(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の層と，共通マニホルド（６）とを備えるマイクロ流体デバイス（１）であって，前記複数の層における各層（４）が，入口（８）と，少なくとも２つの出口（１０，１２）とを備え，該入口（８）が，流路を介して，前記少なくとも２つの出口（１０，１２）のそれぞれと流体連通し，前記複数の層における各層（４）の前記入口（８）が，前記共通マニホルド（６）と流体連通することにより，流体が，前記共通マニホルド（６）から各層（４）の各流路を通って前記複数の層における各層（４）の入口（８）を経て各層（４）の前記少なくとも２つの出口（１０，１２）に向けて通過可能であり，
前記共通マニホルド（６）は，入口（２２），分岐部（２４），前記分岐部（２４）の下流の開放部（２６），及び前記複数の層における各層（４）の前記流路の入口（８）と直接的に流体連通するマニホルド出口を含み，使用時に，流体は，前記共通マニホルド（６）の前記入口（２２）から，前記複数の層における各層（４）の前記入口（８）まで，前記共通マニホルド（６）の前記分岐部（２４）及び前記マニホルド出口を経て流れ，前記複数の層における各層（４）の前記流路を通過する流体の流速を略同一とすることにより，使用時に，特定の直径範囲を有する目標粒子集団を含む流体を前記デバイスにより処理可能とするように構成され，かつ，流体が前記共通マニホルド（６）から，前記複数の層における各層（４）の前記流路を，該層の前記入口を経て通過する際に，前記複数の層における各層（４）の第１出口（１０）から前記目標粒子集団を含む流体が捕集され，前記複数の層における各層（４）の第２出口（１２）から前記目標粒子集団を含まない流体が捕集されるように構成されている，マイクロ流体デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ流体デバイス（１）であって，前記共通マニホルド（６）が単一の入口を備える，マイクロ流体デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のマイクロ流体デバイス（１）であって，前記複数の層における各層（４）の前記流路が湾曲している，マイクロ流体デバイス。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）であって，使用時に，流体が前記複数の層における各層（４）を並行的に通過する，マイクロ流体デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）であって，前記複数の層における各層（４）の前記入口は開放構造であり，及び／又は前記複数の層における各層の前記少なくとも２つの出口が開放構造である，マイクロ流体デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）であって，前記複数の層が積層構造（２）を形成し，該積層構造（２）における各層（４）が，該積層構造において先行する層を実質的にカバーする，マイクロ流体デバイス。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）であって，前記複数の層における各層（４）の前記流路が，略同一寸法を有する，マイクロ流体デバイス。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）であって，前記複数の層における各層（４）の前記流路の幅が，前記複数の層における各層（４）の前記流路の高さの約３倍〜約１０倍である，マイクロ流体デバイス。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）であって，前記複数の層が，少なくとも２０層を備える，マイクロ流体デバイス。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって，前記複数の層における各層（４）が，当該層（４）における前記少なくとも２つの出口（１０，１２）と前記流路との間に膨張チャンバ（１６）を備え，任意に前記膨張チャンバ（１６）がデバイダ（１８）を備える，マイクロ流体デバイス。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）であって，前記複数の層における各層（４）の前記流路が，各流路の表面に対する前記流体中の粒子の付着を阻止するコーティングを備える，マイクロ流体デバイス。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）の使用方法であって：
ａ  目標粒子集団を含む流体を準備し；
ｂ  前記流体を，前記デバイス（１）における前記共通マニホルド（６）の入口に第１の流速で供給し；
ｃ  前記流体を，前記複数の層における各層（４）の，前記少なくとも２つの出口（１０，１２）から捕集する，方法において，
前記複数の層における各層（４）の第１出口（１０）から前記目標粒子集団を含む流体を捕集し，前記複数の層における各層の第２出口（１２）から前記目標粒子集団を実質的に含まない流体を捕集する，方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって，第１出口（１０）から捕集される流体が，前記目標粒子集団の大部分を含み，又は第１出口（１０）から捕集される流体が，前記目標粒子集団の実施的に全てを含む，方法。
【請求項１４】
流体から粒子集団を除去するため，又は流体中の粒子集団の濃度を高めるためのシステム（１００）であって，該システム（１００）が，請求項１〜１１の何れか一項に記載のデバイスの複数個を備え，第１デバイスにおける前記第２出口（１２）が，後続するデバイスにおける前記入口に流体接続され，前記第１デバイスにおける流路は，第１直径範囲内の粒子を該第１デバイスにおける第１出口に集中させるように寸法が定められ，第２デバイスにおける流路は，第２直径範囲内の粒子を該第２デバイスにおける第１出口に集中させるように寸法が定められ，これにより，前記流体が前記複数のデバイスを通過する際に，前記第１直径範囲内及び／又は前記第２直径範囲内の粒子集団を，該流体から順次に除去する，システム。
【請求項１５】
流体から粒子集団を除去するため，又は流体中の粒子集団の濃度を高めるためのシステム（１００）であって，該システム（１００）が，請求項１〜１１の何れか一項に記載のデバイスの複数個と，流体源を前記複数のデバイスにおける各デバイスの前記共通マニホルドに接続するための更なる共通マニホルドと，を備える，システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，マイクロ流体デバイスに関するものであり，特に，粒子が含まれる流体試料を濃縮し，及び／又はろ過するためのマイクロ流体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中の粒子を分離し，又は検出する必要のある多くの用途が存在している。例えば，水質のモニタリング及び処理を可能とするため，あるいは媒体中における，例えば培養媒体や，血液等の体液における細胞の効率的な除去又は浄化を可能とするために，粒子を検出して潜在的に除去可能とすることが重要である。
【０００３】
液体を処理して粒子状の汚染物質を除去することは，例えば給水中における水系病原体，例えばクリプトスポルジウムやジアルジアを検出し，及び／又は除去する上で特に重要である。その他の例としては，媒体中における細胞，例えば培養媒体や，血液等の体液における細胞の分離が含まれる。
【０００４】
マイクロ流体デバイスは，少量（１５μＬ／ｍｉｎ〜５ｍＬ／ｍｉｎ）の流体を処理するために使用されており，典型的にはバイオセンサ等の検出器を備えている（末尾に記載の非特許文献１，２を参照）。従って，このようなデバイスは低濃度の粒子又は汚染物質であっても成功裏に検出することが可能である。しかしながら，例えば生物種の検出は低濃度の試料を必要とするため，環境測定のためにバイオセンサデバイスやその他の装置を使用することは，しばしば制約される，これは，量的スループットが低く，処理水における統計学的に関連する試料の処理に要する時間が長すぎて実世界での適用に馴染まないからである。
【０００５】
マイクロ流体デバイスの高度に平行化されたアレーは，所与のタイムスケールの中でより大量の液体を処理可能とし，及び／又は試験対象の試料を濃縮及び／又は高濃度化するための試料の前処理を実行可能とするものである（末尾に記載の非特許文献３〜５を参照）。しかしながら，このようなアレーはデバイスの専有面積及びコストを増大させ，これにより，この種のデバイスの使用可能性が制限される。
【０００６】
それ故，現実的なタイムスケール中に処理すべき液体のスループットが高く，費用対効果に優れ，専有面積の小さいデバイスが必要とされている。
