Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7653198B2 - Sample Measurement Device - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7653198B2 - Sample Measurement Device - Google Patents

Sample Measurement Device Download PDF

Info

Publication number
JP7653198B2
JP7653198B2 JP2024128656A JP2024128656A JP7653198B2 JP 7653198 B2 JP7653198 B2 JP 7653198B2 JP 2024128656 A JP2024128656 A JP 2024128656A JP 2024128656 A JP2024128656 A JP 2024128656A JP 7653198 B2 JP7653198 B2 JP 7653198B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
microchannel
measured
measurement device
sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2024128656A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2025024687A (en
Inventor
貴富喜 山本
まあみ 坂本
宏輔 堀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Institute of Technology NUC
Institute of Science Tokyo
Original Assignee
Tokyo Institute of Technology NUC
Institute of Science Tokyo
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Institute of Technology NUC, Institute of Science Tokyo filed Critical Tokyo Institute of Technology NUC
Publication of JP2025024687A publication Critical patent/JP2025024687A/en
Priority to JP2025037284A priority Critical patent/JP2025087871A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7653198B2 publication Critical patent/JP7653198B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Description

特許法第30条第2項適用 令和6年4月10日東京医科歯科大学において開催された東京工業大学・東京医科歯科大学マッチングファンド研究成果発表・研究交流会にて発表 Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act. Presented at the Tokyo Institute of Technology/Tokyo Medical and Dental University Matching Fund Research Results Presentation and Research Exchange Meeting held at Tokyo Medical and Dental University on April 10, 2024.

特許法第30条第2項適用 令和6年4月10日東京医科歯科大学において開催された東京工業大学・東京医科歯科大学マッチングファンド研究成果発表・研究交流会にてポスター発表Patent Law Article 30, Paragraph 2 applied Poster presentation at the Tokyo Institute of Technology/Tokyo Medical and Dental University Matching Fund Research Results Presentation and Research Exchange Meeting held at Tokyo Medical and Dental University on April 10, 2024

特許法第30条第2項適用 令和5年6月29日国立京都国際会館において開催されたTransducers2023にて発表Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act Announced at Transducers 2023 held at the National Kyoto International Conference Center on June 29, 2023

特許法第30条第2項適用 令和4年11月7日にhttps://shunkosha1.sakura.ne.jp/mnm2022/にて公開された第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演予稿集において、「流路型ナノポアを用いた交流ナノポア法による単一ナノ粒子の周波数特性評価」について発表Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applied. "Evaluation of frequency characteristics of single nanoparticles by AC nanopore method using flow-type nanopore" was announced in the proceedings of the 13th Micro-Nano Engineering Symposium, published on November 7, 2022 at https://shunkosha1.sakura.ne.jp/mnm2022/.

特許法第30条第2項適用 令和4年11月15日アスティとくしまにおいて開催された第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウムにおいて、「流路型ナノポアを用いた交流ナノポア法による単一ナノ粒子の周波数特性評価」について発表Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applied. November 15, 2022: At the 13th Micro-Nano Engineering Symposium held at Asti Tokushima, a presentation was made on "Evaluation of frequency characteristics of single nanoparticles by AC nanopore method using flow-type nanopores."

特許法第30条第2項適用 令和4年11月7日にhttps://shunkosha1.sakura.ne.jp/mnm2022/にて公開された第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演予稿集において、「ACナノポア法の広帯域化に向けたナノポア構造の検討」について発表Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. A paper titled "Study on nanopore structure for broadband AC nanopore method" was published in the proceedings of the 13th Micro-Nano Engineering Symposium, published on November 7, 2022 at https://shunkosha1.sakura.ne.jp/mnm2022/.

特許法第30条第2項適用 令和4年11月15日アスティとくしまにおいて開催された第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウムにおいて、「ACナノポア法の広帯域化に向けたナノポア構造の検討」について発表Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applied. November 15, 2022: At the 13th Micro-Nano Engineering Symposium held at Asti Tokushima, a presentation was made on "Study of nanopore structure for broadband AC nanopore method."

本発明はサンプル測定装置に関し、特に微小な測定対象物を測定可能なサンプル測定装置に関する。 The present invention relates to a sample measurement device, and in particular to a sample measurement device capable of measuring minute measurement objects.

ウイルス、細菌、微生物、又はウイロイド(以下、単にウイルス等ともいう)の検出方法としては、ポリメラーゼチェーンリアクション(PCR)法や、イムノクロマト法などが知られている。一方、別の検出方法として、電気的計測によるウイルス等のセンシング方法が検討されている。電気的計測法は、一例として、検知対象のウイルス等を水に分散し、当該ウイルス等を粒子として電気的に検出する手法などが挙げられる。感染症等の予防や拡散防止などの観点から、室内、畜舎、野外などの環境中のウイルス等の検出が求められている。このような環境中のセンシングにおいては上記電気的計測法が適している(例えば特許文献1~2)。 As detection methods for viruses, bacteria, microorganisms, or viroids (hereinafter simply referred to as viruses, etc.), the polymerase chain reaction (PCR) method, immunochromatography, etc. are known. Meanwhile, as another detection method, a method of sensing viruses, etc. using electrical measurement is being considered. One example of the electrical measurement method is a technique in which the virus, etc. to be detected is dispersed in water and the virus, etc. is electrically detected as particles. From the viewpoint of preventing infectious diseases and the like and preventing their spread, there is a demand for detection of viruses, etc. in environments such as indoors, livestock barns, and outdoors. The above-mentioned electrical measurement method is suitable for sensing in such environments (for example, Patent Documents 1 and 2).

特開2020-202824号公報JP 2020-202824 A 特開2020-098211号公報JP 2020-098211 A

上述のように、感染症等の予防や拡散防止などの観点から環境中のウイルス、細菌、微生物、又はウイロイド等の微小な測定対象物を迅速かつ正確に特定する技術が必要とされている。このような課題に鑑み本発明の目的は、微小な測定対象物を迅速かつ正確に特定することが可能なサンプル測定装置を提供することである。 As described above, there is a need for technology that can quickly and accurately identify minute measurement objects such as viruses, bacteria, microorganisms, or viroids in the environment from the perspective of preventing and spreading infectious diseases. In view of this problem, the object of the present invention is to provide a sample measurement device that can quickly and accurately identify minute measurement objects.

本発明の一態様にかかるサンプル測定装置は、溶媒に分散された測定対象物を含むサンプル溶液が流れる微小流路と、前記微小流路の一方に配置され、前記サンプル溶液を前記微小流路に導入する導入部と、前記微小流路の他方に配置され、前記微小流路から前記サンプル溶液が排出される排出部と、平面視した際に前記導入部と対応する位置に配置された第1電極と、平面視した際に前記排出部と対応する位置に配置された第2電極と、を備える流路デバイスと、前記第1電極および前記第2電極に交流電圧を印加し、前記測定対象物が前記微小流路を通過した際の前記測定対象物の交流特性に基づいて前記測定対象物を特定する測定部と、を備える。 A sample measurement device according to one aspect of the present invention includes a flow path device including a microchannel through which a sample solution containing a measurement object dispersed in a solvent flows, an inlet portion disposed on one side of the microchannel for introducing the sample solution into the microchannel, a outlet portion disposed on the other side of the microchannel for discharging the sample solution from the microchannel, a first electrode disposed at a position corresponding to the inlet portion when viewed in a plan view, and a second electrode disposed at a position corresponding to the outlet portion when viewed in a plan view, and a measurement portion that applies an AC voltage to the first electrode and the second electrode and identifies the measurement object based on the AC characteristics of the measurement object when the measurement object passes through the microchannel.

本発明により、微小な測定対象物を迅速かつ正確に特定することが可能なサンプル測定装置を提供することができる。 The present invention provides a sample measurement device that can quickly and accurately identify minute measurement objects.

