(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に混在するサブミクロン粒子を分離するための粒子分離方法において、
Ｔ字型、Ｙ字型又は十字型に配置された流路を有し、複数の入側流路から一つの出側流路に液体が流入するようにされたマイクロチャンネルの各入側流路に、それぞれ導電率の異なる複数の液体を流し、
該マイクロチャンネルに電界をかけて、マイクロチャンネル内における界面動電駆動流により、目的とするサブミクロン粒子を、出側流路内のいずれかに寄せることを特徴とする粒子分離方法。
【請求項２】
前記マイクロチャンネルが、２流体混合型Ｔ字型マイクロチャンネルであることを特徴とする請求項１に記載の粒子分離方法。
【請求項３】
液体中に混在するサブミクロン粒子を分離するための粒子分離装置において、
Ｔ字型、Ｙ字型又は十字型に配置された流路を有し、複数の入側流路から一つの出側流路に液体が流入するようにされたマイクロチャンネルと、
該マイクロチャンネルの各入側流路に、それぞれ導電率の異なる複数の液体を流す手段と、
前記マイクロチャンネルに電界をかけて、マイクロチャンネル内における界面動電駆動流により、目的とするサブミクロン粒子を、出側流路内のいずれかに寄せる手段と、
を備えたことを特徴とする粒子分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中に混在するサブミクロン粒子を分離するための粒子分離方法及び装置に係り、特に、マイクロマシン技術を応用して、マイクロ・ナノスケールにおける熱流体力学、電気化学や分析化学における、手のひらサイズのチップ上に分析化学、マイクロケミストリー技術を集約化させたMicro  Total  Analysis  System（Micro-TAS）、Micro  Electro  Mechanical  System（MEMS）等に用いるのに好適な、粒子分離方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
数年後に大型産業になると考えられているLab-on-a-chipやMicro−TAS、即ち、従来の研究室レベルにおける実験や分析等が集約された手のひらサイズのデバイスの研究開発が急速に進められている。このデバイス上には、幅数十μｍから数百μｍのマイクロチャンネルが数多く配置され、微少液体試料の分析、化学薬品の反応合成等が効果的・迅速に行なわれることが望まれている。既に、血液検査やＤＮＡ鑑定操作等を可能とするデバイスが実際に市販されている。一方、デバイスの更なる多機能化が期待されており、その中でも液体試料内に存在する特定の粒子や物質を選択的に分離する技術の確立が強く望まれている。
【０００３】
これまで、分析液体試料内（通常は緩衝液内）に存在するサブミクロン粒子分離操作は、大掛かりな遠心分離機を用いて行なう手法が一般的であった。この手法は、目的とする大きさの粒子径より小さなフィルタを用いることで、特定の粒子を精度良く分離し抽出可能であり、分析科学等の分野では積極的に用いられてきた。しかし、一連の化学反応操作をデバイス上で迅速に行なうために、遠心分離機能をデバイスに付加するのは非常に困難であり、デバイスを複雑化してしまうという問題点があった。
【０００４】
そこで、近年、熱流体力学的観点に着目し、デバイス内部の流動特性を利用した分離技術の開発が行なわれている。その１つの、緩衝液内に存在する粒子や物質の拡散係数の違いにより分離するＨ-フィルタ（非特許文献１）は、外部の機械的駆動力を必要としないという利点を有する。
【０００５】
又、分離の目的となる粒子に蛍光物質を染み込ませて、センサでモニタリングし、流動スイッチング制御により分離するセルソータ（非特許文献２）等の開発も行なわれている。
【０００６】
更に、特許文献１には、粒子を含む溶液が流れる流路の途中で、流路を横断する方向に電界を生じさせるように電圧を印加し、流路内において該電界により粒子が寄せられる側で粒子を捕捉することが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２３３７９２号公報
【非特許文献１】Paul  Yager  et  al.,MicroTAS  1998  proceedings,202-212
