JP2018126736A - Particle separation device and particle separation method - Google Patents

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Minoru Seki
実 関
尚孝 神
Naotaka Jin
尚孝 神
俊薫 豊嶋
Toshishige Toyoshima
俊薫 豊嶋
和樹 飯嶋
Kazuki Iijima
和樹 飯嶋
片山 晃治
Koji Katayama
晃治 片山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a particle separation device and a particle separation method capable of accurately separating particles by the simple method since a plurality of elements for accurately aligning the particles on the wall surface of a narrow flow passage such as a sample liquid flow rate, a sheath liquid flow rate, the width and length of the narrow flow passage, the width of an expanded flow passage, a width ratio of the narrow flow passage to the expanded flow passage, the height of each flow passage and the like are mutually related to be complicated in pinched flow fractionation (PFF) and then much time is required for optimization of conditions.SOLUTION: A problem is solved by increasing the accuracy of the position of a flowing particle due to the increase of the hardness of a flow passage material without increasing the accuracy of the generally assumed position of the flowing particle.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、流体中に含まれる粒子の分離装置及び前記装置を用いた流体中に含まれる粒子を操作する方法に関するものである。   The present invention relates to a device for separating particles contained in a fluid and a method for manipulating particles contained in a fluid using the device.

無機物、有機物、金属などから構成された固形物を様々な産業分野に材料として適用する場合、例えば1次原料としては粉末での供給、また粉末を球状粒子に成形するか、他の形状に成形して製品として供給されている。これらの素材(固形物)は最終製品の性能を向上させるべく物性等を吟味して設計されている。また、最終製品として球状粒子が適用される例も数多く存在し、例えば粉砕用ボール(アルミナ、ジルコニア、シリカ等)、液晶用スペーサー(樹脂、シリカ等)、クロマトグラフィー用分離材、その他吸着剤などが挙げられる。このような粒子製品は一般的に形状、サイズ、密度が均一なものが最終形態としての製品の特徴に大きく影響し、より均一な粒子が求められているのが現状である。   When applying solid materials composed of inorganic materials, organic materials, metals, etc. as materials in various industrial fields, for example, supply as powder as the primary raw material, or form the powder into spherical particles or other shapes And is supplied as a product. These materials (solid materials) are designed by examining their physical properties in order to improve the performance of the final product. In addition, there are many examples where spherical particles are applied as final products, such as grinding balls (alumina, zirconia, silica, etc.), liquid crystal spacers (resin, silica, etc.), chromatographic separation materials, other adsorbents, etc. Is mentioned. In general, such a particle product having a uniform shape, size, and density greatly affects the characteristics of the product as a final form, so that more uniform particles are required.

このような粒子の製造法としては、最初から均一な粒子を製造する技術を開発する方法と、均一ではない分布がある粒子から必要なサイズ、密度、形状のものを取り出す方法の2つが存在する。前者は比較的に新しい技術であり製造設備の更新が必要であるが、後者については現行設備に追加することが可能なため比較的容易に製造プロセスに取り込まれやすい。後者の技術として数十μm以上の粒子であれば、例えばフィルター分離法(篩分級も含む)、重力分級法、遠心分離法、サイクロン分離法、などが存在する。   There are two methods for producing such particles: a method of developing a technology for producing uniform particles from the beginning, and a method of extracting particles having a required size, density, and shape from particles having a non-uniform distribution. . The former is a relatively new technology and requires a renewal of manufacturing equipment, but the latter can be added to the current equipment and is therefore easily incorporated into the manufacturing process. As the latter technique, there are, for example, a filter separation method (including sieve classification), a gravity classification method, a centrifugal separation method, a cyclone separation method and the like if the particles are several tens of μm or more.

上記に挙げた分離、または分級法は数十μm以下の粒子、特に10μm以下の粒子分離は極めて難しいこと、また一般的にはバッチ式のプロセスであり連続的に分離することが困難であった。バッチ式のプロセスでは分離収率により1回の処理量が決まるため比較的に大きな設備(元原料のストック容器、供給設備、不必要な製品の回収容器)が必要となる。例えば、篩分級法は大量処理に向いているが篩の目のサイズを徐々に変える必要があるため、バッチ式プロセスとなる。重力分級法も、基本的には篩分級法と同様バッチプロセスであり、粒子サイズが小さくなるにつれ処理するのに膨大な時間がかかる。遠心分離法やサイクロン分離法は高速処理に適するものの、大型装置が必要であり、連続プロセスには不向きである。   In the separation and classification methods listed above, it is very difficult to separate particles of several tens of μm or less, particularly particles of 10 μm or less, and it is generally a batch type process and difficult to separate continuously. . In a batch type process, since the amount of treatment per process is determined by the separation yield, relatively large equipment (stock container for raw materials, supply equipment, collection container for unnecessary products) is required. For example, the sieve classification method is suitable for mass processing, but it is necessary to gradually change the size of the sieve mesh, so that it is a batch process. The gravitational classification method is basically a batch process similar to the sieving classification method, and it takes an enormous amount of time to process as the particle size decreases. Although the centrifugal separation method and the cyclone separation method are suitable for high-speed processing, they require a large apparatus and are not suitable for a continuous process.

しかし、連続的に分級ができれば元原料の仕込み量及び製造量を極限まで小さくすることが可能である。また、医療関係においても抗原抗体反応を用い検査する際に粒子に吸着した蛍光物質と反応していない成分を分離するためにB/F分離と呼ばれる工程が存在し、このような微少量の検体検査にも粒子分離が利用されている。しかしここで用いられている粒子分離の多くが磁性粒子を用いて磁石による粒子分離と洗浄を行うため、本工程分の時間がかかる課題が存在している。   However, if classification can be performed continuously, it is possible to reduce the amount of raw materials charged and the amount of production to the limit. Also, in the medical field, there is a process called B / F separation in order to separate components that have not reacted with the fluorescent substance adsorbed on the particles when testing using an antigen-antibody reaction. Particle separation is also used for inspection. However, since many of the particle separations used here use magnetic particles to perform particle separation and washing with a magnet, there is a problem that this process takes time.

また、更に微細な粒子(DNA、ワクチン等)を分離する技術としてはブラウニアラチェットという微細加工した鈎状の突起を規則的にならべ粒子のブラウン振動を使って主流となる流動軌跡から目的のサイズのDNAあるいはワクチンを分流(分離)するという技術も存在する(非特許文献1)。ただしこの方法は、分離モードとしてブラウン振動による分流形成であるため、分離速度が遅く、主となる流動形成は電気泳動という形態で実施されており、分離に時間がかかること、特に径1μm以上の粒子に対しては分離に長大な時間を要し、その間の乱れの影響を受けることなどにより、実用に耐えないことが課題として存在した。   In addition, as a technology for separating finer particles (DNA, vaccines, etc.), the target size can be determined from the mainstream flow trajectory using the Brownian vibrations of the particles, which are regularly arranged with micro-processed bowl-shaped projections called brownia ratchet. There is also a technique of diverting (separating) the DNA or vaccine (Non-patent Document 1). However, since this method is a split flow formation by Brownian vibration as a separation mode, the separation speed is slow, and the main flow formation is performed in the form of electrophoresis, and it takes time for the separation, especially with a diameter of 1 μm or more. For particles, it took a long time to separate, and due to the influence of disturbance during that time, there was a problem that it could not withstand practical use.

また細胞を大きさに基づいて分離又は分級する方法としては、FACSを用いて前方散乱光を測定することにより細胞の大きさを測定し分離する方法が知られている。FACSは大量の微粒子や細胞から大まかに目的物を分離することが可能であるが、細胞の形状や屈折率の影響のため少量を正確に分離することは困難であり、また衝撃に弱い目的物は分離時に破壊される可能性がある。   As a method for separating or classifying cells based on their size, a method for measuring and separating the size of cells by measuring forward scattered light using FACS is known. FACS can roughly separate the target from a large amount of fine particles and cells, but it is difficult to accurately separate a small amount due to the influence of the shape and refractive index of the cell, and the target is weak against impact. May be destroyed during separation.

様々な大きさを有する粒子の中から特定の大きさの粒子を分離する技術及び装置が存在しており、例えば篩分級法、重力分級法、遠心分離法、電気泳動法などが挙げられるが、それぞれバッチ式処理には適しているものの、連続的な分離処理には不向きであった。   There are techniques and devices for separating particles of a specific size from particles having various sizes, such as sieve classification, gravity classification, centrifugation, electrophoresis, etc. Each is suitable for batch processing, but unsuitable for continuous separation processing.

