JP2020025900A

JP2020025900A - 粒子分離方法

Info

Publication number: JP2020025900A
Application number: JP2018150008A
Authority: JP
Inventors: 俊薫豊嶋; Toshishige Toyoshima; 和樹飯嶋; Kazuki Iijima; 琴浩古川; Kotohiro Furukawa; 片山　晃治; Koji Katayama; 晃治片山; 健吾沼田; Kengo Numata; 正雄澤野; Masao Sawano
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2020-02-20

Abstract

【課題】本発明の課題は、ＰＦＦの原理を利用した粒子分離方法において、流路幅が変化する拡大領域入り口付近の壁面近傍で渦流を発生させることなく、粒子を分離することを目的とする。【解決手段】一方の末端に流体導入口を備え、もう一方の末端において他の分岐流路と合流する２以上の分岐流路、当該２以上の分岐流路が合流して形成される狭窄流路、及び狭窄流路のもう一方の末端に接続され、流路幅が拡大される拡大流路を有する粒子分離装置を用いた粒子分離方法であって、前記狭窄流路から前記拡大流路へ移る起点で、流れのレイノルズ変化率ｄＲｅ／ｄｘが−９．８４×１０６以上となるように、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し、もう一方の分岐流路の流体導入口から分離対象の粒子を含まない流体を導入することを特徴とする前記方法。【選択図】図１

Description

本発明は、粒子分離方法に関する。

近年、数十ナノメートルから数マイクロメートルサイズの粒子の検出、分離技術が必要とされている。連続的な分離を可能にする技術として、前述のマイクロ流路を用いたピンチドフローフラクショネーション（ＰｉｎｃｈｅｄＦｌｏｗＦｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ）（以下ＰＦＦと記載）という手法が報告されている（例えば、特許文献１参照）。この手法の利点としては、光学系・情報処理系などの複雑な機器・装置を必要とせず、連続的な微粒子分離を容易に可能とする点があげられる。また、粒子径という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り、つまり、例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も利点としてあげられる。

しかしながら、ＰＦＦのようなマイクロ流路を用いて、サブビジブル粒子程度の大きさの物質を分離した例はこれまでになく、マイクロサイズの流路を用いて、０．１〜２マイクロメートルサイズの粒子を、その大きさという要素だけを用いて分離した例についても報告がない。

特開２００５−２０５３８７号公報

本発明の課題は、ＰＦＦの原理を利用した粒子分離方法において、流路幅が変化する拡大領域入り口付近の壁面近傍で渦流を発生させることなく、粒子を分離することを目的とする。

本発明に係る粒子分離方法は、一方の末端に流体導入口を備え、もう一方の末端において他の分岐流路と合流する２以上の分岐流路、当該２以上の分岐流路が合流して形成される狭窄流路、及び狭窄流路のもう一方の末端に接続され、流路幅が拡大される粒子分離装置を用いた方法であって、前記狭窄流路から前記拡大流路へ移る起点で、流れのレイノルズ変化率ｄＲｅ／ｄｘが−９．８４×１０^６以上となるように、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し、もう一方の分岐流路の流体導入口から分離対象の粒子を含まない流体を導入することを特徴とする。

また、本発明に係る粒子分離方法は、上述の粒子分離装置を用いた方法であって、前記狭窄流路から前記拡大流路に流れた際の圧力損失ΔＰが１７．８９ｋＰａ以下となるように、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し、もう一方の分岐流路の流体導入口から分離対象の粒子を含まない流体を導入することを特徴とする。

