JP2017177083A - Particle separating device - Google Patents
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Description
本発明は、流体中に含まれる粒子をその径に基づき分離する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for separating particles contained in a fluid based on the diameter thereof.
医薬品用途で用いる抗体は通常、当該抗体を発現可能な細胞を培養後、得られた培養液を遠心分離、濾過、カラムクロマトグラフィーなどの精製操作を行ない、製造する。その際、得られた前記抗体を含む溶液中には、当該抗体の凝集体が含まれている可能性がある。抗体凝集体は免疫原性を有するおそれがあるため、特に医薬品用途で用いる場合、当該凝集体を精度よく検出し、抗体を含む溶液中に当該凝集体を極力含まないよう製造する必要がある。しかしながら、抗体凝集体の中には、通常のカラムクロマトグラフィーやフローサイトメトリーでは検出／分離困難な、サブビジブル凝集体（粒径が０．１から１０μｍの凝集体）が含まれている。 Antibodies used for pharmaceutical use are usually produced by culturing cells capable of expressing the antibody, and then subjecting the obtained culture solution to purification operations such as centrifugation, filtration, and column chromatography. At that time, the obtained solution containing the antibody may contain an aggregate of the antibody. Since antibody aggregates may have immunogenicity, particularly when used in pharmaceutical applications, it is necessary to detect the aggregates with high accuracy and to produce the aggregates so that the aggregates are not contained as much as possible. However, antibody aggregates include subvisible aggregates (aggregates having a particle size of 0.1 to 10 μm) that are difficult to detect / separate by ordinary column chromatography or flow cytometry.
サブビジブル凝集体を検出する装置として、Ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ Ｓｉｚｅｒ（島津製作所製）やＡｒｃｈｉｍｅｄｅｓ（Ｍａｌｖｅｒｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製）が知られている。しかしながら、これらの装置は検出再現性が悪いという問題点があった。またマイクロ流路を用いた、数μｍの微粒子を連続的に分級可能な装置も知られている（特許文献１および２）が、微粒子の分級を当該微粒子の沈降または浮上を用いて行なうため、装置の小型化には不利といえる。 Aggregates Sizer (manufactured by Shimadzu Corporation) and Archimedes (manufactured by Malvern Instruments) are known as devices for detecting subvisible aggregates. However, these devices have a problem that detection reproducibility is poor. In addition, there is known an apparatus that can continuously classify fine particles of several μm using a microchannel (Patent Documents 1 and 2), but the fine particles are classified using sedimentation or floating of the fine particles. It can be said that it is disadvantageous for downsizing of the apparatus.
本発明の課題は、流体中に含まれる粒子（特に粒径が数μｍ前後の粒子）を精度良く分離でき、かつ小型化も容易な装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an apparatus that can accurately separate particles contained in a fluid (particularly particles having a particle size of around several μm) and can be easily downsized.
上記課題を解決するために、本発明者らは粒子を含む流体の流路と往復する流動を発生させる流動発生手段とを備えた粒子分離装置を用いて鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。 In order to solve the above problems, the present inventors have conducted extensive studies using a particle separation device including a flow path of a fluid containing particles and a flow generation means for generating a reciprocating flow. Reached.
すなわち本発明の第一の態様は、粒子を含む流体の流路と往復する流動を発生させる１または複数の流動発生手段とを備えた粒子分離装置であって、前記流路の水力直径が前記粒子の径の２０倍以下である、前記装置である。 That is, the first aspect of the present invention is a particle separation apparatus comprising one or a plurality of flow generation means for generating a reciprocating flow with a flow path of a fluid containing particles, wherein the hydraulic diameter of the flow path is It is the said apparatus which is 20 times or less of the diameter of particle | grains.
さらに本発明の第二の態様は、粒子を含む流体の流路と往復する流動を発生させる１または複数の流動発生手段とを備えた当該粒子を濃縮する装置であって、前記流路の水力直径が前記粒子の粒子径の２０倍以下である、前記装置である。 Furthermore, the second aspect of the present invention is an apparatus for concentrating the particles, comprising one or a plurality of flow generation means for generating a reciprocating flow with a flow path of the fluid containing the particles, the hydraulic power of the flow path It is the said apparatus whose diameter is 20 times or less of the particle diameter of the said particle | grain.
また本発明の第三の態様は、流動発生手段が、粒子を含む流体の流れる方向に対して平行方向に往復する流動を発生させる手段である、前記第一または第二の態様に記載の装置である。 The third aspect of the present invention is the apparatus according to the first or second aspect, wherein the flow generation means is a means for generating a flow reciprocating in a direction parallel to the flow direction of the fluid containing the particles. It is.
また本発明の第四の態様は、粒子レイノルズ数が５．０×１０−４以上である、前記第一から第三の態様のいずれかに記載の装置である。 A fourth aspect of the present invention is the apparatus according to any one of the first to third aspects, wherein the particle Reynolds number is 5.0 × 10 −4 or more.
以下、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明は、粒子を含む流体の流路と往復する流動を発生させる１または複数の流動発生手段とを備えた、粒子分離装置に関する。本発明において粒子分離装置は、流路を流れる流体に含まれる粒子の径に基づき粒子を分離する装置である。本発明の粒子操作装置は、往復する流動を発生させることにより流路に導入した流体中の粒子が、往復する流動のうちの１の方向に、粒子固有の移動度で移動することで、粒子径に基づく分離を可能にしている。粒子固有の移動度は、様々な条件によって変化することから、条件として例えば流体、流路長、流体の変位量を示す波形等を適宜選択することにより、流体に含まれる所望の径を有した粒子を分離、取得できる。 The present invention relates to a particle separation apparatus including one or a plurality of flow generation means for generating a reciprocating flow with a flow path of a fluid containing particles. In the present invention, the particle separation device is a device that separates particles based on the diameter of particles contained in the fluid flowing in the flow path. In the particle manipulating device of the present invention, the particles in the fluid introduced into the flow path by generating the reciprocating flow move in one direction of the reciprocating flow with the inherent mobility of the particles. Separation based on diameter is possible. Since the inherent mobility of particles varies depending on various conditions, the fluid has a desired diameter included in the fluid by appropriately selecting, for example, a fluid, a flow path length, a waveform indicating the amount of displacement of the fluid, etc. as conditions. Particles can be separated and acquired.
本発明の装置における分離対象粒子は、流体に対し不溶性の物質からなる粒子であれば特に限定はなく、一例としてビーズ、粉砕用ボール、液晶用スペーサー、クロマトグラフィー用分離剤、吸着剤といった工業材料や、細胞、ＤＮＡ、抗体などのタンパク質、ウイルスといった研究用・医療用材料があげられる。特に本発明の装置は、流体の往復する流動により分離が行なえることから、細胞、タンパク質、分離剤・吸着剤といった壊れやすい粒子の分離に適している。 The particles to be separated in the apparatus of the present invention are not particularly limited as long as they are particles made of a substance that is insoluble in the fluid. For example, industrial materials such as beads, ball for grinding, spacer for liquid crystal, separation agent for chromatography, and adsorbent And research and medical materials such as cells, proteins such as DNA and antibodies, and viruses. In particular, the apparatus of the present invention is suitable for separation of fragile particles such as cells, proteins, separation agents and adsorbents because separation can be performed by reciprocating fluid flow.
