JP4803064B2 - フィールドフローフラクショネーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象の粒子群を含んだ流体を、フィールドフローフラクショネーション用チャンネル（Field Flow Fractionation channel）内に導入して分離・分取するフィールドフローフラクショネーション装置に関する。
ここでいうフィールドフローフラクショネーション装置は、チャンネル上流の入口ポートから流体を供給するとともに、チャンネルの上面から底面に向けて流体を面状に送り出すフローフィールドフローフラクショネーション（ＦＦＦＦ）装置（クロスフロー方式フローフィールドフローフラクショネーション装置ともいう）と、チャンネル上流の入口ポートから流体を供給し、チャンネル上面からは流体を供給しない非対称フローフィールドフローフラクショネーション（ＡＦＦＦＦ）装置との双方を含む。

溶液中に含まれる１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の広い範囲の粒子径の微粒子を分離・分取する方法として、クロスフロー方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）が知られている（特許文献１参照）。

図４は従来からのクロスフロー方式フィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）のチャンネルの基本構造を示す斜視図、図５はその断面図である。チャンネル１００は、底面１０１、底面に対向する上面１０２、一対の左右側面１０３、１０４、上流側側面１０５、下流側側面１０６で囲まれるようにして形成された中空流路である。底面１０１上にはメンブレイン１１０が底面に密接させてある。チャンネルの概略寸法は、一例として、チャンネル幅Ｗが１〜２ｃｍ、チャンネル高さＨが５０〜５００μｍ、チャンネル長さＬが１０〜３０ｃｍである。

チャンネル１００の上流側側面１０５には、図示しない送液ポンプにより水系や有機系等のキャリア流体を供給する入口ポート１１１、そのわずか下流側には分離対象の微粒子群を導入するサンプル導入ポート１１２、下流側側面には出口ポート１１３が形成されている。
なお、入口ポート１１１とサンプル導入ポート１１２とは兼用されてもよい。その場合は、入口ポート１１１とサンプル導入ポート１１２とは同じものを指すので呼び分ける必要はないが、これらが別設されている場合も含めて説明を行う便宜上、以下の説明では、特に言及しない限り、キャリア流体を導入するために使用するときは入口ポート１１１、サンプル導入用に使用するときはサンプル導入ポート１１２と呼ぶようにして説明する。

チャンネル１００の底面１０１、上面１０２は多孔質媒体（例えばセラミック）で形成される。メンブレイン１１０は分離対象の粒子群は透過せず、キャリア流体のみを透過する性質のものが用いられている。上面１０２からは、図示しない送液ポンプにより、チャンネル１００内に向けてキャリア流体を面状に透過させる。底面１０１は、チャンネル１００の外部に向けてキャリア流体を面状に透過させ、上面１０２から底面１０１に向かうキャリア流Ｆ１が形成される。このキャリア流Ｆ１をクロスフローＦ１と呼んでいる。底面１０１の下流には、図示しない吸引ポンプが接続してあり、吸引作用によりクロスフローＦ１の流速を制御する。また、このポンプを停止することにより、クロスフローを停止あるいはほとんど停止状態にすることができるようにしてある。

一方、入口ポート１１１からは、分離対象の粒子群の種類や性質に応じた適切な流速で、出口ポート１１３に向けてキャリア流体が連続的に供給される。これにより、チャンネル１００内を上流側から下流側に向かう流れＦ２が形成される。この流れＦ２は、サンプル導入ポート１１２から粒子を導入したときに、搬送する流れであり、軸方向流Ｆ２（フィールドフロー、チャンネルフローともいう）と呼んでいる。軸方向流Ｆ２とクロスフローＦ１とはほぼ直交した流れである。

クロスフローＦ１は、チャンネル１００の上面１０２から下面１０１方向への流れが形成される面全体にわたって均一な流速になるようにしてあり、既述のようにメンブレイン１１０は粒子を通過しないため、流れの粘性作用により、チャンネル１００内で粒子は底面近傍に分布する。さらに、粒子は、キャリア（溶媒）中でブラウン運動により拡散する性質を有することから、微粒子の拡散運動とクロスフローＦ１とによるバランス作用により、粒子の濃度Ｎは底面１０１から次式（１）で表される指数（減衰）分布を示すようになる。

Ｎ＝ｅｘｐ（−｜Ｕ｜ ／ Ｄ） （１）
ここで、｜Ｕ｜はクロスフロー速度、Ｄは拡散係数である。

一方、入口ポート１１１から出口ポート１１３に向かう軸方向流Ｆ２は層流であり、流れの中心が最大流速、両壁面が流速ゼロとなる放物面形状の流速分布でチャンネル１００内を流れる。
したがって、底面１０１、上面１０２から離れるほど軸方向流Ｆ２の流速は大きくなり、この軸方向流Ｆ２の流速分布とクロスフローＦ１による粒子分布との組み合わせにより、最終的に粒子の拡散係数に応じて粒子が分離され、分離された粒子が出口ポートから順次送出されるようになる。以上が、クロスフロー方式フィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）により粒子の分離が行われる動作原理である。

上述したクロスフロー方式フィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）では、上面１０２から底面１０１に向かうクロスフローＦ１の流速を均一に調整することが、かなり困難である。さらにクロスフローＦ１と軸方向流Ｆ２とを独立に送り込んでおり、バランスよく流れをコントロールすることも困難である。
そこで、クロスフロー型フィールドフローフラクショネーション装置を改良した非対称フローフィールドフローフラクショネーション装置（ＡＦＦＦＦ装置）が提案されている。

