JP2009525862A - 粒子分離装置及び粒子分離方法 - Google Patents

Abstract

粒子分離装置及び粒子分離方法を提供する。本発明による粒子分離装置は、少なくとも一つ以上の異なる特性を有する相異なる種類の粒子を容易に分離できるように、一種以上の物理的特性を有する粒子が混合された第１流体と第１流体と隣接して流通される第２流体とがともに流通される流通チャンネルと、流通チャンネルから繋がって第１流体と第２流体とが分流される複数個の流出チャンネルとを含むチャンネル部と、流通チャンネルに隣接して設けられて第１流体に含まれた相異なる物理的性質を有する粒子を互いに区分して分離流通させるフィールドを形成するフィールド形成部と、を含みうる。

Description

本発明は、粒子分離装置及び粒子分離方法に係り、より詳細には、相異なる物理的性質を有する粒子が混合された流体に含まれた粒子を分離する粒子分離装置及び粒子分離方法に関する。

粒子分離装置は、一つの流体に含まれた異なる種類の粒子を物理または化学的方法によって分離する装置であって、流れる流体内に含まれた粒子が相異なる物理的、化学的、または生理学的性質を有する時、特定種類の粒子が有する性質を用いて粒子を分離する。

本発明による粒子は、ＤＮＡ、タンパク質、細胞、酵素、抗体などの生物学的粒子や炭素ナノチューブ、ナノワイヤ、金属、半導体、ポリマー、化学添加剤のような有機または無機化合物などを総称するものであって、単一個体あるいは鎖状に流体内で一定の形態で存在することができるすべてのものと自然界の一要素として一定の空間を占有して質量を有するものとを含む広義の概念と定義する。

この際、物理的性質とは、誘電定数、極性、ｐｈ、形状、抵抗、キャパシタンス（capacitance）など多様な特性がこれに該当し、外部に加えられる力としては、電場、磁場、光によるものなどを例として挙げられうる。

このような物理的性質が異なる粒子が互いに混じっている時、所望の属性のみを別途に分離することは、非常に重要なものであって、多くの研究が進んでいる。

例えば、血液の場合、血漿内の赤血球と白血球とを損傷なしに分離できれば、多様な疾病診断をより容易にでき、生理学的に精子中で健康なものと死んでいるものとを分離することも、複製、培養のような生物学的プロセスで非常に有意なものである。

他の例として、物理化学的に生産過程で物理的性質を制御しにくい炭素ナノチューブを属性によって分離する分野に粒子分離装置が使われる。

炭素ナノチューブ（ＣＮＴ；Carbon Nanotube）は、ナノチューブの代表的な物質であって、１９９０年代初に日本の飯島澄男によって発見されて以来、自体の優れた性能のために、産業界を含めた多くの分野でその活用のための研究が活発に進んでいる。炭素ナノチューブは、細長管の形態を有しており、管の壁が単層壁からなる単層ナノチューブ（Single-Walled Nanotube：以下、ＳＷＮＴ）と多層壁で構成された多層ナノチューブ（Multi-Walled Nanotube：以下、ＭＷＮＴ）とに区別されることができる。

一般的に、ＳＷＮＴの直径は１ｎｍ以下であり、ＭＷＮＴは１０ｎｍないし１００ｎｍ程度であるが、製造する条件及び方法によってさらに小径にするか、さらに大径にすることができる。ナノチューブの長さは、製造時におおよそ数μｍの長さを有するのが一般的であるが、最近には数ｍｍの長さを有するナノチューブを開発した事例も報告されている。

このような炭素ナノチューブは、重さがアルミニウムより軽い一方、一般の鉄よりは数十倍以上の強度を有しており、銅よりは電流伝達能に優れて化学的、物理的環境に対して非常に強い特性を有している。また、管の形態なので、表面積が広くて他の化学物質を多く付着するか、固定させることができる長所があって燃料電池としても研究されている。

炭素ナノチューブは、製造時に半導体性あるいは金属性の性質を帯びることが一般的であり、このような性質を用いてＦＥＴ（Field Effect Transistor）、ＳＥＴ（Single Electron Transistor）、ナノワイヤ（Nano wire）としての活用が可能である。そして、電流を加えれば、電子及びＸ線を作り出すことができる特徴も有していて電界放出ディスプレイ（Field Emitted Display）やランプ用として開発された。

これ以外にも、炭素ナノチューブを用いる分野としては、化学及び生物学的センサー、複合体材料（Composite Material）、ナノメモリ（Nano Memory）、ナノコンピュータ（Nano Computer）などへの適用のための研究が進んでいる。

このような炭素ナノチューブが多様な産業分野に適用されるためには、解決しなければならない課題が多い。その中で非常に重要な課題の一つが、炭素ナノチューブの製造時において、相異なる性質を有する炭素ナノチューブが混在された状態で作られることをあらかじめ調節して、所望の性質を有する炭素ナノチューブのみを製造することである。

しかし、いまだにその生産性を高めうる方法は開発されていない実情である。したがって、多くの研究者は、既に生産されたさまざまな性質を有したナノチューブが混じっている状態で所望の性質を有するナノチューブを分離する研究を試みている。

最近、Krupkeは、誘電泳動（Dielecrophoresis）を用いて半導体性ナノチューブで金属性ナノチューブを分離して所望の電極に付ける可能性を見せてくれた。これ以外にも他の実験的研究が進んでいるが、実際の産業界に必要な半導体性ナノチューブと金属性ナノチューブとを分離して採集することができる生産性ある方法は提示されていない。

