(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子仕分システムにおいて：
入り口と；
基体に配置され遠位端に下流拡張領域を有する慣性収束マイクロチャネルであって、前記入口が当該マイクロチャネルの上流側端部に連結されているマイクロチャネルと；
前記入口に連結された様々な形状の粒子の源であって、当該様々な形状の粒子の源が、前記入口に連続導入するように構成されている源と；
前記下流拡張領域で前記マイクロチャネルに連結されている複数の出口と；
流体ラインを介して前記複数の出口に接続された圧力コントローラであって、可変圧力をかけて前記複数の出口でそれぞれの流体抵抗を調整する圧力コントローラと；
を具えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記粒子が細胞を含むことを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記異なる形状の粒子の源の流速が調整可能であることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記下流拡張領域が、流体の流れる方向において徐々に外側に角度がついている対向する壁を具えることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムにおいて、前記対向する壁が、流体の流れる方向において、１００μｍにつき２度の角度で徐々に外側に角度が付いていることを特徴とするシステム。
【請求項６】
サンプル流体中に懸濁した形状の異なる粒子を仕分する方法において：
その中に懸濁した形状の異なる粒子を含むサンプル粒子を、粒子仕分システムであって：
基体に配置し、遠位端に下流拡張領域を有する慣性収束マイクロチャネルと；
前記下流拡張領域に連結された複数の出口と；
流体ラインを介して前記複数の出口に接続された圧力コントローラであって、可変圧力をかけて前記複数の出口でそれぞれの流体抵抗を調整する圧力コントローラと；
を具えるシステムに流すステップと；
前記複数の出口の各々で流体を回収するステップであって、前記出口の少なくとも一つが、サンプル流体に比べて少なくとも一の形状の粒子が富化された流体を含む、ステップと；
を具えることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記粒子が細胞を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法において、前記サンプル流体の流速が可変であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法において、仕分される前記形状の異なる粒子の少なくともいくつかが、実質的に同じ体積であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の方法において、仕分される前記形状の異なる粒子の少なくともいくつかが、一の寸法において同様の断面プロファイルを有しているが、別の寸法においては異なる断面プロファイルを有することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項６に記載の方法が、懸濁する形状の異なる粒子を含むサンプル流体を、第１のレイノルズ数で粒子仕分システムに流すステップと、次いで、懸濁する形状の異なる粒子を含む回収したサンプル流体を、前記第１のレイノルズ数と異なる第２のレイノルズ数で粒子仕分システムに流すステップと、を具えることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項６に記載の方法において、前記複数の出口が、前記慣性収束マイクロチャネルのセンターライン上あるいはその近傍に位置する少なくとも一の出口と、前記慣性収束マイクロチャネルのセンターラインから離れて側方に配置した少なくとも一の出口とを具え、前記慣性収束マイクロチャネルのセンターライン上又はその近傍に位置する前記少なくとも一の出口が、前記慣性収束マイクロチャネルのセンターライン上から離れて側方に配置された前記少なくとも一の出口で回収された回転径が小さい粒子サブセットより、回転径が大きい粒子サブセットを捕捉する、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、２０１１年９月３０日に出願された米国暫定特許出願第６１／５４１，９３４号と、２０１２年３月２日に出願された米国暫定特許出願第６１／６０６，２８７号の優先権を主張する。これらの出願は、ここに引用により組み込まれている。優先権は３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９によって請求する。
【０００２】
［連邦政府資金による研究開発の記載］
本発明は、全米科学団体の助成による認可番号０９３０５０１号の政府支援によって行われた。
【０００３】
［技術分野］
本発明の技術分野は、分離及び仕分アプリケーション用のマイクロ流体デバイスに関する。特に、本発明の技術分野は、各々の形状に基づいて粒子を分離又は仕分をするのに用いるマイクロ流体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００４】
細胞又はマイクロ粒子の連続分離にマイクロ流体を用いる様々な試みがなされてきた。いくつかのアプローチは、外部からの力場とマイクロ流体を組み合わせたものがある。例えば、粒子を分離するのに、電気、磁気、光及び音響ベースの力を試してきた。更に他のアプローチは、マイクロチャネル内にできる受動的流体力学に基づいている。例えば、サイズ排除の原理によって作動する様々なフィルタ（例えば、ダム型、横流型）とメンブレインが推奨されてきた。例えば、Ｔａｋａｇｉ  ｅｔ  ａｌ．は、非対称に配置した多枝チャネルを有するマイクロチャネルを用いた連続粒子分離技術を開発した。Ｔａｋａｇｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ  ｈａｖｉｎｇ  ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ  ａｒｒａｎｇｅｄ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｂｒａｎｃｈｅｓ，Ｌａｂ  Ｃｈｉｐ，Ｊｕｌ；５（７）７７８−８４（２００５）参照。この方法は、マイクロチャネル内に層流を使用するピンチド・フロー・フラクショネーション（ＰＦＦ）の分離スキームを改良したものである。
【０００５】
