特許第6811381号(P6811381)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特許6811381誘電泳動に適した濃縮装置およびそれを用いて粒子を濃縮する方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6811381
(24)【登録日】2020年12月17日
(45)【発行日】2021年1月13日
(54)【発明の名称】誘電泳動に適した濃縮装置およびそれを用いて粒子を濃縮する方法
(51)【国際特許分類】
   B01D 57/02 20060101AFI20201228BHJP
   B03C 5/00 20060101ALI20201228BHJP
   C12N 7/02 20060101ALI20201228BHJP
【FI】
   B01D57/02
   B03C5/00 Z
   C12N7/02
【請求項の数】8
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2018-546139(P2018-546139)
(86)(22)【出願日】2017年3月15日
(86)【国際出願番号】JP2017010339
(87)【国際公開番号】WO2018073991
(87)【国際公開日】20180426
【審査請求日】2019年9月27日
(31)【優先権主張番号】特願2016-206610(P2016-206610)
(32)【優先日】2016年10月21日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックIPマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106116
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 健司
(74)【代理人】
【識別番号】100115554
【弁理士】
【氏名又は名称】野村 幸一
(72)【発明者】
【氏名】榛葉 教子
(72)【発明者】
【氏名】西尾 和晃
【審査官】 田中 雅之
(56)【参考文献】
【文献】 特表2005−506191(JP,A)
【文献】 特開2010−187664(JP,A)
【文献】 国際公開第2013/069122(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B01D 35/06
B01D 43/00
B01D 57/00−57/02
B03C 3/00−11/00
C12N 1/00− 7/08
G01N 27/26−27/404
G01N 27/41−27/416
G01N 27/42−27/49
G01N 33/00−33/46
G01N 35/00−37/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
誘電泳動に適した濃縮装置であって、
第1基板、
前記第1基板に対向するように設けられた第2基板、
前記第1基板および前記第2基板の間に、試料溶液がY軸方向に流れるように形成されている流路、
前記流路内に配置された第1ピラー電極行、および
前記流路内に配置された第2ピラー電極行、
を具備し、
ここで、
前記第1ピラー電極行および前記第2ピラー電極行は、X軸方向に平行であり、
前記第1ピラー電極行および前記第2ピラー電極行は、2以上の第1ピラー電極および2以上の第2ピラー電極を含み、
各第1ピラー電極は、第1の頂点P1および第2の頂点P2を含み、
各第2ピラー電極は、第1の頂点Q1および第2の頂点Q2を含み、
各第1ピラー電極に含まれる前記第1の頂点P1および前記第2の頂点P2を結ぶ線分は、X軸方向に平行であり、
各第2ピラー電極に含まれる前記第1の頂点Q1および前記第2の頂点Q2を結ぶ線分は、Y軸方向に平行であり、
平面視において、前記X軸方向は前記Y軸方向に直交しており、
ピラー電極群が、
前記第2ピラー電極行に含まれる前記2以上の第1ピラー電極から選択される1つの左側第1ピラー電極L、
前記第2ピラー電極行に含まれる前記2以上の第1ピラー電極から選択される1つの右側第1ピラー電極R、
前記第1ピラー電極行に含まれる前記2以上の第2ピラー電極から選択される1つの第2ピラー電極A、および
前記第2ピラー電極行に含まれる前記2以上の第2ピラー電極から選択される1つの第2ピラー電極B、
から構成され、
平面視において、前記左側第1ピラー電極Lの前記第2の頂点P2および前記右側第1ピラー電極Rの前記第1の頂点P1が互いに向かい合うように、前記左側第1ピラー電極Lおよび前記右側第1ピラー電極Rは互いに隣接し、
平面視において、前記第2ピラー電極Aの前記第2の頂点Q2および前記第2ピラー電極Bの第1の頂点Q1を通る直線が前記Y軸方向に平行であり、
以下の数式(I)が充足される:
L3≧5マイクロメートル(I)
ここで、
L3=A1−A2