図６は、非対称フローフィールドフローフラクショネーション装置（ＡＦＦＦＦ装置）のチャンネル構造の断面図である。図において、図５と同じものについては同符号を付すことにより、説明を省略する。このチャンネル１００’では、上面１０２’にはキャリア流体透過性でないガラス等の材料が用いられる。したがって、上面１０２’から底面１０１に向けてキャリア流体を供給することなく、単に入口ポート１１１からのみキャリア流体を供給する。入口ポート１１１から供給されたキャリア流体（溶媒）が軸方向流Ｆ２として流れると、そのキャリア流体の一部がメンブレイン１１０を透過して底面１０１から外部へ流出するようになり、これが軸方向流Ｆ２に対して直交したクロスフローＦ１として、上述したクロスフロー方式フィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）におけるクロスフローＦ１と同様の作用をするようになる。非対称フローフィールドフローフラクショネーション装置（ＡＦＦＦＦ装置）は、チャンネルの構造を簡単にすることができ、キャリア流体の流れの制御も簡単になる。

非対称フローフィールドフローフラクショネーション装置（ＡＦＦＦＦ装置）の場合は、入口ポート１１１から供給されるキャリア流体によってクロスフローＦ１もまかなわれるため、出口ポート１１３に到達する軸方向流Ｆ２の単位断面積あたりの流量が減って流速が低下する。そのため、流量低下を防止するために、下流側に行くにつれて、チャンネル幅Ｗを狭くして流路断面積を小さくするように改良したチャンネル形状も提案されている（非特許文献１参照）。
米国特許４１４７６２１号公報 A.Litzen, K. G. Wahlund, :Zone Broadening and Dilution in Rectangular and Trapezoidal Asymmetric Flow Field-Flow Fractionation Channels, Analytical Chemistry, American Chemical Society, 1991,63, p.1001-1007

クロスフロー方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）にしろ、非対称フロー方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＡＦＦＦＦ装置）にしろ、粒子を含むサンプルをチャンネル内に導入して分離動作を実行すると、チャンネル内に一部の粒子が残留することがある。そのため、分離動作実行後は、次回の分離に備えて、チャンネル内を洗浄する必要がある。

しかしながら、分離動作後のチャンネル内の洗浄をどのようにして行うかについては、あまり検討されておらず、適切な洗浄方法が確立されていなかった。ひとつの洗浄方法として、入口ポート、または、出口ポートから一方向に大量のキャリア（溶媒）を流して、残留するサンプルを洗い流す方法がある。しかし、この方法では、洗浄に大量のキャリア（溶媒）が必要である。また、チャンネル部分を取り外して洗浄する方法がある。この場合、分解、およびその後の組み立てに手間がかかる。

そこで、チャンネル内は分解せず、出口側の流路の一部（例えば、出口ポート後段に検出器が接続されている場合はその取合部分）を取り外し、そこから気泡を導入して、再び流路接続し、気泡をチャンネル内に入れた状態で出口側から溶媒を供給するようにして、チャンネル内を下流から上流に向けて逆方向に気泡を移動させた後、入口ポートの上流から気泡を外部に排出することにより、気泡が内壁面と接触するときに壁面（メンブレインとの接触面を含む）に付着している汚れを、気泡とキャリア（溶媒）との界面に付着させるようにして、気泡とともに移動して外部に排出する方法をとることにより、残留粒子の排出および洗浄を行うようにしている。

この方法によれば、比較的少量の溶媒で気泡を移動させるだけで洗浄することができ、短時間で洗浄ができる点で都合がよい。
しかしながら、洗浄ごとに、出口側の流路を外す必要があり、手間がかかるとともに、流路を取り外したときに、外した部分からかえって汚れが浸入することがある。また、取り外し作業が必要であることから、洗浄の自動化が困難である。

そこで、本発明は、チャンネル洗浄に手間がかからず、容易かつ短時間に洗浄できるようにしたフィールドフローフラクショネーション装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、粒子分離動作を、次々と繰り返して行う際に、装置を停止させて流路を取り外して洗浄するようなことを行わず、粒子分離動作と洗浄とを交互に連続して行うことが容易に行えるフィールドフローフラクショネーション装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明のフィールドフローフラクショネーション装置は、キャリア流体透過性部材で形成された底面、底面に対向する上面、および側面で囲まれ、分離対象の粒子群については非透過でキャリア流体については透過可能なメンブレインが底面上に配設されたチャンネルと、チャンネルの上流側に設けられキャリア流体をチャンネル内に送給するための入口ポートと、入口ポート近傍で入口ポートよりチャンネルの下流側に別設されまたは入口ポートによって兼用され、分離対象の粒子群を含むサンプルを導入するためのサンプル導入ポートと、チャンネルの下流側に設けられチャンネル内を流れた流体を送出するための出口ポートとからなり、少なくとも入口ポートからキャリア流体を送給することにより、チャンネル内を出口ポートに向かう軸方向流を生成するとともに、チャンネル内を流れるキャリア流体の一部がメンブレインを透過して底面から外部に流出するようにして軸方向流と交差する方向に流れるクロスフローを生成し、サンプル導入ポートから導入された粒子群を、軸方向流およびクロスフローにより分離して出口ポートから送出するフィールドフローフラクショネーション装置において、チャンネル内に一時的に気泡を導入するための気泡導入バルブを入口ポート、サンプル導入ポート、出口ポートに接続される流路のうちのいずれかの流路上に備えるとともに、気泡がチャンネル内に導入された際に、チャンネル内を気泡が移動するようにキャリア流体を送る気泡移動制御手段を備えるようにしている。

ここで、底面を形成するキャリア流体透過性部材は、多孔質セラミック材を用いるのが好ましいが、これに限らず、キャリアを透過させることができる材料を用いたもの、あるいは多数の小孔を加工してキャリアが透過できるようにしたようなものでもよい。
メンブレインの材料は特に限定されず、分離対象の粒子群やキャリア流体の種類により適切な材料を使用すればよい。具体的にはポリカーボネート等が利用できる。