本発明の装置で分離可能な細胞に特に限定はなく、一例として血液中に含まれる細胞や培養細胞があげられる。血液中には、赤血球、白血球（単球、リンパ球。好中球、好酸球、抗塩基球など）、血小板といった血球の他に、癌細胞が含まれている場合がある。血球の大きさ（粒径）はそれぞれ、赤血球は直径７から８μｍ、厚さ２μｍほどであり、白血球はその大半が６から１５μｍほどであり、血小板は１から４μｍほどである。一方、血液中に含まれる癌細胞（血中循環腫瘍細胞、ＣＴＣ）は１０から３０μｍ程であり、またクラスター状に凝集したＣＴＣの大きさ（粒径）もおよそ３０から１００μｍと、血球よりもかなり大きい。 The cells that can be separated by the apparatus of the present invention are not particularly limited, and examples thereof include cells contained in blood and cultured cells. Blood may contain cancer cells in addition to blood cells such as red blood cells, white blood cells (monocytes, lymphocytes, neutrophils, eosinophils, anti-basophils, etc.) and platelets. The size (particle size) of blood cells is 7 to 8 μm in diameter for red blood cells and about 2 μm in thickness, most of white blood cells are about 6 to 15 μm, and about 1 to 4 μm for platelets. On the other hand, cancer cells (blood circulating tumor cells, CTC) contained in blood are about 10 to 30 μm, and the size (particle size) of CTC aggregated in a cluster is about 30 to 100 μm, which is larger than that of blood cells. Pretty big.
したがって本発明の装置により、血液中に含まれる血球と癌細胞（ＣＴＣ）とを分離することができる。培養細胞の分離における本発明の装置の適用例としては、胚性幹細胞（ＥＳ細胞）や人工多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞）といった幹細胞から分化誘導した細胞培養液より、当該分化した細胞と未分化の幹細胞とを分離する例があげられる。 Therefore, the blood cell contained in blood and a cancer cell (CTC) can be isolate | separated with the apparatus of this invention. As an application example of the apparatus of the present invention in the separation of cultured cells, the differentiated cells and undifferentiated cells can be obtained from a cell culture medium induced to differentiate from stem cells such as embryonic stem cells (ES cells) and induced pluripotent stem cells (iPS cells). An example of isolating the stem cells is given.
抗体などタンパク質の大きさ（粒径）は一般に数ｎｍ程度であるが、製造工程で機械的または熱ストレス等をかかると凝集し、不溶化するおそれがある。不溶化したタンパク質の大きさ（粒径）は数十ｎｍから数十μｍ程度である。数十ｎｍ程度の不溶化タンパク質であれば、従来のカラムクロマトグラフィー法や超遠心分離法で分離・除去することができる。しかしながら粒径０．１から１０μｍ程度のサブビジブル凝集体に該当する不溶化タンパク質は、従来の装置では精度よく分離することができなかった。本発明の装置は、サブビジブル凝集体であっても精度よく分離できるため、抗体などタンパク質の凝集体の分離・除去を精度よく実施可能である。 The size (particle size) of a protein such as an antibody is generally about several nanometers, but may be aggregated and insolubilized when subjected to mechanical or thermal stress in the production process. The insolubilized protein has a size (particle size) of about several tens of nanometers to several tens of micrometers. Any insolubilized protein of about several tens of nanometers can be separated and removed by conventional column chromatography or ultracentrifugation. However, an insolubilized protein corresponding to a subvisible aggregate having a particle size of about 0.1 to 10 μm cannot be separated with high accuracy by a conventional apparatus. Since the apparatus of the present invention can separate even sub-visible aggregates with high accuracy, it is possible to accurately separate and remove protein aggregates such as antibodies.
本発明において流路に流す流体は液体または気体を指すが、液体の方が、本発明の装置による分離能が高いため好ましい。流路に流す液体は、分離する粒子に応じ、適宜当該粒子に対し不溶性の液体を選択すればよい。例えば分離する粒子が工業材料の場合、製造時用いた溶媒をそのまま用いてもよいし、水などの安価かつ無害な溶媒に置換してもよい。一方、分離する粒子が細胞、ウイルス、抗体といった生体試料の場合は、製造時または調製時に用いた溶媒を用いると好ましい。 In the present invention, the fluid flowing through the flow path refers to a liquid or a gas, but the liquid is preferable because the separation ability of the apparatus of the present invention is high. As the liquid flowing through the flow path, a liquid that is insoluble in the particles may be appropriately selected according to the particles to be separated. For example, when the particles to be separated are industrial materials, the solvent used during production may be used as it is, or may be replaced with an inexpensive and harmless solvent such as water. On the other hand, when the particles to be separated are biological samples such as cells, viruses, and antibodies, it is preferable to use the solvent used during production or preparation.
具体的には分離する粒子が細胞の場合、当該細胞の生存を担保する点で、培養に用いた培地、血液、血漿、生理食塩水（ＰＢＳ（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｓａｌｉｎｅ）、ＴＢＳ（Ｔｒｉｓ Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｓａｌｉｎｅ）など）が好ましい。なお、流路に流す粒子を含む液体に、界面活性剤、タンパク質、ｐＨ調製剤、安定剤、増粘剤、保存剤、抗生物質、ポリマー、モノマーなどの添加物を含ませてもよい。これら添加物を含ませることで、液体の粘性を変えたり、非ニュートン性流体にすることで、本発明の装置による粒子分離能を高めることができる。 Specifically, when the particles to be separated are cells, the culture medium, blood, plasma, physiological saline (PBS (Phosphate Buffered Saline), TBS (Tris Buffered Saline), etc. used for culturing are ensured. ) Is preferred. In addition, additives such as surfactants, proteins, pH adjusters, stabilizers, thickeners, preservatives, antibiotics, polymers, and monomers may be included in the liquid containing particles that flow through the flow path. By including these additives, the viscosity of the liquid can be changed or the non-Newtonian fluid can be used to increase the particle separation ability of the apparatus of the present invention.
本発明の装置は、分離対象粒子を含む流体の流路の水力直径を前記粒子の径の２０倍以下とすることを特徴としており、１５倍以下とするとより好ましい。水力直径とは流路の断面と等価な円管の直径のことを指し、流路断面が矩形の場合、下記式（１）で算出できる。なお流路幅のアスペクト比（ｗ／ｈ）は１以上であればよく、１から８の間とすると好ましく、２から４の間とするとより好ましい。 The apparatus of the present invention is characterized in that the hydraulic diameter of the flow path of the fluid containing the separation target particles is 20 times or less the diameter of the particles, and more preferably 15 times or less. The hydraulic diameter refers to the diameter of a circular tube equivalent to the cross section of the flow path. When the cross section of the flow path is rectangular, it can be calculated by the following formula (1). The aspect ratio (w / h) of the flow path width may be 1 or more, preferably between 1 and 8, and more preferably between 2 and 4.
