JP4991688B2 - 流体分離装置 - Google Patents

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Description

本発明は、特に微小流体装置である、流体分離装置、及びその適用に関する。
従来法では、細胞は、膜若しくはフィルタにより、又はエルトリエーション法により、又はＦｉｃｏｌ（登録商標）、Ｐｅｒｃｏｌｌ（登録商標）、若しくは他の定常相を用いた遠心分離の方法により選別される。しかしながら、例えば寄生生物（parasites）に感染している細胞を分離するような特定の用途の場合では、既存の分離装置では十分な実効が得られないことがある。
また、次の論文：「Cell separation methods and applications」（D. Recktenwald, A. Radbruch, Eds. Marcel Dekker 1997）、及び「Cell separation, a practical approach」（D. Fisher, G. E. Francis, Eds. Oxford, PAS 193,1998）に記載されているように、磁場又は電場を利用する分離方法も既知である。これら方法は任意選択的に定常相を使用し得る。
細胞は、分離が可能なほど十分には本来的な磁性を呈さないため、磁場を用いる方法ではサンプルの前処理が必要とされる。
フローサイトメトリーが、血球を選別及び特性決定するために広範に使用されている。この方法により、複数の種を高い選択性で同時に選別することが可能となる。それにもかかわらず、フローサイトメトリーは、分取又は半分取（preparative or semi-preparative separation）を行うには適さず、その理由は、分離がその際に細胞ごとに、さらには１秒当たり約１５０００個の細胞の割合で行われるため、この方法を分取方法とみなすことができないからである。
分離を行う微小流体装置は以下の文献にも記載されている：
・Integrating advanced functionality in a microfabricated high-throughput fluorescent-activated cell sorter, A. Wolff, I. Peter-Nielsen, U. Larsen, P. Friis, G. Goranovic, C. Poulsen, J. Kutter, P. Telleman, Lab-on-a-ship, 3, 2003, 22-27,
・Lab-on-a-chip-based separation and detection technology for life science applications, B. H. Weigl and K. Hedine, American Biotechnology Laboratory, January 2002, 28-30,
・A microfabricated fluorescence-activated cell sorter, A. Y. Fu, Ch. Spenser, A. Scherer, F. Arnold and S. Quake, Nature Biotechnology, vol. 17, November 1999, 1109-1111.
・A microfabrication-based dynamic array cytometer, J. Voldman, M. L. Gray, M. Toner and M. A. Schmidt, Analytical Chemistry, 74, 2002, 3984-3990,
・Microfluidic device for single-cell analysis, A. R. Wheeler, W. R. Throndset, RJ. Whelan, A. M. Leach, R. N. Zare, Y.H. Liao, K. Farrell, I.D. Manger and A. Daridon, Analytical Chemistry, 75, 2003, 3581-3586,
・Microfluidic device for high throughput chemical analysis of cells, M. A. McClain, C. T. Culbertson, S.C. Jacobson, N. L. Allbritton, C. E. Sims and M. Ramsey, Analytical Chemistry, 75, 2003, 5646-5655,
・Passively driven integrated microfluidic system for separation of motile sperm, B. S. Cho, T. G. Schuster, X. Zhu, D. Chang, G. D. Smith and S. Takayama, Analytical Chemistry, 75, 2003, 1671-1675,
・Microfluidic optical sorting, M. MacDonald, G. Spalding and K. Dholakaia, Nature 426, 2003, 421-424,
・Microfluidic diffusion-based separation and detection, B. H. Weigl and P. Yager, Science, vol. 283 1999, 346-347.
これら装置は安価であり、分析に試薬及び材料をほとんど使用しない。
別の利点は、数多くの、小面積又は小容積のユニットの組み合わせが可能であることであり、したがって、各ユニットを少ししか使用しない場合であっても、大量の材料を処理することが可能となる。さらに、微小流体装置は、使い捨てとして廃棄可能であり、このことは医療サービスにおいて汚染の問題を回避するのに役立つため、生物学的用途に特に有利である。
