を持ち、つりあいの位置からはずれた
場所ではつりあいの位置に向かう合力Ｆが働くように流
れの形状と電極配置を構成すれば、溶液に含まれる微粒
子をつりあいの位置に分離することが可能となる。
【００５５】（実施の形態３）本発明は、微粒子を含む
溶液に遠心力が働いている場の中で、遠心力と反対方向
に微粒子に誘電泳動力を印加し、遠心力と誘電泳動力と
がつりあった位置に留まることを利用し、溶液中に含ま
れる様々な種類の微粒子を分離する方法やその装置、お
よび分離したものを分析するセンサに関するものであ
る。本発明も、様々な種類のタンパク質や高分子を含む
溶液中から所望の分子を選択的に抽出したり分離分析を
行う生化学分析、創薬、ＤＮＡ解析、ハイスループット
スクリーニング等に好適に用いられる。
溶液に遠心力が働いている場の中で、遠心力と反対方向
に微粒子に誘電泳動力を印加し、遠心力と誘電泳動力と
がつりあった位置に留まることを利用し、溶液中に含ま
れる様々な種類の微粒子を分離する方法やその装置、お
よび分離したものを分析するセンサに関するものであ
る。本発明も、様々な種類のタンパク質や高分子を含む
溶液中から所望の分子を選択的に抽出したり分離分析を
行う生化学分析、創薬、ＤＮＡ解析、ハイスループット
スクリーニング等に好適に用いられる。
【００５６】図１２は、遠心力と誘電泳動力とを用い
て、ある単一種の微粒子Ｅを分離する場合の一形態を示
す模式図である。図１２において、筐体６１には厚さと
幅が一定の細長い溶液チャンバー６４が形成されてお
り、内部には微粒子Ｅを含む溶液６５が満たされてい
る。また、筐体６１内には電極設置空間６６が設けられ
ており、ここに第一の電極６２と第二の電極６３がそれ
ぞれ設けられ、これら電極はそれぞれ図示していない交
流電圧源に接続されている。なお、電極設置空間６６内
は誘電体で満たされており、その種類は空気や窒素等の
気体、または水やエチルアルコール等の液体、またはＰ
ＭＭＡやガラス等の固体が好適に用いられる。第一の電
極６２と第二の電極６３は、その電極間隔が図１２中で
右に行くに従い急激に広がる形状をしており、右へ行く
ほど電界強度が弱くなる。さらに筐体６１は、回転体６
７に設置されており、角速度ωcで回転するものであ
る。
て、ある単一種の微粒子Ｅを分離する場合の一形態を示
す模式図である。図１２において、筐体６１には厚さと
幅が一定の細長い溶液チャンバー６４が形成されてお
り、内部には微粒子Ｅを含む溶液６５が満たされてい
る。また、筐体６１内には電極設置空間６６が設けられ
ており、ここに第一の電極６２と第二の電極６３がそれ
ぞれ設けられ、これら電極はそれぞれ図示していない交
流電圧源に接続されている。なお、電極設置空間６６内
は誘電体で満たされており、その種類は空気や窒素等の
気体、または水やエチルアルコール等の液体、またはＰ
ＭＭＡやガラス等の固体が好適に用いられる。第一の電
極６２と第二の電極６３は、その電極間隔が図１２中で
右に行くに従い急激に広がる形状をしており、右へ行く
ほど電界強度が弱くなる。さらに筐体６１は、回転体６
７に設置されており、角速度ωcで回転するものであ
る。
【００５７】ここで、図１２において、回転体６７の回
転中心がｒ＝０、溶液チャンバー６４の左端部がｒ3、
右端部がｒ4となるようなｒ座標を設定する。このよう
な条件下で、溶液チャンバー６４内の溶液６５に含まれ
ている微粒子Ｅに働く遠心力Ｆ cは、次の（数５）式で
示される。
転中心がｒ＝０、溶液チャンバー６４の左端部がｒ3、
右端部がｒ4となるようなｒ座標を設定する。このよう
な条件下で、溶液チャンバー６４内の溶液６５に含まれ
ている微粒子Ｅに働く遠心力Ｆ cは、次の（数５）式で
示される。
【００５８】
【数５】
【００５９】ここで、Ｍ、ｖはそれぞれ微粒子Ｅの質
量、比容積、ρは微粒子Ｅの数密度を示す。式が示すよ
うに、遠心力Ｆc（ｒ）は位置ｒに比例する関数とな
る。位置ｒと遠心力Ｆcとの関係を示すグラフを図１３
に示す。力の働く方向は、＋ｒ方向である。
量、比容積、ρは微粒子Ｅの数密度を示す。式が示すよ
うに、遠心力Ｆc（ｒ）は位置ｒに比例する関数とな
る。位置ｒと遠心力Ｆcとの関係を示すグラフを図１３
に示す。力の働く方向は、＋ｒ方向である。
【００６０】次に、微粒子Ｅに働く誘電泳動力Ｆdを説
明する。Ｆdは次の（数６）式で示される。
明する。Ｆdは次の（数６）式で示される。
【００６１】
【数６】
【００６２】ここで、εmは溶液６５の誘電率、Ｅは二
つの電極６２、６３により発生する電界強度の実効値、
ωは交流電圧源の角周波数、Ｒｅ［］は実数部、▽は勾
配を求める微分演算子をそれぞれ示す。また、Ｋ
*（ω）はクラウジウス−モソティ関数であり、次の
（数７）式で定義される。
つの電極６２、６３により発生する電界強度の実効値、
ωは交流電圧源の角周波数、Ｒｅ［］は実数部、▽は勾
配を求める微分演算子をそれぞれ示す。また、Ｋ
*（ω）はクラウジウス−モソティ関数であり、次の
（数７）式で定義される。
【００６３】
【数７】
【００６４】ここで、εp *は微粒子Ｅの複素誘電率、ε
m *は溶液６５の複素誘電率、εpは微粒子Ｅの誘電率、
εmは溶液６５の誘電率、σpは微粒子Ｅの導電率、σm
は溶液６５の導電率、ｊは虚数単位をそれぞれ示す。電
界強度の実効値Ｅ（ｒ）が円弧の一部を描くような強度