実施の形態にかかるサンプル測定装置を説明するための断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a sample measuring device according to an embodiment. 実施の形態にかかるサンプル測定装置を説明するための断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a sample measuring device according to an embodiment. 実施の形態にかかるサンプル測定装置の流路デバイスを説明するための分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view for explaining a flow path device of the sample measurement device according to the embodiment. 実施の形態にかかるサンプル測定装置で測定した交流特性を示すグラフである。1 is a graph showing AC characteristics measured by a sample measuring device according to an embodiment. 実施の形態にかかるサンプル測定装置の測定結果の一例を示すグラフである。4 is a graph showing an example of a measurement result of the sample measurement device according to the embodiment. 本発明の効果を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the effect of the present invention. 微小流路における電界の状態を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the state of an electric field in a microchannel. 本発明の効果を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the effect of the present invention. 実施の形態にかかるサンプル測定装置における機械学習を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining machine learning in the sample measurement device according to the embodiment. 実施の形態にかかるサンプル測定装置における機械学習を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining machine learning in the sample measurement device according to the embodiment. サンプル測定装置の測定結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the measurement results of a sample measuring device. サンプル測定装置の測定結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the measurement results of a sample measuring device. サンプル測定装置の測定結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the measurement results of a sample measuring device. サンプル測定装置の測定結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the measurement results of a sample measuring device. サンプル測定装置の測定結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the measurement results of a sample measuring device.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1、図2は、実施の形態にかかるサンプル測定装置を説明するための断面図である。図1、図2に示すように、本実施の形態にかかるサンプル測定装置1は、流路デバイス10および測定部30を備える。流路デバイス10は、導入部13、微小流路14、排出部15、第1電極23、及び第2電極24を備える。なお、図2は、図1に示すサンプル測定装置1に測定対象物42が導入された状態を示している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 are cross-sectional views for explaining a sample measurement device according to an embodiment. As shown in Fig. 1 and Fig. 2, the sample measurement device 1 according to the present embodiment includes a flow path device 10 and a measurement unit 30. The flow path device 10 includes an inlet unit 13, a minute flow path 14, an outlet unit 15, a first electrode 23, and a second electrode 24. Fig. 2 shows a state in which a measurement target 42 has been introduced into the sample measurement device 1 shown in Fig. 1.

図2に示すように、流路デバイス10は、溶媒41に分散された測定対象物42を含むサンプル溶液40が流れる微小流路14と、微小流路14の一方(上流側)に配置され、サンプル溶液40を微小流路14に導入する導入部13と、微小流路14の他方(下流側)に配置され、微小流路14からサンプル溶液40が排出される排出部15と、を備える。導入部13の上面には導入口16が設けられており、サンプル溶液40はこの導入口16から導入部13に導入される。排出部15の上面には排出口17が設けられており、サンプル溶液40はこの排出口17から外部に排出される。また、平面視した際に導入部13と対応する位置には、第1電極23が配置されている。平面視した際に排出部15と対応する位置には、第2電極24が配置されている。 2, the flow channel device 10 includes a microchannel 14 through which a sample solution 40 containing a measurement target 42 dispersed in a solvent 41 flows, an inlet 13 arranged on one side (upstream side) of the microchannel 14 to introduce the sample solution 40 into the microchannel 14, and an outlet 15 arranged on the other side (downstream side) of the microchannel 14 to discharge the sample solution 40 from the microchannel 14. An inlet 16 is provided on the upper surface of the inlet 13, and the sample solution 40 is introduced into the inlet 13 from the inlet 16. An outlet 17 is provided on the upper surface of the outlet 15, and the sample solution 40 is discharged to the outside from the outlet 17. A first electrode 23 is arranged at a position corresponding to the inlet 13 when viewed in a plane. A second electrode 24 is arranged at a position corresponding to the outlet 15 when viewed in a plane.

本実施の形態にかかるサンプル測定装置1は、ウイルス、細菌、微生物などの測定対象物42を特定するために用いられる装置である。なお、本実施の形態にかかるサンプル測定装置1は、溶媒41に分散可能な物体であれば、ウイルス、細菌、微生物以外の対象物も特定可能である。本実施の形態において、溶媒41にはイオン液体を用いることができる。また、本実施の形態では溶媒41としてイオン液体以外の液体(例えば、水溶液)を用いてもよい。 The sample measurement device 1 according to this embodiment is a device used to identify a measurement target 42 such as a virus, bacteria, or microorganism. The sample measurement device 1 according to this embodiment can also identify targets other than viruses, bacteria, and microorganisms, as long as the objects are dispersible in the solvent 41. In this embodiment, an ionic liquid can be used as the solvent 41. Also, in this embodiment, a liquid other than an ionic liquid (e.g., an aqueous solution) can be used as the solvent 41.

図3は、本実施の形態にかかるサンプル測定装置の流路デバイスを説明するための分解斜視図である。図3に示すように、流路デバイス10は、導入部13、微小流路14、及び排出部15が形成された流路チップ11と、基板22上に第1電極23と第2電極24とが形成された電極チップ21と、を備える。本実施の形態では、電極チップ21と流路チップ11とを貼り合わせることで流路デバイス10を構成している。なお、図3では流路チップ11が裏返っている状態を示している。 Figure 3 is an exploded perspective view for explaining the flow path device of the sample measurement apparatus according to this embodiment. As shown in Figure 3, the flow path device 10 includes a flow path chip 11 in which an inlet 13, a micro flow path 14, and an outlet 15 are formed, and an electrode chip 21 in which a first electrode 23 and a second electrode 24 are formed on a substrate 22. In this embodiment, the flow path device 10 is constructed by bonding the electrode chip 21 and the flow path chip 11 together. Note that Figure 3 shows the flow path chip 11 upside down.

流路チップ11は、シリコーンゴム12を用いて形成できる。具体的には、流路チップ11はシリコーンゴム12のマイクロモールディングを用いて作製できる。なお、マイクロモールディングにおける鋳型作製において、微小流路14はFIB-CVD(Focused-Ion-Beam Chemical-Vapor-Deposition)法を用いて作製し、導入部13および排出部15は、フォトレジストを用いて作製してもよい。また、フォトマスク上にフォトレジスト製の母型パターンを直接形成する背面露光法を用いて、マイクロモールディングにおける鋳型を作製してもよい。 The flow channel chip 11 can be formed using silicone rubber 12. Specifically, the flow channel chip 11 can be produced by micromolding the silicone rubber 12. In producing a mold for micromolding, the micro flow channel 14 can be produced using a focused ion beam chemical vapor deposition (FIB-CVD) method, and the inlet section 13 and outlet section 15 can be produced using photoresist. In addition, the mold for micromolding can be produced using a back exposure method in which a photoresist matrix pattern is directly formed on a photomask.

電極チップ21は、基板22上に第1電極23と第2電極24とを形成することで作製できる。例えば基板22には、PCB基板を使用できる。また、第1電極23および第2電極24の材料には、Au、Cu等を使用できる。 The electrode tip 21 can be produced by forming a first electrode 23 and a second electrode 24 on a substrate 22. For example, a PCB substrate can be used for the substrate 22. Furthermore, Au, Cu, etc. can be used as the material for the first electrode 23 and the second electrode 24.

流路チップ11と電極チップ21は、接着剤を用いて接着してもよい。また、流路チップ11はシリコーンゴム12を用いて形成しているので、シリコーンゴム12の接着性を利用して、流路チップ11と電極チップ21とを接着してもよい。 The flow path chip 11 and the electrode chip 21 may be bonded together using an adhesive. In addition, since the flow path chip 11 is formed using silicone rubber 12, the adhesive properties of the silicone rubber 12 may be utilized to bond the flow path chip 11 and the electrode chip 21 together.

一例を挙げると、図2に示す微小流路14のサンプル溶液40が流れる方向と垂直な断面の面積は、0.05μm以上100μm以下である。また、微小流路14の長さは、0.1μm以上100μm以下である。これらのサイズは、測定対象物42のサイズに応じて適宜変更することができる。 As an example, the cross-sectional area of the microchannel 14 shown in Fig. 2 perpendicular to the direction in which the sample solution 40 flows is 0.05 µm2 or more and 100 µm2 or less. The length of the microchannel 14 is 0.1 µm or more and 100 µm or less. These sizes can be changed appropriately depending on the size of the measurement target 42.

測定部30は、第1電極23および第2電極24にそれぞれ接続されている。そして測定部30は、第1電極23および第2電極24に交流電圧を印加し、測定対象物42が微小流路14を通過した際の測定対象物42の交流特性に基づいて測定対象物42を特定する。 The measurement unit 30 is connected to the first electrode 23 and the second electrode 24. The measurement unit 30 applies an AC voltage to the first electrode 23 and the second electrode 24, and identifies the object to be measured 42 based on the AC characteristics of the object to be measured 42 when the object to be measured 42 passes through the microchannel 14.

