(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のミクロ流体流路と、
前記第１のミクロ流体流路に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、
前記第１のミクロ流体流路を前記第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイとを含む、ミクロ流体装置であって、
各島は、前記アレイにおける隣接する島から、前記第１のミクロ流体流路を前記第２のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、
ここにおいて、前記第２のミクロ流体流路の断面積は、前記第１のミクロ流体流路の長手方向に沿って次第に増加し、
前記第１のミクロ流体流路、前記第２のミクロ流体流路、および前記島は、並列に配置された複数の組合された慣性集束および流体吸い上げユニットを含み、
ここにおいて、各吸い上げユニットの幅は、第１のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加し、
ここにおいて、各集束ユニットは、第１のミクロ流体流路の壁が比較的きつい湾曲を有する、前記アレイにおける島に隣接するエリアを含み、
ここにおいて、各吸い上げユニットは、比較的よりゆるい湾曲を有し、より広い経路を提供し、より低い水力抵抗をもたらす、前記アレイにおける同じ島であるが前記集束ユニットのエリアとは反対側に隣接するエリアを含み、
前記第１のミクロ流体流路の幅は、前記第１のミクロ流体流路の前記長手方向に沿って、狭い領域と広い領域とが繰り返し交互する、ミクロ流体装置。
【請求項２】
前記第１のミクロ流体流路、前記第２のミクロ流体流路、および島の前記第１のアレイはさらに、前記ミクロ流体装置の使用中、前記流体サンプル中の複数の第１のタイプの粒子が流体とともに、隣り合う島間の前記開口の１つ以上を通って前記第２のミクロ流体流路に伝搬することを実質的に防止するように配置される、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項３】
前記第１のミクロ流体流路、前記第２のミクロ流体流路、および島の前記第１のアレイは、前記ミクロ流体装置の使用中、前記複数の前記第１のタイプの粒子が前記流体とともに、隣り合う島間の前記開口の１つ以上を通って前記第２のミクロ流体流路に伝搬することを防止するために、前記複数の前記第１のタイプの粒子に慣性揚力を与えるように配置される、請求項２に記載のミクロ流体装置。
【請求項４】
前記第１のミクロ流体流路、前記第２のミクロ流体流路、および島の前記第１のアレイは、前記ミクロ流体装置の使用中、前記複数の前記第１のタイプの粒子が前記流体とともに、隣り合う島間の前記開口の１つ以上を通って前記第２のミクロ流体流路に伝搬することを防止するために、前記複数の前記第１のタイプの粒子に衝突力を与えるように配置される、請求項２に記載のミクロ流体装置。
【請求項５】
前記流体が前記第１のミクロ流体流路から前記第２のミクロ流体流路に入る際に通る各開口の断面積は、前記第１のタイプの粒子よりも大きい、請求項２に記載のミクロ流体装置。
【請求項６】
前記第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対する前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗の増加は、前記第１のミクロ流体流路の前記長手方向に沿った、前記第１のミクロ流体流路または前記第２のミクロ流体流路の断面積の変化を含む、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項７】
前記第２のミクロ流体流路の断面積の変化は、前記長手方向に沿った、前記第１のミクロ流体流路の断面積に対する前記第２のミクロ流体流路の断面積の増加を含む、請求項６に記載のミクロ流体装置。
【請求項８】
前記第１のミクロ流体流路の断面積の変化は、前記長手方向に沿った、前記第２のミクロ流体流路の断面積に対する前記第１のミクロ流体流路の断面積の減少を含む、請求項６に記載のミクロ流体装置。
【請求項９】
島の前記アレイは複数の開口を含み、前記開口のサイズは、前記第１のミクロ流体流路の前記長手方向に沿って増加する、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項１０】
前記アレイにおける各開口のサイズは、前記第１のミクロ流体流路の前記長手方向に沿った前記アレイにおける前の開口のサイズよりも大きい、請求項９に記載のミクロ流体装置。
【請求項１１】
前記広い領域の少なくとも１つは、前記島間の対応する開口と整列される、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項１２】
前記第１のミクロ流体流路は略正弦波形状を有する、請求項１１に記載のミクロ流体装置。
【請求項１３】
各島について、前記島の第１の側の湾曲した輪郭は、前記島の前記第１の側に面する前記第１のミクロ流体流路の壁の湾曲した輪郭に実質的に整合する、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項１４】
前記第１のミクロ流体流路に沿って延在する第３のミクロ流体流路と、
前記第１のミクロ流体流路が前記第２のミクロ流体流路と前記第３のミクロ流体流路との間にあるように前記第１のミクロ流体流路と前記第３のミクロ流体流路とを分離する島の第２のアレイとをさらに含み、
前記第２のアレイにおける各島は、前記第２のアレイにおける隣接する島から、前記第１のミクロ流体流路を前記第３のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、
前記第３のミクロ流体流路、前記第１のミクロ流体流路、および島の前記第２のアレイは、前記ミクロ流体装置の使用中、前記第１のミクロ流体流路を通って流れる流体サンプルの一部が島の前記第２のアレイの隣り合う島間の前記開口の１つ以上を通って前記第３のミクロ流体流路に入るように、前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗が前記第３のミクロ流体流路の流体抵抗に対して前記第１のミクロ流体流路の前記長手方向に沿って増加するように配置される、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項１５】
前記第３のミクロ流体流路の流体抵抗に対する前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗の増加は、前記第１のミクロ流体流路の前記長手方向に沿った、前記第１のミクロ流体流路または前記第３のミクロ流体流路の断面積の変化を含む、請求項１４に記載のミクロ流体装置。
【請求項１６】
前記第２のミクロ流体流路に沿って延在する第３のミクロ流体流路と、
前記第２のミクロ流体流路が前記第１のミクロ流体流路と前記第３のミクロ流体流路との間にあるように前記第２のミクロ流体流路と前記第３のミクロ流体流路とを分離する島の第２のアレイとをさらに含み、
前記第２のアレイにおける各島は、前記第２のアレイにおける隣接する島から、前記第２のミクロ流体流路を前記第３のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、
前記第３のミクロ流体流路、前記第２のミクロ流体流路、および島の前記第２のアレイは、前記ミクロ流体装置の使用中、前記第３のミクロ流体流路を通って流れる流体サンプルの一部が島の前記第２のアレイの隣り合う島間の前記開口の１つ以上を通って前記第２のミクロ流体流路に入るように、前記第３のミクロ流体流路の流体抵抗が前記第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対して前記第３のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加するように配置される、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項１７】
第１の入口流路と、
第２の入口流路とをさらに含み、
前記第１の入口流路および前記第２の入口流路の各々は、前記第１のミクロ流体流路および前記第２のミクロ流体流路に流体結合される、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項１８】
第１の入口流路と、
第２の入口流路とをさらに含み、
前記第１の入口流路および前記第２の入口流路の各々は、前記第１のミクロ流体流路、前記第２のミクロ流体流路、および前記第３のミクロ流体流路に流体結合される、請求項１４に記載のミクロ流体装置。
【請求項１９】
前記第１のミクロ流体流路および／または第２のミクロ流体流路を越えて磁場勾配を確立する１つ以上の磁石をさらに含む、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項２０】
前記第１のミクロ流体流路および前記第２のミクロ流体流路は、螺旋状の構成で配置される、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項２１】
流体サンプル内の粒子の濃度を変更する方法であって、前記方法は、
複数の第１のタイプの粒子を含む流体サンプルをミクロ流体装置に流すステップを含み、
前記ミクロ流体装置は、第１のミクロ流体流路と、前記第１のミクロ流体流路に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、前記第１のミクロ流体流路を前記第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイとを含み、
前記第１のミクロ流体流路、前記第２のミクロ流体流路、および前記島は、前記第１のミクロ流体流路を通って流れる前記流体サンプルの一部が、前記第１のタイプの粒子なしで、隣り合う島間の１つ以上の開口を通って前記第２のミクロ流体流路に入るように、前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗が前記第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対して前記第１のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加するように配置され、
前記第１のミクロ流体流路の幅は、前記第１のミクロ流体流路の前記長手方向に沿って、狭い領域と広い領域とが繰り返し交互し、
ここにおいて、慣性集束は、複数の第１のタイプの粒子が流体流線を越え、隣り合う島間の開口から遠ざかるように移動させ、
ここにおいて、慣性集束により、前記複数の前記第１のタイプの粒子が、前記第１のミクロ流体流路内で前記流体サンプルの１つ以上の流線に集束されるようになる、方法。
【請求項２２】
前記第１のタイプの粒子の濃度は、前記第１のミクロ流体流路に残る前記流体サンプル内で増加する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ミクロ流体装置は、前記第２のミクロ流体流路に沿って延在する第３のミクロ流体流路と、前記第２のミクロ流体流路を前記第３のミクロ流体流路から分離する島の第２のアレイとを含み、
前記第３のミクロ流体流路を通って流れる前記流体サンプルの一部が、前記第１のタイプの粒子なしで、前記第２のアレイにおける島間の開口を通って前記第２のミクロ流体流路に入るように、前記第３のミクロ流体流路の流体抵抗が前記第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対して前記第３のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加し、
慣性集束により、前記複数の前記第１のタイプの粒子が、前記第３のミクロ流体流路内で前記流体サンプルの１つ以上の流線に集束されるようになるように、前記第３のミクロ流体流路の幅は、前記第３のミクロ流体流路の前記長手方向に沿って、狭い領域と広い領域とが繰り返し交互する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１のタイプの粒子の濃度は、前記第３のミクロ流体流路に残る前記流体サンプル内で増加する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ミクロ流体装置は、前記第１のミクロ流体流路に沿って延在する第３のミクロ流体流路と、前記第１のミクロ流体流路を前記第３のミクロ流体流路から分離する島の第２のアレイとを含み、
前記第１のミクロ流体流路を通って流れる前記流体サンプルの一部が、前記第１のタイプの粒子なしで、前記第２のアレイにおける島間の前記開口を通って前記第３のミクロ流体流路に入るように、前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗が前記第３のミクロ流体流路の流体抵抗に対して前記第３のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１のタイプの粒子の少なくとも１つは磁気ビーズに結合され、前記方法はさらに、前記流体サンプルを磁場勾配にさらすステップを含み、前記磁場勾配は、磁気ビーズに結合された前記少なくとも１つの粒子を、前記第１のアレイにおける隣り合う島間の前記開口の１つ以上から遠ざかるように誘導する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記流体サンプルは複数の第２のタイプの粒子を含み、前記第２のタイプの粒子は磁気ビーズに結合され、
前記方法はさらに、前記流体サンプルを磁場における勾配にさらすステップを含み、前記磁場における前記勾配は、前記第２のタイプの粒子が流体部分とともに前記第１のアレイの前記開口の１つ以上を通って伝搬するように、磁気ビーズに結合された前記第２のタイプの粒子を、前記第１のタイプの粒子から遠ざかるように偏向する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記流体サンプルは、せん断速度とともに変わる動粘度を有し、前記方法はさらに、前記第１のミクロ流体流路の中央またはその近くで局所化された流線の形成をもたらす体積流量で、前記流体サンプルを前記第１のミクロ流体流路を通して運ぶステップを含み、前記複数の前記第１のタイプの粒子は、前記局所化された流線に集束される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記流体サンプルは、ニュートン流体に添加された抗力減少ポリマーを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記抗力減少ポリマーは、ヒアルロン酸（ＨＡ）を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１のミクロ流体流路の出力での粒子対流体濃度は、前記第１のミクロ流体流路に入る前の粒子対流体濃度の１０倍よりも大きく、５０００倍未満である、請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１のミクロ流体流路の出力で、前記複数の前記第１のタイプの粒子を集めるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１のタイプの粒子の平均直径は、約１μｍ〜約１００μｍである、請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
前記島間の各開口のサイズは、前記第１のタイプの粒子の平均直径よりも大きい、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１のアレイは、少なくとも３つの島を含む、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１４年１１月３日に出願された米国仮出願第６２／０７４，２１３号、および２０１４年１１月３日に出願された米国仮出願第６２／０７４，３１５号の利益を主張する。当該仮特許出願は各々、その全体がここに引用により援用される。
【０００２】
技術分野
本開示は、ミクロ流体装置における粒子の濃縮に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
粒子分離およびろ過は、業種および分野を越えた多数の用途において使用されてきた。そのような用途の例は、化学プロセスおよび発酵ろ過、浄水／排水処理、血液成分の分類およびろ過、コロイド溶液の濃縮、ならびに環境試料の精製および濃縮を含む。これらの用途で使用するために、遠心分離およびフィルタベースの手法などの方法を含むさまざまなマクロスケールの手法が開発されてきた。典型的には、そのような手法が必要とするシステムは大型でかさ高く、高価であり、また、複雑な可動部品を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
場合によっては、ミクロスケールの手法は、スケール縮小により、粒子分類およびろ過のための独自の流体力学的効果の使用を可能にし、このため、複雑な可動部品を有する大型システムを不要にするという点で、マクロスケールの手法に比べて利点を提供する。さらに、ミクロスケールの手法は、より大型のマクロスケールシステムよりもはるかに低いコストで分類およびろ過を行なうことができる携帯装置の可能性を提供する。しかしながら、典型的なミクロスケールの分類およびろ過装置は、所定の期間にわたってそれらが取り扱える流体の量が限られる（すなわち、低スループット）場合があり、そのような装置は、それらのマクロスケール対応品に比べて不利になる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
概要
本開示は、ミクロ流体装置の形状および寸法を慎重に制御すれば、大量の流体サンプルのための粒子濃度の実質的増加を可能にし、または望ましくない粒子の流体サンプルをろ過するために、流体サンプル内で懸濁される粒子の位置だけでなく、流体自体の一部も操作することができる、という発見に少なくとも部分的に基づいている。たとえば、ミクロ流体装置の形状および寸法の慎重な制御は、ある実現化例では、粒子を流体流線を越えて移動させることを通して流体サンプル内の粒子の濃度を変更するために使用可能である。
【０００６】
特に、流体抽出と慣性揚力との組合せを通して、流体内の１つ以上のタイプの粒子の濃度を変更するように粒子およびそれらを搬送する流体の双方を操作することが可能である。たとえば、粒子を含む流体がミクロ流体流路に導入されてもよく、ミクロ流体流路は、当該流路を隣接するミクロ流体流路から分離する剛性島構造のアレイを有する。流体が第１のミクロ流体流路から島構造間の隙間を通って第２のミクロ流体流路へ抽出される際、粒子は、島構造のより近くに引き寄せられる。粒子が島構造のより近くに到達すると、粒子は流体抽出の方向から遠ざかる慣性揚力を経験し、第１のミクロ流体流路における流体の量が減少する（すなわち、粒子濃度の増加につながる）間、粒子は流体流線を横断して第１のミクロ流体流路内に残るようになる。
【０００７】
流体抽出と慣性揚力との組合せは、流体および粒子を操作する多くの方法を可能にする。たとえば、粒子はある流体から別の流体に移動されてもよい。別の例では、ミクロ流体流路内の所望の位置に粒子を集束させるために、組合された流体抽出および慣性揚力を使用してもよい。これらのおよび他の用途は、粒子濃度の高スループット増加を低い装置作製コストで達成するために、多数のミクロ流体流路にわたってスケール変更されてもよい。
【０００８】
一般に、一局面では、本開示の主題は、第１のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイとを有するミクロ流体装置であって、各島は、アレイにおける隣接する島から、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島は、ミクロ流体装置の使用中、第１のミクロ流体流路または第２のミクロ流体流路において流れる流体サンプルの一部が隣り合う島間の開口の１つ以上を通って吸い上げられるように、第１のミクロ流体流路の流体抵抗が第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対して第１のミクロ流体流路または第２のミクロ流体流路の長手方向断面に沿って変化するように配置される、ミクロ流体装置において具体化され得る。
【０００９】
