JP2018524591A - 粘度測定 - Google Patents

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Abstract

流体試料の粘度を測定するための方法が提供される。この方法は、（ｉｉ）流体試料の流れを用意するステップ、（ｉｉｉ）トレーサー成分をさらに含む流体試料の流れである成分流を用意するステップ、（ｉｖ）拡散チャネル、たとえばマイクロ流体拡散チャネル（２）において、流れ（ｉｉｉ）と共に流れ（ｉｉ）の層流を生成するステップ、（ｉｖ）流れを横断するトレーサー成分の側方拡散を測定するステップ、および（ｖ）測定された拡散プロファイルから流体の粘度を決定するステップを含み、トレーサー成分のサイズが、既知であるかまたは決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体試料の粘度を決定するための流拡散方法に関する。
複合溶液の粘度の測定は、生物学、生物物理学および生物工学科学に広く見られる問題である。加えて、粘度は、流体流に基づく多様な技術的用途において重要な役割を果たす。
低体積の試料を使用する高スループット手法を使用して、流体試料の粘度を測定することが望ましい。いくつかのマイクロレオロジーによるアプローチが、従来の粘度計およびレオメーターの代替案として記述されている。
流体粘度を決定するための一般的な方略では、既知のサイズのトレーサー粒子の拡散運動をモニターする。単一のトレーサー粒子の移動をビデオ顕微鏡法によりモニターできる（たとえば、ValentineらおよびTsengらを参照のこと）。あるいは、平均光散乱のゆらぎまたはトレーサー粒子の蛍光シグナルを記録することにより、トレーサー粒子の運動をモニターできる（たとえば、Masonら、Heら、PalmerらおよびGainsらを参照のこと）。これらのアプローチでは、粘度と拡散との間のストークス−アインシュタイン関係から理解されるとおり、流体の粘度は、トレーサー粒子の測定された見かけの拡散係数から容易に定量される。
拡散波分光法（diffusion wave spectroscopy、DWS）および単一粒子のトラッキングでは、測定された平均二乗変位の時間発展を、流体の貯蔵および損失弾性率と相関させるために、運動の一般化ランジュバン方程式を適用できる（たとえば、TsengらおよびMasonらを参照のこと）。
本発明は、粘度、たとえば相対粘度の決定のための代替的方法を提供する。
本発明は、一般に、流体試料の粘度を決定するための方法を提供する。方法は、流体試料中での既知のサイズの添加成分の拡散を経時的にモニターするステップを含む。測定された拡散プロファイルから、流体試料の粘度を決定することが可能である。
したがって、本発明の第１の態様では、流体試料の粘度を決定するための方法であって、
（ｉｉ）流体試料の流れを用意するステップ、
（ｉｉｉ）トレーサー成分をさらに含む流体試料の流れである成分流を用意するステップ、
チャネル、たとえばマイクロ流体チャネルにおいて、（ｉｖ）流れ（ｉｉｉ）と共に流れ（ｉｉ）の層流を生成するステップ、
（ｉｖ）流れを横断するトレーサー成分の側方拡散を測定するステップ、および
（ｖ）測定された拡散プロファイルから流体の粘度を決定するステップ
を含み、
トレーサー成分のサイズが、既知であるかまたは決定される
方法が提供される。
本発明の一実施形態では、方法は、（ｉ）トレーサー成分を流体試料の１つの部分に添加する予備的ステップをさらに含む。
トレーサー成分は、試料の粘度を決定することを目的として流体試料に添加される成分である。
本発明の方法は、フローデバイス、たとえばマイクロ流体デバイスにおいて実施される。
本発明の方法における流体デバイスの使用は、たとえば比較的高価な自己相関器を使用する方法と比較して、低コストで比較的単純な器具をもたらす。さらに、流体法は小さな体積の試料の使用を可能にし、迅速な解析時間を可能にしうる。
本発明の方法は、流体試料の組成の影響を受けず、流体試料の部分に添加されるトレーサー成分のサイズの影響も受けない。本明細書に示すとおり、これは、添加されるトレーサー成分が流体試料中の他の成分と同等のサイズである場合に粘度測定が複雑である、動的光散乱に基づく粘度法とは対照的である。
したがって、本発明の方法は、特定の成分または特定の流体試料の使用に制限されないということになる。
さらに、本発明の流体法は、他の流体法と組み合わされてもよい。本発明の方法において使用される流体デバイスを、他の流体デバイスと流体連通して用意でき、これらのデバイスは、単一のフローチップ内に統合できる。
本発明の他の態様では、本発明の第１の態様の方法における使用のための流体デバイスが提供される。
本発明のさらなる態様および実施形態を、下でさらに詳細に論じる。
本発明の一実施形態による拡散方法における使用のための流体デバイスの概略図である。 本発明の一実施形態による拡散方法における使用のための流体デバイスの概略図である。 図１ａおよび図１ｂの流体デバイスにおいて測定された、１０ｗｔ％（青色）および５０ｗｔ％（赤色）のグリセロール水溶液中での４７ｎｍ粒子の拡散プロファイルを示す図である。拡散プロファイルを、１２の異なる拡散時間で、拡散チャネルに沿った１２の位置で測定した。拡散距離（ｍｍ）は、大断面チャネルと拡散チャネルとの接合部からの距離である。低粘度および高粘度の試料はそれぞれ、１０ｗｔ％および５０ｗｔ％グリセロール水溶液であった。 図１ａおよび図１ｂの流体デバイスにおける拡散チャネル内の流体流を横断する粒子の拡散を示す一連の画像（左）の図である。また、画像のそれぞれについての拡散プロファイル（右）が示され、プロファイルは、測定された（点線）およびシミュレートされた（実線）拡散プロファイルを含む。画像は、１０ｗｔ％グリセロール水溶液を使用する。位置Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩおよびＩＶはそれぞれ、拡散チャネルに沿って５．３ｍｍ、１８．６ｍｍ、３０．４ｍｍおよび８８．７ｍｍに位置する。 ２５℃で図１ａおよび図１ｂの流体デバイスにおいて（丸印）、および、従来の動的光散乱法により（四角印）測定された、水性試料溶液中のグリセロール濃度（ｍｇ／ｍＬ）の変化に伴う相対粘度の変化（ηｒ）を示す図である。報告された文献の値もまた示す（三角印）。破線は、文献において報告された経験的関数を表す。 ２５℃で直径１００ｎｍの標準的ナノ粒子を使用して図１ａおよび図１ｂの流体デバイスにおいて（丸印）、および、従来の動的光散乱法により（四角印）測定された、水性試料溶液中のウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）濃度（ｍｇ／ｍＬ）の変化に伴う相対粘度の変化（ηｒ）を示す図である。 ４７ｎｍの直径（ａ）または１００ｎｍの直径（ｂ）を有する０．０５％の標準的ナノ粒子を含む１００ｇ／ＬのＢＳＡ溶液について、動的光散乱により測定したサイズ分布（ｎｍ）を示す図である。 図７ａは、本発明の実施形態による拡散方法における使用のための流体デバイスの概略図である。２チャネル構成を有する直列デバイスである。図７ｂは、本発明の実施形態による拡散方法における使用のための流体デバイスの概略図である。３チャネル構成を有する直列デバイスである。 図８ａは、本発明の実施形態による拡散方法における使用のための流体デバイスの概略図である。２チャネル構成を有する並列デバイスである。図８ｂは、本発明の実施形態による拡散方法における使用のための流体デバイスの概略図である。３チャネル構成を有する並列デバイスである。
本発明は、流体試料の粘度を決定するための方法を提供する。解析のための流体試料は、部分に分けて使用し、１つの部分はそれに添加されたトレーサー成分を有し、別の部分はかかる変更を加えない。流体部分の層流をチャネル内で生成し、一方の部分中のトレーサー成分を、他方の部分中に拡散させる。
トレーサー成分の経時的な移動をモニターする。測定された拡散プロファイルから、流体試料の粘度を決定できる。
流体流は、フローデバイス、たとえばマイクロ流体デバイスのチャネル内に用意される。
拡散を測定するためのフローデバイスは、当該技術分野において公知であり、下でさらに詳細に説明する。
本発明者らは以前に、国際公開第２０１４／０６４４３８号において、多成分混合物を解析するための拡散法の使用を記載した。そのアプローチの検証において、本発明者らは、既知のサイズを有する成分の拡散をモニターした。しかしながら、トレーサー成分を使用して試験試料の粘度を決定するために拡散法を使用でき、使用すべきことは、この先行研究からは明らかではない。
サイズ測定を検証するため、国際公開第２０１４／０６４４３８号は、蛍光標識された２５および１００ｎｍのポリスチレン粒子を、別々におよび一緒に、ブランク水性流中に拡散させることを記載している。ポリスチレン粒子は、０．２体積％の濃度で使用される。試験試料の粘度を決定するために、試験試料に既知のサイズおよび比較的低濃度の粒子を添加でき、添加すべきことは、この研究からは明らかではない。
国際公開第２０１４／０６４４３８号の方法は、試料流体流から（バッファーの）ブランク流体流中への成分の移動を観察する。対照的に、本件の方法は、試料流体流中へのトレーサー成分の移動を観察する。
流体試料
本発明の方法は、流体試料の粘度の決定を可能にする。本発明の方法は、未知の組成の流体の解析を可能にし、流体試料中の成分の性質および濃度についての限定はない。
一実施形態では、流体試料は、粘度が未知の流体試料である。
流体試料は、液体試料であってもよい。
本発明の方法では、流体試料は、少なくとも２つの部分として用意される。流体試料の第１の部分は、トレーサー成分を有する部分である。このトレーサー成分は、解析前に流体試料に添加できる。他方の部分は、トレーサー成分を含有しない流体試料である。本発明の方法では、流体試料のこれらの部分の流れを接触させ、層流を形成する。次に、第１の部分の流れから他方の部分の流れへと成分を拡散させる。
試料流への言及は、流体試料のトレーサー成分を含有しない部分の流体流への言及である。
トレーサー成分流への言及は、流体試料のトレーサー成分を含有する部分の流体流への言及である。
