JP5018879B2 - 成分分離デバイス - Google Patents

Description

本発明は、細胞培養液、血液、乳液などに代表されるような溶液と固形粒子が混合した混合溶液において、固形粒子の抽出、分離を行うことのできる成分分離デバイス及びこれを用いた成分分離方法に関するものである。

細胞は遺伝子やタンパク質の発現、代謝産物の生成、免疫系及び増殖分化などの生命活動の制御を行っており、生体反応機構の解明だけでなく、医療診断分野に大きく貢献するものとして、その解析研究が進められている。

一般的に、細胞を解析するための前処理として、培養液中で保存されている細胞を検査用の溶液に抽出する必要があり、現在は、遠心分離装置やピペットにより操作されている。しかしながら、操作時間が長い、遠心分離による細胞の破壊が起こり、貴重な細胞や高価な培養液を必要以上に大量に消費してしまうという課題があった。

これに対して、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて作製したデバイスによって、細胞の前処理操作を行う研究が進められている。これらの細胞の前処理を行うＭＥＭＳデバイスの中で、音響波を利用したものは細胞に対して非接触で作用させることができることに加え、圧電体素子などを用いることで小型の音響波音源の構造を実現できるとともに制御性に優れたデバイスを実現している。この音響波を利用したデバイスを用いた細胞の前処理の方法の一例として、特許文献１では、細胞と第一の溶液の混合溶液と、細胞を抽出したい第二の溶液とを同時に抽出機能を有する流路に導入し、非特許文献１では音響波の作用によって細胞を第二の溶液に抽出している。また、他の例として、抽出機能を有する流路に対して、連続的に第二の溶液の導入路と、細胞が抽出された第一の溶液の導出路を形成している。

図１５は、非特許文献１に開示されている従来の成分分離デバイスを用いて固形粒子を抽出する方法を説明するための平面図である。図１５において、固形粒子１２０と第一の溶液１２３の混合液を矢印１３０で示す方向に第一の導入路１０３から投入する。それとともに、第二の導入路１０４から第二の溶液１２４を矢印１３１にて示す方向に投入する。そして、音響波発生装置１１１により発生させた音響波を流路１０２に伝達し、この流路１０２の中央に音響波の節１３８を有する定在波を発生させる。

そこを流れる固形粒子１２０はその音響波からの放射圧によって、流路１０２の中央に向かう方向に定在波の影響力を受け、第一の溶液１２３の流れの中から第二の溶液１２４の流れの中に固形粒子１２０が抽出されるように移動する。そして、導出路１０５によって、矢印１３２で示す方向に第二の溶液１２４と抽出された固形粒子１２０の混合液が導出され、矢印１３３で示す方向に第一の溶液１２３と第二の溶液１２４の中へ抽出されなかった一部の固形粒子１２０が導出される。

しかしながら、前記従来の技術において、多くの固形粒子１２０を抽出しようとすると、第二の導入路１０４の幅方向に対する固形粒子１２０の位置のばらつき、個々の固形粒子１２０の大きさのばらつきのため、完全に第二の溶液１２４の中に固形粒子１２０を取り込むことが困難であった。

特表２００４−５３５９１２号公報

Ｐｅｒ Ａｕｇｕｓｔｓｓｏｎ ｅｔ ａｌ．、μＴＡＳ ２００６、ｐｐ６２７−６２９

本発明の成分分離デバイス及びこれを用いた成分分離方法は、流路と、この流路の内部に音響波を発生させる音響波発生装置と、流路に第一の導入路、第二の導入路および二つ以上の導出路を設ける。そして、第一の導入路に固形粒子の濃度勾配を形成することができる濃度勾配形成装置を設けた構成としたものである。第一の導入路に濃度勾配形成装置を設け、流路に音響波発生装置を設けるとともに第二の導入路を流路に接続する。これによって、効率的に固形粒子の抽出もしくは分離を行うことができるとともに固形成分の高い回収率を実現できる成分分離デバイス及びこれを用いた成分分離方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの構成を示す平面図 本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの分解斜視図 本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの音響波発生装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの導入路断面図 本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの導入路断面図 本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの流路断面図 本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの流路断面図 本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの平面図 本発明の実施の形態２における成分分離デバイスの構成を示す平面図 本発明の実施の形態３における成分分離デバイスの構成を示す平面図 本発明の実施の形態３における成分分離デバイスの分解斜視図 本発明の実施の形態４における成分分離デバイスの構成を示す平面図 本発明の実施の形態５における成分分離デバイスの構成を示す平面図 本発明の実施の形態６における成分分離デバイスの構成を示す平面図 本発明の実施の形態６における成分分離デバイスの分解斜視図 本発明の実施の形態７における成分分離デバイスの構成を示す平面図 従来の成分分離デバイスの構成を示す断面図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における成分分離デバイス及びこれを用いた成分分離方法について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの構成を示す平面図である。図２は図１の分解斜視図である。図３は音響波発生装置１１の構成を示す断面図である。同一の要素については、同一の符号で表す。

図２において、１はシリコンからなる基板であり、この基板１のＡ面（表面）に所定の幅と深さをもつ流路２を設け、さらに基板１のＢ面（裏面）に流路２に音響波を発生させることのできる音響波発生装置１１が形成されている。音響波発生装置１１を基板１のＢ面に形成することで、生産性に優れた構成とすることができる。これはＡ面側には封止部１０を設けることから、Ａ面は平坦な平面を有していることが好ましく、また、薄膜プロセスによって音響波発生装置１１を形成する時、平坦なＢ面に形成することが好ましいからである。

