JP7848655B2 - Dielectrophoresis apparatus and dielectrophoresis method - Google Patents
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Description
本発明は、誘電泳動装置、及び誘電泳動方法に関し、溶媒中の細胞や微粒子といった操作対象物を操作する誘電泳動装置、及び誘電泳動方法に関する。 This invention relates to a dielectrophoresis apparatus and a dielectrophoresis method, and more particularly to a dielectrophoresis apparatus and a dielectrophoresis method for manipulating objects such as cells and microparticles in a solvent.
図1は、従来技術の誘電泳動装置の構造を示す図である。図1の構造は、非特許文献1に記載された誘電泳動装置の構造であって、主として、ITO付きのガラス基板である上部電極及び下部電極と、上部電極と下部電極との間に配置されるアモルファスシリコンやP3HT(poly(3-hexylthiophene)):PCBM(phenyl C61-butyric acid methyl ester)といった光導電性材料と、を備える。また、上下電極の間には、水などの溶媒にビーズ粒子又は細胞といった微小材料が懸濁されている。そして、溶媒に交流電圧が印加できるように上下電極に交流電源が接続されている。また、下部電極側から光導電性材料が吸収できる波長の光を照射するプロジェクタが設けられている。 Figure 1 shows the structure of a conventional dielectrophoresis apparatus. The structure in Figure 1 is the structure of a dielectrophoresis apparatus described in Non-Patent Literature 1, and mainly comprises an upper electrode and a lower electrode, which are glass substrates with ITO, and a photoconductive material such as amorphous silicon or P3HT (poly(3-hexylthiophene)):PCBM (phenyl C61-butyric acid methyl ester) placed between the upper and lower electrodes. Furthermore, micromaterials such as bead particles or cells are suspended in a solvent such as water between the upper and lower electrodes. AC power supplies are connected to the upper and lower electrodes so that an AC voltage can be applied to the solvent. A projector is also provided on the lower electrode side to irradiate light of a wavelength that can be absorbed by the photoconductive material.
図1の装置において、上下電極に交流電圧を印加すると上下電極間に挟まれている水などの溶媒間に交流電圧が印加される。溶媒中には、微小材料が混入されており、溶媒への交流電圧の印加によって、微小材料の電荷が誘起される。同時に、下部電極側から所望の波長の光を入射させると、当該光が光導電性材料(アモルファスシリコンなど)に照射される。光導電性材料の光照射部分では、光が吸収され電子正孔対が形成され、これによりアモルファスシリコンの導電率が上がる(抵抗値が下がる)。そして、光が照射された領域と光が照射されていない領域とでは、電極の導電率が異なるため、溶媒に印加される電圧が変化し、電界の差が生じる。微小材料には電荷が誘起されており、その電界の差により微小材料が誘電泳動力を受けて移動する。微小材料の誘電率が溶媒の誘電率よりも小さい場合は、微小材料は電界強度が低い方向に移動し、逆に、微小材料の誘電率が溶媒の誘電率よりも大きい場合は、微小材料は電界強度の高い方向に移動する。 In the apparatus shown in Figure 1, applying an AC voltage to the upper and lower electrodes applies the AC voltage to the solvent, such as water, sandwiched between the electrodes. The solvent contains microscopic material particles, and the application of the AC voltage to the solvent induces charge in these particles. Simultaneously, when light of a desired wavelength is incident from the lower electrode, this light irradiates a photoconductive material (such as amorphous silicon). In the irradiated portion of the photoconductive material, the light is absorbed, forming electron-hole pairs, which increases the conductivity of the amorphous silicon (decreases its resistance). Because the conductivity of the electrodes differs between the irradiated and unirradiated regions, the voltage applied to the solvent changes, creating an electric field difference. The induced charge in the microscopic material causes it to move due to dielectrophoretic force caused by this electric field difference. If the dielectric constant of the microscopic material is lower than that of the solvent, the microscopic material moves in the direction of lower electric field strength. Conversely, if the dielectric constant of the microscopic material is higher than that of the solvent, the microscopic material moves in the direction of higher electric field strength.
図2は、微小材料の誘電率が溶媒の誘電率より低い場合の誘電泳動の動作を示す図である。図2は、非特許文献1に記載された誘電泳動の様子を示す図であって、図2では、光照射領域に1μmのビーズが引き寄せられ、光照射領域の内側の光未照射領域に10μmのビーズが引き寄せられる様子が描かれている。 Figure 2 shows the behavior of dielectrophoresis when the dielectric constant of the micromaterial is lower than that of the solvent. Figure 2 is a diagram illustrating the dielectrophoresis described in Non-Patent Literature 1, depicting how 1 μm beads are attracted to the light-irradiated region and 10 μm beads are attracted to the unirradiated region inside the light-irradiated region.