Ｄｈ＝２ｗｈ／（ｗ＋ｈ） （１）
Ｄｈ：水力直径、ｗ：流路幅、ｈ：流路高さ
水力直径が１．５μｍ前後の流路の好ましい例として、幅２．２μｍ×高さ１．１μｍの断面を有した流路や、幅４μｍ×高さ１μｍの断面を有した流路があげられる。水力直径が２μｍの流路の好ましい例として、幅３μｍ×高さ１．５μｍの断面を有した流路や、幅５μｍ×高さ１．２５μｍの断面を有した流路があげられる。水力直径が１５０μｍ前後の流路の好ましい例として、幅約２２０μｍ×高さ１１０μｍの断面を有した流路や、幅３７５μｍ×高さ９４μｍの断面を有した流路があげられる。水力直径が２００μｍの流路の好ましい例として、幅３００μｍ×高さ１５０μｍの断面を有した流路や、幅５００μｍ×高さ１２５μｍの断面を有した流路があげられる。水力直径が３００μｍの流路の好ましい例として、幅４５０μｍ×高さ２２５μｍの断面を有した流路や、幅７５０μｍ×高さ１８８μｍの断面を有した流路があげられる。水力直径が４００μｍの流路の好ましい例として、幅６００μｍ×高さ３００μｍの断面を有した流路や、幅１０００μｍ×高さ２５０μｍの断面を有した流路があげられる。水力直径が４５０μｍの流路の好ましい例として、幅６７５μｍ×高さ３３８μｍの断面を有した流路や、幅１１２５μｍ×高さ２８２μｍの断面を有した流路があげられる。水力直径が６００μｍの流路の好ましい例として、幅９００μｍ×高さ４５０μｍの断面を有した流路や、幅１５００μｍ×高３７５μｍの断面を有した流路があげられる。水力直径が１０５０μｍの流路の好ましい一例として、幅１５７５μｍ×高さ７８８μｍの断面を有した流路や、幅２６２５μｍ×高さ６５７μｍの断面を有した流路があげられる。水力直径が１４００μｍの流路の好ましい例として、幅２１００μｍ×高さ１０５０μｍの断面を有した流路や、幅３５００μｍ×高さ８７５μｍの断面を有した流路があげられる。
Dh = 2wh / (w + h) (1)
Dh: Hydraulic diameter, w: Channel width, h: Channel height As a preferable example of the channel having a hydraulic diameter of around 1.5 μm, a channel having a cross section of width 2.2 μm × height 1.1 μm And a flow path having a cross section of 4 μm wide × 1 μm high. Preferable examples of the flow channel having a hydraulic diameter of 2 μm include a flow channel having a cross section of 3 μm wide × 1.5 μm in height and a flow channel having a cross section of 5 μm wide × 1.25 μm high. Preferable examples of the flow channel having a hydraulic diameter of around 150 μm include a flow channel having a cross section of about 220 μm wide × 110 μm high and a flow channel having a cross section of 375 μm wide × 94 μm high. Preferable examples of the flow channel having a hydraulic diameter of 200 μm include a flow channel having a cross section of width 300 μm × height 150 μm and a flow channel having a cross section of width 500 μm × height 125 μm. Preferable examples of the channel having a hydraulic diameter of 300 μm include a channel having a cross section of width 450 μm × height 225 μm and a channel having a cross section of width 750 μm × height 188 μm. Preferable examples of the flow channel having a hydraulic diameter of 400 μm include a flow channel having a cross section having a width of 600 μm × a height of 300 μm and a flow channel having a cross section having a width of 1000 μm × a height of 250 μm. Preferable examples of the channel having a hydraulic diameter of 450 μm include a channel having a cross section of width 675 μm × height 338 μm and a channel having a cross section of width 1125 μm × height 282 μm. Preferable examples of the flow channel having a hydraulic diameter of 600 μm include a flow channel having a cross section of 900 μm wide × 450 μm high, and a flow channel having a cross section of 1500 μm wide × 375 μm high. Preferable examples of the flow channel having a hydraulic diameter of 1050 μm include a flow channel having a cross section of width 1575 μm × height 788 μm and a flow channel having a cross section of width 2625 μm × height 657 μm. Preferable examples of the flow channel having a hydraulic diameter of 1400 μm include a flow channel having a cross section of width 2100 μm × height 1050 μm and a flow channel having a cross section of width 3500 μm × height 875 μm.
本発明の装置を血液中に含まれる癌細胞（ＣＴＣ）の分離に適用しようとする場合、通常の癌細胞（ＣＴＣ）であればその粒径が１０から３０μｍ程度、平均粒径で２０μｍ程度のため、もれなく分離したいときは水力直径２００μｍ（最小粒径１０μｍ×２０）以下の流路に、概ね分離したいときは水力直径４００μｍ（平均粒径２０μｍ×２０）以下の流路に、それぞれすればよく、水路の水力直径を１５０μｍ（最小粒径１０μｍ×１５）以下（もれなく分離したいとき）、または３００μｍ（平均粒径２０μｍ×１５）以下（概ね分離したいとき）とすると好ましい。さらにクラスター状に凝集した癌細胞（ＣＴＣ）を分離しようとする場合は凝集ＣＴＣの粒径が３０から１００μｍ程度、平均粒径で７０μｍ程度のため、凝集ＣＴＣをもれなく分離したいときは水力直径６００μｍ（最小粒径３０μｍ×２０）以下の流路に、概ね分離したいときは水力直径１４００μｍ（平均粒径７０μｍ×２０）以下の流路に、それぞれすればよく、水路の水力直径を４５０μｍ（最小粒径３０μｍ×１５）以下（もれなく分離したいとき）、または１０５０μｍ（平均粒径７０μｍ×１５）以下（概ね分離したいとき）とすると好ましい。
When the device of the present invention is applied to the separation of cancer cells (CTC) contained in blood, if it is a normal cancer cell (CTC), its particle size is about 10 to 30 μm, and the average particle size is about 20 μm. Therefore, when it is desired to separate all of the fluids, a hydraulic diameter of 200 μm (
本発明の装置を、サブビジブル領域（０．１から１０μｍ）にあるタンパク質凝集体の分離に適用し、かつ対象凝集体の大きさが０．１μｍ程度の場合は、水路の水力直径を２μｍ（０．１μｍ×２０）以下にするとよく、１．５μｍ（０．１μｍ×１５）以下にすると好ましい。また対象凝集体の大きさが１０μｍ程度の場合は、水路の水力直径を２００μｍ（１０μｍ×２０）以下にするとよく、１５０μｍ（１０μｍ×１５）以下にすると好ましい。 When the apparatus of the present invention is applied to the separation of protein aggregates in the sub-visible region (0.1 to 10 μm) and the target aggregate size is about 0.1 μm, the hydraulic diameter of the water channel is set to 2 μm (0 0.1 μm × 20) or less, and preferably 1.5 μm (0.1 μm × 15) or less. When the size of the target aggregate is about 10 μm, the hydraulic diameter of the water channel may be 200 μm (10 μm × 20) or less, and preferably 150 μm (10 μm × 15) or less.