なお、この音響波発生装置１１は流路２の内部に音響波を発生させることができれば、基板１のＡ面または基板１の側面に形成しても良い。

この音響発生装置１１を用いて音響波を発生させることによって流路２の内部に音響波を放射し、流路２の内部を流れる液体に定在波を発生させる構成としている。

ここで、流路２の幅をＷ、流路２に導入する溶液の音速をｖ、音響波を発生させる周波数をｆとすると、ｆ＝（ｎ／２）×ｖ／Ｗ（ｎは自然数）の数式を満足する周波数ｆの音響波が流路２に照射されると、その音響波が流路２の内部で反射を繰り返し、重なり合うことで流路２の内部に定在波を発生させることができる。そして、この溶液中に固形粒子２０が浮遊しているとすると、この固形粒子２０は定在波の節３８近傍に集めることができる。

流路２はガラスからなる封止部１０で陽極接合により封止されている。ガラスを用いることで、上面より固形粒子２０の移動状態を観察しながら調整および成分の分離を行うことができる。

ここで、封止部１０はプラスチックあるいはシリコンを用いても良く、材料に合わせて適宜接合方法は変更することができる。

図１において、流路２に固形粒子２０を含む第一の溶液２３を導入するための第一の導入路３と第二の溶液２４を導入するための第二の導入路４を形成している。さらに、流路２からそれぞれの溶液を導出する第一の導出路５を設けている。これらの流路２、第一の導入路３、第二の導入路４及び第一の導出路５に示した溝の形状は、基板１にシリコンを用いた場合、フォトリソブラフィー法やドライエッチング法を用いることで、効率よく精度の高い寸法形状の成分分離デバイスを実現することができる。

なお、ここでは精度よく流路２を形成することができるシリコンを基板１に用いているが、音響波を伝達することができる物質であれば、プラスチックやガラスなどを用いても良い。

また、基板１のＢ面に第一の導入路３を流れる固形粒子２０に濃度勾配を形成することのできる濃度勾配形成装置１２となる音響波発生装置を設けている。この音響波発生装置を用いて濃度勾配を形成する方法は、前記流路２に設けた音響波発生装置１１の作用と同様の方法によって第一の導入路３の内部において、固形粒子２０に対して濃度勾配を形成することができる。この濃度勾配形成装置１２は導入路３を流れる固形粒子２０に濃度勾配を形成することのできる方法であれば良い。例えば導入路３の内部の固形粒子２０に作用する位置に電極を配置し電気泳動現象を利用する方法、あるいは導入路３の内部にピラーまたは分岐流路を設けて固形粒子２０の流れ方向を制限する方法などを用いてもよい。

このような構成とすることによって、第一の導入路３には固形粒子２０の濃度勾配が形成され、第一の導入路３の幅方向に対する固形粒子２０の位置のばらつきを低減することができ、次の流路２における抽出、分離を効率的に確実に行うことができ、回収率の高い成分分離デバイスとすることができる。

また、濃度勾配形成装置１２を音響波発生装置とすることで、固形粒子２０に対し非接触で作用させることが可能であり、簡単な構造で電気的に動作を制御することによって所望の位置に濃度勾配を形成することができるという利点を有する。

また、音響波発生装置１１と濃度勾配形成装置１２に同一の音響波発生機構を用いても良いが、個別に音響波の特性を制御可能とすることで固形粒子２０の分離、抽出に対する自由度が向上する。例えば、第一の導入路３の流路幅と流路２の流路幅は異なっており、定在波を発生させる周波数が異なることから、個別に制御することが好ましい。また、それぞれの溶液２３，２４の流量を制御するときにおいても、個別に制御できるようにしておくことによって効率的に分離、抽出ができるという利点を有する。

次に、音響波発生装置１１もしくは濃度勾配形成装置１２となる音響波発生装置の構成を図３に示す。濃度勾配形成装置１２も音響波を発生させるものを用いることが出来るので、同様の構造となる。図３に示すように、この音響波発生装置は第一の電極層１３と圧電体層１４と第二の電極層１５からなる積層構造で構成した圧電アクチュエータとしている。流路２などを形成したシリコン基板の一面に薄膜形成法などを利用し、小型で高精度な寸法形状の音響波発生装置１１を設けることができる。従って、成分分離デバイスの小型化を容易に実現することができる。

次に、この成分分離デバイスを用いて固形粒子２０を抽出する方法について図１、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。なおここでは、濃度勾配発生手段１２が音響波発生装置である場合について説明する。図４Ａ、図４Ｂは本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの導入路断面図である。図５Ａ、図５Ｂは本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの流路断面図である。

図１において、第一の導入路３へ送液手段を用いて矢印３０の方向に第一の溶液２３と固形粒子２０の混合液を導入する。固形粒子２０は溶液２３に均等に混ざっている。このとき図４Ａに示すように、第一の導入路３の中央に定在波の節３８が発生するように濃度勾配発生手段１２である音響波発生装置を駆動させる。すると、そこを流れる固形粒子２０はその音響波からの放射圧によって、第一の導入路３の中央に向かう方向に定在波の影響力を受け、音響波の圧力の最も少ない音響波の節に集まってくる。この例の場合は、音響波の節は第一の導入路の中央線上なので、図４Ｂに示すように、固形粒子２０はその中央線の上に集まってくる。即ち、音響波の放射圧によって、固形粒子２０に、第一の導入路３の中央で濃度が高まるような濃度勾配を形成させることができる。

