(57)【要約】【課題】廃液等に存在する金属ナノ粒子を、単純な方法により、流れの中で効率良く連続的に分離抽出可能とする。【解決手段】先細りの台形構造１０と、その先端部分に配設された分岐構造（十字構造１２、Ｔ字構造１８等）を組み合わせた流路によって、非一様な電界強度を発生させ、分岐における誘電泳動力を最大として、周囲流体に対して正の誘電泳動が発生する物質（金ナノ粒子６）は直進方向の流路出口３、負の誘電泳動が発生する物質（ポリスチレン粒子８）は直進以外の方向の流路出口１、２に分離する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先細りの台形構造と、その先端部分に配設された分岐構造を組み合わせた流路によって、
非一様な電界強度を発生させ、分岐における誘電泳動力を最大として、周囲流体に対して正の誘電泳動が発生する物質は直進方向の流路出口、負の誘電泳動が発生する物質は直進以外の方向の流路出口に分離することを特徴とする交流誘電泳動によるナノ粒子連続分離方法。
【請求項２】
前記周囲流体が水、前記正の誘電泳動が発生する物質が金属ナノ粒子、前記負の誘電泳動が発生する物質が絶縁体粒子であることを特徴とする請求項１に記載の交流誘電泳動によるナノ粒子連続分離方法。
【請求項３】
前記金属ナノ粒子が金ナノ粒子、前記絶縁体粒子がポリスチレン粒子であることを特徴とする請求項２に記載の交流誘電泳動によるナノ粒子連続分離方法。
【請求項４】
先細りの台形構造、及び、その先端部分に配設された分岐構造を組み合わせた流路と、
流路に電界を印加して、非一様な電界強度を発生させ、分岐における誘電泳動力を最大として、周囲流体に対して正の誘電泳動が発生する物質は直進方向の流路出口、負の誘電泳動が発生する物質は直進以外の方向の流路出口に分離する手段と、
を備えたことを特徴とする交流誘電泳動によるナノ粒子連続分離装置。
【請求項５】
前記分岐構造が十字形状であることを特徴とする請求項４に記載の交流誘電泳動によるナノ粒子連続分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流誘電泳動によるナノ粒子連続分離方法及び装置に係り、特に、排水処理等に用いて、金等の金属ナノ粒子を回収する際に用いるのに好適な、交流誘電泳動によるナノ粒子連続分離方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、急速に発展している半導体微細加工技術(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems)を基盤として、手のひらサイズのチップ上にマイクロチャネルと呼ばれる、幅数百μm 程度の流路を設置し，微量液体試料および試薬の輸送・混合・反応・分離・抽出機能を集積化したLab-on-a-chip，μTAS(Micro Total Analysis Systems)といったマイクロ熱流体デバイスの研究が盛んに行われている。
【０００３】
一般に、マイクロ熱流体デバイス内では２種以上の試料・試薬を混合し、反応・分析を行う。従来、デバイス内で操作する試料はDNA、タンパク質、細胞といった生体物質が主であったが、触媒効果、ガン細胞染色、蛍光増強作用（非特許文献１）およびマイクロ電極の作成（非特許文献２、３）といった研究が行われている金属ナノ粒子、特に貴金属ナノ粒子を操作対象とした手法開発の必要性が高まっている。これら試料の操作がデバイスの根幹を成しており、更なる発展には、試料の任意の反応地点への輸送、生成物質や不要物質の分離・抽出といった技術の確立が必要不可欠である。実用的な物質操作技術の実現には、物質を流れの中で連続的に、物性の違いに基づいて任意に操作する必要があり、これまでも多くの研究がなされてきた。導電率が大きく異なる二種類の溶液を用いて流動場に非対称な電場を発生させ、粒子の帯電量の違いに基づいて電気泳動によって分離する技術（非特許文献４）や、音響放射圧を用いた粒子の径の差異により分離する技術（非特許文献５）、磁性の違いにより粒子を分離する技術（非特許文献６、７）、レーザ放射圧を用いた屈折率の違いにより粒子に力を作用させる技術（非特許文献８、９）も提案されている。
