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JP2003507739A - 従来の誘電泳動およびフィールドフロー分別法を使用する分別法のための方法および装置 - Google Patents

従来の誘電泳動およびフィールドフロー分別法を使用する分別法のための方法および装置

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Publication number
JP2003507739A
JP2003507739A JP2001519176A JP2001519176A JP2003507739A JP 2003507739 A JP2003507739 A JP 2003507739A JP 2001519176 A JP2001519176 A JP 2001519176A JP 2001519176 A JP2001519176 A JP 2001519176A JP 2003507739 A JP2003507739 A JP 2003507739A
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JP
Japan
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chamber
cells
dep
substance
fluid flow
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2001519176A
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English (en)
Inventor
フレデリック エフ． ベッカー，
ピーター アール． シー． ガスコイネ，
イン ホアン，
シャオ−ボ ワン，
ジュン ヤン，
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.)
University of Texas System
Original Assignee
University of Texas System
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.)
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Publication date
Application filed by University of Texas System filed Critical University of Texas System
Publication of JP2003507739A publication Critical patent/JP2003507739A/ja
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    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
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    • B03C5/02—Separators
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、異なる型の粒子状物質および可溶化物質の識別のための方法および装置を提供する。この識別は、例えば、粒子状物質の分離、特徴付け、識別、および操作を包含し得る。本発明に従って、粒子状物質は、装置内に投入される前に、液体懸濁物中に配置され得る。識別は、装置内で生じ得、この装置は、薄い密封チャンバであり得る。粒子は、例えば、その密度、サイズ、誘電率、導電率、表面電荷、および／または表面構造における差異によって識別され得る。生物学的細胞の場合、これらは、そのサイズ、密度、膜の電気的なキャパシタンスおよびコンダクタンス、内部の導電率および誘電率、ならびに／または表面電荷における差異に従って識別され得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） 本願は、米国仮特許出願番号６０／０１０，９０４（１９９６年１月３１日付
出願）に対する優先権を主張する、同時係属中の米国特許出願番号０８／６０４
，７７９（１９９６年２月２３日付出願）の一部継続出願である。上記に参照し
た各開示の文書全体は特に、放棄せずに本明細書中で参考として援用される。
【０００２】 （１．発明の分野） 本発明は、一般的に、分子分離および粒子識別の分野に関する。より詳細には
、本発明は、電気的な力、流体力学的な力、または重力の組み合わせを利用する
、粒子状物質の分別に関する。
【０００３】 （２．関連分野の説明） 細胞亜集団を同定する能力、特徴付ける能力、および精製する能力は、多数の
生物学的適用および医学的適用の基礎であり、しばしば、研究プロトコールの出
発点、ならびに現在および新たに出現する臨床プロトコールの基礎をなす。細胞
分離は、医学、生物工学、生物医学的研究、環境のモニタリング、および生物／
化学戦争防御のような分野において、多数の適用を有する。例えば、細胞分離は
、進行した癌の治療（ここでは、患者の骨髄から癌の原因となる転移性細胞を取
り除くことを必要とする）のための自己骨髄移植のような救命手順を可能とし得
る（Ｆｉｓｃｈｅｒ、１９９３）。他の適用（例えば、血球間のシグナル伝達の
研究（Ｓｔｏｕｔ，１９９３；Ｃａｎｔｒｅｌｌら，１９９２））では、高度に
精製された細胞亜集団によって、さもなくば不可能であった研究が可能となる。
細胞識別に対する現在のアプローチは、特定の細胞を単離するために、細胞密度
（Ｂｏｙｕｍ，１９７４）、特異的な免疫学的標的（Ｓｍｅｌａｎｄら，１９９
２）、またはレセプター−リガンド相互作用（Ｃｈｅｓｓら，１９７６）におけ
る差異を、最も頻繁に使用する。
【０００４】 これらの技術は、しばしば不十分である。従って、新規な物理的特性を通して
細胞を同定および選択的に操作し得る識別デバイスが所望される。ＡＣ動電学の
原理の適用が、電気回転（ｅｌｅｃｔｒｏｒｏｔａｔｉｏｎ）（ＲＯＴ）の方法
による哺乳動物細胞の誘電的特徴付けのため（ＡｒｎｏｌｄおよびＺｉｍｍｅｒ
ｍａｎｎ，１９８２；Ｆｕｈｒ，１９８５；ＨｏｅｌｚｅｌおよびＬａｍｐｒｅ
ｃｈｔ，１９９２；Ｗａｎｇら，１９９４）、ならびに細胞の識別および識別の
ため（Ｈａｇｅｄｏｒｎら，１９９２；Ｈｕａｎｇら，１９９３；Ｇａｓｃｏｙ
ｎｅら，１９９２；Ｇａｓｃｏｙｎｅら，１９９４；Ｈｕａｎｇら，１９９２）
に使用された。これらの技術では、細胞がＡＣ電場に供された場合に、これらの
細胞は電気的に分極化される。ＲＯＴでは、回転電場を印加し、そして細胞の分
極と印加された場との間の相互作用によって細胞の回転を生じさせる。この場が
不均一である場合、細胞は側方の誘電泳動（ＤＥＰ）力を経験し、この周波数応
答は、その固有の電気的特性の関数である（Ｇａｓｃｏｙｎｅら，１９９２）。
順に、これらの特性は、細胞の組成および構成、細胞の形態および表現型を反映
する特徴に強く依存する。従って、電気分極率において異なる細胞は、不均一な
電場では示差的な力を経験し得る（Ｂｅｃｋｅｒら，１９９４；Ｂｅｃｋｅｒら
，１９９５）。印加された周波数の関数としての哺乳動物細胞の誘電泳動移動の
分析は、細胞膜の生物物理学的パラメーター（例えば、キャパシタンスおよび表
面コンダクタンス）が探索されることを可能にする。ＤＥＰは、生物物理学的特
性を並進力（この方向および大きさが、細胞の特性を反映する）へと効率的に写
像するので、ＤＥＰ力は、異なる特徴の粒子の間の分離を誘導し得る。例えば、
ＤＥＰを顕微鏡的規模で使用して、赤血球から細菌を（Ｍａｒｋｘら，１９９４
）、生育不能な酵母細胞から生育可能な酵母細胞を（Ｗａｎｇら，１９９３）、
そして赤血球から赤白血病細胞を（Ｈｕａｎｇら，１９９２）分離している。し
かし、これらの種々の混合物における細胞型の電気分極率における差異は、多く
の代表的な細胞識別適用において予期される差異よりも大きかった。
【０００５】 フィールドフロー分別（Ｆｉｅｌｄ ｆｌｏｗ ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ
）（ＦＦＦ）もまた、一般に、粒子密度、サイズ、容量、拡散率、および表面電
荷をパラメーターとして使用して、物質の分離のために使用されている（Ｇｉｄ
ｄｉｎｇｓ，１９９３）。この技術を使用して、約１ｎｍから約１００μｍより
大きなサイズの多くの異なる型の物質（これは、例えば、生物学的物質および非
生物学的物質を含み得る）を分離し得る。フィールドフロー分別による分離は、
薄いチャネルを通って流れる流体の流れにおける示差的な保持によって生じる。
ＦＦＦ技術は、クロマトグラフィー、電気泳動、および超遠心分離の要素を組み
合わせ、そして流体がチャンバを通して流される場合に、薄いチャネルにおいて
確立された流速プロフィールを利用する。このような速度プロフィールは、例え
ば、線形または放物型であり得る。次いで、場を流れに対して直角に印加し、そ
して流速プロフィールにおいて異なる変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）へと物
質を駆動するようにはたらく。速度プロフィールにおける異なる位置に移動され
た物質は、種々の速度でチャンバを通る流体の流れにより輸送される。場は、沈
殿、直交流、温度勾配、遠心力などに基づき得る。しかし、この技術は、不十分
な純度の細胞集団を生成するか、非常に緩徐であるか、または標的細胞もしくは
他の物質のスペクトルにおいて非常に制限されるという欠点を有する。
【０００６】 従って、粒子状物質（特に、生物学的物質）の高度識別分離についての必要性
が、当該分野において存在する。さらに、このような技術は、分離される物質の
構造を物理的に改変することなく操作すべきである。さらに、このような技術は
、このような粒子の高感度な操作を可能とすべきであり、これは、外来物質また
は所望されない物質からの所望される物質の特徴付けおよび精製を包含し得る。
【０００７】 （発明の要旨） 本発明は、粒子の周波数依存的誘電特性および導電特性の使用を、懸濁媒体お
よび輸送媒体の特性と組み合わせることによって、先行技術に固有のこれらの欠
点を克服することを探求する。本明細書中で使用される場合、用語「物質（ｍａ
ｔｔｅｒ）」は、粒子状物質、可溶化物質、またはこれらの任意の組み合わせを
含むことを意図する。本発明は、異なる粒子状物質および可溶化物質を同定し得
、かつ選択的に操作し得る、新規な装置および新規な方法を提供する。これらの
粒子はまた、ＤＥＰ力または流体流動特徴を変化させることによって、別々に、
分別または収集され得る。この様式で本発明を利用することによって、粒子状物
質および可溶化物質が、識別および分離され得る。本発明の装置および方法は、
多くの異なる型の物質を同時に識別し得る。
【０００８】 本発明は、異なる型の粒子状物質および可溶化物質の識別のための方法および
装置を提供する。この識別は、例えば、粒子状物質の分離、特徴付け、識別、お
よび操作を包含し得る。本発明に従って、粒子状物質は、装置内に投入される前
に、液体懸濁物中に配置され得る。識別は、装置内で生じ得、この装置は、薄い
密封チャンバであり得る。粒子は、例えば、その密度、サイズ、誘電率、導電率
、表面電荷、および／または表面構造における差異によって識別され得る。生物
学的細胞の場合、これらは、そのサイズ、密度、膜の電気的なキャパシタンスお
よびコンダクタンス、内部の導電率および誘電率、ならびに／または表面電荷に
おける差異に従って識別され得る。
【０００９】 本発明に従う方法を使用して、無機物質（例えば、無機質、結晶、コロイド状
、導電性、半導電性、または絶縁性の粒子および気泡）を含む、粒子状物質を識
別し得る。本発明の方法をまた使用して、生物学的物質（例えば、細胞、細胞オ
ルガネラ、細胞凝集体、核酸、細菌、原生動物、またはウイルス）を識別し得る
。さらに、粒子状物質はまた、例えば、細胞型の混合物（例えば、母親の血液の
混合物における胎児有核赤血球、正常細胞との混合物における癌細胞（例えば、
乳癌細胞）、またはマラリア寄生生物に外寄生された赤血球）であり得る。さら
に、本発明の方法を使用して、可溶化物質（例えば、分子または分子凝集体（例
えば、タンパク質または核酸））を識別し得る。
【００１０】 識別される粒子は、任意のサイズであり得る。しかし、本発明は、一般的に、
約１０ｎｍと約１ｍｍとの間の粒子について実用的であり、そして例えば、化学
的分子または生物学的分子（タンパク質、ＤＮＡ、およびＲＮＡを含む）、分子
の集合体（ａｓｓｅｍｂｌａｇｅ）、ウイルス、プラスミド、細菌、細胞もしく
は細胞凝集体、原生動物、胚、もしくは他の小さな生物体、ならびに非生物学的
分子、それらの集合体、無機質、結晶、コロイド状、導電性、半導電性、または
絶縁性の粒子および気泡を含み得る。生細胞を使用する生物学的適用について、
本発明は、細胞を改変する必要を伴わずに、細胞を、リガンド、染料、抗体また
は他の手段を用いて分離させる。細胞は、分離の間および分離後に、損傷を受け
ておらず、改変されておらず、そして生育可能なままである。非生物学的適用も
同様に、このような改変を必要としない。しかし、本発明に従う装置および方法
は、このような生物学的物質がそのように改変されている場合でも、このような
生物学的物質を分離するに等しく適切であることが理解される。
【００１１】 この装置は、例えば、チャンバを備え得る。チャンバは、少なくとも１つの入
口ポートおよび１つの出口ポート、内面および外面を有し得る。チャンバはさら
に、チャンバを通して流体を流動させる場合に、所望の流速プロフィールを生じ
るような構造的特徴を有するように設計され得る。流速プロフィールは、異なる
位置の流体が種々の速度で移動するという事実に帰する。チャンバは、長方形の
形状であり得、そして例えば、上部壁、底部壁、および２つの側壁を備え得る。
特定の実施形態では、チャンバは、上部壁および底部壁が、側壁よりもはるかに
長い大きさであるように構築され得、それによって、速度プロフィールを作成し
得る薄いチャンバを作製する。例えば、幅Ｗ、高さＨ、および長さＬを有する長
方形チャンバ（ここで、条件Ｗ＞＞Ｈは保持される）について、その長さに沿っ
た方向でのチャンバ内の流体流動についての速度プロフィールは、以下のように
記載され得る（ＰａｚｏｕｒｅｋおよびＣｈｍｅｌｉｋ，１９９２）。
【００１２】
【数１】 ここで、ｘはチャンバの側壁からの距離（水平方向に測定）であり、そしてｈは
底部壁からの距離（垂直方向に測定）である。＜Ｖm＞は、チャンバを通って移
動する流体の平均速度である。方程式（１）は、流体速度が、チャンバ内の垂直
位置に対する放物型依存性に追随することを示す。Ｗ＞＞Ｈなので、方程式（１
）における流体速度式は、以下のような、放物型依存性として近似され得る。
【００１３】
【数２】 ここでは、チャンバ幅に沿った縁の影響を無視する。このような流動プロフィー
ルにおいて、流速は、チャンバの上部壁または底部壁からの距離の増加に応じて
増加する。上部壁および底部壁に近接した流体は、０付近の速度で移動し；そし
て、上部壁と底部壁との間の中間の流体は、最高速度で移動する。
【００１４】 他の実施形態では、チャンバは、上部壁および底部壁が、側壁よりもはるかに
短い大きさであるように構築され得、また速度プロフィールを作成し得る薄いチ
ャンバを作成する。この場合、方程式（２）におけるパラメーターｈは、側壁か
らのチャンバにおける水平距離を記載し、そしてＨは、チャンバの幅である。あ
るいは、チャンバは、円形の構成、三角、長方形、十六角形（ｈｅｘａｄｅｃａ
ｇｏｎａｌ）、または他の幾何学的形状であり得る。このような場合、流体力学
の分野で公知のように、方程式（２）の改変バージョンを適用する。こういうも
のとして、本発明は、特定の幾何学形状に制限されることを意図されない。本発
明に従うチャンバは、多くの異なる材料（例えば、ガラス、ポリマー性材料、プ
ラスチック、石英、被覆金属など）から構築され得る。
【００１５】 チャンバは、チャンバ壁の一部またはすべてに沿って適合された、少なくとも
１つの電極要素を備える。これらの１以上の電極要素の各々は、電気的導体に電
気的に接続され得、これは次いで、電気的シグナル供給源に接続される。後に続
く考察では、用語「電極要素」または「電極」を使用する。本明細書中で使用さ
れる場合、「電極要素」は、高度に電気的に導電性の材料の構造物であり、これ
に対して印加された電気的シグナル電圧は一定である。これらの用語が、以下に
記載される電極構造のすべてを含むことが理解されなければならない。電気的シ
グナル発生装置（これは、電圧、周波数、位相、または３つすべてを変動し得る
）は、電極要素に対して少なくとも１つの電気的シグナルを提供し得る。本発明
の電極要素は、例えば、複数の電気的導体に電気的に接続され得る複数の電極要
素を含み得、これは次いで、電気的シグナル発生装置に接続される。
【００１６】 本発明に従うチャンバは、電極アレイを含む複数の電極要素を備え得る。本明
細書中で使用される場合、「電極アレイ」は、１より多くの電極要素のコレクシ
ョンであり、ここでは、各個々の要素は、互いに対して十分に規定された幾何学
的関係に移動され得る。このアレイは、例えば、交互嵌合（または平行）アレイ
、交互嵌合菊（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ ｃａｓｔｅｌｌａｔｅｄ）アレ
イ、多項（ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ）アレイ、平面電極などであり得る。さらに、
アレイは所定のサイズおよび形状の微小電極から構成され得る（例えば、交互嵌
合アレイ）。電極アレイは、チャンバの任意の内面または外面に沿って適合され
得る。あるいは、電極アレイは、チャンバ壁を含む材料に組み込まれ得ることが
考えられる。特定の実施形態では、電極アレイは多層アレイであり得、ここでは
、導電層が絶縁層の間に散在され得る。さらに、本発明は、例えば、チャンバの
対立面に適合され得る複数の電極アレイを有し得る。しかし、複数の電極アレイ
を、チャンバの隣接面またはすべての面に配置することが可能であり得る。この
ような電極アレイの製作は、電極の寸法に依存して、微小規模構造をパターン形
成および製造する分野において公知の任意の標準的な技術を使用し得る。
【００１７】 交互嵌合（平行）アレイについて、平行な電極要素は、チャンバの一部に沿っ
て実質的に長手方向または幅方向（ｌａｔｉｔｕｄｉｎａｌｌｙ）であるように
適合され得る。電極要素の他の構造が本発明によって意図される（例えば、チャ
ンバに対して角度をつけて適合された電極要素）。三次元電極要素を使用するこ
ともまた可能であり、この電極要素は、チャンバの表面に装着されてもされなく
ともよい。例えば、電極要素は、当該分野において公知の半導体微小製作（ｍｉ
ｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）技術を使用して、シリコンウェーハから製作さ
れ得る。電極がチャンバの外面に沿って適合される場合、チャンバ内にエネルギ
ーを移動させる手段（例えば、マイクロ波送信機）が存在し得ることが考えられ
る。電極要素は、このチャンバを通して移動する流体の流動に対して実質的に垂
直または平行な平面上にあるように構成され得る。しかし、電極要素が、本発明
の利点を達成するために多くの異なる平面および角度で構成され得ることが理解
されなければならない。
【００１８】 電極要素が電気的シグナル発生装置からの少なくとも１つの電気的シグナルに
よって電圧を印加される場合、それによって電極要素は、空間的に不均一な交流
電場を作成し、これが、粒子状物質および可溶化物質にかかるＤＥＰ力を生じる
。
【００１９】 このＤＥＰ力は、従来のＥＤＰ力（ｃＤＥＰ）であり得るか、またはＤＥＰ力
は、進行波ＤＥＰ力（ｔｗＤＥＰ）、もしくはその両方の組合せであり得る。こ
のｃＤＥＰ力は、電極要素面に対して実質的に正常な方向で作用する成分を有し
得、すなわち、ｃＤＥＰ力は、物質をこの面の方またはこの面から離れて移動さ
せ得る。チャンバを通過する流体進行と比較して、ＤＥＰ力は、流量に対して実
質的に正常な方向で作用し得る。本明細書中で使用される場合、「流量に対して
正常な方向」とは、このチャンバを通過して進行する流体の流れに対して実質的
に非反対方向、そして実質的に非線形方向を意味する。この方向は、例えば、垂
直方向、横方向、または別の非反対方向であり得る。このＤＥＰ力の効果によっ
て、粒子性物質および可溶性物質を、流体内（特に、チャンバ内に構築された流
速プロフィール内）の異なる位置に変位される。この変位は、電極要素に関連し
得るか、または他の基準（例えば、チャンバ壁）に関連し得る。
【００２０】 交流電気シグナルの位相を変化させることによって、進行波ＤＥＰ（ｗｔＥＤ
Ｐ）として公知の第２のＤＥＰ力が作製されることに注目する。このｃＤＥＰ力
は、電場の空間的不均一性に依存し、そして物質を高い電場強度の領域へまたは
その領域から離れて移動させる。このｔｗＤＥＰ力は、適用された電場の位相分
布に依存し、物質を位相値を増加させる方向へまたはその方向から離れて移動さ
せる。
【００２１】 本発明において、ｃＤＥＰ力は、電場の空間的不均一性の大きさ、電場により
物質に誘導される電気分極の同相（実質）部分に依存する。用語「電気分極」は
、以下に記載されるように、周知のＣｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｓｏｔｔｉ因子に
関連することが理解されるべきである。電場誘導電気分極は、物質と懸濁媒体と
の間の誘電体特性の差異に依存する。これらの誘電体特性には、誘電体の誘電率
および電気的導電率が挙げられる。これらの２つの特性は共に、複合体の誘電率
として公知である。このｃＤＥＰ力は、物質を高い電場強度の領域ヘまたはその
領域から離れて移動させる。例示的な実施形態において、この電場強度は、電極
面の方であるか、またはその電極面から離れる方であり得る。
【００２２】 不等電場中での時間平均誘電泳動力についての等式は、以下である（Ｗａｎｇ
ら、１９９５）： ＦDEP＝２πεmｒ3Ｒｅ（ｆCM）▽Ｅrms 2＋２πεmｒ3Ｉｍ（ｆCM） （Ｅ2 x0▽φx＋Ｅ2 y0▽φy＋Ｅ2 z0▽φz） （３） ここで、Ｅrmsは、電場分布のｒｍｓ値であり、Ｅα0およびφα（α＝ｘ，ｙ，
ｚ）は、各電場の成分の大きさおよび位相である。パラメータＥrms、Ｅα0およ
びφαは、一般に、空間的配座（ｘ，ｙ，ｚ）の関数であり、そして位置に依存
する。それにもかかわらず、単純さのために、明白な空間的配座（ｘ，ｙ，ｚ）
を省略した。因子ｆCMは、周知のＣｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｓｏｔｔｉ因子であ
り、ｆCM＝（ε* p−ε* m）／（ε* p＋２ε* m）として規定され、ここでε* pおよ
びε* mは、物質およびその懸濁媒体それぞれの複合体誘電率である。各複合体の
誘電率は、ε*＝ε−ｉσ／（２πｆ）として規定され、εおよびσは、それぞ
れ誘電率および導電率である。このパラメータｆは、適用された磁場の振動数で
あり、ｒは、ＤＥＰ力が作用している物質の半径である。等式（３）は、一般に
２成分からなる誘電泳動力を示す。この第１成分であるｃＤＥＰ（従来の誘電泳
動）力の成分は、Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｓｏｔｔｉ因子ｆCMの実質部分Ｒｅ
（ｆCM）（同相成分）および適用した電場の不均一因子▽Ｅ2 rmsの大きさに依存
する。Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｓｏｔｔｉ因子の同相部分が０以上である場合
、このｃＤＥＰ力成分は、この物質を強い磁場の位置に移動させる。Ｃｌａｕｓ
ｉｕｓ−Ｍｏｓｓｏｔｔｉ因子の同相部分が０未満である場合、ｃＤＥＰ力の成
分は、物質を弱い磁場の位置に移動させる。この第２成分であるｔｗＤＥＰ（進
行波誘電泳動）力の成分は、Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｓｏｔｔｉ因子ｆCMの想
像上の部分Ｉｍ（ｆCM）（違相成分）、および適用した電場の不均一相因子（▽
φx、▽φyおよび▽φz）に依存する。Ｉｍ（ｆCM）の極性に依存して、このｔ
ｗＤＥＰ力の成分は、物質を電場成分の増加または減少する位相値（φx，φy，
φz）の方向に移動させる傾向がある。この物質は、ｃＤＥＰ力の成分もしくは
ｔｗＤＥＰ力の成分、またはその両方を受けるか否かは、電極形状および電気シ
グナルが適用される方法に依存する。
【００２３】 本発明において、ＤＥＰ力を適用する目的は、粒子性物質および可溶性物質を
、チャンバ内に構築された流速プロフィール内の異なる位置に変位させることで
ある。具体的に、他の力と組合せて作用するようにこのＤＥＰ力は適用され、そ
の結果、粒子性物質の異なる型は、流れプロフィール内の異なる特徴的な位置に
おいて平衡化される（または可溶性物質は、流れプロフィール中で平衡化濃度分
布を達成する）。適用されたＤＥＰ力と組合せて使用され得る他の力の例として
は、重力、電気的力、および水力学的持上げ力が挙げられる。重力は、物質とそ
の懸濁媒体との間の密度のために生じる。この物質の密度が、この媒体の密度よ
りも大きい場合、この物質は、下方へ向かう重力を受ける。この物質の密度が、
この媒体の密度よりも小さい場合、この物質は、上方へ向かう重力を受ける。Ｄ
Ｃ電場がチャンバ中で構築される場合、電気的力は荷電した物質上で引き起こさ
れ得る。水力学的持上げ力は、物質がチャンバ壁に近くかつこのチャンバ中にお
いて流速プロフィールが存在する場合に、物質上で作用する力を言う（Ｗｉｌｌ
ｉａｍｓら、１９９２）。このような持上げ力は、このチャンバ壁から離れて物
質を押す傾向がある。水力学的持上げ力の大きさは、物質のサイズ、密度、形状
、媒体の密度および粘度、ならびにチャンバ中の流速プロフィールに依存し得る
。いくつかの場合において、水力学的持上げ力は、重力および誘電泳動力に対し
て有意な大きさであり得、そして比較可能な大きさであり得る。別の場合におい
て、この水力学的持上げ力は、誘電泳動力よりもかなり小さく、そして水力学的
流れプロフィールにおいて物質を配置する際に無視できる役割を果たし得る。
【００２４】 本発明の特徴は、このＤＥＰ力が少なくとも１つの他の力と共に物質に適用さ
れ、その結果、異なる特性（誘電体／電気的特性、密度特性、電荷特性）を有す
る物質は、チャンバ中で構築される流速プロフィールにおいて別々に配置される
ことである。１実施形態において、ＤＥＰ力は、異なる物質が異なる平衡位置に
達するように重力とバランスがとられ得る。別の実施形態において、ＤＥＰ力は
、呪力と水力学的持上げ力とバランスがとられ得、物質の平衡位置に影響を与え
る。別の実施形態においてＤＥＰ力は、異なる物質の平衡位置を制御するために
電気的な力によってバランスがとられ得る。ＤＥＰおよび他の力は、物質の特性
（例えば、誘電体特性、密度、大きさ、電荷など）に依存し、従って、これらの
力および得られる物質の平衡位置（または変位）のバランスはまた、物質の特性
に依存する。異なる特性の物質は、チャンバ内または流速プロフィール内の異な
る位置に変位される。これらの平衡位置はまた、「浮揚」または「浮揚高さ」と
呼ばれ得る。本明細書中で使用される場合、「浮揚」または「浮揚高さ」は、物
質が電極要素に関して任意の方向に異なるレベルで変位されるか、または物質は
、ＤＥＰ力および他の力のバランス下で、電極要素に関して異なる位置で平衡化
されることを意味する。
【００２５】 本発明の１実施形態において、インターディジテイティッド（パラレル）電極
アレイは、別個のチャンバの底壁上に取り入れられ得る。インターディジテイテ
ィッド電極アレイの形状は、電極要素空間に対する電極要素幅によって特徴付け
られる。１実施形態において、この電極要素の幅および空間は、同じであり、そ
して電圧が、隣接する電極要素に印加される。この条件下において、ｃＤＥＰ力
成分のみが、チャンバ中の物質上に及ぼされるＤＥＰ力に与えられる。このｃＤ
ＥＰ力が、主に、垂直方向（特に、このチャンバの底壁からいくらか離れた距離
の位置）に存在する。半径ｒの物質上で作用する力は、以下のように近似され得
る（Ｈｕａｎｇら、１９９７；Ｗａｎｇら、１９９８）： ＦDEP＝２πεmｒ3Ｒｅ（ｆCM）Ｕ2Ａｅｘｐ（−２πｈ／ｄ） （４） ここで、Ｕは、印可される平方自乗平均（ＲＭＳ）電圧、εmは媒体の誘電体の
誘電率である。このＤＥＰ力は、電極面上の高さｈでほぼ指数関数的に落ち込み
、崩壊定数は、電極アレイの周期距離ｄ（＝２*電極要素の幅＋２*電極要素の空
間）および単位電圧力の係数Ａによって特徴付けられる。従って、電極要素の幅
および／または空間を変化させることにより、物質上で作用するＤＥＰ力を改変
させ得る。式（４）に示されるＤＥＰ力は、物質上で作用する重力とバランスを
とるために使用され、この電極面から異なる高さに粒子性物質を位置決めするこ
とを達成し得る。この重力は、以下：
【００２６】
【数３】 によって与えられる。ここで、ρpおよびρmは、それぞれ物質および懸濁媒体の
密度であり、そしてρp＞ρmの関係を満たす。重力とＤＥＰ浮揚力のバランスに
より、物質を以下に与えられる安定した平衡高さに位置決めする：
【００２７】
【数４】 従って、平衡浮揚高さは、誘電体特性（誘電体分極因子Ｒｅ（ｆCM）によって特
徴付けられる）および物質の密度（ρp）、電極の大きさ（Ａおよびｄ）、印加
されるＤＥＰの磁場強度（Ｕ）に依存する。この因子Ｒｅ（ｆCM）はまた、印加
される磁場の周波数に依存する。この実施形態において、ＤＥＰ力は、重力と共
に作用し、そしてこの物質の浮揚高さは、電極面に関して垂直方向である。他の
実施形態において、このＤＥＰ力は、他の力と共に作用し得、そして浮揚高さは
、垂直方向に沿っていなくてもよい。別の実施形態において、インターディジテ
イティッド電極は、電極空間とは異なる電極幅を有し得る。このＤＥＰ力は、式
（４）に示される力と異なる形態をとり得る。従って、電極空間に対する電極幅
の比は、粒子性物質および可溶性物質の浮揚高さを変化させるように改変され得
る。特に、この比を変化させることにより、作製される電場がこれにより変えら
れる。これにより電場が、大きさおよび／または不均一性について変えられる場
合、物質の浮揚高さは、同様に変化する。この浮揚は、垂直方向である必要はな
く、そして例えば、水平方向での変位を含み得る。
【００２８】 通常の電線を使用して、電線の１以上の電極要素のセットをシグナル発生器に
接続し得る。この通常の電線は、電極と同じプロセスにより組み立てられ得るか
、またはリボン導線、金属化したリボンまたは金属化したプラスチックのような
１以上の導電性アセンブリであり得る。マイクロ波アセンブリをまた使用して、
シグナル発生器から電極要素にシグナルを送信し得る。全ての電極要素は、この
発生器から同一のシグナルを受信するように接続され得る。このような配置は、
接地平面の存在を必要とし得ることが想定される。より具体的には、アレイに沿
った交流電極は、この発生器から異なるシグナルを受信するように接続され得る
。変動電圧、振動数および位相のシグナルを発生し得る電気発生器はまた、例え
ば、機能発生器（例えば、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ ｇｅｎｅｔａｔｏ
ｒ Ｍｏｄｅｌ Ｎｏ．８１１６Ａ）であり得る。本発明の方法に所望されるシ
グナルは、約０〜約５０ボルト、および約０．１ｋＨｚ〜約１８０ＭＨｚ、なら
びにより好ましくは、約０〜約１５ボルト、および約１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの
範囲である。これらの振動数は、物質の分別のために必要とされる周波数が、例
えば、細胞の懸濁媒体の導電性に依存する場合のみの例である。さらに、所望さ
れる周波数は、分別されるべき物質の特徴に依存する。この周波数の変化は、一
般に、物質の分極因子（Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｓｏｔｔｉ因子）を変化させ
、そして物質上に及ぼされるＤＥＰ力を変化させる。従って、本発明を使用する
物質の分別を強化するために、操作周波数は、物質上に及ぼされるＤＥＰ力の違
いを最大にするため、または異なる物質間でＤＥＰ力により誘導された浮揚高さ
の違いを最大にするように選択され得る。インターディジテイティッド（パラレ
ル）電極アレイを使用する本発明の１実施形態において、この物質の浮揚高さは
、式（５）において表現され得る。例として、２つの異なる物質（ＡおよびＢ）
を、例えば本発明の実施形態を用いて分別するための操作周波数は、浮揚高さの
差｜ｈeqA−ｈeqB｜：
【００２９】
【数５】 を最大にするように選択され得る。ここで、分極因子ｆCMAおよびｆCMBは、印加
される電場周波数に依存し、最大分別は、周波数を経験的にスキャンすることに
よって見出され得る。あるいは、物質ＡおよびＢの誘導体特性が、いくつかの他
の方法から得られ得る場合、分別周波数が、理論的な計算を介して予測され得る
。例えば、哺乳動物の細胞の誘電体特性は、電気的回転の技術を使用して容易に
決定され得、その技術により、個々の細胞は、回転する電場に供せられ、そして
細胞は、回転する電場と電場により誘導された分極との間での相互作用の結果と
して回転させられる。細胞の回転の周波数領域は、周波数の関数として細胞の回
転速度を測定することによって得られ、そして細胞の誘電体のパラメータを得る
ために誘電体殻模型に関して分析され得る。細胞の誘電体特性のための電気的回
転方法の使用は、当業者に公知である（Ｗａｎｇ，Ｘ．−Ｂ．ら、１９９５；Ｈ
ｕａｎｇ，Ｙ．ら、１９９６；Ｆｕｈｒ ＆ Ｈａｇｅｄｏｒｎ，１９９６）。
次いで、電気的回転測定の誘電体パラメータを使用して、細胞分極因子ｆCMの周
波数の依存性を計算し得、そして２つの細胞型間の分別が最大化される周波数を
式（７）を使用して決定し得る。
【００３０】 物質間の分別はまた、電極要素の形状、大きさおよび配置に依存する。これら
の変数の変化は、電場分布を有意に変え、そして物質上で作用するＤＥＰ力に影
響を与える。従って、本発明の異なる適用のために電極アレイの異なる形状を設
計することが必要とされ得る。例えば、電極アレイは、インターディジテイティ
ッド（またはパラレル）アレイ、インターディジテイティッドキャストレイテッ
ドアレイ、多項式アレイ、平面電極などであり得る。さらに、このアレイは、イ
ンターディジテイティッドアレイのような所与の大きさおよび形状の超小型電極
から構成され得る。
【００３１】 例示的な実施形態において、これらのシグナルは、正弦曲線であるが、任意の
周期的または非周期的波形のシグナルの使用が可能である。電気シグナルは、１
つ以上の電気シグナル発生器で発生され得、この発生器は、電圧、周波数および
位相を変化し得る。さらに、物質に作用するＤＥＰ力は、シグナルの振幅、周波
数、波形、および／または位相が時間の関数となるように、電極アレイに印加さ
れる電気シグナルによりプログラム化および変化され得る。例えば、印加された
正弦曲線シグナルは、特定の長さの時間の間周波数（ｆ1）を有し得、次いで周
波数（ｆ2）に変化され得る。あるいは、周波数変調（時間により連続的に変化
する周波数）および振幅変調（時間により連続的に変化する振幅）を有する電気
シグナルが印加され得る。従って、電極アレイに印加されるシグナルは、特定の
分離目的および特定の分離問題に従って、プログラム化され得る。このようなプ
ログラム化されたシグナルを使用することにより、ＤＥＰ力は、分離性能を増強
するために時間につれて変化され得、そしてＤＥＰ−ＦＦＦ分離機の分解能は、
