JP2019069438A - スパイラル慣性濾過を使用する粒子分離及び濃縮 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2012年9月28日に出願された米国仮特許出願第61/707,878号の米国特許法第119条(e)項に基づく利益を主張するものであり、この仮特許出願は、その開示内容を引用することにより、その全体が本明細書の一部をなすものとする。
前記流体入口は、前記試料を受け取るように構成され、
前記主流体チャネルは、前記関心成分が該成分のサイズに従って2つ以上の成分ストリーム内に集束され、それにより、前記主チャネルを通して流れる前記流体内で成分の無い領域を形成するように構成され、
前記装置は、2つ以上の出口であって、前記主流体チャネルに流体連通し、前記主流体チャネルから流れる前記成分ストリームから前記関心成分を受け取って、前記試料から前記関心成分のそれぞれを濾過するように構成される、2つ以上の出口を含み、
前記1つ又は複数の副チャネルは、前記主チャネル内で前記成分の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出して、前記主チャネルを通して流れる残りの前記流体内で関心成分の濃度を増加させるように構成される。
なお、該ディーン数Deは、式:
前記移動する流体の前記粒子の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出す前記ステップは、前記主流体チャネルから延在する1つ又は複数の副チャネル内で実施され、
前記粒子ストリームのうちの1つ又は複数から粒子を収集する前記ステップは、前記主流体チャネに流体連通する1つ又は複数の出口によって実施される。
なお、j番目の副チャネルに続く該主チャネルの新しい幅wm,jは、式:
なお、該ディーン数Deは、式:
スパイラル経路内で前記試料流体を移動させるステップであって、該移動は、条件であって、前記移動する試料流体内の前記関心成分(複数の場合もある)を、成分サイズに従って1つ又は複数の成分ストリーム内に集束させ、それにより、前記移動する試料流体内で、成分の無い領域を形成する条件下で行う、ステップと、
前記移動する試料流体の前記成分の無い領域から前記試料流体の少なくとも一部を引き出すステップであって、それにより、前記移動する試料流体の残留物内で関心成分(複数の場合もある)の濃度を増加させる、ステップと、
前記成分ストリームのうちの1つ又は複数から前記関心成分(複数の場合もある)を収集するステップと、
を含む、方法において実施される。
SIFTデバイスから特定量の流体を除去するために構成される廃棄チャネルを設計するための式を導出するため、等価回路アナロジー60,71が使用された。体積流量(Q)は、
ここで、ΔPは圧力低下であり、RHはフルイディック抵抗(fluidic resistance)である。任意の所与の廃棄チャネルによって除去される流れは、廃棄チャネルのフルイディック抵抗と主チャネルのフルイディック抵抗の比によって指定される。図5Aは、主チャネル及び複数の廃棄又は副チャネルW1〜Wnを含むフルイディックネットワークの概略図である。等価電気回路の概略図は図5Bに示される。下付き文字「m」及び「s」は、それぞれ主チャネル及び副チャネルを示す。デバイスの入口の流量は、電流源に類似し、全ての出口は、同じ圧力を有するため、グラウンドで終端する。j番目のノードにおける主チャネル(Qm,j)と側部廃棄チャネル(Qs,j)の体積流量比rQ,jについて、主チャネルと廃棄チャネルとの間の抵抗関係は、
ここで、Rs,j及びRm,jは、それぞれj番目のノードにおける廃棄チャネルの抵抗及び主チャネルの抵抗であり、Rs,j−1は、直前のノードj−1における廃棄チャネルの抵抗であり、rQ,j−1は、直前のノードにおける体積流量比である(式(4)の導出については以下を参照)−これは、j=2、3、4、…、n−1、nについて成立つ。j=1の場合、抵抗は単にRs,1=rQ,1Rm,1である。全回路が、同時に解かれる必要はない。式(4)は、rQ,jが指定されると、任意のノードにおける廃棄チャネルRs,jの抵抗が、主チャネルの抵抗Rm,j、直前の廃棄チャネルの抵抗Rs,j−1、及び直前の廃棄チャネルの流量rQ,j−1のみによって決定されることを示す。この関係を使用して、指定される流体除去を達成するために必要とされる抵抗が、決定され、その関係から、副廃棄チャネルの幾何形状、例えば幅を決定することができる。
ここで、μは流体動粘度であり、w、h、及びLは、チャネル幅、高さ、及び長さである。w>hである場合、式(5)は、
ここで、主チャネル内に残留する流れの割合xm,jは、