一方近年、微細加工技術を用いて作製された、幅が数ミクロン〜数百ミクロンの微小な流路構造(マイクロ流路)を用いることで、微粒子や細胞を正確に分離する研究が報告されている(非特許文献2乃至4)。一般的にマイクロ流路内では安定な層流が形成され、その流れのプロファイルをマイクロメートルオーダーで任意に制御できるため、そのような特徴を利用することで微粒子や細胞を正確に、かつ連続的に分離できる。   On the other hand, in recent years, research has been reported on the accurate separation of microparticles and cells by using a microchannel structure (microchannel) with a width of several microns to several hundreds of microns, which is manufactured using microfabrication technology. (Non-Patent Documents 2 to 4). In general, a stable laminar flow is formed in a microchannel, and the flow profile can be controlled arbitrarily on the order of micrometers. By using such features, fine particles and cells can be accurately and continuously produced. Can be separated.

例えば特許文献1に、大きさによって正確かつ連続的に細胞・微粒子を分離するピンチドフローフラクショネーション(Pinched Flow Fractionation)(以下PFFと記載)という手法が報告されている。この手法の利点としては、前記FACSで必要となる光学系・情報処理系などの複雑な機器・装置を必要とせず、連続的な微粒子、細胞分離を容易に可能とする点、一つの要因を利用した分離ではあるものの複数のフラクションへの分離が可能である、つまり、たとえば大きさで分離する場合、大きいものと小さいものという2段階だけではなく、大きさによる3グループ以上の集団へと分離することができる点、さらに、流路の並列化などを行うことで、大量・高速な微粒子や細胞の分離が可能である点などがあげられる。   For example, Patent Document 1 reports a technique called “Pinched Flow Fractionation” (hereinafter referred to as “PFF”) that separates cells and microparticles accurately and continuously according to size. The advantage of this method is that it does not require complicated equipment and devices such as optical systems and information processing systems required for the FACS, and enables continuous particulate and cell separation easily. Although it is a separation that is used, it can be separated into multiple fractions, that is, when separating by size, for example, it is separated not only into two stages, large and small, but also into groups of three or more groups according to size In addition, it is possible to separate a large amount and high speed of fine particles and cells by parallelizing the flow paths.

PFFでは、径が部分的に細くなっている流路(以下狭窄流路と記載)に複数の分岐から流体を導入し、流れに垂直な方向における粒子の位置を制御し、その後相対的に径が太い流路(以下拡大流路と記載)に粒子が流れる際、狭窄流路内における粒子の位置によって流れが粒子に与える力の方向が異なることに着目してなされたものであり、連続的にかつ精密に分離が可能な技術である。PFFでは、特許文献1に記載のように、2つのインレットを持つ構造を用いることができ、例えば一方のインレットから目的の粒子を含む液、他方のインレットから目的の粒子を含まない液を流すことで実施することができる。   In PFF, a fluid is introduced from a plurality of branches into a channel whose diameter is partially narrowed (hereinafter referred to as a constricted channel), the position of particles in a direction perpendicular to the flow is controlled, and then the relative diameter When a particle flows through a thick channel (hereinafter referred to as an enlarged channel), the direction of force applied to the particle by the position of the particle in the narrow channel is noticed. It is a technology that can be separated accurately and precisely. In PFF, as described in Patent Document 1, a structure having two inlets can be used. For example, a liquid containing target particles from one inlet and a liquid not containing target particles flow from the other inlet. Can be implemented.

PFFにおいて、より精度よく分離するためには、狭窄流路の壁面へ粒子を整列させることが重要であり、そのためには粒子を含む液(以下サンプル液と記載)の送液流量が、粒子を含まない液(以下シース液と記載)の送液流量に対して小さいこと、またその比、狭窄流路の幅とその長さ、拡大流路の幅、狭窄流路と拡大流路の幅の比、各流路の高さを調整することが重要である。   In PFF, in order to separate more accurately, it is important to align the particles on the wall surface of the constricted flow path. For that purpose, the flow rate of the liquid containing the particles (hereinafter referred to as sample liquid) The ratio of the liquid not included (hereinafter referred to as the sheath liquid) is small, the ratio, the width and length of the narrowed channel, the width of the enlarged channel, the width of the narrowed channel and the enlarged channel It is important to adjust the ratio and the height of each flow path.

特開2005−205387号公報JP 2005-205387 A 特許第2845620号公報Japanese Patent No. 2845620

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,96,23,13165−13169,1999.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 96, 23, 13165-13169, 1999. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 96, 23, 13165-13169, 1999. Analytical Chemistry,76,5465-5471,2004.Analytical Chemistry, 76, 5465-5471, 2004. Lab on a chip,5,1233-1239,2005.Lab on a chip, 5, 1233-1239, 2005. Lab on a chip,6,974-980,2006.Lab on a chip, 6, 974-980, 2006. Lab on a chip,5,778-784,2005.Lab on a chip, 5,778-784, 2005.

しかしながら、狭窄流路の壁面へ粒子を精度よく整列させるための要素は、サンプル液流量、シース液流量、狭窄流路の幅とその長さ、拡大流路の幅、狭窄流路と拡大流路の幅の比、各流路の高さなど複数あり、これらが互いに複雑に関連し合っているため、その条件の最適化には時間を要する。   However, the elements for accurately aligning the particles on the wall of the stenosis channel are the sample liquid flow rate, the sheath liquid flow rate, the width and length of the stenosis channel, the width of the expansion channel, the width of the stenosis channel and the expansion channel. There are a plurality of ratios of the widths of the channels and the heights of the respective channels, and these are intricately related to each other. Therefore, it takes time to optimize the conditions.

本発明の課題は、より単純な方法でPFFにおいてより精度よく粒子を分離できる粒子分離装置、及びその方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a particle separation apparatus capable of separating particles with higher accuracy in a PFF by a simpler method, and a method therefor.

本発明者らは上記課題を鑑み、検討したところ、流路の材質を硬くすることで、流路壁の外方向への膨張を抑制することができ、それにより一般に想定される流れる粒子の位置の正確さ(Accuracy)を上げるのではなく、流れる粒子位置の精度(Precision)が上がることを見出した。この発見に基づき、PFFにおいてより精度よく粒子を分離できる粒子分離装置、及びその方法の発明に至った。なお、ここで「正確さ」とは拡大領域壁面からの粒子位置の理論値と測定値の間の乖離の度合いを示し、「精度」とは拡大領域壁面からの粒子位置が、複数回測定した際にどれだけ再現性があるかを示す。   The present inventors have studied in view of the above problems, and by stiffening the material of the flow path, the expansion of the flow path wall in the outward direction can be suppressed, and thereby the generally assumed position of the flowing particles We found that the accuracy of the flowing particle position (Precision) is increased instead of increasing the accuracy of the particle. Based on this discovery, the inventors have come to the invention of a particle separation apparatus and method for separating particles more accurately in PFF. Here, “accuracy” refers to the degree of deviation between the theoretical value and the measured value of the particle position from the enlarged region wall surface, and “accuracy” refers to the particle position measured from the enlarged region wall surface multiple times. Show how reproducible it is.

ここで、本明細書における硬さとは、デュロメータ硬さ(タイプAデュロメータ使用)を指し、一定荷重を加えた際の物質の変形量で定義され、硬さが大きいほどその変形量は小さい。   Here, the hardness in this specification refers to durometer hardness (use of type A durometer), and is defined by the amount of deformation of a substance when a constant load is applied. The larger the hardness, the smaller the amount of deformation.

PFFでは、粒子が狭窄流路壁面へ整列される送液条件において、拡大流路内の粒子位置はその粒子径と狭窄流路幅、拡大流路幅から予測することができる。しかしながら一般に流体が流れるマイクロ流路内壁面は、常に流体のせん断力にさらされるため、送液中はマイクロ流路が拡大する方向に力が加えられている。したがって拡大流路内の粒子位置の予測には、送液による各流路の膨張を加味する必要がある。   In the PFF, under the liquid feeding condition in which the particles are aligned with the narrow channel wall, the particle position in the enlarged channel can be predicted from the particle diameter, the narrow channel width, and the enlarged channel width. However, in general, the inner wall surface of the micro flow channel through which the fluid flows is always exposed to the shearing force of the fluid, and thus a force is applied in the direction in which the micro flow channel expands during liquid feeding. Therefore, the prediction of the particle position in the enlarged flow path needs to take into account the expansion of each flow path due to liquid feeding.

