(57)【要約】  静電相互作用によらずに流体力学的流動のみで液体中の微粒子を濃縮できる流路デバイスを提供する。本発明の一態様に係る流路デバイス（１）は、微粒子を含む液体を流動させるための主流路（１１）と、上記主流路（１１）の一端に設けられた、微粒子を濃縮するためのチャンバー（１５）と、上記主流路（１１）の側面に接続されており、余分な液体を排出するための側流路（１２）と、を備え、上記側流路（１２）の高さおよび幅の少なくともいずれか一方は上記微粒子の粒径に比べて小さい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子を含む液体を流動させるための主流路と、
上記主流路の一端に設けられた、微粒子を濃縮するためのチャンバーと、
上記主流路の側面に接続されており、余分な液体を排出するための側流路と、を備え、
上記側流路の高さおよび幅の少なくともいずれか一方は上記微粒子の粒径に比べて小さいことを特徴とする流路デバイス。
【請求項２】
上記側流路における上記主流路との接続部との反対側には、該側流路の幅以上の幅および該側流路の高さ以上の高さを有する液体排出路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の流路デバイス。
【請求項３】
上記主流路と上記チャンバーとの間に、液止め部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の流路デバイス。
【請求項４】
上記側流路が複数設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の流路デバイス。
【請求項５】
微粒子を含む液体を、主流路に導入する導入工程と、
上記主流路の側面に接続された側流路へ上記液体を排出するとともに、上記側流路と上記主流路との接続部において上記微粒子を捕捉する捕捉工程と、
上記捕捉された微粒子を上記主流路へと放出する放出工程と、
上記放出された微粒子を上記主流路の一端に設けられたチャンバーにて濃縮する濃縮工程と、を含み、
上記側流路の高さおよび幅の少なくともいずれか一方は上記微粒子の粒径に比べて小さいことを特徴とする微粒子濃縮方法。
【請求項６】
上記側流路における上記主流路との接続部との反対側には、該側流路の幅以上の幅および該側流路の高さ以上の高さを有する液体排出路が接続されていることを特徴とする請求項５に記載の微粒子濃縮方法。
【請求項７】
上記主流路と上記チャンバーとの間に、液止め部が設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の微粒子濃縮方法。
【請求項８】
上記側流路が複数設けられていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の微粒子濃縮方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路デバイスおよび微粒子濃縮方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中に低濃度で含まれる微粒子を高感度で検出するための前処理として、微小流路を基本構造とする流路デバイスを用いた、微粒子濃縮方法が注目を集めている。とりわけ、微小流路と微小電極とを組み合わせた誘電泳動法は、液体中における代表的な微粒子操作技術である。【０００３】
例えば、非特許文献１は、誘電泳動法により、全血から細菌を分離したことを報告している。同様に、非特許文献２は、誘電泳動法により、生きている細菌と死んでいる細菌とを分離したことを報告している。これらの誘電泳動法は、電界強度が極大となる微小電極外縁部への微粒子の捕捉および脱離を基本原理としている。【０００４】
また、流路デバイスにおいて、流路を流れる微粒子の大きさに応じて、当該微粒子を異なる流路に分配する技術が知られている。このような技術は、例えば、特許文献１〜３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本国特許第５８７０３２３号明細書（２０１６年２月２４日公開）
【特許文献２】日本国公開特許公報「特開２００４−３５４３６４号公報（２００４年１２月１６日公開）」
【特許文献３】日本国公開特許公報「特開２０１２−２２３６８３号公報（２０１２年１１月１５日公開）」
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】L. D'Amico et al. (2017) Lab on a Chip, Vol.17 (Issue 7), pp.1340-1348
【非特許文献２】Blanca H. Lapizco-Encinas et al. (2004) Anal. Chem., Vol.76 (Issue 6), pp.1571-1579
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、誘電泳動法のように静電相互作用を用いた微粒子濃縮方法では、電極表面に微粒子が吸着してしまう可能性がある。また、上記濃縮方法では、空間的な有効電場範囲が限定される。さらに、上記濃縮方法では、微粒子の性質および／または微粒子と液体との誘電比率の差に応じて泳動パラメータを設定しなければならない。【０００８】
本発明の一態様は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、静電相互作用によらずに液体中の微粒子を濃縮する流路デバイスおよび微粒子濃縮方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、特定の流路構造を有する流路デバイスによって、静電相互作用を用いずに流体力学的流動のみで微粒子を捕捉および濃縮できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は以下の構成を包含している。【００１０】
