JP2018528391A - マイクロ流体デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
a 目標粒子集団を含む流体を準備し;
b 流体を,デバイスにおける共通マニホルドの単一の入口に第1の流速で供給し;
c 流体を,複数の層における各層の,少なくとも2つの出口から捕集する方法において,
複数の層における各層の第1出口から目標粒子集団を含む流体を捕集し,複数の層における各層の第2出口から目標粒子集団を実質的に含まない流体を捕集するものである。
ここに,DHは水力直径,aは流路幅,bは流路高さである。
後述する各デバイスは,流路高さ対流路幅の比を1:6とした。
複数の層を備えるデバイスを単一の圧力源により稼働させれば,1000Lの処理水から24時間以内にクリプトスポルジウムを処理する用途に課された量的スループット要件に適合させることができる。
使用したプローブは, 収束ビーム反射測定法(FBRM)に基づいたG400 Lasentec(メトラー・トレド社製)である。このプローブは,制御された速度でタイトなレーザービームを回転させる構成を有する。ビームが粒子を含む溶液をスキャンすると,粒子の一縁部から反対側に向けて再放出された反射光も検出される。この再放出の期間と,レーザービームの回転速度とを結び付ければ,粒子のコード長を推定することができる。
20層のみを単一の圧力源により同時に稼働させたが,デバイスの層間スペースを適切に設定すれば同様の形態でより多くのデバイスを稼働させることができるものと考えられる。これは,プロファイルが最小のデバイスにより,先行するステージにおけると同等の量的スループットを達成可能とする上で必要なことである。100μmの層間ピッチで配置された300層の積層体を形成できるよう,微修正も含めた規模拡大によって30μmの積層体を作成した。想定によれば,ピッチを更に100μmまで減少させることにより,500層まで増加させることができる。300層デバイスの場合,各モジュールの量的スループットは150mL/min(300×500μL/min)となる。500層デバイスの場合,これは150mL/minとなる。従って,量的要件に適合するためには4個のデバイスが必要となる。各デバイスの前段側で「スーパーマニホルド」を使用すれば,これら4個のデバイスを単一の圧力源で稼働させることができる。これは,大きなマニホルドが次の組のマニホルドの圧力を分配して有用な機能デバイスを通じてその圧力を更に分配するフラクタル効果を創生するものである。
本発明の一実施形態に係るデバイスの3つを備えるシステム(カスケード)を使用して,水を処理すると共に水から3種の粒子集団を除去した。これらのデバイスは,流路高さが500μmのデバイス(500μmデバイス),300μmのデバイス(300μmデバイス),及び200μmのデバイス(200μmデバイス)である。
1.集中化出口を入口に直結して大きな粒子を濃縮(大粒子集中化)する再循環モード
2.単周回モード
(予備試験)
これらの予備的な試験のため,ポリスチレンビードの2種の溶液(表4を参照)を同一のデバイスにより試験に供して,集中化させるべき粒子の臨界直径と,これら粒子の分離効率を決定した。
先ず,各ビードファミリーのコード長分布を個別的に脱イオン化水及び界面活性剤中で処理して,粒子寸法に対するコード長のキャリブレーションを行った。
試験1(脱イオン化水)による試験結果は,大きなビード(橙色及び紫色)と小さいビード(緑色)(それぞれコード長が約10μm及び100μm)の存在に対応して,2つの主コード長分布が測定されたことを示すものである。
この実験のため,ビードの混合物(表7を参照)を500μmデバイスに導入した。次に,小さな(非集中化の最小粒子を収める)出口を300μmデバイスに挿入し,その最小出口を300μmデバイスに挿入した。その結果を,図12〜図18に示す。
スコティッシュ・ウォーター社の中央研究所において,更なる試験を行った。この試験では,標準的なろ過による溶出緩衝液から尖頭化したn濃縮クリプトスポリジウム・パルバム(100オーシスト/mL)を,流路高さ30μmのデバイスで400μL/minで処理した。シリンジ・ポンプの使用上の制約から,5mLの試料について単一パスを実施した。
・集中化出口を有する30μmデバイス 肯定的な特定数 128
・非集中化出口を有する30μmデバイス 肯定的な特定数 0
スケール化された均一設計のスパイラル状集中化デバイスを順次にカスケード接続する戦略は,特定寸法を有する粒子集団を成功裏に分離し,かつ濃縮するために使用することが可能である。より大きな寸法を有する粒子集団の除去は,カスケード接続の下流側におけるより小さなデバイスが,その流路を通過し得る粒子よりも大きな粒子によって閉塞する事態を回避するために十分に有効である。
図18に示すシステム100は,ポンプ102が7個のマイクロ流体デバイス104にスーパーマニホルド106(更なる共通マニホルド)を介して接続された構成とされている。各デバイス108は,上述した第1の態様に従う構成とされている。図18は,システムの線図的な説明図であり,簡略化のために単純化されている。例えば,共通マニホルドは,典型的にはデバイスにおける各層の入口と接触しているが,図18では,共通マニホルドと層との間の流れを示すために分離して示されている。
Claims (31)
- 複数の層と,共通マニホルドとを備えるマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層における各層が,入口と,少なくとも2つの出口とを備え,該入口が,流路を介して,前記少なくとも2つの出口と連通し,前記複数の層における各層の入口が,前記共通マニホルドと連通することにより,流体が,前記共通マニホルドから前記複数の層における各層の入口を経て各層の前記少なくとも2つの出口に向けて通過可能であり, 前記共通マニホルドは,前記複数の層における各層の流路を通過する流体の流速を略同一とすることにより,使用時に,特定の直径範囲を有する目標粒子集団を含む流体を前記デバイスにより処理可能とするように構成され,かつ,流体が前記共通マニホルドから,前記複数の層における各層の流路を,該層の前記入口を経て通過する際に,前記複数の層における各層の第1出口から前記目標粒子集団を含む流体が捕集され,前記複数の層における各層の第2出口から前記目標粒子集団を実質的に含まない流体が捕集されるように構成されている,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記共通マニホルドが単一の入口を備える,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1又は2に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層における各層の流路が湾曲している,マイクロ流体デバイス。
