JP6744302B2 - ミクロ流体装置における粒子の分類 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１４年１１月３日に出願された米国仮特許出願第６２／０７４，２１３号、および２０１４年１１月３日に出願された米国仮特許出願第６２／０７４，３１５号の利益を主張する。当該仮特許出願は各々、その全体がここに引用により援用される。

技術分野
本開示は、ミクロ流体流線を越える粒子分類に関する。

背景
粒子分離およびろ過は、業種および分野を越えた多数の用途において使用されてきた。そのような用途の例は、化学プロセスおよび発酵ろ過、浄水／排水処理、血液成分の分類およびろ過、コロイド溶液の濃縮、ならびに環境試料の精製および濃縮を含む。これらの用途で使用するために、遠心分離およびフィルタベースの手法などの方法を含むさまざまなマクロスケールの手法が開発されてきた。典型的には、そのような手法が必要とするシステムは大型でかさ高く、高価であり、また、複雑な可動部品を有する。

場合によっては、ミクロスケールの手法は、スケール縮小により、粒子分類およびろ過のための独自の流体力学的効果の使用を可能にし、このため、複雑な可動部品を有する大型システムを不要にするという点で、マクロスケールの手法に比べて利点を提供する。さらに、ミクロスケールの手法は、より大型のマクロスケールシステムよりもはるかに低いコストで分類およびろ過を行なうことができる携帯装置の可能性を提供する。しかしながら、典型的なミクロスケールの分類およびろ過装置は、所定の期間にわたってそれらが取り扱える流体の量が限られる（すなわち、低スループット）場合があり、そのような装置は、それらのマクロスケール対応品に比べて不利になる可能性がある。

概要
本開示は、ミクロ流体装置の形状および寸法を慎重に制御すれば、流体内または流体間で粒子を分類し、および／または移動させるために流体抽出と慣性揚力とを組合せることができる、という発見に少なくとも部分的に基づいている。特に、流体抽出および慣性揚力を通して、ここに開示されるミクロ流体装置は、粒子が別の流体に間接的に移送されるような粒子の同伴移動なく、流体を装置の異なる流体流路に、および当該流体流路を越えて移送するために使用されてもよい。それに代えて、またはそれに加えて、ここに開示される手法は、ある実現化例では、流体流線を越える粒子の移動を通して、ミクロ流路を越える流体の移送だけでなく、流体サンプル内で懸濁された粒子の位置も操作するために使用可能である。

たとえば、粒子を含む第１の流体が第１のミクロ流体流路に導入されてもよく、第１のミクロ流体流路は、当該流路を隣接する２つのミクロ流体流路から分離する剛性島構造のアレイを有する。流体が、第１のミクロ流体流路から、第１のアレイにおける島構造間の隙間を通って、隣接するミクロ流体流路のうちの一方へ抽出され、そのため、粒子は、島構造のより近くに引き寄せられる。粒子が島構造のより近くに到達すると、粒子は流体抽出の方向から遠ざかる慣性揚力を経験し、粒子は第１の流路内に残るようになる。同時に、隣接する他方のミクロ流体流路からの第２の流体が、第２のアレイにおける島構造間の隙間を通って、第１のミクロ流体流路に入る。隣接する他方の流路からの流体が第１の流路に入ると、第１の流路内の粒子は流体流線を横断し、第１の流体から第２の流体への粒子の移動をもたらす。第１のアレイの各隙間で第１の流路から抽出される第１の流体の量が、第２のアレイの各隙間で第１の流路に入る第２の流体の量と等しい場合、一定の粒子濃度が維持され得る。

流体間の粒子の移動に加えて、流体抽出と慣性揚力との組合せは、流体および粒子を操作する多くの異なる方法を可能にする。たとえば、いくつかの実現化例では、粒子のミクロスケール分類および／または流体からの粒子のろ過を達成するために、異なるタイプの粒子が異なる流路へと分離されてもよく、たとえば、より大きい粒子がより小さな粒子から分離されてもよい。これに代えて、いくつかの実現化例では、異なるタイプの粒子を混合するために、流体抽出と慣性揚力との組合せを使用してもよい。場合によっては、粒子の分離および流体間移動（または、粒子の混合および流体間移動）の双方がともに行なわれてもよい。別の例では、ミクロ流体流路内の所望の位置に粒子を集束させるために、組合された流体抽出および慣性揚力を使用してもよい。これらのおよび他の用途は、システムにおける流体の高スループット分類／ろ過を低い装置作製コストで達成するために、多数のミクロ流体流路にわたってスケール変更されてもよい。

一般に、一局面では、本開示の主題は、粒子分類領域を含むミクロ流体装置であって、粒子分類領域は、第１のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイとを有し、アレイにおける各島は、アレイにおける隣接する島から、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島の第１のアレイは、第１のミクロ流体流路または第２のミクロ流体流路における流体サンプルからの流体の一部が開口を通るように、第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対する第１のミクロ流体流路の流体抵抗が粒子分類領域の長手方向断面に沿って変化するように配置される、ミクロ流体装置において具体化され得る。

一般に、別の局面では、本開示の主題は、粒子分類領域を含むミクロ流体装置であって、粒子分類領域は、第１のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路の第１の側に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイとを有し、第１のアレイにおける各島は、第１のアレイにおける隣接する島から、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、粒子分類領域はさらに、第１のミクロ流体流路の第２の側に沿って延在する第３のミクロ流体流路を有し、第２の側は第１のミクロ流体流路の第１の側の反対側であり、粒子分類領域はさらに、第１のミクロ流体流路を第３のミクロ流体流路から分離する島の第２のアレイを有し、第２のアレイにおける各島は、第２のアレイにおける隣接する島から、第１のミクロ流体流路を第３のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島の第１のアレイは、ミクロ流体装置の動作中、第１のミクロ流体流路における流体サンプルからの流体の一部が第１のアレイを通って第２のミクロ流体流路に入るように、第２のミクロ流体流路の流体抵抗が第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対して粒子分類領域の長手方向に沿って減少するように配置され、第１のミクロ流体流路、第３のミクロ流体流路、および島の第２のアレイは、ミクロ流体装置の動作中、第３のミクロ流体流路における流体サンプルからの流体の一部が第２のアレイを通って第１のミクロ流体流路に入るように、第３のミクロ流体流路の流体抵抗が第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対して粒子分類領域の長手方向に沿って増加するように配置される、ミクロ流体装置において具体化され得る。