微小材料の誘電率は、ポリスチレンビーズの場合は約2.4、細胞の場合は約47.5(例えば、非特許文献2参照)である。一方で、細胞やタンパク質などの生理活性が保たれる環境では、DMEM(Dulbecco’s Modified Eagle Medium)、PBS(Phosphate-buffered saline)などの溶媒が用いられ、その誘電率は約80であって、操作したい細胞や高分子材料に比べて高い。 The dielectric constant of micromaterials is approximately 2.4 for polystyrene beads and approximately 47.5 for cells (see, for example, Non-Patent Document 2). On the other hand, in environments where the physiological activity of cells and proteins is preserved, solvents such as DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium) and PBS (Phosphate-buffed saline) are used, and their dielectric constant is approximately 80, which is higher than that of the cells or polymer materials to be manipulated.
このような溶媒の誘電率よりも低い材料に誘電泳動を作用させる場合、誘電泳動力を示す以下の数式1のRE[Fcm(ω)](粒子の分極を反映した係数)がマイナスとなり、斥力(負の誘電泳動)が働く。 When dielectrophoresis is applied to a material with a dielectric constant lower than that of the solvent, RE[F cm (ω)] (a coefficient reflecting the polarization of the particles) in the following equation 1, which represents the dielectrophoretic force, becomes negative, and a repulsive force (negative dielectrophoresis) acts.
FDEP:誘電泳動力、 r:材料の粒径、 εm:溶媒の誘電率、 ∇Erms:電場、 RE[Fcm(ω)]:Clausius-Mossotti係数(Re[K]とも記載される)
F DEP : Dielectric force, r: particle size of the material, ε m : dielectric constant of the solvent, ∇E rms : electric field, RE[F cm (ω)]: Clausius-Mossotti coefficient (also written as Re[K])
また、細胞や細菌のような高極性材料(分極しやすい材料)では、図3に示すように、1×106[Hz]以上の高周波数を印加することによって誘電泳動力のベクトルを変化させることができる。なお、図3は、非特許文献3に記載されたClausius-Mossotti係数と周波数との関係を示した図である。 Furthermore, in highly polar materials such as cells and bacteria, the vector of the dielectrophoretic force can be changed by applying a high frequency of 1 × 10⁶ Hz or higher, as shown in Figure 3. Figure 3 is a diagram showing the relationship between the Clausius-Mossotti coefficient and frequency as described in Non-Patent Literature 3.
生理活性環境のような高誘電率の溶媒において誘電泳動を実施する際に、細胞や高分子粒子といった微小材料には、斥力が働くため、斥力のみのマニピュレーションになり、微小材料の操作の自由度が制限される。 When performing dielectrophoresis in a high-dielectric-constant solvent, such as a physiologically active environment, repulsive forces act on micromaterials like cells and polymer particles. This results in manipulation solely based on repulsion, limiting the freedom of control over these micromaterials.
細胞やタンパク質などの生理活性が保たれる環境では、操作したい細胞や高分子材料の誘電率に比べて、溶媒の誘電率が高いため、負の誘電泳動(斥力)が基本的に働く。図4に示すように、ポリエチレンやポリスチレンなどのような低極性材料では、周波数による誘電率の変化は3.0程度(図4の右軸)と小さく、数式1のClausius-Mossotti係数Re[K]の符号を変化させることができず、斥力のみの作用しか働かせることしかできない。なお、図4は、非特許文献4に記載されたポリエチレンの誘電率の周波数特性を示した図である。 In environments where the physiological activity of cells and proteins is maintained, the dielectric constant of the solvent is higher than that of the cells or polymer materials to be manipulated, resulting in negative dielectric electrophoresis (repulsion). As shown in Figure 4, for low-polarity materials such as polyethylene and polystyrene, the change in dielectric constant with frequency is small, around 3.0 (right axis in Figure 4), and it is not possible to change the sign of the Clausius-Mossotti coefficient Re[K] in Equation 1, thus only repulsive force can be exerted. Note that Figure 4 shows the frequency characteristics of the dielectric constant of polyethylene as described in Non-Patent Literature 4.
そこで、本発明は、生理活性環境のような高誘電率の溶媒で誘電泳動を実施する際に、局所的に導電率の異なる領域を設け、特定周波数を印加することによって、誘電泳動のベクトルを任意の方向に操作することができる装置及び方法を提案する。 Therefore, the present invention proposes an apparatus and method that allows for the manipulation of the dielectric vector in any direction when performing dielectrophoresis in a solvent with a high dielectric constant, such as a physiologically active environment, by creating regions with locally different conductivity and applying a specific frequency.
本発明の誘電泳動装置は、誘電泳動によって操作対象物を操作する誘電泳動装置であって、操作対象物を含む溶媒が収容されるよう間隔を隔てて配置される透光性を有する第1電極及び第2電極と、溶媒に面して配置され、光の照射によって導電率が変化する光導電部と、光導電部に局所的に光を照射する光照射部と、第1電極及び第2電極に交流電圧を印加する交流電源と、交流電源が印加する交流電圧の周波数を制御する制御部と、を備える。 The dielectrophoresis apparatus of the present invention is a dielectrophoresis apparatus for manipulating an object to be manipulated by dielectrophoresis, comprising: a first electrode and a second electrode, both transparent and spaced apart to contain a solvent containing the object to be manipulated; a photoconductive section, positioned facing the solvent and whose conductivity changes upon light irradiation; a light irradiation section for locally irradiating the photoconductive section with light; an AC power supply for applying an AC voltage to the first electrode and the second electrode; and a control unit for controlling the frequency of the AC voltage applied by the AC power supply.
