(57)【要約】【課題】  粒径が１マイクロメートルから２００マイクロメートル程度と微小な粒子の混合物を粒子の大きさに応じて連続的に分級可能であり、重力に加えて分級液の流量制御によって分級を行うことで分級に要する時間を短縮し、かつ、分級しようとする粒子の粒径が変動する場合にも分級液の流量を変更することで対応可能な分級セルを提供すること【解決手段】  直線上に配置された試料導入口と２以上の分級開口と、試料導入口を挟んで分級開口と反対方向に配置された分級液導入口とを備え、その内部空間は、試料導入口及び２以上の分級開口を結ぶ直線に対して線対称の形状である、分級セル。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径の異なる粒子を分級する分級セルであって、直線上に配置された試料導入口と２以上の分級開口と、試料導入口を挟んで分級開口と反対方向に配置された分級液導入口とを備え、当該セルの内部空間は、前記試料導入口及び２以上の分級開口を結ぶ直線に対して線対称の形状である、分級セル。
【請求項２】
前記分級液導入口は、前記試料導入口及び２以上の分級開口を結ぶ直線上に配置されているか、又は、前記試料導入口及び２以上の分級開口を結ぶ直線に対して線対称の位置に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の分級セル。
【請求項３】
粒径の異なる粒子を分級する分級方法であって、直線上に配置された試料導入口と２以上の分級開口と、試料導入口を挟んで分級開口と反対方向に配置された分級液導入口とを備え、前記試料導入口及び２以上の分級開口を結ぶ直線に対して線対称の形状である分級セルを、当該直線が重力と垂直となるように設置し、前記試料導入口から粒径の異なる粒子を含む液体試料を導入するとともに、前記分級液導入口から分級液を導入し、分級開口のうち試料導入口に近接した開口には粒径の小さな粒子を、試料導入口から離れた開口には粒径の大きな粒子を分級して排出する、粒径の異なる粒子を分級する分級方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同質であるが粒径の異なる粒子、特に粒径が１μｍから２００μｍ程度と微小な粒子の混合物を粒子の大きさに応じて分級するための分級セルと分級方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粒子を分級する従来の装置として、篩装置や遠心分離装置が知られている。また近年では、流路を用い重力を利用して分級する装置や、流路壁に流体によって粒子を押しつけて分級する装置が検討されている。しかし、篩装置や遠心分離装置はいわゆるバッチ式の処理であって連続的な分級ができないという課題があり、粒子を壁面へ押しつけて分級する装置では、粒径が小さな場合は十分に粒子を壁面に押し付けることができずに分級が不十分になるという課題がある。
【０００３】
流路を用い、重力を利用して分級する装置では、粒径が数μｍ程度の微少な粒子であっても分級が可能で、しかも連続的な分級が可能であるという優れた面を有するが、重力を利用するため分級に時間がかかり、また分級しようとする粒子の粒径が変動すると、分級条件や装置の設定を変更しなければならないという解決されるべき課題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３２８００２
【特許文献２】特開２００６−１１６５２０
【特許文献３】特開２００６−２６３６９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明の目的は、同質であるが粒径の異なる粒子、特に粒径が１μｍから２００μｍ程度と微小な粒子の混合物を粒子の大きさに応じて連続的に分級可能であり、重力に加えて分級液の流量制御によって分級を行うことで分級に要する時間を短縮し、かつ、分級しようとする粒子の粒径が変動する場合にも分級液の流量を変更することで対応可能な分級セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するためになされた本発明の分級セルは、粒径の異なる粒子を分級する分級セルであって、直線上に配置された試料導入口と２以上の分級開口と、試料導入口を挟んで分級開口と反対方向に配置された分級液導入口とを備え、当該セルの内部空間は、前記試料導入口及び２以上の分級開口を結ぶ直線に対して線対称の形状である。また本発明の分級方法は、前記分級セルを前記直線が重力と垂直となるように設置し、前記試料導入口から粒径の異なる粒子を含む液体試料を導入するとともに、前記分級液導入口から分級液を導入し、分級開口のうち試料導入口に近接した開口には粒径の小さな粒子を、試料導入口から離れた開口には粒径の大きな粒子を分級して排出するものである。以下、本発明を詳細に説明する。