米国特許出願第２００３／０２３４２１０号は、複数の出口流路を有し、懸濁状態の粒子を分離する分離装置を開示している。この装置には、流路内の流れを制御する圧力パルスを生成することが可能な弁も設けられている。
米国特許出願第２００３／０１６５８１２号は、例えば精子を選別する選別装置であって、２つの入口流路と２つの出口流路とを有し、これら入口流路及び出口流路は互いに対して約４５度の角度を成す、選別装置を開示している。
米国特許出願第２００３／０１２４６１９号は、Hフィルタ構成を有する分離装置であって、種々の異なる拡散係数を有する高分子を分離するのに使用される分離装置を記載している。
米国特許出願第２００２／０１４９７６６号は、マイクロサイトメータ（microcytometer）を記載している。
米国特許出願第２００１／００４８６３７号は、中央流路に対して垂直につながっている２つの入口流路を有する微小流体装置を開示している。
例えば、論文：「Viral separations using a microfabricated electrical SPLITT system」（A. D. Saldanha, B. Gale, in Proc. of Micro-TAS 2002, Nara, Japan, 2002）に記載されているように、剛性ブレードや半剛性ブレードによりそれぞれ形成される分流器（flow divider）を備える、スプリット流れ横搬送式の薄型分離セル（split-flow lateral transport thin separation cell）（SPLITT）タイプの分離装置も既知である。それらの分流器（flow divider）により、流れに停滞地点又は再循環ゾーンが現れて種が入口及び出口に捕捉された状態にならないようにすることが可能となる。
装置によっては、分離はマイクロチャネルの幅にわたって行われ、同時に分離されることができる粒子の数が限定されるものもある。
マイクロチャネルの厚みにわたって種を分離することができるＳＰＬＩＴＴ分離装置では、任意選択的に分流器（flow divider）を用いることができる。かかる分流器（flow divider）は、サイズが小さい場合は実行することが困難である。
分流器（flow divider）は余分な厚みがあると下流の流れを妨げる可能性がある（例えば、再循環ゾーンが形成され、粒子が捕捉される）。したがって、分流器（flow divider）は、厚みが小さくなるように作製されねばならず、その場合、剛性が小さくなるため、その片側相互への圧力の差に起因して変形する可能性がある。
分流器（flow divider）を用いる分離装置では、２つよりも多い入口又は出口を有することは困難である。
以下、「微小流体装置」という用語は、少なくとも１つのマイクロチャネル内での物質の搬送を利用する装置を意味するのに用いられる。「マイクロチャネル」という用語は、その長さの少なくとも一部分にわたって、一方の側から対向する側にかけて直線で測定された少なくとも１つの寸法が１ミリメートル未満であるセクションを有する流路を指すのに用いられる。
例として、マイクロチャネルは、４センチメートル（ｃｍ）の幅、２０ｃｍの長さ、及び１００マイクロメータ（μｍ）の厚みを有し得る。
本発明は特に、種を選別及び／又は分離する装置を改良することを目的とする。
本発明の態様の１つでは、本発明は、特に微小流体装置である、流体分離装置であって、
長手方向軸に沿って延びる少なくとも１つのマイクロチャネルであって、第１の横軸に沿って測定される幅と、その第１の横軸に対して垂直な第２の横軸に沿って測定される厚みとを呈する横断面を有し、前記幅は前記厚みよりも大きく、第２の横軸に沿って下壁及び上壁を有する、マイクロチャネルと、
マイクロチャネルと流体連通する、少なくとも第１の入口、第２の入口、及び第３の入口であって、第２の入口は、第２の横軸に沿って第１の入口と第３の入口との間に配される、その第１の入口、第２の入口、及び第３の入口と
を備える、流体分離装置を提供する。
本発明の一実施の形態では、本装置は、第１の入口と第２の入口、及び第２の入口と第３の入口をそれぞれ分離する、少なくとも第１の横分離壁及び第２の横分離壁であって、第１の分離壁及び第２の分離壁は、第２の入口が、第２の横軸に沿って測定されるゼロではない距離だけ上記下壁及び上記上壁のそれぞれから隔てられるように配され、第２の入口は、特に、前記分離壁の少なくとも一方に隣接する、第１の横分離壁及び第２の横分離壁を更に備える。
本発明の装置は、マイクロチャネルの上壁及び下壁から離隔した物質のシートを形成するように、流体力学的集束により、第２の入口を通ってマイクロチャネルに沿って、種を含有している物質を循環させることを可能にし、したがって、物質と上記上壁及び上記下壁との間の相互作用の影響、特に流体力学的な浮力、潤滑、静電的相互作用、ファンデルワールス力、及びせん断により誘導される流体力学的拡散作用による影響を減らすことを可能する。
このようにして形成される物質のシートは、マイクロチャネルの長手方向軸に対してほぼ平行なフローライン（flow lines）により、安定的であることができる。
本発明によれば、分離壁を適切な高さにすることによって比較的小さな厚みのシートとすることが可能である。
本装置により、マイクロチャネルの厚みにわたって選別及び／又は分離することが可能となる。
本発明の装置に所定数の入口及び分離壁、例えば３つ以上の入口を設けることにより、装置内で種を混合する等の作業を行うことが可能となる。
本発明の装置は分流器（flow divider）を有する必要はない。
例として、マイクロチャネルは、２以上、例えば５以上又は１０以上の幅／厚み比を有し得る。
