JP2007175684A - 微粒子の濃縮・分級のための流路構造および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな粒子を回収する際にも小さな粒子が含まれることなく回収することができる、微粒子の濃縮・分級機構およびその装置を提供する。
【解決手段】流路１１の側面における１つ以上の分岐点１７と、分岐点において前記流路に接続され、長さ、幅、深さ、径などのスケールのうちいずれか１つ以上が適当に調節された分岐流路１２を１つ以上有する流路構造を用い、前記流路に、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分かれるように導入し、前記分岐点において、一定の大きさ以上の粒子は前記分岐点において前記分岐流路に導入されないようにし、一定の大きさ以下の粒子は前記流路の下流へと導入されないようにすることにより、導入した全ての一定の大きさ以下の粒子を含む流体、もしくは一定の大きさ以上の粒子を全く含まない流体を前記分岐流路から回収し、一定の大きさ以上の粒子の濃度が高くなった流体を前記流路の下流から回収する。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、微粒子の濃縮・分級方法に関し、さらに詳細には、動植物細胞、オルガネラ、微生物、エアロゾル、セラミック粒子、ポリマー粒子、エマルション、無機粒子、金属ナノ粒子などの粒子を濃縮し、分級する際に用いて好適な微粒子の濃縮・分級方法に関する。

一般に、動植物細胞、オルガネラ、微生物などの粒子を濃縮・分級する方法は、基礎研究のみならず、血液からの造血幹細胞の分離・濃縮といった医学分野や、環境中に存在する菌の分離などの分野において重要である。

また、エアロゾル、セラミック粒子、ポリマー粒子、エマルション、無機粒子、金属ナノ粒子などの粒子を濃縮・分級する方法は、化学工学、粉体工業、電子産業、精密機械工業などの分野において重要である。

従来の微粒子を分級する技術としては、例えばフローサイトメトリーを利用した分離方法があり、他にも一般的に、遠心分離法、沈降分離法、静電気を用いた分離方法、フィルトレーション、フィールドフローフラクショネーションなどが知られている。

しかし、フローサイトメトリーでは対象となる粒子を蛍光でラベルする必要があり、また、大量処理が困難であり、複雑な装置が必要となるといった問題点があった。

また、遠心分離法、沈降分離法、静電気を用いた分離方法では、一度に大量の粒子を処理することが可能である反面、分級精度が低い、粒径が極めて小さいものを分離することが困難である、などといった問題点があった。

また、フィルトレーション、フィールドフローフラクショネーションでは、分級精度は高いが、分離する際に時間が多くかかってしまう、一度に大量処理ができない、連続的な操作ができない、といった問題点があった。

また近年、微細加工技術を用いて作製した流路構造を持つ、マイクロ流路デバイスでの微粒子の分級・濃縮方法が提案されており、この方法では重力、遠心力、電場、磁場などの外部からの力を用いることなく、粒子を含んだ流体をある特定の流路構造に導入するだけで、粒子を大きさによって分離することが可能である。
特願２００５−２３２５９０

しかしながら、これらの方法では粒子を含む流体のみを導入するということで、導入した全ての粒子を回収することができず、また、小さな粒子のみを回収することは可能であるが、大きな粒子を回収する際には小さな粒子が含まれてしまうという問題点がある。

発明が解決する課題

本発明は、従来の技術の有する上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、動植物細胞、オルガネラ、微生物、エアロゾル、セラミック粒子、ポリマー粒子、エマルション、無機粒子、金属ナノ粒子などを分離する際、粒子を認識することなく、迅速かつ大量に分離することができ、導入した全ての粒子を回収することができ、大きな粒子を回収する際にも小さな粒子が含まれることなく回収することができる、微粒子の濃縮・分級機構およびその装置を提供するものである。

課題を解決するための手段

上記目的を達成するため、本発明は、途中に少なくとも１つの分岐流路を持つ流路に、粒子を含む流体と粒子を含まない流体を連続的に導入した際、流路の下流または分岐流路の下流へと導入される流量は、それぞれの流路の幅、長さ、深さ、径などにより決定され、さらに粒子の挙動は流路の大きさと流体の分配比によって支配されるということに着目してなされたものである。