分布を有するような電極形状と配置であるので、Ｅ
（ｒ）2の勾配の大きさは図中の右へ行くほど大きくな
り、従って誘電泳動力Ｆdは図１３に示すようなグラフ
となる。力の方向は、Ｒｅ［Ｋ*（ω）］が正の場合、
すなわち−ｒ方向に働く場合を設定する。
m *は溶液６５の複素誘電率、εpは微粒子Ｅの誘電率、
εmは溶液６５の誘電率、σpは微粒子Ｅの導電率、σm
は溶液６５の導電率、ｊは虚数単位をそれぞれ示す。電
界強度の実効値Ｅ（ｒ）が円弧の一部を描くような強度
分布を有するような電極形状と配置であるので、Ｅ
（ｒ）2の勾配の大きさは図中の右へ行くほど大きくな
り、従って誘電泳動力Ｆdは図１３に示すようなグラフ
となる。力の方向は、Ｒｅ［Ｋ*（ω）］が正の場合、
すなわち−ｒ方向に働く場合を設定する。
【００６５】筐体６１が角速度ωｃで回転している状態
で溶液６５に誘電泳動を働かせると、溶液６５に含まれ
ている微粒子Ｅには遠心力Ｆcと誘電泳動力Ｆdとが働
く。微粒子Ｅは、これらの合力Ｆ＝Ｆc−Ｆdによって溶
液６５中を運動することになる。図１４に、位置ｒと合
力Ｆとの関係を示すグラフを示す。ｒ＝ｒeで示される
位置は、合力Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する
微粒子Ｅはここに留まることを表している。一方、ｒ3
＜ｒ＜ｒeの領域では、微粒子Ｅには＋ｒ方向に力が働
き、ｒe＜ｒ＜ｒ4の領域では、微粒子Ｅには−ｒ方向に
力が働くので、溶液チャンバー６４内に存在する微粒子
Ｅはすべて、位置ｒeに集めることができる。
で溶液６５に誘電泳動を働かせると、溶液６５に含まれ
ている微粒子Ｅには遠心力Ｆcと誘電泳動力Ｆdとが働
く。微粒子Ｅは、これらの合力Ｆ＝Ｆc−Ｆdによって溶
液６５中を運動することになる。図１４に、位置ｒと合
力Ｆとの関係を示すグラフを示す。ｒ＝ｒeで示される
位置は、合力Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する
微粒子Ｅはここに留まることを表している。一方、ｒ3
＜ｒ＜ｒeの領域では、微粒子Ｅには＋ｒ方向に力が働
き、ｒe＜ｒ＜ｒ4の領域では、微粒子Ｅには−ｒ方向に
力が働くので、溶液チャンバー６４内に存在する微粒子
Ｅはすべて、位置ｒeに集めることができる。
【００６６】次に、溶液６５が複数種類の微粒子を含ん
でいる場合にこれらの微粒子を別々に分離する方法を説
明する。溶液６５中に含まれているｎ種類の微粒子は、
それぞれに固有の粒子半径、質量、比容積、誘電率、導
電率を有している。すなわち、これら固有パラメータの
違いによって、それぞれの微粒子に働く遠心力Ｆcと誘
電泳動力Ｆdとは異なる値を示す。従って、二つの力が
つりあう位置（合力＝０となる位置）も、各微粒子に固
有の値を示すことになり、分離が可能となる。また、す
べての微粒子がｒ3＜ｒ4の領域につりあいの位置を持つ
ことができない場合には、電界強度の実効値Ｅ、交流電
圧源の角周波数ω、交流電界の電圧印加時間、回転体６
７の角速度ωcの少なくともいずれかひとつを変化させ
ることによって、つりあいの位置を持てることを（数
５）（数６）は示している。
でいる場合にこれらの微粒子を別々に分離する方法を説
明する。溶液６５中に含まれているｎ種類の微粒子は、
それぞれに固有の粒子半径、質量、比容積、誘電率、導
電率を有している。すなわち、これら固有パラメータの
違いによって、それぞれの微粒子に働く遠心力Ｆcと誘
電泳動力Ｆdとは異なる値を示す。従って、二つの力が
つりあう位置（合力＝０となる位置）も、各微粒子に固
有の値を示すことになり、分離が可能となる。また、す
べての微粒子がｒ3＜ｒ4の領域につりあいの位置を持つ
ことができない場合には、電界強度の実効値Ｅ、交流電
圧源の角周波数ω、交流電界の電圧印加時間、回転体６
７の角速度ωcの少なくともいずれかひとつを変化させ
ることによって、つりあいの位置を持てることを（数
５）（数６）は示している。
【００６７】以上、正の誘電泳動が働く場合について説
明を行ったが、微粒子の種類によっては負の誘電泳動が
働くケースもあり、この場合について図を用いて以下説
明する。
明を行ったが、微粒子の種類によっては負の誘電泳動が
働くケースもあり、この場合について図を用いて以下説
明する。
【００６８】図１５は、遠心力と誘電泳動力とを用いて
微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体７
１には、扇形の溶液チャンバー７４が形成されており、
内部には微粒子Ｇを含む溶液７５が満たされている。溶
液チャンバー７４の扇の幅の広がった側の端部には第一
の電極７２が、狭まった側の端部には第二の電極７３が
設けられており、これら電極はそれぞれ図示していない
交流電圧源に接続されている。第一の電極７２と第二の
電極７３の間の電界強度は、第一の電極７２に近いほど
弱くなる。さらに筐体７１は、回転体７６に設置されて
おり、角速度ω cで回転するものである。
微粒子の分離を行う一形態を示す模式図である。筐体７
１には、扇形の溶液チャンバー７４が形成されており、
内部には微粒子Ｇを含む溶液７５が満たされている。溶
液チャンバー７４の扇の幅の広がった側の端部には第一
の電極７２が、狭まった側の端部には第二の電極７３が