本発明によれば、チャンネル内に粒子群を導入して分離を行った後、チャンネル内を洗浄する際に、一時的に気泡導入バルブが作動し、入口ポート、サンプル導入ポート、出口ポートのいずれかの流路に気泡を導入する。導入される気泡は、チャンネル内に導入されたときに、気泡がチャンネルの内壁面（上面、底面、左右側面）に接触しながら移動できる量があればよい。気泡が導入されると、再び気泡導入バルブが作動して通常の流路状態に戻る。続いて、気泡移動制御手段により、チャンネル内に向けてキャリア流体が流され、これにより気泡がチャンネル内に送りこまれ、さらにチャンネル内を移動するようにキャリア流体が送り込まれる。具体的には、入口ポートまたはサンプル導入ポートから気泡が導入されるときは、入口ポートからキャリアが供給され、出口ポートに向けて気泡が移動するようにする。出口ポートから気泡が導入されるときは、入口ポートまたはサンプル導入ポートに向けて気泡が移動するようにする。
チャンネル内を移動する気泡は、気泡とキャリア流体の界面に粒子を付着させて移動する性質があるので、気泡の移動とともにチャンネル内に残留している粒子が取り除かれて、排出される側のポートに送り出される。これにより、チャンネル内を洗浄することができる。

なお、気泡移動制御手段が入口ポートから出口ポートに向けてキャリア流体を送る制御を行う場合は、粒子分離のときと同じ向きの流れを発生させればよいので特に問題ないが、気泡移動制御手段が出口ポートから入口ポートまたはサンプル導入ポートにキャリア流体を送る制御を行う場合は、出口ポートからキャリアを供給することができるようにする必要がある。そのため、出口ポート側からキャリアを送液する流路を別途に設けるか、あるいは、入口ポートにキャリア流体を送る流路に流路切換バルブを設けるなどして、洗浄の際には流路を切り換えて出口ポートからキャリア流体を送ることができるようにする。

（その他の課題の解決手段および効果）
上記発明において、チャンネルの上面がキャリア流体透過性部材で構成され、キャリア流体を入口ポートから送給するとともに上面からも面状に送給するようにしてもよい。
本発明によれば、チャンネルの上面からチャンネル内にキャリア流体を送り込むことにより、クロスフロー方式フィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）として粒子分離を行うことができる。

上記発明において、入口ポート、サンプル導入ポートのいずれかに接続される流路上に気泡導入バルブが接続されるとともに、出口ポートに接続される流路上に気泡を含む流体を排出するためのドレイン流路を接続するドレイン流路切換バルブを備えるようにしてもよい。
本発明によれば、ドレイン流路切換バルブを作動させることにより、上流から下流方向に気泡を移動した気泡は、出口ポートを経て、ドレイン流路に排出されるので、洗浄後、すぐに次回の粒子分離を行うことができる。すなわち、出口ポートの後段には、通常、分離された粒子を計測する検出器のような次工程の機器が接続されているが、気泡がそれら次工程の機器を通過するのを待つことなく、ドレイン流路から排出させることができるので、待時間を短縮できる。

上記発明において、出口ポートに接続される流路上に気泡導入バルブが接続されるとともに、入口ポート、サンプル導入ポートのいずれかに接続される流路上に気泡を含む流体を排出するためのドレイン流路を接続するドレイン流路切換バルブを備えるようにしてもよい。
本発明によれば、ドレイン流路切換バルブを作動させることにより、下流から上流方向に気泡を移動した気泡は、入口ポートまたはサンプル導入ポートを経て、ドレイン流路に排出されるので、洗浄後、すぐに次回の粒子分離を行うことができる。すなわち、入口ポートまたはサンプル導入ポートを通過後、すぐにドレイン流路から排出できるので、待時間を短縮できる。

上記発明において、サンプル導入ポートに接続される流路には、サンプルをチャンネル内に導入するためのサンプル導入バルブが設けられ、サンプル導入バルブが気泡をチャンネル内に導入する気泡導入バルブを兼ねるようにしてもよい。
本発明によれば、試料導入のために設けられているサンプル導入バルブを利用して気泡を導入することにより、装置の流路構成を大きく変えることなく、気泡を導入して洗浄することができる。また、サンプル導入バルブと気泡導入バルブとを兼用することにより、サンプル導入バルブからサンプル導入ポート、チャンネル内を経て出口ポートに至るまで、粒子が通過する流路とほぼ同じ流路に、気泡を通過させることができるので、導入された粒子を確実に排出させることができる。

また、上記発明において、気泡導入バルブから加圧された気泡が供給されるようにしてもよい。
本発明によれば、チャンネル内は気泡導入バルブの上流側よりも減圧されているので、チャンネル内で気泡が膨張して大きくなり、チャンネル内壁面との接触がより確実になり洗浄効果を高めることができる。

また上記発明において、気泡導入バルブから供給される気泡が殺菌性ガスの気泡であるようにしてもよい。
本発明によれば、チャンネル内の殺菌が必要なサンプルを扱う場合にも、殺菌を兼ねつつ洗浄を行うことができる。

以下、本発明を実施するための実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施例は、一例にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施することが可能である。

（実施形態１）
図１は本発明の一実施形態である非対称フロー方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＡＦＦＦＦ装置）の構成を示す図である。本実施形態では、チャンネル内の洗浄の際に、サンプル導入ポート１１２から気泡を導入し、出口ポート１１３から気泡を排出する方式を採用する。