【０００４】
以上の手法は微小空間における有効な試料の操作手法であるが、一つの手法のみで複数種の試料を自在に操作することは困難であり、いくつかの分離手法を複合して用いらなければならない。したがって、物性の違いに基づいて操作・分離・抽出を行う更なる手法を開発する必要がある。近年、注目を集めているのは、物性として誘電率に着目し、誘電率に基づいた現象である誘電泳動を用いた試料の操作手法である。
【０００５】
誘電泳動とは、物質の分極と非一様な電界の相互作用によって物質に力を作用させる現象である。物質の誘電率の違いで力が作用する方向を変えることができる点、電極間距離が微小なマイクロデバイス内では低電圧でも強力な誘電泳動力が発生する点が、大きな利点である。誘電泳動を用いた粒子分離の研究として一般的なものは、流路途中に電極を配置し、非一様な電界を印加して粒子を分離する手法（非特許文献１０、１１）である。
【０００６】
一方、障害物を配置した流路中に電界を印加し、空間的に非一様な電界を発生させて粒子を分離する手法の研究（非特許文献１２）もなされている。
【０００７】
誘電泳動を用いたデバイス内での物質操作は、城壁形の電極や四重電極を用いたラテックス粒子の分離（非特許文献１０、１１）、城壁形電極による大腸菌の生死分離（非特許文献１３）、電極間に金ナノ粒子架橋構造の形成（非特許文献２）といった手法が研究されている。
【０００８】
誘電泳動による力は、粒子と液体の誘電率に応じて、電界強度の強い方向（正の誘電泳動）又は弱い方向（負の誘電泳動）へと粒子に作用する。交流電界印加時は、誘電率が交流周波数の関数となるため、周波数に応じて力を作用させる方向を変えることも可能となる。
【０００９】
マイクロ熱流体デバイス内で誘電泳動を発生させる手法としては、流路途中に直接電極を設置することで流路内に非一様電界を発生させる方法（特許文献１、２）が大勢を占めるが、流路の形状を利用して、一様でない電界を発生させる方法も存在する（特許文献３乃至６）。実際の応用例は、流路内の別々の場所に導体・誘電体を集約する技術、大腸菌の生死分離技術、粒径の大小により連続的に分離する技術（特許文献７）等がある。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２０００８１号公報
【特許文献２】特開２０００−６１４７２号公報
【特許文献３】特開２００６−２０５０９２号公報
【特許文献４】特開２００３−２８７５１９号公報
【特許文献５】特開２００３−１０７０９９号公報
【特許文献６】特開２００５−２０５４０８号公報
【特許文献７】特開２００７−２１４６５号公報
【非特許文献１】Ｋ．Ｈ．Ｂhatt，Ｏ．Ｄ．Ｖelev，“Ｃontrol  and  Ｍodeling  of  the  Ｄielectrophoretic  Ａssembly  of  Ｏn−Ｃhip  Ｎanoparticle  Ｗires”，Ｌangmuir，20，467−476，2004．
【非特許文献２】Ｇ.Ｒ.Ｓouza,Ｄ.Ｒ.Ｃhristianson,Ｆ.Ｉ.Ｓtaquicini,Ｍ.Ｇ.Ｏzawa,Ｅ.Ｙ.Ｓnyder,Ｒ.Ｌ.Ｓidman,Ｊ.Ｈ.Ｍiller,Ｗ.Ａrap, Ｒ.Ｐasqualini,“Ｎetworks  of  gold  nanoparticles  andbacteriophage  as  biological  sensors  and  cell-targeting  agents”,Ｐroceedings  of  the  Ｎational  Ａcademy  of  Ｓciences,  103,1215-1220,2006.
【非特許文献３】Ｓ.Ｈ.Ｋo,Ｉ.Ｐark,Ｈ.Ｐan,Ｃ.Ｐ.Ｇrigoropoulos,Ａ.Ｐ.Ｐisano,Ｃ.Ｋ.Ｌuscombe,Ｊ.Ｍ.Ｊ.Ｆrechet “Ｄirect  Ｎanoimprinting  of  Ｍetal  Ｎanoparticles  for  Ｎanoscale  ＥlectronicsＦabrication”,Ｎano  letters,  7,  Ｎo.7,  1869-1877,2007.
