JPH0356842A

JPH0356842A - 微粒子の分離方法およびその分離装置

Info

Publication number: JPH0356842A
Application number: JP1191911A
Authority: JP
Inventors: Akira Mizuno; 彰水野; Sunao Nagahama; 長濱　直
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1989-07-25
Filing date: 1989-07-25
Publication date: 1991-03-12
Anticipated expiration: 2009-11-09
Also published as: JPH0687953B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】｛産業上の利用分野〕この発明は、細胞、細菌、血球、タンパク粒子、ポリマ
ーラテンクス、セラミック微粒子などの微粒子を、その
電荷、誘電率、体積、屈折率、吸収率などの物理量に応
じて分離することのできる微粒子の分離方法およびこの
分離方広を実施するための分離装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、このような微粒子の分離方法の１つに、電気泳動
法がある。この方広は荷電微粒子の媒質中での電気的移
動度の差を利用して荷電微粒子の分離を行うもので、タ
ンパク質やアミノ酸の分離などに用いられている。

また、特に細胞などを分離、分別する方広として、フロ
ーサイトメトリーが知られている。このものは細胞など
を懸濁させた媒質を極細の細流とし、この細流をオリフ
ィスから岐滴として滴下する際に、液滴に電界を作用さ
せて液滴の物理量に応して滴下位置を変化させ、これに
より細抱等を分離するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、電気泳動広によるものでは、分離精度が
低《、また分離に長時間を要する不都合かある。また、
フローサイトメトリーでは、液滴化か必須であり、応用
範囲、適用範囲が限られる問題がある。

よっ”Ｃ、この発明では分離精度が高くかつ分離時間が
短時間であり、適用範囲が広範囲にわたる微粒子の分離
方法およびその装置を提供することを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明では、微粒子を分敗Ｌ７た媒質にレーザ光を入
射するとともに該媒質にレーザ光入射方向と同一方向成
分を有する電界をレーザ光軸上で形成することにより、
上記課題を解決するようにした。

こ作　用〕微粒子を分散させた媒質中にレーザ光を入射すると、レ
ーザ光の光軸上に微粒子が閉じ込められるとともにレー
ザ光の入射方向に微粒子が光圧力を受けて移動する。こ
の光圧力は１ノ−ザ光の強度、微粒子の光吸収率、粒子
径等によりて左右される。

この際、同時にレーザ光の光軸上に電界を印加すること
によって、微粒子には同時に電気力が作用し、その電気
力の方向にも微粒子が移動する。この電気力は微粒子の
電荷量、双暎モーメント等に左右される。したがって、
レーザ光の強度、電界の強度、およびその向きを変化さ
せることにより、微粒子の有する物理量に応じた移動量
を伴って微粒子をレーザ光軸上に移動させることができ
、微粒子の分離を行うことができる。

以下、この発明を詳細に説明する。

第１図は、この発明の分離装置の一例を模式的に示すも
のである。第１図中符号１はセルである。

このセル１はガラス、プラスチックなどから作られてお
り、その内部にはセル１内の空間を二分するように仕切
部材２が設けられている。この仕切部材２はプラスチソ
クなとの絶縁材料からなる板状のもので、その中央部に
はピンホール状の円形の小孔（空隙）３が穿けられてい
る。この小孔３の径は１０〜２００μｍ程度である。ま
た、セルｌの相対向する内面にはそれぞれアルミニウム
などの金属膜からなる１対の電極４，４が設けられてい
る。これらの電極４，４のほぼ中央部には分離用レーザ
光Ａを通すための窓５，５が形或されており、これら窓
５，５と仕切部材２の小孔３とが一直線上に正確に並ぶ
ようにその位置が定められている。ｌ対の電極４，４間
の間隔は約２１１１１１程度となっている。

マタ、セル１の外部には、アルゴンレーザ、ＹＡＧレー
ザなどの分離用レーザ光源６が設け与れており、この分
離用レーザ光源６からの分離用レーザ（’Ｑ　Ａがセル
１の壁を通過し、窓５、小孔３および窓５を通るように
なっている。さらに、１対の電極４，４は図示しない直
！Ｍ．電源に接続されている。