このＡＦＦＦＦ装置１０は、３ポートバルブ１１および６ポートバルブ１２からなるサンプル・気泡導入部Ｄ、キャリア流体を送出する送液ポンプ１３、サンプル導入ポート１１２にキャリア流体を送るためのサンプル導入ポート側電磁弁１４、入口ポート１１１にキャリア流体を送るための入口ポート側電磁弁１５、出口ポート側切換弁１６、検出器１７、サンプル導入部側ドレイン１８、出口ポート側ドレイン１９、コンピュータからなる制御部２０、および、チャンネル１００’とから構成される。このうち、チャンネル１００’は、図６で説明したものを用いている。したがってチャンネル１００’の内部構造については、図６と同符号を付すことにより、説明を省略する。

３ポートバルブ１１は、粒子を含んだサンプルＡが供給されるサンプル流路２１、加圧エアーＢが供給されるエアー流路２２のいずれか一方を、切換操作によりインジェクション流路２３に接続できるようにしてある。サンプルＡの導入部分には、例えば液体クロマトグラフ装置等で利用される周知の試料導入部を利用することができる。また、加圧エアーには、加圧ボンベを利用することができる。

インジェクション流路２３は６ポートバルブ１２と接続されている。６ポートバルブ１２は、インジェクション流路２３、サンプル（あるいは加圧エアー）を一定量サンプリングするサンプルループ２４、キャリア流体（溶媒）が供給されるキャリア流路２５、サンプル導入ポート１１２に通じるサンプル導入流路２６、サンプル導入部側ドレイン１８に通じるドレイン流路２７と接続される。この６ポートバルブ１２の切換操作により、サンプルループ２４に一時的にサンプルや気泡（加圧エアー）を蓄積し、さらにサンプルループ２４に蓄積した一定量のサンプルや気泡を、チャンネル１００’に送出することができるようにしてある。
したがって、３ポートバルブ１１と６ポートバルブ１２とが組み合わされたサンプル・気泡導入部Ｄが、サンプル導入ポートに一定量のサンプルを導入するサンプル導入バルブとして機能するとともに、一定量の気泡を導入する気泡導入バルブとして機能する。

送液ポンプ１３は、水や有機溶媒などのキャリア流体Ｃを、サンプル導入ポート側電磁弁１４、入口ポート側電磁弁１５を介して、サンプル導入ポート１１２、入口ポート１１１に送り出す。
出口ポート側切換弁１６は、切換操作により、出口ポート１１３から排出される流体を、検出器１７に送るか、出口ポート側ドレイン１９に送るかの切換を行う。本発明との関係では、気泡を含む流体を排出するためのドレイン流路を接続するドレイン流路切換バルブとして機能する。

制御部２０は、３ポートバルブ１１、６ポートバルブ１２、送液ポンプ１３、入口ポート側電磁弁１４、サンプル導入ポート側電磁弁１５、出口ポート側流路切換弁１６、検出器１７などの制御を行う。本発明との関係では、チャンネル１００内に導入された気泡を移動させるためのキャリア流体の流れの制御を行うときに気泡移動制御手段としても動作することになる。

次に、このＡＦＦＦＦ装置１０による粒子分離動作および洗浄動作を説明する。
粒子分離を行うときは、送液ポンプ１３を作動し、入口ポート側電磁弁１５を介して入口ポート１１１からキャリア流体をチャンネル１００’内に供給する。チャンネル１００’内を流れるキャリア流体は、一部が底面１０１から排出されることでクロスフローＦ１を形成し、残りは出口ポート１３に向かって軸方向流Ｆ２となる。出口ポート側切換弁１６は検出器１７側に通じるように流路が切り換えられており、出口ポート１１３から排出される流体は検出器１７に送られる。

続いて、３ポートバルブ１１を、サンプル流路２１とインジェクション流路２３とが連通する状態にして、サンプルＡをサンプル流路２１から６ポートバルブ１２に向けて注入する。６ポートバルブ１２は、インジェクション流路２３、サンプルループ２４、ドレイン流路２７が連通する第一の状態に切り換えておくことにより、サンプルループ２４内に一定量のサンプルが採取される。

続いて、６ポートバルブ１２が、キャリア流路２５、サンプルループ２４、サンプル導入流路２６が連通する第二の状態に切り換えるとともに、サンプル導入ポート電磁弁１４が開状態になることにより、サンプルループ２４に採取された一定量のサンプルがサンプル導入ポート１１２からチャンネル１００’内に導入される。

そして、チャンネル１００’内に導入されたサンプル中の粒子群は、クロスフローＦ１と軸方向流Ｆ２とにより分離され、拡散係数が大きい粒子から順に、出口ポート１１３から出口ポート側切換弁１６を経て検出器１７に送られ、検出される。
以上の動作により、一回の粒子分離動作が終了する。続いて、次回の粒子分離動作を行う前に、チャンネル内の洗浄動作が行われる。

洗浄を行うときは、出口ポート側切換弁１６を出口ポート側ドレイン１９側に切り換える。送液ポンプ１３を作動し、入口ポート側電磁弁１５を介して入口ポート１１１からキャリア流体をチャンネル１００’内に供給する。また、チャンネル１００’の底面１０１の下流側に接続されている図示しない吸引ポンプを停止しておくことにより、洗浄に不要なクロスフローＦ１を停止もしくは小さくし、チャンネル１００’内に供給されたキャリア流体のほとんどを軸方向流Ｆ２にして、出口ポート１１３から排出されるようにする。

続いて、３ポートバルブ１１を、エアー流路２２とインジェクション流路２３とが連通する状態にし、加圧エアーＢをエアー流路２２から６ポートバルブ１２に向けて注入する。６ポートバルブ１２は、インジェクション流路２３、サンプルループ２４、ドレイン流路２７が連通する第一の状態に切り換えておくことにより、サンプルループ２４内に一定量の気泡（加圧エアー）が採取される。

続いて、６ポートバルブ１２を、キャリア流路２５、サンプルループ２４、サンプル導入流路２６が連通する第二の状態に切り換えるとともに、サンプル導入ポート電磁弁１４を開状態にすることにより、サンプルループ２４に採取された一定量の気泡（加圧エアー）がサンプル導入ポート１１２からチャンネル１００’内に導入される。

