JP5152386B2

JP5152386B2 - 物質分級装置及び物質分級方法

Info

Publication number: JP5152386B2
Application number: JP2011220888A
Authority: JP
Inventors: 憲文池田; 公一森田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-10-05
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: JP2012020286A

Description

本発明は、溶液中の微粒子や不純物の捕集又は検出に用いられ、特に細胞やバクテリア、生体高分子（例えば、タンパクやＤＮＡ）等の生体物質をサイズ分級するのに好適な物質分級装置及び物質分級方法に関する。

溶液中の物質を分級するための技術として、例えば特許文献１〜３に示す技術が知られている。特許文献１では、マイクロ流路中に収容したサイズの異なる粒子に、交流電場を与えることにより粒子を選別している。また、特許文献２には、マイクロ流路に電極を配列し、粒子の電荷特性により粒子を選別する方法が記載されている。また、特許文献３には、サイズの異なる粒子を含む溶液の流路に、粒子のサイズに応じて異なる層流を形成することで、粒子を分級する方法が記載されている。

特開２００４−２４３２３８号公報特開平５−１２６７９６号公報特開２００５−２０５３８７号公報

しかしながら、電界を利用する特許文献１及び２の方法では、流路に電界を形成するための電極を設ける必要がある他、分級が粒子の電荷特性に依存して行われるため、サイズによる分級を目的とする場合は精度の良い結果が得られなかった。また、分級できる物質が荷電粒子に限定されるという問題もあった。
また、特許文献３に開示されているような方法では、流路構造が複雑になるほか、送流を形成させるため流体の供給源（ポンプ）が２系統必要であり、かつ、流速や流量の厳密な制御を行う必要がある。

本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたものであり、簡便な構成でかつ精度の高いサイズ分級が可能な物質分級装置及び物質分級方法を提供することをその目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に係る物質分級装置は、表面に沿って延びる凹状の流路を形成した流路基板と、前記流路基板に重ねられ、前記流路の流路方向の一部を覆う板と、を備え、前記流路は下流側に向かうに従って浅くなっており、前記板と前記流路の底面との間に前記流路中を流れる物質の捕集空間を形成する物質分級装置であって、前記流路基板及び前記板のうち少なくとも前記板が透明部材であるとともに、前記流路が下流側へ向かって連続的に且つ前記流路の底面が一定の傾斜角を有して傾斜しており、流路方向に沿って付され、前記物質が捕集される流路方向の位置に対応して当該物質のサイズを特定可能な目盛を備えることを特徴とする。

このような構成の物質分級装置においては、溶液中の物質の径が、板と流路の底面との間の距離（以下、「ギャップ」と記す。）とほぼ同等の大きさであると捕集される。ギャップは、流路方向の位置に応じた大きさとなることから、物質が捕集された流路方向の位置によって捕集される物質のサイズを特定できる。物質のサイズに直接相関するのはギャップの大きさであるが、流路方向に沿って目盛を付す方が、流路基板を水平に配置する場合に見やすくなり、また、多くの場合、ギャップの大きさよりも捕集空間の流路方向の長さの方が大きくなるので、サイズを判別する精度が高くなる。

本発明のうち請求項２に係る物質分級装置は、請求項１記載の物質分級装置において、前記板は流路方向に沿ってスライド可能となっていることを特徴とする。
本発明のうち請求項３に係る物質分級装置は、請求項１又は２に記載の物質分級装置において、前記物質のサイズに応じて、捕集位置を表示することを特徴とする。
本発明のうち請求項４に係る物質分級装置は、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の物質分級装置において、前記透明材料が、ガラスであることを特徴とする。
本発明のうち請求項５に係る物質分級装置は、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の物質分級装置において、前記流路は、底面が前記流路基板の基板面に対し傾斜面として形成されていることを特徴とする。

本発明のうち請求項６に係る物質分級装置は、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の物質分級装置において、前記目盛は、前記流路の下流側端部を基準とした流路方向の任意の位置に付されていることを特徴とする。
本発明のうち請求項７に係る物質分級装置は、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の物質分級装置において、前記目盛を、前記板又は前記流路基板に付したことを特徴とする。