また、本発明の誘電泳動方法は、誘電泳動によって操作対象物を操作する誘電泳動方法であって、操作対象物を含む溶媒が収容されるよう間隔を隔てて配置される透光性を有する第1電極及び第2電極に交流電圧を印加すること、溶媒に面して配置され、光の照射によって導電率が変化する光導電部に局所的に光を照射すること、及び交流電圧の周波数を変更すること、を有する。 Furthermore, the dielectrophoresis method of the present invention is a dielectrophoresis method for manipulating an object to be manipulated by dielectrophoresis, comprising: applying an AC voltage to a first electrode and a second electrode, which are transparent and spaced apart to contain a solvent containing the object to be manipulated; locally irradiating a photoconductive portion, which is positioned facing the solvent and whose conductivity changes upon light irradiation, with light; and changing the frequency of the AC voltage.
本発明によれば、生理活性環境のような高誘電率の溶媒で誘電泳動を実施する際に、局所的に導電率の異なる領域を設け、特定周波数を印加することによって、誘電泳動のベクトルを任意の方向に操作することが可能となる。 According to the present invention, when performing dielectrophoresis in a solvent with a high dielectric constant, such as in a physiologically active environment, it becomes possible to manipulate the dielectrophoretic vector in any direction by creating regions with locally different conductivity and applying a specific frequency.
以下、本発明を実施するための形態に係る誘電泳動装置及び誘電泳動方法について図面を用いて説明する。 The following describes a dielectrophoresis apparatus and dielectrophoresis method according to embodiments of the present invention, with reference to the drawings.
(誘電泳動装置1の構成)
図5は、実施形態の誘電泳動装置1の構成図である。図5に示すように、本実施形態の誘電泳動装置1は、誘電泳動によって操作対象物を操作する。操作電極10(第1電極)と、対向電極20(第2電極)と、操作電極10と対向電極20との間に設けられる光導電部15と、操作電極10及び対向電極20に任意の周波数を持つ交流電圧を印加するファンクションジェネレータ30(交流電源)と、光を照射するレーザープロジェクタ40(光照射部)と、レーザープロジェクタ40から照射された光を光導電部15に照射する光学系であるデジタルミラーデバイス50及びレンズ60と、2枚の電極10及び20を所定の間隔を隔てて支持するスペーサ70と、を備える。
(Configuration of dielectrophoresis apparatus 1)
Figure 5 is a diagram showing the configuration of the dielectrophoresis apparatus 1 of this embodiment. As shown in Figure 5, the dielectrophoresis apparatus 1 of this embodiment manipulates an object to be manipulated by dielectrophoresis. It comprises a working electrode 10 (first electrode), a counter electrode 20 (second electrode), a photoconductive section 15 provided between the working electrode 10 and the counter electrode 20, a function generator 30 (AC power supply) that applies an AC voltage having an arbitrary frequency to the working electrode 10 and the counter electrode 20, a laser projector 40 (light irradiation section) that irradiates light, a digital mirror device 50 and a lens 60 which are optical systems that irradiate the photoconductive section 15 with light irradiated from the laser projector 40, and a spacer 70 that supports the two electrodes 10 and 20 separated by a predetermined distance.
操作電極10及び対向電極20の各々は、ガラス板と、ガラス板に形成されるITO(Indium Tin Oxide)などの透明電極と、を有する透光性を有する電極である。操作電極10及び対向電極20は、操作対象物Xを含む溶媒が収容されるよう間隔を隔てて配置される。 Each of the operating electrode 10 and the counter electrode 20 is a translucent electrode comprising a glass plate and a transparent electrode, such as ITO (Indium Tin Oxide), formed on the glass plate. The operating electrode 10 and the counter electrode 20 are spaced apart to accommodate the solvent containing the object to be manipulated X.
光導電部15は、アモルファスシリコンなどの光導電性材料によって構成される。光導電部15は、溶媒に面して配置され、光の照射によって導電率が変化する。 The photoconductive portion 15 is made of a photoconductive material such as amorphous silicon. The photoconductive portion 15 is positioned facing the solvent, and its conductivity changes upon light irradiation.
操作電極10と対向電極20との間には、操作対象物Xを含む溶媒が収容されている。溶媒は、生理活性環境のような高誘電率の溶媒であり、操作対象物Xは、細胞や高分子粒子、又はポリエチレンビーズといった微小材料である。例えば、操作対象物Xの誘電率は、溶媒の誘電率より低い。 A solvent containing the object to be manipulated X is contained between the operating electrode 10 and the counter electrode 20. The solvent is a high-dielectric-constant solvent, such as a physiologically active environment, and the object to be manipulated X is a micromaterial such as cells, polymer particles, or polyethylene beads. For example, the dielectric constant of the object to be manipulated X is lower than that of the solvent.
ファンクションジェネレータ30は、操作電極10及び対向電極20に任意の周波数を持つ交流電圧を印加し、溶媒に当該交流電圧を印加する。印加された交流電圧によって、溶媒中の操作対象物Xの電荷が誘起される。 The function generator 30 applies an AC voltage of a specified frequency to the operating electrode 10 and the counter electrode 20, and applies this AC voltage to the solvent. The applied AC voltage induces a charge in the object X in the solvent.
