介電電泳裝置及方法

2023-07-03 02:40:46

專利名稱：介電電泳裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種介電電泳裝置及方法。
背景技術：
介電電泳是一種通過電場和由此感應的偶極矩的相互作用來驅動放置在不均勻 電場內的物質的現象。目前，利用該現象，進行生物體樣品的分離、鑑定，在各個領域中開展 了研究。例如，參照下述文獻。H. Li and R. B ashir，"Dielectrophoretic separation and manipulation of1ive and heat-treated cells of Listeria on microfabricated devices withinterdigitater electrodes」，Sensors and Actuators B :Chemical，vol. 86，no. 2-3， pp.215-221，2002P.Gascoyne, J. Satayavivad and M. Ruchirawat，「Microfluidic approachesto malaria detection，，，Acta Tropica，vol· 89，pp. 357-369，2004。測定由特定的物質生成的該驅動力即介電電泳力極其重要，而且求出其具體的數 值並不容易。由於解析方式求出由設計成一般的電極生成的介電電泳力幾乎不可能，因此 採用有限元素法並通過計算來求出。但是，該方法並不適用於測定實際的介電電泳力。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠進行介電電泳力的測定且還能夠實現包含電介 質部分的對象小物體的移動、停止、分離、排斥、辨別等處理(handling)的介電電泳裝置。另外，本發明還提供適用於上述介電電泳裝置的器件(device)(裝置)。另外，本發明還提供上述對象小物體的處理方法、辨別方法、介電電泳力的測定方 法等。使用上述介電電泳裝置能夠適當地實現這些方法。本發明的介電電泳裝置具備殼體，殼體，其用於填充電介質溶液且放入包含電介 質部分的對象小物體；電極裝置，其包括多個電極，上述多個電極在上述殼體內形成不均勻 交變電場，該不均勻交變電場對於作用於上述殼體內的對象小物體的介電電泳力與基於重 力及浮力的力之間的平衡，產生至少一個穩定平衡點；和傾斜機構，其保持上述殼體和上述 電極裝置並使上述殼體和上述電極裝置傾斜。向上述電極裝置的電極施加交流電壓時，能夠在上述殼體內形成不均勻交變電 場。作用於小物體的介電電泳力依賴於所施加的不均勻交變電場強度及其傾斜度。基於重 力和浮力的力依賴於殼體的傾斜角。通過上述傾斜機構能夠獲得該傾斜角。上述的兩個力 不平衡即產生不均衡時，小物體在溶液中移動。根據殼體的傾斜方向和角度、或施加在電極 上的電壓或頻率，能夠調整移動方向和速度。即，能夠進行小物體的處理。上述的兩個力平衡時，小物體靜止(上述穩定平衡點)。由於介電電泳力等於小物 體靜止時的基於重力和浮力的力，因此只要計算出基於重力和浮力的力，就能夠求出介電 電泳力。由於基於重力和浮力的力依賴於殼體的傾斜角，因此只要改變傾斜角來測定小物體靜止時的傾斜角度，就能夠測定介電電泳力。上述介電電泳裝置還具備旋轉機構，其在上述傾斜機構造成的傾斜的平面內使上 述殼體和上述電極裝置旋轉。上述介電電泳力和基於重力和浮力的力不在正相反方向上時，通過利用上述旋轉 機構並在朝斜向傾斜的平面內旋轉上述殼體，能夠使述介電電泳力和基於重力和浮力的力 平衡。當然，也能夠通過基於上述旋轉機構的殼體和電極裝置的旋轉來積極產生不平衡，從 而控制小物體的移動。上述旋轉機構也能適用於小物體的處理。上述電極裝置的電極在優選的實施方式中，多個(一對)電極的互相相向的邊關 於電極間中心線線對稱，並且按照從一端向另一端以狹窄的電極間隔平行延伸後接著電極 間隔逐漸增大的方式形成為曲線。該一對電極產生穩定平衡點和不穩定平衡點。上述介電電泳裝置還具備交流產生裝置，其產生施加於上述多個電極的至少頻率 或電壓可變的交流電壓。在優選的實施方式中，能夠測定基於上述傾斜機構的傾斜角度以及基於上述旋轉 機構的旋轉角度。角度的測定可通過目視，也可通過傳感器來自動測定。另外，該發明提供一種適用於上述介電電泳裝置的器件(裝置)。該器件具備殼 體，用於在內部填充電介質溶液且放入包含電介質部分的對象小物體；和多個電極，其在上 述殼體內形成不均勻交變電場，上述多個電極的互相相向的邊對於電極間中心線線對稱， 並且按照從一端向另一端以狹窄的電極間隔平行延伸，之後電極間隔逐漸增大的方式形成 為曲線。一個實施方式中，在上述殼體形成有用於吸引或排出對象小物體的開口。其它實施方式中，在上述殼體形成有用於向上述殼體內注入電介質溶液的注入口 和排出電介質溶液的排出口。