次に、固形粒子２０は第一の導入路３で形成した濃度勾配を保ちつつ、第一の溶液２３とともに流路２に導入される。一方、第二の導入路４へ、送液手段（図示せず）を用いて矢印３１の方向に第二の溶液２４が導入されている。このとき、流路２の構成として定在波の節３８が第二の溶液の流れの内部に存在するように構成することが不可欠である。それを実現するために、流路形状、導入量、もしくは音響波発生装置１１の全体的な設計によって調整することが重要である。

図５Ａ、図５Ｂは本発明の実施の形態１における成分分離デバイスの流路の断面図である。ここで、図５Ａに示すように、流路２の中央に定在波の節３８が発生するように音響波発生装置１１を駆動させた場合について説明する。固形粒子２０は音響波の放射圧により定在波の節３８の方向、つまり、流路２の中央方向に力を受け、その結果、図５Ｂに示すように第一の溶液２３から第二の溶液２４中に移動させることができる。

そして、この固形粒子２０の移動を完了した第一の溶液２３と第二の溶液２４は流路２の後方に設けた第一の導出路５へ導入される。

この第一の導出路５の流路形状及び流路長さの設計などにより、固形粒子２０を含んだ第二の溶液２４を矢印３２の方向へ導出し、第一の溶液２３を矢印３３の方向へ別々に導出することが可能となる。

以上説明してきたように、第一の導入路３において第一の溶液２３の内部に浮遊している固形粒子２０に対して濃度勾配を形成した後、流路２の内部で固形粒子２０を第一の溶液２３から第二の溶液２４中へ抽出移動させることによって、精度良く整列させることができる。このことから、固形粒子２０の移動距離のばらつきを低減することができるため、固形粒子２０の抽出を短時間で連続的に精度良く行うことが可能となる。

以下、この成分分離デバイスの応用例として、培養液中に保存している細胞を分離抽出する場合について説明する。このとき、上述の説明は、固形粒子２０を細胞、第一の溶液２３を細胞の培養液、および第二の溶液２４を細胞外液と置き換えて説明することができる。この細胞外液とはＫ＋イオンが４ｍＭ程度、Ｎａ＋イオンが１４５ｍＭ程度、Ｃｌ−イオンが１２３ｍＭ程度添加された電解液であり、細胞の電気生理現象を測定するときに用いる測定液である。

ここで、細胞は培養液中に存在している場合は長期間活性を保つことができるが、培養液中には不明瞭なイオン成分が多数存在しており、培養液中では精度の高い細胞の電気生理現象の測定を行うことはできない。精度の高い細胞の電気生理現象の測定を行うためには細胞を細胞外液中に抽出する必要がある。しかしながら、細胞は細胞外液中に存在していると徐々に活性を失っていくことから、細胞の抽出は検査に必要な量を速やかに行うことが重要である。

これに対して、本実施の形態１にて説明してきた成分分離デバイスを用いて培養液中の細胞の分離操作を行うことによって、細胞の培養液から必要な量を細胞外液中へ細胞を速やかに分離、抽出することができることから、細胞の活性を保ちつつ精度の高い細胞の電気生理現象の測定を行うことができる。

また、ＨＥＫ細胞やＣＨＯ細胞に代表される付着性細胞は、細胞を培養中に培養容器と付着する。この付着性細胞の電気生理現象の測定を行う場合、トリプシン溶液により培養容器から剥離する必要がある。しかしながら、このトリプシン溶液は細胞の活性を著しく低下させるため、細胞を剥離後速やかに培養液中もしくは細胞外液中に抽出する必要がある。

これに対して、固形粒子２０を細胞とし、第一の溶液２３をトリプシン溶液とし、第二の溶液２４を細胞の培養液もしくは細胞外液とすることによって、細胞をトリプシン溶液から細胞の培養液もしくは細胞外液中へ速やかに抽出、分離することができる。この一旦剥離させた細胞は細胞の培養液を攪拌することで細胞の培養液中に浮遊した状態にして保存しておくことが可能であり、細胞の活性を保ちつつ保存することができる。また、細胞を細胞外液中へ抽出することによってそのまま速やかに細胞の電気生理現象の測定を行うことができる。

次に、本実施の形態１における別の例である成分分離デバイスおよびこれを用いた成分分離方法について図面を用いて説明する。図６は、異なった大きさの固形粒子２０ａ，２０ｂを含む溶液の中から選択的に特定の固形成分２０（例えば２０ａ）のみを分離する方法を説明するための実施の形態１に係る成分分離デバイスの平面図である。なお、ここでは濃度勾配発生手段１２として音響波発生装置を用いた場合について説明する。

図６に示すように、音響波の影響を受けやすい第一の固形粒子２０ａと、第一の固形粒子２０ａよりも音響波の影響を受けにくい第二の固形粒子２０ｂとが第一の溶液２３内に混入している。第一の導入路３へ送液手段（図示していない）を用いて矢印３０の方向に第一の溶液２３を送り、この混入した固形粒子２０ａ、２０ｂを選択的に分離する場合がある。例えば血液中に存在する赤血球と白血球を分離して検査分析を行うときなどがある。