そして、チャンネル１００’内に導入された気泡は、減圧により膨張して体積を増すとともに、送液ポンプ１３により入口ポート１１１から送り込まれる軸方向流Ｆ２により出口ポート１１３に向けて移動させられる。このとき、チャンネル１００’内に残留する粒子は、気泡とキャリア流体との界面に付着し、気泡とともに移動する。出口ポート１１３から排出された気泡は、残留粒子を含むキャリア流体とともに出口ポート側切換弁１６を経て出口ポート側ドレイン１９に排出される。
以上の動作により、チャンネルの洗浄動作が終了する。以後、同様の粒子分離の動作と洗浄動作を繰り返すことにより、連続して粒子分離を行うことができる。

（実施形態２）
図２は、本発明の他の一実施形態であるフィールドフローフラクショネーション装置の構成を示す図である。この実施形態は、クロスフロー方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）を採用している。また、入口ポート１１１がサンプル導入ポートを兼用するようにしている。したがって、サンプル導入を入口ポート１１１から行うとともに、気泡導入も入口ポート１１１から行う方式を採用している。

このＦＦＦＦ装置１０ａは、３ポートバルブ１１および６ポートバルブ１２からなるサンプル・気泡導入部Ｅ、キャリア流体を送出する送液ポンプ１３、入口ポート１１１にキャリア流体を送るための入口ポート側電磁弁３１、クロスフローを形成するためのキャリア流体を送るクロスフロー用電磁弁３２、出口ポート側切換弁１６、検出器１７、サンプル導入部側ドレイン１８、出口ポート側ドレイン１９、コンピュータからなる制御部２０、および、チャンネル１００ａとから構成される。このうち、チャンネル１００ａは、図４で説明したもの（但し、入口ポートがサンプル導入ポートを兼用している）を用いている。したがって、チャンネル１００の内部構造については、図４と同符号を付すことにより、説明の一部を省略する。また、図１と同じものについても同符号を付すことにより、説明の一部を省略する。

３ポートバルブ１１は、粒子を含んだサンプルＡが供給されるサンプル流路２１、加圧エアーＢが供給されるエアー流路２２のいずれか一方を、切換操作によりインジェクション流路２３に接続できるようにしてある。インジェクション流路２３は６ポートバルブ１２と接続されている。６ポートバルブ１２は、インジェクション流路２３、サンプル（あるいは加圧エアー）を一定量サンプリングするサンプルループ２４、キャリア流体（溶媒）が供給されるキャリア流路２５、入口ポート１１１（サンプル導入ポートを兼ねる）に通じる入口ポート接続流路３３、サンプル導入部側ドレイン１８に通じるドレイン流路２７と接続してある。この６ポートバルブ１２の切換操作により、サンプルループ２４内に一時的にサンプルや気泡（加圧エアー）を蓄積し、さらにサンプルループ２４に蓄積した一定量のサンプルや気泡を、チャンネル１００ａに送出することができるようにしてある。
したがって、３ポートバルブ１１と６ポートバルブ１２とが組み合わされたサンプル・気泡導入部Ｅが、入口ポート１１１（サンプル導入ポートを兼ねる）に一定量のサンプルを導入するサンプル導入バルブとして機能するとともに、一定量の気泡を導入する気泡導入バルブとして機能する。

送液ポンプ１３は、水や有機溶媒などのキャリア流体Ｃを、入口ポート側電磁弁３１を介して入口ポート１１１に送り、軸方向流Ｆ２を形成する。また、クロスフロー用電磁弁３２を介してチャンネル１００ａの上面１０２に送り、クロスフローＦ１を形成する。

出口ポート側切換弁１６は、切換操作により、出口ポート１１３から排出される流体（キャリア流体あるいは粒子群あるいは気泡を含んだキャリア流体）を、検出器１７に送るか、出口ポート側ドレイン１９に送るかの切換を行う。本発明との関係では、気泡を含む流体を排出するためのドレイン流路を接続するドレイン流路切換バルブとして機能する。

制御部２０は、３ポートバルブ１１、６ポートバルブ１２、送液ポンプ１３、入口ポート側電磁弁３１、クロスフロー用電磁弁３２、出口ポート側切換弁１６、検出器１７の制御を行う。本発明との関係では、チャンネル１００ａ内に導入された気泡を移動させるためのキャリア流体の流れの制御を行うときに気泡移動制御手段として動作することになる。

次に、このＦＦＦＦ装置１０ａによる粒子分離動作および洗浄動作を説明する。
粒子分離を行うときは、送液ポンプ１３を作動し、入口ポート側電磁弁３１を介して入口ポート１１１からキャリア流体をチャンネル１００ａ内に供給して軸方向流Ｆ２を形成する。同時に、クロスフロー用電磁弁３２を介してチャンネル１００ａの上面１０２からキャリア流体を供給するとともに、底面１１０からキャリア流体の一部を排出することによりクロスフローＦ１を形成する。出口ポート側切換弁１６は検出器１７側に通じるように流路が切り換えておくことにより、出口ポート１１３から排出される流体が検出器１７に送りこまれるようにしてある。

続いて、３ポートバルブ１１を、サンプル流路２１とインジェクション流路２３とを連通する状態にして、サンプルＡをサンプル流路２１から６ポートバルブ１２に向けて注入する。６ポートバルブ１２は、インジェクション流路２３、サンプルループ２４、ドレイン流路２７が連通する第一の状態に切り換えておくことにより、サンプルループ２４内に一定量のサンプルが採取される。