測定部30は、測定対象物42の交流特性を測定できる回路であればどのような回路を用いてもよい。測定部30は、数kHz以上数GHz以下、好ましくは1kHz以上100MHz以下、更に好ましくは1MHz以上10MHz以下の周波数の交流電圧を第1電極23および第2電極24に印加可能に構成されている。例えば、測定部30にロックインアンプを用いてもよい。 The measurement unit 30 may be any circuit capable of measuring the AC characteristics of the measurement object 42. The measurement unit 30 is configured to be capable of applying an AC voltage having a frequency of several kHz to several GHz, preferably 1 kHz to 100 MHz, and more preferably 1 MHz to 10 MHz, to the first electrode 23 and the second electrode 24. For example, a lock-in amplifier may be used for the measurement unit 30.

また、測定部30は、測定された交流特性を用いて合成インピーダンスと位相とを求め、当該求めた合成インピーダンスと位相とを用いて対象物を特定するように構成されている。本実施の形態では、合成インピーダンスと位相とを用いて、測定対象物42の抵抗成分、ゼータ電位、及び誘電率に対応するパラメータをそれぞれ求め、当該求めた抵抗成分、ゼータ電位、及び誘電率に対応するパラメータを用いて測定対象物42を特定してもよい。 The measurement unit 30 is also configured to determine the composite impedance and phase using the measured AC characteristics, and to identify the object using the determined composite impedance and phase. In this embodiment, the composite impedance and phase may be used to determine parameters corresponding to the resistance component, zeta potential, and dielectric constant of the object 42, respectively, and the object 42 may be identified using the determined parameters corresponding to the resistance component, zeta potential, and dielectric constant.

次に、本実施の形態にかかるサンプル測定装置1を用いて測定対象物42を特定する際の動作について説明する。 Next, we will explain the operation of identifying the measurement target 42 using the sample measurement device 1 according to this embodiment.

測定対象物42を特定する際は、まず、溶媒41に分散された測定対象物42を微小流路14に流す。次に、第1電極23および第2電極24に交流電圧を印加し、測定対象物42が微小流路14を通過した際の測定対象物42の交流特性を測定する。例えば、測定部30は、1kHz以上100MHz以下の周波数の交流電圧を第1電極23および第2電極24に印加する。なお、本実施の形態では、予め第1電極23および第2電極24に交流電圧を印加しておき、その後、溶媒41に分散された測定対象物42を微小流路14に流してもよい。 When identifying the object to be measured 42, first, the object to be measured 42 dispersed in the solvent 41 is caused to flow through the microchannel 14. Next, an AC voltage is applied to the first electrode 23 and the second electrode 24, and the AC characteristics of the object to be measured 42 are measured when the object to be measured 42 passes through the microchannel 14. For example, the measurement unit 30 applies an AC voltage having a frequency of 1 kHz to 100 MHz to the first electrode 23 and the second electrode 24. Note that in this embodiment, an AC voltage may be applied to the first electrode 23 and the second electrode 24 in advance, and then the object to be measured 42 dispersed in the solvent 41 may be caused to flow through the microchannel 14.

なお、本実施の形態では、測定部30が第1電極23と第2電極24との間に直流電圧を印可することで、正または負に帯電している測定対象物42を導入部13から微小流路14に導入するようにしてもよい。具体的には、測定対象物42が正に帯電している場合は、第1電極23を正極にし、第2電極24を負極にして、第1電極23と第2電極24との間に電気泳動用の直流電圧を印可することで、正に帯電している測定対象物42を導入部13から微小流路14に導入できる。測定対象物42が負に帯電している場合は、第1電極23を負極にし、第2電極24を正極にして、第1電極23と第2電極24との間に電気泳動用の直流電圧を印可することで、負に帯電している測定対象物42を導入部13から微小流路14に導入できる。このとき、測定部30は、測定用の交流電圧と電気泳動用の直流電圧とを第1電極23および第2電極24に重畳して印加してもよい。 In this embodiment, the measurement unit 30 may apply a DC voltage between the first electrode 23 and the second electrode 24 to introduce the positively or negatively charged measurement object 42 from the introduction unit 13 into the microchannel 14. Specifically, when the measurement object 42 is positively charged, the first electrode 23 is set to a positive electrode, the second electrode 24 is set to a negative electrode, and a DC voltage for electrophoresis is applied between the first electrode 23 and the second electrode 24, so that the positively charged measurement object 42 can be introduced from the introduction unit 13 into the microchannel 14. When the measurement object 42 is negatively charged, the first electrode 23 is set to a negative electrode, the second electrode 24 is set to a positive electrode, and a DC voltage for electrophoresis is applied between the first electrode 23 and the second electrode 24, so that the negatively charged measurement object 42 can be introduced from the introduction unit 13 into the microchannel 14. At this time, the measurement unit 30 may apply an AC voltage for measurement and a DC voltage for electrophoresis in a superimposed manner to the first electrode 23 and the second electrode 24.

このとき、第1電極23および第2電極24に印加する直流電圧の大きさや時間を調整することで、測定対象物42が微小流路14を通過する際の速度を調整できる。なお、本実施の形態では、微小流路14を同時に通過する測定対象物42の数は原則1つとする。このように第1電極23および第2電極24に印加する直流電圧を用いて、測定対象物42を微小流路14に導入した場合は、測定対象物42を微小流路14に導入する際の精度を向上させることができる。したがって、測定対象物42の検出精度を向上させることができる。 At this time, the speed at which the object to be measured 42 passes through the microchannel 14 can be adjusted by adjusting the magnitude and time of the DC voltage applied to the first electrode 23 and the second electrode 24. In this embodiment, the number of objects to be measured 42 that pass through the microchannel 14 at the same time is, in principle, one. When the object to be measured 42 is introduced into the microchannel 14 using the DC voltage applied to the first electrode 23 and the second electrode 24 in this manner, the accuracy of introducing the object to be measured 42 into the microchannel 14 can be improved. Therefore, the detection accuracy of the object to be measured 42 can be improved.

すなわち、導入部13を加圧してサンプル溶液40を微小流路14に移動させ、測定対象物42を微小流路14に移動させた場合は、サンプル溶液40中の測定対象物42の濃度が低い場合など、微小流路14を通過する測定対象物42の数が少ない場合は移動速度も制御できないので、測定精度が上がらないという問題があった。これに対して本実施の形態では、第1電極23および第2電極24に印加する直流電圧を用いて、測定対象物42を微小流路14に導入しているので、測定対象物42を微小流路14に導入する際の精度を向上させることができる。 In other words, when the introduction section 13 is pressurized to move the sample solution 40 into the microchannel 14 and move the measurement object 42 into the microchannel 14, if the number of measurement objects 42 passing through the microchannel 14 is small, such as when the concentration of the measurement object 42 in the sample solution 40 is low, the movement speed cannot be controlled, and there is a problem in that the measurement accuracy does not improve. In contrast, in this embodiment, the measurement object 42 is introduced into the microchannel 14 using a DC voltage applied to the first electrode 23 and the second electrode 24, so that the accuracy when introducing the measurement object 42 into the microchannel 14 can be improved.

また、本実施の形態では、第1電極23および第2電極24に印加する直流電圧の極性を切り替えることで、微小流路14を流れる測定対象物42を往復させることができる。これにより、測定対象物42の検出精度をより向上させることができる。 In addition, in this embodiment, the polarity of the DC voltage applied to the first electrode 23 and the second electrode 24 can be switched to move the measurement object 42 flowing through the microchannel 14 back and forth. This can further improve the detection accuracy of the measurement object 42.

また、本実施の形態では、測定対象物42を微小流路14に導入するための設備(外部ポンプ等)が不要になるので、装置構成を小型化できる。また、本実施の形態では、直流電圧で濃度分極を誘起しつつ、その状態を交流測定できるので、測定対象物42の表面電位をより精度よく測定できる。 In addition, in this embodiment, equipment (external pump, etc.) for introducing the measurement object 42 into the microchannel 14 is not required, so the device configuration can be made smaller. In addition, in this embodiment, concentration polarization can be induced with a DC voltage and the state can be measured with an AC voltage, so the surface potential of the measurement object 42 can be measured more accurately.

上述のようにして測定対象物42の交流特性を測定した後、測定された交流特性を用いて測定対象物42を特定する。具体的には、測定された交流特性を用いて合成インピーダンスと位相とを求め、当該求めた合成インピーダンスと位相とを用いて測定対象物42を特定する。 After measuring the AC characteristics of the measurement object 42 as described above, the measurement object 42 is identified using the measured AC characteristics. Specifically, the measured AC characteristics are used to determine the composite impedance and phase, and the measurement object 42 is identified using the determined composite impedance and phase.