一般に、別の局面では、本開示の主題は、第１のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイとを含む、ミクロ流体装置であって、各島は、アレイにおける隣接する島から、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島は、ミクロ流体装置の使用中、第１のミクロ流体流路を通って流れる流体サンプルの一部が隣り合う島間の開口の１つ以上を通って第２のミクロ流体流路に入るように、第１のミクロ流体流路の流体抵抗が第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対して第１のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加するように配置され、第１のミクロ流体流路の幅は、第１のミクロ流体流路の長手方向に沿って、狭い領域と広い領域とが繰り返し交互する、ミクロ流体装置において具体化され得る。
【００１０】
これらの装置の実現化例は、以下の特徴のうちの１つ以上を有していてもよい。たとえば、いくつかの実現化例では、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島の第１のアレイはさらに、ミクロ流体装置の使用中、流体サンプル中の複数の第１のタイプの粒子が流体とともに、隣り合う島間の開口の１つ以上を通って第２のミクロ流体流路に伝搬することを実質的に防止するように配置される。第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島の第１のアレイは、ミクロ流体装置の使用中、複数の第１のタイプの粒子が流体とともに、隣り合う島間の開口の１つ以上を通って第２のミクロ流体流路に伝搬することを防止するために、複数の第１のタイプの粒子に慣性揚力を与えるように配置されてもよい。第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島の第１のアレイは、ミクロ流体装置の使用中、複数の第１のタイプの粒子が流体とともに、隣り合う島間の開口の１つ以上を通って第２のミクロ流体流路に伝搬することを防止するために、複数の第１のタイプの粒子に衝突力を与えるように配置されてもよい。流体が第１のミクロ流体流路から第２のミクロ流体流路に入る際に通る各開口の断面積は、第１のタイプの粒子よりも大きくてもよい。
【００１１】
いくつかの実現化例では、第２の流路の流体抵抗に対する第１の流路の流体抵抗の増加は、第１のミクロ流体流路の長手方向に沿った、第１のミクロ流体流路または第２のミクロ流体流路の断面積の変化を含む。第２のミクロ流体流路の断面積の変化は、長手方向に沿った、第１のミクロ流体流路の断面積に対する第２のミクロ流体流路の断面積の増加を含み得る。第１のミクロ流体流路の断面積の変化は、長手方向に沿った、第２のミクロ流体流路の断面積に対する第１のミクロ流体流路の断面積の減少を含み得る。
【００１２】
いくつかの実現化例では、島のアレイは複数の開口を含み、開口のサイズは、第１のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加する。アレイにおける各開口のサイズは、アレイにおける前の開口のサイズよりも大きくてもよい。
【００１３】
いくつかの実現化例では、広い領域の少なくとも１つは、島間の対応する開口と整列される。第１のミクロ流体流路は略正弦波形状を有していてもよい。
【００１４】
いくつかの実現化例では、各島について、島の第１の側の輪郭は、島の第１の側に面する第１の流路の壁の輪郭に実質的に整合する。
【００１５】
いくつかの実現化例では、ミクロ流体装置は、第１のミクロ流体流路に沿って延在する第３のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路が第２のミクロ流体流路と第３のミクロ流体流路との間にあるように第１のミクロ流体流路と第３のミクロ流体流路とを分離する島の第２のアレイとをさらに含み、第２のアレイにおける各島は、第２のアレイにおける隣接する島から、第１のミクロ流体流路を第３のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、第３のミクロ流体流路、第１のミクロ流体流路、および島の第２のアレイは、ミクロ流体装置の使用中、第１のミクロ流体流路を通って流れる流体サンプルの一部が島の第２のアレイの隣り合う島間の開口の１つ以上を通って第３のミクロ流体流路に入るように、第１のミクロ流体流路の流体抵抗が第３のミクロ流体流路の流体抵抗に対して第１のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加するように配置される。第３の流路の流体抵抗に対する第１の流路の流体抵抗の増加は、第１のミクロ流体流路の長手方向に沿った、第１のミクロ流体流路または第３のミクロ流体流路の断面積の変化を含み得る。
【００１６】
いくつかの実現化例では、ミクロ流体装置は、第２のミクロ流体流路に沿って延在する第３のミクロ流体流路と、第２のミクロ流体流路が第１のミクロ流体流路と第３のミクロ流体流路との間にあるように第２のミクロ流体流路と第３のミクロ流体流路とを分離する島の第２のアレイとをさらに含み、第２のアレイにおける各島は、第２のアレイにおける隣接する島から、第２のミクロ流体流路を第３のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、第３のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島の第２のアレイは、ミクロ流体装置の使用中、第３のミクロ流体流路を通って流れる流体サンプルの一部が島の第２のアレイの隣り合う島間の開口の１つ以上を通って第２のミクロ流体流路に入るように、第３のミクロ流体流路の流体抵抗が第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対して第３のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加するように配置される。
【００１７】
いくつかの実現化例では、ミクロ流体装置は、第１の入口流路と、第２の入口流路とをさらに含み、第１の入口流路および第２の入口流路の各々は、第１のミクロ流体流路および第２のミクロ流体流路に流体結合される。いくつかの実現化例では、ミクロ流体装置は、第１の入口流路と、第２の入口流路とをさらに含み、第１の入口流路および第２の入口流路の各々は、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および第３のミクロ流体流路に流体結合される。
【００１８】
いくつかの実現化例では、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島の第１のアレイは、組合された慣性集束および流体吸い上げ領域に対応しており、ミクロ流体装置は、並列に配置された複数の組合された慣性集束および流体吸い上げ領域を含む。
【００１９】
いくつかの実現化例では、ミクロ流体装置は、第１および／または第２のミクロ流体流路を越えて磁場勾配を確立する１つ以上の磁石をさらに含む。
【００２０】
いくつかの実現化例では、第１のミクロ流体流路および第２のミクロ流体流路は、螺旋状の構成で配置される。
【００２１】
いくつかの実現化例では、第１のアレイは、少なくとも３つの島を含む。
一般に、別の局面では、本開示の主題は、第１のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイとを含む、ミクロ流体装置であって、各島は、アレイにおける隣接する島から、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島は、ミクロ流体装置の使用中、第１のミクロ流体流路を通って流れる流体サンプルの一部が隣り合う島間の開口の１つ以上を通って第２のミクロ流体流路に入るように、第１のミクロ流体流路の流体抵抗が第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対して第１のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加するように配置される、ミクロ流体装置において具体化され得る。
【００２２】
一般に、別の局面では、本開示の主題は、流体サンプル内の粒子の濃度を変更する方法であって、これらの方法は、複数の第１のタイプの粒子を含む流体サンプルをミクロ流体装置に流すステップを含み、ミクロ流体装置は、第１のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイとを含み、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島は、第１のミクロ流体流路を通って流れる流体サンプルの一部が、第１のタイプの粒子なしで、隣り合う島間の開口の１つ以上を通って第２のミクロ流体流路に入るように、第１のミクロ流体流路の流体抵抗が第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対して第１のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加するように配置され、慣性集束により、複数の第１のタイプの粒子が、第１の流路内で流体サンプルの１つ以上の流線に集束されるようになるように、第１のミクロ流体流路の幅は、第１のミクロ流体流路の長手方向に沿って、狭い領域と広い領域とが繰り返し交互する、方法において具体化され得る。
【００２３】
これらの方法の実現化例は、以下の特徴のうちの１つ以上を有していてもよい。たとえば、いくつかの実現化例では、第１のタイプの粒子の濃度は、第１のミクロ流体流路に残る流体サンプル内で増加する。
【００２４】
いくつかの実現化例では、ミクロ流体装置は、第２のミクロ流体流路に沿って延在する第３のミクロ流体流路と、第２のミクロ流体流路を第３のミクロ流体流路から分離する島の第２のアレイとを含み、第３のミクロ流体流路を通って流れる流体サンプルの一部が、第１のタイプの粒子なしで、第２のアレイにおける島間の開口を通って第２のミクロ流体流路に入るように、第３のミクロ流体流路の流体抵抗が第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対して第３のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加し、慣性集束により、複数の第１のタイプの粒子が、第３の流路内で流体サンプルの１つ以上の流線に集束されるようになるように、第３のミクロ流体流路の幅は、第３のミクロ流体流路の長手方向に沿って、狭い領域と広い領域とが繰り返し交互する。第１のタイプの粒子の濃度は、第３のミクロ流体流路に残る流体サンプル内で増加してもよい。
【００２５】
いくつかの実現化例では、ミクロ流体装置は、第１のミクロ流体流路に沿って延在する第３のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路を第３のミクロ流体流路から分離する島の第２のアレイとを含み、第１のミクロ流体流路を通って流れる流体サンプルの一部が、第１のタイプの粒子なしで、第２のアレイにおける島間の開口を通って第３のミクロ流体流路に入るように、第１のミクロ流体流路の流体抵抗が第３のミクロ流体流路の流体抵抗に対して第３のミクロ流体流路の長手方向に沿って増加する。
【００２６】
いくつかの実現化例では、第１のタイプの粒子の少なくとも１つは磁気ビーズに結合され、これらの方法はさらに、流体サンプルを磁場勾配にさらすステップを含み、磁場勾配は、磁気ビーズに結合された少なくとも１つの粒子を、第１のアレイにおける隣り合う島間の開口の１つ以上から遠ざかるように誘導する。
【００２７】
いくつかの実現化例では、流体サンプルは複数の第２のタイプの粒子を含み、第２のタイプの粒子は磁気ビーズに結合され、これらの方法はさらに、流体サンプルを磁場における勾配にさらすステップを含み、磁場における勾配は、第２のタイプの粒子が流体部分とともに第１のアレイの開口の１つ以上を通って伝搬するように、磁気ビーズに結合された第２のタイプの粒子を、第１のタイプの粒子から遠ざかるように偏向する。
【００２８】
いくつかの実現化例では、流体サンプルは、せん断速度とともに変わる動粘度を有し、これらの方法はさらに、第１のミクロ流体流路の中央またはその近くで局所化された流線の形成をもたらす体積流量で、流体サンプルを第１のミクロ流体流路を通して運ぶステップを含み、複数の第１のタイプの粒子は、局所化された流線に集束される。流体サンプルは、ニュートン流体に添加された抗力減少ポリマーを含み得る。抗力減少ポリマーは、ヒアルロン酸（ＨＡ）を含み得る。
【００２９】
いくつかの実現化例では、第１のミクロ流体流路の出力での粒子対流体濃度は、第１のミクロ流体流路に入る前の粒子対流体濃度の１０倍よりも大きく、５０００倍未満である。
【００３０】
いくつかの実現化例では、これらの方法は、第１のミクロ流体流路の出力で、複数の第１のタイプの粒子を集めるステップをさらに含む。
【００３１】
いくつかの実現化例では、第１のタイプの粒子の平均直径は、約１μｍ〜約１００μｍである。
【００３２】
いくつかの実現化例では、島間の各開口のサイズは、第１のタイプの粒子の平均直径よりも大きい。
【００３３】
ここに説明される主題の実現化例は、いくつかの利点を提供する。たとえば、いくつかの実現化例では、ここに説明される主題は、連続して流れる流体内の粒子を単離し、連続して流れる流体内の粒子を集束させ、遠心分離を必要とすることなく連続して流れる流体内の粒子の濃度を増加させ、および／または低い粒子濃度を有する精製された流体サンプルを得るために使用可能である。いくつかの実現化例では、ここに説明される主題は、粒子をある流体から別の流体に移動させるために使用可能である。ここに説明される連続流ミクロ流体手法は、さまざまなポイント・オブ・ケア装置へと実現され得る低価格で簡単な機器を用いて、高い体積容量およびスループット、実質的で調整可能な流体体積減少、ならびに高い粒子収量を提供し得る。特に、ここに説明される手法は、特に遠心分離のサイズおよび出費が法外である用途において、既存の遠心分離手法に対して著しい利点を提供し得る。いくつかの実現化例では、ここに説明される手法は、合理化された処理、および他のミクロ流体モジュールとの簡単な統合も提供し得る。臨床用途については、ここに説明されるシステムは、自己完結型および使い捨て型の双方として構成されてもよい。対照的に、バイオ処理／工業的用途については、装置は、連続流／連続処理のために構成されてもよい。
【００３４】
この開示のために、流路とは、流体が流れ得る構造を指す。
この開示のために、ミクロ流体装置とは、一般に約１０ｎｍ〜約１０ｍｍの範囲の断面寸法を少なくとも１つ有する流体システム、装置、流路、またはチャンバを指す。
【００３５】
この開示のために、隙間または開口という用語は、流体または粒子が流れ得るエリアを指す。たとえば、隙間または開口は、流体が流れる、２つの障害物の間の空間であってもよい。
【００３６】
この開示のために、剛性島構造とは、粒子が一般に通り抜けることができない物理構造を指す。
【００３７】
この開示のために、体積減少とは、プロセスの生成物が入力よりもより高い濃度（ひいてはより小さい体積）の細胞／粒子を有するように、細胞／粒子の懸濁液を処理することを意味する。
【００３８】
この開示のために、無粒子層とは、１つ以上の異なるタイプの粒子が実質的にない、ミクロ流体装置内の連続して流れる流体サンプルの細長い領域であると理解される。
【００３９】
この開示のために、絶対粒子収量とは、生成物における粒子の総数を、入力における粒子の総数で除算したものを意味すると理解される。
【００４０】
この開示のために、相対収量とは、生成物における粒子の総数を、出力（すなわち、生成物＋廃棄物）における粒子の総数で除算したものを意味すると理解される。
【００４１】
この開示のために、長さ分画とは、（粒子間の空間に対して）粒子が占めるそのストリームの分画を意味すると理解される。
【００４２】
この開示のために、流体抵抗とは、流路（たとえばミクロ流体流路）を通る流体の流量に対する、その流路両端の圧力降下の比を指す。
【００４３】
サンプル内の粒子は、それらがミクロ流体流路内で移送されることを可能にするあらゆるサイズを有し得る。たとえば、粒子は、１μｍ〜１００μｍの平均流体力学的サイズを有し得る。粒子サイズは、流路形状寸法によってのみ限定される。したがって、上述の粒子よりも大きい、および小さい粒子を使用することができる。粒子（たとえば細胞、卵子、細菌、菌類、ウイルス、藻類、任意の原核細胞または真核細胞、細胞小器官、エキソソーム、液滴、泡、汚染物質、沈殿物、有機および無機粒子、磁気ビーズ、および／または磁気標識分析物）のサイズ、たとえば平均流体力学的粒子サイズまたは平均直径は、当該技術分野で周知の標準手法を使用して定められ得る。
【００４４】
特に定義されない限り、ここに使用されるすべての技術用語および科学用語は、この発明が属する技術の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。ここに説明されるものと同様または同等の方法、材料、および装置をこの発明の実践または試験で使用することができるが、好適な方法、材料、および装置を以下に説明する。ここに言及されるすべての刊行物、特許出願、特許、および他の参考文献は、それらの全体が引用により援用される。矛盾する場合、定義を含む本明細書が統制するであろう。加えて、材料、方法、および例は単なる例示であり、限定的であるよう意図されていない。
【００４５】
添付図面および以下の説明において、１つ以上の実施形態の詳細を述べる。他の特徴および目的は、説明、図面、および請求項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】流体流線内で、および流体流線を越えて粒子の位置を移動させることができるミクロ流体装置の一例の上面図を示す概略図である。
【図２】粒子移動エリアが、流体を抽出するための２つの異なるミクロ流体流路を含む、粒子および流体移動のための装置の一例の上面図を示す概略図である。
【図３】粒子移動が１つのストリームからの粒子を２つの異なるミクロ流体流路に沿って濃縮する装置の一例の上面図を示す概略図である。
【図４】粒子をある搬送流体から別の搬送流体に移動させることができる装置の一例の上面図を示す概略図である。
【図５】慣性集束および流体抽出に依拠するミクロ流体装置の粒子移動エリアの一例の上面図を示す概略図である。
【図６】図６Ａは、慣性集束を繰り返される流体抽出と組合せるミクロ流体装置内で、流体流線がどのように挙動するかを示す概略図である。図６Ｂは、図６Ａに示す装置の異なる断面についてのシミュレートされた流体流のプロットを含む図である。
【図７】図６Ｂに示す装置構造用の吸い上げ−集束ユニットペアの数の関数としての無細胞流分画を表すプロットである。
【図８】粒子移動エリアを含むミクロ流体システムの一例を示す概略図である。
【図９−１】図９Ａは、粒子移動エリアが磁気泳動エリアに流体結合されたミクロ流体システムの一例を示す概略図である。図９Ｂは、粒子移動エリアが磁気泳動エリアに流体結合されたミクロ流体システムの一例を示す概略図である。図９Ｃは、粒子移動エリアが磁気泳動エリアに流体結合されたミクロ流体システムの一例を示す概略図である。
【図９−２】図９Ｄは、粒子移動エリアが磁気泳動エリアに流体結合されたミクロ流体システムの一例を示す概略図である。図９Ｅは、粒子移動エリアが磁気泳動エリアに流体結合されたミクロ流体システムの一例を示す概略図である。図９Ｆは、粒子移動エリアが磁気泳動エリアに流体結合されたミクロ流体システムの一例を示す概略図である。
【図１０】無細胞分画対ミクロ流体装置を通るサンプル流量のプロットである。
【図１１Ａ】ある吸い上げ割合についての、ミクロ流体装置の集束−吸い上げユニットを通って流れる蛍光標識粒子の写真である。
【図１１Ｂ】ある吸い上げ割合についての、ミクロ流体装置の集束−吸い上げユニットを通って流れる蛍光標識粒子の写真である。
【図１１Ｃ】ある吸い上げ割合についての、ミクロ流体装置の集束−吸い上げユニットを通って流れる蛍光標識粒子の写真である。
【図１１Ｄ】ある吸い上げ割合についての、ミクロ流体装置の集束−吸い上げユニットを通って流れる蛍光標識粒子の写真である。
【図１２】相対白血球収量対流量のプロットである。
【図１３】ミクロ流体装置における相対粒子収量対流量のプロットである。
【図１４】異なる入力濃度についての、ミクロ流体装置内の白血球の相対収量を示すプロットである。
【図１５】ミクロ流体システムの設計の上面図を示す概略図である。
【図１６】ミクロ流体装置の例示的な粒子および流体移動エリアの上面図を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
詳細な説明