本発明のうち請求項８に係る物質分級装置は、請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の物質分級装置において、前記板を流路方向に沿ってスライド可能にするスライド機構を備えることを特徴とする。
本発明のうち請求項９に係る物質分級装置は、請求項８に記載の物質分級装置において、前記スライド機構は、前記流路方向に沿って前記板を駆動する駆動装置を備えることを特徴とする。

本発明のうち請求項１０に係る物質分級装置は、請求項８に記載の物質分級装置において、前記スライド機構は、前記流路方向に沿って前記板を案内する案内部を備えることを特徴とする。
本発明のうち請求項１１に係る物質分級装置は、請求項１乃至１０のうちいずれか一項に記載の物質分級装置において、前記流路基板はガラスであることを特徴とする。
本発明のうち請求項１２に係る物質分級方法は、表面に沿って延びる凹状の流路を形成した流路基板と、前記流路基板に重ねられ、前記流路の流路方向の一部を覆う板と、を備え、前記流路は下流側に向かうに従って浅くなっており、前記板と前記流路の底面との間に前記流路中を流れる物質の捕集空間を形成する物質分級装置を用いた物質分級方法であって、前記流路基板及び前記板のうち少なくとも前記板が透明部材であるとともに、
前記流路が下流側へ向かって連続的に且つ前記流路の底面が一定の傾斜角を有して傾斜しており、前記物質が捕集された流路方向の位置に基づいて、その捕集された物質のサイズを特定することを特徴とする。
本発明のうち請求項１３に係る物質分級方法は、請求項１２に記載の物質分級方法において、前記捕集空間に物質を捕集後、捕集された目的の物質を解放する位置まで前記板を上流側にスライドさせて、前記目的の物質を回収することを特徴とする。

本発明によれば、簡便な装置によって、精度の高いサイズ分級を行うことができる。

（ａ）は本実施形態の物質捕集装置の側面図、（ｂ）は平面図である。物質捕集装置に流路を形成する方法を示す図である。流路２の構造を説明するための図である。（ａ）は第２実施例の物質捕集装置の側面図、（ｂ）は（ａ）の物質捕集装置のカバーガラスを上流側へスライドさせた場合の平面図である。（ａ）は第３実施例の物質捕集装置の側面図、（ｂ）は（ａ）の物質捕集装置のカバーガラス３を上流側へスライドさせた場合の平面図、（ｃ）は（ａ）の物質捕集装置のカバーガラスを取り外した状態の平面図である。目盛線付きの台座の使用状態を説明するための図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態である実施例１〜実施例３について説明する。
［第１実施例］
（構成）
図１（ａ）は第１実施例の物質捕集装置Ａの側面図、（ｂ）は平面図であり、図２は物質捕集装置Ａに流路２を形成する方法を示す図、図３は流路２の構造を説明するための図である。
図１に示す物質捕集装置Ａは、流路２を形成したガラス板（１０×２０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）１に、カバーガラス３を重ねて形成した。このガラス板１が本発明の流路基板に相当し、カバーガラス３が本発明の板に相当する。
流路２は、図２に示すようにして作製した。まず、ガラス板１の長手方向片側端部の裏面側に厚さ５００μｍのＳｉウエハを敷き、ガラス板１を水平面に対して傾斜させた状態で固定した。このとき、ガラス板１は約１．４３°（＝Ｔａｎ（０．５／２０））の傾斜勾配で固定されていることになる。この後、ダイシングソーを用いて、Ｓｉウエハを敷いた側から３００μｍの切り込み量でガラスの長手方向へ幅１００μｍの直線の溝を形成した。これにより、ガラス板１表面に、底面が流路方向に沿って約１．４３°傾斜した直線溝状の流路２が約１２ｍｍの長さで形成される。

カバーガラス３には、市販のカバーガラス（８×１２ｍｍ、厚さ０．１２〜０．１７ｍｍ）を用い、流路２の流路終端２ａ（流路２の底が浅くなる方の端部）から上流側に０．２ｍｍの位置で固定した。流路２底面の傾斜が約１．４３°の場合、流路２の深さと流路終端２ａからの距離とは表１に示す関係にある。このため、流路２の底面とカバーガラス３の下流側端部間のギャップＧは、約５μｍ（＝０．２×（Ｔａｎ１．４３°））となる（図３参照）。また、このカバーガラス３には、流路方向に沿って所定間隔（例えば、１．５ｍｍ間隔）で目盛線ｍ_１〜ｍ_５を付した。