特定の適用に調整され（ｔａｉｌｅｄ）得る。
【００３２】 本発明に従うチャンバは、少なくとも１つの入口ポートおよび出口ポートを有
し得る。これらのポートは、同じポートであり得るか、またはこのチャンバは、
異なるポートを有するように構築され得る。入口ポートは、チャンバの主要な壁
上にチャンバの入口端に近い位置で穿孔されたホールの形態をとり得る。入口ポ
ートは、識別されるべき物質のチャンバへの導入を可能にする。この物質は、液
体媒体中に懸濁または溶解され得、そして注入ループを備えた注入弁を通してチ
ャンバ内に導入され得る。識別されるべき物質の導入のためのこのような注入弁
の使用は、典型的にクロマトグラフィーにおいて使用されるように、当業者に公
知である。入口ポートはまた、流速プロフィールを確立するために、チャンバ内
への媒体の導入のために使用され得る。Ｗａｎｇら（１９９８）による参考文献
は、入口ポートを通る、識別されるべき物質の導入および媒体の導入のための注
入弁の使用を詳細に記載する。
【００３３】 出口ポートは、少なくとも１つの入口ポートよりも垂直方向に下になるように
配置され得る。このような配置により、チャンバを通過するにつれて粒子状物質
および可溶化物質の沈降を可能にする。少なくとも１つの入口ポートおよび１つ
の出口ポートに加えて、チャンバはまた、１つ以上の入力ダクトを備え得、この
ダクトは、流体が装置を通って流れることを可能にし得る。
【００３４】 本発明に従うチャンバの出口ポートは、多くの形態をとり得る。具体的には、
出口ポートは単一のポートであっても、複数のポートであっても、ポートのアレ
イであってもよい。１つの実施形態において、出口ポートは、２つのポートであ
り得、そして長方形のチャンバの出口端に近い位置において向かい合った２つの
主要な壁上に位置し得る。識別されるべき物質はチャンバにおいて平衡浮揚高さ
（ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ ｈｉｇｈｔ）を達成し、そ
して流速プロフィールの影響下でチャンバを通って運ばれるので、これらの物質
は、２つの出口ポートの一方からチャンバを出ることができ、そしてキャリア媒
体は他方の出口ポートからチャンバを出ることができる。このアプローチの利点
により、物質がチャンバを出るポートにおけるこれらの物質の濃度が増加し、そ
の結果これらの物質は収集および分析され得る。別の実施形態において、識別さ
れるべき物質は、２つの出口ポートを出ることができ、すなわち、物質のある集
団は一方の出口ポートを出て、他の全ての物質は、第２の出口ポートから出る。
この実施形態により、本発明を使用して、物質の識別および分離の連続的な操作
がさらに可能となり得る。これらの物質は入口ポートを通ってチャンバ内に連続
的に導入され得、そしてそのチャンバへの導入の際に、これらの物質は、誘電泳
動（ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ）力および他の作用力（例えば、重力
および流体力学的揚力）を受け、そしてチャンバ内で異なる浮揚高さに向かって
指向される。これらの高さにおいて、物質に対して作用する全ての力は、互いに
つりあい、そして正味の力はゼロである。物質をその平衡位置に移動させるこの
プロセスの間、流速プロフィールは、物質チャンバを通して運ぶ。そのプロフィ
ールにおける浮揚位置に依存して、この物質は、２つの出口ポートの一方でチャ
ンバを出る。２つのポートのうちどちらのポートから物質が出るかは、物質に作
用するＤＥＰ力および他の力に依存し、従って、物質の特性に依存し、物質の識
別が可能となる。
【００３５】 別の実施形態において、出口ポートは、チャンバの全体の幅または幅の一部に
沿って位置し得る。出口ポートは、種々の形および大きさの物質を受容するよう
に適合され得る。例えば、出口ポートの大きさを、識別されることが所望される
物質の約２倍の大きさから、チャンバの全体の幅まで変え得る。１つの実施形態
において、出口ポートは、１つ以上の管状要素（例えば、ＴＥＦＬＯＮ（登録商
標）管状材料）から構築され得る。管状要素を合わせて、個々の管状要素を含む
断面を有する出口ポートを提供し得る。さらに、例えば、出口ポートは、分離さ
れた物質を収集するために使用されるフラクションコレクターまたはコレクショ
ンウェルに接続され得る。本明細書で使用される場合、「フラクションコレクタ
ー」および「コレクションウェル」は、識別された粒状物質および溶解した物質
を別々に保持するための貯蔵デバイスおよび収集デバイスを含む。本発明の装置
に含まれ得る他の構成要素は、例えば、測定装置または診断装置（例えば、フロ
ーサイトメーター、レーザー、粒子計数器、粒子インピーダンスセンサ、インピ
ーダンス分析器、および分光器）である。チャンバの出口ポートに直接接続され
たこれらの分析機器は、粒子状物質または溶解した物質の到着の時間を測定およ
び記録するための検出工程だけでなく、この物質の特性を特徴づけするための分
析工程にも役立つ。例えば、ＡＣインピーダンスセンサは、チャンバの出口ポー
トに接続され得、そしてＡＣインピーダンス感知電極と結合され、個々の粒子が
分離チャンバを出る場合にそれらのＡＣインピーダンスを決定するための分析工
程に役立ち得る。
【００３６】 本発明のチャンバを使用して識別される物質は、チャンバ内で平衡位置を達成
し、この位置において、ＤＥＰ力および他の力（例えば、重力または流体力学的
揚力）は互いにつりあう。流体流は、流速プロフィールを確立するようにチャン
バにおいて確立され得る。このような流体流プロフィールに変位された後、変位
された物質は、流体内の物質の変位に適切な時点で、出口ポート（単数または複
数）から出ることができる。詳細には、フロープロフィールでの異なる位置にお
いて平衡化された物質は、異なる速度で流体流により運ばれるか、流体内の異な
るレベルの変位の物質は、異なる速度で移動する。従って、この物質は、流体流
内のその変位により識別される。異なる特性の物質は、異なる平衡位置を達成す
るか、または流体流プロフィール内の異なるレベルで変位される。この流体流速
プロフィール内の粒子状物質および溶解した物質は、この速度プロフィール内の
それらの位置に従う速度でチャンバを通って移動する。
【００３７】 この速度プロフィールは、例えば、流体力学的流体プロフィール（例えば、放
物的フロープロフィール）であり得る。長方形型のチャンバについては、速度プ
ロフィールは、式（１）および（２）に示されるように、平均流体速度、ならび
にチャンバの幅および厚さを知ることにより決定され得る。平均流体速度は、以
下の式に従い、流体の流量、ならびにチャンバの幅および厚さに基づいて算出さ
れ得る： 平均流体速度＝（流量）／（チャンバの幅×チャンバの厚さ） （８） 流体流の速度プロフィールを決定するパラメーターとしては、以下が挙げられる
（が、これらに限定されない）：チャンバの幅または厚さ（これは、長方形の実
施形態において、対向する壁間の距離であり得る）；流体流路の収縮または膨張
（これには、例えば、対向するチャンバ壁の非平行配置から生じるもの、または
適切に配置された障害物またはベーンから生じるものを含み得る）；チャンバ壁
の表面の凹凸；流体の流れの厚さの周期的または非周期的改変を生じるチャンバ
壁の構造的特徴（電極要素および他の表面構造構成を含む）、およびチャンバの
幾何学的形態（例えば、長方形、円形、くさび形、階段状などであり得る）。
【００３８】 本発明の１つの実施形態において、インターディジテイティッド（平行）電極
アレイは、長方形分離チャンバの底部壁上に採用され得る。識別されるべき物質
は、印加される適切な電気シグナルを用いてチャンバ内に導入され、そしてＤＥ
Ｐ力および重力の影響下で電極要素に対して平衡高さに位置付けられる。異なる
特性（例えば、誘電体、密度、大きさ）の物質は、異なる高さに変位され、物質
の識別を可能にする。さらに、式（１）および（２）に記載されるような）流体
流プロフィールがチャンバ内で発生される場合、電極面から異なる高さに変位さ
れる物質は、異なる速度にて流体流の影響下で輸送される。例えば、チャンバの
高さの半分に近い位置に変位される物質は、チャンバの頂部壁および底部壁に近
い位置に変位される物質よりも速い速度で進む。従って、物質は、このような異
なる速度で識別され得る。例として、２つの粒状物質ＡおよびＢは、放物的フロ
ープロフィールにおいて、平衡高さｈeqAおよびｈeqBに（式（２）のように垂直
方向に沿って）位置付けられる。流体流により生じるこれらの速度は、
【００３９】
【数６】 および
【００４０】
【数７】 である。ここでＫαは、０と１との間にある係数であり、そしてこれは、チャン
バ壁に起因する遅滞効果を反映する（Ｗｉｌｌｉａｍｓら、１９９２）。物質Ａ
が物質Ｂよりは高いがチャンバの高さの半分Ｈよりは低く位置付けられる場合（
ｈeqB＜ｈeqA＜Ｈ）、Ａは、Ｂより大きい速度で進む（ＶB＜ＶA）。さらに、異
なる物質は、固定の時点でチャンバ内に導入される場合、チャンバを通ってチャ
ンバ出口ポートを出るのに異なる時間がかかる。より大きい速度を有する物質は
、より小さい速度を有する物質の前にチャンバを出る。上記の物質ＡおよびＢに
ついて、長さＬのチャンバを通って進むのにかかる時間は、 ｔA＝Ｌ／ＶA （１１） および ｔB＝Ｌ／ＶB （１２） である。
【００４１】 従って、この物質は、このような異なるイグジット時間によりさらに識別およ
び分離され得る（ＶB＜ＶAによりｔB＞ｔA）。というのは、チャンバを先に出る
物質は、チャンバを後に出る物質と別々に収集され得、物質の分離および識別を
可能にするからである。本発明に従う装置の別の実施形態において、チャンバは
、対向した表面上に適合された２つの面した電極アレイを有し得る。このチャン
バは、電極面が実質的に垂直に立ち、そしてチャンバの薄い側面が垂直に配置さ
れるように配向され得る。しかし、電極面は、垂直のみである必要はなく、本発
明は、この装置を種々の角度に適合させることを企図する。異なる電気シグナル
（周波数および大きさ）がシグナル発生器から面した電極に印加され得、その結
果粒子は異なるｃＤＥＰ力を受ける。さらに、各電極アレイにおいて、各交互の
素子は、異なる電気シグナルを受けて、不均一な交流電場を生じ得る。
【００４２】 このさらなる実施形態は、例えば、識別されるべき粒子状物質を受容するよう
に適合された１つの入口ポートを有し得る。この入口ポートは、例えば、チャン
バの一端の頂部付近に位置し得る。この装置はまた、チャンバを通って進む流体
を導入するために１つ以上のダクトを含み得る。これらのダクトは、チャンバの
入口端の全体の幅に実質的に沿って配置され得、実質的に直線方向にチャンバを
通り抜ける一面の（ａ ｓｈｅｅｔ ｏｆ）流体を導入するために役立つ。本明
細書中で使用される場合、「一面の」流体は、実質的に均一な流体速度でチャン
バに入る流体または気体のフローであり得る。本明細書中において、流体速度の
均一な分布とは、チャンバの入口端の全体の幅に沿った位置で流体の速度が変化
しないことをいう。しかし、流体速度は、２つの主要な面した壁に位置する電極
面からの距離の関数であり得る。導入された「一面の」流体は、粒子状物質をチ
ャンバを通して運ぶ。チャンバの通過後、流体は、反対の端を離れる。チャンバ
のこの出口端は、例えば、１つ以上の出口ポートを含み得、これらは出口ポート
の１つ以上のアレイに配置され得る。出口ポートは、垂直方向の１つのレベルに
おいて異なる側方位置を有する物質が、別々に識別され得るように構築され得る
。例えば、選択された側方位置で出る物質の特徴を決定するための道具としてレ
ーザーを利用することが可能であり得る。
【００４３】 異なる電気シグナル（周波数または大きさまたはその両方）を、側壁の各々に
位置する電極要素に印加する。これらの異なる電気シグナル間に相乗作用が存在
し、これは、不均一な電場を生じる。識別されるべき粒子状物質は、ＤＥＰ力（
ＦDEP1およびＦDEP2）を両方の側壁上に位置する電極要素から誘導される電場か
ら受ける。
【００４４】 Ｆtotal＝ＦDEP1＋ＦDEP2 （１３） これらの力の合わせた影響下で、物質は、側壁に対して平衡位置に指向される。
従って、平衡位置（２つの側壁からの距離で規定される）は、粒子状物質に対す
るＤＥＰ力により決定される。両方のＤＥＰ力成分は、物質の誘電特性および伝
導特性に依存するので、この平衡位置は、物質のこれらの特性に依存する。平衡
位置に影響する他の因子としては、対向チャンバ壁上の電極に印加される電場の
大きさおよび周波数、流体密度、粘性、および流量が挙げられる。その異なる特
性に起因して異なる物質は、チャンバの側壁からの異なる特徴的な距離で平衡に
達し、そして異なる電気シグナルにより誘導されるＤＥＰ力の相乗作用に基づい
て異なる平衡位置を達成する。流体流がチャンバにおいて確立される場合、流体
内の異なる物質の速度は、流体の速度プロフィールおよびこの流速プロフィール
での物質の平衡位置により制御される。この速度プロフィールは、チャンバの中
心に向かって最大の速度を有し、この速度は、側壁からの距離が減少するにつれ
て比例して減少する。この速度プロフィールのために、チャンバ壁から異なる平
衡距離で平衡に達した物質は、異なる速度で運ばれ、それによりチャンバを横切
るのに種々の量の時間がかかる。流体流の影響下でチャンバを通る物質の速度お
よび通過時間を記載する式は、式（９、１０、１１、１２）に類似することを、
当業者は理解する。
【００４５】 物質が、チャンバを横切って通過する間に沈降する距離は、物質がチャンバを
通過する間に物質に重力が作用するので、その通過時間に依存し、そしてこれは
「沈降効果」として公知である。半径ｒおよび密度ρpを有する球状の粒子につ
いて、密度ρmおよび粘度ηmを有する媒体中の沈降速度Ｖsedは、以下のように
表され得る：
【００４６】
【数８】 沈降速度は、粒子サイズおよび粒子密度、媒体粘性および媒体密度の関数であ
る。従って、異なる粒子は、チャンバを介する物質の沈降速度（Ｖsed）および
通過時間（ｔtransit）に基づいて異なる深さ（Ｄsed）まで沈降する、 Ｄsed＝Ｖsed×ｔtransit（１５）。 従って、粒子沈降は物質特性（例えば、サイズ、質量、および容積）に依存する
。上記で記載のように、粒子がチャンバの全長を横切って移動するのに必要とさ
れる時間（ｔtransit）は、流体流プロフィールおよび流速プロフィール中の粒
子の位置によって制御される。次いで、流体流プロフィール中の粒子の配置は、
異なる電気シグナルの相乗作用によって決定される。従って、異なる特性（例え
ば：誘電特性、サイズ）を有する粒子は、フロープロフィールにおいて異なる位
置で配置され得、そしてその結果、異なる通過時間を示し得る。異なる特性（例
えば、誘電特性、密度、サイズ）の粒子間の通過時間および沈降速度における相
違の組み合わせは、これらの粒子に対して異なる沈降深さに導き得る。これらの
粒子は、入口ポートに関して異なる高さで配置され得る異なる出口ポートを介し
てチャンバを出て行き得る。識別は、「バッチ様式」または「連続様式」のいず
れかにおいて成し遂げられ得る。バッチ様式では、粒子のアリコートを、注入し
、そして粒子に対する通過時間（ｔtransit）および出口ポートでの出口の高さ
（Ｄsed）に関して収集する。連続では、粒子の一定の流れを入口ポートに注入
し、そして異なる高さ（Ｄsed）で出てくる物質を連続的に収集する。
【００４７】 本発明の方法および装置は、粒子の頻度依存性誘電および導電特性ならびに懸
濁培地の特性の使用を初めて紹介する。誘電泳動力は、大きく、そして、粒子特
性に強く依存するため、粒子分別に対するこれらの新しい基準は、感度の高い粒
子の操作を可能にする。懸濁媒体および適用されるフィールド状態の適切な選択
は、高いレベルの識別を可能にする。
【００４８】 以前に報告したフィールドフロー分別技術は、細胞密度の範囲が狭いため、生
物学的サンプルに対して制限があり、良い識別のためには複雑な遠心分離技術お
よび遠心沈殿技術を必要とする。ｃＤＥＰアフィニティー方法は、分離されるべ
き粒子の誘電特性において大きな相違を必要とし、従って、選択された粒状の物
質および可溶化された物質は、完全に固定化され得るが、他は流体流力によって
押し流される。生物学的細胞に対して、損傷が、高い電界強度で起こり得るので
、適用され得る最大のｃＤＥＰ力に対して実際的な制限があり、次いで、このこ
とがｃＤＥＰアフィニティーアプローチにおいて最大流体流速を制限する。この
ことが、低い細胞ソーティング速度を生じ得る。本発明の方法において、これら
の制限は、実質的に縮小される。さらに、先行技術のｃＤＥＰアフィニティー方
法は、概して電極エレメント上に粒子を固定化する誘電泳動力成分を利用する。
本発明のｃＤＥＰ／ＦＦＦアプローチは、流速プロフィールにおいて粒子または
他の物質の位置を決定するためＤＥＰ力および他の力を利用し、そして流速プロ
フィールを活かす。
【００４９】 本発明においてまた、フロープロフィールは、粒子の分離および識別に対する
活性メカニズムであり、そして他の力（例えば、重力、流体力学的揚力（ｌｉｆ
ｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）、または別の誘電泳動力）と共に誘電泳動力（主に、流
体流方向に対して垂直な方向の力成分）は、流体流プロフィールにおける粒子の
高さまたは位置を制御する最初の手段である。上記に記載のように、流体プロフ
ィールは、装置設計、流速、密度などによって制御され得る。ＦＦＦと誘電泳動
力を組み合わせることで、本発明は、頻度依存性粒子誘電および導電特性、なら
びに表面配置との相乗作用において、粒子容量および密度を利用する。本発明に
従う装置の操作は、実験的な条件（粒子懸濁媒体導電性および誘電率、流体流速
、粘性および密度、適用される電界強度、適用される頻度ならびに適用される電
気シグナル波形が挙げられるが、これらに限定されない）を変えることで制御さ
れ得る。分別に対して操作状態を設定する際の多くのパラメーターの利用は、異
なる粒状物質と可溶化された物質とを識別する能力を大いに拡大する。本発明に
従う方法において、装置の出口ポートから出てくる粒子は、例えば、1つ以上の
画分補集器によって収集され得るか、または分離された粒子を特徴付けるためフ
ローサイトメーターまたはインピーダンスセンサーなどの分析装置に直接送られ
得る。さらに、必要または所望される場合、粒子は、適切な溶液または媒体（中
性塩緩衝液、組織培養培地、スクロース溶液、溶解緩衝液、溶媒、固定液など）
を含む収集ウェルに移され得る。生物学的細胞の場合、収集された分離された細
胞は、さらに培養され得、そしてその分子特性を分析され得る。あるいは、分離
された細胞は、別の分子研究、生化学研究に当てられ得る。
【００５０】 実例となる実施形態において、チャンバは、例えばチャンバ壁として二枚のガ
ラススライドを使用して長方形に構築され得る。これらのチャンバ壁は、直方体
設計を作製するためスペーサによって間隔をおかれ得る。これらのスペーサは、
例えば、ガラス、テフロン（登録商標）などの高分子材料、または任意の他の適
切な材料で作製され得る。チャンバおよびチャンバ壁間の間隔のサイズは、識別
されるべき粒子のサイズに依存する。本発明の方法を実行するために、装置は、
哺乳動物細胞を識別する目的の実例となる実施形態において、約１００ｎｍと約
１０ｍｍとの間、そしてさらに好ましくは約２０ミクロンと約６００ミクロンと
の間の間隔を有し得る。さらに、より長いチャンバが、より大きな識別スループ
ットを可能にするため所望され得る。本発明に従う装置は、１秒当たり約１００
細胞と約３００００００細胞との間の速度で細胞を識別し得る。識別速度を決定
する因子として、例えば、識別されるべき粒子の誘電特性、電極設計、チャンバ
の長さ、流体流速、電気シグナルの頻度および電圧量、ならびにシグナル波形が
挙げられる。チャンバ寸法は、投入物質型、特性、および所望されるまたは必要
とされる識別の程度に適切であるように選択され得る。
【００５１】 他の実施形態において、チャンバの１つ以上の表面は、電極アレイを支持し得
る。電極アレイは、例えば、パラレル電極（互いにかみ合わされた）エレメント
の微小電極アレイであり得る。特定の実施形態において、パラレル電極エレメン
トは、約２０ミクロンの間隔をおかれ得る。この装置は、細胞性物質の識別に対
する実施形態のため約０．１ミクロンと約１０００ミクロンとの間、そしてさら
に好ましくは約１ミクロンと約１００ミクロンとの間の電極エレメント幅に合わ
られせ得る。さらに、電極エレメント間隔は約０．１ミクロンと約１０００ミク
ロンとの間であり得、そして、細胞性識別のためより好ましくは約１ミクロンと
約１００ミクロンとの間であり得る。パラレル電極設計での電極間隔に対する電
極幅の比の変化は、誘電泳動力の大きさを変え、そしてそれによって設計の粒子
浮揚特性を変える。電極エレメントは、シグナル発生器から電極エレメントへ電
気シグナルを運ぶ単一の電極バスであり得る共通電気伝導器に連結され得る。あ
るいは、電気シグナルは、同じまたは異なる電気シグナルを提供する１より多く
のバスによって印加され得る。特定の実施形態において、代替の電極エレメント
は、電極アレイの２つの反対の長縁に沿って異なる電極バスに連結され得る。こ
の配置において、代替の電極エレメントは、異なる特性のシグナルを送達し得る
。本明細書に使用される「代替の電極エレメント」は、アレイの他の全てのエレ
メント、またはエレメントの選択を繰りかえすような別のエレメントを含み得る
。電極エレメントは、当該分野で周知のマイクロリソグラフィー（ｍｉｃｒｏｌ
ｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術を使用して作られ得る。例えば、電極アレイは、イ
オンビームリソグラフィー、イオンビームエッチング、レーザー磨耗、印刷、ま
たは電着によって作られ得る。アレイは、例えば、１０ｎｍクロムまたはチタン
のシード層上の１００ｎｍ金層で構成され得る。
【００５２】 本発明に従う装置は、本発明の種々の方法を用いて使用され得る。例えば、本
発明に従う装置は、誘電泳動および流体流分別を利用する粒状の物質および可溶
化された物質を識別する方法において使用され得る。この方法は、以下の工程を
含む。
【００５３】 第１に、１つの入口ポートを通じて、細胞懸濁媒体、組織培養媒体、およびス
クロース溶液などのようなキャリア媒体で、チャンバーを前もって充填する。気
泡（またはほんのわずかな小さな気泡）がチャンバーに全く導入されないことを
確実にするために、充填の間、注意が払われなければならない。
【００５４】 第２に、媒体に懸濁させるか可溶化された識別されるべき物体が、次いで、チ
ャンバーの１つ以上の入口ポートに導入され得る。この導入の間、物体が電極要
素を含む壁に接触するのを防ぎ得る誘導泳動的な（ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒ
ｅｔｉｃ）力に、識別されるべき物体が供されるように、特定の電気的シグナル
が印加され得る。あるいは、いくつかの適用において、物体を導入する間、電気
的シグナルは全く印加されない。
【００５５】 第３に、物体のチャンバーの入口領域への導入の後に、特定の電気的シグナル
が、チャンバー内の液体が流れ出す前のいくらかの時間の間、印加され得る。こ
の期間の間、物体は、電気的シグナルおよび重力のような他の力の適用によって
生成された誘導泳動的な力の影響の下、それらの適切な位置（または平衡位置）
に移動し得る。これらの位置では、物体に働く全ての力はお互いに釣り合いが取
れ、そして正味の力はゼロであるか、またはゼロに近い。異なる特徴を有する物
体は、チャンバー内の異なる平衡位置に至り得、従って、それらの平衡位置に従
って識別される。あるいは、いくつかの適用において、物体が、重力のような力
の影響下で、適切な位置（または平衡位置）に移動し得るように、電気的シグナ
ルが全く加えられない。
【００５６】 最後に、流体の流れは、例えば、シリンジポンプを用いてチャンバー内にキャ
リア媒体を送り込むことによって、チャンバー内に確立される。これは、キャリ
ア媒体を、速度プロフィールに従ってチャンバーを通じて流れさせ、その結果、
チャンバーの壁に対して異なる位置にある媒体の速度が異なり得る。少なくとも
１つの交流電気的シグナルが、１つ以上の電極要素に印加され得、これは、チャ
ンバー内に不均質な交流電場を形成する。この電場は、誘導泳動的な力をチャン
バー内の物体に働かせる。誘導泳動的な力は、重力および流体力学揚力のような
他の力と共に、物体をキャリア媒体内の流速プロフィールにおける平衡位置に変
位させる。これらの平衡位置では、誘導泳動的な力は、物体に働く他の力によっ
て釣り合いが取られる。この物体は、キャリア媒体内のそれらの位置に従って識
別される。さらに、異なる位置にある物体は、キャリア媒体の流速プロフィール
の影響下で、異なる速度で流れさせられる。従って、物体はさらに、それらの速
度に従って識別される。物体をさらに識別するために、電気的シグナルの周波数
、もしくは大きさまたはその両方が、時間と共に変化し得る。それによって、こ
のような変化は、不均質な交流電場の変化を引き起こし、次に、この変化が、物
体に働く誘導泳動的な力を変化させ、そして電極要素に対してこの物体の変位を
変化させる。これらの変化はさらに、流速プロフィール内で物体の平衡位置およ
び物体の速度に影響を及ぼす。物体はさらに、チャンバーからそれらが出て行く
時間に従って識別される。より大きな速度を有する物体は、小さな速度を有する
他の物体に先立ってチャンバーを出て行く。チャンバーを出た後の物体は、捕集
および／または分析され得る。。
【００５７】 非電気泳動法および場流れ（ｆｉｅｌｄ ｆｌｏｗ）分画を用いる粒子性物体
および可溶化された物体を識別するための、本発明に従う別の方法は、以下の工
程を含む。第１に、１つの入口ポートを通じて、細胞懸濁媒体、組織培養媒体、
およびスクロース溶液などのようなキャリア媒体で、前もってチャンバーを充填
する。第２に、媒体に懸濁させるかまたは可溶化された識別されるべき物体を、
次いで、チャンバーの１つ以上の入口ポートへ流入され得る。この導入は、キャ
リア媒体を、速度プロフィールに従って、チャンバーを通じて流れさせる。チャ
ンバーの異なる位置にあるキャリア媒体は、異なる速度で流れ得る。少なくとも
１つの交流電気的シグナルが、１つ以上の電極要素に印加され得、これは、チャ
ンバー内に不均質な交流電場を形成する。この電場は、物体に働く誘導泳動的な
力を発生させ、そしてチャンバー内の物体をキャリア媒体内の流速プロフィール
における位置に変位させる。このような平衡位置では、物体に働く誘導泳動的な
力は、重力、または流体力学的揚力、あるいはチャンバー内の別の誘導泳動的な
力のような他の力によって、釣り合いが取られる。従って、物体は、キャリア媒
体内のその位置に従って識別される。さらに、物体は、例えば、その速度に従っ
て、識別され得る。流速プロフィールの異なる位置にある物体は、流体流の影響
下で、異なる速度で流れる。物体をさらに識別するために、電気的シグナル（例
えば、周波数、大きさ、またはその両方）を変化し得る。それによって、このよ
うな変化は、不均質な交流電場の変化を引き起こし、次に、これは、物体に働く
誘導泳動的な力を変化させ、そして電極要素に対する物体の変位を変化させる。
これらの変化はさらに、流速プロフィール内の物体の平衡位置および物体の速度
に影響を及ぼす。物体はさらに、チャンバーからそれらが出てくる時間に従って
識別される。より大きな速度を有する物体は、より小さい速度を有する他の物体
より速くチャンバーを出る。チャンバーを出た後の物体は、捕集および／または
分析され得る。
【００５８】 本発明に従う別の方法は、以下の工程に従う誘導泳動法および場流れ分画を利
用して、粒子性物体および可溶化された物体を識別する工程を含む。第１に、１
つの入口ポートを通じて、細胞懸濁媒体、組織培養媒体、およびスクロース溶液
などのようなキャリア媒体で、チャンバーを前もって充填する。第２に、識別す
るべき物体をチャンバーの１つの入口ポートを通じてチャンバーへ導入する。次
に、輸送流体（これは、例えば、組織培養媒体または気体であり得る）を少なく
とも１つのダクトへ流し込む。これは、速度プロフィールに従うチャンバー内の
流体流を引き起こす。チャンバーの異なる位置での流体は、異なる速さで流れ得
る。少なくとも１つの電気的シグナルが、少なくとも１つの電極要素に印加され
る。それによって、これらの１つ以上の電気シグナルは、チャンバー内に不均質
な電場を形成する。この電場は、物体を輸送流体内の位置に変位させる、物体に
対するＤＥＰ力を引き起こす。このような平衡位置で、ＤＥＰ力は物体に働く他
の力（例えば、重力、流体力学的揚力、または別のＤＥＰ力）によって釣り合い
が取られる。物体は、輸送流体内の流速プロフィールにおけるその位置に従って
識別される。この輸送流体が速度プロフィールに供される場合、それによって、
異なる速度で移動する物体は、流体流の方向でその位置に従って区分される。物
体は、その速度および流体流内のその位置に従って識別される。物体をさらに識
別するために、電気的シグナル（周波数、または大きさ、あるいはその両方）が
変化され得る。それによって、このような変化は、不均質な交流電場における変
化を引き起こし、次に、これは、物体に働く誘導泳動的な力を変化させ、そして
電極要素に対する物体の変位を変化させる。これらの変化はさらに、流れプロフ
ィール内の物体の平衡位置および物体の速度に影響を及ぼす。さらに、分離され
た、粒子性物体または可溶化された物体は、それらの速度に依存する時間で捕集
され得る。さらなる分析および特徴付けのために、１つ以上の出口ポートで物体
を捕集することがさらに可能である。
【００５９】 粒子性の物質および可溶化した物質を、誘電泳動およびフィールドフロー分別
を利用して識別するための本発明による別の方法は、以下の工程を包含する。こ
の場合、粒子性物質および可溶化物質の連続的識別および分離が達成される。本
発明に従うチャンバは、２つの主要な向き合った壁に配置された２つの出口ポー
トを有する。２つの主要な壁の少なくとも１つは、電極のアレイを支持する。第
１に、そのチャンバは、１つの入口ポートを介して、キャリア媒体（例えば、細
胞懸濁液媒体、組織培養媒体、またはスクロース溶液など）で予めロードされる
。第２に、媒体において識別されるか、懸濁されるか、または可溶化されるため
の物質は、チャンバに連続的に導入される。これは、速度プロフィールに従って
、チャンバ内に流体の流れを引き起こす。少なくとも１つの電気シグナルが、少
なくとも１つの電極エレメントに印加される。これらの１つ以上の電気シグナル
は、それにより、チャンバ内に均一でない電場を作り出す。その電場は、その物
質においてＤＥＰ力を引き起こし、その物質が輸送流体内の平衡位置に向かって
動くことを引き起こす。したがって、その物質は、流体流とともに運ばれるだけ
でなく、また、ＤＥＰ、および重力、水力学的な浮力または別のＤＥＰ力のよう
なその他の力の組み合わせの影響によって駆動される。その物質が出口末端に到
達する場合、それはチャンバの２つの主要な壁に対して垂直な方向に沿ったその
位置に依存して、２つの出口ポートの１つからそのチャンバを出る。その物質は
、それがチャンバを出るその出口ポートに従って分別される。例えば、その物質
が、異なる誘電特性を有する２つの亜集団からなる場合、その物質の２つの亜集
団は、それらがチャンバの出口末端に到達するとき、流体流における異なる位置
を獲得し得る。その２つの集団が、２つの異なる出口ポートからそのチャンバを
出るため、その２つの集団の分離は達成される。明らかに、このアプローチを使
用するその物質の識別は、連続的に作動され得る。その２つの出口ポートからの
その分離した物質は、さらに収集され、そして分析され得る。
【００６０】 物質をより正確に分別することが可能なさらなる工程が存在する。これらの工
程には、以下が含まれる。第１に、交互の電気シグナル（単数または複数）は、
その物質が電極要素に向かって引きつけられるかまたは電極要素から反発される
かのいずれかであるようにする周波数と電圧の組み合わせで選択され得る。それ
を行うことによって、その物質は輸送流体内に明確に配置される。このような電
圧および周波数の組み合わせを印加することにより、その物質を電極要素の近く
に保持することが可能である。
【００６１】 所望の、または所望でない物質を引きつけるために、周波数を選択することが
可能である。本明細書において使用される場合、所望の物質は、さらなる使用の
ために分別され、そして収集されることが望まれる任意の物質であり得る。例え
ば、正常な血液細胞を、「汚染された」癌細胞を含むサンプルから分離すること
は、これらの正常細胞を患者の血流中に戻すにおいて使用されるために望まれ得
る。それで、正常な細胞は、この場合、「所望の物質」と呼ばれ得る。所望でな
い物質は、他の目的のために識別されることが望まれる物質であり得る。例えば
、患者の血液または骨髄由来の癌細胞は、その癌細胞を含有していない血液のサ
ンプルが患者に戻され得るように識別され得る。この場合、その癌細胞は、「所
望でない物質」と呼ばれ得る。
【００６２】 このような物質の組み合わせを識別するための方法は、以下を包含する。周波
数は、所望でない物質が、電極要素の近くに保持される一方、同時に所望の物質
が流体流で運ばれ、そして所望でない物質から分離されるように選択される。こ
の周波数は、保持周波数として公知であり得る。次いで、その流体流は、所望の
物質をチャンバの出口ポート（単数または複数）に運び、ここで、それは収集さ
れ得る。このプロセスの間、その所望の物質はまた、さらなる識別および分離に
供され、その結果、その所望の物質の亜集団は、ｃＤＥＰ／ＦＦＦ操作下で分離
される。収集後、所望の物質は、例えば、患者の血流または骨に戻され得るか、
またはそれは、診断または他の分子分析もしくは生化学的分析のために使用され
得る。次いで、チャンバをクリアするために、周波数が変化されるか、またはそ
の電圧自体が遮断される。これは、所望でない物質が近くから電極要素へと放出
されることを引き起こし、そして流体流によって分離される。次いで、この所望
でない物質は、その流体においてチャンバを通して流れ得、そして必要であれば
、収集され得る。収集後、その所望でない物質は、例えば、診断または他の目的
のために使用され得る。
【００６３】 代替の実施形態において、所望の物質を電極要素の近くに保持し、そして上記
に記載した同じステップに従って、最初に所望でない物質を流体流によって分離
することが可能である。
【００６４】 本発明の装置および方法は、多数の異なる有用な方法のために使用され得る。
例えば、本発明の方法は、物質のサンプル中の未知の粒子性物質および未知の可
溶化物質の特徴を決定するために使用され得る。次いで、これらの特徴は、公知
の物質と比較され得る。さらに、本発明の方法は、患者のサンプル中の未同定粒
子性物質および未同定可溶化物質の存在を決定することによって状態を診断する
ために使用され得る。この未同定の物質は、例えば、癌、ウイルス、または寄生
虫などの存在であり得る。状態の存在を決定した後に、本発明の方法は、本発明
の装置を使用してその癌、ウイルス、寄生虫などを正常な血液細胞または骨髄細
胞から識別することによって、その状態を処置するために使用され得る。
【００６５】 本発明に関連して使用される場合、「操作または識別」は、例えば、特徴づけ
、分離、分別、濃縮、および／または単離が含まれ得る。
【００６６】 特定の製品およびサービスのために有用なデバイスについての代表的な生物学
的応用には、腫瘍細胞（例えば、上皮腫瘍細胞または白血病細胞）の、血液およ
び造血幹細胞からの操作または識別、骨髄および造血幹細胞およびその他の正常
細胞との混合物からの腫瘍細胞の消去、幹細胞からの残渣のＴリンパ球の消去、
ならびに腫瘍細胞、幹細胞などを含む特定の標的細胞型の富化が含まれる。白血
球細胞亜集団の操作または識別、マラリアにおける正常赤血球からの寄生した赤
