JP2952038B2 - 固体、半固体または液体物質の操作 - Google Patents
固体、半固体または液体物質の操作Info
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Description
の操作に関する。
は液体粒子をその中に含有する液体媒質の利用を伴って
いる。そのような粒子は、不活性な無機物質から、反応
性物質及び細胞または細胞の一部のような有機または生
物学的構造物にまで、非常に広く変化することができ
る。
様々な種類の粒子を液体媒質中を移動させ得ることが知
られており、二重電気泳動(Dielectrophoresis)の基
本的な現象は、例えば、エイチ エイ ポール(H A Po
hl)によるケンブリッジユニバーシティープレス(Camb
ridge University Press)の「二重電気泳動」(1978)
及びロナルド ペシグ(Ronald Pethig)によるジョン
ウイリーアンドサンズ(John Wiley & Sons)の「生物
学的物質の誘電及び電子的特性」の第6章に詳細に論じ
られている。
いて提案されている:いわゆる「光学的二重電気泳動ス
ペクトロメーター」の構造は、バート、アル−アミーン
及びペシグ(Burt,Al−Ameen & Pethig)により、ジャ
ーナルオブフィジクッス(Journal of Physics)セクシ
ョンE、科学的装置、第22章(1989)952〜957頁の「コ
ロイド懸濁液における低周波測定のための光学的二重電
気泳動スペクトロメーター」に記載されている。
気泳動挙動を測定するための新規な光学的技術の応用」
プライス、バート及びペシグ(Price,Burt and Pethi
g)による、バイオキミカ エト バイオフィジカ ア
クタ(Biochimica et Biophysica Acta)、964(198
8)、221〜230頁には、誘電支持体上に付着された交互
嵌合型電極の使用により、二重電気泳動の効果によっ
て、懸濁された粒子が移動することが開示されている。
性の適当な測定による物質の特性決定に関するものであ
った。その他の主な応用は、W Mアーノルド及びUツィ
ンマーマン(W A Arnold and U Zimmermann)による
(「電界誘導された細胞の融合及び回転」バイオロジカ
ルメンブレーン(Biological Membranes)5、389〜45
4、1984)に記載されているような、正の二重電気泳動
力を使用して、生物学的細胞の電気融合の前に、電極の
間にそれらを整列させることである。また、化学種の二
重電気泳動操作を行う方法及び装置は、J Sバチェルダ
ー(J S Batchelder)によって開示されている(1983年
6月28日、米国特許第4,390,403号)。この方法は、直
流の不均一な電界を採用して、化学種の間の化学反応を
促進するために、多電極室の中の1または2以上の化学
物質を操作するものである。与えられた電圧は、周期的
に信号を逆にされてイオン遮蔽効果を減少させることが
できる(第3欄62行〜第4欄3行参照)。化学物質の操
作は、化学種の誘電率の相違の結果生じた正の二重電気
泳動力によって制御される。
hizu and I Kawabata)の従来の研究、「不均一な移動
電界による液体中の血液細胞の移動」、IEEEトランザク
ション オン インダストリーアプリケーション(IEEE
Transactions on Industry Applications)、第24章
(1988)217〜222においては、血液細胞は、不均一な移
動電界の影響を受けて移動している。この電界は、同じ
周波数及び振幅を有することによって関連された、2つ
の固定された周波数を有し多相の電圧信号を、一連の並
列電極に与えることによって発生する。同様に、W Aア
ーノルド及びUツィンマーマンによって開示され、単一
の細胞を回転させるために使用される回転電界は、単一
の、位相−スプリット電圧信号か、または同期性の、等
しい電圧パルスのいずれかを使用することによって発生
する。本発明は、同じ発信周波数を有することがない電