這樣的器件能夠利用在小物體的分離、排斥、辨別等中。該發明的小物體的處理方法在殼體內填充電介質溶液且放入包含電介質部分的 對象小物體，並在上述殼體內形成不均勻交變電場，並且調整不均勻交變電場的強度以及 頻率、上述殼體傾斜的方向以及角度之中的至少一個，從而在作用於上述殼體內的對象小 物體的介電電泳力、與基於重力和浮力的力之間產生不平衡來使對象小物體向期望的方向 移動。移動小物體後，能夠在期望的位置(穩定平衡點)處使其停止。該發明的小物體的辨別方法在殼體內填充電介質溶液且放入分別包含電介質部 分的不同的多種對象小物體，並在上述殼體內形成不均勻交變電場，並且調整不均勻交變 電場的強度以及頻率、上述殼體傾斜的方向以及角度之中的至少一個，從而在作用於上述 殼體內的對象小物體的介電電泳力、與基於重力和浮力的力之間產生不平衡來使不同的多 種對象小物體向不同方向移動，使得所期望種類的對象小物體在期望的穩定平衡點停止。該發明的小物體的介電電泳理的測定方法在殼體內填充電介質溶液且放入包含電介質部分的對象小物體，並在上述殼體內形成不均勻交變電場，並且調整不均勻交變電 場的強度以及頻率、上述殼體傾斜的方向以及角度之中的至少一個，從而使作用於上述殼 體內的對象小物體的介電電泳力、與基於重力和浮力的力平衡，使得小物體靜止，使用上述 小物體靜止時的上述殼體的規定方向的傾斜角度來計算介電電泳力。根據本發明，對象小物體可適用於包括生物體細胞的所有電介質或包含電介質部分的一部分的小物體。


圖1表示作用於電介質粒子的重力的斜面分力與介電電泳力的平衡原理。圖2是表示DEP器件的剖視圖。圖3是去除了 DEP器件的罩玻璃的狀態的俯視圖。圖4a表示作用於粒子的力，粒子在中心線上，且表示平衡狀態。圖4b是表示介電電泳力的形狀與重力的斜面分力的圖表。圖5a表示倒置DEP器件來進行配置時作用於粒子的力，圖5b是表示此時產生的 介電電泳力的形狀與重力的斜面分力的圖表。圖6表示作用於粒子的力，表示粒子偏離中心線而產生合力的狀態。圖7表示作用於粒子的力，表示雖然粒子偏離了中心線，但是處於平衡的狀態。圖8表示傾斜板與旋轉盤的配置關係，即DEP器件的傾斜。圖9表示傾斜板與旋轉盤的配置關係，即DEP器件的旋轉。圖10表示坐標軸。圖Ila和圖lib是隨著時間的推移表示分別急劇使角度9pit。h從60°到15°、以 及從15°到60°變化時的粒子的移動量的圖表。圖12是表示連續進行多次角度階躍響應的圖表。圖13a表示角度階躍響應中的粒子的位置，圖13b是表示每個角度的穩定平衡點 的圖表。圖14是以角度θ pit。h為橫軸表示重力的斜面分力與介電電泳力平衡的靜止粒子 的位置的變化的圖表。圖15a和圖15b是隨著時間的推移表示分別急劇使電壓從8Vpp到20Vpp、以及從 20Vpp到8Vpp變化時的粒子的移動量的圖表。圖16是表示連續進行多次電壓階躍響應的圖表。圖17a表示電壓階躍響應中的粒子的位置，圖17b是表示每個電壓的穩定平衡點 的圖表。圖18是以電壓Vpp為橫軸表示重力的斜面分力與介電電泳力平衡的靜止粒子的 位置的變化的圖表。圖19a和圖19b是隨著時間的推移表示分別急劇使頻率f從300KHz到5MHz、以及 從5MHz到300KHz變化時的粒子的移動量的圖表。圖20是表示連續進行多次頻率階躍響應的圖表。圖21a表示頻率階躍響應中的粒子的位置，圖21b是表示每個頻率的穩定平衡點 的圖表。圖22是以頻率f為橫軸表示重力的斜面分力與介電電泳力平衡的靜止粒子的位置的變化的圖表。圖23表示電介質粒子的移動(處理)的狀態。圖24表示分離多個電介質粒子的狀態。圖25是表示介電電泳裝置的整體構成的立體圖。
圖26是表示介電電泳裝置的傾斜板的安裝結構的立體圖。圖27是表示介電電泳裝置的傾斜板的定位固定結構的側視圖。圖28是沿圖27的a-a線的放大剖視圖。圖29是表示在介電電泳裝置的XY臺子上設置旋轉盤的狀態的立體圖。圖30是表示介電電泳裝置的旋轉盤的安裝結構的剖視圖。圖31是表示介電電泳裝置的電結構的模塊圖。圖32表示DEP器件的變形例，是切取一部分後進行表示俯視圖。圖33是圖32的縱向剖視圖。
具體實施例方式(1)介電電泳與介電電泳力在電介質溶液中放入電介質粒子並施加不均勻的(根據位置，電場強度不同)交變(alternate current)電場(electric field)時，依次施加的力Fdep(將該力稱作介電 電泳力(dielectrophoreticforcce))會作用在電介質粒子上，通過該介電電泳力，電介質 粒子在溶液(不均勻交變電場)內進行移動(將該現象稱作介電電泳)。
formula see original document page 7
這裡，ε ^是真空中的介電常數，ε m是溶液的相對介電常數，r是粒子(假設為球 形)的半徑，Re (fCM)是克勞休斯-莫索提方程式(Clausius-Mosotti equation)的實部， 由式(2)來進行表示。Ems表示交流電場強度的有效值。