本発明の装置に備える、粒子を含む流体の流路の作製は、基板部材に設けた溝や凹凸面をそのまま流路として用いてもよいし、少なくともいずれか一方の部材に溝や凹凸面を設けた上面基板部材および下面基板部材とを接合する、または上面基板部材および下面基板部材と側面部材とを接合することで形成される各基板間の空洞を流路として用いてもよい。流路の形状および断面に特に限定はなく、形状としては直線状、曲線状、管状、面状などが、断面としては円形、楕円形、矩形、多角形、台形などが、それぞれあげられるが、流路形状は直線状とする方が粒子径に基づく分離をより精度よく行なえる点で好ましい。なお基板部材の材質は、粒子観察を容易に行なえる点で、透明な部材とするとよい。透明な部材の例としては、ガラス、ポリカーボネート板などの樹脂、シリコーンゴム、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）があげられる。 For the production of the fluid flow path containing particles provided in the apparatus of the present invention, the groove or uneven surface provided on the substrate member may be used as the flow path as it is, or the groove or uneven surface is provided on at least one member. A cavity between the substrates formed by joining the provided upper substrate member and lower substrate member or joining the upper substrate member, lower substrate member and side member may be used as the flow path. There are no particular limitations on the shape and cross section of the flow path, and the shape is linear, curved, tubular, planar, etc., and the cross section is circular, elliptical, rectangular, polygonal, trapezoidal, etc. It is preferable that the flow path shape is linear because separation based on the particle diameter can be performed with higher accuracy. The material of the substrate member is preferably a transparent member from the viewpoint that particle observation can be easily performed. Examples of the transparent member include glass, a resin such as a polycarbonate plate, silicone rubber, and polydimethylsiloxane (PDMS).
流路の長さは、後述する往復流動を発生させる流動発生手段による粒子移動操作（粒子分離操作）をバッチ式で行なうか、連続式で行なうかで異なる。バッチ式で行なう場合、流路内の粒子は流動発生手段により往復運動するため、流路の長さは少なくとも当該往復運動による移動量分あればよく、数十μｍから数ｍｍ程度の長さでも実施可能である。ただし、バッチ式による粒子分離能力は流動発生手段による粒子移動操作の長さと比例するため、所望の分離能力を考慮の上、流路の長さを設定するとよい。一方連続式で行なう場合、流路内の粒子は排出口側に流れるためバッチ式よりも流路を長くする必要がある。例えば、粒径１０μｍ程度の粒子を連続式、かつ精度よく分離したい場合は、流路の長さは１ｃｍ以上とするとよい。 The length of the flow path differs depending on whether the particle movement operation (particle separation operation) by the flow generation means for generating reciprocating flow, which will be described later, is performed batchwise or continuously. When the batch method is used, the particles in the flow path are reciprocated by the flow generating means. Therefore, the length of the flow path should be at least as much as the amount of movement due to the reciprocating movement, and even a length of several tens μm to several mm. It can be implemented. However, since the batch-type particle separation capacity is proportional to the length of the particle transfer operation by the flow generating means, the length of the flow path may be set in consideration of the desired separation capacity. On the other hand, in the case of the continuous method, the particles in the flow channel flow to the discharge port side, so that the flow channel needs to be longer than the batch method. For example, when it is desired to separate particles having a particle size of about 10 μm continuously and accurately, the length of the flow path is preferably 1 cm or more.
上面基板部材および下面基板部材を接合する（または上面基板部材および下面基板部材と側面部材とを接合する）ことで、粒子を含む流体の流路を作製する場合は、これら部材のいずれかに粒子を含む流体を導入／排出するための貫通口を設ける必要がある。粒子を含む流体を導入するための貫通口（流体導入口）は１つのみ設けてもよいし、複数設けてもよい。さらに流体導入口は送液チューブを介し、送液手段に接続されていてもよい。粒子を含む流体を排出するための貫通口（流体排出口）も流体導入口と同様１つのみ設けてもよいし、複数設けてもよい。また流体導入口は送液チューブを介し、吸引手段または廃液タンクに接続されていてもよい。 When a fluid flow path containing particles is produced by joining the upper surface substrate member and the lower surface substrate member (or joining the upper surface substrate member and the lower surface substrate member and the side surface member), the particles are attached to any of these members. It is necessary to provide a through-hole for introducing / extracting a fluid containing the. Only one through-hole (fluid inlet) for introducing a fluid containing particles may be provided, or a plurality of through-holes may be provided. Furthermore, the fluid inlet may be connected to the liquid feeding means via the liquid feeding tube. As with the fluid introduction port, only one or a plurality of through-ports (fluid discharge ports) for discharging the fluid containing particles may be provided. Further, the fluid introduction port may be connected to the suction means or the waste liquid tank via the liquid feeding tube.
なお後述する流動発生手段による粒子移動操作を連続式で行なう場合は、流体を排出するための貫通口の他に別途、分離した粒子を排出するための貫通口（粒子排出口）を設けてもよい。粒子排出口（粒子排出口を設けない場合は流体排出口）側に、分離・排出された粒子の通過を検出可能な装置（フローサイトメーターなど）や当該粒子の径を計測可能な装置（パーティクルカウンターなど）を備えることで、径に基づく粒子の分離が確認できる。さらに前記装置による分析結果に基づき、所望の径を有した粒子の分離・採取・除去も行なえる。 In addition, when performing the particle movement operation by the flow generation means described later in a continuous manner, in addition to the through-hole for discharging the fluid, a through-hole (particle discharge port) for discharging the separated particles may be provided separately. Good. A device that can detect the passage of separated and discharged particles (such as a flow cytometer) or a device that can measure the diameter of the particles (particles) on the particle discharge port (or a fluid discharge port if no particle discharge port is provided) By providing a counter or the like, separation of particles based on diameter can be confirmed. Furthermore, based on the analysis result by the apparatus, particles having a desired diameter can be separated, collected and removed.
本発明の装置に備える、往復する流動を発生させる流動発生手段の一例として、送液手段、気流発生手段、圧力発生手段など直接流路内の流体に往復する流動を発生させる手段や、アクチュエーターや圧電素子など流路を構成する部材（基板部材または側面部材）に対し往復振動を与える手段により間接的に流路内の流体に往復する流動を発生させる手段があげられる。流動発生手段による流動発生方向は、粒子を含む流体の流れる方向に対して垂直方向でない限り、その方向に限定はないが、粒子を含む流体の流れる方向に対して平行方向とすると高い精度の分離を迅速に行なえる点で好ましい。 As an example of a flow generation means for generating a reciprocating flow provided in the apparatus of the present invention, a means for generating a flow reciprocating directly in the fluid in the flow path, such as a liquid feeding means, an air flow generation means, a pressure generation means, an actuator, A means for generating a flow that reciprocates indirectly with the fluid in the flow path by means for applying reciprocal vibration to a member (substrate member or side member) that constitutes the flow path, such as a piezoelectric element. The direction of flow generation by the flow generation means is not limited as long as it is not perpendicular to the direction in which the fluid containing particles flows, but it is highly accurate if it is parallel to the direction in which the fluid containing particles flows. Is preferable because it can be performed quickly.