従来に使われる粒子分離装置は、一つの流入口を有したチャンネルに流入された流体に混在された粒子が物理的性質によって相異なる流出口に排出させて分離する方法が広く使われている。

しかし、このような装置は、一つの力を用いて相異なる物理的性質を有した粒子をそれぞれ所望の方向に制御することが容易ではない。

すなわち、二個の粒子が正極と負極とに荷電された粒子であれば、電場内で容易に分離できるが、一つの粒子は正極に荷電された粒子であり、他の粒子は電気的性質を帯びない粒子である場合、このような粒子を所望の方向に制御することはかなり難しい問題がある。

したがって、従来の装置のみでは多くの種類の粒子が含まれた流体で特定性質を有する粒子のみを分離することが困難な問題がある。

また、銀、金のような無機ナノ粒子の場合には、相互間の凝集現象を解決するために、界面活性剤（surfactant）を用いて粒子を分散させるが、この際、界面活性剤が過濃度で含まれた溶液から製造されたナノ粒子のみ分離することが産業的に非常に必要である。これを解決するために、従来にはナノ粒子を遠心分離機などを用いて分離しているが、時間当り分離量が少なくて生産性が低いという問題がある。

本発明は、前記問題を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、物理的性質が異なる粒子が含まれた流体で特定な物理的性質を有する粒子を容易に分離できる粒子分離装置及び粒子分離方法を提供することにある。

前記目的を果たすための本発明の一実施形態による粒子分離装置は、一種以上の物理的特性を有する粒子が含まれた第１流体と、前記第１流体と隣接して流通される第２流体とがともに流通される流通チャンネルと、前記流通チャンネルから繋がって前記流通チャンネルを通過した流体が分流される複数個の流出チャンネルとを含むチャンネル部、前記流通チャンネルに隣接して設けられて前記第１流体に含まれた粒子を第１流体から分離して第２流体とともに流出されるように流通させるフィールドを形成するフィールド形成部と、を含む。

本発明の一実施形態による粒子分離方法は、一種以上の物理的特性を有する粒子が含まれた第１流体と、前記第１流体と隣接して流通される第２流体とを合流する段階とともに流通される第１流体と第２流体とに物理的な力を加えるフィールドを形成する段階と前記フィールドに影響を受ける物理的性質を有した粒子を第１流体から分離して第２流体とともに流通させる段階、前記合流された流体を分流する段階と、を含む。

前記フィールド形成部は、電源と、前記電源と電気的に連結される電極とを含みうる。

前記電源は、交流電源からなる。

前記電源は、直流電源または直流電源と交流電源とが電気的に連結された構造からなる。

前記電極は、前記流通チャンネルの幅方向に同側の縁部に隣接して設けられる。

前記電極は、前記流通チャンネルの幅方向に対向縁部に隣接して設けられ、前記電極の間には間隙が形成される。

前記間隙は、前記流通チャンネルの幅方向に一側に偏って配される。

流体の流動方向に進行するほど前記間隙は、前記流通チャンネルの幅方向の一側に偏りながら、狭くなる。

前記電極は、一側または両側の電極が楔状に形成される。

前記電極は、相互対向する面が対向電極の対向面に対して傾いた構造からなる。

前記電極は、前記流通チャンネルの幅方向に突出された突起を含みうる。

前記突起は、相異なる電極の突起が交差配列され、前記流通チャンネルの幅方向の一側の縁部に行くほど前記突起の間の間隙が減少しうる。

前記チャンネル部は、前記流出チャンネルが設けられた側の反対側で前記流通チャンネルと連通されるように設けられて第１流体と第２流体とが流入される複数個の流入チャンネルを含みうる。

前記電極は、前記流通チャンネルを幅方向に横切る突起が形成され、前記突起は、前記流通チャンネルと第１流体が流入される前記流入チャンネルとに隣接して設けられる。

前記フィールド形成部は、前記流通チャンネルの幅方向の一側の縁部と隣接して設けられて磁場を形成する磁石を含みうる。

前記フィールド形成部は、前記流通チャンネルの幅方向の一側の縁部と隣接して設けられて磁場の形成を誘導する電極を含みうる。

前記流通チャンネルの幅方向の一側の縁部には、光が透過される素材からなる光透過性部材が設けられ、前記光透過性部材に隣接して光源が設けられる。

前記粒子分離装置は、前記流出チャンネルのうち何れか一つと連通されて前記流出チャンネルから流入される流体に含まれた粒子を分離して排出させる２次以上の分離部を備えることができる。

前記流通チャンネルは、前記第１流体と前記第２流体とが合う合流点と、前記第１流体と前記第２流体とが分離する分流点と、を備えることができる。

前記フィールド形成部は、電場、磁場、または光フィールドのうちから選択される何れか一つあるいは２つ以上を発生させることができる。

前記第１流体に含まれた粒子は、複数種からなり、相異なる種類の粒子は、相異なる物理的特徴を備えることができる。

本発明によれば、
第１に、第１流体と第２流体とがともに流動しながら、不均一なフィールドによって特定な物理的性質を有する粒子を第２流体に移動させて特定な性質の粒子を容易に分離することができる。
第２に、前記したフィールドは、流体の進行方向に対して垂直ではない不均一なフィールドなので、フィールドの形状と強さとを自由に調節して粒子の移動経路を自由に調節できるが、これにより多様な種類の粒子をより効率的に分離することができる。
第３に、粒子が流動過程で分離されるので、粒子を連続的に分離することができ、これにより多量の粒子を容易に分離することができる。
第４に、粒子に対する直接的な接触なしに粒子が分離されるので、粒子を損傷させずに分離することができる。
第５に、粒子を移動させるフィールドとしては、電場、磁場、光フィールドなど多様な種類のフィールドが適用されることができて多様な性質を有した粒子を効率的に分離することができる。
第６に、粒子分離装置が多段階構造からなることができて、一度に多くの種類の粒子を分離することができる。
第７に、フィールドが電場からなる場合、電極の構造を三角状、楔状などで形成して電場強度が不均一なフィールドを形成して誘電泳動によって粒子を第２流体に容易に移動させることができる。
第８に、電場を形成する電極が突起を含む構造からなって突起の形状及び配置を通じて電場強度を容易に調節して粒子を効率的に分離することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明を詳しく説明する。