そして、セル１内の仕切部材２で二分された空間のうち
、分離用レーザ光源６側の領域は供給エリヤ７とされ、
これの反対側は回収エリヤ８とされでいる。

次に、この装置によって微粒子を分離する方広を説明す
る。

まず、セル１の供給エリヤ７に、微粒子を分散した媒質
を供給する。ここでの媒質としては、水、水溶液、有機
溶剤、有機溶剤溶液などが用いられる。また、回収エリ
ヤ８には微粒子を含まない媒質を供給しておく。

次に、１対の電極４．４間に直流電圧を印加し、電極４
．４間に電界を形戊する。この時、微粒子の電荷が負の
場合は供給エリヤ７側の電極を正極に、回収エリヤ８側
の電極を負極となるように電源に接続する。微粒子の電
荷が正の場合には、これと反対の極性となることは言う
までもない。

この極性の電界の形戎により、供給エリヤ７に存在する
微粒子は供給エリヤ７側の電極４の方向に引かれ、仕切
部材２の小孔３を通って回収工リャ８に拡散することが
防止される。電極４，４間の印加電圧は数Ｖ程度でよい
。この電圧印加によって、仕切部材２が絶縁材料か占な
るのでＷｍは小孔３に集中した状態となって高電界が低
印加電圧で得られる。

この電圧印加と同時に分離用レーザ光諒６からの分離用
レーザ光Ａをセル１の一方の窓５から入射し、供給エリ
ヤ７、小孔３、回収エリヤ８を通り、池方の窓５に導く
。分離用レーザ光Ａの強度は七述のように微粒子の分離
度合と関係するので、特に限定されないが、微粒子が細
胞なとの生物である場合は、そのダメージを避けるため
１００ｍＷ以下が好ましいが無機粒子や高分子粒子では
ＩＷ程度までの出力を適用することもできる。

このＥＩＩ印加と分離用レーザ光Ａの入射とによって、
供給エリヤ７中に分散している微粒子は分離用レーザ光
Ａの光軸方向の閉じ込め力を受けてレーザ光Ａの光軸上
に移動し、かつレーザ光Ａの光圧力を受けて同光軸上を
レーザ光Ａの入射方向側か占出射方向側に向けて移動し
ようとする。

これと同時に微粒子には直流電界による電気泳動力が作
用する。この電気泳動力の向きは、微粒子の電６ｉｆの
正負および電極４，４の極性によって定まり、供給エリ
ヤ７側に向く力が作用する場合と、回収エリヤ８側に向
く力が作用する場合とがあり、微粒子はしたかって電気
泳動力を受けて［共給エリヤ７側あるいは回収エリヤ８
側に向けて移動しようとする。

この状應て、分離用レーザ光Ａの強度と電極４４の極性
ならひに印加電圧をそれぞれ制御し、微粒子に作用する
光圧力と電気泳動力およびその向きを変化させることに
より、レーザ光Ａ光軸上での微粒子の移動を制御させる
ことかでき、微粒子を供給エリヤ７から回収エリヤ８に
移送することもできれば、小孔３上に停止させておくこ
ともでき、また供給エリヤ７内にそのままとどめておく
こともできる。微粒子に作用する先圧力が電気床動力よ
りも大きい場合、電気泳動法の向きが供給エリヤ７側の
向きであればそれらの力の差に応じた移動速度で微粒子
が回収エリヤ７の方へ移動し、また電気泳動力の向きが
回収エリヤ８側の向きであればそれらの力の和に応じた
移動速度で微粒子が回収エリヤ７の方へ移動する。また
、微粒子に作用する光圧力が電気床動法よりも小さい場
合、電気泳動力の向きが供給エリヤ７側の向きであれば
、それらの力の差に応じた移動速度で微粒子が供給エリ
ヤ７側に移動し、電気泳動力の向きが回収エリヤ８側の
向きであれば、それらの力の和に応じた移動速度で回収
エリヤ８側に移動する。

したかって、異種の微粒子が複数種分散している媒質を
セル１内の供給エリヤ７に供給すれば、ある特定の微粒
子のみをそれが有する物理量に対応した移動量で回収エ
リヤ８側に移送することができ、微粒子の分離が行える
。また、１種の微粒子のみを分散した媒質を供給すれば
、微粒子を１個ずつ回収エリヤ８側に移送し、分散する
こともてきる。