したがって、試料流およびトレーサー成分流の組成は、トレーサー成分流中のトレーサー成分の存在を除き、同一である。したがって、試料流の特性への言及は、文脈によって、トレーサー成分流への言及と解釈できる。
試料流体は、その中に、溶解または分散された、１つまたは複数の成分を有していてもよい。
かかる成分には生体分子が含まれ、これらの成分は、ポリペプチド、多糖またはポリヌクレオチド基を含有していてもよい。
たとえば、試料流体中の成分は、タンパク質、たとえば抗体であってもよい。
一実施形態では、試料流体は、複数の成分を含有する。したがって、拡散測定は、多成分流を横断するトレーサー成分の移動を追跡することになる。一実施形態では、流体試料は、多成分混合物である。
一実施形態では、試料流体の組成または流体中の成分の濃度は、未知であってもよい。
トレーサー成分が流体試料の１つの部分中に与えられるとき、このトレーサー成分は、流体試料中の成分に追加される。
流体試料は、少なくとも３００Ｄａ、５００Ｄａ、少なくとも１，０００Ｄａ（１ｋＤａ）、または少なくとも２ｋＤａの分子量、たとえば重量平均分子量を有する成分を含有していてもよい。
流体は、最大で５ｋＤａ、最大で１０ｋＤａ、最大で２０ｋＤａ、最大で５０ｋＤａまたは最大で１００ｋＤａの分子量、たとえば重量平均分子量を有する成分を含有していてもよい。
たとえば、上述のとおり、試料流体は、１つまたは複数のタンパク質を含有していてもよい。
流体試料は、トレーサー成分と同等のサイズの成分を含有していてもよい（または、それらを含有すると推測されてもよい）。本発明者らは、本発明の流体法が、トレーサー成分のサイズにかかわらず、かつ流体試料中に存在する成分のサイズにかかわらず、粘度の決定を可能にすることを見出した。したがって、本発明の方法を、複合組成および／または未知の組成を有する流体試料の粘度を決定するために使用できる。
本発明者らは、添加されたトレーサー成分が流体試料中の１つまたは複数の成分と同等のサイズを有する場合、粘度を決定するための以前に記述された動的光散乱法には、問題があることを見出した。特に、トレーサー成分および流体試料中の同等サイズの成分からの光散乱シグナルのコンボリューションは、トレーサー成分の正確なサイズ測定を可能にせず、それゆえ、不正確な粘度決定をもたらす。これは、本件の実施例において示される。
動的光散乱実験の結果が常に信頼のおけるものとは限らない可能性があることに鑑みると、算出された粘度値を検証するために、様々なサイズのトレーサー成分を使用した動的光散乱実験を反復することが必要となる可能性がある。あるいは、何らかの他の方法、たとえば流体試料中のトレーサー成分の濃度を増加させることにより、光散乱シグナルの強度を増加させることが必要となる可能性がある。
しかしながら、この後者のアプローチは、多くの場合、望ましくない。なぜなら、顕著な量のトレーサー成分の添加は、試料の粘度の変化を引き起こす可能性があるからである。
流体試料中の成分のサイズへの言及は、成分の半径、たとえば流体力学半径への言及であってもよい。成分のサイズは、標準的な解析法を使用して決定できる。たとえば、拡散測定を、流体試料中の成分のサイズを決定するために使用できる。
流体試料中に存在する成分は、少なくとも０．０５ｎｍ、少なくとも０．１ｎｍ、少なくとも０．５ｎｍ、少なくとも１ｎｍ、または少なくとも５ｎｍの半径を有していてもよい。
流体試料中に存在する成分は、最大で１０ｎｍ、最大で１５ｎｍ、最大で２５ｎｍ、最大で５０ｎｍ、最大で１００ｎｍ、または最大で２００ｎｍ、または最大で５００ｎｍの半径を有していてもよい。
成分は、上に記載のものから選択される上限および下限を有する範囲の半径を有していてもよい。たとえば、本発明は、０．５から５００ｎｍ、たとえば０．５から２００ｎｍ、たとえば０．５から１００ｎｍ、たとえば０．５から１５ｎｍの範囲の半径を有する成分を保持する流体試料の粘度を決定するのに特に好適である。
典型的には、流体試料は水性流体である。水性流体は、混和性有機溶媒を追加で含んでいてもよい。これは、成分を溶液または懸濁液中に保持するために与えることができる。たとえば、ＤＭＳＯが水とともに存在していてもよい。
本発明の方法では、流体試料の１つの部分中へのトレーサー成分の添加により、流体試料からトレーサー成分含有流体を調製する。流体試料のさらなる部分を用意し、この部分はトレーサー成分を含有しない。このさらなる部分は、試料流を生成するために使用される。
トレーサー成分を含有する流体試料の部分は、トレーサー成分と流体試料の部分との単純混合により調製できる。
トレーサー成分は、比較的低濃度で使用できる。本発明における使用のための検出方法、たとえば蛍光検出は、非常に低い濃度のトレーサー成分の検出を可能にする。
トレーサー成分は、流体の粘度を実質的に維持するのに十分なレベルで流体試料に添加される。したがって、試料流およびトレーサー成分流の粘度は、同じでないにしても、実質的に同じである。
試料流体について決定された粘度値は、試料流体およびトレーサー成分流体の粘度に大きな差がある場合、十分に正確でない。
トレーサー成分は、流体流におけるその検出を可能にするのに十分な量で与えられる。使用できるトレーサー成分の最小量は、トレーサー成分の解析特性、たとえばトレーサー成分の蛍光収率、および使用される検出器の検出効率に依存することになる。
トレーサー成分は、流体試料の部分中、少なくとも０．００１、少なくとも０．００５、または少なくとも０．０１ｗｔ％の濃度で与えることができる。
トレーサー成分は、流体試料の部分中、最大で０．０５、最大で０．１、最大で０．２、最大で０．５、または最大で１．０ｗｔ％の濃度で与えることができる。
トレーサー成分は、上に記載の値から選択される上限および下限を有する範囲から選択される濃度で使用できる。たとえば、トレーサー成分は、流体試料の部分中、０．０１から０．０５ｗｔ％の範囲の濃度で与えることができる。
流体試料は、１つまたは複数の成分を含有していてもよく、これらの成分はまた、トレーサー成分流中にも存在することになる。トレーサー成分流中のこれらの成分の濃度は、試料流中のそれらの成分と実質的に同じである。
したがって、流体試料の１つの部分へのトレーサー成分の添加は、流体中の成分の希釈または濃度と関連づけられない。したがって、トレーサー成分流および試料流が層流において接触するとき、流体流を横断する成分の濃度勾配は実質的に存在しない。対照的に、流体流を横断するトレーサー成分の濃度勾配は存在し、まさにこの濃度勾配の変化を、経時的にモニターする。
本発明のある特定の実施形態では、方法は、トレーサー成分を含有しない流体試料の２つの流れを使用する。下にさらに詳細に説明するとおり、これらの流体流を、流体試料の単一の部分から生成するか、または、これらの流体流を、流体試料の２つの部分から生成することができる。これらの２つの流れは、トレーサー成分流のいずれかの側に与えられる。
トレーサー成分
本発明の方法における使用のためのトレーサー成分は、サイズが既知の成分である。成分のサイズは、当該技術分野において既知であってもよく、または、本発明の方法における成分の使用前に決定されてもよい。トレーサー成分のサイズは、文献により公知でもよく、かつ／または、この情報は、成分の供給業者から提供されてもよい。
あるいは、トレーサー成分のサイズは、本発明の方法において成分が使用されたあとに決定されてもよい。
トレーサー成分のサイズは、標準的な解析法を使用して決定（または確認）できる。
トレーサー成分のサイズへの言及は、成分の半径、たとえば流体力学半径への言及であってもよい。
本発明の方法において使用されるトレーサー成分は、少なくとも０．０５ｎｍ、少なくとも０．１ｎｍ、少なくとも０．５ｎｍ、少なくとも１ｎｍ、または少なくとも５ｎｍの半径を有していてもよい。
本発明の方法において使用されるトレーサー成分は、最大で１０ｎｍ、最大で１５ｎｍ、最大で２５ｎｍ、最大で５０ｎｍ、最大で１００ｎｍ、または最大で２００ｎｍ、または最大で５００ｎｍの半径を有していてもよい。
トレーサー成分は、上に記載のものから選択される上限および下限を有する範囲の半径を有していてもよい。たとえば、本発明は、０．５から５００ｎｍ、たとえば０．５から２００ｎｍ、たとえば０．５から１００ｎｍ、たとえば０．５から１５ｎｍの範囲の半径を有するトレーサー成分を用いた使用に特に好適である。
トレーサー成分のサイズは、流体試料中に保持される成分と実質的に同等のサイズであってもよい。
一実施形態では、トレーサー成分は、流体試料中の成分の半径の少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％である半径を有する。
一実施形態では、トレーサー成分は、流体試料中の成分の半径の最大で１００％（すなわち、その成分の半径と同じ）、最大で１５０％、最大で２００％、最大で５００％または最大で１，０００％である半径を有する。
トレーサー成分は、上に記載の上限および下限から選択される範囲の半径を有していてもよい。たとえば、トレーサー成分は、流体試料中の成分の半径の１０％から２００％の半径を有する。
粘度の範囲（または粘度の予測範囲）に幅がある複数の流体試料について拡散測定がなされる場合、小サイズを有するトレーサー成分がすべての実験について使用されることが好ましい。
上で説明したとおり、本発明の方法は、トレーサー成分が流体試料中の成分と同等のサイズを有する場合であっても、粘度の決定を可能にする。
トレーサー成分は、典型的には、その集団内で均一なサイズを有する。トレーサー粒子の実質的に均質な集団を使用することは、決定される粘度値が正確であることを確実にする。
したがって、一実施形態では、本発明における使用のためのトレーサー成分は、実質的に単分散である。
一実施形態では、トレーサー成分は、標準偏差が平均から１５％未満、１０％未満、５％未満または１％未満であるサイズ分布を有する。
トレーサー成分のサイズ分布は、トレーサー成分の供給業者により提供される情報から知られてもよい。サイズ分布はまた、トレーサー成分のサンプル集団の顕微鏡測定を含む分光測定により決定されてもよい。