【０００７】
分級の対象となる粒子は、同質、即ち組成は同一であるが、その粒径が異なる粒子である。なお粒子は、液体中を移動する際の抵抗によって予測し得ない挙動を示さない範囲であれば必ずしも完全な球体である必要はない。かかる粒子として、例えば、ポリマー微粒子、無機紛体、金属紛体、生体細胞、エマルションなどの液体の微小粒子等を例示することができ、より具体的には液体クロマトグラフィー用のポリマーゲルやシリカゲルを例示することができる。分級対象となる粒子の粒径は、１μｍから２００μｍ程度、好ましくは５μｍから２０μｍ程度の粒子である。
【０００８】
本発明では、分級セルに導入される試料が上記のような粒子を含んでいる必要はない。即ち、上記のような粒子は、試料が分級セルに導入された際に形成されても良い。特に、本発明の分級セルは、後述する基板の温度を直接又は間接的に加熱又は冷却することが可能であるから、例えば分級セル内に試料液を溶解しない溶媒を充填しておき、溶媒に試料を分散させて粒子を形成すると同時に加熱して固化し、これを分級することも可能である。
【０００９】
分級セルは、直線上に配置された試料導入口と２以上の分級開口と、試料導入口を挟んで分級開口と反対方向に配置された分級液導入口とを備え、当該セルの内部空間は、前記試料導入口及び２以上の分級開口を結ぶ直線に対して線対称の形状である。すなわち試料導入口から分級対象を含む試料を導入し、分級された粒子を分級開口から排出するものであり、試料を送液する流路に組み込むことにより、連続的な分級が可能となる。
【００１０】
セル本体は、例えば２枚の基板が、その重力方向の長さが数ｍｍから数１０ｃｍ程度、試料導入口及び２以上の分級開口を結ぶ直線と平行な方向（重力に垂直方向）の長さが５ｃｍから１０ｃｍ程度の、試料導入口及び２以上の分級開口を結ぶ直線に対して線対称となる内部空間を形成するように、適当なスペーサー（枠体）を挟み、分級対象である粒子のうち、大きな粒径のものの５倍程度以上、例えば数μｍ〜１ｍｍ程度の隙間を開けて固定されたものである。この他にも、一方の基板に切削やエッチングなどにより前記のような凹部を形成し、もう他方の平板状の基板でこの凹部を密閉して前記のような内部空間を形成する構造でも良い。基板としては、試料導入口や分級開口の形成が可能で、かつ、適度な剛性を備えたものが望ましく、ガラス、石英、セラミック、シリコン、金属又は樹脂を例示することができる。特に基板の一方にガラス、石英又はアクリルといった透明なものを使用することにより、分級の状態を外部から目視で観察することが可能である。基板を使用する以外にも、例えば樹脂の発泡成形などにより、上記のような密閉された空間を有する一体構造の分級セルを得ることもできる。
【００１１】
分級セルには、試料導入口、２以上の分級開口そして分級液導入口となる微少な孔を形成する。図面に示した本発明の分級セルに基づいて、その内部空間の形状と試料導入口などの位置関係を具体的に説明する。
【００１２】
図１上部は分級セルを上面から観察したものであり、下部は分級セルを側面から観察したものである。図中、５は分級セルの内部空間であり、五角形の形状で、試料導入口（４）と分級開口（６及び７）を結ぶ直線に対して線対称であり、試料導入口を挟んで分級開口と反対方向に分級液導入口が備えられている。これに対して図２に示した例では、楕円形の形状であり、これらの他には六角形の形状などを例示できる。
【００１３】
分級セルの内部空間の形状は、試料導入口と分級開口とを結ぶ直線に対して線対称であればよいが、そのような形状の中でも特に、試料導入口から導入された粒子を含む試料が、分級液導入口から導入され、分級開口に向かう分級液の層流（移送層流）によって重力方向に広がるように、分級液が２以上の分級開口に向かう途中で内部空間の幅が重力方向に広がっていることが好ましい。このような形状であれば、試料液が分級開口に到達するまでの間に粒径差による粒子分布幅を広くすることが可能となるからである。以上の観点から、分級液導入口は、図１に示した例のように試料導入口と分級開口を結ぶ直線上に配置することが好ましく、分級液導入口を２つ設ける場合には、図２に示した例のように前記直線と線対称の位置に配置することがこのましい。もちろん３以上の分級液導入口を設けることも可能であり、例えば３つ設ける場合には１つを前記直線上に、残り二つを直線に対して線対称の位置に配置するなどすればよいが、分級液導入口の数が多すぎると導入された分級液が分級セル内で乱流を生じやすくなるため、１から３つとすることが特に好ましく例示できる。