これらの装置の実現化例は、以下の特徴のうちの１つ以上を有していてもよい。たとえば、いくつかの実現化例では、変化する流体抵抗は、粒子分類領域の長手方向に沿った第１のミクロ流体流路または第２のミクロ流体流路の増加する断面積に応じたものである。たとえば、第１のミクロ流体流路または第２のミクロ流体流路のうちの一方の幅は、長手方向に沿って増加してもよい。第１のミクロ流体流路または第２のミクロ流体流路のうちの他方の幅は、長手方向に沿って実質的に一定であってもよい。それに代えて、第１のミクロ流体流路または第２のミクロ流体流路のうちの他方の幅は、長手方向に沿って減少してもよい。

いくつかの実現化例では、第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対する第２のミクロ流体流路の流体抵抗の減少は、粒子分類領域の長手方向に沿った第２のミクロ流体流路の増加する断面積に応じたものである。第１のミクロ流体流路の幅は、長手方向に沿って実質的に一定であり得る。

いくつかの実現化例では、第１のアレイにおける島間の隙間の断面積は、長手方向に沿って増加し、第１のアレイにおける各隙間の断面積は、隙間を通る流体流を横切る平面に沿って規定される。第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対する第３のミクロ流体流路の流体抵抗の増加は、粒子分類領域の長手方向に沿った第３のミクロ流体流路の減少する断面積に応じたものであり得る。第１のミクロ流体流路の幅は、長手方向に沿って実質的に一定であり得る。

いくつかの実現化例では、第２のアレイにおける島間の隙間の断面積は、長手方向に沿って増加し、第２のアレイにおける各隙間の断面積は、隙間を通る流体流を横切る平面に沿って規定される。

いくつかの実現化例では、ミクロ流体装置は、第１の入口流路と、第２の入口流路とをさらに含み、第１の入口流路および第２の入口流路の各々は、粒子分類領域に流体結合される。

いくつかの実現化例では、長手方向断面に沿って、第１のアレイにおける各開口のサイズは、アレイにおける前の開口のサイズよりも大きい。

いくつかの実現化例では、粒子および流体移動領域は、第１のミクロ流体流路に沿って延在する第３のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路と第３のミクロ流体流路とを分離する島の第２のアレイとをさらに含み、第１のミクロ流体流路は、第２のミクロ流体流路と第３のミクロ流体流路との間に位置する。変化する相対流体抵抗は、粒子分類領域の長手方向に沿った第２のミクロ流体流路または第３のミクロ流体流路の増加する断面積に応じたものであってもよい。たとえば、第２のミクロ流体流路または第３のミクロ流体流路のうちの一方の幅は、長手方向に沿って増加してもよい。それに代えて、第２のミクロ流体流路または第３のミクロ流体流路のうちの他方の幅は、長手方向に沿って減少してもよい。場合によっては、第１のミクロ流体流路の幅は、長手方向に沿って実質的に一定であってもよい。変化する相対流体抵抗は、粒子分類領域の長手方向に沿った第２のミクロ流体流路および第３のミクロ流体流路の増加する断面積に応じたものであってもよい。

いくつかの実現化例では、装置は、第１の入口流路と、第２の入口流路とをさらに含み、第１の入口流路および第２の入口流路の各々は、粒子分類領域に流体結合される。

別の局面では、本開示の主題は、流体サンプル内の粒子を分類する方法において具体化され得る。これらの方法は、一群の第１のタイプの粒子を含む第１の流体サンプルをミクロ流体装置の粒子分類領域に流すステップを含み、粒子分類領域は、第１のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイとを含む。これらの方法はさらに、第２の流体サンプルを粒子分類領域に流すステップを含んでいてもよく、第１の流体サンプルの一部が第１のミクロ流体流路から第１のアレイにおける島間の開口を通って第２のミクロ流体流路に入るように、第１のミクロ流体流路と第２のミクロ流体流路との間の流体抵抗が粒子分類領域の長手方向断面に沿って変化し、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島の第１のアレイはさらに、一群の第１のタイプの粒子が吸い上げられた流体部分とともに第１のアレイの開口を通って伝搬することを実質的に防止する慣性揚力を生成するように配置される。

別の局面では、本開示の主題は、ミクロ流体装置において流体サンプル間で粒子を移動させる方法であって、これらの方法は、複数の第１のタイプの粒子を含む第１の流体サンプルをミクロ流体装置の粒子分類領域に流すステップを含み、粒子分類領域は、第１のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路の第１の側に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイと、第１のミクロ流体流路の第２の側に沿って延在する第３のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路を第３のミクロ流体流路から分離する島の第２のアレイとを含み、第２の側は第１のミクロ流体流路の第１の側の反対側であり、第１のアレイにおける各島は、第１のアレイにおける隣接する島から、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、第２のアレイにおける各島は、第２のアレイにおける隣接する島から、第１のミクロ流体流路を第３のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、これらの方法はさらに、第２の流体サンプルを粒子分類領域に流すステップを含み、第１の流体サンプルの一部が第１のミクロ流体流路から第１のアレイにおける島間の開口を通って第２のミクロ流体流路に入るように、第２のミクロ流体流路の流体抵抗が第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対して粒子分類領域の長手方向に沿って変化し、第２の流体サンプルの一部が第３のミクロ流体流路から第２のアレイにおける島間の開口を通って第１のミクロ流体流路に入るように、第３のミクロ流体流路の流体抵抗が第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対して粒子分類領域の長手方向に沿って変化し、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島の第１のアレイはさらに、複数の第１のタイプの粒子が第１のアレイの開口を通る第１の流体サンプルの一部とともに伝搬することを実質的に防止する慣性揚力を生成するように配置される、方法において具体化され得る。

これらの方法の実現化例は、以下の特徴のうちの１つ以上を有していてもよい。たとえば、いくつかの実現化例では、第１の流体サンプルおよび第２の流体サンプルの双方が第１のミクロ流体流路に送出される。第２の流体サンプルは、開口を通って第２のミクロ流体流路へと実質的に吸い上げられることなく、第１のミクロ流体流路を通って連続的に流れてもよい。慣性揚力は、一群の第１のタイプの粒子が第２の流体サンプルに移送されるように、一群の第１のタイプの粒子を流体流線を越えて移動させてもよい。

いくつかの実現化例では、第１の流体サンプルは第１のミクロ流体流路に送出され、第２の流体サンプルは第３のミクロ流体流路に送出される。

いくつかの実現化例では、慣性揚力は、複数の第１のタイプの粒子が第１のミクロ流体流路内で第１の流体サンプルから第２の流体サンプルに移送されるように、複数の第１のタイプの粒子を流体流線を越えて移動させる。