続いて、６ポートバルブ１２を、キャリア流路２５、サンプルループ２４、入口ポート接続流路３３が連通する第二の状態に切り換えるとともに、入口ポート側電磁弁３１を開状態にすることにより、サンプルループ２４に採取された一定量のサンプルが入口ポート１１１（サンプル導入ポートを兼ねる）からチャンネル１００ａ内に導入される。

そして、チャンネル１００ａ内に導入されたサンプル中の粒子群は、クロスフローＦ１と軸方向流Ｆ２とにより分離され、拡散係数が大きい粒子から順に、出口ポート１１３から出口ポート側切換弁１６を経て検出器１７に送られ、検出される。
以上の動作により、一回の粒子分離動作が終了する。続いて、次回の粒子分離動作を行う前に、チャンネル内の洗浄動作が行われる。

洗浄を行うときは、出口ポート側切換弁１６を出口ポート側ドレイン１９側に切り換える。送液ポンプ１３を作動し、入口ポート側電磁弁３１を介して入口ポート１１１からキャリア流体をチャンネル１００ａ内に供給する。クロスフロー用電磁弁３２は閉状態にする。チャンネル１００ａの底面１０１の下流側に接続されている図示しない吸引ポンプを停止しておくことにより、洗浄に不要なクロスフローＦ１を停止あるいは小さくし、チャンネル１００ａ内に供給されるキャリア流体のほとんどを軸方向流Ｆ２にして、出口ポート１１３から排出されるようにする。

続いて、３ポートバルブ１１を、エアー流路２２とインジェクション流路２３とを連通する状態にし、加圧エアーＢをエアー流路２２から６ポートバルブ１２に向けて注入する。６ポートバルブ１２は、インジェクション流路２３、サンプルループ２４、ドレイン流路２７が連通する第一の状態に切り換えておくことにより、サンプルループ２４内に一定量の気泡（加圧エアー）が採取される。

続いて、６ポートバルブ１２を、キャリア流路２５、サンプルループ２４、入口ポート接続流路３３が連通する第二の状態に切り換えるとともに、入口ポート側電磁弁３１を開状態にすることにより、サンプルループ２４に採取された一定量の気泡（加圧エアー）が入口ポート１１１からチャンネル１００ａ内に導入される。

そして、チャンネル１００ａ内に導入された気泡は、減圧により膨張して体積を増すとともに、送液ポンプ１３により入口ポート１１１から送り込まれる軸方向流Ｆ２により出口ポート１１３に向けて移動させられる。このとき、チャンネル１００ａ内に残留する粒子は、気泡とキャリア流体との界面に付着し、気泡とともに移動する。出口ポート１１３から排出された気泡は、残留粒子やキャリア流体とともに出口側流路切換弁１６を経て出口ポート側ドレイン１９に排出される。
以上の動作により、チャンネルの洗浄動作が終了する。以後、同様の粒子分離の動作と洗浄動作を繰り返すことにより、連続して粒子分離を行うことができる。

なお、実施形態１ではＡＦＦＦＦ装置であってサンプル導入ポートを別設した形態を採用し、実施形態２ではＦＦＦＦ装置であってサンプル導入ポートと入口ポートとを兼用した形態を採用しているが、構成を一部変更して、ＡＦＦＦＦ装置であってサンプル導入ポートと入口ポートとを兼用した形態、ＦＦＦＦ装置であってサンプル導入ポートを別設した形態としてもよい。これらの場合には、実施形態１と実施形態２とのチャンネル構造および流路構造を組み合わせることにより、実現することができる。

（実施形態３）
図３は本発明の他の一実施形態である非対称フロー方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＡＦＦＦＦ装置）の構成を示す図である。本実施形態では、洗浄の際に、出口ポート１１３から気泡を導入し、入口ポート１１１から気泡を排出する方式を採用する。
このＡＦＦＦＦ装置１０ｂは、６ポートバルブ１２ａからなるサンプル導入部Ｆ、キャリア流体を送出する送液ポンプ１３、キャリア流体をサンプル導入ポート１１２に送るサンプル導入ポート側電磁弁１４、キャリア流体を入口ポート１１１に送る入口ポート接続流路３３上の入口ポート側電磁弁１５、キャリア流体を出口ポートに送る出口ポート側電磁弁４１、出口ポート側切換弁１６ａ、６ポートバルブ１２ｂからなる気泡導入部Ｇ、検出器１７、サンプル導入部側ドレイン１８、入口ポート側切換弁４３、入口ポート側ドレイン４４、コンピュータからなる制御部２０、およびチャンネル１００’とから構成される。このうち、チャンネル１００’は図６で説明したものを用いているので、チャンネル１００’の内部構造については、図６と同符号を付すことにより、説明の一部を省略する。

６ポートバルブ１２ａは、サンプルＡが導入されるインジェクション流路２３、サンプルを一定量サンプリングするサンプルループ２４、キャリア流体（溶媒）が供給されるキャリア流路２５、サンプル導入ポート１１２に通じるサンプル導入流路２６、サンプル導入部側ドレイン１８に通じるドレイン流路２７と接続してある。この６ポートバルブ１２ａの切換操作により、サンプルループ２４に一時的にサンプルを蓄積し、さらにサンプルループ２４に蓄積した一定量のサンプルを、チャンネル１００’に送出することができるようにしてある。

送液ポンプ１３は、水や有機溶媒などのキャリア流体Ｃを、サンプル導入ポート側電磁弁１４を介してサンプル導入ポート１１２に送出する。また、入口ポート側電磁弁１５、入口ポート側切換弁４３を介して、入口ポート１１１に送出する。また、出口ポート側電磁弁４１、６ポートバルブ１２ｂ、出口ポート側切換弁１６ａを介して、出口ポート１１３に送出する。