【０００７】
典型的に，デバイスは，処理すべき液体のろ過形態を採用することにより，粒子を検出可能とし，又は分析のために捕集可能とするものである。しかしながら，時間の経過に伴い，特に処理すべき液体の大量である場合に，フィルタが粒子で詰まり，又は閉塞し，更なる量の液体を処理可能とするに先立って交換しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って，本発明の解決しようとする課題は，大量の流体を処理するための，改良されたデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば，複数の層と，共通マニホルドとを備えるマイクロ流体デバイスが提供される。このマイクロ流体デバイスにおいて，前記複数の層における各層は，入口と，少なくとも２つの出口とを備え，該入口が，流路を介して，前記少なくとも２つの出口と連通し，前記複数の層における各層の入口が，前記共通マニホルドと連通する。マイクロ流体デバイスは，更に，流体が，前記共通マニホルドから前記複数の層における各層の入口を経て各層の前記少なくとも２つの出口に向けて通過可能であり， 使用時に，特定の直径範囲を有する目標粒子集団を含む流体を前記デバイスにより処理可能とするように構成され，かつ，流体が前記共通マニホルドから，前記複数の層における各層の流路を，該層の前記入口を経て通過する際に，前記複数の層における各層の第１出口から前記目標粒子集団を含む流体が捕集され，前記複数の層における各層の第２出口から前記目標粒子集団を実質的に含まない流体が捕集されるように構成されている。
【００１０】
好適には，複数の層における各層の流路は，デバイスにより処理すべき流体中に存在する可能性のある目標粒子集団が，存在する場合には，もっぱら前記少なくとも２つの出口のうちの一方のみに集中するように構成される。前記複数の層における各層の第１出口を集中出口として構成し，目標粒子集団は，流路内で集中させた後，前記集中出口を通過させることができる。第２出口を非集中出口として構成し，第２出口を通過する流体が目標粒子集団を実質的に含まないものとすることができる。
【００１１】
当業界において既知の流体処理デバイスは，典型的には，流体から目標粒子集団を別々に除去するフィルタ（複数）の使用を必要とする。目標粒子集団はフィルタ上で捕集され，フィルタが詰まって作動継続のために好感が必要となるまで堆積する。
【００１２】
この態様に係るデバイスは，目標粒子集団をバルク流体からフィルタを使用せずに選択的に除去可能とするものであり，そのためにフィルタの周期的な清掃又は交換は不要である。
【００１３】
更に，目標粒子集団を含む流体は，本発明に係るデバイスにより処理した後には減量するので，本発明に係るデバイスによれば，目標粒子集団の濃度を高めることができ，例えば目標粒子集団がより容易に検出可能となる。
【００１４】
好適には，前記共通マニホルドは，前記複数の層における各層の流路を通過する流体の流速を略同一とするように構成される。
【００１５】
理論に固執する積りはないが，発明者らの研究によれば，目標粒子集団を，第１出口から捕集される流体のみに含ませる能力は，処理される流体の流速，特に，目標粒子直径に対する流路寸法等に依存する。従って，デバイスの各流路を通過する流体の流速を，略同一とすることが肝要である。
【００１６】
共通マニホルドを設けて流体をデバイスにおける各層の入口で共通速度とすれば，デバイスの各層が流体を同様に処理し，各層の第１出口は同一の目標粒子集団を通過させることができる。従って，本発明に係るデバイスにおける複数の層は流体を並行処理し，これにより，各流路による処理容量が小さい場合であっても，大量の流体を一時に処理することができる。例えば，複数の層が２０層よりなる実施形態において，各層の処理容量がたかだか３０−８０ｍＬ/ｍｉｎであっても，デバイスは１Ｌ/ｍｉｎを処理するように構成することができる。
【００１７】
更に，共通マニホルドを設けたことにより，デバイスにより処理すべき流体を単一の入口（共通マニホルドの入口）によりデバイスに導入することができ，従って，例えば単一の圧力源と，単一セットの継手を使用することができる。単一のポンプ，又はその他の単一の圧力源を使用すれば，複数の層における各層の入口，従って流路を流れる流体の流速を，より容易に制御し，かつバランスさせることにより，各流路を通しての流速を略同一とすることが可能である。さらに，単一セットの継手と，単一の圧力源のみで足りるデバイスは，典型的には，デバイスの流路を圧力源に接続するために必要とされるスペースを低減可能とするものである。従って，本発明に係るデバイスは，流体を処理するための簡便な解決手段であり，当業界において既知のデバイスよりも費用対効果に優れ，省スペース化を達成するものである。
【００１８】
好適には，共通マニホルドは単一の入口を備える。共通マニホルドは分岐部を備えることができる。共通マニホルドはマニホルド出口を備えることができる。マニホルド出口は，複数の層における各層の流路の入口と直接的に流体接続することができる。これにより，流体は，共通マニホルドの入口から複数の層における各層の入口に向け，分岐部及びマニホルド出口を経て流れることができる。
【００１９】
マニホルド出口は，伸長形状とすることができる。
【００２０】
典型的に，共通マニホルドは，デバイスにおける複数の層に対してシール手段を介して接続する。スール手段は，デバイスと共通マニホルドとの間に配置することができる。シール手段により，共通マニホルドからの流体を，デバイスの複数の層における各層の入口に，流入させることができ，その際に共通マニホルドとデバイスとの接続部における漏洩を生じることのない流体密封シールを構成することができる。典型的に，シール手段は，共通マニホルドをデバイスとの接続部に向けて押圧することにより変形可能とした弾性材料から形成する。例えば，シール手段はゴム又は類似材料から形成されるガスケットで構成することができる。
【００２１】
複数の層における各層の流路は，直線状とすることができる。
【００２２】
好適には，複数の層における各層の流路は，湾曲形状とする。複数の層における各層の流路は，弧状とすることができる。流路の曲率は，流路の長手方向で一定とすることができる。好適には，複数の層における各層の流路は，スパイラル（らせん）を形成する。この場合，流路の曲率は，流路の長手方向で変化させることができる。典型的に，流路の曲率の符号は変化させない。この場合，流路の凹壁は湾曲壁の長さに沿って凹壁に維持され，流路の凸壁は湾曲壁の長さに沿って凸壁に維持される。代替的に，流路の曲率の符号を変化させて流路を蛇行させることもできる。しかしながら，蛇行流路は流路内で複雑な流れを形成するので，目標粒子集団を複数の層における各層の第１出口に対して効果的に集中させることができない場合がある。
【００２３】
湾曲流路を通過する懸濁粒子は流路内における平衡点に集中すること，並びに，その平衡点の位置は主として粒子直径に依存し，程度の差こそあれ粒子の形状及び変形性にも依存することが判明した。一般的に，曲率の度合いが大きいほど，流路を通過する流体中で懸濁する粒子に作用する慣性力が大きくなり，従って粒子を流路内における平衡点に集中させるために流路に沿って移動させるべき距離が短くなる。
【００２４】
例えば，本発明の一実施形態において，流路はスパイラル状であり，その最大半径は１０ｃｍである。
【００２５】
好適には，使用時において，流体は複数の層における各層を同時並行的に通過する。
【００２６】
複数の層における各層の入口は，開放構造とすることができる。複数の層の各層における少なくとも２つの出口は，開放構造とすることができる。複数の層における各層の入口及び少なくとも２つの出口を開放構造とすれば，複数の層の各層における流速をより容易に制御し，かつ，等化させることができ，従って，複数の層の各層により流体を同様に処理することができ，即ち，粒子を同一の目標直径に集中化させることができる。
【００２７】
好適には，複数の層で積層体を構成し，この積層体における各層は，積層体において先行する層を実質的にカバーする構成とする。好適には，積層体における各層の入口は，互いに均等に離隔させる。この場合，デバイスの専有面積は，単層の専有面積と略等しくなる。従って，デバイスは，交互配置型の層を備える既知のデバイスや，複数の層を位置平面内に備える既知のデバイスよりも効率的なスペース配置を有し，コスト面でより優れている。
【００２８】
好適には，複数の層における各層は，略同一の寸法とする。好適には，複数の層における各層の流路の幅は，複数の層における各層の流路の高さの約３倍〜約１０倍とする。更に好適には，複数の層における各層の流路の幅が，流路の高さの約４倍〜約７倍とする。更に好適には，複数の層における各層の流路の幅は，流路の高さの約６倍とする。