本発明によれば、ナノ〜マイクロレベルの微小な粒子をその大きさ毎に連続的に分離及び／又は回収することが可能となる。

図１は、ＰＦＦの原理を模式的に示した図である。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が示される。図２（ａ）はマイクロチップ１０の上面図であり、図２（ｂ）におけるＡ矢視図である。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）における領域２１の拡大図である。拡大流路開始部分でのレイノルズ変化率を計算するために利用した流路の上面図である。図４（ａ）はマイクロチップ１０の上面図であり、図４（ｂ）におけるＡ矢視図である。図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）における領域２１の拡大図である。図５（ａ）はマイクロチップ１０の上面図であり、図５（ｂ）におけるＡ矢視図である。図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）における領域２１の拡大図である。図４（ａ）〜（ｃ）に示した本発明にかかるマイクロチップ１０を用いて数値流体力学シュミレーションを行った結果の図である。サンプル液、シース液の流量はそれぞれ５μＬ／ｈ、９０μＬ／ｈとした。図４（ａ）〜（ｃ）に示した本発明にかかるマイクロチップ１０を用いて数値流体力学シュミレーションを行った結果の図である。サンプル液、シース液の流量はそれぞれ１０μＬ／ｈ、１８０μＬ／ｈとした。図４（ａ）〜（ｃ）に示した本発明にかかるマイクロチップ１０を用いて数値流体力学シュミレーションを行った結果の図である。サンプル液、シース液の流量はそれぞれ２０μＬ／ｈ、３６０μＬ／ｈとした。

図１をもとに、ＰＦＦの原理についての詳細を説明する。図１は図２のマイクロチップにおける分岐流路１８ａ、１８ｂが合流して形成される狭窄流路１６、及び狭窄流路１６のもう一方の末端に接続され、流路幅が拡大された拡大流路１７を示している。具体的には、図２（ａ）における領域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。図１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。

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（流体導入口）１４ａ、１４ｂからそれぞれ連続的に供給する。この時、狭窄流路１６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。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（粒子が滑流する壁面１６ａ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に沿って滑流するようになり、粒子が滑流する内壁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。

そして狭窄流路１６と拡大流路１７の境界（拡大開始点１９）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。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、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。

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。また、拡大流路１７にはアウトレット１５は複数設けてもよい。また流路終端を分岐してアウトレットを複数設けることで、分離された目的の粒子を回収することができる。さらに、「非対称ピンチドフローフラクショネーション（ＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＰｉｎｃｈｅｄＦｌｏｗＦｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ（ＡｓＰＦＦ））」の原理に基づいて、一部のアウトレッ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、特定のアウトレットにのみ導入できる、という原理である。

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。例えば、前述のＡｓＰＦＦの原理に基づいて、図４に示すように、大半の流体が流れるように拡大流路１７の一部にドレイン流路２２を設計し、ドレイン用のアウトレット２３を設けてもよい。その場合も、目的物をアウトレット１５、または図４（ａ）のアウトレット１５ａ、１５ｂ、１５ｃのように複数設けたアウトレットの任意のアウトレットから回収するようにしてもよい。特に、複数の大きさをもつ物質を含むサンプルから特定の大きさの粒子を分離し回収しようとする場合、アウトレット１５の数は目的に応じて任意の数に設定されるが、回収するという点で少なくとも２以上に設定されることが好ましい。一方で、分離した後に回収せず、例えば分離された粒子を検出するのみでよい場合は、検出ライン２０で蛍光や明視野像の検出系等を用いて検出すればよく、この場合、アウトレットの数は１つであってもよい。

図４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４（ａ）は図４（ｂ）におけるＡ矢視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図である。図４におけるマイクロチップ１０の流路１３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。このように断面形状は、粒子を断面においてその大きさ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、円形や楕円形、多角形などの断面であってもよく、また部分的に矩形以外の形状であってもよい。狭窄流路の壁面に沿って粒子を滑流させる観点から粒子が滑流する壁面は平面であることが好ましい。同様に流路構造の深さはその作製上の容易さから一定であることが好ましいが、部分的に深さが異なっていてもよい。

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てよい。

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、フォトリソグラフィー、ソフトリソグラフィー、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。

また、マイクロチップ１０を作製する場合の材質としては、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、また、これらの材料のうち、任意の２種類の基板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い。

そして、基板１１の下面１１ａには、基板１２と重ね合わせた場合に、分岐流路１８、狭窄流路１６、及び拡大流路１７を含む流路１３が形成されるように加工されており、各流路の幅、深さは、それぞれ１０ｎｍから１ｃｍまでの任意の値に設定することが可能である。作製の容易さから、各流路の幅、深さは、それぞれ、サブミクロンから数百μｍの値に設定することが好ましい。特にナノ〜マイクロレベル程度の大きさをもつものを分離する場合、各流路の幅、深さは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。