いくつかの実現化例では、第１の流体サンプルは複数の第２のタイプの粒子を含み、複数の第２のタイプの粒子は、第２のミクロ流体流路に入る第１の流体サンプルの流体部分とともに伝搬する。第１のタイプの粒子は、第２のタイプの粒子よりも大きくてもよい。

いくつかの実現化例では、第１の流体サンプルは、第２の流体サンプルとは異なる流体を含む。

いくつかの実現化例では、第１のミクロ流体流路内の第１のタイプの粒子の濃度が実質的に一定のままであるように、第１のミクロ流体流路から第２のミクロ流体流路に入る第１の流体サンプルの量は、第３のミクロ流体流路から第１のミクロ流体流路に入る第２の流体サンプルの量と実質的に同じである。

いくつかの実現化例では、第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対する第２のミクロ流体流路の流体抵抗の変化は、長手方向に沿った第２のミクロ流体流路の断面積の増加を含む。

いくつかの実現化例では、ミクロ流体流路の流体抵抗に対する第３のミクロ流体流路の流体抵抗の変化は、長手方向に沿った第３のミクロ流体流路の断面積の増加を含む。

いくつかの実現化例では、第１の流体サンプルは複数の第２のタイプの粒子を含み、複数の第２のタイプの粒子は、第２のミクロ流体流路に入る第１の流体サンプルの流体部分とともに伝搬する。第１のタイプの粒子は、第２のタイプの粒子よりも大きくてもよい。

第１のタイプの粒子は、約１μｍ〜約１００μｍの平均直径を有していてもよい。
別の局面では、本開示の主題は、流体サンプル内の粒子を分類する方法において具体化され得る。この方法は、一群の第１のタイプの粒子と一群の第２のタイプの粒子とを含む流体サンプルをミクロ流体装置の粒子分類領域に流すステップを含み、粒子分類領域は、第１のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、第１のミクロ流体流路を第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイとを含み、第１の流体サンプルの第１の部分が第１のミクロ流体流路から第１のアレイにおける島間の開口を通って第２のミクロ流体流路へと吸い上げられるように、第２のミクロ流体流路の流体抵抗に対する第１のミクロ流体流路の流体抵抗が粒子分類領域の断面に沿って変化し、第１のミクロ流体流路、第２のミクロ流体流路、および島の第１のアレイはさらに、一群の第１のタイプの粒子が吸い上げられた流体部分とともに第１のアレイの開口を通って伝搬することを実質的に防止しつつ、一群の第２のタイプの粒子が吸い上げられた流体部分とともに第２のミクロ流体流路に伝搬することを可能にする慣性揚力を生成するように配置される。

この方法の実現化例は、以下の特徴のうちの１つ以上を有していてもよい。たとえば、いくつかの実現化例では、慣性揚力は、流体サンプルの第２の部分が第１のミクロ流体流路内に残っている状態で一群の第１のタイプの粒子が伝搬し続けるように、一群の第１のタイプの粒子を流体流線を越えて移動させる。いくつかの実現化例では、第１のタイプの粒子は、第２のタイプの粒子よりも大きい。いくつかの実現化例では、第１のミクロ流体流路と第２のミクロ流体流路との間の流体抵抗の変化に応答して、流体サンプルの第１の部分は、島の第１のアレイにおける開口を通る。流体抵抗の変化は、流体流の方向に沿った、第１のミクロ流体流路または第２のミクロ流体流路のうちの一方の断面積の変化を含んでいてもよい。流体抵抗の変化は、アレイにおける島間の開口のサイズの変化を含んでいてもよい。

ここに説明される主題の実現化例は、いくつかの利点を提供する。たとえば、いくつかの実現化例では、ここに説明される主題は、流体内の粒子を単離するために、および／または流体内の粒子を集束させるために使用可能である。いくつかの実現化例では、ここに説明される主題は、粒子を流体からろ過するために、または粒子をある流体から別の流体に移動させるために使用可能である。低価格で簡単な機器を用いた、高い体積容量およびスループット、実質的で調整可能な流体体積減少、ならびに高い粒子収量が、ここに説明される手法を使用して達成可能である。いくつかの実現化例では、ここに説明される手法は、合理化された処理、および他のミクロ流体モジュールとの簡単な統合も提供し得る。臨床用途については、ここに説明されるシステムは、自己完結型および使い捨て型の双方として構成されてもよい。対照的に、バイオ処理／工業的用途については、装置は、連続流／連続処理のために構成されてもよい。

この開示のために、流路とは、流体が流れ得る構造を指す。
この開示のために、ミクロ流体装置とは、一般に約１０ｎｍ〜約１０ｍｍの範囲の断面寸法を少なくとも１つ有する流体システム、装置、流路、またはチャンバを指す。

この開示のために、隙間とは、流体または粒子が流れ得るエリアを指す。たとえば、隙間は、流体が流れる、２つの障害物の間の空間であってもよい。

この開示のために、剛性島構造とは、粒子が一般に通り抜けることができない物理構造を指す。

この開示のために、流体抵抗とは、流路（たとえばミクロ流体流路）を通る流体の流量に対する、その流路両端の圧力降下の比を指す。

サンプル内の粒子は、それらがミクロ流体流路内で移送されることを可能にするあらゆるサイズを有し得る。たとえば、粒子は、１μｍ〜１００μｍの平均流体力学的サイズを有し得る。粒子サイズは、流路形状寸法によってのみ限定される。したがって、上述の粒子よりも大きい、および小さい粒子を使用することができる。粒子（たとえば細胞、卵子、細菌、菌類、ウイルス、藻類、任意の原核細胞または真核細胞、細胞小器官、エキソソーム、液滴、泡、汚染物質、沈殿物、有機および無機粒子、磁気ビーズ、および／または磁気標識分析物）のサイズ、たとえば平均流体力学的粒子サイズまたは平均直径は、当該技術分野で周知の標準手法を使用して定められ得る。

特に定義されない限り、ここに使用されるすべての技術用語および科学用語は、この発明が属する技術の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。ここに説明されるものと同様または同等の方法、材料、および装置をこの発明の実践または試験で使用することができるが、好適な方法、材料、および装置を以下に説明する。ここに言及されるすべての刊行物、特許出願、特許、および他の参考文献は、それらの全体が引用により援用される。矛盾する場合、定義を含む本明細書が統制するであろう。加えて、材料、方法、および例は単なる例示であり、限定的であるよう意図されていない。