＜１＞微粒子を含む液体を流動させるための主流路と、上記主流路の一端に設けられた、微粒子を濃縮するためのチャンバーと、上記主流路の側面に接続されており、余分な液体を排出するための側流路と、を備え、上記側流路の高さおよび幅の少なくともいずれか一方は上記微粒子の粒径に比べて小さいことを特徴とする流路デバイス。【００１１】
＜２＞上記側流路における上記主流路との接続部との反対側には、該側流路の幅以上の幅および該側流路の高さ以上の高さを有する液体排出路が接続されていることを特徴とする＜１＞に記載の流路デバイス。【００１２】
＜３＞上記主流路と上記チャンバーとの間に、液止め部が設けられていることを特徴とする＜１＞または＜２＞に記載の流路デバイス。【００１３】
＜４＞上記側流路が複数設けられていることを特徴とする＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の流路デバイス。【００１４】
＜５＞微粒子を含む液体を、主流路に導入する導入工程と、上記主流路の側面に接続された側流路へ上記液体を排出するとともに、上記側流路と上記主流路との接続部において上記微粒子を捕捉する捕捉工程と、上記捕捉された微粒子を上記主流路へと放出する放出工程と、上記放出された微粒子を上記主流路の一端に設けられたチャンバーにて濃縮する濃縮工程と、を含み、上記側流路の高さおよび幅の少なくともいずれか一方は上記微粒子の粒径に比べて小さいことを特徴とする微粒子濃縮方法。【００１５】
＜６＞上記側流路における上記主流路との接続部との反対側には、該側流路の幅以上の幅および該側流路の高さ以上の高さを有する液体排出路が接続されていることを特徴とする＜５＞に記載の微粒子濃縮方法。【００１６】
＜７＞上記主流路と上記チャンバーとの間に、液止め部が設けられていることを特徴とする＜５＞または＜６＞に記載の微粒子濃縮方法。【００１７】
＜８＞上記側流路が複数設けられていることを特徴とする＜５＞〜＜７＞のいずれか１つに記載の微粒子濃縮方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一態様によれば、静電相互作用によらずに液体中の微粒子を濃縮する流路デバイスおよび微粒子濃縮方法を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る流路デバイスの構造を表す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る流路デバイスの側流路近傍の構造を表す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る微粒子濃縮方法の概要を表す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る流路デバイスの製造方法を表す模式図である。
【図５】実施例１−１にて微粒子が濃縮される様子をデジタルマイクロスコープで観察した結果を示す図である。
【図６】実施例１−２にて捕捉された微粒子をデジタルマイクロスコープで観察した結果を示す図である。
【図７】実施例２にて捕捉された大腸菌をデジタルマイクロスコープで観察した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態の一例について詳細に説明するが、本発明は、これらに限定されない。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ〜Ｂ」は、「Ａ以上、Ｂ以下」を意味する。また、説明の便宜上、同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【００２１】
〔１．流路デバイス〕
本発明の一実施形態に係る流路デバイスは、微粒子を含む液体を流動させるための主流路と、上記主流路の一端に設けられた、微粒子を濃縮するためのチャンバーと、上記主流路の側面に接続されており、余分な液体を排出するための側流路と、を備え、上記側流路の高さおよび幅の少なくともいずれか一方は上記微粒子の粒径に比べて小さいことを特徴としている。
【００２２】
上記流路デバイスにより、側流路へ向かう流れに乗った微粒子を、側流路の入り口にて捕捉することができる。また、余分な液体を側流路へ排出することができるため、主流路に接続されたチャンバー内にて微粒子を濃縮することができる。従って、上記流路デバイスにより、静電相互作用によらずに液体中の微粒子を濃縮することができる。
【００２３】
側流路から余分な液体を排出し、微粒子を濃縮することができる点において、本発明の一実施形態に係る流路デバイスは、特許文献１〜３に記載の技術とは異なっている。以下、簡潔に説明する。
【００２４】
特許文献１に開示されているがん細胞自動分離装置は、がん細胞の代表径よりも流路高さが低い部分を設けることによって、がん細胞とがん細胞以外の細胞とを、互いに異なる流路に導入するものである。特許文献２に開示されている微粒子操作ユニットは、一定の大きさ以上の微粒子に対する透過制限領域などを備えることによって、流路内を流動する微粒子の流動方向を操作するものである。特許文献３に開示されている微粒子分離装置は、フィルタ部を通過できる微粒子と、通過できない微粒子とを、異なる排出口へと導入するものである。
【００２５】
しかし、以上の文献に記載されている装置は、大きさによって分離した微粒子を、異なる流路に導入するものの、微粒子を含む液体から余分な液体を分離して排出する（すなわち、微粒子を濃縮する）という機能は有していない。一方、本発明の一実施形態に係る流路デバイスは、側流路を備えているので、微粒子を大きさによって分離することができる上に、余分な液体を排出して微粒子を濃縮することができる。
【００２６】