本発明のうち請求項１に記載の発明は、所定の方向に延長される流路Ａと、流路Ａの側面における１つ以上の分岐点と、前記分岐点において前記流路Ａに接続され、長さ、幅、深さ、径などのスケールのうちいずれか１つ以上が適当に調節された分岐流路を１つ以上有する流路構造を用い、前記流路Ａの一端から、流体を連続的に導入する際、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分かれるように導入することにより、前記分岐点において、ある一定の大きさ以上の粒子は前記分岐点において前記分岐流路に導入されないようにすることができ、ある一定の大きさ以下の粒子は前記流路Ａの下流へと導入されないようにすることができるため、導入した全てのある一定の大きさ以下の粒子を含む流体、もしくはある一定の大きさ以上の粒子を全く含まない流体を前記分岐流路から回収することができ、ある大きさ以上の粒子の濃度が高くなった流体を前記流路Ａの下流から回収することができる、というものである。

従って、本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、粒子を含む流体と含まない流体を流路構造内に連続的に導入させることにより、ある一定以上の大きさの粒子の濃度が、導入前の流体中の粒子濃度と比較して高くなった流体と、ある一定以上の大きさの粒子をまったく含まない流体を別々に回収することが可能となる。

さらに、分岐流路のスケールおよび本数を適当に設定することにより、導入した粒子を含む流体の中に含まれる粒子を全て分離・回収することが可能となる。

本発明のうち請求項２に記載の発明は、所定の方向に延長される流路Ａと、流路Ａの側面における複数の分岐点と、前記複数の分岐点それぞれにおいて前記流路Ａに接続され、長さ、幅、深さ、径がどのスケールのうちいずれか１つ以上が適当に調節された分岐流路を１つ以上有する流路構造を用い、前記流路Ａの一端から、流体を連続的に導入する際、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分かれるように導入することにより、前記複数の分岐点のうちの少なくとも１つの分岐点において、ある一定の大きさ以上の粒子は前記分岐点において前記分岐流路に導入されないようにすることができ、ある一定の大きさ以下の粒子は前記流路Ａの下流へと導入されないようにすることができ、また前記複数の分岐点のうちの少なくとも１つの分岐点において、ある一定の大きさ以上の粒子が前記分岐点において前記分岐流路に導入されるようにすることができるため、導入した全てのある一定の大きさ以上の粒子は前記流路Ａの壁側近傍に濃縮され、さらに、前記複数の分岐流路のいくつかから濃縮された粒子を回収することができる、というものである。

従って、本発明のうち請求項２に記載の発明によれば、ある一定の大きさより小さい粒子を分岐流路に導入する一方で、ある一定の大きさ以上の粒子を分岐流路に導入せずに流路Ａの壁面近傍に濃縮することができるため、さらに、下流の分岐流路において、ある一定の大きさ以上の粒子が濃縮された流体を回収することが可能であり、また、導入前に含まれていた全ての粒子を回収する、あるいは取り除くことも可能である。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、前記流路Ａの途中に存在する前記分岐流路は、前記流路Ａの片側断面のみに存在する、というものである。

従って、本発明のうち請求項３に記載の発明によれば、流路Ａの片側の側面のみに分岐点を設けることで、導入した粒子を含む流体と粒子を含まない流体のうち、導入時点で粒子を含んでいた流体の部分を効率的に取り除くことが可能となり、粒子の回収効率を容易に高めることができ、さらに操作も容易になる。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、前記流路Ａに流体を連続的に導入する際、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分かれるように流体を導入する方法として、入り口を複数個設け、少なくとも１つの入り口から粒子を含む流体を、少なくとも１つの入り口から粒子を含まない流体を導入する、というものである。