流路１３は、インレット１４ａ、１４ｂおよびアウトレット１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、２３を有し、インレット１４ａ、１４ｂは、それぞれ測定対象の粒子を含む流体と測定対象の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、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、２３は流体の出口である。インレット及びアウトレットは、それぞれ、基板１１又は１２を貫通することで、基板上面又は下面からの流体の導入又は排出を可能にする。なお、測定対象の粒子を含む流体は、インレット１４ａ、１４ｂ何れかから導入されることが好ましいが、インレット１４ａから導入されることがより好ましい。また、測定対象の粒子を含まない流体は、インレット１４ａ、１４ｂ何れかから導入されることが好ましいが、インレット１４ｂから導入されることがより好ましい。

また、流路１３は、インレット側に少なくとも２つの分岐流路１８ａ、１８ｂ、中央部に分岐流路１８ａ、１８ｂが合流して形成される狭窄流路１６、アウトレット側に流路幅が拡大された拡大流路１７から構成されている。分岐流路の数は、狭窄流路において層流を達成できる限りにおいて、任意の数であってよい。また、分岐流路は、少なくとも２の分岐流路が合流すれば、任意の形状であってよいが、合流して形成される狭窄流路において層流を達成する観点から、図５（ａ）に示されるように、分岐流路間の角度を鋭角に形成することが好ましく、合流して形成される狭窄流路を、その優角側に形成することが好ましい。狭窄流路１６と拡大流路１７の接続部を拡大開始点１９ということができ、図４、５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、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、２３へ接続されている。

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、２３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。

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、長さの下限が１００ｎｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上がさらに好ましく、長さの上限が１０ｍｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下がさらに好ましい。

狭窄流路１６の流路幅は、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の流路幅は、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、流路幅の下限が１００ｎｍ以上であることが好ましく、５００ｎｍ以上がさらに好ましい。また流路幅の上限は１００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下がさらに好ましい。

また、流路内部における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、液面差を用いる方法、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。

分離を行う粒子としては、目的に応じて、直径１００ｎｍ〜５μｍの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。また、本発明の粒子分離装置では、粒子にかかる外圧や変形を及ぼす力が少ないため、従来の分離方法であるフィルターなどでは、破裂や破壊が生じてしまう微粒子や細胞、その構成要素であるオルガネラなどの生物粒子、ウイルス、細菌、エクソソーム等の細胞外小胞、タンパク質、タンパク質凝集体を処理できる、という優れた効果を発揮する。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１００ｎｍ〜１０μｍである流路を用いる場合、分離される粒子の直径は、１ｎｍ〜９．９μｍであり、５ｎｍ〜９μｍがさらに好ましく、１０ｎｍ〜５μｍが最も好ましい。

粒子を懸濁させた流体としては、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、細胞培養液や生理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、例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よい。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よい。

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、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。このように壁面に対して整列された粒子は、壁面に沿って滑流する。粒子が壁面に沿って滑流するとは、粒子が壁面付近を流れることをいい、必ずしも壁面に接触していることを意図するものではない。また、粒子は壁面付近で回転や跳躍する場合も含まれるものとする。サンプル液とシース液の流量は、粒子を狭窄流路のサンプル液側の壁面１６ａへ整列させる観点で、シース液流量の方が大きい方が好ましく、２倍以上大きい方がさらに好ましく、１０倍以上大きい場合が最も好ましい。

サンプル流量とシース流量の流量は任意に設定可能であるが、総流量が一定の流量を上回ると流路構造が著しく変化する点、本発明の場合は狭窄流路から拡大流路に移る起点で流路壁面との流速変化量が過大となり、層流構造が崩れ、起点付近で渦流が発生する。本発明の特徴は、狭窄流路から拡大流路へ移る起点で、流れのレイノルズ変化率ｄＲｅ／ｄｘや圧力損失ΔＰにより流路の構造を設計し渦流を抑制することを特徴としている。流れのレイノルズ変化率ｄＲｅ／ｄｘが−９．８４×１０^６以上であることまたは圧力損失ΔＰが１７．８９ｋＰａ以下である。このように構成することにより、狭窄流路の出口と拡大流路の入り口部分での渦流の発生を抑制することができる。