また、１対の電極４，４間に交流を印加しても同様に微
粒子の分離が可能である。微粒子に交流電界が印加され
ると、微粒子に誘電泳動力が働く。

この誘電泳動力は、微粒子に生じた電気双極モーメント
とその体積と電界の強さによって定まり、その力の向き
は微粒子の誘電率が媒質の誘電率より大きい場合は強電
界方向に向かい、微粒子の誘電宇が媒買のそれより小さ
い場合は弱電界方向に向かう。

したがって、直流印加の場合の電気泳動力に代えて、交
流印加の場合には誘電泳動力を用いることにより、同様
の取り扱いを行うことができる。

また、電極４，４間に交直重畳電圧を印加してもよい。

この場合は、微粒子に直流分による電気泳動力と交流分
による誘電泳動力とが同時に働くことになる。

印加電圧として、交ｔＴＬ電圧あるいは交直重畳電圧を
用いる場合には、セルｌ中の媒質の電気分解が生じない
点で好ましい。

なお、微粒子の分離用レーザ光ｔ〜の光軸上での移動に
際しては、当然微粒子と媒質との間の粘性に基づく粘性
力が移動方向の反対方向に働き、この粘性力も電気泳動
力および光圧力と同様に微粒子の移動を決める要素とな
りうるが、実際の操作では、この粘性力を加味して分離
用レーザ光Ａの光強度、印加電圧の向きおよび強さを設
定すればよく、特に微粒子の分離には問題となることは
ない。

第２図に示した装置は、上述のようにして分離された微
粒子を分取する際に用いられるものの一例である。

この装置は、セル１の回収エリヤ８に２つの分取口９，
９を形成し、この分取口９，９に向けて分取用レーザ光
源１０，１．０からの分取用レーザ光Ｂ，Ｂを回収エリ
ヤ８の分離用レーザ光Ａとそれぞれ交差して入射するよ
うに構戊されている。

この装置では、上述のように分離用レーザ光Ａの強度お
よび印加電圧ならびにその極性を調節して微粒子をレー
ザ光Ａの光軸上を回収エリヤ８側に移動させる。この微
粒子の移動中において、微粒子が発する散乱光や蛍光を
観察、計測して微粒子を固定、識別し、その微粒子が分
取したいものであれば、分取用レーザ光源１０からの分
取用レーザ光Ｂの強度を分離用レーザ光Ａのそれよりも
大きくする。これにより、分離用レーザ光Ａに乗ってそ
の先軸上を移動してきた微粒子は分離用レーザ光Ａと分
取用レーザ光Ｂとが交差する交差点で先強度の強い分別
用レーザ光Ｂに乗り移り、回収エリヤ８から分取口９を
経て分取されることになる。この際、図示したように２
つの分取用レー廿光Ｂ，　　Ｂを用いれば２種の微粒子
を分取することかでき、当然２つ以」二の分取用レーザ
光Ｂ・を用いれば２種以上の微粒子を分取できる。また
、交差点をｌ点とし、交差角度を変えて２以上の分取用
レーザ光Ｂ・・・を照射するようにしてもよい。

また、第１図および第２図に示した装置において、供給
エリヤ７の一端部に微粒子を分散した媒質を連続的に供
給し、供給エリヤ７の他端部から媒質のみを連続的に排
出し、連続的に微粒子の分離を行うことも司能である。

さらに、仕切部材２の小孔３に代えて、開き幅の狭いス
リ，トを用いてもよい。

第３図は、この発明の分離装置の他を示すちので、第１
図に示した基本型を多段に重ねたちのである。

この装置は、セル１内に４つの仕切部材４・・か設けら
れ、これによって回収エリヤが第１の回収エリヤから第
４の回収エリヤ８ａ，８ｂ，８ｃ？ｄに細分されている
。また、５つの電極４．４・・・が供給エリヤ７および
各回収エリヤ８　ａ，　　８　ｂ，・・のそれぞれにお
いて分離用レーザ光Ａの光軸をはさんで対峙した状態で
設けられており、これらの電極４．４・・・間には、図
示のように抵抗ＲＲ，，Ｒ，，Ｒ，およびコンデンサＣ
．．Ｃ，Ｃ３，Ｃ４を並列に接続して１つの電源１１に
接続されている。