formula see original document page 7這裡，ε/和ε _；分別是粒子和溶液的複數相對介電常數。ερ ε ρ時，粒子接受朝向電場分布稠密的一方的介電電泳力(將該力稱作正介 電電泳)。溶液中的非帶電粒子特別是生物體細胞(紅血球或白血球的正常細胞以及癌細 胞、瘧原蟲寄生紅血球、各種細菌等)、DNA分子等的辨別方法(過濾)或特性評價在其粒子 大小為數微米以下的情況下極其難進行。也難操作(處理)這些對象物。由於隨著粒子(包括上述生物體細胞)的介電常數大於或小於溶液(溶劑)的介 電常數，介電電泳力的方向與大小會不同，因此能夠實現粒子的移動與停止、混合粒子(包 括上述生物體細胞)的分離或辨別、特定粒子(包括上述生物體細胞)的鑑定等處理。(2)介電電泳力與重力之間的平衡以及其應用如圖1所示，考慮在溶液中容納粒子的介電電泳器件(裝置)(以下，稱作DEP器 件)(殼體)。該DEP器件在平坦的基板玻璃(下面板)上的周圍固定隔離物的框體，在由 該隔離物包圍的空間內填充溶液並且容納粒子，用平坦的罩玻璃(上面板)覆蓋該框體的 上表面，形成內部充滿溶液(密閉)的空間。在(密閉)的空間內，在基板玻璃等上表面設 置形成不均勻交變電場的電極，其詳細的說明將在後敘述。粒子的重力和基於溶液的浮力作用於DEP器件內的粒子。若重力大於浮力， 則根據下式描述作用於粒子的力Fe(以下，只稱作「重力」)(浮力大於粒子的重力時，將(Pp-Pm)替換成(Pm-Pp)並將作用於粒子的力的方向指向上方向，則以下的討論完全適 用於這樣的情況)。Fg = (4/3) Jir3(Pp-Pm)g· · · 式(3)這裡，ρ ρ是粒子的密度，P m是溶液的濃度，g是重力加速度。在斜面上放置上述的DEP器件。設斜面的傾斜角度為9pit。h，並將沿斜面向上的方 向作為X軸方向。上述的力Fc的平行於斜面向下方向的分力是FcSin θ pitch(以下，將該力稱作重力 的斜面分力)。施加不均勻交變電場，使平行於斜面向上方向的介電電泳力Fdep作用於溶液 中的粒子時，若這些力FeSin θ pit。h% Fdep平衡，則粒子靜止。在該狀態(電介質粒子靜止的狀態)下，下式成立。FDEP-FGsin θ pitch = 0 …式(4)S卩，通過改變斜面的傾斜角度θ pitch來製造出Fdep > FcSin θ pitch或Fdep < FGsin θ pitch的狀態時，能夠使電介質粒子沿著斜面向上方或向下方進行移動，通過製造 出式(4)成立的狀態，能夠使電介質粒子靜止(粒子的處理)。並且，若表示FeSin θ pitch的所有的參數r、ρ P、P m、g、θ pitch已知，則通過作出式 (4)成立的狀態，能夠使用式(4)來測定介電電泳力Fdep(將該方法稱作零位法)。另外，若 ε。、εω、ε ρ已知，則能夠從式(1)、(2)計算出電場強度E的值。該介電電泳力測定法的特徵如下。由於粒子靜止，因此能夠消除基於粘性阻力的測定誤差。能夠通過改變斜面的角度θ㈣-來製造出平衡，從而能夠使粒子靜止(顯然，改變 產生介電電泳力的交變電場強度(施加電壓或頻率)也能夠使粒子靜止，但是不一定必須 這麼做)。(3) DEP器件的結構與特徵DEP器件10的結構的一例如圖2和圖3所示。基板玻璃11的平坦面上的大致中央處形成有左右一對電極(支流間隙電極 Creek-Gap Electrode) 13Α、13Β。電極13A、13B互相相向的邊形成為如下形狀的曲線從一 方側即圖3右側(配置於斜面時位於下部的一側)(以下，稱作下側或端子側)向另一方側 即圖3左側(配置於斜面時位於上部的一側)(以下，稱作上側)，首先在電極長度的1/3 1/4左右的長度處以非常狹窄的間隔平行延伸，接著間隔逐漸增大(增大的比例也增加)。 從電極13A、13B的下側分別延伸布線圖案，連接有形成在基板玻璃11的端部上的電極端子 13a、13b。假設一條穿過電極13A、13B的上述邊的中間的線，將該線作為電極間的中心線N。 電極13A與13B相對於中心線N線對稱。這些電極13A、13B、布線圖案、端子13a、13b通過濺射在基板玻璃11表面上形成鋁 薄膜，能夠通過使用光刻技術進行構圖來形成。基板玻璃11表面上包括電極13A、13B及其布線圖案之上而形成有絕緣膜14 (例 如，感光性聚醯亞胺厚度在Iym以下)，其表面是與基板玻璃11的表面平行的平坦的表 面。在包括端子13a、13b的基板11的右端部之上未形成絕緣膜14。穿有圓形的孔15A的隔離物15被配置並固定在絕緣膜14之上。按照電極13A、 13B恰好進入孔15A中的方式決定孔15A的位置與大小。隔離物15例如能夠用矽膠(厚度為100 μ m)來製作。在隔離物15的孔15A中填滿相對介電常數ε m的電介質溶液S (例如，蒸餾水)， 且放入相對介電常數為ε ρ的一個或多個電介質粒子P (例如，直徑為9. 