異なるサイズを有するトレーサー成分を使用することが可能であり、この場合、異なるサイズのトレーサー成分のそれぞれの相対数は既知である。多成分混合物の拡散プロファイルは、たとえば、国際公開第２０１４／０６４４３８号に記載の本発明者らにより開発された手法の使用を通じて決定できる。単純さのため、実質的に同じサイズを有するトレーサー成分が使用されることが好ましい。
トレーサー成分は、流体試料中に溶解できる。しかしながら、本発明はまた、流体中に分散されるトレーサー成分の移動を追跡するためにも使用できる。したがって、方法において使用される流体は、コロイド状であってもよく、ゾルまたはエマルジョンであってもよく、この場合、トレーサー成分は分散相である。
本発明の方法による解析を実施するのに必要なトレーサー成分の量は多くなく、非常に少量の材料でもマイクロ流体デバイスを通すことができる。拡散チャネルを出る流体を収集することもまた可能であり、これを再解析できる。
本発明の方法は、流体流を横断するトレーサー成分の拡散を測定するステップを含む。トレーサー成分は、標準的な解析法、たとえば、とりわけ蛍光分光法、ルミネッセンス分光法、紫外可視分光法を使用して検出可能であってもよい。
トレーサー成分は、典型的には、流体試料中の成分と反応しないか、または反応することが予測されない成分である。この理由から、生体流体の粘度を測定するときは、トレーサー成分としてのタンパク質の使用を回避すべきである。タンパク質トレーサーは、生体流体の成分（たとえば他のタンパク質等）と相互作用するリスクがある。
トレーサー成分は、分子、たとえばポリマー分子であってもよい。
トレーサー成分は、粒子であってもよい。
一実施形態では、トレーサー成分はポリマー、たとえばポリマー粒子である。トレーサー成分は、ポリスチレン、たとえばポリスチレン粒子であってもよい。
一実施形態では、トレーサー成分は染料分子である。
成分は、検出を補助するため、標識してもよい。たとえば、本明細書に記載の例示的方法では、蛍光標識ポリスチレン粒子をトレーサー成分として使用する。
トレーサー成分は、その解析特性で選択できる。たとえば、トレーサーは、試料流体中に存在しない（または存在しないと考えられる）検出可能な官能基を有していてもよい。
たとえば、トレーサー成分は、蛍光活性であってもよく、蛍光励起および発光波長は、たとえば、試料流体中の成分について典型的なものまたは予測されるものでなくてもよい。本件では、蛍光活性を有するトレーサー成分が、ウシ血清アルブミン含有溶液の粘度を決定するために使用される。トレーサー粒子の蛍光活性は、ウシ血清アルブミンと共有されない。したがって、検出される蛍光シグナルは、トレーサー成分のみと関連づけられ、試料流体のどの他の成分とも関連づけられない。
方法
本発明は、流体試料の粘度、たとえば相対粘度を決定するために使用できる。本発明の方法は、流体試料中への既知のサイズのトレーサー成分の拡散を観察して測定する。経時的なトレーサー成分の拡散は、流体の粘度の決定を可能にする。
本発明の方法では、流体試料の流れが確立される。これは、試料流である。トレーサー成分を含有する流体試料の流れもまた確立される。これは、成分流である。これらの試料流および成分流を接触させ、拡散チャネル内に層流を生成する。層流を確立したなら、成分流から試料流中への成分の拡散をモニターする。
したがって、流体流のうちの１つまたはすべてを横断する成分の位置を、異なる拡散時間において決定できる。成分の測定された拡散プロファイルから、流体試料の粘度を決定できる。
チャネルは、拡散チャネルと称される。なぜならそれは、成分の拡散が可能であり、それがモニターされる流体チャネルだからである。
各流れの流量は、解析ステップ中、実質的に一定のレベルに維持される。解析は、拡散チャネルにおいて安定的な流れが確立されるときにだけ行われてもよい。
使用される流量は特に限定されず、試料流およびトレーサー成分流の流量が同じである必要はない。
トレーサー成分流の流量は、試料流の流量とは独立に変化できる。
実際には、流量は、流体流を横断する成分の拡散に対応するよう選択される。流量は、トレーサー成分の拡散のモニタリングを可能にするため、フローチャネル内で十分な滞留時間があるよう選択される。
チャネルは、流体デバイスの一部である。流体デバイスは、チャネル内の複数の位置にある検出器との使用に適合する。このチャネルは、試料流および成分流のための供給チャネルと流体連通している。
いくつかの実施形態では、２つの試料流は、トレーサー成分流のいずれかの側に与えられる。したがって、本発明の方法は、側方の試料流体流のいずれかまたは両方の中への、トレーサー成分流中のトレーサー成分の拡散を観察できる。
２つの試料流体流の使用は有利である。なぜならこれらは、トレーサー成分流両端に安定的な平衡化圧力をもたらすために使用できるからである。
２つの試料流の組成は同一である。典型的には、２つの試料流の流量は同一である。
本発明の方法は、典型的には、低レイノルズ数を有する流れにおいて実施される。たとえば、流れのレイノルズ数は、１以下、０．５以下、０．１以下、または０．０５以下であってもよい。
本発明の方法は、室温または概ね室温、たとえば１５、２０または２５℃で実施できる。あるいは、本発明の方法は、より低い温度、たとえば５もしくは１０℃で、またはより高い温度、たとえば３５、４０もしくは５０℃で実施できる。本発明の方法はまた、本発明における使用のための流体の温度を測定するステップを含みうる。
一実施形態では、層流の流体流量は、少なくとも１、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも５０、または少なくとも１００μＬｈ−１である。
一実施形態では、層流の流体流量は、最大で２００、最大で４００、最大で５００、最大で１，０００、最大で２，０００または最大で５，０００μＬｈ−１である。
一実施形態では、層流の流量は、上の値から選択される上限値および下限値を有する範囲から選択される値である。たとえば、流量は、５から４００μＬＨ−１の範囲であってもよい。
流体流量は、定常状態における流量である。
層流流体流量は、試料流（複数可）およびトレーサー成分流の合計流量を指す。トレーサー成分流および試料流の流量は、拡散チャネルにおいて所望の流量を達成するよう調整できる。
上に示した範囲の流量を用いたマイクロ流体デバイスの使用は、比較的少量の成分流体を、解析の実行において使用できることを意味する。たとえば、この範囲の体積は、少なくとも１つの拡散プロファイル読取値を得ることを目的として、拡散チャネルにおいて定常状態流を確立するのに十分である。
一実施形態では、方法において使用される流体の総体積は、最大で５０、最大で１００、最大で２００、最大で５００、または最大で１，０００μＬである。
一実施形態では、方法において使用される流体の総体積は、少なくとも０．１、少なくとも０．５、少なくとも１、少なくとも５、または少なくとも１０μＬである。
一実施形態では、使用される流体の総体積は、上の値から選択される上限値および下限値を有する範囲から選択される値である。たとえば、総体積は、１から５０μＬの範囲であってもよい。
流体の総体積は、方法において使用されるトレーサー成分流体および試料流体の合計体積を指す。
一実施形態では、トレーサー成分流から試料流体流中へのトレーサー成分の側方拡散は、複数の拡散時間において測定される。
したがって、側方拡散は、拡散チャネルに沿った複数の位置で測定できる。測定点間の間隔は特に限定されないが、記録された拡散プロファイルが測定点間で顕著に変化する十分な距離であってもよい。
代替的一実施形態では、トレーサー成分の側方拡散は、チャネルの単一の位置で測定される。側方拡散が記録されたなら、トレーサー成分流および試料流体流の流量を変更し、安定流が確立されたなら、トレーサー成分の側方拡散を単一の位置で測定する。
したがって、異なる拡散時間における拡散プロファイルが、流量の変化を通じて得られる。流量は、１、２、３またはそれ以上の回数変更できる。
流体デバイス
本発明の第１の態様の方法は、流体デバイス、たとえばマイクロ流体デバイスの一部である拡散チャネルを使用する。
したがって、流体デバイスは、拡散チャネルを含む。拡散チャネルは、トレーサー成分流と試料流体流との層流を保持するか、または拡散チャネルは、トレーサー成分流と２つの試料流体流との層流を保持し、この２つの試料流体は、トレーサー成分流のいずれかの側に与えられる。
拡散チャネルは、拡散チャネルに沿った１つまたは複数の位置でのトレーサー成分の側方分布を決定するのに好適な解析デバイスとの使用に適合する。
拡散チャネルは、より大きな断面を有する上流チャネル（大断面チャネル）と流体連通していてもよい。したがって、拡散チャネルは、小断面チャネルと称される。拡散デバイスにおける大および小断面チャネルの使用は、本発明者らにより国際公開第２０１４／０６４４３８号において説明されており、その内容はここにそれらの全体が参照により組み込まれる。
トレーサー成分流および試料流体流を保持するためのマイクロ流体チャネルの使用は、低レイノルズ数で流れが生じることを確実にし、結果として、対流および拡散だけが系内の質量輸送の関連メカニズムである。
したがって、これは、正確な数値計算の実施を可能にする。
デバイスのチャネルの全体寸法は、合理的な流動速度および解析時間をもたらすよう選択される。デバイスの寸法はまた、十分な解析の実行に要する流体の量を低減するよう選択できる。
拡散チャネル（および存在する場合は大断面チャネル）は、２つ（または３つ）のストリームを含む層流の生成および維持を可能にする好適な寸法を有するチャネルである。２つのストリームの層流とは、流れが並列し、安定的であることを意味する。したがって、典型的には、流体が再循環する領域はなく、乱流は最小限である。典型的なかかる条件は、小さなチャネル、たとえばマイクロチャネルによりもたらされる。
分散測定における使用のためのデバイスは、当該技術分野において周知であり、たとえば、Ｋａｍｈｏｌｚら（Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、８０（４）：１９６７〜１９７２頁、２００１年）および国際公開第２０１４／０６４４３８号に記載されている。