従って、本発明のうち請求項４に記載の発明によれば、流路Ａの入り口を複数個作製し、それぞれ適当な入り口から粒子を含む流体、あるいは粒子を含まない流体を導入させることにより、簡便に粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分けて流体を流路Ａに導入することが可能である。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、前記流路Ａに流体を連続的に導入する際、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分けて流体を導入する方法として、前記流路Ａに、入口と前記分岐流路との間において一度前記流路Ａから分岐し、かつ前記分岐流路よりも上流において再び前記流路Ａに接続される分岐流路（迂回流路とする）を１つ以上設け、粒子を含む流体を入り口から導入させることにより、ある一定の大きさ以上の粒子を含まない流体、あるいは粒子を全く含まない流体を迂回流路に導入し、前記分岐流路よりも上流で再び前記流路Ａに導入する、というものである。

従って、本発明のうち請求項５に記載の発明によれば、流路Ａの入り口と分岐流路の間に、ある一定以上の大きさの粒子が導入されない迂回流路を設け、その迂回流路を前記分岐点よりも上流で再び流路Ａに合流させることにより、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分けて流体を流路Ａに導入することが可能となるため、複数の入り口を作製し、粒子を含まない溶液を別に用意して導入しなくてもよい。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、前記流路Ａに流体を連続的に導入する際、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分けて流体を導入する方法として、前記流路構造に遠心力、電場あるいは磁場を加える、というものである。

従って、本発明のうち請求項６に記載の発明によれば、分岐流路が流路Ａの断面において片側のみに存在する流路構造の場合、流路Ａに遠心力、電場や磁場などを加えることにより、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分けて流体を流路Ａに導入することが可能であるため、複数の入り口を作製し、粒子を含まない溶液を別に用意して導入しなくてもよい。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、前記流路の幅、深さ、径のいずれかのスケールが、少なくとも部分的に１センチメートル以下のオーダーであり、前記流路内における流体の流れは少なくとも部分的に安定した層流になる、というものである。

従って、本発明のうち請求項７に記載の発明によれば、流路内の流れは安定した層流であるので、粒子の動きが乱れることがないため、正確な粒子の分離・濃縮が可能となる。

また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、流体とは液体である、というものである。

従って、本発明のうち請求項８に記載の発明によれば、液体中に懸濁した粒子を分離・濃縮することが可能となる。

また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、請求項１、請求項２、請求項、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、流体とは気体である、というものである。

従って、本発明のうち請求項９に記載の発明によれば、気体中に分散した粒子を分離・濃縮することが可能となる。

また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８または請求項９のいずれかの１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、粒子とは細胞である、というものである。

従って、本発明のうち請求項１０に記載の発明によれば、例えば、血液細胞を分離・濃縮することや、環境水中や大気中などに含まれる微生物を分離・濃縮することが可能となり、非常に有用である。

また、本発明のうち請求項１１に記載の発明は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９または請求項１０のいずれかの１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、前記流路とはマイクロチップに形成されたマイクロチャネルである、ということである。

従って、本発明のうち請求項１１に記載の発明によれば、流路の形状を正確にコントロールすることができ、また、流路の直列化、並列化が容易になるため、分離性能の向上や処理量の向上が期待できる。

発明の効果

本発明は、以上に述べられたような特徴を有するため、粒子を含む流体と粒子を含まない流体を、ある形状をもつ流路に導入するだけで、導入した全ての粒子を大きさにより分離・濃縮し回収することが可能となり、更に大きな粒子を回収する際にも小さな粒子が含まれないようにすることができる、という優れた効果を発揮する。

また、本発明は以上に述べられたような特徴をするため、フローサイトメトリーや遠心分離法、沈降分離法、静電気を用いた分離法などの従来の粒子の分離または濃縮技術と比較して、複雑な装置や外力を必要とせず、短時間で大きさによる粒子の分離・濃縮が可能となる、という優れた効果を発揮する。

以下、添付の書類に基づいて、本発明による微粒子を濃縮・分離する流路構造およびその方法の形態を詳細に説明する。

図１（ａ）（ｂ）には、本発明による微粒子の分離・濃縮のための流路構造およびその方法の原理が示されており、図１（ａ）（ｂ）は最も基本的な粒子の分離・濃縮の一例である。