流体内の粒子（たとえば細胞、たとえば一般に血液細胞、および母体血液中の胎児血液細胞、骨髄細胞、ならびに循環腫瘍細胞（circulating tumor cell：ＣＴＣ）、精子、卵子、細菌、菌類、ウイルス、藻類、任意の原核細胞または真核細胞、細胞集合、細胞小器官、エキソソーム、液滴、泡、汚染物質、沈殿物、有機および無機粒子、ビーズ、ビーズ標識分析物、磁気ビーズ、および／または磁気標識分析物）と、粒子が進む流体（たとえば血液、水溶液、油、または気体）と、剛性構造との間の相互作用は、粒子および流体の双方に対してさまざまなミクロ流体動作を行なうために制御可能である。特に、そのような相互作用は、流体または粒子自体の置換を通して、粒子を流体流線を越えて移動させることを必要とする場合がある。これらの相互作用を制御することによって実行可能なミクロ流体動作の例は、搬送流体中の粒子の濃度を増加させること、流体サンプルの体積を減少させること、流体内の粒子の濃度を減少させること、ある搬送流体から別の流体に粒子を移動させること、粒子サイズ（たとえば平均直径）に基づいて流体内の粒子を分離すること、搬送流体内の粒子を単一の流線に（または複数の異なる流線に）集束させること、ミクロ流路内の任意の位置に粒子を精密に位置付けること、および粒子を混合すること（集束させないこと）を含むものの、それらに限定されない。また、上述の動作のいずれも、動作の有効性を高めるために、他の手法（たとえば磁気分類）と同時に実行可能である。
【００４８】
粒子を流体流線を越えて移動させることができる力を生み出すために、いくつかの異なるメカニズムを採用することができる。流体内の粒子移動を誘発するために、以下の手法のいずれも、個々にまたは組合せて使用されてもよい。第１のタイプの力は、「衝突」と呼ばれる（決定論的横置換（deterministic lateral displacement：ＤＬＤ）とも呼ばれる）。衝突は、構造の剛性壁と粒子との間の、壁に対する粒子のサイズに起因して生じる直接的相互作用である。半径ｒｐを有する粒子の中心は、隣接する構造にｒｐよりも近づいて通ることができないため、粒子中心が、構造からｒｐより小さい距離の流線上にある場合、粒子は構造によって少なくともｒｐ離れた距離まではね飛ばされるであろう。この衝突は粒子を流体流線を越えて動かし得る。
【００４９】
別のタイプの力は、慣性揚力と呼ばれる（壁力、または壁により誘発される慣性としても公知である）。慣性揚力は、粒子および流体が壁の近くを流れる際に生じる、粒子に対する流体力である。十分には理解されていないものの、慣性揚力は、粒子が壁に近づくと粒子によって生成される流れの乱れに起因して生じる反発力である。衝突とは対照的に、慣性揚力は粒子に対する流体力であり、剛性構造との接触に起因する力ではない。ミクロ流路壁の近くを流れる粒子は、壁に垂直な慣性揚力を経験する。高流量では、慣性揚力は非常に強く、粒子を流線を越えて移動させることができる。
【００５０】
別のタイプの力は、ディーン流れからの圧力抗力の結果である。湾曲を有するミクロ流体流路は、粒子に対する追加の抗力を生み出すことができる。湾曲を矩形流路に導入する場合、流体の不均一な慣性に起因して、二次流れ（すなわちディーン流れ）が、流れるストリームの方向に対して垂直に発現する場合がある。その結果、湾曲する流路の中央内部のより速く動く流体要素が、流路縁近くの要素よりも大きい慣性を発現させ得る。高いディーン流れでは、流体内の浮遊粒子に対する抗力が著しくなり得る。
【００５１】
別のタイプの粒子移動は、高ストークス数流れで起こる。ストークス数（Ｓｔｋ）は、流体軌道の変化に応答して粒子軌道がどれくらい速やかに変化するかを示す。１よりも大きいＳｔｋについては、流体軌道の変化と粒子軌道の変化との間に遅れが存在する。高ストークス流れ条件（たとえば約０．０１よりも大きいストークス数）下では、粒子を流線を越えて推し進めるために、流体流方向の変更が使用可能である。ディーン流れおよび高ストークス数についてのさらなる詳細は、たとえば米国特許第８，１８６，９１３号に見出すことができ、それはその全体がここに引用により援用される。高ストークス流れ用途およびディーン流れ用途の双方において、流体置換により、粒子は流体流線を横断するようになる。
【００５２】
粒子を移動させるための他の手法は、粘弾性集束および慣性弾性集束を含む。それらの方法についての詳細は、「まっすぐな矩形のミクロ流路におけるシースレス弾性慣性粒子集束および連続分離」（Sheathless elasto-inertial particle focusing and continuous separation in a straight rectangular microchannel）、ヤン（Yang）ら、Lab Chip（１１）、２６６〜２７３、２０１１年；「懸濁液の粘弾性によって誘発される単一ライン粒子集束：ミクロパイプ流れ集束器を設計するための理論、実験およびシミュレーション」（Single line particle focusing induced by viscoelasticity of the suspending liquid: theory, experiments and simulations to design a micropipe flow-focuser）、ダビノ（D'Avino）ら、Lab Chip（１２）、１６３８〜１６４５、２０１２年；および、「ミクロ流路におけるバイオ粒子の高スループットでの慣性弾性集束」（Inertio-elastic focusing of bioparticles in microchannels at high throughput）、リム（Lim）ら、Nature Communications、５（５１２０）、１〜９、２０１４年、に見出すことができ、それらの各々はその全体がここに引用により援用される。
【００５３】
粒子を移動させるための前述の手法は、それらが粒子を流線を越えて移動させるのに必要な力を生成するためにミクロ流体流路自体の流体流および／または構造を使用するという点で、「内的」である。場合によっては、流体内を進む粒子の進路を変更するために、他の外部メカニズムを、内力のうちの１つ以上とともに使用することもできる。たとえば、場合によっては、外部から印加される磁力、重力／遠心力、電気力、または音響力が、流体流線を越える粒子位置の移動を引き起こすために使用されてもよい。そのような力をどのように印加するかについてのさらなる情報は、たとえば、「高傾斜磁場を使用する粒子分類」（Sorting particles using high gradient magnetic fields）と題されたＷＯ２０１４／００４５７７、「音響集束」（Acoustic focusing）と題された米国特許第７，８３７，０４０号、「誘電泳動集束」（Dielectrophoretic focusing）と題されたＷＯ２００４／０７４８１４、および「音響泳動に基づいた血中前立腺癌細胞のミクロ流体無標識濃縮」（Microfluidic, Label-Free Enrichment of Prostate Cancer Cells in Blood Based on Acoustophoresis）、オーガストソン（Augustsson）ら、Anal. Chem. ８４（１８）、２０１２年９月１８日、に見出すことができる。
【００５４】
本開示は主として、流体中の粒子の濃度の修正および／または当該粒子のろ過のために粒子を流体流線を越えて移動させるために、慣性揚力を定期的な流体抽出と組合せることに注目するものの、慣性揚力は上述のような他の力に置き換えられてもよく、または他の力に加えて使用されてもよい、ということが理解されるべきである。組合された慣性の一例として、粒子を含む流体がミクロ流体流路に導入されてもよく、ミクロ流体流路は、当該流路を隣接するミクロ流体流路から分離する剛性島構造のアレイを有する。流体が第１のミクロ流体流路から島構造間の隙間を通って第２のミクロ流体流路へ抽出される際、粒子は島構造のより近くに引き寄せられる。粒子が島構造のより近くに到達すると、粒子は、粒子が流体流線を横断するように、流体抽出の方向から遠ざかる反発力（たとえば慣性揚力）を経験する。流体抽出と反発力との組合せは、とりわけ、粒子の位置付け、流体内の粒子の濃度の増加、流体内の粒子の濃度の減少、粒子混合、流体混合、および／または粒子ストリームを越える流体の移動を行なうために使用されてもよい。
【００５５】
粒子を移動させるためのメカニズムはサイズベースのものであってもよく、したがって、粒子のサイズベースの（たとえば粒子の平均直径を基づいた）操作を行なうために使用可能である。上述の手法のいずれかを使用した粒子の移動および／または流体の置換の繰り返しを通して、１つ以上の流体流線への粒子の集束、流体内の粒子の濃度の増加、流体の体積減少の実行、流体からの粒子のろ過、および／または異なる流体ストリームからの異なる粒子の混合、といったさまざまな異なるミクロ流体動作が行なわれてもよい。一般に、粒子を「集束させる」とは、流路の横方向範囲にわたって、および流路幅よりも狭い幅の範囲内に粒子を再度位置付けることを指す。たとえば、ここに開示される手法は、流体中に懸濁された粒子を、粒子の平均直径の１．０５、２、４、６、８、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、または１００倍の幅を有する流路の長さ以内に局所化することができる。いくつかの実現化例では、粒子は流体の流線に集束されるる。いくつかの実現化例では、流線は、粒子の水力直径と実質的に等しいかそれよりも若干大きい幅を規定する。粒子は、平均直径が約１μｍ〜約１００μｍを含むもののそれに限定されない、さまざまなサイズを有していてもよい。
【００５６】
慣性揚力を使用した粒子濃度の変更
図１は、流体がミクロ流体装置１００を通って伝搬する間に粒子１０２の位置を流体流線を越えて移動させることができるミクロ流体装置１００の一例の上面図を示す概略図である。説明されるように、流体流線を越える粒子移動は、流体がミクロ流体流路から定期的に抽出される際に粒子が経験する慣性揚力に依拠するものの、慣性揚力の代わりに、または慣性揚力に加えて、他の反発力を使用してもよい。参考のためにデカルト座標系が示されており、ｘ方向は紙面に直交するように延びている。
【００５７】
装置１００の動作中、粒子１０２を搬送する流体が、入口ミクロ流体流路１０４を通って導入される。粒子移動装置のこのおよび他の実現化例では、流体は、ポンプまたは他の流体作動メカニズムの使用を通して導入され得る。入口流路１０４は、剛性島構造１１０の１次元アレイによって分離される２つの異なる流体流流路（第２のミクロ流体流路１０６と、第２のミクロ流体流路１０６と実質的に平行な第１のミクロ流体流路１０８）へと分裂する。島構造１１０の１次元アレイは、第２および第１のミクロ流体流路を通る流体の流れと実質的に同じ方向に延在する。アレイにおける各島構造１１０は、隣接する島１１０から、流体が流れ得る開口または隙間１１４によって分離される。図１の例における各隙間１１４は、隣り合う島１１０間で同じ距離を有する。他の実現化例では、異なる隙間が、隣り合う島１１０間で異なる距離を有し得る。たとえば、いくつかの実現化例では、第１のアレイにおける次の各開口の長さ（たとえば、流体伝搬方向、つまり図１のｚ方向に沿って測定されるような長さ）は、アレイにおける前の開口のサイズよりも大きい。さらに、図１には１次元アレイが示されているが、島１１０は、たとえば、島の２次元アレイを含む異なる構成で配置されてもよい。ミクロ流体流路内の流体流領域の境界は、装置壁１１２と島１１０の壁とによって規定される。
【００５８】
流体が実質的にｚ方向（すなわち長手方向）に沿って入口流路１０４から流路（１０６、１０８）に伝搬する際、粒子１０２は、粒子１０２が流体流線を越えて移動し、第１のミクロ流体流路１０８に沿って進むようにする力（この例では慣性揚力）を経験する。これらの慣性揚力は、−ｙ方向である（図１の各粒子１０２に隣接する短い矢印を参照）。
【００５９】
たとえば、粒子１０２が入口流路１０４に位置し、上壁１１２に接近すると、粒子は、粒子を第１のミクロ流体流路１０８の方へ押し下げる慣性揚力を経験する。いったん第１のミクロ流体流路１０８に入ると、粒子１０２は第１の島１１０の壁に接近するかもしれず、そのため粒子１０２を押し下げる慣性揚力を再び経験し、粒子は第１のミクロ流体流路１０８内に維持される。このため、図１に示す「粒子移動」領域の各々で粒子１０２に慣性揚力を繰り返し印加することは、第２のミクロ流体流路１０６を通って伝搬する流体から粒子を分離／ろ過するように機能する。
【００６０】
同時に、第１のミクロ流体流路１０８内を進む流体の一部が、装置１００における１つ以上の「流体移動」領域（図１参照）で、第２のミクロ流体流路へ抽出され（たとえば吸い上げられ）／入る。図１の例では、各流体移動領域は、第１のミクロ流体流路１０８と第２のミクロ流体流路１０６との間に延在する開口または隙間に対応する。各「流体移動」領域は主として、流体が第１のミクロ流体流路１０８から第２のミクロ流体流路１０６へ抽出されることを可能にする。粒子は流体流線に追従するため、隙間への流体の動きは、粒子１０２も隙間に向かって引っ張る傾向がある。しかしながら、粒子が隙間１１４により近づくと、それらは島構造１１０に接近し、島構造は、入来粒子が隙間１１４から遠ざかる方向に流体流線を横断するようにする慣性揚力を与える。すなわち、粒子１０２は、第２のミクロ流体流路１０６に入る流体流線から、第１のミクロ流体流路１０８内を流れ続ける流体流線に移動する。その結果、粒子１０２は第１のミクロ流体流路１０８で伝搬し続け、流体とともに第２のミクロ流体流路１０６に移動されない。第１のミクロ流体流路１０８から第２のミクロ流体流路１０６への流体移動がなければ、粒子は、慣性揚力とせん断勾配力とがつり合っている平衡集束位置への慣性集束の結果、マイグレーションするであろう。しかしながら、流体を流路を越えて移動させることにより、粒子１０２は、慣性揚力がせん断勾配力よりもはるかに強いエリアに向かって流体に追従する傾向があり、このため、粒子は非常に効率的で制御された態様で流線を越えて移動するようになる。
【００６１】
この例では、流体移動領域の長手方向断面に沿った流体抵抗の減少の結果、流体は流体移動領域を通って抽出される。すなわち、粘度が一定の流体については、隣り合う島１１０間の隙間１１４は、流体が流れ得る流路エリアを増加させて、流体抵抗の減少をもたらす。流体が装置１００を通って伝搬し、隙間１１４に到着すると、流体の一部は隙間１１４に、次に第２のミクロ流体流路１０６に流れ込むであろう（すなわち、流体部分は流路１０６へ抽出される）。流体抵抗の減少はまた、第２のミクロ流体流路１０６における流路幅の増加の結果、起こり得る。特に、第２のミクロ流体流路壁１１２は、第２のミクロ流体流路１０６の幅が流路の長手方向（すなわち、流体伝搬の方向、すなわち＋ｚ方向）に沿って増加するように、島からある角度遠ざかって傾斜し、このため、流体抵抗の減少を引き起こす。第１のミクロ流体流路の長手方向に沿った流路１０６の幅の増加だけでなく断面積のいかなる増加も、流体抵抗を減少させるために採用され得る。それに代えて、またはそれに加えて、流体は、（たとえば、長手方向に沿った流路１０８の断面積の減少を通して）流路１０６の流体抵抗に対する流路１０８での流体抵抗の増加を経験してもよい。このため、流体は、第２および第１のミクロ流体流路間の相対流体抵抗の変化に応答して抽出される、と言ってもよい。相対流体抵抗の変化は、粒子分類領域全体にわたって、または、粒子分類領域全体よりも小さい分類領域の一部にわたって起こってもよい。相対流体抵抗の変化は、粒子分類領域を通る流体流の方向に沿って（たとえば、図１に示すような粒子分類領域の長手方向に沿って）起こってもよい。
【００６２】
隙間１１４および／または流路１０６での流体抵抗が次第に低下するにつれて、より大量の流体が第２のミクロ流体流路１０６に流れ込む。さらに、流体を第２の流路１０６に繰り返し移動させることは、第１の流路１０８における流体の量を減少させる。この一定の流体抽出はこのため、第１の流路１０８における粒子対流体濃度を増加させ、一方、第２のミクロ流体流路１０６における粒子の濃度を減少させ、そのため、第２のミクロ流体流路１０６における流体が「ろ過」または「精製」される。いくつかの実現化例では、ここに開示される粒子移動手法は、最初の流体サンプルからの粒子濃度を、最初の粒子対流体濃度の最大１０、２５、５０、７５、１００、２００、３００、４００、または５００倍に増加させることができてもよい。そのような濃度増加は、最大９０％、最大９５％、最大９９％、さらには１００％という流体サンプルからの粒子収量をもたらし得る。
【００６３】
いくつかの実現化例では、粒子濃度の増加は、ここに開示される粒子移動手法を採用するように構成されたミクロ流体装置を複数使用して達成されてもよい。たとえば、入来流体サンプルの粒子濃度を１０倍増加させるように構成された第１のミクロ流体装置の出力を、入来流体サンプルの粒子濃度を５０倍増加させるように構成された第２のミクロ流体装置の入力に結合して、最初の流体サンプルからの粒子濃度の全体的増加が５００倍になるようにしてもよい。
【００６４】
粒子濃度の増加に加えて、粒子移動の繰り返しも、下方流路１０８を通って伝搬する流体内の１つ以上の所望の位置／流線に沿って粒子を集束させるために使用されてもよい。たとえば、前述のように、流体の一部が最初のミクロ流体流路から１つ以上の平行なミクロ流体流路へ抽出されてもよい。場合によっては、抽出された流体を含む平行なミクロ流体流路は次に、粒子が単一流路の指定された流線に閉じ込められるように、下流で最初のミクロ流体流路と再び組合されてもよい。流体移動を慣性揚力と組合せるこの手法の一利点は、最初の流路の各側からどれだけの流体が除去されるかを制御することにより、粒子が下流流路内の所望の位置（たとえば、とりわけ、流路壁の近く、流路中央、または、流路壁と流路中央との中間）に集束され得る、ということであり、ミクロ流体装置の設計および使用に増加した柔軟性を提供する。対照的に、主として慣性集束に基づくミクロ流体システムについては、流路内の集束トリームの位置を選択することができない。
【００６５】
結果として生じる、濃縮され集束された粒子流線は、ミクロ流体装置１００の別個の処理領域に結合されてもよく、もしくは、追加の処理および／または分析のために装置１００から除去されてもよい。同様に、第２の流路１０６における「ろ過」された流体は、ミクロ流体装置１００の別個の領域に結合されてもよく、もしくは、追加の処理および／または分析のために装置１００から除去されてもよい。いくつかの実現化例では、装置１００に入る粒子１０２は、第１のミクロ流体流路１０８と整列された所望の流体流線位置に「予め集束される」。粒子１０２を所望の位置に予め集束させることにより、粒子が誤って第２のミクロ流体流路１０６に入る確率を減少させることができる。
【００６６】
粒子および流体移動の繰り返しに基づいて粒子を濃縮するために、図１に示す実現化例とは異なる他のミクロ流体装置構成も使用されてもよい。たとえば、図２は、粒子移動エリアが、流体を抽出するために、１つのミクロ流体流路ではなく、２つの異なるミクロ流体流路を含む、粒子および流体移動のための装置２００の一例を示す概略図である。装置２００は、３つの異なる流体流領域（第２のミクロ流体流路２０６、第１のミクロ流体流路２０８、および第３のミクロ流体流路２１０）を有する粒子移動領域に流体結合された入口ミクロ流体流路２０４を含む。第２のミクロ流体流路２０６は、島２１６の第１のアレイ２１２によって、第１のミクロ流体流路２０８から分離される。第３のミクロ流体流路２１０は、島２１６の第２のアレイ２１４によって、第１のミクロ流体流路２０８から分離される。第１のアレイ２１２における隣接する各島および第２のアレイ２１４における隣接する各島は、流体移動用の隙間によって分離される。ミクロ流体流路の境界は、装置壁２１８および島の壁によって規定される。ミクロ流体流路壁２１８は、第２および第３のミクロ流体流路（２０６、２１０）の幅が流体伝搬方向（すなわち＋ｚ方向）に沿って増加するように、島からある角度遠ざかって傾斜し、このため、各流路において流体抵抗の減少を引き起こす。
【００６７】
装置２００は、装置１００と同様の態様で動作する。特に、流体が実質的にｚ方向に沿って入口流路２０４から流路（２０６、２０８、２１０）に伝搬する際、流体内の粒子２０２は、「粒子移動」領域において、入口流路２０４の壁および島構造２１６の壁に接近すると慣性揚力を経験する。入口流路２０４における慣性揚力は、粒子が主として第１のミクロ流体流路２０８に流れ込むように、粒子２０２を流体流の中央に向けて押す（すなわち、慣性揚力は粒子を中央流体流線に向けて「集束させる」）。粒子２０２がいったん第１のミクロ流体流路２０８に入ると、それらは、流路２０８を通って延在する１つ以上の中央流線に沿って粒子２０２を集束させ続ける、島構造２１６からの慣性揚力を経験する。同時に、流体は、「流体移動」領域において、流体抵抗の減少に起因して第２および第３のミクロ流体流路（２０６、２１０）へ抽出される。流体移動領域と粒子移動領域との組合せは、同時に粒子の濃度を増加させながら、入来流体からの粒子を第１の流路２０８に集束させるように機能する。（第２、第１、または第３の流路からの）結果として生じる流体ストリームのうちのいずれも、ミクロ流体装置２００の別個の領域に結合されてもよく、もしくは、追加の処理または分析のために装置２００から除去されてもよい。いくつかの実現化例では、第２および第３の流路のサイズ／流体抵抗の変動は、各ユニットで、同量の流体が第３の流路から流れ込み、第２の流路へ出ることを保証するように設定可能である。
