(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的フィールド・フロー・フラクショネーション・プロセスによる粒子および分子の分離のための改良されたデバイスであって、
Ａ）二つのガラスの導電性電極を含み、導電性電極の対向する平行な表面には、透明な導電性金属酸化物が化学結合され、前記電極の分離は、
Ｂ）入り口から前記溝を通じて出口へと粒子を含んだ流体を案内するための溝を提供するため切り出され成形された絶縁スペーサによって行なわれ、さらに、
Ｃ）透明な被覆されたガラスの前記電極を照射するためのコヒーレント光が通過する観察手段と、
Ｄ）前記導電性電極を前記スペーサに対して平行に、かつ、前記スペーサからシールされるように保持するよう調節可能な締着手段とを含む、粒子および分子の分離のための改良されたデバイス。
【請求項２】
前記化学結合された透明な導電性金属酸化物は、錫酸化物である、請求項１に記載の改良されたデバイス。
【請求項３】
前記化学結合された透明な導電性金属酸化物は、インジウム錫酸化物である、請求項１に記載の改良されたデバイス。
【請求項４】
前記導電性電極の電気的導電性は、前記溝の流体を支持する領域の外側の、各導電性電極の全長に沿って、導電性の高い材料のストリップを接着することによって増加される、請求項１に記載の改良されたデバイス。
【請求項５】
電気的フィールド・フロー・フラクショネーション・デバイスの電極を溝の長さおよび幅にわたって互いに平行に設定する方法であって、
（ａ）結果的にそこを通じての可視性を可能にする透明性を有した導電性表面で被覆された、硬質の平らなガラスで前記電極を作るステップと、
（ｂ）前記電極を、前記電極の間の液体が流れる領域を規定するため切り出された一様なスペーサで分離するステップとを含み、前記スペーサは、また、圧力下で変形可能であることにより前記フロー領域をシールする働きをし、前記方法はさらに、
（ｃ）前記電極の外側に圧縮プレートを設けるステップを含み、それによって、前記スペーサは、前記電極によって圧縮され、前記方法はさらに、
（ｄ）前記圧縮プレート内に観察用ポートを設けるステップを含み、それによって、前記電極は目に見え、コヒーレント照明手段によって照明され得、前記方法はさらに、
（ｅ）前記電極を前記コヒーレント照明手段で照明し、前記照明された電極によって作り出される、結果としての干渉パターンの変化を、前記電極の平行性を改善するため前記圧縮プレートを調節するために使用するステップを含む、電気的フィールド・フロー・フラクショネーション・デバイスの電極を溝の長さおよび幅にわたって互いに平行に設定する方法。
【請求項６】
前記圧縮プレートは、硬質の透明な材料で作られ、それによって中の前記観察用ポートの必要性をなくす、請求項５に記載の電極を溝の長さおよび幅にわたって互いに平行に設定する方法。
【請求項７】
前記コヒーレント照明手段は、レーザーによって生成される、請求項５に記載の電極を溝の長さおよび幅にわたって互いに平行に設定する方法。
【請求項８】
調節可能な前記締着手段は１対の圧縮プレートを備え、前記圧縮プレートのそれぞれは前記導電性電極の外側に位置し、前記締着手段および前記導電性電極はナットおよびボルトの取付部によりまとめられている、請求項１に記載の改良されたデバイス。
【請求項９】
前記観察手段は、透明な材料よりなる圧縮プレートを前記締結手段に使用することで構成されている、請求項１に記載の改良されたデバイス。
【請求項１０】
前記圧縮プレートは、ポリメチルメタクリレートよりなっている、請求項６に記載の改良されたデバイス。
【請求項１１】
前記観察手段は、前記導電性電極表面の直接観察ができるように観察ポートが切り出された不透明材料からなる圧縮プレートを前記締結手段に使用することで構成されている、請求項１に記載の改良されたデバイス。
【請求項１２】
電気的フィールド・フロー・フラクショネーション・プロセスによる粒子および分子の分離のための改良されたデバイスであって、
Ａ）導電性となるようにドープされたシリコンからなる二つのプレートを含み、電極として機能する導電性のドープト・シリコンの前記プレートの分離は、
Ｂ）入り口から前記溝を通じて出口へと粒子を含んだ流体を案内するための溝を提供するため切り出され成形された絶縁スペーサによって行なわれ、
Ｃ）導電性のドープト・シリコンの前記プレートが透明となる波長のコヒーレントな赤外線放射が導電性のドープト・シリコンの前記プレートを照射するために通過する観察手段と、
Ｄ）導電性のドープト・シリコンの前記プレートを前記スペーサに対して平行に、かつ、前記スペーサからシールされるように保持する締着手段とを含む、粒子および分子の分離のための改良されたデバイス。
【請求項１３】