ポリジメチルシロキサン(以下PDMSと記載)を含む、弾性のあるシリコーン樹脂で作製された流路の場合、送液による各流路の膨張、特に狭窄流路の幅に影響を受けやすいことが予想されるため、膨張しにくい材を用いること、すなわちより硬さの大きい樹脂へ変えることで、拡大流路内の位置をより正確に予測することが可能となるといえる。なお深さ方向については特に限定はなく膨張する材であってもよい。ここで言う狭窄流路の幅とは、狭窄流路の内壁16aの壁面に対して垂直方向(以下幅方向と記載)、深さとは幅方向に対して垂直方向(以下深さ方向と記載)の流路の長さをいう。しかしながら、この手法は粒子位置の「正確さ」をあげるものであり、流した粒子全てを毎回一定の位置に流すという「精度」を上げることにはつながらないと考えられる。   In the case of a flow path made of an elastic silicone resin containing polydimethylsiloxane (hereinafter referred to as PDMS), it is expected that the flow path is susceptible to the expansion of each flow path, particularly the narrow flow path width. Therefore, it can be said that the position in the enlarged flow path can be predicted more accurately by using a material that does not easily expand, that is, by changing to a resin having higher hardness. The depth direction is not particularly limited and may be a material that expands. The width of the stenosis channel referred to here is the direction perpendicular to the wall surface of the inner wall 16a of the stenosis channel (hereinafter referred to as the width direction), and the depth is the direction perpendicular to the width direction (hereinafter referred to as the depth direction). The length of the flow path. However, this method is intended to increase the “accuracy” of the particle position, and is not considered to increase the “accuracy” of flowing all the flowed particles to a certain position every time.

しかしながら、本発明では流路の硬さを大きくすることで粒子が流れる位置の精度が上がることを見出した。これは、各流路の膨張を抑制することで、流路の広がりによる流速のむらを防ぐことができ、狭窄流路の壁面へ粒子を精度よく整列させられたためと考えられる。
したがって、前記観点において、本発明は以下のものに関する:
[1] 1の末端に流体導入口を備える2以上の分岐流路、及び当該分岐流路が合流して形成される流路を含み、少なくとも1の分岐流路の流体導入口から分離対象の粒子を含有する流体を導入される、粒子分離装置であって、
(1)合流して形成される流路の末端側の拡大開始点より下流側が拡大し、拡大された流路の末端に少なくとも1の回収口が備えられ、
(2)分岐流路の合流点から拡大開始点までの流路の壁が、外側方向に膨張しにくい素材で構成されることを特徴とする、前記粒子分離装置。
[2] 前記素材が、デュロメータ硬さ40以上であることを特徴とする、項目1に記載の粒子分離装置。
[3] 分離対象の粒子を含有する流体の流量が、他の流体の流量よりも小さいことを特徴とする、項目1又は2に記載の粒子分離装置。
[4] 分離対象の粒子を含有する流体と、他の分岐流路に導入された流体とが合流して形成される流路において層流を形成することを特徴とする、項目1〜3のいずれか一項に記載の粒子分離装置。
[5] 1の末端に流体導入口を備える2以上の分岐流路、及び当該分岐流路が合流して形成される流路であって、
(1)合流して形成される流路の末端側の拡大開始点より下流側が拡大し、拡大された流路の末端に少なくとも1の回収口を備えられ、
(2)分岐流路の合流点から拡大開始点までの流路の壁が、外側方向に膨張しにくい素材で構成されている
ことを特徴とする流路を用いて粒子を分離する方法であって、
分離対象の粒子を含有する流体を少なくとも1の分岐流路の流体導入口から導入する工程、
分離対象の粒子を含まない流体を少なくとも1の分岐流路の流体導入口から導入する工程、
少なくとも1の回収口から、粒子を分離、または回収する工程
を含む、前記方法。
[6] 前記素材が、デュロメータ硬さ40以上であることを特徴とする、項目5に記載の方法。
[7] 分離対象の粒子を含有する流体の流量が、他の流体の流量よりも小さいことを特徴とする、項目5又は6に記載の方法。
[8] 分離対象の粒子を含有する流体と、他の分岐流路に導入された流体とが、合流して形成される流路において層流を形成することを特徴とする、項目5〜7のいずれか一項に記載の方法。
[9] 分離対象の粒子を含有する流体を少なくとも1の分岐流路の流体導入口から導入する工程の前に、予め当該粒子を含んでいない点でのみ異なる流体を導入することで、層流を形成させておくことを特徴とする、項目5〜8のいずれか一項に記載の方法。
However, in the present invention, it has been found that the accuracy of the position where particles flow increases by increasing the hardness of the flow path. This is considered to be because the unevenness of the flow velocity due to the expansion of the flow channel can be prevented by suppressing the expansion of each flow channel, and the particles are accurately aligned on the wall surface of the narrowed flow channel.
In view of the above, the present invention therefore relates to:
[1] including at least one branch flow path having a fluid introduction port at one end, and a flow path formed by joining the branch flow paths, and being separated from the fluid introduction port of at least one branch flow path A particle separation device into which a fluid containing particles is introduced,
(1) The downstream side expands from the expansion start point on the end side of the flow path formed by merging, and at least one recovery port is provided at the end of the expanded flow path,
(2) The particle separation apparatus, wherein a wall of the flow path from the junction point of the branch flow path to the expansion start point is made of a material that hardly expands outward.
[2] The particle separator according to item 1, wherein the material has a durometer hardness of 40 or more.
[3] The particle separator according to item 1 or 2, wherein the flow rate of the fluid containing the particles to be separated is smaller than the flow rate of the other fluids.
[4] Item 1 to item 3, characterized in that a laminar flow is formed in a flow path formed by a fluid containing particles to be separated and a fluid introduced into another branch flow path. The particle separator according to any one of the above.
[5] Two or more branch channels having a fluid inlet at one end, and a channel formed by joining the branch channels,
(1) The downstream side expands from the expansion start point on the end side of the flow path formed by joining, and at least one recovery port is provided at the end of the expanded flow path,
(2) A method of separating particles using a flow path characterized in that the wall of the flow path from the junction of the branch flow path to the expansion start point is made of a material that does not easily expand outward. And
Introducing a fluid containing particles to be separated from a fluid inlet of at least one branch channel;
Introducing a fluid that does not contain particles to be separated from a fluid inlet of at least one branch channel;
The method comprising the step of separating or recovering particles from at least one recovery port.
[6] The method according to item 5, wherein the material has a durometer hardness of 40 or more.
[7] The method according to item 5 or 6, wherein the flow rate of the fluid containing the particles to be separated is smaller than the flow rate of the other fluid.
[8] Items 5 to 7, characterized in that a fluid containing particles to be separated and a fluid introduced into another branch channel form a laminar flow in a channel formed by joining. The method as described in any one of.
[9] Before introducing the fluid containing the particles to be separated from the fluid introduction port of the at least one branch flow path, a different fluid is introduced only in that the particles are not included in advance, thereby The method according to any one of items 5 to 8, wherein the method is formed.

前記観点の本発明により、流路の材質を変えるという単純な改良により、より精度よく目的の粒子を分離する事ができる、という優れた効果を発揮する。また流路終端を分岐することで分離した目的の粒子の回収も出来る。また本発明は、以上に述べられたように構成されているため、複雑な操作や機器を必要としない、という優れた効果を発揮する。また本発明は、以上に述べられたように構成されるため、粒子の分離および回収を連続的に行うことが可能であり、バッチ処理の分離技術と比較して、大量の微粒子や細胞を処理できる、という優れた効果を発揮する。   According to the present invention from the above viewpoint, the target particles can be separated more accurately by a simple improvement of changing the material of the flow path. Further, the target particles separated by branching the channel end can be recovered. In addition, since the present invention is configured as described above, it exhibits an excellent effect that no complicated operation or equipment is required. In addition, since the present invention is configured as described above, it is possible to continuously separate and collect particles, and to process a large amount of microparticles and cells compared to separation technology of batch processing. Exhibits the excellent effect of being able to.