【００６８】
場合によっては、粒子および流体移動は、集束／濃縮された粒子の複数の異なるストリームを作り出すために使用可能である。たとえば、図３は、粒子移動が１つのストリームからの粒子を２つの異なるミクロ流体流路に沿って濃縮する装置３００の概略図である。装置３００は、２つの異なる流体流領域（第２のミクロ流体流路３０６および第３のミクロ流体流路３１０）に流体結合された入口ミクロ流体流路３０４を含む。入口流路３０４と第２および第３の流路（３０６、３１０）との間の結合点に位置付けられた単一の島構造３１２は、入口流路３０４から伝搬する流体を、第２の流路３０６に沿って伝搬するストリームと、第３の流路３１０に沿って伝搬するストリームという２つのストリームへと分裂する。第１の島構造３１２から下流で、第２のミクロ流体流路３０６は、島３１８の第１のアレイ３１４および島３１８の第２のアレイ３１６の双方によって、第３のミクロ流体流路３１０から分離される。第１のアレイ３１４における隣接する各島および第２のアレイ３１６における隣接する各島は、流体移動用の隙間によって分離される。
【００６９】
装置３００の動作中、粒子３０２を含む流体が入口流路３０４から入る。流体は島３１２によって分離され、流体および流体内の粒子が第２のミクロ流体流路３０６または第３のミクロ流体流路３１０のいずれかに流れ込むようにする。粒子３０２がいったん第２および第３の流路（３０６、３１０）に入ると、粒子３０２が島３１８に接近する際に生じる（たとえば慣性揚力の結果としての）粒子移動の繰り返しに起因して、粒子はそれらの流路内で濃縮され続ける。第２および第３の流路（３０６、３１０）から流体を繰り返し抽出するために、第１のミクロ流体流路３０８が使用される。特に、第１の流路３０８は幅が次第に増加し、より低い流体抵抗をもたらす。流体は、島３１８間の隙間で第２および第３の流路（３０６、３１０）から抽出され、より低い抵抗のこの経路をたどる。装置３００はこのように、ランダムに分布された粒子を含む流体を受け取り、それらの粒子を第２のミクロ流体流路３０６および第３のミクロ流体流路３１０における２つの別々の流線に集束させる／濃縮する。結果として生じる粒子流線は、追加の処理または分析のために別々の出力に結合されてもよい。
【００７０】
ここに説明される粒子移動手法はまた、粒子を第１の流体から第２の異なる流体に移動させるために使用されてもよく、第２の流体中の粒子の濃度は増加され得る。図４は、粒子をある搬送流体から別の搬送流体に移動させることができる装置４００の一例を示す概略図である。装置４００は、流体を合流させるための単一のミクロ流体流路４０５に結合された２つの入口ミクロ流体流路（４０４、４０６）を含む。合流流路４０５は次に、２つの異なる流れ領域（第２のミクロ流体流路４０８および第１のミクロ流体流路４１０）を含む粒子移動エリアに結合される。第２のミクロ流体流路４０８は、島構造４１２のアレイによって第１のミクロ流体流路４１０から分離され、各島４１２は、隣接する島４１２から、流体移動用の隙間４１４によって分離される。加えて、第２のミクロ流体流路４０８の上壁４１６は、下流流体方向に沿って第２および第１のミクロ流体流路間の流体抵抗を減少させるために、島４１２からある角度遠ざかって傾斜している。
【００７１】
装置４００の動作中、粒子４０２を含む第１の流体（「流体１」）が第１の入口流路４０４に導入され、粒子がない第２の流体（「流体２」）が第２の入口流路４０６に導入される。流体が、低いレイノルズ数（ひいては層流）に対応する流量で導入されると仮定すると、合流領域４０５での２つの異なる流体間の混合はほとんどない。すなわち、２つの流体は本質的に、互いに隣り合う層として流れ続ける。合流した流体が主として第１の流路４１０に流れ込むように、合流領域４０５内の流体経路は、第１のミクロ流体流路４１０の流体経路と整列される。２つの流体が第１のミクロ流体流路４１０に入ると、第１の流体内の粒子４０２は、流れの方向を横切り、粒子４０２を第１のミクロ流体流路内に保つ、島構造４１２からの慣性揚力を経験する。
【００７２】
同時に、（流路壁４１６の傾斜に起因する）第２のミクロ流体流路４０８の幅の増加は、島４１２間の各隙間で第１の流体の一部が第２の流路４０８へ抽出されるように、流路間の開口４１４における流体抵抗を減少させる。第１の流体は第２の流体より上の層として流れるため、第１の流路４１０から第２の流路４０８へ抽出されるのは、主として第１の流体である。島４１２を通り過ぎて十分な距離伝搬した後で、第１の流体のほとんどは第２の流路４０８へ抽出され、一方、粒子４０２と第２の流体のほとんどとは第１の流路４１０に残る。したがって、図４に示すミクロ流体装置構成は、粒子をある流体から第２の異なる流体に移送するために有用である。いくつかの実現化例では、伝搬距離は、第２の流体も第２のミクロ流体流路４０８へ抽出されるように十分長い。その場合、第１のミクロ流体流路４１０における粒子４０２の濃度は増加され得る。図４に示す実現化例は２つの入口流路を含むが、追加の入口流路が、粒子濃度を変更するために使用されるミクロ流体流路に結合されてもよい。
【００７３】
図１〜４に示すミクロ流体装置は、ミクロ流体流路壁からの、および島構造の定期的なアレイからの慣性揚力を使用して、流体流線を越える粒子移動を実現する。粒子を流体流線を越えて移動させるために、慣性揚力以外の手法が使用されてもよい。たとえば、粒子を流体流線を越えて移動させるために、島構造との衝突、高いディーン流れおよび／または高いストークス流れに起因して生じる内部反発力、たとえば慣性集束を使用することができる。それに代えて、またはそれに加えて、粒子を流体流線を越えて移動させるために、磁力、音響力、重力／遠心力、および／または電気力などの外力を使用してもよい。
【００７４】
加えて、異なる流れ領域を分離する剛性島構造の形状は、図１〜４に示す形状に限定されない。たとえば、剛性島構造は、上面および底面が合同多角形である、またはあり得る、柱、直方体、または他の多面体に似た形状を有していてもよい。高流量などといったある状況では、（図１〜４の島構造の形状などの）流線形でテーパが付いた端を有する島を使用することが有利である。なぜなら、テーパは、予測不能で望ましくないやり方で流れを乱す流れ再循環（渦）の形成を最小限にするのに役立つためである。剛性島構造についての他の形状も可能である。剛性島構造の長軸は、流体の平均流れ方向、粒子の平均流れ方向、または粒子濃度を変更するための領域の長軸に対して、ある角度で配向されてもよい。流路セグメントの形状は、図１〜４に示す略矩形形状に限定されない。流路セグメントは、曲線、または幅の実質的変化を含んでいてもよい。断面では、図１〜４に示す流路は、正方形、矩形、台形、または円形であってもよい。流路断面についての他の形状も可能である。流路深さは粒子濃度を変更するための領域にわたって均一であってもよく、もしくは、流路深さは横方向にまたは長手方向に変動してもよい。加えて、図１〜４はミクロ流体流路を略直線の経路として示すが、流路は他の異なる配置で構成されてもよい。たとえば、いくつかの実現化例では、ミクロ流体流路は、螺旋構成を有するように形成されてもよい。たとえば、第１のミクロ流体流路および第２のミクロ流体流路は螺旋構成で配置されてもよく、第１および第２のミクロ流体流路は依然として、島構造のアレイによって分離されるものの、流路を通る流体流の長手方向は、略螺旋状の経路をたどるであろう。
【００７５】
いくつかの実現化例では、ミクロ流体装置は、島構造の第１のアレイにおける開口を流体とともに誤って通った粒子が最終的にろ過された流体とともに集められることを防止するために、冗長性を取り入れるように設計可能である。たとえば、場合によっては、装置は、粒子が島アレイにおける開口を通ることを実質的に防止するために反発力を与えるように設計された、並列で動作する２つ以上の「閉じ込め流路」、すなわち、図１の流路１０８などの２つ以上の流路を含むように設計されてもよい。粒子は各追加流路に関連付けられた反発力を克服する必要があるため、より多くの閉じ込め流路が追加されるにつれて、粒子が島間の開口を通る流体を逃れる確率は減少する。
【００７６】
いくつかの実現化例では、ここに説明される装置は、たとえばあるサイズの粒子の部分母集団をろ過するためのフィルタを含む、流体および／または粒子を操作するための他のミクロ流体モジュールとともに使用されてもよい。加えて、ここに説明される装置は、ミクロ流体システム内で直列および／または並列で使用されてもよい。
【００７７】
慣性集束および流体移動を使用した粒子濃度の変更／流体体積の減少
ミクロ流体サンプル内の粒子の濃度を変更することは、粒子を流体流線を越えて方向付けるために流体移動と慣性揚力および／または衝突力との組合せに依拠する手法に限定されない。慣性集束または粘弾性集束といった他の内力も、流体移動と組合せて使用されてもよい。
【００７８】
慣性集束については、固有の利点は、流体力が、低いレイノルズ数の動作ではなく、より速い速度の流れに依存し、このためより高いスループットをもたらすということであり、それは、他の場合ではミクロ流体装置の一般的な限界である。
【００７９】
慣性集束は、ミクロ流体流路内における粒子の、たとえば共通の流線に沿った精密な横方向位置付けを可能にするために、慣性力を使用する。慣性集束は、ミクロ流体流路を通る流体の層流が、流体内に懸濁された粒子の、ランダムに分布した状態からの連続的で正確な自己順序付けをもたらし得る、という概念に基づく。一般に、慣性集束システムにおける粒子の分類、順序付け、および集束は、とりわけ、ミクロ流体流路の形状寸法、流路の流体力学的断面サイズに対する粒子サイズの比、および流体流の速度に依存する。さまざまな流路形状寸法は、所望の粒子間間隔を達成し、それによりそれらの粒子の順序付けおよび集束を維持するために、集束されるべき粒子の予め定められた粒子対体積比を必要としてもよい。
【００８０】
一般に、慣性集束のみの場合、所定粒子サイズおよび流路形状寸法についての最大の粒子対体積比は、以下の式を用いて求めることができる：
【００８１】
【数１】
0006757723.tif 000002
【００８２】
式中、Ｎは流路における集束位置の数、ａは集束された粒子の平均直径、ｈはミクロ流体流路高さ、ｗは流路幅である。追加の力が粒子に印加された場合、より高い比が達成され得る。
【００８３】
粒子の慣性集束を達成するために、異なるミクロ流体流路形状寸法を使用することができる。たとえば、ミクロ流体流路は、Ｓ字形、正弦波、Ｓ字曲線などの対称的に湾曲した流路であってもよい。流路は、矩形断面、楕円形断面、または円形断面などのさまざまな断面を有していてもよい。それに代えて、流路は、特定の用途に必要とされるようなさまざまな形状、断面、および構成を有する非対称的に湾曲した流路であってもよい（たとえば、流路における各カーブは異なるサイズであってもよく、または、たとえば、流路における奇数のカーブは第１のサイズおよび形状であってもよく、偶数のカーブは第２のサイズおよび形状であってもよく、または、その逆であってもよい）。たとえば、流路は一般に、波の各変曲点の後で曲率半径が変化し得る、大小の曲がり目を有する波の形状を有していてもよい。最大の粒子対体積比は、特定の形状寸法に必要とされるように調節可能である。
【００８４】
流路は、流体サンプル内の粒子を、流路内の１つ以上の平衡位置で、１つ以上の個別の流線に集束させるように構成可能である。一般に、分離、順序付け、および集束は主として、流路サイズに対する粒子サイズの比、およびシステムの流れ特性によって制御されるが、粒子密度から独立している。たとえば、分析物は、約１０００ミクロン〜約０．０１ミクロンの範囲にある流体力学的サイズを有し得る。より特定的には、分析物は、約５００ミクロン〜約０．１ミクロン、たとえば約１００ミクロン〜約１ミクロンの範囲にある流体力学的サイズを有し得る。一般に、分析物サイズは、流路形状寸法によって限定される。上述の範囲よりも大きい分析物および小さい分析物はともに、層流条件を有する慣性集束領域内に順序付けられ、集束され得る。
【００８５】
主として、せん断勾配を下って壁へと方向付けられる、せん断勾配に誘発される慣性（無限の放物線流における揚力）と、壁から粒子を押しのける、壁に誘発される慣性とに起因する慣性揚力の存在から、せん断流における粒子の横方向マイグレーションが生じる。流体中に懸濁された粒子は、システムの流体動的パラメータに合わせて独立してスケール変更する抗力および揚力を受ける。閉鎖流路システムにおける粒子の流れを説明するために、落ち着いた流路流を示す流路レイノルズ数（Ｒｃ）と、粒子およびそれが並進している流路の双方を示すパラメータを含む粒子レイノルズ数（Ｒｐ）という、２つの無次元レイノルズ数を定義することができる：
【００８６】
【数２】
0006757723.tif 000003
【００８７】
および
【００８８】
【数３】
0006757723.tif 000004
【００８９】
双方の無次元群は、最大流路速度Ｕｍ，流体の運動粘度、ならびに、ν＝μ／ρ（μおよびρはそれぞれ、流体の動粘度および密度である）、ならびに、２ｗｈ／（ｗ＋ｈ）（ｗおよびｈはそれぞれ、矩形または正方形の断面を有する流路についての、流路の幅および高さである）として定義された水力直径Ｄｈに依存する。粒子レイノルズ数は、粒子直径ａに対する追加の依存性を有する。平均流路速度に基づくレイノルズ数の定義は、Ｒｅ＝２／３ＲｃによってＲｃに関係付けられ得る。粒子レイノルズ数Ｒｐがほぼ１である場合、慣性揚力は粒子挙動を支配する。典型的には、ミクロスケール流路における粒子流は、Ｒｐ＜＜１の粘性相互作用によって支配される。これらのシステムでは、粒子は、粒子表面に対する流体の粘性抵抗のために、局所的な流体速度まで加速される。中立的に浮遊する粒子の希釈懸濁液は、流線を越えてマイグレーションするよう観察されず、同じ分布が流路の入口で、流路の長さに沿って、および流路の出口で見られることをもたらす。Ｒｐが増加すると、流線を越えるマイグレーションがマクロスケールシステムで起こる。矩形または正方形の流路内での血液サンプルからの細胞の束の局所化を可能にするＲｐの一例は約２．９であるが、これは、約０．０２〜２．９またはそれ以上の範囲であってもよい。ここでも、粒子の慣性集束を達成するために、異なるミクロ流体流路形状寸法を使用することができ、それらの流路形状寸法に好適な対応するレイノルズ数をもたらす。慣性集束の例およびさらなる説明は、たとえば米国特許第８，１８６，９１３号に見出すことができ、それはその全体がここに引用により援用される。
【００９０】
一般に、慣性集束は、粒子を１つ以上の平衡位置に集束させ、次に、粒子の異なる集束ストリームを別々の出力に流すために使用され、当該出力で粒子は次に集められる。しかしながら、集束ストリームからの流体の除去の反復を追加することにより、慣性集束が流体内の粒子濃度を実質的に増加させる（および／または流体サンプル中の粒子の濃度を減少させる）能力は、非常に向上され得る。特に、この手法は、１）壁に近い領域の速い枯渇、および２）減少したせん断勾配揚力によって運ばれる、粒子のそれらの平衡位置へのマイグレーションという、流体体積の実質的で急速な減少を可能にする２つの異なる挙動に依拠する。
【００９１】
図５は、ミクロ流体装置の粒子移動エリア５００の一例の上面図を示す概略図であり、粒子移動エリア５００は、粒子が豊富な流体サンプルからの体積減少を向上させるために、繰り返される流体抽出と組合された慣性集束に依拠する。流体サンプルは、ここに開示される他の実施形態に関して説明されたものと同様の態様で、たとえばポンプを使用して粒子移動エリア５００に提供されてもよい。粒子移動エリア５００は、細長い第１の流体流領域５０８から細長い第２の流体流領域５０６を分離する島構造５０４のアレイを含む。第１の流体流領域５０８は「集束流路」とも呼ばれてもよく、第２の流体流領域５０６は「無粒子流路」と呼ばれてもよい。この例では、粒子を含む流体サンプルが流れ領域５０８に導入され、一方、領域５０８で伝搬する流体と同じまたは異なる流体であり得る無粒子流体サンプルが流れ領域５０６に導入される。
【００９２】
各島５０４は、アレイにおける隣接する島５０４から、流体が第２および第１の流れ領域間を横断することを可能にする、対応する隙間５１０によって分離される。図１〜４に示す装置とは対照的に、第１の流れ領域５０８は、（図５のｙ方向に沿った）流路幅が長手方向に沿って（図５のｚ方向に沿って）交互に狭くなり広くなる、波状の流路壁５１２（たとえば、形状がほぼ正弦波状）を有する。加えて、各島構造５０４は、流路壁５１２における山および谷の部分の湾曲に従う、湾曲した輪郭を有する。すなわち、各島の側と、第２の流路の対向する側とは、実質的に整合する輪郭を有する。この例では、これは、流れ領域５０８が、粒子搬送流体サンプルが伝搬する波状の長手方向経路を有することにつながる。
【００９３】
より特定的には、流れ領域５０８を通る第１の曲がり目は狭く、壁５１２および島５０４の整合する輪郭は小さい曲率半径を有し、一方、流れ領域５０８を通る隣接する第２の曲がり目はより広く、壁５１２および島の整合する輪郭はより大きい曲率半径を有する。比較的小さい曲率半径の後に比較的より大きい曲率半径が続くこのパターンは、流れ領域５０８の長さにわたって繰り返される。このため、ミクロ流体流路は、壁５１２から遠いところより、壁５１２のより近くでより速い流体速度を生み出すために、非対称的に湾曲している。粒子搬送流体の流量に依存して、第１の流れ領域５０８の流体経路の湾曲は、第１の流れ領域５０８内の１つ以上の流体流線に沿って粒子５０２を集束させ、保持する慣性力を生成してもよい。
【００９４】
加えて、流体の一部が低抵抗経路をたどり、第２の流れ領域５０６に移動する／流れ込む傾向があるように、島５０４間の隙間５１０近くの流体抵抗は減少する。この流体流は、流体とともに進む粒子５０２を隙間５１０の方向に引っ張る傾向もある。しかしながら、ある実現化例では、この領域の波状の流体経路によって生成された慣性力は、粒子５０２が第１の流れ領域５０８を通って進む流体の一部において懸濁され続けるように、粒子５０２を流体流線を越えて、および隙間５１０から遠ざかるように移動させるのに十分大きい。第２の流体流領域５０６は、その領域における流体抵抗が流路長にわたって減少するように、次第に増加する幅を有するように構成可能である。その結果、流路に沿ってさらに下流で、より大量の無粒子流体が第２の流体流領域に移動し、第１の流体流領域５０８における粒子濃度の増加につながるであろう。
【００９５】
図６Ａは、慣性集束を繰り返される流体抽出と組合せるミクロ流体装置６００内で、流体流線がどのように挙動するかを示す概略図である。図６Ａに示す装置の構造は装置５００と同様であり、希釈濃度の粒子（たとえば細胞）を含む流体懸濁液が導入される入力領域６０１を含む。粒子の希釈サンプルが装置に入ると、ミクロ流体流路が第１の狭い首領域６０３に向かって集中する際に、流体サンプルは加速される。流体サンプルが首領域６０３を通過後、細胞がディーン流れによって壁から遠ざかった結果、無粒子層（図６で「無細胞層」と表示）６０５が生じる。この無粒子層６０５の一部は次に、第１の島構造６１２で第２の流体流領域６０６に向かって進み／吸い上げられ、一方、粒子は第１の流体流領域６０８に残る。第２の流体流領域６０６に進む流体サンプルの量は、第１の流体流領域６０８の水力抵抗に対する開口および第２の流体流領域６０６の水力抵抗に依存する。粒子豊富流体を加速して無粒子層を作成し、無粒子層を第２の流体流領域６０６に通すプロセスは、さらなる処理または装置からの除去のために別々の流れが得られ得る装置の端まで、各島６１２で複数回繰り返される。たとえば、装置６００は、並列に配置された集束ユニットおよび吸い上げユニットの繰り返しアレイ（すなわち「集束−吸い上げユニットペア」）を有するとして理解されてもよい。単一の集束ユニット６０７および単一の吸い上げユニット６０９に対応する領域の一例を図６Ａに示す。集束ユニット６０７は、ミクロ流体流路の壁が慣性集束を誘発するために比較的きつい湾曲を有する、島構造６１２に隣接するエリアを含む。吸い上げユニット６０９は、比較的よりゆるい湾曲を有し、流体が進むためのより広い経路を提供し、より低い水力抵抗をもたらす、同じ島構造に隣接するものの集束ユニット６０７のエリアとは反対側のエリアを含む。図６に示す例では、（流体流を横切る方向に沿って定められるような）各吸い上げユニット６０９の幅は、流体流の方向に沿って増加し、より低い流体抵抗、ひいては、第１の流体流領域６０８から通る流体の量の増加につながる。