A1は、前記第2ピラー電極Aの前記第2の頂点Q2および中心点Oの間の距離を表し、
A2は、前記第2ピラー電極Bの前記第1の頂点Q1および前記中心点Oの間の距離を表し、
前記中心点Oは、線分Qおよび線分Pの交点であり、
前記線分Qは、前記第2ピラー電極Aの前記第2の頂点Q2および前記第2ピラー電極Bの前記第1の頂点Q1の間を結ぶ線分であり、かつ
前記線分Pは、前記左側第1ピラー電極Lの前記第2の頂点P2および前記右側第1ピラー電極Rの前記第1の頂点P1の間を結ぶ線分である、
濃縮装置。
【請求項2】
試料溶液に含有される粒子を濃縮する方法であって、以下の工程:
(a) 請求項1に記載の濃縮装置を用意する工程、かつ
(b) 前記第1ピラー電極行から第2ピラー電極行に向かう方向に前記試料溶液を流しながら第1ピラー電極および第2ピラー電極の間に交流電圧を印加して、前記中心点Oおよびその周りに前記粒子を濃縮する工程、
を具備する、方法。
【請求項3】
請求項2に記載の方法であって、
前記粒子は、100ナノメートル以下の粒径を有する、方法。
【請求項4】
請求項2に記載の方法であって、
前記交流電圧が20ボルトpp以下の電圧を有する、方法
【請求項5】
請求項2に記載の方法であって、
前記A2の値が1.4マイクロメートル以下である、方法。
【請求項6】
請求項2に記載の方法であって、
前記線分Pが、2.8マイクロメートル以下の長さを有する、方法。
【請求項7】
請求項2に記載の方法であって、
前記粒子が、インフルエンザウィルスである、方法。
【請求項8】
請求項2に記載の方法であって、
前記粒子が、ノロウィルスである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、誘電泳動に適した濃縮装置およびそれを用いて粒子を濃縮する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
図25は、特許文献1に含まれる図1の写しである。特許文献1は、媒質に懸濁され、交流電界の作用に付される誘電体粒子、特に生物細胞を取り扱う誘電泳動システムを開示している。該電界の分配は、局部域(L)を区画し得る、電極(E1、E2)の規則的なネットワーク(R)を用いて不均一にされており、ここで、負の誘電泳動力の作用の結果として該局部域(L)に粒子を集中させるために、電界は最小限である。本発明のシステムは、電極(E1、E2)の配列(R)が多層基板(1)の表面に形成されていることを特徴とする。さらに、該システムは、配列(R)の同極性の電極(E1、E2)が、電極のネットワーク(R)の下に位置して中間レベルに形成された条導体(C1、C2)の2つのネットワーク(R1、R2)を介して共通電源接点(P1、P2)に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表2005−506191号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の目的は、誘電泳動に適した濃縮装置およびそれを用いて粒子を濃縮する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、誘電泳動に適した濃縮装置を提供する。当該濃縮装置は、
第1基板、
前記第1基板に対向するように設けられた第2基板、
前記第1基板および前記第2基板の間に形成されている流路、
前記流路内に配置された第1ピラー電極行、および
前記流路内に配置された第2ピラー電極行、
を具備する。
ここで、
前記第1ピラー電極行および前記第2ピラー電極行は、X軸方向に平行であり、
前記第1ピラー電極行および前記第2ピラー電極行は、2以上の第1ピラー電極および2以上の第2ピラー電極を含み、
各第1ピラー電極は、第1の頂点P1および第2の頂点P2を含み、
各第2ピラー電極は、第1の頂点Q1および第2の頂点Q2を含み、
各第1ピラー電極に含まれる前記第1の頂点P1および前記第2の頂点P2を結ぶ線分は、X軸方向に平行であり、
各第2ピラー電極に含まれる前記第1の頂点Q1および前記第2の頂点Q2を結ぶ線分は、Y軸方向に平行であり、
平面視において、前記X軸方向は前記Y軸方向に直交しており、
ピラー電極群が、
前記第2ピラー電極行に含まれる前記2以上の第1ピラー電極から選択される1つの左側第1ピラー電極L、
前記第2ピラー電極行に含まれる前記2以上の第1ピラー電極から選択される1つの右側第1ピラー電極R、
前記第1ピラー電極行に含まれる前記2以上の第2ピラー電極から選択される1つの第2ピラー電極A、および
前記第2ピラー電極行に含まれる前記2以上の第2ピラー電極から選択される1つの第2ピラー電極B、
から構成され、
平面視において、前記左側第1ピラー電極Lの前記第2の頂点P2および前記右側第1ピラー電極Rの前記第1の頂点P1が互いに向かい合うように、前記左側第1ピラー電極Lおよび前記右側第1ピラー電極Rは互いに隣接し、
平面視において、前記第2ピラー電極Aの前記第2の頂点Q2および前記第2ピラー電極Bの第1の頂点Q1を通る直線が前記Y軸方向に平行であり、
