JP4357902B2

JP4357902B2 - 液体分離装置及び液体分離方法

Info

Publication number: JP4357902B2
Application number: JP2003307482A
Authority: JP
Inventors: 三七男山本; 正隆新荻
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005074309A

Description

本発明の技術分野は流路内部で液成分を分離する液体分離装置及び液体分離方法に関し、特に全血から血球成分と血漿や血清を分離したり、混合液中の蛋白質やＤＮＡを分離したりする医用装置、さらに医用以外にも食品用や薬用の液体分離装置及び液体分離方法に関する。

従来の技術１は、流路内部に配置したろ過手段によって分離した後、Ｕ字型の分離手段内部に液を流し、その場に蓄積し、流路自身を回転させることによる遠心分離法によって分離を行う。また、これら分離手段は、どちらか一方だけで行う場合もある。

前記従来のろ過手段とは、混合液を分離する際に、フィルターとして流路内部に混合物よりも小さな流路群を介在させて、混合物をせき止めて通過した成分を分離するろ過フィルター、または、フィルターとして用意された流路パターン郡が、混合物の通過を阻止する流路群の流路幅を、流路の上流から段階的に小さくして、混合物の大きさごとに分離するフィルター流路である（例えば、特許文献１参照。）。

従来の技術２は、第１及び第２のフィルターを備える。上記第１のフィルターは、貫通する微細孔が網目状に形成されたシリコーンの網目フィルター部を含む。上記第２のフィルターは、貫通する微小孔が形成されたシリコーンの微小孔フィルター部を含む。上記第１及び第２のフィルターは、上記網目フィルター部から上記微小孔フィルター部に連通するように積層される。そして、網目フィルター部に導入された血液の血球成分は網目フィルター部の微細孔を進む速度が相対的に遅く、他の成分は相対的に速いので、網目フィルター部からは、大部分の血球成分が分離された血液成分が流出する。網目フィルター部を通過した血液成分は、次に、微小孔フィルター部に導入される。微小孔フィルター部の微小孔は、血球成分が微小孔を通過できない大きさに形成しておくことにより、網目フィルター部を通過した血液成分中に含まれていた血球成分も微小孔フィルター部で分離され、微小孔フィルター部を通過した血液成分が血球成分を含まないように分離する（例えば、特許文献２参照。）。

従来の技術３は、ヘモグロビン，蛋白等高分子量の特定の生体成分を測定するに際し、流路内にゲルろ過カラムを設けた装置であり、その中に液体を流すて特定生体成分を含む検査対象液をゲル濾過処理して特定生体成分を他成分から分離した上で測定するゲル濾過法を用いる方法がある（例えば、特許文献３参照。）。

従来の技術４は蛋白質のフロー・インジェクション・アナリシス法において、蛋白質バイオセンサと測定サンプル注入部とを別流路に設け、注入された測定サンプルを分離膜と接触させ、蛋白質以外の成分が分離できる装置である（例えば、特許文献４参照。）。

従来の技術５は、チップ上に二本の流路を並列に配置して、片方の流路に血液、もう片方の流路に生理食塩水を流し、二本の流路間には血液流路側からもう片方にテーパのついた数μｍの穴があけられている。この穴を通して血漿を抽出分離する（例えば、非特許文献１参照。）。

従来の技術６は、チップ上の流路内に小さな柱状物で壁を作ることにより流路を形成し、その中にＤＮＡ分子を含む液体を流して、大きなＤＮＡ分子流路をながれ、小さなＤＮＡ分子は柱状物の隙間にトラップされることによりゆっくり流れ、この流れの差によってＤＮＡ分子を分離する（例えば、非特許文献２参照。）。
特開２００３−１０２７１０号公報（第２−３頁）特開２００３−２０７５０４号公報（第２−３頁）特開平０５−３１２８０１号公報（第２−３頁）特開平０９−１８９６７７号公報（第２−３頁） PLANAR ULTRA-FILTRATION CHIP FOR RAPID PLASMA SEPARATION BY DIFFUSION, K Iida, H Kawaura, N Iguchi, T Sano, and M Baba, Micro TAS 2002, Vol.2, 627-629 SIZE EXCLUSION CHROMATOGRAPHY WITH PATTERNED NANO-PILLAR ARRAY, M Baba, T Sano, N Iguchi, K Iida, T Sakamoto, and H Kawaura, Micro TAS 2002, Vol.2, 763-765

従来の技術１の問題点は、ろ過をして流路をせき止めてしまうと、それ以上液が流れなくなり、液体分離が止まってしまう。また、遠心分離を行っているが、これは流路そのものを回転させるため、装置が大掛かりで複雑になるため装置が壊れやすい。また、ろ過の手段として、フィルターを使って流路パターン郡を形成しているが、このような流路を形成した場合、各流路の流れを制御することが不可能である。例えば、必要な混合物の流路だけを選択的に分離しようとして、取出流路を形成した場合、その部分の流路抵抗の変化が他の部分の流路に影響し、小さい混合物の別流路への逆流が起こりえる。