【００９６】
図６Ｂは、図６Ａに示す装置６００の異なる断面についてのシミュレートされた流体流のプロットを含む。図６Ｂにおけるプロットは、無細胞層の形成を引き起こすディーン流れベクトルおよび速度プロファイルを表す。これらのプロットからわかるように、流体が第２の流体流領域６０６に入ると、流体サンプルの全体的流速、ひいては慣性力は、ミクロ流体流路の長さに沿って減少する。言い換えれば、所与のレベルの体積減少を達成するには、流速は、使用されるユニットの数から独立して、一定の程度まで減少されなければならない。
【００９７】
慣性集束を繰り返される流体抽出と組合せる装置にとって重要な設計考慮事項は、各吸い上げユニットで吸い上げられる流体の割合である。理想的には、各吸い上げユニットで除去される無粒子流体の量がより多いほど、粒子豊富流体における所望の粒子濃度をより迅速に得ることができるであろう。しかしながら、吸い上げられる流体の割合がより高いほど、慣性力がより大きい吸い上げ流体分画から細胞を移動させない場合に粒子が吸い上げ流体とともに搬送されるリスクがより大きくなる、ということも事実である。
【００９８】
図７は、図６Ｂに示す装置構造に基づく計算の結果を表すプロットである。計算は、吸い上げ−集束ユニットペアの数と、装置の島構造間の各開口で無粒子層に入る流体の割合との関数として、無細胞流分画を求めるために行なわれた。「無細胞流分画」とは、吸い上げられた全流体の分画を指す。たとえば、吸い上げ割合が１０％である場合、１ユニットの後で、無細胞流分画は１０％である。それ以外の９０％は集束ユニットに残る。次に、第２のユニット除去で、残りの９０％のうちの１０％が除去される（すなわち全流体の９％）。このため、２ユニットの後で、無細胞流分画は１９％である。これが続く。このプロットは２つの水平破線も含み、上の線は、粒子豊富流体の流体体積における５０倍の減少係数を表わし、下の破線は、粒子豊富流体の流体体積における１０倍の減少係数を表わす。図７の４つの異なるカーブは、４つの異なる割合での吸い上げを表わし、プロットにおいて、最小吸い上げ割合は一番下のカーブに対応し、最高吸い上げ割合は一番上のカーブに対応する。図７に示すように、より高い吸い上げ割合（すなわち、各吸い上げユニットで吸い上げられた流体の割合）は、１０倍および５０倍の破線の交点で見られる同等の体積減少係数に達するために必要とされるユニットの総数を減少させる。
【００９９】
慣性集束と吸い上げとを組合せるミクロ流体装置は、図５に示す構成に限定されない。たとえば、いくつかの実現化例では、組合された慣性集束および吸い上げ装置は、装置が中央流路で慣性集束を誘発するように構築されるであろうという点を除き、図２に示す装置と同様の第２の流体流流路、第１の（中央）流体流流路、および第３の流体流流路を含む構成を有していてもよい。たとえば、中央流路は、（流体流の方向を横切って定められるような）流路幅が交互に狭くなり広くなる波状の経路／形状を有するように構成されてもよい。これは、島構造の第１および第２のアレイの各々を、きつい湾曲の領域とゆるい湾曲の領域とが交互する整合する輪郭を有するように構築することによって達成されてもよい。図２の例でのように、流体は、島構造間の開口／隙間で第２および第３の流路に入る。それに代えて、いくつかの実現化例では、装置は、第２および第３の流体流流路で慣性集束を誘発するように構築され得る。たとえば、第２および第３の流体流流路の各々は、それらの幅が交互に狭くなり広くなる波状の経路／形状を有するように構成されてもよい。これは、第２の流路および対向する島構造のアレイの壁を、きつい湾曲の領域とゆるい湾曲の領域とが交互する整合する輪郭を有するように構築することによって達成されてもよく、一方、第３の流路および対向する島構造のアレイの壁も、きつい湾曲の領域とゆるい湾曲の領域とが交互する整合する輪郭を有していてもよい。各アレイにおける島構造間の隙間／開口で、流体は、第２の流路から中央流路に、および第３の流路から中央流路に入ってもよい。
【０１００】
いくつかの実現化例では、組合された慣性集束および吸い上げ装置は、粒子が第１の流体から第２の流体に移送される流体交換器として装置が作用するように、図４に示す装置４００と同様に２つの流体入力を有していてもよい。すなわち、第１の流体サンプルが入力４０６を通して導入されてもよく、一方、粒子４０２を含む第２の異なる流体サンプルが入力４０４に導入されてもよい。当初、粒子４０２を含む第２の流体サンプルの一部と第１の流体サンプルとは、並んで流路４１０を通って伝搬する。第１の流路４１０および島構造４１２の壁は、第１の流路４１０が、流路の幅が交互に狭くなり広くなる波状の経路／形状（図５に示す構成と同様）を有するように構成されてもよい。波状の流路４１０は、流路４１０における第１の流体サンプル内の流線に沿った粒子の集束をもたらす。同時に、粒子４０２がない第２の流体サンプルの一部が、島４１２間の隙間４１４で、流路４１０から第２の流路４０８へ抽出される。第２の流体サンプルの抽出の繰り返しの後で、粒子４０２は最終的に流路４１０内の第１の流体サンプルに完全に移送され、第２の流体サンプルには粒子がない。
【０１０１】
いくつかの実現化例では、ミクロ流体装置は、繰り返される流体抽出と組合された慣性抽出に依存する流路を複数有する粒子移動エリアを含む。複数の流路を使用することは、いくつかの実現化例では、ミクロ流体装置のスループットの実質的増加を可能にする。たとえば、図５に示す粒子移動エリア５００の複数の複製が、並列に配置されてもよい。粒子を含む各流路の出力が、共通の容器に送出されてもよい。同様に、無粒子流体を含む各流路の出力も、異なる共通の容器に送出されてもよい。
【０１０２】
従来の遠心分離とは対照的に、組合された慣性集束手法および吸い上げ手法を使用する装置の利点は、遠心分離中（たとえば数分）よりも短い期間（たとえば数分の１秒）の間、粒子が高まった力にさらされる、ということである。加えて、ミクロ流体体積減少プロセスでは、粒子の圧密は起こらない。遠心分離プロセスで起こり得る細胞圧密は、ある細胞を機械的に損傷するとともに、遺伝子発現を変更することが公知である（たとえば、ここにその全体が引用により援用される、ピーターソン（Peterson）Ｂ．Ｗ．、シャルマ（Sharma）Ｐ．Ｋ．、バン・ダー・メイ（Van Der Mei）Ｈ．Ｃ．、およびブッシャー（Busscher）Ｈ．Ｊ．「遠心圧密による細菌細胞表面損傷」（Bacterial Cell Surface Damage Due to Centrifugal Compaction）、Applied and Environmental Microbiology  ７８、１２０〜１２５（２０１２年）を参照）。加えて、組合された吸い上げおよび慣性集束装置において細胞が高まった力にさらされ得る短い期間は、細胞内部の再構築がほとんどまたはまったくないことをもたらす。対照的に、遠心分離手法は、細胞小器官のずれを引き起こしやすい。また、遠心分離機からサンプルを移送する場合とは異なり、組合された吸い上げおよび慣性集束装置では、ステップ間の殺菌中断の必要はない。このため、遠心分離と比較して、組合された吸い上げおよび慣性集束装置は、共通の生物医学タスクを行なうために、より効率的な閉鎖システムを提供する。
【０１０３】
粘弾性集束を使用した粒子濃度の増加／流体体積の減少
上述のように、流体サンプル内の粒子の濃度を変更するために、粘弾性集束も、流体移動と組合されて使用されてもよい。いくつかの実現化例では、粘弾性集束は、異なるレイノルズ数（Ｒｅ）の動く流体内の粒子の集束位置を制御するために使用可能な流体粘弾性をもたらす、流体への所定濃度（たとえばマイクロモル濃度、または他の濃度）の１つ以上の抗力減少ポリマー（たとえばヒアルロン酸（ＨＡ））の添加を含む。
【０１０４】
粘弾性集束では、粒子搬送流体を運ぶ体積流量は、流路の中央またはその近くで、流体における局所化された流線の形成をもたらす。局所化された流線は、流体内の粒子の水力直径と実質的に等しい、またはそれよりも若干大きい幅を規定する。抗力減少ポリマーをニュートン流体（たとえば水または生理食塩水）に添加することにより、流体中の粒子は局所化された流線に集束され、流路の縁（たとえば、流路境界または壁に最も近い領域）に無粒子領域を作り出す。
【０１０５】
このため、慣性集束と同様に、粘弾性集束は、流体内の粒子の、共通の流線に沿った精密な位置付けを可能にする。慣性集束とは対照的に、粘弾性集束は、流路断面の中央に、すなわち、流体流の方向に延在し、かつ流路の壁間の中央にある長手方向の経路に沿って、平衡位置を有する。粘弾性集束はまた、大きい範囲の流量およびレイノルズ数にわたって機能する。粘弾性集束の手法はこのため、流体内の粒子濃度を実質的に変更するために、ここに説明されるような流体抽出（たとえば、集束ストリームからの流体の除去／吸い上げの繰り返し）と結合され得る。
【０１０６】
粒子を流体内の流線に集束させ、流体内の粒子の濃度を変更するために、ここに説明される装置のいずれも、粘弾性集束とともに使用されてもよい。たとえば、粘弾性集束は、図２に示す装置２００とともに使用されてもよい。懸濁された粒子２０２を搬送する流体を運ぶために、流路２０６および２１０の入口に接続されたポンプ（図示せず）を動作させてもよい。いくつかの実現化例では、ポンプは、たとえば軸２２０によって定義される中央流路２０８の中央またはその近くで、流体における局所化された流線の形成をもたらす体積流量で、流体を流路を通して運ぶために動作される。局所化された流線２２０は、粒子２０２の水力直径と実質的に等しい、またはそれよりも若干大きい幅を規定する。流体中の粒子は、局所化された流線２２０に集束される。局所化された流線２２０は、懸濁された粒子２０２が集束される流体の一部を表わす。すなわち、懸濁された粒子は、流体流によって流路２０８の中央またはその近くに形成された流線に集束される。同時に、流体は、中央流路２０８から第２の流路２０６および第３の流路２１０を分離する島２１２、２１４間の隙間／開口で抽出されてもよい。粒子は中央流線に集束されるため、粒子２０２は島間の隙間からさらに遠ざかって位置し、第２の流路２０６および第３の流路２１０へ抽出される流体サンプルの一部とともに中央流路２０８から運ばれにくくなる。すなわち、各隙間で、無粒子流体の一部が中央流路２０８から流路２０６または流路２１０のいずれかへ抽出され、中央流路２０８内の粒子の濃度の増加をもたらす。隙間での流体の吸い上げの繰り返しの後で、粒子の濃度は、たとえば１０〜１００倍以上増加され得る。
【０１０７】
粒子２０２が懸濁され、流路２０６、２０８、２１０を通って流される流体は、ニュートン流体、たとえば水または他のニュートン流体、もしくは、ニュートン流体と混合された抗力減少ポリマーを含み得る。一般に、たとえば、ここに説明される体積流量で粒子に粘弾性垂直応力をかけることによって、粒子に対する抗力を減少させることができる任意のポリマー（または材料）が、ＨＡの代わりに、またはＨＡに加えて実現され得る。言い換えれば、ニュートン流体と混合された場合に、材料がないニュートン流体で懸濁された粒子に対する抗力に対して、流体と材料との混合物で懸濁された粒子に対する抗力を変更する任意の材料（たとえばポリマー、または他の材料）が、ＨＡの代わりに、またはＨＡに加えて実現され得る。そのような材料は、いくつか挙げると、たとえばポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリルアミド、ゼラチンを含み得る。粒子は、剛性粒子、たとえばビーズ、または変形可能な粒子を含み得る。いくつかの実現化例では、粒子は、生物学的粒子、たとえば細胞を含み得る。抗力減少ポリマーは、ヒアルロン酸（ＨＡ）を含み得る。ＨＡの分子量は、３５０ｋＤａ〜１６５０ｋＤａであってもよい。流体流のレイノルズ数は、０．００１〜４５００、たとえば０．０１〜２０、０．０１〜１５、０．０１〜１０、０．０１〜１、０．１〜１０００、０．１〜１００、０．１〜２０、０．１〜１０、０．１〜１、１〜１０００、１〜１００、または１〜２０であってもよい。抗力減少ポリマーの濃度は、約０．００１〜１％ｇ／ｍＬ（０．００００１〜０．０１ｇ／ｍＬ）、たとえば約０．０１〜０．１％ｇ／ｍＬ（０．０００１〜０．００１ｇ／ｍＬ）であってもよい。粘弾性集束のさらなる説明は、たとえばＷＯ２０１５／１１６９９０に見出すことができ、それはその全体がここに引用により援用される。
【０１０８】
ミクロ流体装置設計パラメータ
ミクロ流体装置の動作に対するさまざまな設計パラメータの効果をここで説明する。参考のために、図１６は、島構造１６１０の行を含む例示的な粒子および流体移動領域１６００の上面図を示す概略図である。島構造１６１０の行は、「抽出」ミクロ流体流路１６０５を、「粒子」ミクロ流体流路１６０７から分離する。流体流の主方向は、矢印１６０１によって示される。（ｙ方向に沿って規定される）抽出流路１６０５の幅は流路の長さに沿って拡大し、一方、（ｙ方向に沿って規定される）粒子流路１６０７の幅は流路の長さに沿って本質的に一定のままである。装置の動作中、流体は、島１６１０間の開口を通って抽出流路１６０５へ抽出され、一方、粒子流路１６０７内を進む粒子は、反発力、たとえば慣性揚力によって粒子流路１６０７に保持される。以下の説明のために、流路および島は、別々の「ユニット」（図１６のユニット１、ユニット２、およびユニット３を参照）へと配置されるとして理解されてもよい。具体的には、図１６は、各ユニットが、外側ミクロ流体流路１６０５の一部と、島１６１０と、粒子流路１６０７の一部とを含む、アレイの３つのユニットを示す。
【０１０９】
粒子および流体移動領域１６００についての関連する設計パラメータは、各ユニットの長さ、各流路の幅、および各ユニットについての流体移動である。流体移動ｆｓは、各ユニットで（すなわち島構造間の開口で）流路間を移動する流体流の分画ｑである。これらのパラメータはともに、装置の各ユニットにおける流路の流体コンダクタンスを定める。このため、各ユニットは、長さｌｉ、粒子流路幅ｗｐ，ｉ、および粒子流路流体コンダクタンスｇｐ，ｉを有する粒子流路を有し、ここでｉはユニット番号を指す。各ユニットはまた、長さｌｉ、抽出流路幅ｗｅ，ｉ、および抽出流路流体コンダクタンスｇｅ，ｉを有する抽出流体流路を有し、ここでｉはユニット番号を指す。ここに説明される例では、流路はすべて、形状が矩形であり、流体移動は各ユニットについて同じである。ここに提示される基本的方法は、矩形でない（たとえば湾曲する）流路および変動する移動のために容易に修正可能である。
【０１１０】
各ユニットで、総流が、粒子および抽出流体流路間で、それらの相対流体コンダクタンスに比例して分かれる。このため、ｉ番目のユニットで粒子流路１６０７を通って流れる総流の分画は、以下のとおりである：
【０１１１】
【数４】
0006757723.tif 000005
【０１１２】
式中、ｑｐ，ｉおよびｑｅ，ｉはそれぞれ、粒子および抽出流体流路の流量である。同様に、ｉ番目のユニットで抽出流体流路１６０５を通って流れる総流の分画は、以下のとおりである：
【０１１３】
【数５】
0006757723.tif 000006
【０１１４】
粒子流路１６０７の寸法は、粒子を流線を越えて（たとえば、抽出流体流路１６０５から遠ざかるように）最良に移動させるように選択される。流量ｑｐ，ｉは装置の長さに沿って変化するため、粒子流路寸法は、最適な粒子移動を維持するために変更されてもよい。たとえば、ｑｐ，ｉが減少するにつれて、粒子に作用する慣性揚力が弱くなるのを補償するために、ユニット長ｌｉが増加されてもよい。
【０１１５】
各ユニットで粒子流路１６０７における流体の精密な分画が抽出流体流路に移動するように、抽出流体流路１６０５の寸法はコンダクタンスｇｅ，ｉを提供するように選択される。この分画量が、流体移動ｆｓと呼ばれる。この移動の結果は、各ユニットで粒子流路における流れの分画が一定の係数だけ減少することである：
【０１１６】
【数６】
0006757723.tif 000007
【０１１７】
たとえば、ｆｓ＝０．１の場合、粒子流路における流れの分画は、前のユニットの粒子流路における流れの分画の９０％になるであろう。より一般的には、ｆｐ，０＝１であるため、以下のようになる：
【０１１８】
【数７】
0006757723.tif 000008
【０１１９】
このため、粒子および流体移動領域が３つのユニットに分割される、図１６に示す例示的な場合については、ｆｓ＝０．１、ｆｐ，１＝０．９、ｆｐ，２＝０．８１、およびｆｐ，３＝０．７２９である。
【０１２０】
粒子流路における流れの分画はまた、以下の式によって説明されることを思い出されたい：
【０１２１】
【数８】
0006757723.tif 000009
【０１２２】
ｆｐ，ｉについて代入し、ｇｅ，ｉについて解くと、以下のようになる：
【０１２３】
【数９】
0006757723.tif 000010
【０１２４】
このため、各ユニットについて、抽出流体流路のコンダクタンスは、粒子流路および流体移動のコンダクタンスに換算して書くことができる。各流路の流体コンダクタンスｇは、その寸法および流体粘度の関数である。ここに説明される装置では、各流路は矩形であり、したがって、以下のように表わされ得るコンダクタンスを有する：
【０１２５】
【数１０】
0006757723.tif 000011
【０１２６】
ここで、ηは流体粘度、ｌは流路長、ｗは流路幅、ｈは流路高さ、およびα＝ｈ／ｗである。より正確な無限級数ベースの式も利用可能である（タンエリ（Tanyeri）ら、「ミクロ流体ベースの流体力学的トラップ：設計および実現（副教材）」（A microfluidic-based hydrodynamic trap: Design and implementation (Supplementary Material)）、Lab on a Chip（２０１１））。より複雑な流路形状寸法のコンダクタンスを求めるために、計算機モデル化または実験的方法を使用することができる。（なお、この説明では、流体抵抗Ｒではなく、流体コンダクタンスｇに注目するほうがより簡単である。これら２つの量は、ｇ＝ｌ／Ｒによって簡単に関係付けられる）。
【０１２７】
上述の式を使用して、流体サンプル内の粒子の濃度を増加させるためのミクロ流体装置は、以下のように実現されてもよい：
１．装置における各ユニットについて、粒子流路の寸法を選択する。上述のように、寸法は、粒子を抽出流体流路から遠ざかるように最良に移動させるように選択される；
２．これらの寸法および流体粘度を使用して、各ユニットについて、矩形流路コンダクタンスの式（または同等の方法）を使用して、粒子流路コンダクタンスｇｐ，ｉを求める；
３．次に、各ユニットについて、前に求めたｇｐ，ｉおよびｆｓを使用して、抽出流体流路コンダクタンスｇｅ，ｉを評価する。次に、各ユニットについて所望のｇｅ，ｉを与えるように、抽出流体流路の幅ｗｅ，ｉを選択する。実際には、この幅は、広範囲の流路幅にわたって（上述の式を使用して）流体コンダクタンスを評価し、次に、所望の流路コンダクタンスを与える流路幅を見つけるために補間することによって、求められてもよい。
【０１２８】
粒子を流線を越えて移動させるために慣性揚力に依拠するまっすぐな流路を有する濃縮器について、以下は、装置設計および動作ガイドラインを提供する。
【０１２９】
第１に、「慣性ミクロ流体工学」（Inertial microfluidics）、ジ  カーロ（Di Carlo）、Lab Chip（９）、３０３８〜３０４６、２００９年（ここにその全体が引用により援用される）に記載されているように、長手方向（流体流の方向）速度Ｕｚに対する（流路を横切る）横方向粒子速度Ｕｙの比は、粒子レイノルズ数Ｒｐに比例している：
【０１３０】
【数１１】
0006757723.tif 000012
【０１３１】
ここで、Ｕｍは最大流路速度、ａは粒子直径、νは流体の運動粘度、Ｄｈは流路の水力直径である（幅ｗおよび高さｈを有する矩形断面の流路については、Ｄｈ＝（２ｗｈ）／（ｗ＋ｈ）である。）。ここに説明される粒子濃縮器装置の目標は、流線を越えて効率的に粒子を動かす（たとえば、Ｕｙ／Ｕｚを最大化する）ために慣性揚力を使用することであるため、動作圧力といった他の実用的制約によって許可される程度まで粒子流路における粒子レイノルズ数Ｒｐを最大化するように、流路寸法および流れ条件が選択されることが推奨される。装置全体にわたって、粒子流路における粒子レイノルズ数Ｒｐは理想的には、約０．０１よりも大きくあるべきであるが、それはこれよりもはるかに大きくてもよく、おそらくは１００よりも大きくてもよい。
【０１３２】