本実施の形態では、合成インピーダンスと位相とを用いて、測定対象物42の抵抗成分、ゼータ電位、及び誘電率に対応するパラメータをそれぞれ求め、当該求めた抵抗成分、ゼータ電位、及び誘電率に対応するパラメータを用いて測定対象物42を特定してもよい。例えば、抵抗成分、ゼータ電位、及び誘電率の各々を軸とする3次元座標上に、測定対象物42の抵抗成分、ゼータ電位、及び誘電率に対応するパラメータをマッピングして測定対象物42を特定してもよい。ここで、抵抗成分に対応するパラメータは、測定対象物42の大きさに対応するパラメータである。ゼータ電位に対応するパラメータは、測定対象物42の表面電位に対応するパラメータである。誘電率に対応するパラメータは、測定対象物42の球殻構造や膜容量などの構造に対応するパラメータや測定対象物42の物質に対応するパラメータである。 In this embodiment, the synthetic impedance and phase are used to determine parameters corresponding to the resistance component, zeta potential, and dielectric constant of the object to be measured 42, respectively, and the object to be measured 42 may be identified using the parameters corresponding to the determined resistance component, zeta potential, and dielectric constant. For example, the object to be measured 42 may be identified by mapping the parameters corresponding to the resistance component, zeta potential, and dielectric constant of the object to be measured 42 on a three-dimensional coordinate system with the resistance component, zeta potential, and dielectric constant as its axes. Here, the parameter corresponding to the resistance component is a parameter corresponding to the size of the object to be measured 42. The parameter corresponding to the zeta potential is a parameter corresponding to the surface potential of the object to be measured 42. The parameter corresponding to the dielectric constant is a parameter corresponding to the structure of the object to be measured 42, such as a spherical shell structure or membrane capacitance, or a parameter corresponding to the material of the object to be measured 42.

測定対象物42によって、大きさ、表面電位、及び構造が異なるので、これらに対応するパラメータである抵抗成分、ゼータ電位、及び誘電率を求め、3次元座標上に、測定対象物42の抵抗成分、ゼータ電位、及び誘電率に対応するパラメータをマッピングすることで、測定対象物42を分類することができる。例えば、複数種類の測定対象物42の測定結果を3次元座標上にマッピングしてデータを蓄積することで、測定対象物42を特定する際の精度を向上させることができる。 Since the size, surface potential, and structure of each measurement object 42 are different, the parameters corresponding to these, namely, the resistance component, zeta potential, and dielectric constant, are calculated, and the parameters corresponding to the resistance component, zeta potential, and dielectric constant of the measurement object 42 are mapped onto three-dimensional coordinates, thereby classifying the measurement object 42. For example, by mapping the measurement results of multiple types of measurement objects 42 onto three-dimensional coordinates and accumulating the data, the accuracy of identifying the measurement object 42 can be improved.

また、本実施の形態では、ロックインアンプを用いて交流特性である同相成分と当該同相成分と位相がずれた位相成分とを抽出し、抽出された同相成分と位相成分とを用いて合成インピーダンスと位相とを求め、合成インピーダンスの時間変化と位相の時間変化とを用いて対象物を特定してもよい。 In addition, in this embodiment, a lock-in amplifier may be used to extract the in-phase component, which is an AC characteristic, and the phase component that is out of phase with the in-phase component, and the extracted in-phase component and phase component may be used to determine the composite impedance and phase, and the object may be identified using the time change in the composite impedance and the time change in the phase.

図4は、本実施の形態にかかるサンプル測定装置で測定した交流特性を示すグラフであり、ロックインアンプを用いて測定した交流特性を示している。つまり、図4は、電流と位相変化それぞれの時間応答波形である。図4中に示す拡大図を見ると、電流と位相の変化は同期しており、同じ測定対象物42に由来した波形であることがわかる。 Figure 4 is a graph showing AC characteristics measured by the sample measurement device according to this embodiment, and shows AC characteristics measured using a lock-in amplifier. In other words, Figure 4 shows the time response waveforms of the current and phase change. Looking at the enlarged view in Figure 4, it can be seen that the current and phase changes are synchronized and are waveforms originating from the same measurement object 42.

図5は、本実施の形態にかかるサンプル測定装置の測定結果の一例を示すグラフである。図5では、それぞれ直径1μmのポリスチレンビーズ、直径2μmのポリスチレンビーズ、及び大腸菌に対する電流変化値のヒストグラムを示している。図5の測定では流路デバイス10の微小流路14の幅、高さ、長さをそれぞれ3μm、4μm、30μmとした。また、第1電極23および第2電極24には、Auメッキを使用した。また、測定は、ロックインアンプを使用した。 Figure 5 is a graph showing an example of the measurement results of the sample measurement device according to this embodiment. Figure 5 shows histograms of current change values for polystyrene beads with a diameter of 1 μm, polystyrene beads with a diameter of 2 μm, and E. coli. In the measurement in Figure 5, the width, height, and length of the microchannel 14 of the flow channel device 10 were set to 3 μm, 4 μm, and 30 μm, respectively. Au plating was used for the first electrode 23 and the second electrode 24. A lock-in amplifier was used for the measurement.

図5に示すように、本実施の形態では、粒子サイズに応じた単峰性の分布が得られた。ここで図5中の横軸は電流値であり、測定対象物42の粒子径が大きいほど電流変化量も大きくなっていることから、測定対象物42の粒子径に応じた電流値変化が得られていることを示唆している。 As shown in FIG. 5, in this embodiment, a unimodal distribution according to particle size was obtained. Here, the horizontal axis in FIG. 5 is the current value, and the larger the particle diameter of the object to be measured 42, the larger the amount of change in current is, suggesting that a change in current value according to the particle diameter of the object to be measured 42 is obtained.

以上で説明したように、本実施の形態にかかる発明では、微小流路14と、サンプル溶液40を微小流路14に導入する導入部13と、微小流路14からサンプル溶液40が排出される排出部15と、導入部13と対応する位置に配置された第1電極23と、排出部15と対応する位置に配置された第2電極24と、を備える流路デバイス10を用いて、測定対象物42を測定している。よって、本発明により、微小な測定対象物を迅速かつ正確に特定することが可能なサンプル測定装置を提供することができる。 As described above, in the invention according to this embodiment, the measurement object 42 is measured using a flow path device 10 including a microchannel 14, an inlet 13 for introducing a sample solution 40 into the microchannel 14, an outlet 15 for discharging the sample solution 40 from the microchannel 14, a first electrode 23 arranged at a position corresponding to the inlet 13, and a second electrode 24 arranged at a position corresponding to the outlet 15. Thus, the present invention can provide a sample measurement device capable of quickly and accurately identifying a minute measurement object.

図6は、本発明の効果を説明するための図である。図6の左図に示すように、従来のナノポアの構成、すなわち、測定対象物が通過する穴を有する基板の上面および下面の各々に電極を設けた構成では、絶縁体である基板を2つの電極で挟んでいるので、流路デバイスの静電容量が大きくなる傾向にあった。つまり、流路デバイスの静電容量をC、基板の誘電率をε、基板の厚さをd、基板の面積をSとすると、デバイスの静電容量は、C=εS/dで表される。このため、従来のナノポアの構成では、図6の左図に示すように、dが小さくSが大きくなるため、流路デバイスの静電容量が大きくなる傾向にあった。これに対して本実施の形態にかかる流路デバイス(ストロー型ナノポア)では、図6の右図に示すように、dを大きくしつつ、Sを小さくできるため、流路デバイスの静電容量を小さくできる。 Figure 6 is a diagram for explaining the effect of the present invention. As shown in the left diagram of Figure 6, in the conventional nanopore configuration, that is, in the configuration in which electrodes are provided on each of the upper and lower surfaces of a substrate having a hole through which the measurement object passes, the substrate, which is an insulator, is sandwiched between two electrodes, so the capacitance of the flow path device tends to be large. In other words, if the capacitance of the flow path device is C, the dielectric constant of the substrate is ε, the thickness of the substrate is d, and the area of the substrate is S, the capacitance of the device is expressed as C = εS/d. Therefore, in the conventional nanopore configuration, as shown in the left diagram of Figure 6, d is small and S is large, so the capacitance of the flow path device tends to be large. In contrast, in the flow path device (straw-type nanopore) of this embodiment, as shown in the right diagram of Figure 6, d can be made large while S can be made small, so the capacitance of the flow path device can be reduced.