Ｙａｍａｄａ  ｅｔ  ａｌ．は、水力学的濾過法（ＨＤＦ）を用いて粒子の連続濃縮と分類を行うマイクロ流体デバイスを提案した。この方法は、様々なサイドチャネルを用いて、マイクロ流体チャネルの壁に沿って粒子を整列させている。更に下流側選択チャネルを用いて、主チャネルから様々な粒子を選択的に抽出している。Ｙａｍａｄａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ  ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｏｎ−ｃｈｉｐ  ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ，Ｌａｂ  Ｃｈｉｐ，Ｎｏｖ：５（１１）：１２３３−３９（２００５）参照。Ｃｈｏｉ  ｅｔ  ａｌは、マイクロ構造で誘発された圧力場の影響により浮遊粒子の動きである水力学泳動を利用したマイクロ粒子用マイクロ流体分離及びサイシング技術を開発した。マイクロチャネル中の斜めになった障害物を有効に使用することで、側方圧力勾配を作り、その勾配によって生じる側方流に沿ってマイクロ粒子を偏向させて配置する。Ｃｈｏｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｈｙｄｒｏｐｏｒｅｔｉｃ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｓｉｚｉｎｇ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｓｌａｎｔｅｄ  ｏｂｓｔａｃｌｅｓ  ｉｎ  ａ  ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ，Ｌａｂ  Ｃｈｉｐ，Ｊｕｌ；７（７）：８９０−９７（２００７）参照。
【０００６】
Ｈｕａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．は、決定論的側方置換（ＤＬＤ）による連続粒子分離法を提案している。Ｈｕｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ  ｌａｔｅｒａｌ  Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３０４  Ｎｏ．５６７３  ｐｐ．９８７−９９０（Ｍａｙ  ２００４）参照。この技術は、障害物周囲の層流の非対照分岐を使用している。その経路をサイズに基づいて粒子を確定的に選択する。その他の方法は、遠心分離に基づいている。例えば、Ｏｏｋａｗａｒａ  ｅｔ  ａｌ．は、半径２ｍｍの遠心分離用の半円と共に、２００μｍ×１７０μｍのマイクロチャネルの使用について報告している。ここでは、スラリー粒子が分岐チャネルの一本のアームに方向付けられる。Ｏｏｋａｗａｒａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｋ．Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｎ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ  ｏｆ  Ｓｌｕｒｒｙ  ａｎｄ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｏｎｔａｉｎｅｄ  Ｐａｒｉｃｃｌｅｓ  ｂｙ  Ｍｉｃｒｏ−Ｃｈａｎｎｅｌ，Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｊ．，ｖ．１０１，１７１−１７８（２００４）参照。より最近では、Ｄｉ  Ｃａｌｒｏ  ｅｔ  ａｌ．が、慣性収束、順序付け、及び、マイクロ流体チャネル内で制御された態様で粒子を順序づける、慣性収束、順序付け、及び、分離する技術を開発した。Ｄｉ  Ｃａｒｌｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｉｎｅｒｔｉａｌ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ，ｏｒｄｅｒｉｎｇ，ａｎｄ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｉｎ  ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓ，ＰＮＡＳ，１０４，４８，１８８９２−１８８９７（２００７）参照。
【０００７】
しかしながら、これらほとんどの総合的分離技術では、一般的に、細胞及び粒子が球形であると仮定した上で、粒子サイズ、変形能、密度、電気的又は磁気的特性、又はその表面分子を用いて粒子御分離を行うものであり、形状はほとんど考慮されていなかった。遠心分離は、マイクロ粒子を分離するマクロスケールの従来技術であり、後に球形及びロッドの形状分離に考慮されるようになった。Ｓｈａｒｍａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｈａｐｅ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｇｏｌｄ  ｎａｎｏｒｏｄｓ  ｕｓｉｎｇ  ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ．ＰＮＡＳ，１０６，１３，４９８１−４９８５（２００９）参照。近年になって、水力学的濾過（ＨＤＦ）、決定論的側方置換（ＤＬＤ）、及び、誘電泳動（ＤＥＰ）が、形状をマイクロシステムにおける分離基準として考慮するようになった。Ｂｅｅｃｈ  ｅｔ  ａｌ．が最初に、ＤＬＤ技術を用いた形状ベースの仕分を導入してデバイスの深さを制御することによって、非球形粒子をＤＬＤデバイスで方向づけることができ、その結果、ピラーネットワークに対して様々な有効寸法とした。Ｂｅｅｃｈ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｈａｐｅ−ｂａｓｅｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｓｏｒｔｉｎｇ−Ａ  ｎｅｗ  ｐａｒａｄｉｇｍ  ｉｎ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ，Ｐｒｏｃ．Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ，Ｊｅｊｕ，Ｋｏｒｅａ，８００−８０２（２００９）参照。より近年になると、Ｓｕｇａｙａ  ｅｔ  ａｌ．が、形状ベースの分離にＨＤＦの適用可能性を研究し、球形粒子と非球形粒子の分岐点における分離挙動の違いを示すとともに、この技術をイースト細胞混合物から出芽性／単一細胞を仕分するのに使用した。Ｓｕｇａｙａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎｏｎｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｂｅｈａｖｉｏｕｓ  ｆｏｒ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｓｈａｐｅ−ｂａｓｅｄ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ  ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｉｏｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ，５，０２４１０３（２０１１）参照。同様に、Ｖａｌｅｒｏ  ｅｔ  ａｌ．は、逆方向のＤＥＰ力を多周波数でバランスさせることによって、形状ベースでのイーストの仕分を確認した。Ｖａｌｅｒｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｔｒａｃｋｉｎｇ  ａｎｄ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｙｅａｓｔ  ｃｅｌｌ  ｃｙｃｌｅ  ｕｓｉｎｇ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ  ｏｐａｃｉｔｙ，Ｌａｂ  Ｃｈｉｐ，１１，１７５４−１７６０（２０１１）参照。