【００２９】
複数の層は，少なくとも２つの層を備える。好適には，複数の層は，少なくとも１０層を備える。更に好適には，少なくとも２０層を備える。例えば，複数の層は，５層，１０層，２０層，３０層，４０層，５０層，６０層，７０層，８０層，９０層又は１００層を備える。
【００３０】
デバイスの層数は，所与の時間内における流体処理量に適合させることができる。従って，本発明に係るデバイスは，従来既知のデバイスよりも柔軟性に優れ，潜在的容量が大きい。
【００３１】
好適には， 複数の層における各層は，流路を流れる流体中の目標粒子集団を，もっぱら層の第１流路に集中させるに十分な長さとする。例えば，流路を湾曲させた実施形態において，流路を十分な長さとすることにより，使用時に流路内にディーン流れが生成され，慣性集中化作用により粒子集団を集中化させ，目標粒子集団が第１出口のみを通過する構成とする。
【００３２】
例えば，６ループを備え，最小寸法（例えば流路の高さ）が５００μｍであるスパイラル流路の場合には，粒子直径が約１２５μｍの粒子を集中化させるために流路の長さは約１．３ｍとする必要がある。他の実施形態として，６ループを備え，最小寸法が３０μｍであるスパイラル流路の場合には，粒子直径が約３．６μｍの粒子を集中化させるために流路の長さは約８ｃｍとする必要がある。
【００３３】
複数の層における各層は，少なくとも３つの出口を備えることができる。複数の層における各層の流路は，２種の目標粒子集団を流路における２つの別領域内に集中させる構成とすることができる。この場合，第１の目標粒子集団を含む流体は第１出口を通過し，第２の目標粒子集団を含む流体は第２出口を通過し，第１及び第２の目標粒子集団を含まない流体は第３出口を通過する。
【００３４】
複数の層における各層は，当該層における少なくとも２つの出口と流路との間に膨張チャンバを備えることができる。膨張チャンバは流路よりも大きな断面積を有するので，流体が膨張チャンバに流入する際に流体の流速が低下する。
【００３５】
膨張チャンバを設ければ，デバイスにより処理している途上の流体に含まれる粒子をより容易に観察し，かつ特定することが可能である。従って，膨張チャンバを備えるデバイスによれば，処理途上の流体に含まれる汚染物質を特定し，流体を更に処理すべきか，又は検査すべきかを決定することが可能である。
【００３６】
膨張チャンバは，デバイダを備えることができる。デバイダは，膨張チャンバ内を流れる流体を，第１出口に向けて流れる流体と，第２出口に向けて流れる流体に分割することができる。従って，使用時にデバイダは，目標粒子集団を含む流体を第１出口に向け，目標粒子集団を含まない流体を第２出口に向ける構成とすることができる。
【００３７】
膨張チャンバは，複数のデバイダを備えることができる。例えば，複数の層における各層が３つの出口を備える実施形態において，膨張チャンバは，第１のデバイダと，第２のデバイダとを備えることができる。この場合，第１のデバイダは，第１の目標粒子集団を含む流体を第１出口に分配し，第１の目標粒子集団を含まない流体を第２出口に分配することができる。そして，第２のデバイダは，第２の目標粒子集団を含む流体を第２出口に分配し，第１の目標粒子集団を含まない流体を第３出口に分配することができる。代替的に，第１のデバイダは，第１の目標粒子集団を含む流体を第１出口に分配し，第１の目標粒子集団を含まない流体を第２出口に分配可能とすることができる。また，第２のデバイダは，第２の目標粒子集団を含む流体を第２及び第３出口に分配し，第１の目標粒子集団を含まない流体を第３出口に分配することができる。そして，第２のデバイダは，第１のデバイダにより向けられた流体を，第２の目標粒子集団を含み，第２出口に向けられる流体と，第２の目標粒子集団を含まず，第３出口に向けられる流体とに分割可能とすることができる。
【００３８】
好適には，複数の層における各層の流路は，使用の間，流路を通過する目標粒子直径の粒子を流路の一側に集中させるように寸法を決定する。典型的に，複数の層における各層の流路は，目標粒子直径を有する粒子に作用する競合的な力が流路の共通領域において最小化されて平衡点を形成し，これにより「集中化」された粒子が，例えば第１出口を経て層から排出されるように寸法を決定する。
【００３９】
理論に固執する積りはないが，発明者らの研究によれば，競合する力，即ち，せん断誘起型の揚力及び壁誘起型の揚力，そして流路を湾曲させた実施形態においては遠心力と，遠心力を補償するディーン流れに基づくディーン抗力が，流路内において異なる粒子直径の粒子のための異なる平衡点を形成し，これにより異なる粒子直径の粒子を分離し，目標粒子集団をバルク流体から除去し，又は濃縮して減量させることができる。
【００４０】
流路を湾曲させた実施形態において，平衡点は，直径が流路幅に対して所定の比をなす粒子用流路の内壁近傍に形成される。この平衡点の位置は，典型的には粒子直径，流路の形態及び寸法，流体の粘度及び流速に依存する。この種の粒子集中化は，当業界において，しばしば「慣性集中化」を称されている（末尾に記載の非特許文献６，７を参照）。例えば，発明者らは，６ループを備えるスパイラル状流路において幅が３ｍｍ，高さが０．５ｍｍ，スパイラルの外側リングにおける外径が２０ｃｍであり，流速が３０ｍＬ／ｍｉｎ〜７０ｍＬ／ｍｉｎである場合に，寸法が約０．１２５ｍｍ〜約０．４９ｍｍの水中粒子が第１出口のみに向けて集中化されることを見出した。
【００４１】
所与の流路湾曲度合いについて，そして所与の流速について，高さが約３０μｍ，幅が約１８０μｍの流路によれば，直径が少なくとも３．６μｍの粒子を集中化させることができる。また，高さが約３００μｍ，幅が約１８００μｍの流路によれば，直径が少なくとも３６μｍの粒子を集中化させることができる。
【００４２】
適宜に，流路は，上述した最小直径から，流路を自由に通過し得る最大直径に至るまでの粒子を集中化させることができる。例えば，高さが約３０μｍ，幅が約１８０μｍの流路によれば，直径が約３．６μｍ〜約２５μｍの粒子を集中化させることができる。
【００４３】
典型的には，使用の間，デバイスは，水又は水性流体を処理するように使用される。例えば，デバイスは，水を処理して大きな粒子を水から採取するために使用することができ，これにより，小さな水系病原体についての水質検査を，より容易に実行可能とすることができる。他の例として，デバイスは，血液などの体液を処理し，幹細胞又は血液細胞などの細胞を採取するように使用することができる。更に他の例として，デバイスは，バイオ燃料用の藻類種を生成するために使用することもできる。
【００４４】
更なる例として，流体をオイルとすることができ，デバイスはオイルから粒子を除去するように使用することができる。例えば，デバイスは，ガスタービンや，ディーゼルエンジン又はガソリンエンジン等の回転重機械を対象とするオイルろ過ユニットにおいて使用することができる。この場合，機械からの排出オイルを共通マニホルドの入口に供給することができる。複数の層における各層の第１出口からオイルを汚染オイルリザーバに供給し，これにより，浄化／フラッシングのために粒子をシステムから捕集することができる。複数の層における各層の第２出口からオイルを清浄オイルリザーバに供給し，このリザーバを，第１出口から除去されたオイルと等しい量で充満させること（トップアップ）ができる。従って，機械を，全量オイル交換を必要とせずに稼働させることができる。他の例として，汚染した廃棄オイルから清浄オイルを再生することができる。そのためにオイルを効果的にろ過して再使用のために浄化する。その際，例えばフィルタの交換は必要とされない。
【００４５】
複数の層における各層の流路は，コーティングを備えることができる。各層の流路内面は，各流体中の粒子の付着を阻止するコーティングを備えることができる。例えば，流体が血液細胞や幹細胞等の細胞を含む実施形態において，コーティングは，細胞が流路表面に付着するのを防止することにより，流路を通しての流体の流れを阻害又は阻止しかねない流路内部における物質堆積を防止することができる。コーティングは，例えば，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等で構成することができる。コーティングは，例えば，ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）等の阻害タンパクで構成することができる。流路がケイ酸塩材料，例えばガラスからなる実施形態において，コーティングはシランで構成することができる。
【００４６】
使用の間，複数の層における各層の第１出口から捕集された，目標粒子集団を含む流体は，本発明の第１の態様に係るデバイスにおいて流体を共通マニホルドの入口に供給することより，更に処理することができる。従って，目標粒子集団を含む流体を減量することができ，これにより目標粒子集団を濃縮してより容易に検出可能とすることができる。