狭窄流路１６と拡大流路１７が接続する構造は、拡大開始点で、流路幅が段状に拡大してもよいし、図５に示すように流路幅が徐々に拡大するように構成してもよい。流路幅が徐々に拡大する場合、拡大流路の壁面１７ｂが直線を描くように拡大して、スロープを形成してもよいし、曲線を描くように拡大してもよい。拡大流路１７の流路幅が、段状に拡大するか又は直線的に拡大する場合、狭窄流路の壁面１６ａ、１６ｂと、当該壁面に続く拡大流路１７の壁面１７ａ、１７ｂとの間の角度２４ａ、２４ｂにより、拡大流路を規定することができる。例えば、段状に拡大する場合の角度２４ａ、２４ｂは９０°である。拡大流路１７の壁面が、徐々に直線的に拡大する場合、角度２４ａ、２４ｂは、０°〜１８０°で表される。拡大流路の壁面は、狭窄流路の流路幅に比較して拡大していればよい。一の態様では、前述のレイノルズ変化率または圧力損失ΔＰの範囲であれば、拡大領域の壁面の角度２４ａ、２４ｂは、独立に０°〜１８０°の間の任意の角度をとることができ、一例として、６５°、９０°、１２０°、１３５°、１６５°、１８０°をとることができる。ただし、狭窄流路壁面１６ｂに対する拡大流路壁面１７ｂの角度２４ｂは９０°またはそれ未満の場合であっても、それが部分的な構造で、実質的には徐々に拡大していくような構造であれば、大半の流体は徐々にアウトレット２３の方向へ流れることから、渦流の影響はほとんど受けないため、このような構造を用いてもよい（図４ａを参照）。拡大流路の壁面１７ｂが曲線を描くように拡大する場合、渦流を防止する観点から、拡大開始点におけるその接平面が、狭窄流路の壁面と一致することが好ましい。

狭窄流路１６において粒子が滑流する壁面１６ａを、サンプル液側狭窄流路壁面１６ａと言うこともでき、狭窄流路１６における粒子が滑流しない壁面１６ｂを、シース液側狭窄流路壁面１６ｂと言うこともできる。また、サンプル液側狭窄流路壁面１６ａ側の拡大流路壁面を、サンプル液側拡大流路壁面１７ａ、またシース液側狭窄流路壁面１６ｂ側の拡大流路壁面をシース液側拡大流路壁面１７ｂということができる。

また、狭窄流路壁面と拡大流路壁面は、それぞれ直線同士で結合しているものを図１に示したが、何れか一方または両方が曲線であってもよい。ただし、前記狭窄流路と拡大流路の壁面の接続構造は、サンプル液側、シース液側壁面共に効果が十分見られるものの、粒子をサンプル液側に整列させるＰＦＦの原理からも推察されるように、粒子が滑流する壁面を直線的に接続する方が、より精度よく粒子分離が可能となり、さらにシース液側壁面の構造を前述の通り改良することで、さらに粒子の分離精度があがる。

ドレイン流路２２は、ＡｓＰＦＦにより粒子を分離する場合に用いてもよく、拡大流路１７へ流れる流体の少なくとも一部がドレイン流路２２へ流れるよう、ドレイン流路の幅、高さ、長さを設計することが好ましい。さらに好ましくは同程度の流体がドレイン流路２２へ流れるよう設計することが好ましく、２倍以上の流体が流れるよう設計することが最も好ましい。