【００１４】
分級セルの内部空間の形状は、更に、分級液導入口から導入された分級液が分級開口と反対方向に向かうのを阻止するか、又は、反対方向に向かった分級液の流れを方向転換させ、内部空間の上部と下部から分級口に向かう層流を形成させるものが好ましく、また分級液導入口はこのような層流を形成し得るように配置されることが好ましい。このような形状であれば、試料液が分級口に到達するまでの間に粒径差により広く分布させる際に、比較的小さい粒径の粒子が層流にのって上昇する（重力と反対方向に移動する）ことを抑制する下降層流と、比較的大きい粒径の粒子が下降する（重力方向に移動する）ことを抑制し、試料導入口から導入された粒子を試料導入口と直線上に配置された分級開口に導く上昇層流を与えることができるからである。具体的に例えば、図１に示した例のように、内部空間を五角形の形状として、分級液導入口をその頂角近傍に配置することや、図２に示した例のように、内部空間を楕円形の形状として、分級液導入口をその側壁近傍に配置することが例示できる。なお、分級セルの内部空間を重力方向に長い五角形や楕円形などとすることも可能であるが、粒子を広く分布させるために試料液導入口と分級開口との間に一定の距離が必要であるため、分級セルの内部空間を大きくし、かつ、前記下降層流と上昇層流の効果を増大するために分級液の送液量を大きくしなければならない。従って本発明では、図１や図２に示したような、重力と垂直な方向に長い形状とすることが好ましい。
【００１５】
分級開口のうち試料導入口から最も遠い開口、すなわちもっとも粒径の大きな粒子を回収するための開口は、前記上昇層流と下降層流の合流点近傍となるように配置することが好ましい。具体的に図１で示した例では五角形の頂角に対抗する辺の中央に、図２に示した例では楕円の、分級液導入口の反対の位置に配置されている。
【００１６】
試料導入口、分級液導入口及び分級開口については、分級セルの内部空間の一方の側面に孔を設ける以外に、例えば分級液導入口と分級開口を一方の側面に、試料導入口は他方の側面に配置するなど、自由に配置することができる。また、例えば、配置した孔に内部空間の厚み方向の中央近傍まで突出する管を取り付け、当該管から分級液などを導入し、分級された粒子を回収することもできる。また更に、内部空間の対向する位置に一対２つの孔を設け、試料導入口などとすることもできる。分級セルの一方の側面に孔を設け、それを分級液導入口などとする構成と比較して、管を取り付ける、対向する位置に一対２つの孔を設けて分級液導入口などとする構成では、分級液や試料の吐出点を分級セル内部空間厚み方向の中央近傍とでき、より精密な分級を行ううえで好ましい。なお、分級開口の大きさは、例えばより大きな粒径の粒子のための開口（試料導入口からより遠い開口）を小さな粒径の粒子のための開口よりも大きくするなどしても良い。
【００１７】
本発明の分級セルは、移送層流で粒子を移動させ、内部空間内で重力方向に粒径の相違によって分布させた後、下降層流と上昇層流を利用して、直線上に配置された分級開口で回収するものである。分級開口はｎ個（ｎは２以上）設けられ、試料導入口から近い分級開口（以下開口１とする）からは比較的微小の粒子を、試料導入口から遠い分級開口 (以下開口ｎとする)に向かって、より粒径の大きい粒子を回収することができる。開口１及び開口ｎの配置場所については特に制限はなく、分級対象となる粒子の大きさや分級液の導入量（速度）等を勘案して適宜決定すれば良い。例えば、分級セルにおける分級液導入口と試料導入口を固定しておくとともに、直線上に多数の分級開口を設けておき、適切な分級が実現できる孔以外を栓で閉塞するようにすれば、分級対象が変動した場合などに迅速に対応可能である。なお本発明の分級セルでは、例えば粒径の相違以外にも、比重の相違によっても粒子を分級することができる。例えば粒径がほぼ同一であるが組成が異なるために比重が異なる粒子の分級などを例示することができる。
【００１８】
本発明の分級セルは、前記した移送層流、下降層流及び上昇層流を乱さない範囲であれば、試料導入口、分級液導入口及び分級開口以外に、例えば分級セルの内部空間を洗浄するための洗浄液導入口となる孔などを備えていても良く、かかる孔などを設けた場合、その不使用時には、栓などで孔を閉塞すれば良い。
【００１９】
次に、本発明の分級方法について説明する。本発明の分級方法は、これまで説明してきた分級セルを使用する分級方法である。分級セルは、その試料導入口及び２以上の分級開口を結ぶ直線が重力と垂直となるように設置する。即ち、分級セルに導入された試料中の粒子に対し、垂直方向に重力が働くように設置した状態で分級操作を実施する。なお、分級セルは接地面に対して垂直に設置されてもよいし、傾斜して設置されても良い。