本発明による連続粒子分級方法の実施形態を備えたマイクロチップ10を示し、図1(a)は図1(b)におけるA 矢視図であり、図1(b)は図1(a)におけるB−B線による断面図である。1 shows a microchip 10 equipped with an embodiment of a continuous particle classification method according to the present invention, FIG. 1 (a) is a view taken in the direction of arrow A in FIG. 1 (b), and FIG. 1 (b) is in FIG. 1 (a). It is sectional drawing by a BB line. 本発明による連続粒子分級方法の実施形態を備えたマイクロチップ10を示し、図2(a)は図2(b)におけるA 矢視図であり、図2(b)は図2(a)におけるB−B線による断面図であり、図2(c)は図2(a)における部分21の拡大図である。Fig. 2 shows a microchip 10 equipped with an embodiment of a continuous particle classification method according to the present invention, Fig. 2 (a) is a view taken in the direction of arrow A in Fig. 2 (b), and Fig. 2 (b) is shown in Fig. 2 (a). It is sectional drawing by a BB line, FIG.2 (c) is an enlarged view of the part 21 in Fig.2 (a). (a)硬さ70の素材で作製したマイクロチップ10を用いた2μm粒子の分離評価(実施例1)(b)硬さ60の素材で作製したマイクロチップ10を用いた2μm粒子の分離評価(実施例2)(c)硬さ44の素材で作製したマイクロチップ10を用いた2μm粒子の分離評価(実施例3)(d)硬さ30の素材で作製したマイクロチップ10を用いた2μm粒子の分離評価(比較例1)(A) Separation evaluation of 2 μm particles using a microchip 10 made of a material having hardness 70 (Example 1) (b) Separation evaluation of 2 μm particles using a microchip 10 made of a material having hardness 60 ( Example 2) (c) Separation evaluation of 2 μm particles using a microchip 10 made of a material having a hardness of 44 (Example 3) (d) 2 μm particles using a microchip 10 made of a material having a hardness of 30 Of separation (Comparative Example 1) 図2(a)で示したマイクロチップ10における、2つの分岐から導入された流体の挙動と粒子の分離の様子を示す説明概略図であり、図4は、図2における部分21の拡大図である。FIG. 4 is an explanatory schematic view showing the behavior of fluid introduced from two branches and the state of particle separation in the microchip 10 shown in FIG. 2A, and FIG. 4 is an enlarged view of a portion 21 in FIG. is there.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の例示にのみ限定されるものでは無い。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in many different forms, and is not limited to the following embodiments and examples.

まず、図4をもとに、ピンチドフローフラクショネーション(Pinched Flow Fractionation:PFF)の原理についての詳細を説明する。   First, the details of the principle of pinched flow fractionation (PFF) will be described with reference to FIG.

図4は図1や図2のマイクロチップにおける流路が合流して形成される狭窄流路及び拡大流路を示している。具体的には、図2(a)における部分21の拡大図である。また、流体100Pと、斜線で示した流体100Nは、それぞれ粒子を含む流体と、粒子を含まない流体であり、粒子300a、300bは、それぞれ相対的に大きな粒子と相対的に小さな粒子を示している。   FIG. 4 shows a narrowed channel and an enlarged channel formed by joining the channels in the microchip of FIGS. 1 and 2. Specifically, it is an enlarged view of a portion 21 in FIG. Further, the fluid 100P and the fluid 100N shown by hatching are a fluid containing particles and a fluid not containing particles, respectively, and the particles 300a and 300b are relatively large particles and relatively small particles, respectively. Yes.

また、図4において、矢印200は、狭窄流路16と拡大流路17の境界における流線のプロファイルを示しており、矢印210a、210bは、それぞれ大きな粒子300aと小さな粒子300bの運動ベクトルを示している。   In FIG. 4, an arrow 200 indicates a streamline profile at the boundary between the constricted flow channel 16 and the enlarged flow channel 17, and arrows 210a and 210b indicate motion vectors of the large particles 300a and the small particles 300b, respectively. ing.

まず、粒子を含む流体100Pおよび粒子を含まない流体100Nを、シリンジポンプなどを用いて2つのインレット14a、14bからそれぞれ連続的に供給する。この時、流路13内では、それぞれの流体が安定な層流を保ちながら流れる。   First, the fluid 100P including particles and the fluid 100N not including particles are continuously supplied from the two inlets 14a and 14b using a syringe pump or the like. At this time, each fluid flows in the flow path 13 while maintaining a stable laminar flow.

そして、粒子を含む流体100Pおよび粒子を含まない流体100Nの流量を調節することで、狭窄流路16における流体100Pの幅(流路壁面から、流体100Pと流体100Nの界面までの距離)が、分離対象とする最小の粒子の粒径よりも小さくなるようにする。この操作により、分離対象とする全ての粒子は、狭窄流路の内壁16aに沿って流れるようになり、狭窄流路の内壁16aの壁面に対して垂直方向における粒子の位置を、粒子の大きさによって一定にすることができる。   Then, by adjusting the flow rates of the fluid 100P containing particles and the fluid 100N not containing particles, the width of the fluid 100P in the constricted channel 16 (the distance from the channel wall surface to the interface between the fluid 100P and the fluid 100N) The particle size should be smaller than the minimum particle size to be separated. By this operation, all the particles to be separated flow along the inner wall 16a of the constricted flow path, and the position of the particles in the direction perpendicular to the wall surface of the inner wall 16a of the constricted flow path is determined as the size of the particle. Can be made constant.

そして狭窄流路16と拡大流路17の境界において、流線はプロファイル200に示されているように広がるため、狭窄流路16における任意の流線間の距離は、拡大流路17においてより拡大される。   Since the streamline spreads as shown in the profile 200 at the boundary between the narrowed channel 16 and the enlarged channel 17, the distance between any streamlines in the narrowed channel 16 is further enlarged in the enlarged channel 17. Is done.

したがって、狭窄流路16における流れと垂直な方向における粒子の位置は、粒子の大きさによってそれぞれ異なるため、狭窄流路16と拡大流路17の境界において、大きい粒子300aの運動ベクトル210aと小さい粒子300bの運動ベクトル210bの方向に差が生じ、つづく拡大流路17において、粒子の大きさごとの位置差が拡大され、分級が可能となる。   Therefore, since the position of the particles in the direction perpendicular to the flow in the narrowed flow path 16 differs depending on the size of the particles, the motion vector 210a of the large particles 300a and the small particles at the boundary between the narrowed flow path 16 and the enlarged flow path 17. A difference occurs in the direction of the motion vector 210b of 300b, and the positional difference for each particle size is enlarged in the enlarged flow path 17 to enable classification.

なお、分離した粒子を拡大流路17における検出ライン20に沿って、適当な検出系を用いて観察することで、粒子の粒径と粒子群の粒径分布を調べることが可能となる。   By observing the separated particles along the detection line 20 in the enlarged flow path 17 using an appropriate detection system, the particle size of the particles and the particle size distribution of the particle group can be examined.

図1(a)(b)には、本発明による連続分級方法の実施形態を備えたマイクロチップ10が示されており、図1(a)は図1(b)におけるA 矢視図であり、図1(b)は図1(a)におけるB−B線による断面図である。   1 (a) and 1 (b) show a microchip 10 equipped with an embodiment of a continuous classification method according to the present invention, and FIG. 1 (a) is a view taken along arrow A in FIG. 1 (b). FIG.1 (b) is sectional drawing by the BB line in Fig.1 (a).

図1におけるマイクロチップ10は、どの地点においても断面形状が矩形であり、流路深さは均一である。断面形状は、粒子を断面において2つの要因によって分離するために、また、流路構造の作製上の容易さから、矩形であることが望ましいが、部分的に矩形以外の形状、例えば円形などを有する断面であってもよく、また、部分的に深さが異なっていてもよい。   The microchip 10 in FIG. 1 has a rectangular cross-sectional shape at any point, and the flow path depth is uniform. The cross-sectional shape is preferably rectangular in order to separate the particles by two factors in the cross-section and from the viewpoint of ease of production of the flow channel structure, but partially has a shape other than rectangular, for example, a circular shape. It may have a cross section, and the depth may be partially different.

このマイクロチップ10は、粒子をその大きさにより分離し、適当な検出系を用いることにより、粒径と粒径分布を測定するためのマイクロチップであり、例えば、PDMSなどの高分子(ポリマー)材料により形成された、2枚の平板状の基板11と基板12により形成された平板状の構造を有している。   The microchip 10 is a microchip for measuring the particle size and particle size distribution by separating particles according to their sizes and using an appropriate detection system. For example, the microchip 10 is a polymer such as PDMS. It has a flat structure formed of two flat substrates 11 and 12 formed of a material.