気的に独立した電圧を使用して発生する2またはそれ以
上の電界を利用するものである。
中1またはそれ以上の種類の粒子の懸濁液において、異
なる周波数を有する2またはそれ以上の不均一な電界を
同時または連続的に与えると、液体中の粒子において、
種々の反応が刺激されて起こり得ることを見出した。
懸濁された均一な種類または2以上の種類からなる粒子
の間の反応を促進させる方法であって、所望の反応を誘
発または促進するような方法で、前記液体に異なる周波
数を有する2またはそれ以上の独立した不均一の電界を
与えることを含む方法が提供される。
の化学的、正化学的及び物理的相互作用、並びに場合に
よっては、他の成分から分離する一方で、多成分系の1
の成分に処理を選択的に与えながら、再結合反応の前の
分離のような大規模の操作を包含するものと広く解され
る。
化学種の誘電率の相違を利用して、所望の反応を制御し
ていたが、本発明者らは、誘電率を変化させることに加
えて、懸濁された粒子及び懸濁媒質の一方または両方の
誘電率を変化させることによって、さらに高程度に制御
することができることを見出した。その点に関して(及
び本明細書を通して)、語句「誘電率」は、複合体の誘
電率の実部を称するものとして使用される。
あることができ、それらは、コロイド状またはいくつか
のその他の性質を有することができる。
率及び導電率を適当に選択することによって、正及び負
の二重電気泳動力の両方が操作剤として使用されること
ができる。本発明の方法の実施において、液体中の粒子
の一部のみに負の二重電気泳動力をもたらすように、少
なくとも1つの電界が選択されることが好ましい。電極
の形状の適当な選択によって、電極形状内の特定の領域
において、粒子中の特定の種が分離するかまたは特定の
粒子の凝集が起こる領域を作ることができる。適当な容
量の懸濁液の処理を可能にするために、電極は、繰り返
しパターンのアレイ、または、例えば、2つの電極が櫛
型で、各々の各伸張部分が、他方の電極の2つの隣の伸
張部分の間に存在するように交互嵌合されることができ
る。
提供し、その装置は、電極アレイを有する処理セルと、
1の液体中複数の粒子の懸濁液を前記処理セルに供給す
る装置と、前記セルから液体を除去するための装置と、
前記セル中の電極と接続されていて、前記セル中に第一
の不均一な電界を発生させるように調整された第一装置
と、前記セル中の電極に接続されていて、前記第一の電
界とは異なる周波数を有する第二の不均一な電界をセル
中に発生させるように調整された第二装置とを有する。
とが好ましい。そのような装置は、上記液体除去装置の
一部として、電極を担持するセルの外壁内にパーホレー
ションを有していることが好ましく、そのパーホレーシ
ョンは、電極がセル中の液体媒質中の粒子に関連して、
及び液体媒質それ自体に関連して電気的に適当に活性化
された場合に、パーホレーションを介して排出される液
体及び粒子が、セル中の液体中粒子の懸濁液の一般的バ
ルク特性とは異なるものであるように、設けられる。
表現を簡単にするために、電極に与えた符号を参照す
る。適当な電界を生じさせるために、実際問題として、
符号は一対の電極に与えられており、その1つは、参照
電極または伸張表面領域の「接地板」等となることがで
きる。
に与えられた電界の性質によって、粒子は1の電極また
は多数の電極の複数の領域方向に凝集するか、またはそ
のような1または複数の電極から分離し、及び/または
そのような電極から離れた領域方向に凝集することがで
きる。このような現象は、懸濁液中の粒子を操作するこ
と、例えば、そのような懸濁粒子から構造の管理された
集成体を提供すること、異なる種類からなる懸濁粒子の
混合物から分離を行うこと、特定の粒子型の特性化を行
うこと、または、2またはそれ以上の異なる種類の粒子
間の反応を促進すること等に広範囲で利用されることが
できる。
しく説明する。これらの図面中、 図1a及び1bは、本発明の方法において使用することが
できる電極形状の異なる具体例の平面、正面及び側面図
を示し、 図2及び3は、図1aの電極アレイの使用による粒子の