従来の技術２の問題点は、フィルターが流路では無いので、流れの中でフィルタリングできない。フィルターにトラップされた血球成分はそこに留まり、流体として取り出すことができない。また、微小孔フィルター部においても、血球を通過させないため、分離して流体として流体として取り出すことができない。

従来の技術３の問題点は、ヘモグロビン，蛋白等高分子量の特定の生体成分を測定するに際し、流路内にゲルろ過カラムを設けているが、ゲルろ過処理の場合、時間差をもって流体が流れ出てくるので、流路を分岐して別々の流路で分離して取り出すことができない。さらに、流れ出てくる物質の分離タイミングを正確に計って分離を行う必要がある。これは非常に難しい。

従来の技術４の問題点は、サンプルを分離膜に接触させることによって蛋白質以外の物質をトラップしているが、この方法では複数の混合した蛋白質の中から特定の分子量の違う蛋白質を分離することはできない。

従来の技術５の問題点は、二本の流路に別々の液体を同時に流す必要があるので、流体の制御が難しい。また、二本の流路の流速のバランスによっては生理食塩水がたくさん並んだテーパ上の穴から逆流する恐れもある。

従来の技術６の問題点は、従来技術３の問題点と同様に、時間差をもって流体が流れ出てくるので、流路を分岐して別々の流路で分離して取り出すことができない。さらに、流れ出てくる物質の分離タイミングを正確に計って分離を行う必要がある。これは非常に難しい。

また、全体的な課題として、ろ過したり、ゲルや小さな柱状物をもちいてゆっくりな流れを作るような方法では、流れがせき止められるので、分離に時間がかかるという問題がある。

液体分離を行う上で、流路内で流れをせき止めることなく、分離しても全ての成分は流れることができ、また、遠心分離のような大掛かりな装置を必要とせず、一度分離したものが逆流することも無く高速で分離するために、以下のような手段を用いた。

分離装置内部の流路内部に液流速分布を持たせる流速変化手段を備え、流速変化手段を通過し流速分布を持った液体に対して、分離する成分が存在する流速が生じる場所の流路に取得口を用意した。

そして、流速変化手段は、流路内部に第１の流路から第１の流路よりも太い第２の流路に変化する流路抵抗変化部を有し、液体が流路抵抗変化部を通過することにより流速分布を持たせるようにした。

さらに、流速変化手段と取得口は、流路として液体流路が設けられたチップ内部に配置され、流路内に混合液を流すだけで、流速変化により自然に分離する仕組みとした。さらに、流速変化手段を通過後の流れが層流となるような流路を用いた。

そして、血液から血球成分と血漿成分を分離することができ、医用または食品用混合液から、液内に存在する蛋白質を分離することができ、また、医用混合液に存在するＤＮＡを分離することができる。

液体を流しながら分離できるように、路内を流れる二成分以上が混ざった混合液に対して、流路内の流路抵抗の異なる流路を通過させることによって、層流が支配的となる微小流路内部に流速分布を作り、微小流路内部に流速分布に対応して混合液の成分が分離して流れる状態を作り、それぞれの分離したい成分が流れている層流に液体取得口を配置し液体分離を行う方法を用いた。

前記の手段を用いる場合の流路内部の分離の様子を説明する。液体内部に介在する物質はその大きさや形状効果によって、液体の流れの中に分布して流れる。その分布の仕方は流速の分布によく一致する。例えば血液を流路内に流した場合、血液内に含まれる赤血球のような血球成分は、回転しながら流れの速い流路の中央部分に集まり、血漿成分は流れの遅い流路の壁付近に集まる。そして、この様な特徴的な流れ方は流速が広く分布するほど顕著に現れる。そこで、本発明においては、流速分布を広くするために流路抵抗変化部を用いて、液体が広い流路に噴射されるような流路構造を作っている。

さらに、流路内で流速の分布が保たれるように、流路は層流を起こす構造となっている。その構造は、レイノルズ数Ｒｅが小さくなるように設計されている。流れる液体の慣性力Ｆｉを１式に、粘性力を２式に現す。

Ｆｉ＝ρｖ２Ｌ２ (1)
Ｆｖ＝μｖＬ (2)
ここで、ρは密度、ｖは代表される流速、Ｌは太さを代表する長さ、μは粘性係数である。レイノルズ数Ｒｅは３式に表すように、１式と２式の比である。粘性力の値が慣性力よりも大きくなると、レイノルズ数は１以下になり層流が生じる。ただし、レイノルズ数が１以下でなくても層流が発生することもある。