なお、マイクロチップ10を作製する場合に用いる技術としては、例えば、モールディングやエンボッシングといった鋳型を用いる作製技術は、流路構造を正確かつ容易に作製可能であるという点において好ましいが、その他にも、ウェットエッチング、ドライエッチング、ナノインプリンティング、レーザー加工、電子線直接描画、機械加工等の作製技術を用いることも可能である。   In addition, as a technique used when manufacturing the microchip 10, for example, a manufacturing technique using a mold such as molding or embossing is preferable in that the flow channel structure can be accurately and easily manufactured. Manufacturing techniques such as wet etching, dry etching, nanoimprinting, laser processing, direct electron beam drawing, and machining can also be used.

また、マイクロチップ10を作製する場合の材質としては、流路の壁面が膨張しにくい素材で構成する必要があるが、少なくとも流路の壁面が、流路の幅方向に膨張しにくい素材で構成することが必要である。より具体的にはデュロメータ硬さ40以上となる素材で構成されることが好ましい。使用できる素材としてはPDMS、アクリル等の各種ポリマー材料、ガラス、シリコーン、セラミクス、ステンレスなどの各種金属、などを用いることができる。より好ましくはデュロメータ硬さ40以上のPDMS、アクリル樹脂等の各種ポリマー材料、ガラス、シリコーン、セラミクス、ステンレスなどを使用することができる。これらの材料のうち、任意の2種類の材料を組み合わせて用いることも可能である。ただし、流路自体を安価に作製し、ディスポーザブルな装置を提供するためには、少なくとも部分的にポリマー材料を用いることが好ましく、全体がポリマー材料で構成されることがより好ましい。そのような素材としては、デュロメータ硬さ40以上のPDMS、アクリル樹脂などが特に好ましい。   In addition, as a material for manufacturing the microchip 10, it is necessary to configure the wall surface of the flow path with a material that does not easily expand, but at least the wall surface of the flow path is configured with a material that does not easily expand in the width direction of the flow path. It is necessary to. More specifically, it is preferably made of a material having a durometer hardness of 40 or more. Examples of usable materials include various polymer materials such as PDMS and acrylic, various metals such as glass, silicone, ceramics, and stainless steel. More preferably, various polymer materials such as PDMS having a durometer hardness of 40 or more, acrylic resin, glass, silicone, ceramics, stainless steel, and the like can be used. Of these materials, any two kinds of materials can be used in combination. However, in order to produce the flow path itself at a low cost and provide a disposable apparatus, it is preferable to use a polymer material at least partially, and it is more preferable that the whole is made of a polymer material. As such a material, PDMS having a durometer hardness of 40 or more, an acrylic resin, and the like are particularly preferable.

そして、基板11の下面11aには、流路13が形成されており、流路の深さは10nmから1cmまでの任意の値に設定することが可能であるが、作製の容易さから、サブミクロンから数十μmの値に設定することが好ましい。   And the flow path 13 is formed in the lower surface 11a of the board | substrate 11, and the depth of a flow path can be set to arbitrary values from 10 nm to 1 cm. It is preferable to set the value from micron to several tens of μm.

流路13は、インレット14a、14bおよびアウトレット15を有し、インレット14a、14bは、それぞれ粒子を含む流体と粒子を含まない流体の流体導入口であり、アウトレット15は流体の出口である。   The flow path 13 has inlets 14a and 14b and an outlet 15. The inlets 14a and 14b are fluid inlets for a fluid containing particles and a fluid not containing particles, respectively, and the outlet 15 is an outlet for the fluid.

また、流路13の一方の端は、2つの分岐流路(18a、18b)になっており、さらに流路13は2つの異なる形状を持つ狭窄流路16、拡大流路17から構成されている。狭窄流路16と拡大流路17の接続部を拡大開始点ということができ、図2(c)で表されるように拡大開始点において流路幅が変わる。拡大流路17は、狭窄流路16よりも流路幅が大きくなれば任意の形状であってよい。ここで、分岐流路18a、18bは、それぞれインレット14a、14bへ接続されており、また拡大流路17はアウトレット15へ接続されている。   In addition, one end of the flow path 13 is formed by two branch flow paths (18a, 18b), and the flow path 13 is composed of a narrowed flow path 16 and an enlarged flow path 17 having two different shapes. Yes. The connection portion between the narrowed channel 16 and the enlarged channel 17 can be referred to as an enlargement start point, and the channel width changes at the enlargement start point as shown in FIG. The enlarged flow path 17 may have an arbitrary shape as long as the flow path width is larger than that of the narrowed flow path 16. Here, the branch channels 18 a and 18 b are connected to the inlets 14 a and 14 b, respectively, and the enlarged channel 17 is connected to the outlet 15.

なお、流路13の全体の長さ、つまり、インレット14a、14bのある一方の端から、アウトレット15のあるもう一方の端までの長さは1μm以上の任意の値に設定することが可能であるが、流路作製の容易さと圧力損失の観点から数μm〜数十mm程度に設定することが好ましい。   The entire length of the flow path 13, that is, the length from one end where the inlets 14 a and 14 b are located to the other end where the outlet 15 is located can be set to an arbitrary value of 1 μm or more. However, it is preferable to set the thickness to about several μm to several tens of mm from the viewpoint of easy flow path fabrication and pressure loss.

また狭窄流路16、拡大流路17の長さは、10nm以上の任意の値に設定することが可能であるが、流路作製の容易さと圧力損失の観点からサブミクロン〜数十mm程度に設定することが好ましい。また、粒子の整列を達成する観点から、狭窄流路16の長さの下限が1μm以上であることが好ましく、10μm以上がさらに好ましく、狭窄流路16の長さの上限が500μm以下であることが好ましく、100μm以下がさらに好ましい。   The lengths of the constricted flow channel 16 and the enlarged flow channel 17 can be set to arbitrary values of 10 nm or more, but from the viewpoint of ease of flow channel fabrication and pressure loss, it is about submicron to several tens of mm. It is preferable to set. Further, from the viewpoint of achieving particle alignment, the lower limit of the length of the constricted flow path 16 is preferably 1 μm or more, more preferably 10 μm or more, and the upper limit of the length of the constricted flow path 16 is 500 μm or less. Is preferably 100 μm or less.

狭窄流路16の幅は、狭窄流路の内壁16aの壁面に対して垂直方向の流路の長さをいう。狭窄流路16の幅は、拡大流路17の幅未満であるという条件を満たす限り、10nm以上の任意の値に設定することが可能である。また、粒子の整列を達成する観点から、狭窄流路16の幅の下限が1μm以上であることが好ましく、10μm以上がさらに好ましく、幅の上限が100μm以下であることが好ましく、20μm以下がさらに好ましい。   The width of the narrowed channel 16 refers to the length of the channel in the direction perpendicular to the wall surface of the inner wall 16a of the narrowed channel. The width of the narrowed channel 16 can be set to an arbitrary value of 10 nm or more as long as the condition that it is less than the width of the enlarged channel 17 is satisfied. Further, from the viewpoint of achieving particle alignment, the lower limit of the width of the constricted flow channel 16 is preferably 1 μm or more, more preferably 10 μm or more, and the upper limit of the width is preferably 100 μm or less, and further is 20 μm or less. preferable.

なお、拡大流路17の出口ポート15は複数設けてもよく、「非対称ピンチドフローフラクショネーション(Asymmetric Pinched Flow Fractionation(AsPFF))」(非特許文献5)の原理に基づいて、一部の出口ポートに多量の流体を流すことで分離能を向上させることもできる。より具体的には、流路の抵抗値を適切に設計し、また、狭窄流路16の流路幅および粒子径の関係から、ある特定のサイズの粒子を、特定の出口ポートにのみ導入できる、という原理である。   Note that a plurality of outlet ports 15 of the enlarged flow path 17 may be provided. Based on the principle of “Asymmetric Pinched Flow Fractionation (AsPFF)” (Non-Patent Document 5), Separation can also be improved by flowing a large amount of fluid through the outlet port. More specifically, the resistance value of the flow path is appropriately designed, and a particle having a specific size can be introduced only into a specific outlet port from the relationship between the flow path width and the particle diameter of the narrowed flow path 16. This is the principle.

なお、複数のアウトレットを有する連続粒子分離装置及びその方法の場合、流路ネットワーク全体を抵抗回路のアナロジーとしてみなし、適切な設計を行うことで、任意の流量分配比を達成することができるため、そのような考えに基づいた設計を行うことが望ましい。   In the case of a continuous particle separation device having a plurality of outlets and the method thereof, the entire flow channel network is regarded as an analogy of the resistance circuit, and an appropriate flow distribution ratio can be achieved by performing an appropriate design. It is desirable to design based on such an idea.