図１（ａ）において、ある所定の方向に延長される流路１１は途中に分岐流路１２を有しており、矢印１３は流路１１に導入される流体の流れの方向を表しており、矢印１４，１５はそれぞれ分岐流路１２に導入される流体の流れの方向と、流路１１の下流に導入される流体の流れの方向を示している。また、点線１６は、分岐流路１２に導入される流体の部分と流路１１の下流に導入される流体の部分の境界を表している。なお、請求項における流路Ａとは流路１１のことであり、流路Ａにおける分岐点は、分岐点１７である。

流路１１に大きな粒子と小さな粒子を懸濁させた流体を連続的に導入する。分岐流路１２へ導入される流量がある値より小さければ、流路１１の壁近傍を流れる小さな粒子のみが分岐流路１２へ導入され、大きな粒子はその径が分岐流路１２の流路幅より小さくても分岐流路１２へは導入されず、流路１１の下流に導入される。つまり、分岐流路１２からはある大きさ以上の粒子を含まない流体を回収することができる。

また、図１（ｂ）のように流路１１に分岐流路を複数設け、粒子を含まない流体（流体１８）と粒子を懸濁させた流体（流体１９）を流路１１に導入し、各々の流路に導入する流量を調節することにより、多段階での分離・濃縮が可能となる。ここで、流体１８と流体１９の境界を点線２３で表す。

なお、この場合は流路１１の下側に分岐流路を設けたが、当然上側、あるいは紙面に対して表裏のどちらか片側あるいは両側などに設けてもよい。

また、流路１１と分岐流路の構造を適当にデザインすることによって、流体１９の流体の部分およびある一定の大きさよりも小さな粒子を分岐流路群２０から全て取り除けるようにすることができ、そのようにすることによって分岐流路群２０よりも下流の流路１１ではある一定の大きさ以上の粒子が壁側に一列に並び、分岐流路２１−ａからは粒子２２−ａを、分岐流路２１−ｂからは粒子２２−ｂを、分岐流路２１−ｃからは粒子２２−ｃを、それぞれ全て導入前よりも濃縮した状態で回収することができる。ここで、粒子２２−ａ、２２−ｂ、２２−ｃはそれぞれ大きさが異なっており、２２−ａが一番小さく、２２−ｃが一番大きい粒子である。

なお、各分岐流路に導入される流体の流量の調節は、流路下流においてバルブを取り付ける、流路下流の温度を調節することにより流体の粘度を変化させる、などの方法が考えられるが、流路の抵抗を考慮した流路構造をあらかじめデザインしておくことが簡単な方法である。

なお、図１（ｂ）の流路構造では、濃縮した後に粒子を３回に分けて選抜する原理が示されているが、選抜するための流路（流路２１−ａ，２１−ｂ，２１−ｃに相当）は０本でも、１本でも、２本でも、４本以上でもよい。

以下、添付の書類に基づいて、本発明による微粒子を濃縮・分離する流路構造およびその方法の実施例を詳細に説明する。

図２（ａ）（ｂ）（ｃ）には、本発明による微粒子を濃縮・分離する流路構造およびその方法の実施形態を備えたマイクロチップ２４が示されており、図２（ａ）は図２（ｂ）と（ｃ）におけるＡ矢視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＣ−Ｃ線による断面図である。また、図３（ａ）は図２（ａ）における流路全体の拡大図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の一部４８−ａの拡大図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）の一部４８−ｂの拡大図である。

このマイクロチップ２４は、粒子を含む流体と粒子を含まない流体を連続的に導入した際、直径約７μｍ以上の粒子を含まない流体と直径７μｍ以上の粒子を含む流体とを別々に回収すると同時に、直径が約２０〜１８μｍ，１８〜１５μｍ，１５〜１４μｍ，１４〜１２μｍ，１２〜１１μｍ，１１〜１０μｍ，１０〜８μｍ，８〜７μｍの粒子を選択的に分離・濃縮することができるマイクロチップであり、高分子材料、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）により形成された２枚の平板状の基板２５、基板２６により形成されている。