また、各回収エリヤ８ａ，３ｂ，・・・には、それぞれ
分取口９，９・・・が設けられ、これに対応して分取用
レーザ光源１０．１０・・・からの分取用レーザ光Ｂ，
Ｂ・が各回収エリヤ８ａ，３ｂ，・・・に人射するよう
に構或されている。さらに、この例の装置では各仕切部
材２．２・・・間の間隙を数十μｍ程度と狭くすること
もできる。

この装置では、電源１１に直流電源を用いれば、各抵抗
Ｒ，，Ｒ，，・の抵抗値に応じた直流電圧がそれぞれ各
電極４■　４・・・間に印加され、交流電源を用いれば
各コンデンサＣ．，Ｃ．，・・・の容量値に応じた交流
電圧がそれぞれ印加され、それぞれの抵抗値あるいは容
量値を調節することによって各電極４，４・・・間への
印加電圧を調節することができる。勿論、電極４，４・
・・・・・間毎に別々に電源を接続してもよい。

この装置によれば、第１の回収エリヤ８ａが次段の供給
エリヤ７として機能し、第２の回収エリヤ８ｂがさらに
次の段の供給エリヤ７として働き、微粒子の分離が多段
に行われることになる。この際、後段に行くにしたがっ
て微粒子の移動できる条件を厳し《設定すれば、各段毎
に微粒子を分離することができ、先の第２図に示したも
のと同様にこれらの微粒子を各段毎に分取することかで
きる。

このような微粒子の分離方法によれば、分離用レーザ光
Ａの光軸上での電界強度を正確に求めることができるの
で、高精度の分離が可能である。

また、微粒子が光軸上に閉じ込められて移動するので、
媒質の対流や流動等によって微粒子の移動が乱されるこ
とがほとんどなく、外部からの撹乱に対する許容度が大
きいものとなる。さらに、分離用レーザ光Ａの光圧力と
電気力とによって微粒子の移動が決められるので、微粒
子分離のための条｛′｝；の選択範囲が広くなり、多種
の微粒子を分離でき、適用範囲が広範囲となる。

また、この発明の方法あるいは装置によって分離された
微粒子はセル１内の回収エリヤ８においてその分析を行
うこともできる。例えば、細菌、ｔ′ｌＴＩ　Ｑａ　ｌ
どの場合にはこれらを予め蛍光色素で特異的に染色して
おき、分離された細菌、細胞などからの蛍光を計測しｔ
；り、あるいは吸光度を副定した・）して分析を行うこ
とができる。また、電気抵抗の変化からも微粒子の分析
が行える。

このように、この発明は、タンパク、細胞、細泊、血球
、ウィルスなどの分離はもとより、ボリマーラテノクス
などの高分子微粒子やセラミック微粒子、金属微粒子、
ガラス微粒子などの分離、分ｊ及なとにも適用できる。

さ与に、この発明の装置を無重力下あるいは微小ｆｆｌ
力下Ｕｌえば、スベースンヤトル，スペースラポなど）
に設置し、重力の作用しない場で分離操作を行うことも
でき、この場合、重力が無視できない比較的重量の大き
な微粒子の分離に有利となる。

以下、実施例を示してこの発明を具体的に説明する。

（実施例）第１図に示した装置を作或した。セル１は厚さ１ｍｍの
ガラス板を貼り合わせて作り、電極４．４にはアルミニ
ウム膜を使用し、電極４，４間の距離を２ｍｌＩ１とし
た。仕切部材２には、厚さ１００μｍのボリプロビレン
からなるシートを用い、開き幅が１５０μｍのスリソト
を形成した。分離用レ−ｆ光１６には出力可変型のアル
ゴンレーザを使った。

微粒子として、径５〜８μｍのイースト閑を用い、これ
を純水に分散したものを分離用試料とした。

供給エリヤ７側の電極４を陽極に、回収エリヤ８側の電
極５を陰極になるように直流電源に接続し、直流２ｖを
印加した状態で、分離用試料をセルｌの供給エリヤ７に
マイクロビベノトで注入し、純水を回収エリヤ８に供給
した。ついで、イースト閑の挙動を観察するために、出
力１０ｍＷ未満の弱いレーザ光を入射し、この時のセル
１内の状況をセル１の上方から顕微鏡を介してビデオカ
メラて｛最杉し、観察した。