そして、流路内部におけるこれらの流量条件を達成するための導入量の調節方法として、導入口からシリンジポンプ等を用いて溶液を導入することが操作上簡便であり好ましいが、ペリスタポンプ等の他のポンプを用いる手法、ボンベ、圧力装置等を用いた定圧送液方法、電気浸透流や遠心力等を用いた送液方法などを用いることも可能である。また、アウトレットから陰圧を付す圧力装置を用いることもできる。なお、送液圧力は安定して送液が可能な範囲であることが望ましく、流路や送液ポンプ自体の耐久性の観点から20MPa以下であることが好ましい。   And, as a method of adjusting the introduction amount for achieving these flow rate conditions inside the flow path, it is convenient and preferable to introduce the solution from the introduction port using a syringe pump or the like. It is also possible to use a method using a pump, a constant pressure liquid feeding method using a cylinder, a pressure device, or the like, a liquid feeding method using an electroosmotic flow, centrifugal force, or the like. A pressure device that applies negative pressure from the outlet can also be used. In addition, it is desirable that the liquid feeding pressure is in a range where liquid feeding can be stably performed, and is preferably 20 MPa or less from the viewpoint of durability of the flow path and the liquid feeding pump itself.

なお、粒子の安定的かつ効率的な分離を達成するためには、流路内で安定な層流が保たれることが好ましく、具体的には、レイノルズ数が1000以下になる条件下で送液操作を行うことが好ましい。ただし、直径1mm以下の流路構造を用いる場合、乱流を形成することは比較的困難であり、そのような条件を達成することは容易である。   In order to achieve stable and efficient separation of particles, it is preferable to maintain a stable laminar flow in the flow path. Specifically, the particles are fed under conditions where the Reynolds number is 1000 or less. It is preferable to perform a liquid operation. However, when a channel structure having a diameter of 1 mm or less is used, it is relatively difficult to form a turbulent flow, and it is easy to achieve such a condition.

また分岐流路18a、18bの幅は、100μmのものを用いたが、これらの値はそれぞれ10nm以上の任意の値に設定することが可能である。   Moreover, although the width | variety of the branch flow paths 18a and 18b used the thing of 100 micrometers, these values can each be set to arbitrary values 10 nm or more.

分離を行う粒子としては、直径2μmの蛍光ポリスチレン−ジビニルベンゼンビーズを用いたが、目的に応じて、ポリスチレン等のポリマー粒子、金属微粒子、セラミックス粒子、またはそれらの表面に物理的あるいは化学的な処理を施した粒子を用いることができる他、動植物細胞、細菌、バクテリア、ウイルスやそれらの構成要素であるオルガネラ等の生物粒子、タンパク質、タンパク質の凝集体等を用いることができる。分級対象とする粒子の最大直径は流路13における狭窄流路16の幅以下であれば、任意の大きさの粒子を分離することができる。例えば、狭窄流路16の幅が20μmである流路を用いる場合、分離される粒子の直径は、0.1μm〜20μmであり、1μm〜10μmがさらに好ましい。   As the particles to be separated, fluorescent polystyrene-divinylbenzene beads having a diameter of 2 μm were used, but depending on the purpose, polymer particles such as polystyrene, metal fine particles, ceramic particles, or their surfaces were physically or chemically treated. In addition to the above, particles such as animal and plant cells, bacteria, bacteria, viruses and organelles such as organelles, proteins, protein aggregates, and the like can be used. As long as the maximum diameter of the particles to be classified is equal to or smaller than the width of the constricted flow path 16 in the flow path 13, particles of any size can be separated. For example, when a channel having a width of the narrow channel 16 of 20 μm is used, the diameter of the separated particles is 0.1 μm to 20 μm, and more preferably 1 μm to 10 μm.

粒子を懸濁させた流体としては、0.5wt%ツイーン80水溶液を用いたが、任意の液体または気体を用いることができ、目的に応じて様々な溶液を用いることができる。例えば粒子としてポリマー粒子や金属粒子を用いる場合には、各種化学物質を含む水溶液の他、有機溶液、イオン性流体等を用いることができる。さらに、粒子として細胞等の生物粒子を用いる場合には、細胞培養液や緩衝液などの細胞と等張の水溶液を用いるのが好ましい。ただし、たとえばバクテリアや植物細胞のような比較的低張あるいは高張溶液に対し耐性をもつ細胞の場合には、必ずしも等張である必要はない。また、操作の都合上、溶液の密度と粒子の密度の差が大きくない系がより好ましい。サンプル液、シース液の粘度に関しては、これらの粘度における差が小さい系がより好ましいが、粒子の処理を可能とするシステムであれば、粘度に差があっても構わない。   As the fluid in which the particles are suspended, the 0.5 wt% Tween 80 aqueous solution is used, but any liquid or gas can be used, and various solutions can be used depending on the purpose. For example, when polymer particles or metal particles are used as the particles, an organic solution, an ionic fluid, or the like can be used in addition to an aqueous solution containing various chemical substances. Furthermore, when biological particles such as cells are used as the particles, it is preferable to use an aqueous solution that is isotonic with cells, such as a cell culture solution or a buffer solution. However, in the case of cells that are resistant to relatively hypotonic or hypertonic solutions, such as bacteria and plant cells, it is not always necessary to be isotonic. In view of operation, a system in which the difference between the density of the solution and the density of the particles is not large is more preferable. Regarding the viscosities of the sample liquid and the sheath liquid, a system having a small difference in viscosity is more preferable.

なお、粒子を含む流体と粒子を含まない流体は、どちらも同じ流体から構成されていてもよく、また、それぞれ2種類以上の異なる流体から構成されていても良い。   Both the fluid containing particles and the fluid not containing particles may be composed of the same fluid, or may be composed of two or more different fluids.

流路13内に導入された粒子は、流れに乗って下流方向に移動するが、この時、2つのインレット14a、14bから導入された流体の流量を適切に調節することで、流路13における狭窄流路16において、狭窄流路の内壁16aの壁面に対して垂直方向における粒子の位置を粒子の大きさによって制御することができる。ここで、狭窄流路の壁面へサンプル液中の粒子を整列させるためには、サンプル液に対するシース液の流量の比は、1以上であることが好ましいが、10以上がより好ましく、50以上が最も好ましい。なお、サンプル液とシース液の流量の和は、送液圧力が大きくなり過ぎないよう設定することが好ましく、サンプル液とシース液の流量の和が10mL/hour以下であることが好ましく、1.02mL/hourであることが最も好ましい。   The particles introduced into the flow path 13 move in the downstream direction along the flow. At this time, by appropriately adjusting the flow rate of the fluid introduced from the two inlets 14a and 14b, In the narrowed channel 16, the position of the particles in the direction perpendicular to the wall surface of the inner wall 16a of the narrowed channel can be controlled by the size of the particles. Here, in order to align the particles in the sample liquid to the wall surface of the narrow channel, the ratio of the flow rate of the sheath liquid to the sample liquid is preferably 1 or more, more preferably 10 or more, and more preferably 50 or more. Most preferred. The sum of the flow rates of the sample liquid and the sheath liquid is preferably set so that the liquid feeding pressure does not become too large, and the sum of the flow rates of the sample liquid and the sheath liquid is preferably 10 mL / hour or less. Most preferred is 02 mL / hour.

以上の構成において、本発明は狭窄流路16の幅が膨張しにくいことを特徴とする。深さ方向については膨張する素材で構成されていてもよい。流路を作製する上で流路の幅方向、深さ方向の膨張の程度を変えることは煩雑であるため、上記したマイクロチップ10を、硬さ30、44、60、70のPDMSにより作製したが、硬さは任意の値に設定することが可能で、好ましくは硬さ40以上、より好ましくは硬さ70以上のものが用いられる。ここで、前述の通り、本明細書の硬さとはデュロメータ硬さ(タイプAデュロメータ使用)を指し、一定荷重を加えた際の物質の変形量で定義され、硬さが大きいほどその変形量は小さい。   In the above configuration, the present invention is characterized in that the width of the constricted flow path 16 is difficult to expand. About the depth direction, you may be comprised with the raw material which expand | swells. Since it is cumbersome to change the degree of expansion in the width direction and depth direction of the flow path when manufacturing the flow path, the above-described microchip 10 is manufactured by PDMS having a hardness of 30, 44, 60, and 70. However, the hardness can be set to an arbitrary value, and preferably has a hardness of 40 or more, more preferably a hardness of 70 or more. Here, as described above, the hardness in the present specification refers to durometer hardness (uses a type A durometer), and is defined by the amount of deformation of a substance when a constant load is applied. small.