血球の除去および濃縮ならびにその他の寄生した細胞のそれらの正常対応物から
の除去および濃縮、細胞周期における異なる期での細胞の操作、可変および非可
変細胞の操作、遊離の細胞核の操作、ならびに遺伝子試験を含むさらなる分析の
ための母性血液からの有核胎児赤血球および栄養芽細胞の操作もまた含まれる。
さらに、本発明は、水、血液、尿、細胞混合物、およびその他の懸濁液からの、
細菌、ウイルス、プラスミド、およびその他の原始的生物の操作、生検、プラー
ク、および切屑試験（パパニコラウスミア（塗抹〔標本〕）を含む）における腫
瘍細胞の操作および同定、ならびに細胞混合物からの転移性腫瘍細胞の操作およ
び同定を企図する。
【００６７】 異なる電極およびより小さい電極の配置（ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ）を用いて、
その技術は、それらの分子量、折り畳みの特徴、および誘電特性に従ったＤＮＡ
もしくはＲＮＡ分子および／またはＤＮＡもしくはＲＮＡフラグメントの操作、
染色体の操作、特異的タンパク質／ＤＮＡおよびタンパク質／ＲＮＡ凝集体の操
作、混合物からの個々のタンパク質の操作、ならびに特定の亜細胞分子複合体お
よび構造体の操作を含む分子への適用のために使用され得ることが意図される。
【００６８】 ｃＤＥＰ／ＦＦＦ適用に使用されるチャンバは、異なるサンプルサイズの必要
性に適合するようなサイズにおいて有意に変化し得る。例えば、大きなサイズの
チャンバは、数百万の細胞を各操作で分離するために実行され得る。他の極端な
場合には、そのチャンバは、組み込まれた生体分析システムにおいて微小流体細
胞分離工程を形成するために微小化され得る。そのような微小化チャンバは、他
の微小流体デバイスまたは構成要素とともに組み込まれ得る。異なる適用におけ
る粒子の識別を最適化するために、本発明は、特異的に標的化した電極およびチ
ャンバのデザインの使用を含み得ることが理解される。これらのデザインは、粒
子の空中浮揚の高さの、その粒子の誘電特性に対する感度の良い依存性を提供す
べきである。例えば、平行な電極デザインにおける電極の幅の、電極の間隔に対
する比の変化は、誘電泳動力の垂直方向成分を変化させ、それにより、そのデザ
インの粒子の空中浮揚特性を変化させる。改善された粒子の識別を提供するため
のその他の戦略には、例えば、２つ以上のセットの電極要素を、異なる周波数お
よび／または電圧でそれらに印加しての使用、ならびにチャンバの底および上部
の壁の両方の電極アレイに印可される電気シグナル間の相乗作用の利用が含まれ
る。さらに、誘電（すなわち、非導電）要素は、チャンバ内に配置されて、電場
分布および水力学流プロフィールの両方を改善し得る。電極要素のサイズおよび
形状は、識別を最適化するように設計され得る。さらに、いくつかの電極幾何学
（同じかまたは異なる電気シグナルで活性化された）は、連続的に連結され、異
なる物質と可溶化物質との間の段階的な識別を提供し得る。異なるチャンバの構
成はまた、連続して使用され得る。最終的に、上流のｃＤＥＰ／ＦＦＦ構成によ
って分離されている細胞は、特徴付けのために収集されそして下流にｃＤＥＰト
ラッピングによって保持され得る。
【００６９】 （例示的な実施形態の説明） ＤＥＰ／ＦＦＦは、引力に均衡した誘電泳動力を用いて、細胞を流体流プロフ
ィール内で異なる平衡高さに配置し得る。フロープロフィール内の異なる高さの
細胞または他の粒子は、異なる速度で輸送され得、それゆえ、速度および／また
は高さの差によって分離され得る。本明細書中に記載される実施形態では、ＤＥ
Ｐ−ＦＦＦ内のＤＥＰ力は、電気シグナルを分離チャンバの底面に構成された微
小電極アレイに印加することによって生成され得る。１つの実施形態では、分離
のために使用されるシグナルは、一定の周波数および電圧を有する正弦波シグナ
ルである。このようなアプローチを用いて、異なるサイズでかつ異なる表面修飾
を有するポリスチレンビーズが、分離され得ることが示された。さらに、正常な
血球由来のモデル細胞混合物（培養乳癌細胞および培養ＨＬ−６０白血病細胞）
のＤＥＰ−ＦＦＦ分離が実証されている。
【００７０】 ここで図６Ａ〜６Ｆに関して、微小電極に印加される電圧シグナルを調整する
ことによって、プログラムされ、そして変動される誘電泳動力フィールドを利用
し、その結果、シグナル振幅、周波数、波形および／または位相が時間の関数で
ある、実施形態が示される。特に、図６Ａ〜６Ｆは、このような「プログラムさ
れた」電圧シグナルのいくつかの例を示す。図６Ａは、固定された振幅／周波数
を有するシグナルを示す。図６Ｂ〜６Ｆは、「プログラムされた」電圧シグナル
を用いた種々の実施形態、より詳細には、時間依存性の振幅／周波数を用いる実
施形態を示す。図６Ｅおよび図６Ｆは、周波数変調（時間とともに絶えず変化す
る周波数）を伴うシグナルおよび振幅変調（時間とともに絶えず変化する振幅）
を示す。図６Ａ〜図６Ｆにおいて示すこのようなシグナルを、本明細書中に記載
される電極に印加することによって、ＤＥＰ−ＦＦＦは、直面している特定の問
題に従って、そして特定の分離目的に従ってプログラムされ得る。このようなプ
ログラムされたシグナルを用いることによって、ＤＥＰ力は、良好な分離性能に
ついてちょうどよいときに変動し得、そしてＤＥＰ−ＦＦＦセパレータの識別は
、特定の適用に調整され得る。
【００７１】 本明細書中に記載される特定のＤＥＰ−ＦＦＦチャンバの実施形態は、１つま
たは２つの入口ポートおよび１つの出口ポートを含む。このチャンバには、緩衝
溶液が予め充填され得る。サンプル（これは、便宜的に、細胞混合物から作製さ
れるとみなされ得る）は、電圧シグナルが微小電極に印加されたチャンバ中に導
入され得る。電気シグナルが印加されると、細胞は、いくらかの時間（例えば、
分の桁）にわたって沈降して、力（誘電泳動力および引力を含む）の平衡から、
平衡高さに到達することが可能である。次いで、フロープロフィールは、流体を
少なくとも１つの入口ポートに通させることによってチャンバ中で確立され得る
。流体は、チャンバを、出口ポートから出ている。フロープロフィール内の異な
る高さの細胞は、チャンバを異なった時点で出得る。なぜなら、これらは、異な
る速度で輸送されるからである。出る細胞は、ＵＶ検出器もしくはフローサイト
メーターを用いて検出され得るか、またはフラクションコレクターによって収集
される。
【００７２】 ＤＥＰ−ＦＦＦ作動速度は、より高い流体流速を用いることによって増大され
得る。しかし、最大流速は、使用する細胞（または粒子）検出器によって制限さ
れ得る。なぜなら、高い流速によって、過度に高い流体圧力が細胞検出器にもた
らされるからである。例えば、ＨＳ ＢＲＹＴＥフローサイトメーター（Ｂｉｏ
−Ｒａｄ，Ｍｉｃｒｏｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｌｔｄ）は、５０〜１００マイクロリ
ットル／分までで作動し得、一方、ＤＥＰ／ＦＦＦ作動についての流速は、数ｍ
Ｌ／分までであり得る。これは、ＨＳ ＢＲＹＴＥフローサイトメーターが検出
のために用いられる場合、分離が、５ｍＬ／分の流速が少なくとも５０倍で低下
されるべきであるＤＥＰ／ＦＦＦセパレータにおいて達成され得ることに従う。
このようなスローダウンは、不十分なだけでなく、細胞が電場に供され得、そし
て５０倍長く非生理学的緩衝液（これは、望ましくない効果をもたらし得る）中
に懸濁され得ることをも意味する。
【００７３】 ＤＥＰ／ＦＦＦセパレータの下流の細胞検出器での流体圧力を低下させるため
に、本発明によるチャンバは、２つの出口ポートを用い得、この一方は、チャン
バの頂部に隣接しており、そして一方は、チャンバの底部に隣接している。多く
のＤＥＰ／ＦＦＦ印加において、細胞は、チャンバの高さの半分未満の高さまで
浮揚することから、流体の頂部半分は、まったく細胞を含まないかもしれず、ま
たは細胞をほんのいくつかだけ含むかもしれない。従って、頂部出口ポートを出
る流体が、チャンバ入口ポートでの流体流速の半分の流速で作動している、抽出
動因（例えば、シリンジポンプ）によって引き出される場合、細胞の大多数また
は全ての細胞は、チャンバを底部出口ポートで出得る。この実施形態では、検出
器での流体の流速および流体圧力は、半分まで減少し得る。
【００７４】 １つの実施形態では、このような２つの出口ポートシステムは、入口流体流速
の半分より速く設定した頂部出口ポートを通った流体流速を用いて作動され得る
。なぜなら、細胞は、チャンバの高さの半分よりずっと少ない高さを占め得るか
らである。従って、細胞検出器での流体圧力は、なおさらに低下され得る。さら
に、チャンバを出る細胞は、それらとともに出る流体がより少ないので、より高
い濃度であり得る。２つの出口ポートシステムの作動において、頂部出口ポート
および底部出口ポートでの流体流速は、時間に伴って変動し得る。ただし、これ
らの２つの合計は、入口流速に等しい。従って、入口ポートおよび出口ポートで
の流体の流速は、プログラムされ得、そして作動の間、時間に伴って変動し得る
。時間に伴ったこのような流速の変動は、分離プロセスを加速し得る。例えば、
２つの細胞集団の混合物の分離の場合、第１の細胞集団の完全な溶出後に、第２
の集団が、入口流速を増大させることによって、そして相応じて、２つの出口流
速を増大させることによって、チャンバから迅速に除去され得る。
【００７５】 図７、図８、図９および図１０では、本発明のこの実施形態に従ったＤＥＰ／
ＦＦＦチャンバについての作動原理が示される。図７および図８は、単一出口ポ
ートについてのＤＥＰ／ＦＦＦ作動を例示し、ここでは、便宜的に粒子混合物と
みなされ得る粒子は、最初にチャンバに導入され、そしてある時間平衡化されて
、平衡高さが得られる（図７）。次いで、この粒子は、異なる平衡高さでの異な
る速度の結果としてこれらの粒子を分離する、流体流プロフィールに供され得る
。粒子および全てのＤＥＰ／ＦＦＦ緩衝液は、出口ポートからチャンバを出る（
図８）。
【００７６】 図９および図１０は、チャンバの頂部壁および底部壁に配置された２つの出口
ポートを含むチャンバを有する実施形態についてのＤＥＰ／ＦＦＦ作動を示す。
図９は、粒子が、チャンバに導入され得、そして平衡位置に到達するのを可能に
することを示す。次いで、粒子は、流体流プロフィールに供され得、そして以前
のように分離される。しかし、この実施形態では、２つの出口ポートが存在する
。粒子は、底部出口ポートからチャンバを出得、一方、大部分の緩衝液流体は、
チャンバを頂部出口ポートから出得る（図１０）。２つの出口ポートでの流速の
比に依存して、粒子検出器（これは、底部出口ポートに連結され得る）での流体
圧力は、顕著に減少し得る。
【００７７】 上記の説明および以下に示す多くの実施例は、粒子（例えば、細胞）が溶出さ
れる出口ポートを有するＤＥＰ／ＦＦＦチャンバを考察するが、本発明者らは、
粒子検出器がＤＥＰ／ＦＦＦ分離チャンバと一体化している本発明の実施形態を
考える。１つの実施形態では、粒子検出器は、粒子がチャネルを通って流れる場
合、チャネルの２つの対向した側に位置する２つの感知電極要素の間の電気的イ
ンピーダンスの変化に基づき得る。このような電極要素は、ＤＥＰ分離微小電極
を作製するための方法と同じ方法を用いて製造され得、そしてチャネルは、分離
電極についてと同じ基板（例えば、ガラスまたはケイ素）上に存在し得る。この
ような場合、粒子の分離および検出は、同じ一体化デバイスにおいて達成される
。
【００７８】 （複数の出口ポートを有するＤＥＰ−ＦＦＦチャンバを用いた連続ＤＥＰ／Ｆ
ＦＦ粒子分離） 図１０の上部の流体出口ポートからの流体流速を増大させることによって、粒
子は、頂部から引き出され得る。実際、頂部出口ポートおよび底部出口ポートを
通る流速の比を適切に調整することによって、細胞の所望の画分を、これらのそ
れぞれのポートを通して出るようにさせ得る。この実施形態では、粒子混合物は
、単一バッチとして注射される必要がなく、そしてちょうどよい時に分離される
が、その代わり、チャンバに連続して導入され得る（図１１および図１２）。粒
子は、流体流に伴って運ばれる。同時に、これらは、垂直方向に移動して、それ
らの特性および力（例えば、誘電泳動浮揚力および引力）の均衡によって決定さ
れる平衡高さに到達する（図１２）。流体の流速が適切に制御される場合、粒子
は、これらがチャンバの出口に到達する前にそれらの平衡高さ位置に到達し得る
。流体が頂部出口ポートおよび底部出口ポートの両方からチャンバを出るので、
チャンバ中の底面から特定の高さ（閾値高さ）までの流体は、底部出口ポートを
通ってチャンバを出て、一方、閾値高さよりも高い流体は、頂部出口ポートを通
って出る。閾値高さよりも低い平衡高さを有する粒子は、底部出口ポートを通っ
てチャンバを出る（図１２）。一方、閾値高さよりも高い平衡高さを有する粒子
は、頂部出口ポートを通ってチャンバを出る（図１２）。従って、分離は、チャ
ンバ出口の末端で粒子が到達したときの粒子高さによって達成され得る。流体の
フロープロフィールによって作製される異なる速度を利用する必要なく、異なる
粒子の間で異なる高さが分離のために直接利用されるので、このような分離は、
バッチ中で、あるいは、連続様式で作動され得る。
【００７９】 さらに、異なる粒子型間で異なる高さは、本明細書中に記載されるように、バ
ッチ形態のＤＥＰ−ＦＦＦ作動についての異なる速度および出る時間の基礎であ
り得る。図１１〜図１２の２ポートシステムを用いることによって、フロープロ
フィールについての必要性を除去し、そしてこれは、連続分離を可能にする。
【００８０】 図１１〜図１２の実施形態では、粒子は、それらがチャンバ出口の末端に到達
するまでに、それらの平衡位置に到達する必要はない。分離されるべき粒子の部
分集団の間での十分な差の高さが存在する限り、連続ＤＥＰ−ＦＦＦ作動は、粒
子を分離し得る。フロープロフィールはこの実施形態において活発に利用されな
いので、分離は、「プラグ様」フロープロフィールについてさえ行われ得る。こ
れは、流体のフローが、代表的なシリンジポンプによるよりも、電気浸透または
表面音波のような効果によって作製され得る可能性を開く。それにもかかわらず
、フロープロフィールは、細胞がチャンバを通って動く時間（粒子が、誘電泳動
浮揚力および沈降力の組合された作用下で垂直方向に「移動する」ために利用可
能である時間）に影響を与え、それゆえ、これは、次に、粒子がチャンバを出る
際の粒子の垂直位置の分布に影響を与えるかもしれない。
【００８１】 図１１および図１２は、２つの出口ポートを用いた連続分離のＤＥＰ／ＦＦＦ
原理の実施形態を示す。この実施形態では、粒子はＤＥＰ−ＦＦＦチャンバに連
続して供給され得、そしてチャンバ出口ポートへの流体のフローによって輸送さ
れ得る。粒子が輸送されるにつれ、これらは、これらを上または下に駆動する垂
直ＤＥＰおよび引力を経験する。異なる誘電特性を保有し、それゆえ、異なる誘
電泳動力を経験する、異なる粒子型は、チャンバの末端に近づくにつれ異なる高
さを得る。２つの出口ポートが存在するので、粒子の高さの位置に依存して、い
くつかの粒子は、底部出口ポートでチャンバを出て、他のものは頂部出口ポート
で出る。代表的な放物線プロフィールが流体のフローについて図に描かれるとは
いえ、当業者は、本開示の恩恵を受けて、例示されたフロープロフィールが必要
でないことを認識する。
【００８２】 １つの実施形態では、複数の出口ポートは、チャンバの底部または底部プレー
トに配置され得る。分離されるべき粒子は、再度、チャンバ中のそれらの相対的
位置に依存してこのような出口ポートから出得る。
【００８３】 連続分離のために用いられるチャンバは、バッチ形態で用いられるチャンバと
類似し得るとはいえ、重要な相違は、頂部ポートおよび底部ポートを通る流速が
、連続形態で選択され得、その結果、異なる型の粒子が、頂部出口ポートおよび
底部出口ポートを通ってチャンバを出得るという事実にある。従って、流体の流
速、チャンバの厚み、粒子浮揚特性は全て、分離プロトコルを設計する場合を考
慮に入れて、分離が所望のように行われることを確実にする必要があり得る。
【００８４】 連続ＤＥＰ／ＦＦＦ分離の１つの実施形態では、分離は、チャンバの出口末端
にスプリッタの使用を含み得る。このようなスプリッタは、数マイクロメートル
〜数十マイクロメートルであり得、そして流体を複数分別中へチャンバの出口末
端で分割するために用いられ得る。
【００８５】 （ＤＥＰ−ＦＦＦ分離のためのＤＥＰ力場のプログラミング） １つの実施形態では、振幅Ｖ1および周波数ｆ1の電圧シグナルは、特定の時間
（約１０秒間〜約６０分間の範囲にわたる任意の時間）にわたって印加され得る
。このシグナル形態の間に、粒子高さおよび速度の差は、一方の粒子型の速度を
可能な限り（理想的には０まで）減らし、そして他方の粒子型の速度を大きな値
（代表的には１０ｃｍ／分）まで増すことによって最大になり得る。いくらかの
時間の後、チャンバ中の粒子の間の十分な分離が達成され得るか、または迅速に
移動する粒子型が既にチャンバを出ている。次いで、振幅Ｖ2および周波数ｆ2の
異なる電圧シグナルが印加され得る。この場合、両方の粒子型の速度を増大させ
得、その結果、この２つの集団の間の良好な分離が維持されながら、両方の粒子
型がチャンバから迅速に溶出される。
【００８６】 別の実施形態では、定常振幅を有するが大きな曲線を描いて動く周波数（例え
ば、三角波形による周波数線形変調）を有するシグナルは最初に、電極に印加さ
れ得る。このようなシグナルは、印加された周波数範囲において比較的大きな分
極因子を有する特定の粒子型の溶出特性に影響を与えないかもしれないが、この
ようなシグナルは、０に近い分極因子を有する粒子型にとって重要であり得る。
大きな曲線を描いて動くこのようなシグナルは、電極面に捕獲される粒子数を減
少させ得、そしてこれらの粒子がゆっくりと移動することを確実にする。大きな
曲線を描いて動くこのような周波数電圧シグナルは、いくらかの時間にわたって
印加された後に、チャンバにおける粒子部分集団の分離をもたらし得る。このよ
うな周波数が大きな曲線を描いて動く工程の後では、固定された周波数のシグナ
ルが印加されて、分離チャンバ中に残っている全ての粒子型を溶出し得る。
【００８７】 別の実施形態においては、複数の部分集団を有する粒子混合物（例えば、細胞
混合物）を分離するために、一定の振幅の電気シグナルが、シグナル周波数が段
階的な様式で変化されて、印加され得る。この実施形態の１例は、異なる誘電特
性および異なる分極因子を有する３つの部分集団（Ｓ1、Ｓ2およびＳ3）を含む
サンプルを含み得る。部分集団Ｓ1を溶出し、一方で部分集団Ｓ2およびＳ3の遅
い移動を確実にするために、周波数ｆ1のシグナルが印加される。部分集団Ｓ1が
チャンバから溶出するか、または他の２つの部分集団から離れて前方に移動した
後に、部分集団Ｓ2が、部分集団Ｓ3の遅い移動を依然として確実にしながらシグ
ナル周波数をｆ2に変化させることによって、溶出され得る。さらなる時間間隔
の後に、部分集団Ｓ2が溶出されるか、またはＳ3の十分に前方に移動し得る。最
後に、周波数ｆ3のシグナルが印加されて、部分集団Ｓ3を迅速に溶出し得る。本
発明の利点を用いて、当業者は、このようなアプローチが、複数の部分集団を有
する細胞または粒子を分離するために、多数の様式で改変され得ることを、理解
する。さらに、シグナル振幅の段階的な変化、振幅および周波数、掃引周波数、
またはシグナルの任意の他の特性の代替または追加を使用して、各適用に適切で
あるように、分離を改善し得る。例えば、２つ以上の成分を有するシグナル（例
えば、周波数ｆ1およびｆ2、ならびに強度Ｖ1およびＶ2を有するもの）を、同時
にそして特定の期間にわたってプログラム可能に印加し得る。
【００８８】 本明細書中に開示される実施形態において、ＤＥＰ力場をＤＥＰ／ＦＦＦ分離
のための時間の関数としてプラグラムすることは、粒子の分離を最大にし得るの
みでなく、さらに、迅速な分離を可能にし得る。掃引周波数は、同じ型の多数の
粒子が、その誘電特性が全く異なってさえも、わずかに浮遊することを可能にし
得る点で、重要な利点を有する。このような掃引周波数シグナルを使用しない場
合には、いくらかの粒子は浮遊し得るが、他の粒子は正のＤＥＰ力を受け得、こ
の正のＤＥＰ力は、これらの粒子が１つ以上の電極に捕獲されること（所望でな
い効果）を引き起こす。
【００８９】 上記のように、ＤＥＰ力場を時間の関数としてプログラムすることにより、Ｄ
ＥＰ−ＦＦＦ分離プロセスのための融通性のある制御が可能となり得る。例えば
、電圧シグナルの周波数を次第に段階的に減少させて、種々の細胞部分集団の溶
出を可能にし得る。ＤＥＰ力場のプログラミングは、１つ以上のシグナル発生器
を、コンピュータまたは別の適切な制御装置で制御することによって、容易に達
成され得る。この様式で、最適な分離条件が、種々のシグナルの組み合わせを試
験することによって、見出され得る。
【００９０】 （ＤＥＰ−ＦＦＦチャンバのための２つの出口ポート） ＤＥＰ−ＦＦＦチャンバを、本発明の１つの実施形態に従って構築した。この
チャンバは、２つの出口ポートを、上部壁と底部壁との各々に１つずつ備える。
底部出口ポートを通って出る粒子または細胞を、フローサイトメトリーによって
検出した。１つの実施形態においては、ＤＥＰ−ＦＦＦチャンバ内の全流体の流
速は、０．５ｍｌ／分と２ｍｌ／分との間であったが、この速度は広く変動し得
ることが、理解される。この実施形態においては、フローサイトメーターを通る
流体の流速が０．１ｍｌ／分未満であることを確実にするために、このチャンバ
を出る流体の約９５％までを、上部出口ポートから引き抜いた。従って、例えば
、０．５ｍｌ／分の全流体の流速においては、流体は、シリンジポンプによって
、０．４ｍｌ／分の速度で上部出口ポートから引き抜かれ、０．１ｍｌ／分で、
フローサイトメーターへの残りのフローを低下させた。再度、入口および２つの
出口の流速は、これらが時間とともに変動するように、プログラムされ得る。
【００９１】 底部出口ポートにおいて１つの検出器を備える、２つの出口ポートのシステム
のための操作条件を選択する際に、全ての粒子（または細胞）が底部ポートから
出ることを確実にすることが、重要であり得る。そうでなければ、いくらかの粒
子（または細胞）が、上部出口ポートから溶出する場合に、検出されずにかまた
は制御されずに流れ得る。この２つのポートのＤＥＰ−ＦＦＦの実施形態におい
て、第２の出口ポートは、底部出口ポートにおける流体圧を低下させるために使
用され、その結果、粒子または細胞が、フローサイトメーターのような装置を使
用して、検出され得る。このような実施形態の別の利点は、分離される粒子また
は細胞が、希釈流体が上部出口流体から引き抜かれるという点で、「濃縮」され
ることである。
【００９２】 本明細書中に記載される実施形態は、プログラム可能な電圧シグナルによりプ
ログラム可能なＤＥＰ力場、複数の出口ポート、および連続的なＤＥＰ−ＦＦＦ
粒子分離を可能にする。これらの実施形態、およびこれらの組み合わせは、いく
つかの有意な利点を提供する。例えば、粒子（または細胞）のより良好な分離が
達成され得る。１つの実施形態においては、分離される集団の純度は、単一周波
数のフィールドを使用しての７０％から、掃引周波数のフィールドを用いての９
９％を越える純度まで増加した。分離は、より迅速に、かつより融通を利かせて
実施され得る。１つの実施形態においては、分離時間が、単一周波数のフィール
ドおよび単一の出口ポートを用いての４０分間から、２つの出口ポートを有する
チャンバに対するプログラム化ＤＥＰ力場を用いての５分間にまで、改善された
。流体圧の有意な低下および任意の下流の粒子（または細胞）の検出器またはコ
レクターに対するフロー要件は、２つの出口ポートの配置を用いて、達成され得
る。１つの実施形態においては、流体圧における１０倍より大きな減少が達成さ
れた。ＤＥＰ−ＦＦＦ分離は、速い分離が実施され得るように、より高い流速で
操作され得る。２つのポートは、分離された細胞のより低い希釈因子を可能にし
得る。１つの実施形態においては、濃度は、約１０より大きな因子で増加した。
連続的な分離の実施形態は、多量の細胞サンプルの処理を可能にし得、そして分
離されるべき１つの細胞型が低濃度である場合（例えば、単核細胞から転移性の
癌細胞を分離する場合、または赤血球から白血球を分離する場合）に、特に適用
可能であり得る。
【００９３】 このような利点は、全てのＤＥＰ−ＦＦＦ分離の問題（合成粒子の分離および
細胞分離を含む）に、適用可能である。合成粒子の分離としては、表面活性化ビ
ーズが挙げられ、そして細胞分離としては、血液細胞示差分析、白血球から赤血
球、赤血球／白血球から有核赤血球、母性血液から胎児赤血球、非活性化細胞か
ら活性化細胞、正常血液細胞からマラリア感染した細胞、血液から転移性癌細胞
、骨髄から癌細胞、正常な対細胞（ｃｏｕｎｔｅｒｐａｒｔ ｃｅｌｌ）から癌
細胞、および血液から白血病細胞が挙げられるが、これらに限定されない。
【００９４】 以下のさらなる実施例は、本発明の代表的な実施形態を実証するために含まれ
る。以下の実施例に開示される装置および技術は、本発明の実施において良好に
機能することが本発明者によって発見された装置および技術を表すこと、従って
、その実施のための好ましい様式を構築すると考えられ得ることが、当業者によ
り理解されるべきである。しかし、当業者は、本開示を考慮して、多くの変化が
、開示される特定の実施形態においてなされ得、そして依然として、本発明の意
図および範囲から逸脱することなく、類似かまたは同じ結果を得ることを、理解
するべきである。以下の実施例は、用語粒子を使用するが、当業者は、本装置お
よび方法が、溶解した物質に対しても同様に適切であることを、理解する。
【００９５】 （実施例１） 図１Ａは、本発明による装置の１つの例示的な実施形態を示す。この図におい
て、電極アレイ５は、チャンバ１０の底部壁１４に配置される；しかし、電極ア
レイは、本発明に従って構築されるチャンバの、上部壁１２および／または底部
壁１４および／または側壁１６に配置され得ることが、考慮される。図１Ｂに示
すように、電極アレイ５は、チャンバ１０を通る流体３５のフローに対して垂直
な位置に、チャンバ壁に沿って配置され得る。このアレイは流体流に関して任意
の角度（例えば、平行かまたは他の任意の角度）に適合され得ることに、注目す
るべきである。この実施形態において、これらの壁は整列して、薄いチャンバを
形成する。これらの壁は、スペーサー２０によって間隔を空けられ、このスペー
サーは、例えば、チャンバ壁と同じ材料で構築され得るか、あるいはＴＥＦＬＯ
Ｎ（登録商標）スペーサー、シール化合物、または他の任意の誘電性もしくは伝
導性の材料であり得る。電極アレイに印加される電気シグナルは、入力シグナル
の周波数および大きさとともに変動する、不均一な、変化する電場を作製する。
特定の実施形態においては、電極要素５は、図１Ｂに示すように、流体流３５に
対して実質的に垂直に適合され得る。さらなる導電体（これは、電極バス４０お
よび４５であり得る）が、電気シグナルを提供して、電極アレイ５の要素を変化
させ得る。電場の強度は、印加電圧、チャンバ内での位置、ならびに電極要素の
大きさおよび間隔に依存する。哺乳動物細胞の操作のためには、フィールドの強
度は、約１０6Ｖ／ｍ以下のオーダーであり得るが、これは、油媒体中にある物
質については、さらに高くあり得る。識別されることが望まれる粒子性物質が、
少なくとも１つの入口ポート１５に流入するキャリア媒体中で、チャンバに導入
される。しかし、１つより多い入口ポートが存在し得、これは、キャリア媒体の
投入を可能にする。キャリア媒体は、デジタルシリンジポンプ、手動シリンジ、
蠕動ポンプ、重力送りカテーテルなどによって投入され得る。上で議論されたよ
うに、粒子性物質としては、例えば、生物学的分子および非生物学的分子が挙げ
られ得る。また、物質は、可溶化物質を含み得る。キャリア媒体は、例えば、無
細胞懸濁緩衝液からなる溶出液（スクロースとデキストリンの混合物、組織培養
培地、非イオン性溶質または双性イオン性溶質、あるいは他の懸濁媒体または非
生物学的油、溶媒（例えば、フェノール、アルコール、ＣＣｌ4、エチレングリ
コール）、あるいは当該分野において公知の他のものを含む）であり得る。ある
いは、１つ以上のダクト２５が、通過チャンバ１０を流れ得る流体を投入するた
めに提供され得る。
【００９６】 キャリア媒体は、チャンバを通るフローを引き起こされ、これによって層流プ
ロフィールを作製し、ここで、流体の流速は、チャンバの上部壁および底部壁か
らの距離が増加するにつれて増加し、そして中央においてその最大に達する。し
かし、チャンバの形状を調節することによって、例えば、最大がチャンバの中央
以外の位置にあるフロープロフィールが作製され得る。例示的な実施形態におい
ては、チャンバを通る全流速は、約０．０１ｍｌ／分〜約５０００ｍｌ／分のオ
ーダーであり得、そしてより好ましくは、約１ｍｌ／分〜約２０ｍｌ／分であり
得る。電極要素５に印加される電場は、粒子の誘電特性および伝導特性、ならび
にキャリア媒体の誘電特性および伝導特性に従って、粒子に誘電泳動力を生じさ
せる。
【００９７】 印加される電気シグナルの周波数および／または強度および／または波形を制
御することによって、キャリア媒体の流れ方向に対して垂直な誘電泳動の成分が
制御され、その結果、粒子が、電極要素５からの特徴的な距離において平衡化し
、電場を作製する。これらの特徴的な距離は、平衡高さと呼ばれ、この距離にお
いて、垂直方向のＤＥＰ力が、粒子に作用する重力および流体力学的揚力とバラ
ンスする。この誘電泳動力は、図１Ｃに示すように、組み合わせられた流体力学
的揚力と重力との作用とともに働く。図１Ｃは、これらの力がいかにしてチャン
バ１０内の物質に作用するかを示す。具体的には、図１Ｃは、下向きの方向に作
用する重力５０ならびに上向きの方向に作用する誘電泳動力５５および流体力学
的揚力５２を示す。垂直面に沿った流速プロフィール６５は、チャンバの中央に
おいて最大を有し、そしてチャンバの上部および底部において、最小の速度を有
する。各個々の粒子に作用する誘電泳動力は、印加される周波数におけるその誘
電特性および導電率、ならびにその容量に依存するので、異なる特性を有する粒
子は、電場を作製する電極要素から異なる距離に位置する。チャンバの底部壁の
上の異なる高さにある流体は、異なる速度で流れるので、異なる物理的特性を有
する粒子は、異なる速度でチャンバ１０を通って移動し、そして異なる時点で、
出口ポート３０に出現する。チャンバ１０を出る粒子性物質を収集するための１
つより多い出口ポートが存在し得ることが、理解される。
【００９８】 （実施例２） 図２Ｄは、図２Ａ〜２Ｃにさらに完全に示すような、本発明による第２の装置
の三次元の図である。図２Ａは、本発明による装置の第２の実施形態を示し、こ
れは、図２Ｂおよび２Ｃに示すように、対面する２つの電極アレイ５をチャンバ
の対向する面に有する、チャンバ１０を備える。このチャンバは、電極の平面５
が実質的に垂直に立つように、回転される。この実施形態において、チャンバは
、このチャンバの薄い側面が垂直に配置されるように、配置される。しかし、電
極の平面は、必ずしも垂直であることのみが必要とされるのではなく、本発明は
、様々な角度の装置への適合を考慮することが、理解される。異なる電気シグナ
ル（周波数、大きさおよび波形）が、シグナル発生器から対面する電極へと印加
され、その結果、粒子は、各アレイ５から生じるフィールドからの異なるＤＥＰ
力を受ける。さらに、対面する各電極アレイ５内で、異なる電気シグナルが、シ
グナル発生器から提供されて、不均一な変化する電場を生じさせ得る。
【００９９】 この代替の装置は、例えば、上部壁１２、底部壁１４、および２つの側壁１６
を有し得る。さらに、この装置は、識別されるべき粒子性物質を受容するよう適
合される、１つの入口ポート１５を有し得る。入口ポート１５は、例えば、チャ
ンバ１０の一端の上部の近くに位置し得る。この装置はまた、チャンバ１０を通
って移動する流体を導入するための、１つ以上のダクト２５を備え得る。ダクト
２５は、実質的にチャンバ１０の投入端部の全幅に沿って配置され得、実質的に
直線の方向でチャンバ１０にわたって移動する平坦な流体を導入するよう働く。
【０１００】 導入される流体は、チャンバ１０を通して粒子性物質を運ぶ。この流体は、例
えば、溶出液（例えば、デキストリンとスクロースの混合物を含む無細胞懸濁液
、組織培養培地、非イオン性溶質または双性イオン性溶質、あるいは他の懸濁媒
体または非生物学的油、溶媒（例えば、フェノール、アルコール、ＣＣｌ4、エ
チレングリコール）、あるいは当該分野において公知の他のもの）であり得る。
チャンバ１０を通る運搬に続いて、流体は、出口ポートを通って反対側の端部に
おいて去る。チャンバ１０のこの出口端部は、例えば、１つ以上の出口ポート３
０を備え得、これらは、図２Ａに示すように、１つ以上のポートのアレイに配置
され得る。印加されるフィールドの非存在下、すなわち、電気シグナルが電極要
素５に印加されない場合には、粒子は、流体流の影響下でチャンバ１０を通って
移動する。さらに、チャンバ１０の幾何学的設計に基づいて、流体は、例えば、
フローの速度が図２Ｅに示すようにチャンバ１０の中央に向かって速くなる層流
速プロフィールを示し得る。すなわち、流体力学的フロープロフィールが、水平
面に沿う。流体流の影響と同時に、粒子は、その粒子に対する重力に起因して沈
降を起こし、その結果、これらの粒子は、図２Ｂに示すように、これらの沈降速
度によって決定される特徴的な高さにおいて、チャンバ１０を出る。
【０１０１】 しかし、電気シグナルが印加される場合に、粒子はＤＥＰ力を受け、この力に
よって、これらの粒子は、電極アレイ５が配置されるチャンバ１０の側壁から特
徴的な距離（平衡位置として公知）を移動する。平衡位置において、対面する２
つの電極アレイにより生じる電場に起因するＤＥＰ力は、互いにバランスする。
物質に対する重力および誘電泳動力の相互作用を、図２Ｅに示す。図２Ｅは、誘
電泳動力７０が水平方向に作用し、そして重力７５が垂直方向に作用することを
示す。水平面に沿う流速プロフィール９０は、チャンバの中央において最大を有
し、チャンバの側部において、この速度は減少する。この実施形態において、異
なる電気シグナル（周波数もしくは大きさまたは両方あるいは波形）が、側壁の
各々の電極要素５に印加される。異なる誘電特性および伝導特性を有する粒子は
、異なる電気シグナルの相乗作用（これは、不均一な電場を生じさせ、粒子に対
するＤＥＰ力を引き起こす）に基づいて、チャンバの側壁からの異なる特徴的な
距離（すなわち平衡位置）で平衡化する。チャンバの側壁の電極要素に関するこ
のような粒子平衡位置は、図２Ｂに示すように、粒子の誘電特性および伝導特性
、対面するチャンバ壁の電極に印加される電場の大きさおよび周波数、ならびに
流体の密度、速度および流速に依存する。チャンバ１０に導入される粒子は、電
極アレイ５から異なる平衡位置へと移動する。流体内の異なる粒子の速度は、流
体の速度プロフィールおよびこのような速度プロフィール内でこれらの粒子の位
置によって、制御される。薄いチャンバを通って流れる流体は、速度プロフィー
ルを生じるので、チャンバ壁から異なる距離において平衡化された粒子は、異な
る速度で運ばれ、従って、チャンバを横切るために様々な量の時間がかかる。流
体は、最大速度でチャンバの中央に向かって流れ、この速度は、側壁への距離が
減少するにつれて、比例的に減少する。適用およびチャンバの寸法に依存して、
チャンバを通る全体の流体の流速は、約０．０１ｍｌ／分と約５０００ｍｌ／分
との間、そしてより好ましくは、約１ｍｌ／分と約１００ｍｌ／分との間であり
得る。
【０１０２】 しかし、当業者は、この装置の寸法の変化が流体の流速に影響を与えること、
および示された流速が本装置の寸法に関する例示であることを認識する。
【０１０３】 粒子がチャンバを通過する間に、重力がこの粒子に作用する。チャンバを渡る
その通過の間に粒子が沈降する距離は、その通過時間および沈降速度（ｒａｔｅ