ここで、「余分な液体」とは、例えば、微粒子を分散させている分散媒である。一「余分な液体」には、濃縮の対象でない微粒子（濃縮の対象となる微粒子よりも粒径の小さい微粒子）が含まれていてもよい。本発明の一実施形態に係る流路デバイスは、余分な液体を側流路を通じて排出し、濃縮した微粒子をチャンバーに溜めることができる。
【００２７】
本明細書において、流路デバイスとは、液体を流動させる流路構造を備えたデバイスを意図している。この液体の流動は毛細管流動によるものであることが好ましい。
【００２８】
本発明の一実施形態に係る流路デバイスの構造について、図１に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る流路デバイス１の構造を表す模式図である。流路デバイス１は、主流路１１、側流路１２、液体排出路１３、液体導入部１４、チャンバー１５および液止め部（撥水性流路１６）を備えている。
【００２９】
なお、本明細書において、流路等が「接続されている」とは、液体が流通可能なように連通していることを意図している。
【００３０】
＜１−１．主流路＞
主流路１１は、微粒子を含む液体が流れる流路である。主流路１１の長さ、幅および高さは、流路デバイス１に流通させる微粒子の粒径および液体の量、主流路１１と接続している側流路１２の本数などに応じて適宜設定されうる。一例を挙げると、主流路１１の長さは１〜２０ｍｍ、幅は１００〜５００μｍ、高さは１０〜２００μｍとすることができる。なお、本明細書において、主流路の長さとは、主流路を流通する液体が流れる方向に沿った長さを表す。
【００３１】
主流路１１の形状は、図１に示されているような直線状に限定されない。例えば、主流路１１は、蛇行した流路であってもよい。液体に含まれる微粒子が側流路に接触する機会が増加するという観点からは、主流路１１の形状は、蛇行していることが好ましい。一方、流路設計が容易であるという観点からは、主流路１１の形状は、直線状であることが好ましい。また、主流路１１の、液体の流れる方向に垂直な断面の形状も特に限定されず、矩形であってもよく、円形であってもよい。
【００３２】
また、主流路１１の一端には液体導入部１４が設けられていてもよい。液体導入部１４は、主流路１１に微粒子を含む液体を流通させるために、上記微粒子を含む液体を導入する部分である。液体導入部１４は、主流路１１の一端に単に孔が形成された構成であってもよく、図１に示す液溜め（リザーバー）のような構成であってもよい。液体導入部１４の容量は、導入する微粒子を含む液体の量などに応じて、適宜設定されうる。
【００３３】
流路デバイス１において、主流路１１の表面（液体と接する面）は、親水性であることが好ましい。例えば、主流路１１の表面は、酸化ケイ素（ＳｉＯＸ）膜が形成されていてもよく、ヒドロキシル基、カルボニル基、アルデヒド基またはカルボキシル基などの官能基を有していてもよい。また、主流路１１の表面は、酸素プラズマ法、真空紫外光処理法、フッ素ガス処理法によって表面処理を施されていてもよい。
【００３４】
主流路１１の表面が親水性を示すことにより、導入された液体が水性分散液である場合に、毛細管流動の効果によって上記水性分散液が主流路１１を流れやすくなる。このため、微粒子の濃縮に要する時間が短縮される。
【００３５】
＜１−２．側流路＞
主流路１１の側面には、側流路１２が接続されている。以下、主流路１１と側流路１２の接続部を、第１の接続部１２ａと呼ぶ。すなわち、第１の接続部１２ａは、主流路１１から側流路１２へ向かう流れの入り口とも言える。側流路１２は、主流路１１を流れる液体を主流路１１外へと導く流路である。側流路１２によって、余分な液体を排出することができる。また、側流路１２の高さおよび幅の少なくともいずれか一方は微粒子２の粒径に比べて小さい。それゆえ、側流路１２へ向かう流れに乗った微粒子２を、第１の接続部１２ａにて捕捉することができる。
【００３６】
図２は、本発明の一実施形態に係る流路デバイス１の側流路１２近傍の構造を表す模式図である。ここで、流路デバイス１内を液体が流通する際には、主流路１１における液体の流れＡ１と、側流路１２における液体の流れＡ２が生じる。Ａ１およびＡ２の矢印の方向は液体が流れる方向を表している。流れＡ１に乗って移動していた微粒子２が、側流路１２の近傍（第１の接続部１２ａ）に近づくと、流れＡ２に乗って側流路１２へと移動方向を変える。しかし、第１の接続部１２ａにおける側流路１２の高さｈ１２は、濃縮対象の微粒子２の粒径に比べて小さい。このような構造を取る結果、側流路１２の高さｈ１２よりも粒径の大きい微粒子２は、第１の接続部１２ａを通過できず、側流路１２へ入ることができない。そのため、微粒子２は、第１の接続部１２ａで移動を停止する（捕捉される）。
【００３７】
その後、再度、微粒子２を流れＡ１に乗るように放出すれば、主流路１１の末端に設けられたチャンバー１５において微粒子２を濃縮することができる。
【００３８】
図２では、側流路１２の高さが微粒子２の粒径に比べて小さい場合を例示しているが、上述のように側流路１２の幅が微粒子２の粒径に比べて小さくてもよい。なお、側流路１２の高さが微粒子２の粒径より小さい場合は、側流路１２の幅が微粒子２の粒径より小さい場合に比べて側流路１２の加工が容易であるという利点がある。
【００３９】
なお、主流路１１は、微粒子２が流動できる大きさを有している。従って、図２において、第１の接続部１２ａにおける側流路１２の高さｈ１２は、第１の接続部１２ａにおける主流路１１の高さｈ１１よりも低い。すなわち、主流路１１と側流路１２の間に段差が設けられている。
【００４０】
側流路１２の長さ、幅、高さおよび本数は、流路デバイス１に流通させる液体の量、上記液体に含まれる微粒子の数などに応じて、適宜設定されうる。なお、本明細書において、側流路の長さとは、側流路を流通する液体が流れる方向に沿った長さを表す。側流路１２の幅および高さは、捕捉したい微粒子が凝集しない程度に狭いことが好ましい。例えば、１本の側流路１２において１個の微粒子が捕捉されることが好ましい。また、一般的に、側流路１２の長さが短く、本数が多いほど、液体の排出に要する時間が短くなり、好ましい。