【００４７】
この態様に係るデバイスの複数個を，更なる共通マニホルドにより並列接続することができる。この更なる共通マニホルドは，複数の層の各層における各共通マニホルドの入口と流体接続され，これにより更なる共通マニホルドからの流体が，複数の層の各層における各共通マニホルドの入口を経て各共通マニホルドを通過し，複数の層の各層における少なくとも２つの出口に向けて流れる構成とすることができる。更なる共通マニホルドは，複数の層の各層における各共通マニホルドの入口を通過する流体の流速が略同一となるように構成することができる。
【００４８】
従って，更なる共通マニホルドにより接続される複数のデバイスを使用することにより，大量の流体を均一に処理することができる。即ち，各デバイスの各層を通過する流体の流速が略同一であるため，実質的に同一の目標粒子集団を，複数のデバイスにおける各デバイスの各層により処理することができる。
【００４９】
更に，複数のデバイスにより処理される流体は単一のポンプにより圧送することができ，これによりコストを削減すると共に複数のデバイス間における圧送特性の均一性を担保することができる。
【００５０】
複数のデバイスは，少なくとも２０個のデバイス，少なくとも３０個のデバイス，少なくとも５０個のデバイス，少なくとも１００個のデバイス，少なくとも２００個のデバイス，少なくとも５００個のデバイス，又は少なくとも１０００個のデバイスを備えることができる。複数のデバイスは，２個〜５００個のデバイスを備えることができる。数のデバイスは，２個〜２００個のデバイスを備えることができる。複数のデバイスは，２個〜１０個のデバイスを備えることができる。例えば，複数のデバイスは，２個，５個，７個，１０個，１５個，２０個，２５個，又は３０個のデバイスを備えることができる。
【００５１】
本発明の第２の態様によれば，第１の態様に係るデバイスの使用方法が提供される。この使用方法は：
ａ  目標粒子集団を含む流体を準備し；
ｂ  流体を，デバイスにおける共通マニホルドの単一の入口に第１の流速で供給し；
ｃ  流体を，複数の層における各層の，少なくとも２つの出口から捕集する方法において，
複数の層における各層の第１出口から目標粒子集団を含む流体を捕集し，複数の層における各層の第２出口から目標粒子集団を実質的に含まない流体を捕集するものである。
【００５２】
好適には，第１出口から捕集される流体は，目標粒子集団の大部分を含む。好適には，第１出口から捕集される流体は，目標粒子集団の全部を含む。
【００５３】
複数の層を備えるデバイスを使用し，複数の層の各層における入口を，共通マニホルドを介して単一の圧力源，例えばポンプと流体接続することにより，大量の流体を処理するために必要とされる機材を減少させ，流体を各入口に供給するために単一のポンプのみが必要とされ，デバイスの複数の層における各層の全ての入口を通じての圧力の均一化又は平衡化を大幅に簡略化することができる。従って，複数の層における各層により，これを通過する流体を，複数の層における他の全ての各層によると略同様に処理することができる。
【００５４】
好適には，流路の短寸法を高さとする実施形態において，目標粒子集団の粒子直径を，各層における流路の高さの約１／６とする。一定の粒子直径範囲を有する目標粒子集団の平均粒子直径は，複数の層における各層の流路高さの約１／６とすることができる。代替的に，一定の粒子直径範囲を有する目標粒子集団の最小粒子直径を，各層の流路高さの約１／６とすることができる。
【００５５】
複数の層の各層における流路寸法と，デバイスにより集中化させるべき粒子の粒子直径との関係は，流路寸法をある閾値寸法以下まで減少させれば変化することがある。例えば，流路高さを短寸法とする実施形態において，閾値寸法を上回る場合には，複数の層の各層における流路は，粒子直径が流路高さの少なくとも約１／６の粒子を集中化させることができる。また，閾値寸法を下回る場合には，複数の層の各層における流路は，粒子直径が流路高さの少なくとも約１／１０の粒子を集中化させることができる。
【００５６】
典型的には，粒子集団は，粒子直径を流路の有効流体直径で除した値が０．０７以上である場合に，所与の流路により集中化させることができる。流路の有効水力直径は，次式により計算することができる。
【数１】
0006746619.tif 000002
(１)
ここに，ＤＨは水力直径，ａは流路幅，ｂは流路高さである。
【００５７】
流体は，目標粒子集団の粒子直径範囲外の粒子直径を有する１種又は２種以上の粒子集団を含む場合がある。この場合，第１入口からの流体が，目標粒子集団に属さない粒子を含む構成とすることができる。第２入口からの流体が，目標粒子集団に属さない粒子を含む構成とすることができる。第１入口及び第２出口の両者からの流体が，目標粒子集団に属さない粒子を含む構成とすることができる。
【００５８】
第１出口から捕集された流体は，第１の態様に係るデバイスにより更に処理することができる。そのためには，捕集した流体を共通マニホルドの入口に供給する。従って，目標粒子集団を含む流体を減量し，これにより目標粒子集団を濃縮することにより，目標粒子集団を例えばより容易に検出可能とすることができる。これに加えて，目標粒子集団を含む流体を減量させることにより，目標粒子集団を実質的に含まない大量の流体を捕集することが可能となり，これにより目標粒子集団を含む流体が効果的にろ過される。
【００５９】
本発明の第３の態様によれば，流体から粒子集団を除去するためのシステムが提供される。このシステムは，第１の態様に係るデバイスの複数個を備え，第１デバイスの第２出口が後続デバイスの入口に流体接続され，第１デバイスの流路は，第１粒子直径範囲の粒子を集中化させて第１デバイスの第１出口に向けるように寸法が決定され，第２デバイスの流路は，第２粒子直径範囲の粒子を集中化させて第２デバイスの第１出口に向けるように寸法が決定され，流体が前記複数のデバイスを通過する際，第１及び／又は第２粒子直径範囲内の粒子直径を有する粒子集団が含まれる流体を順次に除去する構成とされている。
【００６０】
好適には，流体は，第２の態様に係る方法を使用するシステムにおける各デバイスにより処理する。
【００６１】
好適には，システムにおける各後続デバイスにより除去すべき目標粒子集団の粒子直径又は粒子直径範囲を，先行デバイスにおけるよりも小さく設定し，システム内における先行デバイスよりも小さな粒子を各後続デバイスにより除去する構成とする。
【００６２】
特定の粒子直径又は粒子直径範囲を有する目標粒子集団は，バルク流体がシステムを通過する際に，各デバイスによりバルク流体から選択的に除去される。好適には，システムにおける各デバイスは，システムにおける他のデバイスとは異なる目標粒子集団を除去するように構成する。典型的には，システムにおける第１デバイスを，最大粒子直径の目標粒子集団を除去するように構成し，第２デバイスを，第１デバイスの対象とする最大粒子直径よりも粒子直径の小さい目標粒子集団を除去するように構成し，以下同様である。例えば，第１の態様に係るデバイスの３つを備える実施形態においては，システムにおける第１デバイスを，第１粒子直径又粒子直径範囲（最大粒子直径）の目標粒子集団を除去するように構成し，第２デバイスを，第２粒子直径又粒子直径範囲（２番目に大来な粒子直径）の目標粒子集団を除去するように構成し，第３デバイスを，第３粒子直径又粒子直径範囲（最小粒子直径）の目標粒子集団を除去するように構成することができる。残った流体は，第１〜第３粒子直径又粒子直径範囲の目標粒子集団を実質的に含まない流体である。
【００６３】
本発明に係るシステムの各デバイスにおける各層の第１出口は，そのデバイスにおける共通マニホルドと流体接続し，目標粒子集団を含む流体をそのデバイスにより更に処理することにより，目標粒子集団を含む流体を減量し，これにより目標粒子集団を濃縮する構成とすることができる。希薄な粒子集団の濃縮により，例えばその粒子集団をより容易に検出することができる。更に，目標粒子集団を含む流体を再処理することにより，目標粒子集団を含まない，より大量の流体を得ることができ，目標粒子集団を含む流体のろ過機能を効果的に発現させることができる。
【００６４】
典型的には，複数のデバイスにおける各デバイスの共通マニホルドを，その駄馬椅子のためのリザーバと流体接続する。デバイスの第１出口からそのデバイスのためのリザーバに流体を供給し，流体をデバイス内で再循環させる構成とすることができる。
【００６５】
従って，システムは複数のリザーバを備え，各リザーバは複数のデバイスにおける各デバイスと関連付けられている。
【００６６】
好適には，流体は，水性液体である。例えば，流体は，各種直径を有する粒子で汚染されている場合のある水とすることができる。代替的に，流体は体液とすることができる。例えば，流体は，血液，創傷液，血漿，漿液，尿，大便，唾液，臍帯血，絨毛膜絨毛試料，羊膜液，大腿骨頚部洗浄液，又はこれらの組み合わせとすることができる。