Ｒｅ＝Ｆｉ／Ｆｖ (3)
本発明では、Ｌが非常に小さくなるような流路を形成し、レイノルズ数が小さくなるように設計している。

すなわち、流路抵抗変化部により幅広い流速分布を作り、層流となる流路を用いてそれを維持し、流速分布に分布した分離対象物を取得口により効率良く取得していく分離方法となっている。

装置内部の流路内部に流速分布を生成する流速変化手段と、流速変化手段を通過し流速分布を持った液体に対して、流速分布により分布された成分に合わせて液体取得手段を有する液体分離装置を用いることにより、遠心分離のような複雑な装置を使うことなく、また、固形物が流路のフィルターに詰まることなく分離ができる。

流速変化手段に流路内部に第1の流路から第1の流路よりも太い第２の流路に変化する流路抵抗変化部を有し、液体が流路抵抗変化部を通過することにより流速を分布させることにより、流路の中でより大きな流速分布を作り上げることができ、分離能力が上がる。

液体取得手段として、流速の速い部分に存在する有形成分を取り出す取得口と流速の遅い部分に存在する無形成分を取り出す取得口を有することにより、流れの中で簡単に固形物分離を行うことができる。

液体取得手段として、流速の速い部分に存在する分子量の大きな成分を取り出す取得口と流速の遅い部分に存在する分子量の小さな成分を取り出す取得口を有することにより、例えば高分子物質のような分子量の異なる成分を流れの中で簡単に分離することができる。

流速変化手段と液体取得手段を流路として液体流路が設けられたチップ内部に配置することにより、一つの基板内部で分離処理が完結できる上、使用済みのチップは交換可能とできるので、血液等を流した場合にも衛生的で良い。

流速変化手段と液体取得手段が配置された流路を、流速変化手段を通過後、液体の流れが層流となるように作ることにより、分離するための成分分布を流路内で長距離、長時間維持することができ、取得口の配置を密にしなくても良いため、取得口の作製が容易となる。また、層流を維持できているために、成分が分布した後に再び混ざることなく流れ、精度良く分離抽出することができる。

混合液を血液とすることで、血液内に存在する血球成分と血漿成分を分離でき、マーカー検査する前の分離に、場所と手間をとらないで検査ができる。

医用混合液に存在する蛋白質を分離することで、蛋白質の検査を行うときに、検査前の分離に、場所と手間をとらないで検査ができる。

医用混合液に存在するＤＮＡを分離することで、ＤＮＡ検査の検査を行うときに、検査前の分離に、場所と手間をとらないで検査ができる。

流路内を流れる二成分以上が混ざった混合液に対して、流路内の流路抵抗の異なる流路を通過させることによって、層流が支配的となる微小流路内部に流速分布を作り、微小流路内部に流速分布に対応して混合液の成分が分布して流れる状態を作り、それぞれの分離したい成分が流れている層流に液体取得口を配置し液体取得口より液体を抽出、分離を行うことにより、流路内部の流体の流れが滞ることなく、流路を回転させるような機械的な仕組みを持たず、複数の流路に異なる成分の液体を同時に流すことなく、混合液体を流すだけで簡単に成分分離ができる。

本発明の実施の形態について以下に図面に基づいて説明する。

本発明の実施例１について、図１に基づいて説明する。図１には分離装置の構成を示した。混合液体は流路１１を左から流れる。流路１１内部に流速変化手段となる流路抵抗変化部１２を持ち、流路抵抗変化部１２の第１の流路１１４から第２の流路１１５に流れ出る時に流路抵抗が変化する。そして、第２の流路１１５側に液体取得手段となる第１の取得口１３１と第２の取得口１３２がある。第１の取得口１３１は分離成分Ａ流路１１１につながっている。また、第２の取得口１３２は分離成分Ｂ流路１１２につながっている。そして、分離後残った液体が流れる残液流路１１３が存在する。

実施例１の流路について、代表的な部分の断面図を図２に示す。Ａ−Ａ’断面図は流路抵抗変化部１２と第１の取得口１３１のあるところを示している。パイプ上の流路１１を円錐形に絞って細くなった第１の流路１１４に続いている。そして、第２の流路１１５に第１の取得口１３１が存在する。この第１の取得口１３１は分離成分Ａ流路１１１に続いている。また、Ｂ−Ｂ’断面に示すように、第２の流路１１５は第１の取得口１３１から少しはなれて第２の取得口１３２が配置されている。この第２の取得口１３２は流路１１のほぼ真ん中に配置されている。そして、Ｃ−Ｃ’断面に示すように、第２の取得口１３２は分離成分Ｃ流路１１２につながり、流路１１の外に配管されている。