本明細書におけるチャネル、たとえば拡散チャネルへの言及は、実質的に矩形の断面を有するチャネルへの言及である。したがって、チャネルは、実質的に平面の底部とそこから実質的に垂直に伸長する壁、および任意選択で上部カバーから形成できる。典型的には、底部および壁は、シリコーン基材内に形成される。
カバーは、ガラスカバー、たとえば標準的なスライドガラスまたはホウケイ酸ウェハーであってもよい。
検出機器は、拡散チャネルの上方に設けることができる。
幅への言及は、チャネルの側方拡散寸法への言及である（いくつかの先行技術文献では、ｄと称される）。
拡散チャネルは、その長さ全体を通じて実質的に一定の幅を有する。
拡散チャネルの幅は、最大で５００μｍ、最大で７００μｍ、最大で１，０００μｍ、または最大で２，０００μｍであってもよい。
拡散チャネルの幅は、少なくとも５μｍ、少なくとも１０μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも１００μｍ、または少なくとも２００μｍであってもよい。
一実施形態では、拡散チャネルの幅は、上に記載の上限値および下限値から選択される範囲であってもよい。たとえば、幅は、１０から５００μｍの範囲であってもよい。
拡散チャネルの長さは、試料流体流の境界を形成するチャネル端までの成分流中の成分の拡散を可能にするのに好適な長さであってもよい。したがって、流体流が拡散チャネルの末端に到達するときまでに、成分流中に存在するすべての成分は、最大エントロピー構成に到達している。
拡散チャネルの長さは、トレーサー成分がトレーサー成分流体流から試料流体流中へと拡散するのを可能にするのに十分である。本明細書に記載の分子量を有するトレーサー成分、たとえばポリマーについては、１ｍｍの長さ以上の拡散チャネル長さで概ね十分である。
一実施形態では、拡散チャネルは、少なくとも０．５ｍｍ、少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、または少なくとも５ｍｍの長さである。
一実施形態では、拡散チャネルは、最大で１０ｍｍ、最大で２０ｍｍ、または最大で５０ｍｍの長さである。
一実施形態では、拡散チャネル長さは、上に記載の上限値および下限値から選択される範囲であってもよい。たとえば、拡散チャネル長さは、０．５から５０ｍｍ、たとえば１から２０ｍｍの範囲であってもよい。
流体の流れは、拡散チャネルの長手方向軸に沿う。トレーサー成分流中のトレーサー成分の試料流中への拡散は、流れの長手方向軸を横切り、チャネルの幅を横断する。
いくつかの実施形態では、拡散チャネルの少なくとも一部が回旋状である。したがって、拡散チャネルは、たとえば、回旋または一連の回旋を含んでいてもよい。回旋状の形状の使用は、デバイスのサイズの最小化を可能にする。回旋状経路の使用はまた、単一の検出区画内に複数のフローチャネルをもたらすことができる。単一の検出区画において、複数のチャネル（異なる流れ距離したがって異なる拡散時間に対応）が検出器を通過でき、複数および同時測定の実行を可能にする。
拡散チャネルは、試料およびトレーサー成分流体流を、試料およびトレーサー成分流体のそれぞれのための供給チャネルから、直接受けてもよい。したがって、流体流は、拡散チャネルの上流領域の接合部において接触する。
別の実施形態では、拡散チャネルは、試料およびトレーサー成分流体流を、上流の大断面チャネルから受けてもよい。
拡散チャネルから出る流体を、さらなる解析のために収集できる。したがって、拡散チャネルは、試料収集容器と流体連通している。あるいは、拡散チャネルは、さらなる流体デバイス、たとえば流体の第２の物理的特性を測定するためのデバイスと流体連通していてもよい。一実施形態では、拡散チャネルは、試料流体中の成分（この成分は、解析物と称されうる）の流体力学半径を決定するための第２の解析デバイスの上流にある。
流体デバイスは、直接にまたは大断面チャネルを介してのいずれかで、容器と拡散チャネルとの間の流体連通をもたらす、供給チャネルを備えていてもよい。２つの試料流が拡散チャネル中（およびトレーサー成分流のいずれかの側）に与えられる場合、試料流体流のそれぞれを、異なる容器から独立に送達できる。しかしながら、試料流体流のそれぞれを、２つの供給チャネルを介して大断面チャネルと結合する単一の容器から与えることができる。
各供給チャネルの寸法は特に限定されず、拡散チャネルと同様または同じであってもよい。一実施形態では、各供給チャネルは、拡散チャネルの幅よりも大きい幅を有する。一実施形態では、各供給チャネルは、拡散チャネルの幅よりも小さい幅を有する。
各容器は、流体デバイスの供給ラインに接続されたシリンジであってもよい。
シリンジは、容器から大断面チャネルへの流体の流量を独立に制御可能である、好適にプログラムされたコンピュータの制御下にあってもよい。
かかるデバイスの制御は、当該技術分野において周知である。
あるいは、各容器をマイクロ流体デバイスの一部として設けることができる。
他の実施形態では、１つまたは複数の容器からの流体の流れは、重力送りであってもよい。
本発明による、本明細書に記載の方法における使用のための流体デバイスは、当該技術分野において公知の標準的な手法を使用して作製できる。したがって、流体チャネルおよび任意選択で流体容器を適切な基材、たとえばシリコーン基材において生成するために、フォトリソグラフィを使用できる。Ｋａｍｈｏｌｚら（Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ）に記載の手法を、大断面チャネルおよび必要に応じて追加の試料流体流チャネルの導入に対応するようフォトリソグラフィマスクに適切な変更を加えて使用できる。
フォトリソグラフィ法により作製された流体チャネルは、たとえば関連チャネルへのアクセスをもたらすよう基材中に穿孔することによって、流体アクセスおよび出口ポートを設けることにより、完成できる。流体を大断面チャネルに直接供給するため、または供給チャネルに供給するために外部容器、たとえばシリンジが使用される場合、適切なマニフォールドを使用できる。
流体デバイスは、大断面チャネル内への流れを制御することおよび検出デバイスを管理することのための、好適にプログラムされたプログラム可能なコンピュータと組み合わせて使用できる。コンピュータはまた、記録されたデータを解析でき、リアルタイムの拡散値をもたらすことができる。
デバイスは、拡散チャネルにおいて１つまたは複数の成分の側方拡散を測定するための検出器との統合に好適である。
拡散チャネル深さは、チャネル幅を横断する解析物の拡散のための時間尺度を低減する（そのことにより、定常状態解に近づくのにかかる時間を低減する）よう選択できる。チャネルの深さは、きわめて深いチャネルに関する人為結果を最小化または排除するよう選択できる（Ｋａｍｈｏｌｚら、Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌを参照のこと）。チャネルの深さは、非常に浅いチャネルに関するローディングの問題および高い流体抵抗を最小化または排除するよう選択できる（同論文）。大断面チャネルが存在する場合、その深さは拡散チャネルと同じであってもよい。
いくつかの先行技術文献では、チャネルの高さまたは深さは、幅、ｗと称される。
縦横比、チャネルの高さに対するチャネルの幅の比は、１００以下、５０以下、２５以下、または１０以下であってもよい。
縦横比は、１以上、２以上、４以上、または５以上であってもよい。
一実施形態では、縦横比は、上に記載の上限値および下限値から選択される範囲であってもよい。たとえば、縦横比は、５から１００の範囲であってもよい。
一般に、より大きな縦横比、たとえば４以上が好ましい。なぜなら、十分大きくなった速度プロファイルは、チャネル高さにわたって放物線状であり、チャネル幅にわたってほぼ丸みを帯びた形状（ｂｌｕｎｔ）となるからである（Ｋａｍｈｏｌｚら、Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌを参照のこと）。
拡散チャネルのチャネル高さ（またはチャネル深さ）は、上で論じた考慮点を除き、特に限定されない。大断面チャネルが存在する場合、大断面チャネルのチャネル高さは、拡散チャネルと同じであってもよい。チャネル高さは、チャネル全体を通じて実質的に一定である。
一実施形態では、チャネル高さは、少なくとも５μｍ、少なくとも１０μｍ、または少なくとも１５μｍである。
一実施形態では、チャネル高さは、最大で３０μｍ、最大で５０μｍ、最大で１００μｍ、または最大で５００μｍである。
一実施形態では、チャネル高さは、上に記載の上限値および下限値から選択される範囲であってもよい。たとえば、チャネル高さは、１０から５０μｍの範囲であってもよい。
先行技術より公知のチャネルは、典型的には、１０から１００μｍの範囲の深さを有する（Ｋａｍｈｏｌｚらを参照のこと）。上述のとおり、チャネルの深さは、好適な縦横比をもたらすよう、チャネルの幅に関して選択できる。
解析的分析を実施するために、層流を互いから分離する必要はない。成分流および試料流の両方にわたって解析的測定を記録できる。
デバイスはまた、拡散チャネルにおける成分の位置を検出するための検出器を備える。これは、下でさらに詳細に説明する。
一実施形態では、流体デバイスは、大断面上流部を備え、拡散チャネルと流体連通している。大断面の使用は、デバイスにおける流体停滞を最小化し、停滞点から伸長する流れの発達領域を最小化し、そのことにより、短い時間での安定流の形成を可能にすることを意図している。
大断面チャネルは、トレーサー成分流体の流れが試料流体の流れと接触する領域である。次に、流れは、大断面チャネルにより拡散チャネルへと向けられる。試料流中へのトレーサー成分の拡散がモニターされるのは、拡散チャネルにおいてである。
大断面チャネルは、拡散チャネルと流体連通している。大断面チャネルが存在する場合、拡散チャネルは、実質的に直線状で、大断面チャネルと揃っていてもよい。
大断面チャネルは、先細ノズルと呼ばれてもよい。
大断面チャネルは、実質的に一定の最大幅の領域を有し、続いて下流に、拡散チャネルの幅と一致するまでチャネルの幅が狭まる先細領域を有していてもよい。