移動を概略的に示した図であり、 図4は、より複雑な状態(2種類の粒子が存在する状
態)を概略的に示した図であり、 図5a、5b及び5cは、図1bの電極形状と、電極上の領域
及び電極から離隔した領域における粒子の凝集の例を示
した図であり、 図6は、正負両方の二重電気泳動力の使用により、同
時に集合した2つの異なる型の粒子を概略的に示す図で
あり、 図7aは、2つの独立した電極対の近くの領域における
2つの異なる型の粒子のランダムな分散を示す図であ
り、 図7bは、独立した電極対が2つの特性的に異なる電圧
によって印加された後に、その結果として2つの型の粒
子が分散する様子を示す図であり、 図8は、本発明の方法を実施するために使用されるこ
とができる装置のブロック図である。
深さであり、正面図の縦方向が高さである。図2〜6に
おいても同様である。
の粒子を含む懸濁液を操作するために使用されることが
できる処理セルの1の壁部を、平面、正面及び側面図に
より示している。その装置は、前記処理セルの壁または
表面を形成する適当な支持体2の上に組み立てられた電
極アレイ1を含んでいる。各電極は、電気コネクター3
を介する電気信号のいずれの形態によっても、別個にそ
して独立に電圧を印加されることができる。電極は、粒
子を懸濁させている液体と直接電気的に接触するかまた
は適当な部材によってそれから分離されることもでき
る。説明のために、図1a中の電極は、長方形の形状を有
するように示したが、粒子の特性及び達成しようとする
所望の効果に応じて、他の形状を使用することもでき
る。
ている被検粒子4を示す。電極5に適当な電気信号を与
えることにより、粒子4を電極5に電気泳動的に引き付
けることができる。このような効果は、電極6及び7に
第2の電気信号を同時に与え、粒子4を二重電気泳動的
に電極6及び7から反発させることによって強められ
る。電気信号は、粒子4が電極5に固定するまで、又は
粒子4が電極5周辺の所望の位置に到達するまで、電極
5、6及び7に与えられる。その後、粒子4を、例え
ば、電極5の周辺から粒子4を反発させ電極8の方へ粒
子4を引き付ける電気信号を与えることにより、さらに
移動させることができる。
れた後の粒子4と、電極10に位置する他の粒子9を示し
ている。粒子9は、粒子4と同じ誘電率及び導電率を有
していても有していなくてもよい。粒子4及び9は、そ
れらの一方または両方を二重電気泳動的に移動させるこ
とによって、互に並行に配置されることができる。粒子
4及び粒子9(及び同様の方法によるその他のもの)を
会合させること(粒子4同士が会合すると共に粒子9同
士が会合するという意味ではない)は、より大きい構成
単位を構成する目的に、または、それらの間に特定の化
学的、生物学的または電気化学的反応を誘発するために
有効であり得る。この例は、粒子を一まとめにすること
を説明しているが、より一般的な場合においては、この
装置は、粒子を互に関していずれもの所望の位置に操作
するために用いられることができる。
れており、この場合において、それは異なるバルク及び
/または表面電気特性を有している。電極6及び7に与
える信号とは異なる電気信号を電極5及び8に与えるこ
とによって、及び、懸濁媒質の特性(例えばpH、誘電
率、導電率及び比重)の他、信号特性(即ち、波形、大
きさ及び周波数)を適当に選択することによって、粒子
型4及び6は、互に物理的に分離されることができ、例
えば、粒子型4は電極5及び8の近くに集合し、粒子型
9は電極6及び7の近くに集合する。電極5+8及び6
+7またはその他の電極の組み合わせに与えられる電気
信号は、所望の分離を行うために、同時または異なる時
に、連続的にまたは断続的に与えられることができる。
その粒子を集合させるために使用された電気信号を除去
するか、または電極への強い付着が発生した場合には、
電極へ適当な特性を有する電気信号を与えることによっ
てそれらを剥離することにより、最初に電極から所望の
粒子型を剥離して、電極の近くに配置されているパーホ
レーションを介してその粒子を懸濁させている液体を除
去することによって、前記粒子型をその後、処理セルか
ら分離して除去することができる。電極における粒子の