【非特許文献４】山本尊博,Ｓ.Ｄevasenathipathy,佐藤洋平,菱田公一,“界面動電現象によるサブミクロン粒子分離技術”,日本機械学会論文集（B），70-697,2378-2385,2004.
【非特許文献５】Ｆ.Ｐetersson,“Ｓeparation  of  liquids  from  blood  utilizing  ultrasonic  standing  waves  inmicrofluidic  channels”,  Ａnalyst,129,  938-943, 2004.
【非特許文献６】Ｏ.Ｈansen,Ｈ.Ｂruus,Ｍ.Ｆ.Ｈansen,“Ｍagnetic  separation  in  microfluidic  systemsusing  microfabricated  electromagnets-experiments  and  simulations”,Ｊournal  of  Ｍagnetism  and  Ｍagnetic  Ｍaterials,293,597-604,2005.
【非特許文献７】Ｋ.Ｓmistrup,Ｐ.Ｔ.Ｔang,Ｏ.Ｈansen,Ｍ.Ｆ.Ｈansen,“Ｍicroelectromagnet  formagnetic  manipulation  in  lab-on-a-chip  systems”,Ｊournal  of  Ｍagnetism  and  Ｍagnetic  Ｍaterials,300,418-426,2006.
【非特許文献８】Ａ.Ａshkin,Ｊ.Ｍ.Ｄziedzic,Ｊ.Ｅ.Ｂjorkholm,Ｓ.Ｃhu,”Ｏbservation  of  single-beam  gradient  force  optical  trap  for  dielectric  particles”,Ｏptical  letters,  1,288-290,1986.
【非特許文献９】Ｔ.Ｍoriya,Ｙ.Ｓato,“Ｍicro  optical  stirrer  for  mixing  in  microchannel  flow”,  Ｅleventh  International  Ｃonference  on  Ｍiniaturized  Ｓystems  for  Ｃhemistry  and  Ｌife  Ｓciences，1，1507-1509，2007.
【非特許文献１０】Ａ．Ｒamos，Ｈ．Ｍorgan，Ｎ．Ｇ．Ｇreen，Ａ．Ｃastellanos，“Ａc  electrokinetics：a  review  of  forces  in  microelectrode  structures”，Ｊ．Ｐhys．Ｄ：Ａppl．Ｐhys．，31，2338−2353，1998．
【非特許文献１１】Ｎ．Ｇ．Ｇreen，Ａ．Ｒamos，Ｈ．Ｍorgan，“Ａc  electrokinetics：a  survey  of  sub−micrometre  particle  dynamics”，Ｊ．Ｐhys．Ｄ：Ａppl．Ｐhys．，33，632−641，2000．
【非特許文献１２】Ｋ．Ｈ．Ｋang，Ｙ．Ｋang，Ｘ．Ｘuan，Ｄ．Ｌi，“Ｃontinuous  separation  of  microparticles  bysize  with  Ｄirect  current−dielectrophoresis”，Ｅlectrophoresis，27，694−702，2006．
【非特許文献１３】鈴木雅登，安川智之，珠玖仁，末永智一，“誘電泳動を用いた大腸菌の生死分離”，分析化学，54，Ｎo.12，1189−1195，2005．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
金属を含む廃水（めっき廃水等）は大変有害であり、金属を除去する必要がある。従来は、化学処理を加えることで金属を沈殿させて廃棄、またはスラッジとして再利用するという手法が主に採られてきたが、金属資源の有効活用のためには、金属のまま再利用する必要がある。
【００１２】
しかしながら前記の誘電泳動の研究は、流路内の特定の場所に物質を留め置くことは可能であるが、取り出すという観点での研究ではないものが多いのが現状であり、産業上利用する際に重要な、流れの中で連続的に分離抽出することは考えられていなかった。