あるいは、大断面チャネルは、先細領域のみを含んでいてもよく、チャネルの幅は最大幅から、拡散チャネルの幅と一致するまで狭まる。
先細領域が狭まる比率は、一定であってもよい。
先細領域が狭まる正確な比率（ノズルの角度）は、特に限定されない。なぜなら、狭まりは通常は成分流から遠く離れているからである。
しかしながら、一般に、本発明者らは、ノズルが４０°から７０°、たとえば５０°から７０°、たとえば５５°から６５°の範囲の角度を有することを見出した。ここで、角度は、広断面チャネルにおけるトレーサー成分流の流れ方向に対するものである。
大断面チャネルの最大幅、ｗは、拡散チャネルの幅よりも大きい。
一実施形態では、大断面チャネルには、拡散チャネルの幅よりも小さい幅の断面は存在しない。一実施形態では、大断面チャネルの最小幅は、拡散チャネルの幅と同じである。
大断面チャネルの最大幅、ｗは、最大で５００μｍ、最大で７００μｍ、最大で１，０００μｍ、最大で２，０００μｍ、最大で５，０００μｍ、または最大で１０，０００μｍであってもよい。
一般に、１０，０００μｍより大きいチャネル幅は実用的ではない。なぜなら、デバイスができている材料、典型的にはＰＤＭＳがたわむ可能性が高いからである。
大断面チャネルの最大幅、ｗは、少なくとも５０μｍ、少なくとも１００μｍ、少なくとも２００μｍ、または少なくとも５００μｍであってもよい。
一実施形態では、大断面チャネルの最大幅は、上に記載の上限値および下限値から選択される範囲であってもよい。たとえば、幅は、２００から５，０００μｍ、たとえば２００から１，０００μｍ、またはたとえば１，０００から５，０００μｍの範囲であってもよい。
大断面チャネルの長さは、最大で５００μｍ、最大で７００μｍ、または最大で１，０００μｍである。大断面チャネルの長さは、少なくとも１０μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも１００μｍ、または少なくとも２００μｍである。
一実施形態では、大断面チャネルの長さは、上に記載の上限値および下限値から選択される範囲であってもよい。たとえば、長さは、５０から５００μｍ、たとえば１００から５００μｍの範囲であってもよい。
大断面チャネルが、実質的に一定の最大幅の領域および幅が拡散チャネルの幅まで先細る下流領域を含む場合、実質的に一定の最大幅の領域は、大断面チャネルの全長の少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％または少なくとも９０％であってもよい。
一実施形態では、大断面チャネルの最大幅は、拡散チャネルの幅の少なくとも１．２倍、少なくとも１．５倍、少なくとも２倍、少なくとも５倍、または少なくとも１０倍である。
一実施形態では、大断面チャネルの最大幅は、拡散チャネルの幅の最大で２０倍、最大で５０倍、最大で１００倍である。
一実施形態では、拡散チャネルに対する大断面チャネルの最大幅は、上に記載の上限値および下限値から選択される範囲であってもよい。
たとえば、大断面チャネルの最大幅は、拡散チャネルの幅の５から２０倍の範囲であってもよい。
大断面チャネルの長さは、試料およびトレーサー成分流体流が接触する点から、大断面チャネルのチャネル幅が拡散チャネルの幅と一致する点までの距離である。拡散チャネルは、試料およびトレーサー成分流体流を、大断面チャネルから受ける。
検出
本発明の方法は、拡散チャネルを横断するトレーサー成分の側方分布を決定するステップを含む。試料流中へのトレーサー成分の拡散を測定する方法に特に制限はなく、用いられる検出方法は、検出されるトレーサー成分に基づいていてもよい。
検出器は、流体流チャネル、特にマイクロ流体チャネルとの使用に好適なものである。拡散検出方法は、当該技術分野において周知であり、たとえば、Ｋａｍｈｏｌｚら（Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ）により記述されている。例には、とりわけ、紫外可視、蛍光または発光分光法が含まれる。
トレーサー成分の側方分布は、拡散チャネルにおける１つの位置で決定できる。ここで、異なる拡散時間の測定は、拡散チャネルにおける流体の流量を変化させることにより達成できる。
成分の分布は、拡散チャネルに沿った２つ以上、たとえば３つ、４つまたは５つの位置で決定できる。上述のとおり、方法は、拡散チャネルにおける複数の位置での成分の拡散プロファイルを決定するステップを含んでいてもよい。
少なくとも１つの拡散測定が、試料流体流とデバイスの境界であるチャネル端までトレーサー成分が拡散する前に記録されるべきである。小さいトレーサー成分はチャネル端まで迅速に拡散する一方で、より大きなトレーサー成分は、より長い時間がかかることになることが理解されよう。
拡散チャネルに沿って複数の拡散測定が行われる場合、チャネルに沿った２番目以降のそれぞれの位置は、特に限定されない。典型的には、あとに続く測定は、前の測定に対して有用な差のある拡散プロファイルを与えるよう、拡散チャネルに沿って十分に間隔を空けた距離を置いてなされる。
本発明の方法は、成分流からの試料流の分離を要しない。したがって、１つまたは複数の成分の拡散プロファイルを測定できる一方、成分流および試料流は接触している。
トレーサー成分は、その検出を容易にするために選択できる。トレーサー成分は、たとえば、標準的な紫外可視、蛍光またはルミネッセンス分光法により検出可能な、化学基の形態の官能基を有していてもよい。
粘度決定
本発明の方法では、流体の流れは、層流型で生じる。たとえば、レイノルズ数は、一般に、おおよそ１×１０−７である。前述のとおり、拡散チャネル内での成分の輸送は、対流および拡散運動のみにより統制される。これは、対応する質量輸送方程式により容易にモデリングできる。
モデルシミュレーションと実験データとの間の比較は、トレーサー成分の拡散係数が高精度で決定されることを示す。モデルシミュレーションおよびフィッティング法の詳細な説明は、Ａｒｏｓｉｏら（近刊）およびまた国際公開第２０１４／０６４４３８号に見出すことができ、これらの文献の内容は、ここにそれらの全体が参照により組み込まれる。理論データに対する実験データのフィッティングの一例を、本件の図３に示す。
多数の拡散プロファイルの取得は有利である。すなわち、拡散測定の情報量を増加させることは、拡散係数のロバストな推定を可能にする。したがって、本発明の方法では、成分の拡散は、複数の拡散時間において測定される。典型的には、成分の拡散は、拡散チャネルに沿って複数の位置で測定される。
成分の見かけの拡散係数（Ｄ）から、流体の粘度（η）を、以下のストークス−アインシュタイン関係に従い算出できる。
式中、Ｔは温度、ｋはボルツマン定数、Ｒｈはトレーサー成分の流体力学半径である。
粘度（η）の測定は、相対粘度（ηｒ）の測定を指していてもよく、これは、所定の試料流体の粘度（η）と純水、たとえばｍｉｌｌｉ−Ｑ水の粘度（η０）との間の比と定義される。粘度値は、拡散実験の時点での試料流体の温度に対して決定および引用できる。
他の好ましい形態
上述の実施形態の各々すべての適合的な組合せが、各々すべての組合せが個別的かつ明示的に記載されているかのごとく、本明細書に明示的に開示される。
本発明の様々なさらなる態様および実施形態は、本開示に鑑みて当業者に明らかとなる。
本明細書において使用する「および／または」は、２つの特定された特徴または成分のそれぞれについて、他方を伴うかどうかにかかわらず、具体的に開示するものと解されるべきである。たとえば、「Ａおよび／またはＢ」は、（ｉ）Ａ、（ｉｉ）Ｂならびに（ｉｉｉ）ＡおよびＢのそれぞれを、それぞれがまさに本明細書において個別に記載されているかのごとく、具体的に開示するものと解されるべきである。
文脈がそうでないことを示さない限り、上述の特徴の説明および定義は、いかなる本発明の特定の態様または実施形態にも限定されず、説明されたすべての態様におよび実施形態に等しく適用される。
本発明のある特定の態様および実施形態を、ここで例として上述の図を参照しながら示す。
実験
材料
４７ｎｍ（緑色）または１００ｎｍ（赤色）のノミナル直径および１．０６ｋｇ／ｄｍ３の密度を有する蛍光ポリスチレンナノ粒子が、ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ（ＵＫ）から供給された。励起および発光極大はそれぞれ、緑色粒子について４６８および５０８ｎｍならびに赤色粒子について５４２および６１２ｎｍだった。グリセロールおよびウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）は、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ（ＵＳＡ）から供給された。すべての水性溶液を、ｍｉｌｌｉ−Ｑ水中で調製した。プローブナノ粒子の濃度は０．０５ｗｔ％だった。
マイクロ流体デバイス
マイクロ流体デバイスを、図１ａおよび図１ｂに示すデバイスのデザインにより作製した。図１ａは、図１ｂのデバイスの一部を示す。
マイクロ流体デバイス１は、試料流およびトレーサー成分流の層流を保持するための回旋状拡散チャネル２を有する（拡散チャネルの一部のみを図１ｂに示す）。拡散チャネル２の下流端において、流体試料を収集する収集器３を設けることができる。収集器３は、デバイスを通じて流体を引き出すための、シリンジポンプの容器であってもよい。あるいは、拡散チャネル２の下流端は、さらなるマイクロ流体解析デバイスと流体連通していてもよい。
拡散チャネル２は、チャネルに沿って１つまたは複数の位置での拡散測定値の採取を可能にするよう適合する。トレーサー成分の拡散を記録するための複数の位置が存在する場合、各位置は、異なる拡散時間に対応する。
チャネルを横断するトレーサー成分の位置は、たとえば蛍光法を含む標準的な分光法を使用して確認できる。トレーサー成分の位置を決定するための機器は、図１ａおよび図１ｂに示していない。
拡散チャネル２の上流は、大断面チャネル４であり、これは、拡散チャネルよりも大きな断面を有する。大断面チャネルは、その下流端に向けて先細になっており、そこで拡散チャネル２と流体連通している。大断面チャネル４は、ノズルと呼ばれてもよい。