流動発生手段が直接流路内の流体に往復する流動を発生させる手段の場合、前述した手段と、流路の流体導入口および／または流体排出口とを、液密または気密に接続すればよい。流動発生手段が上面基板部材と下面基板部材と側面部材とから構成され、圧電素子などにより間接的に流路内の流体に往復する流動を発生させる手段の場合、側面部材の材質は伸縮性を有した材とすると好ましい。流動発生手段により発生される往復する流動の周期性および波形に特に限定はなく、周期的な流動であってもよく、非周期的な流動であってもよく、対称の流動であってもよく、非対称の流動であってもよい。流動発生手段を複数備える場合、各手段で異なる周期／波形の流動（非同期の流動）を発生させてもよいし、同一の周期／波形の流動（同期した流動）を発生させてもよい。 In the case where the flow generating means is a means for generating a flow that reciprocates directly with the fluid in the flow path, the above-described means and the fluid inlet and / or fluid outlet of the flow path may be connected in a liquid-tight or air-tight manner. . In the case where the flow generating means is composed of an upper surface substrate member, a lower surface substrate member, and a side surface member, and is a means for generating a flow that reciprocates indirectly with the fluid in the flow path by a piezoelectric element or the like, the material of the side surface member has elasticity. It is preferable to have the material. There is no particular limitation on the periodicity and waveform of the reciprocating flow generated by the flow generating means, and it may be a periodic flow, a non-periodic flow, or a symmetric flow. An asymmetric flow may also be used. When a plurality of flow generation means are provided, each means may generate a flow with different periods / waveforms (asynchronous flow), or may generate a flow with the same period / waveform (synchronous flow).
本発明において、流路に流れる粒子は、一定の速度以上で流れる（移動させる）ことで当該粒子を前記流路中央側に整列させることができる。具体的には流速を１ｍｍ／ｓ以上とすると好ましい。本発明の装置による粒子の分離／濃縮の一態様（実施例２および３の条件）である、流路が幅２００μｍ、高さ５０μｍの矩形断面を有する流路であり、導入する粒子の径が１０μｍおよび５μｍであり、粒子を含んだ流体が２５℃の水（動粘性率：８．９７×１０−７ｍ２／ｓ）であり、流速（粒子の移動速度）が１ｍｍ／ｓであるときの粒子レイノルズ数Ｒｅｐを、下記式（２）を用いて算出すると、それぞれ２．０９×１０−３（１０μｍの粒子）、および５．２３×１０−４（５μｍの粒子）となる。
Ｒｅｐ＝Ｕｍ×ａ２／νＤｈ （２）
Ｒｅｐ：粒子レイノルズ数、Ｕｍ：最大流速（通常、流速の１．５倍）
ａ：粒子径、ν：動粘性率、Ｄｈ：水力直径
したがって、本発明の装置を用いて粒子の分離／濃縮を行なう際、粒子レイノルズ数は５．０×１０−４以上とすると好ましいことがわかる。
In the present invention, the particles flowing in the flow channel can be aligned at the center of the flow channel by flowing (moving) at a certain speed or higher. Specifically, the flow rate is preferably 1 mm / s or more. The flow path is a flow path having a rectangular cross section with a width of 200 μm and a height of 50 μm, which is an aspect of the separation / concentration of particles by the apparatus of the present invention (conditions of Examples 2 and 3). 10 μm and 5 μm, when the fluid containing particles is water at 25 ° C. (kinematic viscosity: 8.97 × 10 −7 m 2 / s), and the flow velocity (particle moving speed) is 1 mm / s When the particle Reynolds number Rep is calculated using the following formula (2), 2.09 × 10 −3 (10 μm particles) and 5.23 × 10 −4 (5 μm particles) are obtained.
Rep = Um × a 2 / νDh (2)
Rep: Particle Reynolds number, Um: Maximum flow velocity (usually 1.5 times the flow velocity)
a: Particle diameter, ν: Kinematic viscosity, Dh: Hydraulic diameter Therefore, when performing separation / concentration of particles using the apparatus of the present invention, it is preferable that the particle Reynolds number is 5.0 × 10 −4 or more. Recognize.
一般に、動粘性率が１０−６から１０−９ｍ２／ｓの流体が流れる流路内において、粒子を整列させるパラメーターは、流路の幾何学構造、流路断面積に対する粒子サイズ、流路を流れる流体の物性、流路内を流れる粒子に働く力などがあげられる（Ｊｉａｎ Ｚｈｏｕ ｅｔ．ａｌ．，Ｌａｂ ｏｎ ａ ｃｈｉｐ，１３，１１２１−１１３２（２０１３））。本発明では、粒子は、流動発生手段により生じる往復する流動にさらされることで絶えず加速度が変化する空間にさらされている。当該加速度変化時に発生する、粒子周りの不均一な速度分布由来のせん断力が、壁面から離れる方向に粒子を押しつけ、粒子を流路中央に整列していると考えられる。 In general, in a flow channel in which a fluid having a kinematic viscosity of 10 −6 to 10 −9 m 2 / s flows, the parameters for aligning the particles are the geometry of the flow channel, the particle size with respect to the cross-sectional area of the flow channel, the flow channel The physical properties of the fluid flowing in the flow path, the force acting on the particles flowing in the flow path, and the like (Jian Zhou et.al., Lab on a chip, 13, 1121-1132 (2013)). In the present invention, the particles are exposed to a space where the acceleration is constantly changed by being exposed to the reciprocating flow generated by the flow generation means. It is considered that the shear force derived from the non-uniform velocity distribution around the particles generated when the acceleration changes, presses the particles away from the wall surface, and aligns the particles in the center of the flow path.
また、前記せん断力は流路壁面に近い方が大きくなると考えられる。従って本発明の一態様における粒子の整列のためのパラメーターとしては、流路断面積に対する粒子径、粒子の加速度変化の有無、前記加速度変化量があげられる。これらのパラメーターにより、Ｊｉａｎらの文献の形態では実現できない、Ｒｅｐ＜＜１という非常に小さい粒子レイノルズ数であっても粒子を整列させることができる。 Moreover, it is thought that the said shear force becomes large near the flow path wall surface. Therefore, the parameters for the alignment of the particles in one embodiment of the present invention include the particle diameter with respect to the cross-sectional area of the flow path, the presence / absence of the acceleration change of the particles, and the acceleration change amount. With these parameters, the particles can be aligned even with a very small particle Reynolds number of Rep << 1, which cannot be realized in the form of Jian et al.
本発明の装置は、粒子を含む流体の流路と往復する流動を発生させる１または複数の流動発生手段とを備えた粒子分離装置において、前記流路の水力直径を前記粒子の径の２０倍以下とすることを特徴としている。本発明により、流体中に含まれる粒子をその径に基づき、精度よく分離（分級）することができる。また本発明の装置は、粒子をその径に基づき流路中央部へ移動させることができるため、分離に必要な流路を極めて短くでき、粒子分離装置の小型化が容易である。 The apparatus of the present invention is a particle separation apparatus comprising one or a plurality of flow generation means for generating a reciprocating flow with a flow path of a fluid containing particles, wherein the hydraulic diameter of the flow path is 20 times the diameter of the particles. It is characterized by the following. According to the present invention, particles contained in a fluid can be accurately separated (classified) based on the diameter. Moreover, since the apparatus of the present invention can move particles to the center of the flow path based on the diameter thereof, the flow path required for separation can be extremely shortened, and the particle separation apparatus can be easily downsized.