レーザープロジェクタ40は、光導電部15の光導電性材料を光励起可能な波長の光を照射する。光導電性材料の光導電率変化は、1×102~4S/m程度であることが望ましい。レーザープロジェクタ40は、照射する光の位置、形状、及び大きさを変更することが可能である。例えば、レーザープロジェクタ40は、光導電部15に照射される光の形状を円環形状や円状に変更したり、光のサイズを徐々に小さくしたり、光の位置を変位したりすることができる。光の形状は、円環形状や円状以外の形状であってもよい。 The laser projector 40 irradiates the photoconductive material of the photoconductive part 15 with light of a wavelength that can be photoexcited. The change in the photoconductivity of the photoconductive material is preferably about 1 × 10² to 4 S/m. The laser projector 40 can change the position, shape, and size of the irradiated light. For example, the laser projector 40 can change the shape of the light irradiated onto the photoconductive part 15 to an annular or circular shape, gradually decrease the size of the light, or displace the position of the light. The shape of the light may be other than an annular or circular shape.
2枚の電極10及び20の間には、微小材料(操作対象物X)の懸濁液のような溶媒が充填される。光導電部15には、レーザープロジェクタ40によって光が照射されて局所的に導電率が高い領域(光照射領域)Aと、光照射領域Aより導電率が低い領域(光未照射領域)Bと、が形成される。光照射領域A及び光未照射領域Bの導電率の差異は、1×102~4S/m程度であると望ましい。 A solvent, such as a suspension of a micromaterial (object X), is packed between the two electrodes 10 and 20. In the photoconductive portion 15, a region with locally high conductivity (light-irradiated region) A is formed by irradiation with light from the laser projector 40, and a region with lower conductivity than light-irradiated region A (un-irradiated region) B is formed. The difference in conductivity between light-irradiated region A and un-irradiated region B is preferably about 1 × 10² to 4 S/m.
また、誘電泳動装置1は、ファンクションジェネレータ30が印加する交流電圧の周波数を制御する制御部80を備える。制御部80は、プロセッサ81やメモリ82などを有するマイコンなどのコンピュータである。プロセッサ81は、CPU(Central Processing Unit)やDSP(Digital Signal Processor)などであって、補助記憶部83に記憶されたプログラムをメモリ82に展開して、実行する。補助記憶部83に記憶されるプログラムは、例えば、ファンクションジェネレータ30が印加する交流電圧の周波数を制御する周波数制御プログラムである。プロセッサ81は、I/F(インターフェース)84を介して、ファンクションジェネレータ30が印加する交流電圧の電圧値や周波数を指示する。 Furthermore, the dielectrophoresis apparatus 1 includes a control unit 80 that controls the frequency of the AC voltage applied by the function generator 30. The control unit 80 is a computer, such as a microcontroller, that includes a processor 81 and memory 82. The processor 81 is a CPU (Central Processing Unit) or DSP (Digital Signal Processor), and it loads programs stored in the auxiliary storage unit 83 into the memory 82 and executes them. The programs stored in the auxiliary storage unit 83 are, for example, frequency control programs that control the frequency of the AC voltage applied by the function generator 30. The processor 81 instructs the voltage value and frequency of the AC voltage applied by the function generator 30 via the I/F (interface) 84.
また、制御部80は、レーザープロジェクタ40が照射する光の位置、形状、及び大きさを変更するようレーザープロジェクタ40の動作を制御する。プロセッサ81は、I/F(インターフェース)84を介して、レーザープロジェクタ40が照射する光の位置、形状、及び大きさを指示する。 Furthermore, the control unit 80 controls the operation of the laser projector 40 to change the position, shape, and size of the light emitted by the laser projector 40. The processor 81 instructs the position, shape, and size of the light emitted by the laser projector 40 via the interface 84.
(誘電泳動装置1の動作)
本実施形態では、局所的に導電率の異なる領域A及び領域Bを設けるとともに、特定の周波数で導電率が異なる領域A及びBのインピーダンスを逆転させて、誘電泳動のベクトルを操作する。ファンクションジェネレータ30が電極10及び20に交流電圧を印加することによって、導電率が高い領域A(光照射領域)と領域Aと比べて導電率が低い領域B(光未照射領域)との間に電位差が生じる。これにより、局所電場∇Eが領域Aに形成されて、操作対象物Xには、領域Aから領域Bへ作用する誘電泳動のベクトルが生じる。この場合、図5(b)に示すように、領域A(光照射領域)に対して斥力が働いている。
(Operation of dielectrophoresis apparatus 1)
In this embodiment, regions A and B with locally different conductivity are provided, and the impedances of regions A and B with different conductivity are reversed at a specific frequency to manipulate the dielectrophoretic vector. When the function generator 30 applies an AC voltage to electrodes 10 and 20, a potential difference is created between region A (light-irradiated region) with high conductivity and region B (un-irradiated region) with lower conductivity compared to region A. As a result, a local electric field ∇E is formed in region A, and a dielectrophoretic vector acting from region A to region B is generated on the object X being manipulated. In this case, as shown in Figure 5(b), a repulsive force acts on region A (light-irradiated region).