【００４１】
一例を挙げると、側流路１２の長さは１〜１００μｍであってもよく、１〜５０μｍであってもよい。側流路１２の幅および／または高さは０．０５〜１０μｍであってもよく、０．０５〜５μｍであってもよく、０．０５〜０．５μｍであってもよく、０．０５〜０．１５μｍであってもよい。側流路１２の本数は１本であっても、複数であってもよく、例えば、１〜１０００本であってもよく、１００〜８００本であってもよく、３００〜７００本であってもよい。
【００４２】
なお、側流路１２の幅または高さが微粒子２の粒径よりも小さい構造は、第１の接続部１２ａにおいて満たされていれば充分である。すなわち、第１の接続部１２ａ以外の部分における、側流路１２の幅または高さは、微粒子２の粒径以上であってもよい。
【００４３】
ここで、流路デバイス１中に、異なる高さを有する複数の側流路１２を設置してもよい。このような構成によれば、異なる粒径の微粒子を、１つの流路デバイスで捕捉することができる。また、側流路１２の高さが異なる複数の流路デバイス１を連結してもよい。このような構成によれば、同じ液体サンプルから、異なる粒径の微粒子を、それぞれの流路デバイス１において分離および濃縮することができる（例えば、血液中から、赤血球、白血球および血小板を分離および濃縮することができる）。
【００４４】
また、主流路１１を流れる微粒子のうち、一部の微粒子が側流路１２を通過できる設計として、微粒子を粒径に応じて分離させてもよい。このような構成とすれば、側流路１２を通過できない微粒子が主流路１１に留まるのに対し、側流路１２を通過できる粒子は主流路１１から流出する。このようにして、側流路１２を通過できない微粒子のみを分離し、濃縮することができる。そして、側流路１２を通過できる粒子は、側流路１２から流出する液体を回収し、再度流路デバイス１（第１の接続部１２ａの幅および高さの少なくとも一方を変更したもの）を利用して、回収・濃縮することができる。
【００４５】
また、流路デバイス１は、複数の側流路１２からなる列を、主流路１１の側面に１列設ける構成であってもよく、２列以上設ける構成であってもよい。図１では、複数の側流路１２からなる列が２列設けられている構成が例示されている。
【００４６】
また、主流路１１と同様に、側流路１２の表面（液体と接する面）は、親水性であることが好ましい。
【００４７】
＜１−３．液体排出路＞
上記側流路１２における上記主流路１１との接続部（第１の接続部１２ａ）との反対側には、液体排出路１３が接続されていてもよい。以下、側流路１２と液体排出路１３との接続部を、第２の接続部１２ｂと呼ぶ。液体排出路１３は、主流路１１から側流路１２へ流入した液体を排出する流路である。
【００４８】
液体排出路の形状は、特に限定されない。液体排出路１３は、主流路１１から側流路１２へ流入した液体を排出する機能を果たせばよいため、流路を形成せず、液溜め（リザーバー）であってもよい。また主流路１１から液体を排出する機能を高めるため、液体排出路１３から図１に示されている範囲の外部へと、液体を排出するチューブなどを接続してもよい。
【００４９】
液体排出路１３の長さ、幅および高さは、流路デバイス１に流通させる液体の量などに応じて適宜設定されうる。なお、本明細書において、液体排出路の長さとは、液体排出路を流通する液体が流れる方向に沿った長さを表す。一例を挙げると、液体排出路１３の長さは１〜２０ｍｍ、幅は５０〜２００μｍ、高さは１０〜２００μｍとすることができる。液体排出路１３は圧力で液体を排出可能な幅および高さを有し、側流路１２の幅以上の幅および側流路１２の高さ以上の高さを有することが好ましい。この場合、濃縮対象の微粒子よりも小さな微粒子（側流路１２を通過できる大きさの粒子）を液体排出路から排出することができる。なお、この場合の液体排出路１３の高さおよび側流路１２の高さは、第２の接続部１２ｂにおける高さを意図している。
【００５０】
また、複数の側流路１２が１つの液体排出路１３に接続されている構成であってもよい。例えば、図１に示すように、流路デバイス１において、そのような構成が２組以上設けられていてもよい。
【００５１】
また、主流路１１と同様に、液体排出路１３の表面（液体と接する面）は、親水性であることが好ましい。
【００５２】
＜１−４．チャンバー＞
主流路１１の一端には、微粒子を濃縮するためのチャンバー１５が設けられている。チャンバー１５は、主流路１１において液体が導入される側（液体導入部１４）とは反対側の端部に設けられている。すなわち、チャンバー１５は、主流路１１の流れの下流に設けられている。チャンバー１５は、濃縮対象となる微粒子が送り込まれる部分である。チャンバー１５の容量は、捕捉される微粒子の粒径および／または数などに応じて、適宜設定されうる。
【００５３】
第１の接続部１２ａから放出された微粒子２は主流路１１を通ってチャンバー１５に到達する。上述のように余分な液体は側流路１２へ排出されるため、チャンバー１５においては、導入時に比べて微粒子の濃度が上昇した状態となる。
【００５４】
また、主流路１１と同様に、チャンバー１５の表面（液体と接する面）は、親水性であることが好ましい。
【００５５】
＜１−５．液止め部＞
主流路１１とチャンバー１５とは、液止め部を介して接続されていることが好ましい。液止め部は、主流路１１とチャンバー１５との間における液体の流通を、一時的に妨げる機能を有する部位である。液止め部を設けることにより、液体の排出および微粒子の捕捉が行われている途中で、チャンバー１５へ液体が流入することを防ぐことができる。
【００５６】