）（または速度（ｖｅｌｏｃｉｔｙ））に依存する。結果として、チャンバ１０
を通る粒子の通過時間および粒子の沈降速度に基づいて、異なる粒子は異なる深
さに沈降する。粒子沈降速度は、粒子の特徴（例えば、サイズ、質量および容積
）に依存し得る。上記のように、粒子がチャンバの全長を渡るために必要な時間
は、流速プロフィールおよびフロー−速度プロフィール内の粒子の位置によって
制御される。流体流プロフィール内の粒子の配置は、今度は異なる電気シグナル
の相乗作用によって決定される。従って、異なる特徴（例えば、誘電特性、サイ
ズ）を有する粒子は、フロープロフィールにおいて異なる位置に配置され得、従
って異なる通過時間を示す。異なる特性（例えば、誘電特性、密度、サイズ）の
粒子間の、通過時間および沈降速度における差異の組み合わせは、これらの粒子
に関して異なる沈降深度を導き得る。これらは、出口末端全体に沿って異なる高
さで配置される異なる出口ポートを通じてチャンバを出得る。識別は、「バッチ
モード」または「連続モード」のいずれかで達成され得る。バッチモードにおい
て、粒子のアリコートは、注入され、そして粒子の通過時間および出口ポート３
０における出口の高さに関して、収集される。連続モードにおいて、一定の粒子
の流れが、入口ポートに注入され、そして異なる高さに現れる粒子が連続的に収
集される。
【０１０４】 本発明に従う装置において、流速のみでなく流体密度、誘電率、ｐＨおよび伝
導率に関して、異なる高さにおいてキャリア流体特徴を変化させることが可能で
ある。このようにして、さらなる粒子特徴は、特定の分離適用に対して活用され
得る。
【０１０５】 一般的な場合、このデバイスは、上記の水平な場合および垂直な場合の識別局
面をうまく活用するために任意の角度で向けられ得る。この一般化された状況に
おいて、粒子の密度、沈降速度および誘電特性は、ＤＥＰ力の全ての成分と一緒
に使用される。連続モードまたはバッチモードでの分離が可能である。本発明に
従う装置の異なる実施形態は、出口ポート３０へ接続されたさらなる成分を有し
得る。例えば、本発明の装置の出口ポート３０から現れる粒子は、１つ以上の分
画収集器などによって収集され得る。さらに、この物質は、１つ以上の測定装置
または特徴付け装置（例えば、サイトメーターなど）によって測定され得る。さ
らに、必要な場合、粒子は、チャンバから出る細胞を捕獲するために、適切な溶
液または培地（例えば、中性の塩緩衝液、組織培養培地、スクロース溶液、溶解
緩衝液、溶媒、固定液など）を含む収集ウェルに移され得る。この収集された細
胞は、さらなる分析のために培養され得る。
【０１０６】 （操作方法） 以下の説明は、本発明に従う装置および操作方法の構築を詳述する。
【０１０７】 １つの実施形態において、本発明に従う装置は、チャンバ壁として２つのガラ
ススライド（例えば、１”〜１．５”）を用いて構築された。これらの壁は、テ
フロン（登録商標）スペーサーで区切られ得るが；例えば、チャンバ壁を区切る
他の方法（例えば、接着剤、ポリマーガスケットまたは機械精密クランプ）が、
使用され得る。壁の間の分離距離は、約０．１ミクロンと約１０，０００ミクロ
ンとの間、より好ましくは、約１０ミクロンと約６００ミクロンとの間であり得
る。本装置を用いる研究において、分離距離は、１２７ミクロンであった。チャ
ンバの１つの壁は、約２０ミクロン離れて区切られた約２０ミクロン幅の平行電
極要素からなる微小電極アレイを支持した。この電極要素は、入口ポートから出
口ポートまでチャンバの全長に沿って延び得る。電極アレイの長さ、幅、厚みお
よび間隔が変更されて、異なる強度および異なる不均質性の電界を作製し得るこ
とが、理解される。電極アレイが、本発明を用いて使用され得ること、または接
地面と合わされる場合、単一電極要素が特定の適用に十分であり得ることもまた
、理解される。さらに、電極アレイが平行でないかもしれないこと、および他の
幾何学配置（例えば、かみ合わされた城郭風の電極、連続的に配置された電極、
直線電極、多項式電極、インターリーブされた電極、３次元電極など）が使用さ
れ得ることが、理解される。
【０１０８】 例示的な実施形態において、代替の電極要素は、チャンバ壁の２つの向かい合
っている長端に沿って電極バスに接続される。これらの電極バスは、電気シグナ
ル発生器に接続され、この発生器は、例えば、関数発生器であり得る。他の適切
なシグナル発生器としては、例えば、発振器、パルス発生器、デジタル出力カー
ド、速度変調管、ＲＦ源、分子増幅管などが挙げられ得る。この電極アレイは、
当該分野で公知のような標準的な微小リソグラフィー技術を用いて製作され得る
。例えば、電極アレイは、イオンビームリソグラフィー、イオンビームエッチン
グ、レーザー切除、印刷または電着によって製作され得る。本明細書中に記載さ
れる例示的な実施形態の電極アレイは、１０ｎｍのクロムのシード層を覆う１０
０ｎｍの金からなる。本発明が、約０〜約５０Ｖ、および約０．１ｋＨｚ〜約１
８０ＭＨｚ、およびより好ましくは約１０ｋＨｚと約１０ＭＨｚとの間の範囲の
電気シグナルを用いることを意図することが理解される。以下に記載される研究
において、シグナルは、ＨＰ ８１１６Ａ関数発生器によって提供された。本発
明は、約０．０１ｍｌ／分〜約５００ｍｌ／分の流体流、およびより好ましくは
約１ｍｌ／分と約５０ｍｌ／分との間の流体流を使用し得る。以下に記載される
研究において、約１〜１００ ｍｌ／分の範囲の流体流が、デジタルシリンジポ
ンプによって提供された。
【０１０９】 （フィールドフロー分別） 以下に記載される研究の細胞混合物は、標準的な条件下で培養され、そして遠
心分離によって収集されたＨＬ−６０白血病細胞と３：２の割合で混合された血
球（健康なボランティアから静脈穿刺によって収集され、そして９０部分のＣａ 2+ ／Ｍｇ2+を含まないＰＢＳ（５ｍＭ ＥＤＴＡヘミナトリウム（ｈｅｍｉｓｏ
ｄｉｕｍ）を含む）を用いて希釈された）からなった。細胞混合物は、等張性（
８．５％）スクロース（３ｍｇ／ｍｌ デキストロースを含む）中で２回洗浄さ
れ、そしてこの同じ培地１ｍｌにつき２×１０7悪性腫瘍細胞および３×１０7正
常血球の最終濃度で再懸濁された。懸濁液の伝導率は、最終濃度が約０．７ｍＭ
までＥＤＴＡヘミナトリウムの添加によって、１０ｍＳ／ｍに調整された。サン
プルを得る他の方法およびサンプルを調製する他の方法が受容可能であることが
、本発明によって意図される。さらに、異なる比率の混合物が使用され得る。例
えば、細胞混合物は、８．５％ スクロースおよび０．３％ デキストロースの
等張溶液で２回洗浄され、そしてこの同じ培地１ｍｌにつき１×１０7悪性腫瘍
細胞および３×１０7正常血球の最終濃度で再懸濁され、そして約０．７ｍＭ
ＥＤＴＡヘミナトリウムの最終濃度で１０ｍＳ／ｍの伝導率に調整され得る。
【０１１０】 図３Ａは、上記のような装置において、ＲＰＭＩ １６４０ １０％ ＦＢＳ
２２ ｍＭ ＨＥＰＥＳの培地中で培養されたＨＬ−６０細胞（ＡＴＣＣ）の
サンプルに対するフィールドフロー分別の結果を示す。この分別は、流速２００
μｌ／分で生じた。図３Ａに示されるように、この装置を出て行くＨＬ−６０細
胞における鋭い上昇が、細胞の流れが始まった約１０分後で生じる。この上昇の
後、細胞数は、約５０分間続く低いレベルに急速に減少する。図３Ｂは同様に、
流速１００μｌ／分でのＨＬ−６０細胞のフィールドフロー分別の結果を示す。
図３Ｂに示されるように、このチャンバを出て行くＨＬ−６０細胞における鋭い
上昇が、細胞の流れが始まった約３０分後に生じる。再び、この上昇の後、細胞
数は、約３０分間続く低いレベルに急速に減少する。
【０１１１】 図３Ｃは、上記のような装置における、１０ｍＳ／ｍの伝導率に調整された８
．５％スクロースおよび０．３％デキストロースの培地中の、ＨＬ−６０および
ヒト全血の混合物に対するフィールドフロー分別の結果を示す。この分別は、流
速１００ｍｌ／分で生じた。図３Ｃに示されるように、このチャンバを出て行く
ＨＬ−６０細胞における鋭い上昇が、流れが始まった約２０分後で生じた。その
後、出て行く細胞数における第２の上昇は、約６０分で生じ、これは、ヒト血球
が出て行くことと相関した。しかし、細胞が、このピークの前後に出て行き続け
ることに注意する。従って、フィールドフロー分別による分離は、完全な分離が
できない。従って、図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃは、フィールドフロー分別が異なる
特徴のいくつかの粒子を識別し、分離し得るが、より大きな識別能力が必要であ
る。
【０１１２】 微粒子物質に対してｃＤＥＰ（コンベンショナル誘電泳動（ｄｉｅｌｅｃｔｒ
ｏｐｈｏｒｅｔｉｃ））力を引き起こす本発明の装置を使用する３つの型の研究
を実施した： （１）ｃＤＥＰ力によって引き起こされる細胞の浮遊 ５６ｍＳ／ｍの伝導率を有する８．５％ スクロース＋０．３％ デキストロ
ース溶液中で支持されたＤＳ−１９マウス赤白血球細胞（好意によりＭ．Ｒｉｆ
ｋｉｎｄによって供給された）の浮遊は、流体流の非存在下での電極アレイに適
用されたシグナル周波数および電圧の関数として、調べられた。約１０ｍＳ／ｍ
〜約２Ｓ／ｍの範囲の伝導率を有する種々の溶液（例えば、組織培養培地など）
が使用され得ることが、理解される。さらに、細胞のコレクションのみを使用す
ることが可能である。他の溶液は、その電気伝導率および重量オスモル濃度が本
適用に従って調整される限り、使用され得る。
【０１１３】 この研究の結果を、図４Ａおよび図４Ｂに示す。１ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの範囲
の周波数において、ＤＳ１９細胞は、図４Ａに示されるように、ピーク間（ｐ−
ｐ）４Ｖの印加電圧において約２０ミクロンに浮遊した。４０ｋＨｚを超えると
浮遊の高さは急激に低下し、そして周波数が１４０ｋＨｚおよびそれより上に達
した場合、細胞はもはや浮揚せず、代わりに正のｃＤＥＰによって電極の端に誘
引された。
【０１１４】 適用された５０ｋＨｚの周波数において、図４Ｂに示されるように、印加電圧
が約０．５Ｖ ｐ−ｐを超えた場合、ＤＳ１９細胞の浮遊が生じた。この閾値を
超えて、細胞は浮揚し、そして浮遊の高さは、漸増する電圧とともに増加した。
この挙動は、ｃＤＥＰ理論、電気回転の技術を用いて測定された細胞の誘電特性
、ならびに細胞および細胞を支持している培地の密度によって推定されたものと
一致した。
【０１１５】 （２）ｃＤＥＰ／ＦＦＦ研究 上記の装置を用いる第２の研究は、電極アレイに対して印加された電圧シグナ
ルの周波数の関数として、チャンバ中で確立された流体流を伴う約１０ｍＳ／ｍ
の伝導率を有する８．５％ スクロース＋０．３％ デキストロース溶液中に支
持されたＨＬ−６０ヒト前骨髄性白血病細胞の速度を含んだ。電圧シグナルが印
加されなかった場合、細胞の速度は、この細胞が適用された１０μｌ／分の流体
流速の影響下で輸送される場合、１秒当たり約１０ミクロンであった（図５Ａ）
。流体流は、試験される細胞を含む溶液であり得るか、または別の流体であり得
るか、または細胞を伴わない同じ流体のいずれかであり得る。さらに、この溶液
は、例えば、溶液の、ｐＨ、または伝導率を変更するために、経時的に勾配をな
し得る。
【０１１６】 電圧シグナルを用いて電極をアドレスすることは、細胞が、チャンバの底壁の
上を動き、これによって層流における細胞の位置および速度を変化させる高さに
影響を与えた。図５Ａに示されるように、１０ｋＨｚより下において、細胞速度
は、印加された３Ｖ ｐ−ｐで１秒当たり約５０ミクロンに上昇した。周波数が
約１０ｋＨｚ〜約２５ｋＨｚの範囲に上昇するにつれて、細胞速度は、浮遊の高
さが低下するにつれ徐々に低下した。３０ｋＨｚより上において、これらの細胞
は、電極に誘引され、従って、これらは移動をやめた。漸増する周波数を伴うこ
の応答は、測定された細胞の電気特性から予想された挙動と一致した。
【０１１７】 図５Ｂおよび５Ｃに示されるように、類似の結果が、異なる細胞特性を有する
他の細胞を用いた研究について得られた。詳細には、図５Ｂは、３Ｖ ｐ−ｐで
の４０μｌ／分の流速において１０ｍｓ／ｍの伝導率の８．５％ スクロース
０．３％ デキストロース溶液におけるＭＤＡ ４６８細胞（好意によりＪａｎ
ｅｔ Ｐｒｉｃｅから供給された）に関する結果を示す。図５Ｃは、３Ｖ ｐ−
ｐでの４０μｌ／分の流速における同じ溶液中でのＭＤＡ−４３５細胞（好意に
よりＪａｎｅｔ Ｐｒｉｃｅから供給された）に関する結果を示す。図５Ｄは、
３１．６ｋＨｚの周波数での４０μｌ／分の流速におけるＭＤＡ−４３５細胞に
関する結果を示す。図５Ｄに示されるように、細胞速度は、電圧と共におおよそ
線形に増加する。
【０１１８】 （３）ＨＬ−６０細胞およびヒト血球の混合物に対するｃＤＥＰ／ＦＦＦ この装置のチャンバは、総濃度が５×１０7細胞／ｍｌでの比率１：１０のＨ
Ｌ−６０細胞およびヒト血球の混合物を用いて前充填された。この細胞は、１０
ｍＳ／ｍの伝導率を有する８．５％ スクロース＋０．３％ デキストロース溶
液中で支持された。４０ｋＨｚで３Ｖ ｐ−ｐの電圧が、電極に印加され、そし
て速度１０μｌ／分での流体流が開始された。全てのＨＬ−６０細胞は、電極要
素の端に捕捉され、一方、ヒト血球（主に赤血球）は、浮揚され、そして流体に
よって輸送された。周波数を８〜１５ｋＨｚの範囲に調整することによって、Ｈ
Ｌ−６０細胞はまた放出され、そしてその輸送速度は、赤血球に関して制御され
た。ＨＬ−６０細胞が赤血球より上または下の高さに浮揚される場合、これらは
、フィールドフローにおける位置に依存してこれら血球よりも、相応じてより速
くまたはよりゆっくりと移動した。
【０１１９】 本発明に従って実施されるさらなる研究が続く。流体は、注入され、そしてチ
ャンバの各末端におけるスロットを介して除去した。出口ポートは、チャンバを
出る細胞を捕捉するためにウェルを備えた。研究を実施する前に、このチャンバ
は、２０％（ｗ／ｖ）ウシ血清アルブミン溶液を用いて５分間浸漬され、ガラス
表面があまり細胞を接着しないようにさせた。交互に、ガラス表面は、空気でブ
ローされ、または洗浄され、そしてシランを用いて処理され得る。誘電泳動力は
、交互の電極を固定されたかまたは掃引された周波数の正弦電圧に接続すること
によって作製され、そしてオシロスコープを用いてモニターした。細胞を分離チ
ャンバから移動させる力は、溶出緩衝液の層流によって提供され、チャンバの入
口ポートと出口ポートとの間の押し引き配置に接続された２つのデジタルシリン
ジポンプによって制御された。流体の泡がない経路は、全時間においてポンプ間
で維持された。
【０１２０】 チャンバを半分満たすための約３０μｌの細胞混合物（約１．２×１０6細胞
）の注入に続いて、５Ｖピーク−ピークの２００ｋＨｚのシグナルを、この電極
アレイに３０秒間印加し、電極先端の高場領域において正のＤＥＰによって全て
の細胞を収集した。しかし、これはチャンバを半分満たすのみに対して必要とさ
れるのではなく、より大きなチャンバは、より良好な識別を可能にし得る。溶出
液（１０ｍＳ／ｍの伝導率を有する８．５％スクロースおよび３ｍｇ／ｍｌデキ
ストロースの混合物であり得る、無細胞懸濁緩衝液からなる）のフローは、次い
で、５ｍｌ／分で開始された。このフローは、このチャンバの入口ポートと出口
ポートとの間で押し引き配置で操作する２つのデジタルシリンジポンプの制御下
において達成され得る。あるいは、フローは、蠕動ポンプ、重力フロー、血圧な
どによって制御され得る。印加された電気シグナルの周波数は、腫瘍細胞が選択
的に保持され、一方で血球が溶出されて収集ウェルに捕捉されるまで、低下され
た。２０分後、細胞は、電極に対して静止している腫瘍細胞を乱すことなく２つ
のさらなるシリンジポート間の相互フローによってウェルから取り除かれた。次
いで、ＤＥＰによって保持された細胞を放出するために電圧が止められ、そして
細胞は溶出され、別々に収集された。
【０１２１】 （実施例３ 誘電泳動フィールド−フロー−分別を使用するポリスチレンマイ
クロビーズの分離） モデルポリスチレン（ＰＳ）マイクロビーズを使用する、誘電泳動／重力フィ
ールド−フロー−分別（ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ）システムの特徴付けは、達成され
た。異なる表面機能付与（ＣＯＯＨおよびなし）および異なるサイズ（６、１０
および１５μｍの直径）のＰＳビーズの分離を実証した。分離能力に影響する因
子を研究するために、粒子の溶出時間を、粒子懸濁伝導率、流体の流速、および
適用されたフィールド周波数および電圧の関数として決定した。実験データを、
理論モデルを使用して分析し（Ｈｕａｎｇら、１９９７）、そして理論と実験と
の間の優れた合意点を見出した。ＰＳビーズの分離は、それらの有効な誘電特性
における差に基づいたことが示された。ＤＥＰのバランスおよび引力によって、
薄チャンバ内での流体のフロープロフィールにおける異なる高さに位置づけた、
異なる誘電特性を有する粒子を、流体の流れの影響下で異なる速度で運搬し、そ
して分離した。流体力学（ＨＤ）上昇効果を調査するために、ＤＥＰフィールド
が適用されなかった場合に、ＰＳビーズの速度を、分離チャンバにおける流体の
流速の関数として、決定した。この場合において、粒子平衡高さ位置は、ＨＤ上
昇および引力のバランスによってのみ支配された。この実施例において報告され
た実験条件下で、ＤＥＰおよび引力は、粒子平衡高さを制御する際に、主な因子
であり、そしてＨＤ上昇力は、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ操作において、ほとんど役割
を果たさないことが結論された。
【０１２２】 この実施例で報告されたＤＥＰ−ＦＦＦ技術は、誘電泳動力と重力（沈降力）
との間のバランスを利用する。この方法において、ネガティブなＤＥＰ力は、チ
ャンバの微小電極によって生成され、そして粒子を、フロー−速度プロフィール
における平衡位置まで浮揚する。フローストリームにおける異なる高さでの粒子
は、異なる速度で動き、そしてチャンバ内での異なる保持時間に基づいて、分画
され得る。本発明者らは、この技術を、誘電泳動／重力−フィールド−フロー−
分別（ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ）（ＤＥＰ−ＦＦＦのサブ技術）と呼ぶ。他の型の物
理的力（例えば、チャンバ内の異なる電極から生じる誘電泳動力、クロスフロー
力またはＤＥＰ力）を用いてＤＥＰ力を平衡化することは、例えば、ＤＥＰ／電
気泳動−ＦＦＦのような他のサブ技術を生じる。
【０１２３】 シリンジポンプ、流体−サンプル−インジェクター、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャ
ンバおよびチャンバ出口での粒子検出器からなる完全なＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦシス
テムの構築および特徴付けが達成された。異なる表面−機能付与（ＣＯＯＨおよ
びなし）および異なるサイズ（６、１０および１５μｍの直径）を有するポリス
チレン（ＰＳ）マイクロビーズのモデル粒子の分離が実証された。分離能力は、
懸濁液伝導率、流体の流速、および電極に印加された電圧およびシグナルの周波
数の関数であることが示された。結果の理論的な分析により、ＰＳマイクロビー
ズの分離は、異なるビーズ型の有効な誘電特性における差に基づくことが明らか
になった。
【０１２４】 （方法および材料） ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦシステム。この実施例において使用されるＤＥＰ／Ｇ−Ｆ
ＦＦシステムの略図を図１３に示す。図１３は、フローチャネルに割り込まれた
Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）スペーサーを示す。注入バルブの操作は、以下のよう
である：サンプルを、第２の経路における流体の流れを用いて、経路「シリンジ
→５→４→ループ→１→６→廃棄」を通じてループに始めにロードする；注入モ
ードにおいて、流体の流れ経路は、「シリンジポンプ→２→１→ループ→４→３
→チャンバ」である。５０μｍ幅およびギャップを有する並列微小電極アレイを
、標準的な写真平板方法を使用して、５０×５０ｍｍガラス基板に作製した。８
の５０×５０ｍｍ電極プレートを、支持ガラスプレートに端と端で接着剤でつけ
、５０×４００ｍｍの領域の電極を形成した。Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）スペー
サー（Ｈ ０．４×Ｗ ５０×Ｌ ４００ｍｍ）を、チップからチップまで３８
８ｍｍ、および２５ｍｍの幅の寸法（テーパ−状端を除く）を有する開口チャネ
ルを提供するように切断した。これを、底面電極プレートおよび頂部ガラスプレ
ートでサンドイッチし、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバを形成した。チャンバを、
３６ Ｎｙｌｏｎスクリュークランプ（Ｂｅｌ−Ａｒｔ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｎ
Ｊ）を用いてしっかりと組み立てた。頂部および底部プレートに、０．０６２５
インチ直径の穴をドリルであけ、カットアウトチャネルのテーパー状の対向する
端部の点と一致する位置で、入口管材と出口管材とをフィットさせた。各々が、
エッジに沿って走る２つの４ｍｍ幅の電気コンダクターバスを有する微小電極ア
レイを、実験室に設置したＰＡ０５を基礎にした出力増幅器（Ａｐｅｘ Ｍｉｃ
ｒｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＡＺ）に並列に接続した。この増幅器は、１０Ｗま
での出力を、４００ｋＨｚまでのＤＣバンド幅で、２Ω負荷中に送達し得る。
【０１２５】 デジタルシリンジポンプ（ＫＤ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、ＭＡ）を用い、ＤＥ
Ｐ／Ｇ−ＦＦＦチャンバーを通るキャリア媒体の連続流れを、１μｌ／分と７０
ｍｌ／分との間で選択可能な速度で提供した。サンプル注入バルブ（Ｒｈｅｏｄ
ｙｎｅ Ｍｏｄｅｌ ７０１０、ＣＡ）は、１０μｌループからの測定されたサ
ンプルの導入を可能にした。２．５μｌのボイド容量を有する、５ｃｍ長のＰＥ
ＥＫ管材（外径０．０６２５インチ、内径０．０１０インチ）を、注入バルブと
チャンバーとの間の入口連結として供した。
【０１２６】 ２つの異なる方法を採用して、ＤＥＦ／Ｇ−ＦＦＦチャンバー中の粒子応答を
特徴付けた。第１番目のアプローチは、ビデオ顕微鏡の助けによって、時間の関
数としてチャンバーの長さに沿って、いくつかの特定の検査位置を通過した粒子
を計数することにより粒子分離の動力学を手動で測ることであった。第２番目の
方法は、ＵＶ検出器を用い、チャンバーを出る粒子をモニターすることであった
。これを達成するために、チャンバー出口を、５ｃｍ長のＰＥＥＫ管材（外径０
．０６２５インチ、内径０．０２０インチ）を経由してＵＶ分光学的検出システ
ム（ＩＳＣＯ Ｍｏｄｅｌ ＵＡ−６、ＮＥ）の３μｌフローセルに連結した。
この検出器は、２５４ｎｍの波長で稼動し、そしてフローセル中の粒子による光
減衰に比例するその出力電圧シグナルは、チャート記録計（Ｇｏｅｔｚ、Ａｕｓ
ｔｒｉａ）に供給された。
【０１２７】 （ポリスチレン（ＰＳ）ビーズ調製物） 以下の２つのタイプの実験を行った
：（１）類似の密度（１０５０ｋｇ／ｍ3）およびサイズ（９．４４±０．９５
対１０．５７±１．０３μｍ直径）であるが、異なる表面機能付与（ＣＯＯＨお
よびなし）を所有するＰＳビーズ（Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ、ＰＡ）の分離；
および（２）類似の密度（１０５０ｋｇ／ｍ3）であるが、異なるサイズ（６．
１４±０．４５、１０．５７±１．０３および１５．５±１．８４μｍ）の非機
能付与ＰＳ（ＮＦ−ＰＳ）ビーズの分離。表面カルボキシル化（ＣＯＯＨ−ＰＳ
）ビーズは、製造業者によって、０．１２ｍｅｑ（ＣＯＯ-）／ｇのポリマー表
面電荷を有するとして特徴付けられた。ＰＳビーズの分離に適切であるその他の
方法はあるが、これらのビーズは、この実施例におけるモデル粒子として選択さ
れ、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦシステムの特徴付けおよび開発を補助した。なぜなら、
これらは、サイズ、密度およびその他の構造的および組成的特徴の点で比較的均
一であったからである。
【０１２８】 ８．５％（ｗ／ｖ）スクロースおよび０．３％（ｗ／ｖ）デキストロースから
なる、ＤＥＰ緩衝液を、ＦＦＦキャリア流体および粒子懸濁媒体として用いた。
この緩衝液の電気伝導度は、３００ｍＭ ＥＤＴＡ（ＮａＯＨでｐＨ７．０に調
整した）のアリコートで２．２または１０ｍＳ／ｍにした。この緩衝液の最終ｐ
Ｈは、約６．８であることが見出された。分離の間、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャン
バー中に空気の泡が存在しないことを確実にするために、スクロース／デキスト
ロース緩衝液を真空下数分間脱気した。サンプル混合物を、Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎ
ｃｅｓが供給するマイクロビーズ懸濁物のアリコートを、スクロース／デキスト
ロース緩衝液で希釈することにより調製し、公称の直径がそれぞれ６、１０およ
び１５μｍのＰＳビーズについて、１ｍｌあたり１．５×１０7、３×１０6およ
び４×１０5の粒子濃度を達成した。
【０１２９】 （ビーズ分離プロトコール） 最初に、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバーを、シ
リンジポンプを用い、キャリア媒体（スクロース／デキストロース緩衝液）で充
填した；チャンバー中に空気の泡が導入されていないことを確実にすることに注
意した。次いで、適切な電圧シグナル（５０ｋＨｚで０．５と１ＶＲＭＳとの間
）を微小電極に印加し、その結果、ＰＳビーズは、チャンバー中への注入に際し
、平衡位置に浮揚し、それによって、電極表面へのビーズの接触および可能な接
着を最小にした。次いで、ＰＳビーズタイプの混合物を、チャンバー中に導入し
た。これを達成するために、注入バルブを、最初、「充填」モードにセットし、
そして１０μｌループを、手動操作シリンジを用いてサンプルで満たした。次い
で、このバルブを、「注入」モードにスイッチし、そして３５μｌのスクロース
／デキストロース緩衝液を、５０μｌ／分で稼動するシリンジポンプによってル
ープを通じてポンプ輸送し、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバー中にビーズを流した
。このバルブを、次いで、「充填」モードに戻し、次のサンプル充填の準備をし
た。
【０１３０】 ＰＳマイクロビーズがチャンバーの入口ポート中に充填された後、それらを、
沈降とＤＥＰ浮揚力が平衡する平衡高さ位置を達成するために、数分間（３０分
まで）弛緩させた。弛緩の後、キャリア媒体の流れを、チャンバー中で、２０〜
２０００μｌ／分の範囲の所望の流速で稼動したシリンジポンプから開始した。
ＰＳビーズは、チャンバー長さに沿って運搬されたので、それらの動力学を、ビ
デオ顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ Ｍｉｃｒｏｐｈｏｔ−ＳＡ顕微鏡、Ｈａｍａｍａｔｓ
ｕ ＸＣ−７７ ＣＣＤカメラ）で観察し、そして結果は、ＶＣＲ（Ｐａｎａｓ
ｏｎｉｃ：ＡＧ−７３５０）上に記録した。最後に、チャンバーから出るＰＳビ
ーズを、ＵＶ検出システムによりモニターした。
【０１３１】 （結果） （分離動力学） ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ分離の動力学的プロセスを調査するため
、チャンバー中の粒子軌道を、時間の関数としてチャンバーに沿ったいくつかの
検査ウインドウを通過する粒子の数をモニターすることにより追従した。これら
のデータから、本発明者らは、三次元表示を構築し、チャンバーに沿った異なる
検査位置（Ｙ軸）で、時間（Ｘ軸）の関数として粒子の数（Ｚ軸）がプロットさ
れた分離動力学の三次元表示を構築した。代表的な例は、ＮＦ−ＰＳビーズおよ
びＣＯＯＨ−ＰＳビーズのＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ分離について、図１４に示される
。図１４の条件は以下を含む：電圧−５０ｋＨｚで１．６Ｖ ＲＭＳ；並列電極
アレイ−５０μｍの電極幅およびギャップ。注入後、ビーズを、流体流の適用の
前に、１０分間チャンバー内でそれらの平衡高さ位置に弛緩させた。分離をはじ
めるために、電気伝導度１０ｍＳ／ｍのスクロース緩衝液の流れを、２００μｌ
／分で開始した。明らかに、このビーズの２つの亜集団は、異なる速度で移動し
、そしてそれらがチャンバーに沿ってさらに移動するにつれ、より大きく分離さ
れるようになった。単一ピークは、位置番号１で見えたに過ぎない。その後、ピ
ークの分岐が、位置番号５（チャンバー入口から１６５ｍｍ）で２つの別個（重
複しない）ピークが観察されるまで生じた。これは、２つのビーズ亜集団の完全
な分離が、わずか１６５ｍｍ長のチャンバーで達成され得ることを示す。ビーズ
が位置番号８（チャンバー出口に近接し、そして入口から３６０ｍｍ）に到着す
る時間までに、この２つの亜集団のピークは、１分より大きい時間間隔によって
分離された。
【０１３２】 （ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦフラクトグラム） 分離性能を特徴付けるために、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバーを出る粒子を、
ＵＶ検出器を用いてモニターした。ＵＶ吸光度の時間依存性を示す代表的なフラ
クトグラムを図１５Ａおよび１５Ｂに示す。図１５Ａは、ＣＯＯＨ−ＰＳおよび
ＮＦ−ＰＳビーズの分離を示し、流体流の開始後、１１．７〜１２．４分および
１２．８〜１３．４分にそれぞれ生じる２つのピークがある。図１５Ａについて
の条件は以下を含む：電圧−５０ｋＨｚで１．２４Ｖ ＲＭＳ；並列電極アレイ
−５０μｍ電極幅およびギャップ。ビーズを注入後、かつ流体流の適用の前に、
１０分間チャンバー内でそれらの平衡高さ位置に弛緩させた。電気伝導度１０ｍ
Ｓ／ｍのスクロース緩衝液を、８００μｌ／分でチャンバーを通じてポンプ輸送
した。特定のマイクロビーズタイプと溶出時間とを関連付けるために、ＤＥＦ／
Ｇ−ＦＦＦ実験を、純粋ＮＦ−ＰＳまたはＣＯＯＨ−ＰＳビーズについて、次い
で、異なる濃度比のこれらのビーズタイプのいくつかの混合物について実施した
。これらの実験における溶出ピーク時間を比較することにより、ＣＯＯＨ−ＰＳ
ビーズがＮＦ−ＰＳビーズの前に溶出したことが決定された。図１５Ｂは、３つ
の異なるサイズ（公称の直径６、１０および１５μｍ）のＮＦ−ＰＳビーズの分
離を示す。図１５Ｂについての条件は以下を含む：電圧−１００ｋＨｚで０．５
３Ｖ ＲＭＳ；並列電極アレイ−５０μｍ電極幅およびギャップ。ビーズを注入
後、かつ流体流の適用の前に、２５分間弛緩させた。電気伝導度２．２ｍＳ／ｍ
のスクロース緩衝液を、８００μｌ／分でチャンバーを通じてポンプ輸送した。
顕微鏡下の粒子動きの直接観察は、より大きなビーズがより小さなビーズより速
く動いたことを示した。このように、９．９〜１０．８分、１１．６〜１２．４
分および１２．７〜１５分の時間範囲にある３つのピークは、それぞれ１５、１
０および６μｍ直径の集団に対応する。
【０１３３】 （ＰＳおよびＣＯＯＨ−ＰＳビーズの分離） 本発明者ら（Ｈｕａｎｇら、１
９９７）およびその他の研究者（Ｗｉｌｌｉａｍｓら、１９９２）は、粒子が流
体流プロフィール中をそれに沿って運搬されるとき、粒子は、チャンバー壁から
粒子を押し去る水力学的（ＨＤ）上昇力を経験することを先に報告した。この上
昇力は、流体の流速を増加することが示された（Ｗｉｌｌｉａｍｓら、１９９２
）。全体の粒子動力学に対するＨＤ上昇力の影響を決定するために、分離実験を
、特定されたＤＥＰフィールド条件について、流体流速の関数として実施した。
図１６Ａおよび１６Ｂに示されるように、ＮＦ−ＰＳおよびＣＯＯＨ−ＰＳビー
ズの溶出ピーク時間は、１００〜１０００μｌ／分の範囲で流速に逆比例した。
２つのＰＳビーズ集団の溶出ピーク時間の比によって特徴付けたとき、分離効率
は、１０００μｌ／分の高流速でさえ損なわれなかった。これらの結果は、水動
力学的上昇力が、本明細書で調査された流速範囲では、分離プロセス中でほとん
ど役割を演じていないことを示す。
【０１３４】 ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ分離におけるＤＥＰ力の重要性は図１７Ａに示され、ここ
で、ＮＦ−ＰＳおよびＣＯＯＨ−ＰＳビーズの溶出ピーク時間は、印加されたＤ
ＥＰ電圧シグナルの関数として示される。０．０７Ｖから２．６５Ｖ ＲＭＳに
印加電圧を増加することは、ＮＦ−ＰＳおよびＣＯＯＨ−ＰＳビーズの両方のよ
り速い溶出を生じた。これは、より大きな印加電圧が粒子を流速プロフィールで
より高い平衡位置に浮揚することを考慮するときに予期される（Ｇａｓｃｏｙｎ
ｅら、１９９６；Ｈｕａｎｇら、１９９７）。分離効率は、印加電圧の関数であ
ることが観察された（図１７Ｂ）。２つのビーズ集団の最良の分離は、２つの溶
出ピーク時間の比に対する最大値約１．６５により特徴付けられるように、０．
２１Ｖ ＲＭＳの印加電圧で達成される。印加電圧を増加すること、または低減
することによって、２つの溶出ピークは徐々に相近する。
【０１３５】 （３つの異なるサイズのＮＦ−ＰＳビーズの分離） 印加ＤＥＰ電圧に対する
溶出時間の依存性は、公称直径６、１０および１５μｍのＰＳビーズについて、
図１８に示される。ＮＦ−ＰＳおよびＣＯＯＨ−ＰＳビーズの分離について、印
加電圧の増加は、３つの溶出ピークの間で、低減したビーズ溶出時間および低減
した分離を生じた。６、１０および１５μｍのＮＦ−ＰＳビーズの分離もまた、
一定流速および印加電圧条件に対する印加されたフィールド周波数の関数として
調査した（図１９）。１５μｍビーズの溶出ピーク時間は、１〜４００ｋＨｚの
周波数範囲でほぼ一定のままであった。１０μｍビーズについては、溶出時間は
、周波数範囲５〜２００ｋＨｚでほぼ一定であったが、より低い周波数（１〜２
ｋＨｚ）またはより高い周波数（４００ｋＨｚ）でより大きくなった。６μｍの
ビーズは、強い周波数依存性を示し、５０ｋＨｚで最大溶出時間を有していた。
これらビーズの最適分離は、この実験について約５０ｋＨｚで達成された。
【０１３６】 （ビーズ緩和）ほとんどのＦＦＦ操作に共通する特色（Ｌｉｕら、１９９１）
は、流体流が適用される前の分離チャンバの２つの主要な表面に関して、分離さ
れる粒子が、それらの平衡点まで緩和させ得る緩和プロセスである。平衡点は、
粒子に対して作用する物理学的力のバランスによって決定される。この緩和プロ
セスは、流体流プロフィールにおける粒子の示差的な位置、ならびにチャンバー
を横切る対応する粒子の速度および通過時間が、粒子の物理的な特性のみに依存
し、チャンバ中への導入後の粒子の初期位置に依存しないことを確実にする。従
って、ＰＳビーズは、それらがＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバへ導入された後に印
加された適切なＤＥＰ電界で、沈降物がそれらの平衡の高さへ達することを可能
にした。半径ｒおよび密度ρpの粒子が距離Ｈを沈降するのに必要とされる時間
（ｔr）は、以下の式：
【０１３７】
【数９】 （ここで、ｇは、重力に起因する加速度であり、ρｍおよびηは、それぞれ懸濁