添付図面および以下の説明において、１つ以上の実施形態の詳細を述べる。他の特徴および目的は、説明、図面、および請求項から明らかになるであろう。

流体流線内で、および流体流線を越えて粒子の位置を移動させることができるミクロ流体装置の一例の上面図を示す概略図である。 粒子が伝搬している流路を流体が横断するようにする、粒子および流体移動のための装置の一例の上面図を示す概略図である。 ２つの入口ミクロ流体流路が合流流路に結合され、合流流路が次に粒子移動エリアに結合されている装置の一例の上面図を示す概略図である。 粒子のサイズベースの分類のための粒子移動エリアを有する装置の一例の上面図を示す概略図である。 粒子のサイズベースの分類のための粒子移動エリアを有する装置の一例の上面図を示す概略図である。 粒子分類エリアを含むミクロ流体システムの一例の上面図を示す概略図である。 図６Ａの粒子分類エリアの拡大図である。 例示的な粒子分類領域の上面図を示す概略図である。 例示的な粒子分類領域の上面図を示す概略図である。 慣性揚力に基づいて分別を行なう装置についての減量（debulking）性能を示すプロットである。 流体流量に対する白血球（white blood cell：ＷＢＣ）収量のプロットである。 流体流量に対する白血球（ＷＢＣ）収量のプロットである。 異なる流量にわたる異なるサイズの蛍光ビーズの収量のプロットである。 ＷＢＣ収量対流体移動のプロットである。 流体移動装置の多重アレイを収容する顕微鏡スライドの写真である。

詳細な説明
粒子（たとえば細胞、たとえば一般に血液細胞、および母体血液中の胎児血液細胞、骨髄細胞、ならびに循環腫瘍細胞（circulating tumor cell：ＣＴＣ）、精子、卵子、細菌、菌類、ウイルス、藻類、任意の原核細胞または真核細胞、細胞集合、細胞小器官、エキソソーム、液滴、泡、汚染物質、沈殿物、有機および無機粒子、ビーズ、ビーズ標識分析物、磁気ビーズ、および／または磁気標識分析物）と、それらが進む流体（たとえば血液、水溶液、油、または気体）と、剛性構造との間の相互作用は、ミクロ流体装置で粒子を制御された態様で流体流線を越えて移動させるために使用可能である。特に、ミクロ流体装置において進む粒子が経験する力は、さまざまな有用なミクロ流体動作を実行できるように粒子を精密に位置付けるために使用可能である。そのような力を使用して実行可能なミクロ流体動作の例は、搬送流体中の粒子を濃縮すること、ある搬送流体から別の流体に粒子を移動させること、粒子サイズ（たとえば平均直径）に基づいて流体内の粒子を分離すること、搬送流体内の粒子を単一の流線に（または複数の異なる流線に）集束させること、ミクロ流路内の任意の位置に粒子を精密に位置付けること、および粒子を混合すること（集束させないこと）を含むものの、それらに限定されない。また、上述の動作のいずれも、動作の有効性を高めるために、他の手法（たとえば磁気分類）と同時に実行可能である。

粒子を流体流線を越えて移動させることができる力を生み出すために、いくつかの異なるメカニズムを採用することができる。第１のタイプの力は、「衝突」と呼ばれる（決定論的横置換（deterministic lateral displacement：ＤＬＤ）とも呼ばれる）。衝突は、構造の剛性壁と粒子との間の、壁に対する粒子のサイズに起因して生じる直接的相互作用である。半径ｒ_ｐを有する粒子の中心は、隣接する構造にｒ_ｐよりも近づいて通ることができないため、粒子中心が、構造からｒ_ｐより小さい距離の流線上にある場合、粒子は構造によって少なくともｒ_ｐ離れた距離まではね飛ばされるであろう。この衝突は粒子を流体流線を越えて動かし得る。

別のタイプの力は、慣性揚力と呼ばれる（壁力、または壁により誘発される慣性としても公知である）。衝突とは対照的に、慣性揚力は粒子に対する流体力であり、剛性構造との接触に起因する力ではない。十分には理解されていないものの、慣性揚力は、粒子が壁に近づくと粒子によって生成される流れの乱れに起因して生じる反発力である。ミクロ流路壁の近くを流れる粒子は、壁に垂直な慣性揚力を経験する。高流量では、慣性揚力は非常に強く、粒子を流線を越えて移動させることができる。さらに、力は非常にサイズ依存性がある（より大きい粒子は、はるかにより大きい力を経験する）ため、サイズに基づいて粒子を分別することが採用され得る。慣性流についてのさらなる詳細は、Ｄ．ジ カーロ（Di Carlo）、Ｄ．イリミア（Irimia）、Ｒ．Ｇ．トンプキンス（Tompkins）、およびＭ．トーナー（Toner）、「ミクロ流路における粒子の連続的慣性集束、順序付けおよび分離」（Continuous inertial focusing, ordering, and separation of particles in microchannels）、Proc. Natl. Acad. Sci. アメリカ合衆国、第１０４巻、第４８号、１８８９２〜１８８９７頁、２００７年１１月；Ｄ．ジ カーロ、Ｊ．Ｆ．エッド（Edd）、Ｋ．Ｊ．ハンフリー（Humphry）、Ｈ．Ａ．ストーン（Stone）、およびＭ．トーナー、「閉じ込められた流れにおける粒子隔離および動力学」（Particle segregation and dynamics in confined flows）、Phys. Rev. Lett.、第１０２巻、第９号、０９４５０３頁、２００９年３月；および、Ｄ．ジ カーロ、「慣性ミクロ流体工学」（Inertial microfluidics）、Lab Chip、第９巻、第２１号、３０３８頁、２００９年、に見出すことができ、それらは各々、その全体がここに援用される。

別のタイプの力は、ディーン流れからの圧力抗力の結果である。湾曲を有するミクロ流体流路は、粒子に対する追加の抗力を生み出すことができる。湾曲を矩形流路に導入する場合、流体の不均一な慣性に起因して、二次流れ（すなわちディーン流れ）が、流れるストリームの方向に対して垂直に発現する場合がある。その結果、湾曲する流路の中央内部のより速く動く流体要素が、流路縁近くの要素よりも大きい慣性を発現させ得る。高いディーン流れでは、流体内の浮遊粒子に対する抗力が著しくなり得る。

別のタイプの力は、高ストークス数流れで起こる。ストークス数（Ｓｔｋ）は、流体軌道の変化に応答して粒子軌道がどれくらい速やかに変化するかを示す。１よりも大きいＳｔｋについては、流体軌道の変化と粒子軌道の変化との間に遅れが存在する。高ストークス流れ条件（たとえば約０．０１よりも大きいストークス数）下では、粒子を流線を越えて推し進めるために、流体流方向の変更が使用可能である。ディーン流れおよび高ストークス数についてのさらなる詳細は、たとえば米国特許第８，１８６，９１３号に見出すことができ、それはその全体がここに引用により援用される。高ストークス流れ用途およびディーン流れ用途の双方において、流体置換により、粒子は流体流線を横断するようになる。