【０００８】
ＨＤＦとＤＬＤは、連続的で効率のよい技術であるが、両方とも低い流速（２−３μＬ／分と６０μＬ／分）と、高希釈ファクタが必要であり、その結果スループットが低くなる。これらの技術は、分離を保証するのに必要な特徴（ＤＬＤにはピラーネットワーク、ＨＤＦには高パラレル化チャネル）を正確に設計する必要があるため（＜１μｍの分解能）、正確に規定した製造プロセスと複雑な設計も必要である。一方、ＤＥＰは、各実験間で活性エレメントとバッファ伝導性を正確かつ再生可能に制御する必要があり、これも一体化マイクロシステム全体の一体性を複雑なものにしている。ＤＥＰベースの解決法は、活性エレメントと、ランの間のバッファ伝導性の正確で再生可能な制御を更に統一する必要があり、これがＤＥＰベースのデバイスを複雑でコストの高いものにしている。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の一態様は、入口と、基体に配置されており遠位端に下流拡張領域を有する慣性収束マイクロチャネルとを具える粒子選別システムである。ここで、入口がマイクロチャネルの上流側端部に連結されている。様々な形状の粒子の源が入口に連結されており、この様々な形状の粒子の源は、入口に連続的に導入するように構成されている。複数の出口がマイクロチャネルの下流拡張領域に連結されている。流体抵抗器がそれぞれの出口に配置されている。出口に様々な抵抗を使用して、特定の粒子形状を有する富化した粒子画分を捕捉することができる。
【００１０】
サンプル流体中に浮遊する様々な形状の粒子を選別する方法は、粒子選別システムを介してサンプル流体中に浮遊する様々な形状の粒子を含むサンプル流体を流す工程を具える。このシステムは、基体に配置されており遠位端に下流拡張領域を有する慣性収束マイクロチャネルと、下流拡張領域に連結された複数の出口と、を具える。複数の流体抵抗器がそれぞれの出口に配置されている。この方法では、流体は複数の出口の各々において回収され、この出口の少なくとも一つが、サンプル流体に比べて少なくとも一の形状の富化した粒子の流体を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、一実施例に係る粒子選別システム又はデバイスを示す図である。
【図２】図２Ａは、３つの個別出口で終端する下流拡張領域を拡大して示す図である。２つの出口は、同じ流体抵抗器を有しており、中央の流体抵抗器は抵抗が小さい。図２Ｂは、複数の出口の流体抵抗の調節に圧力コントローラを使用する下流拡張領域を拡大して示す図である。
【図３】図３は、粒子仕分システムの入口に連結した粒子源を示す図である。
【図４】図４Ａは、アスペクト比が高い（Ｈ＞Ｗ）慣性収束といった、矩形チャネルを示す図であり、ここでは入口にランダムな粒子分布が導入される。図４Ｂは、図１の領域Ａにおける慣性収束マイクロチャネル１４の断面図である。図４Ｃは、図１の領域Ｂにおける慣性収束マイクロチャネル１４の断面図である。図４Ｄは、粒子選別システムを流れる様々なサイズと形状を有する様々な粒子のアスペクト比と寸法を示す図である。寸法は、互いにほぼ直交するａ及びｂ方向に示す。図４Ｅは、入口で捕捉した粒子の顕微鏡写真を示す。スケールバーは、１０μｍである。図４Ｆは、出口で捕捉した粒子の顕微鏡写真を示す。スケールバーは、１０μｍである。
【図５】図５Ａは、様々なチャネルジオメトリ（パネル画像Ａ、Ｄ、及びＧに示す）において様々なレイノルズ数（差し込み図）で取得した様々な形状の粒子の分布変化（球形、アスペクト比３：１のロッド、及びアスペクト比５：１のロッド）をプロットしたヒストグラムである。図５Ｂは、３つのチャネルジオメトリ全部と試験したフロー状態についてプロットした平均Ｘｅｑを示す。
【図６】図６Ａは、球形及びアスペクト比１：５のロッドについて、Ｘｅｑの正規化粒子計数（％）の代表的なガウスフィットをパネル画像Ａに示す図である。パネル画像Ｂは、分離性ファクタ１を示す。パネル画像Ｃは、分離可能性ファクタ２を示す。図６Ｂは、様々な流速における、２５μｍ幅チャネル（画像Ｄ）と、３０μｍ幅チャネル（画像Ｅ）と、３５μｍ幅チャネル（画像Ｆ）について得られた分離可能性ファクタを示す。
【図７】図７Ａ乃至７Ｃは、試験を行った粒子選別システムの３つの構造を示す図である。図７Ｄは、出口１と２間の領域の顕微鏡画像である。図７Ｅは、出口４と５間の領域の顕微鏡画像である。図７Ｆは、出口５周辺の領域の顕微鏡画像である。図７Ｇは、図７Ａに示すデバイスの各出口における様々な粒子のＥＹ及びＥＲを示す。図７Ｈは、図７Ｂに示すデバイスの各出口における様々な粒子のＥＹ及びＥＲを示す。図７Ｉは、図７Ｃに示すデバイスの各出口における様々な粒子のＥＹ及びＥＲを示す。図７Ｊは、図７Ａのデバイスの各出口における様々な粒子のＥＰを示す。図７Ｋは、図７Ｂのデバイスの各出口における様々な粒子のＥＰを示す。図７Ｌは、図７Ｃのデバイスの各出口における様々な粒子のＥＰを示す。
【図８】図８Ａは、別の実施例に係る粒子選別システムを示す図である。図８Ｂは、図８Ａに示すデバイスの５つの出口の各々におけるＥＹのグラフである。図８Ｃは、図８Ａに示すデバイスの５つの出口の各々におけるＥＰのグラフである。図８Ｄは、図８Ａに示すデバイスの５つの出口の各々におけるＥＲのグラフである。
【図９】図９Ａは、粒子選別システムの入口における細胞の顕微鏡画像である。細胞は、小単細胞（一番上の入口）、大単細胞（上から二番目の入口）、出芽細胞（上から三番目の入口）、ダブレット細胞（上から四番目の入口）、及び凝集細胞（一番下の入口）の５群に分類される。図９Ｂは、出口２及び出口３の各画像を示す。単細胞は、出口２で高い抽出収率を示したが、出口３では、出芽細胞の純度が高かった。図９Ｃは、６つの出口の夫々についてのＥＹとＥＲを示すグラフである。図９Ｄは、６つの出口の夫々についてのＥＰを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、一実施例に係る粒子選別システム１０を示す。粒子選別システム１０は、マイクロ流体アプリケーションに適したあらゆる材料で形成することができる。例えば、粒子選別システム１０の特徴部分は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）に形成することができ、次いでこれを一般的なＰＤＭＳレプリカ成形プロセスを用いてガラス又はプラスチックなどの平坦な基体に接着する。簡単に言えば、標準的なリソグラフィック技術を用いて、ＳＵ−８フォトレジストでスピンコートしたシリコンマスターから型を作成した。ＰＤＭＳチップは、Ｓｙｌｇａｒｄ  １８４  Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ  Ｋｉｔ (Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ)と架橋剤を用いて、ポリマー比１：１０になるようにこの金型から作成した。チャネルを封入するために、ＰＤＭＳとガラスを、両者を互いに接着する前にエアプラズマ（Ｐｌａｓｍａ  Ｃｌｅａｎｅｒ，Ｈａｒｒｉｃｋ  Ｐｌａｓｍａ，５００ｍＴｏｒｒ，３０ｓｅｃ）で活性化した。