図7は、微小流路における電界の状態を説明するための上面図である。図7の左図は従来のナノポアの電界の状態を示しており、右図は本実施の形態のストロー型ナノポアの電界の状態を示している。図7の左図に示すように、従来のナノポアでは、測定対象物が通過する穴のみに電界が集中していた。これに対して本実施の形態では、平面視した際に、第1電極23と第2電極24とで微小流路14を挟むような構成としている。よって、図7に示すように、第1電極23および第2電極24に交流電圧を印加した際に、微小流路14付近に電界を集中させることができるので、測定対象物42の検出精度を向上させることができる。 Figure 7 is a top view for explaining the state of the electric field in the microchannel. The left diagram of Figure 7 shows the state of the electric field in a conventional nanopore, and the right diagram shows the state of the electric field in the straw-shaped nanopore of this embodiment. As shown in the left diagram of Figure 7, in a conventional nanopore, the electric field was concentrated only in the hole through which the object to be measured passed. In contrast, in this embodiment, when viewed in a plane, the first electrode 23 and the second electrode 24 sandwich the microchannel 14. Therefore, as shown in Figure 7, when an AC voltage is applied to the first electrode 23 and the second electrode 24, the electric field can be concentrated near the microchannel 14, thereby improving the detection accuracy of the object to be measured 42.

本実施の形態では、上述したように流路デバイスの静電容量を小さくできるので、図8に示すように、カットオフ周波数を従来の400倍(2MHz)とすることができる。よって、測定対象物の検出精度を向上させることができる。 In this embodiment, the capacitance of the flow path device can be reduced as described above, so that the cutoff frequency can be increased by 400 times (2 MHz) compared to the conventional frequency, as shown in FIG. 8. This improves the detection accuracy of the object to be measured.

また、本実施の形態では、測定部30は、測定された交流特性と測定対象物42の情報とを教師データとして用い、測定された交流特性に基づいて測定対象物42を予測する予測モデルを機械学習により生成する予測モデル生成部を更に備えてもよい。 In addition, in this embodiment, the measurement unit 30 may further include a prediction model generation unit that uses the measured AC characteristics and information on the measurement object 42 as teacher data and generates a prediction model by machine learning that predicts the measurement object 42 based on the measured AC characteristics.

予測モデル生成部は、交流特性である同相成分と当該同相成分と位相がずれた位相成分とを抽出し、抽出された同相成分と位相成分とを用いて合成インピーダンスと位相とを求め、合成インピーダンスの時間変化の特徴量と位相の時間変化の特徴量とを用いて予測モデルを生成してもよい。 The prediction model generation unit may extract an in-phase component, which is an AC characteristic, and a phase component that is out of phase with the in-phase component, calculate a composite impedance and a phase using the extracted in-phase component and phase component, and generate a prediction model using a feature of the time change of the composite impedance and a feature of the time change of the phase.

予測モデル生成部は、ニューラルネットワークを用いた機械学習により予測モデルを生成してもよい。例えば、予測モデル生成部は、CNN(Convolution Neural Network)やLSTM(Long Short Term Memory)を用いた機械学習により予測モデルを生成してもよい。 The prediction model generation unit may generate the prediction model by machine learning using a neural network. For example, the prediction model generation unit may generate the prediction model by machine learning using a convolution neural network (CNN) or a long short term memory (LSTM).

以下、機械学習について詳細に説明する。
本願発明者らは、バクテリア由来の個々の測定波形から菌種を分類するに当たって、より高い精度を得るためにニューラルネットワークを利用した測定部30(分類器)の開発に取り組んだ。その結果、図9に示すような特徴量を抽出の上、図10に示すニューラルネットワークを利用した分類アルゴリズムの構築を行った。すなわち、図9に示すスパイク(波形)において、特徴量としてスパイクの高さh、及びスパイクの幅t(n=0、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90)を抽出し、1つのスパイク当たり合計12の特徴量を抽出した。ここで、nの値は、ベースラインを0%、スパイクの底を100%としたときの深さ(%)に対応しており、各々の深さにおけるスパイクの幅tを特徴量として抽出している。
Machine learning will be explained in detail below.
The present inventors have been working on the development of a measurement unit 30 (classifier) using a neural network to obtain higher accuracy in classifying bacterial species from individual measurement waveforms derived from bacteria. As a result, feature quantities as shown in FIG. 9 were extracted, and a classification algorithm using a neural network as shown in FIG. 10 was constructed. That is, in the spike (waveform) shown in FIG. 9, the spike height h and the spike width t n (n=0, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90) were extracted as feature quantities, and a total of 12 feature quantities were extracted per spike. Here, the value of n corresponds to the depth (%) when the baseline is 0% and the bottom of the spike is 100%, and the spike width t n at each depth is extracted as a feature quantity.

そして抽出した特徴量を用いて予測モデルを生成した。このとき、図10に示すようなニューラルネットワークを利用した。上述した本実施の形態にかかるサンプル測定装置と、機械学習とを組み合わせて利用することで、最高精度が97.6%のサンプル測定装置を構築することができた。 The extracted features were then used to generate a prediction model. A neural network like that shown in FIG. 10 was used for this purpose. By combining the sample measurement device according to the present embodiment described above with machine learning, it was possible to build a sample measurement device with a maximum accuracy of 97.6%.

以下、実施例について説明する。
<実験方法>
細菌サンプルとして以下のものを準備した。
測定溶媒としてリン酸緩衝生理食塩水(PBS; 17-516Q, Lonza, Morrisville, NC,USA)を、抗吸着剤として0.01%人工リン脂質型界面活性剤(リピジュイドBL206, NOFコーポレーション)を使用した。また、ヒト感染性細菌から下記の6つの細菌を用いた。
(1)S.enterica (Se, NBRC 3313)
(2)V. parahaemolyticus (Vp, NBRC12711)
(3)P. vulgaris (Pv, NBRC 3045)
(4)K. pneumoniae (Kp,NBRC 13277)
(5)M. intracellulare (Mi, distributed by Kobe City Institute of Environmental Health)
(6)M. mesophilicum (Mm, NBRC 15688)
Examples will be described below.
<Experimental Method>
The following bacterial samples were prepared:
Phosphate-buffered saline (PBS; 17-516Q, Lonza, Morrisville, NC, USA) was used as the measurement solvent, and 0.01% artificial phospholipid surfactant (Lipidoid BL206, NOF Corporation) was used as the anti-adsorption agent. The following six human infectious bacteria were used:
(1) S.enterica (Se, NBRC 3313)
(2) V. parahaemolyticus (Vp, NBRC12711)
(3) P. vulgaris (Pv, NBRC 3045)
(4) K. pneumoniae (Kp,NBRC 13277)
(5) M. intracellulare (Mi, distributed by Kobe City Institute of Environmental Health)
(6) M. mesophilicum (Mm, NBRC 15688)

M. intracellulareは「7H11寒天培地」で培養し、残りは「標準寒天培地」で培養した。各細菌培養の一つのコロニーを測定溶液の300pLに分散し、約10秒間ボルテックスした直後に測定に使用した。 M. intracellulare was cultured on "7H11 agar medium," and the rest were cultured on "standard agar medium." One colony from each bacterial culture was dispersed in 300 pL of the measurement solution and used for the measurement immediately after vortexing for about 10 seconds.

(ACナノ細孔測定法)
図6左図の従来のナノポアにおける微小流路及び本願発明における微小流路を、以下ではナノ細孔とも称する。本実験では、これらのナノ細孔を用いて測定を行った。ここでは、上述したようなナノ細孔を用いてサンプルの交流特性を測定する方法を、ACナノ細孔測定法と称する。測定には、ロックインアンプを用いた。ロックインアンプは、ノイズバックグラウンドから基準信号と同じ周波数の信号成分のみを抽出し、電流の大きさと位相を測定する。ACナノ細孔測定法では、単一粒子に対してスパイク状の下降電流と上昇位相変化が同期的に観測される。つまり、図4と同様の波形が得られる。電流の大きさは粒子の体積に比例し、細菌のサイズを決定するために用いた。さらに、これらの電流と位相スパイク波形のセットを、細菌を分類するための機械学習の特徴として用いた。
(AC Nanopore Measurement Method)
The microchannel in the conventional nanopore in the left diagram of FIG. 6 and the microchannel in the present invention are also referred to as nanopores below. In this experiment, measurements were performed using these nanopores. Here, the method of measuring the AC characteristics of a sample using the nanopores described above is referred to as AC nanopore measurement. A lock-in amplifier was used for the measurements. The lock-in amplifier extracts only the signal components with the same frequency as the reference signal from the noise background and measures the magnitude and phase of the current. In the AC nanopore measurement method, a spike-like descending current and an ascending phase change are observed synchronously for a single particle. In other words, a waveform similar to that in FIG. 4 is obtained. The magnitude of the current is proportional to the volume of the particle and was used to determine the size of the bacteria. Furthermore, a set of these current and phase spike waveforms was used as a machine learning feature for classifying bacteria.