このような混合溶液に対して、第一の導入路３の中央に第一の固形粒子２０ａと第二の固形粒子２０ｂとの両方の濃度が高くなるように濃度勾配発生手段１２を駆動させて所定の定在波の節３８を発生させる。すると、第一の固形粒子２０ａが先に、第二の固形粒子が後から第一の固形粒子２０ａが後から、導入路３の中心線上に集まってくる。結局、第一の固形粒子２０ａと第二の固形粒子２０ｂとはその濃度勾配を保ちつつ第一の溶液２３と共に流路２に導入される。

一方、第二の導入路４へ送液手段（図示していない）を用いて矢印３１の方向に第二の溶液２４を導入する。

流路２の中央に定在波の節が発生するように音響波発生装置１１を駆動させる。このことによって、第一の固形粒子２０ａ及び第二の固形粒子２０ｂは音響波の放射圧により定在波の節３８の方向、つまり、流路２の中央方向に力を受ける。固形粒子は、一般にその体積が大きいほど音響波の影響を受けやすく動きやすい。音響波発生装置１１の出力を調整して、体積の大きい固形粒子２０ａのみが音響波の影響を受け流路２の中を流れる過程で実際に流路２の中央線部に動くようにする。つまり、体積の小さな固形粒子２０ｂは、流路２の区間を流れる間には、若干の音響波の影響を受けるものの、流路２の中央線部までは動いていかないように出力を調整する。こうして、第一の溶液２３から第二の溶液２４中に第一の固形粒子２０ａのみを移動させる。そして、第二の固形粒子２０ｂを含んだ第一の溶液２３は第一の導出路５ｂへ導出し、第一の固形粒子２０ａを含んだ第二の溶液２４は第一の導出路５ａへ分岐して導出することができる。この第一の導出路５ａ、５ｂの流路形状及び長さを最適な条件に設計することにより、効率よく第二の溶液２４と第一の固形粒子２０ａを矢印３２に示す方向に導出させ、第一の溶液２３と第二の固形粒子２０ｂを矢印３３に示す方向に導出することが可能である。

以上説明してきたように、図６に示した構成とすることによって、第一の導入路３において第一の固形粒子２０ａと第二の固形粒子２０ｂの濃度勾配を形成した後、次の流路２で第一の溶液２３から第二の溶液２４へ第一の固形粒子２０ａのみを抽出する。このことで、固形粒子２０ａの移動距離のばらつきを低減することができることから、高い回収率で効率よく固形粒子２０ａ、２０ｂの抽出、分離を連続的に行うことが可能となる。

このような成分分離デバイスを用いる用途として、第一の固形粒子２０ａと第二の固形粒子２０ｂを大きさの異なる細胞の抽出、分離に用いることができる。例えば、血液中の血球成分である赤血球と白血球は異なる大きさ、形状を有しておりその音響波特性は異なる。この血液中から赤血球または白血球のみを抽出、分離する場合に用いることが可能である。あるいは、培養された細胞では同種の細胞であっても細胞分裂した後の経過時間、あるいは凝集により大きさが異なることで音響波特性が異なり、細胞の解析において細胞の形状の均一性は測定精度に大きく影響を及ぼすことがある。この細胞の培養液から均一な形状の細胞のみを抽出、分離することが可能である。

このように、図６で示した成分分離デバイス及び成分分離方法を用いることで、異なった形状、大きさを有する細胞の中から必要な細胞を精度良く短時間で抽出、分離することができることから、細胞の解析において測定精度及び速度を向上させることができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における成分分離デバイスについて図面を用いて説明する。図７は本発明の実施の形態２における成分分離デバイスの構成を示す平面図である。

図７に示すように、第一の導入路３には固形粒子２０の濃度が高くなる領域に分岐７を設けている。この分岐７によって分岐された第一の導入路３の間に導入孔８及び第二の導入路４を設けており、この分岐された第一の導入路３と第二の導入路４はいずれも同一の流路２に接続している。このような構成により、第一の導入路３から導入する第一の溶液２３の固形粒子２０の濃度が高い領域と、第二の導入路４から導入する第二の溶液２４が、流路２において接するように流すことができる。

このような構成とすることで、固形粒子２０の濃度分布の濃いところの近傍に第二の溶液２４を合流させることができる。これによって、固形粒子２０の分離と抽出に要する移動距離を短くすることが可能であり、効率的な分離と抽出を行うことができる。また、分岐した流れをいずれも流路２に接続することで、固形粒子２０のロスを低減することができる。さらに、第二の溶液２４の両側で第一の溶液２３と接するような流れを容易に実現できることから、少量の第二の溶液２４で多くの固形粒子２０の分離、抽出が可能となる利点を有する。