【非特許文献２】Anne  Y.F  et  al.,Nature  1999,Vol.17,1109-1111
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、Ｈ-フィルタは、原理的に１回の操作によって完全に粒子や物質の分離を行なうことができず、例えば遠心分離機能のような粒子分離機能を付加すると、デバイスの構造が複雑化してしまう。一方、セルソータは、実流動場のような高濃度場での粒子分離操作が困難である。更に特許文献１に記載された方法は、十分効率良く粒子を分離することができないという問題点を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、簡単な構成により、１回の操作で完全に分離可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、液体中に混在するサブミクロン粒子を分離するための粒子分離方法において、Ｔ字型、Ｙ字型又は十字型に配置された流路を有し、複数の入側流路から一つの出側流路に液体が流入するようにされたマイクロチャンネルの各入側流路に、それぞれ導電率の異なる複数の液体を流し、該マイクロチャンネルに電界をかけて、マイクロチャンネル内における界面動電駆動流により、目的とするサブミクロン粒子を、出側流路内のいずれかに寄せることにより、前記課題を解決したものである。
【００１１】
又、前記マイクロチャンネルを、２流体混合型Ｔ字型マイクロチャンネルとしたものである。
【００１２】
本発明は、又、液体中に混在するサブミクロン粒子を分離するための粒子分離装置において、Ｔ字型、Ｙ字型又は十字型に配置された流路を有し、複数の入側流路から一つの出側流路に液体が流入するようにされたマイクロチャンネルと、該マイクロチャンネルの各入側流路に、それぞれ導電率の異なる複数の液体を流す手段と、前記マイクロチャンネルに電界をかけて、マイクロチャンネル内における界面動電駆動流により、目的とするサブミクロン粒子を、出側流路内のいずれかに寄せる手段とを備えることにより、同じく前記課題を解決したものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、例えば構造が非常に単純な２流体混合型Ｔ字型マイクロチャンネルにおいて、導電率の大きく異なる複数の液体を用いることで、サブミクロン粒子を、例えば導電率の低い液体から高い液体へと１回の操作で完全に分離できる。又、あらゆる液体の粒子濃度に対しても適用可能であり、特別な流路加工等を一切必要としないため、実際のデバイスに即座に適用できる。更に、粒子の電荷の違いによりサブミクロン粒子を選択的分離抽出したり、電界強度を変化させることで局所的に粒子濃度を変化させることが可能となり、要素技術として、更なるデバイスの多機能化、高性能化へ貢献する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
本発明の第１実施形態では、図１（Ａ）（斜視図）（Ｂ）（流路図）（Ｃ）（同断面図）に示すような単純な２流体混合型Ｔ字型マイクロチャンネル１２を有するマイクロチップ１０を用いた。このマイクロチャンネル１２は、ソフトリソグラフィ法を用いて、図１（Ｃ）に示した如く、ＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxanc）１４により作成し、顕微鏡用カバーガラス（直径５０ｍｍ、厚さ１７０μｍ）１６と貼り合わせている。流路幅は２００μｍ及び４００μｍ、深さは５０μｍである。
【００１６】
作動流体として、５ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液を用い、塩化カリウム（ＫＣｌ）を加えることで、表１に示すような導電率比が１：１０となる２種の溶液Ａ及びＢを作成した。
【００１７】
【表１】
0003627060.tif 000002
【００１８】
それぞれの溶液に蛍光剤が練り込まれた粒子径１．０μｍのポリスチレンサブミクロン粒子（励起波長５４０ｎｍ／発光波長５６０ｎｍ）を体積比率０．２％で混入した。本手法で使用したサブミクロン粒子表面にはカルボキシル基が付加されており、緩衝溶液内では粒子表面が負極に帯電し、クーロン力により溶液内に分散している。