以下の数式(I)が充足される:
L3≧5マイクロメートル (I)
ここで、
L3=A1−A2
A1は、前記第2ピラー電極Aの前記第2の頂点Q2および中心点Oの間の距離を表し、
A2は、前記第2ピラー電極Bの前記第1の頂点Q1および前記中心点Oの間の距離を表し、
前記中心点Oは、線分Qおよび線分Pの交点であり、
前記線分Qは、前記第2ピラー電極Aの前記第2の頂点Q2および前記第2ピラー電極Bの前記第1の頂点Q1の間を結ぶ線分であり、かつ
前記線分Pは、前記左側第1ピラー電極Lの前記第2の頂点P2および前記右側第1ピラー電極Rの前記第1の頂点P1の間を結ぶ線分である。
【発明の効果】
【0006】
本発明は、誘電泳動に適した濃縮装置およびそれを用いて粒子を濃縮する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1A図1Aは、実施形態による濃縮装置の平面図を示す。
図1B図1Bは、図1Aに含まれる線1B−1Bに沿った断面図を示す。
図1C図1Cは、図1Aに含まれる線1C−1Cに沿った断面図を示す。
図1D図1Dは、第1基板110の裏側の面の概略図を示す。
図2図2は、第1ピラー電極301および第2ピラー電極302の平面図を示す。
図3図3は、隣接する2つの第1ピラー電極301およびそれらに近接する1つの第2ピラー電極302の平面図を示す。
図4図4は、2つの第1ピラー電極301および2つの第2ピラー電極302の平面図を示す。
図5図5は、実施例1において、交流電圧が印加されずに試料溶液が流れている流路103の蛍光顕微鏡写真の図である。
図6図6は、実施例1において、交流電圧が印加されながら試料溶液が流れている流路103の蛍光顕微鏡写真の図である。
図7図7は、実施例1において、交流電圧の印加の終了から5秒後の流路103の蛍光顕微鏡写真の図である。
図8図8は、実施例2において、交流電圧が印加されずに試料溶液が流れている流路103の蛍光顕微鏡写真の図である。
図9図9は、実施例2において、交流電圧が印加されながら試料溶液が流れている流路103の蛍光顕微鏡写真の図である。
図10図10は、実施例2において、交流電圧の印加の終了から5秒後の流路103の蛍光顕微鏡写真の図である。
図11図11は、実施例3において、交流電圧が印加される前に撮影された蛍光顕微鏡写真の図である。
図12図12は、実施例3において、交流電圧が印加されている間に撮影された蛍光顕微鏡写真の図である。
図13図13は、シミュレーション例A1におけるシミュレーションの結果を示す平面図である。
図14図14は、シミュレーション例A2におけるシミュレーションの結果を示す平面図である。
図15図15は、シミュレーション例A3におけるシミュレーションの結果を示す平面図である。
図16図16は、2つの第1ピラー電極301および2つの第2ピラー電極302の平面図を示す。
図17図17は、シミュレーション例B1の結果を示すグラフである。
図18図18は、シミュレーション例B2の結果を示すグラフである。
図19図19は、シミュレーション例B3の結果を示すグラフである。
図20図20は、シミュレーション例B4の結果を示すグラフである。
図21図21は、シミュレーション例B5の結果を示すグラフである。
図22図22は、シミュレーション例B6の結果を示すグラフである。
図23図23は、シミュレーション例B7の結果を示すグラフである。
図24A図24Aは、実施形態による濃縮装置を製造する方法に含まれる1工程におけるシリコン基板90の断面図を示す。
図24B図24Bは、図24Aに示される工程に続いて、当該方法に含まれる1工程におけるシリコン基板90の断面図を示す。
図24C図24Cは、図24Bに示される工程に続いて、当該方法に含まれる1工程におけるシリコン基板90の断面図を示す。
図24D図24Dは、図24Cに示される工程に続いて、当該方法に含まれる1工程におけるシリコン基板90の断面図を示す。
図24E図24Eは、図24Dに示される工程に続いて、当該方法に含まれる1工程におけるシリコン基板90の断面図を示す。
図24F図24Fは、図24Eに示される工程に続いて、当該方法に含まれる1工程におけるシリコン基板90の断面図を示す。
図25図25は、特許文献1に含まれる図1の写しである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、本発明の実施形態が、図面を参照しながら詳細に説明される。図1Aは、実施形態による濃縮装置の平面図を示す。図1Bは、図1Aに含まれる線1B−1Bに沿った断面図を示す。図1Cは、図1Aに含まれる線1C−1Cに沿った断面図を示す。
【0009】
図1Bおよび図1Cに示されるように、実施形態による濃縮装置は、第1基板110および第2基板105を具備している。第2基板105は、第1基板110に対向している。第1基板110および第2基板105の間には、流路103が形成されている。流路103は、高さHおよび幅Wを有している。
【0010】