【００６７】
この態様に係るシステムにより処理された流体は，目標粒子直径の粒子を検査する準備が整っている。例えば，この態様に係るシステムにより処理された水は，一般的には存在し得るより大きな粒子を対象とする通常のろ過を必要とせずに，クリプトスポルジウムやジアルジア等の水系病原体の存否を検査するのに適当である。代替的に，異なる粒子集団をシステムにおける複数のデバイスの各デバイスにより濃縮し，バルク流体における複数の目標希薄種を，例えばその目標種の検査により適した，より少量の流体に濃縮することができる。従って，システムにより，流体が処理される間に，複数の目標試料を検査に適した濃度まで濃縮することができる。
【００６８】
所与の目標粒子直径の濃縮粒子集団を，この態様に係るシステムにおけるデバイスの１つにより濃縮し，得られた目標粒子直径の粒子集団を検査のために十分な濃度まで濃縮することができる。目標粒子直径の粒子集団を濃縮するに先立って，目標粒子直径よりも大きい粒子直径の粒子をシステムにおける先行デバイスにより濃縮する実施形態において，目標粒子直径の粒子は，より大きな粒子の存在しない状態で濃縮することができる。
【００６９】
システムは，この態様に係るデバイスの複数個を，更なる共通マニホルドにより並列に接続された状態で備えることができる。更なる共通マニホルドは，複数のデバイスにおける各デバイスの各共通マニホルドの入口と流体接続することができる。これにより，流体は，複数のデバイスにおける各デバイスの各共通マニホルドの入口を経て，それぞれの共通マニホルドを通過して，複数のデバイスにおける各デバイスの各層の出口まで流れることができる。更なる共通マニホルドは，は，複数のデバイスにおける各デバイスの各共通マニホルドの入口を通過する流体の流速が略同一となるように構成することができる。
【００７０】
従って，更なる共通マニホルドにより接続された複数のデバイスを使用すれば，より大量の流体を均一に処理することができる。即ち，各デバイスの各層を通過する流体の流速を略同一とし，略同一の目標粒子集団を，複数のデバイスにおける各デバイスの各層により処理することが可能である。
【００７１】
更に，複数のデバイスにより処理される流体は単一のポンプにより圧送することができ，これによりコストを削減すると共に複数のデバイス間における圧送特性の均一性を担保することができる。
【００７２】
複数のデバイスは，少なくとも２０個のデバイス，少なくとも３０個のデバイス，少なくとも５０個のデバイス，少なくとも１００個のデバイス，少なくとも２００個のデバイス，少なくとも５００個のデバイス，又は少なくとも１０００個のデバイスを備えることができる。複数のデバイスは，２個〜５００個のデバイスを備えることができる。数のデバイスは，２個〜２００個のデバイスを備えることができる。複数のデバイスは，２個〜１０個のデバイスを備えることができる。例えば，複数のデバイスは，２個，５個，７個，１０個，１５個，２０個，２５個，又は３０個のデバイスを備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
次に，添付図面を参照しつつ，本発明の実施形態を非限定的な例示として更に詳述する。
【図１】本発明の一実施形態に係るデバイスの平面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るデバイスの側面図である。
【図３ａ】本発明の一実施形態に係るデバイスの斜視図である。
【図３ｂ】本発明の一実施形態に係るデバイスの一部の分解図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る共通マニホルドの斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る共通マニホルドを通しての流速プロファイルを示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態の線図的な平面図であり，目標粒子集団を集中粒子出口に集中させる態様を示す。
【図７】実験室で作動させている積層体の写真であり，ボックス断面の出口を示す。
【図８】キャリブレーションのためのコード長分布を示すグラフである。
【図９】テスト２（ＴＡＰ水中）のためのコード長分布を示すグラフである。
【図１０】５つのデバイスを順次接続した本発明の一実施形態に係るシステムの線図的な説明図である。
【図１１】５００μｍデバイス（入口）のコード長分布を示すグラフである。
【図１２】５００μｍデバイス（大型出口）のコード長分布を示すグラフである。
【図１３】５００μｍデバイス（非集中出口）のコード長分布を示すグラフである。
【図１４】３００μｍデバイス（集中出口）のコード長分布を示すグラフである。
【図１５】３００μｍデバイス（非集中出口）のコード長分布を示すグラフである。
【図１６】２００μｍデバイス（集中出口）のコード長分布を示すグラフである。
【図１７】カスケード（２００μｍデバイス／集中出口）からの最終結果を示すグラフである。
【図１８】スーパーマニホルド及び複数のマイクロ流体デバイスを備える本発の一実施形態に係るシステムの線図的な説明図である。
【図１９】本発明の一実施形態に係る更なる共通マニホルドを通しての流速プロファイルを示すグラフである。
【図２０】本発明の一実施形態に係る更なる共通マニホルドを通しての流速プロファイルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
以下，本発明の各種実施形態の製造及び使用について更に詳述するが，本発明が広範な特定の文脈で実施することのできる発明概念を提示するものであることは，言うまでもない。上述する特定の実施形態は，本発明を製造し，又は使用する特定の態様の単なる例示に過ぎず，発明の範囲を限定するものではない。
【００７５】
本発明の理解を容易ならしめるため，幾つかの用語は以下の通り定義される。本明細書において定義される用語は，本発明の関連技術分野において当業者が常識的に理解する意味合いにおいて使用するものである。 “ａ”，“ａｎ”及び“ｔｈｅ”等（英文の冠詞）は，単複を限定するものでなく，便宜的に使用される場合の特定種は，より上位の分類も包括する。本明細書における用語は，本発明の特定の実施形態を記載する目的で使用されているが，特に明記しない限り，その使用により本発明が限定されるものではない。
【００７６】
図１〜７に示すように，マイクロ流体デバイス１は，２０枚の層４よりなる積層体２と，共通マニホルド６とを備える。各層は，入口８と，第１出口１０と，第２出口１２とを備える。入口８は，スパイラル流路１４及び膨張チャンバ１６を介して第１及び第２出口１０，１２に接続されている。膨張チャンバ１６はデバイダ１８を備える。流体は，デバイス１における各層４の入口８から共通マニホルド６を介して導入される。共通マニホルド６は，デバイス１における各層４に亘って延在し，各層４の面に対して垂直方向に向けられている（図２を参照）。
【００７７】
使用の間，図５及び図６に示すように，処理すべき流体は共通マニホルドにおける単一の入口２２に対してポンプ圧送され，共通マニホルドの分岐部２４を経て，そして流速が略等化される共通マニホルドの開放部を通して，各層における入口に供給される。マニホルドは，各層の入口に亘っての圧力を等化・バランスさせ（図５を参照），これにより各層の各流路を通しての流速を確実に略同一とする。次に流体は，各層の各流路を通過して膨張チャンバ内に流入する。更に流体は，デバイダにより分割されて，各層における第１及び第２の出口に向けられる。そして，流体は，各層における第１の出口及び第２の出口から捕集される。第１の出口からの流体２８には，典型的には，特定の粒子直径範囲を有する目標粒子集団も含めて，全ての粒子直径の粒子が含まれる。第２の出口からの流体３０には粒子が含まれるが，目標粒子集団は含まれない。
【００７８】
（デバイスの製造）
後述する各デバイスは，流路高さ対流路幅の比を１：６とした。
【００７９】
本発明に係るデバイスの製造方法を，広範な厚さ範囲内で市場において入手可能な材料の単なるレーザーカッティングの利点を活用して開発した。ＰＭＭＡ，ポリカーボネート，ＰＥＴ−Ｇは，肉厚２μｍ〜５００μｍ（及び，より大きな肉厚）で広範に入手可能である。ステンレス鋼シムも，肉厚１０μｍ以上のものが入手可能である。所要の各層を同一のレーザーテーブル上でパターン化し，これにより加工手段の負担を軽減することができた。ポート孔を共通ネジ（ＢＳＰＴ規格／ＮＰＴ規格等）によりタップ加工し，これにより標準的なパイプ接続具を装着可能とした。
【００８０】