電気的フィールド・フロー・フラクショネーション・デバイスの電極を溝の長さおよび幅にわたって互いに平行に設定する方法であって、
（ａ）導電性となるようにドープされた硬質の平らなシリコンでプレートの前記電極を作るステップと、
（ｂ）前記電極を、前記電極の間の液体が流れる領域を規定するため切り出された一様なスペーサで分離するステップとを含み、前記スペーサは圧力下で変形可能であることにより前記フロー領域をシールする働きをし、前記方法はさらに、
（ｃ）前記電極の外側に圧縮プレートを設けるステップを含み、それによって、前記スペーサは、前記電極によって圧縮され、前記方法はさらに、
（ｄ）前記圧縮プレート内に観察用ポートを設けるステップを含み、それによって、前記電極は目に見え、かつ前記電極が透明となる波長でコヒーレント赤外線放射手段によって照明され得、前記方法はさらに、
（ｅ）前記電極を前記コヒーレント赤外線放射手段で照明し、前記照明された電極によって作り出される、結果としての干渉パターンの変化を、前記電極の平行性を改善するため前記圧縮プレートを調節するために使用するステップを含む、電気的フィールド・フロー・フラクショネーション・デバイスの電極を溝の長さおよび幅にわたって互いに平行に設定する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
近年、フィールド・フロー・フラクショネーションまたはＦＦＦとして公知の粒子分離技術の一類がますます一般的になってきている。このことは、ワールド・ワイド・ウェッブのhttp://www.rohmhaas.com/fff/fff.htmlで見つけられる包括的で詳細な文献目録の調査から明らかである。これらのＦＦＦ技術は、長く薄い溝の長い寸法に沿って圧力勾配を加えることで溝内に試料の入った流体を強制的に流れさせることを含む。多くの場合、溝は、スペーシング要素によって分離された上部および下部の平らなプレートを含み、スペーシング要素の厚みは、溝の幅よりもはるかに薄く、さらにまた、スペーシング要素は、溝をシールし、溝の水平寸法を規定する。圧力勾配に応じて、流体が移動し、その速度は周知の二次プーセルプロファイル（quadratic Pouiselle profile）をとる。プレートおよびスペーサに接触する流体は静止しており、その速度は溝の中央で最高値に達する。そして、フロー方向に対して垂直に、場が印加される。その結果粒子に加えられる力によって、力の符号に依存して、粒子は一方または両方のプレート表面に向かって移動させられる。力の絶対値および大きさは、加えられる場の性質に依存するが、これらのいずれの技術においても、粒子の濃度プロファイルは、表面近くに粒子を集中させる傾向のある作用場と、濃度を減じる傾向のある拡散効果とのバランスに帰されるであろう。ここでは、局所的濃度が極めて小さいため、粒子は相互作用しないものと仮定する。もし、場が大きすぎれば、粒子は、表面へと強制されるであろう。これは、立体モード分離（steric mode separation）として知られるが、本明細書では詳述しない。
【０００２】
どのような特定の粒子集団においても、プレート表面からの平均距離は、粒子の大きさ、形状、フィールド結合（field coupling）の大きさに依存して、大きく変動し得る。プレートの表面近くには、大きな速度のずれ（velocity shear）が存在するので、平均変位のより大きな粒子は、流体のストリーム中のより高速で移動する部分の中にくることとなり、溝に沿ってより速く輸送されるであろう。したがって、これらの粒子は、表面により近い粒子よりもはやく溶出（elute）するであろう。
【０００３】
多くの異なった作用場が使用されているが、各々、異なったメカニズムによって粒子を分離する。最もよく使用される場は、１）通常、沈殿法と呼ばれ、溝を遠心分離器内で回転させることにより生成される重力場、２）二つの等温プレートの間の温度差によって生成される熱的場、３）通常、フローと呼ばれ、半透膜を通るフローによって生成される流体力学的場、および、４）電極として作用する導電プレートによって生成される電気的な場である。本明細書が主として向けられるのは、後者のＦＦＦプロセスである。
【０００４】