【００２０】
分級セルに設けられた分級液導入口及び試料導入口には、それぞれ分級液又は試料の容器（タンク）がテフロン（登録商標）チューブなどの配管で接続され、送液ポンプにより送液される。また分級開口は、それぞれ分級された後の粒子を貯蔵する容器（タンク）が配管で接続される。なお本発明の分級セルを用いて分級を行う場合、プランジャーポンプやダイヤフラムポンプ等の脈流の発生し難い送液ポンプを用いることが好ましい。
【００２１】
本発明では、分級セルに配置された分級開口のそれぞれに加わる圧力を一定にして、重力と分級液の送液によって粒子が分級されるようにすることが好ましい。このため、分級開口に接続され、分級された粒子を回収するための配管は、圧力損失を均一にするためその内径と長さを均一にし、更に、その終端に配置される貯蔵容器の高さをも均一にしておくことが好ましい。
【００２２】
試料としては、例えば、ポリマー微粒子、無機紛体、金属紛体、生体細胞、エマルションなどの液体の微小粒子などを含む懸濁液などが例示でき、より具体的には液体クロマトグラフィー用のポリマーゲルやシリカゲルの懸濁液を例示することができる。分級液としては、分級対象である粒子を変質などさせない液体であれば特に制限はない。
【００２３】
分級液で満たされた分級セルの内部空間に、前記ポンプなどを用いて分級液と試料を導入すると、導入された試料は分級液の移送層流によって分級開口方向に移動する。移動の途中で重力の影響を受けた粒子は重力方向、即ち試料導入口と分級開口を結ぶ直線に対して垂直な方向に分布しつつ移動する。分級開口を２つ設けた場合について説明すれば、比較的粒径の小さな粒子（または比重の軽い粒子）は、下降層流の効果により前記直線に沿って移動し、試料導入口に近い分級開口（開口１）から分級セル外部に排出され、比較的粒径の大きな粒子（または比重の重い粒子）は前記直線よりいったん重力方向に下降した後、上昇層流の効果によって上昇し、試料導入口から遠い分級開口（開口ｎ）から分級セル外に排出される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明では、試料導入口と分級開口を直線上に配置し、分級液の送液と重力とによって分級を行うものであるが、試料導入口と分級開口とを直線上に配置し、試料導入口を挟んで分級開口と反対方向に配置された分級液導入口から分級液を直接試料液導入口と分級開口に向けて送液する一方で、セルの内部空間を前記直線に対して線対称として、試料導入口とは反対の方向に向かった分級液を当該直線の上方及び下方から分級開口を挟むように送液することによって、単に粒子を重力で分布させて分級する従来の方法とは異なり、多量の分級液を送液することが可能である。この結果、連続的に、しかも従来の分級方法と比較して、より多量の試料をより短時間で分級処理することが可能である。しかも、このように分級液の流れを利用することにより、分級対象試料をセル内で広く分布させることが可能となり、分級開口を３つ以上とすることで、より精密な分級操作を実現することもできる。
【００２５】
従来は重力によって粒子を分布させ分級しているため、重力によって形成される分布を乱す原因は排除しなければならず、分級液導入口から分級開口とは異なる方向に向かう分級液の流れが分級開口に向かわないようにする、すなわち、分級液導入口の分級開口とは異なる方向に向かった分級液が分級開口に方向を転換することがないよう、分級セルの内部空間には余分なスペースが必要であるが、本発明では前記のような構成を採用し、そのような異なる方向に向かった分級液の方向を転換させ、分級に利用することによって、分級セル自体の小型化にも貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の分級セルの一形態を示す図であり、その上部は分級セルを上方から観察した図、下部は側面から観察した図である。
【図２】図２は、本発明の分級セルの他の一形態を示す図であり、分級セルを構成する部品を分解して観察した図である。
【図３】図３は、図２に示した分級セルを用いて分級操作を実施した場合の、粒子の異動する様子を説明するための図である。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明を更に詳細に説明するに実施例を記載するが、これら実施例は本発明を限定するものではない。
【００２８】
実施例
本実施例で用いた分級装置は、図２に示したものである。直径１ｍｍの分級液導入口（３）、直径１ｍｍの試料導入口（４）、直径２ｍｍの分級開口１（６）及び直径  ２ｍｍの分級開口２（７）には、それぞれ内径１ｍｍのポリテトラフルオロエチレン製のチューブ（１）、（２）、（８）又は（９）を接続し、それぞれ流路を形成した。なお分級開口に接続されたチューブは、いずれも長さが３０ｃｍで、その終端に配置される容器の高さを同一にして、開口での圧力損失が同一となるようにしている。