次に、本発明の実施例１について、分離装置の仕組みと分離結果について説明する。図３に分離の様子を図示している。実施例１において、分離装置はプラスチックの管を用いて作製した。材質は塩化ビニルを用いたが特に耐薬品性のある材料であれば何でも良い。管内に流路抵抗変化部１２を配置し、第２の流路１１５の部分に穴を開けて第１の取得口１３１と第２の取得口１３２を配置した。流路径は１mmとし、第１の流路１１４の径を0.5mm、第２の流路１１５の径を1mmとした。また、第２の取得口１３２以降の流路は残液流路１１３として、廃液槽に繋いでいる。そして、この装置に成分Ａ，Ｂ，Ｃが混合した液を分離装置に送液した。実施例１では全血を流した。成分Ａは血漿、成分Ｂは白血球、成分Ｃは赤血球を意味することとなる。

全血を図３の矢印の方向に流すと、流路抵抗変化部１２を通過するときに、第２の流路１１５に混合液、ここでは全血が噴出する事により、流速の大きな管内分布が発生する。発生した管内流速分布の様子を速度分布ベクトル１８に表現している。流速分布は0.1mm/sから50mm/s程度である。このときに、流れの速い部分に成分Ｃ、ここでは赤血球が集中する、そして、流れの遅い部分に成分Ａ、ここでは血漿が集中する。また、その中間的な速度部に成分Ｂ、ここでは白血球が集中する。

そして、流路径が1mmと非常に小さいので、レイノルズ数が小さくなり乱流が発生せず層流となる。そこで、各流速分布に集中した成分について、その流速が存在する場所、ここでは成分Ａ、血漿を取り出す為に、流路壁に近い側に第１の取出口１３１を設置し、流路の中心付近に第２の取出口１３２を設置した。この分離装置を用いる事によって、成分Ａ、ここでは血漿、と成分Ｃ、ここでは赤血球を分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２から取り出す事が出来た。

実施例１では、分離装置を用いて全血から血漿と赤血球の分離を行ったが、本装置に蛋白質が混合された医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れる蛋白質成分や高分子成分を、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２から分子量の違いに応じて分離抽出することもできた。また、ＤＮＡを含む医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れるＤＮＡを、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２から種類の違いに応じて分離抽出することもできた。

本発明の実施例２について、図４に基づいて説明する。図４には分離装置の構成を示した。混合液体は流路１１を左から流れる。流路１１内部に流速変化手段となる流路抵抗変化部１２を持ち、流路抵抗変化部１２の第１の流路１１４から第２の流路１１５に流れ出る時に流路抵抗が変化する。そして、第２の流路１１５側に液体取得手段となる第１の取得口１３１と第２の取得口１３２がある。第１の取得口１３１は分離成分Ａ流路１１１につながっている。第１の取得口１３１は第１の流路１１４の両側に２ヶ所存在する。また、第２の取得口１３２は分離成分Ｂ流路１１２につながっている。そして、分離後残った液体が流れる残液流路１１３が存在する。

実施例２の流路について、代表的な部分の断面図を図５に示す。Ａ−Ａ’断面図は流路抵抗変化部１２と第１の取得口１３１のあるところを示している。流路１１は、四角形の流路１１の流路幅を絞って細くなった第１の流路１１４に続いている。そして、第２の流路１１５に第１の取得口１３１が２ヶ所に分かれて存在する。この第１の取得口１３１は分離成分Ａ流路１１１に続いている。取得口１３１は第２の流路１１５の上部に配置されている。また、Ｂ−Ｂ’断面に示すように、第２の流路１１５は第１の取得口１３１から少しはなれて第２の取得口１３２が配置されている。この第２の取得口１３２は流路のほぼ真ん中に位置する流路の上部に配置されている。そして、第１の取得口１３１と第２の取得口１３２は分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２につながり、残液流路１１３とは別に配置している。

次に、本発明の実施例２について、分離装置の仕組みと分離結果について説明する。分離時における混合液の流れ方及び混合成分の分布は実施例１と同様である。実施例２において、分離装置はガラスとシリコーン樹脂を用いて作製した。シリコーン樹脂にはポリジメチルシロキサン(PDMS)を用い、PDMSを流路状に模った後、ガラスチップの上に接合してチップタイプの分離装置を作製した。実施例２ではシリコーン樹脂とガラスを用いたが、流路として成形ができる材料であれば何でも良い。流路１１の幅は100μmと高さは50μmとした。第１の流路１１４の幅が1 0μmとなるように、流路抵抗変化部１１２において、次第に幅を細くした。第２の流路１１５の幅を100μmとした。また、第２の取得口１３２以降の流路は残液流路１１３として、廃液槽に繋いでいる。そして、この装置に成分Ａ，Ｂ，Ｃが混合した液を分離装置に送液した。実施例２でも全血を流した。成分Ａは血漿、成分Ｂは白血球、成分Ｃは赤血球を意味することとなる。