【００１３】
代替的に、シリコンなどの基体、又はプラスチックなどのポリマーに、リソグラフィ又はマイクロ流体チャネルを作成するのに知られている同様の技術を用いて、直接、粒子選別システムを１０を作るようにしてもよい。粒子選別システム１０の利点は、標準的なマイクロ流体製造技術で製造できることであり、これによって製造時間とコストを低減できる。更に、能動方式とは逆に、粒子選別を誘導する外付け装置が不要である。選別は、デバイスのジオメトリと、駆動力としての流体の存在による。流速が低いＤＬＤやＨＤＦベースのデバイスと違って、ここに述べる粒子選別システム１０は、比較的高い流速で使用され、したがって、このデバイスは高スループットを実現できる。
【００１４】
ここで使用されているように、「粒子」は、マイクロメートル又はそれより小さいスケールの寸法の小物体を意味する。粒子は、生物及び無生物の両方を含む。粒子の例には、細胞、バクテリア、ウイルスなどがある。粒子は、器官又はより大きい生物学的構成要素のサブコンポーネントを含む。粒子は、また、ビーズ、その他の無生物も含む。粒子は、その他の種と結合又はコンジュゲートできる。粒子は、単体又は分離した粒子、並びに、その他の小物体の凝集体も含む。
【００１５】
粒子選別システムは、慣性収束マイクロチャネル１４の上流端部に接続された入口１２を具える。図１に示すように、デブリスやそのほかの対象となる大きな粒子を捕捉するオプションフィルタ１６がある。このオプションフィルタ１６は、慣性収束マイクロチャネル１４へ大きな又は嵩のある粒子が入らないようにする、一またはそれ以上の突起、ポストなどで形成することができる。慣性収束マイクロチャネル１４は、長さ数センチメートル（例えば、４ｃｍ）であり、矩形断面を有する。例えば、慣性収束マイクロチャネル１４は、高さ約５０μｍであり、幅が約２５−３５μｍの範囲であるが、この範囲外のその他の寸法も意図されている。
【００１６】
慣性収束マイクロチャネル１４は、下流拡張領域１８の下流端部で終端している。下流拡張領域１８は、好ましくは、流れの方向（図２Ａにおける矢印Ａの方向）に沿って移動するにつれて側方に徐々に拡張する。この点に関して、図２Ａに示すように、下流拡張領域１８を規定するチャネル１９のエッジの輪郭は、平角な拡張チャンバとは対照的に、カーブを描いているか放物線状である。一般的に、慣性収束マイクロチャネル１４から下流拡張領域１８へ、滑らかな形状で移行することが好ましい。例えば、下流拡張領域１８を規定している壁は、流体の流れ方向において下流側に行くにつれて外側に徐々に角度が付いている。例えば、下流拡張領域を規定する壁は、流体の流れの方向に沿って１００μｍ移動するごとに２°徐々に角度が大きくなる。以下に説明するように、下流拡張領域１８は、収束するストリームラインにおいて粒子を収束させつづける一方で、その側方のスペース（Ｘｅｑ）を強化している。
【００１７】
図１をさらに参照すると、複数の出口２０が拡張領域１８の下流側に連結されている。各出口２０は、拡張領域１８の一端で開口する出口チャネルである。このような出口２０が５個記載されているが、これより多いあるいは少ない数であってもよい。各出口２０は、図１に記載されている流体抵抗２２を具える。流体抵抗２２は、出口２０で流れを制限する構造に形成することができる。一例として、フロー抵抗は、図２Ａに示すように複数のターンを有する蛇行チャネル２４である。例えば、流体抵抗２２は、数センチメートルの全長に対してこのようなターンを２０有していてもよい。ターン数で、流体抵抗２２を調節又は調整することができる。例えば、図２Ａに示すように、中央の流体抵抗２２ｂは、外側の流体抵抗２２ａ、２２ｃの抵抗の１／２である。別の例として、このフロー抵抗径を小さくしたチャネルであってもよく、むしろ、そこを流れるフローを小さくするように構成された一またはそれ以上の構造を有するチャネルであってもよい。別の実施例では、流体抵抗２２は、出口２０内の構造ではなく、出口２０に欠けた、あるいはそこで作った圧力である。
【００１８】
例えば、図２Ｂは、各出口２０に連結された圧力コントローラ２３を用いる粒子仕分システム１０の一実施例を示す。圧力コントローラ２３は、各出口２０に連結された個別流体ライン２５を具える。圧力コントローラ２３は、様々な出口２０で異なる圧力を選択的にかけることができるように構成されている。この点において、圧力コントローラ２３は、出口２０の相対流体抵抗を調整することができる。この実施例では、流体抵抗を作るのに蛇行チャネルは不要である。この機能は、圧力コントローラ２３に伝達される。更に圧力コントローラ２３によって、様々な流体抵抗を動的に調節又は調整することができる。流体仕分システム１０は、このように、流体仕分システム１０に何ら物理的変更を加えることなく、再構築することができる。
【００１９】
各流体抵抗２２は、流体仕分システム１０で仕分を行う粒子の性質に依存して、同じ又は異なる流体抵抗を有している。各出口２０における流体抵抗２２は、特に、特定の粒子形状を有する粒子の豊富な画分を捕捉するように設計又は「調整」されている。流体抵抗２２として圧力を用いる場合、様々な出口２０を通る相対フローは、既定の割り当てで、各出口２０における圧力を個別に設定することによって制御することができる。図１は、５つの流体抵抗２２（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５）を使用しているが、これより多くても少なくてもよい。更に、いくつかの実施例では、流体抵抗２２を有していない又は流体抵抗がかかっていない（圧力が流体抵抗２２である場合）一またはそれ以上の出口２０があってもよい。図１及び２に見られるように、各流体抵抗２２の後に、各出口２６（図１において、１、２、３、４及び５で示す）がある。
【００２０】