所与の粒子直径ａおよび運動粘度νのために、目標粒子レイノルズ数Ｒｐは、流路寸法および流路速度の多くの異なる組合せを通して達成され得る。Ｒｐを増加させるための１つの戦略は、（ａに対して）非常に小さい水力直径Ｄｈを選択することであろう。しかしながら、流路抵抗はＤｈへの４次依存性を有しており、不必要に小さいＤｈを選択することは、非常に増加した動作圧力という代償を伴う。これに反して、動作圧力は流路速度Ｕｍとともに線形にスケール変更し、そのため、良好な代替戦略は、控えめな水力直径Ｄｈを有する装置を設計し、次に、動作時に高収量の粒子を達成するために必要に応じて流路速度Ｕｍ（ひいてはＲｐ）を増加させることである。Ｄｈ＝ｗ＝ｈとなるような正方形断面を有する流路については、粒子直径ａのおよそ５倍のＤｈの値が妥当な選択であり、Ｄｈ＝５ａである。
【０１３３】
第２に、島間の（長手方向における）開口の長さは、ほぼａよりも大きく、ほぼｗ以下であるべきである。開口の長さがａよりも小さい場合、開口は粒子で詰まるかもしれず、それにより、開口を通る流れを乱す。ｗとほぼ等しい長さの開口は粒子で詰まりにくく、流体が島間を通って隣接流路まで横断するための適切な余地を提供する。ｗよりも大きい長さの開口は機能するであろうが、特に利益を提供せず、無駄な空間という代償を伴う。
【０１３４】
第３に、島の長さｌは好ましくは、島間の開口の長さ以上であるべきである。前述のように、粒子を流線を越えて効率的に動かすために慣性揚力を使用することは、粒子濃縮器装置の目標である。粒子だけが、島に沿って進む際に慣性揚力を経験するため、粒子は、それらの長手方向距離のほとんどを、島間の開口を越えて進むのではなく、島にそって進むべきである。言い換えれば、島の長さと島間の開口の長さとが等しい場合、粒子は、それらが進む距離のたった５０％に沿って慣性揚力を経験する。一方、島の長さが開口の長さの４倍である場合、粒子は、それらが進む距離の８０％に沿って慣性揚力を経験する。
【０１３５】
島の長さｌに対する緩やかな上限は、粒子が平衡集束位置にマイグレーションするために必要な長さである。粒子が平衡に達するために必要な分を超えるいかなる追加の流路長さも、粒子を流線を越えて移動させることに寄与しない。粒子が平衡に達するために必要な流路長Ｌｆについての式は、「慣性ミクロ流体工学」、ジ  カーロ、Lab Chip（９）、３０３８〜３０４６、２００９年に、以下のように与えられている：
【０１３６】
【数１２】
0006757723.tif 000013
【０１３７】
ここで、μは動粘度、ｗは流路幅、ρは流体密度、Ｕｍは最大流路速度、ａは粒子直径、ｆＬは無次元常数であり、ｆＬは、約２〜０．５の範囲のアスペクト比（ｈ／ｗ）を有する流路については約０．０２〜０．０５の範囲である。Ｌｆは上限を提供するものの、それは緩やかな上限であり、島の最適長さｌを上回る。これは、粒子に対する揚力が、流路壁近くで非常に強い（ａ６に比例）ものの、壁から離れるにつれて急激に低下する（流路の中央近くでａ３に比例）ためである。このため、Ｌｆよりも著しく小さい島長さｌを使用することによって粒子が流路壁近くに保たれる場合、濃縮器装置は、粒子をより効率的に流線を越えて移動させるであろう。
【０１３８】
これらの考慮事項を想定すると、島長さについての妥当な中間値は、ほぼｌ＝４ｗである。これは近似値であり、流体移動ｆｓなどの他のパラメータ用に選択された値に必然的に依存する。また、島の長さｌは装置の長さに沿って一定である必要がないということに留意することが重要である。むしろ、粒子流路における最大流路速度Ｕｍおよび粒子レイノルズ数Ｒｐが減少するにつれて、島の長さは、補償するために増加され得る。たとえば、Ｒｐの係数２の減少は、島長さｌの係数２の増加によって補償され得る。ある程度までは、１ユニット当たりの粒子の横方向偏向距離は、島長さｌにほぼ比例すると予想される。
【０１３９】
第４に、流体移動ｆｓは、０．２％よりも大きく、理想的には１．０％よりも大きくなるべきである。流体移動がたとえば０．１％のように小さい場合、たとえば１０倍といった著しい体積減少を達成するために必要な移動（ユニット）の総数は非常に大きく、したがって、装置自体が非常に長くなければならない。最大流路速度Ｕｍが、粒子レイノルズ数Ｒｐを所定の範囲に収めるのに十分速ければ、たとえば０．１％のような極めて小さい移動は必要ない。最大流路速度Ｕｍに依存して、約１％〜５％の範囲の流体移動ｆｓは、ここで概説されるように設計され動作される装置のために良好に機能するはずである。
【０１４０】
流体移動ｆｓは、島の長さｌと同様に、装置の長さに沿って一定である必要がないということに留意することが重要である。むしろ、粒子流路における最大流路速度Ｕｍおよび粒子レイノルズ数Ｒｐが減少するにつれて、流体移動ｆｓは、補償するために減少され得る。たとえば、Ｒｐの係数２の減少は、流体移動ｆｓの係数２の減少によって補償され得る。これらの補償戦略のいずれかまたは双方が、装置効率および性能を最適化させるために実現され得る。
【０１４１】
任意の所与の装置設計および粒子サイズａのために、最後のパラメータ選択は装置動作流量であり、それは、粒子流路における最大流路速度Ｕｍおよび粒子レイノルズ数Ｒｐを直接定める。概説されるように設計される装置については、良好な性能のために必要とされる最小流量があるであろう。このしきい値流量より下では、慣性揚力は、流体が抽出される（吸い上げられる）際に粒子が移動されないように粒子を島壁から十分離して移動させるには不十分であるため、粒子の低収量をもたらすであろう。ここに提供された式はしきい値流量の概算を可能にするものの、しきい値流量を定める最も正確で関連する方法は経験的である。
【０１４２】
他の設計および最適化戦略も、効果的で高性能の濃縮器装置をもたらし得る。
所与のサイズの粒子を移動させるように構成されたミクロ流体装置は、いくつかの実現化例では、異なるサイズの粒子を効果的に移動させるためにスケール変更され得る。たとえば、粒子を流体流線を越えて移動させるために慣性揚力を採用する装置については、粒子レイノルズ数Ｒｐの値が保たれる限り、粒子移動エリアの寸法を粒子サイズに合わせてスケール変更し、流れ条件を変更することができる。粒子レイノルズ数は、以下のように表わされ得る：
【０１４３】
【数１３】
0006757723.tif 000014
【０１４４】
式中、Ｕｍは最大流路速度、ａは粒子直径、νは流体の運動粘度、Ｄｈは流路の水力直径である。（幅ｗおよび高さｈを有する矩形断面の流路については、Ｄｈ＝（２ｗｈ）／（ｗ＋ｈ）である。）たとえば、サイズａの粒子を効果的に移動させる移動エリア１を考慮されたい。サイズ２ａの粒子を効果的に移動させる移動エリア２を設計する１つの方法は、移動エリア１の全寸法を係数２だけスケール変更する（すなわち、すべての形状構成の長さ、幅、および高さを２倍にする）ことである。移動エリア２において同じＲｐを維持するには、最大流路速度Ｕｍは係数２だけ減少されなければならない。
【０１４５】
粒子サイズに合わせて粒子移動エリアの寸法および流れ条件をスケール変更する他の方法も可能である。
【０１４６】
ミクロ流体装置の製造容易性は主として、装置構造のアスペクト比（高さ／幅）によって定められ、より小さいアスペクト比の装置は、低コストで、および高い製造歩留りで、より容易に製造される。アスペクト比は、２つの方法で定義可能である。最小アスペクト比は、構造高さｈ／最小構造幅ｗｍｉｎである。全体アスペクト比は、構造高さｈ／構造と同じ面積を有する円の直径Ｄである。ここで、
【０１４７】
【数１４】
0006757723.tif 000015
【０１４８】
であり、式中、Ａは構造の面積である。
一例として、実質的にまっすぐな流路を有するミクロ流体装置については、島構造は、約５０〜１０００μｍの長さ、約５０μｍの幅、および約５２μｍの高さを有していてもよい。これらの寸法では、島の最小アスペクト比は１．０４であり、全体アスペクト比は０．９２〜０．２１の範囲にある。アスペクト比は、島の幅を増加させることによってさらに減少され得る。別の例では、湾曲した流路を有するミクロ流体装置については、島構造は、約４２〜８０μｍの範囲のｗｍｉｎ、約１８，０００〜６１，０００μｍ２の範囲のＡ、および５２μｍの高さを有する不規則形状を有していてもよい。これらの寸法では、島の最小アスペクト比は１．２４〜０．６５の範囲にあり、全体アスペクト比は０．３４〜０．１９の範囲にある。
【０１４９】
どちらの場合も、構造の低アスペクト比は、成型されたＰＤＭＳおよびエポキシ装置、ならびに射出成型されたプラスチック装置の簡潔な作製を可能にする。これは、この種の装置の主な利点である。それらは、機能的な観点から極めて有用であるだけではなく、商業的観点からも本質的にスケール変更可能で経済的である。
【０１５０】
ミクロ流体装置の寸法
隣り合う島間に隙間がある島構造のアレイによって分離された少なくとも２つの流路を有するミクロ流体装置（たとえば図１参照）を通して略球形の粒子が移送されるためには、各ミクロ流体流路の（たとえば図１のｘ方向に沿って測定されるような）深さおよび（たとえば図１のｙ方向に沿って測定されるような）幅は好ましくは、単一粒子の直径の約２倍〜約５０倍の範囲にある。流体が抽出される隙間を形成する剛性構造に関しては、構造の幅は、単一のミクロ流体流路の幅の最大約１０倍であってもよく、一方、構造の長さは、流路幅の約０．２５倍〜流路幅の約５０倍までであってもよい。
【０１５１】
一例として、直径が約８ミクロンである略球形の粒子については、図１に示す構成と同様の、剛性構造のアレイによって分離された２つのミクロ流体流路を有するミクロ流体装置は、以下のパラメータを有していてもよい。各ミクロ流体流路の深さは約５２μｍであってもよく、各ミクロ流体流路の幅は約１０μｍ〜約５０００μｍの範囲であってもよく、各島構造の幅は約５０μｍであってもよく、各島構造の長さは約２００μｍであってもよい。
【０１５２】
寸法の他の例を以下に述べる。
たとえば、異なる流体流領域を含むエリアの外壁間の距離、すなわち流体流方向を横切って測定されるような距離は、約１μｍ〜約１００ｍｍ（たとえば、約１０μｍ、約５０μｍ、約１００μｍ、約５００μｍ、約１ｍｍ、約５ｍｍ、約１０ｍｍ、または約５０ｍｍ）であるように構成され得る。他のサイズも可能である。流体流方向を横切って測定される各流体流領域／流路の幅（たとえば、図１の第２のミクロ流体流路１０６および第１のミクロ流体流路１０８の幅）は、約１μｍ〜約１０ｍｍ（たとえば、約５０μｍ、約１００μｍ、約２５０μｍ、約５００μｍ、約７５０μｍ、約１ｍｍ、または約５ｍｍ）であるように構成され得る。他の距離も可能である。
【０１５３】
流体流方向に沿って（たとえば図１のｚ方向に沿って）測定されるような島構造間の隙間／開口の長さは、約５００ｎｍ〜約１０００μｍ（たとえば、約１μｍ、約２μｍ、約５μｍ、約１０μｍ、約５０μｍ、約１００μｍ、約２００μｍ、約５００μｍ、または約７５０μｍ）であるように構成され得る。いくつかの実現化例では、連続する各開口の長さは、最後の開口の長さよりも大きく、または小さい。たとえば、流体経路に沿って流体抵抗が減少するように構成された流路では、より大量の流体が開口を通って抽出されるように、連続する各開口はより大きくなってもよい。異なる流体流領域を分離する島構造は、約１０ｎｍ〜約１０μｍの最大長さと、約１０ｎｍ〜約１０μｍの最大幅とを有するように構成され得る。隙間および島構造についての他の寸法も可能である。
【０１５４】
（たとえば図１のｘ方向に沿って測定されるような）粒子移動エリア内の流体流領域および島構造の高さは、およそ１００ｎｍ〜およそ１０ｍｍの範囲内にある。たとえば、流路の高さは、約５００ｎｍ、約１μｍ、約５μｍ、約１０μｍ、約５０μｍ、約１００μｍ、約５００μｍ、約７５０μｍ、約１ｍｍ、または約５ｍｍであり得る。他の高さも可能である。ミクロ流体流領域の断面積は、たとえば約１μｍ２〜約１００ｍｍ２の範囲内に入り得る。
【０１５５】
ミクロ流体システム
いくつかの実現化例では、ここに説明されるミクロ流体装置の粒子移動エリアは、ミクロ流体流路のネットワークを有するより大きいオプションのミクロ流体システムの一部である。そのようなミクロ流体システムは、複合親試料からの液体および／または粒子の制御、操作（たとえば分離、隔離、混合、集束、濃縮）、ならびに単離を容易にするために使用可能である。単離プロセス中、ミクロ流体素子は、たとえば生体液の取扱い、またはサンプルとの粒子の再現可能な混合といった重要な機能を提供する。
【０１５６】
たとえば、ミクロ流体システムは、慣性揚力とは異なる他の手法を使用して、サイズおよび／または形状に従って粒子を分離するための追加エリアを含んでいてもよい。これらの他の手法は、たとえば決定論的横置換を含む。これらの追加エリアは、隙間を通過する流体が次の隙間へと不均一に分割される、隙間のネットワークのアレイを採用してもよい。アレイは、隙間の寸法が同一であっても隙間を通過する流体が不均一に分割されるように配置された隙間のネットワークを含む。慣性揚力と流体抽出との組合せに基づいて粒子を分離するためにここに説明された手法とは対照的に、決定論的横置換は、粒子が隙間を形成する柱と直接接触する場合に起こる衝突に依拠する。流体の流れは、アレイの見通し線に対して小さい角度（流れ角度）で整列される。臨界サイズよりも大きい流体力学的サイズを有する流体内の粒子は、アレイにおける見通し線に沿ってマイグレーションし、一方、臨界サイズよりも小さい流体力学的サイズを有する流体内の粒子は、異なる方向の流れに追従する。装置における流れは一般に、層流条件下で起こる。装置では、異なる形状の粒子は、それらが異なるサイズを有するかのように挙動する場合がある。たとえば、リンパ球は、直径が〜５μｍの球であり、赤血球は、直径が〜７μｍ、厚さが〜１．５μｍの両凹円盤である。赤血球の長軸（直径）はリンパ球よりも大きいが、短軸（厚さ）はリンパ球よりも小さい。赤血球が、流れによって柱のアレイを通って運ばれる際に、それらの長軸を流れに対して整列させる場合、それらの流体力学的サイズは事実上それらの厚さ（〜１．５μｍ）であり、それはリンパ球よりも小さい。赤血球が流体力学流によって柱のアレイを通って運ばれる場合、それは、その長軸を流れに対して整列させ、リンパ球よりも事実上「小さい」、幅が〜１．５μｍの粒子のように挙動する傾向がある。決定論的横置換のためのエリアはしたがって、細胞の体積が同じであっても、細胞をそれらの形状に従って分離する場合がある。加えて、異なる変形性を有する粒子は、それらが異なるサイズを有するかのように挙動する。たとえば、変形していない形状を有する２つの粒子は、決定論的横置換によって分離され得る。なぜなら、より大きい変形性を有する粒子は、それがアレイにおける障害物と接触して形状を変える場合に変形し得るためである。このため、装置における分離は、粒子の物理的寸法、形状、および変形性を含む、流体力学的サイズに影響を与える任意のパラメータに基づいて達成され得る。
【０１５７】
ミクロ流体流路ネットワークおよびそれらの作製についての追加情報は、たとえば、米国特許出願公開第２０１１／００９１９８７号、米国特許第８，０２１，６１４号および第８、１８６，９１３号に見出すことができ、それらの各々はその全体がここに引用により開示される。
【０１５８】
いくつかの実現化例では、ミクロ流体システムは、粒子搬送流体サンプルを粒子移動エリアに導入する前に当該流体を調製するための構成要素を含む。たとえば、図８は、粒子対流体濃度を増加させるために、および／または低粒子濃度の流体を得るために慣性集束および吸い上げ／流体抽出に依拠する、図５に示す粒子集束エリアと同様の粒子集束エリア８０１（「濃縮ユニット」と表示）を含むミクロ流体システム８００の一例を示す概略図である。システム８００は加えて、粒子移動エリア８０１から上流に、フィルタ区分８０３（「フィルタ」と表示）と、粒子集束区分８０５（「集束ユニット」と表示）とを含む。フィルタ区分８０３は、複数の異なるサイズの柱構造の配置を含む。
【０１５９】
構造の配置に基づいて、フィルタ区分８０３は、予め規定されたサイズ以下の粒子しかシステム８００の次の段階に通されないように、入来流体に含まれる粒子を粒子サイズ（たとえば平均直径）に従ってろ過するように構成される。たとえば、骨髄穿刺液などの複合基質については、フィルタ区分８０３は、下流の濃度を高める効率を向上させるために、骨片およびフィブリン塊を除去するように構成されてもよい。例示的な配置では、フィルタ区分８０３は、あるサイズを超える粒子を偏向するように設計され、それによりそれらを主懸濁液から分離する柱サイズおよびアレイオフセットを有する柱のアレイを含んでいてもよい。典型的には、サイズ制限は、システム８００の後の段階を通過できる最大粒子サイズに基づいて定められる。たとえば、フィルタ８０３は、粒子移動エリア８０１における流路の最小幅の５０％よりも大きい、６０％よりも大きい、７０％よりも大きい、８０％よりも大きい、または９０％よりも大きい平均直径を有する粒子をろ過する／粒子の通過をブロックするように構成されてもよい。
【０１６０】
フィルタ区分８０３は粒子集束区分８０５に流体結合される。粒子集束区分８０５は、フィルタ区分８０３を出た粒子が粒子移動エリア８０１に提供される前に、粒子を所望の流体流線位置に予め集束させるように構成される。粒子を予め集束させることの利点は、それが流路幅にわたる粒子の分布を狭い横方向範囲まで減少させる、ということである。粒子の集束された線は次に、粒子が誤って間違った流路（たとえば、粒子分類エリア８０１において「ろ過された」流体を得るための流路）に入る確率が減少するように再度位置付けられ得る。予め集束させることは、慣性集束手法を使用して達成され得る。慣性集束のさらなる詳細は、「慣性集束を使用した粒子移動」と題された章で上述されている。
【０１６１】
粒子移動エリア８０１で粒子対流体濃度がいったん増加されると、「ろ過された」流体および／または粒子は、ミクロ流体システム８００の別個の処理領域に結合されてもよく、もしくは、追加の処理および／または分析のためにシステム８００から除去されてもよい。たとえば、粒子移動エリア８０１の第２の流路は第１の出口８０７に結合され、一方、粒子移動エリア８０１の第１の流路は第２の出口８０９に結合される。
【０１６２】
外力
粒子の集束、濃縮、分離、および／または混合を高めるために、他の機能性がミクロ流体システムに追加されてもよい。たとえば、いくつかの実現化例では、粒子流の標的特異性の修正をもたらす追加の力が導入されてもよい。追加の力はたとえば、磁力、音響力、重力／遠心力、電気力、および／または慣性力を含んでいてもよい。
【０１６３】
図９Ａ〜９Ｃは、異なるタイプの粒子をミクロ流体装置内の異なる対応する流線に沿って集束させるために、ここに説明される粒子移動手法とともに使用される磁気泳動に依拠する、ミクロ流体装置の３つの異なる例を示す概略図である。一般に、磁気泳動は、装置のミクロ流体流路内を流れる磁気標識粒子を分類するために、高磁場勾配を採用する。磁場勾配は、１つ以上の磁石をミクロ流体流路に隣接して配置することによって生成され、磁石の構成は、ミクロ流体流路を越えて広がる磁束勾配プロファイルを生じさせる。磁気標識粒子は次に、勾配によって「引っ張られる」。勾配プロファイルの位置付けに依存して、磁気標識粒子は、ミクロ流体流路内の１つ以上の所望位置に集束され得る。ミクロ流体装置への磁気泳動の印加についてのさらなる詳細は、たとえば、ここにその全体が引用により援用されるＷＯ２０１４／００４５７７に見出すことができる。
【０１６４】
図９Ａに示す第１の例では、ミクロ流体装置９００ａは、磁気泳動エリア９０３に流体結合された粒子移動エリア９０１を含む。粒子移動エリア（図９Ａで「集束」と表示）９０１は、図１に示す装置１００と同様の態様で構築される。簡潔に言えば、集束エリア９０１は、第２の流体流領域と、島構造の１Ｄアレイによって分離された第１の流体流領域という２つの別々の流体流領域を含み、島構造は各々、隣接する島構造から隙間によって分離されている。流体が第１の流れ領域を通って伝搬すると、流体の一部が第２の流れ領域へ抽出され、一方、慣性揚力が粒子にかけられ、それは粒子が第１の流れ領域内を進むよう保つ。もちろん、他の力（慣性集束など）が、それに加えて、またはそれに代えて、粒子を第１の流体流領域内に保つために使用されてもよい。粒子移動エリアの第２および第１の流体流領域の双方が、島構造がない磁気泳動エリア９０３に流体結合される。
【０１６５】
磁気泳動エリア９０３は、ミクロ流体流路を越えて広がる磁場勾配を含むように構成される。たとえば、ミクロ流体装置９００ａは、磁気泳動エリア９０３に隣接する１つ以上の磁石９０７を含んでいてもよく、磁石９０７は磁場勾配を作り出す。例示しやすくするために、磁石９０７は、流体流の長手方向に沿った、ミクロ流体装置（９００ａ、９００ｂ、および９００ｃ）に対するそれらの位置を示すために、紙面底部に示されている。しかしながら、動作中、磁石９０７は、装置９００ａ、９００ｂ、および９００ｃの各々の磁気泳動エリア９０３における流体流路より上および／または下に（すなわち図９Ａ〜９Ｃのｘ軸に沿って）位置付けられがちである、ということが理解されるべきである。
【０１６６】