硬さ試験はJIS K 6249の標準規格に則ってJIS K 6253 の 5(デュロメータ硬さ試験)で評価される。試験は、タイプAデュロメータ硬さ試験機を押込み深さ0.000〜2.500mmの測定範囲をもつ長さ測定器と変位装置とから成り立っている押込み深さ測定装置に装着し、長さ測定系には、マイクロメータを用いるのが望ましい。長さ測定器(マイクロメータのスピンドル先端)が押針と垂直同軸上で接触するように固定し、スピンドルを移動させて押針に変位を与える。硬さ試験機の押針を100から0まで、各表示に従って変位させるか、又は既知の押込み深さ値に対する硬さ試験機の指示値を検証する。押込み深さの検証は、指示値100及び0を含む少なくとも4か所で実施することが好ましい。   The hardness test is evaluated according to JIS K 6253 5 (durometer hardness test) in accordance with the standard of JIS K 6249. In the test, a type A durometer hardness tester is mounted on an indentation depth measuring device consisting of a length measuring device having a measurement range of indentation depth of 0.000 to 2.500 mm and a displacement device, and the length is measured. It is desirable to use a micrometer for the system. The length measuring instrument (the tip of the spindle of the micrometer) is fixed so that it is in vertical coaxial contact with the push needle, and the spindle is moved to give displacement to the push needle. The pusher of the hardness tester is displaced from 100 to 0 according to each display, or the indicated value of the hardness tester for a known indentation depth value is verified. The indentation depth is preferably verified at least at four locations including the instruction values 100 and 0.

また、本発明は上記PFFに関する改良だけでなく、他の分離方式への応用も可能であり、例としてキャピラリーを用いたCapillary hydrodynamic fractionation(以下CHDFと記載)への応用について、以下にその詳細について記載する。   The present invention can be applied not only to the above-described PFF but also to other separation methods. For example, the application to capillary hydrodynamic fractionation (hereinafter referred to as CHDF) using a capillary is described in detail below. Describe.

CHDFは特許文献2に記載のように、キャピラリー内での流体力学を利用しミクロン以下のサイズの粒子を分離する手法であり、DiMarzioおよびGuttman(Polymer Letters 7 267(1969))により次の2つの要因に依ることが示されている。すなわち、(1)大きな粒子は、小さな粒子ほどにはキャピラリー壁に接近することができないため、大きな粒子はキャピラリー半径方向の中心付近に小さな粒子は断面の外側に偏在すること。(2)キャピラリー管を通過する流体により生じる半径方向の速度特性により、粒子がそれぞれ異なった速度で移動可能であることである。そのため、大きな粒子は概して溶離剤の平均速度より速い速度で移動し、より速い速度の流体流線の見本となる。   As described in Patent Document 2, CHDF is a technique for separating particles of submicron size using hydrodynamics in a capillary. DiMarzio and Guttman (Polymer Letters 7 267 (1969)) It is shown that it depends on factors. That is, (1) large particles cannot approach the capillary wall as much as small particles, so that large particles are distributed near the center in the capillary radial direction and small particles are unevenly distributed outside the cross section. (2) The particles can move at different velocities because of the radial velocity characteristics caused by the fluid passing through the capillary tube. As such, large particles generally move at a faster rate than the average eluent velocity, and sample faster flow streamlines.

しかしここで、小さな粒子の分画が大きな粒子の分画部分まで広がり大きな粒子との分画に問題が見られることがある。このとき、(1)粒子を含む液に対して、粒子を含まない液でキャピラリー壁面へ流体的に押しつけることにより、キャピラリー半径方向に粒子を整列させる工程をキャピラリー分離法の上流に追加し、大きい粒子と小さい粒子をそれぞれ偏在させ(2)下流のキャピラリー管内の流速分布に従って大きい粒子と小さい粒子を分離することで、大きい粒子と小さい粒子の分画が可能になることが報告されている(特願2016−235056号)。   However, here, the fraction of small particles spreads to the fraction of large particles, and there may be a problem in fractionation with large particles. At this time, (1) a step of aligning the particles in the capillary radial direction by fluidly pressing the liquid containing particles on the capillary wall surface with a liquid not containing particles is added upstream of the capillary separation method. (2) It is reported that large particles and small particles can be fractionated by separating large particles and small particles according to the flow velocity distribution in the downstream capillary tube. Application No. 2016-235056).

前記方法は、キャピラリーを用いて説明がされているが、材質はガラスやプラスチックなどの硬い材質だけでなく、PDMSのようなシリコーン樹脂を用いても実施することができる。この時、粒子の分画には、狭窄流路の内壁16aの壁面に対して垂直方向における粒子の位置(流れに対して垂直な方向の粒子位置)が分画性能に大きく関わるため、シリコーン樹脂性のキャピラリーの内径が膨張した場合、分離性能が低下することが懸念される。したがって、本発明が見出したように、硬さの大きい材質をキャピラリーに用いることで分離性能が向上するといえる。   The method has been described using a capillary, but the material can be implemented not only using a hard material such as glass or plastic, but also using a silicone resin such as PDMS. At this time, since the particle fraction is greatly affected by the position of the particles in the direction perpendicular to the wall surface of the inner wall 16a of the constricted flow path (particle position in the direction perpendicular to the flow), the silicone resin When the inner diameter of the conductive capillary expands, there is a concern that the separation performance is degraded. Therefore, as the present invention has found, it can be said that the separation performance is improved by using a material having high hardness for the capillary.

実施例1
以下、添付の書類に基づいて、本発明による連続粒子分級方法の実施の形態を図2の図面に従って詳細に説明するものとする。
LSR7070(Momentive社製、硬さ70)を用いてマイクロチップ10を作製した。マイクロチップ10は、2枚の平板状の基板11と基板12により形成された平板状の構造を有している。
基板11の下面11aには、流路13が形成されており、入り口側ポート14a、14b、アウトレット15(それぞれ穴の径2mm)、流路13の全体の長さ、つまり、インレット14a、14bのある一方の端から、アウトレット15のあるもう一方の端までの長さは19mmである。
流路18から流路17の深さはすべて20μmで分岐流路18a、18b(幅100μm、長さ800μm)、狭窄流路16(幅20μm、長さ50μm)、拡大流路17(幅500μm、長さ10mm)の流路を作製した。
粒子の入っている流体100Pは0.5wt% ツイーン80水溶液を用いて、直径2μmの蛍光ポリスチレン−ジビニルベンゼン粒子(Fluoro−Max;Thermo Scientific社製)1μg/mLに希釈し用いた。粒子の入っていない流体100Nは0.5wt%ツイーン80水溶液を用いた。
流体100Pをインレット14aから、流体100Nを14bからシリンジポンプにより流量を調節してそれぞれ20、1000μL/hの流量で送液した。検出ライン20を通過する蛍光粒子の軌跡を蛍光顕微鏡で動画に撮影し、粒子計100個について図2(c)の下側壁面からの通過座標を測定することにより分離能を評価した。計測位置である検出ライン20は狭窄流路16の右端(拡大開始点)から150μmの位置とした。
図3(a)に測定結果を示したグラフを示す。横軸は検出ライン20上の通過座標であり(Xμm)、縦軸は座標ごとのカウント数である。比較例1と比べて粒子分布が狭く、分離精度が高いことがわかる。
Example 1
Hereinafter, an embodiment of a continuous particle classification method according to the present invention will be described in detail with reference to the attached document in accordance with the drawing of FIG.
The microchip 10 was produced using LSR7070 (Momentive, hardness 70). The microchip 10 has a flat structure formed by two flat substrates 11 and 12.
A flow path 13 is formed on the lower surface 11a of the substrate 11. The inlet-side ports 14a and 14b, the outlet 15 (each having a hole diameter of 2 mm), the entire length of the flow path 13, that is, the inlets 14a and 14b The length from one end to the other end with the outlet 15 is 19 mm.
The depths from the flow path 18 to the flow path 17 are all 20 μm, the branch flow paths 18a and 18b (width 100 μm, length 800 μm), the narrow flow path 16 (width 20 μm, length 50 μm), the enlarged flow path 17 (width 500 μm, A flow path having a length of 10 mm) was produced.
The fluid 100P containing the particles was diluted with 1 μg / mL of fluorescent polystyrene-divinylbenzene particles having a diameter of 2 μm (Fluoro-Max; manufactured by Thermo Scientific) using a 0.5 wt% Tween 80 aqueous solution. As the fluid 100N containing no particles, a 0.5 wt% Tween 80 aqueous solution was used.
The flow rate of the fluid 100P was adjusted from the inlet 14a and the flow rate of the fluid 100N from 14b by a syringe pump with a flow rate of 20, 1000 μL / h, respectively. The trajectory of the fluorescent particles passing through the detection line 20 was photographed with a fluorescent microscope as a moving image, and the resolution was evaluated by measuring the passing coordinates from the lower wall surface of FIG. The detection line 20 that is a measurement position was set to a position 150 μm from the right end (enlargement start point) of the constriction flow path 16.
The graph which showed the measurement result in Fig.3 (a) is shown. The horizontal axis is the passing coordinates on the detection line 20 (X μm), and the vertical axis is the count number for each coordinate. It can be seen that the particle distribution is narrower and the separation accuracy is higher than in Comparative Example 1.