集合の程度は、バート、アル−アミーン及びペシグによ
るジャーナル オブ フィジックス、セクションE、科
学的装置、第22章、(1989)、952〜957頁に記載されて
いるような光学的モニター技術によって、連続的に評価
することができ、それに続く粒子の分離は、電極及びパ
ーホレーションの下流域においても、光学的プローブに
より同様にモニターされることができる。
操作するために使用することができるその他の電極形状
を、平面、正面及び側面図で示している。説明のため
に、図1b中の電極は、ぎざぎざを有し、交互嵌合し、長
方形の形状を有するように描かれているが、粒子の特性
及び達成しようとする所望の効果に応じてその他の形状
を使用することもできる。
嵌合型で、ぎざぎざを有する電極11及び12のアレイの断
面を概略的に示している。両粒子型が正の二重電気泳動
力を得た結果として、2つの異なる粒子型13及び14は、
電極の各ぎざぎざの外側先端において、長鎖のように凝
集した。
るが、ここでは2つの異なる粒子型13及び14は、負の二
重電気泳動力を得た結果、電極側部から離れて、電極の
上方表面の領域に凝集している。
しているが、ここでは、2つの異なる粒子型13及び14
は、負の二重電気泳動力を得た結果、電極側部から離れ
て、電極のぎざぎざの間の領域に移動してトライアング
ル形の凝集を形成している。
嵌合形でぎざぎざのある電極アレイを使用した。各ぎざ
きざは、幅20μ、深さ40μ、高さ約0.1μ、中心部分の
距離が80μで、交互嵌合された電極列は、80μ離隔して
いる。全体のアレイは、各列に60の電極を有し、長さが
約5mmであった。前記アレイは、内部容積が7.5立方mmの
セルの1の壁上に配置されていた。
子としてミクロコッカス リソデイクティカス(Microc
occus lysodeikticus)(長さ約2μ、幅0.5μの楕円
形)を含む懸濁液を、脱イオン水中のラテックス粒子
(直径1.27μm)の懸濁液中に、同量添加した。懸濁し
た粒子の濃度は、各場合において、635nmの波長、1cmの
光路長での吸光度が、1.61(脱イオン水との比較)であ
るようなものであった。ミクロコッカス(Micrococcu
s)懸濁液の導電率は、11.4mS/cmであり、一方、ラテッ
クス粒子懸濁液の導電率は、2.1mS/cmであった。均一に
分布させたところ、ラテックス粒子とミクロコッカス
(Micrococcus)の相互に作用した量は、非常に小さか
った。
ラテックス及びミクロコッカス(Micrococcus)粒子
は、プライス、バート及びペシグ(Price,Burt and Pet
hig)による(1988)バイオキミカ エト バイオフィ
ジカ アクタ(Biochimica et Biophysica Acta)の文
献の第3図に示されるような態様で、及び図5aに概略的
に示されるように、各電極のぎざぎざの外側先端におい
て長鎖のように凝集した。本明細書中で使用される語句
「正の二重電気泳動」は、その中で粒子がより高い電界
強度の領域の方に移動する粒子の凝集の形態であると、
広く解される。与えられた電圧を除去すると、ラテック
ス及びミクロコッカス(Micrococcus)の粒子は、互い
に分離し、懸濁媒質中に分散されるようになった。ラテ
ックスとミクロコッカス(Micrococcus)粒子を互いに
密接に接触させ、その後それらを分離させるこの方法
は、何度でも繰り返すことができた。
電圧を与えると、図5bに示すように、ラテックスとミク
ロコッカス(Micrococcus)の粒子は、電極の側部から
離れて、電極の上表面の領域で凝集した。粒子が電極の
縁部の高電界領域から離れるような粒子の凝集の形態
は、通常の正の二重電気泳動の形態ではなく、本明細書
では、負の二重電気泳動であると広く解される。
ぎざぎざを幅80μ、深さ80μ、高さ約0.1μ、中心部の
距離160μとし、交互嵌合する電極列の距離を160μとし
た。全体の電極アレイは、各列に60の電極を有し、長さ
は約1.0cmであった。前記アレイは、内部容積が30立方m
mのセルの1の壁上に配置されていた。
ートクレーブ処理した)ビール酵母を、1cmの光路長で6