【００１３】
なお、流路の形状による連続誘電泳動分離として、直流誘電泳動を用いた粒径の大小を利用した分離手法があるが、直流下において、流体である水は電気浸透流と呼ばれる現象により、粒子は電気泳動という現象により、それぞれ電界方向に駆動されることから、複雑に電圧を組み合わせる必要があった。
【００１４】
又、マイクロ熱流体デバイス内で扱う物質としては、細胞や蛋白質等の生化学物質が主であり、導体として炭素や導電性物質を塗布したラテックス粒子を用いた研究はあるが、実際に金属粒子をデバイス内で分離する研究は行なわれていなかった。
【００１５】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、廃液等の使用後の液体中に含まれる金等の金属ナノ粒子を、単純な方法により、流れの中で効率良く連続的に分離抽出することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明者らは、表面プラズモン、触媒効果、マイクロ電極の作成、細胞染色効果といった様々な特性を有している金属ナノ粒子、特に貴金属ナノ粒子をマイクロ熱流体デバイスにより分離する方法を試みた。金属の誘電率は無限と考えられるため、他物質との誘電率差による分離が好ましいと考えられる。
【００１７】
又、流れの中で分離するために、電界印加時に電界強度分布が非一様になる形状を持つ流路による誘電泳動を選択した。誘電泳動の研究の大多数は、流路途中に設置した数十ナノメートルから数マイクロメートル間隔の電極間に電界を印加し非一様な電界を発生させるものであるが、発明者が提案する流路形状による手法と電極による分離を併用することで、更なる効率化が図られる。
【００１８】
マイクロ熱流体デバイスの主たる材質であるガラス、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）は、不導体であり、流路に電界を印加した際、電界は全て流路内に分布する。図１に、台形構造の流路１０の例を示す。図において、６は金ナノ粒子、８は不純物としてのポリスチレン粒子、１４、１６は電極、２０は交流電源である。
【００１９】
流路形状によって非一様電界を形成する場合、流路全体に亘って非一様な電界を形成する一方、数十マイクロメートルから数マイクロメートル間隔の電極による手法では電極付近、特に端点において電界強度が極大値となり、流路内の誘電泳動力に局所的な違いが生じる。従って、流路形状による非一様電界は、流路全体に亘って誘電泳動力を作用させられる長所を有する。台形形状においては、幅が狭くなるに連れて電界強度が増す。
【００２０】
一方、図２に示すような十字形状の分岐流路１２の左右方向にのみ電界を印加すると、分岐において上下方向に電界が拡がるため、電界分布が非一様になる。この現象は、流路形状によってのみ発生させられる現象である。分岐部分から、図で言う左右方向へは電界強度が強く、上下方向へは弱くなっている。
【００２１】
本発明は、このような点に着目してなされたもので、図３に例示する如く、先細りの台形構造と、その先端部分に配設された、例えば十字形上の分岐構造を組み合わせた流路によって、非一様な電界強度を発生させ、分岐における誘電泳動力を最大として、周囲流体に対して正の誘電泳動が発生する物質は直進方向の流路出口、負の誘電泳動が発生する物質は直進以外の方向の流路出口に分離するようにしたものである。
【００２２】
ここで、周囲流体が水の場合に、１から２０００Ｈｚまでの交流電界周波数において前記正の誘電泳動が発生する物質を金属ナノ粒子（例えば金ナノ粒子）、前記負の誘電泳動が発生する物質を絶縁体粒子（例えばポリスチレン粒子）とすることができる。
【００２３】
本発明は、又、先細りの台形構造、及び、その先端部分に配設された分岐構造を組み合わせた流路と、流路に電界を印加して、非一様な電界強度を発生させ、分岐における誘電泳動力を最大として、周囲流体に対して正の誘電泳動が発生する物質は直進方向の流路出口、負の誘電泳動が発生する物質は直進以外の方向の流路出口に分離する手段と、を備えたことを特徴とする交流誘電泳動によるナノ粒子連続分離装置を提供するものである。