図1Dは、第1基板110の裏側の面の概略図を示す。図1Aは、第1基板110の表側の面の概略図でもある。図1A図1Dに示されるように、第1基板110は、注入孔101および排出孔102を具備している。注入孔101および排出孔102は、貫通孔である。注入孔101は、流路103を通じて排出孔102に連通している。従って、試料溶液は、注入孔101から注入され、流路103を流れ、そして排出孔102から排出される。図1A図1Dから明らかなように、実施形態による濃縮装置は、濃縮のためのチップ(以下、「濃縮チップ」とも呼ばれ得る)でもある。
【0011】
第1基板110の裏面には、第1くし形電極201および第2くし形電極202が設けられている。第1くし形電極201および第2くし形電極202は、互いに係合している。
【0012】
流路103の内部には、第1ピラー電極301および第2ピラー電極302が設けられている。第1ピラー電極301は、第1くし形電極201に電気的に接続されている。第2ピラー電極302は、第2くし形電極202に電気的に接続されている。言うまでもないが、第1ピラー電極301は、第2くし形電極202からは電気的に絶縁されている。同様に、第2ピラー電極302は、第1くし形電極201からは電気的に絶縁されている。
【0013】
以下、第1ピラー電極301および第2ピラー電極302が詳細に説明される。図2は、第1ピラー電極301および第2ピラー電極302の平面図を示す。平面視において、第1ピラー電極301は、ラグビーボールの形状を有している。第2ピラー電極302もまた、ラグビーボールの形状を有している。複数の第1ピラー電極301および複数の第2ピラー電極302により、1本のピラー電極行303が形成されている。言い換えれば、1本のピラー電極行303は、複数の第1ピラー電極301および複数の第2ピラー電極302を含む。流路103には、複数のピラー電極行303が形成されている。各ピラー電極行303は、X軸方向に平行である。このように、流路103内には、2以上のピラー電極行303が設けられている。
【0014】
図3は、隣接する2つの第1ピラー電極301およびそれらに近接する1つの第2ピラー電極302の平面図を示す。各第1ピラー電極301は、第1の頂点P1および第2の頂点P2を含む。各第1ピラー電極301に含まれる第1の頂点P1および第2の頂点P2を結ぶ線分は、X軸方向に平行であり、かつ長さL1を有する。各第2ピラー電極302は、第1の頂点Q1および第2の頂点Q2を含む。各第2ピラー電極302に含まれる第1の頂点Q1および第2の頂点Q2を結ぶ線分は、Y軸方向に平行であり、かつ長さL2を有する。第1の頂点Q1は、頂点P1および頂点P2に近い。一方、第2の頂点Q2は、頂点P1および頂点P2から遠い。言い換えれば、図2に示されるように、第1ピラー電極行303aに含まれる第2ピラー電極302に含まれる第2の頂点Q2の方が、第1ピラー電極行303aに含まれる第2ピラー電極302に含まれる第1の頂点Q1よりも、第2ピラー電極行302bに近い。第3のピラー電極行303cが設けられ得る。いうまでもないが、X軸方向はY軸方向に直交している。
【0015】
図4は、図2に含まれる点線により囲まれた領域Uの拡大図を示す。図4は、領域Uに含まれる1つのピラー電極群を示す図でもある。図4に示されるように、1つのピラー電極群が、以下の(I)〜(IV)の4つの電極から構成される。
(I) 第2ピラー電極行303bに含まれる2以上の第1ピラー電極301から選択される1つの左側第1ピラー電極301L、
(II) 第2ピラー電極行303bに含まれる2以上の第1ピラー電極301から選択される1つの右側第1ピラー電極301R、
(III) 第1ピラー電極行303aに含まれる2以上の第2ピラー電極302から選択される1つの第2ピラー電極302A、および
(IV) 第2ピラー電極行303bに含まれる2以上の第2ピラー電極302から選択される1つの第2ピラー電極302B。
左側第1ピラー電極301Lの第2の頂点P2および右側第1ピラー電極301Rの第1の頂点P1が互いに向かい合うように、左側第1ピラー電極301Lおよび右側第1ピラー電極301Rは互いに隣接している。
図4から明らかなように、左側第1ピラー電極301Lの第2の頂点P2および右側第1ピラー電極301Rの第1の頂点P1を通る直線はX軸方向に平行である。
第2ピラー電極Aの第2の頂点Q2および第2ピラー電極Bの第1の頂点Q1を通る直線はY軸方向に平行である。
【0016】
図4に示されるように、中心点O、線分Q、および線分Pが、以下のように定義される。
中心点Oは、線分Qおよび線分Pの交点である。1つのピラー電極群に含まれる4つの電極は、平面視において中心点Oを取り囲む。
線分Qは、第2ピラー電極302Aの第2の頂点Q2および第2ピラー電極302Bの第1の頂点Q1の間を結ぶ線分である。
線分Pは、左側第1ピラー電極301Lの第2の頂点P2および右側第1ピラー電極301Rの第1の頂点P1の間を結ぶ線分である。
【0017】