次に、図７に示すように、上記の基本の（一段の）構成を直列に（数段）接続することにより上記作用を繰り返すことが可能である。つまり、次段として、流路２にて濃度分布をもたせ中央線上に固形粒子２０を集めた流れに対し、その中央線上に更に第二の分岐７ａを設置し、第二の導入孔８ａから第二の溶液２４を導入し第三の導入路２ａとする。この合流を第二の流路２ａとし、再度音波発生装置１１にて固形粒子２０を中心線上に集める。そして、更に次段として、第二の流路２ａにて濃度分布をもたせ中央線上に固形粒子２０を集めた流れに対し、その中央線上に更に第三の分岐７ｂを設置し、第三の導入孔８ｂから第二の溶液２４を導入し第四の導入路２ｂとする。この繰り返しで、第二の溶液２４に第一の溶液２３が混入してくることを大幅に低減し、第二の溶液２４の純度を高めていくことができる。そのため、分離、抽出の純度を容易に向上させることができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３における成分分離デバイス及びこれを用いた成分分離方法について、図面を用いて説明する。図８は本発明の実施の形態３における成分分離デバイスの構成の概要を説明するための平面図である。図９は図８の分解斜視図である。

図８と図９とにおいて、１はシリコンからなる基板であり、この基板１の第１面に所定の幅と深さをもつ流路２を設け、さらに基板１の他方の面に流路２に音響波を発生させることができる音響波発生装置１１を形成している。これによって、生産性に優れた構成とすることができる。これは、流路２を形成した基板１の第１面には封止部１０を設けることから、基板１の第１面は平坦な平面を有していることが好ましく、また、薄膜プロセスによって音響波発生装置１１を形成する時、溝加工などの無い平坦な第２面に形成することが好ましい。

そして、この音響波発生装置１１を用いて音響波を発生させることによって、流路２の内部に音響波を放射し、流路２の内部を流れる液体に定在波を発生させる構成としている。この定在波を制御することによって、固形粒子２０を分離抽出することができる。

ここで、流路２の幅をＷ、流路２に導入する溶液の音速をｖ、音響波を発生させる周波数をｆとすると、ｆ＝（ｎ／２）×ｖ／Ｗ（ｎは自然数）の数式を満足する周波数ｆの音響波が流路２に照射されると、その音響波が流路２の内部で反射を繰り返し、重なり合うことで流路２の内部に定在波を発生させることができる。そして、流路２の内部に、固形粒子２０が浮遊している溶液が存在すると、この固形粒子２０は定在波の節３８ｂの近傍に集めることができる。なお、この音響波発生装置１１は流路２の内部に音響波を発生させることができれば、基板１の第１面または側面に形成しても良い。

次に、流路２の上面はガラスからなる封止部１０で陽極接合により封止した構成としている。封止部１０にガラスを用いることで、上面より固形粒子２０の移動状態を観察しながら流量、音響波の強度などの調整および最適な成分の分離を行うことができる。なお、封止部１０はプラスチックあるいはシリコンを用いても良く、材料に合わせて適宜その接合方法は変更することができる。

次に、前記流路２に固形粒子２０を含む第一の溶液２３を導入するための第一の導入路３と第二の溶液２４を導入するための第二の導入路４を形成している。この第一の導入路３は固形粒子２０を含む第一の溶液２３を導入し、固形粒子２０を所定の位置に配置するように揃えるために濃度勾配形成装置１２を設けている。図２に示すように、基板１の第２面に第一の導入路３を流れる固形粒子２０に濃度勾配を形成することのできる濃度勾配形成装置１２となる音響波発生装置を設けており、この音響波発生装置を用いて濃度勾配を形成する方法は、前記流路２に設けた音響波発生装置１１の作用と同様の方法によって第一の導入路３の内部において、固形粒子２０に対して濃度勾配を形成することができる。

なお、この濃度勾配形成装置１２は第一の導入路３を流れる固形粒子２０に濃度勾配を形成することのできる方法であれば良く、例えば第一の導入路３の内部の固形粒子２０に作用する位置に電極を配置し電気泳動現象を利用する方法などを用いてもよい。

また、第二の導出路６は濃度勾配形成装置１２によって整列された固形粒子２０を含んだ第一の溶液２３の固形粒子２０を含まない一部を除去するためのものであり、これによって固形粒子２０の濃度を高められることから、第二の溶液２４の使用量を抑制することができる。

図８では二つの第二の導出路６を形成しているが、この第二の導出路６は少なくとも一つあれば良い。第二の導出路６を複数設けることによって固形粒子２０の濃度をより高めた第一の溶液２３を流路２へ送液することができる。第一の導入路３では濃度勾配形成装置１２を設けて固形粒子２０の濃度勾配を形成し、余分となった第一の溶液２３を第二の導出路６から導出することによって、第一の導入路３の幅方向に対する固形粒子２０の位置のばらつきおよび移動距離を低減することができる。従って、次の音響波発生装置１１を有する流路２における固形粒子２０の抽出、分離を効率的に確実に行うことができ、回収率の高い成分分離デバイスとすることができる。

第二の導入路４は抽出された固形粒子２０を分散させるための第二の溶液２４を導入するために設けている。第二の導入路４と同じ側面に、少なくとも一つの第二の導出路６を形成することによって、高い濃度の固形粒子２０を含んだ第一の溶液２３と第二の導入路４から導入される第二の溶液２４が流路２において接する界面を容易に形成することが可能となり、固形粒子２０の移動距離を低減し、速やかに固形粒子２０を第二の溶液２４の中に抽出、分離することができる。

すなわち、図８に示すように、導入路３は、第二の導入路４と同じ側面の支流６ａ（導出路６）と流路２に繋がる本流３ａと端の部分が側方に逃げる支流６ｂとに分流している。このうち本流３ａは、濃度の高い中心線上の領域を含む。第二の導入路４と同じ側面の支流６ａと本流３ａとの分岐点は、導入路３の中心線からほんの少しずれたところにある。そこで、本流３ａは、導入路４側の側面に固形粒子２０の濃度が高い部分を持ちながら、導入路４との合流である流路２に流れ込む。