本発明により、例えばマイクロチャネルの幅の少なくとも９０％にわたって、幅／厚み比が１０以上であり二次元とみなされ得る速度プロファイルを有するマイクロチャネルに沿った流れを得ることが可能となる。
更に、マイクロチャネルの幅はその厚みに比して比較的大きいものとすることができるため、マイクロチャネル内に流れる物質の量は、マイクロチャネルの厚みが比較的小さい場合であっても比較的大きいものとなり得る。
マイクロチャネルの横断面は一定であってもよく、又はそうでなくてもよい。
マイクロチャネルの厚みは一定であってもよく、又は様々であってもよく、例えば異なる厚みを呈する少なくとも２つのゾーンを軸方向に交互に有していてもよい。
横断面は例えば矩形であってもよく、又は皿形であってもよい。
マイクロチャネルの厚みは、約２０μｍ〜約１０００μｍの範囲、例えば２０μｍ〜５００μｍ又は２０μｍ〜５０μｍの範囲にあるものとすることができ、幅は、約０．５ミリメートル（ｍｍ）〜１０ｃｍの範囲、例えば０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲内にあるものとすることができ、長手方向軸に沿って測定される長さは、約１ｃｍ〜１０ｃｍ又は１０ｃｍを超える範囲内にあるものとすることができる。
分離壁は任意選択的に、第２の横軸に沿って測定される高さが同一であってもよい。
好ましくは、上記３つの入口の少なくとも１つは、少なくともマイクロチャネルの幅程の幅を呈し、及び／又は略矩形である断面を呈する。
本発明の一実施の形態では、３つの入口の少なくとも１つは、マイクロチャネルの下壁及び上壁の一方に開口し、３つの入口の別の１つは、マイクロチャネルの下壁及び上壁の他方に開口している。
例として、第１の入口及び第３の入口は互いに対面して配置される。
一変形形態では、３つの入口は全て、マイクロチャネルの下壁又は上壁のいずれかに開口している。
本発明の一実施の形態では、第１の入口及び第３の入口は、マイクロチャネルの長手方向軸に沿って互いに対してずれている。
第２の入口は、マイクロチャネルの長手方向軸にほぼ平行に又は垂直にマイクロチャネルに開口し得る。
第２の入口は、好ましくは、分離壁の少なくとも一方に隣接しているか又は分離壁の少なくとも一方から上流にあり得る。
本発明の一実施の形態では、装置は、上記３つの入口の１つ関連づけられる少なくとも１つの供給オリフィスを有し、その供給オリフィスはダクトを介して上記入口と流体連通し、ダクトは特に、ダクトの先端から拡がる末広部分を有し、供給オリフィスは、上記先端に隣接するダクトに開口し、特に、ダクトに対して垂直に開口している。
このダクトの末広部分により、物質のシートの形成を供給地点から始めることが可能となる。
本発明の一実施の形態では、装置は、マイクロチャネルと流体連通する少なくとも第１の出口及び第２の出口を有し、第１の出口及び第２の出口は、第２の横軸に沿って測定されるゼロではない高さの横分離壁によって互いに隔てられている。
第１の出口及び第２の出口は、例えば種のサイズ、種の拡散係数、又はマイクロチャネルに加えられる力場（force field）と種との相互作用の強度に応じて、マイクロチャネル内で移動した種を回収するように機能する。
本発明により、フィルタ膜又は透析を用いずに連続的に分離を行うことが可能となる。
第１の出口及び第２の出口は、マイクロチャネルの長手方向軸に沿って互いにずれていてもよい。一変形形態では、第１の出口及び第２の出口は互いに対面して配され得る。
本発明の一実施形態では、装置は、第３の出口を更に備え、第２の出口は、第２の横軸に沿って第１の出口と第３の出口との間に配され、第１の出口と第２の出口、及び第２の出口と第３の出口は、第２の横軸に沿って測定されるゼロではない高さのそれぞれの横分離壁によって互いに隔てられている。
種は、著しい妨げなく出口で回収され得る。
本発明の一実施形態では、装置は、マイクロチャネルの上記出口の１つと関連づけられる少なくとも１つの出口オリフィスを有し、当該オリフィスはダクトを介して当該出口と流体連通し、ダクトは、横方向に狭まったセクションの一部分、特に先端に向かって先細になっている部分を有し、この部分は、例えば上から見ると形状が三角形であり、その出口オリフィスは、例えば先端に隣接するダクトに開口しており、特にダクトに対して垂直に開口している。
ダクトのこの先細部分は、出口オリフィスに停滞地点が形成されないように機能する。
本発明の一実施の形態では、装置は、マイクロチャネルの少なくとも一部分内に少なくとも１つの横方向の力場（force field）、特に、重力場、電場、磁場、又は音場（acoustic field）を生ずるように配され、それにより、例えば、種を第２の横軸の方向に移動させる。
本発明により、横方向の力場（force field）は、マイクロチャネルの厚みにわたって加えられるのではなく、マイクロチャネルの幅（比較的大きいものであり得る）にわたって加えることができるため、比較的容易に加えられ得る。
本発明の一実施の形態では、装置は、少なくとも１つのシート、特に、マイクロチャネルを少なくとも部分的に形成する例えばプラスチック材料、又は金属から成る少なくとも２つのシートのスタックを含む。
シート又はシートのスタックは、特にプラスチック材料、例えばＰｌｅｘｉｇｌａｓｓ（登録商標）から成る少なくとも２つのプレート間に挟まれ得る。
一般に、マイクロチャネルは種々のタイプの材料、特にプラスチック材料、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＳＭ）、又はガラスから作製され得る。
マイクロチャネルは、微小流体分野で使用される種類の従来の作製方法を用いて作製され得る。
適切な場合、装置は、マイクロチャネルのアレイ、特に平行に配置されるマイクロチャネルのアレイを有していてもよく、所望であれば、種を各マイクロチャネルから個別に回収し、あるいは、一変形形態では、複数のマイクロチャネルに共通な１つ又は複数の出口を用いることにより、大量の物質を処理することが可能となる。