設けられており、これら電極はそれぞれ図示していない
交流電圧源に接続されている。第一の電極７２と第二の
電極７３の間の電界強度は、第一の電極７２に近いほど
弱くなる。さらに筐体７１は、回転体７６に設置されて
おり、角速度ω cで回転するものである。
【００６９】このとき溶液７５に含まれている微粒子Ｇ
に働く遠心力Ｆcと位置ｒとの関係は、図１６のように
示される。力の方向は＋ｒ方向である。また、微粒子Ｇ
に働く誘電泳動力Ｆdは、電界強度の弱い方向、すなわ
ち−ｒ方向に働き、その大きさはｒの増加に伴い単純増
加することになる。位置ｒと誘電泳動力Ｆdとの関係
も、図１６に示す。
に働く遠心力Ｆcと位置ｒとの関係は、図１６のように
示される。力の方向は＋ｒ方向である。また、微粒子Ｇ
に働く誘電泳動力Ｆdは、電界強度の弱い方向、すなわ
ち−ｒ方向に働き、その大きさはｒの増加に伴い単純増
加することになる。位置ｒと誘電泳動力Ｆdとの関係
も、図１６に示す。
【００７０】図１７に、位置ｒとこれらの合力Ｆとの関
係を示すグラフを示す。ｒ＝ｒgで示される位置は、合
力Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する微粒子Ｇは
ここに留まることを表している。一方、ｒ＜ｒgの領域
では、微粒子Ｇには＋ｒ方向に力が働き、ｒg＜ｒの領
域では、微粒子Ｇには−ｒ方向に力が働くので、電極に
挟まれた領域に存在する微粒子Ｇはすべて、位置ｒgに
集めることができる。
係を示すグラフを示す。ｒ＝ｒgで示される位置は、合
力Ｆ＝０となる位置であり、ここに位置する微粒子Ｇは
ここに留まることを表している。一方、ｒ＜ｒgの領域
では、微粒子Ｇには＋ｒ方向に力が働き、ｒg＜ｒの領
域では、微粒子Ｇには−ｒ方向に力が働くので、電極に
挟まれた領域に存在する微粒子Ｇはすべて、位置ｒgに
集めることができる。
【００７１】なお、遠心力Ｆcと誘電泳動力Ｆdの合力Ｆ
が、溶液チャンバー内にＦ＝０となるつりあいの位置を
持ち、つりあいの位置からはずれた場所ではつりあいの
位置に向かう合力Ｆが働くように電極形状や電極配置を
構成すれば、溶液に含まれる微粒子をつりあいの位置に
分離することが可能となるのは言うまでもない。
が、溶液チャンバー内にＦ＝０となるつりあいの位置を
持ち、つりあいの位置からはずれた場所ではつりあいの
位置に向かう合力Ｆが働くように電極形状や電極配置を
構成すれば、溶液に含まれる微粒子をつりあいの位置に
分離することが可能となるのは言うまでもない。
【００７２】さらに、本実施の形態では簡略化のために
微粒子を球体として扱ったが、実際には複雑な形状を有
するタンパク質や高分子の場合でも、数式が複雑になる
ものの原理的には同様な効果が得られることは言うまで
もない。
微粒子を球体として扱ったが、実際には複雑な形状を有
するタンパク質や高分子の場合でも、数式が複雑になる
ものの原理的には同様な効果が得られることは言うまで
もない。
【００７３】（実施の形態４）本実施の形態では、これ
までに説明した微粒子分離方式を用いて微粒子を定量定
性分析するためのセンサに関して具体的に述べる。
までに説明した微粒子分離方式を用いて微粒子を定量定
性分析するためのセンサに関して具体的に述べる。
【００７４】図１８は、流れの力と誘電泳動力とを利用
する微粒子分離方式と、表面プラズモン共鳴現象とを用
いて微粒子の定性定量分析を行うセンサの一形態を示す
模式図であり、微粒子の分離に関しては図１に示した方
式を用いているものである。筐体１０１には厚さが一定
で、上から見ると図１に示したような扇形の溶液チャン
バー１０７が形成されており、流路１０６の一部を構成
している。扇の幅の狭まった側の端部には溶液流入口１
０２が、扇の幅の広がった側の端部には溶液流出口１０
３が設けられている。また、溶液流入口１０２と溶液流
出口１０３の間には第一の電極１０４と第二の電極１０
５がそれぞれ設けられており、これら電極はそれぞれ図
示していない交流電圧源に接続されている。第一の電極
１０４と第二の電極１０５の間の電界強度は、第一の電
極１０４に近いほど電気力線が密となるため、図中では
左へ行くほど電界強度が強くなる。溶液チャンバー１０
７を含む流路１０６は微粒子を含む溶液１０８で満たさ
れており、溶液１０８は図示していないポンプによって
流路１０６内を一定流量で循環している。このとき、微
粒子に働く流れの力Ｆfと誘電泳動力Ｆdとは図２のよう
に示され、これらの合力は図３のように示される。すな
わち、溶液１０８に含まれる微粒子はすべて、合力Ｆ＝
０となるつりあいの位置に集められる。
する微粒子分離方式と、表面プラズモン共鳴現象とを用
いて微粒子の定性定量分析を行うセンサの一形態を示す
模式図であり、微粒子の分離に関しては図１に示した方
式を用いているものである。筐体１０１には厚さが一定
で、上から見ると図１に示したような扇形の溶液チャン
バー１０７が形成されており、流路１０６の一部を構成
している。扇の幅の狭まった側の端部には溶液流入口１
０２が、扇の幅の広がった側の端部には溶液流出口１０
３が設けられている。また、溶液流入口１０２と溶液流
出口１０３の間には第一の電極１０４と第二の電極１０
５がそれぞれ設けられており、これら電極はそれぞれ図
示していない交流電圧源に接続されている。第一の電極