なお、マイクロ流体デバイスの材料としてはＰＤＭＳの他にも、アクリル等の各種ポリマー材料、ガラス、シリコン、ステンレス、セラミックス、各種金属などを用いることができる。

基板２５の下面２５−ａには、流路構造が形成されており、例えばその深さは２５μｍ程度であるが、この値は例えば０．１μｍから１ｃｍまで任意の値に設定することが可能である。

入口２７は粒子を含む流体の、入口２８は粒子を含まない流体の入口であり、出口２９〜３７は流体の出口である。

また、流路３８は入口２７、２８と出口２９を結ぶ流路であり、途中、３つの幅が異なる部分３８−ａ、３８−ｂ、３８−ｃから成り立ち、その一部である３８−ｂには分岐流路群３９および分岐流路４０〜４７が存在する。なお、流路３８は請求項における流路Ａに相当する流路である。

なお、流路３８の全体の長さは、例えば約７ｍｍであり、部分３８−ａ、３８−ｂ、３８−ｃの幅は例えばそれぞれ１００μｍ、４０μｍ、１００μｍであるが、これらの値は必要に応じて１μｍ以上の任意の値に調節することができる。

また、出口３０〜３７はそれぞれ流路３８−ｂから分岐流路４０〜４７を介して接続されている。さらに、それぞれの分岐流路（例えば４０）は、細い部分（例えば４０−ａ）と太い部分（例えば４０−ｂ）から成っており、それぞれの幅は３０μｍと６０μｍであり、隣り合う分岐流路の中心間距離は１３０μｍである。また、これらの値は必要に応じていずれも１μｍ以上の任意の値に調節することができる。さらに、これらの流路は同じ太さでもよい。

分岐流路４０〜４７における細い部分の長さは４０−ａでは１６２０μｍ、４７−ａでは１５０００μｍというように、出口４０から４７に近づくにつれて長くなるように設計されている。この設計により分岐流路４０には直径約１８〜２０μｍの粒子が、分岐流路４１には直径約１５〜１８μｍの粒子が、分岐流路４２には直径約１４〜１５μｍの粒子が、分岐流路４３には直径約１２〜１４μｍの粒子が、分岐流路４４には直径約１１〜１２μｍの粒子が、分岐流路４５には直径約１０〜１１μｍの粒子が、分岐流路４６には直径約８〜１０μｍの粒子が、分岐流路４７には直径約７〜８μｍの粒子がそれぞれ選抜されるようになっているが、これらの値は必要に応じて１μｍ以上の任意の値に調節することができる。

また、分岐流路群３９は、それぞれ長さ１８ｍｍである４０本の分岐流路（３９−１〜３９−４０）から成り、マイクロチップ２４の側面において外部に開放されている。また、これらの長さは１μｍ以上の任意の値に調節することができ、本数も４０本より少なくても多くてもよい。

また、それぞれの分岐流路（例えば３９−４０）は、細い部分（例えば３９−４０−ａ）と太い部分（例えば３９−４０−ｂ）からなっており、それぞれの幅は２０μｍと４０μｍであり、隣り合う分岐流路の中心間距離は７０μｍである。また、これらの値も１μｍ以上の任意の値に調節することができ、さらに、これらの流路は同じ太さでもよい。

分岐流路３９−１〜３９−４０における幅が細い部分の長さは、３９−１−ａでは約１４０００μｍ、３９−４０−ａでは約９０００μｍというように、３９−１−ａから３９−４０−ａへ徐々に長くなるように設計されている。この設計により、４０個の分岐点において、それぞれの分岐点を通過する流体の約２％ずつを分岐流路群３９の分岐流路一つ一つに導入することが可能である。