一方、ファンクションジェネレータ30が電極10及び20に特定周波数の交流電圧を印加することによって、領域Aと領域Bとのインピーダンスが逆転し、領域Aと領域Bとの間の電位差の符号が逆転し、局所電場∇Eが領域Bに形成される。そして、操作対象物Xには、領域Bから領域Aへ作用する誘電泳動のベクトルが生じる。この場合、図5(a)に示すように、領域A(光照射領域)に対して引力が働いている。 On the other hand, when the function generator 30 applies an AC voltage of a specific frequency to electrodes 10 and 20, the impedance between region A and region B is reversed, the sign of the potential difference between region A and region B is reversed, and a local electric field ∇E is formed in region B. Then, a dielectrophoretic vector acting from region B to region A is generated on the object X being manipulated. In this case, as shown in Figure 5(a), an attractive force acts on region A (the light-irradiated region).
(誘電泳動方法)
図6は、実施形態の誘電泳動方法のフローチャートである。図6を参照して、誘電泳動方法を説明する。図6のフローチャートの各ステップは、制御部80によって実行される。
(Dielectrophoresis method)
Figure 6 is a flowchart of the dielectrophoresis method according to the embodiment. The dielectrophoresis method will be described with reference to Figure 6. Each step in the flowchart of Figure 6 is performed by the control unit 80.
制御部80は、デフォルトの交流電圧値及び周波数の交流電圧を電極10及び20に印加するように、ファンクションジェネレータ30に指示する(ステップS601)。ファンクションジェネレータ30は、当該指示に従って、デフォルトの交流電圧値及び周波数の交流電圧を電極10及び20に印加する。 The control unit 80 instructs the function generator 30 to apply an AC voltage of default voltage value and frequency to electrodes 10 and 20 (step S601). The function generator 30 applies the AC voltage of default voltage value and frequency to electrodes 10 and 20 in accordance with this instruction.
制御部80は、円環形状の光を照射するように、レーザープロジェクタ40に指示する(ステップS602)。レーザープロジェクタ40は、当該指示に従って、円環形状の光を照射する。 The control unit 80 instructs the laser projector 40 to emit an annular shape of light (step S602). The laser projector 40 emits an annular shape of light in accordance with this instruction.
制御部80は、円環形状の光のサイズの小径化のために、レーザープロジェクタ40に指示する(ステップS603)。レーザープロジェクタ40は、当該指示に従って、円環形状の光を小径化する。 The control unit 80 instructs the laser projector 40 to reduce the size of the annular-shaped light (step S603). The laser projector 40 reduces the size of the annular-shaped light according to this instruction.
制御部80は、所定のタイミングで、交流電圧の周波数が特定周波数となるように、ファンクションジェネレータ30に指示する(ステップS604)。ファンクションジェネレータ30は、当該指示に従って、交流電圧の周波数を特定周波数に変更する。所定のタイミングは、円環形状の光のサイズを小径化する経過時間が所定時間に達したときであってもよいし、円環形状の光のサイズが所定サイズになったときであってもよい。また、例えば、制御部80は、当該指示に従って、交流電圧の周波数を第1周波数(1kHz)から第1周波数より高い第2周波数(10kHz)にする。 The control unit 80 instructs the function generator 30 at a predetermined timing to change the frequency of the AC voltage to a specific frequency (step S604). The function generator 30 changes the frequency of the AC voltage to the specific frequency according to this instruction. The predetermined timing may be when the elapsed time for reducing the size of the annular light reaches a predetermined time, or when the size of the annular light reaches a predetermined size. Alternatively, for example, the control unit 80 may change the frequency of the AC voltage from a first frequency (1 kHz) to a second frequency (10 kHz) that is higher than the first frequency, according to this instruction.
そして、制御部80は、光の形状を円形状にするために、レーザープロジェクタ40に指示する(ステップS605)。レーザープロジェクタ40は、当該指示に従って、円環形状の光を円形状に変更する。 The control unit 80 then instructs the laser projector 40 to change the shape of the light to a circular shape (step S605). The laser projector 40 changes the annular shape of the light to a circular shape according to this instruction.
なお、ここでは、円環形状の光のサイズを小径化し、光の形状を円環形状から円形状に変化させたが、操作対象物Xの操作内容に応じて、レーザープロジェクタ40が照射する光の形状、大きさ、及び位置を適宜選択してもよい。 In this example, the size of the annular light beam was reduced, and its shape was changed from an annular to a circular shape. However, the shape, size, and position of the light beam emitted by the laser projector 40 may be appropriately selected depending on the operation being performed on the object X.