１０４と第二の電極１０５の間の電界強度は、第一の電
極１０４に近いほど電気力線が密となるため、図中では
左へ行くほど電界強度が強くなる。溶液チャンバー１０
７を含む流路１０６は微粒子を含む溶液１０８で満たさ
れており、溶液１０８は図示していないポンプによって
流路１０６内を一定流量で循環している。このとき、微
粒子に働く流れの力Ｆfと誘電泳動力Ｆdとは図２のよう
に示され、これらの合力は図３のように示される。すな
わち、溶液１０８に含まれる微粒子はすべて、合力Ｆ＝
０となるつりあいの位置に集められる。
【００７５】一方、光源１０９から発せられた入射光１
１２は、第一のレンズ１１０、第二のレンズ１１１、プ
リズム１１３、筐体１０１の底面を構成するガラス１１
５を経由して金属薄膜１１４に照射される。光源は単一
波長を発振するレーザダイオードであり、第一のレンズ
１１０、第二のレンズ１１１は、入射光１１２の焦点が
金属薄膜１１４に結ぶよう調整されている。すなわち入
射光１１２は、レンズの大きさ、焦点距離、プリズムの
屈折率等で規定される入射角範囲を有することになる。
また、金属薄膜１１４は、Ａｕ薄膜が好適に用いられる
が、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ等、他の金属であっても表
面プラズモン共鳴現象を起こすものであれば差し支えは
ない。さらに、金属薄膜１１４表面には厚さ１００ｎｍ
以下の非金属物質により被覆されていることが好適であ
るが、被覆されていなくてもかまわない。
１２は、第一のレンズ１１０、第二のレンズ１１１、プ
リズム１１３、筐体１０１の底面を構成するガラス１１
５を経由して金属薄膜１１４に照射される。光源は単一
波長を発振するレーザダイオードであり、第一のレンズ
１１０、第二のレンズ１１１は、入射光１１２の焦点が
金属薄膜１１４に結ぶよう調整されている。すなわち入
射光１１２は、レンズの大きさ、焦点距離、プリズムの
屈折率等で規定される入射角範囲を有することになる。
また、金属薄膜１１４は、Ａｕ薄膜が好適に用いられる
が、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ等、他の金属であっても表
面プラズモン共鳴現象を起こすものであれば差し支えは
ない。さらに、金属薄膜１１４表面には厚さ１００ｎｍ
以下の非金属物質により被覆されていることが好適であ
るが、被覆されていなくてもかまわない。
【００７６】金属薄膜１１４で反射された反射光１１６
は、再度ガラス１１５、プリズム１１３を透過し光検出
器１１７へと照射され、ここで入射角毎の光量検出が行
われる。光検出器１１７は、ＣＣＤやアレイセンサによ
り構成されると好適である。なお、プリズム１１３とガ
ラス１１５とは図示していないマッチングオイルにて密
着している。図１８では、筐体１０１の底面全体がガラ
ス製であるが、筐体１０１全体がガラス製であっても、
入射光１１２と反射光１１６を透過させる部分のみがガ
ラス製であってもかまわない。
は、再度ガラス１１５、プリズム１１３を透過し光検出
器１１７へと照射され、ここで入射角毎の光量検出が行
われる。光検出器１１７は、ＣＣＤやアレイセンサによ
り構成されると好適である。なお、プリズム１１３とガ
ラス１１５とは図示していないマッチングオイルにて密
着している。図１８では、筐体１０１の底面全体がガラ
ス製であるが、筐体１０１全体がガラス製であっても、
入射光１１２と反射光１１６を透過させる部分のみがガ
ラス製であってもかまわない。
【００７７】以上のような構成を用いて微粒子の定性定
量分析を行う手法について説明する。溶液１０８中の任
意の種類の微粒子が金属薄膜１１４上に集まるよう、電
界強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数ω、交流電界
の電圧印加時間、流路１０６内を流れる流量の少なくと
もいずれかひとつを制御する。微粒子はその物質固有の
パラメータを有しているので、微粒子が金属薄膜１１４
上に集まったときの電界強度の実効値Ｅや交流電圧源の
角周波数ωから、その微粒子の種類を同定することがで
きる。
量分析を行う手法について説明する。溶液１０８中の任
意の種類の微粒子が金属薄膜１１４上に集まるよう、電
界強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数ω、交流電界
の電圧印加時間、流路１０６内を流れる流量の少なくと
もいずれかひとつを制御する。微粒子はその物質固有の
パラメータを有しているので、微粒子が金属薄膜１１４
上に集まったときの電界強度の実効値Ｅや交流電圧源の
角周波数ωから、その微粒子の種類を同定することがで
きる。
【００７８】さらに、金属薄膜１１４上に微粒子が集め
られた状態で表面プラズモン共鳴現象を利用して微粒子
の屈折率、すなわち濃度を定量的に求めることができ
る。金属薄膜１１４からの反射光１１６の光量が最も減
少する角度、すなわち表面プラズモン共鳴が発生する条
件を満たす入射光１１２の角度を測定する。この角度測
定を微粒子が分離されていない状態でも行い、未分離状
態と分離状態の角度差から微粒子の濃度を求める。
られた状態で表面プラズモン共鳴現象を利用して微粒子
の屈折率、すなわち濃度を定量的に求めることができ