以上の構成において、上記したマイクロチップを用い、動植物細胞、オルガネラ、微生物、エアロゾル、セラミック粒子、ポリマー粒子、エマルション、無機粒子、金属ナノ粒子等の粒子を濃縮・分離するための方法を説明する。

まず、水や空気などの流体中に粒子を懸濁させたもの、あるいは、血液や、環境水などのように初めから分離対象となる粒子が懸濁している流体を用意する。

また、粒子を含まない流体を用意する。

そして、用意した粒子を含む流体を入口２７から、粒子を含まない流体を入口２８からそれぞれマイクロチップ２４内に連続的に導入する。この際、流路内における流体の流れはできるだけ層流の状態を保ったまま導入する方が望ましい。

マイクロチップ２４の流路構造に導入させた場合、出口３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７からそれぞれ約６．８％、５．２％、４．０％、３．２％、２．４％、２．０％、１．６％、１．２％の流体が流出することが期待されている。

実際に、３μｍと５μｍの蛍光粒子をデキストラン溶液５ｗｔ％に懸濁させたものと、デキストラン溶液５ｗｔ％を、シリンジポンプを用いてそれぞれ入口２７、２８からマイクロチップ２４に流量２０μＬ／ｍｉｎで連続的に導入したところ、どちらの粒子もほぼ１００％分岐流路群３９へ導入されることが確認された。

なお、デキストラン溶液でなくてもよい。また、血液を希釈して導入すると、赤血球と白血球を分離し、さらに白血球を種類ごとに分離して、回収できる。

マイクロチップ２４では、入り口を２つ作ることにより、粒子を含む流体と粒子を含まない流体を使用し、それぞれの部分に分けたが、図４に示すマイクロチップ４９のような構造を用いると、粒子を含む流体のみを流路内に導入するだけで、流路の途中において、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分けて導入することができ、複数の入口を設け、粒子を含む流体と含まない流体をそれぞれ導入するのと同様の効果を得ることができる。

また、マイクロチップ２４のような構造において、入口は２つ以上でもよく、マイクロチップ４９のような構造においては、入口は１つ以上でもよい。

図４（ａ）は、図４の（ｂ）（ｃ）におけるＡ矢視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）におけるＣ−Ｃ線による断面図である。

マイクロチップ４９は、入り口５２から粒子を含む流体を導入した際、直径１．０μｍ以上の粒子を含む流体と直径１．０μｍ以上の粒子を含まない流体に分離することができ、さらに、直径約１．０〜１．５μｍ、１．５〜２．０μｍ、２．０〜２．５μｍの粒子をそれぞれ選択的に分離・濃縮することができるマイクロチップである。

流路構造は、基板５０の下面５０−ａに形成されており、その深さは例えば５μｍ程度である。この値は、０．１μｍ以上の任意の値に調節することができる。

流路５３は、出口５６、５７、５８、５９を有しており、入口５２は粒子を含む流体を導入するための入り口である。

流路５３は、５つの幅の異なる部分５３−ａ〜ｅから成り立ち、その一部５３−ｂと５３−ｃは分岐流路群５４を共有しており、５３−ｄは分岐流路群５５および分岐流路６０〜６２を有する。

分岐流路群５４は、５０本の分岐流路から成り立ち、流路５３−ｂと流路５３−ｃを結ぶような構造をしているが、この本数は１本以上の任意の数に調整できる。また、分岐流路群５４は、１．０μｍ以上の粒子を含まない流体が導入されるように設計されている。

分岐流路群５５は、長さ２５ｍｍである８０本の分岐流路から成り立ち、マイクロチップ４９の側面において外部に開放されているが、必要に応じて８０本以上でも以下でもよい。また、分岐流路群５５は、１．０μｍ以上の粒子を含まない流体が導入されるように設計されている。

それぞれ出口５７、５８、５９につながる流路６０、６１、６２は、径が１．０〜１．５μｍ、１．５〜２．０μｍ、２．０〜２．５μｍの粒子が選択的に導入されるように設計されている。これにより、それぞれの出口から、それぞれの大きさの粒子を濃縮した形で回収することが可能である。