合流するときに、導入路４の幅は、本流３ａの幅より幅広い。音波発生装置１１によって作成される音響波の節は流路２の中心線上に設定される。そこで、音響波の節は導入路４に相当する側の流路３の中にある。固形粒子２０は、この節に向かって移動する。もともと本流３ａの中では、固形粒子２０の濃度の高い部分は、導入路４側に寄っているので、上記の移動は短い距離の間で行うことが出来る。

次に、流路２からそれぞれの溶液を導出する少なくとも二つの第一の導出路５を設けている。このうち、一つの第一の導出路５は固形粒子２０が分散していた第一の溶液２３を回収するためにあり、もう一つの第一の導出路５は流路２で固形粒子２０を取り込んだ第二の溶液２４を回収するために設けている。即ち、第一の溶液２３を導出する第一の導出路５は、本流３ａと同じ幅になっており、また、第二の溶液２４を導出するための第一の導出路５は、導入路４と同じ幅になっている。流路２の中心線に集まっている固形粒子２０は、太いほうの導出路、すなわち、第二の溶液の導出路の方に導出される。

（実施の形態４）
次に本発明の成分分離デバイスの実施の形態４について、図１０を用いて説明する。図１０は本発明の実施の形態４における成分分離デバイスの構成を示す平面図である。本実施の形態では、多数の第二の導出路を設けている。図１０に示すように第二の導出路６の内径の大きさが固形粒子２０の外径よりも小さくしていることを特徴としている。これによって、うまく整列させることができなかった固形粒子２０が第二の導出路６から出て行くのを防ぐことができる。

そして、このような第二の導出路６を複数設けることによって効率よく第一の溶液２３を導出することができる。さらに、複数の第二の導出路６を勾配を有するように配置させることによって、さらに固形粒子２０の濃度を高めた第一の溶液２３を流路２へ送液することが可能となる。

（実施の形態５）
次に、本発明の成分分離デバイスの実施の形態５について図面を用いて説明する。図１１は本発明の実施の形態５における成分分離デバイスの構成を示す平面図である。異なった大きさの固形粒子２０ａ，２０ｂを含む溶液の中から選択的に特定の粒子、例えば固形粒子２０ａのみを分離する方法を説明するための図である。ここでは音響波の影響を受けやすい第一の固形粒子２０ａと音響波の影響を受けにくい第二の固形粒子２０ｂとが混入している場合について、濃度勾配形成装置１２として音響波発生装置を用いた成分分離デバイスについて説明する。

図１１に示す本実施の形態は、図８および図９で示した実施の形態３と基本的な構成は同じである。異なるのは、体積の大きな固形粒子２０ａと体積の小さな固形粒子２０ｂとを振り分けるための構造である。そして、振り分けのための構造は、先に図６にて示した実施の形態１の他の例での二種類の固形粒子の振り分け構造と、基本的な部分は同じである。

すなわち、第一の導入路３の中央に第一の固形粒子２０ａと第二の固形粒子２０ｂとの両方の濃度が高くなるように濃度勾配発生手段１２を駆動させて所定の定在波の節３８を発生させる。すると、第一の固形粒子２０ａが先に、第二の固形粒子が後から第一の固形粒子２０ａが後から、導入路３の中心線上に集まってくる。結局、第一の固形粒子２０ａと第二の固形粒子２０ｂとはその濃度勾配を保ちつつ第一の溶液２３と共に流路２に導入される。このとき、両サイドの第二の導出路６にて、固形粒子を殆ど含まない第一の溶液２３は、外部に導出される。

一方、第二の導入路４へ送液手段（図示していない）を用いて矢印３１の方向に第二の溶液２４を導入する。

流路２の中央に定在波の節が発生するように音響波発生装置１１を駆動させる。このことによって、第一の固形粒子２０ａ及び第二の固形粒子２０ｂは音響波の放射圧により定在波の節３８の方向、つまり、流路２の中央方向に力を受ける。固形粒子は、一般にその体積が大きいほど音響波の影響を受けやすく動きやすい。音響波発生装置１１の出力を調整して、体積の大きい固形粒子２０ａのみが音響波の影響を受け流路２の中を流れる過程で実際に流路２の中央線部に動くようにする。つまり、体積の小さな固形粒子２０ｂは、流路２の区間を流れる間には、若干の音響波の影響を受けるものの、流路２の中央線部までは動いていかないように出力を調整する。こうして、第一の溶液２３から第二の溶液２４中に第一の固形粒子２０ａのみを移動させることにより、音響波の影響を受けやすい固形粒子と音響波の影響を受けにくい固形粒子とを効率良く分離させることができる。

しかし、固形成分２０ｂも流路２内で、若干ではあるが平均的に中心線側に動く。そこで、第一の溶液２３を導出する導出路５ｂは、導入路の本流３ａの幅よりも太い幅で、しかも第二の溶液２４の導出路５ａよりは狭い幅で形成されている。この導出路５ａ、５ｂの流路形状及び長さを最適な条件に設計することにより、効率よく第二の溶液２４と第一の固形粒子２０ａを矢印３２に示す方向に導出させ、第一の溶液２３と第二の固形粒子２０ｂを矢印３３に示す方向に導出することが可能である。