スパイラル状の慣性集中化デバイスに島手段が必要とされない事実により，デバイスの流路をパターン化するために単純なカッティングを使用することが可能である。材料カッティングのためにレーザーカッティングテーブルを使用すれば，デバイスを量産に適した高速で製造することが可能である。レーザーテーブルのサイズ及びデバイスの専有面積に応じて，単一の稼働で複数のデバイスについてカッティングを行うことができる。デバイスの専有面積が減少するため，単一の材料シートを使用してのテーブル上での単一パスによる歩留まりが増加する。
【００８１】
より大きなデバイス（流路高さが１００μｍ超のデバイス）の場合，レーザーテーブル上でのカッティングに先立って，デバイス層の両面に接着性転写テープを貼付することにより接着を行った。テープの事前貼付により，流路の床及び天井となるエリアを接着剤のない状態に維持することができる。ポート及び基体層への直接的な貼付では，これらのエリアから接着剤を除去することができない。各デバイス層を整列ジグ上で積層し，間挿型の基体層を整列ジグ上に下向き摺動させるに先立って，テープ支持体を除去してデバイス層面を接着した。接着された層を取り出して裏側に反転させ，プロセスを繰り返して積層体の各層を組み立てた。接着剤の使用により，大面積上での接着を可能とするための高圧力が回避されることにより組み立てが簡略化される。
【００８２】
エンドプレートを積層体の両側に付加して，マニホルドのための入口流路周りのエリアをシール可能とした。これらのエンドプレートを機械加工して，マニホルドを組み込むために使用するクリップを収容可能とし，又はシール圧を印加するためのウェッジを使用することができる。完成した積層体をクランプして層間に閉じ込められていた空気を一掃した。クランプを積層体周りで時間的な感覚をおいて移動させることにより，接着層を全面と良好に接触可能とした。
【００８３】
しかしながら，接着性転写テープの使用は，小型デバイスにおいては適当ではない。小型デバイスの稼働に関与する圧力は遥かに高く（〜１５バール），接着剤による追加的な厚さは書くデバイスにおける集中化効果に大きな影響を及ぼす。この理由から，可塑剤及び溶剤により強化された熱接着技術を使用する別の方法が開発された（末尾に記載の非特許文献８を参照）。しかしながら，この技術は単独では反復できないことが判明した。市販されているポリマーが，特に厚い基体層（３ｍｍ及び１０ｍｍ）と，より薄いデバイス層（５０μｍ）との間で，組成において大幅に異なるためである。しばしば，材料（ＰＭＭＡ，ポリカーボネート等）の特性改質のために表面コーティングが使用されるが，これらのコーティングは接着させるべき材料に浸潤する可塑剤の妨げとなり得る。しかしながら，溶媒接着は，溶媒がデバイス層を侵襲する場合に，ジオメトリーの変化を来すことがある。
【００８４】
表面層に作用する溶剤（アセトン）を使用すれば，尿面コーティングの侵入を補助し，かつ表面の粗面化による接着可能面積が増大することが判明した。このデバイス層を可塑剤浴に浸漬してジオメトリーを保全した。デバイス層をバネ負荷プレス内に組み込んだ後，炉内で焼成することにより，信頼性の高い接着を達成した。このような組立て方法は，流路高さが５０μｍであり，〜８バールの圧力下で作動し，５μｍのビードを集中化する単層流路の接着に有効であることを確認した。
【００８５】
マニホルドは，３Ｄ印刷技術を使用して製造した。シミュレーションに使用した３Ｄモデルを，印刷に使用する標準的な．ｓｔｌファイル形式に変換した。１／８インチのＢＳＰＴネジにより接続用ポート孔にタップしてチューブ接続用としての６ｍｍの押込み嵌合型エルボーを形成した。
【００８６】
ガスケット材料から単純なゴムガスケットを形成し，マニホルドを所定位置に押し込む際のスリップを低減するための接着性転写テープを片面に貼付した。
【００８７】
最後に，積層体の出口を，ノッチエリアに沿うスライスを行う帯鋸を使用して開口させた。これらに開放出口は，出口ポートを等しい高さでドリル加工した後，所定長さのボックス断面内に収容した。これにより，積層体を水平面上で稼働させる際の出口背圧を，両出口間で均等に分配することが可能となる。
【００８８】
（試験結果）
複数の層を備えるデバイスを単一の圧力源により稼働させれば，１０００Ｌの処理水から２４時間以内にクリプトスポルジウムを処理する用途に課された量的スループット要件に適合させることができる。
【００８９】
例えば，２０層を備えており，各層の最小流路サイズが５００μｍであるデバイスは，典型的には，１Ｌ／ｍｉｎで処理することができる。
【００９０】
一般的に，層は，二次元的に一定の専有面積を維持する整列状態で積層される。この試験のため，２０層を備え，各層の最小流路サイズが５００μｍであるデバイスを３ｍｍの層間ピッチで積層し，１０ｍｍの追加的なエンドプレートによりマニホルドをシールする。この積層体を，１Ｌ／ｍｉｎで作動させる。これは，圧力が積層体を通じて均等に分布する理想的な条件下における各層毎の５０ｍＬ／ｍｉｎに相当する。この数値を採択した理由は，単一デバイスにおいて，目標粒子（２５０〜３００μｍ）の集中化が，概ね２０ｍＬ／ｍｉｎ〜８０ｍＬ／ｍｉｎの帯域内で生じることが確認されたからである。この帯域の中央値近傍の流速を目指せば，層間における最大流速の不一致にも関わらず，デバイスは機能することが可能である。
【００９１】
遠心ポンプを使用して，デバイスを通過する一定の流れを維持した。理想的な稼働条件下において，せん断応力がほとんど作用しない大きな粒子を含む液体媒体を圧送するためには，１軸ネジポンプがより適している場合がある。
【００９２】
試験条件は，次の表１に要約したとおりである。
【表１】
0006746619.tif 000003
【００９３】
（ＦＢＲＭプローブ）
使用したプローブは， 収束ビーム反射測定法（ＦＢＲＭ）に基づいたＧ４００  Ｌａｓｅｎｔｅｃ（メトラー・トレド社製）である。このプローブは，制御された速度でタイトなレーザービームを回転させる構成を有する。ビームが粒子を含む溶液をスキャンすると，粒子の一縁部から反対側に向けて再放出された反射光も検出される。この再放出の期間と，レーザービームの回転速度とを結び付ければ，粒子のコード長を推定することができる。
【００９４】
即ち，コード長は，粒子直径の指標である。特有のビード径については，分析すべき粒子が十分に多数である場合，コード長分布の中央値が粒子直径である。
【００９５】
ＦＢＲＭプローブにつき，赤色ビード（３８〜４５μｍ，Ｈ）と青色ビード（２５０〜３００μｍ，Ｌ）の両者における個別的なコード長分布（図８を参照）を確立するために，新たなビードを使用してキャリブレーションを行った。
【００９６】
試験は，水道水を流体媒体として使用して行った。試験結果に少量の汚染物質が現れるリスクがあるが，使用したマイクロビードの濃度が比較的高いことにより，汚染物質による影響（粒子百分率として現れる）は大幅に低減されるものと予測した。試料は，試験開始時点から，集中化出口のみを使用して入口リザーバに戻す循環モードにて循環させた。
【００９７】
図９は，非集中化出口からの大きな粒子が高度に激減し，大きな粒子成分が高度に濃縮されることを示す。予測に反して，小さい粒子成分の濃度も大きく増加していることが現れているが，これは，特に赤色ビードの非中立的な浮力と結び付いたサンプリング法の余効によるものと思われる。これは，集中化出口において，小さな粒子の集団が濃縮されている点からも認められる（表２を参照）。
【００９８】
少数の高コード長粒子の非集中化出口における存在が認められるが，これには３つの要因がある。第１に，ビードの断片化は，約１．７周回の全量サイクル数において最小化される。その反面，依然として多くの粒子が断片化され，その断片が，ＦＢＲＭプローブで大きな粒子として検出するのに十分な大きさの単粒寸法を有するにも拘わらず，集中化されない場合がある。第２に，ＦＢＲＭ機材を使用するプローブ法のため，１００ｍＬ試料の攪拌に由来して，任意の所与の試料において同一のビード又はビード断片が２回以上検出される確率がある。
【表２】
0006746619.tif 000004
【００９９】
（平行ステージの結論）
２０層のみを単一の圧力源により同時に稼働させたが，デバイスの層間スペースを適切に設定すれば同様の形態でより多くのデバイスを稼働させることができるものと考えられる。これは，プロファイルが最小のデバイスにより，先行するステージにおけると同等の量的スループットを達成可能とする上で必要なことである。１００μｍの層間ピッチで配置された３００層の積層体を形成できるよう，微修正も含めた規模拡大によって３０μｍの積層体を作成した。想定によれば，ピッチを更に１００μｍまで減少させることにより，５００層まで増加させることができる。３００層デバイスの場合，各モジュールの量的スループットは１５０ｍＬ／ｍｉｎ（３００×５００μＬ／ｍｉｎ）となる。５００層デバイスの場合，これは１５０ｍＬ／ｍｉｎとなる。従って，量的要件に適合するためには４個のデバイスが必要となる。各デバイスの前段側で「スーパーマニホルド」を使用すれば，これら４個のデバイスを単一の圧力源で稼働させることができる。これは，大きなマニホルドが次の組のマニホルドの圧力を分配して有用な機能デバイスを通じてその圧力を更に分配するフラクタル効果を創生するものである。