9 μ m的聚苯乙烯 珠粒)。在放入溶液S與粒子P的空間(孔15A)中，按照空氣無法進入的方式在隔離物15 上放置罩玻璃12並進行固定。由此，填充電介質溶液，且完成放入電介質粒子(對象小物 體)的殼體。端子13a、13b露出在外部。通過在端子13a、13b之間施加高頻電壓，在充滿由孔15A規定的溶液S的空間內 的電極13A與13B之間(上述的電極的兩個邊之間)形成不均勻交變電場。以上述的情況 為例時，由於聚苯乙烯珠粒的介電常數比蒸餾水S的介電常數小，因此產生負介電電泳，聚 苯乙烯珠粒(粒子P)接受朝向電極間隔大的一方的介電電泳力，若假設水平配置了 DEP器 件10時，向該方向(圖3左方向)進行移動。將這樣的DEP器件10如圖1所示的斜面上並將其端子側作為下側。為了簡化說 明，假設DEP器件10內的空間中的中心線N上存在一個電介質粒子P。另外，將中心線N的 傾斜角度設為9pit。h。沿著斜面向上的介電電泳力Fdep和沿著斜面向下的重力的斜面分力 FeSinepiteJt用在如上所述的粒子P上。圖4a和圖4b表示該狀態。在圖4b中，用曲線表 示介電電泳力FDEP，用直線表示重力的斜面分力FeSin θ pit。h(根據傾斜角度θ pit。h而變化)。 這些兩個力Fdep與FeSin θ pitch的交點是如上所述的兩個力平衡的點(稱作「平衡點」)。在支流間隙電極中具有兩個平衡點。這是因為介電電泳力Fdep具有如圖4b所示的 在中央具有峰值的曲線形狀。由於在電極的下方兩個電極13A與13B之間的間隔狹窄，因 此電場強度雖然大，但是，由於左右電極13A、13B相向的邊平行，因此不存在電場的傾斜， 所以不會產生介電電泳力。另一方面，在電極的上方，電極間隔極其大，電場強度、傾斜角度 都極其小，介電電泳力幾乎為零。其結果，介電電泳力在中央處具有峰值。兩個平衡點中的上側的平衡點是穩定平衡點。即，作用在位於該平衡點之下的粒 子上的介電電泳力Fdep比重力的斜面分力FeSinepiteh大，粒子朝向平衡點上升，作用在位於 該平衡點之上的粒子上的介電電泳力Fdep比重力的斜面分力FeSin θ pitch小，粒子朝向平衡 點下降。無論如何粒子都會朝向平衡點進行移動，因此是穩定的平衡點。與此相反，下側的 平衡點是不穩定平衡點，因為使粒子朝向遠離平衡點的方向移動的力作用在存在於該平衡 點之上或之下的粒子上。圖5a表示與圖4a相比倒置DEP器件來配置在斜面上的狀態，圖5b是表示此時作 用於電介質粒子上的介電電泳力的形狀。此時也產生兩個平衡點，其中一個是穩定平衡點。這樣，無論在正介電電泳力下還是在負介電電泳力下，具有支流間隙電極的DEP 器件都能確保一個穩定平衡點，能夠使粒子以穩定的狀態靜止(停止)。上述情況是粒子P存在於電極間中心線N上的情況。如圖6所示，粒子P不在中心線N上時，介電電泳力Fdep的方向不是平行於中心線 N的方向，而是偏離了中心線N。由於重力的斜面分力FeSinepitcJt用在與中心線N平行的 方向上，因此產生這些力的合力C，根據該合力C使粒子P在溶液中移動。為了使重力作用在消除該合力C的方向上，使DEP器件10在斜面上進行旋轉(如 後述所示，使搭載DEP器件10的旋轉盤50進行旋轉)(用θ胃表示旋轉角)。那麼如圖7所示，根據DEP器件10 (旋轉盤50)的某一角度位置θ胃，介電電泳力Fdep與重力的斜面分 力FeSin θ p—平衡，粒子靜止(停止)。S卩，此時也存在穩定平衡點。另外，此時，式⑷也 成立。因此，即使粒子不在中心線N上，也能使粒子的移動停止(除了在中心線N上之 夕卜，也在橫切中心線N的方向上移動)，使用粒子靜止時的條件，根據式(3)、(4)能夠計算 出介電電泳力Fdep。為了與下述的介電電泳裝置關聯，在圖8至圖10中簡單統一表示構 成斜面的傾斜 板30、保持DEP器件10切在斜面(傾斜板30)上進行旋轉的旋轉盤50的位置、角度關係、 以及坐標軸。如圖1所示，沿著傾斜板30的方向是X軸，與該X軸正交且沿著傾斜板30的表面 的方向是Y軸，垂直於傾斜板30的表面的方向是Z軸(是不同於後述的XY臺子41的Χ、Υ 軸的坐標系)。傾斜板30的傾斜角度θ pitch相當於Y軸的旋轉。旋轉盤50的旋轉相當於 Z軸的旋轉eyaw。通過旋轉旋轉盤50，能夠理解上述的合力C會被消除。傾斜板30的傾斜 角度θ pit。h與介電電泳力Fdep的大小相關，旋轉盤50的旋轉角θ yaw表示介電電泳力Fdep的 方向。(4)介電電泳裝置及其方法圖25至圖31表示介電電泳裝置的一例。作為介電電泳力測定裝置、電介質粒子的 處理裝置、辨別裝置也能夠使用介電電泳裝置，能夠實現各種方法(介電電泳力測定方法、 處理方法、辨別方法)。特別是參照圖25、圖26來說明傾斜機構。在基臺20上傾斜自如地在其下端部樞 接傾斜板30。即，基臺20上固定有多個軸承21。