図９Ａを再び参照して、集束エリア９０１に導入された流体には、２つの異なるタイプの粒子が含まれる。第１のタイプの粒子は、磁気ビーズなどの磁気マーカーに結合された所望の分析物（たとえば細胞、血小板、または細菌）を含んでいてもよい。第２のタイプの粒子は、実質的な磁気成分がない第２の分析物を含んでいてもよい。２つの異なるタイプの粒子が集束エリア９０１を通過する際、粒子は第１の流体流領域で濃縮され、流体流線に沿って集束される。集束された粒子は次に磁気泳動エリア９０３に入り、そこで、磁場勾配が、磁気ビーズに結合された粒子に力をかける。磁場勾配と磁気ビーズとの相互作用によって生成された力により、磁気標識粒子は、元の流体流線の伝搬方向からそれるようになる。特に、磁気標識粒子は磁気勾配に追従し、粒子の新しいストリームを形成する。磁気勾配の方向、ひいては磁気標識粒子が追従する経路は、磁気泳動エリア９０３近くの磁石９０７の配向および構成に依存し得る。粒子の２つの異なるストリーム、すなわち、磁気標識粒子を含むストリームと非磁気標識粒子のストリームとは、次に、磁気泳動エリア９０３の出力で別々に集められてもよい（図９Ａで「標識粒子」および「非標識粒子」と表示）。
【０１６７】
図９Ｂに示す第２の例では、粒子移動エリアは、図２の装置２００と同様の態様で構築される。ここでも、磁気マーカーに結合された第１のタイプの粒子と実質的な磁気成分がない第２のタイプの粒子とを含む流体が、集束エリア９０１に導入される。流体移動および慣性揚力（またはたとえば慣性集束力）が、双方のタイプの粒子を、島構造の２つのアレイ間の第１の流体流領域内に集束させる。集束された粒子は次に粒子移動エリアを出て、磁気泳動エリア９０３のミクロ流体流路に流体結合される。粒子がいったん磁気泳動エリア９０３に入ると、磁石９０７によって生成された磁場勾配が磁気標識粒子に力をかけ、それらが元の集束ストリームの伝搬方向からそれるようにする。図９Ｂの例では、集束エリア９０１から流れる粒子のストリームは、第１の組の磁気標識粒子と、第２の組の磁気標識粒子と、第３の組の非標識粒子とを含む。図９Ｂに示すように、勾配は、磁気標識粒子が流路の上部または底部のいずれかへと偏向し、一方、非標識粒子がそれらの元の集束軌道を引き続きたどって磁気泳動エリア９０３を通るように配置される。ここでも、標識粒子および非標識粒子は、いったん分離されると、抽出またはさらなる分析のために磁気泳動エリア９０３の出力で集められてもよい。
【０１６８】
図９Ｃに示す第３の例は、図９Ｂとは逆の態様での粒子の分類を示す。図９Ｃの集束エリア９０１は、図３に示す装置３００と同様の態様で構築される。特に、集束エリア９０１は、磁気標識粒子と非標識粒子とを含む入来流体を、粒子が流線に集束される２つの別々の流路（すなわち、第２の流体流路（図９Ｃの上方流路）および第３の流体流路（図９Ｃの下方流路））に分離するように構成された、最初の島構造を含む。粒子の集束ストリームがいったん磁気泳動エリア９０３のミクロ流体流路に入ると、磁石９０７によって生成された磁場勾配により、磁気標識粒子は、第１の流路（図９Ｃの中央流路）の中央に向かってそれ、第３の集束ストリームを形成するようになる。磁気勾配による偏向後、第２および第３のストリームには非標識粒子が残される。ここでも、非標識粒子および標識粒子の双方は、いったん分離されると、抽出またはさらなる分析のために磁気泳動エリア９０３の出力で集められてもよい。
【０１６９】
図９Ａ〜９Ｃに示す例は粒子の集束および磁気分離を別々の段階で行なっているが、そのような機能は単一の段階で行なうことができる。図９Ｄ〜９Ｆは、異なるタイプの粒子を異なる対応する流線に沿って単一の段階で集束させるために、ここに説明される粒子移動手法を用いた磁気泳動の使用に依拠する、ミクロ流体装置（９００ｄ、９００ｅ、９００ｆ）の３つの異なる例を示す概略図である。ここでも、ミクロ流体装置９００は、磁場勾配を作り出すために、１つ以上の磁石９０７を含む。図９Ｄ〜９Ｆにおける磁石９０７は、流体流の長手方向に沿った、ミクロ流体装置（９００ｄ、９００ｅ、および９００ｆ）に対するそれらの位置を示すために、紙面底部に示されている。しかしながら、動作中、磁石９０７は、装置９００ｄ、９００ｅ、および９００ｆの各々の磁気泳動エリア９０３における流体流路より上および／または下に（すなわち図９Ｄ〜９Ｆのｘ軸に沿って）位置付けられがちである、ということが理解されるべきである。
【０１７０】
図９Ｄを参照して、集束エリアは、図１に示す装置１００と同様の態様で構築される。すなわち、集束エリアは、第１のミクロ流体流路から島構造のアレイによって分離された第２のミクロ流体流路を含む。図９Ａ〜９Ｃとは対照的に、磁石９０７からの磁場勾配は、集束エリアの第２および第１の流体流領域の双方を越えて広がる。磁気標識粒子および非標識粒子の双方を含む流体が粒子移動エリアに導入されると、粒子は最初、慣性揚力により、第１のミクロ流体流路内に制約される。しかしながら、磁気標識粒子は、慣性揚力に打ち勝つ磁場からの（磁場勾配の配置に依存する）力を経験し得る。ある実現化例では、磁気的に生成された力により、標識粒子は、非標識粒子のストリームからそれて、島構造間の開口を通過し得る。
【０１７１】
図９Ｅ〜９Ｆは、粒子移動エリアを磁気泳動と組合せるミクロ流体装置の代替的な構成を示す概略図である。図９Ｄの例と同様に、図９Ｅ〜９Ｆに示す例は、磁場勾配によって磁気標識粒子がどのように粒子の最初の集束ストリームからそれて新しい集束粒子ストリームを形成するかを示す。図９Ｅでは、磁気標識粒子は、島構造間の開口を通って第２（図９Ｅの上方流路）および第３（図９Ｅの下方流路）のミクロ流体流路へ偏向され、一方、非標識粒子の集束ストリームは、島構造の２つのアレイ間に位置する第１（図９Ｅの中央流路）のミクロ流体流路内に残る。図９Ｆでは、島構造近くの慣性揚力は、非標識粒子を、第２（図９Ｆの上方流路）および第３（図９Ｆの下方流路）のミクロ流体流路内の集束ストリームに沿って維持する。対照的に、磁石９０７によって生成された磁場勾配により、磁気標識粒子は、島構造における開口を通って、第２および第３のミクロ流体流路間に位置する中央ミクロ流体流路に入るようになる。
【０１７２】
粒子を標識化するために使用される磁気マーカーは、１つ以上の内部磁気コアと外側コーティング、たとえばキャッピングポリマーとを有する球形ビーズ状材料を含み得る。磁気コアは、モノメタル（たとえばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）、バイメタル（たとえばＦｅＰｔ、ＳｍＣｏ、ＦｅＰｄ、およびＦｅＡｕ）であってもよく、またはフェライト（たとえばＦｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、ＭｎＦｅ２Ｏ４、ＮｉＦｅ２Ｏ４、ＣｏＦｅ２Ｏ４）で作られてもよい。磁気マーカーは、サイズがナノメートルまたはマイクロメートルであってもよく、反磁性、強磁性、常磁性、または超常磁性であってもよく、サイズは、平均直径または平均長さに対応する。たとえば、磁気マーカーのサイズは、およそ１μｍ、およそ６００ｎｍ、およそ５００ｎｍ、およそ３００ｎｍ、およそ２８０ｎｍ、およそ１６０ｎｍ、またはおよそ１００ｎｍであってもよい。他のマーカーサイズも可能である。マーカーの外側コーティングは、その水溶性および安定性を増加させることができ、また、結合部を用いたさらなる表面処理のための場所を提供することもできる。磁気マーカーは各々、約１Ａ／ｍ〜約１００ｋＡ／ｍの範囲の磁気モーメントを有する。たとえば、いくつかの実現化例では、磁気マーカーは約３５ｋＡ／ｍの磁気モーメントを有する。
【０１７３】
一般に、磁気マーカーは、流体における標的分析物に、結合部を使用して結合されてもよい。結合部は、標的分子または別の結合部（または、ある実施形態では凝集誘発分子）と特異的に結合する、または他の態様で連結する、たとえば共有結合的にまたは非共有結合的に結合する、または混成する、合成または天然分子である。たとえば、結合部は、特定の相補的核酸標的に混成する合成オリゴヌクレオチドであってもよい。結合部はまた、抗原または任意のタンパク質間相互作用に向けられた抗体であってもよい。また、結合部は、対応する標的に結合する多糖類であってもよい。ある実施形態では、結合部は、別の結合部に結合された場合に、溶液中の酵素などの標的分子用基質として機能するように設計または選択され得る。結合部は、たとえばオリゴヌクレオチド、ポリペプチド、抗体、および多糖類を含む。一例として、ストレプトアビジンは、１つの分子当たり４つの場所（結合部）を有し、それらはビオチンによって認識されるであろう。任意の所与の分析物、たとえば特定の表面マーカーを有する特定のタイプの細胞について、典型的には、関連分野の当業者には公知である多くの結合部がある。
【０１７４】
たとえば、ある標識化方法および結合部手法が、１９９９年５月２１日に出願された、「化学物質および生体物質のための微細加工細胞分類装置」（Microfabricated Cell Sorter for Chemical and Biological Materials）と題された米国特許第６，５４０，８９６号；１９９７年２月２６日に出願された、「細胞を分別された流れストリームに磁気的に分離するための方法」（Method for Magnetically Separating Cells into Fractionated Flow Streams）と題された米国特許第５，９６８，８２０号；および、２００１年６月５日に出願された、「統合活性フラックスミクロ流体装置および方法」（Integrated Active Flux Microfluidic Devices and Methods）と題された米国特許第６，７６７，７０６号に詳細に説明されている。
【０１７５】
磁気マーカーの表面は、磁気マーカーを次に標的分析物（たとえば抗体、薬剤）に取付けるためのリンカーとして使用可能な官能基（たとえば、−ＮＨ２、−ＣＯＯＨ、−ＨＳ、−ＣｎＨ２ｎ−２）を提示するように処理され得る。場合によっては、表面処理は、磁気マーカーを本質的に親水性または疎水性にする。表面処理は、ポリエチレングリコールまたはシランなどの合成ポリマー、天然ポリマー、合成または天然ポリマーの誘導体、およびそれらの組合せを含むもののそれらに限定されないポリマーの使用を含み得る。
【０１７６】
いくつかの実現化例では、表面処理は磁気マーカーの周りの連続膜をもたらさないが、磁気マーカーに取付けられてそれを包囲する拡張されたポリマー鎖の「網」または「雲」をもたらす。例示的なポリマーは、多糖類および誘導体、たとえば、デキストラン、プラナン、カルボキシデキストラン、カルボキシメチルデキストラン、および／または還元カルボキシメチルデキストラン、ＰＭＭＡポリマー、およびポリビニルアルコールポリマーを含むものの、それらに限定されない。いくつかの実現化例では、これらのポリマーコーティングは、標的部および／または結合基がマーカーに結合するよりもはるかに容易に結合できる表面を提供する。たとえば、いくつかの実施形態では、コーティングを安定化し、架橋された磁気マーカーを形成するために、磁気マーカー（たとえば酸化鉄ナノ粒子）が１０ｋＤａデキストランの層で覆われ、次にエピクロロヒドリンで架橋される。
【０１７７】
磁気マーカーの作製、修正、および使用についての追加情報は、たとえばＰＣＴ公開ＷＯ／２０００／０６１１９１、米国特許出願公開第２００３０１２４１９４号、米国特許出願公開第２００３００９２０２９号、および米国特許出願公開第２００６０２６９９６５号に見出すことができ、それらは各々、その全体がここに引用により援用される。
【０１７８】
ミクロ流体装置の作製
本開示に従ったミクロ流体装置を作製するためのプロセスを以下に述べる。まず、基板層を提供する。基板層は、たとえばガラス、プラスチック、またはシリコンウェハを含み得る。たとえば熱蒸着または電子線蒸着を使用して、オプションの薄膜層（たとえばＳｉＯ２）を基板層の表面上に形成することができる。基板とオプションの薄膜層とは、ミクロ流体領域が形成され得るベースを提供する。基板の厚さは、およそ５００μｍ〜およそ１０ｍｍの範囲内にあり得る。たとえば、基板２１０の厚さは、６００μｍ、７５０μｍ、９００μｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、または９ｍｍであり得る。他の厚さも可能である。
【０１７９】
基板層を提供後、基板層の上方にミクロ流体流路を形成する。ミクロ流体流路は、粒子移動エリアの異なる流体流経路と、任意のろ過区分、慣性集束区分、および磁気泳動区分を含む、システムの他のミクロ流体構成要素とを含む。ミクロ流体装置の他の処理および分析構成要素のためのミクロ流体流路も使用されてもよい。ミクロ流体流路およびカバーは、流体流路領域を規定する金型において、ポリマー（たとえば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、またはシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ））を蒸着させることによって形成される。ポリマーは、いったん硬化されると、基板層の表面に移送されて接合される。たとえば、まずＰＤＭＳを、流路のミクロ流体ネットワークを規定する金型（たとえば、２段階フォトリソグラフィで作製されたＳＵ−８金型（マイクロケム（MicroChem）））に注ぐことができる。次にＰＤＭＳを硬化させる（たとえば、６５℃で約３時間加熱）。固体のＰＤＭＳ構造を装置に移送する前に、接合を高めるために基板層の表面をＯ２プラズマで処理する。それに代えて、ミクロ流体流路およびカバーは、ガラスまたはシリコンなどの他の材料で作製可能である。
【０１８０】
用途
ここに説明される新しいミクロ流体手法および装置は、さまざまな異なる用途で使用可能である。
【０１８１】
遠心分離代用品
ここに開示される粒子移動手法および装置は、遠心分離のための代用品として使用可能である。一般に、遠心分離とは、流体への遠心力の印加を通した流体内の副成分の濃縮を含むと理解される。典型的には、このプロセスは、摩耗および破損しがちな可動部品を有する装置を必要とする。さらに、可動部品は複雑で高価な作製プロセスを必要とする。遠心分離に関する別の問題は、それが典型的には閉鎖システムで適用されるプロセスであること、すなわち、遠心分離はサンプルを手動で遠心分離機に、および遠心分離機から移送することを必要とするということである。
【０１８２】
対照的に、ここに開示される手法は、可動部品を必要とすることなく、比較的単純なミクロ構造を使用して流体成分の濃度を実質的に増加させることができる。これらの手法は、流体サンプルが手動介入なく粒子移動エリアに、または粒子移動エリアから移送されるように、単一の開放されたミクロ流体システムの一部として実現可能である。加えて、粒子移動は、大きいスループット（すなわち、処理可能な流体の体積率）を必要とする装置に拡張可能である。たとえば、ここに開示される装置は、最大１０、２５、５０、７５、１００、２５０、５００、１０００、５０００、または１００００μｌ／分の流体流を可能にするように構成されてもよい。他の流量も可能である。たとえば、一例として図１の装置１００を使用すると、第２のミクロ流体流路１０６および第１のミクロ流体流路１０８がおよそ５０μｍの深さとおよそ５０μｍの幅とを有する場合、装置１００は、最大約５ｍＬ／分の組合されたサンプル流量を達成でき得る。流路サイズを変更することは、装置が可能な最大体積流量を変更し得る。さらに、複数の流路を多重化することは、さらにより高い流量を可能にし得る。このため、ある実現化例では、粒子移動手法は、従来の遠心分離プロセスに比べてコストおよび時間をかなり節約するという利点を提供し得る。遠心分離装置のミクロ流体代用品が有用であり得る用途の例は、骨髄および尿の分析を含む。
【０１８３】
感染因子の検出
加えて、ここに開示される粒子移動手法は、対象分析物（たとえば、タンパク質、細胞、細菌、病原体、およびＤＮＡ）を調べるための研究プラットフォームの一部として、もしくは、患者における潜在的病状または感染因子を診断するための診断検査の一部として使用可能である。流体サンプル内の粒子を分離し集束させることにより、ここに説明されるミクロ流体装置は、小分子、タンパク質、核酸、病原体、および癌細胞を含む多くの異なる生物学的標的を測定するために使用されてもよい。さらなる例を以下に説明する。
【０１８４】
まれな細胞の検出
ここに説明されるミクロ流体装置および方法は、血液サンプル中の循環腫瘍細胞（ＣＴＣ）、または妊婦の血液サンプル中の胎児細胞といったまれな細胞を検出するために使用されてもよい。たとえば、癌の迅速で包括的なプロファイリングのために、原発腫瘍細胞またはＣＴＣの濃度が血液サンプルにおいて高くされ得る。ここに説明される粒子偏向手法を磁気泳動（図７参照）と組合せることにより、異なるタイプの細胞（たとえば、心臓疾患についての循環内皮細胞）が検出可能である。このため、ミクロ流体装置は、強力な診断および予後ツールとして使用されてもよい。標的とされ検出される細胞は、癌細胞、幹細胞、免疫細胞、白血球、もしくは他の細胞、たとえば循環内皮細胞（上皮細胞表面マーカーに対する抗体、たとえば上皮細胞接着分子（ＥｐＣＡＭ）を使用）、または循環腫瘍細胞（癌細胞表面マーカーに対する抗体、たとえばメラノーマ細胞接着分子（ＣＤ１４６）を使用）であってもよい。システムおよび方法はまた、小分子、タンパク質、核酸、または病原体を検出するために使用可能である。
【０１８５】
流体交換
ここに説明されるミクロ流体装置および方法は、細胞をある搬送流体から別の搬送流体に移動させるために使用されてもよい。たとえば、開示される粒子移動手法は、薬剤、抗体、細胞染料、磁気ビーズ、不凍剤、溶解試薬、および／または他の分析物などの試薬を含む流体ストリームに、または流体ストリームから細胞を移動させるために使用されてもよい。
【０１８６】
単一の粒子移動領域は、移動された細胞が通過するであろう（多くの入口からの）多くの平行な流体流を含み得る。たとえば、白血球は、血流から、染色試薬を含むストリームに、次に緩衝液ストリームに移動され得る。
【０１８７】
バイオ処理および関連分野では、説明される装置および手法は、（老廃物を含む）古い培地から新鮮な成長培地への細胞の殺菌した連続移送を可能にするために使用されてもよい。同様に、細胞が生物反応器内に保持される間、細胞外液および細胞生成物（たとえば抗体、タンパク質、糖、脂質、生物製剤、アルコール、およびさまざまな化学物質）が、殺菌した連続的な態様で生物反応器から抽出されてもよい。
【０１８８】
流体殺菌および清浄
ここに説明されるミクロ流体装置および方法は、流体から病原体、汚染物質、および他の特定の混入物を除去するために使用されてもよい。混入物を流体流線を越えて移動させることにより、混入物は流体サンプルから除去され、別個の廃液流として集められてもよい。
【０１８９】
バイオ燃料用の藻類の採取
成長培地からの藻類の採取は、バイオ燃料の生産における大きな出費である。なぜなら、藻類は非常に希薄な懸濁液内でほぼ中立浮力で成長し、藻類バイオマスの効率的な抽出および濃縮を難しくするためである。ここに説明されるミクロ流体装置および方法は、密度にもろ過にも依存しない、藻類を採取する効率的な手段を提供することができる。説明される装置および手法は、成長タンク内の藻類が成長培地から抽出され、高い体積密度まで濃縮されることを可能にする。これは、単一のステップとして、または連続プロセスの一部として行なわれてもよい。加えて、ここに説明される装置はサイズに依存する態様で細胞を分類できるため、それらは、成熟に達したより大きい藻類のみを分類し濃縮するように設計可能であり、より小さい未熟な藻類は成長タンクに戻る。
【実施例】
【０１９０】
この発明を、請求項に記載される発明の範囲を限定しない以下の実施例においてさらに説明する。
【０１９１】
装置作製
粒子豊富流体サンプルの体積減少を達成するために慣性集束を流体抽出と組合せる、非対称的に湾曲した流路を有するミクロ流体装置（たとえば、「粒子濃度の増加／流体体積の減少」と題された上述の章、および図５に示す装置を参照）の挙動を分析するために、さまざまな実験を行なった。すなわち、装置は、慣性集束手法を使用して粒子が集束される集束流路（たとえば図５の流路５０８を参照）と、集束流路からの流体が抽出される無粒子流路／第２の流体流流路（たとえば図５の流路５０６を参照）とを含んでいた。以下の実施例１〜５で実験を説明する。それらの実施例で使用される装置を、以下のように設計し、作製した。
【０１９２】
各ミクロ流体装置用に、標準ＳＵ８フォトリソグラフィ手法およびソフトリソグラフィ手法を使用して、マスター金型およびＰＤＭＳミクロ流路をそれぞれ作製した。簡潔に言えば、ネガ型フォトレジストＳＵ８−５０（マイクロケム社、マサチューセッツ州）をおよそ５０μｍの厚さまで２８５０ＲＰＭで回転させ、流路のミクロ流体ネットワークを規定するマイラー乳剤印刷フォトマスク（ファインライン・イメージング（Fineline Imaging）、コロラド州）を通して紫外線にさらし、ＢＴＳ−２２０  ＳＵ８現像剤（Ｊ．Ｔ．ベイカー（Baker）、ニュージャージー州）で現像して、隆起した金型を形成した。次に、シルガード（Sylgard）１８４エラストマー主剤および硬化剤（ダウ・コーニング（Dow Corning）、ミシガン州）の１０：１混合物を隆起した金型に注ぎ、炉内で６５℃で８時間硬化させ、次にＳＵ８マスター金型から取外して、パターン化された流路を有するミクロ流体装置カバーを形成した。特注の尖った針先を使用して、流路への入口および出口穴をパンチした。次に、低残基テープを使用して装置から粒子を除去し、装置を予め清浄された１ｍｍ厚のガラス製顕微鏡スライドに酸素プラズマ接合した。