本実施形態は、以下の数式(I)が充足されることによって特徴づけられる。
L3≧5マイクロメートル (I)
ここで、
L3=A1−A2
A1は、第2ピラー電極302Aの第2の頂点Q2および中心点Oの間の距離を表し、かつ
A2は、第2ピラー電極302Bの第1の頂点Q1および中心点Oの間の距離を表す。
【0018】
本実施形態では、L3の値が5マイクロメートル以上であるので、シミュレーション例B1〜B7において実証されているように、誘電泳動力が引力として中心点Oを流れる粒子に与えられる。このため、粒子は流路103を流れる流体(すなわち、試料溶液)の流れに逆らって中心点Oおよびその周りにのみトラップされる。このようにして、粒子は中心点Oおよびその周りに濃縮される。L3の値が0マイクロメートルである場合には、シミュレーション例B1〜B7において実証されているように、誘電泳動力が斥力として中心点Oを流れる粒子に与えられる。このため、当該斥力が、流路103を流れる粒子の流れを加速させる。その結果、粒子はトラップされず、そして流路103の下流に向けてより速く流れる。
【0019】
シミュレーション例B1〜B4において実証されているように、L3の値は、5マイクロメートル以上であることが望ましい。図17図20を参照せよ。
【0020】
シミュレーション例B5において実証されているように、A2の値は2.8マイクロメートル以下であることが望ましい。図21を参照せよ。
【0021】
シミュレーション例B6において実証されているように、線分Pの長さは、5.6マイクロメートル以下であることが望ましい。図22を参照せよ。
【0022】
(製造方法)
以下、実施形態による濃縮装置を製造する方法が図24A図24Fを参照しながら説明される。実施形態による濃縮装置は、半導体装置の一般的な製造方法を利用して製造され得る。
【0023】
まず、図24Aに示されるように、底面に絶縁層91を具備するシリコン基板90の上面に、第1レジスト901がパターニングされる。次いで、図24Bに示されるように、さらに第2レジスト902がパターニングされる。その後、図24Cに示されるように、第1レジスト901も第2レジスト902のどちらも形成されていない部分のシリコン基板90が、第1レジスト901および第2レジスト902の両者をマスクとして用いるエッチングされる。エッチングされた部分の底部は、シリコン基板90の内部に位置する。
【0024】
図24Dに示されるように、第2レジスト902が除去される。次いで、図24Eに示されるように、シリコン基板90が、第1レジスト901をマスクとして用いてエッチングされる。エッチングされた部分の底部は、絶縁層91の表側の面に到達する。このとき、高さHおよび幅Wを有する流路103が形成される。最後に、図24Fに示されるように、第1レジスト901が除去される。このようにして、第1基板110が形成される。注入孔10および排出孔10が形成された後、第1基板110は第2基板105に貼り合わされる。
【0025】
(濃縮方法)
以下、実施形態による濃縮装置を用いて、試料溶液に含有される粒子を濃縮する方法が説明される。本実施形態では、粒子は、30ナノメートル以上100ナノメートル以下の粒径を有し得る。粒子の例は、インフルエンザウィルス(粒径:およそ100ナノメートル)またはノロウィルス(粒径:およそ30ナノメートル)である。
【0026】
まず、実施形態による濃縮装置が用意される。具体的には、濃縮装置のユーザーは、この特許の権利者またはそのライセンシーから、実施形態による濃縮装置を購入する。
【0027】
次に、第1基板110および第2基板105の間に試料溶液が供給される。具体的には、注入孔101から試料溶液が注入される。注入された試料溶液は、流路103を流れる。
【0028】
試料溶液が流路103を流れている間に、第1くし形電極201および第2くし形電極202を介して、各第1ピラー電極301および各第2ピラー電極302の間に交流電圧が印加される。望ましくは、印加される交流電圧は、5ボルトpp以上20ボルトpp以下の電圧、および50キロヘルツ以上20メガヘルツ以下の周波数を有する。用語「pp」とは、ピークツーピークを意味する。
【0029】
この交流電圧は、中心点Oおよびその周囲において、著しく高い電場を有する領域を形成する。この高い電場は、中心点Oおよびその周囲において、粒子に引力としての誘電泳動力を与える。この引力としての誘電泳動力のため、粒子は、流路103を流れる流体(すなわち、試料溶液)の流れに逆らって中心点Oおよびその周りにのみトラップされる。言い換えれば、この引力としての誘電泳動力は、流路103を流れる試料溶液から粒子が受ける力(すなわち+Y方向に向けて粒子を流す力)よりも大きい。このようにして、粒子は中心点Oおよびその周りでのみ濃縮される。最後に、試料溶液は排出孔10から排出される一方で、粒子は中心点Oおよびその周りに残される。
【0030】