る。金属薄膜１１４からの反射光１１６の光量が最も減
少する角度、すなわち表面プラズモン共鳴が発生する条
件を満たす入射光１１２の角度を測定する。この角度測
定を微粒子が分離されていない状態でも行い、未分離状
態と分離状態の角度差から微粒子の濃度を求める。
【００７９】なお、当然のことではあるが、濃度が未知
の溶液の濃度を決定するにあたっては、既知の濃度を持
つ参照溶液を測定し、それとの比較によって行うものと
する。
の溶液の濃度を決定するにあたっては、既知の濃度を持
つ参照溶液を測定し、それとの比較によって行うものと
する。
【００８０】また、光源１０９、光検出器１１７、交流
電圧源、ポンプはそれぞれ、図示していない制御演算装
置と接続されており、予めプログラムされた手順で、も
しくは作業者が状況に応じて、機器制御、計測、検出、
演算、記録等を行うことができる。
電圧源、ポンプはそれぞれ、図示していない制御演算装
置と接続されており、予めプログラムされた手順で、も
しくは作業者が状況に応じて、機器制御、計測、検出、
演算、記録等を行うことができる。
【００８１】さらに、本実施の形態では微粒子を分離す
るために、流れの力と誘電泳動力とを用いたが、流れの
力の替わりに遠心力を用いても一向にかまわず、遠心力
を用いる場合には微粒子を金属薄膜１１４上に集めるた
めに制御するパラメータが、流路内を流れる流量ではな
く回転体の角速度に替わるだけであって、遠心力と誘電
泳動力を用いる手法でも同様の効果が得られることは言
うまでもない。
るために、流れの力と誘電泳動力とを用いたが、流れの
力の替わりに遠心力を用いても一向にかまわず、遠心力
を用いる場合には微粒子を金属薄膜１１４上に集めるた
めに制御するパラメータが、流路内を流れる流量ではな
く回転体の角速度に替わるだけであって、遠心力と誘電
泳動力を用いる手法でも同様の効果が得られることは言
うまでもない。
【００８２】（実施の形態５）本実施の形態では（実施
の形態４）同様、これまでに説明した微粒子分離方式を
用いて微粒子を定量定性分析するためのセンサに関して
具体的に述べる。
の形態４）同様、これまでに説明した微粒子分離方式を
用いて微粒子を定量定性分析するためのセンサに関して
具体的に述べる。
【００８３】図１９は、流れの力と誘電泳動力とを利用
する微粒子分離方式と、光吸収現象とを用いて微粒子の
定性定量分析を行うセンサの一形態を示す模式図であ
り、微粒子の分離に関しては図１に示した方式を用いて
いるものである。筐体１２１には厚さが一定で、上から
見ると図１に示したような扇形の溶液チャンバー１２７
が形成されており、流路１２６の一部を構成している。
扇の幅の狭まった側の端部には溶液流入口１２２が、扇
の幅の広がった側の端部には溶液流出口１２３が設けら
れている。また、溶液流入口１２２と溶液流出口１２３
の間には第一の電極１２４と第二の電極１２５がそれぞ
れ設けられており、これら電極はそれぞれ図示していな
い交流電圧源に接続されている。第一の電極１２４と第
二の電極１２５の間の電界強度は、第一の電極１２４に
近いほど電気力線が密となるため、図中では左へ行くほ
ど電界強度が強くなる。溶液チャンバー１２７を含む流
路１２６は微粒子を含む溶液１２８で満たされており、
溶液１２８は図示していないポンプによって流路１２６
内を一定流量で循環している。このとき、微粒子に働く
流れの力Ｆfと誘電泳動力Ｆdとは図２のように示され、
これらの合力は図３のように示される。すなわち、溶液
１２８に含まれる微粒子はすべて、合力Ｆ＝０となるつ
りあいの位置に集められる。
する微粒子分離方式と、光吸収現象とを用いて微粒子の
定性定量分析を行うセンサの一形態を示す模式図であ
り、微粒子の分離に関しては図１に示した方式を用いて
いるものである。筐体１２１には厚さが一定で、上から
見ると図１に示したような扇形の溶液チャンバー１２７
が形成されており、流路１２６の一部を構成している。
扇の幅の狭まった側の端部には溶液流入口１２２が、扇
の幅の広がった側の端部には溶液流出口１２３が設けら
れている。また、溶液流入口１２２と溶液流出口１２３
の間には第一の電極１２４と第二の電極１２５がそれぞ
れ設けられており、これら電極はそれぞれ図示していな
い交流電圧源に接続されている。第一の電極１２４と第
二の電極１２５の間の電界強度は、第一の電極１２４に
近いほど電気力線が密となるため、図中では左へ行くほ
ど電界強度が強くなる。溶液チャンバー１２７を含む流
路１２６は微粒子を含む溶液１２８で満たされており、
溶液１２８は図示していないポンプによって流路１２６
内を一定流量で循環している。このとき、微粒子に働く
流れの力Ｆfと誘電泳動力Ｆdとは図２のように示され、
これらの合力は図３のように示される。すなわち、溶液
１２８に含まれる微粒子はすべて、合力Ｆ＝０となるつ
りあいの位置に集められる。
【００８４】一方、光源１２９から発せられた検査光１
３３は、第一のレンズ１３０、第二のレンズ１３１、第
三のレンズ１３２、筐体１２１の底面を構成するガラス
１３５を経由して溶液１２８中に照射される。光源１２
９は単一波長を発振するレーザダイオードが好適であ
り、第一のレンズ１３０、第二のレンズ１３１、第三の
レンズ１３２は、検査光１３３のビーム幅が溶液１２８
中で一定であるよう調整されている。