（実施の形態６）
以下、本発明の実施の形態６における成分分離デバイス及びこれを用いた成分分離方法について図面を用いて説明する。図１２は本発明の実施の形態６における成分分離デバイスの構成を示す平面図である。図１３はその分解斜視図である。

図１２と図１３において、基本構造は、実施の形態１と同じである。実施の形態１と同じ構成要素には同じ符号を付与する。実施の形態１と異なる箇所は分岐と合流の構造である。

基板１の同一平面上には、流路２に固形粒子２０を含む第一の溶液２３を導入するための第一の導入路３と、この第一の導入路３を分岐する第一の分岐部７と、第二の溶液２４を導入するための第二の導入路４と、この第二の導入路４を分岐する第二の分岐部８と、流路２からそれぞれの溶液２３、２４を導出する複数の導出路５を設けている。

このような構成とすることによって、第一の導入路３には固形粒子２０の濃度勾配を形成し、固形粒子２０の濃度が高い領域を第一の分岐部７によって分岐した流れと、第二の導入路４と第二の分岐部８から第二の溶液２４の流れを流路２に導入することができ、これによって固形粒子２０の濃度が高い第一の溶液２３の領域と第二の溶液２４が流路２において流体の界面を形成するような流れを形成することが可能であり、前段において流体の界面近傍に固形粒子２０を移動させていることから、固形粒子２０の移動距離を低減し、速やかに第一の溶液２３から第二の溶液２４の中に固形粒子２０の抽出、分離を行うことができる。これによって、固形粒子２０の回収率を高めることができる。

第一の分岐部7及び第二の分岐部８の形状は固形粒子２０の形状、大きさ、重さによって任意の形状とすることができ、その断面形状を直線状、曲線状、階段状などの形状とすることができる。

図１２において、第一の分岐部７は、第一の導入路３の中心線上にある。このことで中心線上にある固形粒子２０が分岐後は流れの片側の端に寄って流路２に流れていく。流路２で第二の溶液２４と合流するが、このとき、第一の溶液２３に関しては、第二の溶液２４と合流する側に固形粒子２０が寄っている。流路２は、第一の溶液２３の流れてきた幅よりも、第二の溶液２４の流れてきた幅の方が幅広であり、両者の幅の和の幅をもつ。音響発生装置１１からの音響波の節３８は、流路の中心にある。従って、合流時に第一の溶液２３の片側に寄っていた固定粒子２０は、音響波により、非常に短い距離を移動するだけで、この音響波の節３８に集められる。集められた固形粒子２０は、導出路から第二の溶液２４と共に導出される。

以上説明してきたように、第一の導入路３において第一の溶液２３の内部に分散している固形粒子２０に対して濃度勾配を形成し、固形粒子２０の濃度が高い領域を第一の分岐部７によって分岐する。第一の溶液２３の中に濃度勾配を形成した流体の流れを流路２に導入するとともに、第一の導入路３に対向させるように配置した第二の導入路４から第二の溶液２４を第二の分岐部８を介して導入することで、固形粒子２０の濃度が高い領域と第二の溶液２４とが流路２において界面を形成するように流体の流れを形成できる。流路２の内部で固形粒子２０を第一の溶液２３から定在波の節３８が存在する第二の溶液２４の中へ抽出移動させる。これによって、固形粒子２０の移動距離を短くし、高い回収率で確実に固形粒子２０を第二の溶液２４の中へ移動させることができる。

（実施の形態７）
次に、本実施の形態７における別の例の成分分離デバイスの構成について図面を用いて説明する。図１４は本発明の実施の形態７における成分分離デバイスの構成を示す平面図である。図１４の構成は、基本部分は図１２、図１３で示した実施の形態６と同様である。同じ構成要素には同一の符号を付与する。本実施の形態が、実施の形態６と異なるところは、体積の大きな固形粒子２０ａと体積の小さな固形粒子２０ｂとを振り分けるための構造である。

このように、体積の大きな固形粒子２０ａと体積の小さな固形粒子２０ｂとが混合した溶液においても、第一の導入路３においては、実施の形態６で説明したのと同じく、両方の固形粒子は中心線上に集まる。第一の分岐部７は、第一の導入路３の中心線上にある。このことで中心線上にある第一の固形粒子２０ａと第二の固形粒子２０ｂは両方、分岐後は流れの片側の端に寄って流路２に流れていく。流路２で第二の溶液２４と合流するが、このとき、第一の溶液２３に関しては、第二の溶液２４と合流する側に両方の固形粒子が寄っている。流路２は、第一の溶液２３の流れてきた幅よりも、第二の溶液２４の流れてきた幅の方が幅広であり、両者の幅の和の幅をもつ。音響発生装置１１からの音響波の節３８は、流路の中心にある。従って、合流時に第一の溶液２３の片側に寄っていた固定粒子２０は、音響波により、非常に短い距離を移動するだけで、この音響波の節３８に集められる。集められた固形粒子２０は、導出路から第二の溶液２４と共に導出される。

この時に、固形粒子の体積の大きさにより、移動の速度、または移動の応答速度が異なる。大きな体積のものほど早く移動する。即ち、第一の固形粒子２０ａの方が移動が早い。そこで、流路２における音響波発生器１１の条件、流路２の条件、第一の導出路５の条件を、実施の形態５にて説明した条件と同様にすると、実施の形態５と同様に、体積の異なる固形粒子の片方だけを取り出すことができる。