另一方面，傾斜板30的下端部上一體形 成有形成了軸孔的多個安裝部32，在這些安裝部32的軸孔內插入旋轉軸31且進行固定。 旋轉軸31旋轉自如地承接在軸承21中。在基臺20 (或一個軸承21)上安裝有檢測旋轉軸 31的旋轉角的旋轉傳感器(例如，電位計)25。特別是，參照圖27、圖28可知，在基臺20的一側，垂直於基臺20的表面豎直設置 有扇形定位板22。定位板22的圓弧狀的側緣附近形成有圓弧狀的定位槽23。另一方面， 在傾斜板30的一側，根據傾斜板30的傾斜而沿著上述定位槽23移動的位置處，從傾斜板 30的一側稍微突出地設置有形成了螺絲孔的滑坐33。將具有旋鈕24a的固定螺絲24慢慢 從定位板22的外側旋入定位槽23內，在滑坐33的螺絲孔中使其進行螺合。傾斜板30形成上述的斜面，通過以旋轉軸31為中心手動操作旋轉傾斜板30， epit。h至少在0°至90°之間能夠使傾斜板30取任意的角度位置。而且，通過緊固固定螺 絲24，能夠在已定位的位置處固定傾斜板30。傾斜板30的角度位置(角度9pit。h)可通過 旋轉傳感器25的輸出以電信號形式獲得，也可以通過在定位板22上畫刻度來目視獲得。將 傾斜板30呈水平狀態時的角度θ pitch設為0°。特別是參照圖25、圖29可知，在傾斜板30上固定有XY臺子機構40。XY臺子機構 40在其上部具備XY臺子41，XY臺子41的位置能夠通過旋鈕42、43在X、Y方向上進行調 整。XY臺子41的表面平行於傾斜板30的表面。XY臺子機構40的X方向(不同於如圖1 所示的沿斜面的方向的坐標系)存在於XY臺子41的表面內，且是平行於傾斜板30的旋轉 軸31的方向，Y方向是在XY臺子41的表面內與X方向正交的方向。
另外，參照圖29、圖30說明旋轉機構。XY臺子41上形成有圓形的凹部44，該旋轉 盤50旋轉自如地被包含在該凹部44中。即，固定在旋轉盤50的中心下部的旋轉軸52旋 轉自如地承接在設置於XY臺子41上的軸承45上。XY臺子41上設置有用於檢測旋轉軸 52(即旋轉盤50)的旋轉角度位置(角度eyaw)的旋轉傳感器46。在XY臺子41上的圓形凹部44的周圍，形成180° (-90° +90° )以上的角度 範圍內的定位槽47。該定位槽47形成為其下部的槽寬較寬，在該寬度的槽內放入沿著槽移 動自如的滑坐55。另一方面，旋轉盤50的周圍固定有向徑向外方延伸的手柄53。該手柄53上穿有 孔，在該孔內旋轉自如地插入具有旋鈕54a的固定螺絲54，固定螺絲54的前端部與形成在 滑坐55上的螺絲孔進行螺合。因此，通過手動操作手柄53能夠旋轉旋轉盤50 (至少在-90° 90°的範圍內)， 且在任意的角度位置旋轉旋鈕54a並通過緊固固定螺絲54，能夠將旋轉盤50固定在XY臺 子41上。旋轉盤50的角度位置能夠以電信號形式從旋轉傳感器(transducer)46獲得，也 能夠使用畫(刻)在旋轉盤50的周圍位置處的XY臺子41上的刻度41A並通過目視來讀 取。旋轉盤50的表面上形成有用於容納DEP器件10的凹部51。將凹部51製作成恰 好容納DEP器件10的大小(也可以使凹部51比DEP器件10大)，被容納在該凹部51內 的DEP器件10除了在上下方向移動外，不進行移動。凹部51中形成有用於使用鑷子等裝 卸DEP器件10的切口部51A。旋轉盤50上的凹部51的周圍的多個位置處安裝有通過銷釘能夠旋轉的由彈簧部 件構成的爪58。通過該爪58，能夠進一步加強被容納在凹部51內的DEP器件10的固定。 但是，也可以在凹部51的底面與DEP器件10的背面之間加入粘接劑來確保DEP器件10的固定。旋轉盤50的表面、其凹部51的底面都平行於XY臺子41的表面和傾斜板30的表 面。因此，被容納在凹部51內的DEP器件10 (基板玻璃11、絕緣膜14的表面)的傾斜角度 等於傾斜板30的傾斜角度，能夠作為傾斜板30的傾斜角度來測定。另外，旋轉盤50的角 度位置為0°時，被容納在凹部51內的DEP器件10的電極13A、13B的中心線N與傾斜時的 傾斜板30、XY臺子41、旋轉盤50的最大角度方向(XY臺子41的Y方向)一致。相反，將 在傾斜板30的某一角度位置處最大角度方向與中心線的方向一致時的旋轉盤50的角度位 置(9yaw)設為0°。在圖25中，最後將支承體63固定在傾斜板30上，使得顯微鏡60被該支承體63支承為能夠在上下方向(垂直於傾斜板30的表面的方向)升降自如。顯微鏡60將固定在 旋轉盤50上的DEP器件10內的粒子P (例如將旋轉盤50的旋轉中心附近)配置在可視位 置處。通過由XY臺子機構40向X、Y方向移動XY臺子41，能夠調整顯微鏡60的視野的位 置。由旋鈕62調整顯微鏡60的視野像的聚焦。另外，顯微鏡60中內置有CXD照相機(在 圖31中用符號61表示)，能夠獲得表示視野像的影像信號。顯然，顯微鏡60能夠進行倍率 調整。圖31表示介電電泳裝置的電結構的主要部分。