電気的ＦＦＦ分離デバイス用のより良い電極手段が長らく必要とされてきた。従来の電気的ＦＦＦ用溝は、溝が切り出された薄いスペーサによって分離される二つの金属またはグラファイトの固形導電バーを含む。典型的には、スペーサは、ＭＹＬＡＲ（登録商標）または同様の締着圧力が加えられると、若干変形し得る材料によって作られる。このように、スペーサは、セルの横方向の広がりを規定する役割を果たし、流体のシールとなり、プレート同士を電気的に絶縁する。流体は、導電プレートの端部の穴を通じてセルへ導入される。分離効率は、溝の長さおよび場の強さに依存するので、セルを長くし、電極間の間隔をできるだけ短くすることが非常に望ましい。さらに、場の強さが増すに伴い、電極表面からの粒子の平均距離が減少する。この距離が数マイクロメートルとなることも珍しくない。したがって、電極表面を光学的に滑らかにする強い必要性がある。一貫した再現可能な分離を達成し、同時に、ゾーンが広がり（zone broadening）試料が再混合される（sample remixing）ことを最小限にとどめるため、場の一様性が必要不可欠であるため、表面の粗さを最小限にするのに加え、溝の全長にわたってプレートの間隔を維持する必要がある。最後に、プレートの硬度および安定性を改善する必要がある。すべてのＦＦＦデバイスにおけると同様、分離プロセスが目に見えるようにすることは常に有用であるが、プレートは通常不透明であるため、この特徴が達成されることは稀である。
【０００５】
現在の電気的ＦＦＦ分離器において使用されている材料の多くは、化学的または機械的に不安定である。たとえば、グラファイトの電極は、いくらうまく準備しても、粒子を出し（shed particles）、経時的に劣化する傾向がある。チタンでつくられた電極は、デバイスにおいて頻繁に使用される可動相（mobile phase）のいくつかに暴露されると、しばしば酸化する。プラチナで被覆された電極は、従来、非常に薄いめっきを鋼のプレートに施して作られるが、生成される典型的な電界に耐えることができず、割れやすく、反応性の鋼支持構造を露出する。全体がプラチナでできたプレートは理想的であるが、法外なコストがかかるためまったく使用されない。
【０００６】
電気的ＦＦＦ構造の新しい着想および設計が開発され、ここに記載される。新しいプレート構造は、電気的ＦＦＦ電極についての最も望ましい特徴をすべて組み入れ、同時に、フローが目に見えるようにするための手段を備える。
【０００７】
【発明の概要】
電気的ＦＦＦデバイスのための新規な設計は、電極として被覆されたガラスプレートを使用する。ガラスは、硬く、極めて平らな滑らかな形に容易に作製できるため、理想的な基板である。しかし、導電性はない。ガラス表面に蒸着された金属膜を使用して一定の成功を収めているが、これらは、透明ではなく、電極の表面で発生したイオンが膜を酸化させ、これをガラスから分離させる傾向がある。インジウム−錫−酸化物または錫−酸化物などの導電性の酸化物からなる、ガラス基板の使用を可能にする超伝導性の表面が開示される。この発明は、この組成の電極を組み入れることで、このような電気的ＦＦＦ溝の最も望ましい七つの特徴をすべて達成できる。七つの特徴とは、すなわち、１）硬度、２）平らさ、３）滑らかさ、４）化学的不活性、５）耐久性（粒子を発生しない）、６）高い導電性、７）透明性である。表面は光学的に滑らかであるので、セルをシールするために必要な締着圧力は、他の電極において必要な力よりもはるかに小さい。
【０００８】
【詳細な説明】
図１は、電気的ＦＦＦ用溝の要素の配置の分解図である。上部電極および下部電極１は、通常ＭＹＬＡＲ（登録商標）または同様の絶縁材料のシートから切り出されるスペーサ２で分離される。スペーサは、切り出され、成形されて、入り口３から溝を通って出口４へと粒子を含む流体を案内する導電性手段を与え、流体がよどむ領域を最小限にするためＶ字型の端部５を組み入れる。スペーサは、ナットおよびボルト取付部７によって二つの圧縮プレート６間に締着されてプレートの間に維持される。付加的ポート８は、通常は不要であるが、粒子を含んだ試料の注入のための手段を設けるため付加しても良い。このような試料は通常、入り口ポート３から導入される。一旦このように試料が導入されると、通常、フローが短い間停止し、加えられる電界内で試料が固まらないようゆるめる。付加的注入ポート８があれば、試料をフラクショネーション用溝自体に輸送するため溝フローを開始しておく必要なく、試料を導入しその後ゆるめることができる。電気的ＦＦＦデバイスの好ましい実施例では、スペーサは、また、液体シールとしても働き、それによって中の流体がデバイスの他の部分に入るのを防止する。締着用プレート６の一方または両方は、動作中にフローセルを直接観察できるよう、または、整列のために、中に切り出された観察用ポートまたはスロット９を有してもよい。
【０００９】