図３は、流体仕分システム１０の側面図である。粒子仕分システム１０は、入口１２に連続的に導入されるように構成されている形状の異なる粒子の源３０に連結されている。図３は、粒子が細胞３２の形をしている。源３０は、この図では円形、ロッド形、不規則な形状の細胞３２を含んでいるが、その他のタイプ及び形状の粒子であってもよい。図３は、形状の異なる粒子の源３０としてシリンジを記載しており、粒子仕分システム１０に細胞３２を連続注入するのに使用できる。ここに述べたとおり、連続注入とは、単回バッチフロープロセスと反対に、長時間にわたって粒子が注入されることを意味する。シリンジ（又は、複数のシリンジ）を一般的に用いられているシリンジポンプに接続して、細胞３２を含む流体を粒子仕分システム１０に送り出すようにしてもよい。粒子は、入口１２に注入されるキャリア流体（通常液体）によって運ばれる。粒子仕分システム１０は、広い流速レンジで作動可能である。以下に説明するように、焦点位置における形状ベースの差異が、２０μＬ／分から１１０μＬ／分の範囲の流速レンジで観察されたが、この上限は、流体の現象自体ではなく、デバイスの結合強度によって制限される。したがって、この特定の範囲外の流速レートでも作用することができる。
【００２１】
図３では、源３０の形状の異なる粒子を粒子仕分システム１０に送り出すのにシリンジが記載されているが、マイクロ流体デバイスに接続したその他の圧力デバイス又はフローベースの送達デバイスを用いて、粒子を粒子仕分システム１０に連続的に送りだすようにしてもよい。一の態様では、サイズ又は形状の異なる粒子を含む流体が、粒子を粒子仕分システム１０に連続的に送りだされている。粒子仕分システム１０を通る粒子の流速を調節して、形状の異なる粒子を様々に富化及び回収することができる。流速は、流体がシステムを流れる速度、チャネルジオメトリ、及び変化する流体抵抗率によって変化する。より広く言えば、レイノルズ数を変えるために条件を変えることができる。
【００２２】
粒子仕分システム１０を使用するために、形状の異なる粒子の源３０を、上述したように圧力又はフロー技術を用いて入口１２に連続的に導入する。粒子形状は、円形、ロッド状、長方形、楕円形、不規則形状の粒子を含む様々な異なる形状を含む。図１を参照すると、粒子仕分システム１０の位置Ａにおいて、形状の異なる粒子が、慣性で収束するマイクロチャネル１４にランダムに分布されている。慣性収束マイクロチャネル１４（例えば、位置Ｂの周り４ｃｍ）の大半に沿って流れた後、形状の異なる粒子が様々な位置で集束して、慣性収束マイクロチャネル１４内を流れる。
【００２３】
各ストリームは、特定の形状の特定の富化量の粒子を有する。これらのストリームは、ストリームが出口２０で集められる下流拡張領域１８によって更に側方分離される。流体抵抗２２の様々な抵抗を用いて、粒子の様々な富化画分を回収することができる。更に、慣性焦点マイクロチャネル１４の寸法、並びに粒子仕分システム１０を通る粒子の流速又はレイノルズ数を調整して、デバイス中に作られた個別ストリームの数と位置を変更できる。
【００２４】
図４Ａは、アスペクト比（Ｈ＞Ｗ）が高い慣性焦点マイクロチャネル１４などの、矩形チャネルを示す図であり、図に示すように、入口にランダムに分布した粒子が導入されている。適当な粒子のレイノルズ（Ｒｐ）数（例えば、約０．３乃至４の範囲内の数）で、ランダムに分布した粒子が、チャネルのフェースに中心がある２本の平衡領域を集束している。図４Ｂは、図１の領域Ａにおける慣性収束マイクロチャネル１４を示す断面図である。図４Ｂに示すように、様々な形状の粒子が流体中にランダムに分布されている。粒子は、ＦＬ／Ｗ（壁効果）とＦＬ／Ｓ（せん断勾配）の組み合わせ効果によって、慣性で集束する。図４Ｃは、図１の領域Ｂにおける慣性収束マイクロチャネル１４の断面図である。図４Ｃに見られるように、形状の異なる粒子が、慣性収束マイクロチャネル１４の幅に沿って様々な平衡位置Ｘｅｑに届く。図４Ｃに示すように、円形粒子は、慣性収束マイクロチャネル１４の壁近くに正しく並べられており、細長あるいはロッド状粒子は、慣性収束マイクロチャネル１４の中央ライン近くのストリームラインに配置されている。ロッド状粒子は、チャネルの中央ライン近くの安定位置に集まっており、同じ容量の球形粒子は、定期的に「くずれて」ジェフェリィ気道をたどる短軸の周りを回転するように整列しており、チャネル壁からは押し出されている。上述の観察と同様に、回転径（Ｄｍａｘ）がより大きい粒子は、チャネルの中央ライン近傍に位置するストリームラインに集まる傾向にあり（慣性収束マイクロチャネル１４に対して）、回転径が小さい粒子は、チャネル中央ラインから離れて側方に位置するストリームラインに集まる傾向にある。従って、出口を、選択的に、慣性収束マイクロチャネル１４に対して側方に配置して、回転径が異なる下位個体群の粒子を捕捉することができる。
【００２５】
図４Ｄは、粒子仕分システムを流れるサイズと形状が異なる様々な粒子のアスペクト比と寸法を示す。図４Ｅは、入口で捕捉した粒子の顕微鏡写真である。図４Ｆは、出口で捕捉した粒子の顕微鏡写真である。図４Ｅ及び４Ｆのスケールバーは、１０μｍである。様々な球形又はロッド形状の粒子がビーズから形成された。Ｃｈａｍｐｉｏｎ  ｅｔ  ａｌ．による詳細に公開されたプロトコルに従って、３及び６μｍの球形ビーズ（Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅ）をアスペクト比の異なるロッド（Ｒ＝１：３及び１：５）に引き伸ばした。Ｃｈａｍｐｉｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｒｏｌｅ  ｏｆ  ｔａｒｇｅｔ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ  ｉｎ  ｐｈａｇｏｃｙｔｏｓｉｓ，Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ  １０３(１３)：４９３０−４９３４（２００６）参照。ビーズを、７５℃の熱水−熱水可溶ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ  ａｌｃｏｈｏｌ）（ＰＶＡ）−に浮遊させて、最終濃度１０％ｗｔ／ｖｏｌ（５％ｗｔ／ｖｏｌグリコール、及び０．０８％ｗｔ／ｖｏｌ球形ポリスチレン粒子）にした。この溶液を１９×２７ｃｍの平板に塗って一晩乾かした。次いで、フィルムを１２０℃の鉱物油で伸ばし、室温で２０分乾燥させた。ロッド状粒子を回復させるために、フィルムをイソプロパノールで洗浄し、７５℃、３０％のイソプロパノール／水に溶かした。粒子を最終的に８回洗浄した。毎回、イソプロパノールの量を減らして、粒子表面からＰＶＡをすべて除去した。粒子懸濁液を試験デバイスに、最大濃度１×１０６ビーズ／ｍＬで、シリンジポンプ（Ｈａｒｖａｒｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ＰＨＤ  ２０００）とガラスシリンジ（Ｈａｍｉｌｔｏｎ）を用いて、２０乃至１１０μＬ／分の範囲の流速Ｑで注入した。
【００２６】
異なる平衡位置Ｘｅｑに並べた後、形状の異なる粒子が、粒子間のＸｅｑ差を強調する下流拡張領域１８に入り、それぞれの集束したストリームラインに粒子を維持する。この粒子は、次いで、様々な出口チャネル２０で捕捉される。上述した通り、流体抵抗２２の抵抗値を調節して、各出口２０から回収される粒子の画分を調整する。これは、出口２０の流体抵抗の比率を変えることによって行う。これは、特定の出口チャネルからの出口流速（Ｑ）を表すα（α１：２＝ＱＯｕｔｌｅｔ＃１／ＱＯｕｔｌｅｔ＃２）で表され、出口流体抵抗の比率（α１：２＝Ｒ１／Ｒ２）に直接関連する。