実施例１と同様に、全血を流すと、流路抵抗変化部１２を通過するときに、第２の流路１１５に混合液、ここでは全血が噴出する事により、流速の大きな管内分布が発生する。流速分布は0.1mm/sから50mm/s程度である。このときに、流れの速い部分に成分Ｃ、ここでは赤血球が集中する、そして、流れの遅い部分に成分Ａ、ここでは血漿が集中する。また、その中間的な速度部に成分Ｂ、ここでは白血球が集中する。

そして、流路径が100μmと非常に小さいので、レイノルズ数が小さくなり乱流が発生せず層流となる。そこで、各流速分布に集中した成分について、その流速が存在する場所、ここでは成分Ａ、血漿を取り出す為に、流路横側の壁に近い部分の上部に第１の取出口１３１を設置した。ここで、流速分布は扇型となるため、成分Ａの分布も第１の流路１１４の出口を中心に両側２ヶ所存在する。そこで、その部分に第１の取得口１３１が来るように取得口を２ヶ所設置した。そして、そのから150μm離れたとろの流路の中心付近上部に第２の取出口１３２を設置している。この分離装置を用いる事によって、成分Ａ、ここでは血漿、と成分Ｃ、ここでは赤血球を分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２から取り出す事が出来た。また、本実施例において送液した流量は１０μＬであり、分離した血漿は３μＬ、赤血球は３μＬであった。このように混合液が微量であっても安定して成分を分離することができる。

実施例２では、分離装置を用いて全血から血漿と赤血球の分離を行ったが、本装置に蛋白質が混合された医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れる蛋白質成分や高分子成分を、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２から分子量の違いに応じて分離抽出することもできた。また、ＤＮＡを含む医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れるＤＮＡを、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２から種類の違いに応じて分離抽出することもできた。

さらに、図６に示すように、第３の取得口１３３を第１の取得口１３１と第２の取得口１３２の間に設置し、成分Ｂの分離を行った結果、分離成分Ｂ流路１１６に成分Ｂ、ここでは白血球を分離取り出すことができた。混合物の分布は実施例１の図３と同等の分布となっている。また、図６の装置においては、全血からの分離を行ったが、前記と同様に、蛋白質が混合された医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れる蛋白質成分や高分子成分を、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２と分離成分Ｂ流路１１６から分子量の違いに応じて分離抽出することもできた。また、ＤＮＡを含む医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れるＤＮＡを、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２と分離成分Ｂ流路１１６から種類の違いに応じて分離抽出することもできた。

さらにまた、本実施例では流路抵抗変化部１２の構造を直線的に絞っている構造としたが、図１０に示すように、円状の流壁を２つ近づけて透き間を作り、その間に混合液を流すことにより流速を変化させる構造としても良い。この構造の場合、円状の流壁の最も近づいている部分が第１の流路１１４となり、その後流路幅が広がっていく部分が第２の流路１１５となる。流路抵抗変化部１２に円状の流壁を用いると、直線的なノズルのような形状に比較して、流速の急激な変化が緩和され、より層流になりやすく、乱流が発生しづらい。この流路を用いて前記と同様の全血分離を行った結果、図６に示した流路を使って分離したものと同様の結果を得た。

本発明の実施例３について、図７に基づいて説明する。図７には分離装置の構成を示した。実施例３は実施例２の分離部分を並列に３つ配置したものである。混合液体は流路１１を左から流れる。流路１１内部に流速変化手段となる流路抵抗変化部１２を３ヶ所持ち、３ヵ所の第１の流路１１４から第２の流路１１５に流れ出る時に流路抵抗が変化する。そして、第２の流路１１５側に液体取得手段となる第１の取得口１３１と第２の取得口１３２がある。第１の取得口１３１は分離成分Ａ流路１１１につながっている。第１の取得口１３１は３ヶ所の第１の流路１１４の両側に２ヶ所ずつ６ヶ所存在する。また、第２の取得口１３２は第１の流路１１４の延長上に３ヵ所存在し、まとまって分離成分Ｂ流路１１２につながっている。そして、分離後残った液体が流れる残液流路１１３が存在する。