図１は、本発明の第１実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な斜視図であり、図２及び図３は、本発明の第１実施形態による粒子分離装置の作動原理を図示した概略的な構成図である。

前記図面を参照して説明すれば、本実施形態による粒子分離装置は、異なる種類の粒子が混合された第１流体と、該第１流体１７と隣接して流動される第２流体１６とがともに流通される空間を有するチャンネル部３０を含む。また、粒子分離装置は、チャンネル部３０に隣接するように設けられて粒子のうち一部の粒子を第２流体１６側に引き付けるフィールドを形成するフィールド形成部４０をさらに含む。相異なる種類の粒子は、少なくとも一つ以上の異なる物理的特性を有する。

本発明でフィールドとは、粒子に物理的な刺激を加える特定な影響力が及ぶ空間を意味し、電場、磁場、光フィールド、電磁気場などを含む概念と定義する。また、本発明において、チャンネルとは、粒子の移動通路を意味する。

チャンネル部３０は、第１流体１７と第２流体１６とがそれぞれ流入される流入口３１ａ、３２ａと第１流体１７と第２流体１６とがともに流通される流通チャンネル３５と相異なる成分を有する流体が排出される複数個の流出口３３ａ、３４ａとを含む。

また、チャンネル部３０は、一側の縁部に形成されて第１流体１７が流入される流入チャンネル３２と第２流体１６が流通される流入チャンネル３１とを含む。そして、前記流入チャンネル３１、３２は、前記流通チャンネル３５に対して傾くように形成される。そして、流入チャンネル３１、３２が流通チャンネル３５と合う部分には、流入チャンネル３１、３２から流入される流体が合う合流点３６が形成される。

そして、チャンネル部３０は、他側の縁部に形成されて第１流体１７と第２流体１６とが排出される流出チャンネル３３、３４を含み、流出チャンネル３３、３４が合う部分には、第１流体１７と第２流体１６とが分流される分流点３７が形成される。本発明において、分流とは、第１流体１７と第２流体１６との完璧な分離だけではなく、分流点３７を通過した後、それぞれの流出チャンネル３３、３４に第１流体１７または第２流体１６が過半数以上存在する場合を含む概念と定義する。

流入チャンネル３１、３２は、第１流体１７と第２流体１６とが流入されるようにそれぞれ第１流体１７が保存された容器１２と第２流体１６が保存された容器１１とに連結され、流出チャンネル３３、３４は、分離された第１流体１７と第２流体１６とを保存する容器１３、１４にそれぞれ連結される。

但し、このような構造は例示的なものであり、流入チャンネル３１、３２及び流出チャンネル３３、３４には、容器ではない別途の管が連結されることもできる。

一方、第１流体１７は、異なる種類の粒子が液体媒質である溶媒に混在された構造からなり、第２流体１６は、特定な粒子が含まれていない液体からなる。

本実施形態では、第１流体１７及び第２流体１６が液体からなるものと例示しているが、本発明がこれに限定されるものではなく、第１流体１７及び第２流体１６は気体などからなることもできる。

また、第２流体は、特定な粒子を含まない液体と例示しているが、第２流体は、場合によって粒子を含むこともできる。

一方、第１流体１７及び第２流体１６は、互いに混合されないようにチャンネル部内で層流流動（Laminar Flow）をすることが望ましい。第１流体１７及び第２流体１６が層流流動をするためには、レイノルズ数が小さくなければならないが、レイノルズ数は、流体の種類と速度及び流動路との大きさによって変わる値で流体の速度が遅くて水路の大きさが小さくなるにつれて小さくなる。

第１流体１７及び第２流体１６が層流流動をすれば、第１流体１７と第２流体１６とが互いに混じらずに分散された粒子も流動方向に力を受けて媒質とともに流動方向に移動する。但し、本発明がこれに限定されるものではなく、第１流体１７と第２流体１６とが乱流流動をする場合にも、第２流体１６に粒子を移動させて特定種類の粒子の密度を高めることができるので、第１流体１７と第２流体１６とが乱流流動をして流体１６、１７が部分的に混合される場合にも、本実施形態による粒子分離装置が適用されることができる。

一方、二つの流体の境界面では粒子の拡散が起こることができるが、第１流体１７に含まれた粒子が第２流体１６に移動する程度は、合流点３６から分流点３７までの移動に必要な時間が長いほど拡散も多く起こる。

また、第１流体１７と第２流体１６は、同一の流速で流通チャンネル３５に流入されることが望ましい。第１流体１７と第２流体１６とが異なる流速で流通チャンネル３５に流入されれば、第１流体１７と第２流体１６との境界面で乱流が発生して流体１６、１７が容易に混合されるためである。