３３は、第一のレンズ１３０、第二のレンズ１３１、第
三のレンズ１３２、筐体１２１の底面を構成するガラス
１３５を経由して溶液１２８中に照射される。光源１２
９は単一波長を発振するレーザダイオードが好適であ
り、第一のレンズ１３０、第二のレンズ１３１、第三の
レンズ１３２は、検査光１３３のビーム幅が溶液１２８
中で一定であるよう調整されている。
【００８５】溶液１２８中を透過した検査光１３３は、
ガラス１３６を透過し光検出器１３４へと照射され、こ
こで透過光量検出が行われる。光検出器１３４は、フォ
トダイオードやＣＣＤにより構成されると好適である。
図１９では、筐体１２１の底面と上面全体がガラス製で
あるが、筐体１２１全体がガラス製であっても、検査光
１３３を透過させる部分のみがガラス製であってもかま
わない。
ガラス１３６を透過し光検出器１３４へと照射され、こ
こで透過光量検出が行われる。光検出器１３４は、フォ
トダイオードやＣＣＤにより構成されると好適である。
図１９では、筐体１２１の底面と上面全体がガラス製で
あるが、筐体１２１全体がガラス製であっても、検査光
１３３を透過させる部分のみがガラス製であってもかま
わない。
【００８６】以上のような構成を用いて微粒子の定性定
量分析を行う手法について説明する。溶液１２８中の任
意の種類の微粒子が検査光１３３の光路上に集まるよ
う、電界強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数ω、交
流電界の電圧印加時間、流路１２６内を流れる流量の少
なくともいずれかひとつを制御する。微粒子はその物質
固有のパラメータを有しているので、微粒子が検査光１
３３の光路上に集まったときの電界強度の実効値Ｅや交
流電圧源の角周波数ωから、その微粒子の種類を同定す
ることができる。
量分析を行う手法について説明する。溶液１２８中の任
意の種類の微粒子が検査光１３３の光路上に集まるよ
う、電界強度の実効値Ｅ、交流電圧源の角周波数ω、交
流電界の電圧印加時間、流路１２６内を流れる流量の少
なくともいずれかひとつを制御する。微粒子はその物質
固有のパラメータを有しているので、微粒子が検査光１
３３の光路上に集まったときの電界強度の実効値Ｅや交
流電圧源の角周波数ωから、その微粒子の種類を同定す
ることができる。
【００８７】さらに、検査光１３３の光路上に微粒子が
集められた状態で光吸収現象を利用して微粒子の濃度を
定量的に求めることができる。この濃度測定を微粒子が
分離されていない状態でも行い、未分離状態と分離状態
の光吸収の差から微粒子の濃度を求める。
集められた状態で光吸収現象を利用して微粒子の濃度を
定量的に求めることができる。この濃度測定を微粒子が
分離されていない状態でも行い、未分離状態と分離状態
の光吸収の差から微粒子の濃度を求める。
【００８８】また、光源１２９、光検出器１３４、交流
電圧源、ポンプはそれぞれ、図示していない制御演算装
置と接続されており、予めプログラムされた手順で、も
しくは作業者が状況に応じて、機器制御、計測、検出、
演算、記録等を行うことができる。
電圧源、ポンプはそれぞれ、図示していない制御演算装
置と接続されており、予めプログラムされた手順で、も
しくは作業者が状況に応じて、機器制御、計測、検出、
演算、記録等を行うことができる。
【００８９】さらに、本実施の形態では微粒子を分離す
るために、流れの力と誘電泳動力とを用いたが、流れの
力の替わりに遠心力を用いても一向にかまわず、遠心力
を用いる場合には微粒子を検査光１３３の光路上に集め
るために制御するパラメータが、流路内を流れる流量で
はなく回転体の角速度に替わるだけであって、遠心力と
誘電泳動力を用いる手法でも同様の効果が得られること
は言うまでもない。
るために、流れの力と誘電泳動力とを用いたが、流れの
力の替わりに遠心力を用いても一向にかまわず、遠心力
を用いる場合には微粒子を検査光１３３の光路上に集め
るために制御するパラメータが、流路内を流れる流量で
はなく回転体の角速度に替わるだけであって、遠心力と
誘電泳動力を用いる手法でも同様の効果が得られること
は言うまでもない。
【００９０】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、簡便・
高速で、高精度に微粒子を分離する方法および装置、な
らびに定量定性分析を行うセンサを実現することができ
る。
高速で、高精度に微粒子を分離する方法および装置、な
らびに定量定性分析を行うセンサを実現することができ
る。
【図１】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を
表す模式図
表す模式図
【図２】本発明の一実施の形態による流れの力及び誘電
泳動力の位置依存性を示す特性図
泳動力の位置依存性を示す特性図
【図３】本発明の一実施の形態による合力の位置依存性
を示す特性図
を示す特性図
【図４】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を
表す模式図
表す模式図
【図５】本発明の一実施の形態による流れの力及び誘電
泳動力の位置依存性を示す特性図
泳動力の位置依存性を示す特性図
【図６】本発明の一実施の形態による合力の位置依存性
を示す特性図
を示す特性図