35nmの波長における吸光度が約0.8となるまで含む、脱
イオン水中280mMマンニトール媒質中の懸濁液を調製し
た。100Hzから20MHzの周波数範囲において20V p/p正弦
波の電圧を与えたところ、両生死酵母細胞が、正の二重
電気泳動力を得て、電極のぎざぎざの外側先端において
集合した。
懸濁媒質の導電率を150mS/cmにまで増加させたところ、
電極に与えられた電圧の周波数に応じて、前記2種類の
細胞は、各々、負または正の二重電気泳動力のいずれか
を得た。例えば、10kHzの周波数において20Vp/p正弦波
の電圧を電極に与えると、死滅酵母細胞は、正の二重電
気泳動力を得た結果として、電極のぎざぎざの外側先端
に集合するのが観察され(図5a)、一方、生きた酵母細
胞は、負の二重電気泳動力によって、図5cに示すよう
に、電極の側部から離れた電極のぎざぎざの間の領域に
おけるトライアングル形の凝集へ移動した。生死酵母細
胞の全体的な集合は、図6に示される集合と同様であ
り、生きた酵母細胞は、粒子型15として標識され、死滅
酵母細胞は、粒子型16として標識される。他方におい
て、電極に10MHzの周波数で20V p/p正弦波の電圧を与え
た場合には、生きた酵母細胞は正の二重電気泳動力を得
て、図5aに図示の形態で集合し、一方、死滅細胞は、負
の二重電気泳動力を得て、図5bに図示されるようなトラ
イアングル形に凝集した。
する交互嵌合型で、ぎざぎざを有する電極アレイを有す
るセルを使用した。脱イオン水の媒質中に、懸濁粒子と
して、径1.27μの2種類のラテックス粒子を含有する懸
濁液を調製した。第一型のラテックス粒子は、ホースラ
ディッシュペルオキシダーゼに対してラビット内で産生
された抗体を塗布されたラテックス粒子で、一方、第二
型のラテックス粒子は、ラビット内で産生されたホース
ラディッシュペルオキシダーゼ抗体に対してブタ内で産
生されたホースラディッシュペルオキシダーゼ−標識抗
体を塗布されたラテックス粒子であった。1cmの光路長
での635nmの波長において光学濃度0.8を有する第一型の
ラテックス粒子の懸濁液と、1cmの光路長での635nmの波
長において光学濃度0.54を有する第二型のラテックス粒
子の懸濁液とを、等量混合することによって、4.1mS/cm
の導電率を有する最終懸濁液を生成した。
えると、両方の型のラテックス粒子は、負の二重電気泳
動力を得て、図5bに示すように、電極の側部から離れて
電極の上方表面の領域にすばやく凝集した。この凝集に
よって、両方の型のラテックス粒子は、互に近接し、ラ
テックス粒子上に塗布された2種類の抗体間の相互作用
の速度を大幅に促進させた。電極に与えられた電圧を除
去すると、ラテックス粒子の二重電気泳動的に誘発され
た相互作用の結果、著しい数のラテックス粒子が互いに
結合するのが観察された。
を有するセルを使用したが、電極対17は、電極対18とは
別に、独立して与えられた電圧を印加されることができ
る。電極対17を形成する2つの電極間の距離は、104μ
であり、電極対18を形成する2つの電極間の距離も同様
であった。各電極部材は、幅32μ、高さ約0.1μであ
り、2つの電極対は、互に130μ離隔していた。
子として、等量の生きたビール酵母細胞19と死滅(オー
トクレーブ処理された)ビール酵母細胞20とを、波長63
5nmで1cmの光路長における吸光度が約0.8になるまで含
む懸濁液を調製した。この懸濁液媒質に、媒質の導電率
を150mS/cmまで増加させるのに十分な濃度の塩化カリウ
ムを添加した。10kHzの周波数における20V p/p正弦波の
電圧を、図7a及び7bの電極17に与え、同時に、電極18に
は周波数10MHzの20V p/p正弦波の電圧を与えた。生きた
酵母細胞は、正の二重電気泳動力によって、10MHzの電
圧を印加された電極18に引き付けられ、そこに集合し、
10kHzの電圧によって印加された電極17の回りの領域か
ら、負の二重電気泳動力によって反発を受けるのが観察
された。一方、死滅した酵母細胞は、10MHzの電圧を印
加された電極18の回りの領域から、負の二重電気泳動力