したがって、本実施形態による流動部材３０は、内部に流動する流体が層流流動をして流体の混合を最小化させ、拡散による粒子の移動も最小化されるように設計される。

本実施形態において、流通チャンネル３５は、粒子に比べて十分に大きな断面積を有し、これにより流通チャンネル３５で流体の流れ方向に対して垂直である断面には、複数個の粒子が含まれる。したがって、多量の粒子を同時に分離させることができるので、工程の効率性が向上する。

一方、流通チャンネル３５の幅方向の一側の縁部には、第１流体１７に含まれた粒子の特定な物理的性質を有した粒子を第２流体１６側に移動させるフィールドを生成させるフィールド形成部４０が設けられる。本実施形態によるフィールドは、電場からなり、フィールド形成部４０は、流通チャンネル３５に電場を形成できるように二個の電極４２、４３と電極４２、４３に電流を印加する電源４１とを含む構造からなる。本実施形態による電源４１は、特定な周波数を有する交流電源からなる。但し、本発明がこれに限定されるものではなく、電源は、直流電源、または交流電源と直流電源とが連結された構造からなることもできる。

フィールド形成部４０は、流通チャンネル３５の幅方向の一側の縁部に設けられて流通チャンネル３５の幅方向に不均一な電場を形成する。すなわち、電極４２、４３が、すべて流通チャンネル３５の幅方向に同一の縁部に隣接するように設けられて一側の縁部に形成された電場が、他側の縁部に形成される電場より強い構造からなる。

本実施形態において、フィールドは、流体の流動方向に対して垂直ではない不均一な電場からなるが、このような不均一な磁場は、粒子に誘電泳動を起こして、電場強度が強い側または電場強度が弱い側に粒子を移動させるようになる。本実施形態のように、不均一なフィールドを形成すれば電場強度及び形態を制御して粒子の移動経路を自由に調節することができる。

本実施形態によるフィールド形成部４０は、正の誘電泳動をする物質を、第２流体１６に移動させるために第２流体１６が流動する側に電極４２、４３が設けられる。但し、負の誘電泳動をする物質を第２流体１６に移動させる場合には、電極４２、４３が第１流体１７が流動される側に設けられることもできる。

誘電泳動とは、媒質内に置かれた誘電物質（Dielectric Matreial）を不均一な電場（Non-uniform Electric Field）内に置くことで、電場の勾配が大きいか、小さな方向に誘電物質が移動することを言う。

このような誘電泳動現象は、主にＤＮＡまたは細胞を分離する生物学工程で多く利用されているが、最近にはナノスケールの物質を移動させるか、組み立てるためにも使われている。

正の誘電泳動とは、媒質より大きい偏極性（Polarizability）を有する物質が大きい電場強度を有する側に動く形状を言う。一方、媒質より偏極性が小さな物質の場合は、電場強度が小さな側に動くようになるが、これを負の誘電泳動と言う。この際、偏極性は、加えられる電場を形成するために電圧の周波数と溶液及び物質の誘電定数（Dielectric Constant）とに依存する。

本実施形態による粒子分離装置を通じて分離できる代表的な物質の例として炭素ナノチューブを挙げることができる。

誘電定数は、実数部と虚数部とに分けられるが、大概金属性炭素ナノチューブの場合は、実数部と虚数部のいずれも非常に大きい値を有する。一方、半導体性は、誘電定数の実数部がほぼ１に近い値を有しており、虚数部が炭素ナノチューブの存在する環境によって０または小さな値を有する。

これにより、金属性はすべての周波数帯域で正の誘電泳動を示し、半導体性は周波数によって負の誘電泳動を有する領域を示す。

ところで、半導体性炭素ナノチューブの誘電泳動の力は、金属性炭素ナノチューブと比べた時、かなり小さな値を有する。したがって、炭素ナノチューブが、流体内によく分散された第１流体１７を第２流体１６とともに流通チャンネル３５に流入させれば、フィールド形成部４０によって特定な周波数で発生した不均一な電場が金属性炭素ナノチューブが第２流体１６に移動して金属性炭素ナノチューブと半導体性炭素ナノチューブとを分離することができる。

この際、使われる第１流体１７の媒質は、炭素ナノチューブに化学的にも、物理的にも損傷を与えない素材からなる。もし、炭素ナノチューブに特定な分子や化学的反応を先に起こして変形させようとする場合には、それに必要な化学的処理を経た後に炭素ナノチューブを分離するか、性質によって炭素ナノチューブを分離された後に化学的処理を遂行することができる。

図２のように、正の誘電泳動をする第１粒子２２と誘電泳動をほとんどしない第２粒子２１が第１流体１７に含まれて流通チャンネル３５に流入されれば、流通チャンネル３５の内部を流動した第１粒子２２は不均一な電場によって第２流体１６側に移動する。この際、流速に比べて電場によって第１粒子２２に作用する力が小さな場合には、第１粒子２２が第２流体１６に移動することができずに、第２粒子２１とともに第１流体１７に残される。

しかし、図３に図示されたように、第１流体１７の流速に比べて電場によって第１粒子２２に作用する力が十分に大きい場合には、第１粒子２２は第１流体１７から第２流体１６に移動して第１粒子２２と第２粒子２１とが相異なる流出口３３ａ、３４ａに排出される。

このように、本実施形態によれば、異なる種類の粒子が含まれた第１流体１７が、第２流体１６とともに流動する過程で第２流体１６に所望の粒子を移動させて粒子を分離させることができるので、さまざまな粒子のうち特定性質を有した粒子のみを容易に分離することができる。