(ナノ細孔)
本実験にかかるACナノ細孔測定法においては、市販のナノ細孔(NP2000, Izon Science Ltd.:以下、Izonナノ細孔と記載する)および本願発明にかかるストロー型ナノ細孔(図1参照)を用いた。ストロー型ナノ細孔の微小流路の断面形状は、3×3μmとし、長さを30μmとした。
(Nanopores)
In the AC nanopore measurement method according to this experiment, a commercially available nanopore (NP2000, Izon Science Ltd., hereinafter referred to as Izon nanopore) and a straw-shaped nanopore according to the present invention (see FIG. 1) were used. The cross-sectional shape of the microchannel of the straw-shaped nanopore was 3×3 μm, and the length was 30 μm.

(測定方法)
Izonナノ細孔については、全ての実験で3mm(30Pa)の圧力ヘッドで細菌懸濁液を上部セルに添加し、静水圧で駆動した。ストロー型ナノ細孔については、50plを導入口に注入し、20plを排出口に注入し、その差で生じた圧力水頭で駆動した。印加電圧は、Izonナノ細孔については0.1V、ストロー型ナノ細孔については0.7Vとして測定した。すべての測定で最低500カウント測定を行った。
(Measurement method)
For the Izon nanopore, the bacterial suspension was added to the upper cell with a pressure head of 3 mm (30 Pa) in all experiments, and the nanopore was driven by hydrostatic pressure. For the straw-shaped nanopore, 50 pl was injected into the inlet and 20 pl into the outlet, and the nanopore was driven by the pressure head generated by the difference between them. The applied voltage was 0.1 V for the Izon nanopore and 0.7 V for the straw-shaped nanopore. A minimum of 500 counts were measured for all measurements.

<実験結果>
粒子(測定対象物)の通過に伴う電流の大きさの変化は粒子の体積に比例する。図11は、ストロー型ナノ細孔を用いてACナノ細孔測定法によって測定した細菌粒子の大きさの分布のヒストグラムである。図11において、横軸は電流の大きさを示し、縦軸は頻度を示している。ヒストグラムは、各粒子サイズについて少なくとも500個の粒子をカウントすることによって作成されたが、カウントの変動のため、各粒子についてカウントの合計が100%になるように縦軸を正規化した。図11に示すヒストグラムでは、各々の細菌サイズ(電流値)が重複分布しているため、サイズのみに基づいて評価すると細菌を分類することは困難であった。
<Experimental Results>
The change in the magnitude of the current accompanying the passage of a particle (measurement object) is proportional to the volume of the particle. FIG. 11 is a histogram of the size distribution of bacterial particles measured by AC nanopore measurement using a straw-shaped nanopore. In FIG. 11, the horizontal axis indicates the magnitude of the current, and the vertical axis indicates the frequency. The histogram was created by counting at least 500 particles for each particle size, but due to the variation in counts, the vertical axis was normalized so that the total count for each particle was 100%. In the histogram shown in FIG. 11, each bacterial size (current value) is distributed overlappingly, making it difficult to classify the bacteria when evaluated based only on size.

そこで、本願発明者らは、機械学習によって細菌を分類した。
まず、ACナノ細孔測定法によって得られた電流の大きさと位相のパルス波形を学習に用いた。機械学習では、電流の大きさと位相からなる波形セットにおける波形の数は、最初に均一にされた。次に、ピーク高さが100%に設定されたときの各波形のピーク高さと10%増加ごとの波形の幅について、学習効果が最も高い12の組み合わせを学習データとして使用した(図9参照)。CNNベースの分類のために、モデルは3つの層(1つの入力層、1つの中間層、および1つの出力層)で構築した。
Therefore, the inventors of the present application classified bacteria using machine learning.
First, the pulse waveforms of current magnitude and phase obtained by AC nanopore measurement were used for learning. In machine learning, the number of waveforms in the waveform set consisting of current magnitude and phase was first uniformed. Then, the 12 combinations with the highest learning effect for the peak height of each waveform when the peak height was set to 100% and the width of the waveform for every 10% increase were used as training data (see Figure 9). For CNN-based classification, the model was built with three layers (one input layer, one hidden layer, and one output layer).

Izonナノ細孔による測定結果にランダムフォレスト法及びCNN法を適用した場合の粒子の分類精度のマトリックス評価をそれぞれ図12、図13に示す。図12、図13において、(a)は電流の大きさのみ、(b)は位相のみ、(c)は電流の大きさと位相の分類結果を示している。図12、図13では、右下がり対角線上のマスの色が濃いほど、分類精度が高い。マトリックス内の数値は、分類された粒子の数である。 Figures 12 and 13 show matrix evaluations of particle classification accuracy when the Random Forest method and the CNN method are applied to the measurement results using the Izon nanopore. In Figures 12 and 13, (a) shows the classification results for current magnitude only, (b) shows the classification results for phase only, and (c) shows the classification results for current magnitude and phase. In Figures 12 and 13, the darker the color of the squares on the diagonal line sloping downward to the right, the higher the classification accuracy. The numbers in the matrix indicate the number of classified particles.

ランダムフォレスト法とCNN法とを比較すると、(a)に示すように、電流の大きさのみを使用した場合の分類精度は、ランダムフォレスト法では61.4%、CNN法では66.6%であった。(b)に示すように、位相のみを使用した場合の分類精度は、ランダムフォレスト法では57.2%、CNN法では70.7%であった。一方、(c)に示すように、電流の大きさと位相の両方を用いた場合の分類精度は、ランダムフォレスト法では66.5%、CNN法では78.3%であり、CNN法の方が高い分類精度を示した。 Comparing the random forest method and the CNN method, as shown in (a), the classification accuracy when only the magnitude of the current was used was 61.4% for the random forest method and 66.6% for the CNN method. As shown in (b), the classification accuracy when only the phase was used was 57.2% for the random forest method and 70.7% for the CNN method. On the other hand, as shown in (c), when both the magnitude and phase of the current were used, the classification accuracy was 66.5% for the random forest method and 78.3% for the CNN method, showing that the CNN method showed higher classification accuracy.

次に、ストロー型ナノ細孔での測定結果にCNN法を適用した場合の粒子の分類精度について検討する。図14は、ストロー型ナノ細孔での測定結果にCNN法を適用した場合の粒子の分類精度のマトリックス評価を示す図である。図14に示すように、ストロー型ナノ細孔による測定では、Izonナノ細孔による測定(図13)と比較して、全てのサンプルセットにおいて分類精度が高いことがわかった。電流の大きさと位相の両方を使用した場合(c)について比較すると、Izonナノ細孔(図13)の分類精度は78.3%であったのに対して、ストロー型ナノ細孔(図14)の分類精度は97.8%であり、ストロー型ナノ細孔では19%以上の高い分類精度を示した。これらの結果から、CNN法とストロー型ナノ細孔との組み合わせによって、細菌の分類精度を有意に改善できることがわかった。 Next, we will consider the classification accuracy of particles when the CNN method is applied to the measurement results using the straw-shaped nanopore. Figure 14 shows a matrix evaluation of the classification accuracy of particles when the CNN method is applied to the measurement results using the straw-shaped nanopore. As shown in Figure 14, the measurement using the straw-shaped nanopore showed higher classification accuracy in all sample sets compared to the measurement using the Izon nanopore (Figure 13). When comparing the case (c) using both the magnitude and phase of the current, the classification accuracy of the Izon nanopore (Figure 13) was 78.3%, while the classification accuracy of the straw-shaped nanopore (Figure 14) was 97.8%, showing a high classification accuracy of more than 19% for the straw-shaped nanopore. These results show that the combination of the CNN method and the straw-shaped nanopore can significantly improve the classification accuracy of bacteria.