一例において、液止め部は、撥水性流路１６である。撥水性流路１６の表面は撥水性であるため、主流路１１に導入された液体が水性分散液である場合に、通常では撥水性流路１６を乗り越えられない。撥水性流路１６は、表面（液体と接する面）が撥水性であり、圧力差を生じさせた際に液体が乗り越える流路設計であることが好ましい。撥水性流路１６の表面は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣＸ）膜が形成されていてもよく、メチル基などの官能基を有していてもよく、フッ素化合物で表面を形成されていてもよい（例えば、表面にトリフルオロメチル基を導入する）。
【００５７】
逆に、主流路１１に導入される液体が無極性分散液である場合には、親水性流路を液止め部とすることができる。なお、主流路１１に導入される液体が無極性分散液である場合には、上記の説明とは逆に、主流路１１、側流路１２、液体排出路１３およびチャンバー１５の表面（無極性分散液と接触する面）を疎水性とすることが好ましい。これらの表面を疎水性とするには、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣＸ）膜を形成したり、メチル基などの官能基を導入したり、フッ素化合物で表面を形成したり（例えば、表面にトリフルオロメチル基を導入する）すればよい。
【００５８】
他の例において、液止め部は、主流路１１を一時的に閉塞させるための機構である。このような機構の例としては、空気圧で駆動するダイヤフラム式のマイクロバルブが挙げられる。
【００５９】
ここで、チャンバー１５へと微粒子を送り込むためには、例えば、主流路１１において液体が導入される側（液体導入部１４側）が高圧になるように液体の圧力差を生じさせたり、主流路１１の閉塞を解除したりすればよい。
【００６０】
これにより、チャンバー１５へ微粒子を送り込むタイミングを容易に操作することができる。これによって、例えば、チャンバー１５にセンサーを接続した場合に、測定前のセンサーの汚れを防ぐことができ、濃縮した微粒子のより正確な測定が期待できる。
【００６１】
＜１−６．その他の構造＞
流路デバイス１は、主流路１１において、液体が導入される側が高圧になるように液体の圧力差を生じさせる構成（すなわち、陽圧を生じさせる構成）を有していてよい。例えば、主流路１１の液体が導入される側（液体導入部１４）に、流体圧力制御機器が接続されていてもよい。
【００６２】
主流路１１において、液体が導入される側が高圧になるように液体の圧力差を生じさせることにより、以下の利点が生じる。すなわち、液体が側流路１２へと排出され、微粒子が第１の接続部１２ａに捕捉されている状態において、陽圧をかけて追加の液体を流すことにより、捕捉されている微粒子２を放出させ、チャンバー１５へと移動させることができる。また、陽圧をかけることにより、微粒子２を、上述の液止め部（撥水性流路１６など）を乗り越えさせてチャンバー１５へと送り込むこともできる。
【００６３】
流路デバイス１は、側流路１２の、第１の接続部１２ａと第２の接続部１２ｂとの間で液体の圧力差を生じさせる構成を有していてよい。このような構成は、例えば、主流路１１と側流路１２との間で液体の圧力差を生じさせる構成でありうる。より具体的な例としては、主流路１１、側流路１２および／または液体排出路１３に、流体圧力制御機器を接続する構成が挙げられる。
【００６４】
側流路１２の、第１の接続部１２ａと第２の接続部１２ｂとの間で液体の圧力差を生じさせることにより、以下の利点が生じる。第１の接続部１２ａにおける流体圧が、第２の接続部１２ｂにおける流体圧よりも高い場合（第１の接続部１２ａ側が陽圧となる場合、または第２の接続部１２ｂ側が陰圧となる場合）、液体が側流路１２を液体排出路１３へ向けて流れる流速が上昇し、液体の排出に要する時間が短縮され得る。一方、第１の接続部１２ａにおける流体圧を、第２の接続部１２ｂにおける流体圧よりも低くすると、液体排出路１３から側流路１２へ液体が逆流するため、第１の接続部１２ａに捕捉されている微粒子を、主流路１１中へ放出することができる。
【００６５】
また、流路デバイス１には、各種のセンサーが接続されていてもよい。上記センサーは、チャンバー１５等に接続され得る。
【００６６】
＜１−７．微粒子を含む液体＞
濃縮対象は、微粒子を含む液体であればよく、微粒子の粒径、濃度および種類、分散媒の種類等は、特に限定されない。本明細書において、該微粒子を含む液体を分散液とも称する。なお、上記流路デバイスによって、所望の微粒子を濃縮することができればよく、液体中に含まれる全ての微粒子を濃縮する必要はない。例えば、不要な微粒子は、側流路を介して液体排出路等へ排出されてもよい。
【００６７】
微粒子の粒径は、長軸径、短軸径、定方向径、相当径、有効径など、粒径を算出する公知の手法により定められる値であり、上記微粒子の性質により、適宜算出方法を選択することができる。例えば、微粒子の粒径は、１００μｍ以下であればよい。
【００６８】
微粒子の濃度は、電気的検知帯法等の測定方法によって測定され得る。微粒子の濃度は、例えば、１０１０個／ｍＬ以下であればよい。
【００６９】
微粒子は、無機微粒子であってもよく、有機微粒子であってもよい。また、分散媒は、水であってもよく、有機分散媒であってもよい。扱いやすいという観点からは、分散媒は、水であることが好ましい。
【００７０】
微粒子を含む液体は、例えば、血液、唾液、鼻水または尿等の生体由来のものであってもよい。この場合、例えば、赤血球、白血球、血小板、花粉、細菌、ウイルスおよびその他の細胞等を微粒子とみなすことができる。
【００７１】
〔２．微粒子濃縮方法〕
本発明の一実施形態に係る微粒子濃縮方法は、微粒子を含む液体を、主流路に導入する導入工程と、上記主流路の側面に接続された側流路へ上記液体を排出するとともに、上記側流路と上記主流路との接続部において上記微粒子を捕捉する捕捉工程と、上記捕捉された微粒子を上記主流路へと放出する放出工程と、上記放出された微粒子を上記主流路の一端に設けられたチャンバーにて濃縮する濃縮工程と、を含み、上記側流路の高さおよび幅の少なくともいずれか一方は上記微粒子の粒径に比べて小さいことを特徴とする。上記微粒子濃縮方法は、上述の本発明の一実施形態に係る流路デバイスを用いて行われてもよい。