なお流体中に含まれる粒子の種類が１種類の場合、流路出口（粒子排出口）での当該粒子の濃度は高まる。したがって本発明の装置により、遠心分離器など従来の装置では濃縮困難な、極微量の試料（例えば１μＬ程度）からの粒子（細胞など）濃縮が可能となる。 In addition, when the kind of particle | grains contained in a fluid is one type, the density | concentration of the said particle | grain at a flow-path exit (particle discharge port) increases. Therefore, the apparatus of the present invention makes it possible to concentrate particles (such as cells) from a very small amount of sample (for example, about 1 μL), which is difficult to concentrate with a conventional apparatus such as a centrifuge.
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
本発明の装置に備える流路（流路構造体）の一態様を図１に示す。図１に示す流路構造体１０は、粒子を含む液体が流れる流路１１と、流路１１へ粒子を含む液体を導入するための液体導入口１２と、液体を系外に排出するための液体排出口１３と、を設けている。液体導入口１２および液体排出口１３は、チューブと接続するためのグロメット（ハトメ）をさらに設けている。なお図１に示す流路（流路構造体）では、液体中に含まれる粒子をその径に基づき選択的に排出させるために、液体排出口１３は３箇所設けている（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
One mode of a flow path (flow path structure) provided in the apparatus of the present invention is shown in FIG. A
本発明の装置に備える流動発生手段の一態様を図２に示す。図２に示す流動発生手段２０は、
上面基板部材２４、下面基板部材２５および側面部材２６により空間が画定されたチャンバー２３と、
上面基板部材２４の押下位置２７で押下することによりチャンバー２３内に振動を発生させる圧電素子２１と、
圧電素子２１によりチャンバー２３内に発生した振動を外部へ伝えるための貫通口２２と、
を設けている。
One mode of the flow generation means provided in the apparatus of the present invention is shown in FIG. The flow generating means 20 shown in FIG.
A
A
A through
Is provided.
側面部材２６はチャンバー２３を画定可能な部材であれば特に限定はないが、上面基板部材２４への圧電素子２１の押下により振動を発生させることから、伸縮性のある部材（例えばシリコーンゴム）を用いると好ましい。側面部材２６の態様は、伸縮部材（例えばゴムシート）のうちチャンバー２３となる部分をくり抜いた態様としてもよいし、下面基板部材２５の面上にパッキン状に設けた態様としてもよい。圧電素子２１へ印加する信号の波形に特に限定はなく、点対称、非点対称、線対称、非線対称、いずれの波形であってもよい。一例として、正弦波、三角波、方形波、台形波、ノコギリ波があげられる。なお圧電素子２１の押下により発生する往復流動の形成を阻害しないよう、流れの方向を制限するチェックバルブや振動発生装置２０に同期した電動バルブを貫通口２２にさらに設けると好ましい。
The
図１に示す流路（流路構造体）１０と、図２に示す流動発生手段２０とを備えた、本発明の装置の一態様を図３に示す。流路（流路構造体）１０と流動発生手段２０とは可撓性チューブ３０を介して液密に接続されており、流動発生手段２０から発生した振動を、チャンバー２３−貫通孔２２−液体導入口１２を通じて流路１１へ伝達できる。液体導入口１２と流動発生手段２０とが液密に接続されている場合、液体排出口１３を閉じると流動発生手段２０による粒子移動操作（粒子分離操作）をバッチ式で行なうことができる。一方、液体排出口１３を開けたままにすると流動発生手段２０による粒子移動操作（粒子分離操作）を連続式で行なうことができる。
FIG. 3 shows an embodiment of the apparatus of the present invention including the flow path (flow path structure) 10 shown in FIG. 1 and the flow generation means 20 shown in FIG. The flow path (flow path structure) 10 and the flow generation means 20 are liquid-tightly connected via a
流路（流路構造体）１０を構成する部材のうち、上面基板部材１４および下面基板部材１５は、流路粒子の観察（例えば後述する粒子検出手段４０を用いた観察）が容易な点で透過性を有した材が好ましく、好ましい材の例として上面基板部材１４はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が、下面基板部材１５はガラスや透明樹脂（ポリカーボネートなど）が、それぞれあげられる。
Among the members constituting the flow path (flow path structure) 10, the upper
図３に示す本発明の装置のように、レンズ４１およびカメラ４２を有した粒子観察手段４０をさらに備えると、流路１１内の粒子の挙動を観察でき、また当該挙動から振動（周波数信号印加）や流速などを適切な値に設定できる点で好ましい。粒子検出手段４０を備える位置は、流路１１内の粒子の挙動が観察可能な位置であれば特に限定はなく、一例として、流路構造体１０の上方（図３）、下方または側方があげられる。
If the particle observation means 40 having the
なお図３に示す本発明の装置は、流路（流路構造体）１０と、流動発生手段２０とを、それぞれ１つずつ備えた態様であるが、１つの流路（流路構造体）に対し、流動発生手段２０を複数備えた態様であっても本発明の装置に含まれる。一例として、図１に示す流路（流路構造体）１０を１つ、および図２に示す流動発生手段２０を２つ備えた、本発明の装置の別の態様を図６に示す。図６に示す装置のように流動発生手段２０を複数備える場合、その振動の波形は同期していてもよいし、同期していなくてもよい。また時間軸に対して線対称の波形を用いてもよい。 The apparatus of the present invention shown in FIG. 3 is an aspect in which each of the flow path (flow path structure) 10 and the flow generation means 20 is provided one by one. On the other hand, even the aspect provided with a plurality of flow generation means 20 is included in the apparatus of the present invention. As an example, FIG. 6 shows another aspect of the apparatus of the present invention including one flow path (flow path structure) 10 shown in FIG. 1 and two flow generation means 20 shown in FIG. When a plurality of flow generating means 20 are provided as in the apparatus shown in FIG. 6, the vibration waveform may be synchronized or may not be synchronized. A waveform that is line-symmetric with respect to the time axis may be used.