【００２７】
本発明の一実施例では、粒子仕分システム１０を流れ、出口２６に集められた粒子は、一またはそれ以上の更なる回数粒子仕分システム１０を流れ、所望の粒子画分を濃縮、あるいは富化する。例えば、粒子はまず粒子仕分システムを第１の流速（例えば、レイノルズ数）で流れ、次いで、同じデバイスを異なる流速（例えば、異なるレイノルズ数）で、一またはそれ以上の回数流れる。その他の実施例では、粒子が１回のみ粒子仕分システム１０を流れるようにしてもよい。
【００２８】
形状は、粒子を特別に認識する最も重要なファクタの一つである。明細書の中でとりわけ、形状は細胞周期状態のマーカとなる。例えば、真核細胞は、細胞周期に依存して、形状に物理的変化がみられる。細胞周期の段階に応じて、球形から対双球面（ｂｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｔｗｉｎ）又はより大きい凝集へのイースト細胞の縮閉線などである。形状は、細胞の状態を示すインディケータでもあり、臨床診断に用いられる目安となる。例えば、血液の細胞形状は、寄生虫感染（例えば、鎌状赤血球障害、貧血、マラリアなど）から生じる赤血球細胞形態の変化など、様々な臨床条件、疾病、及び投薬によって変化する。このように、形状は、マイクロ流体粒子分離における特別なマーカとして使用することができ、ラベルフリー粒子の分別の基礎として作用する。代替的に、パラサイト又はその他の病原菌などサイズの異なる粒子を体液から除去又は抽出してもよい。粒子の形状に基づいて連続的に粒子を収束させて分離する能力は、様々な工業、臨床及び血球のアプリケーションに広く使用できる。形状の異なる粒子であれば、体積が小さくても仕分できる。
【００２９】
粒子仕分システム１０の別のアプリケーションは、非球形標的を、汚染水、血液、その他の球形物を伴う複合サンプルから抽出する形状ベースのプロセスである。例えば、セメントの強度と安定性は、粒子形状とサイズに非常によくリンクしている。セメントのマイクロ粒子を純粋な画分に分離することは、従来のフィルタに目詰まりを引き起こす粒子の不規則形状によって妨げられる。高度に定義されたサイズの粒子を詰まりやすいフィルタを用いることなくろ過するアプローチは、様々な建設アプリケーションにかかる材料コストを節約し、最適化されたセメント製造の開発を助けるであろう。
【００３０】
粒子仕分システム１０は、伸長比が異なる粒子の仕分に使用することもできる。細胞形状の伸長も、細胞周期のインディケータとして認識されている。真核細胞も原核細胞も物理的サイクルに依存した変化を示すからである。細胞周期の理解は、多くの研究調査の対象であり、例えば、出芽するイースト細胞が球形から対双球又はより大きい凝集に進化するといった、イースト細胞の遺伝学的特徴と増殖する間のその特徴的形状変化のため、イースト細胞を用いて広く行われている。もう一つの例は、ロッド形状バクテリア（例えば、細菌）である。細菌は、細胞周期の段階に応じて長くなるが、同じ短寸法を維持する。所定のライフサイクルステージにおける細胞の富化が、細胞周期に依存するノイズを防ぎ、微生物学者が細胞群を同期させるのを助けて、細胞群のダイナミクス、脱同期化を起こす環境影響、及び単細胞挙動の確立をより理解させる。所定の周期−相でのこの動機は、一般的に、（ｉ）細胞生理を妨げる化学物質（代謝製剤）を用いた、又は、温度上昇を用いた侵襲的方法によって、又は（ｉｉ）小さい細胞を分離するサイズベースの水簸によって行われる。侵襲的方法は、細胞の代謝を妨げ、自然周期を乱すが、水簸は、まだ活性分裂していない若い細胞を提供するだけである。粒子仕分システム１０は、形状ベースのイースト細胞を仕分及び同期させる、比侵襲的、ラベルフリー、かつ薬剤フリーの連続的方法を提供する。
【００３１】
より一般的には、非球形粒子の不活性収束が、様々な研究エリアの対象である。計算及び分析の目的で重要になる生物学及び工業プロセスにおいて広く研究された任意形状の粒子が多くある。これらの粒子の球対称からの偏差が近年示されて、形状の電気的測定を説明する間に考慮する必要があるインピーダンスの不確実性が相当に増えている。同様に、散乱計測など、サイズに基づいた粒子の光学的測定では形状を突き止めるのが困難である。慣性収束による正確に整列した形状の粒子、及び特に、この粒子の配向の予測可能性は、この種の不確定性に取り組み、より信頼性の高い測定を行う助けとなる。
【００３２】
粒子仕分システム１０のもう一つのアプリケーションは、バーコード化した粒子の流体アラインメントである。バーコード化した粒子は、ストップフローリソグラフィを用いて作成され、多重及び高スループット生化学アッセイに使用される。これらの粒子は、シースフロー又は活性案内レールによるアラインメントの要求がマイクロシステム中でのその一体化を複雑にしているため、いくつかの研究アプリケーションに限定されている。慣性効果により、そのパターンの光学的読取のためのバーコード化した粒子のアラインメントと収束を正確に制御できる。高いフローレートで作動する可能性と組み合わせて、シースフローの必要性をなくすことにより、広範囲での光学検出と一体化した収束システムの高並列化を通じて粒子ベースのバイオアッセイのスループットを大幅に上げることができる。
【００３３】
もう一つの可能なアプリケーションは、水中の海洋微生物をより効率よく認識するための血球計算に先立つ微細藻類の仕分である。植物性プランクトンは、非常に様々な形状とサイズを持ち；非球形物が、チャネル中で回転して振動パターンで縦方向に平行移動するとともに、その初期アングルに依存して、同じ長さの細胞が異なる角度でインターロゲーション領域を通過して、異なる散乱信号を生じさせる。粒子仕分システム１０は、例えば、合成粒子から、そのアスペクト比に基づいて凝集細胞を選択的に取り除くといった、マイクロ粒子製造の品質管理のオリジナル受容プロセスとしても使用することができる。
【００３４】
実験
慣性収束位置における形状差の効果を調べるために、様々なチャネル幅（２５，３０及び３５μｍ）を有する粒子仕分システムと長さ４ｃｍの慣性収束チャネルを用いて、系統的研究を行った。大レンジに亘って流速（２０乃至１１０μＬ／分）を試験し、各条件に付いてＸｅｑを評価した。Ｘｅｑは、粒子の平均平衡位置であり、粒子中央とチャネル壁（０％又は５０％は、それぞれ粒子センタがチャネル壁（０％）に位置している又はチャネル中央（５０％）に位置していることを示す）との間の距離を測ることによって、各条件について１００を超えるデータポイントで推測される。図５Ａは、異なるチャネルジオメトリの異なるレイノルズ数（インセット）で取得した様々な形状の粒子（球形、アスペクト比３：１のロッド形、アスペクト比５：１のロッド形）についての様々な分布を示すようにプロットされたヒストグラムである。図５ＡのヒストグラムＡは、幅３５μｍ、流速２０μＬ／分のチャネルで作成した。図５ＡのヒストグラムＢは、幅３５μｍ、流速１１０μＬ／分のチャネルで作成した。図５ＡのヒストグラムＤは、幅３０μｍ、流速３０μＬ／分のチャネルで作成した。図５ＡのヒストグラムＥは、幅３０μｍ、流速４０μＬ／分のチャネルで作成した。図５ＡのヒストグラムＧは、幅２５μｍ、流速２０μＬ／分のチャネルで作成した。図５ＡのヒストグラムＨは、幅２５μｍ、流速５０μＬ／分のチャネルで作成した。