【０１００】
（複数デバイスのカスケード）
本発明の一実施形態に係るデバイスの３つを備えるシステム（カスケード）を使用して，水を処理すると共に水から３種の粒子集団を除去した。これらのデバイスは，流路高さが５００μｍのデバイス（５００μｍデバイス），３００μｍのデバイス（３００μｍデバイス），及び２００μｍのデバイス（２００μｍデバイス）である。
【０１０１】
特定寸法の粒子集団を代表するために，表３に示すマイクロビードを使用した。
【表３】
0006746619.tif 000005
【０１０２】
供試デバイスは，臨界直径よりも大きい粒子をデバイスの内壁に向けて随伴させることのできる，スパイラル状の慣性集中化デバイスよりなるものである。高速カメラによる顕微鏡撮像を使用して稼働中における流れ中での粒子挙動を分析する場合の参照点が図示されている。
【０１０３】
臨界直径よりも小さい粒子は，集中化出口及び非集中化出口の両者に亘って分布している。以下に記載した２種の作動モードを検証した。
１．集中化出口を入口に直結して大きな粒子を濃縮（大粒子集中化）する再循環モード
２．単周回モード
【０１０４】
両作動モードを検証して，大量の水からのポリスチレンビード（表３）についての濃縮効率及び分離効率を決定した。
【０１０５】
（ＦＲＢＭによるサイズ分布の決定）
（予備試験）
これらの予備的な試験のため，ポリスチレンビードの２種の溶液（表４を参照）を同一のデバイスにより試験に供して，集中化させるべき粒子の臨界直径と，これら粒子の分離効率を決定した。
【表４】
0006746619.tif 000006
【０１０６】
これらの溶液は，（集中化出口をデバイス入口のリザーバに接続して集中化ビードを更に濃縮する）再循環モードにおいて，慣性集中化装置を一定の流速で通過させた。大きいビードが集中化出口で集中化され，小さい粒子が両出口に存在するものと予測した。システムを，供給量が１００ｍＬ（実験のため，より少量で希釈化可能である点に留意した上での，プローブ測定のための最小量）に達するまで稼働させた。次に，初期溶液及び両出口を，ＬＩＳＢＰ研究所（フランス国，ツールーズ・ホワイト・バイオテクノロジー社（ＴＷＢ社））において分析に供した。
【０１０７】
（分離されたビード及び脱イオン化水の結果）
先ず，各ビードファミリーのコード長分布を個別的に脱イオン化水及び界面活性剤中で処理して，粒子寸法に対するコード長のキャリブレーションを行った。
【０１０８】
コード長分布は，紫色，橙色，黄色及び青色の粒子についてはガウス分布であった。しかしながら，緑色及び白色の粒子についての分布は二峰性であった（表５を参照）。このような予測寸法からの乖離がプロ―ブ又はビードに由来するか否かを理解するため，分離されたビードの寸法をマスターサイザー（商標）（英国マルバーン・インストルメンツ社）により分析した。その結果に基づき，製造業者から供給されたビードの寸法は測定値と良い一致を見た。従って，プローブが未知の理由からビード寸法を過大評価したものと思われる。ＦＢＲＭ測定値と（製造業者の情報に基づく）予測寸法との乖離は，表５に示すとおりである。
【表５】
0006746619.tif 000007
【０１０９】
キャリブレーションカーブに基づき，コード長と粒子直径との対応性欠如は，必要であれば校正可能である。しかしながら，寸法の過大評価は，スパイラル流路における分離効率を特徴づけるＦＢＲＭの潜在能力を損なうものではない。，
【０１１０】
（カスケード試験結果）
試験１（脱イオン化水）による試験結果は，大きなビード（橙色及び紫色）と小さいビード（緑色）（それぞれコード長が約１０μｍ及び１００μｍ）の存在に対応して，２つの主コード長分布が測定されたことを示すものである。
【０１１１】
これらの試験結果に基づき，各分布についての最大分画数を比較して，次式（数２，数３）で定義される濃縮計数及び濃縮率を算出することができる。
【数２】
0006746619.tif 000008
ここに，ＮＦは図１１における分画数，ｉ は集中化出口又は非集中化出口である。
【数３】
0006746619.tif 000009
【表６】
0006746619.tif 000010
【０１１２】
試験１の濃縮係数は，供試ビードの出口における濃度を示す。大きな粒子が略完全に非集中化出口から除去されていることが明確に示されており，これにより，粒子を分離するために提案された技術の潜在能力が確認できる。集中化出口において大きなビードが，慣性分離による場合よりも２．２５倍以上に濃縮されており，これはサイクル数（４２０ｍｌ＊０．５＾２．２５≒９０ｍｌ）ともよく一致している。このシステムは，大量の水から粒子を分級するための強力なツールたり得るものである。
【０１１３】
（カスケードモードでの作動結果）
この実験のため，ビードの混合物（表７を参照）を５００μｍデバイスに導入した。次に，小さな（非集中化の最小粒子を収める）出口を３００μｍデバイスに挿入し，その最小出口を３００μｍデバイスに挿入した。その結果を，図１２〜図１８に示す。
【０１１４】
図１３は，５００μｍデバイスの出口で測定した分布を示す。この出口において，最大ビード（黄色及び青色）が略完全に分離され，若干の小さいビードが未だ存在していることを明確に示すものである。この結果は，非集中化出口における大きなビードの不在によっても顕著である。
【０１１５】
即ち，３００μｍデバイスの入口には，主として赤色，紫色及び橙色のビード（３８〜９０μｍ）と，緑色のビード（１〜５μｍ）が集中化されている。同様に，略全ての最大粒子が集中化出口で除去されるが，幾らかの断片が非集中化出口において認められる（図１５及び図１６を参照）。この出口では，白色ビード（１０〜２７μｍ）も認められる。２００μｍデバイスの出口では，残留する全ての粒子が検出された。
【表７】
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【０１１６】
この試験のための定量化は，マスターサイザーにより得られた結果に基づくものである。最大デバイスの「入口における分布を，図１１に示す。
【０１１７】
（生体クリプトスポルジウムの検査）
スコティッシュ・ウォーター社の中央研究所において，更なる試験を行った。この試験では，標準的なろ過による溶出緩衝液から尖頭化したｎ濃縮クリプトスポリジウム・パルバム（１００オーシスト／ｍＬ）を，流路高さ３０μｍのデバイスで４００μＬ／ｍｉｎで処理した。シリンジ・ポンプの使用上の制約から，５ｍＬの試料について単一パスを実施した。
【０１１８】
キュベット内の緩衝液に５００オーシストを投入し，２分間に亘って攪拌してオーシストを懸濁させた。試料をニードルから取り出してシリンジに移送した。シリンジ内に封入されている空気を，垂直に向けられたシリンジのタッピングにより，適度の損失（予測損失は数十オーシスト）の下で排気した。次に試料を，３０μｍデバイスを通過させて処理し，その排出液を２つの更なるキュベットに捕集した，
【０１１９】
そして，捕集された液体を０．２μｍの膜フィルタにより真空圧力下でろ過し，キュベットからピペットに移送した。次に，標準的な染色処理を膜フィルタ上で直接的に行い，手作業により反転蛍光顕微鏡で計数した。
【０１２０】
計数結果は，次のとおりである。
・集中化出口を有する３０μｍデバイス       肯定的な特定数  １２８
・非集中化出口を有する３０μｍデバイス     肯定的な特定数  ０
【０１２１】
この実験から確認された回収率（約２５％）は比較的に低いが，ライブの，そして分類されていない低濃度オーシストが成功裏に集中化され，回収された全てのオーシストは想定通りの出口からのものであることが示唆されている。これは，視覚的には確認できなかった。濃度が低く，蛍光がなく，顕微鏡対物系における通過速度が高かったからである。
【０１２２】
移送及びデッドボリュームによる損失は相当のものであり，デバイスの更なる試験により，幾らかのオーシスト（約４０〜５０オーシスト）がデバイスの入口近傍で凝集し，ここで幾つかの尖鋭角部で流れに滞留ゾーンを発生させることが判明した。これは，ＳＵ−８において，エピゲム社（英国レドカー所在）により標準的なフォトリゾグラフィー技術で製造された３０μｍチップの設計に由来するものである。
【０１２３】
オーシストについて予測された集中化効果を確認するため，代表的な４μｍの蛍光マイクロビードも３０μｍデバイスにより同一の流れ条件下で処理した。
【０１２４】