上述では、測定対象となる粒子として細菌を用いた例について説明したが、より小さな粒子での分類精度を確認するため、ストロー型ナノ細孔を用いたACナノ細孔測定法においてウイルスを測定対象とした場合の実験結果について説明する。ここでは、以下の4つのウイルスを測定対象とした。
(A)Influenza Virus A型(H1N1)
(B)Influenza Virus A型(H3N2)
(C)Influenza Virus B型(Tokio/53/99系統)
(D)Respiratory Syncytial Virus
In the above, we have described an example in which bacteria were used as the particles to be measured, but in order to confirm the classification accuracy for smaller particles, we will explain the experimental results when viruses were used as the measurement objects in the AC nanopore measurement method using a straw-shaped nanopore. Here, the following four viruses were used as the measurement objects.
(A) Influenza Virus type A (H1N1)
(B) Influenza Virus type A (H3N2)
(C) Influenza Virus type B (Tokio/53/99 strain)
(D) Respiratory Syncytial Virus

これらのウイルスについて、電流の大きさ及び位相の測定結果にCNN法を適用して粒子を分類したときの分類精度を評価した。図15は、ストロー型ナノ細孔でのウイルスについての電流の大きさ及び位相の測定結果にCNN法を適用した場合の粒子の分類精度のマトリックス評価を示す図である。図15のマトリックス内の数値は、粒子の分類の正解率である。図15に示すように、Influenza Virus A型(H1N1)で0.94、Influenza Virus A型(H3N2)で1.00、Influenza Virus B型(Tokio/53/99系統)で0.95、Respiratory Syncytial Virusで0.86と、高い分類精度が示された。全体での分類精度は96.52%であり、概ね細菌の場合(97.8%、図14)と同等の分類精度を発揮できることが確認できた。 For these viruses, the classification accuracy was evaluated when the CNN method was applied to the measurement results of the magnitude and phase of the current to classify the particles. Figure 15 shows a matrix evaluation of the classification accuracy of particles when the CNN method was applied to the measurement results of the magnitude and phase of the current for viruses in a straw-shaped nanopore. The numbers in the matrix in Figure 15 indicate the accuracy rate of particle classification. As shown in Figure 15, high classification accuracy was shown, with 0.94 for Influenza Virus A (H1N1), 1.00 for Influenza Virus A (H3N2), 0.95 for Influenza Virus B (Tokio/53/99 strain), and 0.86 for Respiratory Syncytial Virus. The overall classification accuracy was 96.52%, and it was confirmed that the classification accuracy was roughly equivalent to that of bacteria (97.8%, Figure 14).

したがって、本願発明にかかるストロー型ナノ細孔を用いてACナノ細孔測定法による測定を行うことで、細菌及びウイルスのような微細な粒子を高精度に分類することが可能である。 Therefore, by using the straw-shaped nanopore of the present invention to perform measurements using the AC nanopore measurement method, it is possible to classify microscopic particles such as bacteria and viruses with high accuracy.

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。 The present invention has been described above in accordance with the above embodiment, but the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and of course includes various modifications, alterations, and combinations that a person skilled in the art could make within the scope of the invention of the claims of this patent application.

1 サンプル測定装置
10 流路デバイス
11 流路チップ
12 シリコーンゴム
13 導入部
14 微小流路
15 排出部
16 導入口
17 排出口
21 電極チップ
22 基板
23 第1電極
24 第2電極
30 測定部
40 サンプル溶液
41 溶媒
42 測定対象物
1. Sample measurement device
REFERENCE SIGNS LIST 10 Flow path device 11 Flow path chip 12 Silicone rubber 13 Inlet portion 14 Micro flow path 15 Outlet portion 16 Inlet port 17 Outlet port 21 Electrode chip 22 Substrate 23 First electrode 24 Second electrode 30 Measurement portion 40 Sample solution 41 Solvent 42 Measurement target

Claims (15)

流路デバイスと、
測定部と、を備え、
前記流路デバイスは、導入部、微小流路及び排出部が形成された流路チップと、基板上に第1電極と第2電極とが形成された電極チップと、を備え、
前記微小流路は、前記流路チップの主面に平行な方向に延在するように前記流路チップに形成され、溶媒に分散された測定対象物を含むサンプル溶液が流れ
前記導入部は、前記微小流路の一方に配置され、前記サンプル溶液を前記微小流路に導入し、
前記排出部は、前記微小流路の他方に配置され、前記微小流路から前記サンプル溶液が排出され、
前記第1電極は、前記電極チップの主面に垂直な方向から平面視した際に前記導入部と対応する位置に配置され、
前記第2電極は、前記電極チップの前記主面に垂直な前記方向から平面視した際に前記排出部と対応する位置に配置され、
前記測定部は、前記第1電極および前記第2電極に交流電圧を印加し、前記測定対象物が前記微小流路を通過した際の前記測定対象物の交流特性に基づいて前記測定対象物を特定し、
前記流路デバイスは、前記電極チップと前記流路チップとを貼り合わせることで構成されている、
サンプル測定装置。
A flow path device;
A measuring unit,
the flow channel device includes a flow channel chip in which an inlet portion, a microflow channel, and a discharge portion are formed, and an electrode chip in which a first electrode and a second electrode are formed on a substrate;
the microchannel is formed in the channel chip so as to extend in a direction parallel to a main surface of the channel chip, and a sample solution containing a measurement target dispersed in a solvent flows through the microchannel ;
The introduction unit is disposed on one side of the microchannel, and introduces the sample solution into the microchannel;
the discharge unit is disposed on the other side of the microchannel, and the sample solution is discharged from the microchannel ;
the first electrode is disposed at a position corresponding to the introduction portion when viewed in a plan view from a direction perpendicular to a main surface of the electrode tip ,
the second electrode is disposed at a position corresponding to the discharge portion when viewed in a plan view from the direction perpendicular to the main surface of the electrode tip ,
the measurement unit applies an AC voltage to the first electrode and the second electrode, and identifies the object to be measured based on AC characteristics of the object to be measured when the object to be measured passes through the microchannel;
The flow channel device is configured by bonding the electrode chip and the flow channel chip together.
Sample measurement device.
前記サンプル溶液は、The sample solution is
前記流路チップにおいて前記第1電極に対応する位置に設けられた開口である導入口を通じて前記導入部に導入され、the first electrode is introduced into the introduction section through an introduction port, which is an opening provided in the channel chip at a position corresponding to the first electrode;
前記流路チップにおいて前記第2電極に対応する位置に設けられた開口である排出口を通じて前記排出部から排出される、請求項1に記載のサンプル測定装置。The sample measurement device according to claim 1 , wherein the sample is discharged from the discharge section through a discharge port that is an opening provided in the channel chip at a position corresponding to the second electrode.
前記微小流路は、前記流路チップの前記主面に平行な方向を長手方向とする流路である、請求項1または2に記載のサンプル測定装置。3. The sample measurement device according to claim 1, wherein the minute channel is a channel whose longitudinal direction is parallel to the main surface of the channel chip. 前記微小流路の前記サンプル溶液が流れる方向と垂直な断面の面積が、0.05μm 以上100μm 以下である、請求項に記載のサンプル測定装置。 4. The sample measurement device according to claim 3 , wherein the area of a cross section of the microchannel perpendicular to a direction in which the sample solution flows is 0.05 μm 2 or more and 100 μm 2 or less. 前記微小流路の長さが0.1μm以上100μm以下である、請求項に記載のサンプル測定装置。 4. The sample measurement device according to claim 3 , wherein the length of the microchannel is 0.1 μm or more and 100 μm or less. 前記測定部は、前記第1電極と前記第2電極との間に直流電圧を印可することで、正または負に帯電している前記測定対象物を前記導入部から前記微小流路に導入可能に構成されている、請求項1または2に記載のサンプル測定装置。 The sample measurement device according to claim 1 or 2, wherein the measurement unit is configured to be able to introduce the positively or negatively charged measurement object from the introduction unit into the microchannel by applying a DC voltage between the first electrode and the second electrode. 前記測定部は、前記交流電圧と前記直流電圧とを前記第1電極および前記第2電極に重畳して印加可能に構成されている、請求項に記載のサンプル測定装置。 7. The sample measurement device according to claim 6 , wherein the measurement section is configured to be able to apply the AC voltage and the DC voltage in a superimposed manner to the first electrode and the second electrode. 前記測定部は、ロックインアンプを含む、請求項1または2に記載のサンプル測定装置。 The sample measurement device according to claim 1 or 2, wherein the measurement unit includes a lock-in amplifier. 前記測定部は、前記第1電極および前記第2電極に1kHz以上100MHz以下の周波数の交流電圧を印可可能に構成されている、請求項1または2に記載のサンプル測定装置。 The sample measurement device according to claim 1 or 2, wherein the measurement unit is configured to be capable of applying an AC voltage having a frequency of 1 kHz to 100 MHz to the first electrode and the second electrode. 前記測定部は、前記測定対象物の交流特性を用いて合成インピーダンスと位相とを求め、当該求めた合成インピーダンスと位相とを用いて前記測定対象物を特定する、請求項1または2に記載のサンプル測定装置。 3. The sample measurement device according to claim 1, wherein the measurement section determines a composite impedance and a phase using AC characteristics of the object to be measured, and identifies the object to be measured using the determined composite impedance and phase. 前記合成インピーダンスと前記位相とを用いて、前記測定対象物の抵抗成分、ゼータ電位、及び誘電率に対応するパラメータをそれぞれ求め、
前記求めた抵抗成分、ゼータ電位、及び誘電率に対応するパラメータを用いて前記測定対象物を特定する、請求項10に記載のサンプル測定装置。
Using the synthetic impedance and the phase, parameters corresponding to a resistance component, a zeta potential, and a dielectric constant of the object to be measured are obtained, respectively;
The sample measurement device according to claim 10 , wherein the object to be measured is identified using parameters corresponding to the determined resistance component, zeta potential, and dielectric constant.
前記測定部は、前記測定対象物の交流特性と前記測定対象物の情報とを教師データとして用い、前記測定対象物の交流特性に基づいて前記測定対象物を予測する予測モデルを機械学習により生成する予測モデル生成部を備える、請求項1または2に記載のサンプル測定装置。 3. The sample measurement device according to claim 1, wherein the measurement unit includes a prediction model generation unit that uses the AC characteristics of the object to be measured and information about the object to be measured as teacher data and generates a prediction model by machine learning to predict the object to be measured based on the AC characteristics of the object to be measured. 前記予測モデル生成部は、
前記交流特性である同相成分と当該同相成分と位相がずれた位相成分とを抽出し、
抽出された前記同相成分と前記位相成分とを用いて合成インピーダンスと位相とを求め、
前記合成インピーダンスの時間変化の特徴量と前記位相の時間変化の特徴量とを用いて前記予測モデルを生成する、請求項12に記載のサンプル測定装置。
The prediction model generation unit,
extracting an in-phase component and a phase component out of phase with the in-phase component, which are the AC characteristics;
determining a synthetic impedance and a phase using the extracted in-phase component and the extracted phase component;
The sample measurement device according to claim 12 , wherein the prediction model is generated using a feature amount of the time change of the synthetic impedance and a feature amount of the time change of the phase.
前記予測モデル生成部は、ニューラルネットワークを用いた機械学習により前記予測モデルを生成する、請求項12に記載のサンプル測定装置。 The sample measurement device according to claim 12 , wherein the prediction model generation unit generates the prediction model by machine learning using a neural network. 前記測定対象物は、細菌又はウイルスである、請求項1または2に記載のサンプル測定装置。 The sample measurement device according to claim 1 or 2, wherein the measurement object is a bacterium or a virus.
JP2024128656A 2023-08-07 2024-08-05 Sample Measurement Device Active JP7653198B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2025037284A JP2025087871A (en) 2023-08-07 2025-03-10 Sample measurement apparatus and flow path device for sample measurement apparatus