適切な場合、マイクロチャネルには、少なくとも１つの弁、例えばソレノイド弁が設けられていてもよい。
本発明の別の態様では、本発明はまた、種、特に高分子、例えば剛性粒子又は可変形粒子、生体細胞、特に血球、例えば血液サンプル中の癌細胞、細菌、コロイドエマルジョン又は非コロイドエマルジョン、タンパク質、リポソーム、エマルジョンを選別する方法、診断方法又は分析方法、精製方法、種を富化し又は除く方法、種を合成する方法、種の物理特性又は化学特性を変える方法、薬剤を探索する方法、混合する方法、拡散係数を測定する方法のうち少なくとも１つの用途において、上記に明記した装置の使用を提供する。
例として、装置は、流体サンプルを特定の細胞又は血小板、例えば癌細胞、リンパ球、若しくは幹細胞で富化するのに使用され得る。このようにして富化したサンプルは次いで、例えば、診断、及び／又は新しい種の形成、及び／又は分離のために、分析又は処理され得る。
本発明により、マイクロチャネルの壁との相互作用による影響を減らすことによって、ある種の生物学的構造、特に、せん断に特に敏感な血小板に損傷を与えないようにすることが可能である。
装置はまた、電気生理学的研究を行うために、種を、寄生生物（parasites）に感染しているマクロファージで富化するのに用いられ得る。
本発明の装置により、適切な場合、装置が連続動作し、１秒あたり何千万もの粒子又は細胞を処理することが可能であり、分取を行うことが可能となる。
本発明の別の態様では、本発明はまた、特に物質中に含有する種を選別及び／又は分離する方法を提供し、その方法は、
上記に明記した装置内で、そのマイクロチャネルに沿って上記第２の入口を介して、好ましくは連続的に、種を含有する物質を循環させるステップと、
種を含有する物質が、マイクロチャネルの下壁及び上壁から離隔したシートの形態で、マイクロチャネルの少なくとも一部分にわたって流れるように、１つ又は複数のキャリア流体を、上記第１の入口及び上記第２の入口を介してマイクロチャネルに沿って好ましくは連続的に流すステップと
を含むことを特徴とする。
本方法は、少なくともマイクロチャネル内に流れが確立している間に、マイクロチャネルを少なくとも１つの横方向の力場（force field）に配置するステップを含むことができ、その力場（force field）は、特に重力場、電場、磁場、又は音場（acoustic field）であり、行われる作業に応じて、任意選択的に、恒久的であるか、可変であるか、又は一定である。
本方法は、流体力学的浮力、又はせん断により誘導される流体力学的拡散の作用下で、種を移動させるステップを含み得る。
本方法はまた、移動した種を、マイクロチャネルの上記出口の少なくとも１つから回収するステップを含み得る。
例として、種は、血小板又は他のヒト細胞、動物細胞、又は植物細胞とすることができる。
本発明の別の態様では、本発明はまた、特に微小流体装置である、流体分離装置であって、
長手方向軸に沿って延びる少なくとも１つのマイクロチャネルであって、第１の横軸に沿って測定される幅と、その第１の横軸に対して垂直な第２の横軸に沿って測定される厚みと呈する横断面を有し、前記幅は前記厚みよりも大きく、第２の横軸に沿って下壁及び上壁を有する、マイクロチャネルと、
マイクロチャネルと流体連通する、少なくとも第１の入口及び第２の入口と、
第１の入口と第２の入口を分離する、少なくとも１つの横分離壁であって、当該分離壁は、第２の入口が、第２の横軸に沿って測定されるゼロではない距離だけ上記下壁及び上記上壁の一方から隔てられるように配され、第２の入口は特に分離壁に隣接する、横分離壁とを備え、
流体分離装置は、流路の少なくとも一部を形成するカットアウトを有する少なくとも１つのシートを有し、当該シートは少なくとも２つのプレート間に挟まれる、流体分離装置を提供する。
２つのプレートの少なくとも一方は実質的に剛性とすることができ、シートは実質的に柔軟性（floppy）又は可撓性とすることができる。
例として、プレートの厚みはシートの厚みよりも厚い。
本装置は、少なくとも部分的に変形可能であり、変形により、直線ではない形状をマイクロチャネルに与えることを可能にするようにしてもよい。
例として、マイクロチャネルは変形可能な材料から作製されるシート及び／又はプレートを有して形成されてもよい。
本装置の外側形状はほぼ筒状とすることができる。
一変形形態では、マイクロチャネルは機械加工、特にプレートに機械加工することによって作製されることができる。
本発明の別の態様では、本発明はまた、特に微小流体装置である流体分離装置を作製する方法であって、当該装置は、
長手方向軸に沿って延びる少なくとも１つのマイクロチャネルであって、第１の横軸に沿って測定される幅と、その第１の横軸に対して垂直な第２の横軸に沿って測定される厚みとを呈する横断面を有し、前記幅は前記厚みよりも大きく、第２の横軸に沿って下壁及び上壁を有する、マイクロチャネルと、
マイクロチャネルと流体連通する、少なくとも第１の入口及び第２の入口と、
第１の入口と第２の入口を分離する、少なくとも１つの横分離壁であって、当該分離壁は、第２の入口が、第２の横軸に沿って測定されるゼロではない距離だけ上記下壁及び上記上壁の一方から隔てられるように配され、第２の入口は特に分離壁に隣接する、横分離壁とを備え、
当該方法は、流路の少なくとも一部を形成するカットアウトを有するシートを少なくとも２つのプレート間に配置するステップを含む、方法を提供する。
本発明は、本発明の非限定的な実施形態の以下に続く詳細な説明を読めば、また、添付の図面を検討すれば、よりよく理解することができる。
図１は、長手方向軸Ｘに沿って延びるマイクロチャネル２を有する、本発明による装置１を示す。