優選由計算機系統構成處理裝置70，測定介電電泳力等時，接收後述的各種輸入，進行基於上述的式(1)至式(4)的計算，求出介電電泳力Fdep、電場強度E等，並輸出給輸出 裝置72 (印表機、顯示裝置等)。由於高頻產生裝置73產生施加在DEP器件10的電極13A、13B之間的高頻電壓， 因此其頻率f和電壓V可變。能夠通過示波器75觀察所產生的高頻信號波形。將高頻電 壓的頻率f和電壓V提供給處理裝置70。也能夠從示波器75的波形顯示通過目視來讀取 頻率f和電壓V。也可以是處理裝置70控制高頻產生裝置73，且頻率f和電壓V可變。通過接口 76，向處理裝置70輸入旋轉傳感器25、45所檢測的傾斜板 30的傾斜角 度0pit。h、表示旋轉盤50的角度位置θ胃的信號。也能夠從刻度22Α、41Α目視讀取這些角 度0Pit。h、θ胃，並從輸入裝置71 (鍵盤、顯示裝置、滑鼠等)進行輸入。從顯微鏡60內的CXD照相機61輸出的影像信號通常(作為影片)顯示在顯示裝 置74上。根據需要，通過接口 76將影像信號變換成數字圖像數據並提供給處理裝置70。 處理裝置70進行這些數字圖像數據的圖像處理，能夠對判定粒子P是否靜止進行程序化。從輸入裝置71向處理裝置70輸入介電電泳力Fdep的計算中必要的參數(粒子的 半徑r、溶液的密度Pm、粒子的密度Pp、重力加速度g等)。根據需要，也從輸入裝置71輸 入真空中的介電常數ε ο、溶液的相對介電常數％、粒子的相對介電常數ε Ρ。在最先進的方式中，基於輸入的數字圖像數據，既能夠由處理裝置70控制調整自 動聚焦、倍率等的顯微鏡控制裝置77，也能夠設置使旋轉軸31、52旋轉的電動機78、79，在 處理裝置70的程序控制下，調整傾斜板30的角度θ pit。h、旋轉盤50的角度θ yaw來使粒子 P靜止。說明使用該介電電泳裝置的電介質粒子的處理以及介電電泳力測定例。在旋轉盤50的凹部51上放置DEP器件10，在旋轉盤50的角度位置為0° ( θ胃 =0° )的狀態下，向DEP器件10的電極13Α、13Β之間施加高頻電壓(將頻率f和電壓V 設定成固定值)。如圖4所示，粒子P位於中心線N上時，通過改變傾斜板30 ( S卩，DEP器件10)的 角度θ pitch,能夠使粒子P移動或停止(靜止)。由於在作用於粒子P的介電電泳力Fdep與 作用於粒子P的重力的斜面分力FeSin θ pitch平衡時粒子P靜止，因此使用此時的傾斜角度 0pit。h，根據式(3)、(4)能夠求出介電電泳力Fdep。如圖6所示，粒子P不在中心線N上時，介電電泳力Fdep的方向是不與中心線N平 行的方向，偏離中心線N。由於重力的斜面分力FeSinepitdJt用在與中心線N平行的方向 上，因此產生這些力的合力C，根據該力C使粒子在溶液中移動。為了使重力作用在消除該合力C的方向上，旋轉旋轉盤50。那麼如圖7所示，在旋 轉盤50的某一角度位置θ胃，介電電泳力Fdep與重力的斜面分力FeSin θ pit。h平衡。由於此 時式⑷也成立，因此能夠根據式(3)、(4)計算出介電電泳力Fdep。如圖23所示，在DEP器件10內的空間，能夠將處於任意位置G的粒子P移動到其 它期望的位置Η並停止在位置Η上。此時，優選改變傾斜板30的傾斜角度
50的旋轉角度θ yaw，但是也可以改變施加在電極13A、13B上的電壓V或頻率f (如後述所 示，也可以使基臺20傾斜或旋轉)。由式(1)、⑵可知，由於介電電泳力Fdep是粒子P的介電常數(相對 介電常數) 和半徑的函數，因此在DEP器件10內放入介電常數或半徑不同的多個粒子，並調整傾斜角度9pit。h、旋轉角度θ yaw、電壓、頻率等(包括基臺20的傾斜、旋轉)，使各粒子向不同方向 移動，最終能夠按照如圖24所示那樣進行分離。在該圖中，P1、P2、P3表示介電常數或半徑 不同的粒子，在中心線N上進行分離並進行定位。從基於手動操作的測定到基於自動控制的測定，具有各種粒子的處理或介電電泳 力Fdep的測定方式。在顯示裝置74上顯示基於從顯微鏡60的CXD照相機61輸出的影像信號的DEP 器件10的電極13A、13B或粒子P的圖像(如圖4a、圖6、圖7、圖23、圖24所示)的同時， 觀察粒子P的移動(速度和方向)，並通過手動操作來調整傾斜板30的傾斜角度θ pitch或 旋轉盤50的角度θ yaw等，能夠將粒子P移動到期望的位置處，或者使其靜止。從輸出裝置 71通過手動操作輸入粒子靜止時的傾斜角θ pitch,能夠使處理裝置70計算介電電泳力Fdep。 或者，若從旋轉傳感器25獲取粒子P靜止時的傾斜角θ pit。h，則不需要基於手動操作的輸 入。顯然，介電電泳力Fdep的計算也可以通過手動操作來進行，而並非由處理裝置70進行。也能夠在處理裝置70中取入從CXD照相機61得到的數字圖像數據，並在處理裝 置70內判斷粒子P的移動(方向和大小)並自動控制傾斜板30的傾斜、旋轉盤50的旋轉， 以使粒子P靜止，並能夠從靜止時的傾斜角θ pitch計算出介電電泳力Fdep。