実施例2
マイクロチップ10の作製に使用した素材をLSR7060(MOMENTIVE社製、硬さ60)へ変更した点以外は実施例1と同様にして粒子の分離評価を行った。図3(b)に測定結果を示したグラフを示す。比較例1と比べて粒子分布が狭く、分離精度が高いことがわかる。
Example 2
Particle separation evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the material used for the production of the microchip 10 was changed to LSR7060 (manufactured by MOMENTIVE, hardness 60). The graph which showed the measurement result in FIG.3 (b) is shown. It can be seen that the particle distribution is narrower and the separation accuracy is higher than in Comparative Example 1.

実施例3
マイクロチップ10の作製に使用した素材をSILPOT184(TORAY社製、硬さ44)へ変更した点以外は実施例1と同様にして粒子の分離評価を行った。図3(c)に測定結果を示したグラフを示す。比較例1と比べて粒子分布が狭く、分離精度が高いことがわかる。
Example 3
Particle separation evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the material used for the production of the microchip 10 was changed to SILPOT184 (manufactured by TORAY, hardness 44). The graph which showed the measurement result in FIG.3 (c) is shown. It can be seen that the particle distribution is narrower and the separation accuracy is higher than in Comparative Example 1.

比較例1
マイクロチップ10を作製するのに使用した素材をLSR7030(MOMENTIVE社製、硬さ30)へ変更した点以外は実施例1と同様にして粒子の分離評価を行った。図3(d)に測定結果を示したグラフを示す。実施例1と比べて粒子分布が広く、分離精度が低いことがわかる。以上の結果を持って硬さ40以上の素材を用いると分離精度を高めることが出来る。
Comparative Example 1
Particle separation was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the material used to produce the microchip 10 was changed to LSR7030 (MOMENTIVE, hardness 30). FIG. 3D shows a graph showing the measurement results. Compared with Example 1, it can be seen that the particle distribution is wide and the separation accuracy is low. Using the material having a hardness of 40 or more with the above results, the separation accuracy can be increased.

10 マイクロチップ
11 基板
11a 基板下面
12 基板
13 流路
14a、14b インレット
15 アウトレット
16 狭窄流路
16a 狭窄流路16の内壁
17 拡大流路
18a、18b 分岐流路
20 検出ライン
21 図2(a)の部分
100P 粒子を含む流体
100N 粒子を含まない流体
200 流線のプロファイル
210a、b ベクトル
300a、b 粒子
10 Microchip 11 Substrate 11a Substrate lower surface 12 Substrate 13 Channel 14a, 14b Inlet 15 Outlet 16 Narrow channel 16a Inner wall 17 of narrow channel 16 Expanded channel 18a, 18b Branch channel 20 Detection line 21 of FIG. Partial 100P Fluid containing particles 100N Fluid not containing particles 200 Streamline profiles 210a, b Vectors 300a, b Particles

Claims (9)

1の末端に流体導入口を備える2以上の分岐流路、及び当該分岐流路が合流して形成される流路を含み、少なくとも1の分岐流路の流体導入口から分離対象の粒子を含有する流体を導入される、粒子分離装置であって、
(1)合流して形成される流路の末端側の拡大開始点より下流側が拡大し、拡大された流路の末端に少なくとも1の回収口が備えられ、
(2)分岐流路の合流点から拡大開始点までの流路の壁が、外側方向に膨張しにくい素材で構成されることを特徴とする、前記粒子分離装置。
Including at least one branch channel having a fluid inlet at one end, and a channel formed by joining the branch channels, and containing particles to be separated from the fluid inlet of at least one branch channel A particle separation device into which a fluid is introduced,
(1) The downstream side expands from the expansion start point on the end side of the flow path formed by merging, and at least one recovery port is provided at the end of the expanded flow path,
(2) The particle separation apparatus, wherein a wall of the flow path from the junction point of the branch flow path to the expansion start point is made of a material that hardly expands outward.
前記素材が、デュロメータ硬さ40以上であることを特徴とする、請求項1に記載の粒子分離装置。   The particle separator according to claim 1, wherein the material has a durometer hardness of 40 or more. 分離対象の粒子を含有する流体の流量が、他の流体の流量よりも小さいことを特徴とする、請求項1又は2に記載の粒子分離装置。   The particle separation device according to claim 1 or 2, wherein a flow rate of a fluid containing particles to be separated is smaller than a flow rate of another fluid. 分離対象の粒子を含有する流体と、他の分岐流路に導入された流体とが合流して形成される流路において層流を形成することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の粒子分離装置。   The laminar flow is formed in a flow path formed by a fluid containing the particles to be separated and a fluid introduced into another branch flow path. The particle separator according to one item. 1の末端に流体導入口を備える2以上の分岐流路、及び当該分岐流路が合流して形成される流路であって、
(1)合流して形成される流路の末端側の拡大開始点より下流側が拡大し、拡大された流路の末端に少なくとも1の回収口を備えられ、
(2)分岐流路の合流点から拡大開始点までの流路の壁が、外側方向に膨張しにくい素材で構成されている
ことを特徴とする流路を用いて粒子を分離する方法であって、
分離対象の粒子を含有する流体を少なくとも1の分岐流路の流体導入口から導入する工程、
分離対象の粒子を含まない流体を少なくとも1の分岐流路の流体導入口から導入する工程、
少なくとも1の回収口から、粒子を分離、または回収する工程
を含む、前記方法。
Two or more branch channels having a fluid inlet at one end, and a channel formed by joining the branch channels,
(1) The downstream side expands from the expansion start point on the end side of the flow path formed by joining, and at least one recovery port is provided at the end of the expanded flow path,
(2) A method of separating particles using a flow path characterized in that the wall of the flow path from the junction of the branch flow path to the expansion start point is made of a material that does not easily expand outward. And
Introducing a fluid containing particles to be separated from a fluid inlet of at least one branch channel;
Introducing a fluid that does not contain particles to be separated from a fluid inlet of at least one branch channel;
The method comprising the step of separating or recovering particles from at least one recovery port.
前記素材が、デュロメータ硬さ40以上であることを特徴とする、請求項5に記載の方法。   The method according to claim 5, wherein the material has a durometer hardness of 40 or more. 分離対象の粒子を含有する流体の流量が、他の流体の流量よりも小さいことを特徴とする、請求項5又は6に記載の方法。   The method according to claim 5 or 6, wherein the flow rate of a fluid containing particles to be separated is smaller than the flow rate of other fluids. 分離対象の粒子を含有する流体と、他の分岐流路に導入された流体とが、合流して形成される流路において層流を形成することを特徴とする、請求項5〜7のいずれか一項に記載の方法。   The fluid containing the particles to be separated and the fluid introduced into another branch flow path form a laminar flow in the flow path formed by merging. The method according to claim 1. 分離対象の粒子を含有する流体を少なくとも1の分岐流路の流体導入口から導入する工程の前に、予め当該粒子を含んでいない点でのみ異なる流体を導入することで、層流を形成させておくことを特徴とする、請求項5〜8のいずれか一項に記載の方法。   Before the step of introducing the fluid containing the particles to be separated from the fluid introduction port of at least one branch flow path, a fluid that is different only in that the particles are not included in advance is introduced to form a laminar flow. A method according to any one of claims 5 to 8, characterized in that
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