【００３５】
図５Ｂは、試験を行った３つのチャネルジオメトリとフロー条件すべてについてプロットした平均Ｘｅｑを示す。図５ＢのグラフＣは、幅３５μｍのチャネルを有するデバイスで作成した。図５ＢのグラフＦは、幅３０μｍのチャネルを有するデバイスで作成した。図５ＢのグラフＩは、幅２５μｍのチャネルを有するデバイスで作成した。エラーバーは、少なくとも１００回の測定から得られた標準偏差を示す。流速とチャネル幅は、形状ベースの粒子の平衡位置に大きく影響する。
【００３６】
幅３５μｍのチャネル（チャネルアスペクト比は１に近い）では、１０以上（Ｒｅ＝１３又は２０μＬ／分）のレイノルズ数で、慣性効果が球形及びロッド形粒子の両方の濃縮を開始する。初期には、様々な形状でランダムに分布した粒子が、チャネルの中央ラインに向けて集まり、最も需要なことには、形状の異なる粒子が粒子位置の非常に様々な周波数パターンを示すことである。球形粒子は、正確に収束し、４つの集束位置を占め、ロッド粒子は、チャネル幅に沿ってもっと広く分布する。流体慣性は、更に増える（Ｒｅ＝７２又は１１０μＬ／分）ので、タイプの異なる粒子は、より明確に他の粒子から凝集する。球形粒子は、壁に最も近いが、アスペクト比が高いほど壁からの距離が長くなる。
【００３７】
チャネル幅を３５μｍから３０μｍにすることで、チャネル断面のアスペクト比が変わり、二つの区別できる平衡位置にのみ凝集される。３０μＬ／分（Ｒｅ＝２１）では、まず１：５のロッド粒子が球形粒子と、１：３のロッド粒子から分離される。分離可能性を特徴づけ、二種類の粒子間の平均集束位置における差として計算する分離可能性ファクタ（ＳＦType1-Type2）を定義し、以下の式（１）で示されるようにその標準偏差の平均によって標準化した。
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【００３８】
図６Ａは、球形及び１：５ロッド粒子のＸｅｑに応じて、標準化した粒子計数（％）の代表的なガウス関数フィッティングをパネル画像Ａに示す。図６Ａの画像Ｂは、分離可能性ファクタ１についての二つのプロットのガウス関数フィッティングを示す。図６Ａの画像Ｃは、分離可能性ファクタ２についての二つのプロットのガウス関数フィッティングを示す。チャネル幅が３０μｍ、流速が３０μＬ／分（Ｒｅ＝２１）で、以下の分離可能性ファクタを測定した。ＳＳｐｈｅｒｅｓ／Ｒｏｄｓ１：３＝０．２４、ＳＲｏｄｓ１：３／Ｒｏｄｓ１：５＝２．２６
【００３９】
Ｑが４０μＬ／分（Ｒｅ＝２８）に増えると、両方のロッドファミリィが、球形から更に遠くに互いに離れて凝集し、形状ベースの分離が可能となる：ＳＳｐｈｅｒｅｓ／Ｒｏｄｓ１：３＝０．８５、ＳＲｏｄｓ１：３／Ｒｏｄｓ１：５＝１．４６。Ｒｅがさらに増える（Ｒｅ＝４９又は７０μＬ／分）と、ロッド粒子は、球形粒子が位置している壁の近くに移動し、集束位置間のギャップが小さくなる；ＳＳｐｈｅｒｅｓ／Ｒｏｄｓ１：３＝１．０５、ＳＲｏｄｓ１：３／Ｒｏｄｓ１：５＝０．６１。チャネル幅を更に、２５μｍと小さくすると、すべての粒子を収束させることが難しくなる。実際、Ｒｅ＝３７（５０μＬ／分）でも、１：５ロッド粒子は、独自のストリームラインに収束しない。この結果は、特にロッドが大きいほど（５：１アスペクト比）この狭いチャネルが部分的には頻繁に詰まるという事実による。これらの結果は、粒子位置間の距離を最適化し、最も効率のよい粒子分離ができる最適条件が存在することを示唆している。図６Ｂは、様々な流速で、２５μｍ幅のチャネル（画像Ｄ）、３０μｍ幅のチャネル（画像Ｅ）、及び３５μｍ幅のチャネル（画像Ｆ）について得られた分離可能性ファクタを示している。
【００４０】
粒子仕分システムを用いて形状ベースの分離実験も行った。球形粒子とロッド粒子の混合物を、異なる出口設計に異なる流速で注入した。各出口で回収された粒子画分を分析して、特定のタイプａと出口ｉについて規定した３つのパラメータを用いて、分離を特徴づけた。
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【００４１】
抽出収率（ＥＹ）は、所定の粒子タイプの出口配分を示し、抽出純度（ＥＰ）は、所定の出口の粒子組織を示し、富化率（ＥＲ）は、入口における粒子ａに比べた出口ｉにおける粒子ａの比率を規定している。図７Ａ乃至７Ｃは、試験を行った粒子仕分システムの３つの構造を示す。図７Ａに示すデバイスは、チャネルアスペクト比（ＡＲｃ）０．５３、幅２５μｍの慣性収束マイクロチャネルを用いており、各出口に５つの同じ流体抵抗が設けられている。流速は４０μＬ／分であった。図７Ｂに示すデバイスは、チャネルアスペクト比（ＡＲｃ＝０．６４）、流速８０μＬ／分の慣性収束マイクロチャネルを用いている。５つの出口は、以下の抵抗を具える：α１：２＝３／４、及び、α１：３＝１／２。図７Ｃに示すデバイスは、チャネルアスペクト比（ＡＲｃ＝０．６４）、流速７０μＬ／分の慣性収束マイクロチャネルを用いている。７つの出口は、以下の抵抗を具える：α１：２＝３／４、及び、α１：３＝１／２、α１：４＝１／４。図７Ａに示すデバイスの異なる出口設計（抵抗を変えた）により、異なる出口における流体の様々な相対捕捉比が提供される。これらのパラメータを調整することによって、球形粒子、１：３ロッド粒子、及び１：５ロッド粒子間での可能な分離範囲を証明した。
【００４２】
図７Ｄは、出口１と２間の領域の顕微鏡写真であり、出口１からほとんどの球形粒子と１：３ロッドが出ており、１：５ロッドは出口２からほとんどが捕捉されていることがわかる。図７Ａに示すデバイスの各出口における異なる粒子のＥＲ、ＥＹ及びＥＰが、図７Ｇと図７Ｊに示されている。図７Ｅは、出口４及び５の間の領域の顕微鏡写真である。図７Ｂに示すデバイスの各出口における異なる粒子のＥＲ、ＥＹ及びＥＰが、図７Ｈと図７Ｋに示されている。図７Ｆは、出口５周辺の領域の顕微鏡写真である。図７Ｃに示すデバイスの各出口における異なる粒子のＥＲ、ＥＹ及びＥＰが、図７Ｉと図７Ｌに示されている。
【００４３】