通過改變施加在電極13A、13B之間的高頻信號的電壓V或頻率f(可以固定傾斜 角θ pitch,也可以改變傾斜角θ pitch)(根據需要改變旋轉盤50的角度θ yaw)，能夠使粒子P 移動或靜止。如上所述，也能夠進行電場強度E_的測定。(5)階躍響應通過以下所示的實驗結果，證明用於在DEP器件內使粒子移動或停止所需的時間 處於充分可實用化的範圍內。使用上述的DEP器件10和介電電泳裝置進行了該實驗。粒子P是直徑為9. 9 μ m 的聚苯乙烯珠粒，溶液是蒸餾水。圖11a、圖lib、圖12、圖13a、圖13b、圖14表示角度階躍響應。通過在施加電壓20Vpp、頻率IMHz的條件下，從60°到15° (從B到A)以及從 15°到60° (從B到A)急劇改變角度9pit。h(參照圖12、圖13a、圖13b)來測定粒子的移 動量，從而獲得角度階躍響應。從B點到A點的移動的時間常數是3分鐘，從A點到B點的 時間常數是1.9分鐘(參照圖11a、圖lib)。圖14以角度θ pit。h為橫軸表示了重力的斜面 分力與介電電泳力平衡的狀態下的粒子的靜止位置的變化(移動量)。可知角度9pit。h越 大，越在下方的位置處形成平衡。通過在頻率1MHz、角度θ pitch = 30° (149fN)的條件下，從8Vpp到20Vpp (從D至Ij C)以及從20Vpp到SVpp (從C到D)急劇改變電壓(參照圖16、圖17a、圖17b)來測定粒子 的移動量，從而獲得電壓階躍響應。從D點到C點的移動的時間常數是1分鐘，從C點到D 點的時間常數是5分鐘(參照圖15a、圖15b)。隨著電壓上升，靜止位置移動到上方(參照 圖 18)。通過在施加電壓15Vpp、角度epit。h = 30° (149fN)的條件下，從300KHz到 5MHz (從F到E)以及從5MHz到300KHz (從E到F)急劇改變頻率(參照圖20、圖21a、圖 21b)來測定粒子的移動量，從而獲得頻率特性。從F點到E點的移動的時間常數是0. 7分鐘，從E點到F點的時間常數是2.8分鐘(參照圖19a、圖19b)。隨著頻率變大，靜止位置 移動到上方(參照圖22)。如上所述，在各階躍響應中時間常數在幾分鐘以內，大約15分鐘就會到達穩定狀 態。是在實用中充分能夠接受的應答速度。(6)變形例如上所述，能夠使用介電電泳裝置來進行電介質粒子的處理和介電電泳力的測 定。圖32、圖33表示能夠進一步放大粒子的處理的範圍的DEP器件的例子。該DEP器件IOA的基本結構與圖2、圖3所示的結構相同，因此在圖32、圖33中省 略細部結構的圖示，僅圖示電極13A、13B。DEP器件IOA在其一端部中央具有溶液的注入口 17A，在另一端部中央具有溶液 的排出口 ISA0在這些注入口 17A、排出口 18A分別結合溶液的注入管(tube) 17、排出管 (tube) 18，這些管17、18上分別設置有閥(栓或閥門)。另外，在電極間中心線上或其它適 當的位置處，在下面板上穿出了粒子的吸引口(收集口)，其上結合有吸引管(管16)。能夠將該DEP器件IOA使用於例如從導入到DEP器件內的多個粒子(對象小物 體)之中僅辨別一個粒子的情況。即，如上所述，通過調整角度9pit。h、Qyaw、電壓、頻率(進 一步若需要可使基臺20傾斜或旋轉)，能夠使特定的粒子移動到吸引口 16A的位置，吸引 該粒子並使吸引管16 (或連接在吸引管16上的適當的活板門)退避。在該狀態下，經由注 入管17從注入口 17A向DEP器件IOA內部注入溶液，並經由排出口 18A、排出管18排出存 在於裝置內部中的其它粒子。之後，使退避到吸引管16的特定的粒子回到DEP器件IOA內 部。這樣，能夠在DEP器件IOA內部僅確保特定的粒子。在上述的辨別操作的過程中，進行 溶液的注入、排出時，開啟和關閉閥門17B、18B。在吸引管16中也可以根據需要設置閥門。從上述的階躍響應可知，由於通過使DEP器件急劇傾斜、急劇旋轉、或者急劇改變 電壓或頻率，能夠加速粒子的移動，因此在粒子的處理中，產生如上所述的急劇的變化來使 粒子朝向目標位置移動並在接近於目標位置處微調角度、電壓、頻率即可。此時，若有需要 也可以旋轉基臺20自身(使圖10所示的X軸向角度epit。h逆方向旋轉並在基臺20上進 行移動時的X軸的旋轉ΘΜ11)，也可以使基臺20在epit。h方向上進行旋轉。在上述實施例中，為了搭載DEP器件並使其進行旋轉，使用了旋轉盤，但是不一定 需要盤狀體。特別是如圖32、圖33所示，是一種設有吸引口 16A或吸引管16的DEP器件 IOA時，使用適合於支持的形狀的旋轉體即可。同樣，顯然也能夠使用非板狀的傾斜體來代 替傾斜機構的傾斜板。另外，在上述實施例中使用了一對電極13A、13B，但是也可以在縱向(上下方向) 上隔著間隔配置多對電極，也可以配置在橫向上。在橫向上進行配置時，也可以使相鄰的兩 個電極(屬於不同對)一體化。