図３に示す装置による、流路内への往復振動の発生を示した図（模式図）を図４に示す。印加される電圧に対応した距離で圧電素子２１が上面基板部材２４を押下すると、チャンバー２３内空間が圧縮され、チャンバー２３−可撓性チューブ３０−流路１１、という流れが形成される（図４（Ａ））。一方、印加された電圧が解除され圧電素子２１の上面基板部材２４への押下が解除されると、チャンバー２３内空間が元の状態に戻り、逆に流路１１−可撓性チューブ３０−チャンバー２３、という流れが形成される（図４（Ｂ））。これらの動作を圧電素子２１へ印加する周波数信号に基づき交互に行なうことで、流路１１内の往復信号を発生させる。
FIG. 4 shows a diagram (schematic diagram) showing the occurrence of reciprocal vibration in the flow path by the apparatus shown in FIG. When the
図３に示す装置による、粒子の分離を示した図（模式図）を図５に示す。粒子５１・５２を含む液体を流路１１に導入後（図５（Ａ））、流動発生手段により流路１１内に往復流動を発生させる。そうすると、径の大きい粒子５１は流路１１の中央側に、径の小さい粒子は流路１１の外側に、それぞれ整列する（図５（Ｂ））。その後、整列した粒子が流路１１の分岐位置まで到達する（図５（Ｃ））と、径の大きさに基づき粒子が各分岐流路へと流れる。具体的には、径の大きい粒子５１は液体排出口１３ａにつながる分岐流路へ、径の小さい粒子５２は液体排出口１３ｂおよび液体排出口１３ｃにつながる分岐流路へ、それぞれ流れる（図５（Ｄ））。結果として、各液体排出口から排出される液体中に含まれる粒子は一定の径を有した粒子のみとなり、液体中に含まれる粒子をその径に基づき分離できる。
FIG. 5 shows a diagram (schematic diagram) showing the separation of particles by the apparatus shown in FIG. After the liquid containing the
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail using an Example, this invention is not limited to these examples.
実施例１ 本発明の装置の作製
以下に示す方法で、以降の実施例で用いる流路構造体および流動発生手段を作製した。
（１）流路構造体
（１−１）４インチシリコンウェハー（フィルテック製）を１５０℃のホットプレート上で３０分間加熱し、冷却後、フォトレジスト（ＳＵ−８ ３０５０、日本化薬製）をシリコンウェハー上に滴下し、スピンコーターを用いて薄膜形成した。
Example 1 Production of the Device of the Present Invention The flow path structure and the flow generation means used in the following examples were produced by the following method.
(1) Channel structure (1-1) A 4-inch silicon wafer (manufactured by Filtech) is heated on a hot plate at 150 ° C. for 30 minutes, and after cooling, a photoresist (SU-8 3050, manufactured by Nippon Kayaku) Was dropped on a silicon wafer, and a thin film was formed using a spin coater.
（１−２）ホットプレート上で６５℃で１０分間、その後９５℃で３０分間加熱することで、フォトレジストを十分に硬化させた。
（１−３）ＵＶ露光機でパターン形成後、ＳＵ−８Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ（日本化薬製）を用いて現像し、イソプロパノールで十分に洗浄後、乾燥させることで流路作製のためのモールドを作製した。
（１−４）作製したモールドと、１００μＬのＴｒｉｃｈｌｏｒｏ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｏｃｔｙｌ）ｓｉｌａｎｅ（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ製）とを、真空デシケーター内へ載置し、真空ポンプで減圧後、１５分静置することでモールド表面を撥水処理した。
（１−５）Ｓｙｌｇａｒｄ（登録商標） １８４ ＳＩＬＩＣＯＮＥ ＥＬＡＳＴＯＭＥＲ ＫＩＴ（東レ・ダウコーニング社製）のＢＡＳＥと硬化剤を重量比１０：１で混合したものを、撥水処理したモールドへ流し込み、６５℃で４時間硬化させることで、微細パターンが転写されたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）製の流路を形成した。
（１−６）作製したＰＤＭＳ流路をモールドから剥した後、ソフトプラズマエッチング装置（メイワフォーシス製）によりＰＤＭＳ表面とガラス表面を活性化し、その後両者を密着させることで化学的に接合し、図１に示す流路構造体１０を作製した。
(1-2) The photoresist was sufficiently cured by heating on a hot plate at 65 ° C. for 10 minutes and then at 95 ° C. for 30 minutes.
(1-3) After pattern formation with a UV exposure machine, development was performed using SU-8 Developer (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), and after sufficiently washing with isopropanol, drying was performed to produce a mold for producing a flow path.
(1-4) The prepared mold and 100 μL of Trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane (manufactured by Sigma Aldrich) were placed in a vacuum desiccator, and the pressure was reduced by a vacuum pump for 15 minutes. The mold surface was subjected to water repellent treatment.
(1-5) A mixture of BASE of Sylgard (registered trademark) 184 SILICON ELASTOMER KIT (manufactured by Toray Dow Corning Co., Ltd.) and a curing agent in a weight ratio of 10: 1 was poured into a water-repellent treated mold at 65 ° C. By curing for 4 hours, a flow path made of polydimethylsiloxane (PDMS) to which a fine pattern was transferred was formed.
(1-6) After the produced PDMS channel is peeled from the mold, the PDMS surface and the glass surface are activated by a soft plasma etching apparatus (manufactured by Meiwa Forsys), and then chemically bonded by bringing them into close contact with each other. 1 was produced.
（２）流動発生手段
（２−１）縦７ｃｍ（図２（Ｂ）の（ａ））×横４ｃｍ（図２（Ｂ）の（ｂ））×厚さ１ｍｍの青板ガラスに、直径１ｍｍの貫通孔２２を加工により設けた後、貫通孔２２上にチューブ接続のためのグロメットを接着剤で貼りつけることで上面基板部材２４を作製した。
（２−２）縦７ｃｍ（図２（Ｂ）の（ａ））×横４ｃｍ（図２（Ｂ）の（ｂ））×厚さ１ｍｍのシリコーンゴムシートを、直径２．２ｃｍ（図２（Ｂ）の（ｄ））の半円形部２つと縦３ｃｍ（図２（Ｂ）の（ｃ））×横２．２ｃｍ（図２（Ｂ）の（ｄ））の長方形から構成される空間が形成されるよう切り抜くことで側面部材２６を作製した。
（２−３）（２−１）で作製した上面基板部材２４と、（２−２）で作製した側面部材２６と、縦７ｃｍ（図２（Ｂ）の（ａ））×横４ｃｍ（図２（Ｂ）の（ｂ））×厚さ１ｍｍの青板ガラスである下面基板部材２５とを液漏れが発生しないよう、接着剤で貼り合わせた。
(2) Flow generation means (2-1) 7 cm in length ((a) in FIG. 2 (B)) × 4 cm in width ((b) in FIG. 2 (B)) × Blue plate glass having a thickness of 1 mm After providing the through
(2-2) 7 cm in length ((a) in FIG. 2B) × 4 cm in width ((b) in FIG. 2B) × 1 mm thick silicone rubber sheet with a diameter of 2.2 cm (FIG. 2 ( A space composed of two semicircular portions of (D)) of B) and a rectangle of 3 cm in length ((c) in FIG. 2 (B)) × 2.2 cm in width ((d) in FIG. 2 (B)). The
(2-3) The upper
（２−４）上面基板部材２４の中央部（押下位置２７）上方に、印加電圧に対応して最大１００μｍまで変位可能な圧電素子２１（翔栄システム製）を設けることで、図２に示す流動発生手段２０を作製した。なお圧電素子２１へ電圧を印加するために、ピエゾドライバー（ＳＳＬ−１４０−１ＣＨ、翔栄システム製）および波形信号生成器（ＷＦ１６４６Ｂ、ＮＦ回路ブロック製）を圧電素子２１に設けた。
(2-4) A piezoelectric element 21 (manufactured by Shoei System) that can be displaced up to a maximum of 100 μm corresponding to the applied voltage is provided above the center portion (pressing position 27) of the upper