【００２４】
ここで、前記分岐構造を十字形状とすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、廃液等の使用済みの液体から、金属ナノ粒子、特に貴金属ナノ粒子を、効率良く連続的に分離して回収することが可能となる。特に金属の場合、化学処理等を加えないため、そのまま再利用することが可能である。又、複雑な電極や電圧操作が必要無いため、従来装置に簡便に付加することが可能であり、大変に有用である。工業的な実用化も、廃水処理といった場面での活躍が期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
本発明の第１実施形態は、図３に示すような、先細りの台形構造１０と十字形状の分岐構造（以下、十字構造と称する）１２を組み合わせた形状の流路によって、非一様強度分布を発生させたものである。台形形状先端の一番細くなっている部分、即ち、電界強度が最大となっている部分が流路分岐に来るように設計することで、分岐における誘電泳動力を最大とした。台形構造１０において、正の誘電泳動が発生する物質は、直進方向にある出口３方向、負の誘電泳動が発生する物質は、出口３を避ける方向に誘電泳動力を受ける。更に、十字構造１２において、正の誘電泳動物質は、分岐部分から直進方向にある出口３方向、負の誘電泳動物質は、側方にある出口１又は２方向へ誘電泳動力を受ける。この際、十字構造１２の４本のうち左の１本の幅を太くすることで、分岐から出口３方向へかけてのみ電界強度が増す構造となっている。
【００２８】
入口及び出口３に７００Ｖの交流電圧印加時の流路分岐における電気力線分布を図４に示す。
【００２９】
図５に示すような実験装置を用いて、実際に実流動場に本発明を適用した。
【００３０】
図５において、ステージ３２上の実験流路３０は、ソフトリソグラフィ法によりＰＤＭＳとガラスから製作し、倒立顕微鏡を用いた装置によって計測を行なった。水銀ランプ４０を励起光源として用い、水（比誘電率７８）中の金ナノ粒子（直径３５０〜４００ｎｍ、比誘電率：無限）の散乱光及びポリスチレン蛍光粒子（直径１μｍ、比誘電率２．５）からの蛍光をＣＣＤカメラ４８によって撮像した。この実験には、体積濃度０．０５％のポリスチレン粒子懸濁液（粒径１マイクロメートル）および０．０１％の塩化金酸水溶液５０ｍｌを１％のクエン酸三ナトリウム水溶液で還元した金ナノ粒子懸濁液（粒径３５０〜４００ナノメートル）を用いた。圧力駆動により粒子混合懸濁液を送液し、７００Ｖ（２４Ｈｚ）の電界印加前後で３００枚の画像を３７ｍｓ間隔でそれぞれ撮像し、粒子速度を、画像から個々の粒子を抽出し、各粒子の移動量を算出する粒子追跡法（ＰＴＶ：Particle  Tracking  Velocimetry）で計測した。図において、２２は関数発生器、４２はフィルタ、４４は対物レンズ、４６はミラー、５０はパソコン（ＰＣ）である。
【００３１】
図５に示す実験装置を用いて、７００Ｖ２４Ｈｚの電界を印加した時に、金ナノ粒子は、図６及び表１に示す如く出口３方向、ポリスチレン粒子は、図７及び表２に示す如く出口１又は２方向に、それぞれ分離される効果が確認された。
【００３２】
【表１】
2009269008.tif 000003
【００３３】
【表２】
2009269008.tif 000004
【００３４】
なお、上記データは、金ナノ粒子とポリスチレン粒子を別々に流して得られたものであるが、同時に流した場合にも、図８及び表３に示す如く、８００Ｖ２４Ｈｚの電界印加によって、出口３に向かう金ナノ粒子が２０％程度増加することが確認できた。
【００３５】
【表３】
2009269008.tif 000005
【００３６】
この実験には、体積濃度０．１％のポリスチレン粒子懸濁液（粒径０．５マイクロメートル）２．５ｍｌと、図６と同じ金ナノ粒子懸濁液２．５ｍｌ（０．０１％の塩化金酸水溶液５０ｍｌを１％のクエン酸三ナトリウム水溶液０．２１ｍｌによって還元した溶液）の両者を混合した５ｍｌの混合懸濁液を用いた。
【００３７】