また、図４に示すようなデザイン以外にも、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなデザインであっても同様の効果を得ることができる。

図５（ｄ）は、遠心力、電場あるいは磁場などのマイクロデバイスの外部からの力を用いる場合のデバイスの例である。この場合、流路のうち少なくとも１部分に矢印６３の向きに遠心場、磁場や電場を加えることにより、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分けて導入することができるため、入口を２つ以上設けた場合や流れの分割、統合を利用した場合と同様の効果を得ることができる。

また、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）に示すように、分岐流路群を太く長い流路につなげ、１つの出口から流体を排出できるようなデザインを用いてもよい。ここで、図６（ａ）は粒子を含む流体と粒子を含まない流体を連続的に導入するデバイスであり、図６（ｂ）〜（ｅ）は粒子を含む流体のみを連続的に導入するデバイスであり、図６（ｆ）は粒子を含む流体のみを連続的に導入し、さらに遠心場、磁場や電場をかけるデバイスである。

本発明に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法を用いると、例えば集塵装置として、医療分野においては血液検査の際に、または、水質検査において、水中に僅かしか含まれない菌や微生物を調査する際に利用可能である。

本発明に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法を用いると、例えば複雑な細胞集団の中に含まれる極わずかな、形態の異なる細胞を、複雑な装置を用いずに、濃縮・分離・選抜することができ、生化学や医療などにおいて極めて有効である。

さらに本発明に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法を用いると、環境水中にわずかに含まれる微生物の濃縮・分級や、合成されたポリマー粒子の分離、またエマルションのようなやわらかい粒子の濃縮・分級も可能になり、非常に有用である。

また、本発明に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法を用いると、空気中のエアロゾル、花粉、ハウスダスト等の微粒子を、効率的に分離、回収することができ、非常に有用である。

本発明による微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法の原理図を示している。 本発明による微粒子の濃縮・分級の実施形態を備えたマイクロチップ２１を示し、図２（ａ）は図２（ｂ）と（ｃ）におけるＡ矢視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＣ−Ｃ線による断面図である。 また、図３（ａ）は図２（ａ）における流路全体の拡大図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の一部４５−ａの拡大図であり、図３（ｂ）は図３（ｃ）の一部４５−ｂの拡大図である。 本発明による微粒子の濃縮・分級の実施形態を備えたマイクロチップ５８を示し、図４（ａ）は図４（ｂ）と（ｃ）におけるＡ矢視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）におけるＣ−Ｃ線による断面図である。また、図４（ｄ）は図４（ａ）における流路全体の拡大図である。 図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明による微粒子の濃縮・分級における、迂回流路を用いた流路構造の例であり、（ｄ）は遠心場、電場、磁場などの力を用いて微粒子を分離・濃縮するための流路構造の例である。 図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、本発明による微粒子の濃縮・分級における、分岐流路群をまとめて１つの出口につなげた流路構造の例である。

符号の説明

１１：流路
１２：分岐流路
１３：流体の流れの方向
１４：流体の流れの方向
１５：流体の流れの方向
１６：流体境界
１７：分岐点
１８：流体の一部
１９：流体の一部
２０：分岐流路群
２１：分岐流路
２２：粒子
２３：流体境界
２４：マイクロデバイス
２５：基板
２６：基板
２７：入口
２８：入口
２９：出口
３０：出口
３１：出口
３２：出口
３３：出口
３４：出口
３５：出口
３６：出口
３７：出口
３８：流路
３９：分岐流路群
４０：分岐流路
４１：分岐流路
４２：分岐流路
４３：分岐流路
４４：分岐流路
４５：分岐流路
４６：分岐流路
４７：分岐流路
４８：デバイスの一部
４９：マイクロデバイス
５０：基板
５１：基板
５２：入口
５３：流路
５４：分岐流路群
５５：分岐流路群
５６：出口
５７：出口
５８：出口
５９：出口
６０：分岐流路
６１：分岐流路
６２：分岐流路
６３：外部からの遠心力、電場あるいは磁場等の力の方向