粒子を移動させるための他の手法は、粘弾性集束および慣性弾性集束を含む。それらの方法についての詳細は、「まっすぐな矩形のミクロ流路におけるシースレス弾性慣性粒子集束および連続分離」（Sheathless elasto-inertial particle focusing and continuous separation in a straight rectangular microchannel）、ヤン（Yang）ら、Lab Chip（１１）、２６６〜２７３、２０１１年；「懸濁液の粘弾性によって誘発される単一ライン粒子集束：ミクロパイプ流れ集束器を設計するための理論、実験およびシミュレーション」（Single line particle focusing induced by viscoelasticity of the suspending liquid: theory, experiments and simulations to design a micropipe flow-focuser）、ダビノ（D'Avino）ら、Lab Chip（１２）、１６３８〜１６４５、２０１２年；および、「ミクロ流路におけるバイオ粒子の高スループットでの慣性弾性集束」（Inertio-elastic focusing of bioparticles in microchannels at high throughput）、リム（Lim）ら、Nature Communications、５（５１２０）、１〜９、２０１４年、に見出すことができ、それらの各々はその全体がここに引用により援用される。

前述の手法は、それらが粒子を流線を越えて移動させるのに必要な力を生成するためにミクロ流体流路自体の流体流および／または構造を使用するという点で、「内的」である。場合によっては、流体内を進む粒子の進路を変更するために、他の外部メカニズムを、内力のうちの１つ以上とともに使用することもできる。たとえば、場合によっては、外部から印加される磁力、重力／遠心力、電気力、または音響力が、流体流線を越える粒子位置の移動を引き起こすために使用されてもよい。そのような力をどのように印加するかについてのさらなる情報は、たとえば、「高傾斜磁場を使用する粒子分類」（Sorting particles using high gradient magnetic fields）と題されたＷＯ２０１４／００４５７７、「音響集束」（Acoustic focusing）と題された米国特許第７，８３７，０４０号、「誘電泳動集束」（Dielectrophoretic focusing）と題されたＷＯ２００４／０７４８１４、および「音響泳動に基づいた血中前立腺癌細胞のミクロ流体無標識濃縮」（Microfluidic, Label-Free Enrichment of Prostate Cancer Cells in Blood Based on Acoustophoresis）、オーガストソン（Augustsson）ら、Anal. Chem. ８４（１８）、２０１２年９月１８日、に見出すことができる。

本開示は主として、流体間での粒子の分類および／または流体からの粒子の分離のために粒子を流体流線を越えて移動させるために、慣性揚力を定期的な流体抽出と組合せることに注目する。特に、粒子を含む第１の流体が第１のミクロ流体流路に導入され、第１のミクロ流体流路は、当該第１の流路を隣接するミクロ流体流路から分離する剛性島構造のアレイを有する。第１の流体が第１のミクロ流体流路から島構造間の隙間を通って第２のミクロ流体流路へ抽出される際、粒子は島構造のより近くに引き寄せられる。粒子が島構造のより近くに到達すると、粒子は、粒子が流体流線を横断して第１の流路内に残るように、流体抽出の方向から遠ざかる慣性揚力を経験する。同時に、第１の流路における粒子が第１の流路内の第２の流体に移送されるように、第２の流体が、第３のミクロ流体流路から島構造の第２のアレイを通って第１のミクロ流体流路に入る。いくつかの実現化例では、第１の流路から第２の流路に入る第１の流体の量は、第３の流路から第１の流路に入る第２の流体の量と同じである。その結果、粒子は、同じ粒子濃度を維持しながら、ある流体から別の流体に移動され得る。流体抽出と慣性揚力との組合せは、とりわけ、粒子の位置付け、粒子ろ過、粒子混合、流体混合、および／または粒子ストリームを越える流体の移動を行なうために使用されてもよい。

しかしながら、粒子および／または流体分類についてここに説明される手法は、慣性揚力を使用することに限定されない、ということに留意すべきである。代わりに、定期的な流体抽出はまた、ミクロ流体装置において伝搬する流体内の粒子の位置を制御するために、上述の力（内力および外力の双方）のうちの１つ以上と組合されてもよい。

ここに開示される粒子を移動させるためのメカニズムはまた、サイズベースのものであってもよく、したがって、粒子のサイズベースの（たとえば粒子の平均直径を基づいた）操作を行なうために使用可能である。流線を越える粒子の移動の繰り返しを通して、ミクロ流体装置における流体および粒子の双方が、１つ以上の流体流線への粒子の集束、流体からの粒子のろ過、異なる流体ストリームからの異なる粒子の混合、および／またはサイズに基づく粒子の分類、といった動作を行なうために操作され得る。一般に、粒子を「集束させる」とは、流路の横方向範囲にわたって、および流路幅よりも狭い幅の範囲内に粒子を再度位置付けることを指す。たとえば、ここに開示される手法は、流体中に懸濁された粒子を流体ストリームに局所化することができ、流体ストリームの幅に対する流路幅の比は、約１．０５、２、４、６、８、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、または１００である。粒子は、平均直径が約１μｍ〜約１００μｍを含むもののそれに限定されない、さまざまなサイズを有していてもよい。

ここに開示される粒子を移動させるためのメカニズムはまた、粒子形状（たとえば、球形対円筒形）および変形性（たとえば、剛性対柔軟性）に依存する場合があり、それにより、形状および変形性に基づく粒子の区別操作および分類を可能にする。

慣性揚力を使用した粒子移動／分類
ここに開示される装置のうちの１つ以上を使用して粒子がある流体から別の流体にどのように移動され得るかを説明する前に、まず、図１に示す装置のようなより基本的な装置構造の文脈で流体抽出および慣性力を復習することが有用である。図１は、流体がミクロ流体装置１００を通って伝搬する間に粒子１０２の位置を流体流線を越えて移動させる／分類することができるミクロ流体装置１００の一例の上面図を示す概略図である。説明されるように、流体流線を越える粒子移動は、流体がミクロ流体流路から定期的に抽出される際に粒子が経験する慣性揚力に依拠する。参考のためにデカルト座標系が示されており、ｘ方向は紙面に直交するように延びている。