図４及び図５は、一側の流入口３２ａに銀ナノ粒子が含まれた溶液である第１流体を流入させ、他側の流入口３１ａに第２流体である水を流入させた実験結果を表わす写真である。

電極に電源を印加していない場合は、図４に図示されたように、流出チャンネル３４に第２流体とともに拡散などによって微量のナノ粒子のみ排出された。しかし、電源を印加した場合には、誘電泳動によって銀ナノ粒子が第２流体に移動し、これにより図５のように、大多数の銀ナノ粒子が第２流体とともに流出チャンネル３４に排出されることを確認することができる。

本実施形態では、フィールド形成部が電場を形成し、誘電泳動によって粒子が移動することを例示しているが、発明がこれに限定されるものではなく、フィールド形成部は、電場外に磁場、光フィールド、電磁気場などのフィールドを形成することができ、２個以上のフィールドを形成することもできる。

図６は、本発明の第２実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な構成図である。

本発明の第２実施形態による粒子分離装置は、電場を発生させるフィールド形成部５０を含み、フィールド形成部５０は、電源５１と流通チャンネル３５の幅方向に相異なる側に隣接して設けられた電極５２、５３とが備えられた構造からなる。

電極５２、５３は、第１流体１７と第２流体１６とがともに流動される流通チャンネル３５の幅方向の両側の縁部にそれぞれ設けられ、電極５２、５３は、電極５２、５３の間に電場が形成されるように所定距離離隔して配される。ここで、一側の電極５２は、他側の電極５３と対向する面が楔状からなる。また、電極５２、５３が離隔した間隙（clearance）部分は、流通チャンネル３５の幅方向に一側に偏って配される。もし、本実施形態のように、正の誘電泳動をする粒子を第２流体１６側に移動させるためには、間隙が第２流体１６が流動する側に偏って配される。

一般的に、電極５２、５３の間隙が小さな部分で電場強度が大きく表われるので、楔状の電極５２の先端部分と他側の電極５３との間で相対的に強い電場が発生する。したがって、第１流体１７に含まれた粒子のうち一部は、電場強度が強い側に移動して第２流体１６に流入されることで粒子が両側に分離されることができる。

本実施形態のように、一側の電極５２が、楔状に形成されれば先端部分で特に強い電場が発生するので、周辺地域との電場の差が大きくて正の誘電泳動をする粒子を容易に移動させることができる。

図７は、本発明の第３実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な構成図である。

図７を参照して説明すれば、本実施形態による粒子分離装置は、流通チャンネル３５の幅方向の両側の縁部に設けられた電極６２、６３と、電極６２、６３と電気的に連結された電源６１を含むフィールド形成部６０とが備えられた構造からなる。

そして、一側の流通チャンネル３５に設けられた電極６２は、他側に設けられた電極６３と対向する面が他側の電極６３の対向面に対して傾いた構造からなる。そして、電極６２、６３の間の間隙は、流通チャンネル３５の下流側に行くほど減少し、また、間隙は、下流側を行くほど流通チャンネル３５の幅方向の一側の縁部に次第に近くなる。本実施形態のように、正の誘電泳動をする粒子を第２流体１６に移動させるためには、電極６２、６３の間の間隙が第２流体１６側に次第に近くなるが、負の誘電泳動をする粒子を第２流体１６に移動させる場合には、電極６２、６３の間の間隙が第１流体１７側に次第に近くなることもできる。

このような構造で電場強度は下流側に行くほど大きくなり、そして、第２流体１６側に行くほど電場強度はさらに大きくなる。したがって、第１流体１７に含まれた粒子のうち正の誘電泳動をする粒子は、電場強度が大きい第２流体１６に移動する。

本実施形態のように、電極６２、６３の間の間隙が流通チャンネル３５の下流側に行くほど減少すれば、正の誘電泳動をする粒子は、第２流体１６方向と下流方向に同時に力を受けるようになって下流に進行しながら、第２流体１６に容易に移動されることができる。

図８は、本発明の第４実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な構成図である。

図８を参照して説明すれば、本実施形態による粒子分離装置は、二個の流入チャンネル３１、３２と二個の流出チャンネル３３、３４及び第２流体１６と第１流体１７とがともに流通される流通チャンネル３５とが備えられたチャンネル部３０を含む。

そして、流通チャンネル３５の幅方向に両側の対向側には、突起７２ａ、７３ａが形成された電極７２、７３がそれぞれ設けられ、電極７２、７３には、電源を供給する交流電源７１と直流電源７５とが直列に連結された構造で設けられる。

電極７２、７３に形成された突起７２ａ、７３ａは互いに交差配列されるが、流通チャンネル３５の一側の縁部に隣接して設けられた電極７２の突起７２ａの間に他側の縁部に隣接して設けられた電極７３の突起７３ａが挟まれた構造で配される。そして、突起７２ａ、７３ａは、第２流体１６が流通される側の流通チャンネル３５の縁部に行くほど突起７２ａ、７３ａの間の間隔が減少するように、一側の突起７２ａが他側の突起７３ａと対向する面は、他側の突起７３ａの対向面に対して傾いた構造で形成される。

これにより、突起７２ａ、７３ａが、第２流体１６側を行くほど近くなる構造で形成されて、突起７２ａ、７３ａの間に形成される電場強度も第２流体１６側に行くほど大きくなる。したがって、電場強度に対して正の誘電泳動をする粒子は、電場強度が大きい第２流体１６側に移動して電場に影響を受けない粒子は第１流体１７に沿って流動するので、性質が異なる粒子を分離することができる。但し、このような構造は、正の誘電泳動をする粒子を第２流体１６に移動させる場合に対する一例であり、負の誘電泳動をする粒子を第２流体１６に移動させる場合には、突起７２ａ、７３ａの間の間隔が第１流体１７側に行くほど近くなる構造からなる。