副又は廃棄チャネルを介した主チャネルからの流体除去のレートは、主チャネル流量と副チャネル流量の指定された流量比(rQ=Qm/Qs)について設計することによって制御される。主チャネル(Qm)及び副チャネル(Qs)を通る相対的体積流量は、チャネル内のフルイディック抵抗を適切に平衡させることによって達成される。そのため、SIFTデバイスから除去される流体の割合は、それぞれの廃棄チャネルにおいて特定の流量rQ,jについて設計することによって制御されることができ、特定の流量rQ,jはフルイディック抵抗を適切に平衡させることによって達成される。先に導出された式によって規定される設計を検証するため、単一廃棄チャネルを通した入口流体の5、10、20、及び50%除去について設計されたデバイスが作製され試験された。廃棄チャネルはW2位置に配置された(図4参照)。廃棄チャネルの概略図は図6Aに示される。上述したように、廃棄チャネル幅ws,jは、主チャネルから除去される流体の量を制御するように設定された。廃棄チャネルの前の主チャネル幅wm,j及び廃棄チャネルの後の主チャネル幅wm,j−1はともに、250μmであった。
例1:デバイス作製
設計方法を評価するため、(図4のW2位置に)単一廃棄チャネルを有する一連のSIFTマイクロフルイディックデバイスが作製された。これらのデバイスは、単一入口、廃棄チャネル、及び分岐出口を有する7ループのアルキメデスのスパイラル(0.5cmの内径)からなった。この非制限的な例では、スパイラルチャネルは、250μm×50μm(w×h)であり、連続するループ間に250μmのギャップを有した。選択された評価設計は制限的であることを意図されない。本発明は、7つより少ないか又は多いループを有する主チャネル構成又は述べた寸法のアルキメデスのスパイラル以外の構成を有するように実装することができる。廃棄チャネル幅は、或る特定の割合、例えば、5、10、20、又は50%の流体を除去するため、40μmと250μmとの間に設定された。以下で論じるように、廃棄チャネルによって除去される流れは、そのフルイディック抵抗に依存し、フルイディック抵抗は、チャネル長さをその幅で割った値に比例する。使用されたソフトリソグラフィ技法は、設計幅の2μm〜5μm以内の幅を達成した。したがって、異なる量の流体を除去するために設計されたデバイスを区別するため、廃棄チャネル幅は、5μmより大きい値だけ異なる必要があった。この公差を確保することは、19mmの廃棄チャネル長さを必要とし、その廃棄チャネルは、蛇行経路を使用してスパイラルに接して密に嵌合された(図4参照)。
廃棄チャネルによって除去される流体の量を決定するため、脱イオン水が、シリンジポンプ(New Era Pump Systems、 Inc.)を使用して特定の流量でデバイス内に圧送された。流量が安定化していることを確保するため、各レートは、5分間保持された。流体は、その後、5分間、廃棄チャネル及び出口から収集され、流体は、収集された量を決定するため秤にかけられた。これは、単一デバイスについて、各流量について3回繰返された。
図7は、2つの流量(100μL/分及び1250μL/分)における5%(i及びii)、20%(iii及びiv)、及び50%(v及びvi)流体除去のために設計された単一廃棄チャネルを含むSIFTデバイス内に集束された15μm粒子の画像を示す。実験及び検証のために選択された流量は、制限的であることを意図されない。100μL/分又は1250μL/分と異なる流量を使用することができ、より高い、例えば、最大3mL/分の流量を使用することができる。特定の流体除去レートについて設計できることを図7が示した。しかし、集束された粒子ストリームの濃度及び位置に対する流体除去の影響を求めることが重要である。0.03重量%の濃度の脱イオン水内に分散された、径が15μmの蛍光粒子(14%変動係数(coefficient of variation)(CV))(ThermoFisher Scientific)が、シリンジポンプを使用して、いろいろな幅の単一廃棄チャネルを含むスパイラル慣性濾過デバイスに、流量を増加して注入された。集束された粒子の画像は、12ビットデジタルCCDカメラ(Hamamatsu Photonics、 model ORCA−03G)を装備する反転蛍光顕微鏡(Olympus Corporation、model IX51)を使用して撮影された。3秒露出が、可視粒子トレースを生成するために使用された。15画像のシーケンスが重ねられて、複合画像を生成した。チャネル壁を可視化するため、明視野画像が撮影され、その画像が、ImageJ(米国国立衛生研究所)を使用して反転され(ネガに変換され)、その画像が、粒子集束複合物上に重ねられて、最終画像を生成した。