流路始端２ｂ側へ、サンプル溶液を導入するためのチューブ５（外径約３００μｍ）を固定し、サンプル溶液が漏れない様、チューブ５の周辺をＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）でシールした。また、ガラス板１上の流路終端２ａ側に、流路終端２ａをＰＤＭＳにより作製した側壁４ａで取り囲み、廃液を回収する回収用チャンバ４を形成した。

（作用及び効果）
次に、上記構成の物質捕集装置Ａの使用方法や作用効果について説明する。
物質捕集装置Ａの使用時には、流路始端２ｂからポンプによってサンプル溶液を流路２に送り出す。流路２の途中、カバーガラス３の固定部分では、サンプル溶液中の物質のうち、カバーガラス３と流路２の底面間のギャップＧと略同径の物質が挟まれ、捕集される。ギャップＧの大きさは、流路２の深さに相当し、流路２底面の傾斜により下流側に向かうに従って小さくなっているため、サイズの小さな物質ほど下流側で捕集されることとなり、表１に示すように流路方向の位置と捕集物質のサイズが相関する。したがって、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように種々のサイズの物質を流した場合には、捕集物質ｓがそのサイズに応じて流路方向に分布し、その物質のサイズは、流路方向に沿って所定間隔に付されたカバーガラス３の目盛線によって知ることができる。例えば、表１に示す関係にある場合、流路終端２ａから３．２ｍｍの位置に付された目盛線ｍ_２付近にある物質は、外径が８０μｍ前後であることが確認できる。

サンプル溶液を流し終わった後は、ガラス板１やカバーガラス３が透明部材であるので、ガラス板１にカバーガラス３を被せたまま目的のサイズの物質を顕微鏡で観察することもできるし、捕集物質ｓの中から目的のサイズの物質ｓを取り出してもよい。目的の物質ｓを取り出す場合には、ポンプからの送液を停止し、カバーガラス３を取り外す。このとき、ガラス板１とカバーガラス３の間に残った溶液を下流側からスポイトなどで吸い取り、除去した後に、カバーガラス３を取り外すと、取り外し時に下流側の捕集物質ｓが上流側に流れ出したりするのを防止でき、捕集時の状態を保存したまま、目的の物質を取り出すことができる。また、ガラス板１を裏返すなどして残液を除去すると、図１（ｃ）に示すように捕集時の状態を維持して、目盛線ｍが付されたカバーガラス３の側に捕集物質ｓを取り出すことができるので、サイズを正確に特定した状態で取り出すことができる。

なお、ギャップＧよりも外径が小さな物質は、流路終端２ａまで流されて、回収用チャンバ４内に回収される。
以上のように、カバーガラス３の流路方向に沿って流路方向の位置に応じた目盛線を付すことで、捕集物質のサイズを特定できるので、種々の物質の混合溶液をサイズ分級したり、目的の物質のサイズを特定したり、目的サイズの物質を分離したりすることができる。物質のサイズに直接相関するのはギャップの大きさであるが、このように、流路方向に沿って目盛を付す方が、流路基板を水平に配置するので見やすく、また、ギャップの大きさよりも捕集空間の流路方向の長さの方が大きいので、サイズを判別する精度が高くなる。

なお、第１実施例では、流路方向に沿って所定間隔で目盛線ｍ_１〜ｍ_５を付したが、これに限らず、例えば、目的の物質のサイズに応じた流路方向位置にのみ目盛線を付してもよい。また、第１実施例では、目盛線を付しているだけだが、目盛線と併せて、当該目盛線の位置により特定される物質の外径サイズの数値を付したりしてもよい。

［第２実施例］
次に、第２実施例について説明する。
図４に、第２実施例の物質捕集装置Ａを示す（図４（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）の物質捕集装置Ａのカバーガラス３を上流側へスライドさせた場合の平面図である）。第２実施例の物質捕集装置Ａは、第１実施例とほぼ同様の構成であるが、本発明の駆動装置である圧電素子をカバーガラス３に接続し、カバーガラス３を流路方向に沿ってスライド可能にした点が異なっている。以下、この異なる点を中心に説明し、その他の部分は説明を省略する。