によって反発を受けるが、10kHzの電圧を印加された電
極17に、正の二重電気泳動力によって引き付けられ、そ
こに集合した。10kHz及び10MHzの電圧を与える前及び後
の生きてた酵母細胞と死滅酵母細胞の分布を図7a及び7b
のそれぞれに示す。図から理解することができるよう
に、生きた酵母細胞の死滅酵母細胞からの空間的な分離
は、この操作によって達成された。
寸法を有し、交互嵌合型で、ぎざぎざを有する電極のア
レイを有するセルを使用した。2種類の公称直径1.0μ
のガラスビーズを使用した。第一型のガラスビーズを、
乾燥アセトン中の5%アミノプロピルトリエトキシシラ
ン中で3時間振盪し、次いで洗浄し、70゜において乾燥
させた。乾燥後、そのビーズをクロロホルム中のd−ビ
オチンのニトロフェニルエステルの5%溶液中で、振盪
した。この操作の結果、第一型のガラスビーズは、d−
ビオチンの膜によって塗布された。第二型のガラスビー
ズは、pH7.7のリン酸緩衝食塩水中に1mg/mlのアビジン
を含有する溶液中で20分間振盪した。処理されたビーズ
をその後リン酸緩衝食塩溶液中で3回洗浄した。この操
作の結果、第二型のガラスビーズは、アビジンの膜で塗
布された。第一及び第二型ビーズを、その後3.5のmS/cm
の導電率を有する塩化カリウムの溶液中に別々に懸濁さ
せた。1cmの光路長での635nmの波長における光学密度0.
8を有するガラスビーズ第一型の懸濁液と、1cmの光学通
路長での635nm波長における光学密度0.8を有するガラス
ビーズ第二型の懸濁液とを、同容量混合することによっ
て、最終懸濁液を生成した。
えると、両ガラスビーズ型が負の二重電気泳動力を得
て、図5bに示されるように、電極の側部から離れ、電極
の上方表面の領域で凝集した。印加した電圧を除去した
ところ、著しい数のガラスビーズが、アビジン−ビオチ
ン複合体がガラスビーズ型1及び2の表面の間に形成さ
れた結果として、堅固に結合するのが観察された。
Claims (4)
- 【請求項1】二重電気泳動現象を利用することによる、
液体中に懸濁した複数の粒子間の反応を促進する方法で
あって、前記粒子が1またはそれ以上の種類の粒子であ
り、粒子が中に分散している一定容量の液体を電極を備
えた処理セル内に導入する工程、前記電極に比較的高周
波数の交流電気信号を与えて二重電気泳動力の効果の下
に前記粒子の再配列を起こす工程を含む方法において、
前記処理セル内の粒子が再配列位置を占めている間に、
第2の交流電気信号を前記電極に与え、前記第2の交流
電気信号の周波数は第1の交流電気信号の周波数と有意
に異なり、かつ前記粒子と前記液体の誘電率と導電率を
考慮して選択されたものであり、第1の電気信号によっ
て生ずる二重電気泳動力とは異なる、粒子に作用する二
重電気泳動力を生じさせ、第1の再配列とは異なる、粒
子の第2の再配列を行うことを特徴とする方法。 - 【請求項2】二重電気泳動現象を利用することによる、
液体中に懸濁した複数の粒子間の反応を促進する方法で
あって、前記粒子が1またはそれ以上の種類の粒子であ
り、粒子が中に分散している一定容量の液体を電極を備
えた処理セル内に導入する工程、前記電極に比較的高周
波数の交流電気信号を与えて二重電気泳動力の効果の下
に前記粒子の再配列を起こす工程を含む方法において、
第2の交流電気信号を同時に前記電極に与え、前記第2
の交流電気信号の周波数は第1の交流電気信号の周波数
と有意に異なり、かつ前記粒子と前記液体の誘電率と導
電率を考慮して選択されたものであり、第1の電気信号
によって生ずる二重電気泳動力とは異なる、粒子に作用
する二重電気泳動力を生じさせることを特徴とする方
法。 - 【請求項3】前記交流電気信号の少なくとも一方が、前
記液体中の前記粒子の一部のみに負の二重電気泳動力を
与えることを特徴とする請求項1または2に記載の方
法。 - 【請求項4】請求項1から3のいずれかに記載の方法で
あって、しかも前記液体及び/または前記粒子の導電率
及び/または誘電率を変更する工程も含む方法。
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