次に、本発明の実施例３について、分離装置の仕組みと分離結果について説明する。図８に分離の様子を図示している。実施例３において、分離装置は実施例２と同様にガラスとシリコーン樹脂を用いて作製した。シリコーン樹脂にはポリジメチルシロキサン(PDMS)を用い、PDMSを流路状に模った後、ガラスチップの上に接合してチップタイプの分離装置を作製した。本実施例ではシリコーン樹脂とガラスを用いたが、流路として成形ができる材料であれば何でも良い。流路１１の幅は300μmと高さは50μmとした。第１の流路１１４の幅がそれぞれ10μmとなるように、流路抵抗変化部１１２において、次第に幅を細くした。第２の流路１１５の幅を300μmとした。また、第２の取得口１３２以降の流路は残液流路１１３として、廃液槽に繋いでいる。そして、この装置に成分Ａ，Ｂ，Ｃが混合した液を分離装置に送液した。本実施例では全血を流した。成分Ａは血漿、成分Ｂは白血球、成分Ｃは赤血球を意味することとなる。実施例２と同様に、全血を図８の矢印の方向に流すと、流路抵抗変化部１２を通過するときに、第２の流路１１５に混合液、ここでは全血が噴出する事により、流速の大きな管内分布が発生する。発生した管内流速分布の様子を速度分布ベクトル１８に表現している。流速分布は0.1mm/sから50mm/s程度である。このときに、流れの速い部分に成分Ｃ、ここでは赤血球が集中する、そして、流れの遅い部分に成分Ａ、ここでは血漿が集中する。また、その中間的な速度部に成分Ｂ、ここでは白血球が集中する。

そして、流路径が300μmと非常に小さいので、レイノルズ数が小さくなり乱流が発生せず層流となる。そこで、各流速分布に集中した成分について、その流速が存在する場所、ここでは成分Ａ、血漿を取り出す為に、３ヶ所ある第１の流路１１４を挟んで６ヶ所の上部に第１の取出口１３１を設置した。この部分に設置するのは実施例２と同様の理由で、流速分布は扇型となるため、成分Ａの分布も第１の流路１１４の出口を中心に両側２ヶ所存在するからである。そして、第１の流路１１４の噴出し口から150μm離れたとろの延長線上の流路上部に第２の取出口１３２を３ヵ所設置している。この分離装置を用いる事によって、成分Ａ、ここでは血漿、と成分Ｃ、ここでは赤血球を分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２から取り出す事が出来た。また、このときの分離速度は実施例２と比較して３倍速かった。

実施例３では、分離装置を用いて全血から血漿と赤血球の分離を行ったが、本装置に蛋白質が混合された医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れる蛋白質成分や高分子成分を、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２から分子量の違いに応じて分離抽出することもできた。また、ＤＮＡを含む医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れるＤＮＡを、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２から種類の違いに応じて分離抽出することもできた。

さらにまた、本実施例では流路抵抗変化部１２の構造を直線的に絞っている構造としたが、図１１に示すように、円状の流壁を２つ近づけて透き間を作り、その間に混合液を流すことにより流速を変化させる構造としても良い。この構造の場合、円状の流壁の最も近づいている部分が第１の流路１１４となり、その後流路幅が広がっていく部分が第２の流路１１５となる。図１１の場合、流路抵抗変化部１２を２ヵ所並列に配置した構造とした。流路抵抗変化部１２に円状の流壁を用いると、直線的なノズルのような形状に比較して、流速の急激な変化が緩和され、より層流になりやすく、乱流が発生しづらい。この流路を用いて前記と同様の全血分離を行った結果、図７に示した流路を使って分離したものと同様の結果を得た。分離速度は実施例２に示した図１０の流路と比較して２倍速かった。

また、本実施例に示すように、分離部分を並列に複数個並べると効率の良い分離が出来る。

本発明の実施例４について、図９に基づいて説明する。図９には分離装置の構成を示した。本実施例は実施例２の分離部分を直列に２つ配置したものである。混合液体は流路１１を左から流れる。流路１１内部に流速変化手段となる流路抵抗変化部１２を２ヶ所持ち、分離が２段になっている。流路及び取得口の配置は実施例２と同様である。そして、流路後部には分離後残った液体が流れる残液流路１１３が存在する。