【００１９】
図１（Ｂ）に示す流路端１より溶液Ａ、流路端２より溶液Ｂを注入し、流路端３との水面差による静圧駆動流によって送液を行なった。
【００２０】
次に、それぞれの流路端１〜３に白金電極２１、２２、２３を挿入し、高電圧電源３０により流路端１及び２には３００〜７００Ｖの直流高電圧を印加し、流路端３は接地した。即ち、作動流体は、静圧駆動流及び電界印加によって発生する電気浸透流との合成により駆動される。
【００２１】
マイクロチャンネル内部の画像撮影及び流動計測する装置として、図２の下方に示す蛍光顕微鏡を用いた計測装置４０を使用した。この計測装置の光源として、連続光であるＮｄ：ＹＡＧレーザ（λ＝５３２ｎｍ）４２を送光ファイバ４４、ダイクロイックミラー４６、及び対物レンズ４８を用いて流路内に照射し、各種光学フィルタ５０を用いて、蛍光剤が練り込まれたサブミクロン粒子からの蛍光発光波長（λ＝５６０ｎｍ）のみを抽出し、４９４pixels×６５６pixels×１２bitsの冷却式ＣＣＤカメラ５２により撮像を行なった。
【００２２】
前記対物レンズ４８は、倍率４０倍で光の屈折による像の歪みを抑える効果があり、計測深度の浅い油浸対物レンズ（４０Ｘ、ＮＡ＝１．３０）を使用した。Meinhart等の定義した計測深度の式（Meinhart  et  al.,Meas.  Sci.  Technol.,Vol.11,809-814,2000）では、粒子径１．０μｍのとき本計測装置の計測深度は３．７μｍである。
【００２３】
計測装置４０より得られた撮影画像から、高空間分解能マイクロ粒子画像流速計（マイクロＰＩＶ）を用いて、サブミクロン粒子の速度計測を行ない、粒子分離の物理メカニズムを検証した。電界印加開始時刻をｔ＝０としたときのＴ字型マイクロチャンネル１２のジャンクション部１２Ａ（図１（Ｂ）参照）における時系列瞬時画像を図３に示す。ｔ＝０において、流路端１、２により等流量で送液される溶液Ａ、Ｂは、静圧駆動流により下流方向（ｙ方向）へと流れており、サブミクロン粒子は、それぞれの溶液内に均一に分散し、静圧駆動流に追従している。しかし、電界印加開始後、導電率の低い溶液Ａに存在するサブミクロン粒子が導電率の高い溶液Ｂへと移動し、ｔ＝３．６秒後には、不均一な粒子濃度場が観察された。
【００２４】
サブミクロン粒子の移動現象を詳細に把握するため、図４に、マイクロＰＩＶを用いて計測されたジャンクション部１２Ａ（奥行き方向ｚ＝２５μｍ）における電界印加後定常状態でのサブミクロン粒子速度ベクトルを示す。なお、速度算出の際、サブミクロン粒子のブラウン運動が与える速度検出への影響を取り除くため、１００時刻の速度ベクトルを時間平均している。図４より、溶液Ａ内に存在するサブミクロン粒子のｘ方向速度が増加していることが定量的に確認できた。
【００２５】
同様にして、図１（Ｂ）に示すジャンクション部下流域１２Ｂ、１２Ｃ（奥行き方向ｚ＝５μｍ及び２５μｍ）におけるサブミクロン粒子のｘ方向の速度成分ｕを算出し、図５に示す。計測を行なった４つ全ての領域において、サブミクロン粒子がｘ方向へと駆動され、特に導電率勾配が大きな流路中心付近（溶液Ａ、Ｂの分子拡散による混合領域）にピーク値をとる移動速度分布となっていることが分かった。
【００２６】
このようなサブミクロン粒子のｘ方向への移動は、導電率の等しい２種の溶液を流した場合には観察されず、２種の溶液の導電率比が重要なパラメータとなっている。本手法において、２種の溶液の導電率を１：５、１：２５とした場合にも、同様の現象が確認できた。即ち、導電率の大きく異なる２種の液体を流した場合に形成される導電率勾配の影響により、電界印加の際にｘ方向の電界が発生し、液内で負極に帯電しているサブミクロン粒子が対流（静圧駆動流と電気浸透流との和）によって駆動されているだけでなく、電気泳動によりｘ方向へ駆動されていると考えられる。
【００２７】
そこで、導電率勾配が存在する際の電界印加によるサブミクロン粒子移動メカニズム解明のため、数値シミュレーション解析を行なった。図６（Ａ）に、流体自身の流れである静圧駆動流及び電気浸透流の合成の流線を示す。溶液Ａ、Ｂ共に流路中心に対してほぼ対称に流れている。しかし、図６（Ｂ）に示すように、電気力線は導電率の高い溶液Ｂから低い溶液Ａ側へと横切るように形成されているため、負極に帯電している粒子は電気泳動により駆動され、最終的に図６（Ｃ）に示すように、導電率の低い溶液Ａから高い溶液Ｂへと分離される。