このように本実施形態によれば、突起７２ａ、７３ａの形状と個数とを調節して流通チャンネル３５の幅方向に所望通り電場強度の勾配を調節することができ、これにより粒子をより容易に第２流体１６側に移動させることができる。

図９は、本発明の第５実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な構成図である。

図９を参照して説明すれば、本実施形態による粒子分離装置は、第１流体１７と第２流体１６とが流入される流入チャンネル３１、３２を備えたチャンネル部３０と、チャンネル部３０の幅方向の両側の縁部に隣接するように設けられた電極８２、８３と電極８２、８３に電流を供給する電源８１とを含むフィールド形成部８０とを含む。

そして、電極８２、８３は、複数の突起８２ａ、８３ａを含み、突起８２ａ、８３ａの構造は、本発明の第４実施形態と同一の構造からなる。

一方、電極８２、８３は、チャンネル部３０の流通チャンネル３５だけではなく、第１流体１７が流入される流入チャンネル３２まで延設されて第１流体１７が流入される流入チャンネル３２にも突起８２ａ、８３ａが設けられる。

したがって、第１流体１７に含まれた粒子は、流入チャンネル３２から電場の影響を受けるので、流入チャンネル３２を過ぎる間に第２流体１６に向けて漸進的に移動する。そして、第１流体１７が流通チャンネル３５に進入すれば、第２流体１６と第１流体１７とが接する部分に移動した粒子が電場によって第２流体１６側にさらに移動して他の粒子と分離される。

このように本実施形態によれば、突起８２ａ、８３ａが流入チャンネル３２から設けられて粒子をあらかじめ一側に移動させることができるので、第１流体１７と第２流体１６とがともに流動する過程でより早く粒子を分離することができる。したがって、第１流体１７と第２流体１６とが接触する時間を減少させて拡散によって他の粒子が第２流体１６に流入されることを最小化させることができる。

図１０は、本発明の第６実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な斜視図である。

図１０を参照して説明すれば、本実施形態による粒子分離装置は、磁場を形成するフィールド形成部８７を含むが、フィールド形成部８７は、相互離隔して設けられた二個の磁石８５、８６からなる。

そして、磁石８５、８６は、流通チャンネル３５の幅方向に磁場強度の勾配が形成されるように、流通チャンネル３５の幅方向に同一の側の縁部と隣接するように設けられる。

また、磁石８５、８６は、一つの磁石８５が磁石８５のＮ極が流通チャンネル３５と近くなるように設けられれば、他の磁石８６は、Ｓ極が流通チャンネル３５と近くなるように設けられて磁石８５、８６は相異なる極が流通チャンネル３５と近く設けられた構造からなる。

このような構造で流通チャンネル３５と近く設けられたＮ極とＳ極との間に磁場が発生するが、磁石が設けられた側が磁石が設けられていない側より磁場強度が大きくなる。

これにより、磁石が設けられた側に第２流体１６が流れてその反対側に第１流体１７が流れる場合、磁場強度が大きい側に移動する粒子を第２流体１６側に移動させて磁場強度が小さな側に移動する粒子及び磁場の影響を受けない粒子から分離することができる。

図１１は、本発明の第７実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な斜視図である。

前記図面を参照して説明すれば、本実施形態による粒子分離装置は、二個の流入チャンネル３１、３２と二個の流出チャンネル３３、３４及び第１流体１７と第２流体１６とがともに流通される流通チャンネル３５とが備えられたチャンネル部３０を含み、流通チャンネル３５の一側面には光が通過できる材質で形成された光透過性部材３５ａが設けられる。

流通チャンネル３５の幅方向に入射される光度が相異なるように光透過性部材３５ａは、流通チャンネル３５の幅方向に一側の縁部に偏って設けられる。

本実施形態による光透過性部材３５ａは、透明な板からなり、その素材はプラスチックやガラスなどになり得る。但し、本発明がこれに限定されるものではなく、光透過性部材３５ａは、透明な膜やその他の光を透過させる素材からなる。

流通チャンネル３５と隣接した部分には、光透過性部材３５ａに光を照射するフィールド形成部９８が設けられる。フィールド形成部９８は、光を発生させる光源と光源に電流を供給する電源とを備えて流通チャンネル３５の周辺に光フィールドを形成する。

そして、流通チャンネル３５の幅方向に相異なる強さの光が入射されるようにフィールド形成部９８は、流通チャンネル３５の幅方向の一側の縁部と隣接して設けられる。もし、光度が大きい側に移動する粒子を第２流体１６側を移動させて分離しようとすれば、フィールド形成部９８を第２流体１６が流動する側の縁部に設け、光度が小さな側に移動する粒子を第２流体１６に移動させて分離しようとすれば、第１流体１７が流動される側にフィールド形成部９８を設けられることができる。

このように、本実施形態による粒子分離装置は、光透過性部材３５ａと光透過性部材３５ａとに向けて光を照射するフィールド形成部９８が設けられて光度によって移動する粒子を一側に移動させて他の粒子から容易に分離することができる。