【００７２】
上記微粒子濃縮方法によって、液体中に含まれる微量の微粒子を高濃度に濃縮することができる。それゆえ、例えば、微粒子としてウイルスを選択した場合、被験体から採取したサンプルに含まれるウイルスを濃縮することができる。このため、上記ウイルスの検出を容易にすることができ、感染症の早期診断にも役立つ。
【００７３】
上記微粒子濃縮方法について、図３に基づいて説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る微粒子濃縮方法の概要を表す模式図である。
【００７４】
＜２−１．導入工程＞
上記微粒子濃縮方法は、微粒子を含む液体を、主流路に導入する導入工程を含む。図３の（ａ）では、微粒子２を含む液体が、液体導入部１４に導入される。微粒子２は液体とともに、主流路１１を流れる。
【００７５】
＜２−２．捕捉工程＞
上記微粒子濃縮方法は、上記主流路の側面に接続された側流路へ上記液体を排出するとともに、上記側流路と上記主流路との接続部において上記微粒子を捕捉する捕捉工程を含む。捕捉工程では、側流路１２へ向かって液体が排出される流れに乗った微粒子２が、図３の（ｂ）に示すように、第１の接続部１２ａにおいて捕捉される。これは、微粒子２の粒径が、第１の接続部１２ａにおける側流路１２の高さおよび幅の少なくともいずれか一方よりも大きいためである。
【００７６】
この際、第１の接続部１２ａにおける圧力を、第２の接続部１２ｂにおける圧力よりも高くすると、液体が側流路１２を液体排出路１３へ向けて流れる流速が上昇し、液体の排出に要する時間が短縮され得る。なお、捕捉工程において、液体は側流路１２へ全て排出されることが好ましい。
【００７７】
＜２−３．放出工程＞
上記微粒子濃縮方法は、上記捕捉された微粒子を上記主流路へと放出する放出工程を含む。放出工程では、図３の（ｃ）に示すように、第１の接続部１２ａに捕捉されていた微粒子２が、主流路１１へ向けて放出される。微粒子２を放出する方法としては、例えば、以下のものが挙げられる：（１）液体の排出を促進するために側流路１２に印加されていた、第１の接続部１２ａ側が高圧となる圧力を解除する；（２）第１の接続部１２ａにおける流体圧が、第２の接続部１２ｂにおける流体圧よりも低くなるように、側流路１２に圧力を印加する；（３）主流路１１に、追加の液体を流通させる。
【００７８】
＜２−４．濃縮工程＞
上記微粒子濃縮方法は、上記放出された微粒子を上記主流路の一端に設けられたチャンバーにて濃縮する濃縮工程を含む。濃縮工程では、図３の（ｄ）に示すように、主流路１１に放出されていた微粒子２が、少量の液体（例えば、側流路１２から逆流した液体または主流路１１に導入された追加の液体）を伴ってチャンバー１５へと移動させられる。チャンバー１５へ移動した微粒子２は、濃縮された状態にある。本明細書において、「微粒子を濃縮する」とは、液体導入時に比べて、単位体積あたりの液体に含まれる微粒子の数を増加させることを意図している。流路デバイス１によれば、通常は１００倍以上、好ましくは５００倍以上、より好ましくは１０００倍以上に、微粒子を含む液体を濃縮することができる。
【００７９】
また、主流路１１とチャンバー１５との間に液止め部（撥水性流路１６など）を設け、かつ、主流路１１において液体が導入される側が高圧になるように液体の圧力差を生じさせる場合、濃縮工程を任意のタイミングで行うことができるため、好ましい。
【００８０】
〔３．流路デバイスの製造方法〕
以下に、本発明の一実施形態に係る流路デバイスの製造方法について説明する。本発明の一実施形態に係る流路デバイスは、常法に則って微小流路を有する部材を作製し、任意で、流体圧力制御機器、各種センサーなどと接続してもよい。
【００８１】
流路デバイスの製造方法は、流路デバイスの材質に応じて、適宜選択しうる。流路デバイスの材質は、ポリジメチルシロキサン等のシリコーン樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂、または環状オレフィン・コポリマー等のオレフィン系樹脂であってもよく、ガラス等であってもよい。流路デバイスの製造方法は、ソフトリソグラフィ、ナノインプリント、または薄膜の積層によるものであってもよく、特に限定されない。以下では、一例としてシリコーン樹脂を用いたソフトリソグラフィによる製造方法を、図４に基づいて、説明する。
【００８２】
まずは、以下のように流路の鋳型を作製する。適当な材質（シリコンなど）の基板２１上に、フォトレジストを塗布し、レジスト膜を形成する。露光により、流路パターンを形成する。ここで、図４の（ａ）に示すように側流路に対応するパターン２２を形成した後に、図４の（ｂ）に示すように主流路に対応するパターン２３を形成してもよい。第１の接続部に存在する段差は、レジスト膜の厚さを変更することにより、作製することができる。
【００８３】
次に、上述の工程で作製した鋳型に、シリコーン樹脂を流し込む。熱硬化によりシリコーン樹脂を硬化させた後、図４の（ｃ）に示すように、流路パターンが転写された部材２４を得る。部材２４のうち、液体と接触する表面には、任意で親水化処理を行ってよい。上記親水化処理は、パルスプラズマＣＶＤ法による親水性膜の形成、酸素プラズマ法による表面処理、真空紫外光による表面改質などにより行うことができる。
【００８４】
一方、図４の（ｄ）に示すように、流路の底面に相当する基板２５を用意する。基板２５の表面には、親水化処理および／または撥水化処理を施してよい。図４の（ｄ）に示すように、基板２５に撥水性領域２６を形成した後に、図４の（ｅ）に示すように、撥水性領域２６以外の領域に親水化処理を行ってもよい。上記親水化処理は、パルスプラズマＣＶＤ法による親水性膜の形成、酸素プラズマ法による表面処理、真空紫外光による表面改質などにより行うことができる。上記撥水化処理は、パルスプラズマＣＶＤ法による撥水性膜の形成、フッ素ガス表面処理法などにより行うことができる。