以上説明してきたように、図６に示した構成とすることによって、第一の導入路３において少なくとも第一の固形粒子２０ａの濃度勾配を形成する。その後、第一の固形粒子２０ａの濃度が高い領域を第一の分岐部７によって分岐した流れを流路２に導入するとともに、第一の分岐部７と同一側面に形成した第二の導入路４から第二の溶液２４を導入することで、固形粒子２０の濃度が高い領域と第二の溶液２４が流路２において接するように流れを形成する。そして、次の流路２で第一の溶液２３から第二の溶液２４へ第一の固形粒子２０ａのみを抽出する。このことで、固形粒子２０ａの移動距離とばらつきを低減することができることから、高い回収率で効率良く、それぞれの固形粒子２０ａ、２０ｂの抽出、分離を連続的に行うことが可能となる。

このように、図１４で示した成分分離デバイス及び成分分離方法を用いることで、異なった形状、大きさを有する細胞の中から、必要な細胞を精度良く短時間で抽出、分離することができることから、細胞の解析において測定精度及び速度を向上させることができる。

本発明は、例えば、細胞培養液、血液、乳液などに代表される溶液と固形粒子が混合した混合溶液において、固形粒子の抽出、分離を効率的に行うことができるという効果を有し、固形粒子の特性を計測するための前処理デバイスに有用である。

１ 基板
２，２ａ，２ｂ 流路
３ 第一の導入路
４ 第二の導入路
５，５ａ，５ｂ 第一の導出路
６ 第二の導出路
７，７ａ，７ｂ 分岐部
８，８ａ，８ｂ 導入孔
１０ 封止部
１１ 音響波発生装置
１２ 濃度勾配形成装置
１３ 第一の電極層
１４ 圧電体層
１５ 第二の電極層
２０ 固形粒子
２０ａ 第一の固形粒子
２０ｂ 第二の固形粒子
２３ 第一の溶液
２４ 第二の溶液

Claims (14)

1. 流路と、
   前記流路の内部に音響波を発生させ、前記流路において固形粒子を分離する音響波発生装置と、
   前記流路に固形粒子を含む第一の溶液を導入する第一の導入路と、
   前記流路に第二の溶液を導入する第二の導入路と、
   前記流路から溶液を導出する二つ以上の導出路とを設け、
   前記第一の導入路内で音響波を発生させ、前記固形粒子の濃度勾配を形成し前記第一の導入路内で前記固形粒子を凝集させることができる音響波発生装置を設けた成分分離デバイス。
2. 前記第一の導入路に音響波を発生させる前記音響波発生装置を、第一の電極層、圧電体層及び第二の電極層からなる積層圧電デバイスを含む構成とした請求項１に記載の成分分離デバイス。
3. 前記流路に音響波を発生させる前記音響波発生装置と、前記第一の導入路に音響波を発生させる前記音響波発生装置を個別に制御できる構成とした請求項１に記載の成分分離デバイス。
4. 前記流路に音響波を発生させる前記音響波発生装置を、第一の電極層、圧電体層及び第二の電極層とからなる積層圧電デバイスを含む構成とした請求項１に記載の成分分離デバイス。
5. 前記第一の導入路に音響波を発生させる前記音響波発生装置によって形成された
   前記第一の導入路の前記固形粒子の濃度が高い領域の延長線上に、
   前記第二の導入路が接続された第一の導入孔を設け、
   前記第一の導入孔から前記流路へ前記第二の溶液を導入する請求項１に記載の成分分離デバイス。
6. 前記流路に音響波を発生させる前記音響波発生装置によって形成された
   前記流路の固形粒子の濃度が高い領域の延長線上に、第二の導入孔を設け、
   前記第二の導入孔から前記流路へ前記第二の溶液を導入する請求項５に記載の成分分離デバイス。
7. 前記第一の導入路に、濃度勾配を形成した固形粒子を含まない第一の溶液の一部を導出する第二の導出路を設けた請求項１に記載の成分分離デバイス。
8. 前記第二の導入路を形成した側面と同じ側面に第二の導出路を設けた請求項７に記載の成分分離デバイス。
9. 前記第二の導出路の内径を前記固形粒子の外径よりも小さくした請求項７に記載の成分分離デバイス。
10. 前記第一の導入路と前記流路とに前記音響波として異なる定在波を発生させる構成とした請求項１に記載の成分分離デバイス。
11. 前記流路を複数備え、
    これらの前記流路は、
    前記流路に音響波を発生させる前記音響波発生装置によって形成された前記固形粒子の濃度が高い領域の延長線上に設けられた第一の分岐部により分岐された前記第一の導入路と、
    第二の分岐部により分岐された前記第二の導入路とが、
    それぞれに接続されている請求項１に記載の成分分離デバイス。
12. 前記流路は、分岐された前記第一の導入路と同数形成された請求項１１に記載の成分分離デバイス。
13. 前記第一の導入路と前記第二の導入路とが合流する合流点における前記第二の導入路の幅が前記第一の導入路の幅より広い請求項１記載の成分分離デバイス。
14. 前記第二の導入路は、前記第一の導入路の幅方向の中間点に接続されている請求項１に記載の成分分離デバイス。

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