(誘電泳動の斥力と引力とを切替可能な特定周波数の算出方法)
次に、誘電泳動の斥力と引力とを切替可能な特定周波数の算出方法について説明する。以下のような計算を行うことによって、誘電泳動の引力と斥力とを切替可能な特定周波数や電極のインピーダンスを算出することができる。本実施形態では、ポリスチレンビーズを光励起誘電泳動させることを考える。この回路のインピーダンスは、ITO付きガラスインピーダンスZi、溶媒のインピーダンスZm、及びα-Si(アモルファスシリコン)のインピーダンスZαの3つのインピーダンスの直列回路となっている。この直列回路全体のインピーダンスZtは、以下の数式2により算出される。
(Method for calculating specific frequencies that allow switching between repulsive and attractive forces in dielectrophoresis)
Next, we will explain how to calculate a specific frequency at which the repulsive and attractive forces of dielectrophoresis can be switched. By performing the following calculations, it is possible to calculate a specific frequency at which the attractive and repulsive forces of dielectrophoresis can be switched, as well as the impedance of the electrodes. In this embodiment, we consider photoexcitation dielectrophoresis of polystyrene beads. The impedance of this circuit is a series circuit of three impedances: the impedance of the ITO-coated glass Zi, the impedance of the solvent Zm, and the impedance of α-Si (amorphous silicon) Zα. The impedance Zt of this entire series circuit is calculated by the following equation 2.
そして、各インピーダンスは、以下の数式3~数式5により算出される。 Furthermore, each impedance is calculated using the following equations 3 to 5.
Wm:溶媒の接している電極面積、 dm:溶媒の距離、 σm:溶媒の導電率、 εm:溶媒の比誘電率、 ε0:真空誘電率、 f:印加電圧の周波数
Wm : electrode area in contact with solvent, dm : distance from solvent, σm : conductivity of solvent, εm : relative permittivity of solvent, ε0 : permittivity of vacuum, f: frequency of applied voltage
ITOのインピーダンスは小さいので無視すると、Ztは、以下の数式6により算出される。 Since the impedance of ITO is small and can be ignored, Zt can be calculated using the following equation 6.
全体に印加される電圧をVとすると、溶媒に印加される電圧Vmは以下の数式7により算出される。 If the total voltage applied is V, the voltage Vm applied to the solvent is calculated using the following equation 7.
溶媒に印加される電界強度Emは、以下の数式8により算出される。 The electric field strength Em applied to the solvent is calculated using the following formula 8.
次に、光照射領域(領域A)及び光未照射領域(領域B)の溶媒にかかる電界を、前述の式を用いて計算する。使用する定数については、以下の表1の数値を使用する。 Next, the electric field applied to the solvent in the light-irradiated region (region A) and the unirradiated region (region B) is calculated using the formula described above. The constants used are those shown in Table 1 below.
最初に、光未照射領域(領域B)の抵抗及び容量を算出する。
光未照射領域(領域B)のα-Si薄膜の抵抗Rα、及び容量Cαは、数式9及び数式10により算出される。
First, calculate the resistance and capacitance of the unirradiated region (region B).
The resistance Rα and capacitance Cα of the α-Si thin film in the unirradiated region (region B) are calculated using equations 9 and 10.
光未照射領域(領域B)の純水の抵抗Rm及び容量Cmは、数式11及び数式12により算出される。 The resistance Rm and volume Cm of pure water in the unirradiated region (region B) are calculated using equations 11 and 12.
次に、光照射領域(領域A)の抵抗及び容量を算出する。
光照射領域(領域A)のα-Si薄膜の抵抗Rαl、及び容量Cαlは、数式13及び数式14により算出される。
Next, calculate the resistance and capacitance of the light-irradiated area (area A).
The resistance Rαl and capacitance Cαl of the α-Si thin film in the light-irradiated region (region A) are calculated using equations 13 and 14.
光照射領域(領域A)の純水の抵抗Rml、及び容量Cmlは、数式15及び数式16により算出される。 The resistance Rml and volume Cml of pure water in the light-irradiated area (area A) are calculated using equations 15 and 16.
上記の結果を用いて、光照射領域(領域A)の溶媒の電圧、及び光未照射領域(領域B)の溶媒の電圧の周波数依存性の計算を行った。印加電圧は、実効値5Vの正弦波とした。その結果を図7に示す。周波数10kHz付近で電位の逆転がみられた。それらの検証実験結果を図8に示す。図7の計算結果と同様に、10kHz以下では、レーザーパターン内部または周囲の粒子数が増加しており、光パターン(局所電場)に対して引力が働くことが確認できた。一方で、1kHz以下では、レーザーパターン内部または周囲の粒子数が減少しており、斥力が働くことが確認できた。図7及び図8の結果から、局所的に導電率が異なる領域を形成することが可能なデバイスによって、誘電泳動のベクトルを操作することが可能となる。 Using the above results, the frequency dependence of the solvent voltage in the light-irradiated region (region A) and the solvent voltage in the unirradiated region (region B) was calculated. The applied voltage was a sinusoidal wave with an effective value of 5V. The results are shown in Figure 7. A potential reversal was observed around 10 kHz. The results of these verification experiments are shown in Figure 8. Similar to the calculation results in Figure 7, below 10 kHz, the number of particles inside or around the laser pattern increased, confirming an attractive force acting on the light pattern (local electric field). On the other hand, below 1 kHz, the number of particles inside or around the laser pattern decreased, confirming a repulsive force. From the results in Figures 7 and 8, it is possible to manipulate the dielectrophoretic vector using a device capable of forming regions with locally different conductivity.