【００８５】
最後に、図４の（ｆ）に示すように、部材２４と基板２５とを貼り合わせる。
【００８６】
上記各項目で記載した内容は、他の項目においても適宜援用できる。また、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００８７】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例のみに限定されるものではない。【００８８】
〔製造例：流路デバイスの作製〕
まず、直径１００ｍｍのシリコン基板（４インチシリコンウエハー、株式会社エレクトロニクス エンド マテリアルズ コーポレーション製）上に、ネガ型感光性レジスト（SU-8 2000.5、MicroChem製）を塗布し、厚さ０．５μｍのレジスト膜を形成した。次いで、マスクレス露光装置（高輝度ＬＥＤ描画装置、株式会社ピーエムティー製）を用いて、ＬＥＤ描画によって側流路のパターンを形成した。側流路の幅は５μｍ、高さは０．５μｍ、長さは５０μｍ、本数は６６０本であった。また、側流路の間隔は、１５μｍであった。【００８９】
ここで、第１の接続部における側流路の開口部の大きさは５μｍ×０．５μｍであるから、これよりも大きな微粒子は、側流路を通過できない。すなわち、粒径が側流路の高さ（０．５μｍ）以上の微粒子は、側流路を通過できない。【００９０】
次に、上記シリコン基板上に、ネガ型感光性レジスト（SU-8 3050、MicroChem製）を塗布し、厚さ３０μｍのレジスト膜を形成した。次いで、露光装置（マスクアライナー）（PEM-800、ユニオン光学株式会社製）を用いて、主流路、液体排出路、液体導入部およびチャンバーのパターンを形成した。上記主流路の幅は２００μｍ、高さは３０μｍ、長さは６ｍｍであった。上記液体排出路の幅は１００μｍ、流路高さは３０μｍであった。【００９１】
上述の工程により作製した流路パターンを有する鋳型に、ポリジメチルシロキサン（Sylgard 184（登録商標） Silicone Elastomer、東レ・ダウコーニング株式会社製）を流し込み、熱硬化させた。その後、流路パターンが転写されたポリジメチルシロキサン製流路構造を、鋳型から切り出した。【００９２】
上記流路構造の、後述のガラス基板と対合する表面に対して、プラズマクリーナー装置（FEMTO CUTE-MP、フェムトサイエンス社製）を用いて酸素プラズマ表面処理を施した。これにより、上記流路構造の表面を親水化処理した。【００９３】
また、石英ガラス基板（４インチ合成石英ガラスウエハー、株式会社大興製作所製）の表面のうち、撥水性流路に相当する領域に対して、パルスプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＣＸの撥水性膜を形成した。撥水性膜の形成には、パルスプラズマＣＶＤ装置（実験用、神港精機株式会社製）を用いた。【００９４】
次に、石英ガラス基板の表面の上記撥水性膜以外の領域に対して、パルスプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯＸの親水性膜を形成した。親水性膜の形成には、パルスプラズマＣＶＤ装置（実験用、神港精機株式会社製）を用いた。【００９５】
得られた親水化処理済の流路構造と、石英ガラス基板とを貼り合わせた。【００９６】
液体導入部に直径４ｍｍの孔を空け、濃縮工程の際に流体圧力制御機器（ELVEFLOW OB1、Elvesys社製）と接続した。また、液体排出路の一部にも直径２ｍｍの孔を空け、流体圧力制御機器（ELVEFLOW OB1、Elvesys社製）と接続した。【００９７】
〔実施例１：カルボキシ基修飾ポリスチレン微粒子の濃縮〕
＜実施例１−１＞
まず、粒径６μｍのカルボキシ基修飾ポリスチレン微粒子を含む分散液（Polybead（登録商標） Carboxylate Microspheres 6.00μm、Polysciences社製）を用いた。上記分散液をリン酸緩衝液で希釈することにより、微粒子濃度１０４個／ｍＬ（液量３０μＬ）である分散液を調製した。上記製造例で作製した流路デバイスに、上記分散液を流し、上記微粒子を濃縮した。【００９８】
図５は、微粒子が濃縮される様子をデジタルマイクロスコープ（KH-8700、株式会社ハイロックス製）で観察した結果を示す図である。図５の（ａ）は分散液導入前の流路デバイスを示している。上述のように調製した分散液を、液体導入部に滴下し、流路内を流通させた。なお、図５の（ｂ）〜（ｅ）においては、側流路１２に液体が流入することにより、屈折率の影響で一本一本の側流路は見えづらくなっている。図５の（ｂ）は、微粒子２が主流路１１を流れている様子を示している。ここで、流体圧力制御機器を用いて、主流路側の流体圧が高く、液体排出路側の流体圧が低くなるように、−８０ｋＰａの圧力を印加した。図５の（ｃ）は、微粒子２が側流路１２に捕捉されていく様子を示している。この結果、１０分間程度で、液体の排出は終了した。また、図５の（ｄ）のように、微粒子２は側流路１２の開口部に捕捉された。【００９９】
液体の排出が終了した時点で、上記の圧力の印加を停止した。この結果、側流路１２の開口部を通過できず捕捉されていたカルボキシ基修飾ポリスチレン微粒子２は、図５の（ｅ）のように、主流路１１中へと放出された。【０１００】
次に、流体圧力制御機器を用いて、液体導入部側の流体圧が高く、チャンバー側の流体圧が低くなるように、１０ｋＰａの圧力を印加した。この結果、カルボキシ基修飾ポリスチレン微粒子２は、微量の液体を伴い、図５の（ｆ）のように、撥水性流路１６を越えてチャンバー１５へと移動した。【０１０１】
（結果）
チャンバーに移動したカルボキシ基修飾ポリスチレン微粒子の濃度は、約１０７個／ｍＬであり、約８００倍に濃縮されていた。【０１０２】
＜実施例１−２＞