【図７】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を
表す模式図
表す模式図
【図８】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を
表す模式図
表す模式図
【図９】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法を
表す模式図
表す模式図
【図１０】本発明の一実施の形態による流れの力及び誘
電泳動力の位置依存性を示す特性図
電泳動力の位置依存性を示す特性図
【図１１】本発明の一実施の形態による合力の位置依存
性を示す特性図
性を示す特性図
【図１２】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法
を表す模式図
を表す模式図
【図１３】本発明の一実施の形態による遠心力及び誘電
泳動力の位置依存性を示す特性図
泳動力の位置依存性を示す特性図
【図１４】本発明の一実施の形態による合力の位置依存
性を示す特性図
性を示す特性図
【図１５】本発明の一実施の形態による微粒子分離手法
を表す模式図
を表す模式図
【図１６】本発明の一実施の形態による遠心力及び誘電
泳動力の位置依存性を示す特性図
泳動力の位置依存性を示す特性図
【図１７】本発明の一実施の形態による合力の位置依存
性を示す特性図
性を示す特性図
【図１８】本発明の一実施の形態による定性定量分析を
行うセンサを表す模式図
行うセンサを表す模式図
【図１９】本発明の一実施の形態による定性定量分析を
行うセンサを表す模式図
行うセンサを表す模式図
１、２１、３１、４１、６１、７１、１０１、１２１
筐体 ２、１０、２２、３２、４２、１０２、１２２ 溶液流
入口 ３、１１、２３、３３、４３、１０３、１２３ 溶液流
出口 ４、２４、３４、４４、６２、７２、１０４、１２４
第一の電極 ５、２５、３５、４５、６３、７３、１０５、１２５
第二の電極 ６、２６、３６、４６、１０６、１２６ 流路 ７ ポンプ ８、２７、３７、４７、６４、７４、１０７、１２７
溶液チャンバー ９、１２、２８、３８、４８、６５、７５、１０８、１
２８ 溶液 ４９、６６ 電極設置空間 ６７、７６ 回転体 １０９、１２９ 光源 １１０、１３０ 第一のレンズ １１１、１３１ 第二のレンズ １１２ 入射光 １１３ プリズム １１４ 金属薄膜 １１５、１３５、１３６ ガラス １１６ 反射光 １１７、１３４ 光検出器 １３２ 第三のレンズ １３３ 検査光
筐体 ２、１０、２２、３２、４２、１０２、１２２ 溶液流
入口 ３、１１、２３、３３、４３、１０３、１２３ 溶液流
出口 ４、２４、３４、４４、６２、７２、１０４、１２４
第一の電極 ５、２５、３５、４５、６３、７３、１０５、１２５
第二の電極 ６、２６、３６、４６、１０６、１２６ 流路 ７ ポンプ ８、２７、３７、４７、６４、７４、１０７、１２７
溶液チャンバー ９、１２、２８、３８、４８、６５、７５、１０８、１
２８ 溶液 ４９、６６ 電極設置空間 ６７、７６ 回転体 １０９、１２９ 光源 １１０、１３０ 第一のレンズ １１１、１３１ 第二のレンズ １１２ 入射光 １１３ プリズム １１４ 金属薄膜 １１５、１３５、１３６ ガラス １１６ 反射光 １１７、１３４ 光検出器 １３２ 第三のレンズ １３３ 検査光
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(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｇ０１Ｎ 21/27 Ｇ０１Ｎ 21/59 Ｚ
21/59 27/26 ３０１Ｃ
３３１Ｋ
３３１Ｚ
Ｆターム(参考） 2G059 AA01 AA02 BB04 BB06 BB09
CC19 EE01 EE02 GG01 JJ11
JJ12 KK01 KK04 MM01 MM10
4D054 FB01 FB20
4D057 AA00 AB01 AC06 AD05 AE02
BC05 BC11 CA01
Claims (21)
- 【請求項１】 微粒子を含む溶液が流れている中で、前
記流れの力と反対方向に微粒子を誘電泳動させ、前記流
れの力と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を
分離させる微粒子分離方法。 - 【請求項２】 誘電泳動を発生させる際に印加する交流
電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加
時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを制御す
ることで、微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とがつり
あう位置を制御する請求項１記載の微粒子分離方法。 - 【請求項３】 微粒子を含む溶液に遠心力を与え、前記
遠心力と反対方向に微粒子を誘電泳動させ、前記遠心力
と誘電泳動力とがつりあった位置に前記微粒子を分離さ
せる微粒子分離方法。 - 【請求項４】 誘電泳動を発生させる際に印加する交流
電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加
時間、遠心力を発生させる角速度の少なくともいずれか