粒子が廃棄チャネルを通過するときに、粒子を分散させることなく高い流体除去レートを達成するため、Uf及びDeの少なくとも一方が、廃棄チャネルの下流の主チャネルの条件を修正することによって維持されなければならない。これは、廃棄チャネルに続く主チャネル幅を変更することによって最も容易に達成することができる。しかし、Uf及びDeは、チャネル幅に関して異なる依存性を有し、同時に補正することができない。結果として、それぞれを個々に補正する効果が、どのパラメータが集束に最も大きな影響を及ぼしたかを判定するために調査された。
導出を簡略化するため、3つの廃棄チャネルを有するデバイスを使用する例証が提供される。等価回路が図10に示される。番号付けが、後から前であるため、「第1(first)」は「最後から1番目(first from the end)」を意味することに留意されたい。シリンジポンプによって生成される一定流量が、電流源としてモデル化される。
式(5)が有効であるために、チャネル幅wは高さhより大きくなければならない。先に論じたように、幾つかの場合、式(5)は式(7)に簡略化され得る。式(7)が有効であるかどうかは、システムの特定のパラメータに依存することになる。
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Claims (66)
- 流体処理装置を通って流れる流体から粒子を分離するように構成された流体処理装置であって、
1つ又は複数の粒子サイズを有する粒子を含む流体を受け取るように構成された流体入口と、
主流体チャネルであって、前記流体入口から延在し、スパイラル構成で配置され、前記粒子のサイズに従って、該主流体チャネルを通して該主チャネル内の一意の平衡位置内に流れる前記流体内で粒子の選別移動を引き起こし、それにより、該主チャネルを通して流れる前記流体内で1つ又は複数の粒子ストリーム及び粒子の無い領域を形成するように構成された主流体チャネルと、
前記主流体チャネルに流体連通し、前記主流体チャネルから流れる粒子ストリームから粒子を受け取るように構成された1つ又は複数の出口と、
1つ又は複数の副チャネルであって、前記主流体チャネルから延在し、前記主チャネル内の前記粒子の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出して、前記主チャネルを通して流れる残りの前記流体内で粒子の濃度を増加させるように構成された1つ又は複数の副チャネルと、
を備えている流体処理装置。 - 前記1つ又は複数の粒子ストリームのそれぞれの前記粒子が、揚力FL及びディーン力FDによって平衡位置に維持される請求項1に記載の流体処理装置。
- 前記1つ又は複数の粒子のサイズが、4.8μm〜15μmの範囲にある請求項1に記載の流体処理装置。
- 前記副チャネルは、前記主チャネルから前記粒子の無い領域の前記流体の一部を引き出して、前記主チャネルを通って流れる流体の体積を約10〜約95%だけ減少させるように構成されている請求項1に記載の流体処理装置。
- 前記粒子が、DNA分子、ウィルス、細菌、真菌、がん細胞、白血球、及び好中球からなる群より選択されるものである請求項1に記載の流体処理装置。
- 前記装置を通って流れる前記流体が試料を含み、前記粒子は、前記試料内に2つ以上の関心成分を含み、
前記流体入口は、前記試料を受け取るように構成されており、
前記主流体チャネルは、前記関心成分が該成分のサイズに従って2つ以上の成分ストリーム内に集束され、それにより、前記主チャネルを通って流れる前記流体内で成分の無い領域を形成するように構成されており、
前記装置は、2つ以上の出口であって、前記主流体チャネルに流体連通し、前記主流体チャネルから流れる前記成分ストリームから前記関心成分を受け取って、前記試料から前記関心成分のそれぞれを濾過するように構成された2つ以上の出口を含み、
前記1つ又は複数の副チャネルは、前記主チャネル内で前記成分の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出して、前記主チャネルを通して流れる残りの前記流体内で関心成分の濃度を増加させるように構成されている請求項1に記載の流体処理装置。 - 前記流体入口は、前記主チャネルの前記スパイラル構成の内側端部分に配置され、前記1つ又は複数の出口は、前記主チャネルの前記スパイラル構成の外側端部分に配置され、前記1つ又は複数の副チャネルは、前記主チャネルの前記スパイラル構成の外側ループから半径方向に外方に延在している請求項1に記載の流体処理装置。
- 前記主チャネルが、前記主チャネルの長さに沿って変動する不均一な幅を有している請求項1に記載の流体処理装置。
- 少なくとも2つの副チャネルを備えており、前記主チャネル幅は、それぞれの2つの隣接する副チャネル間で実質的に一定である請求項8に記載の流体処理装置。