媒体の密度および粘度である）から容易に導びかれ得る。式１６は、小さな粒子
が緩和するためにより大きな粒子より長くかかることを示す。例えば、密度１．
０３３ｇ／ｃｍ3かつ粘度１．２６×１０-3ｋｇ／（ｍ・ｓ）の媒体における４
００μｍの緩和距離について、直径６、１０および１５μｍのＰＳ粒子（密度１
．０５ｇ／ｃｍ3）についての緩和時間は、それぞれおおよそ４、９および２５
分である。
【０１３８】 （ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバ表面の処理）上記で議論したように、ＰＳビー
ズは、緩和の間の沈降のバランスおよび適用されるＤＥＰ力により決定されるよ
うに、粒子の平衡の高さの点へ理論的に落ち着くべきである。しかし、ＤＥＰ浮
揚力は、電極アレイの電極エッジよりも高く、かつ電極およびギャップの中心よ
りも小さい（図２０）。このことおよび電極要素における随時の開路のような特
定の不完全の結果として、いくらかのＰＳビーズが、チャンバ底表面に落ち着き
得る。これらの粒子は、チャンバ壁に付着し得、ここでこれらの粒子は、流体流
が開始しそして分離性能を減じる場合に、層流プロフィールを乱し得る。従って
、いくつかの実験後、本発明者らは、本実施例において、粒子の付着を阻害する
ためのチャンバ底表面の適切な条件付けが、最適な分離結果を達成するために重
要であったことを理解した。
【０１３９】 以下の手順をチャンバ表面処理のために開発した。初めに電極を１％（ｗ／ｖ
）Ａｌｃｏｎｏｘ界面活性剤（Ａｌｃｏｎｏｘ Ｉｎｃ．，ＮＹ）中で洗浄し、
脱イオン化水で徹底的にリンスし、そしてチャンバアセンブリの前に風乾した。
チャンバ中の残りの水をいずれも除去するために、チャンバをエタノールで満た
し、次いで濾過した低圧Ｎ2で乾燥させた。次いで、このチャンバをＳｉｇｍａ
ｃｏｔｅ（Ｓｉｇｍａ，ＭＯ）で１５分間満たし、そしてＮ2で再び乾燥した。
チャンバ壁に疎水性コーティングを適用した各Ｓｉｇｍａｃｏｔｅ処理は、約２
０の実験まで持ちこたえた。各々の日の使用後、３０分間、２ｍｌ／分の流速で
、チャンバを６０ｍｌの１％（ｗ／ｖ）Ａｌｃｏｎｏｘと０．０５％（ｗ／ｖ）
ＮａＯＣｌ（Ｃｏｌｒｏｘ Ｉｎｃ．，ＣＡ）との溶液でフラッシュした。一晩
の貯蔵のために、微生物が増殖しないようにチャンバをこの溶液で満たした。上
記の電極表面処理を欠かさず行う場合に、チャンバが、その分離性能の顕著な変
化なく数百の実験に使用され得ることを見出した。
【０１４０】 （粒子動力学）図２１に例示されるように、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバ中を
移動する粒子は、いくつかの力を受ける。垂直方向では、ＤＥＰ浮揚、沈降（重
力）およびＨＤ揚力が作用し、流体流プロフィールにおける粒子の高さを決定す
る。粒子が電極アレイを横切って移動するにつれて、粒子が垂直方向に受ける正
味の力は、ゼロ付近を行き来する。結果として、粒子は、上および下に移動し、
そしてこれらの高さの摂動の大きさは、瞬間ＤＥＰ浮揚力、流体の粘度、および
電極要素を横切る移動の速度に依存する。本発明者らは、粒子の高さの振動が、
中程度または高い流体流速（＞２００μｌ／分）で、非常に小さいこと（＜２μ
ｍ）を見出した。なぜならば、粒子が、垂直ＤＥＰ力成分におけるバリエーショ
ンに応答するのに短い時間（＜２０ｍｓ）を要したからである。
【０１４１】 流体流方向では、粒子は、流体の抗力ならびに電極からのＤＥＰ力の水平成分
を受ける（Ｗａｎｇら、１９９８）。粒子が、印加された電界の非存在下での流
体流プロフィールにおいて、固定された高さで一定の速度で移動する場合、正味
の流体の抗力はゼロであるが、水平ＤＥＰ力成分は、粒子速度を摂動させる。そ
れにも関わらず、電極の周期性に起因して、電極／ギャップ周期全体にわたる平
均の水平ＤＥＰ力は、ゼロＦＩＧである（Ｗａｎｇら、１９９８）。従って、水
平ＤＥＰ力は、粒子の平均速度に影響を及ぼさない。結果として、粒子の速度は
、平均ＤＥＰ浮揚力のバランスにより決定されるような流れプロフィールにおけ
る粒子の平衡の高さ、ならびに沈降およびＨＤ揚力のみに依存する；水平ＤＥＰ
成分は、粒子速度に影響しない。このことは、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦとＤＥＰ−保
持の初期分離アプローチとの間の主要な差異の１つである。この場合、水平ＤＥ
Ｐ力成分は、流体流の力と拮抗するために使用され、これにより粒子溶出速度を
決定する（Ｂｅｃｋｅｒら、１９９５；Ｍａｒｋｘら、１９９４；Ｔａｌａｒｙ
ら、１９９５）。
【０１４２】 （流体力学的（ＨＤ）揚力）ＨＤリフト効果を見積もるために、本発明者らは
、重力フィールドフロー分別実験を行った。この実験ではＤＥＰ力が適用されず
、その結果、粒子の平衡位置が沈降およびＨＤ揚力のみにより決定された。これ
らの場合、実験的な粒子溶出データおよび理論的分析（Ｗａｎｇら、１９９８）
に基づいて、本発明者らは、粒子の高さが本質的には流体流速に依存しないこと
、およびＨＤ揚力がＰＳビーズをわずかに浮揚させたこと、ならびに粒子の外面
とチャンバの底表面との間の距離がたった０．４と０．７μｍとの間であったこ
とを見出した。一方、実験的な粒子溶出データは、ＤＥＰ力が粒子をより高い（
２オーダーの大きさまで）、ＨＤがもたらす平衡地位に浮揚させ得ることを示し
た。従って、本発明者らは、流体力学的揚力が、上記のＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ分離
においてほとんどまたは全く役割を果たさないことを結論付けた。
【０１４３】 （ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ分離の最適化）本発明者らは、粒子の溶出時間が多くの
操作上のパラメーターにより決定され得ることを見出した。これらのパラメータ
ーとしては、チャンバの高さＨおよび長さＬ；平均流体流速＜Ｖm＞；電極の周
期的な距離ｄ；適用された電圧Ｕ、粒子半径ｒ、粒子誘電分極パラメーターＲｅ
（ｆCM）、ならびに粒子および懸濁物の密度ρpおよびρm。従って、ＤＥＰ／Ｇ
−ＦＦＦによる分離は、粒子のサイズ、密度および誘電特性における差異を利用
し得る。
【０１４４】 ほとんどのＦＦＦ適用の場合に、本発明者らは、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバ
の垂直方向に放物的な流れプロフィールが存在し、そしてこのプロフィールの形
状がチャンバの高さＨにより決定されると仮定した。より良い分離性能を達成す
るために、本発明者らは、チャンバの高さＨが以下の式：
【０１４５】
【数１０】 により与えられる流体速度勾配を最大にするように選択されるべきであることを
見出した。
【０１４６】 この勾配ｄＶm／ｄｈは、流体プロフィールにおいて粒子の高さｈが減少する
につれて増加し、その結果、より良い速度の識別がチャンバ底表面の近くで平衡
化された粒子について達成され得る。最大浮揚高さｈmaxを有する粒子について
、チャンバの高さＨの選択は、特定の最適化基準に依存し得る。例えば、０とｈ max との間の平均速度勾配を最大にするためには、チャンバの高さはに２ｈmaxで
あるべきである；勾配をｈmaxで最大化するためには、チャンバの高さは４ｈmax であるべきである。
【０１４７】 粒子の溶出時間および異なる粒子のタイプ間の分離の程度は、チャンバの長さ
Ｌに比例し、従って良い分離は、Ｌを増加させることにより達成され得る。粒子
の溶出時間は、平均流体速度＜Ｖm＞に反比例し、その結果、流速を増加させる
ことは、より迅速な分離を生じ得る。それにも関わらず、有意に高い値の流体流
速では、ＨＤリフトは、粒子の分離を妨害し得る。他の所望でない影響もまた、
非常に高い流体速度で作用し始め得る。
【０１４８】 大きなｄ値を有する電極アレイは、誘電識別の分離を増加させるのに好ましく
有り得る。しかし、大きなｄ値を有する電極は、十分に強力なＤＥＰ浮揚力（Ｅ 2 ／ｄに比例する）を生じるためにはるかに高いフィールドの強度（Ｅ）を必要
とし得る。次いで、いくつかのより高いフィールドの強度は、所望でない効果（
例えば、懸濁媒体のジュール熱）を生じ得る。
【０１４９】 図１７Ａ、１７Ｂおよび１８に示されるように、印加された電圧Ｕは、ＤＥＰ
／Ｇ−ＦＦＦ操作にとって重要な変数である。一般に、大きな電圧は、粒子を高
い衡位置へ浮揚し、そこでは流体速度の勾配が減少される。より良い粒子分離の
ための流体流プロフィールにおける大きな速度勾配の領域を使用するために、小
さな電圧が好ましく有り得る。一方、プロフィールにおける低い位置でのＨＤリ
フトの効果は、粒子の動力学的挙動を複雑にし得、そして小さな電圧はまた、よ
り長い分離時間を生じる。明らかに、印加された電圧は、各印加について最適化
されるべきである。
【０１５０】 懸濁媒体の密度ρmは、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦについての別の重要な変数である
。流体プロフィールにおける粒子の安定な配置について、ネガティブな誘電力お
よび負に浮揚性の粒子が使用されるべきである。従って、ρmは、粒子の密度（
ρp）よりも小さくあるべきである（Ｇａｓｃｏｙｎｅら、１９９６；Ｈｕａｎ
ｇら、１９９７）。ρmについての値は、以下の基準に基づいて選択され得る。
ρmがρpよりも非常に小さい場合、大きな電圧およびフィールドの強度は、粒子
を浮揚させるために提供される必要があり得る。一方、ρmがわずかだけρpを下
まわる場合、チャンバへ導入された後、粒子がその平衡位置に緩和するのに長い
時間が必要であり得る。
【０１５１】 適用されたフィールド周波数ｆおよび懸濁媒体の誘電特性（伝導率および誘電
率）は、粒子の誘電分極因子Ｒｅ（ｆCM）を決定する際に重要な因子であり（Ｇ
ａｓｃｏｙｎｅら、１９９７；Ｗａｎｇら、１９９７）、そしてＲｅ（ｆCM）（
分離される粒子間の、周波数ｆでの粒子におけるフィールドが誘導する分極の大
きさおよび方向を反映するクラウジウス−モソッティ因子の実際の成分）におけ
る差異を最大化することにより最適化されるべきである。適用されたＤＥＰ浮力
（フィールド周波数ｆの関数および懸濁媒体の誘電特性）が、流れプロフィール
における粒子平衡の高さを制御する際に有効である限り、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦシ
ステムは、粒子の特徴付けおよび分離に使用され得る。異なる粒子がＲｅ（ｆCM ）について異なる極性を有するＤＥＰ−ｒｅｔｅｎｔｉｏｎを使用する粒子の分
離（Ｗａｎｇら、１９９３、Ｂｅｃｋｅｒら、１９９５）と対照的に、ＤＥＰ／
Ｇ−ＦＦＦ分離は、異なる粒子が異なる負のＲｅ（ｆCM）値を有することを必要
とする。ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦにおいて以前に示される（Ｈｕａｎｇら、１９９７
）ように、粒子速度（従って、保持時間）は、Ｒｅ（ｆCM）に対して非常に感受
性であり、このことは、ＤＥＰ−ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ法についてよりもＤＥＰ／
Ｇ−ＦＦＦについて、顕著に高い粒子識別を示す。
【０１５２】 （結論） 本実施例は、誘電／重力フィールドフロー分別が、粒子分離のための有効な方
法であることを示した。この方法は、約１μｍ〜数百マイクロメーターの粒子の
分離に容易に適用され得る。これは、多くの他のＦＦＦ技術におけるように粒子
のサイズおよび密度における差異のみを利用するのではなく、最も有意には、粒
子の誘電特質をも利用する。生物学的細胞について、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ分離は
、細胞のサイズ、膜キャパシタンスおよび電気伝導度（Ｇａｓｃｏｙｎｅら、１
９９７；Ｈｕａｎｇら、１９９７）ならびに細胞内部誘電特性における差異に基
づき得る。コロイド粒子（例えば、ポリスチレンビーズ）について、ＤＥＰ／Ｇ
−ＦＦＦ分離は、粒子サイズ、粒子表面特性（例えば、表面電荷）およびバルク
誘電特性における差異を利用し得る。
【０１５３】 比較的小さなＡＣ電圧（＜１０Ｖｐ−ｐ）を分離チャンバの底表面上の微小電
極に印加することにより生じるＤＥＰ浮揚力は、それらの粒子を流れの速度プロ
フィールに位置付けるために、粒子に対して作用する重力（沈降力）を均衡させ
るために使用され得る。異なる誘電特性および密度特性を有する粒子は、異なる
高さで平衡化し、そしてこれらの粒子は、流れプロフィールにおいて異なる速度
で運ばれる。結果として、異なる粒子が異なる時間で分離チャンバから溶出する
。分離方法は、柔軟である。なぜなら、この方法は、多くの操作上のパラメータ
ー（これらとしては、粒子懸濁媒体の密度および誘電特性、ならびに印加された
ＤＥＰフィールドの電圧および周波数が挙げられる）に依存するからである。こ
れらのパラメーターは、変化して特定の適用についての分離性能を最適化し得る
。操作上のフィールド周波数は、代表的には１ｋＨｚを超える。これは、いくつ
かの所望でない効果（これらとしては、電極分極および電極表面での水電気分解
が挙げられる）を最少化する。分離チャンバは、まさに少量のサンプルの使用を
要する適用のために容易に最小化され得る。最終的に、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦを使
用して、粒子の物理的な特質を研究し得る。例えば、粒子誘電特質は、印加され
たＤＥＰフィールドの周波数および電圧に対する粒子の溶出時間の依存性を決定
することにより誘導され得る。
【０１５４】 （実施例４） （誘電泳動フィールドフロー分画を用いた微小製作電極上での細胞分離） 誘電泳動／重力フィールドフロー分画（ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ）を使用して、培
養したヒト乳癌ＭＤＡ−４３５細胞を、スクロース／デキストロース培地中で一
緒に混合した正常な血液細胞から分離した。５０μｍの幅および間隔を有し、そ
して薄いチャンバ（０．４２ｍｍ Ｈ×２５ｍｍ Ｗ×３００ｍｍ Ｌ）の底表
面に並べた、微小製作した嵌合電極のアレイを使用して、細胞を浮揚させるＤＥ
Ｐ力を発生させた。約５０，０００細胞を含む１０μＬ細胞混合物サンプルをチ
ャンバに導入し、そして癌細胞および正常な血液細胞を、ＤＥＰと重力とのバラ
ンスに従って、異なる高さまで浮揚させた。異なる高さの細胞を、チャンバ内で
確立した放物線流動プロフィールの影響下で、異なる速度で輸送し、そして分離
した。分離効率は、印加したＤＥＰ場の周波数および電圧ならびに流体流速に依
存した。５分程度の短時間で、細胞分離を達成した。細胞溶出時間とＤＥＰ場の
周波数での平衡高さとの依存性についての分析は、この分離が、細胞集団の間の
誘電特性および密度特性における差異を利用したことを明らかにした。細胞プロ
セシングのためのＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ技術の重要性は、特に一体型微小流体シス
テムの開発に関連して、認識されてきた。
【０１５５】 （実験の詳細） （ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦシステム）。ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦシステムのための実験
の設定は、図１３に示され、そしてＹａｎｇら（１９９９ａ）による論文におい
て詳細に記載された設定と同様である。簡潔には、＼嵌合微小電極（５０μｍの
幅およびギャップ）を、標準的なフォトリソグラフィーを用いて、５０×５０ｍ
ｍガラス基材上に作製した。６つの電極を、支持ガラス板上に端と端を接して（
ｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ）接着し、１つの電極板を形成した。ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ
チャンバを、３６ Ｎｙｌｏｎスクリュークランプ（Ｂｅｌ−Ａｒｔ Ｐｒｏｄ
ｕｃｔｓ，Ｐａｑｕａｎｎｏｃｋ，ＮＪ）を用いて、上部ガラス板と底部電極板
との間にＴｅｆｌｏｎ（登録商標）スペーサー（０．４２ｍｍ Ｈ×５０ｍｍ
Ｗ×３００ｍｍ Ｌ）を挟むことによって構築した。このスペーサーを切断して
、先端から先端までが２８８ｍｍおよびテーパー状の端部を除く幅が２５ｍｍの
寸法を有する、開放チャネルを提供した。この微小電極（各々、縁に沿って延び
る２つの４ｍｍ幅の導電体バスを有する）を、実験室で作製した（ｌａｂ−ｂｕ
ｉｌｔ）ＰＡ−０５に基づく電力増幅器（Ａｐｅｘ Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ，Ｔｕｃｓｏｎ，ＡＺ）に並列で接続した。増幅器へのシグナルを、関数
発生器（モデル３３１２０Ａ，Ｈｅｗｒｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ，Ｓａｎｔａ
Ｃｌａｒａ，ＣＡ）から生成し、そしてオシロスコープ（モデルＲＤＳ３２０；
Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ，Ｐｉｔｔｓｆｉｅｌｄ，ＭＡ）によりモニターした。
【０１５６】 上部板および底部板に、ドリルで０．０６２５インチの直径の穴を開け、入口
チューブおよび出口チューブを、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャネルのテーパー状の端
部の点と一致する位置に嵌め込んだ。サンプル導入を可能にするために、２．５
μＬのボイド容積を有するＰＥＥＫチューブを、注入バルブ（１０−（Ｌループ
；Ｒｈｅｏｄｙｎｅ，Ｒｏｈｎｅｒｔ Ｐａｒｋ，ＣＡ）を備えたモデル７０１
０）とチャンバ入口ポートとの間の接続として利用した。デジタルシリンジポン
プ（Ｄａｉｇｇｅｒ，Ｗｈｅｅｌｉｎｇ，ＩＬ）を使用して、チャネルを介した
キャリア媒体の連続的な流れを提供した。チャンバの出口チューブに存在する細
胞を、フラクションコレクター（モデルＣｙｇｅｎｔ ６８−２１７０；Ｉｓｃ
ｏ，Ｌｉｎｃｏｌｎ，ＮＥ）を用いて収集した。このフラクションコレクターは
、固定した時間間隔または固定した液滴数間隔でサンプル画分を収集することに
よって作動し得る。チャンバにおける細胞の動力学的挙動を、ＣＣＤカメラ（Ｈ
ａｍａｍａｔｓｕ，Ｂｒｉｄｇｅｗａｔｅｒ，ＮＪ）およびビデオモニターを備
えた顕微鏡（モデルＭｉｃｒｏｐｈｏｔ−ＳＡ；Ｎｉｋｏｎ，Ｍｅｌｖｉｌｌｅ
，ＮＪ）下でモニターした。細胞の平衡高さを、チャンバ内の流体の屈折率を乗
算した、電極板および細胞の顕微鏡焦点位置における差異によって決定した。
【０１５７】 （細胞調製）。正常なヒト末梢血細胞（主に赤血球）と混合した培養したヒト
乳癌ＭＤＡ−４３５細胞を、本研究におけるモデル系として使用した。転移性の
乳癌を有する患者の胸水由来のＭＤＡ−４３５細胞（Ｃａｉｌｌｅａｕら １９
７８；ＺｈａｎｇおよびＦｉｅｌｄｅｒ １９９１）を、１０％ウシ胎児血清、
１ｍＭ グルタミン、および２０ｍＭ ＨＥＰＥＳを補充した最小の必須／Ｆ２
１培地（Ｌｉｆｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｇａｉｔｈｅｒｓｂｕｒｇ，Ｍ
Ｄ）ならびに０．５％ペニシリンおよびストレプトマイシン（Ｓｉｇｍａ Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）中で培養し、そして加湿した
インキュベーター中、５％ ＣＯ2／９０％ 空気雰囲気下、３７℃で、７５ｃ
ｍ2のプラスチックフラスコ中で維持した。この細胞を、０．２５％ トリプシ
ン−０．０２％ ＥＤＴＡに短時間曝し、続いて完全培地中で約１５分間回収す
ることによって、播種の４８時間後に約８０％コンフルエンスで収集した。新鮮
なＥＤＴＡ抗凝固ヒト血液のアリコートを、収集したＭＤＡ−４３５細胞の懸濁
液中に加え、次いで等張８．５％（ｗ／ｖ）スクロースおよび０．３％（ｗ／ｖ
）デキストロース緩衝液中で２回洗浄することによって、細胞混合物を調製した
。スクロース緩衝液の電気伝導率を、伝導率測定器（ＥＣ１９１０１−００；Ｃ
ｏｌｅ−Ｐａｒｍｅｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，Ｃｈｉｃａｇｏ，ＩＬ）を用い
て決定するように、最小必須培地を用いて、５６ｍＳ／ｍに調節した。スクロー
ス／デキストロース緩衝液中の細胞の最終濃度は、癌細胞対正常血液細胞につい
て２：３の名目上の比率で、５×１０6細胞／ｍＬであった。上記の細胞調製手
順が、細胞混合物からヒト血漿を除去したことに留意すべきである。しかし、血
漿成分の除去は、本研究において記載されるＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ分離のために重
要ではない。希釈したヒト血液を乳癌細胞の懸濁液に加えることによって細胞混
合物を調製する分離実験を行った。分離効率は影響されず、最終細胞懸濁液の提
供された電気伝導率は、適切な値に維持された。
【０１５８】 特定の密度値を、密度マーカービーズによって較正した、遠心分離で生成した
連続的なＰｅｒｃｏｌｌ密度勾配（Ｐｈａｒｍａｃｉａ，Ｕｐｐｓａｌａ，Ｓｗ
ｅｄｅｎ）を用いて、赤血球およびＭＤＡ−４３５細胞について、それぞれ１．
０９５ｋｇ／ｄｍ3および１．０７２ｋｇ／ｄｍ3と決定した。
【０１５９】 （細胞分離プロトコル）。ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバに、等張スクロース／
デキストロース緩衝液をまず充填した。次いで細胞混合物サンプルを、注入バル
ブを介してこのチャンバの入口ポートに導入した。これを達成するために、まず
、注入バルブの１０μＬ−ループに、手動操作シリンジを用いて細胞サンプルを
充填した。次いで、このバルブを「注入」モードに切り換え、そして３５μＬス
クロース／デキストロース緩衝液を、５０μＬ／分で作動するシリンジポンプに
よって、ループを介して流し、すべての細胞をＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバに移
動させた。サンプル導入の間、細胞がＤＥＰ力によってチャンバ内を浮揚するよ
うに、適切な電圧シグナルを微小電極に印加し、それによってチャンバの底表面
への細胞の起こり得る接着を妨げた。注入後、細胞を５分間、平衡高さに到達さ
せ、その位置において細胞に作用する反対のＤＥＰ力と重力とは釣り合っていた
。次いで、チャンバを通るキャリア培地の流れを、シリンジポンプを用いて開始
し、幾何学的な特性に起因して、放物線水力学的流動プロフィールをチャンバの
内側に確立した。流体抵抗の影響下で、流動プロフィールにおける細胞の相対的
位置に従う異なる速度で、細胞を移動させた。フラクションコレクターを用いて
細胞がチャンバから出るように細胞を収集し、次いで特徴付けた。分離効率を評
価するために、細胞がチャンバの出口端部にある検出窓を通過するときに、ビデ
オ顕微鏡下で細胞を数えることによって、細胞のフラクトグラム（ｆｒａｃｔｏ
ｇｒａｍ）を得た。異なる細胞型を、サイズによって同定した（ＭＤＡ−４３５
細胞および赤血球は、それぞれ直径約１５μｍおよび７μｍである）。
【０１６０】 それらのフラクトグラムに基づいて、各細胞型について、細胞の溶出特性を記
述するための２つのパラメーター（すなわち、溶出時間および溶出ピーク幅）を
規定した。これらのパラメーターは、細胞数の時間での積分（細胞が検出窓を通
過するときの細胞の累積数）により決定した。溶出時間は、積分がその最大値の
５０％に到達した時間として得た。溶出ピーク幅は、積分がその最大値の１２．
５％から８７．５％に増加するまでにかかる時間として規定した。溶出ピーク幅
の定義は、時間の三角分布または正規分布を有するピークの半分の高さにおける
幅に対応した。
【０１６１】 （理論） （ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ原理）。図２２は、誘電泳動／重力フィールドフロー分
画の原理の概略図を与える。チャンバの底表面は、嵌合微小電極アレイとともに
並んでいる。容積Ｖの楕円状細胞に作用する嵌合電極によって生じるＤＥＰ浮揚
力は、以下によって与えられ（Ｈｕａｎｇら、１９９７、Ｗａｎｇら、１９９８
）：
【０１６２】
【数１１】 ここでＵは、印加した周波数ｆでのＲＭＳ電圧であり、εmは、培地の誘電率で
あり、そしてαDEP（ｆ）（＝Ｒｅ（ｆCM））は、細胞における電場誘導分極を
特徴付ける因子である。パラメーターｐ（ｆ）は、電極の分極を補正するために
含まれる（Ｓｃｈｗａｎ、１９９２）。ＤＥＰ力は、電極平面上の高さｈ、電極
アレイの周期的距離ｄによって特徴付けられる減衰定数および単位電圧力計数Ａ
とともにほぼ指数関数的に降下した。重力は、−Ｖ（ρc−ρm）ｇで与えられる
。ここで、ρcおよびρmは、それぞれ細胞およびその周りの培地の密度であり、
ρc＞ρmの関係を満たしている。重力とＤＥＰ浮揚力とのバランスは、細胞を安
定な平衡高さに位置づけ、以下：
【０１６３】
【数１２】 によって与えられる。平衡高さは、（誘電分極因子αDEPによって特徴付けられ
るような）誘電特性および細胞の密度（ρc）、電極の寸法（Ａおよびｄ）、印
可したＤＥＰ場の強度（Ｕ）および周波数（ｆ）、ならびに電極の分極パラメー
ターｐ（ｆ）に依存する。
【０１６４】 チャンバの底表面からの高さｈeqに位置する細胞が、チャンバにおける放物線
流動プロフィールによって運ばれる速度は、以下によって与えられ（Ｗｉｌｌｉ
ａｍｓら、１９９２）：
【０１６５】
【数１３】 ここでＨは、チャンバの厚さであり、そして＜Ｖm＞は平均流体速度である。ｋr （＜１）は、粒子がチャンバ壁に近づいたときに生じる遅延効果（Ｗｉｌｌｉａ
ｍｓら、１９９２）を特徴付ける係数である。従って、ＤＥＰ場条件の注意深い
選択によって、異なる誘電特性および密度特性を有する細胞が、電極表面上の異
なる高さまで浮揚し得、それによって流動プロフィールの影響下で異なる速度で
移動させられ得る。
【０１６６】 （細胞誘電モデリング）。楕円形の粒子については、楕円体のｊ軸に沿った誘
電分極因子αDEP（ｆ）は、以下によって与えられ（Ｋａｋｕｔａｎｉら、１９
９３）：
【０１６７】
【数１４】 ここで
【０１６８】
【数１５】 は、それぞれ細胞およびその周りの培地の周波数依存性複素誘電率であり、そし
てＡjは、ｊ軸（ｊ＝ｘ、ｙ、ｚ）に沿った分極因子である。この研究において
、ヒト乳癌ＭＤＡ−４３５細胞を、伝導率の低い厚さｄの原形質膜に囲まれる、
内部の均一な誘電球（半径ｒ）からなる球状粒子（Ａj＝０．３３３）としてモ
デリングする。次いで、有効な複素誘電率は、以下によって与えられ（Ｆｕｈｒ
およびＨｏｇｅｄｏｒｎ、１９９６；Ｉｒｉｍａｊｉｒｉら、１９７９；Ｈｕａ
ｎｇら、１９９２）：
【０１６９】
【数１６】 ここで
【０１７０】
【数１７】 は、それぞれ細胞膜および内部の複素誘電率をいう。赤血球を、ａ＝ｂ＞ｃの関
係を満たす半軸ａ、ｂおよびｃを有する単殻偏球楕円体としてモデリングする。
この殻および内部は、それぞれ細胞膜および細胞質という。このような楕円体に
対する細胞の有効誘電率は、以下によって与えられ（Ｋａｋｕｔａｎｉら、１９
９３）：
【０１７１】
【数１８】 ここで、υは、細胞内部の容積画分（υ＝（ｃ−ｄ）（ａ−ｄ）2／ｃａ2）であ
る。脱分極因子は、以下によって与えられ：
【０１７２】
【数１９】 ここで、ｅ＝ａ／ｃ＞１である。従って、殻モデルにおける細胞誘電パラメータ
の知識があれば、等式（２２）および（２３）を用いてそれらの複素誘電率を計
算することが可能である。
【０１７３】 （結果） 検出窓を通過するＭＤＡ−４３５細胞および赤血球の数の時間依存性を示す代
表的な細胞フラクトグラムを、５ｋＨｚの印加ＤＥＰ場周波数について図２３に
示す。２つの細胞集団を、１２分の溶出時間差で十分に分離した。この結果は、
ビデオ顕微鏡下での細胞の運動の視覚的な検査と一致し、ＭＤＡ−４３５細胞は
赤血球よりも２倍速く移動したことを明らかにした。ＭＤＡ−４３５細胞および
赤血球についての溶出ピーク幅は、いくつかの因子に依存した。各細胞について
の溶出時間は、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバを通るその速度および移動距離に依
存した。すべての細胞が、サンプルを充填している間にチャンバ出口ポートから
同じ距離に位置することを確実にすることは不可能であったので、同じ速度を有
する細胞についてさえも、溶出時間における少しの広がりが予想された。細胞組
成物、形態学、および構造的組織化によって引き起こされる細胞の誘電特性にお
ける固有の集団不均一性に起因して、さらに、同じ型の異なる細胞は、異なる速
度を示した。（**Ｈｕａｎｇら、１９９６；ＦｕｈｒおよびＨａｇｅｄｏｒｎ、
１９９６；ＰｅｔｈｉｇおよびＫｅｌｌ １９８７；Ｂｅｃｋｅｒら、１９９５
；Ｇａｓｃｏｙｎｅら、１９９７）。ＭＤＡ−４３５細胞についての明らかな二
重ピークは、細胞誘電パラメータの実際の分布と関連するようである。
【０１７４】 印加されたＤＥＰ場の周波数に対する細胞溶出時間の依存性を、図２４Ａに示
す。２ｋＨｚにおいて、ＭＤＡ−４３５細胞および赤血球は、約２０分の溶出時
間差で十分に分離した。２〜１０ｋＨｚの範囲の周波数において、２つの細胞集
団間の溶出時間差は、２ｋＨｚと１０ｋＨｚとの間であった。溶出ピーク幅は非
常に狭く（１．７〜３．５分）、２つの溶出ピークが、１０ｋＨｚにおいて共に
より近くにあったとしても、良好な細胞分離を導いた。溶出時間は、細胞速度の
増加を反映して周波数が増加するにつれて減少した。周波数が、５０ｋＨｚまで
増加するにつれて、溶出時間および溶出ピーク幅は、赤血球についてはわずかに
増加し、そしてＭＤＡ−４３５細胞についてはより大きく増加し、このことは、
ＭＤＡ−４３５細胞の速度が低下しなかっただけでなく、広い分布をも示したこ
とを示した。ピークの広幅化に起因して、２つの集団は、４０ｋＨｚおよび５０
ｋＨｚにおいては十分に分離しなかった。
【０１７５】 ２つの集団の間の溶出時間の差は、細胞の差示的な速度から生じ、次いでこの
細胞の差示的な速度は、流体流プロフィールにおける細胞平衡高さの差を反映し
た。ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバにおける高さ−速度関係を確かめるために、個
々のＭＤＡ−４３５細胞および赤血球についての平衡高さを、多くのＤＥＰフィ
ールド周波数にて遅いフロー（<Vm>＝１６μｍ／秒）について光学顕微鏡下で測
定した（図２４Ｂ）。それらの大きな速度から予期されるように、ＭＤＡ−４３
５細胞は、赤血球よりも高い位置まで浮揚することが見出された。周波数に依存
して、ＭＤＡ−４３５細胞と赤血球との間の平均細胞高さの差は、１５ミクロメ
ートル程度の大きさであった。各細胞集団について、ＤＥＰフィールド周波数に
おける平衡高さの依存性は、図２４Ａに示されるピーク時間データと定性的に一
致した。例えば、５０ｋＨｚにてＭＤＡ−４３５細胞についての大きな偏差を伴
う低い平衡高さは、これらの条件下で観測される大きな溶出時間および溶出ピー
ク幅を説明した。
【０１７６】 細胞平衡高さは、ＤＥＰ浮揚力と重力とのバランスによって決定された。ＭＤ
Ａ−３５細胞と赤血球との間の平衡高さにおける差についての基礎を理解するた
めに、本発明者らは、ＤＥＰフィールド条件および細胞密度値についての知識と
ともに標準的な式を用いて、観測された浮揚高さから２つの細胞集団についての
誘電因子αＤＥＰ（図２４Ｃ）の周波数依存性を計算した。赤血球についてのα ＤＥＰが２〜５０ｋＨｚの周波数範囲にわたってほとんど変化を示さない一方で
、ＭＤＡ−４３５細胞についてのαＤＥＰの大きさは、周波数依存性を示した。
２０ｋＨｚより下の周波数における２つの細胞型の間のαＤＥＰにおける差は、
ＭＤＡ−４３５細胞によって示されるより大きな浮揚（および対応してより大き
な速度）は、それらのより小さな密度（１．０７２ｋｇ／ｄｍ3対１．０９５ｋ
ｇ／ｄｍ3）によって引き起こされただけでなく、それらの大きな分極因子（−
０．３６対−０．２１）によっても引き起こされた。
【０１７７】 ＭＤＡ−４３５細胞および赤血球の誘電的性質における差についての基礎を説
明するために、誘電因子αＤＥＰを、細胞誘電モデリングによって計算した。そ
れらの形状に基づいて、本発明者らは、ＭＤＡ−４３５細胞および赤血球を、そ
れぞれ外側の殻が原形質膜に対応する単一の殻の球および楕円体としてモデル化
した。赤血球と比較して、ＭＤＡ−４３５細胞のαＤＥＰは、２〜２０ｋＨｚの
周波数範囲においてより大きく、４０ｋＨｚより上の周波数分散を示した。これ
らの差は、ＭＤＡ−４３５細胞の大きさおよび膜キャパシタンスが赤血球の大き
さおよび膜キャパシタンスよりも大きく、そしてＭＤＡ−４３５細胞が球形であ
り、一方、赤血球が二重ディスク状であったという事実に由来した。従って、本
発明者らは、本明細書中で報告されるＭＤＡ−４３５細胞および赤血球のＤＥＰ
／Ｇ−ＦＦＦ分離が、分離の標準として、細胞密度、大きさ、形状および膜の電
気的性質における差を利用したと結論付けた。
【０１７８】 ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバを出る細胞は、画分コレクタで集められた。１０
ｋＨｚのＤＥＰフィールド周波数および１ｍＬ／分の流体流速にて、細胞を２分
の間隔の時間で１５の画分に集めた。画分５〜７および画分９〜１３は、それぞ
れ、＞９８％のＭＤＡ−４３５細胞および＞９９％の赤血球を含んだ。さらに、
集められた細胞のトリパンブルー染色は、＞９９％の細胞が染色を排除し、膜の
一体性がＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ分離の間、維持されたことを示すことを明かにした
。
【０１７９】 ＤＥＰフィールド電圧および流体流速のような操作条件は、分離の性能におけ
るそれらの影響を試験するために変化された。図２５Ａは、２０ｋＨｚにおいて
ＭＤＡ−４３５細胞および赤血球の溶出時間の電圧依存性を示す。明かに、印加
される電圧が大きければ大きいほど、溶出時間は短くなる。より大きな電圧がＤ
ＥＰ浮揚力を増加し、これによって細胞がより速く運ばれる流体流プロフィール
でより高い位置にこれらの細胞を位置付けるので、この結果は予期された。図２
５Ａは、さらに、溶出ピーク幅が、印加される電圧の減少とともに有意に増加し
たことを示す。溶出ピーク幅に影響する重要な因子は、細胞誘電性質における不
均一性である。異なる誘電性質を有する同じ型の個々の細胞は、フロープロフィ
ールにおいて異なる高さに位置付けられ、従って、異なる速度でＤＥＰ／Ｇ−Ｆ
ＦＦチャンバを通って進む。電圧の低下とともに、細胞は、より大きな速度勾配
が存在する流体流プロフィールにおいてより低く位置付けられた。従って、わず
かに異なる誘電性質を有する細胞は、より大きな差を伴なう速度で流体流によっ
て運ばれ、溶出ピーク幅の増加を導いた。
【０１８０】 図２５Ｂは、細胞溶出時間における流体流速の効果を示す。溶出時間は、流速
に対して反比例することが見出され、細胞平衡高さが流速における変化によって
影響しなかったことを示した。２つの集団の効率的な分離は、２ｍＬ／分の流速
で８分未満で達成され得た。図２５Ｂは、さらに、溶出ピーク幅が流体流速の減
少とともに増加したことを示す。それにもかかわらず、溶出時間に対する溶出ピ
ーク幅の比は、異なる速度において変化しないままであり、流速が細胞平衡高さ
に影響しないという結論を支持する。
【０１８１】 本発明者らは、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバにおける細胞平衡高さが、流速か