次に、本実施例について、分離装置の仕組みと分離結果について説明する。本実施例において、分離装置は実施例２、３と同様にガラスとシリコーン樹脂を用いて作製した。シリコーン樹脂にはポリジメチルシロキサン(PDMS)を用い、PDMSを流路状に模った後、ガラスチップの上に接合してチップタイプの分離装置を作製した。本実施例ではシリコーン樹脂とガラスを用いたが、流路として成形ができる材料であれば何でも良い。流路１１の幅は300μmと高さは50μmとした。第１の流路１１４の幅が10μmとなるように、次第に幅を細くした。第２の流路１１５の幅を300μmとした。さらに、第２の取得口１３２から2mm離して同じ分離部を設置した。同様に第１の流路１１４の幅が10μmとなるように、次第に幅を細くした。第２の流路１１５の幅を300μmとした。そして、分離二段目の第２の取得口１３２以降の流路は残液流路１１３として、廃液槽に繋いでいる。そして、この装置に成分Ａ，Ｂ，Ｃが混合した液を分離装置に送液した。本実施例では全血を流した。成分Ａは血漿、成分Ｂは白血球、成分Ｃは赤血球を意味することとなる。
実施例２と同様に、全血を流すと流路抵抗変化部１２を通過するときに、第２の流路１１５に混合液、ここでは全血が噴出する事により、流速の大きな管内分布が発生する。発生した管内流速分布の様子を速度分布ベクトル１８に表現している。流速分布は0.1mm/sから50mm/s程度である。このときに、流れの速い部分に成分Ｃ、ここでは赤血球が集中する、そして、流れの遅い部分に成分Ａ、ここでは血漿が集中する。また、その中間的な速度部に成分Ｂ、ここでは白血球が集中する。
そして、流路径が300μmと非常に小さいので、レイノルズ数が小さくなり乱流が発生せず層流となる。そこで、各流速分布に集中した成分について、その流速が存在する場所、ここでは成分Ａ、血漿を取り出す為に、３ヶ所ある第１の流路１１４を挟んで２ヶ所の上部に第１の取出口１３１を設置している。この部分に設置するのは実施例２と同様の理由である。また、第１の流路１１４の噴出し口から150μm離れたとろの延長線上の流路上部に第２の取出口１３２を１ヵ所設置している。そして、第１の取得口１３１と第２の取得口１３２の間に、第３の取得口１３３を２ヵ所設置している。この分離装置を用いる事によって、成分Ａ、ここでは血漿、と成分Ｂ、ここでは白血球と、成分Ｃ、ここでは赤血球を分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｂ流路１１６と分離成分Ｃ流路１１２に流れる。

しかしながら、まだ全ての成分が分離できたわけではなく、最初の分離部を通過した液体の中にも、分離されるべき成分Ａ，Ｂ，Ｃがまだ含まれている。そこで、本実施例のように二段に分離部を設けている。この装置の場合、もう一度流路抵抗変化部１２を経由して、速度分布を作り、成分分布を再分布させている。これは、層流であっても、流路を流れるときに拡散が起こり、成分の分布界面がはっきりしなくなり、成分が界面付近で混ざってくるためである。

この様に２段に分離部を構成することで、少ない量の混合液体から１つの分離部よりも効率良くたくさんの成分を分離することが出来た。本実施例では分離部を２つ直列に配置したが、２つ以上配置するほうがより、分離効率は上がる。

本実施例では、分離装置を用いて全血から血漿と赤血球の分離を行ったが、本装置に蛋白質が混合された医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れる蛋白質成分や高分子成分を、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｂ流路１１６と分離成分Ｃ流路１１２から分子量の違いに応じて分離抽出することもできた。また、ＤＮＡを含む医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れるＤＮＡを、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｂ流路１１６と分離成分Ｃ流路１１２から種類の違いに応じて分離抽出することもできた。

さらにまた、本実施例では流路抵抗変化部１２の構造を直線的に絞っている構造としたが、図１２に示すように、円状の流壁を２つ近づけて透き間を作り、その間に混合液を流すことにより流速を変化させる構造としても良い。この構造の場合、円状の流壁の最も近づいている部分が第１の流路１１４となり、その後流路幅が広がっていく部分が第２の流路１１５となる。図１２の場合も前記実施例と同様に、分離部を２ヵ所直列に配置した構造とした。流路抵抗変化部１２に円状の流壁を用いると、直線的なノズルのような形状に比較して、流速の急激な変化が緩和され、より層流になりやすく、乱流が発生しづらい。この流路を用いて前記と同様の全血分離を行った結果、図９に示した流路を使って分離したものと同様の結果を得た。分離効率としては、実施例２に示した図１０の流路と比較して、同じ混合液量から約２倍多く分離できた。従って、本実施例に示すように、分離部分を直列に複数個並べると効率の良い分離が出来る。

本発明の実施例５について、図１３に基づいて説明する。図１３には分離装置の構成を示した。混合液体は流路１１を左から流れる。流路１１内部に流速変化手段となる流路抵抗変化部１２を持ち、流路抵抗変化部１２の第１の流路１１４から第２の流路１１５に流れ出る時に流路抵抗が変化する。そして、第２の流路１１５側に液体取得手段となる第１の取得口１３１と第２の取得口１３２と第３の取得口１３３がある。
構造や寸法は実施例２、３、４に示した値と同じである。本実施例では、分離部を３段として段数が増えると共に並列に並べている流路抵抗変化部と取得口を増やしている構造である。

本実施例において全血を流した。成分Ａは血漿、成分Ｂは白血球、成分Ｃは赤血球を意味することとなる。この分離装置を用いる事によって、成分Ａ、ここでは血漿、と成分Ｃ、ここでは赤血球、と成分Ｂ、ここでは白血球を分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２と分離成分Ｂ流路１１６から取り出す事が出来た。