(斥力と引力とを切替を利用した操作対象物の操作例)
図9を参照して、交流電圧の周波数制御による斥力と引力との切替を利用した操作対象物Xの操作例を説明する。なお、操作対象物Xの操作例は、図9の例に限らない。
(An example of manipulating an object using the switching between repulsive and attractive forces)
Referring to Figure 9, an example of operating an object X using the switching between repulsive and attractive forces by frequency control of AC voltage will be explained. Note that the example of operating object X is not limited to the example in Figure 9.
図9(a)に示すように、溶媒中には、複数の操作対象物Xが溶媒中に散在する。 As shown in Figure 9(a), multiple target objects X are scattered throughout the solvent.
図9(b)に示すように、複数の操作対象物Xを囲むように、円環形状のレーザーパターン(光照射領域A)を照射する。ここでは、光照射領域Aに対して斥力が働くように、交流電圧の周波数が設定される。 As shown in Figure 9(b), a ring-shaped laser pattern (light irradiation area A) is irradiated to surround multiple target objects X. Here, the frequency of the AC voltage is set so that a repulsive force acts on the light irradiation area A.
図9(c)に示すように、複数の操作対象物Xが1か所に集結するように、円環形状のレーザーパターン(光照射領域A)の大きさを小径化する。 As shown in Figure 9(c), the size of the annular laser pattern (light irradiation area A) is reduced in diameter so that multiple target objects X converge in one location.
ここで、図9(d)に示すように、レーザーパターン(光照射領域A)の形状を円環形状から円形状に変更する。このとき、溶媒に印加される交流電圧の周波数を上記した特定周波数に変更する。これにより、光照射領域Aに対して引力が働く。 Here, as shown in Figure 9(d), the shape of the laser pattern (light irradiation area A) is changed from an annular shape to a circular shape. At the same time, the frequency of the AC voltage applied to the solvent is changed to the specific frequency described above. This causes an attractive force to act on the light irradiation area A.
図9(e)に示すように、複数の操作対象物Xがさらに狭い領域に集結するように、円形状のレーザーパターン(光照射領域A)を小径化する。 As shown in Figure 9(e), the circular laser pattern (light irradiation area A) is reduced in diameter so that the multiple objects X being manipulated converge into an even narrower area.
そして、図9(f)に示すように、狭い領域に集結した複数の操作対象物Xを任意の位置に移動するために、円形状のレーザーパターン(光照射領域A)を移動する。 Then, as shown in Figure 9(f), a circular laser pattern (light irradiation area A) is moved to move the multiple target objects X, which are concentrated in a narrow area, to any desired position.
このようにして、溶媒中に散在した複数の操作対象物Xを1か所に集結して、任意の箇所に移動させることが可能となる。 In this way, it becomes possible to gather multiple objects X scattered in the solvent into one location and move them to any desired location.
(本実施形態の効果)
本実施形態では、局所的に光導電部15に光を照射することによって導電率が異なる光照射領域A及び光未照射領域Bを設けるとともに、電極10及び20に印加される交流電圧の周波数を特定周波数にすることによって、誘電泳動のベクトルを任意の方向に操作することが可能となる。
(Effects of this embodiment)
In this embodiment, by locally irradiating the photoconductive portion 15 with light, a light-irradiated region A and a light-unirradiated region B with different conductivity are created, and by setting the frequency of the AC voltage applied to electrodes 10 and 20 to a specific frequency, it becomes possible to manipulate the dielectric vector in any direction.
また、本実施形態では、光照射領域Aの形状、位置、及びサイズを変更することができるので、操作対象物Xを所望の位置に集結や移動などを行うことができる。 Furthermore, in this embodiment, the shape, position, and size of the light irradiation area A can be changed, allowing the target object X to be concentrated or moved to a desired position.
また、本実施形態では、所定のタイミングで、光照射領域Aの形状を変更し且つ交流電圧の周波数を特定周波数に変更することによって、光照射領域Aの形状の変更に合わせて、光照射領域Aに働く力を斥力から引力、又はその逆に変更することができる。これにより、溶媒中の操作対象物Xの操作の自由度が向上する。 Furthermore, in this embodiment, by changing the shape of the light-irradiated area A and changing the frequency of the AC voltage to a specific frequency at a predetermined timing, the force acting on the light-irradiated area A can be changed from a repulsive force to an attractive force, or vice versa, in accordance with the change in the shape of the light-irradiated area A. This improves the degree of freedom in manipulating the object X in the solvent.
また、応用例として、生物分野や化学分野(マイクロ流体デバイスなど)の実験や生産工程といった液中の微小材料を所望の位置に配置したい場面で、本発明の誘電泳動装置を活用することができる。そして、任意の細胞や微粒子をレーザー照射部分に集結・拡散、またはトラップしたままで移動させるといったことが実現できる。 Furthermore, as an application example, the dielectrophoresis apparatus of the present invention can be used in situations where it is necessary to position microscopic materials in a liquid at a desired location, such as in experiments and production processes in the biological and chemical fields (e.g., microfluidic devices). This allows for the concentration, diffusion, or trapping of specific cells or microparticles in a laser-irradiated area, or their subsequent movement.