權利要求
一種介電電泳裝置，具備殼體，其用於填充電介質溶液且放入包含電介質部分的對象小物體；電極裝置，其包括多個電極，上述多個電極在上述殼體內形成不均勻交變電場，該不均勻交變電場對於作用於上述殼體內的對象小物體的介電電泳力與基於重力及浮力的力之間的平衡，產生至少一個穩定平衡點；和傾斜機構，其保持上述殼體和上述電極裝置並使上述殼體和上述電極裝置傾斜。
2.根據權利要求1所述的介電電泳裝置，其中，在上述電極裝置中，上述多個電極的互相相向的邊，對於電極間中心線線對稱，並且 按照從一端向另一端以狹窄的電極間隔平行延伸，之後電極間隔逐漸增大的方式形成為曲 線。
3.根據權利要求1或2所述的介電電泳裝置，其中，還具備旋轉機構，該旋轉機構在上述傾斜機構造成的傾斜的平面內使上述殼體和上述 電極裝置旋轉。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的介電電泳裝置，其中，還具備交流產生裝置，該交流產生裝置產生向上述多個電極施加的至少頻率或電壓可 變的交流電壓。
5.根據權利要求3所述的介電電泳裝置，其特徵在於，能夠測定上述傾斜機構造成的傾斜的角度和上述旋轉機構實施的旋轉的角度。
6.一種用於介電電泳的裝置，具備殼體，其用於在內部填充電介質溶液且放入包含電介質部分的對象小物體；和 多個電極，其在上述殼體內形成不均勻交變電場，上述多個電極的互相相向的邊對於電極間中心線線對稱，並且按照從一端向另一端以 狹窄的電極間隔平行延伸，之後電極間隔逐漸增大的方式形成為曲線。
7.根據權利要求6所述的裝置，其中，在上述殼體形成有用於吸引或排出對象小物體的開口。
8.根據權利要求6或7所述的裝置，其中，在上述殼體形成有用於向上述殼體內注入電介質溶液的注入口和排出電介質溶液的 排出口。
9.一種利用介電電泳的小物體的處理方法，其中，在殼體內填充電介質溶液且放入包含電介質部分的對象小物體， 在上述殼體內形成不均勻交變電場，至少調整不均勻交變電場的強度以及頻率、上述殼體的傾斜的方向以及角度之中的一 個，從而在作用於上述殼體內的對象小物體的介電電泳力與基於重力和浮力的力之間產生 不平衡使得對象小物體向期望的方向移動。
10.一種利用介電電泳的小物體的處理方法，其中， 使用權利要求1至5中任一項所述的介電電泳裝置， 在上述殼體內填充電介質溶液且放入對象小物體，向上述電極裝置的多個電極施加交流電壓，從而在上述殼體內形成不均勻交變電場， 至少調整不均勻交變電場的強度以及頻率、上述殼體的傾斜的方向以及角度之中的一個，從而在作用於上述殼體內的對象小物體的介電電泳力與基於重力和浮力的力之間產生 不平衡使得對象小物體向期望的方向移動。
11.根據權利要求9或10所述的處理方法，其中，使上述對象小物體在穩定平衡點停止。
12.一種利用介電電泳的小物體的辨別方法，其中，在殼體內填充電介質溶液且放入各自包含電介質部分的不同的多種對象小物體，在上述殼體內形成不均勻交變電場，至少調整不均勻交變電場的強度以及頻率、上述殼體的傾斜的方向以及角度之中的一 個，從而在作用於上述殼體內的對象小物體的介電電泳力與基於重力和浮力的力之間產生 不平衡使得不同的多種對象小物體向不同方向移動，並且使所期望種類的對象小物體在期 望的穩定平衡點停止。
13.一種利用介電電泳的小物體的介電電泳力的測定方法，其中，在殼體內填充電介質溶液且放入包含電介質部分的對象小物體，在上述殼體內形成不均勻交變電場，調整不均勻交變電場的強度及頻率和上述殼體傾斜的方向及角度之中的至少一個，從 而使作用於上述殼體內的對象小物體的介電電泳力與基於重力和浮力的力獲取平衡，使得 小物體靜止，使用上述小物體靜止時的上述殼體的規定方向的傾斜角度來計算介電電泳力。
14.根據權利要求9至13中任一項所述的方法，其中，對象小物體是生物體細胞。
15.根據權利要求12或13所述的方法，其中，使用權利要求1至5中任一項所述的介電電泳裝置。
全文摘要
提供一種利用介電電泳能夠進行電介質粒子的處理(移動、停止、分離、辨別等)、介電電泳力的測定等的介電電泳裝置。在包含上表面或下表面平坦的殼體的介電電泳裝置內填充電介質溶液(S)且放入由電介質構成的對象小物體(粒子)(P)，並在殼體內形成不均勻交變電場，通過使殼體朝斜向傾斜(角度θpitch及其它方向)、使其在斜面內旋轉(旋轉角θyaw)、調整交變電場的電壓、頻率，在作用於上述小物體的介電電泳力(FDEP)和基於重力和浮力的力(FGsinθpitch)之間形成平衡或產生平衡，從而能夠使小物體移動、停止。使用小物體靜止時的介電電泳裝置的傾斜角(θpitch)，能夠測定介電電泳力(FDEP)。
文檔編號G01N27/00GK101820978SQ20088011032
公開日2010年9月1日 申請日期2008年9月26日 優先權日2007年10月5日
發明者今裡浩子, 山川烈 申請人:國立大學法人九州工業大學