大断面チャネル４は、３つの供給チャネル５、６、７と流体連通しており、これらは、ノズルの上流端の接合部において合流する。大断面チャネル４は、トレーサー成分流および試料流の安定流を確立するよう設けられる。大断面チャネル４は、接合部におけるトレーサー成分の滞留（停滞）が最小となることを確実にする。
大断面チャネル４は、トレーサー成分流の供給のための中央供給チャネル５、および中央供給チャネル５のいずれかの側の、試料流の供給のための２つの側方供給チャネル６、７を備える。
中央供給チャネル５の上流は、トレーサー成分流体を保持する容器８であり、これは、トレーサー成分をさらに含む試料流体の部分である。側方供給チャネル６、７の上流は、試料流体の部分を保持する共通容器９である。
あるいは、側方供給チャネル６、７のそれぞれは、各々が試料流体の１つの部分を保持する別の容器により供給されてもよい。
使用において、試料流体およびトレーサー成分流体は、それらのそれぞれの供給チャネル５、６、７に流され、大断面チャネル４の接合部で接触させられる。
大断面チャネル４の上流端の接合部において、試料流は、トレーサー成分流のいずれかの側に与えられる。流れを、下流の拡散チャネル２内へと流れさせる。
デバイス１を通る流体の流れは、拡散チャネル２の下流端に配置されるシリンジポンプにより制御できる。したがって、流体をデバイスを通して供給容器８、９から引き出すために、シリンジポンプを使用できる。
あるいは、容器８、９のそれぞれが、シリンジポンプの容器であってもよい。したがって、各シリンジポンプは、流体を供給容器からデバイスを通して押し出してもよい。ここで、試料流およびトレーサー成分流の流量は、独立に変化してもよい。
図１ｂに示すデザインを有するマイクロ流体デバイスは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）（Ｓｙｌｇａｒｄ １８４キット、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）をマスターウェハー上にキャストする標準的なソフトリソグラフィ法により製造され、６５℃で７５分間硬化させ、硬化産物をピールオフし、それをプラズマ活性化後にスライドガラスに結合させた。チャネル高さは２５μｍだった。チャネル幅は、検出領域（拡散チャネル）において３００μｍ、ノズル（大断面チャネル）において３，０００μｍ、およびバッファーおよび解析物をノズル内へと導入する流体力学的抵抗器（供給チャネル）において１００μｍだった。
チャネル内の流れは、外部シリンジポンプ（Ｃｅｔｏｎｉ ｎｅＭＥＳＹＳ）を使用して、陰圧を出口に適用することにより制御した。所定の粘度範囲における手法の分解能は、流量の調整を介してチャネルにおける滞留時間を制御することにより、容易に最適化できる。拡散性に関する有意な情報をもたらすのに十分な拡散輸送をチャネルにおいて有するよう、また同時に、拡散運動に関する情報が失われる点であるチャネルの側部まで解析物が拡散するのを回避するよう、滞留時間の選択を最適化した。
流体を、特定のフルオロフォアに好適なフィルターセット（Ｃｈｒｏｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｂｅｌｌｏｗｓ Ｆａｌｌｓ、ＶＴ、ＵＳＡ）を備えるＬＥＤ光源（Ｃａｉｒｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）を使用して照らした。特に、励起および発光の範囲はそれぞれ、緑色ナノ粒子について４５０〜４９０ｎｍおよび５００〜５５０ｎｍ（４９００２ ＥＴ−ＥＧＦＰ）、ならびに赤色ナノ粒子について６２４〜６５４ｎｍおよび６６８〜７１８ｎｍ（４９００９ ＥＴ−Ｃｙ５）だった。１０から１００ｍｍの範囲の距離でチャネルに沿った１２の異なる点で、蛍光照明システム（Ｃａｉｒｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＯｐｔｏＬＥＤ）および冷却ＣＣＤカメラ（Ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｅｓ Ｅｖｏｌｖｅ ５１２）を備える倒立顕微鏡（Ｚｅｉｓｓ Ａｘｉｏ Ｏｂｓｅｒｖｅｒ D１）を使用して画像を収集した。典型的な曝露時間は、０．５〜１ｓの範囲だった。
マイクロ流体拡散測定
様々な量のグリセロールを含有する水性試料を使用して、試料粘度を決定する方法を検証した。上に記載し、図１ｂに概略を示すマイクロ流体デバイスを使用して、試料の粘度を決定した。
０から５０ｗｔ％のグリセロールを含有する水性試料を調製した。
試料流およびトレーサー成分流のための流体を、各水性試料から調製した。試料流は、単に未改変試料の流れだった。トレーサー成分流は、トレーサー成分が（０．０５％で）添加された水性試料の流れだった。
４７ｎｍナノ粒子をトレーサー成分流中のトレーサー成分として使用して２０℃で実施した拡散測定から粘度値を決定した。拡散チャネルにおける試料流およびトレーサー成分流の組み合わされた流れ（対流）のための流量は、グリセロール濃度が４０ｗｔ％よりも小さいまたは大きい実験についてそれぞれ、４０μＬｈまたは５μＬ／ｈだった。
拡散チャネルに沿って拡散チャネルの上流端から約９０ｍｍまでの距離にある１２の位置で、４７ｎｍナノ粒子のための拡散プロファイルを測定した。１０ｗｔ％（青色）および５０ｗｔ％（赤色）グリセロールを含有する水性試料についての例示的拡散プロファイルを図２に示す。予測されたとおり、４７ｎｍナノ粒子の経時的な拡散は、高粘度５０ｗｔ％グリセロール試料に由来する流れについてより遅い。拡散プロファイルは、拡散チャネルに沿って、大断面チャネルが拡散チャネルへと収束する点から３．５２ｍｍ、５．２９ｍｍ、８．５７ｍｍ、１０．３３ｍｍ、１８．６１ｍｍ、２０．３７ｍｍ、２８．６５ｍｍ、３０．４１ｍｍ、５８．６９ｍｍ、６０．４５ｍｍ、８８．７３ｍｍおよび９０．５ｍｍにおいて測定された。
図３は、チャネルに沿った４つの異なる位置における拡散チャネルの画像を示す。
４７ｎｍナノ粒子の経時的な拡散が、画像を縦断する検出可能なシグナルの拡散として明確に観察可能である。４つの画像のそれぞれについての拡散プロファイル（拡散プロファイルにおける実線）もまた、異なる拡散時間のそれぞれについてシミュレートされた拡散プロファイル（拡散プロファイルにおける破線）と共に示す。拡散プロファイルは、拡散チャネルに沿って、大断面チャネルが拡散チャネルへと収束する点から５．３ｍｍ、１８．６ｍｍ、３０．４ｍｍおよび８８．７ｍｍにおいて測定された。
水溶液中１０ｗｔ％のグリセロールを使用した。
漸増グリセロール含有量を有する水−グリセロール混合物の相対粘度（ηｒ）の増加を、図４に示す（丸印）。動的光散乱により決定された同じ試料の粘度測定値（四角印）もまた、Ｓｅｇｕｒらにより報告された文献報告粘度値（三角印）およびＣｈｅｎｇにより報告された経験的に決定された粘度値（破線）とともに図４に示す。動的光散乱は下でさらに詳細に説明する。
同じ機器および手法を、様々な濃度のウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）を有する溶液の粘度を決定するために使用した。０から１００ｍｇ／ｍｌのＢＳＡを含有する試料を、２０ｍＭリン酸バッファー中、ｐＨ７．０で調製した。ＢＳＡ溶液のそれぞれについて、１００ｎｍナノ粒子を使用し、４０μＬ／ｈの流量を適用して、２５℃で測定を実施した。
グリセロール試料と同様に、拡散チャネルに沿って拡散チャネルの上流端から約９０ｍｍまでの距離にある１２の位置で、４７ｎｍナノ粒子のための拡散プロファイルを測定した。
漸増ＢＳＡ含有量を有する水−ＢＳＡ混合物の相対粘度（ηｒ）の増加を、図５に示す（丸印）。動的光散乱により決定された同じ試料の粘度測定値（四角印）もまた、図５に示す。
ＢＳＡ実験から、本明細書に記載の方法が、生物工学および生物学研究においてタンパク質溶液の粘度を測定するのに特に魅力的であることがわかる。
流体試料、たとえば生体流体試料が、粘度を決定するために使用されるトレーサー成分と同等のサイズを有する成分、たとえばタンパク質またはタンパク質の凝集体を含有する可能性は高い。
本発明の方法は、概ねトレーサー成分のサイズおよび流体試料中の成分のサイズにかかわらず、試料粘度を決定するために使用できる。
同じことは、動的光散乱実験については当てはまらない。対照的に、トレーサー成分と同等のサイズを有する成分、たとえば凝集体の存在は、従来の動的光散乱検出に基づく手法の適用を損ないうる。
これは、４７ｎｍまたは１００ｎｍ粒子とともにＢＳＡを含有する試料での単純な動的光散乱強度実験からわかる。ここでは、試料は、ｐＨ７．０の２０ｍＭリン酸バッファー中１００ｍｇ／ｍｌのＢＳＡを含有し、粒子は０．０５ｗｔ％で与えられた。各溶液の強度サイズ分布は、動的光散乱により測定した。結果を図６に示す。
トレーサー成分がタンパク質分子よりも十分大きくないとき（図６ａ）、タンパク質およびナノ粒子からの光散乱シグナルはコンボリュートされる。この場合、ナノ粒子に対応するピークの正確なサイズ測定は困難であり、そしてそれゆえ溶液粘度の推定も困難である。
実際に、図６ａの強度サイズ分布において推定されたナノ粒子の見かけの直径は、１０３．９７±０．３４ｎｍであり、これは、２．２１の相対粘度を与える。これは、本発明の方法により決定された値である１．７３およびより大きなトレーサー粒子を使用した動的光散乱により決定された値である１．７７と異なる（図６ｂ）。
この限界は、トレーサー成分からの光散乱シグナルの強度を増加させること、たとえば、成分のサイズまたは濃度のいずれかを増加させることにより緩和できる。しかしながら、この最適化手法は、溶液の組成が未知である状況では困難なものとなりうる。
上述のとおり、本発明の方法は、トレーサー成分のサイズおよび混合物の組成の影響をほとんど受けない。
動的光散乱