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2023128765 2023-08-07
JP2023128765 2023-08-07

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2025037284A Division JP2025087871A (en) 2023-08-07 2025-03-10 Sample measurement apparatus and flow path device for sample measurement apparatus

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2025024687A JP2025024687A (en) 2025-02-20
JP7653198B2 true JP7653198B2 (en) 2025-03-28

Family

ID=94638039

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2024128656A Active JP7653198B2 (en) 2023-08-07 2024-08-05 Sample Measurement Device
JP2025037284A Pending JP2025087871A (en) 2023-08-07 2025-03-10 Sample measurement apparatus and flow path device for sample measurement apparatus

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2025037284A Pending JP2025087871A (en) 2023-08-07 2025-03-10 Sample measurement apparatus and flow path device for sample measurement apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (2) JP7653198B2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014122873A1 (en) 2013-02-08 2014-08-14 ソニー株式会社 Microparticle analyzing device and microparticle analyzing system
WO2014155932A1 (en) 2013-03-26 2014-10-02 ソニー株式会社 Measurement device and measurement method
JP2019190888A (en) 2018-04-19 2019-10-31 ティーイーアイソリューションズ株式会社 Fluid chip and analyzer

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004219199A (en) * 2003-01-14 2004-08-05 Teruo Fujii Chemical micro-device
JP2008194573A (en) * 2007-02-09 2008-08-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd Lipid bilayer formation method
US20080297169A1 (en) * 2007-05-31 2008-12-04 Greenquist Alfred C Particle Fraction Determination of A Sample
JP2010266218A (en) * 2009-05-12 2010-11-25 Panasonic Corp Immunosensor chip and immunosensor device including the same
US20150140671A1 (en) * 2013-11-18 2015-05-21 Johnson Electric S.A. Method and system for assembling a microfluidic sensor
WO2016154302A1 (en) * 2015-03-23 2016-09-29 The University Of North Carolina At Chapel Hill Universal molecular processor for precision medicine
JP6895876B2 (en) * 2017-12-13 2021-06-30 アークレイ株式会社 Measuring method and measuring device to measure hematocrit value in blood
WO2019236682A1 (en) * 2018-06-05 2019-12-12 Chronus Health, Inc. Devices, cartridge, and sensors for controlling liquid movement and analyzing biological samples

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014122873A1 (en) 2013-02-08 2014-08-14 ソニー株式会社 Microparticle analyzing device and microparticle analyzing system
WO2014155932A1 (en) 2013-03-26 2014-10-02 ソニー株式会社 Measurement device and measurement method
JP2019190888A (en) 2018-04-19 2019-10-31 ティーイーアイソリューションズ株式会社 Fluid chip and analyzer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
山本 貴富喜ほか,交流ナノポア法による単一ナノ粒子のインピーダンス計測とウイルスセンシングへの応用,電気学会論文誌E(センサ・マイクロマシン部門誌),Vol.143 No.7,2023年07月01日,p.176-184,<DOI:10.1541/ieejsmas.143.176>

Also Published As

Publication number Publication date
JP2025087871A (en) 2025-06-10
JP2025024687A (en) 2025-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104969063B (en) Particulate analysis equipment and particulate analysis system
US9170138B2 (en) Enhanced microfluidic electromagnetic measurements
Zhe et al. A micromachined high throughput Coulter counter for bioparticle detection and counting
Morgan et al. Single cell dielectric spectroscopy
EP3356792B1 (en) Microfluidic device for selection of semen
Errico et al. Mitigating positional dependence in coplanar electrode Coulter-type microfluidic devices
US20150308971A1 (en) Microfluidic impedance flow cytometer
Hassan et al. Flow metering characterization within an electrical cell counting microfluidic device
Jagtiani et al. Detection and counting of micro-scale particles and pollen using a multi-aperture Coulter counter
WO2010079844A1 (en) Flow path device, complex dielectric constant measurement device, and dielectric cytometry device
JPWO2014155932A1 (en) Measuring apparatus and measuring method
CN114345428B (en) A microfluidic chip for sorting single cells and its detection method
JP7653198B2 (en) Sample Measurement Device
CN115651831A (en) Microfluidic chip, system and method of use thereof
Shen et al. A simple 3-D microelectrode fabrication process and its application in microfluidic impedance cytometry
Salmanzadeh et al. Isolation of rare cancer cells from blood cells using dielectrophoresis
JP2023507046A (en) Apparatus and method for measuring micronanoparticles
CN114164104B (en) A single-cell non-Newtonian droplet encapsulation device and method based on microfluidic chip
Rudge et al. Label-Free Targeted High Efficiency Electroporation with Single-Cell Feedback Control Using Focused Microscale Electric Fields
Tang et al. An impedance microsensor with coplanar electrodes and vertical sensing apertures
Cao et al. Micron-sized particle discrimination and classification with deep learning and electrical sensing zone technique
Sakamoto et al. Development of AC Nanopore Measurement Method and Microbial Identification Combined with Machine Learning
Claudel et al. High reliability microfluidic biosensor for single cell impedance cytometry
Kumar et al. Influence of interdigitated electrode-gap width ratio on efficient separation trajectories of blood cells in a microfluidic device
Zou Single-cell impedance analysis and sorting

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240808

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20240808

A80 Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80

Effective date: 20240807

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240910

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20241101

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20241126

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20250124

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250212

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250310

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7653198

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150