【０１９３】
ＰＤＭＳの高圧変形が懸念事項である実験については、代わりにエポキシ装置を使用した。ＰＤＭＳ流路をトリデカフルオロ−１，１−２，２−テトラヒドロオクチル−トリクロロシラン（ゲレスト（Gelest））で処理し、次にＰＤＭＳをシラン化された流路に注ぐことによって作成されたＰＤＭＳ金型を使用して、エポキシ装置を構築した。６５℃で２４時間硬化した後で、シラン化された流路から金型を慎重に分離した。直径０．７５ｍｍのハリス（Harris）単コア生検パンチを使用して、ＰＤＭＳ金型に穴を入口および出口でパンチした。これらの穴に、テフロン（登録商標）コーティングワイヤ（直径０．０２８インチ、マクマスター・カー（McMaster-Carr））を、ＰＤＭＳ金型の表面を変形させないようにそっと挿入した。次に、タイゴン（Tygon）チュービング（内径０．０２”、外径０．０６”）をテフロンコーティングワイヤ上に誘導し、金型表面から１ｍｍ浮かせた。Epoxacast６９０（スムーズ・オン（Smooth-On））を混合し、３０分間ガス抜きした後で、金型に流し込んだ。金型を充填すると同時に、平らなＰＤＭＳ表面上の一滴のエポキシ上にガラススライドを置くことによってスライドをエポキシでコーティングした。〜２８時間後、変形を防止するために装置を−２２℃まで一時的に冷却し、テフロンワイヤを取り外し、装置を金型から取外した。次に、ＰＤＭＳスラブからガラススライドを取り外して５５℃まで加熱し、装置をスライドに押しつけて接合を確実にした。
【０１９４】
粒子および細胞懸濁液
以下に説明する実施例で使用される装置を、例示的な粒子として蛍光性ポリスチレンビーズと白血球とを使用して、広範囲の流れ条件で試験した。直径４．４μｍの青い蛍光ビーズ（ポリサイエンス（Polysciences））、直径９．９μｍの緑の蛍光ビーズ（サーモフィッシャー・サイエンティフィック（ThermoFisher Scientific））、および直径１５μｍの赤い蛍光ビーズ（インビトロゲン（Invitrogen））を使用して、ポリスチレン粒子懸濁液を作成した。各々を、１倍のＰＢＳ、０．１％のTween２０、およびイオジキサノールの同等密度の溶液（１．０５ｇ／ｍＬ）に０．１の最終長さ分画まで懸濁した。緩衝液の並行流を用いた決定論的横置換を使用して、白血球（軟膜）を単離した。
【０１９５】
蛍光カウントおよび細胞カウント
ニコンＴｉＥ自動倒立顕微鏡をレティガ（Retiga）２０００Ｒモノクロカメラおよびビジョン・リサーチ（Vision Research）ファントム（Phantom）ｖ４．２高速モノクロカメラとともに使用して、流体サンプルの蛍光および高解像度撮像を遂行した。
【０１９６】
出力セル濃度に依存する希釈度で白血球収量実験において粒子濃度を測定するために、血球計およびナジェット（Nageotte）チャンバを利用した。
【０１９７】
実施例１：無細胞層成長および吸い上げ割合
組合された吸い上げおよび慣性集束の設計は、ミクロ流体流路の壁近くに無粒子層を生成する即効性の慣性力を活用する。この無粒子流体層は次に、制御可能に吸い上げられ、粒子を再び、慣性力が最も強い壁のより近くに残す。集束および吸い上げプロセスは、所望の体積減少が達成されるまで繰り返されてもよい。流体内の粒子の濃度を高めるために、または無粒子流体を抽出するためにミクロ流体装置を使用する場合、重要な設計考慮事項は、無粒子層の形成の動力学に対して吸い上げられる流体の割合を制御することを含み得る。慣性集束システムでは、集束挙動は、流路形状寸法および流速を含む多数のパラメータの累積結果である（たとえば、それら全体がここに引用により援用される、ジ  カーロ、Ｄ．「慣性ミクロ流体工学」、Lab Chip、９、３０３８、（２００９年）、および、マルテル（Martel）、Ｊ．＆トーナー（Toner）、Ｍ．「ミクロ流体工学における慣性集束」（Inertial Focusing in Microfluidics）、Annual Review of Biomedical Engineering  １６、３７１〜３９６（２０１４年）を参照）。たとえば、湾曲構造は一般に、平面構造に比べ、所与の流路長にわたって集束を達成するのにより効率的であり、一方、いくつかの実現化例では、流速の変化により敏感でもある。
【０１９８】
図５〜６に関して説明された構造と同様の非対称的に湾曲した構造を使用して、我々は、ある範囲の集束流路幅（５０μｍ〜２００μｍ）について、および流路幅に依存するある範囲の流量（１０μＬ／分〜３０００μＬ／分）にわたって、無粒子層の形成を特徴付けた。試験された装置の各々は、一連の５つの集束−吸い上げユニットペア（たとえば図６参照）と、それらに続く幅５００μｍの直線区間への拡大部とを含んでいた。流路幅にわたる１０％の相対強度しきい値に基づいて流路が十分に拡大した後で、結果として生じる出力流体の無粒子層幅を、集束ユニットの下流で測定した（すなわち、強度は０％〜１００％に標準化され、その後、強度が１０％に達する位置が識別される。たとえば、その全体がここに引用により援用される、マルテル、Ｊ．Ｍ．＆トーナー、Ｍ．「湾曲したミクロ流体流路における粒子集束」（Particle Focusing in Curved Microfluidic Channels）、Sci. Rep. ３、１〜８（２０１３年）を参照）。
【０１９９】
図１０に示すように、各流路幅にとって最適な流量での無粒子層の幅を互いに比較した。具体的には、図１０は「無細胞分画」対流量を示し、データ点の各々は、異なるサイズの流路ごとの（流路幅にわたって測定されるような）粒子がない流体の最大分画を表わす。プロットの下の凡例は、流路幅を示す。図１０に示すグラフから明らかなように、より狭い流路は、より広い流路よりも、著しくより大きい最大無粒子層幅を達成する（幅５０μｍ−３８％、７５μｍ−４６％、１００μｍ−４２％、１２５μｍ−３０％、１５０μｍ−１５％、２００μｍ−１３％）。最適流量（最大無粒子層幅を達成する流量）の＋／−５０％の範囲にわたる無粒子層幅の変動は、より広い流路についてはより小さかった（幅５０μｍ−１２％、７５μｍ−２３％、１００μｍ−１６％、１２５μｍ−１５％、１５０μｍ−４．６％、２００μｍ−５．５％）。
【０２００】
参照データを使用して、我々は、最適流量ＱＯｐｔｉｍａｌ（すなわち、無粒子層形成のための最大幅をもたらした流量）と、集束ユニット幅ｗｆｏｃｕｓ＝１．０９１１ｅ−０７＊ＱＯｐｔｉｍａｌ（μＬ／分）＋４．４７８９ｅ−０５ｍとの間には、ほぼ線形の関係があると判断した。前述の関係に基づくと、流体が集束流路から吸い上げられる場合、および集束流路を通る流量が減少する場合に、高レベルの無粒子層形成効率を維持する装置を作成することが可能である。
【０２０１】
無粒子層の形成と最大吸い上げ割合との関係も調べた。吸い上げ割合とは、島間の次の開口で吸い上げられる、集束流路における流れの割合である。吸い上げ量は、集束流路および吸い上げ流路の相対流体抵抗によって決まる。特に、５００μＬ／分という一定の入力流量について、ある範囲の吸い上げ割合（７％、１０％、１２％、および１５％）を使用して、１組の装置を設計した。５００μＬ／分という流量は、より狭くより効率的な集束ユニット幅の最適流量範囲内に収まるように選択された。これらの装置の集束性能の比較は、所望される体積減少係数に依存して、吸い上げ割合が、体積減少係数１０については１０％未満、体積減少係数５０については７％未満でなければならない、ということを示す。体積減少係数は濃縮係数と同等であり、１を集束流路における流れの分画で除算したものとして表わされてもよい。たとえば、総流の５％が集束流路にある場合、体積減少係数は２０である。図１１は、ミクロ流体装置の集束−吸い上げユニットを通って流れる蛍光標識白血球の画像を含み、各画像は、体積減少係数が１０の場合の異なる吸い上げ割合に対応する。画像から明らかなように、吸い上げ割合が１５％の装置における集束流路から第２の流体流流路への粒子の損失は、かなり顕著である。
【０２０２】
前述の結果が示すように、組合された吸い上げ手法および慣性集束手法は、十分に調整された態様での体積減少係数の制御を可能にする。いくつかの実現化例では、入力サンプル体積から独立して、特定の体積減少係数を得て、それにより下流での分子検査のために特定のサンプル体積を調整することが可能であり得る。
【０２０３】
以下に説明する実験について、我々は、詳細な特徴付けのために２つの特定の設計を選択した。２つの選択された設計は、係数１０（「１０倍」）の濃縮器（この装置は２６個の集束−吸い上げユニットペアを含み、１０％の吸い上げ割合を有していた）、および、係数５０（「５０倍」）の濃縮器（この装置は１５２個の集束−吸い上げユニットペアを含み、７％の吸い上げ割合を有していた）である。
【０２０４】
実施例２：流量依存性
体積減少を実行し、および／または流体内の粒子濃度を増加させるためのミクロ流体システムで考慮され得る別の要因は、ミクロ流体装置を通る流体サンプルの流速である。したがって、流量に対する感度も調査された。単離された白血球（軟膜）を使用して、１００μＬ／分〜１０００μＬ／分の入力流量で、１０倍装置および５０倍装置双方の収量を分析した。収量は、集束流路において流れるストリームにおける細胞の数と第２の流体流領域における細胞の数との比較ベースで計算され、またはそれに代えて、集束流路において流れるストリームにおける細胞の総数を、組合された集束流路および第２の流体流流路における総細胞で除算したものとして計算される。それらの装置について９５％を上回る高収量が、４００〜６００μＬ／分で維持されたが、それを超えると、収量の低下が著しくなり始めた。たとえば、１０００μＬ／分で、白血球を含む複数の別々のストリームが生じ始めた。
【０２０５】
図１２は、１０倍装置および５０倍装置の双方についての相対白血球収量対流量のプロットである。一般に、細胞の入力数を組合された集束流路および第２の流れ流路から生じる総細胞と比較する（たとえば、さまざまな容器間での移送、チュービングなどにおいて失われた細胞に起因する）システム損失は、典型的には低く、約１０％であった。４００μＬ／分未満の流量については、収量の低下は、集束の全体的欠乏と一致していた。たとえば、慣性効果が取るに足りない場合、１０倍装置および５０倍装置についてそれぞれ１０％および２％といった、分流と同等の収量が予想されるであろう。流量を１００μＬ／分から４００μＬ／分に増加させることによる収量の増加は、慣性効果が増加するにつれてレイノルズ数による集束の向上を示した。６００μＬ／分の後の収量の減少はおそらく、より高い駆動圧でのＰＤＭＳ変形の結果であり、著しく異なる集束パターンをもたらした。
【０２０６】
入力および出力流量の正確な範囲は、使用される粒子サイズおよび流路寸法に依存する。所与の設計についてより高いスループットを効率的に達成するには、流路の多重化が必要な場合がある。
【０２０７】
実施例３：サイズ依存性
慣性力は、集束される粒子のサイズに強く依存する。したがって、粒子サイズに対する感度を理解するために、組合された慣性集束および吸い上げ装置の性能を評価した。特に、集束流路から「無粒子」層が望まれる第２の流体流領域に偏向される粒子のサイズ範囲を求めるために、さまざまなポリスチレン粒子サイズ（４μｍ〜１０μｍ）を、１０倍装置および５０倍装置に同時に流した。図１３は前述の実験のプロットであり、より大きい粒子サイズと比較して、より小さい粒子サイズはより低い相対収量（すなわち、（生成物における総細胞）／（生成物における総細胞＋廃棄物における総細胞））を有するという傾向、すなわち、粒子がより小さいほど、粒子が島構造間の隙間を通って集束流路を逃れる確率がより大きくなるという傾向を示唆する。９０％を超える相対収量が望まれる場合、このしきい値のためのカットオフ粒子サイズは、１０倍装置についてはおよそ８．５μｍとして、５０倍装置についてはおよそ８μｍとして補間可能である。このわずかな違いは、集束が粒子サイズにより敏感になる５０倍濃縮器の端でのかなりより低い速度に起因し得る。
【０２０８】
組合された吸い上げおよび慣性集束装置の粒子サイズに対する感度を示す前述の結果は、いくつかの可能な有利な用途につながり得る。たとえば、サイズ依存性は、生体サンプルの清掃（たとえば細菌の除去）にとって有益になり得る。なぜなら、カットオフサイズよりも小さい粒子が集束流路から第２の流体流流路に吸い上げられるため、最終サンプル純度を向上させ、または望ましくない生体サンプル汚染を減少させるからである。
【０２０９】
実施例４：体積分画依存性
分析された別の要因は、集束挙動に対する粒子間相互作用の効果であった。一般に、従来の慣性集束装置は、高品質の集束を達成するために、入力流体サンプル濃度が低いという厳しい要件を有する（たとえば、その全体がここに引用により援用される、リー（Lee）Ｗ．、アミニ（Amini）Ｈ．、ストーン（Stone）Ｈ．Ａ．、およびジ・カーロ、Ｄ．「ミクロ流体粒子結晶の動的自己集合および制御」（Dynamic self-assembly and control of microfluidic particle crystals）、Proceedings of the National Academy of Sciences１０７、２２４１３（２０１０年）を参照）。理論的な濃度制限は、全流路長または長さ分画１に沿った平衡位置にある隣接して接触する粒子の実線の限度によって与えられる（たとえば、その全体がここに引用により援用される、ジ  カーロ、Ｄ．「慣性ミクロ流体工学」、Lab Chip、９、３０３８（２００９年）を参照）。我々は、５００μＬ／分で処理される白血球の入力濃度を変更することにより、１０倍装置および５０倍装置についての粒子濃度の動作カットオフを調査した。
【０２１０】
図１４は、この流量での、異なる入力濃度についての白血球の相対収量を示すプロットである。プロットが示すように、１ミリリットル当たりおよそ１００万個の細胞という入力濃度で、急な最大限度がある。１ミリリットル当たりおよそ８０Ｍ個の細胞という、粒子相互作用が装置しきい値の性能に影響を与え始めるであろう粒子濃度が、装置において到達された。この高い粒子濃度は、装置の動作成功または収量は全粒子が単一の流線上に位置することを必要としない、という事実に起因し得る。代わりに、壁近くでの無細胞層形成は、収量が減少するはるかにより高い濃度につながる（すなわち、全粒子が単一の狭いストリームの制限された空間に詰め込まれることを必要とするのではなく、我々は単に、はるかにより多くの粒子を収容できる、吸い上げられない流体の領域に粒子が詰め込まれることを必要とした）。前述の実験結果は、無粒子層形成が、前に理解されたような単一ストリームまたは高品質の慣性集束ほど、粒子体積分画に対して敏感ではないことを示す（たとえば、その全体がここに引用により援用される、ジ  カーロ、Ｄ．「慣性ミクロ流体工学」、Lab Chip、９、３０３８（２００９年）を参照）。
【０２１１】
実施例５：５０倍よりも大きい体積減少の達成
我々は、実質的に高いスループットおよび体積減少を得るために、ミクロ流体体積減少装置の能力も分析した。たとえば、場合によっては、全体システムスループット（すなわち、処理された流体の全体体積）を増加させるために、図１〜５に示す装置を多数、並列に動作させてもよい。たとえば、ある可能な設計では、複数の体積減少装置（たとえば装置１００）は各々、流体サンプルを受けるための別個の流体入力を有していてもよく、各装置の出力は、濃縮された粒子またはろ過された流体サンプルのいずれかを集めるための共通の出力流路に結合される。
【０２１２】
それに代えて、またはそれに加えて、全体システムの各段階（すなわち装置）で粒子濃度／体積減少が修正されるように、２つ以上の装置を直列に構築してもよい。直列体積減少の用途を示すために、我々は、直列に統合された装置を含むミクロ流体システムを構築した。特に、我々は、５００倍という理論的な全体体積減少のために、単一の５０倍装置に供給する１０個の並列の１０倍装置を使用した。図１５は、１０個の並列の１０倍濃縮器装置１５０２と単一の５０倍濃縮器装置１５０４とを含む、体積減少を調べるために使用されるシステム１５００の設計の上面図を示す概略図である。システム１５００の動作は、以下のように進む：（ｉ）希釈粒子がシステム１５００に入り、別々の１０倍濃縮器１５０２で１０個の並列の集束ストリームに集束される；（ｉｉ）１０個の並列の集束ストリームは次に、一連の集中流路１５０６を通って送られる；（ｉｉｉ）集中されたストリームは次に、それらが５０倍装置１５０４に入ると再び集束される；および（ｉｖ）最後に、すべての粒子は、５０倍装置の底部生成物出口を通って出る。
【０２１３】
圧力要件およびＰＤＭＳ変形に起因して、実験に使用されたシステムを、ＰＤＭＳの代わりに剛性エポキシで作製した［ユージン（Eugene）Ｊ．リムら、「ミクロ流路におけるバイオ粒子の高スループットでの慣性弾性集束」、Nature Communications  ２０１４年］（たとえば、その全体がここに引用により援用される、マルテル、Ｊ．Ｍ．＆トーナー、Ｍ．「湾曲したミクロ流体流路における粒子集束」、Sci. Rep. ３、１〜８（２０１３年）を参照）。収量を試験するために、入力濃度が１ｍＬ当たり１００，０００個の白血球をシステムに導入した。統合システムの収量は、一貫して９５％を上回り、〜４１１という体積減少係数を呈した。このため、１ｍＬ当たり１００，０００個の白血球を含む３０ｍＬの入力サンプルについては、サンプルはミクロ流体システムにより、元の細胞の９５％以上（９５．７％＋／−３．６％、ｎ＝５）を有する７３μＬ＋／−１．２μＬ（ｎ＝５）に減少されるであろう。体積減少係数４１１と設計された体積減少係数５００との差異は、たった数マイクロリットルの生成物の違いであり、それは、４ｍＬ／分の入力流量（ポンプ駆動力制限）および＜１０μＬ／分の生成物流量として制御することが困難であった。すなわち、装置は５００倍体積減少を行なうように設計されたが、それは実際には４００倍体積減少を行なった。生成物流路および廃棄物流路の相対抵抗が若干ずれており、そのため所望の体積よりも若干多い体積が生成物に行ったと考えられる。加えて、ごく小さい生成物体積が何らかの測定誤差を引き起こしたかもしれない。ミクロ流体システムにおけるごく小さい作製欠陥も、このバランスを変える場合がある。
【０２１４】
次の検査のためにセルを洗浄し、培地を交換し、および／またはサンプルを濃縮するために使用される遠心分離は、生物医科学において最も広く利用されるプロセスのうちの１つである。システム１５００および前述の実験結果は、ミクロ流体吸い上げおよび慣性集束装置が、典型的には遠心分離で最大４ｍＬ／分（２４０ｍＬ／時間）のスループットおよび２０倍以上の体積減少係数で連続流および殺菌した態様で行なわれる、前述の共通の生物医学タスクを遂行することができる、ということを示す。さらに、ミクロ流体装置のスループットに対する典型的な制限も、組合された吸い上げ手法および慣性集束手法を使用して緩和される。我々は、５０倍の体積減少係数で５００μＬ／分のスループットを達成する非統合単一装置を提示してきたが、４０個を超える１組の流路（２０ｍＬ／分または１２００ｍＬ／時間）を得るために装置をさらに並列に配置することができ、より大きい体積サンプルのための実行時間を縮小する。
【０２１５】
提示された進歩の多くは実験方法の向上に関するものであるが、慣性集束の性質についての重要な発見もあった。無粒子層形成が前に予測された単一ストリームまたは高品質の慣性集束ほど粒子体積分画に対して敏感ではないという認識は直観的であるかもしれないが、慣性集束装置性能を比較する新しい手段も明らかにする。典型的には、慣性集束において利用される５つの異なる形状寸法があり、典型的には、最小ストリーク幅を達成するのに必要な長さによって各々比較される。最適な集束の定義を、ストリーク幅を最小限にすることから無粒子層の動的形成に変更することにより、異なるミクロ流体構造についての集束の動力学に関する新しい見識を調査し、直接比較することができる。この新しい比較手段は、この種のミクロ流体装置の有効性をどのように測定するかを標準化することができる。
【０２１６】
他の実施形態
この発明はその詳細な説明とともに説明されてきたが、前述の説明は、添付された請求の範囲によって定義される発明の範囲を例示するよう、および当該範囲を限定しないよう意図される、ということが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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