動的光散乱（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ、ＤＬＳ）測定を、１６３°の後方散乱モードで作動し、６３３ｎｍの波長を有する光源を備える、Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ Ｎａｎｏ機器（Ｍａｌｖｅｒｎ、ＵＫ）上で実施した。水−グリセロール混合物の粘度を、４７ｎｍ粒子の見かけの拡散係数を測定することにより評価した一方で、ＢＳＡ溶液については、１００ｎｍコロイドを検討した。なぜなら、４７ｎｍ粒子からの散乱シグナルは、タンパク質分子からのシグナルとコンボリュートされたからである。
並列および直列デバイス
本発明の方法は、他の流体解析方法と簡便に組み合わせることができる。したがって、試料流および成分流を含む層流流体流は、必要な拡散プロファイルを測定したあとに、さらなるマイクロ流体デバイスへと向けられてもよい。したがって、拡散チャネルの下流端は、第２の流体デバイス、たとえば第２の解析デバイスと流体連通していてもよい。第２の解析デバイスは、流体法を使用して試料流体のさらなる特性を決定するために使用できる。
本発明者らは、試料流体の組成およびその流体中の成分のサイズ（たとえば、国際公開第２０１４／０６４４３８号を参照のこと）、流体中の成分の質量（たとえば、国際公開第２０１５／０７１６８１号を参照のこと）ならびに流体中の成分の電荷対サイズ比（たとえば、国際公開第２０１５／０７１６８３号を参照のこと）を決定する流体法の使用を、以前に記述した。
たとえば、流体拡散法を使用した解析物のサイズの測定には、解析物を保持する試料流体の粘度についての正確な知識が必要である。
予備的ステップにおいて、試料流体の粘度は、本件の方法により決定できる。したがって、上で説明したとおり、トレーサー成分を試料流体の１つの部分に添加し、そのトレーサー成分を、試料流体の別の部分中に拡散させる。
続いて試料流体を第２の拡散デバイスへともたらし、流体中へのまたは流体からの解析物の拡散を研究できる。このようにして、解析物のサイズ、たとえば流体力学半径を決定できる。
一方法では、試料流体の粘度は、解析物の非存在下で決定される。
たとえば、試料流体は、変性剤または共溶質を高濃度で含有するバッファー溶液であってもよい。解析物、たとえばタンパク質を試料流体に添加でき、解析物を有しない試料流体中へのその解析物の拡散を測定できる。
ここで記録される拡散プロファイルは、解析物のサイズの決定を可能にする。
図７は、２つのインライン流体デバイスの配置を示す概略図である。各デバイスは、流体試料粘度の決定における使用のための第１の拡散チャネルを有し、下流の第２の拡散チャネルは、流体試料に添加される解析物のサイズを決定するためのものである。拡散チャネルの下流端の流体の一部は、解析物を保持する流体試料と接触させられる第２のデバイスの拡散チャネルへと分離および分流される。
したがって、図７ａは、上流供給チャネル１３および１４から供給を受ける第１の拡散チャネル１２を有する流体デバイス１１を示す。一方の供給チャネル１３は、未知の粘度を有する流体試料の流れを供給する一方で、第２の供給チャネル１４は、既知のサイズのトレーサー成分、たとえば標準的ナノ粒子を追加で含む流体試料の流れを供給する。この流体は、トレーサー成分流体である。試料流体およびトレーサー成分流体の流れを、拡散チャネル１２の上流領域で接触させ、層流が生成される。流体流が拡散チャネルを通過するとき、トレーサー成分をトレーサー成分流から試料流体流中へと拡散させる。トレーサー成分の拡散は、拡散チャネル１２に沿った１つまたは複数の位置で測定される。これらの測定から、試料流体の粘度を決定できる。
拡散チャネル１２の下流端で、層流の下流端、たとえば試料流体流の一部が、第２の拡散チャネル１５へと供給チャネル１６を介して分流する。
第２の拡散チャネル１５は、上流供給チャネル１６および、未知の流体力学半径を有する解析物を有する流体試料の流れを供給するさらなる供給チャネル１７から供給を受ける。この後者の流れは、解析物流である。解析物流および第１の拡散チャネル１２から分流した流体流を、第２の拡散チャネル１５の上流領域で接触させ、層流が生成される。流体流が第２の拡散チャネル１５を通過するとき、解析物を解析物流から、第１の拡散から分流した流体流中へと拡散させる。解析物の拡散は、第２の拡散チャネル１５に沿った１つまたは複数の位置で測定される。これらの測定から、解析物の流体力学半径を決定できる。
図７ａのデバイスは、２チャネルデバイスの概略図であり、各拡散チャネル１２、１５は、２つの上流供給チャネル１３、１４、１６、１７を備える。図７ｂは、３チャネルデバイス２１の概略図であり、各拡散チャネル２２、２５は、３つの上流供給チャネルを備える。３チャネルデバイスでは、拡散チャネル２２、２５内に中央流体流を２つの側方流とともに有する層流が生成される。拡散が研究される成分、たとえばトレーサー成分または解析物は、中央流中に含有される。側方流は、試料流または解析物流を含有する。第１の拡散チャネル２２からの流れの一部は、第２の拡散チャネル２５のための中央流として供給される。前と同様に、第１の拡散チャネル２２は、流体粘性を決定する目的で拡散をモニターするためのものであり、第２の拡散チャネル２５は、解析物流体力学半径を決定する目的で拡散をモニターするためのものである。
第１の拡散チャネル２２は、上流側方供給チャネル２３および上流中央供給チャネル２４から供給を受ける。供給チャネル２３は、未知の粘度を有する流体試料の流れを供給する一方で、中央供給チャネル２４は、既知のサイズのトレーサー成分、たとえば標準的ナノ粒子を追加で含む流体試料の流れを供給する。試料流体およびトレーサー成分流体の流れを、拡散チャネル２２の上流領域で接触させ、層流が生成される。
流体流が拡散チャネル２２を通過するとき、トレーサー成分を中央トレーサー成分流から側方試料流体流のそれぞれの中へと拡散させる。
トレーサー成分の拡散は、第１の拡散チャネル２２に沿った１つまたは複数の位置で測定される。これらの測定値から、試料流体の粘度を決定できる。
第１の拡散チャネル２２からの層流の一部は、側方供給チャネル２６を介して第２の拡散チャネル２５へと分流する。流体力学半径の解析物を含有する中央流は、中央供給チャネル２７から第２の拡散チャネル２５へと与えられる。分流した試料流体および解析物流体の流れを、拡散チャネル２５の上流領域で接触させ、層流が生成される。
流体流が拡散チャネル２５を通過するとき、解析物を中央解析物流から側方流体流のそれぞれの中へと拡散させる。解析物の拡散は、第２の拡散チャネル２５に沿った１つまたは複数の位置で測定される。これらの測定から、流体力学半径を決定できる。
図８は、試料流体の粘度および解析物のサイズを並列的に決定するための流体デバイスの概略図である。図８ａは、２チャネルデバイスの概略図であり、図８ｂは、３チャネルデバイスの概略図である。
並列デバイスのための実験組立は、上述の直列デバイスにおいて使用されたものと同様である。並列デバイスでは、１つの拡散チャネルからの流体は、別の拡散チャネルへと分流されない。粘度決定および流体力学半径決定のための拡散測定を並列的に実行する。粘度測定は、タンデムデバイスについて上述のとおりである。流体力学半径測定では、試料流体は、粘度測定用の拡散チャネルからは与えられず、代わりに、流体力学半径測定用の拡散チャネルに直接供給される。
［文献］
本明細書中で言及される全ての文献はそれら全体が参照により本明細書中に組み込まれる。

Claims (16)

  1. 流体試料の粘度を測定するための方法であって、
    （ｉｉ）流体試料の流れを用意するステップ、
    （ｉｉｉ）トレーサー成分をさらに含む流体試料の流れである成分流を用意するステップ、
    （ｉｖ）拡散チャネル、たとえばマイクロ流体拡散チャネルにおいて、流れ（ｉｉｉ）と共に流れ（ｉｉ）の層流を生成するステップ、
    （ｉｖ）流れを横断するトレーサー成分の側方拡散を測定するステップ、および
    （ｖ）測定された拡散プロファイルから流体の粘度を決定するステップ
    を含み、
    トレーサー成分のサイズが、既知であるかまたは決定される
    方法。
  2. トレーサー成分を流体試料の１つの部分に添加する予備的ステップ（ｉ）を含む、請求項１に記載の方法。
  3. ステップ（ｉｖ）が、複数の拡散時間において、流れを横断するトレーサー成分の側方拡散を測定する、請求項１または２に記載の方法。
  4. トレーサー成分が蛍光性であり、そして成分の側方拡散が蛍光により測定される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. チャネルがマイクロ流体チャネルである、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 大断面チャネルにおいて流れ（ｉｉ）および流れ（ｉｉｉ）を接触させ、接触した流れを、大断面チャネルから拡散チャネル内へと流れさせる、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  7. ステップ（ｉｉ）で、流体試料の２つの流れを用意し、そしてこれら試料流体流を接触させ、かつトレーサー成分を含む流体流のいずれかの側に与える、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 成分が、０．５から２００ｎｍ、たとえば０．５から１００ｎｍの範囲の半径、たとえば流体力学半径を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 成分流が、トレーサー成分をさらに含む流体試料の流れであり、トレーサー成分が、０．２ｗｔ％以下で存在する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 成分が実質的に単分散である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 成分がポリマー分子である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 流体試料が水性試料である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 流体試料が１つまたは複数の成分を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 流体試料が、ポリペプチド、ポリヌクレオチドまたは多糖基を有する成分を含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 流体試料が、０．５から２００ｎｍ、たとえば０．５から１００ｎｍの範囲の半径、たとえば流体力学半径を有する成分を含む、請求項１３または１４に記載の方法。