- 前記主チャネルの幾何形状が、副チャネルに従って変更され、該副チャネルによる流体除去を補償する請求項1に記載の流体処理装置。
- 前記主チャネルの幾何形状が、副チャネルに従って変更され、前記副チャネルの前及び後で、前記主チャネル内で一定の又は実質的に一定の流れ速度を維持する請求項10に記載の流体処理装置。
- 前記主チャネルの幾何形状が、前記主チャネル幅を変化させることによって変更される請求項10に記載の流体処理装置。
- 前記主チャネルと前記副チャネルとの間の接合部の下流の角は、フィレット形成されており、前記主チャネル幅の段階的な変化を可能にしている請求項14に記載の流体処理装置。
- 1つ〜5つの出口を備えている請求項1に記載の流体処理装置。
- 1つ〜6つの副チャネルを備えている請求項1に記載の流体処理装置。
- 各副チャネルが、前記主チャネルの前記スパイラル構成の最も外側のリングの外側エッジから延在している請求項1に記載の流体処理装置。
- 前記1つ又は複数の副チャネルのそれぞれが、前記主チャネルを通して流れる前記流体の5%〜50%を引き出すように構成されている請求項1に記載の流体処理装置。
- 各副チャネルが蛇行経路を備えている請求項1に記載の流体処理装置。
- ポリジメチルシロキサンから作製された請求項1に記載の流体処理装置。
- 100μL/分〜1250μL/分の流量に対処するように構成された請求項1に記載の流体処理装置。
- 1mL/分のレートで流体を処理するように構成された請求項1に記載の流体処理装置。
- 前記主チャネルの前記スパイラル構成が、6ループ又は7ループのスパイラルを備えている請求項1に記載の流体処理装置。
- 前記主チャネルが、約250μmの幅及び約50μmの高さを有する請求項1に記載の流体処理装置。
- 単一入口、単一副チャネル、及び分岐出口を備え、前記スパイラル主チャネルが、連続するループ間に250μmギャップを有する請求項26に記載の流体処理装置。
- 前記スパイラル構成が、アルキメデスのスパイラルである請求項26に記載の流体処理装置。
- 前記副チャネル幅は40μm〜250μmである請求項28に記載の流体処理装置。
- 前記副チャネルの長さが約19mmである請求項28に記載の流体処理装置。
- 各副チャネルが、約35μmの幅、約50μmの高さ、及び約19mmの長さを有する請求項1に記載の流体処理装置。
- 1つ又は複数の粒子サイズの粒子を含む流体の粒子を濾過及び/又は濃縮する方法であって、
スパイラル経路内で前記流体を移動させることであって、該移動は、条件であって、前記粒子のサイズに従って、一意の平衡位置内への前記移動する流体内の粒子の選別移動を引き起こし、それにより、前記移動する流体内で1つ又は複数の粒子ストリーム及び粒子の無い領域を形成する条件下で行うことと、
前記移動する流体の前記粒子の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出すことであって、それにより、前記移動する流体の残留物内で粒子の濃度を増加させることと、
前記粒子ストリームのうちの1つ又は複数から粒子を収集することと、
を含む、1つ又は複数の粒子サイズの粒子を含む流体の粒子を濾過及び/又は濃縮する方法。 - 前記収集するステップが、前記スパイラル経路の端部で実施される請求項33に記載の方法。
- 前記粒子が、試料流体内に1つ又は複数の関心成分を含む請求項33に記載の方法。
- 各関心成分の濃度を増加させることを更に含む請求項35に記載の方法。
- 前記1つ又は複数の粒子ストリームのそれぞれの前記粒子は、揚力FL及びディーン力FDによって平衡位置に維持される請求項33に記載の方法。
- 前記1つ又は複数の粒子のサイズが、4.8μm〜15μmの範囲にある請求項33に記載の方法。
- 前記引き出すステップが、戦記移動する流体の体積を約10%〜約95%だけ減少させる請求項33に記載の方法。
- 前記粒子が、DNA分子、ウィルス、細菌、真菌、がん細胞、白血球、及び好中球からなる群より選択される請求項33に記載の方法。
- 前記移動する流体の前記粒子の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出した後に前記移動する流体の条件を変更することであって、それにより、流体除去を補償することを更に含む請求項33に記載の方法。
- 前記移動する流体の前記粒子の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出した後に前記移動する流体の条件を変更することであって、それにより、前記移動する流体の前記粒子の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出す前及び引き出した後に、前記移動する流体内で一定の又は実質的に一定の流れ速度を維持することを更に含む請求項41に記載の方法。