６ポートバルブ１２ｂは、出口ポート側電磁弁４１を介してキャリア流体が送られるキャリア流路５０、エアーＢが導入されるインジェクション流路５１、気泡となる加圧エアーを一定量採取する気泡ループ５２、採取された気泡を出口ポート１１３に送る気泡導入流路５３、エアーを排出する排出流路５４と接続してある。この６ポートバルブ１２ｂの切換操作により、気泡ループ５２に一定量の気泡（加圧エアー）を蓄積し、さらに気泡ループ５２に蓄積された気泡を、気泡導入流路５３、出口ポート側切換弁１６ａ、出口ポート接続流路５５を経て、出口ポート１１３に送るようにしてある。

出口ポート側切換弁１６ａは、切換操作により、出口ポート１１３から出口ポート接続流路５５を経て送られてくる流体（粒子群を含んだキャリア流体）を検出器１７に送り出すか、６ポートバルブ１２ｂから気泡導入流路５３を経て導入される気泡を、出口ポート接続流路５５を経て出口ポート１１３に導入するかを切り換える。

入口ポート側切換弁４３は、切換操作により、入口ポート接続流路３３を流れるキャリア流体を入口ポート１１１に送るか、入口ポート１１１から排出される流体を入口ポート側ドレイン４４に排出するかを切り換える。

制御部２０は、６ポートバルブ１２ａ、１２ｂ、送液ポンプ１３、入口ポート側電磁弁１５、サンプル導入ポート側電磁弁１４、出口ポート側電磁弁４１、出口ポート側切換弁１６ａ、検出器１７、入口ポート側切換弁４３の制御を行う。本発明との関係では、チャンネル１００’内に導入された気泡を移動させるためのキャリア流体の流れの制御を行うときに気泡移動制御手段として動作することになる。

次に、このＡＦＦＦＦ装置１０ｂによる粒子分離動作および洗浄動作を説明する。
粒子分離を行うときは、送液ポンプ１３が作動し、入口ポート側電磁弁１５、入口ポート側切換弁４３を介して、入口ポート１１１からキャリア流体がチャンネル１００’内に供給される。チャンネル１００’内を流れるキャリア流体は、一部が底面１１０から排出されてクロスフローＦ１を形成するとともに、残りは出口ポート１１３に向かって軸方向流Ｆ２となる。出口ポート側切換弁１６ａは検出器１７側に通じるように流路を切り換えておくことにより、出口ポート１１３から排出される流体が検出器１７に送られるようにしてある。

続いて、サンプルＡをインジェクション流路２３から６ポートバルブ１２に導入する。６ポートバルブ１２は、インジェクション流路２３、サンプルループ２４、ドレイン流路２７が連通する第一の状態に切り換えることにより、サンプルループ２４内に一定量のサンプルが採取される。

続いて、６ポートバルブ１２を、キャリア流路２５、サンプルループ２４、サンプル導入流路２６が連通する第二の状態に切り換えるとともに、サンプル導入ポート電磁弁１４を開状態にすることにより、サンプルループ２４に採取された一定量のサンプルがサンプル導入ポート１１２からチャンネル１００’内に導入される。

そして、チャンネル１００’内に導入されたサンプル中の粒子群は、クロスフローＦ１と軸方向流Ｆ２とにより分離され、拡散係数が大きい粒子から順に、出口ポート１１３から出口ポート側流路切換弁１６ａを経て検出器１７に送られ、検出される。
以上の動作により、一回の粒子分離動作が終了する。続いて、次回の粒子分離動作を行う前に、チャンネル１００’内の洗浄動作が行われる。

洗浄を行うときは、出口ポート側切換弁１６ａを、気泡導入流路５３と出口ポート接続流路５５とが接続されるように切り換える。また、入口ポート側切換弁４３を、入口ポート側ドレイン４４側に切り換える。
送液ポンプ１３を作動し、出口ポート側電磁弁４１を開状態にし、６ポートバルブ１２ｂをキャリア流路５０、気泡導入流路５３が接続される第一の状態にし、キャリア流体を、出口ポート切換弁１６ａ、出口ポート接続流路５５を経て、出口ポート１１３からチャンネル１００’内に供給する。チャンネル１００’の底面１０１の下流側に接続されている図示しない吸引ポンプを停止しておくことにより、洗浄に不要なクロスフローＦ１を小さくし、チャンネル１００’内に供給されるキャリア流体のほとんどを出口ポート１１３から入口ポート１１１に向かう逆方向の軸方向流Ｆ２にして、入口ポート１１１から入口ポート側ドレイン４４に排出されるようにする。

そして、６ポートバルブ１２ｂが、インジェクション流路５１、気泡ループ５２、排出流路５４が接続されている第一の状態のときに、加圧エアーＢがインジェクション流路５１から気泡ループ５２に送り込まれ、気泡ループ５２内に一定量の気泡（加圧エアー）が採取される。

続いて、６ポートバルブ１２ｂを、キャリア流路５０、気泡ループ５２、気泡導入流路５３が連通する第二の状態に切り換えるとともに、出口ポート側電磁弁４１を開状態にすることにより、気泡ループ５２に採取された一定量の気泡（加圧エアー）がサンプル導入ポート１１２からチャンネル１００’内に導入される。

チャンネル１００’内に導入された気泡は、減圧により膨張して体積を増すとともに、出口ポート１１３から送り込まれる軸方向流Ｆ２により入口ポート１１１に向けて移動させられる。このとき、チャンネル１００’内に残留する粒子は、気泡とキャリア流体との界面に付着し、気泡とともに移動する。そして、入口ポート１１１から排出された気泡は、残留粒子やキャリア流体とともに入口側流路切換弁４３を経て入口ポート側ドレイン４４に排出される。
以上の動作により、チャンネル１００’の洗浄動作が終了する。以後、同様の粒子分離の動作と洗浄動作を繰り返すことにより、連続して粒子分離を行うことができる。