【００２８】
最終的に、図７に示す流動場瞬時画像のように、ジャンクション部下流域１２Ｃ（奥行き方向ｚ＝２５μｍ）において、均一に分散している粒子の全てが電界印加後、導電率の高い溶液Ｂ側へと移動し、分離することが可能となる。図７（Ａ）は電界印加開始前、（Ｂ）は５００Ｖの電界印加後、（Ｃ）は７５０Ｖの電界印加後、をそれぞれ示す。
【００２９】
実際のアプリケーションでは、導電率勾配により形成される非対称な電位分布を用いて、図８に示す如く、粒子の電荷の違いによるサブミクロン粒子８の選択的分離抽出が可能となり、電界強度を変化させることで局所的に粒子濃度を変化させることができる。又、単純なＴ字型マイクロチャンネル及び電極のみで、このような操作が可能となり、実際のMicro-TASのデバイスに容易に組み込むことができる。
【００３０】
本実施形態においては、緩衝液に塩化カリウムを加えることで導電率の異なる液体を作成しているので、カリウムＫと塩素Ｃｌの拡散係数がほぼ等しく、好適である。なお、導電率を変えるための物質は塩化カリウムに限定されず、例えば塩化ナトリウムＮＡＣｌであってもよい。
【００３１】
又、前記実施形態では、作動流体としてＨＥＰＳ緩衝液を用いていたが、作動流体の種類はこれに限定されず、ｐＨを一定に保てる液体であれば、他の液体であってもよい。
【００３２】
又、前記実施形態においては、溶液Ａ、溶液Ｂ共に同じ粒子を混入していたが、図９に示す第２実施形態のように、例えば溶液Ａに混入されている粒子８を溶液Ｂ側に移したい場合や、図１０に示す第３実施形態のように、３種以上の粒子（図では＋、−、３−）が混入されているものを電荷に応じて３分したい場合や、図１１に示す第４実施形態のように、両側から異なる複数の粒子８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄを流し込んで分離したい場合等にも適用できる。
【００３３】
マイクロチャンネルの形状もＴ字型に限定されず、Ｙ字型や十字型であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す斜視図及び流路図
【図２】同じく計測装置の構成を示す斜視図
【図３】本発明の作用を説明するための、Ｔ字型マイクロチャンネルのジャンクション部における流動場瞬時画像を示す線図
【図４】同じくサブミクロン粒子の速度分布ベクトル及び流線を示す図
【図５】同じくジャンクション部下流域におけるサブミクロン粒子のｘ方向速度成分を示す線図
【図６】同じく静圧駆動流及び電気浸透流の合成の流線を示す線図
【図７】同じくマイクロチャンネルの下流域における流動場瞬時画像を示す線図
【図８】本発明の第１実施形態の作用を示す流路図
【図９】本発明の第２実施形態を示す流路図
【図１０】同じく第３実施形態を示す流路図
【図１１】同じく第４実施形態を示す流路図
【符号の説明】
【００３５】
８、８Ａ〜Ｄ…サブミクロン粒子
１０…マイクロチップ
１２…マイクロチャンネル
２１、２２、２３…白金電極
３０…高電圧電源
４０…計測装置
【要約】
【課題】特別な流路加工等を必要とせず、構造が非常に単純なマイクロチャンネルを用いて、１回の操作で完全に分離する。
【解決手段】複数の流路を有するマイクロチャンネル１２に、導電率の異なる複数の液体を流し、電界をかけて、マイクロチャンネル内における界面動電駆動流により、目的とするサブミクロン粒子８をいずれかに寄せる。
【選択図】図１
【図１】
0003627060.tif 000003
【図２】
0003627060.tif 000004
【図４】
0003627060.tif 000005
【図５】
0003627060.tif 000006
【図６】
0003627060.tif 000007
【図８】
0003627060.tif 000008
【図９】
0003627060.tif 000009
【図１０】
0003627060.tif 000010
【図１１】
0003627060.tif 000011
【図３】
0003627060.tif 000012
【図７】
0003627060.tif 000013