本実施例において、実施例２の図１０の装置を用いて分離した場合と比較して、約４倍の分離速度と同量の混合液からの分離抽出流が約３倍であった。本実施例に示すように、本発明の分離装置は流路抵抗変化部１２と取得口を並列及び直列に配置すれば分離効率が上がっていく。

本実施例では、分離装置を用いて全血から血漿と赤血球の分離を行ったが、本装置に蛋白質が混合された医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れる蛋白質成分や高分子成分を、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｂ流路１１６と分離成分Ｃ流路１１２から分子量の違いに応じて分離抽出することもできた。また、ＤＮＡを含む医用の溶液を送液して、速度分布に応じて流れるＤＮＡを、分離成分Ａ流路１１１と分離成分Ｃ流路１１２と分離成分Ｂ流路１１６から種類の違いに応じて分離抽出することもできた。

本発明においては、混合液を流路に流すだけで成分分離ができるため、全血から血漿または血清試料を採取するための血球分離装置、高分子物質や蛋白を分離できるため排泄物中のヘモグロビンの分析装置や臨床診断用の分析機器のフィルター部、また、ＤＮＡの分離ができるため、ＤＮＡ解析機器やＰＣＲ装置の前処理部に利用できる。

本発明分離装置の流路説明図本発明分離装置の流路の断面図本発明分離装置の分離方法説明図本発明分離装置の流路説明図本発明分離装置の流路の断面図本発明分離装置の流路説明図本発明分離装置の流路説明図本発明分離装置の分離方法説明図本発明分離装置の流路説明図本発明分離装置の流路説明図本発明分離装置の流路説明図本発明分離装置の流路説明図本発明分離装置の流路説明図

符号の説明

１１・・・・流路
１１１・・・分離成分Ａ流路
１１２・・・分離成分Ｃ流路
１１３・・・残液流路
１１４・・・第１の流路
１１５・・・第２の流路
１１６・・・分離成分Ｂ流路
１２・・・・流路抵抗変化部
１３１・・・第１の取得口
１３２・・・第２の取得口
１３３・・・第３の取得口
１６・・・・混合液
１７・・・・層流流れ
１８・・・・速度分布ベクトル
１９１・・・成分Ａ
１９２・・・成分Ｂ
１９３・・・成分Ｃ

Claims

混合液に含まれる成分を分離させ、分離された前記成分を抽出する液体分離装置であって、
前記混合液を流す流路と、
前記流路内に設けられ、しかも前記混合液が通過する時に前記流路の下流側に対して前記混合液を噴出させることにより前記下流側に流速分布を発生させる流速変化手段とを備え、
前記流路は、前記下流側の前記流速分布が保たれるように前記下流側で前記混合液の層流を発生させる流路幅を備え、
前記下流側に発生した前記流速分布に応じて分離して流れる前記成分を前記流速変化手段よりも下流側において取得する取得口につながって前記流路の外まで配管された分離成分流路を有することを特徴とする液体分離装置。
前記流速変化手段は、流路抵抗を変化させ、且つ、通過した前記混合液を前記下流側に噴出させる流路抵抗変化部を有することを特徴とする請求項１に記載の液体分離装置。
前記流速変化手段は、並列に配置された複数の前記流路抵抗変化部からなる請求項２に記載の液体分離装置。
前記流速変化手段は、直列に配置された複数の前記流路抵抗変化部からなる請求項２に記載の液体分離装置。
前記流速変化手段は、直列かつ並列に配置された複数の前記流路抵抗変化部からなる請求項２に記載の液体分離装置。
前記流路抵抗変化部は、前記流路を円錐形状に細く絞った構造であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の液体分離装置。
前記流路抵抗変化部は、円状の流路壁を用いて形成した構造であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の液体分離装置。
前記取得口は、前記流速分布に応じて流れる前記成分に対応して設けられた複数の取得口からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の液体分離装置。
前記流路と前記流速変化手段と前記分離成分流路とが同一のチップ基板内に設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の液体分離装置。
前記混合液は血球成分と血漿成分を含んだ血液であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の液体分離装置。
前記混合液は蛋白質成分が混合された医用混合液であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の液体分離装置。
前記混合液はＤＮＡを含んだ医用混合液であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の液体分離装置。
混合液に含まれる成分を分離させ、分離された前記成分を抽出する液体分離方法であって、
流路に前記混合液を流し、
流路抵抗が変化するように前記流路内に設けられた流速変化手段を介して、流した前記混合液を前記流路の下流側に噴出させることにより、前記流路の下流側に流速分布を発生させて、前記下流側の前記流速分布が保たれるように前記下流側で前記混合液の層流を発生させ、
発生させた前記流速分布に応じて分離して流れる前記成分を、前記下流側に設けられた取得口につながって前記流路の外まで配管された分離成分流路を介して抽出する、
ことを特徴とする液体分離方法。