上述したように、L3の値は5マイクロメートル以上である。L3の値が0マイクロメートルである場合には、シミュレーション例B1〜B7において実証されているように、粒子に与えられる斥力としての誘電泳動力が、粒子の速度を加速させる。そのため、粒子はトラップされず、そして流路103の下流に向けて(すなわち+Y方向に向けて)より速く流れる。
【0031】
本明細書において用いられる用語「平行」は、5度以下の角度誤差を含み得る。同様に、用語「垂直」もまた、5度以下の角度誤差を含み得る。
【0032】
(実施例)
以下、以下の実施例を参照しながら、本発明がより詳細に説明される。
【0033】
(実施例1)
実施例1では、蛍光ポリスチレン粒子を含有する試料溶液が用いられた。試料溶液は、蛍光ポリスチレン粒子(Polysciences社から入手、商品名:Fluoresbrite Yellow Green Carboxylate Microspheres、粒径:0.1マイクロメートル、w/v濃度:2.6%)を1%Tween20水溶液で10万倍希釈することにより調製された。試料溶液は、約4.7×10個/mlの蛍光ポリスチレン粒子濃度を有していた。
【0034】
SOI基板が図24A図24Fに示されるようにエッチングされ、第1基板110を製造した。第1基板110は、第2基板105に貼り合わされた。このようにして、実施例1による濃縮装置が製造された。
【0035】
以下の表1は、実施例1による濃縮装置の詳細を示す。
【0036】
【表1】
【0037】
次に、注入孔101からエタノールが20マイクロリットル/分の流速で5分間供給された。このようにして、流路103から空気が除去された。さらに、注入孔101から1%Tween20水溶液が20マイクロリットル/分の流速で5分間供給された。このようにして、流路103からエタノールが除去された。流路103は1%Tween20水溶液で満たされた。
【0038】
次に、注入孔101から、試料溶液が20マイクロリットル/分の流速で5分間供給された。図5は、試料溶液が流れている流路103の蛍光顕微鏡写真である。この時点では、交流電圧は印加されていなかった。
【0039】
第1くし形電極201および第2くし形電極202を介して、第1ピラー電極301および第2ピラー電極302の間に、14.14ボルトppの電圧および5メガヘルツの周波数を有する交流電圧が印加されながら、試料溶液の供給が続けられた。図6は、交流電圧が印加されながら試料溶液が流れている流路103の蛍光顕微鏡写真である。
【0040】
最後に、交流電圧の印加が停止された。試料溶液の供給は続けられた。図7は、交流電圧の印加が停止されてから5秒後の流路103の蛍光顕微鏡写真である。
【0041】
図5図7から明らかなように、試料溶液の供給が続けられていても、交流電圧が印加されている間は、粒子が中心点Oおよびその周りに濃縮される。
【0042】
(実施例2)
実施例2では、交流電圧が7ボルトppの電圧および100KHzの周波数を有すること以外は、実施例1と同様の実験が行われた。図8図10は、それぞれ、図5図7に対応する蛍光顕微鏡写真である。図8図10から明らかなように、実施例2においても、試料溶液の供給が続けられていても、交流電圧が印加されている間は、粒子が中心点Oおよびその周りに濃縮される。
【0043】
(実施例3)
実施例3では、試料溶液が蛍光ポリスチレン粒子ではなく、不活性化インフルエンザウィルス粒子を含有していたこと、および交流電圧が10ボルトppの電圧および500kHzの周波数を有すること以外は、実施例1と同様の実験が行われた。図11は、交流電圧が印加される前に撮影された蛍光顕微鏡写真である。図12は、交流電圧が印加されているときに撮影された蛍光顕微鏡写真である。図11および図12の両者において、試料溶液の供給が続けられていた。図11および図12から明らかなように、実施例3においても、試料溶液の供給が続けられていても、交流電圧が印加されている間は、インフルエンザウィルス粒子が中心点Oおよびその周りに濃縮された。
【0044】
不活性化インフルエンザウィルス粒子を含有している試料溶液は、以下のように調製された。インフルエンザウィルスは、北海道大学大学院獣医学研究室において培養された鶏卵の漿尿液中に含有されるH1N1型A/Hyogo/YS/2011株であった。インフルエンザウィルスは、β−プロピオラクトンを用いて不活化された。
【0045】
次に、不活性化インフルエンザウィルスは、以下のように染色された。蛍光色素(Biotium社から入手、商品名:30022 CellBriteOrange Cytoplasmic Membrane Dye 1ml DiI cell labeling solution、5マイクロリットル)が、500ミリリットルの容積を有する生理食塩水で希釈された。その直後に、蛍光色素を含有する生理食塩水は、不活性化インフルエンザウィルスの水溶液(500ミリリットル)と混合され、混合液を得た。混合液は、摂氏37度で20分間放置された。このようにして、不活性化インフルエンザウィルスは染色された。
【0046】