これらのフロー条件（ＳＦＲｏｄｓ１：３／Ｒｏｄｓ１：５＝１．９、ＳＦＳｐｈｅｒｅｓ／Ｒｏｄｓ１：５＝２．４、一方、ＳＦＳｐｈｅｒｅｓ／Ｒｏｄｓ１：３＝０．５）のＳＦ測定に一致して、図７Ａのデバイスでは、１：５ロッドが、出口１及び５で主に回収され（注入したすべての球形の８３％、すべての１：３ロッドの７０％）１：３ロッド及び球形に比べて、最大９０％の純度で、出口２及び４で高抽出収率である（１：５ロッドの８６％）ことがわかった。より高い流速で分離を行うもう一つのシナリオを達成するには、実験条件を、チャネル幅アスペクト比０．６４、図７Ｂのデバイス中の流速を８０μＬ／分に調整し、様々な出口の流体抵抗の比率を変更した（α１：２＝３／４、α１：３＝１／２）。以前とは対照的に、球形粒子について良好な抽出収率が達成された（全球形粒子の８５％が出口１及び５にある）一方、両タイプのロッドは残り（全ロッドの９０％が出口２及び４で抽出された）、球形の抽出純度は９６％となった（図７Ｈ及び７Ｋ）。ＳＦＳｐｈｅｒｅｓ／Ｒｏｄｓ１：３が０．５から１に上がり、最初１．９であったＳＦＲｏｄｓ１：３／Ｒｏｄｓ１：５がこれらの条件では０．６に下がっているため、これらの結果はＳＦ値に合っている。図７Ｃに記載のデバイスを用いて３０μｍ（ＡＲｃ＝０．６４）チャネルで流速を６０μＬ／分に下げることにより、３つの全タイプの粒子を分離することができる一方で、ＳＦ測定の純度は少し下がる（ＳＦＳｐｈｅｒｅｓ／Ｒｏｄｓ１：３は１を維持するが、ＳＦＲｏｄｓ１：３／Ｒｏｄｓ１：５は、０．６から１．３に上がる）。このデバイスにおける７つの出口の存在により、ストリームライン間でより正確な分離が可能となる（α１：２＝３／４、α１：３＝１／２、α１：４＝１／４）。実際、球形粒子の８８％が、８７％の純度で出口２と６で分離され、１：５ロッドの４９％が７８％の純度で、またより興味深いことに、１：３ロッドの７７％は最大８０％の純度で、出口４で分離された（図７Ｉ及び７Ｌ）。
【００４４】
形状ベースの慣性分離は、幅広い粒子サイズに適用できる。３μｍ球形粒子と３μｍの取り出した楕円の分離は、６μｍのビーズを若干変更したパラメータで分離するのに使用したものと同じコンセプトを提供することで実験的に確認された。図８Ａの粒子仕分システムを用いて、図８Ｂに示すように９０％の収率（ＥＹ）で、また、図８Ｃに示すように最大９０％（ＥＰ）の純度で球形を出口１及び５で回収した。３：１ロッド粒子については、出口２、３及び４で、図８Ｂに見られるように８１％の収率（ＥＹ）で、５：１ロッド粒子については、出口２、３及び４で９７％の収率で、図８Ｃに見られるように最大で純度８８％（ＥＰ）で回収された。図８Ｄは、３つの形状についての富化率（ＥＲ）を示す。まず、２μｍより小さい粒子に注目すると、より高い流速と圧力が必要であり、Ｔｈｅｒｍｏｓｅｔ  Ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ（ＴＰＥ）などのより高い結合強度の材料が必要である。３μｍのビーズを分離する可能性は、細胞成長の様々な成長における個体群を同期させるための細菌の分離に、広範囲にわたるアプリケーションを開く。例えば、ロッド状細菌はその長さの最大２倍まで分離できる。
【００４５】
慣性効果を用いた形状ベースの分離は、イースト細胞の仕分、および細胞周期の同期にも用いることができる。細胞周期についての理解は、現在の研究の主題であり、良く知られた遺伝的特徴及び特徴のある形状の変化があるため、イースト細胞（Ｓ．ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）を用いて研究されている。出芽イースト細胞は、球形から対双球形又はより大きな凝集へ延びる。図７Ｃに示す粒子仕分システム（ＡＲｃ＝０．６４、α１：２＝３／４、α１：３＝１／２、α１：４＝１／４、の７つの出口）を用いて、流速６０μＬ／分でイーストの仕分を行った。イーストは、分離実験前に、インキュベートシェーカ（３７℃）内で、Ｔｒｙｐｔｉｃ  Ｓｏｙ  Ｂｒｏｔｈ（ＴＳＢ）で一晩培養した。培養した懸濁液をＰＢＳで、１．５×１０６細胞／ｍＬのａｎｏｎ制限濃度で希釈し、次いで、ビーズと同様に、Ｈａｒｖａｒｄ  ＡｐｐａｒａｔｕｓシリンジポンプとＨａｍｉｌｔｏｎガラスシリンジを用いて、様々な流速で注入した。ヘモサイトメータ（Ｑｕｉｃｋ−Ｒｅａｄ）で即時計数することによって分析を行っている各出口の内容物と共に分離挙動を高速撮像で捕捉した。イースト細胞の形態が観察され、そのサイクル状態に応じて、（ｉ）小さな非分割単細胞、（ｉｉ）大きな単細胞、（ｉｉｉ）出芽イースト細胞、（ｉｖ）ダブレット細胞、および（ｖ）３又はそれ以上の細胞でできた凝集細胞、に分類された。
【００４６】
図９Ａは、デバイスの入口における細胞の顕微鏡画像を示す。細胞は：小単細胞体（一番上の入口）、大単細胞（上から二番目の入口）、出芽細胞（上から三番目の入口）、ダブレット細胞（上から四番目の入口）、及び凝集細胞（一番下の入口）、の５群に分離される。図９Ｂは、出口２及び出口３の各画像を示す。単細胞は出口２で高い抽出収率を示し、出口３では、出芽細胞の純度が高い。
【００４７】
非分割単細胞は、出口２及び６において、最高９４％の純度で高い抽出収率となることがわかった（図９Ｄ）（図９Ｃに見られるように、これらの出口で、小単細胞の９０％、大単細胞の９１％が回収される）。一方、出芽イースト細胞は、主に、出口３及び５で回収された（出芽イーストの５４％が、入口の純度６．６％に比べて最大純度３１％であった）。粒子分別システムのより高いスループット（６０μＬ／分、すなわち、１００細胞／秒に比べて、１５００細胞／秒）を、収束チャネルの並列化によって、更に高くすることができた。一方、この同期アプリケーションに必要な純度と富化は、直列につないだいくつかのデバイスを用いて改善できる。
【００４８】
実験では、抵抗が同じである５つの出口を有する、Ｑ＝４０μＬ／分の、ＡＲｃ＝０．５３（Ｗ＝２５μｍ、Ｈ＝４７μｍ）の粒子仕分システムが、長さ６μｍのロッド（１：５）を球形及び短いロッド（１：３）から分離するのに最適デバイスであり、一方、２種類のロッドからの６μｍの球形粒子の分離は、ＡＲｃ＝０．６４（Ｗ＝３０μｍ、Ｈ＝４７μｍ）、Ｑ＝８０μＬ／分、α１：２＝３／４、α１：３＝１／２、の５つの出口を持つデバイスで最適に行われることがわかった。３種類の６μｍ球形粒子を分離する最適なデバイスは、ＡＲｃ＝０．６４（Ｗ＝３０μｍ、Ｈ＝４７μｍ）、Ｑ＝７０μＬ／分、α１：２＝３／４、α１：３＝１／２、α１：４＝１／４の、７つの出口を持つデバイスであった。３μｍ球形粒子は、ＡＲｃ＝０．５３（Ｗ＝２５μｍ、Ｈ＝４７μｍ）、Ｑ＝８０μＬ／分、α１：２＝３／４、α１：３＝１／２の５つの出口を持つデバイスで、二種類のロッド粒子から最もよく分離できた。総細胞群からの出芽イーストの富化は、ＡＲｃ＝０．６４（Ｗ＝３０μｍ、Ｈ＝４７μｍ）、α１：２＝３／４、α１：３＝１／２、α１：４＝１／４の７つの出口を持つデバイスで、成功した。単細胞の富化など、その他の所望の分離を行うために、条件を最適化することができる。
【００４９】
本発明の実施例を図に示して説明したが、本発明の範囲から外れることなく、様々な変形を行うことができる。したがって、本発明は、特許請求の範囲とその均等の範囲以外によって制限を受けない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図５−３】
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【図６】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図８】
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【図９】
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