らほとんど独立したことを見出し、これは、適用されたＤＥＰ浮揚力がこの流体
力学的持ち上げ力よりもずっと強かったことを確認する。この発見は、流体力学
的な持ち上げ力の理論的分析と一致する（Ｙａｎｇら、１９９９ａ）。
【０１８２】 細胞分離問題に対するＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦの一般的な適用可能性をさらに示す
ために、培養されたヒト白血病ＨＬ−６０細胞を正常な血球をともなう混合物か
ら分離する実験、およびＭＤＡ−４３５細胞を精製されたヒトＴリンパ球をとも
なう混合物から分離する実験を行った（公表されないデータ）。達成された結果
は、本発明者らのＭＤＡ−４３５／赤血球研究における結果と一致し、この方法
が、多くの細胞分離の必要性に対して適用を有し得ることを示す。
【０１８３】 細胞を最初にチャンバに充填した場合、それらは、幅広い高さの分布を示した
。細胞が平衡位置に達するように、流体流を適用する前に、それらを５分間沈澱
させた。この最初の沈澱に十分な時間（いわゆる、緩和時間）を可能にすること
は、良好な分離性能を確実にするために重要であった。
【０１８４】 本発明者らは、１分当たり数千の速度で各実験において約５０，０００個の細
胞を分類し得た。電極アレイが移動部分を有さず、単一の増幅器がその電極アレ
イに電源を供給するために使用され得るので、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦデバイスは、
生物学的実験室および臨床的実験室において慣用的な細胞分離に必要なように容
易にスケールアップされ得、各分離において１０6以上の細胞を扱う。さらに、
ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ原理は、ナノリットルからマイクロリットルの体積範囲で細
胞サンプルを処理するためにミクロ流体的な系（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｓ
ｙｓｔｅｍ）において容易に実行され得る。ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦデバイスの小型
化に関連する唯一の問題は、チャンバが所望の細胞分離のために十分な分解能を
提供するのに十分長くなければならないことである。本発明者らの実験（実験室
における公表されていないデータ）は、全体の長さが５ｃｍほどの短さであり得
、そして本発明者らのフロー条件下において、これは、空間効率的なヘビ状構成
で達成され得ることが示された。小型化されたＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦデバイスは、
マイクロＰＣＲおよびキャピラリー電気泳動デバイス、細胞計数器、および電気
化学的検出器を含む他のマイクロフリューム（ｍｉｃｒｏｆｌｕｍｅ）構成要素
に接し得る。さらに、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ法は、細胞分離の新たな次元に加えて
、細胞の誘電的性質および密度の性質を利用する。密度の性質に従うＤＥＰ／Ｇ
−ＦＦＦ分離の能力は、このＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ分離が、遠心分離（これは、現
在細胞サンプル調製における基礎的な工程として使用される）に対する置換とし
て一体化されたマイクロフリューム系で使用され得ることを示唆する。最終的に
、この技術は、非侵襲性であり、抗体と細胞表面抗原との相互作用に依存せず、
このことによって、この技術は、免疫選択的な方法に固有の細胞活性化の潜在的
な問題無しで白血球亜集団の分離のような適用に対して魅力的にする。
【０１８５】 （実施例５） 誘電泳動フィールドフロー分別による細胞特徴付けおよび分離の原理が達成さ
れた。この実施例における操作デバイスは、底壁が微小電極のアレイを支持する
薄いチャンバの形態をとった。適切なＡＣ電圧シグナルをこれらの電極に印加す
ることによって、誘電泳動力が生成されてチャンバ中に懸濁された細胞を浮揚さ
せ、そしてそれらの平衡高さに影響した。層流プロフィールは、流体がチャンバ
壁からの距離が増加するにつれてより速く流れるようにチャンバ中に確立された
。フローストリーム中に保持された細胞は、細胞が経験する誘電泳動力、重力お
よび流体力学持ち上げ力のバランスに基づいて、平衡高さおよび対応する速度に
達した。本発明者らは、この系についての理論的モデル（Ｈｕａｎｇら、１９９
７）を記載し、そして細胞速度が、平均流体速度、電極に印加されるシグナルの
電圧および周波数、および最も有意には細胞誘電性質の関数であることが示され
た。このモデルの妥当性は、平行電極アレイに供されたヒト白血病（ＨＬ−６０
）細胞を使用して示され、そして末梢血単核細胞からＨＬ−６０細胞を分離する
デバイスの適用が達成された。
【０１８６】 ＤＥＰ−ＦＦＦの操作原理は、以下のように要約され得る：適切な電圧シグナ
ルを電極に印加することによって、異なる誘電性質および／または密度の性質を
有する粒子が異なる高さまで浮揚され得、それによってフロープロフィールの影
響下で異なる速度での移動が引き起こされ得る。次いで、チャンバ入口に予め充
填された粒子は、異なる時間でチャンバを出て、それらが別々に回収され得る。
この方法において、粒子がチャンバを通過するのにかかる時間がそれらの誘電的
性質および密度の性質を直接反映し、そしてこの依存性は、粒子の特徴付けおよ
び分離に利用され得る。ＤＥＰ−ＦＦＦにおいて、粒子は、沈澱、垂直ＤＥＰ、
および水力学的持ち上げ力の間のバランスの結果として電極表面の上の水力学的
フロープロフィールにわたって異なる面で位置付けられる。従って、粒子は、そ
れぞれの面において作用する水平流体抗力の影響下で異なる速度で連続的様式で
溶出され得る。この方法において、ＤＥＰ−ＦＦＦは、フロープロフィール内の
流体速度の全範囲を利用し、そしてより重要なことには、分離チャンバの３次元
的能力を利用する。
【０１８７】 （材料および方法） （細胞）。ヒト白血病ＨＬ−６０細胞株をこの研究におけるモデル系として使
用した。細胞を１０％ウシ胎仔血清、１ｍＭグルタミンおよび２０ｍＭ ＨＥＰ
ＥＳ（Ｌｉｆｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｇａｉｔｈｅｒｓｂｕｒｇ、ＭＤ
）、０．５％ペニシリンおよびストレプトマイシン溶液（Ｓｉｇｍａ、Ｓｔ．Ｌ
ｏｕｓ、ＭＤ）を補充したＲＰＭＩ １６４０培地で培養し、そして湿潤された
インキュベーター内で、３７℃で５％ＣＯ2／９５％空気の雰囲気下で、７５ｃ
ｍ2のプラスチックフラスコ中で維持した。ＨＬ−６０細胞を、播種して４８時
間後に、穏やかにフラスコを揺らすことによって指数増殖期において２×１０6
／ｍｌの密度で収穫した。細胞懸濁液は、トリパンブルー染色の排除によって＞
９８％の生存能を有することが見出された。細胞を１０分間１００ｇにて遠心分
離することによって完全培地から収穫し、次いで等張性８．５％（ｗ／ｖ）ショ
糖および０．３％（ｗ／ｖ）ブドウ糖緩衝液中、約１０6／ｍｌの密度で再懸濁
させた。最終懸濁液の伝導性は、培養培地を用いて５０ｍＳ／ｍの公称値に調節
され、次いで伝導性メーター（ＥＣ１９１０１−００、Ｃｏｌｅ−Ｐａｒｍｅｒ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ、Ｃｈｉｃａｇｏ、ＩＬ）を用いて測定した。末梢血単
核（ＰＢＭＮ）細胞を標準的な密度勾配分離によってバフィーコートから調製し
た。細胞浮揚効果を定量化するために、ＨＬ−６０細胞の特定の密度をＰｅｒｃ
ｏｌｌ密度マーカービーズによって較正された、遠心分離的に生成された連続的
なＰｅｒｃｏｌｌ密度勾配（Ｐｈａｒｍａｃｉａ、Ｕｐｐｓａｌａ、Ｓｗｅｄｅ
ｎ）を用いて１．０７１±０．００３ｇ／ｃｍ3であると評価した。細胞懸濁培
地の特定の密度は、浮きばかりを用いて１．０３３ｇ／ｃｍ3として測定された
（ＶＷＲ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、Ｇｒｅｅｎｂｅｌｔ、ＭＤ）。
【０１８８】 （電極チャンバ）。図２６に示される平行電極アレイは、標準的なフォトリソ
グラフィーを使用して製造された。手短には、金でコートした（１００Åのチタ
ン播種層上に２５０Åの厚み）ガラスブランク（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｅｃｈ
ｎｏｌｏｇｙ、Ｂｕｅｌｌｔｏｎ、ＣＡ）は、Ｓ１８３０フォトレジスト（Ｓｈ
ｉｐｌｅｙ、Ｍａｒｌｂｏｒｏｕｇｈ、ＭＡ）で約１μｍの厚みまで３０００ｒ
ｐｍでスピンコーティングした。フォトレジストを一分間、１１０℃でホットプ
レート上で焼き付け、次いでマスクアライナー（ＡＢ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉ
ｎｇ、Ｓａｎ Ｊｏｓｅ、ＣＡ）を使用して電極アレイのポジティブマスクイメ
ージ（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｏａｋ Ｃｒｅｅｋ、ＷＩ）を
介してＵＶ光に曝した。曝されたフォトレジストを、ＭＦ３５１現像液で現像し
、次いで曝露された金およびチタンの領域をエッチングした。最終的に、電極の
エッチングされていない領域を覆うフォトレジストを、アセトンで除去した。２
０μｍおよび５０μｍの等しい幅および隙間を有する平行電極要素のアレイは、
本研究においてともに使用された。
【０１８９】 図２６に示すように、寸法２００μｍ（Ｈ）×２５ｍｍ（Ｌ）×１７ｍｍ（Ｗ
）のチャンバを、テフロン（登録商標）（Ｔｅｆｌｏｎ）スペーサーによって分
けた、平行な上ガラスプレートおよび底ガラスプレートから構築した。平行な電
極のアレイは、底プレートの内面上にある。ダイアモンドドリルで上ガラスプレ
ートを通して開けた穴に接着したポリエチレンチューブ（Ｉ．Ｄ．：０．８７ｍ
ｍ；Ｏ．Ｄ．：１．２２ｍｍ）は、細胞懸濁液および溶出緩衝液の導入および除
去を可能にした。
【０１９０】 （細胞ＤＥＰ−ＦＦＦ運動論） チャンバ入口への細胞サンプルの導入後、細
胞は、約２０秒間電極面上に静置され、その後、電極シグナルを印加する。次い
で、関数発生器（ＨＰ３３１２０、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ、Ｓａｎｔ
ａ Ｃｌａｒａ、ＣＡ）からの１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの間かつ３Ｖ（ＲＭＳ）ま
での正弦電圧を、同軸ケーブルを通して電極要素に印加し、そしてスクロース／
デキストロース緩衝液を、デジタルシリンジポンプ（Ｄａｉｇｇｅｒ，Ｗｈｅｅ
ｌｉｎｇ，ＩＬ）を使用して、入口ポートを通して流速２０、４０または８０μ
ｌ／分でポンプすることによって、流体流を流し始めた。細胞運動性の挙動を、
Ｈａｍａｍａｔｓｕ（Ｂｒｉｄｇｅｗａｔｅｒ，ＮＪ）ＣＣＤビデオカメラを備
えたＮｉｋｏｎ（Ｍｅｌｖｉｌｌｅ，ＮＪ）ＴＭＤ倒立顕微鏡で、チャンバの底
を通って上方を写すことによって可視化し、そしてビデオテープに記録した。長
い作動長の４×〜４０×の対物レンズは、ＴＶモニタ上に１４０〜１４００の間
の最終倍率を提供した。細胞速度を、個々の細胞について、少なくとも１２０μ
ｍ（電極＋ギャップの３周期分以上）移動するのに要した時間を測定することに
よって分析した。細胞浮揚実験において、流体流を停止し、そして電極面上の細
胞の高さを、±２μｍの正確性で測定した。この測定は、最初に電極面、次いで
細胞に焦点を合わせ、そして懸濁培地の屈折率（１．３３）について補正したと
きの、焦点ダイアル上の対応する読み取り値を差し引くことによる。
【０１９１】 （実験結果） （ＤＥＰ浮揚） 図２７は、１．０６Ｖ（ＲＭＳ）の印加電圧に対して５６ｍ
Ｓ／ｍの懸濁液伝導率での、ＨＬ−６０細胞についての浮揚高度の代表的な周波
数依存性を示す。電圧の周波数が２〜３０ｋＨｚに増加するにつれて、細胞浮揚
高度は、一定に上昇する。しかし、周波数が３０ｋＨｚよりも高く上昇すると、
浮揚高度が顕著に低下し始め、３００ｋＨｚを超えると、細胞は、電極エッジに
捕捉される。他の細胞型（マウス赤白血病ＤＳ１９細胞およびヒト乳癌ＭＤＡ−
ＭＢ−２３１細胞を含む）の浮揚特性（データは示さず）は、質的には類似の周
波数依存性を示したが、細胞浮揚から細胞捕捉までの顕著な移行は、各細胞型に
ついて特異的に異なる周波数範囲で生じた。図２８は、１７．８ｋＨｚの周波数
でのＨＬ−６０浮揚の代表的な電圧依存性を示す。明らかに、浮揚高度は、印加
電圧に対してほぼ直線状の単調な関連性を示した。
【０１９２】 （ＤＥＰ−ＦＦＦ速度） 流体流プロフィールにおける粒子速度を制御するた
めのＤＥＰ力の適用の効果を、ＤＥＰ−ＦＦＦチャンバ中のＨＬ−６０細胞の速
度を、電極アレイに適用したシグナルの周波数および振幅の関数として測定する
ことによって研究した。実験全体を通して単一の細胞を追跡することはできない
ので、単一の細胞について、これらの依存性を測定することはできなかった。代
わりに、ランダムに選択した約２０個の別個の細胞の速度を、各実験条件につい
て決定した。図２９は、３つの異なる速度の流体流についてのＨＬ−６０細胞の
平均速度の周波数依存性を例示する。流速を増加するにつれて、細胞はより速く
移動し、従って、１７．８ｋＨｚの適用周波数では、流速を、２０μｌ／分から
８０μｌ／分に変化した場合に、平均速度は、７７（±４．１）μｍ／ｓから２
９２（±３２）μｍ／ｓに増加した。全体的な周波数依存性は、流速と共に変化
するようではなく、そして電圧シグナルの印加が、ＨＬ−６０細胞を、より高い
速度かまたはより低い速度のいずれかで移動させる。流速２０μｌ／分について
、約１０〜５０ｋＨｚの適用周波数範囲において、細胞速度は、電場を適用しな
い場合よりも約４倍高かった。１００〜３００ｋＨｚの狭い周波数帯において、
細胞速度は、電場を適用しない場合に観察される速度に顕著に減少した。１００
ｋＨｚにおいて、個々のＨＬ−６０細胞は、広範に異なる速度を示し、速く移動
する細胞は、最も遅く移動する細胞よりも５倍速く移動した。これらの条件下で
は、細胞速度の分散は、約３０％であったが、対して、１００ｋＨｚ以下の周波
数については、１０％である。３００ｋＨｚより高くフィールド周波数を増加す
ると、電場の非存在下で観察されるよりもはるかにより小さい値への、平均速度
のさらなる減少を生じた。例えば、１ＭＨｚにおいて、平均速度は、２０μｌ／
分および８０μｌ／分の流速で、それぞれ、ゼロ電場での値の約４０％および７
３％であった。２０μｌ／分の低い流速については、いくらかのＨＬ−６０細胞
は、電極エッジに捕捉さえされていた。
【０１９３】 平均速度の電圧依存性を、３つの異なる流速に対して３１．６ｋＨｚの固定周
波数でのＨＬ−６０細胞について、図３０に示す。図２９と同様、流速の増加は
、より速い細胞溶出を導く。所定の流速については、平均速度は、印加電圧に伴
い一定に増加した。
【０１９４】 （末梢血単核（ＰＢＭＮ）細胞からのＨＬ−６０細胞の単離） 平行電極チャ
ンバを使用してＰＢＭＮ細胞を含む混合物からＨＬ−６０細胞を分離するために
、２つのアプローチ（すなわち、ＤＥＰ保持およびＤＥＰ−ＦＦＦ）を使用した
。このデバイスは、図２６のデバイスと同じであったが、寸法は、３７５μｍ（
Ｈ）×１５０ｍｍ（Ｌ）×２４ｍｍ（Ｗ）であり、電極の幅および間隔は、５０
μｍであった。１：５の比のＨＬ−６０細胞：ＰＢＭＮ細胞（主にリンパ球）の
細胞混合物を、導電率１０ｍＳ／ｍで１０6ＨＬ−６０細胞／ｍｌを含む等張性
スクロース／デキストロース中に調製した。約２５０μｌの細胞混合物を、各別
個の実験について、シリンジを用いてチャンバにロードし、そして細胞を、約２
０秒間電極面上に静置させた。ＤＥＰ保持について、次いで、５０ｋＨｚでの０
．８８Ｖ（ＲＭＳ）のシグナルを、電極アレイに印加しながら、スクロース／デ
キストロース溶出緩衝液を、流速１６０μｌ／分でチャンバ中にポンプした。全
てのＨＬ−６０細胞は、電極エッジに捕捉され、対して、ＰＢＭＮ細胞は、流体
と共に運び出され、そしてチャンバ出口に収集された。次いで、電圧のスイッチ
をオフにし、ＨＬ−６０細胞を解放し、その後、この細胞を収集した。
【０１９５】 ＤＥＰ−ＦＦＦについて、０．８８Ｖ（ＲＭＳ）の２５ｋＨｚの電圧シグナル
を、電極アレイに印加し、チャンバ中の溶出液フローを、１６０μｌ／分の速度
に確立した。ほぼ全てのＰＢＭＮ細胞およびＨＬ−６０細胞が浮揚され、そして
流体の影響下で移動された。同定のための基礎として細胞サイズにおける有意な
変化を使用し、ＰＢＭＮ細胞は、より高い位置に浮揚され、ＨＬ−６０細胞の約
２倍速く移動されることが観察された。従って、ＰＢＭＮ細胞は、ＨＬ−６０細
胞（２６分）に要する約半分の時間（１５分）で、チャンバから溶出され、これ
によって優れた分離が得られ得る。
【０１９６】 （考察） この実施例において、不均質な誘電泳動性の浮揚力が、均質な重力と平衡する
ように作用し、そして流体流プロフィールにおける細胞の位置およびそれらの対
応する速度を制御するための効果的な機構を提供した。細胞速度およびそれらの
対応するＤＥＰ−ＦＦＦチャンバを通過する移動時間は、それらの個々の誘電特
性を直接反映し、そして特徴付けおよび分離の両方の目的のために使用され得る
。
【０１９７】 底壁に平行な電極アレイを備えた薄いチャンバにおいてＨＬ−６０細胞を使用
して、本発明者らは、ＤＥＰ−ＦＦＦシステムについての理論的モデルの有効性
を実証した。溶出フロープロフィールにおける細胞浮揚高度および対応する速度
は、細胞の誘電特性に対して非常に感応性であることが示された。この能力は、
細かい差異を有する細胞の亜集団を分離しなければならない生物学的および臨床
的問題について重要である。最後に、本発明者らは、ＨＬ−６０細胞が、ＤＥＰ
−ＦＦＦアプローチおよびＤＥＰ保持アプローチの両方を使用して、通常のＰＢ
ＭＮ細胞から分離され得ることを実証した。
【０１９８】 本発明者らは、この電場の分布が、細胞誘電特性に対する細胞浮揚高度および
移動速度の依存性の感応性を臨界的に決定することを見い出した。
【０１９９】 （実施例６） （誘電泳動フィールドフロー分別による、ＣＤ３４＋幹細胞からのヒト乳癌細
胞のパージング） 本実施例において、細胞誘電特性に従って細胞を分離する、誘電泳動フィール
ドフロー分別（ＤＥＰ−ＦＦＦ）技術を使用する、ＣＤ３４＋細胞からのヒト乳
癌ＭＤＡ−４３５細胞のパージングを行う。薄いチャンバの底面を覆工するイン
ターディジタル微小電極のアレイを使用して、誘電泳動力を発生し、この誘電泳
動力が、流体流プロフィール中の細胞混合物を浮揚した。ＣＤ３４+幹細胞は、
この癌細胞よりも、高く浮揚され、流体流によって速く運搬され、そして分離チ
ャンバから早く抜け出た。オンラインフローサイトメトリーを使用して、細胞混
合物の効率的な分離が、１２分未満で観察され、９９．２％よりも高い純度を有
するＣＤ３４+幹細胞のフラクションが得られた。この誘電泳動フィールドフロ
ー分別の方法は、多くの生化学的細胞分離の問題（細胞亜集団の微量スケールの
診断および調製スケールでの精製を含む）に潜在的に適用可能である。
【０２００】 この実施例のいくつかの重要な特徴としては、以下が挙げられる。第１に、チ
ャンバの上プレートおよび底プレートに２つの出口ポートが存在した。分離され
た細胞は、この底部出口ポートからチャンバを抜け出たが、大部分のキャリア媒
体は、上部出口ポートからチャンバを抜け出た。第２に、分離された細胞は、オ
ンラインフローサイトメトリーによって検出された。この２つの出口ポートの配
置に起因して、図１３および２６に示されるような代表的な１出口ポート配置の
場合と比較して、フローサイトメトリーの流体圧および流速は減少されたが、フ
ローサイトメトリーの細胞の濃度は増加された。さらに、このことは、分離を比
較的より高い流速で操作されることを可能にし、この速度は、フローサイトメー
ターの最大流速によって制限されない。第３に、２つの分離プロトコル（すなわ
ち、捕捉−放出型（ｔｒａｐ−ａｎｄ−ｒｅｌｅａｓｅ）および掃引周波数型（
ｓｗｅｅｐ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）のＤＥＰ−ＦＦＦ）が探索され、そして純度
、速度および回収率におけるこれらの分離性能を試験した。各分離プロトコルは
、異なる振幅、周波数または波形の電気シグナルが、微小電極アレイに印加され
る、いくつかのセグメントからなった。
【０２０１】 （材料および方法） （細胞調製） ＭＤＡ−４３５細胞（元々、転移性乳癌を有する患者の胸水か
ら誘導された（Ｃａｉｌｌｅａｕら、１９７８；ＺｈａｎｇおよびＦｉｄｌｅｒ
、１９９１）を、１０％ウシ胎仔血清（ＦＢＳ）、１ｍＭ グルタミンおよび２
０ｍＭ ＨＥＰＥＳ、ならびに０．５％ ペニシリンおよびストレプトマイシン
を含む最小必須／Ｆ１２培地中で、標準的な組織培養条件下で維持した。細胞を
、播種後４８時間で８０％のコンフルエンシーにて、０．２５％ トリプシン／
０．０２％ ＥＤＴＡへの短い曝露によって収集し、一度洗浄し、そして等張性
の８．５％（重量／重量）スクロース＋０．３％（重量／重量）デキストロース
緩衝液中に６×１０6細胞／ｍＬの濃度で再懸濁した。このスクロース緩衝液の
電気伝導性を、ＲＰＭＩ１６４０培地で１０ｍＳ／ｍに調整した。
【０２０２】 動員した末梢血サンプルを、１日２回、５μｇ／ｋｇの用量で皮下的にｒｈＧ
−ＣＳＦ（Ｎｅｕｐｏｇｅｎ，Ａｍｇｅｎ Ｃｏｒｐ．，Ｔｈｏｕｓａｎｄ Ｏ
ａｋｓ，ＣＡ）を用いて動員した後、患者の白血球搬出産物から収集した。白血
球搬出法を、単核収集のためのＣＯＢＥ Ｓｐｅｃｔｒａ Ｖｅｒｓｉｏｎ ４
．７細胞分離機（ＣＯＢＥ ＢＣＴ，Ｉｎｃ．，Ｌａｋｅｗｏｏｄ，ＣＯ）を使
用して行った。次いで、ＣＤ３４+細胞を、製造者（Ｍｉｌｔｅｎｙｉ Ｂｉｏ
ｔｅｃｈ）によって提供されるプロトコルに従って、ＣＤ３４単離キットを用い
て磁性活性化細胞選別システムを使用して得た。この精製されたＣＤ３４+（９
９％より大）を一度洗浄し、そして２％ ＦＢＳ、０．１％ アジ化ナトリウム
を含むＰＢＳ緩衝液中に２×１０7細胞／ｍｌで再懸濁した。フローサイトメト
リー検出のために、ＣＤ３４+細胞を、フィコエリトリン（ＰＥ）結合体化ＣＤ
３４抗体（抗ＨＰＣＡ−２、Ｂｅｃｔｏｎ Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ，Ｓａｎ Ｊｏ
ｓｅ，ＣＡを用いて）５０μＬ細胞懸濁液あたり２０μＬの抗体を添加し、そし
て暗所中４℃で３０分間、この混合物をインキュベートすることによって、染色
した。次いで、この標識したＣＤ３４+細胞を一度洗浄し、そして上記のスクロ
ース緩衝液中に再懸濁した。この最終細胞混合物を、このスクロース緩衝液中の
ＣＤ３４+細胞にＭＤＡ−４３５を、ＭＤＡ−４３５：ＣＤ３４+細胞について１
：１の比で、６×１０6細胞／ｍｌの全濃度で添加することによって調製した。
【０２０３】 （ＤＥＰ−ＦＦＦシステム設定） 本実施例にいて使用した実験用ＤＥＰ−Ｆ
ＦＦを、図３１に示す。インターディジタル微小電極（５０μｍの幅およびギャ
ップ）を、標準的な写真平版を使用して５０×５０ｍｍガラス基板上に製造した
。８個の電極を、支持ガラスプレート上に端同士を合わせて接着し、１つの電極
プレートを形成した。チャンバを、３６Ｎｙｌｏｎスクリュークランプで、上部
ガラスプレートと底部電極プレートとの間にＴｅｆｌｏｎ（登録商標）スペーサ
ー（高さ０．４２×幅５０×長さ４００ｍｍ）を挟むことによって構築した。ス
ペーサーをカットし、先端から先端まで３８８ｍｍおよび２５ｍｍの幅の寸法（
テーパ状の端を除く）の開口チャネルを提供した。微小電極（各々、エッジに沿
って２つの４ｍｍ幅の電気伝導バスを有する）は、実験用電力増幅器に対して並
列に接続した。電圧シグナルを、オシロスコープ上でモニターした。上部プレー
トおよび底部プレートに、チャンバのテーパ状末端の点に一致する位置で入口チ
ューブおよび出口チューブに固定するように、０．０６２５内径の穴を開ける。
５ｃｍ長のＰＥＥＫチューブ（３μＬの空隙容量を有する）を、５０μＬループ
を備えた、チャンバと注入弁との間の入口連絡部として使用した。デジタルシリ
ンジポンプを使用して、チャンバを通る、キャリア媒体の連続フローを提供した
。出口端で、細胞は、底部プレートに固定したチューブを通ってチャンバを抜け
出て、そして検出のためにフローサイトメーター（ＢＲＹＴＥＨＳ、Ｂｉｏ−Ｒ
ａｄ，Ｈｅｒｃｕｌｅｓ，ＣＡ）に供給された。フローサイトメーターの流体圧
を減少するために、第２のシリンジポンプを、上部プレートの穴からチューブに
連結し、そして９５％の流体をチャンバの外部に引き抜くために操作した。
【０２０４】 （ＤＥＰ−ＦＦＦ操作プロトコル） ＤＥＰ−ＦＦＦチャンバに、スクロース
緩衝液を最初にロードした。次いで、以前に記載されるように（Ｗａｎｇら、１
９９８）、細胞混合物サンプルを、注入弁を通って、チャンバの入口ポートに導
入した。全注入容量は、６０μＬであった。細胞をＤＥＰ力によってチャンバ中
で浮揚させ、チャンバの底面への細胞の可能な接着を妨げるように、適切な周波
数での電圧シグナル（４Ｖ ｐ−ｐ）をサンプル導入中に電極に印加した。注入
後、細胞を５分間放置し、細胞に作用するＤＥＰおよび重力が平衡した、等しい
高さに到達させた。次いで、シリンジポンプを使用して、キャリア媒体を、チャ
ンバ中に２ｍＬ／分の速度で流し始め、その形状特徴に起因して、放物型の流体
力学的フロープロフィールを、チャンバ内部に確立した。流体抵抗の影響下で、
細胞は、このフロープロフィール中のそれらに相対的な状態に従って、異なる速
度で輸送された。チャンバを抜け出る細胞を、フローサイトメトリーによって検
出した。４つのパラメーター測定（時間、蛍光（ＰＥフィルターセット）、なら
びに前方散乱および側方サイズ散乱を含む）を、個々の細胞に対して行った。
【０２０５】 ＤＥＰ電場印加の２つのプロトコールをＭＤＡ−４３５およびＣＤ３４+細胞
混合物の分離のために開発した。トラップアンドリリース（ｔｒａｐ−ａｎｄ−
ｒｅｌｅａｓｅ）ＤＥＰ−ＦＦＦプロトコールにおいて、電極でＭＤＡ−４３５
細胞をトラップするが、同時にＣＤ３４+細胞を浮遊させて溶出するために、Ｄ
ＥＰ電場を、ある周波数で一定時間、印加した。次いでこの電場をある周波数に
変化させ、先にトラップされたＭＤＡ−４３５細胞を放出して溶出した。第２の
プロトコールにおいては、ＤＥＰ電場の周波数は、ＭＤＡ−４３５とＣＤ３４+
細胞との間の平衡浮遊高（従って、速度）における差異を最大限にするためにあ
る範囲にわたって反復性に掃引された。ある時間後、単一周波数のＤＥＰ電場を
印加して、全ての細胞の溶出を加速した。
【０２０６】 （結果） （細胞 ＤＥＰ−ＦＦＦ反応）分離条件を決定するため、ＭＤＡ−４３５細胞
およびＣＤ３４+細胞のＤＥＦ−ＦＦＦ反応を、印加された電場の周波数の関数
として、別々に研究した。図３２〜３３は、異なる周波数で２つの細胞型につい
てのＤＥＰ−ＦＦＦフラクトグラムを示す。１０ｋＨｚでＭＤＡ−４３５細胞に
ついては、細胞溶出は３〜８分にまたがり、そして６分でピークであった。周波
数が増加するにつれ、この反応は、フラクトグラムの迅速な広幅化によって特徴
付けられた。１５ｋＨｚ以上の周波数では明白な溶出ピークは観察されない。２
０ｋＨｚでは溶出細胞の総数は減少し、このことは、いくつかの細胞がＤＥＰ力
によってチャンバ内にトラップされたことを示す。細胞トラッピングは、チャン
バの顕微鏡的検査によって、および周波数が１０ｋＨｚに切り戻された場合の細
胞を検出することによって、確認した。ＭＤＡ−４３５細胞とは対照的に、ＣＤ
３４+細胞は、単一かつ狭いピークを有するＤＥＰ−ＦＦＦフラクトグラムを示
した。１０〜４０ｋＨｚでは、ＣＤ３４+細胞は、約４．５分のピークで４〜７
分でチャンバを溶出した。周波数が増加するにつれ、溶出フラクトグラムは、６
０ｋＨｚで８分に偏向したピークを伴って徐々に広幅化した。
【０２０７】 ＭＤＡ−４３５細胞とＣＤ３４+細胞との間の差異を定量するため、２つのパ
ラメーター（すなわち、溶出時間および溶出ピーク幅）を規定して、異なる周波
数での細胞の溶出特性を記載した。Ｙａｎｇら、１９９９ａが以前に記載したよ
うに、時間での細胞数の積算に基いて、細胞フラクトグラムから、これらのパラ
メーターを決定した。図３４は、ＭＤＡ−４３５細胞およびＣＤ３４+細胞につ
いてのこれらのパラメーターの周波数依存性を示す。この図は、これらの２つの
細胞型の分離を促進するためのＤＥＰ−電場周波数範囲を選択するための情報を
提供する。溶出時間および溶出ピーク幅の両方とも、ＣＤ３４+細胞よりもＭＤ
Ａ−４３５細胞について、周波数によってはるかに迅速に増大した。このことは
、その細胞のＤＥＰ−ＦＦＦ反応における有意な差を反映する。
【０２０８】 （ＣＤ３４+細胞からのＭＤＡ−４３５細胞の分離）２つの分離プロトコール
（すなわち、トラップアンドリリースおよびスイープ周波数ＤＥＰ−ＦＦＦ）を
開発した。チャンバへの導入後、流体流の開始の前に、１０ｋＨｚ ＤＥＰ−電
場の下で、この細胞を、５分間、平衡高位置に達しさせた。トラップアンドリリ
ースプロトコールにおいて、流体流開始の際、ＤＥＰ−電場周波数を４０ｋＨｚ
に変化し、ここでＣＤ３４+細胞をＤＥＰ力によって浮遊させ、そして流体流の
影響下で移動させ、同時にＤＭＡ−４３５細胞をＤＥＰ力によってトラップした
。この電場条件を、７分間維持し、この間、ＣＤ３４+細胞のほとんどがチャン
バを溶出した。次いで、ＤＥＰ電場周波数は５ｋＨｚにスイッチされ、先にトラ
ップされたＭＤＡ−４３５細胞の浮遊および溶出を可能にした。この分離につい
て代表的なフラクトグラムを図３５に示す。ここで第１および第２のピークは、
フローサイトメトリーにおける蛍光測定およびサイズスキャッターによって確認
されるように、ＣＤ３４+細胞およびＭＤＡ−４３５細胞に対応した。フローサ
イトメトリー検出は、さらに、４．５分と５．５分の間のＣＤ３４+ピークが、
９９．５％のＣＤ３４+細胞および０．５％ ＭＤＡ−４３５細胞を含むことを
示す。９分と１２分との間のＭＤＡ−４３５ピークは、９６％のＭＤＡ−４３５
細胞および４％のＣＤ３４+細胞を含んだ。スイープ周波数プロトコールにおい
て、ＤＥＰ電場周波数は、流体流が開始された場合、５秒間、反射的に、１５〜
４０ｋＨｚの間で掃引された。スイープ周波数電場を７分間印加して、この間、
ＣＤ３４+細胞を浮遊させ、そしてそのほとんどがチャンバを溶出し、一方ＭＤ
Ａ−４３５細胞は、わずかに浮遊され、そしてチャンバを通して緩徐に移動され
た。トラップアンドリリースプロトコールにおいてと同様、次いでこの周波数を
５ｋＨｚに切り換えて、全ての残りのＭＤＡ−４３５細胞を溶出した。分離につ
いてのフラクトグラムは、図３６に記載されており、この図は、分離が１２分で
完了し、そして２つの細胞型の間の溶出ピークの差異が５分を超えることを示し
ている。フローサイトメトリー検出によってさらに、３分と４分の間のＣＤ３４ + ピークが、９９．２％ ＣＤ３４+細胞および０．８％ ＭＤＡ−４３５細胞を
含むことが示される。７分と１０分との間のＭＤＡ−４３５ピークは、９９％
ＭＤＡ−４３５細胞、および１％ＣＤ３４+細胞を含んだ。
【０２０９】 フローサイトメトリーによって測定される場合、全ての細胞についてのコンタ
ープロット蛍光 対 時間を、図３７に示す。明かに、ＣＤ３４+細胞（ＣＤ３
４−ＰＥでの染色によって大きい蛍光シグナルを有する）は、染色されていない
ＭＤＡ−４３５細胞より前に出た。ＣＤ３４+細胞より前に出た非染色細胞の小
さいクラスターは、死亡細胞細片であった（より小さい光散乱に基く）。
【０２１０】 （考察） （細胞膜誘電性特性に対する細胞ＤＥＰ−ＦＦＦ反応の依存性）ＤＥＰ−ＦＦ
Ｆ理論に従って、ＤＥＰ浮遊力と引力との間の平衡は、流体流プロフィールにお
いて細胞を平衡高に位置させ、従って、その速度および溶出時間を決定した（Ｈ
ｕａｎｇら、１９９７；Ｗａｎｇら、１９９８；Ｙａｎｇら、１９９９ａ）。細
胞溶出時間は、印加されたＤＥＰ電場の電圧の関数、電極形状因数の関数、そし
て細胞誘電分極因数であるαDEPおよび細胞密度の関数である。ＭＤＡ−４３５
細胞およびＣＤ３４+細胞は、類似の細胞密度を有するので、ＭＤＡ−４３５細
胞とＣＤ３４+細胞との間の溶出時間の周波数依存性の差異（図３４）は、その
異なるαDEP値を反映する。ＣＤ３４+細胞について、１０〜６０ｋＨｚの周波数
範囲の溶出時間が徐々に増大したことは、分極因数αDEPの定常的低下（ｓｔｅ
ａｄｙ−ｄｒｏｐ）を示した。一方では、ＭＤＡ−４３５細胞の溶出時間は、周
波数にともなって迅速に増大し、このことはαDEPの鋭い減少を示唆する。
【０２１１】 これらを確認するため、エレクトロローテーション（ＲＯＴ）測定によって細
胞誘電性特性を決定した。ＲＯＴにおいて、細胞を回転する電場に供し、そして
電場誘導性分極と回転する電場との間の相互作用の結果として細胞を回転するよ
うに誘導した。細胞回転速度を電場周波数の関数として測定し（図３８Ａ）、そ
して、細胞誘電性パラメーターを駆動するのに適切なモデルを用いて範囲を細か
くした。ＭＤＡ−４３５細胞およびＣＤ３４+細胞についての、αDEPの周波数依
存性（平均誘電性パラメーター（表１）を用いて算出した）を図３８に示す。５
ｋＨｚ〜４０ｋＨｚで、ＲＥＰは、ＣＤ３４+細胞について−０．５〜−０．３
の範囲であった。一方、ＭＤＡ−４３５細胞について５ｋＨｚ〜１５ｋＨｚでα DEP は、−０．４〜０で変化した。これらの結果は、２つの細胞型についてのαD EP の周波数依存性に関する上記の考察と該して一致する。
【０２１２】 数百ｋＨｚ以下の誘電分極因数αDEPが、細胞膜の電気的特性によって決定さ
れることが十分確認される（Ｗａｎｇら、１９９４；ＰｅｔｈｉｇおよびＫｅｌ
ｌ，１９８７；ＡｒｎｏｌｄおよびＺｉｍｍｅｒｍａｎ，１９８８）。確かに、
ＭＤＡ−４３５細胞とＣＤ３４+細胞との間のαDEPで観察された差異は、その異
なる膜電気容量に関連する（ＣＤ３４+細胞およびＭＤＡ−４３５細胞について
、それぞれ、１０．７および２３．０ｍＦ／ｍ2）。従って、本明細書において
記載されたＭＤＡ−４３５細胞およびＣＤ３４+細胞のＤＥＰ−ＦＦＦ分離は、
その膜誘電性特性の間の差異を利用した。
【０２１３】 ２つの細胞型の間のＤＥＦ−ＦＦＦ反応の別の重要な差異は、広範な溶出フラ
クトグラム（図３２〜３３）によって証明されるように、２０ｋＨｚでのＭＤＡ
−４３５細胞についての大きい溶出ピーク幅（ｅｌｕｔｉｏｎ−ｐｅａｋ−ｗｉ
ｄｔｈ）（図３４）である。この溶出ピーク幅は、これらの因数に依存した。個
々の細胞についての溶出時間は、ＤＥＰ−ＦＦＦチャンバを通したその速度およ
び移動距離に依存した。全ての細胞がサンプルローディングの間、チャンバ出口
ポートから同じ距離に位置することを確認することはできなかったので、同じ速
度を有する細胞についてさえ、溶出時間におけるわずかな散らばり（ｓｐｒｅａ
ｄ）（＜１０％）が予測された。第二に、同じ型の異なる細胞が、この細胞の誘
電性パラメーターの固有の集団異質性に起因して、異なる速度を表した（誘電性
パラメーターの標準偏差については表１を参照のこと）。実際、１５ｋＨｚでは
、ＭＤＡ−４３５細胞についてのαDEPは、約ゼロであり、αDEPにおけるわずか
な変動が、小さいαDEP値に対する細胞速度の極度の感応性によって、個々の細
胞の間の細胞速度（したがって溶出時間）における有意な差を導き得る。従って
、１５ｋＨｚでのＭＤＡ−４３５についての広範な溶出フラクトグラムは、その
誘電性特性における異質性に関連していた。
【０２１４】 （細胞のフローサイトメトリー検出）このチャンバを出て行く個々の細胞をフ
ローサイトメーターを用いて分析し、そして細胞フラクトグラムを構築した。高
流速（＞０．１ｍＬ／分、サイトメーターの最大流速）でＤＥＰ−ＦＦＦ分離を