また、図４に示したドレイン流路２２は、狭窄流路１６中を流体が流れていく方向に対して、垂直な方向に設計したものを示しているが、平行な方向に設計してもよく、任意の角度に設定してもよい。ドレイン流路を、狭窄流路１６中を流体が流れていく方向に対して、垂直方向のシース液側壁面１７ｂに設計する場合、拡大流路の拡大開始点にドレイン流路を配置してもよい（図４（ｃ））。平行な方向に設計した場合、狭窄流路１６中を高流速で流れてきた粒子が、拡大領域で低流速に急激に変化するため、慣性力の影響で粒子はその質量に応じた力を受ける。この時、この慣性力により整列したはずの粒子の位置がばらつき、分離の精度が悪くなる。従って、ドレイン流路２２は、狭窄流路１６中を流体が流れていく方向に対して、垂直な方向に設計したものがより好ましい。

以下に実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、本明細書中に記載された文献の全てが参考として援用される。

実施例１：数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションによる拡大流路１７での渦流が抑制可能な装置形状評価
図４（ａ）〜（ｃ）で示されるマイクロチップ１０を、粒子分離装置の計算モデルとして作成した。流路１３の深さはすべて３．２μｍとした。流路１３の端部に、基板１１の上面に貫通するインレット１４ａ、１４ｂ、アウトレット１５、２３（それぞれ穴の径１．５ｍｍ）を設けた。また、狭窄流路１６と拡大流路１７との角度２４ａ、２４ｂが９０°で、流路１３は分岐流路１８ａ（幅２０μｍ、長さ１．５ｍｍ）、分岐流路１８ｂ（幅４０μｍ、長さ５００μｍ）、狭窄流路１６（幅３．０μｍ、長さ２０μｍ）、拡大流路１７（幅２１５μｍ、長さ６．１５ｍｍ）、ドレイン流路２２（幅３００μｍ、長さ１．３ｍｍ）の流路とした。

粒子分離装置形状をＤｅｓｉｇｎＭｏｄｅｌｅｒ（ＡＮＳＹＳ社製）にて作成後、ＡｎｓｙｓＭｅｓｈｉｎｇ（ＡＮＳＹＳ社製）にて、約６００万個のメッシュに細分化した。細分化された粒子分離装置モデルをＦｌｕｅｎｔ（ＡＮＳＹＳ社製）にインポートし、流体の輸送方程式であるナビエ・ストークス式を数値的に解析することにより、サンプル液、シース液及びその混合液の流れ場、圧力場を推算した。なお、サンプル液とシース液の流量条件はそれぞれ５μＬ／ｈ、９５μＬ／ｈと１０μＬ／ｈ、１８０μＬ／ｈとなるよう設定した。

サンプル液とシース液の流量条件がそれぞれ５μＬ／ｈ、９５μＬ／ｈと１０μＬ／ｈ、１８０μＬ／ｈの粒子分離装置モデルについて、ＣＦＤ解析結果より、拡大流路１７近傍の速度ベクトル情報を抽出した結果をそれぞれ図６、図７に示す。これらの結果から、拡大流路１７近傍において渦流が発生していない様子が確認できた。

比較例１：数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションによる拡大流路１７での渦流が抑制不能な装置形状評価
実施例１の条件で作成した計算モデルでサンプル液とシース液の流量条件はそれぞれ２０μＬ／ｈ、３６０μＬ／ｈとなるよう設定しＣＦＤ解析を行った。

サンプル液とシース液の流量条件はそれぞれ２０μＬ／ｈ、３６０μＬ／ｈの粒子分離装置モデルについて、ＣＦＤ解析結果より、拡大流路１７近傍の速度ベクトル情報を抽出した結果を図８に示す。この結果から、拡大流路１７近傍において渦流が発生している様子が確認できた。

（レイノルズ数変化率の計算）
図３（ａ）に示すモデルを用いてレイノルズ数変化率ｄＲｅ／ｄｘを算出した。計算に用いる流路幅ｗ（ｘ）を狭窄流路幅＋円弧と設定し、レイノルズ数変化率の算出は下式に従って行った。