２μｍのマイクロビードも３０μｍデバイスにより処理したところ，集中化されない状態に止まることが確認された。これは，このデバイスにおける集中化のカットオフ点が，所与の流況（４００μＬ／ｍｉｎ）においては２μｍと４μｍの間にあることを示す。
【０１２５】
これらの実験の後，ジオメトリーを損なわずにデバイス層を成功裏に結合する技術（接着性転写テープなし）が開発され，これにより５０μｍデバイスをレーザーマイクロ加工により製造することが可能となった。このデバイスを５μｍのビードで試験したところ，この粒子サイズで成功裏に集中化が可能であった。
【０１２６】
これらのデバイスを製造する結合技術が完成したことにより，所要の歩留まりを達成するためにフォトリゾグラフィー技術が適用しづらい条件下において，デバイス積層体の製造が大幅に簡略化されることとなる。
【０１２７】
（結論）
スケール化された均一設計のスパイラル状集中化デバイスを順次にカスケード接続する戦略は，特定寸法を有する粒子集団を成功裏に分離し，かつ濃縮するために使用することが可能である。より大きな寸法を有する粒子集団の除去は，カスケード接続の下流側におけるより小さなデバイスが，その流路を通過し得る粒子よりも大きな粒子によって閉塞する事態を回避するために十分に有効である。
【０１２８】
マスターサイザー機材による試験結果は，５００μｍデバイスから３００μｍデバイスに，そして２００μｍデバイスに連なるカスケード接続を通過した後，検出物のうち非常に僅かな部分（体積比で０．５％未満）のみが大きな粒子である特徴を最も明瞭に示すものである。これらは，より大きな粒子の断片に由来するものであり，そのジオメトリーが変化したために集中化が損なわれことによるものと思われる。更に，これらの僅かな検出物の幾つかはマイクロビードの凝集を開放するために添加された界面活性剤により生じたバブルである可能性が高い。粒子を分散させるために溶液が，マスターサイザー機材に流入する際にも定常的に攪拌されているためである。
【０１２９】
ＦＢＲＭプローブから得られた結果は類似の特性を示すものであるが，コード長及び提示された実寸法との相関関係を理解するのは困難である。マスターサイザー機材を凌駕するＦＢＲＭプローブの利点は，再循環からの濃縮効果を予測する場合に，比較的高い信頼性が得られることである。
【０１３０】
更に，非常に低濃度の目標分析物，即ちクリプトスポリジウム・パルバム（１００オーシスト／ｍＬ）が、３０μｍデバイスにおいて成功裏に集中化されることが確認された。回収効率は試験機材及びセットアップ条件により相当の影響を受けたが，回収された全てのオーシストが，適正な出口から検索された。デバイスのおけるポート配置，ポンプ条件及び内面コーティングを修正すれば，より良好な回収効率が期待される。
【０１３１】
（更なる実施形態）
図１８に示すシステム１００は，ポンプ１０２が７個のマイクロ流体デバイス１０４にスーパーマニホルド１０６（更なる共通マニホルド）を介して接続された構成とされている。各デバイス１０８は，上述した第１の態様に従う構成とされている。図１８は，システムの線図的な説明図であり，簡略化のために単純化されている。例えば，共通マニホルドは，典型的にはデバイスにおける各層の入口と接触しているが，図１８では，共通マニホルドと層との間の流れを示すために分離して示されている。
【０１３２】
マイクロ流体デバイスの個数は，図１８に示す７個に限定されるものではない。例えば，デバイスの個数は１０個，１２個，１５個，２０個，２５個又は３０個とすることができる。
【０１３３】
流体はポンプにより，スーパーマニホルド，複数のデバイスにおける各デバイスの共通マニホルド１１０，及び各デバイスにおける各層の流路を通して圧送される。図１９及び図２０に示すように，スーパーマニホルド及び各デバイスにおける共通マニホルドは，各デバイスにおける各層の入口を通じて圧力を等化してバランスさせると共に，各層の各流路を通じて流速を略同一とするように構成されている。例えば，図２０は，スーパーマニホルドと，５個のデバイスにおける５個のマニホルド１１０を備える実施形態を示す。同図に示すように，共通マニホルドの入口１１２における流速は略同一であり，従って，システムにおける各デバイスにより処理される流体の流速は略同一である。
【０１３４】
その結果，本発明のシステムによれば，単一のポンプから流体を複数のデバイスに圧送して大量の流体を処理することができると同時に，システムにおける各デバイスの各流路を通じて流速を確実に略同一とし，各流路により同一粒子直径の粒子を濃縮することができる。
【０１３５】
本発明の上述した実施形態が本発明の単なる例示に過ぎず，本発明の更なる変更や修正が本発明の範囲内であることは，言うまでもない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０１３６】
【非特許文献１】Nugen, S.R., et al., PMMA biosensor for nucleic acids with integrated mixer and electrochemical detection. Biosensors and Bioelectronics, 2009. 24(8): p. 2428-2433.
【非特許文献２】Xu, S. and R. Mutharasan, Detection of Cryptosporidium parvum in buffer and in complex matrix using PEMC sensors at 5 oocysts mL-1. Analytica Chimica Acta. 669(1-2): p. 81-86.
【非特許文献３】Di Carlo, D., et al., Equilibrium Separation and Filtration of Particles Using Differential Inertial Focusing. Analytical Chemistry, 2008. 80(6): p. 2204-2211.
【非特許文献４】Beech, J.P., P. Jonsson, and J.O. Tegenfeldt, Tipping the balance of deterministic lateral displacement devices using dielectrophoresis. Lab on a Chip, 2009. 9(18): p. 2698-2706.
【非特許文献５】Holm, S.H., et al., Separation of parasites from human blood using deterministic lateral displacement. Lab on a Chip.
【非特許文献６】Lee, J.-W., M.-Y. Yi, and S.-M. Lee, Inertial focusing of particles with an aerodynamic lens in the atmospheric pressure range. Journal of Aerosol Science, 2003. 34(2): p. 211-224.
【非特許文献７】Russom, A., et al., Differential inertial focusing of particles in curved low-aspect-ratio microchannels. New journal of physics, 2009. 11: p. 75025.
【非特許文献８】Duan, H., L. Zhang, and G. Chen, Plasticizer-assisted bonding of poly(methyl methacrylate) microfluidic chips at low temperature. Journal of Chromatography A. 1217(1): p. 160-166
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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】
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【図１０】
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【図１１】
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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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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