【００２９】
試料導入口（４）、分級開口１（６）及び分級開口２（７）は直線上に配置し、試料導入口（４）と分級開口１（６）間の距離（孔の中心間の距離）は７７ｍｍ、試料導入口（４）と分級開口２（７）間の距離は９８ｍｍとした。分級液導入口（３）は、直径１ｍｍの孔で、前記直線と線対称となる位置に２つ配置したが、それぞれの配置位置は、試料流体導入口（４）から見て流体排出口と反対側に、重力方向に＋３０°と−３０°の方向かつ距離６ｍｍの位置である。
【００３０】
分級セルの内部空間は、石英ガラス製の板（１５）上に、フォトリソグラフィーとウェットエッチングにより深さ２５０μｍとなるように楕円形の凹みを形成し、ステンレス製の板材（１７）にＯリング（１２）挟んで圧着して構成している。この内部空間を構成する楕円形の凹みは、長軸（使用する際に重力と垂直となる軸）が１４０ｍｍ、短軸（使用する際に重力と平行になる軸）が９８ｍｍで、幅が約２５０μｍである。
【００３１】
ステンレス板（１７）には、機械加工により、前記径の分級液導入口（３）、試料導入口（４）、分級開口１（６）、分級開口２（７）とともに、前記Ｏリングをはめ込む溝を構成してある。
【００３２】
石英ガラス板（１５）は、楕円ドーナツ状の穴を空けたステンレス板（１６）を用いてステンレス板（１７）へ圧着してある。このようにして石英ガラス板（１５）の外周部を圧着することで、前記穴を通して分級セルの内部空間を外部から直接観察可能としている。
【００３３】
分級セルを２５℃条件下、その試料導入口（４）と分級開口を結ぶ直線が重力と垂直になるように、垂直に設置し、平均粒径６．５マイクロメーター、分散度５０％のシリカゲル（比重２．２ｇ／ｍｌ）溶液を試料として分級操作を実施した。分級液には純水を使用し、チューブ（１）を送液ポンプに接続して０．５ｍｌ／ｍｉｎで送液した。一方試料は、チューブ（４）をポンプに接続して０．５ｍｌ／ｍｉｎで送液した。なお、分散度は市販の装置（（株）島津製作所製  粒度分布測定装置ＳＡＬＤ７１００を使用して測定したものであり、粒子を実際にサンプリングし、その粒子の粒径の標準偏差を平均粒径で除算した値である。
【００３４】
分級セルの内部空間を分級液（純水）で満たし、気泡を排除した後、分級液の送液を開始し、内部空間での分級液の流れが安定した頃合いをはかり、試料の送液を開始して、分級開口１及び２から粒子を回収した。
【００３５】
分級操作を実施する間、分級セル側面から内部の状態を観察したところ、試料導入口（４）から導入された試料（シリカゲル粒子）は、導入から約２分後、純粋で満たされた内部空間中の上下方向（重力の方向）に最大で約３ｃｍ幅で分布した。沈降速度に関するストークスの法則より比重２.２g/mlの７μｍの球状粒子の２分後の沈降距離を計算すると約４.３ｍｍであることから、分級液の層流と重力とを利用して粒子を分布させる本発明ではシリカゲルの沈降速度差から計算される分布より大きな分布であった。この際の粒子の分級セル内の移動の様子を図３に示す。
【００３６】
以上の分級操作により、図３に示したように、比較的小さい粒径の粒子は試料導入口（５）から導入された後、いったん重力とは反対の方向に移動し、その後下降層流の影響を受けて分級開口１（６）にて回収され、比較的大きい粒径の粒子はいったん重力方向に移動し、その後上昇層流の影響を受けて分級開口２（７）にて回収された。試料導入から比較的小さい粒径の粒子が分級開口１（６）を通じて回収されるまでの時間は１００秒程度であり、比較的大きい粒径の粒子が分級開口２（７）を通じて回収されるまでの時間は１１０秒程度であった。回収された粒子について平均粒径と分散度を測定すると、分級開口１（６）から回収されたものは平均粒径４.１μｍで分散度は４８％であり、分級開口２（７）から回収されたものは平均粒径７.０μｍで分散度は４４％であった。
【符号の説明】
【００３７】
１  分級液送液管
２  試料送液管 
３  分級液導入口
４  試料導入口 
５  分級セルの内部空間 
６  分級開口１ 
７  分級開口２（分級開口ｎ）
８、９  粒子回収管
１０  内部空間の幅が重力方向に広がる部分 
１１  分級セル 
１２  Ｏリング 
１３  ネジ 
１４  Ｏリング用溝 
１５  石英ガラス板
１６、１７  ステンレス板 
【図１】
2015123440.tif 000003
【図２】
2015123440.tif 000004
【図３】
2015123440.tif 000005