この発明の好ましい実施例においては、電極１は、透明で、導電性の金属酸化物被覆を化学結合することで準備される。このような電極は、液晶ディスプレイのために使用されるような錫酸化物で被覆されたプレートから準備され得る。たとえば、オーエンス・コーニング・ガラス（Owens Corning Glass）からのものなど、この態様で準備されたガラス表面が利用可能であり、液晶ディスプレイのプレートとしてまたは透明抵抗性加熱器（transparent resistive heater）として一般的に使用されている。発明者の知る限り、これらは、電気的ＦＦＦの場合など流体を流すための（conducting）電極として使用されたことはない。基板がガラスであるため、大きく平らで滑らかな表面の作製は容易であり、その透明性のため、染料の注入によって分離プロセスを目に見えるようにできる。透明なガラスプレートのさらなる利点は、中に含まれる試料セルを、レーザーによって生成されるようなコヒーレント光のビームで照明することで、頂部プレートおよび底部プレートからの反射によって形成される一連の干渉しま（interferometric fringes）を観察できる点である。これらのしまは、プレートの間隔の一様性を直接測定するものである。電界およびフローの場が確実に溝の長さにわたって変化しないようにするため、一様なプレートの間隔が極めて重要である。この発明までは、達成可能な一様性の程度は、二つのプレート間のスペーサの一様性および機械的安定性およびプレートを一様に締着する仮定される能力に依存してのみ推定されていた。これまでは、動作中にその場でセル間隔の一様性を正確に測定することは不可能であった。試料セルの干渉試験が可能であるためには、圧縮プレート６をポリメチルメタクリレートなどの透明な材料で作る必要がある。または、ガラス表面の直接観察ができるよう観察ポートが切り出された、同様に剛性の不透明材料から作ることもできる。
【００１０】
この発明の他実施例は、ドープト・シリコンで作られたプレートを組み入れることを含む。このような材料は、半導体デバイス作製のため一般的に製造され、電極として用いるに十分な大きさのかたまりとして利用可能である。シリコンは、多くの波長の赤外線に対して透過性であるため、このようなプレートは、干渉試験によっても調整されよう。標準的ドーピングプロセスによって、通常、シリコンプレートは導電性プレートとなる。
【００１１】
錫−酸化物でめっきされたガラス電極の欠点の１つは、各電極の導電性が金属またはグラファイトの導電性よりもはるかに低いことである。同様のことがドープト・シリコンで作られたプレートにも言える。これによって、電極に沿って相当の電圧降下が生じ得る。たとえば、４ｃｍ×４０ｃｍの錫−酸化物で被覆されたガラスプレートの抵抗は、被覆の厚さに依存して、約１００オームである。図２に示すように、流体を支持するセルの領域の外側の電極の一つまたは二つ以上の端縁に沿って、導電性の高いストリップ１０を接着、めっき、または他の方法で取付けることによって、この抵抗を著しく減じることができる。端縁をＧＣエレクトロニクス（GC Electronics）製造などの導電性銀ペイントによって被覆することで、プレートの抵抗を約１オームまで減じることができることがわかった。
【００１２】
この発明の好ましい実施例は、平らなガラスプレートの上に透明な導電性表面を達成するため、錫−酸化物およびインジウム−錫−酸化物などの金属酸化物を使用するが、等しい効果を得るために導電性ポリマー、および同様の非金属材料など他の材料を使用できることは確かである。錫−酸化物被覆の利点の１つは、その機械的硬度のため洗浄中の表面の破損が防止されることにある。
【００１３】
本明細書を通じて、電気的ＦＦＦ分離は、粒子の分離を指す。このような名称は、等しく、たんぱく質、ＤＮＡ，オリゴマー、デンドリマー（dendrimer）、ポリマー、ゲル、ならびに、膠着粒子、リポソーム、乳剤、細菌、ウィルス、藻、原生動物などの多様な粒子型、およびさまざまなゲルなどのさまざまな分子集合体を含むが、これらに限定されるのではない、高分子を指す。さらに、錫またはインジウム−錫酸化物の好ましい実施例と同様の特徴を提供する他のすべての被覆が、この発明の単純な変形例として含まれる。
【００１４】
電気的フィールド・フロー・フラクショネーションおよびクロマトグラフィの分野の当業者には明らかとなるであろうように、本発明によるここに記載した溝の明らかな多くの、この発明の実施の為に挙げた基本的要素から逸脱しない変更例がある。これらの変更例はすべて、ここに記載したこの発明の自明な実現例であり、ここに言及することで、本明細書の請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電気的ＦＦＦシステムの主要要素の分解図である。
【図２】  被覆されたガラス電極の抵抗を減じるための好ましい手段の図である。
【符号の説明】
１  上部および下部電極、２  スペーサ、３  入り口、４  出口、５  Ｖ字型端部、７  ナットおよびボルト取り付け部、８  付加的ポート、９  観察用ポートまたはスロット。
【図１】
0004420502.tif 000002
【図２】
0004420502.tif 000003