図１２は、本発明の第８実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な構成図である。

前記図面を参照して説明すれば、本実施形態による粒子分離装置９０は、多段階で粒子を分離する構造からなる。本発明の第８実施形態による粒子分離装置９０は、第１流体１７と第２流体１６とが隣接して流動する第１分離部と第１分離部９５の一側の縁部に設けられて第１流体１７と第２流体１６とがそれぞれ流入される第１流入チャンネル９１、９２と第１分離部９５の他側の端部に形成され、第１流体１７と第２流体１６とがそれぞれ排出される第１流出チャンネル９３、９４とを含む。そして、粒子分離装置９０は、第１分離部９５を通過した流体が排出される第１流出チャンネル９３、９４とそれぞれ連結された第２分離部９６と第３分離部９７とをさらに含む。

すなわち、本実施形態による第１分離部９５は、二個の第１流入チャンネル９１、９２と二個の第１流出チャンネル９３、９４とを有し、それぞれの第１流出チャンネル９３、９４は、第２分離部９６と第３分離部９７とに連結される。

第１流体１７と第２流体１６とがそれぞれ異なる流入チャンネル９１、９２を通じて第１分離部９５に流入され、第１分離部９５を通過しながら電場などによって第１流体１７に含まれた一部の粒子が第２流体１６に移動する。分離された粒子を含む第２流体１６は、第１流出チャンネル９４を通じて第２分離部９６に流入され、残りの粒子を含む第１流体１７は、第１流出チャンネル９３を通じて第３分離部９７に流入される。

一方、第２分離部９６は、第３流体１６ａが流入される第２流入チャンネル９６ａと二個の第２流出チャンネル９６ｂ、９６ｃとを含む。第１流出チャンネル９４を通じて流入された第２流体１６は、第３流体１６ａとともに第２分離部９６を通過しながら、電場などによって第２流体１６に含まれた一部の粒子を第３流体１６ａに伝達する。そして、第２流体１６は、第２流出チャンネル９６ｃに排出され、第３流体１６ａは、第２流出チャンネル９６ｂにそれぞれ排出される。

そして、第３分離部９７は、第４流体１６ｂが流入される第３流入チャンネル９７ａと二個の第３流出チャンネル９７ｂ、９７ｃとを含む。第１流出チャンネル９３を通じて流入された第１流体１７は、第４流体１６ｂとともに第３分離部９７を通過しながら、電場などによって第１流体１７に含まれた一部の粒子を第４流体１６ｂに伝達する。そして、第１流体１７は、第３流出チャンネル９７ｃに排出され、第４流体１６ｂは、第３流出チャンネル９７ｂを通じて排出される。

このように、本実施形態による粒子分離装置９０は、複数個の分離部９５、９６、９７が多段階で連結されて三つ以上の異なる粒子が第１流体１７に含まれた場合にも、粒子分離装置９０を通じてそれぞれの粒子を一度に分離することができる。

以上、本発明の望ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内でさまざまに変形して実施することができ、これも本発明の範囲に属するということは当然である。

本発明の第１実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な斜視図である。 本発明の第１実施形態による粒子分離装置を用いて粒子を分離する過程を図示した概略的な構成図である。 本発明の第１実施形態による粒子分離装置を用いて粒子を分離する過程を図示した概略的な構成図である。 本発明の第１実施形態による粒子分離装置で電源を印加していない場合に、第２流体とともに排出された銀ナノ粒子を図示した写真である。 本発明の第１実施形態による粒子分離装置で電源を印加した場合に、第２流体とともに排出された銀ナノ粒子を図示した写真である。 本発明の第２実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な構成図である。 本発明の第３実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な構成図である。 本発明の第４実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な構成図である。 本発明の第５実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な構成図である。 本発明の第６実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な構成図である。 本発明の第７実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な斜視図である。 本発明の第８実施形態による粒子分離装置を図示した概略的な構成図である。

符号の説明

１１ 容器
１２ 容器
１３ 容器
１４ 容器
１６ 第２流体
１６ａ 第３流体
１６ｂ 第４流体
１７ 第１流体
２１ 第２粒子
２２ 第１粒子
３０ チャンネル部
３１ 流入チャンネル
３１ａ 流入口
３２ 流入チャンネル
３２ａ 流入口
３３ 流出チャンネル
３３ａ 流出口
３４ 流出チャンネル
３４ａ 流出口
３５ 流通チャンネル
３５ａ 光透過性部材
３６ 合流点
３７ 分流点
４０ フィールド形成部
４１ 電源
４２ 電極
４３ 電極
５０ フィールド形成部
５１ 電源
５２ 電極
５３ 電極
６０ フィールド形成部
６１ 電源
６２ 電極
６３ 電極
７０ フィールド形成部
７１ 電源
７２ 電極
７２ａ 突起
７３ 電極
７３ａ 突起
７５ 交流電源
８０ フィールド形成部
８１ 電源
８２ 電極
８２ａ 突起
８３ 電極
８３ａ 突起
８５ 磁石
８６ 磁石
８７ フィールド形成部
９０ 粒子分離装置
９１ 第１流入チャンネル
９２ 第１流入チャンネル
９３ 第１流出チャンネル
９４ 第１流出チャンネル
９５ 第１分離部
９６ 第２分離部
９６ａ 第２流入チャンネル
９６ｂ 第２流出チャンネル
９６ｃ 第２流出チャンネル
９７ 第３分離部
９７ａ 第３流入チャンネル
９７ｂ 第３流出チャンネル
９７ｃ 第３流出チャンネル
９８ フィールド形成部

Claims (17)