マイクロチャネル２は図３に示すように、矩形の横断面であって、幅が第１の横軸Ｙに沿って測定され、厚みが第２の横軸Ｚに沿って測定される、横断面を呈す。
記載されている例では、マイクロチャネルの長さ／厚みの比は１０よりも大きい。
マイクロチャネルの幅は約０．５ｃｍ、厚みは約４４０μｍ、長さは約１２ｃｍとし得る。
マイクロチャネル２は、軸Ｚに対して垂直な下壁３及び上壁４を有する。
マイクロチャネル２は、軸方向端部５に第１の入口７、第２の入口８、及び第３の入口９を有する。
第１の入口７及び第３の入口９はそれぞれ、マイクロチャネル２の上壁４及び下壁３に開口し、Ｘ軸に対して垂直であり、互いに対面している。
第２の入口８は、Ｘ軸に対して平行にマイクロチャネル２に開口している。
入口７〜９は、ほぼ矩形の断面を有し、幅がマイクロチャネル２の幅に等しい。
第１の入口７及び第２の入口８は第１の横分離壁１０により分離され、第２の入口８及び第３の入口９は第２の横分離壁１１により分離され、これら分離壁１０及び１１は長手方向軸Ｘに対して垂直である。
図１に見られるように、分離壁１０及び１１は双方とも第２の入口８に隣接し、それぞれ第１の入口７及び第３の入口９に隣接している。
第１の入口７及び第３の入口９はそれぞれ、Ｘ軸に対して平行な第１の部分１６とＺ軸に対して平行な第２の部分１７とを有するダクト１５を介して供給を受ける。
第２の入口８は、Ｘ軸に対して平行なダクト１９から供給を受ける。
図３に見られるように、ダクト１５の第１の部分１６は、各先端２０から形状が末広になっており、特にＺ軸に沿って上から見た場合に形状が三角形であり、先端２０に隣接している各オリフィス２１は、部分１６に開口しており、部分１６に対して垂直に開口している。
各供給オリフィス２１は、例えばダクト２２を介して物質供給部（図示せず）に接続されることができる。
ダクト１９は、図３に示されるように、特に三角形の先端である先端２３から末広になっている形状を呈する。
先端２３に隣接する供給オリフィス２５は、ダクト１９に開口しており、ダクト１９に対して垂直に開口している。
供給オリフィス２５は、ダクト２６を介して物質供給部（図示せず）に接続され得る。
ダクト２２及び２６は、例えば円形である横断面を呈し得る。
部分１６及びダクト１９の形状により、射出地点から、マイクロチャネル２の幅に等しい幅を呈するシートの形態の流れを形成することが可能となる。
第２の入口８は、マイクロチャネル２の厚みよりも小さい厚み、例えばマイクロチャネル２の厚みの半分より小さい厚みを呈する。
見られるように、横軸Ｚに沿って分離壁１０及び１１の高さを高くすることによって、第２の入口８から流入する物質のシートの厚みを減らすように当該入口８の厚みを減らすことが可能である。
所望であれば、シートの厚みを入口７及び９から流入する流量を操作することによって制御してもよい。
特に分離壁１０及び１１の高さを選択することによって、入口８から流入するシートを、マイクロチャネルの厚み方向に選択される高さに位置付けることも可能である。
装置１は、使い捨てタイプとすることができ、適切な場合、いかなる能動系をも有する必要がない。
以下に、微小流体装置１を作製する際のステップを記載する。
図２に示すように、シート３０及び３１はプレート３２と一緒に組み立てられる。
シート３０は、ダクト１５の部分１６を形成するようにカットアウト３３を有する。
プレート３２は、ダクト１５の部分１７を形成するようにＺ軸上に通路３４を有する。
シート３１は、マイクロチャネル２の一部分を形成するようにカットアウト３５を有する。
記載されている例では、シート３０及び３１は例えばＭｙｌａｒ（登録商標）のプラスチック材料から作製される。
一変形形態では、シート３０及び３１の一方はポリイミドとすることができる。
一変形形態では、シート３０及び３１は例えば金属から作製され得る。
プレート３２は、単品又は複数の部分から成る組立体として、プラスチック材料、例えばＰｌｅｘｉｇｌａｓｓ（登録商標）又はポリカーボネートから作製され得る。
プレート３２は、シート３０を受ける上面３７を有する第１の部分３６を有する。
プレート３２は第２の部分３８を有し、この第２の部分３８は、Ｚ軸に沿った高さが第１の部分３６と同じであると共に、シート３０及び３１のそれぞれの距離に等しい距離にわたって第１の部分３６に対しずれている。
シート３０は、第１の部分３６の上面３７にしっかりと固定され、シート３１は、第２の部分３８の底面３９にしっかりと固定されることで、図３に示すような第１の組立体４０を形成する。
シート３０及び３１は、例えば接着剤によってプレート３２にしっかりと固定されることができる。
また、軸Ｘ及びＹによって画定される平面に対して組立体４０に対称な第２の組立体４１も作製される。
シート４３が組立体４０及び４１間に置かれ、このシート４３は、第１にダクト１９を形成し、第２に、組立体４０及び４１内のカットアウト３５と共に、マイクロチャネル２を形成する、カットアウト４４を呈する。
マイクロチャネル２からの出口も同様にして作製され得る。
上述の実施形態では、第１の入口７及び第３の入口９は互いに対面して開口している。
図４に示すように、一変形形態では、第１の入口７及び第３の入口９はＸ軸に沿ってずれることができる。
当該例では、分離壁１０及び１１もまたＸ軸に沿ってずれている。
第１の入口７は、Ｚ軸に沿った厚みを呈する第１のゾーン４５に開口しており、この第１のゾーンは、より厚みのある第２のゾーン４６につながっており、この第２のゾーンに第２の入口８が開口している。
第２のゾーン４６はマイクロチャネル２の中央ゾーン４７につながっている。
ゾーン４５とゾーン４６の厚差及びゾーン４６とゾーン４７の厚差は、分離壁１０の高さ及び分離壁１１の高さにそれぞれ相当する。
Ｘ軸に沿った入口７〜９のこのようなずれ配置（offset disposition）により、３つよりも多くの、例えば４つ又は５つの数多くの入口をマイクロチャネル２に設けることが可能となる。