図４の物質捕集装置Ａでは、ガラス板１の板厚方向に突出するリブ６が、当該ガラス板１の表面側の周囲に沿って形成されている。なお、リブ６は、ガラス板１の短手方向の一端側であって、流路２の上流側では未形成となっている。また、反対の端部側に形成され部分は、流路終端２ａから流出する溶液の回収用チャンバ４を形成する。カバーガラス３は、上記のように圧電素子に接続された状態でガラス板１の表面に重ねられており、リブ６に案内され、流路方向に沿ってスライド可能になっている。リブ６は、本発明の案内部に相当し、例えば、樹脂材料、金属材料やガラスで形成できる。リブ６と圧電素子によって本発明のスライド機構が構成されている。なお、流路２の構造や形成方法、ガラス板１及びカバーガラス３の材質や大きさ、カバーガラス３に所定間隔の目盛線が付されている点等は、第１実施例と同じである。

次に、上記構成の物質捕集装置Ａの使用方法や作用効果について説明する。
物質捕集装置Ａの使用時には、カバーガラス３を駆動して、目的物質のサイズに応じ当該物質を捕集できる位置にカバーガラス３の位置を設定する。つまり、第２実施例では、カバーガラス３の位置を変更することで、１つの物質捕集装置Ａで種々のサイズの物質の捕集に対応できる。カバーガラス３の位置を設定したら、サンプル溶液をポンプで送り出す。これにより、第１実施例と同様に、ギャップとほぼ同径の物質ｓが、カバーガラス３と流路２の底面との間に捕集される（図４（ａ）参照）。捕集物質ｓのサイズは、カバーガラス３に付された目盛線ｍ_１〜ｍ_５によって確認できる。なお、第２実施例では、カバーガラス３の位置を調整することで、流路終端２ａからの位置が変わるので、カバーガラス３の調整後に流路終端２ａからの位置を確認しておく必要がある。

サンプル溶液を流し終わった後は、ガラス板１やカバーガラス３が透明部材であるので、ガラス板１にカバーガラス３を被せたまま目的のサイズの物質を顕微鏡で観察することもできるし、捕集物質ｓの中から目的のサイズの物質ｓを取り出してもよい。
目的の物質ｓを取り出す場合には、ポンプからの送液を停止し、圧電素子で駆動し、目的の捕集物質ｓを解放する位置までカバーガラス３をスライドさせる。これを図４（ｂ）により具体的に説明する。図４（ｂ）は、あらかじめサイズが特定された目的物質をサンプル溶液から捕集する例である。この場合、サンプル溶液を流す前に、目的物質ｓ１（図中の黒塗りの丸）がカバーガラス３の下流側端部付近で捕集されるようにカバーガラス３の位置を設定する。サンプル溶液を流し終わった後、捕集された目的物質ｓ１を解放する位置までカバーガラス３をスライドさせ、そのままの状態でポンプから再び送液すると、解放した部分の目的物質ｓ１のみが回収用チャンバ４に送り出される。これにより、回収用チャンバ４から目的物質ｓ１を回収できる。なお、上流側からポンプで送液する代わりに、スポイトやポンプでなどで下流側から溶液を吸引し、目的物質ｓ１を回収してもよい。

以上のように、カバーガラス３を流路方向に沿ってスライド可能にすることで、種々のサイズの物質を捕集でき、さらに、捕集した物質の中から目的のサイズの物質を容易に回収できる。
なお、第２実施例では、捕集物質ｓ１のみを回収する場合について説明したが、上記操作を繰り返せば、サイズの小さなものから大きなものへ捕集物質ｓ２〜ｓ４を順次回収することができる。
また、カバーガラスのスライド方法としては、圧電素子に限らず、目的物質のサイズ（スライド距離）に応じた方法（アクチュエータ）が利用できる。

