JP2020116532A - 微小流路構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
粒子を含み得る液体を導入するための導入口を有する導入流路と、
前記導入流路と略鉛直になるように接続された分岐流路と、
前記分岐流路に接続された互いに水平な2以上の接続流路と、
全ての前記接続流路が合流する拡大流路と、
流体を排出するための排出口を有する、前記拡大流路の末端に接続された排出流路と、
を備えた微小流路構造体であって、
前記分岐流路、前記接続流路及び前記拡大流路は同一平面上にあり、
前記導入流路は前記分岐流路の末端以外の部分に接続され、
前記接続流路は前記分岐流路の両末端に少なくとも接続され、
前記拡大流路は前記分岐流路の両末端の距離以上の幅を有することを特徴とする前記構造体である。
粒子とは、溶液中に単独または凝集状態で分散する不溶性物質のことをいい、その粒径が後述する導入流路や分岐流路の流路幅より小さければ特に限定はない。一例として、ポリスチレンビーズ、ジルコニアビーズ、シリカゲルなどのビーズ、粉砕用ボール、液晶用スペーサー、クロマトグラフィー用分離剤、吸着剤といった工業材料からなる粒子や、タンパク凝集体などの非均一な粒子群、細胞、ウイルス、オルガネラ、小胞といった生体材料からなる粒子があげられる。
(1)微小流路パターンの設計
3D CADソフト「SOLIDWORKS 2017」(Dassault Systemes製)を用いて、接続部12から拡大流路40へと接続される流路パターンが異なる微小流路構造体を複数設計した。導入流路11及び排出流路51を底面(拡大流路40の面)に対し垂直方向に配置し、各流路幅は内径1mmの円柱状で設計した。導入流路11の長さを7.4mm、接続部12から拡大流路40までの長さを17.5mm(図2の長辺方向の流路は左から5mm、12.5mm、図3の長辺方向の流路は左から5.5mm、6mm、6mm)、拡大流路40の長さを106mm、排出流路51の長さを7.4mm、拡大流路40の幅は21mm、流路高さは0.75mm、それ以外の流路の幅は1mm、流路高さは0.55mmで設計した。なお、拡大流路を除く流路の長さとは流路の中線の長さ、拡大流路の長さとは流路の両端の最長距離、流路高さとは流路の底面から流路の天井までの距離をそれぞれ指す。
(2)流体シミュレーション
流体シミュレーションソフト「SOLIDWORKS Flow Simulation」(Dassault Systemes製)を用いて前記(1)で設計した微小流路構造体100に対して液体を導入するシミュレーションを実施した。あらかじめ全ての流路が水で満たされた微小流路構造体100に導入口10より水を100μL/秒で導入し、排出口50から環境圧力(1気圧)で排出するモデルを構築し、シミュレーションした。
導入流路11と略鉛直になるように接続された分岐流路20を有さずに拡大流路40に接続する態様(図2A)とした場合、拡大流路40の外端近傍に液体が拡散しづらいことが分かった(図2B、C)。また、同様に導入流路11と略鉛直になるように接続された分岐流路20を有さず、途中でトーナメント状に二度分岐(一度目の分岐における流路間の距離が12.2mm、二度目の分岐における流路間の距離が6mm)する態様(図3A)としても、拡大流路40の外端近傍に流体が拡散しづらい結果が得られた(図3B)。
一方、接続部12から導入流路11と略鉛直になるよう接続された分岐流路20を有する態様(図4A)とした場合、拡大流路40の外端近傍への液体の拡散が改善することが分かった(図4B、C)。また、接続部12から導入流路11と略鉛直になるように接続された分岐流路20を有し、接続流路30からさらに分岐(分岐地点は接続部12から4mm、分岐路31の流路幅は1.5mm、接続流路30と分岐路31の距離は7.5mm)して拡大流路40に接続する態様(図5A)としても、拡大流路40の外端近傍への液体の拡散が改善することが分かった(図5B)。なお、流路間の距離とは流路の外側同士の最短距離を指す。
(1)微小流路パターンの設計
実施例1と同様に、3D CADソフト「SOLIDWORKS 2017」(Dassault Systemes製)を用いて拡大流路40に接続する接続流路30の本数の異なる微小流路構造を複数設計した。導入流路11及び排出流路41を底面(拡大流路40の面)に対し垂直方向に配置し、各流路幅は内径1mmの円柱状で設計した。導入流路11の長さを7.4mm、分岐流路20及び接続流路30の流路幅は1mm(ただし、図9に示す構造体では中央の接続流路に限り流路幅は0.6mm)、接続部12から拡大流路40までの接続流路の長さを5mm、拡大流路40の長さを119mm、排出流路51の長さを7.4mm、拡大流路40の幅は21mm、流路高さは1mm、それ以外の流路高さは0.5mmで設計した。