装置１００の動作中、粒子１０２を搬送する流体が、入口ミクロ流体流路１０４を通って導入される。粒子移動装置のこのおよび他の実現化例では、流体は、ポンプまたは他の流体作動メカニズムの使用を通して導入され得る。入口流路１０４は、剛性島構造１１０の１次元アレイによって分離される２つの異なる流体流流路（第２のミクロ流体流路１０６と、第２のミクロ流体流路１０６と実質的に平行な第１のミクロ流体流路１０８）を有する粒子分類領域へと分裂させる。島構造１１０の１次元アレイは、第２および第１のミクロ流体流路を通る流体の流れと実質的に同じ方向に延在する。アレイにおける各島構造１１０は、隣接する島１１０から、流体が流れ得る開口または隙間１１４によって分離される。図１の例における各隙間１１４は、隣り合う島１１０間で同じ距離を有する。他の実現化例では、異なる隙間が、隣り合う島１１０間で異なる距離を有し得る。たとえば、いくつかの実現化例では、第１のアレイにおける次の各開口の長さ（たとえば、流体伝搬方向、つまり図１のｚ方向に沿って測定されるような長さ）は、アレイにおける前の開口のサイズよりも大きい。それに代えて、いくつかの実現化例では、次の開口について、距離が交互により大きくおよびより小さくなってもよい。さらに、図１には１次元アレイが示されているが、島１１０は、たとえば、島の２次元アレイを含む異なる構成で配置されてもよい。ミクロ流体流路内の流体流領域の境界は、装置壁１１２と島１１０の壁とによって規定される。

流体が実質的にｚ方向に沿って入口流路１０４から流路（１０６、１０８）に伝搬する際、粒子１０２は、粒子１０２が流体流線を越えて移動し、第１のミクロ流体流路１０８に沿って進むようにする力（この例では慣性揚力）を経験する。これらの慣性揚力は、−ｙ方向である（図１の各粒子１０２に隣接する短い矢印を参照）。

たとえば、粒子１０２が入口流路１０４に位置し、上壁１１２に接近すると、粒子は、粒子を第１のミクロ流体流路１０８の方へ押し下げる慣性揚力を経験する。いったん第１のミクロ流体流路１０８に入ると、粒子１０２は第１の島１１０の壁に接近するかもしれず、そのため粒子１０２を押し下げる慣性揚力を再び経験し、粒子は第１のミクロ流体流路１０８内に維持される。このため、図１に示す「粒子移動」領域の各々で粒子１０２に慣性揚力を繰り返し印加することは、第２のミクロ流体流路１０６を通って伝搬する流体から粒子を分離／ろ過するように機能する。

同時に、第１のミクロ流体流路１０８内を進む流体の一部が、装置１００における１つ以上の「流体移動」または「流体抽出」領域（図１参照）で、第２のミクロ流体流路へ抽出され、または流れ込む。図１の例では、各流体移動領域は、第１のミクロ流体流路１０８と第２のミクロ流体流路１０６との間に延在する開口または隙間に対応する。各「流体移動」領域は主として、流体が第１のミクロ流体流路１０８から第２のミクロ流体流路１０６へ抽出されることを可能にする。粒子は流体流線に追従するため、隙間への流体の動きは、粒子１０２も隙間に向かって引っ張る傾向がある。しかしながら、粒子が隙間１１４により近づくと、それらは島構造１１２に接近し、島構造は、入来粒子が隙間１１４から遠ざかる方向に流体流線を横断するようにする慣性揚力を与える。すなわち、粒子１０２は、第２のミクロ流体流路１０６に入る流体流線から、第１のミクロ流体流路１０８内を流れ続ける流体流線に移動する。その結果、粒子１０２は第１のミクロ流体流路１０８で伝搬し続け、流体とともに第２のミクロ流体流路１０６に移動されない。第１のミクロ流体流路１０８から第２のミクロ流体流路１０６への流体移動がなければ、粒子は、慣性集束の結果、マイグレーションするであろう。しかしながら、流体を流路を越えて移動させることにより、粒子１０２は、慣性揚力がせん断勾配力よりもはるかに強いエリアに向かって流体に追従する傾向があり、このため、粒子は非常に効率的で制御された態様で流線を越えて移動するようになる。

この例では、流体抵抗の減少の結果、流体は流体移動領域を通って抽出される。すなわち、粘度が一定の流体については、隣り合う島１１０間の隙間１１４は、流体が流れ得る流路エリアを増加させて、流体抵抗の減少をもたらす。流体が装置１００の流路１０８を通って伝搬し、隙間１１４に到着すると、流体の一部は隙間１１４に、次に第２のミクロ流体流路１０６に流れ込むであろう（すなわち、流体部分は流路１０６へ抽出される）。流体抵抗の減少はまた、第２のミクロ流体流路１０６における流路幅の増加の結果、起こり得る。いくつかの実現化例では、流路１０６の幅は、第２の流路壁１１２上の位置と、第２の流路壁１１２上の位置の真向かいにあってそれに面する島１１０の表面上の位置との間の距離として理解されてもよい。島１１０間の隙間領域については、流路１０６の幅は、いくつかの実現化例では、第２の流路壁１１２上の位置と、第２の流路壁１１２上の位置の真向かいにあってそれに面する、隣り合う島１１０間の隙間を通って延在する想像面上の位置との間の距離として理解されてもよく、想像面は、壁１１２の最も近くにあってそれに面する、隣り合う島の辺と同一直線上にある。

図１に示すようなある特定の例では、第２のミクロ流体流路壁１１２は、第２のミクロ流体流路１０６の幅が流路の長手方向（たとえば、図１に示す例についての流体伝搬の方向、すなわち＋ｚ方向）に沿って増加するように、島からある角度遠ざかって傾斜し（島に対して斜めに配向され）、このため、流体抵抗の減少を引き起こす。第１のミクロ流体流路の長手方向に沿った流路１０６の幅の増加だけでなく断面積のいかなる増加も、流体抵抗を減少させるために採用され得る。それに代えて、またはそれに加えて、流体は、（たとえば、長手方向に沿った流路１０８の断面積の減少を通して）流路１０６の流体抵抗に対する流路１０８での流体抵抗の増加を経験してもよい。このため、流体は、流体が第１の流路１０８から第２の流路１０６へ抽出されることをもたらす、第２および第１のミクロ流体流路間の相対流体抵抗の変化に応答して抽出される、と言ってもよい。相対流体抵抗の変化は、粒子分類領域全体にわたって、または、粒子分類領域全体よりも小さい分類領域の一部にわたって起こってもよい。相対流体抵抗の変化は、粒子分類領域を通る流体流の方向に沿って（たとえば、図１に示すような粒子分類領域の長手方向に沿って）起こってもよい。