マイクロチャネル２は２つの出口５０及び５１を有し、これら出口はＸ軸に沿ってずれていると共に、Ｘ軸に対して垂直な横分離壁５２によって互いに分離されている。
図４に示す例では、入口７はマイクロチャネルの上壁４に開口し、入口３及び入口４はマイクロチャネルの下壁３に開口している。
図５に示すように、一変形形態では、入口７〜９は全てマイクロチャネルの下壁３に開口している。
出口５０及び５１は、図４に示されるように、一方がマイクロチャネルの下壁３に開口し、他方が上壁４に開口することができる。あるいは、一変形形態では、図５に示されるように、出口５０及び５１が双方とも、下壁３及び上壁４の一方又は他方に開口することができる。
マイクロチャネル２は、２つより多い数の出口を有し得る。
図６に示すように、例えば、マイクロチャネル２は、Ｘ軸に沿ってずれていると共に横分離壁５２及び５４によって対になって分離されている３つの出口５０、５１、及び５３を有し得る。
図７に示すように、適切な場合は、出口５０及び５１は互いに対面して開口していてもよい。
装置１は以下のように用いることができる。
例えば図４に示すように、キャリア流体５６を第１の入口７及び第３の入口９を介して流し、その一方、選別すべき及び／又は分離すべき種を含有する物質５５を第２の入口８を介して移動させる。
マイクロチャネル２内の流れが安定すると、キャリア流体５６間の物質５５のシートは、マイクロチャネル２の長さの少なくとも一部分にわたってマイクロチャネル２の下壁３及び上壁４から隔たり、物質５５と壁３及び４との相互作用を低減する。
マイクロクロチャネル２の少なくとも一部内に、図６に示されるように例えば装置６０により横方向の力場（force field）を発生させることが可能である。
このような横方向の力場（force field）は電場、磁場、又は音場（acoustic field）とすることができる。
物質５５のシート内に含有する種は、例えば重力場などの横方向の力場（force field）の作用下で、又は、例えば浮力、せん断により誘導される拡散力などの流体力学的作用下で、横方向に移動し得る。
流体力学的浮力による作用は、種のサイズに応じて決まる。
せん断により誘導される流体力学的拡散は、局部的なせん断、種のサイズ及び濃度に応じて決まる。
横方向の力場（force field）は、マイクロチャネル２の長さ全体に対して適用されてもよく、又はマイクロチャネル２の一部のみにわたって適用されてもよい。
移動した種は、一方又は他方の出口５０又は５１を介して回収される。
種は、出口５０及び５１にて、各自のサイズ、各自の粒子拡散係数に応じて、又は（もしあれば）与えられる横方向の力場（force field）の強度に応じて分離する。
装置１は、診断方法の分野の分析セパレータ（analytic separator）として、例えば不均一サンプル内での種々の細胞タイプを決定するために、用いることができる。
適切な場合は、装置１は、入口７〜９を介した物質の注入を制御する１つ又は複数の弁を有することができ、その場合、かかる弁は例えば１つの通路又は複数の通路を有するソレノイド弁とすることができる。
入口７〜９を介した物質の注入は、その頻度及び流量を制御されることができ、それにより、大量の物質を処理するために装置１を連続動作させることが可能となる。
本発明の装置１により、粒子、高分子、コロイド、生体細胞、例えば血球、癌細胞、又は細菌を分離することが可能となる。
図８は、平行に配置されたマイクロチャネル６６のアレイを有する、本発明による微小流体装置６５を示す、Ｚ軸に沿った方向から見た平面図である。
記載されている例では、装置６５は、上述の供給オリフィス２１及び２５のような複数の供給オリフィス６８を有する。
流れを当該マイクロチャネル６６に向けるために、マイクロチャネル６６の入口６７は先細の形状である。
出口６９は末広形状を有し、出口オリフィス７０につながっている。
装置６５により、大量の物質を処理することが可能となる。
移動した種は、マイクロチャネル６６それぞれに対して個別に回収されることができる。あるいは、一変形形態では、複数のマイクロチャネル６６に対して共通の出口を介して回収されることができる。
図９は、例えば共通の入口につながっている星形構造で配置されているマイクロチャネル６６を有する微小流体装置７２を示す。
マイクロチャネル６６はそれぞれ、独自の出口を有し得る。
当然のことながら、本発明は上述の実施形態に限定されない。
例えば、マイクロチャネル２は３つより多くの数の入口を有し得る。
一変形形態では、マイクロチャネル２は、例えば、少なくとも３つの出口と共に１つの入口、又は１つの出口と共に少なくとも３つの入口を有し得る。
図１１は、本発明の別の実施形態を構成する流体分離装置８０を示す。
装置８０は第１の入口８２及び第２の入口８３、並びに第１の出口８４及び第２の出口８５を有するマイクロチャネル８１を有する。
入口８２と入口８３は横分離壁８６により分離され、出口８４及び８５は横分離壁８７により分離されている。
図１０に示すように、装置８０は上述した組立体４１と、シート４３と、２つのプレート９０及び９１とから成り、プレート９０はシート３０及びプレート３２を押圧し、プレート３２はシート４３を押圧する。
プレート３２、９０、及び９１は実質的に剛性であり、シート３０、３１、及び４３は実質的に可撓性である。
プレート３２、９０、及び９１は、プラスチック材料、特に例えばＰｌｅｘｉｇｌａｓｓ（登録商標）若しくはＡｌｔｕｇｌａｓ（登録商標）から作製されてもよく、又は、シリカ若しくはガラスをベースとしていてもよい。
プレート３２は、通常の微小流体的技法を用いて、例えばＰＤＭＳ、Ｓ８、又は任意の他のポリマー材料を用いることによって、又は実際にシリカマスクを用いることによって作製されてもよいが、このような列挙に限定されない。