次に、不活性化インフルエンザウィルスの水溶液に、マンニトール水溶液(濃度:280mM、容積:1ミリリットル)が添加された。水溶液は0.45μmのフィルターでろ過された。これにより、0.45マイクロメートル以上の粒径を有する狭雑物が除去された。その後に、100kDaの分子量のろ過精度を有する遠心フィルターを用いて、水溶液を、容積が約60マイクロリットルになるように濃縮した。最後に、水溶液が0.78mS/cmの導電率を有するように、マンニトール水溶液(濃度:280mM、容積:600μL)が添加された。このようにして、不活性化インフルエンザウィルスを含有している試料溶液が調製された。
【0047】
(シミュレーション例A1)
シミュレーション例A1では、シミュレーター(COMSOL社から入手、商品名:COMSOL Multiphysics)を用いて、粒子の濃縮が以下の表2に示される条件下でシミュレートされた。
【0048】
【表2】

【0049】
図13は、シミュレーション例A1におけるシミュレーションの結果を示す平面図である。黒点の濃度が増えるに従って、電場が増加する。図13から明らかなように、中心点Oおよびその周囲において、著しく高い電場を有する領域が形成される。
【0050】
(シミュレーション例A2)
シミュレーション例A2では、平面視での第1ピラー電極301の形状が菱形かつ正方形であったこと以外を除き、シミュレーション例A1と同様のシミュレーションが行われた。図14は、シミュレーション例A2におけるシミュレーションの結果を示す平面図である。図14から明らかなように、中心点Oおよびその周囲において、著しく高い電場を有する領域が形成される。
【0051】
(シミュレーション例A3)
シミュレーション例A3では、平面視での第2ピラー電極302の形状が菱形かつ正方形であったこと以外を除き、シミュレーション例A1と同様のシミュレーションが行われた。図15は、シミュレーション例A3におけるシミュレーションの結果を示す平面図である。図15から明らかなように、中心点Oおよびその周囲において、著しく高い電場を有する領域が形成される。
【0052】
図13図15から明らかなように、以下の4つの条件(I)〜(IV)が満たされる限り、平面視における第1ピラー電極301および第2ピラー電極302の形状は限定されない。
(I) 各第1ピラー電極301は、第1の頂点P1および第2の頂点P2を含む。
(II) 各第2ピラー電極302は、第1の頂点Q1および第2の頂点Q2の頂点を含む。
(III) 第1の頂点P1および第2の頂点P2を結ぶ線分は、X軸方向に平行である。
(IV) 第1の頂点Q1および第2の頂点Q2を結ぶ線分は、Y軸方向に平行である。
【0053】
(シミュレーション例B1)
シミュレーション例B1では、以下の表3に示される条件下で粒子に与えられる誘電泳動力がシミュレートされた。
【0054】
【表3】
【0055】
シミュレーション例B1では、図16に示されるように、中心点Oを通り、線分Pに対して45度傾いている直線LL上に位置する粒子に与えられる誘電泳動力がシミュレートされた。図16に示されるように、中心点Oから粒子が+X−Y方向に位置している場合には、当該粒子および中心点Oの間の距離は負と定義される。一方、中心点Oから粒子が−X+Y方向に位置している場合には、当該粒子および中心点Oの間の距離は正と定義される。いうまでもないが、流路103を流れる試料溶液の流れる方向は+Y方向である。
【0056】
図17は、シミュレーション例B1の結果を示すグラフである。図17に示されるグラフにおいて、横軸は、直線LL上に位置する粒子の中心点Oからの距離である。縦軸は、粒子に与えられる誘電泳動力である。正の値は引力としての誘電泳動力を表す。負の値は斥力としての誘電泳動力を表す。言い換えれば、図17に示されるグラフの上半分の領域では、粒子に引力が与えられ、粒子は中心点Oに引き寄せられる。一方、図17に示されるグラフの下半分の領域では、粒子に斥力が与えられ、粒子は中心点Oから+Y方向に遠ざけられる。
【0057】
図17から明らかなように、L3の値が5マイクロメートル以上であれば、粒子に引力としての誘電泳動力が与えられる。この引力としての誘電泳動力のため、粒子は、流路103を流れる流体(すなわち、試験試料)の流れに逆らって中心点Oおよびその周りにのみトラップされる。このようにして、粒子は中心点Oおよびその周りにのみ濃縮される。
【0058】
一方、L3の値が0マイクロメートルである場合、流路103を流れる流体(すなわち、試験試料)の流れに沿って粒子が中心点Oに近づく間に粒子に斥力としての誘電泳動力が与えられる。粒子に与えられる斥力としての誘電泳動力は、粒子の速度を加速させる。そのため、粒子はトラップされず、そして流路103の下流に向けてより速く流れる。従って、粒子は濃縮されない。
【0059】
(シミュレーション例B2)
シミュレーション例B2では、粒子の粒径が30ナノメートルであったことを除き、シミュレーション例B1と同様のシミュレーションが行われた。図18は、シミュレーション例B2の結果を示すグラフである。