式（１）Ｒｅ＝ ρＵＤｈ／μ
式（２）Ｕ＝Ｑ／ｈｗ（ｘ）
式（３）Ｄｈ＝２ｈｗｘ／（ｈ＋ｗ（ｘ））
式（４）ｗ（ｘ）＝ｗｐ＋２（π − θ）ｘ
式（１）に式（２）、（３）を代入して
式（５）Ｒｅ＝２ρＱ／（μ（ｈ＋ｗ（ｘ））
式（５）に式（４）を代入し、ｘについて微分すると
式（６）ｄＲｅ／ｄｘ＝（４ρＱ（θ − π））／μ（ｈ＋ｗｘ）^２
ここで、ρは密度、Ｕは流速、Ｄｈは水力直径、μは粘度、Ｑは流量、ｗｐは狭窄流路幅、ｈは流路高さ、θは角度２４ａ＝角度２４ｂとし、計算に用いた密度は１００６ｋｇ／ｍ^３、粘度は０．０００８８２Ｐａ・ｓとし、流路深さ、狭窄流路幅は各実施例記載の値を用いた。

実施例１、比較例１に対して上述の式を用いて計算を行い、変化率が最も大きいｘ＝０の時のｄＲｅ／ｄｘを表１にまとめた。

渦流が抑制される条件（実施例１）ではｄＲｅ／ｄｘ＝−９．８４．１８×１０^６となることから、ｄＲｅ／ｄｘが−９．８４×１０^６以上となる条件であれば渦流れを抑制可能となることが分かる。

（圧力損失の計算）
図３（ａ）に示すモデルを用いて圧力損失を算出した。圧力損失ΔＰの計算は下式に従って行った。

式（１）ξ＝６７．６×１０−６×θ２．１７
式（２）ΔＰ＝ξρｕ２／２
ここで、ξは損失係数、θは角度２４ｂ、ρは密度、ｕは狭窄流路内の流速とし、計算に用いた密度は１００６ｋｇ／ｍ^３を用いた。

実施例１、比較例１に対して上述の式を用いて計算を行い、圧力損失ΔＰを表２にまとめた。

渦流が抑制される条件（実施例１）では圧力損失ΔＰ＝１７．８９ｋＰａとなることから、ΔＰが１７．８９ｋＰａ以下となる条件であれば渦流れを抑制可能となることが分かる。

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
１５ａ、１５ｂ、１５ｃアウトレット
１６狭窄流路
１６ａサンプル液側狭窄流路壁面
１６ｂシース液側狭窄流路壁面
１７拡大流路
１７ａサンプル液側拡大流路壁面
１７ｂシース液側拡大流路壁面
１８ａ、１８ｂ分岐流路
１９拡大開始点
２０検出ライン
２１領域
２２ドレイン流路
２３アウトレット
２４ａ、２４ｂ角度
３０画像取得エリア
３１分岐点
５１狭窄流路幅（Ｗｐ）
５２拡大部での流路幅（Ｗｘ）
１００Ｐ流体
１００Ｎ流体

Claims

一方の末端に流体導入口を備え、もう一方の末端において他の分岐流路と合流する２以上の分岐流路、当該２以上の分岐流路が合流して形成される狭窄流路、及び狭窄流路のもう一方の末端に接続され、流路幅が拡大される拡大流路を有する粒子分離装置を用いた粒子分離方法であって、
前記狭窄流路から前記拡大流路へ移る起点で、流れのレイノルズ変化率ｄＲｅ／ｄｘが−９．８４×１０^６以上となるように、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し、もう一方の分岐流路の流体導入口から分離対象の粒子を含まない流体を導入することを特徴とする前記方法。
一方の末端に流体導入口を備え、もう一方の末端において他の分岐流路と合流する２以上の分岐流路、当該２以上の分岐流路が合流して形成される狭窄流路、及び狭窄流路のもう一方の末端に接続され、流路幅が拡大される拡大流路を有する粒子分離装置を用いた粒子分離方法であって、
前記狭窄流路から前記拡大流路に流れた際の圧力損失ΔＰが１７．８９ｋＰａ以下となるように、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し、もう一方の分岐流路の流体導入口から分離対象の粒子を含まない流体を導入することを特徴とする前記方法。