ダクト１５は、ダクト１５を画定するスロットを形成するように構成され、接着結合される３つの部分から成ることができる。
一変形形態では、ダクト１５は、一片のプラスチック材料にスロットを掘り出すことによって形成することができる。
出口８４及び８５は、入口８２及び８３と同様にして作製される。
本発明による装置の概略的且つ断片的な横断面図である。 図１の装置の製造における２つのステップのうち一ステップを示す概略的且つ断片的な斜視図である。 図１の装置の製造における２つのステップのうち一ステップを示す概略的且つ断片的な斜視図である。 本発明の他の実施形態を構成する装置の概略的且つ断片的な図である。 本発明の他の実施形態を構成する装置の概略的且つ断片的な図である。 本発明の他の実施形態を構成する装置の概略的且つ断片的な図である。 本発明の他の実施形態を構成する装置の概略的且つ断片的な図である。 マイクロチャネルのアレイを有する、本発明による装置の概略的且つ断片的な図である。 マイクロチャネルのアレイを有する、本発明による装置の概略的且つ断片的な図である。 本発明の別の実施形態を構成する装置の異なる要素を示す概略的且つ断片的な斜視図である。 図１０の装置の概略的且つ断片的な断面図である。

Claims (28)

  1. 物質流体とキャリア流体との流束を接触させる流体分離装置（１、６５、７２）であって、
    長手方向軸（Ｘ）に沿って延びる少なくとも１つのマイクロチャネル（２、６６）であって、第１の横軸（Ｙ）に沿って測定される幅と、該第１の横軸（Ｙ）に対して垂直な第２の横軸（Ｚ）に沿って測定される厚みとを呈する横断面を有し、前記幅は前記厚みよりも大きく、前記第２の横軸に沿って下壁（３）及び上壁（４）を有する、該マイクロチャネルと、
    前記マイクロチャネル（２）の入口と流体連通する、少なくとも第１の入口（７）、第２の入口（８）、及び第３の入口（９）であって、前記第２の入口（８）は、前記第２の横軸（Ｚ）に沿って前記第１の入口（７）と前記第３の入口（９）との間に配され、前記第１の入口（７）及び第３の入口（９）は前記キャリア流体を導入するためのものであって、前記第２の入口（８）は前記物質流体を導入するためのものである、該第１の入口（７）、該第２の入口（８）、及び該第３の入口（９）と、
    前記第１の入口と前記第２の入口、及び前記第２の入口と前記第３の入口をそれぞれ分離する、少なくとも第１の横分離壁（１０）及び第２の横分離壁（１１）であって、前記第１の横分離壁（１０）及び前記第２の横分離壁（１１）は、前記第２の入口（８）が、前記第２の横軸（Ｚ）に沿って測定されるゼロではない距離だけ前記下壁（３）及び前記上壁（４）のそれぞれから隔てられるように配される、該第１の横分離壁（１０）及び該第２の横分離壁（１１）と
    を備える、流体分離装置。
  2. マイクロチャネルの前記幅／厚みの比が２よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の流体分離装置。
  3. 前記マイクロチャネル（２、６６）は略矩形である横断面を呈することを特徴とする、請求項１又は２に記載の流体分離装置。
  4. 前記３つの入口（７、８、９）の少なくとも１つは、少なくとも前記マイクロチャネルの幅程の幅を呈することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  5. 前記３つの入口の少なくとも１つは、前記マイクロチャネルの前記下壁及び前記上壁の一方に開口し、前記３つの入口の別の１つは、前記マイクロチャネルの前記下壁及び前記上壁の他方に開口していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  6. 前記第１の入口及び前記第３の入口は互いに対面して配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  7. 前記少なくとも３つの入口は全て、前記マイクロチャネルの前記下壁又は前記上壁のいずれかに開口していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  8. 前記第１の入口及び前記第３の入口は、前記マイクロチャネルの前記長手方向軸に沿って互いに対してずれていることを特徴とする、請求項６を除いた請求項１〜７のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  9. 前記第２の入口（８）は、前記マイクロチャネル（２）の前記長手方向軸（Ｘ）に平行に該マイクロチャネル（２）に開口していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  10. 前記第２の入口（８）は、前記分離壁（１０、１１）の少なくとも一方に隣接するか、又は該少なくとも一方から上流にあることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  11. 前記流体分離装置は、前記３つの入口の１つと関連づけられる少なくとも１つの供給オリフィス（２１、２５）を有し、前記供給オリフィスはダクトを介して該入口と流体連通し、前記供給オリフィスは、前記ダクトの先端に隣接する該ダクトに開口していることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  12. 前記流体分離装置は、前記マイクロチャネルと流体連通する少なくとも第１の出口（５０）及び第２の出口（５１）を有し、該第１の出口（５０）及び第２の出口（５１）は、前記第２の横軸（Ｚ）に沿って測定されるゼロではない高さの横分離壁（５２）によって互いに隔てられていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  13. 前記第１の出口（５０）及び前記第２の出口（５１）は、前記マイクロチャネルの前記長手方向軸に沿って互いにずれていることを特徴とする、請求項１２に記載の流体分離装置。