隙間１１４および／または流路１０６での流体抵抗が次第に低下するにつれて、より大量の流体が第２のミクロ流体流路１０６に流れ込む。さらに、流体を第２の流路１０６に繰り返し移動させることは、第１の流路１０８における流体の量を減少させる。図１に示す構成については、繰り返される流体抽出はこのため、第１の流路１０８における粒子対流体濃度を増加させ、一方、第２のミクロ流体流路１０６における粒子の濃度を減少させ、そのため、第２のミクロ流体流路１０６における流体が「ろ過」または「精製」される。

結果として生じる集束された粒子流線は、ミクロ流体装置１００の別個の処理領域に結合されてもよく、もしくは、追加の処理および／または分析のために装置１００から除去されてもよい。同様に、第２の流路１０６における「ろ過」された流体は、ミクロ流体装置１００の別個の領域に結合されてもよく、もしくは、追加の処理および／または分析のために装置１００から除去されてもよい。いくつかの実現化例では、装置１００に入る粒子１０２は、第１のミクロ流体流路１０８と整列された所望の流体流線位置に「予め集束される」。粒子１０２を所望の位置に予め集束させることにより、粒子が誤って第２のミクロ流体流路１０６に入る確率を減少させることができる。

ここに説明される粒子移動手法の別の利点は、それが、１つ以上の流線に沿って粒子を集束させるために使用されてもよい、ということである。たとえば、前述のように、流体の一部が最初のミクロ流体流路から１つ以上の平行なミクロ流体流路へ抽出されてもよい。場合によっては、抽出された流体を含む平行なミクロ流体流路は次に、粒子が単一流路の指定された流線に閉じ込められるように、下流で最初のミクロ流体流路と再び組合されてもよい。流体移動を慣性揚力と組合せるこの手法の一利点は、最初の流路の各側からどれだけの流体が除去されるかを制御することにより、粒子が下流流路内の所望の位置（たとえば、とりわけ、流路壁の近く、流路中央、または、流路壁と流路中央との中間）に集束され得る、ということであり、ミクロ流体装置の設計および使用に増加した柔軟性を提供する。対照的に、主として慣性集束に基づくミクロ流体システムについては、流路内の集束ストリームの位置を選択する能力が限られている。

流体抽出および慣性力の復習を提供したので、流体間で粒子を移動させる／分類するためのミクロ流体装置についてこれから説明することができる。特に、ここに説明される流体および粒子移動手法は、粒子が別の流体に間接的に移送されるような粒子の同伴移動なく、流体を流路を越えて移動させるために使用可能である。図２は、粒子を流体間で移動させるための装置２００の一例を示す概略図である。装置２００は、第１の入口ミクロ流体流路２０４と、第２の入口ミクロ流体流路とを含み、それらは、第１の入口２０４と第２の入口２０６との混合を防止する、壁または他の物体などの分割構造２０５によって分離されている。分割構造２０５の端で、第１および第２の入口ミクロ流体流路（２０４、２０６）は、３つの異なる流体流領域（第２のミクロ流体流路２０８、第１のミクロ流体流路２１０、および第３のミクロ流体流路２１２）を有する粒子移動エリアに流体結合される。

第２のミクロ流体流路２０８は、島構造２１８の第１のアレイ２１４によって、第１のミクロ流体流路２１０から分離される。第３のミクロ流体流路２１２は、島２１８の第２のアレイ２１６によって、第１のミクロ流体流路２１０から分離される。第１のアレイ２１４における隣接する各島構造および第２のアレイ２１６における隣接する各島構造は、流体移動用の隙間によって分離される。ミクロ流体流路の境界は、装置壁２２０および島の壁によって規定される。第２の流路２０８のミクロ流体流路壁２２０は、第２の流路の幅が流体伝搬方向に沿って増加するように、島２１８からある角度遠ざかって傾斜し（島に対して斜めに配向され）、このため、流体抵抗の減少を引き起こし、第１の流路２１０から第２の流路２０８への流体の抽出をもたらす。対照的に、第３の流路２１２の壁２２０は、第３の流路２１２の幅が流体伝搬方向に沿って減少するように、島２１８に向かってある角度傾斜し、このため、流体抵抗の増加を引き起こし、第３の流路２１２から第１の流路２１０への流体の抽出をもたらす。

装置２００の動作中、第１の入口流路２０４における第１の流体内を流れる粒子２０２は、流体流の中央流線に向かって粒子２０２を移動または集束させる慣性揚力を経験するように、流路壁と相互作用する。中央のミクロ流体流路２１０の流体経路は、第１の入口流路２０４の流体経路と実質的に整列されており、そのため、流路２０４からの集束された粒子と第１の流体の一部とが第１の流路２１０に流れ込む。粒子２０２がいったん第１のミクロ流体流路２１０に入ると、それらは、流路２１０を通って延在する１つ以上の中央流線に沿って粒子２０２を集束させ続ける、島構造２１８からの慣性揚力を経験する。同時に、第１の流体の一部は、「流体移動」領域において、流体抵抗の減少に起因して第２のミクロ流体流路２０８へ抽出される。粒子２０２は第１の流路２１０で慣性揚力を経験するため、大多数の粒子２０２は第１の流路２１０に残り、第１の流体とともに第２の流路２０８に搬送されない。

第２の入口流路２０６に第２の流体が提供される。第２の流体は、入口流路２０４から粒子を導入するために使用される搬送流体と同じ流体であってもよく、または異なる流体であってもよい。第２の流体は主として、第２の入口２０６から第３のミクロ流体流路２１２に流れ込む。第２の流体の一部は、「流体移動」領域で、入口２０６および／または第３の流路２１２から第１のミクロ流体流路２１０へ抽出される。第２の流体の抽出は、第２の流体が流路２１２を下って伝搬する際に第２の流体が経験する流体抵抗の増加（たとえば流路幅の減少）の結果、起こる。したがって、増加した量の第２の流体が、第１の流路２１０内を流れ始める。いくつかの実現化例では、たとえばミクロ流体流路が十分長い場合、第２の流体はさらには、第３のミクロ流体流路２１２から第１のミクロ流体流路２１０へ、最終的には第２のミクロ流体流路２０８へと横断して、第１の流体と組合され得る。しかしながら、粒子２０２は第１の流路２１０で慣性揚力を経験するため、大多数の粒子２０２は第１の流路２１０に残り、第１または第２の流体とともに第２の流路２０８に搬送されない。その結果、流体移動領域と粒子移動領域との組合せは、第１の流体からの粒子２０２の単離を可能にする。すなわち、第２の流体が流路２１０に導入されるにつれて、粒子２０２は第１の流体から第２の流体に移動される。慣性力が粒子２０２を流路２１０内に維持するため、ある実現化例では、粒子はまた、流路２０８を通って進む合流した第１および第２の流体から単離されてもよい。