［第３実施例］
次に、第３実施例について説明する。
図５に、第３実施例の物質捕集装置Ａを示す（図５（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）の物質捕集装置Ａのカバーガラス３を上流側へスライドさせた場合の平面図、（ｃ）はカバーガラス３を取り外した状態の平面図である。）。第３実施例の物質捕集装置Ａは、目盛線ｍ_１〜ｍ_５をカバーガラス３でなく、ガラス板１の方に付した点が第２実施例と異なっている。この目盛線ｍ_１〜ｍ_５は、印刷やエッチングなどの方法でガラス板１の裏面側に、流路終端２ａから所定距離に付されている。この目盛線ｍ_１〜ｍ_５は、ガラス板１及びカバーガラス３が透明であるので、表側からでも確認できる。なお、その他の部分は第２実施例と同様であるので説明を省略する。

以上のように、目盛線ｍ_１〜ｍ_５をガラス板１側に付すと、サンプル溶液を流し終わった後、カバーガラス３をスライドさせても目盛線ｍ_１〜ｍ_５が移動しないので、目的のサイズを正確に把握して、捕集物質ｓ１を回収できる（図５（ｂ）参照）。
なお、流路２に残った溶液を下流側からスポイトなどで吸い取り、除去すれば、図５（ｃ）に示すようにカバーガラス３を完全に取り外してもサイズ分級した状態を維持できるので、この状態から目的物質を回収してもよい。
また、図６に示すように、目盛線が付された台座７をガラス板１の下に敷いて、サイズの判定を行ったりしてもよい。

１ガラス板
２流路
２ａ流路終端
２ｂ流路始端
３カバーガラス
４回収用チャンバ
４ａ側壁
５チューブ
６リブ
Ａ物質捕集装置
Ｇギャップ
ｍ目盛線

Claims

表面に沿って延びる凹状の流路を形成した流路基板と、
前記流路基板に重ねられ、前記流路の流路方向の一部を覆う板と、を備え、
前記流路は下流側に向かうに従って浅くなっており、前記板と前記流路の底面との間に前記流路中を流れる物質の捕集空間を形成する物質分級装置であって、
前記流路基板及び前記板のうち少なくとも前記板が透明部材であるとともに、
前記流路が下流側へ向かって連続的に且つ前記流路の底面が一定の傾斜角を有して傾斜しており、
流路方向に沿って付され、前記物質が捕集される流路方向の位置に対応して当該物質のサイズを特定可能な目盛を備えることを特徴とする物質分級装置。
前記板は流路方向に沿ってスライド可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の物質分級装置。
前記物質のサイズに応じて、捕集位置を表示することを特徴とする請求項１又は２に記載の物質分級装置。
前記透明材料が、ガラスであることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の物質分級装置。
前記流路は、底面が前記流路基板の基板面に対し傾斜面として形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の物質分級装置。
前記目盛は、前記流路の下流側端部を基準とした流路方向の任意の位置に付されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の物質分級装置。
前記目盛を、前記板又は前記流路基板に付したことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の物質分級装置。
前記板を流路方向に沿ってスライド可能にするスライド機構を備えることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の物質分級装置。
前記スライド機構は、前記流路方向に沿って前記板を駆動する駆動装置を備えることを特徴とする請求項８に記載の物質分級装置。
前記スライド機構は、前記流路方向に沿って前記板を案内する案内部を備えることを特徴とする請求項８に記載の物質分級装置。
前記流路基板はガラスであることを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか一項に記載の物質分級装置。
表面に沿って延びる凹状の流路を形成した流路基板と、
前記流路基板に重ねられ、前記流路の流路方向の一部を覆う板と、を備え、
前記流路は下流側に向かうに従って浅くなっており、前記板と前記流路の底面との間に前記流路中を流れる物質の捕集空間を形成する物質分級装置を用いた物質分級方法であって、
前記流路基板及び前記板のうち少なくとも前記板が透明部材であるとともに、
前記流路が下流側へ向かって連続的に且つ前記流路の底面が一定の傾斜角を有して傾斜しており、
前記物質が捕集された流路方向の位置に基づいて、その捕集された物質のサイズを特定することを特徴とする物質分級方法。
前記捕集空間に物質を捕集後、捕集された目的の物質を解放する位置まで前記板を上流側にスライドさせて、前記目的の物質を回収することを特徴とする請求項１２に記載の物質分級方法。