  14. 前記第１の出口（５０）及び前記第２の出口（５１）は互いに対面して配されることを特徴とする、請求項１２に記載の流体分離装置。
  15. 前記流体分離装置は、第３の出口（５３）を更に備え、前記第２の出口は、前記第２の横軸に沿って前記第１の出口と前記第３の出口との間に配されることを特徴とし、前記第１の出口と前記第２の出口、及び前記第２の出口と前記第３の出口は、前記第２の横軸に沿って測定されるゼロではない高さのそれぞれの横分離壁（５２、５３）によって互いに隔てられていることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  16. 前記流体分離装置は、前記出口の１つと関連づけられる少なくとも１つの出口オリフィスを有し、該オリフィスはダクトを介して該出口と流体連通し、前記ダクトは先端に向かって先細になっている部分を有し、前記出口オリフィスは、前記先端に隣接する前記ダクトに開口していることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  17. 前記流体分離装置は、前記マイクロチャネルの少なくとも一部分内に、少なくとも１つの横方向の力場を生ずるように配されることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  18. 前記流体分離装置は、前記マイクロチャネルを少なくとも部分的に形成する少なくとも１つのシート（４３）又は少なくとも２つのシートのスタックを含み、前記シート又は該シートのスタックは、少なくとも２つのプレート（３２）間に挟まれることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  19. 平行なマイクロチャネル（６６）のアレイを有することを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一つに記載の流体分離装置。
  20. 請求項１〜１９のいずれか一つに記載の装置内に、種を含有する物質を前記第２の入口を介して前記マイクロチャネルに沿って流すステップと、
    前記種を含有する前記物質が、前記マイクロチャネルの下壁及び上壁から離隔したシートの形態で前記マイクロチャネルの少なくとも一部分にわたって流れるように、１つ又は複数のキャリア流体を、前記第１の入口及び前記第３の入口を介して前記マイクロチャネルに沿って流すステップと
    を含むことを特徴とする、方法。
  21. 少なくとも前記マイクロチャネル内に流れが確立している間に、該マイクロチャネルを、少なくとも１つの横方向の力場に配置するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
  22. 流体力学的浮力、又はせん断により誘導される流体力学的拡散の作用下で、前記種を移動させるステップを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
  23. 種を選別する方法、診断方法又は分析方法、精製方法、種を富化し又は除く方法、種を合成する方法、種の物理特性又は化学特性を変える方法、薬剤を探索する方法、混合する方法、拡散係数を測定する方法のうち少なくとも１つの用途において使用されることを特徴とする、請求項２０又は２１に記載の方法。
  24. 前記第２の入口（８）は、前記分離壁の少なくとも一方に隣接する、請求項１に記載の流体分離装置。
  25. 前記ダクトは、該ダクトの先端から拡がる末広部分（１６、１９）を有している、請求項１１に記載の流体分離装置。
  26. 前記供給オリフィスは、前記ダクトに対して垂直に開口している、請求項１１又は２５に記載の流体分離装置。
  27. 前記出口オリフィスは、前記ダクトに対して垂直に開口している、請求項１６に記載の流体分離装置。
  28. 微小流体装置である流体分離装置（１、６５、７２、８０）を作製する方法であって、該装置は、
    長手方向軸（Ｘ）に沿って延びる少なくとも１つのマイクロチャネル（２、６６）であって、第１の横軸（Ｙ）に沿って測定される幅と、該第１の横軸（Ｙ）に対して垂直な第２の横軸（Ｚ）に沿って測定される厚みとを呈する横断面を有し、前記幅は前記厚みよりも大きく、前記第２の横軸に沿って下壁（３）及び上壁（４）を有する、該マイクロチャネルと、
    前記マイクロチャネル（２）の入口と流体連通する、少なくとも第１の入口（７）、第２の入口（８）、及び第３の入口（９）であって、前記第２の入口（８）は、前記第２の横軸（Ｚ）に沿って前記第１の入口（７）と前記第３の入口（９）との間に配され、前記第１の入口（７）及び第３の入口（９）は前記キャリア流体を導入するためのものであって、前記第２の入口（８）は前記物質流体を導入するためのものである、該第１の入口（７）、該第２の入口（８）、及び該第３の入口（９）と、
    前記第１の入口と前記第２の入口、及び前記第２の入口と前記第３の入口をそれぞれ分離する、少なくとも第１の横分離壁（１０）及び第２の横分離壁（１１）であって、前記第１の横分離壁（１０）及び前記第２の横分離壁（１１）は、前記第２の入口（８）が、前記第２の横軸（Ｚ）に沿って測定されるゼロではない距離だけ前記下壁（３）及び前記上壁（４）のそれぞれから隔てられるように配される、該第１の横分離壁（１０）及び該第２の横分離壁（１１）とを備え、
    該方法は、流路の少なくとも一部を形成するカットアウトを有するシートを少なくとも２つのプレート間に配置するステップを含む、方法。
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