ひとつを制御することで、微粒子に働く遠心力と誘電泳
動力とがつりあう位置を制御する請求項３記載の微粒子
分離方法。 - 【請求項５】 誘電泳動力が、電界強度の強い方向に働
く正の誘電泳動力である請求項１から請求項４のいずれ
か記載の微粒子分離方法。 - 【請求項６】 誘電泳動力が、電界強度の弱い方向に働
く負の誘電泳動力である請求項１から請求項４のいずれ
か記載の微粒子分離方法。 - 【請求項７】 第一の電極と第二の電極からなる電極対
と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる電
圧源と、微粒子を含む溶液を流すためのポンプと流路と
を具備し、前記微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とが
つりあった位置に前記微粒子を分離させる微粒子分離装
置。 - 【請求項８】 誘電泳動を発生させる際に印加する交流
電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印加
時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを制御す
ることで、微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とがつり
あう位置を制御する請求項７記載の微粒子分離装置。 - 【請求項９】 第一の電極と第二の電極からなる電極対
と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる電
圧源と、微粒子を含む溶液を収容する容器とを具備し、
前記容器は前記微粒子に遠心力を与えるための回転体に
保持されており、前記微粒子に働く遠心力と誘電泳動力
とがつりあった位置に前記微粒子を分離させる微粒子分
離装置。 - 【請求項１０】 誘電泳動を発生させる際に印加する交
流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印
加時間、回転体の角速度の少なくともいずれかひとつを
制御することで、微粒子に働く遠心力と誘電泳動力とが
つりあう位置を制御する請求項９記載の微粒子分離装
置。 - 【請求項１１】 誘電泳動力が、電界強度の強い方向に
働く正の誘電泳動力である請求項７から請求項１１のい
ずれか記載の微粒子分離装置。 - 【請求項１２】 誘電泳動力が、電界強度の弱い方向に
働く負の誘電泳動力である請求項７から請求項１１のい
ずれか記載の微粒子分離装置。 - 【請求項１３】 第一の電極と第二の電極からなる電極
対と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる
電圧源と、微粒子を含む溶液を流すためのポンプと流路
と、前記微粒子の濃度を測定する濃度測定装置とを具備
し、前記微粒子に働く流れの力と誘電泳動力とがつりあ
った位置に前記微粒子を分離させ、分離した状態の微粒
子濃度を前記濃度測定装置により測定するセンサ。 - 【請求項１４】 誘電泳動を発生させる際に印加する交
流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印
加時間、溶液の流量の少なくともいずれかひとつを制御
することで、微粒子が濃度測定部位に位置するよう制御
する請求項１３記載のセンサ。 - 【請求項１５】 第一の電極と第二の電極からなる電極
対と、これら電極間に不均一な交流電界を発生せしめる
電圧源と、微粒子を含む溶液を収容する容器と、前記微
粒子の濃度を測定する濃度測定装置とを具備し、前記容
器は前記微粒子に遠心力を与えるための回転体に保持さ
れており、前記微粒子に働く遠心力と誘電泳動力とがつ
りあった位置に前記微粒子を分離させ、分離した状態の
微粒子の濃度を前記濃度測定装置により測定するセン
サ。 - 【請求項１６】 誘電泳動を発生させる際に印加する交
流電界の周波数、交流電界の電圧値、交流電界の電圧印
加時間、回転体の角速度の少なくともいずれかひとつを
制御することで、微粒子が濃度測定部位に位置するよう
制御する請求項１５記載のセンサ。 - 【請求項１７】 誘電泳動力が、電界強度の強い方向に
働く正の誘電泳動力である請求項１３から請求項１６の
いずれか記載のセンサ。 - 【請求項１８】 誘電泳動力が、電界強度の弱い方向に
働く負の誘電泳動力である請求項１３から請求項１６の
いずれか記載のセンサ。 - 【請求項１９】 濃度測定装置が表面プラズモン共鳴現
象を利用したものである請求項１３から請求項１６のい
ずれか記載のセンサ。 - 【請求項２０】 濃度測定装置が光源と光検出器とを具
備し、光源から発せられた光が微粒子を含む溶液中を透
過し、光検出器により計測されることで微粒子による光
の吸光度を求め、この値から微粒子の濃度を求めるもの
である請求項１３から請求項１６のいずれか記載のセン
サ。 - 【請求項２１】 光源から発せされる光が、レーザ光で
ある請求項２０記載のセンサ。
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|---|---|---|---|
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