- 前記移動する流体の前記粒子の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出した後に前記移動する流体の条件を変更することであって、それにより、前記移動する流体の前記粒子の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出す前及び引き出した後に、一定の又は実質的に一定のディーン数を維持することを更に含む請求項41に記載の方法。
- 前記移動する流体が、100μL/分〜1250μL/分の流量を有する請求項33に記載の方法。
- 1mL/分レートで1つ又は複数の粒子サイズの粒子を含む流体を濾過及び/又は濃縮することを含む請求項33に記載の方法。
- スパイラル経路内で流体を移動させる前記ステップは、流体入口から延在し、スパイラル構成で配置される主流体チャネル内で実施され、
前記移動する流体の前記粒子の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出す前記ステップは、前記主流体チャネルから延在する1つ又は複数の副チャネル内で実施され、
前記粒子ストリームののうちの1つ又は複数から粒子を収集する前記ステップが、前記主流体チャネルに流体連通する1つ又は複数の出口によって実施される請求項33に記載の方法。 - 前記主チャネルが、該主チャネルの長さに沿って変動する不均一な幅を有する請求項33に記載の方法。
- 前記移動する流体の前記粒子の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出す前記ステップが、少なくとも2つの副チャネルによって実施され、前記主チャネル幅が、各2つの隣接する副チャネル間で実質的に一定である請求項47に記載の方法。
- 前記1つ又は複数の副チャネルは、前記主チャネルの前記スパイラル構成の外側ループから半径方向に外方に延在する請求項46に記載の方法。
- 前記主チャネルの幾何形状を、副チャネルに従って変更することであって、それによって、該副チャネルによる流体除去を補償することを更に含む請求項46に記載の方法。
- 前記主チャネルの幾何形状を、前記副チャネルに従って変更することであって、それによって、該副チャネルの前及び後で、該主チャネル内で一定の又は実質的に一定の流れ速度を維持することを更に含む請求項50に記載の方法。
- 前記主チャネル幅を変化させることによって前記主チャネルの幾何形状を変更することを更に含む請求項50に記載の方法。
- 1つ〜5つの出口によって各粒子ストリームから粒子を収集することを更に含む請求項46に記載の方法。
- 1つ〜6つの副チャネルによって前記移動する流体の前記粒子の無い領域から前記流体の少なくとも一部を引き出すことを更に含む請求項46に記載の方法。
- 各副チャネルが、前記主チャネルの前記スパイラル構成の最も外側のリングの外側エッジから延在する請求項46に記載の方法。
- 前記1つ又は複数の副チャネルのそれぞれによって、前記主チャネル内の前記移動する流体の5%〜50%を引き出すことを含む請求項46に記載の方法。
- 前記主チャネルの前記スパイラル構成が、約0.5cmの内径を有する7ループのスパイラルを備え、前記主チャネルは、約250μmの幅及び約50μmの高さを有する請求項46に記載の方法。
- 前記スパイラル主チャネルは、連続するループ間に250μmギャップを有する請求項61に記載の方法。
- 各副チャネル幅が40μm〜250μmである請求項62に記載の方法。
- 各副チャネルの長さが約19mmである請求項63に記載の方法。
- 各副チャネルは、約35μmの幅、約50μmの高さ、及び約19mmの長さを有する請求項46に記載の方法。
- 試料流体から1つ又は複数の関心成分を分離する方法であって、
スパイラル経路内で前記試料流体を移動させることであって、該移動は、条件であって、前記移動する試料流体内の前記関心成分(複数の場合もある)を、成分サイズに従って1つ又は複数の成分ストリーム内に集束させ、それにより、前記移動する試料流体内で、成分の無い領域を形成する条件下で行うことと、
前記移動する試料流体の前記成分の無い領域から前記試料流体の少なくとも一部を引き出すことであって、それにより、前記移動する試料流体の残留物内で関心成分(複数の場合もある)の濃度を増加させることと、
前記成分ストリームのうちの1つ又は複数から前記関心成分(複数の場合もある)を収集することと、
を含む、試料流体から1つ又は複数の関心成分を分離する方法。
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