- 請求項3に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層における各層の流路がスパイラル状である,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1〜4の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって,使用時に,流体が前記複数の層における各層の流路を同時並行的に通過する,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1〜5の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層における各層の前記入口は開放構造である,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1〜6の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層における各層の前記少なくとも2つの出口が開放構造である,マイクロ流体デバイス。
- 請求項6又は7に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層における各層の前記入口及び前記少なくとも2つの出口が開放構造である,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1〜8の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層が積層構造を形成し,該積層構造における各層が,該積層構造において先行する層を実質的にカバーする,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1〜9の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層における各層の流路が,略同一寸法を有する,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1〜10の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層における各層の流路の幅が,前記複数の層における各層の流路の高さの約3倍〜約10倍である,マイクロ流体デバイス。
- 請求項11に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層における各層の流路の幅が,前記流路の高さの約4倍〜約7倍である,マイクロ流体デバイス。
- 請求項12に記載のマイクロ流体デバイスであって,好適には,前記複数の層における各層の流路の幅が,前記流路の高さの約6倍である,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1〜13の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層が,少なくとも10層を備える,マイクロ流体デバイス。
- 請求項14に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層が,少なくとも20層を備える,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1〜15の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層における各層が,当該層における前記少なくとも2つの出口と流路との間に膨張チャンバを備える,マイクロ流体デバイス。
- 請求項16に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記膨張チャンバが,デバイダを備える,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1〜17の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって,前記複数の層における各層の流路が,各流路の表面に対する前記流体中の粒子の付着を阻止するコーティングを備える,マイクロ流体デバイス。
- 請求項1〜18の何れか一項に記載のマイクロ流体デバイスの使用方法であって:
a 目標粒子集団を含む流体を準備し;
b 前記流体を,前記デバイスにおける前記共通マニホルドの単一の入口に第1の流速で供給し;
c 前記流体を,前記複数の層における各層の,前記少なくとも2つの出口から捕集する方法において,
前記複数の層における各層の第1出口から前記目標粒子集団を含む流体を捕集し,前記複数の層における各層の第2出口から前記目標粒子集団を実質的に含まない流体を捕集する,方法。 - 請求項19に記載の方法であって,第1出口から捕集される流体が,前記目標粒子集団の大部分を含む,方法。
- 請求項20に記載の方法であって,第1出口から捕集される流体が,前記目標粒子集団の前部を含む,方法。
- 流体から粒子集団を除去するため,又は流体中の粒子集団の濃度を高めるためのシステムであって,該システムが,請求項1〜18の何れか一項に記載のデバイスの複数個を備え,第1デバイスにおける前記第2出口が,後続するデバイスにおける前記入口に流体接続され,前記第1デバイスにおける流路は,第1直径範囲内の粒子を該第1デバイスにおける第1出口に集中させるように寸法が定められ,第2デバイスにおける流路は,第2直径範囲内の粒子を該第2デバイスにおける第1出口に集中させるように寸法が定められ,これにより,前記流体が前記複数のデバイスを通過する際に,前記第1直径範囲内及び/又は前記第2直径範囲内の粒子集団を,該流体から順次に除去する,システム。
- 請求項22に記載のシステムであって,流体を,請求項19〜21の何れか一項に記載の方法を使用するシステムにおける各デバイスにより処理する,システム。
- 請求項22又は23に記載のシステムであって,前記システムにおける各後続デバイスにより除去すべき粒子集団の直径又は直径範囲が,先行デバイスにおけるよりも小さく,各後続デバイスが当該システムにおける先行デバイスよりも小さい粒子を除去する,システム。
- 請求項22〜24の何れか一項に記載のシステムであって,前記システムの各デバイスにおける各層の第1出口が,当該デバイスにおける共通マニホルドの入口と流体接続され,前記目標粒子集団を含む流体が,当該デバイスにより更に処理されて前記目標粒子集団を含む流体を減量し,これにより前記目標粒子集団を濃縮する,システム。
- 請求項22〜25の何れか一項に記載のシステムであって,前記複数のデバイスにおける各デバイスの前記共通マニホルドが,当該デバイスのためのリザーバと流体接続されている,システム。
- 請求項22〜26の何れか一項に記載のシステムであって,前記流体が水又は水性液体である,システム。
- 請求項22〜26の何れか一項に記載のシステムであって,前記流体が非水性液体である,システム。
- 請求項28に記載のシステムであって,前記流体がオイルである,システム。
- 流体から粒子集団を除去するため,又は流体中の粒子集団の濃度を高めるためのシステムであって,該システムが,請求項1〜18の何れか一項に記載のデバイスの複数個と,流体源を前記複数のデバイスにおける各デバイスの前記共通マニホルドに接続するための更なる共通マニホルドと,を備える,システム。
- 請求項30に記載のシステムであって,前記更なる共通マニホルドは,前記複数のデバイスにおける各共通マニホルドの入口を通過する流体の流速が略同一となるように構成されている,システム。
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