以上、本発明を実施形態と共に説明したが、上記実施形態は本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The present invention has been described above along with its embodiments. However, these embodiments are merely examples of how the present invention can be implemented, and the technical scope of the present invention should not be interpreted as being limited by them. In other words, the present invention can be implemented in various forms without departing from its technical concept or its main features.
例えば、局所的に導電率が異なる領域を形成することが可能な誘電泳動装置であれば、電極間の距離や印加電圧といったパラメータに関しては、制約はない。 For example, in a dielectrophoresis apparatus capable of forming regions with locally different conductivity, there are no constraints on parameters such as the distance between electrodes or the applied voltage.
1:誘電泳動装置、 10:操作電極、 15:光導電部、 20:対向電極、 30:ファンクションジェネレータ、 40:レーザープロジェクタ、 50:デジタルミラーデバイス、 60:レンズ、 70:スペーサ、 80:制御部、 81:プロセッサ、 82:メモリ、 83:補助記憶部、 84:インターフェース、 A:光照射領域、 B:光未照射領域、X:操作対象物 1: Dielectrophoresis apparatus, 10: Operating electrode, 15: Photoconductive part, 20: Counter electrode, 30: Function generator, 40: Laser projector, 50: Digital mirror device, 60: Lens, 70: Spacer, 80: Control unit, 81: Processor, 82: Memory, 83: Auxiliary storage unit, 84: Interface, A: Light-irradiated area, B: Un-irradiated area, X: Object being manipulated
Claims (6)
前記操作対象物を含む溶媒が収容されるよう間隔を隔てて配置される透光性を有する第1電極及び第2電極と、
前記溶媒に面して配置され、光の照射によって導電率が変化する光導電部と、
前記光導電部に局所的に光を照射する光照射部と、
前記第1電極及び前記第2電極に交流電圧を印加する交流電源と、
前記交流電源が印加する前記交流電圧の周波数を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記光照射部が照射する光の形状を環状にするとともに、前記交流電圧の周波数を第1周波数にし、
前記制御部は、前記光照射部が照射する光の形状を円状にするとともに、前記交流電圧の周波数を前記第1周波数より高い第2周波数に変更する
ことを特徴とする誘電泳動装置。 A dielectrophoresis apparatus for manipulating objects by dielectrophoresis,
A first electrode and a second electrode, both being light-transmitting, are arranged at intervals from each other so as to contain the solvent containing the object to be operated on.
A photoconductive portion is positioned facing the solvent and whose conductivity changes upon irradiation with light,
A light irradiation unit that locally irradiates light onto the photoconductive portion,
An AC power supply that applies an AC voltage to the first electrode and the second electrode,
The system comprises a control unit that controls the frequency of the AC voltage applied by the AC power supply ,
The control unit makes the shape of the light emitted by the light irradiation unit annular and sets the frequency of the AC voltage to a first frequency.
The control unit makes the shape of the light emitted by the light irradiation unit circular and changes the frequency of the AC voltage to a second frequency that is higher than the first frequency.
A dielectrophoresis apparatus characterized by the following features.
ことを特徴とする請求項1に記載の誘電泳動装置。 The dielectric constant of the object to be operated on is lower than the dielectric constant of the solvent, as described in claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載の誘電泳動装置。The dielectrophoresis apparatus according to feature 1.
前記操作対象物を含む溶媒が収容されるよう間隔を隔てて配置される透光性を有する第1電極及び第2電極に交流電圧を印加すること、
前記溶媒に面して配置され、光の照射によって導電率が変化する光導電部に局所的に光を照射すること、及び
前記交流電圧の周波数を変更すること、を有し、
前記交流電圧の周波数を制御することにおいては、前記光導電部に対して照射する光の形状を環状にするとともに、前記交流電圧の周波数を第1周波数にし、
前記交流電圧の周波数を制御することにおいては、前記光導電部に対して照射する光の形状を円状にするとともに、前記交流電圧の周波数を前記第1周波数より高い第2周波数に変更する
ことを特徴とする誘電泳動方法。 A dielectrophoresis method for manipulating an object by dielectrophoresis,
Apply an alternating current voltage to a first and second translucent electrode, which are spaced apart so as to contain the solvent containing the object to be operated.
The method involves locally irradiating a photoconductive portion, which is positioned facing the solvent and whose conductivity changes upon irradiation with light, with light, and changing the frequency of the AC voltage.
In controlling the frequency of the AC voltage, the shape of the light irradiated onto the photoconductive part is made annular, and the frequency of the AC voltage is set to a first frequency.
In controlling the frequency of the AC voltage, the shape of the light irradiated onto the photoconductive part is made circular, and the frequency of the AC voltage is changed to a second frequency that is higher than the first frequency.
A dielectric electrophoresis method characterized by the following features.
ことを特徴とする請求項4に記載の誘電泳動方法。 The dielectric constant of the object to be operated on is lower than the dielectric constant of the solvent, as described in claim 4 .
ことを特徴とする請求項4に記載の誘電泳動方法。The dielectrophoresis method according to feature 4.
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