実施例２ 本発明の装置を用いた粒子分離
（１）直径１０μｍのポリスチレン標準粒子（ＪＳＲ社製）を２×１０７個／ｍＬとなるよう室温（２５℃）の純水（粘性係数８．９４×１０−４ｋｇ／（ｍ・ｓ）、密度９９７ｋｇ／ｍ３）に懸濁した溶液を、実施例１（１）で作製した、幅２００μｍ×高さ５０μｍ×（分岐部までの）長さ４０ｍｍの流路１１（アスペクト比４）に導入した。なお流路１１の水力直径は８０μｍであり、分離対象粒子の径（１０μｍ）に対し８倍である。
（２）実施例１（１）で作製した流路構造体の液体導入口１２と実施例１（２）で作製した流動発生手段の貫通口２２とを可撓性チューブ３０（ＰＴＦＥチューブ）で接続し、液体排出口１３をプラグで封止した後、圧電素子２１を駆動させることで流路１１内へ往復する流動を発生させた。なお圧電素子の駆動電圧は２Ｖ（圧電素子の伸長４０μｍ）、周波数は５Ｈｚとした。
（３）流路１１内の粒子の挙動を、レンズ４１およびカメラ４２を有した粒子検出手段４０で観察した。なおカメラ４２は、Ｂａｕｍｅｒ製高速カメラＨＸＣ２０を用いた。
Example 2 Particle Separation Using the Apparatus of the Present Invention (1) Pure water (viscosity coefficient: 8 ° C.) at room temperature (25 ° C.) so that polystyrene standard particles (manufactured by JSR) having a diameter of 10 μm are 2 × 10 7 particles / mL. 94 × 10 −4 kg / (m · s), density 997 kg / m 3 ), a solution suspended in Example 1 (1), 200 μm wide × 50 μm high × up to the branch portion It introduced into the flow path 11 (aspect ratio 4) of 40 mm. The hydraulic diameter of the
(2) A flexible tube 30 (PTFE tube) connects the
(3) The behavior of the particles in the
結果を図７に示す。往復流動を発生させる前は粒子は流路上に広範囲に分布（図７（Ａ））していたが、往復流動を発生させると当該粒子は徐々に流路中央側に整列するようになり、最終的には流路内の粒子が一列に並んだ（図７（Ｂ））。なお粒子観察手段による画像解析の結果、往復流動の発生による粒子の移動速度は１ｍｍ／ｓであった。また粒子の速度は流速と一致するとみなし粒子レイノルズ数を計算すると、流体の動粘性率（粘性率を密度で割ったもの）が８．９７×１０−７ｍ２／ｓであることから、２．０９×１０−３となる。 The results are shown in FIG. Before the reciprocating flow was generated, the particles were distributed over a wide range on the flow path (FIG. 7A). However, when the reciprocating flow was generated, the particles gradually aligned to the center of the flow path. Specifically, the particles in the flow channel were arranged in a line (FIG. 7B). As a result of the image analysis by the particle observation means, the moving speed of the particles due to the reciprocating flow was 1 mm / s. Further, when the particle Reynolds number is calculated assuming that the velocity of the particle coincides with the flow velocity, the kinematic viscosity (viscosity divided by the density) of the fluid is 8.97 × 10 −7 m 2 / s. 0.09 × 10 −3 .
実施例３ 本発明の装置を用いた、径に基づく粒子分離
実施例１（１）で作製した流路１１に導入する溶液として、直径５μｍのポリスチレン標準粒子（ＪＳＲ社製）および直径１０μｍのポリスチレン標準粒子（ＪＳＲ社製）をそれぞれ２×１０７個／ｍＬとなるよう純水に懸濁した溶液とした他は、実施例２と同様な方法で径に基づく粒子分離を試みた。なお流路１１の水力直径は、分離対象粒子の径に対しそれぞれ８倍（１０μｍの粒子）、１６倍（５μｍの粒子）である。
Example 3 Particle Separation Based on Diameter Using Apparatus of the Present Invention As a solution to be introduced into the
結果を図８に示す。直径１０μｍのポリスチレン粒子は流路中央側に整列する一方、直径５μｍのポリスチレン粒子は流路外側に整列していることが観察された。なお粒子観察手段による画像解析の結果、往復流動の発生による粒子の移動速度は１ｍｍ／ｓであった。本結果より、粒子を含む流体の流路と往復する流動を発生させる流動発生手段とを備え、かつ前記流路の水力直径が前記粒子の粒子径の２０倍以下とした本発明の装置により、従来の装置では精度良い分離が困難であった数μｍの粒子を明確に分離できることがわかる。また実施例２と同様に粒子レイノルズ数を計算すると、１０μｍの粒子は２．０９×１０−３となり、５μｍの粒子は５．２３×１０−４となった。 The results are shown in FIG. It was observed that polystyrene particles having a diameter of 10 μm were aligned on the center side of the channel, while polystyrene particles having a diameter of 5 μm were aligned on the outside of the channel. As a result of the image analysis by the particle observation means, the moving speed of the particles due to the reciprocating flow was 1 mm / s. From this result, by the apparatus of the present invention comprising a flow generation means for generating a reciprocating flow with the flow path of the fluid containing the particles, and the hydraulic diameter of the flow path is 20 times or less the particle diameter of the particles, It can be seen that particles of several μm, which were difficult to separate with high accuracy by the conventional apparatus, can be clearly separated. Further, when the particle Reynolds number was calculated in the same manner as in Example 2, the particle size of 10 μm was 2.09 × 10 −3 and the particle size of 5 μm was 5.23 × 10 −4 .
１０：流路構造体 10: Channel structure
１１：流路
１２：液体導入口
１３：液体排出口
１４、２４：上面基板部材
１５、２５：下面基板部材
１６、２６：側面部材
２０：流動発生手段
２１：圧電素子
２２：貫通口
２３：チャンバー
２７：圧電素子による振動押下位置
３０：可撓性チューブ
４０：粒子観察手段
４１：レンズ
４２：カメラ
５１：径の大きい粒子
５２：径の小さい粒子
11: Channel 12: Liquid inlet 13:
Claims (4)
前記流路から粒子を排出するための液体排出口と、
往復する流動を発生させる１または複数の流動発生手段と
を備えた粒子分離装置であって、
前記流路の水力直径が前記粒子の粒子径の２０倍以下である、前記装置。 A flow path and a liquid inlet for introducing particles communicating with the flow path;
A liquid outlet for discharging particles from the flow path;
A particle separator comprising one or more flow generating means for generating a reciprocating flow,
The apparatus, wherein the hydraulic diameter of the flow path is 20 times or less the particle diameter of the particles.
前記流路の水力直径が前記粒子の粒子径の２０倍以下である、前記装置。 An apparatus for concentrating the particles comprising the flow path and one or more flow generating means for generating a reciprocating flow,
The apparatus, wherein the hydraulic diameter of the flow path is 20 times or less the particle diameter of the particles.
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- 2016-03-31 JP JP2016072999A patent/JP2017177083A/en active Pending
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