  16. トレーサー成分が、流体試料中の成分の半径の１０％から２００％の半径、たとえば、流体力学半径を有する、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の方法。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201219014D0 (en) 2012-10-23 2012-12-05 Cambridge Entpr Ltd Fluidic device
GB201320146D0 (en) 2013-11-14 2014-01-01 Cambridge Entpr Ltd Fluidic separation and detection
GB201511651D0 (en) 2015-07-02 2015-08-19 Cambridge Entpr Ltd Viscosity measurements
GB201602946D0 (en) 2016-02-19 2016-04-06 Fluidic Analytics Ltd And Cambridge Entpr Ltd Improvements in or relating to microfluidic free-flow electrophoresis
CA3019879C (en) 2016-04-06 2023-03-07 Fluidic Analytics Limited Improvements in or relating to flow balancing
GB2553519B (en) 2016-09-02 2019-12-18 Fluidic Analytics Ltd Improvements in or relating to a fluid flow controller for microfluidic devices
GB201615452D0 (en) 2016-09-12 2016-10-26 Fluidic Analytics Ltd Improvements in or relating to valves for microfluidics devices
GB2553780A (en) 2016-09-12 2018-03-21 Fluidic Analytics Ltd Improvements in or relating to a device and a method for labelling a component
GB201615472D0 (en) 2016-09-12 2016-10-26 Fluidic Analytics Ltd Improvements in or relating to a reagent cartridge

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020180972A1 (en) * 1999-12-06 2002-12-05 Ansari Rafat Razak Particle sizing of flowing fluids, dispersion, and suspension
JP2007093374A (ja) * 2005-09-28 2007-04-12 National Institute Of Advanced Industrial & Technology マイクロ流路利用分子分析方法
JP2007198804A (ja) * 2006-01-24 2007-08-09 Shimadzu Corp 粒子を用いた粘度測定装置
JP2007292773A (ja) * 1996-03-29 2007-11-08 Univ Of Washington マイクロ製造される拡散ベースの化学センサ
CN102428358A (zh) * 2009-05-15 2012-04-25 弗缪拉克逊公司 用于复杂介质的流变学表征方法
WO2014064438A1 (en) * 2012-10-23 2014-05-01 Cambridge Enterprise Limited Fluidic device

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2098337A (en) * 1981-05-08 1982-11-17 Agar Corp Nv Method and apparatus for determining the viscosity of a sample fluid relative to that of a reference fluid
DE3543108A1 (de) * 1985-12-06 1987-06-19 Strahlen Umweltforsch Gmbh Verfahren zur messung der wechselwirkung im wand/fluid-bereich
US5948684A (en) * 1997-03-31 1999-09-07 University Of Washington Simultaneous analyte determination and reference balancing in reference T-sensor devices
US5974867A (en) * 1997-06-13 1999-11-02 University Of Washington Method for determining concentration of a laminar sample stream
GB201320146D0 (en) 2013-11-14 2014-01-01 Cambridge Entpr Ltd Fluidic separation and detection
GB201320127D0 (en) 2013-11-14 2014-01-01 Cambridge Entpr Ltd Dry mass detection
GB2528632A (en) 2014-04-30 2016-02-03 Cambridge Entpr Ltd Fluidic analysis and separation
GB201511651D0 (en) 2015-07-02 2015-08-19 Cambridge Entpr Ltd Viscosity measurements
GB201602946D0 (en) 2016-02-19 2016-04-06 Fluidic Analytics Ltd And Cambridge Entpr Ltd Improvements in or relating to microfluidic free-flow electrophoresis
CA3019879C (en) 2016-04-06 2023-03-07 Fluidic Analytics Limited Improvements in or relating to flow balancing
JP2019520981A (ja) 2016-06-27 2019-07-25 フルイディック・アナリティクス・リミテッド マイクロ流体デバイスの改良またはマイクロ流体デバイスへの試料充填に関する改良
GB2553519B (en) 2016-09-02 2019-12-18 Fluidic Analytics Ltd Improvements in or relating to a fluid flow controller for microfluidic devices
GB201615452D0 (en) 2016-09-12 2016-10-26 Fluidic Analytics Ltd Improvements in or relating to valves for microfluidics devices
GB2553780A (en) 2016-09-12 2018-03-21 Fluidic Analytics Ltd Improvements in or relating to a device and a method for labelling a component
GB201615472D0 (en) 2016-09-12 2016-10-26 Fluidic Analytics Ltd Improvements in or relating to a reagent cartridge

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007292773A (ja) * 1996-03-29 2007-11-08 Univ Of Washington マイクロ製造される拡散ベースの化学センサ
US20020180972A1 (en) * 1999-12-06 2002-12-05 Ansari Rafat Razak Particle sizing of flowing fluids, dispersion, and suspension
JP2007093374A (ja) * 2005-09-28 2007-04-12 National Institute Of Advanced Industrial & Technology マイクロ流路利用分子分析方法
JP2007198804A (ja) * 2006-01-24 2007-08-09 Shimadzu Corp 粒子を用いた粘度測定装置
CN102428358A (zh) * 2009-05-15 2012-04-25 弗缪拉克逊公司 用于复杂介质的流变学表征方法
WO2014064438A1 (en) * 2012-10-23 2014-05-01 Cambridge Enterprise Limited Fluidic device

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