（その他の応用例）
上述した実施形態では、気泡に加圧エアーを使用したが、これに限らず他の気体を用いてもよい。例えば、嫌気性のサンプルを用いる場合は、窒素ガスを使用してもよい。
また、塩素ガスなど殺菌性ガスの気泡を用いることにより、洗浄の際に、殺菌を兼ねてもよい。

本発明は、粒子分離を行うフィールドフローフラクショネーション装置に利用することができる。

本発明の一実施形態である非対称フロー方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＡＦＦＦＦ装置）の構成を示す図。 本発明の他の一実施形態であるクロスフロー方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）の構成を示す図。 本発明の一実施形態である非対称フロー方式のフィールドフローフラクショネーション装置（ＡＦＦＦＦ装置）の構成を示す図。 クロスフロー方式フィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）のチャンネルの基本構造を示す斜視図。 クロスフロー方式フィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）のチャンネルの基本構造を示す断面図。 非対称フロー方式フィールドフローフラクショネーション装置（ＡＦＦＦＦ装置）のチャンネルの基本構造を示す断面図。

符号の説明

１０、１０ｂ： 非対称フロー方式フィールドフローフラクショネーション装置（ＡＦＦＦＦ装置）
１０ａ： クロスフロー方式フィールドフローフラクショネーション装置（ＦＦＦＦ装置）
１１： ３ポートバルブ
１２、１２ａ、１２ｂ： ６ポートバルブ
１３： 送液ポンプ
１４： サンプル導入ポート側電磁弁
１５： 入口ポート側電磁弁
１６： 出口ポート側切換弁（ドレイン流路切換バルブ）
１６ａ： 出口ポート側切換弁
１７： 検出器
１８： サンプル導入部側ドレイン
１９： 出口ポート側ドレイン
２０： 制御部
２１： サンプル流路
２２： エアー流路
２３： インジェクション流路
２４： サンプルループ
２５： キャリア流路
２６： サンプル導入流路
２７： ドレイン流路
３１： 入口ポート側電磁弁
３２： クロスフロー用電磁弁
３３： 入口ポート接続流路
４１： 出口ポート側電磁弁
４３： 入口ポート側切換弁（ドレイン流路切換バルブ）
４４： 入口ポート側ドレイン
５０： キャリア流路
５１： インジェクション流路
５２： 気泡ループ
５３： 気泡導入流路
５４： 排出流路
５５： 出口ポート接続流路
１００、１００’、１００ａ、１００ｂ： チャンネル
１０１： 底面
１０２、１０２’： 上面
１１０： メンブレイン
１１１： 入口ポート
１１２： サンプル導入ポート
１１３： 出口ポート
Ａ： サンプル
Ｂ： 加圧エアー
Ｃ： キャリア
Ｄ、Ｅ： サンプル・気泡導入部
Ｆ： サンプル導入部
Ｇ： 気泡導入部

Claims (7)

1. キャリア流体透過性部材で形成された底面、底面に対向する上面、および、側面で囲まれ、分離対象の粒子群については非透過でキャリア流体については透過可能なメンブレインが底面上に配設されたチャンネルと、
   チャンネルの上流側に設けられキャリア流体をチャンネル内に送給するための入口ポートと、
   入口ポート近傍で入口ポートよりチャンネルの下流側に別設されまたは入口ポートによって兼用され、分離対象の粒子群を含むサンプルを導入するためのサンプル導入ポートと、
   チャンネルの下流側に設けられチャンネル内を流れた流体を送出するための出口ポートとからなり、
   少なくとも入口ポートからキャリア流体を送給することにより、チャンネル内を出口ポートに向かう軸方向流を生成するとともに、チャンネル内を流れるキャリア流体の一部がメンブレインを透過して底面から外部に流出するようにして軸方向流と交差する方向に流れるクロスフローを生成し、サンプル導入ポートから導入された粒子群を、軸方向流およびクロスフローにより分離して出口ポートから送出するフィールドフローフラクショネーション装置において、
   チャンネル内に気泡を導入するための気泡導入バルブを入口ポート、サンプル導入ポート、出口ポートに接続される流路のうちのいずれかの流路上に備えるとともに、気泡がチャンネル内に導入された際にチャンネル内を気泡が移動するようにキャリア流体を送る気泡移動制御手段を備えたことを特徴とするフィールドフローフラクショネーション装置。
2. チャンネルの上面がキャリア流体透過性部材で構成され、キャリア流体を入口ポートから送給するとともに上面からも面状に送給することを特徴とする請求項１に記載のフィールドフローフラクショネーション装置。
3. 入口ポート、サンプル導入ポートのいずれかに接続される流路上に気泡導入バルブが接続されるとともに、出口ポートに接続される流路上に気泡を含む流体を排出するためのドレイン流路を接続するドレイン流路切換バルブを備えたことを特徴とする請求項１に記載のフィールドフローフラクショネーション装置。
4. 出口ポートに接続される流路上に気泡導入バルブが接続されるとともに、入口ポート、サンプル導入ポートのいずれかに接続される流路上に気泡を含む流体を排出するためのドレイン流路を接続するドレイン流路切換バルブを備えたことを特徴とする請求項１に記載のフィールドフローフラクショネーション装置。
5. サンプル導入ポートに接続される流路には、サンプルをチャンネル内に導入するためのサンプル導入バルブが設けられ、サンプル導入バルブが気泡をチャンネル内に導入する気泡導入バルブを兼ねることを特徴とする請求項１に記載のフィールドフローフラクショネーション装置。
6. 気泡導入バルブから加圧された気泡が供給されることを特徴とする請求項１に記載のフィールドフローフラクショネーション装置。
7. 気泡導入バルブから供給される気泡が殺菌性ガスの気泡であることを特徴とする請求項１に記載のフィールドフローフラクショネーション装置。

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