この映１象を第４図に模式的に示す。図中矢印はレーザ
光の入射位置を示し、符号１２はスリノト、２は仕切部
材、７は供給エリヤ、８は回収エリヤを示す。図中供給
エリヤ７において一例にならんでいる多数の点状物Ｍは
、イースト菌にレーザ光か昭Ｑ；ｉされて散乱した散乱
先を示し、イースト（？｛の存在を示す。したがって、
実物のイースト菌よりも大きく映っている。第４図に示
した状態ではレーザ光が弱いので、イースト閑は電気泳
動力で｛Ｒ　’４Ｑエリヤ７にのみ存在し、回収エリヤ
８に拡散してゆかないことがわかる。

次に、印加電圧をＩ■に降下するととちにレーザ光源の
出力を８０ｍＷに上昇し、分離田レーザ，＼とした時の
イースト閑の移動の状１兄を、レーザ光源の出力を上昇
した時を起点として４秒おきに撮影したものを第５図な
いし第８図に示した。第５図は時間Ｏ秒のものを、第６
図は時間４秒のものを、第７図は時間８秒のものを、第
８図は時間１２秒のものをそれぞれ示す。

時間０秒（第５図）では、イースト菌はまた供給エリヤ
７に存在し、そのうちのいくつかがスリ，トｌ２に近づ
いている。

時間４秒（第６図）では、イースト閑のうちの先頭のも
のがスリットｌ２の間に入り、他のイースト閑もこれに
つづいている。時間８秒（１７図）では先頭のイースト
菌かスリノトｌ２を通り抜け、時間１２秒（第８図）に
は完全に供給エリヤ８に移動している。そして、このイ
ースト閑の移動は分離用レーザ光Ａの光軸上で行われて
いることがわかる。

イースト菌に働くスリノト１２付近での電気泳動力は、
移動速度から求めると１．５Ｘ１０Ｎであり、その向き
は洪給エリヤ７側であった。

また、分離用レーザ光Ａ（出力８０ｍＷ）の光圧力は７
．５Ｘ１０−目Ｎであった。

この実験より、イースト閑の分離を数十秒の短時間で行
えることが確之された。さ５に、イースト閑を１個ずつ
回収エリヤ８に取り出すことが可能てあることも確認さ
れた。

〔発明の効果〕

以Ｌ説明したように、この発明の微粒子の分離方法は微
粒子を分散した媒質にレーザ光を入躬するとともに該媒
質にレーザ光入射方向と同一方向成分を膏する電界をレ
ーザ光軸上で形成するものテアリ、またその分離装置は
セルと、このセル内の空間を、微粒子を分散した媒質を
収容する供給エリヤと分離された微粒子を回収する回収
エリヤとに分けるとともに、レーザ光を通過させる空隙
が形デ戊された絶縁材料からなる仕切部材と、この仕切
部材の空隙に電気力線を通過させるように電界を印りロ
する電極を有するものであるので、微粒子を高精度で、
かつ短時間で分離することができ、しかも媒質の対流な
どの外乱を受けることなく分離が円能である。また、微
粒子の種類として多岐にわたるものが適用可能であり、
応用範囲か極めて広いものとなるなどの効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はいずれもこの発明の分離装置の例
を示す概略構成図、第４図ないし第８図は実施例において観察されたイース
ト閑の移動の状浣を模式的に示す説明図である。１・・・セル　２・・・・・・仕切部材、３・・・・・
小孔、４・・・・電極、Ａ　　分離用レーザ光、７・・
・・供給工【ノヤ、８・・・・・・回収エリヤ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）微粒子を分散した媒質にレーザ光を入射するとと
もに該媒質にレーザ光入射方向と同一方向成分を有する
電界をレーザ光軸上で形成することを特徴とする微粒子
の分離方法。
（２）セルと、このセル内の空間を、微粒子を分散した媒質を収容する
供給エリヤと分離された微粒子を回収する回収エリヤと
に分けるとともに、レーザ光を通過させる空隙が形成さ
れた絶縁材料からなる仕切部材と、この仕切部材の空隙に電気力線を通過させるように電界
を印加する電極を有することを特徴とする微粒子の分離
装置。