操作するため、そしてこのサイトメーターで細胞濃度の増大を獲得するために、
第二の出口ポートをこのチャンバの上部プレートに導入し、細胞懸濁緩衝液を溶
出する。このような構成において、入口ポートおよび出口ポートでこの流速を変
化することにより上部出口ポートから細胞が溶出しないことを確実にすることは
重要である。代表的な操作条件下では、シリンジポンプが、流速２ｍＬ／分で入
り口ポートからチャンバーに流体流を駆動した。第二のシリンジポンプを、１．
８ｍＬ／分で操作し、上部出口ポートからチャンバの外にこの流体を汲み出す。
従って、この流体のわずか１０％（このチャンバ底部から放物線状の流体流プロ
フィールにおける８０μｍの高さに対応する）をこのサイトメーター中に溶出し
た。低速（１０μＬ／分）に対して光学顕微鏡下で測定した、個々のＭＤＡ−４
３５細胞およびＣＤ３４+細胞の最大平衡高さは、６５μｍ未満であった。従っ
て、上部出口ポートから細胞は出なかった。これはさらに、このような１０％溶
出についてサイトメーターによって検出された総細胞数が、２０％溶出について
の細胞数と同じであると、実験的に確認された。
【０２１５】 （分離アプローチ）ＤＥＰ−ＦＦＦアプローチを用いた細胞集団の間の分離は
、示差的細胞速度を利用する。図３２に従って、全てのＣＤ３４+細胞は、４０
ｋＨｚ、１０分未満でＤＥＰ−ＦＦＦチャンバを溶出し、一方、ＭＤＡ−４３５
細胞は、１２〜１８分でチャンバから溶出したのは１０％未満であった。従って
、２つの集団の分離は、４０ｋＨｚで達成され得る。実際、図３８Ｂに示される
ように、ＤＥＰ平均交差周波数は、ＭＤＡ−４３５細胞およびＣＤ３４+細胞に
ついて、それぞれ１０ｋＨｚおよび約６０ｋＨｚであることが見出された。従っ
て、４０ｋＨｚで、ＭＤＡ−４３５細胞は、電極端で細胞をトラップする傾向で
ある、正のＤＥＰ力を受け、一方、ＣＤ３４+細胞は、負のＤＥＰ力でなお浮遊
され、そして遊離された。全てのＣＤ３４+細胞が溶出した後、電圧シグナルの
周波数を、５ｋＨｚに変化し、このチャンバでのＭＤＡ−４３５細胞の速い溶出
を起こした。従って、本発明者らは、ＤＥＰ電場の条件を効率的にプログラムし
て、分離能力を改善した。ＭＤＡ−４３５細胞がＤＥＰ電場印加の２つの時間セ
グメントにおいて「トラップ（ｔｒａｐ）」および「遊離（ｒｅｌｅａｓｅ）」
したので、本発明者らは、このアプローチをトラップアンドリリースプロトコー
ル（ｔｒａｐ−ａｎｄ−ｒｅｌｅａｓｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ）と名付けた。
【０２１６】 トラップアンドリリースプロトコールは、２つの集団の間の所望の分離を得た
が、これに関する不利な点は、「トラップ」電圧セグメントの間、多くのＭＤＡ
−４３５細胞がこの電極端にトラップされたことである。このような直接の細胞
電極接触は、特定の適用には理想的でないかもしれない。例えば、細胞は、電極
に非特異的に結合し得、そして負のＤＥＰ力が印加される場合でさえ、溶出しな
いかもしれない。また、ＭＤＡ−４３５細胞は、直接の細胞−電極接触の結果と
して大きいＡＣ電場を受け得る。さらに、細胞異質性に起因して、いくつかのＭ
ＤＡ−４３５細胞は、電極に接着したが、他のＭＤＡ−４３５細胞は流体流のも
とで移動された。従って、「トラップ」電圧セグメントの印加の間、大きい散開
（ｓｐｒｅａｄ−ｏｕｔ）が生じ得る。このような散開は、ＭＤＡ−４３５細胞
について最終溶出ピークの広幅化を生じる。
【０２１７】 これらの理由のために、スイープ周波数プロトコールを開発した。従って、固
定された電圧および直線的に掃引する周波数（１０〜４０ｋＨｚ）を有するシグ
ナルを印加した。このようなＤＥＰ電場の印加のもとで、ＣＤ３４+細胞を、固
定された１０ｋＨｚの条件に非常に類似で溶出した。一方で、このようなシグナ
ル（スイープ周波数帯にわたってＤＥＰ力を加算平均する）は、この電極でトラ
ップされてるＭＤＡ−４３５細胞の数を大きく減少させ、そしてほとんどのＭＤ
Ａ−４３５細胞をわずかに浮遊させ、この流体流の影響下で緩徐に移動すること
を可能にするはずである。さらに、力の平均化によって、単一の「トラップ」周
波数適用の間に観察された個々のＭＤＡ−４３５細胞の間の反応速度論的応答の
大きな差異は、減少するはずであり、これが散開を小さくする。全てのＣＤ３４ + 細胞が溶出された後、電圧シグナルを低周波数に切り替え、ここでＭＤＡ−４
３５細胞は浮遊され、そして溶出した（狭くかつ鮮明な溶出ピークを有する）。
【０２１８】
【表１】 （実施例７） 誘電特性電流分別（ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ−ｆｉｅｌｄ−ｆｌ
ｏｗ−ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ）（ＤＥＰ−ＦＦＦ）（細胞の誘電性特性の
差を利用する）を、いくつかの臨床的に関連する細胞分離の問題に適用した。こ
れらは、正常なＴリンパ球からのヒト乳癌細胞の浄化（パージング）、主要なリ
ンパ球小集団の分離、および血液からの白血球の富化を含んだ。チャンバであっ
て、その底壁上に、微細加工された、嵌合した電極アレイを装備した薄いチャン
バ（ＡＣ電気シグナルで電圧を加えた）中で、細胞分離を達成した。ＤＥＰと沈
降力との間の平衡によって、平衡高（細胞密度および誘電性特性に依存した）ま
で細胞を浮遊させた。このチャンバを通してキャリア媒体を流した場合、生じた
流速プロフィールは、細胞を移動させた。この細胞は、異なる速度で異なる高さ
まで浮遊されており、それによって、それらを分離した。ＤＥＰ−ＦＦＦによっ
て達成された細胞分離を、高い分離能力を示すオンラインフローサイトメトリー
によって評価した。例えば、乳癌細胞：Ｔ細胞リンパ球の２：３の開始混合物に
ついて、ＤＥＰ−ＦＦＦ分離は、それぞれ９９．２％および９２％の純度を有す
る２つの集団の画分を生成した。このバルク分離技術は、細胞の分別に適用され
得る物理的特徴のカタログに、誘電性特性を追加した。これは、既存の臨床的お
よび生物医学的な細胞分離の問題に適用可能であるだけでなく、診断的および環
境的検出目的のための微小流量デバイスのサンプル調製ニーズにも適用可能であ
る。
【０２１９】 （材料および方法） （細胞調製）標準的な組織培養条件下で、１０％ウシ胎仔血清を補充したＭＥ
Ｍ中で、ヒト乳癌ＭＤＡ−４３５細胞を、培養した（Ｂｅｃｋｅｒ １９９５；
Ｗａｎｇら、１９９４）。以前に記載（Ｙａｎｇら、１９９９ａ）のように、密
度勾配遠心分離、ＭＡＣＳソーティングおよび赤血球溶解を用いて、バフィーコ
ート調製物（Ｇｕｌｆ Ｃｏａｓｔ Ｒｅｇｉｏｎａｌ Ｂｌｏｏｄ Ｂａｎｋ
，Ｈｏｕｓｔｏｎ，ＴＸ）からリンパ球小集団（Ｔリンパ球、Ｂリンパ球、単球
および顆粒球）を、誘導した。ＤＥＰ−ＦＦＦチャンバから溶出した細胞のフロ
ーサイトメトリー検出を可能にするため、Ｂリンパ球および単球を、この細胞懸
濁液と抗体溶液（容積比 ５：２）との暗下、４℃で３０分間のインキュベーシ
ョンによって、それぞれ、ＰＥ結合体化したまたはＦＩＴＣ結合体化したＣＤ３
抗体およびＣＤ１４抗体（Ｂｅｃｔｏｎ Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ，Ｓａｎ Ｊｏｓ
ｅ，ＣＡ）で標識した。次いで、標識細胞を一回洗浄し、そして１０ｍＳ／ｍの
電気伝導性を有する等張性緩衝液（８．５％ ｗ／ｖスクロースおよび０．３％
ｗ／ｖデキストロース）中で再懸濁した。この緩衝液は培養培地の添加によっ
て調節した。次いで、適切な細胞集団をこのスクロース緩衝液中に混合した。細
胞混合物は、ＭＤＡ−４３５細胞とＴリンパ球、Ｂリンパ球と単球を含んだ。最
終細胞濃度は約１．２×１０6／ｍＬであった。
【０２２０】 血液からの白血球のＤＥＰ−ＦＦＦ富化のため、ヒト血液を健常ボランティア
から採取し、そしてＰＥ−ＣＤ４５抗体で染色して白血球を標識した。次いで、
この細胞サンプルを等張性スクロース緩衝液中に希釈して、最終細胞濃度約５×
１０6／ｍＬを得た。
【０２２１】 （ＤＥＰ−ＦＦＦ系の設定）ＤＥＰ−ＦＦＦチャンバおよび実験的設定を図３
９に示す。標準的なフォトリソグラフィーを用いて５０×５０ｍｍのガラス基板
上に、５０μｍの幅および間隔を有する嵌合した微小電極を製造した。分離チャ
ネル（Ｈ０．４２×Ｗ２５×Ｌ３８８ｍｍ）を備えるように中心で切断した、テ
フロン（登録商標）スペーサーを、上部ガラスプレートと長い電極プレート（つ
ながった８つの電極基板から構成される）との間にサンドイッチした。微小電極
を、実験室用ＰＡ−０５ベースの電圧増幅器（Ａｐｅｘ Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ，Ｔｕｃｓｏｎ，ＡＺ）に平行に連結した。上部プレートおよび低部
プレートに１．６ｍｍ直径の穴をあけ、入口および出口のＰＥＥＫチュービング
（外径０．０６２５インチ、内径０．０１０インチ、Ｕｐｃｈｕｒｃｈ Ｓｃｉ
ｅｎｔｉｆｉｃ，Ｏａｋ Ｈａｒｂｏｒ，ＷＡ）に適合させた。５０μＬのルー
プを装備した注入バルブ（Ｒｈｅｏｄｙｎｅ Ｍｏｄｅｌ ７０１０，Ｒｈｅｏ
ｄｙｎｅ，Ｃｏｔａｎｉ、ＣＡ）を通して、このチャンバにインフュージョンシ
リンジポンプ（Ｄａｉｇｇｅｒ，Ｗｈｅｅｌｉｎｇ．ＩＬ）を、接続して、この
チャンバにキャリア媒体の連続フローを提供した。第二のシリンジポンプをこの
チャンバの上部出口ポートに接続し、そしてこれを操作して、このチャンバを通
した総フローの９５％までを構成するキャリア流体の無細胞部分を排出した。細
胞は、低部出口ポートを通してチャンバを出て、検出のために、正常のサイトメ
ーターサンプル操作流体をバイパスして、フローサイトメーター（ＢＲＹＴＥ
ＨＳ，Ｂｉｏ−Ｒａｄ，Ｈｅｒｃｕｌｕｓ，ＣＡ）の注射針に直接供給された。
【０２２２】 ＤＥＰ−ＦＦＦ操作プロトコル。ＤＥＰ−ＦＦＦチャンバを最初に、スクロー
ス緩衝液で充填した。細胞混合物のアリコート（５０μＬ）を、次いで、先に記
載されるように（Ｗａｎｇら，１９９８）、注入弁を通して、チャンバの入口ポ
ートに導入した。１０ｋＨｚにおけるＤＥＰシグナル（４Ｖ ｐ−ｐ）を、サン
プル注入の間に電極に適用し、その結果、細胞が、ＤＥＰ力によって、チャンバ
内で浮揚し、そしてそれによって、チャンバの底部表面に付着することを妨げる
。次いで、異なる操作プロトコルを、サンプル注入の後に、異なる細胞混合物を
分離するために適用した。ＭＤＡ−４３５細胞を、Ｔリンパ球から分離するため
のプロトコルは、以下の工程からなる： （１）流体流の適用の前に、１０ｋＨｚの電場を１０分間印加して、細胞がそ
れらの平衡高さ位置に達することを可能にした。
【０２２３】 （２）注入および除去シリンジポンプを、それぞれ２および１．６ｍＬ／分の
速度で開始することによって、流速プロフィールをチャンバ内に確立した。ＤＥ
Ｐ電場を４０ｋＨｚにスイッチする（または、５秒の周期で、１５ｋＨｚと３５
ｋＨｚとの間を掃引する）。この条件を５分または７分維持し、この結果、Ｔリ
ンパ球が、チャンバから溶出され、そしてオンラインフローサイトメーターによ
って同定およびカウントされた。
【０２２４】 （３）ＤＥＰ電場を、以前に保持されたＭＤＡ−４３５細胞がここで浮揚され
、チャンバから溶出され、そしてフローサイトメーターによって検出されるよう
に、５ｋＨｚに変化させた。 他の細胞混合物を分離するために、異なるＤＥＰ電場条件を、プロトコルの第二
の区分の間に印加し、そして表１に要約する。
【０２２５】 （結果） 正常なＴリンパ球からの乳癌の細胞の分離。末梢血中で循環する癌細胞の単離
および列挙は、癌の早期検出のための潜在的に重要なスクリーニングツールであ
り、そして診断および予後のための癌細胞の遺伝的および生化学的特徴付けを可
能にする。現在の方法（これは、約１０6単核細胞あたり１つの癌細胞を検出し
得る）は、血液からの単核細胞の分離、癌細胞の富化、および最終的なフローサ
イトメトリー検出またはＰＣＲ検出を含む。この問題への誘電泳動アプローチの
有用性を立証するために、本発明者らは、Ｔリンパ球由来の、培養されたヒト乳
癌ＭＤＡ−４３５細胞（これは、末梢血単球細胞の約８０％を構成する）のＤＥ
Ｐ−ＦＦＦ分離を調べた。
【０２２６】 細胞の誘電的特性およびＤＥＰ挙動は、印加される電場の周波数に敏感に依存
する（Ｂｅｃｋｅｒら、１９９５；Ｆｕｈｒら、１９９６；Ｐｅｔｈｉｇ，１９
９６；Ｇａｓｃｏｙｎｅら、１９９７）。従って、適切な細胞分離条件を確立す
るために、本発明者らは、周波数の関数として、乳癌細胞およびＴリンパ球のＤ
ＥＦ−ＦＦＦ応答を別々に測定した。図４０は、２つの集団に対する細胞溶出フ
ラクトグラムを示す。両方の細胞型は、５ｋＨｚで狭い１つの溶出ピークを示し
たが、乳癌細胞に対するフラクトグラムは、電場周波数が１０ｋＨｚを超えて増
加するにつれて、急速に広がった。２０ｋＨｚにおいて、乳癌細胞の約３５％の
みが溶出された；残りは、正のＤＥＰ力によって、チャンバに保持された。対照
的に、Ｔリンパ球に対する溶出ピーク幅は、よりゆっくりと変化し、そしてほと
んど全てが、５０ｋＨｚまでの周波数で溶出された。これらの差は、２つの細胞
型が、２０ｋＨｚと５０ｋＨｚとの間の周波数で分離されるはずであることを示
唆した。
【０２２７】 厳しい条件下でこの可能性を試験するために、本発明者らは、２：３（乳癌：
Ｔリンパ球）の比で、１．２×１０6細胞／ｍＬの濃度で、細胞混合物を調製し
、そして３０ｋＨｚ付近のＤＥＦ電場周波数を印加した。図４１のＤＥＰ−ＦＦ
Ｆフラクトグラムが示すように、この混合物は、１１分間で、そして２つの集団
に対して９２％を超える純度で分離され、そして約７０％の総細胞回収が、達成
された（表２）。３０ｋＨｚ付近の周波数において、Ｔリンパ球は、ＤＥＰ力に
よって、チャンバ底部壁上に十分に浮揚され、そして流体流の影響下で輸送され
るので、分離が起こった。一方で、乳癌細胞は、わずかに浮揚される（そして、
それによって、チャンバ底部壁付近のよりゆっくりと動く流体によって、ゆっく
りと運ばれる）か、または電極においてトラップされ、そして正のＤＥＰ力によ
って固定されるかのいずれかであった。Ｔリンパ球が、チャンバから溶出された
後、ＤＥＦ電場は５ｋＨｚにスイッチされ、次いで、乳癌細胞が、浮揚され、そ
して急速に溶出される。
【０２２８】 主要な白血球亜集団の分離。主要な白血球亜集団（すなわち、Ｔリンパ球およ
びＢリンパ球、単球、ならびに顆粒球）の精製は、多くの臨床的および医用適用
において重要である。細菌、ウイルスおよび寄生生物感染、ならびに単核細胞症
および白血病の示差的診断は、例えば、白血球サブタイプの列挙を必要とする。
研究において、精製された白血球亜集団は、インターロイキンによる、および特
有の細胞型の免疫学的能力の分析のために、白血球亜集団間の分子シグナル伝達
の研究を必要とする。
【０２２９】 主要な白血球亜集団は、有意に異なる誘電的特性を有する（Ｙａｎｇら、１９
９９ｂ）。ＤＥＰ−ＦＦＦによって、それらを精製する可能性を決定するために
、本発明者らは、Ｔリンパ球（または、Ｂリンパ球）を単球と混合するか、Ｔリ
ンパ球（または、Ｂリンパ球）を顆粒球と混合するか、または単球を顆粒球と混
合した。ＤＥＰ−ＦＦＦ分離を例示するために、本発明者らは、全ての血球混合
物の典型であるＢリンパ球と単球との混合物を考慮する。これらの細胞を得るた
めに、Ｂリンパ球および単球を、ＭＡＣＳ方法（Ｙａｎｇら、１９９９ｂ）を使
用して、白血球富化バフィーコート調製物から精製した。個々の細胞亜集団のＤ
ＥＰ−ＦＦＦ特性は、２５ｋＨｚと４０ｋＨｚとの間で掃引された周波数電場が
、適切な分離条件であり、そしてこれが、１．２×１０6細胞／ｍＬの細胞混合
物の総濃度（単球：Ｂリンパ球について、１：２）に対するＤＥＰ−ＦＦＦにつ
いて適用された。これらの条件下での、典型的なＤＥＰ−ＦＦＦフラクトグラム
が、図４２に示される。ＤＥＰ−ＦＦＦ分離は、それぞれ９４％および９２％の
純度を有する単球およびＢリンパ球画分を生じた（表２）。
【０２３０】 血液からの白血球の富化。代表的に、遠心分離または濾過によって実施される
、血液からの赤血球および白血球の分離は、赤血球輸血のような多くの医用手順
に対する基本的な要求である。従って、スクロース緩衝液中で１：１０００に希
釈された血液から白血球（および赤血球）を富化するために、本発明者らは、Ｄ
ＥＰ−ＦＦＦを使用することを試みた。赤血球および白血球の亜集団のＤＥＰ−
ＦＦＦ特性に基づいて、１０ｋＨｚのＤＥＰ電場が、ＤＥＰ−ＦＦＦに対して適
用された。代表的なフラクトグラムが、図４３に示され、白血球が３５倍に富化
され、そして赤血球純度が、血液サンプル中での９９．８％から、最終赤血球画
分において＞９９．９９％に増加した。この場合において、本発明者らは、ＤＥ
Ｐ−ＦＦＦ分離において開発された示差的な細胞速度が、白血球と赤血球との間
の浮揚高さの差のみでなく、赤血球は２円板状であるが、一方で、白血球は、一
般に丸いので、異なる細胞の形状によって引き起こされる細胞の流体力学的相互
作用における差からも生じたと考える。
【０２３１】
【表２】 （ａ）プロトコルの第２の区分の間に使用されたＤＥＰ電場の単一の周波数また
は掃引周波数（周期５秒）（材料および方法を参照のこと）。２つの流速は、そ
れぞれ、チャンバの入口端部および出口端部での注入および除去シリンジポンプ
に対応する。 （ｂ）初期混合物における２つの細胞集団の間の比。 （ｃ）１０ｋＨｚで２５分間のＤＥＰ電場を使用した、血液からの白血球の富化
。 （ｄ）分離後の純度を、対応する溶出ピークについて、フローサイトメトリーに
よって決定した。 （ｅ）赤血球に対する白血球の比は、ＤＥＰ−ＦＦＦ富化後、１：７００から、
１：１９に増加した。 （ｆ）細胞回収を、細胞濃度および注入ループ容積に基づいて計算した標的全細
胞数に対する、ＤＥＰ−ＦＦＦチャンバ出口端でのフローサイトメトリーによっ
て検出された全細胞数の比として規定した。
【０２３２】 （考察） 細胞誘電的な分離基準。ＤＥＰ−ＦＦＦ方法は、分離の基準として細胞誘電特
性および密度特性を利用する。本明細書中に記載される分離のために使用される
周波数範囲において、細胞誘電特性は、形質膜のキャパシタンスを介して、内部
に向かって、細胞を貫通する印加された電場の程度によって、決定される。低い
周波数において、その電場貫通は、小さく、そして印加された電場全体は、低い
伝導性の膜を横切るようである。従って、細胞は、懸濁媒体よりもあまり分極可
能でなく、そして負のＤＥＰ力によって、強力な電場領域から排除される傾向に
ある。本発明者らの電極構成において、このことは、浮揚を生じる。より高い周
波数において、電場は、細胞内部（これは、本発明者らの条件下で、懸濁媒体よ
りもより伝導性である）に向かって、形質膜を貫通する。細胞は、媒体よりもよ
り分極可能となり、ＤＥＰ力は、正となり、そして細胞は、強力な電場領域に引
かれ、そして電極において固定化される（Ｂｅｃｋｅｒら、１９９５；Ｆｕｈｒ
ら、１９９６；ＫａｌｅｒおよびＪｏｎｅｓ、１９９０；Ｐｅｔｈｉｇ １９９
６）。乳癌ＭＤＡ−４３５細胞およびＴリンパ球をサンプルとしてとる。細胞膜
の形態学および組成における差に起因して、Ｔリンパ球は、乳癌細胞の約半分の
平均膜キャパシタンスを有し（Ｇａｓｃｏｙｎｅら、１９９７；Ｈｕａｎｇら、
１９９６；Ｈｕａｎｇら、１９９９）、そしてそれによって、正になるように、
十分な電場貫通が、ＤＥＰ力に対して起こる周波数範囲は、Ｔリンパ球に対して
より高かった。従って、１５〜３５ｋＨｚの範囲の周波数において、Ｔリンパ球
は、負のＤＥＰ力によって強力に浮揚され、そして流体流の影響下で、チャンバ
を通って急速に輸送された。しかし、乳癌細胞は、チャンバ底部壁に近いゆっく
りと移動する流体に弱く浮揚されるのみであるか、または電極における正のＤＥ
Ｐ力によってトラップされた。Ｔリンパ細胞および乳癌細胞についての示差的速
度は、２つの集団のＤＥＰ−ＦＦＦ分離を生じた。細胞膜誘電特性（膜組成およ
び形態学的な構造によって決定される（Ｗａｎｇら、１９９４；Ｈｕａｇら、１
９９９））は、本明細書中で利用されるＤＥＰ−ＦＦＦ分離基準であったことが
わかる。
【０２３３】 最近の１５年にわたって、多くの正常および癌性細胞型の誘電特性が、個別で
あり、そして細胞型のみでなく、生物学的状態に依存することが示されている。
この理由のために、本発明者らは、細胞誘電表現型の概念を導入した（Ｂｅｃｋ
ｅｒら、１９９５；Ｇａｓｃｏｙｎｅら、１９９７）。Ｔリンパ球の誘電表現型
は、それらが乳癌細胞、単球および顆粒球から識別されることを可能にし、そし
て白血病細胞が正常な白血球から識別され得る。他の例は、ラット腎臓細胞の温
度感受性形質転換を伴う有意な膜誘電改変（Ｈｕａｎｇら、１９９６）、白血病
細胞における薬物誘導分化（Ｗａｎｇら、１９９４）、ヒトリンパ球の分裂促進
的刺激（Ｈｕａｎｇら、１９９９）、ウサギ卵母細胞の受精（Ａｒｎｏｌｄら、
１９８９）、および細胞環境における変化（例えば、重金属（Ａｒｎｏｌｄら、
１９８６）、有機毒素（Ａｒｎｏｌｄ、１９８８）、または低浸透圧媒体（Ｓｕ
ｋｏｒｕｋｏｖ、１９９３））を含む。これらの例は、このような誘電表現型を
利用することによって、ＤＥＰ−ＦＦＦ技術が、多くの医用問題における細胞亜
集団の識別、特徴付けおよび分離について適用され得ることを示唆する。
【０２３４】 本発明に従う装置および方法が、例えば、癌細胞もしくは臨床家に所望される
かまたは目的の他の細胞を同定するための診断ツールとして、そして所望ではな
い細胞または他の粒子の患者サンプルをパージするための治療ツールとして、細
胞または粒子の特徴付けのために使用され得ることが企図される。
【０２３５】 例えば、本発明に従う方法を使用して、未知の粒子性物質の物理的特性を特徴
付けし得る。未知の生物学的または有機または鉱物サンプルを含むサンプルが、
チャンバに投入され、上記の手順に従って分離され得る。外来粒子の分離および
除去に続いて、未知の粒子がチャンバの出口ポートで回収され得る。次いで、こ
の粒子は、当該分野で公知の標準的な粒子特徴付け技術（例えば、診断微生物学
および組織学において使用される技術）（例えば、電子顕微鏡）を使用して分析
され得る。粒子に固有である特性の決定の後、研究者は、次いで、これらの特性
を、粒子の既知の特性と比較し得る。それによって、研究者は、未知の粒子が、
既知の粒子と同じであるか否か、またはそれが類似の特性を有するか否かを決定
し得る。
【０２３６】 さらに、本発明は、既知の粒子の特徴付けを意図し、次いで、これは、類似の
トラッピング周波数、電圧、流速、および上記の他のパラメータに基づいて、未
知の粒子を決定するための参照ツールとして使用され得る。サンプルは、本発明
のチャンバに導入され得、次いで、上に詳述された分離方法に供され得る。これ
らの分離技術を使用することによって、粒子のトラッピング周波数および放出周
波数が決定され得る。次いで、これらの値は、未知のサンプルの類似のパラメー
タを、この公知のサンプルと比較する際に有用である。未知の粒子から既知の粒
子の分離を必要とする特定の臨床適用は、分離の方法を完全にするために、この
ような値を必要とする。
【０２３７】 本発明の臨床適用は、種々の細胞型の存在または非存在について、未知のサン
プルをスクリーニングするための診断ツールとしての本発明の装置および方法を
使用することである。最初に、先に記載されたように、患者のサンプルが、装置
内に配置され得、そして種々の細胞型が、先に決定されたパラメータまたは特性
に基づいて分離され得る。これらの細胞は、癌細胞、または細菌、ウイルス、原
生動物で感染した細胞、または寄生生物、細菌、ウイルス、原生動物を含み得る
か、あるいはそれらは、特定の酵素または細胞小器官を欠いた細胞、変更された
生検材料、プラークおよび切屑材料（ｔｅｓｔ）（Ｐａｐスミアを含む）などを
含み得る。従って、例えば、サイズ、密度、誘電強度、および伝導度に基づいて
流体流中での示差的な沈降速度を有する粒子の全ての型を分離することは、十分
に本発明の範囲内である。従って、本発明は、状態（例えば、癌または他の細胞
障害）の存在を診断するために使用され得る。
【０２３８】 別の臨床適用は、所望の細胞または正常な細胞を含む細胞の集団から、所望で
はない細胞（例えば、癌性細胞）を分離するために、本発明の装置および方法を
使用することである。例えば、一旦、例えば、骨髄において癌が検出されると、
正常な細胞から癌細胞または前新生物細胞を分離するために、本発明に従って、
患者の骨髄が、装置内に投入され得る。次いで、これらの正常な細胞は、チャン
バの出口で回収され得、そして患者に戻され得るが、一方で、所望でない癌細胞
が、チャンバの出口で回収され得、そして特徴付けられ得、さらなる研究におい
て利用され得るか、または廃棄され得る。このようにして、所望でない細胞は、
正常な細胞集団からパージされ、一方で、同時に、特定の細胞型（例えば、腫瘍
細胞、正常な細胞、前駆細胞など）が、富化される。
【０２３９】 本明細書中に記載されそして特許請求される装置および方法が、本発明の開示
の観点から、過度の実験を実施することなく作製および実行され得る。本発明の
装置および方法は、好ましい実施形態の観点から記載されているが、変更が、本
明細書中に記載される、装置、方法、およびその方法の工程、またはその方法の
一連の工程に、本発明の概念、意図および範囲から逸脱することなく適用され得
ることが、当業者に明らかである。全ての置換および改変は、当業者に明らかで
あり、そして添付の特許請求の範囲によって規定される、本発明の意図、範囲お
よび概念内にあると見なされる。
【０２４０】 （参考文献） 以下の参考文献は、それらが例示的な手順または他の詳細な捕捉を本明細書上
記に提供する程度まで、本明細書中で詳細に参考として援用される。
【０２４１】
【表３】
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 図１Ａは、本発明に従う装置のブロック図である。
【図１Ｂ】 図１Ｂは、平行（嵌合）電極アレイが流体流に対して垂直に位置する図である
。
【図１Ｃ】 図１Ｃは、図１Ａの装置の力図である。
【図２Ａ】 図２Ａは、本発明に従う装置の側面図であり、これはこの装置に導入される物
質の代表的な軌道を記載する。
【図２Ｂ】 図２Ｂは、図２Ａの装置の上面図であり、これはこの装置に導入される物質の
代表的な軌道を記載する。
【図２Ｃ】 図２Ｃは、図２Ａの装置の端面図である。
【図２Ｄ】 図２Ｄは、図２Ａ〜２Ｃに記載される装置の三次元図である。
【図２Ｅ】 図２Ｅは、図２Ａの装置の力図である。
【図３Ａ】 図３Ａは、フィールドフロー分別の影響下で本発明に従う装置から出るＨＬ−
６０細胞の数の、時間の関数としてのグラフである（流速＝２００μｌ／分）。
【図３Ｂ】 図３Ｂは、フィールドフロー分別の影響下で本発明に従う装置から出るＨＬ−
６０細胞の数の、時間の関数としてのグラフである（流速＝１００μｌ／分）。
【図３Ｃ】 図３Ｃは、フィールドフロー分別の影響下で本発明に従う装置から出るＨＬ−
６０細胞およびヒト血球の数の、時間の関数としてのグラフである。第１のピー
クおよび第２のピークは、それぞれＨＬ−６０細胞およびヒト血球に対応する（
流速＝１００μｌ／分）。
【図４Ａ】 図４Ａは、ｃＤＥＰおよび重力の影響下でのＤＳ１９細胞浮揚高さの、周波数
の関数としてのグラフである。
【図４Ｂ】 図４Ｂは、ｃＤＥＰおよび重力の影響下でのＤＳ１９細胞浮揚高さの、電圧の
関数としてのグラフである。
【図５Ａ】 図５Ａは、本発明に従うｃＤＥＰ−ＦＦＦ装置を通って移動するＨＬ−６０細
胞の速度の、周波数の関数としてのグラフである（流速＝１０μｌ／分）。
【図５Ｂ】 図５Ｂは、本発明に従うｃＤＥＰ−ＦＦＦ装置を通って移動するＭＤＡ４６８
細胞の速度の、周波数の関数としてのグラフである（流速＝４０μｌ／分）。
【図５Ｃ】 図５Ｃは、本発明に従うｃＤＥＰ−ＦＦＦ装置を通って移動するＭＤＡ４３５
細胞の速度の、周波数の関数としてのグラフである（流速＝４０μｌ／分）。
【図５Ｄ】 図５Ｄは、本発明に従うｃＤＥＰ−ＦＦＦ装置を通って移動するＭＤＡ４３５
細胞の速度の、電圧の関数としてのグラフである（流速＝４０μｌ／分）。
【図６Ａ】 図６Ａは、本発明の実施形態に従ってＤＥＰ−ＦＦＦ操作下で電極に適用され
得る、プログラム可能な電気シグナルを図示する。
【図６Ｂ】 図６Ｂは、本発明の実施形態に従ってＤＥＰ−ＦＦＦ操作下で電極に適用され
得る、プログラム可能な電気シグナルを図示する。
【図６Ｃ】 図６Ｃは、本発明の実施形態に従ってＤＥＰ−ＦＦＦ操作下で電極に適用され
得る、プログラム可能な電気シグナルを図示する。
【図６Ｄ】 図６Ｄは、本発明の実施形態に従ってＤＥＰ−ＦＦＦ操作下で電極に適用され
得る、プログラム可能な電気シグナルを図示する。
【図６Ｅ】 図６Ｅは、本発明の実施形態に従ってＤＥＰ−ＦＦＦ操作下で電極に適用され
得る、プログラム可能な電気シグナルを図示する。
【図６Ｆ】 図６Ｆは、本発明の実施形態に従ってＤＥＰ−ＦＦＦ操作下で電極に適用され
得る、プログラム可能な電気シグナルを図示する。
【図７】 図７は、本発明の１つの実施形態に従う単一の出口ポートを有するチャンバを
示す。粒子は、このチャンバに充填され得、チャンバの底表面上の電極平面に対
する平衡高さ位置を達成し得る。誘電泳動力と重力とのバランスの下で、より小
さな粒子は、より大きな粒子よりも高く浮揚され得る。
【図８】 図８は、本発明の１つの実施形態に従う単一の出口ポートを有するチャンバを
示す。粒子は、流体流速プロフィールの影響下で、このプロフィールにおけるそ
れらの高さ位置に対応する速度で移動する。より小さな粒子は、それらの高い浮
揚のため、より大きな粒子よりも速く移動する。
【図９】 図９は、本発明の１つの実施形態に従う上部出口ポートおよび底部出口ポート
を有するチャンバを示す。粒子は、このチャンバに充填され得、チャンバの底表
面上の電極平面に対する平衡高さ位置を達成し得る。誘電泳動力と重力とのバラ
ンスの下で、より小さな粒子は、より大きな粒子よりも高く浮揚され得る。
【図１０】 図１０は、本発明の１つの実施形態に従う上部出口ポートおよび底部出口ポー
トを有するチャンバを示す。粒子は、流体流速プロフィールの影響下で、このプ
ロフィールにおけるそれらの高さ位置に対応する速度で移動する。より小さな粒
子は、それらの高い浮揚のため、より大きな粒子よりも速く移動する。粒子は、
底部出口ポートからこのチャンバを出るが、粒子を含まない緩衝液は、上部出口
ポートから溶出され得る。
【図１１】 図１１は、本発明の１つの実施形態に従う上部出口ポートおよび底部出口ポー
トを有するチャンバを示す。このチャンバは、粒子混合物が連続的にチャンバに
導入される場合、連続分離モードで操作され得る。
【図１２】 図１２は、本発明の１つの実施形態に従う上部出口ポートおよび底部出口ポー
トを有するチャンバの、連続モード操作を示す。粒子混合物は、このチャンバに
連続的に導入され得、そして流体流の影響下で、このチャンバを通って輸送され
得る。同時に、粒子は、チャンバ底表面上の電極によって生じた誘電泳動力およ
び重力に供され得、そして垂直方向に移動し得る。粒子がチャンバの端部に到達
するとき、より小さな粒子はより高い位置に達し、そして上部出口ポートからチ
ャンバを出るが、より大きな粒子はより低い位置に達し、そして底部出口ポート
からチャンバを出る。
【図１３】 図１３は、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦシステムの模式図であり、分解図でチャンバを
示している。チャンバの底表面上の微小製作された嵌合電極アレイは、電力増幅
器からの電圧シグナルで活性化され、ＤＥＰ浮揚力を生じ得る。細胞混合物は、
注入バルブを介してチャンバに導入され得る。シリンジポンプは、チャンバ内の
流体流プロフィールを確立するように操作され得る。細胞動力学応答は、ビデオ
顕微鏡を介してモニターされ得る。チャンバを出る細胞は、ＵＶ検出器によって
検出され得るか、またはフラクションコレクターによって収集され得る。
【図１４】 図１４は、ＮＦ−ＰＳビーズ（１０．５７±１．０３μｍ）およびＣＯＯＨ−
ＰＳビーズ（９．４４±０．９５μｍ）のＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ分別の三次元図で
ある。粒子数は、チャンバ入口から３６ｎｍ、９２ｎｍ、１３２ｎｍ、１６５ｎ
ｍ、２２５ｎｍ、２７２ｎｍ、３６０ｎｍの距離を有する８つの検査位置におい
て、時間の関数としてプロットした。分離の進行を示すため、各位置における最
初のビーズの出現後の時間を、その位置の０時間を規定するために使用した。
【図１５Ａ】 図１５Ａは、ＮＦ−ＰＳ（１０．５７±１．０３μｍ、第２ピーク）ビーズお
よびＣＯＯＨ−ＰＳ（９．４４±０．９５μｍ、第１ピーク）ビーズの分離を示
しているＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦフラクトグラム（ｆｒａｃｔｏｇｒａｍ）である。
【図１５Ｂ】 図１５Ｂは、異なるサイズ（直径が、６．１４±０．４５μｍ、１０．５７±
１．０３μｍおよび１５．５±１．８４μｍ）のＮＦ−ＰＳビーズの分離を示し
ているＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦフラクトグラムである。
【図１６】 （Ａ）ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦ分離における流体の流速に対する、ＮＦ−ＰＳ（１
０．５７±１．０３μｍ、固体曲線）ビーズおよびＣＯＯＨ−ＰＳ（９．４４±
０．９５μｍ、破線曲線）ビーズに関する溶出ピーク時間の依存。（Ｂ）ＮＦ−
ＰＳ（上方の線）ビーズおよびＣＯＯＨ−ＰＳ（下方の線）ビーズについての溶
出ピーク時間対流体の流速の逆数のプロット。
【図１７】 （Ａ）微小電極に印加される電圧（５０ｋＨｚ）に対するＮＦ−ＰＳ（１０．
５７±１．０３μｍ、固体曲線）ビーズおよびＣＯＯＨ−ＰＳ（９．４４±０．
９５μｍ、破線曲線｝ビーズについての溶出ピーク時間の依存。（Ｂ）ＮＦ−Ｐ
ＳビーズおよびＣＯＯＨ−ＰＳビーズに関する２つの溶出ピーク時間対印加され
る電圧の比のプロット。粒子が、注入後および流体の流れの適用前に、１０分間
、チャンバ中でリラックスさせた。導電率１０ｍＳ／ｍのショ糖緩衝液が、８０
０μ／分の速度で、チャンバを通して汲み出された。
【図１８】 微小電極アレイに印加された電圧（５０ｋＨｚ）における６（三角）μｍ直径
、１０（円）μｍ直径および１５（正方形）μｍ直径のＮＦ−ＰＳビーズに関す
る溶出ピーク時間の依存。粒子は、注入後および流体の流れの適用前に、２５分
間、チャンバ中に平衡な高度の位置までリラックスさせた。導電率２．２ｍＳ／
ｍのショ糖緩衝液は、８００μｌ／分の速度で、チャンバを通して汲み出された
。
【図１９】 適用されたフィールド周波数における、直径６（三角）μｍ、１０（円）μｍ
および１５（正方形）μｍのＰＳビーズに関する溶出ピーク時間の依存。印加さ
れた電気的シグナルの電圧は、０．５３Ｖ ＲＭＳであった。粒子を、流体の流
れの適用前に２５分間、チャンバ中でそれらの平衡高度の位置までリラックスさ
せた。導電率２．２ｍＳ／ｍのショ糖緩衝液が、８００μｌ／分の速度でチャン
バを通して汲み出された。
【図２０】 ５０μｍの広さおよび空間の平行な電極アレイに関する、電極エッジに関連す
る粒子位置における垂直な（浮揚（ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ））ＤＥＰ力の依存。
Ｘ軸上の太線は、電極エレメントを示す。電界刺激が、グリーンの定理に基づく
分析方法を使用して実施された（Ｗａｎｇら、１９９６）。力計算に関して、半
径ｒ＝５μｍおよびＲｅ［ｆCM］＝−０．５の粒子が、印加された１Ｖ ＲＭＳ
のフィールドに供された。ＤＥＰ浮揚力が、電極面を越える１０μｍの増分にお
いて、５μｍ（最も大きい力）と９５μｍ（最も小さい力）との間の粒子高度に
関して計算された。
【図２１】 本開示に従って、ＤＥＰ／Ｇ−ＦＦＦチャンバにおける粒子上で作用している