1. 一種以上の物理的特性を有する粒子が含まれた第１流体と前記第１流体と隣接して流通され、粒子を有していない第２流体がともに流通される流通チャンネルと、前記流通チャンネルから繋がって前記流通チャンネルを通過した流体が分流される複数個の流出チャンネルとを含むチャンネル部と、
   前記流通チャンネルに隣接して設けられて前記第１流体に含まれた粒子を第１流体から分離して第２流体とともに流通されるように不均一なフィールドを形成するフィールド形成部と、を含み、
   前記フィールド形成部は、電源に電気的に連結された電極を含み、前記電極は、流通チャンネルと幅方向に同側の縁部に隣接して設けられることを特徴とする粒子分離装置。
2. 一種以上の物理的特性を有する粒子が含まれた第１流体と前記第１流体と隣接して流通され、粒子を有していない第２流体がともに流通される流通チャンネルと、前記流通チャンネルから繋がって前記流通チャンネルを通過した流体が分流される複数個の流出チャンネルとを含むチャンネル部と、
   前記流通チャンネルに隣接して設けられて前記第１流体に含まれた粒子を第１流体から分離して第２流体とともに流通されるように不均一なフィールドを形成するフィールド形成部と、を含み、
   前記フィールド形成部は、電源と電気的に接続された電極とを含み、前記電極は、前記流通チャンネルの対向縁部と幅方向に隣接して設けられ、前記電極の間に間隙が形成され、前記電極は、前記流通チャンネルの幅方向に突出された突起を含むことを特徴とする粒子分離装置。
3. 前記第１流体に含まれた粒子は、複数種からなり、相異なる種類の粒子は、相異なる物理的特徴を有することを特徴とする請求項２に記載の粒子分離装置。
4. 前記電極は、
   一側または両側の電極が楔状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の粒子分離装置。
5. 前記電極は、
   相互対向する面が対向電極の対向面に対して傾いた構造からなることを特徴とする請求項２に記載の粒子分離装置。
6. 前記突起は、
   相異なる電極の突起が交差配列され、前記流通チャンネルの幅方向の一側の縁部に行くほど前記突起間の間隙が減少したことを特徴とする請求項２に記載の粒子分離装置。
7. 前記チャンネル部は、
   前記流出チャンネルが設けられた側の反対側で前記流通チャンネルと連通されるように設けられて第１流体と第２流体とが流入される複数個の流入チャンネルを含むことを特徴とする請求項１に記載の粒子分離装置。
8. 前記電極は、
   前記流通チャンネルを幅方向に横切る突起が形成され、前記突起は、前記流通チャンネルと第１流体が流入される前記流入チャンネルとに隣接して設けられることを特徴とする請求項７に記載の粒子分離装置。
9. 一種以上の物理的特性を有する粒子が含まれた第１流体と前記第１流体と隣接して流通され、粒子を有していない第２流体がともに流通される流通チャンネルと、前記流通チャンネルから繋がって前記流通チャンネルを通過した流体が分流される複数個の流出チャンネルとを含むチャンネル部と、
   前記流通チャンネルに隣接して設けられて前記第１流体に含まれた粒子を第１流体から分離して第２流体とともに流通されるように不均一なフィールドを形成するフィールド形成部と、
   前記流通チャンネルの幅方向の一側の縁部に設けられて光が透過される素材からなる光透過性部材と、
   前記光透過性部材に隣接して設けられた光源と、を含むことを特徴とする粒子分離装置。
10. 一種以上の物理的特性を有する粒子が含まれた第１流体と前記第１流体と隣接して流通され、粒子を有していない第２流体がともに流通される流通チャンネルと、前記流通チャンネルから繋がって前記流通チャンネルを通過した流体が分流される複数個の流出チャンネルとを含むチャンネル部と、
    前記流通チャンネルに隣接して設けられて前記第１流体に含まれた粒子を第１流体から分離して第２流体とともに流通されるように不均一なフィールドを形成するフィールド形成部と、を含み、
    前記粒子分離装置は、前記流出チャンネルのうち何れか一つと連通されて前記流出チャンネルから流入される流体に含まれた粒子を分離して排出させる２次以上の分離部を有することを特徴とする粒子分離装置。
11. 前記流通チャンネルは、
    前記第１流体と前記第２流体とが合う合流点と、前記第１流体と前記第２流体とが分離される分流点と、を有することを特徴とする請求項１に記載の粒子分離装置。
12. 一種以上の物理的特性を有する粒子が含まれた第１流体と前記第１流体と隣接して流通する第２流体とを合流する段階と、
    ともに流通される第１流体と第２流体とに物理的な力を加えるフィールドを形成する段階と、
    前記フィールドに影響を受ける物理的性質を有した粒子を第１流体から分離して第２流体とともに流通させる段階と、
    前記合流された流体を分流する段階と、を含むことを特徴とする粒子分離方法。
13. 前記フィールドは、
    磁場、電場、電磁気場、または光フィールドのうちから選択される何れか一つまたはこれらの結合からなることを特徴とする請求項１２に記載の粒子分離方法。
14. 前記第１流体と前記第２流体は、
    層流流動で流動することを特徴とする請求項１２に記載の粒子分離方法。
15. 前記第１流体と前記第２流体は、
    同一の速度で流動することを特徴とする請求項１２に記載の粒子分離方法。
16. 前記フィールドは、
    光を発生させる光フィールドによって形成されることを特徴とする請求項１２に記載の粒子分離方法。
17. 前記第１流体は、複数種の粒子を含み、第１流体と合流される前の第２流体は、粒子を含まないことを特徴とする請求項１２に記載の粒子分離方法。

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