Claims (11)

1. 所定の方向に延長される流路Ａと、流路Ａの側面における１つ以上の分岐点と、前記分岐点において前記流路Ａに接続され、長さ、幅、深さ、径などのスケールのうちいずれか１つ以上が適当に調節された分岐流路を１つ以上有する流路構造を用い、
   前記流路Ａの一端から、流体を連続的に導入する際、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分かれるように導入することにより、
   前記分岐点において、ある一定の大きさ以上の粒子は前記分岐点において前記分岐流路に導入されないようにすることができ、ある一定の大きさ以下の粒子は前記流路Ａの下流へと導入されないようにすることができるため、
   導入した全てのある一定の大きさ以下の粒子を含む流体、もしくはある一定の大きさ以上の粒子を全く含まない流体を前記分岐流路から回収することができ、ある大きさ以上の粒子の濃度が高くなった流体を前記流路Ａの下流から回収することができる、
   微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法。
2. 所定の方向に延長される流路Ａと、流路Ａの側面における複数の分岐点と、前記複数の分岐点それぞれにおいて前記流路Ａに接続され、長さ、幅、深さ、径などのスケールのうちいずれか１つ以上が適当に調節された分岐流路を１つ以上有する流路構造を用い、
   前記流路Ａの一端から、流体を連続的に導入する際、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分かれるように導入することにより、
   前記複数の分岐点のうちの少なくとも１つの分岐点において、ある一定の大きさ以上の粒子は前記分岐点において前記分岐流路に導入されないようにすることができ、ある一定の大きさ以下の粒子は前記流路Ａの下流へと導入されないようにすることができ、また前記複数の分岐点のうちの少なくとも１つの分岐点において、ある一定の大きさ以上の粒子が前記分岐点において前記分岐流路に導入されるようにすることができるため、
   導入した全てのある一定の大きさ以上の粒子は前記流路Ａの壁側近傍に濃縮され、さらに、前記複数の分岐流路のいくつかから濃縮された粒子を回収することができる、
   微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法。
3. 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、
   前記流路Ａの途中に存在する前記分岐流路は、前記流路Ａの片側断面のみに存在する、
   微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法。
4. 請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、
   前記流路Ａに流体を連続的に導入する際、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分かれるように流体を導入する方法として、
   入り口を複数個設け、少なくとも１つの入り口から粒子を含む流体を、少なくとも１つの入り口から粒子を含まない流体を導入する、
   微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法。
5. 請求項３に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、
   前記流路Ａに流体を連続的に導入する際、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分けて流体を導入する方法として、
   前記流路Ａに、入口と前記分岐流路との間において一度前記流路Ａから分岐し、かつ前記分岐流路よりも上流において再び前記流路Ａに接続される分岐流路（迂回流路とする）を１つ以上設け、粒子を含む流体を入り口から導入させることにより、
   ある一定の大きさ以上の粒子を含まない流体、あるいは粒子を全く含まない流体を迂回流路に導入し、前記分岐流路よりも上流で再び前記流路Ａに導入する、
   微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法。
6. 請求項３に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、
   前記流路Ａに流体を連続的に導入する際、粒子を含む流体の部分と粒子を含まない流体の部分に分けて流体を導入する方法として、
   前記流路構造に遠心力、電場あるいは磁場を与える、
   微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法。
7. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、
   前記流路の幅、深さ、径のいずれかのスケールが、少なくとも部分的に１センチメートル以下のオーダーであり、前記流路内における流体の流れは少なくとも部分的に安定した層流になる、
   微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法。
8. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、
   流体とは液体である、
   微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法。
9. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、
   流体とは気体である、
   微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法。
10. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８または請求項９のいずれかの１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、
    粒子とは細胞である、
    微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法。
11. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９または請求項１０のいずれかの１項に記載の微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法において、
    前記流路とはマイクロチップ内に形成されたマイクロチャネルである、
    微粒子の濃縮・分級のための流路構造およびその方法。

Images