瞬時力の模式図。
【図２２】 誘電泳動／重力の流体のフロー分別原理の模式図。流体の流れプロフィールに
おける細胞平衡高度が、微小電極および沈降力（Ｆgrav）により生成されたＤＥ
Ｐ浮揚力（ＦDEPz）のバランスにより決定され得る。底部電極面から最も離れた
細胞が、より低い位置の細胞より、流体（ＶFFF2＞ＶFFF1）により速く運ばれ、
かつより早くチャンバを出る。
【図２３】 ５ｋＨｚの周波数で、１．４Ｖ ＲＭＳのＤＥＰフィールドに関して、チャン
バ出口ポートの検査窓により、通過しているＭＤＡ−４３５細胞（第１ピーク、
正方形）および赤血球（第２ピーク、円）の数の時間依存。ＭＤＡ−４３５細胞
が、赤血球の前に移動し、そして２つの集団が、十分に分離した。この細胞を、
５６ｍＳ／ｍの導電率を有する等張なショ糖／デキストロース緩衝液中に懸濁し
た。流速は、７８０μｍ／秒の平均流速に対応する０．５ｍＬ／分であった。
【図２４Ａ】 溶出ピークの幅を示すエラーバーを伴う、ＭＤＡ−４３５細胞（正方形）およ
び赤血球（円）に対する溶出時間の周波数依存。２つの細胞集団が、２０ｋＨｚ
未満の周波数で十分に分離された。溶出時間および溶出ピークの幅は、実施例の
節に記載される方法に従って、図２３において示されるような細胞フラクトグラ
ムから導かれた。細胞懸濁液、ＤＥＰフィールド、および流体の流れの条件は、
図２３と同じである。
【図２４Ｂ】 平均速度１６μｍ／秒の流体の流れのもと、ＭＤＡ−４３５細胞（正方形）お
よび赤血球（円）についての平衡浮揚高度の周波数依存。ＭＤＡ−４３５細胞が
、１５μｍまで高度の違いを有する赤血球より高く浮揚された。この高度は、少
なくとも１０個の細胞に関する平均である。エラーバーは、測定された高度の標
準偏差を示す。細胞懸濁液およびＤＥＰフィールド条件は、図２３に関するのと
同じである。
【図２４Ｃ】 以下のパラメーターを伴う式（１９）を使用して、（Ｂ）における浮揚高度曲
線から導かれるＭＤＡ−４３５細胞（正方形）および赤血球（円）に関する分極
係数αDEPの周波数依存：Ａ＝−２．２０７２×１０13／ｍ3；Ｕ＝１．４１Ｖ；
ｄ＝２００μｍ；εm＝７８ε0（８．８５４×１０-12Ｆ／ｍ）；ρc＝１．０７
２（ＭＤＡ−４３５）、１．０９５（赤血球）ｋｇ／ｄｍ3；ρm＝１．０３３ｋ
ｇ／ｄｍ3。連続曲線（−ＭＤＡ−４３５；−−−赤血球）は、細胞エレクトロ
ローテーション測定から導かれるパラメーターを使用して、誘電モデル（式２１
〜２４）から算出される分極係数である。ＭＤＡ−４３５細胞について、ｒ＝７
．５μｍ、Ｃmem（εmem／ｄ）＝２４ｍＦ／ｍ2；Ｇmem（σmem／ｄ）＝２００
Ｓ／ｍ2；εint＝６０；およびσint＝０．５Ｓ／ｍ。赤血球について、ａ＝ｂ
＝３．５μｍ、楕円体係数ｅ＝４；Ｃmem（εmem／ｄ）＝８．７ｍＦ／ｍ2；Ｇm em （σmem／ｄ）＝２００Ｓ／ｍ2；εint＝６０；およびσint＝０．５Ｓ／ｍ。
【図２５Ａ】 溶出ピーク幅を示しているエラーバーを伴う、ＭＤＡ−４３５（正方形）およ
び赤血球（円）に関する溶出時間の電圧依存。印加される大きい電圧は、ＤＥＰ
浮揚力を増加させ、その結果、細胞は、チャンバ底部壁より高くに位置し、大き
いＦＦＦ速度およびより短い溶出時間を導いた。細胞を、５６ｍＳ／ｍの等張な
ショ糖／デキストロース媒体中に懸濁した。適用されたＤＥＰフィールド周波数
は、２０ｋＨｚおよび流速＝１ｍＬ／分であった。
【図２５Ｂ】 溶出ピークの幅を示すエラーバーを伴うＭＤＡ−４３５（正方形）および赤血
球（円）についての溶出時間の流速依存。溶出時間は、流速に逆比例することが
見出され、流れプロフィールにおける細胞位置が、流速における変化により、影
響されなかったことを示した。実験条件は、印加された電圧Ｕ＝１．４１Ｖを除
き、図２５（Ａ）と同じである。
【図２６】 寸法２００μｍ（Ｈ）×２５ｍｍ（Ｌ）×１７ｍｍ（Ｗ）のＤＥＰ−ＦＦＦチ
ャンバの模式図。細胞サンプルは、細胞サンプルポート由来のチャンバの入り口
領域中に予めロードされる。底部壁上へ細胞を置いた後、溶出緩衝液が、溶出緩
衝液ポートを介してチャンバを通して汲み出され、その結果、チャンバにおいて
流体力学層流プロフィールを確立する。次いで、適切な電圧シグナルが、異なる
高度で細胞を平衡化させ、かつ流れプロフィールにおいて、対応した異なる速度
で移動するために、電極エレメントに印加される。この研究において、等しい電
極幅および２０（または５０）μｍの間隔を有する平行な電極が、チャンバの２
つの長い端に沿って走る電極バスに結合された代替エレメントと共に使用された
。
【図２７】 平行電極アレイ（２０μｍ幅および間隔）における１．０６Ｖ（ＲＭＳ）の印
加された電圧下で、導電率５６ｍＳ／ｍのショ糖／デキストロース媒体中に懸濁
された代表的なＨＬ−６０細胞（半径＝６．６μｍ）の浮揚高度（菱形記号）の
周波数依存。流体の流れは存在しない。連続曲線は、ＤＥＰ浮揚理論を使用した
実験データの最も良い適合を示す（式１８から１９、Ｈｕａｎｇら、１９９７）
。係数誘電分極Ｒｅ（ｆCM）は、単一殻誘電モデル（Ｉｒｉｍａｊｉｒｉら、１
９７９；Ｈｕａｎｇら、１９９２）に基づき、これに関して、細胞内の相対的誘
電率および導電率が、それぞれ、７５Ｓ／ｍおよび０．７５Ｓ／ｍであると仮定
される。最も良い適合は、それぞれ、１６．３ｍＦ／ｍ2および５０Ｓ／ｍ2未満
の、膜キャパシタンスおよびコンダクタンスに関する値を生じた。
【図２８】 周波数１７．８ｋＨｚフィールドの適用されたフィールドに関する導電率５６
ｍＳ／ｍの媒体中に懸濁された、ＨＬ−６０細胞（半径＝６．３μｍ）の浮揚高
度（菱形記号）の電圧依存。流体の流れは、存在しない。連続曲線が、誘電泳動
浮揚理論を使用した、実験データに最も良い適合を示す（Ｈｕａｎｇら、１９９
７）。誘電分極係数Ｒｅ（ｆCM）は、−０．４３として導かれる。シュミレーシ
ョンにおいて、１７．８ｋＨｚにおける電極分極係数ｐ（ｆ）に関する値は、０
．６７であった（Ｈｕａｎｇら、１９９７）。
【図２９】 ２０μｌ／分（（正方形、下部曲線〈ｖ〉＝９８）；４０μｌ／分（菱形、中
央曲線、〈ｖ〉＝１９６）；および８０μｌ／分（円、上部曲線、〈ｖ〉＝３９
２μｍ／ｓ）の流速における平行な微小電極アレイ（２０μｍ幅および間隔）を
含む薄いチャンバでの導電率４４ｍＳ／ｍのショ糖／デキストロース媒体中に懸
濁されたＨＬ−６０細胞に関する平均速度の周波数依存。パラメータ〈ｖ〉は、
チャンバ中の平均流体の流速である。印加された電圧は、１．０６Ｖ（ＲＭＳ）
であった。チャンバ寸法は、２００μｍ（Ｈ）×２５ｍｍ（Ｌ）×１７ｍｍ（Ｗ
）であった。各記号は、約２０個の細胞の平均速度を示した。連続線は、誘電泳
動フィールドフロー分別理論の最も良い適合を示し（Ｈｕａｎｇら、１９９７）
、破線（２０：−−−；４０：−−−；８０μｌ／分：−−）は、電界が消える
場合、平均化された細胞速度を示す。単一殻モデル（Ｈｕａｎｇら、１９９２；
１９９７）、細胞半径、内部相対的誘電率および導電率は、それぞれ、５．８μ
ｍ（顕微鏡法により測定された）、７５Ｓ／ｍおよび０．７５Ｓ／ｍであると考
えられる。３つの流速に関する最も良い適合が、１５．６（±０．９５）ｍＦ／
ｍ2の細胞膜特異的キャパシタンスおよび２２０（±７６）Ｓ／ｍ2のコンダクタ
ンスに関する値を与えた。
【図３０】 ２０μｌ／分（正方形、下部曲線〈ｖ〉＝９８）；４０μｌ／分（菱形、中央
曲線、〈ｖ〉＝１９６）；および８０μｌ／分（円、上部曲線、〈ｖ〉＝３９２
μｍ／ｓ）の流速における平行な微小電極アレイ（２０μｍ幅および間隔）を含
む薄いチャンバでの導電率４４ｍＳ／ｍのショ糖／デキストロース媒体中に懸濁
されたＨＬ細−６０細胞の平均速度の電圧依存。パラメータ〈ｖ〉は、チャンバ
中の平均流体の流速である。適用されるフィールド周波数は、３１．６ｋＨｚで
あった。チャンバ寸法は、Ｈ（２００μｍ）×Ｌ（２５ｍｍ）×Ｗ（１７ｍｍ）
であった。連続曲線は、計数Ｒｅ（ｆCM）が−０．４６（±０．０６５）として
導かれた実験データに関する誘電泳動フィールドフロー分別（ＤＥＰ−ＦＦＦ）
理論の最も良い適合を示した。
【図３１】 ＤＥＰ−ＦＦＦ実験設定。分離チャンバの底部壁上のミクロファブリケート（
ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅ）電極が、電気シグナルと共に電圧を加えられ、
そしてＤＥＰ浮揚力を提供された。注入バルブを介して、チャンバに導入された
後、混合物中の異なる型の細胞は、ＤＥＰおよび沈降力のバランス下で、異なる
平衡高度に浮揚された。流体の流れプロフィールが、注入シリンジポンプからチ
ャンバに生成された。この細胞が、これらの高度に対応した異なる速度でチャン
バを介して輸送され、底部出口ポートからチャンバを出て、そしてフローサイト
メーターにより検出された。
【図３２】 フローサイトメーターにより得られたＣＤ３４+幹細胞に関するＤＥＰ−ＦＦ
Ｆ溶出フラクトグラムの周波数依存。細胞が、１０ｍＳ／ｍの導電率を有するシ
ョ糖緩衝液中に、１．５×１０6／ｍＬで懸濁された。印加された電圧は、４Ｖ
ｐ−ｐであった。注入および引き抜きシリンジポンプが、それぞれ、２ｍＬ／分
および１．８ｍＬ／分で操作された。
【図３３】 フローサイトメトリーにより得られたＭＤＡ−４３５細胞に関するＤＥＰ−Ｆ
ＦＦ溶出フラクトグラムの周波数依存。細胞が、１０ｍＳ／ｍの導電率を有する
ショ糖緩衝液中に、１．５×１０6／ｍＬで懸濁された。印加された電圧は、４
Ｖｐ−ｐであった。注入および引き抜きシリンジポンプが、それぞれ、２ｍＬ／
分および１．８ｍＬ／分で操作された。
【図３４】 ＭＤＡ−４３５細胞（正方形）およびＣＤ３４+幹細胞（円）に関する溶出時
間の周波数依存。各ＤＥＰ−ＦＦＦフラクトグラムに関する溶出ピーク幅につい
て、エラーバーが位置する。
【図３５】 捕捉および放出プロトコールを使用したＣＤ３４+細胞からＭＤＡ−４３５細
胞を分離するためのＤＥＰ−ＦＦＦフラクトグラム。ＤＥＰフィールドは、７分
間、４０ｋＨｚで操作され、そして７分間、５ｋＨｚまで変えられた。ＣＤ３４ + 細胞は、ＰＥ結合体化ＣＤ３４抗体を用いて予め標識され、そしてＭＤＡ−４
３５細胞より早くチャンバから溶出するためにフローサイトメーターにより同定
された。ＤＥＰシグナル電圧および流体の流れの条件は、図３３に関して使用さ
れる条件と同じであった。
【図３６】 ＣＤ３４+細胞からＭＤＡ−４３５細胞を分離するためのＤＥＰ−ＦＦＦフラ
クトグラム。ＤＥＰフィールドは、７分間、１５ｋＨｚと３５ｋＨｚとの間で変
えられ、次いで、７分間、５ｋＨｚまで変えられた。ＤＥＰシグナル電圧および
流体の流れの条件は、図３３で使用される条件と同じであった。
【図３７】 図３６に示される分離のために、ＤＥＰ−ＦＦＦチャンバを出る細胞に関する
蛍光レベル対溶出時間についてのカウンタープロット。
【図３８】 （Ａ）５６ｍＳ／ｍの導電率を有するショ糖緩衝液中のＣＤ３４+（円）細胞
およびＭＤＡ−４３５（正方形）細胞に関する代表的なエレクトロローテーショ
ンスペクトル。連続曲線は、単一殻誘電モデルの最も良い適合を示す（Ｉｒｉｍ
ａｊｉｒｉら、１９７９；Ｈｕａｎｇら、１９９２）。 （Ｂ）ＲＯＴ測定から導かれる誘電パラメーター（表１）を使用して計算され
た分離条件（導電率１０ｍＳ／ｍ）下で、ＣＤ３４+（−）細胞およびＭＤＡ−
４３５（−−−）細胞に関するαDEP（正規化されたＤＥＰ応答）の周波数スペ
クトル。
【図３９】 本開示に従って、ＤＥＰ−ＦＦＦ設定および操作原理を示した略図。薄い、長
方形のチャンバが、その底部壁上に、微小に作製され（ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃ
ａｔｅ）、互いに組み合わされた（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）電極を用い
て構築され得る。異なる細胞型が、反対のＤＥＰ（ＦDEPz）力および沈降（Ｆse d ）力の影響下で、異なる平衡高度まで浮揚され得る。インジェクターからチャ
ンバに確率された流速プロフィールに関して、異なる高度（ｈ2＞ｈ1）の細胞が
、異なる速度（Ｖ2＞Ｖ1）で、チャンバを通して運ばれ得、そしてそれにより分
離され得る。細胞が、底部出口ポートからチャンバを出て、そしてオンラインフ
ローサイトメトリーのような検出器により検出されかつカウントされ得る。
【図４０】 （Ａ）オンラインフローサイトメトリーにより得られるＴリンパ球に関するＤ
ＥＰ−ＦＦＦ溶出フラクトグラムの周波数依存。 （Ｂ）オンラインフローサイトメトリーにより得られるヒト乳癌ＭＤＡ−４３
５細胞に関するＤＥＰ−ＦＦＦ溶出フラクトグラムの周波数依存。Ｔリンパ球と
比較して、ＭＤＡ−４３５細胞は、１０ｋＨｚを越えて増大した周波数として急
速に広がる溶出フラクトグラムを示した。周波数スケールの違いに注目すること
。細胞は、１０ｍＳ／ｍの導電率を有する等張なショ糖／デキストロース緩衝液
中に、１．２×１０6／ｍｌで懸濁された。印加された電圧は、４Ｖｐ−ｐであ
った。注入および引き抜きシリンジポンプは、それぞれ、２ｍＬ／分および１．
６ｍＬ／分で操作された。
【図４１Ａ】 （Ａ）４０ｋＨｚのＤＥＰフィールドに引き続き、５ｋＨｚのフィールドによ
り、Ｔリンパ球からのヒト乳癌ＭＤＡ−４３５細胞の分離を示しているＤＥＰ−
ＦＦＦフラクトグラム（詳細については、方法および材料を参照のこと）。 （Ｂ）１５ｋＨｚと３５ｋＨｚとの間で変わるＤＥＰフィールドに引き続き、
５ｋＨｚのフィールドにより、Ｔリンパ球からのヒト乳癌ＭＤＡ−４３５細胞の
分離を示しているＤＥＰ−ＦＦＦフラクトグラム。 （Ｃ）カウンタープロットは、図４１Ａにおける分離に関するＤＥＰ−ＦＦＦ
チャンバに存在する細胞について蛍光レベル対溶出時間を示す。 （Ｄ）カウンタープロットは、図４１Ｂにおける分離に関するＤＥＰ−ＦＦＦ
チャンバに存在する細胞に関する蛍光レベル対溶出時間を示す。同定を可能にす
るために、Ｔリンパ球が、ＰＥ結合体化ＣＤ３抗体を用いて蛍光的に標識された
。細胞懸濁物、ＤＥＰシグナル、電圧および流体の流れの条件は、図４０Ａ〜４
０Ｂに関する条件と同じであった。
【図４１Ｂ】 （Ａ）４０ｋＨｚのＤＥＰフィールドに引き続き、５ｋＨｚのフィールドによ
り、Ｔリンパ球からのヒト乳癌ＭＤＡ−４３５細胞の分離を示しているＤＥＰ−
ＦＦＦフラクトグラム（詳細については、方法および材料を参照のこと）。 （Ｂ）１５ｋＨｚと３５ｋＨｚとの間で変わるＤＥＰフィールドに引き続き、
５ｋＨｚのフィールドにより、Ｔリンパ球からのヒト乳癌ＭＤＡ−４３５細胞の
分離を示しているＤＥＰ−ＦＦＦフラクトグラム。 （Ｃ）カウンタープロットは、図４１Ａにおける分離に関するＤＥＰ−ＦＦＦ
チャンバに存在する細胞について蛍光レベル対溶出時間を示す。 （Ｄ）カウンタープロットは、図４１Ｂにおける分離に関するＤＥＰ−ＦＦＦ
チャンバに存在する細胞に関する蛍光レベル対溶出時間を示す。同定を可能にす
るために、Ｔリンパ球が、ＰＥ結合体化ＣＤ３抗体を用いて蛍光的に標識された
。細胞懸濁物、ＤＥＰシグナル、電圧および流体の流れの条件は、図４０Ａ〜４
０Ｂに関する条件と同じであった。
【図４１Ｃ】 （Ａ）４０ｋＨｚのＤＥＰフィールドに引き続き、５ｋＨｚのフィールドによ
り、Ｔリンパ球からのヒト乳癌ＭＤＡ−４３５細胞の分離を示しているＤＥＰ−
ＦＦＦフラクトグラム（詳細については、方法および材料を参照のこと）。 （Ｂ）１５ｋＨｚと３５ｋＨｚとの間で変わるＤＥＰフィールドに引き続き、
５ｋＨｚのフィールドにより、Ｔリンパ球からのヒト乳癌ＭＤＡ−４３５細胞の
分離を示しているＤＥＰ−ＦＦＦフラクトグラム。 （Ｃ）カウンタープロットは、図４１Ａにおける分離に関するＤＥＰ−ＦＦＦ
チャンバに存在する細胞について蛍光レベル対溶出時間を示す。 （Ｄ）カウンタープロットは、図４１Ｂにおける分離に関するＤＥＰ−ＦＦＦ
チャンバに存在する細胞に関する蛍光レベル対溶出時間を示す。同定を可能にす
るために、Ｔリンパ球が、ＰＥ結合体化ＣＤ３抗体を用いて蛍光的に標識された
。細胞懸濁物、ＤＥＰシグナル、電圧および流体の流れの条件は、図４０Ａ〜４
０Ｂに関する条件と同じであった。
【図４１Ｄ】 （Ａ）４０ｋＨｚのＤＥＰフィールドに引き続き、５ｋＨｚのフィールドによ
り、Ｔリンパ球からのヒト乳癌ＭＤＡ−４３５細胞の分離を示しているＤＥＰ−
ＦＦＦフラクトグラム（詳細については、方法および材料を参照のこと）。 （Ｂ）１５ｋＨｚと３５ｋＨｚとの間で変わるＤＥＰフィールドに引き続き、
５ｋＨｚのフィールドにより、Ｔリンパ球からのヒト乳癌ＭＤＡ−４３５細胞の
分離を示しているＤＥＰ−ＦＦＦフラクトグラム。 （Ｃ）カウンタープロットは、図４１Ａにおける分離に関するＤＥＰ−ＦＦＦ
チャンバに存在する細胞について蛍光レベル対溶出時間を示す。 （Ｄ）カウンタープロットは、図４１Ｂにおける分離に関するＤＥＰ−ＦＦＦ
チャンバに存在する細胞に関する蛍光レベル対溶出時間を示す。同定を可能にす
るために、Ｔリンパ球が、ＰＥ結合体化ＣＤ３抗体を用いて蛍光的に標識された
。細胞懸濁物、ＤＥＰシグナル、電圧および流体の流れの条件は、図４０Ａ〜４
０Ｂに関する条件と同じであった。
【図４２】 Ｂリンパ球からの単球の分離を示すＤＥＰ−ＦＦＦフラクトグラム。注射シリ
ンジポンプおよび引抜きシリンジポンプを、２ｍＬ／分および１．９ｍＬ／分で
それぞれ作動した。フローサイトメトリーによる単球およびＢリンパ球の同定は
、これらをＰＥ−ＣＤ１４抗体およびＦＩＴＣ−ＣＤ１９抗体でそれぞれ予め標
識することによって可能になった。細胞懸濁物およびＤＥＰフィールド条件は、
ＤＥＰフィールドが２０ｋＨｚと４０ｋＨｚとの間にわたること以外は、図４０
Ａ〜図４０Ｂと同じであった。
【図４３】 血液からの白血球のＤＥＰ−ＦＦＦ富化の間の溶出時間の関数としての、白血
球（ＣＤ４５+、実線）および赤血球（ＣＤ４５-、破線）についてのフローサイ
トメトリー細胞数。９５％を超える白血球が、１５分と１７．５分との間で溶出
された。白血球：赤血球の比は、１：７００から１：１９へと増加して、３５倍
富化された。ＤＥＰ−ＦＦＦを、注射シリンジポンプおよび引抜きシリンジポン
プをそれぞれ０．５ｍＬ／分および０．４ｍＬ／分で作動しながら、１０ｋＨｚ
ＤＥＰフィールド下で作動した。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年３月１９日（２００２．３．１９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図６Ｆ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２４Ｃ】
【図２５Ａ】
【図２５Ｂ】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１Ａ】
【図４１Ｂ】
【図４１Ｃ】
【図４１Ｄ】
【図４２】
【図４３】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 35/08 Ｇ０１Ｎ 27/26 ３３１Ｚ (72)発明者 ホアン， イン アメリカ合衆国 カリフォルニア 92128， サン ディエゴ， スプリングサイド ロード 11686 (72)発明者 ワン， シャオ−ボ アメリカ合衆国 カリフォルニア 92128， サン ディエゴ， スプリングサイド ロード 11686 (72)発明者 ヤン， ジュン アメリカ合衆国 テキサス 77054， ヒ ューストン， ケンブリッジ アパートメ ント 13−２エイチ 7900 Ｆターム(参考） 2G045 AA24 BA13 FB05 2G058 DA07 EB11 EC08 GA01 4B033 NB02 NB12 ND16

Claims (50)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入口ポートおよび出口ポートを有するチャンバ内の物質を識
    別する方法であって、該チャンバは、一対の側壁、上部壁および底部壁、ならび
    に該チャンバに適合した電極要素によって規定され、該チャンバは厚さより実質
    的に大きな幅を有し、該方法は誘電泳動およびフィールドフロー分別を使用し、
    以下： 該物質を含むキャリア媒体を該入口ポートに導入し、該キャリア媒体が速度プ
    ロフィールに従って該チャンバを通って移動するように、該キャリア媒体を該入
    口ポートから外出口ポートに方向付ける、工程； プログラム化電圧シグナルを該電極要素に印加して、空間的に不均質な電場を
    生成する工程であって、該電場は該チャンバを通って移動している該キャリア媒
    体の方向に対して垂直な成分を有する誘電泳動力を該物質上に生じる、工程；な
    らびに 該物質にかかる該誘電泳動力と重力とが釣り合うように該空間的に不均質な電
    場を制御して、該キャリア媒体の該速度プロフィール内の位置に該物質を移動さ
    せて、該物質を識別する工程、を包含する、 方法。
  2. 【請求項２】 前記プログラム化電圧シグナルが、時間依存性振幅または時
    間依存性周波数を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記プログラム化電圧シグナルが、周波数変調を含む、請求
    項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記プログラム化電圧シグナルが、振幅変調を含む、請求項
    １に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記プログラム化電圧シグナルが、掃引周波数を含む、請求
    項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記プログラム化電圧シグナルが、一連の電圧シグナルを含
    み、該電圧シグナルが異なる波形を有する、請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記異なる波形がシグナル周波数、シグナル振幅、周波数変
    調、または振幅変調において異なる、請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記物質が、前記速度プロフィール内のその変位に比例した
    速度で、前記チャンバを通って移動する、請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記物質が、前記速度プロフィール内のその変位に比例した
    時間間隔で、前記出口ポートから出る、請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記物質が、前記入口ポートから横方向に離れた位置にお
    いて、前記出口ポートから出る、請求項１に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記物質を識別する方法が、連続様式である、請求項１に
    記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記物質を識別する方法が、バッチ様式である、請求項１
    に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 入口ポートおよび出口ポートを有するチャンバ内で、誘電
    泳動およびフィールドフロー分別を使用して、物質を識別する方法であって、該
    チャンバは一対の側壁、上部壁および底部壁、ならびに該チャンバに適合された
    電極要素によって規定され、該チャンバは厚さより実質的に大きな幅を有し、該
    方法は、以下： キャリア媒体を該入口ポートから該チャンバに導入する工程； 該物質を該入口ポートに導入する工程； 輸送流体を該入口ポートに導入し、そして該輸送流体が速度プロフィールに従
    って該チャンバを通って移動するように、該輸送流体を該入口ポートから該出口
    ポートに方向付ける工程； プログラム化電圧シグナルを該電極要素に印加して、空間的に不均質な電場を
    生成する工程であって、該電場は該チャンバを通って移動している該輸送流体の
    方向に対して垂直な成分を有する誘電泳動力を該物質上に生じる、工程；ならび
    に 該物質にかかる該誘電泳動力と重力とが釣り合うように該空間的に不均質な電
    場を制御して、該輸送流体の該速度プロフィール内の位置に該物質を移動させて
    、該物質を識別する工程、を包含する、 方法。
  14. 【請求項１４】 前記物質が、前記速度プロフィール内のその変位に比例し
    た速度で、前記チャンバを通って移動する、請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記物質が、前記速度プロフィール内のその変位に比例し
    た時間間隔で、前記出口ポートから出る、請求項１３に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 一対の側壁、上部壁および底部壁によって規定されるチャ
    ンバ内で、誘電泳動およびフィールドフロー分別を使用して物質を識別する方法
    であって、該方法は、以下： 該物質を含むキャリア媒体を該チャンバの入口ポートに導入し、そして該キャ
    リア媒体を、該入口ポートから、該上部壁および底部壁にそれぞれ連結された上
    部出口ポートおよび底部出口ポートに向かって方向付ける工程； 電気シグナルを該チャンバに連結された電極要素に印加し、空間的に不均質な
    電場を生成して、該チャンバを通って移動している該キャリア媒体の方向に対し
    て垂直な成分を有する誘電泳動力を該物質上に生成する、工程； 該物質にかかる該誘電泳動力と重力とが釣り合うように該空間的に不均質な電
    場を制御して、該物質を該チャンバ内の異なる高さまで移動させ、該物質を識別
    する工程； 該キャリア媒体の第１の部分を、該上部出口ポートから除去する工程；ならび
    に 該キャリア媒体の第２の部分を、該底部出口ポートから除去する工程、を包含
    する、 方法。
  17. 【請求項１７】 前記物質の少なくとも一部分が、前記底部出口ポートから
    除去される、請求項１６に記載の工程。
  18. 【請求項１８】 前記物質の少なくとも一部分が、前記底部出口ポートから
    除去される、請求項１６に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記キャリア媒体が、第１の流体流速で前記入口ポートに
    導入され、前記第１の部分が第２の流体流速で除去され、そして該第２の流体流
    速が、該第１の流体流速以下である、請求項１６に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記キャリア媒体が、第１の流体流速で前記入口ポートに
    導入され、前記第１の部分が、該第１の流体流速の約半分に等しい第２の流体流
    速で除去される、請求項１６に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記第１の部分が第１の流体流速で除去され、そして前記
    第２の部分が第２の流体流速で除去される、請求項１６に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記第１の流体流速および第２の流体流速を、少なくとも
    １つの前記上部出口ポートまたは底部出口ポートの流体圧を減少するように変え
    る工程をさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記第１の流体流速および第２の流体流速を変えて、前記
    物質をさらに識別する工程をさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記第１の部分または前記第２の部分が、シリンジポンプ
    で除去される、請求項１６に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記識別する方法が、連続様式である、請求項１６に記載
    の方法。
  26. 【請求項２６】 前記識別する方法が、バッチ様式である。請求項１６に記
    載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記キャリア媒体が前記チャンバの中心においてより速く
    移動するような速度プロフィールに従って、該キャリア媒体が該チャンバを通っ
    て移動する、請求項１６に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記速度プロフィールが放射状である、請求項２７に記載
    の方法。
  29. 【請求項２９】 前記キャリア媒体が、プラグ様プロフィールに従って、前
    記チャンバを通って移動する、請求項１６に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 前記電気シグナルがプログラム化電圧シグナルを含む、請
    求項１６に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 前記チャンバが、厚さより実質的に大きい幅を有する、請
    求項１６に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 一対の側壁、上部壁および底部壁によって規定されるチャ
    ンバ内で、誘電泳動およびフィールドフロー分別を使用して物質を識別する方法
    であって、該方法は、以下： 該物質を含むキャリア媒体を該チャンバの入口ポートに導入し、そして該キャ
    リア媒体を、該入口ポートから、該上部壁および底部壁にそれぞれ連結された上
    部出口ポートおよび底部出口ポートに向かって方向付ける工程； 電気シグナルを該チャンバに連結された電極要素に印加し、空間的に不均質な
    電場を生成して、該キャリア媒体の方向に対して垂直な成分を有する誘電泳動力
    を該物質上に生成する、工程； 該物質にかかる該誘電泳動力と重力とが釣り合うように該空間的に不均質な電
    場を制御して、該物質を該チャンバ内の異なる高さまで移動させ、該物質を識別
    する工程； 該キャリア媒体の第１の部分を、第１の流体流速で該上部出口ポートから除去
    する工程；ならびに 該キャリア媒体の第２の部分を、第２の流体流速で該底部出口ポートから除去
    する工程、を包含する、 方法。
  33. 【請求項３３】 前記第１の流体流速および第２の流体流速を制御して、前
    記物質をさらに識別する工程をさらに包含する、請求項３２に記載の方法。
  34. 【請求項３４】 前記チャンバに連結された検出器で、識別された物質を検
    出する工程をさらに包含する、請求項３２に記載の方法。
  35. 【請求項３５】 前記キャリア媒体が第３の流体流速で前記入口ポートに導
    入され、そして前記第１の流体流速が、該第３の流体流速以下である、請求項３
    ２に記載の方法。
  36. 【請求項３６】 前記キャリア媒体が第３の流体流速で前記入口ポートに導
    入され、そして前記第１の流体流速が、該第３の流体流速の約半分である、請求
    項３２に記載の方法。
  37. 【請求項３７】 前記識別する方法が連続様式である、請求項３２に記載の
    方法。
  38. 【請求項３８】 前記識別する方法がバッチ様式である、請求項３２に記載
    の方法。
  39. 【請求項３９】前記電気シグナルが、プログラム化電圧シグナルを含む、請
    求項３２に記載の方法。
  40. 【請求項４０】 入口ポートおよび出口ポート、中心部および一対の側壁、
    ならびに電極要素を有するチャンバ内で、同定された物質の存在によって示され
    る患者の状態を処置するための方法であって、該チャンバは厚さより実質的に大
    きな幅を有し、該方法は誘電泳動およびフィールドフロー分別を使用し、以下： 該同定された物質を含む該患者のサンプルを、該入口ポートに導入する工程； 輸送流体をダクトに導入し、該チャンバ内の速度プロフィールに従って流体の
    流れを生じさせる工程； 該同定された物質の保持周波数で、少なくとも１つの電気シグナルを該電極要
    素に印加して、空間的に不均質な電場を生成し、該流体の流れの方向に対して垂
    直な成分を有する誘電泳動力を該同定された物質上に生成する、工程； 該同定された物質を、該電極要素に密接して保持する工程； 該同定された物質を含まない該サンプルを、該速度プロフィールに従う速度で
    、該輸送流体によって輸送する工程、ならびに 該同定された物質を含まない該サンプルを、該出口ポートで回収し、従って該
    状態を処置する、工程、を包含する、 方法。
  41. 【請求項４１】 前記同定された物質を前記出口ポートで回収する工程をさ
    らに包含する、請求項４０に記載の方法。
  42. 【請求項４２】 前記電気シグナルがプログラム化電圧シグナルを含む、請
    求項４０に記載の方法。
  43. 【請求項４３】 入口ポートおよび出口ポート、中心部および一対の側壁、
    ならびに電極要素を有するチャンバ内で、患者のサンプル中の同定されていない
    物質の存在を決定することによって、状態を診断するための方法であって、該チ
    ャンバは厚さより実質的に大きな幅を有し、該方法は誘電泳動およびフィールド
    フロー分別を使用し、以下： 該同定されていない物質を含むキャリア媒体を該入口ポートに導入し、該キャ
    リア媒体を、速度プロフィールに従って、該チャンバを通して移動させる工程； 既知の物質の保持周波数で、該電極要素に少なくとも１つの電気シグナルを印
    可して、該チャンバを通って移動している該キャリア媒体の方向に対して垂直な
    成分を有する誘電泳動力を該物質上に生成する、工程；ならびに 該同定されていない物質が該電極要素に密接して保持されているか否かを決定
    し、該状態を示す、工程、を包含する、 方法。
  44. 【請求項４４】 前記電気シグナルがプログラム化電圧シグナルを含む、請
    求項４３に記載の方法。
  45. 【請求項４５】 物質を識別するための装置であって、以下： 上部壁および底部壁によって規定されるチャンバ； 該上部壁に連結された上部出口ポート； 該底部壁に連結された底部出口ポート； 該チャンバに連結され、そして該上部出口ポートおよび底部出口ポートと間隔
    の開いた関係にある、入口ポート； 該チャンバに連結された電極要素；ならびに 該上部出口ポートまたは底部出口ポートの少なくとも１つと操作的関係にある
    、検出器、を備える、 装置。
  46. 【請求項４６】 前記入口ポートと操作的関係にある注入バルブをさらに備
    える、請求項４５に記載の装置。
  47. 【請求項４７】 前記上部壁と前記底部壁との間に位置するスペーサーをさ
    らに含み、該スペーサーが前記チャンバ内のオープンチャネルを規定する、請求
    項４５に記載の装置。
  48. 【請求項４８】 前記検出器がフローサイトメーターを備える、請求項４５
    に記載の装置。
  49. 【請求項４９】 前記電極要素が微小電極のアレイを備える、請求項４５に
    記載の装置。
  50. 【請求項５０】 物質を識別するための装置であって、以下： 上部壁および底部壁によって規定されるチャンバ； 該チャンバに連結された出口ポート； 該チャンバに連結され、該出口ポートと間隔のあいた関係にある、入口ポート
    ； 該チャンバに連結され、空間的に不均質な電場を生成して該物質上に誘電泳動
    力を生成するように構成された、電極要素；ならびに 該チャンバに連結され、該チャンバと一体の検出器を規定する、２つ以上のセ
    ンシング電極要素、を備える、 装置。
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