【0060】
図18から明らかなように、L3の値が5マイクロメートル以上であれば、粒子に引力としての誘電泳動力が与えられる。従って、粒子は中心点Oおよびその周りにのみ濃縮される。一方、L3の値が0マイクロメートルであれば、流路103を流れる流体(すなわち、試験試料)の流れに沿って粒子が中心点Oに近づく間に粒子に斥力としての誘電泳動力が与えられる。従って、粒子は濃縮されない。
【0061】
(シミュレーション例B3)
シミュレーション例B3では、交流電圧が5ボルトppの電圧を有していたことを除き、シミュレーション例B1と同様のシミュレーションが行われた。図19は、シミュレーション例B3の結果を示すグラフである。
【0062】
図19から明らかなように、L3の値が5マイクロメートル以上であれば、粒子に引力としての誘電泳動力が与えられる。従って、粒子は中心点Oおよびその周りにのみ濃縮される。一方、L3の値が0マイクロメートルであれば、流路103を流れる流体(すなわち、試験試料)の流れに沿って粒子が中心点Oに近づく間に粒子に斥力としての誘電泳動力が与えられる。従って、粒子は濃縮されない。
【0063】
(シミュレーション例B4)
シミュレーション例B4では、交流電圧が20ボルトppの電圧を有していたことを除き、シミュレーション例B1と同様のシミュレーションが行われた。図20は、シミュレーション例B4の結果を示すグラフである。
【0064】
図20から明らかなように、L3の値が5マイクロメートル以上であれば、粒子に引力としての誘電泳動力が与えられる。従って、粒子は中心点Oおよびその周りにのみ濃縮される。一方、L3の値が0マイクロメートルであれば、流路103を流れる流体(すなわち、試験試料)の流れに沿って粒子が中心点Oに近づく間に粒子に斥力としての誘電泳動力が与えられる。従って、粒子は濃縮されない。
【0065】
(シミュレーション例B5)
シミュレーション例B5では、A2の値が0.7マイクロメートルまたは2.8マイクロメートルであったことを除き、シミュレーション例B1と同様のシミュレーションが行われた。図21は、シミュレーション例B5の結果を示すグラフである。
【0066】
図21から明らかなように、A2の値に拘わらず、粒子に引力としての誘電泳動力が与えられる。従って、A2の値に拘わらず、粒子は中心点Oおよびその周りにのみ濃縮される。A2の値の減少に伴い、粒子により大きな引力としての誘電泳動力が与えられる。
【0067】
(シミュレーション例B6)
シミュレーション例B6では、Pの値が0.7マイクロメートルまたは2.8マイクロメートルであったことを除き、シミュレーション例B1と同様のシミュレーションが行われた。図22は、シミュレーション例B6の結果を示すグラフである。
【0068】
図22から明らかなように、Pの値に拘わらず、粒子に引力としての誘電泳動力が与えられる。従って、Pの値に拘わらず、粒子は中心点Oおよびその周りにのみ濃縮される。Pの値の減少に伴い、粒子により大きな引力としての誘電泳動力が与えられる。
【0069】
(シミュレーション例B7)
シミュレーション例B7では、L1の値が25.5マイクロメートルまたは39.6マイクロメートルであったことを除き、シミュレーション例B1と同様のシミュレーションが行われた。図23は、シミュレーション例B7の結果を示すグラフである。
【0070】
図23から明らかなように、L1の値に拘わらず、粒子に引力としての誘電泳動力が与えられる。従って、L1の値に拘わらず、粒子は中心点Oおよびその周りにのみ濃縮される。
【産業上の利用可能性】
【0071】
本発明は、低い濃度を有するウィルスを濃縮するためのセンサーに用いられ得る。
【符号の説明】
【0072】
101 注入口
102 排出口
103 流路
110 第1基板
105 第2基板
201 第1くし型電極
202 第2くし型電極
301 第1ピラー電極
301R 右側第1ピラー電極
301L 左側第1ピラー電極
302 第2ピラー電極
302A 第1ピラー電極行に含まれる第2ピラー電極A
302B 第2ピラー電極行に含まれる第2ピラー電極B
303a 第1ピラー電極行
303b 第2ピラー電極行
303c 第3ピラー電極行
A1 第2ピラー電極Aの第2の頂点Q2および中心点Oの間の距離
A2 第2ピラー電極Bの第1の頂点Q1および中心点Oの間の距離
H 流路の高さ
L1 第1ピラー電極の長さ
L2 第2ピラー電極の長さ
L3 A1からA2を減算して得られる距離
LL 直線
O 中心点
P 線分
P1 第1ピラー電極の第1の頂点
P2 第1ピラー電極の第2の頂点
Q 線分
Q1 第2ピラー電極の第1の頂点
Q2 第2ピラー電極の第2の頂点
W 流路の幅
U ピラー電極群の領域
図1A
図1B
図1C
図1D
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16
図17
図18
図19
図20
図21
図22
図23
図24A
図24B
図24C
図24D
図24E
図24F
図25