前記実施形態においては、液溜の大きさによる制約（液溜りの内径が１．２ｃｍであるので、並べて付ける際に最も接近させた状態でも１ｃｍ程度が必要）から、流路長が１ｃｍ程度になり、電圧が７００Ｖという高電圧を要求したが、流路長を短くすることで、低電圧でも同様の効果が得られる。例えば、流路長を半分にすれば、必要電圧は３５０Ｖになる。
【００３８】
又、前記実施形態では、光学顕微鏡による観察が容易なことから、金ナノ粒子６とポリスチレン蛍光粒子８を分離し、周囲流体として水を用いたが、物質の誘電率及び交流周波数を適切に決定すれば、誘電泳動の正負を任意に調整可能であるので、他の物質にも応用可能である。具体的には、誘電泳動力を決定する（１）式で表わされるＣlausius−Ｍossotti項の実部の正負によって、誘電泳動力の作用する向きが決定する。
【００３９】
Ｋ＝（εｐ−εｍ）／（εｐ＋２εｍ）          …（１）
ここでεｐは粒子の誘電率、εｍは周囲流体の誘電率である。
【００４０】
なお、交流電界中では、誘電率は交流周波数ωの関数となり（２）式で表わされる。
【００４１】
ε＊＝ε−（σ／ω）・ｊ                    …（２）
ここでσは導電率である。
【００４２】
本実施形態により、マイクロ熱流体デバイス内において、流れの中で連続的に金属粒子とポリスチレン粒子を分離することが可能になった。実験は、顕微鏡による観察の容易な金ナノ粒子とポリスチレン蛍光粒子で行なったが、物質の誘電率や交流周波数を適切に定めれば、今回実験で用いなかった物質まで拡張可能である。流路の材質も、ＰＤＭＳとガラスの組合せに限定されない。
【００４３】
又、複雑な電極構造を流路に設置することなく、流路中の２点間に交流電界を印加するのみで、誘電泳動を作用させることができ、従来技術に簡単に付加可能である。
【００４４】
又、正の誘電泳動においては、１０００Ｈｚ以下の交流周波数において力が増大する（本実験においては１０〜１００倍であった）。従って、正の誘電泳動による分離は、理論で必要な電圧値よりも低い電圧で分離を行なうことができる。
【００４５】
なお前記実施形態においては、本発明の流路構造が１段とされていたが、図９に示す第２実施形態の如く、２段としたり、図１０に示す第３実施形態の如く、直列／並列に複数段適用すれば、分離効率を向上することができる。ここで、図９に詳細に示すように、分離区間よりも接続区間をなだらかに幅変化させることで、接続区間における流れ逆方向の誘電泳動力を抑制できる。
【００４６】
又、前記実施形態においては、分岐構造として十字形状を用いていたが、図１１に例示する第４実施形態のように側方への分岐流路が１本のＴ字構造１８であっても良い。なお、十字構造１２の方が、電界がきれいにできて、粒子の抜けが良い。又、交差／分岐角度も９０°に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明で用いる台形構造流路に電界印加時の電気力線分布を示す図
【図２】同じく十字構造流路に電界印加時の電気力線分布を示す図
【図３】本発明の第１実施形態の流路形状を示す平面図
【図４】前記実施形態で入口及び出口３へ７００Ｖの交流電界を印加した際の流路分岐における電気力線分布
【図５】実験装置の構成を示す図
【図６】金ナノ粒子の分離結果を示す図
【図７】ポリスチレン粒子の分離結果を示す図
【図８】金ナノ粒子とポリスチレン粒子を同時に流した時の金ナノ粒子分離結果を示す図
【図９】本発明の第２実施形態の構成を示す図
【図１０】同じく第３実施形態の構成を示す図
【図１１】同じく第４実施形態の構成を示す図
【符号の説明】
【００４８】
６…金ナノ粒子
８…ポリスチレン粒子
１０…台形構造流路
１２…十字（形状分岐）構造流路
１４、１６…電極
１８…Ｔ字（形状分岐）構造流路
２０…交流電源
【図１】
2009269008.tif 000006
【図２】
2009269008.tif 000007
【図３】
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【図４】
2009269008.tif 000009
【図５】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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