(2)流体シミュレーション
実施例1と同様に、流体シミュレーションソフト「SOLIDWORKS Flow Simulation」(Dassault Systemes製)を用いて前記(1)で設計した微小流路構造体100に対して液体を導入するシミュレーションを実施した。
接続流路30の数を二本(図6、接続流路30間の距離は19mm)、三本(図7、接続流路30間の距離は上から9mm、9mm)、四本(図8、接続流路30間の距離は上から6mm、5mm、6mm)、五本(図9、接続流路30間の距離は上から5mm、3.2mm、3.2mm、5mm)と増やし、拡大流路内の液体の拡散具合について比較したところ、五本としたときが拡大流路内の液体が最も均一に分散した。
実施例1及び2の結果が、粒子を含む液体に対しても同様な結果となるか検討した。
粒子動態のシミュレーションが可能な「SOLIDWORKS Flow Simulation」(Dassault Systemes製)を用いて、図3及び9に示す微小流路構造体内での粒子分散を検討した。なお、粒子を含む液体として、比重1.07g/mL、大きさ10μmの粒子の懸濁液を用い、シミュレーションした。
実施例1及び2に示す結果と同様、導入流路11と略鉛直になるように接続された分岐流路20を保有せず、拡大流路40に接続する流路の途中でトーナメント状に分岐する態様としたときは拡大流路の外端付近に粒子が分散しなかったが(図10)、導入流路11と略鉛直になるように接続された分岐流路20を保有し、五本の接続流路30を形成する態様(図11)としたときは拡大流路40内に粒子が均一に拡散することがわかった。
実施例1及び2のシミュレーション結果が実際に適当であるか検証した。
図2及び図9の構造体を3Dプリンタ「ProJetMJP 5500X」(3D Systems製)で造形した。このとき、微小流路構造体を底板(25×127mm)と天板(25×119mm)で挟むことで拡大流路を閉鎖空間とした。また、底板を造形材料「VisiJet CR−WT」、微小流路構造体を造形材料「RWT−ENT 650」を用いて一体造形した構造体と、天板として厚さ1.1mmのガラス板とを使用した。超純水で満たした微小流路構造体に、20mlのシリンジ(テルモ製)に含んだ適当な濃度のクリスタルバイオレット溶液をシリンジポンプ「KDS210」(KD Scientific製)を用いて100μL/秒で導入した。
実施例1及び2に示す結果と同様、導入流路11と略鉛直になるように接続された分岐流路20を有さず、拡大流路40に接続する態様としたときはAの枠内(拡大流路)で溶液が十分に分散されていないが(図12)、導入流路11と略鉛直になるように接続された分岐流路20を有し、五本の接続流路30を形成する態様としたときはAの枠内(拡大流路)で溶液が分散することがわかった(図13)。
10:導入口
11:導入流路
12:導入流路と分岐流路との接続部
20:分岐流路
30:接続流路
31:分岐路
40:拡大流路
50:排出口
51:排出流路
Claims (5)
- 粒子を含み得る液体を導入するための導入口を有する導入流路と、
前記導入流路と略鉛直になるように接続された分岐流路と、
前記分岐流路に接続された互いに水平な2以上の接続流路と、
全ての前記接続流路が合流する拡大流路と、
流体を排出するための排出口を有する、前記拡大流路の末端に接続された排出流路と、
を備えた微小流路構造体であって、
前記分岐流路、前記接続流路及び前記拡大流路は同一平面上にあり、
前記導入流路は前記分岐流路の末端以外の部分に接続され、
前記接続流路は前記分岐流路の両末端に少なくとも接続され、
前記拡大流路は前記分岐流路の両末端の距離以上の幅を有することを特徴とする前記構造体。 - 前記接続流路の本数が三本から五本であることを特徴とする請求項1に記載の構造体。
- 前記接続流路が分岐路を有しており、前記分岐路の末端も前記拡大流路に合流することを特徴とする請求項1または2に記載の構造体。
- 前記拡大流路が前記液体に含まれる粒子を保持可能な流路であることを特徴とする請求項1から3に記載の構造体。
- 粒子を含む液体を請求項4に記載の構造体に導入する工程と、
拡大流路に保持された前記粒子を光学的に検出する工程と、
を含む、前記液体中に含まれる粒子を検出する方法。
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- 2019-01-24 JP JP2019010404A patent/JP2020116532A/ja active Pending
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