側流路の長さを１００μｍとしたこと以外は、上述の製造例と同様にして流路デバイスを作製した。粒径１μｍのカルボキシ基修飾ポリスチレン微粒子を用いて、実施例１−１と同様の実験を行った。【０１０３】
具体的には、微粒子濃度４．５５×１０４個／ｍＬでカルボキシ基修飾ポリスチレン微粒子を含む分散液を３０μＬ、液体導入部に滴下した。流体圧力制御機器を用いて、主流路側の流体圧が高く、液体排出路側の流体圧が低くなるように、−８０ｋＰａの圧力を印加した。この結果、約３３分間で、液体の排出は終了した。【０１０４】
（結果）
図６は、捕捉された微粒子をデジタルマイクロスコープ（KH-8700、株式会社ハイロックス製）で観察した結果を示す図である。図６中の矢印は、捕捉されたカルボキシ基修飾ポリスチレン微粒子を示している。【０１０５】
また、チャンバーに移動したカルボキシ基修飾ポリスチレン微粒子の濃度は、約１０７個／ｍＬであり、約８００倍に濃縮されていた。【０１０６】
〔実施例２：大腸菌の分離〕
側流路の長さを１００μｍとしたこと以外は上述の製造例と同様にして作製した流路デバイスを使用して、大腸菌（Escherichia coli、１μｍ×５μｍ程度の円柱状）を含むリン酸緩衝液から、大腸菌を捕捉した。【０１０７】
具体的には、大腸菌を含むリン酸緩衝液を３０μＬ、液体導入部に滴下した。流体圧力制御機器を用いて、主流路側の流体圧が高く、液体排出路側の流体圧が低くなるように、−８０ｋＰａの圧力を印加した。この結果、約３０分間で、液体の排出は終了した。【０１０８】
（結果）
図７は、捕捉された大腸菌をデジタルマイクロスコープ（KH-8700、株式会社ハイロックス製）で観察した結果を示す図である。図７中の矢印は、捕捉された大腸菌を示している。このように、本発明の一実施形態に係る流路デバイスによれば、大腸菌（細胞）のように比較的軟らかい微粒子でも、捕捉することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は、例えば、微量な微粒子の検出が有用である技術分野（感染症の早期診断など）に利用することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１  流路デバイス
２  微粒子
１１  主流路
１２  側流路
１３  液体排出路
１５  チャンバー
１６  撥水性流路（液止め部）
【図１】
2018212043.tif 000003
【図２】
2018212043.tif 000004
【図３】
2018212043.tif 000005
【図４】
2018212043.tif 000006
【図５】
2018212043.tif 000007
【図６】
2018212043.tif 000008
【図７】
2018212043.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月7日(2019.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子を含む液体を流動させるための主流路と、
上記主流路の一端に設けられた、微粒子を濃縮するためのチャンバーと、
上記主流路の両側の側面に接続されており、余分な液体を排出するための側流路
上記側流路と上記主流路との接続部側が低圧になるように、上記側流路に流体圧を印加できるように構成されている流体圧力制御機器と、
と、を備え、
上記側流路の高さおよび幅の少なくともいずれか一方は上記微粒子の粒径に比べて小さく、
上記主流路と上記チャンバーとの間に、液止め部が設けられていることを特徴とする流路デバイス。
【請求項２】
上記側流路における上記主流路との接続部との反対側には、該側流路の幅以上の幅および該側流路の高さ以上の高さを有する液体排出路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の流路デバイス。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
上記側流路が複数設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の流路デバイス。
【請求項５】
微粒子を含む液体を、主流路に導入する導入工程と、
上記主流路の両側の側面に接続された側流路へ上記液体を排出するとともに、上記側流路と上記主流路との接続部において上記微粒子を捕捉する捕捉工程と、
上記捕捉された微粒子を上記主流路へと放出する放出工程と、
上記放出された微粒子を上記主流路の一端に設けられたチャンバーにて濃縮する濃縮工程と、を含み、
上記側流路の高さおよび幅の少なくともいずれか一方は上記微粒子の粒径に比べて小さく、
上記主流路と上記チャンバーとの間に、液止め部が設けられており、
上記側流路には、
（ｉ）上記捕捉工程においては上記主流路側が高圧となるように流体圧が印加され、かつ、上記放出工程においては上記流体圧の印加が停止されるか、もしくは上記主流路側が低圧となるように流体圧が印加される、または、
（ｉｉ）上記放出工程において上記主流路側が低圧となるように流体圧が印加される、ことを特徴とする微粒子濃縮方法。
【請求項６】
上記側流路における上記主流路との接続部との反対側には、該側流路の幅以上の幅および該側流路の高さ以上の高さを有する液体排出路が接続されていることを特徴とする請求項５に記載の微粒子濃縮方法。
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
上記側流路が複数設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の微粒子濃縮方法。
【国際調査報告】
2018212043.tif 000010
2018212043.tif 000011
2018212043.tif 000012
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