装置の長さにわたって、第１の流路２１０から第２の流路２０８へ抽出された第１の流体の量が、第３の流路から第１の流路に導入された第２の流体の量と等しくまたは実質的に等しく保たれる場合、流路２１０を通って伝搬する流体の量は実質的に一定に保たれ得る。同様に、慣性揚力により、流路２１０を通って伝搬する粒子の数は実質的に一定のままになるため、流体が流路２１０内で変化したとしても、粒子の総濃度はあまり変化しない。すなわち、流路２１０の最初での第１の流体内の粒子２０２の濃度は、流体移動完了後の流路２１０の端近くでの第２の流体内の粒子２０２の濃度と実質的に同じである。

いくつかの実現化例では、第１の流体は、流路２１０から流路２０８へ完全に抽出されるわけではない。むしろ、ミクロ流体装置は、装置の動作後、流路２１０内に第１の流体と第２の流体との組合せがあるように構成されてもよい。そのような場合、第１の流体および第２の流体は、層流に従って並んで伝搬してもよく、または、たとえば拡散の結果混合されてもよい。いずれの場合も、装置の長さにわたって流路２０８へ抽出された第１の流体の量が流路２１２から流路２１０に導入された第２の流体の量と実質的に同じである場合、流路２１０内の流体が何であれ、当該流体に対する粒子２０２の濃度は実質的に一定に保たれ得る。

第２、第１、または第３の流路からの流体ストリームのうちのいずれも、ミクロ流体装置の別個の領域に結合されてもよく、もしくは、追加の処理または分析のために装置から除去されてもよい。いくつかの実現化例では、第２および第３の流路のサイズ／流体抵抗の変動は、各ユニットで、同量の流体が第３の流路から流れ込み、第２の流路へ出ることを保証するように設定可能である。

粒子を流体間で移行させることができる装置の別の例を図３に示す。図３は、流体を合流させるための単一のミクロ流体流路３０５に結合された２つの入口ミクロ流体流路（３０４、３０６）を含む装置３００の一例を示す概略図である。合流流路３０５は次に、２つの異なる流れ領域（第２のミクロ流体流路３０８および第１のミクロ流体流路３１０）を含む粒子移動エリアに結合される。第２のミクロ流体流路３０８は、島構造３１２のアレイによって第１のミクロ流体流路３１０から分離され、各島３１２は、隣接する島３１２から、流体移動用の隙間３１４によって分離される。加えて、第２のミクロ流体流路３０８の上壁３１６は、ｚ方向に沿って流体抵抗を減少させるために、島３１２からある角度遠ざかって傾斜している。

装置３００の動作中、粒子３０２を含む第１の流体（「流体１」）が第１の入口流路３０４に導入され、粒子がない第２の流体（「流体２」）が第２の入口流路３０６に導入される。流体が、低いレイノルズ数（ひいては層流）に対応する流量で導入されると仮定すると、合流領域３０５での２つの異なる流体間の混合はほとんどない。すなわち、２つの流体は本質的に、互いに隣り合う層として流れ続ける。合流した流体が主として第１の流路３１０に流れ込むように、合流領域３０５内の流体経路は、第１のミクロ流体流路３１０の流体経路と整列される。２つの流体が第１のミクロ流体流路３１０に入ると、第１の流体内の粒子３０２は、流れの方向を横切り、粒子３０２を第１のミクロ流体流路内に保つ、島構造３１２からの慣性揚力を経験する。

同時に、（流路壁３１６の傾斜に起因する）第２のミクロ流体流路３０８の幅の増加は、島３１２間の各隙間で（島構造に最も近い）第１の流体の一部が第２の流路３０８へ抽出されるように、流体抵抗を減少させる。第１の流体は第２の流体より上の層として流れるため、第２の流体はほとんどまたはまったく第２の流路３０８へ抽出されない。島３１２を通り過ぎて十分な距離伝搬した後で、第１の流体のほとんどは第２の流路３０８へ抽出され、一方、粒子３０２と第２の流体のほとんどまたはすべてとは第１の流路３１０に残る。したがって、図３に示すミクロ流体装置構成は、粒子をある流体から第２の異なる流体に移送するためにも有用である。入口３０４を通って流れる第１の流体の量が、入口３０６を通って流れる第２の流体の量と実質的に同じである場合、（第１の流体の抽出後の）流路３１０内の第２の流体における粒子３０２の濃度は、入口３０４内の第１の流体における粒子３０２の濃度と実質的に同じに保たれ得る。いくつかの実現化例では、伝搬距離は、第２の流体も第２のミクロ流体流路３０８へ抽出されるように十分長い。その場合、第１のミクロ流体流路３１０内の第２の流体における粒子３０２の濃度は、流路３０４内の粒子濃度よりも高いレベルまで増加され得る。

いくつかの実現化例では、流体内で粒子のサイズベースの分離を行なうために、粒子および流体移動の繰り返しを使用することができる。図４は、粒子のサイズベースの分類のために使用される装置４００の一例を示す概略図である。装置構成は、図３に示す装置３００と同一である。装置４００の動作中、異なるサイズの粒子（大きい粒子４０２および小さい粒子４０３）を含む第１の流体（「流体１」）が第１の入口流路４０４に導入され、粒子がない第２の流体（「流体２」）が第２の入口流路４０６に導入される。第１および第２の流体は、同じタイプまたは異なるタイプの流体であってもよい。ここでも、流体が、低いレイノルズ数（ひいては層流）に対応する流量で導入されると仮定すると、合流領域４０５での２つの異なる流体間の混合はほとんどない。すなわち、２つの流体は本質的に、互いに隣り合う層として流れ続ける。２つの流体が第１のミクロ流体流路４１０に入ると、より大きい粒子４０２に対する力は、粒子４０２を第１のミクロ流体流路４１０内に保つのに十分大きい。対照的に、より小さい粒子４０３に対する力は、小さい粒子４０３が第１の流体とともに第２のミクロ流体流路４０８へ抽出されるのを防止するほど十分大きくはない。十分な距離にわたって粒子移動および流体抽出を繰り返した後で、第１の流体のほとんどと小さい粒子４０３とは第２の流路４０８へ抽出され、一方、大きい粒子４０２と第２の流体のほとんどとは第１の流路４１０に残る。分別とも呼ばれるこのプロセスは、サイズに基づいて粒子を流体から分離するために有用である。

大きい粒子４０２がより小さい粒子４０３に比べて優先的に保持される理由はいくつかある。第１に、慣性揚力は、粒子直径において非常に非線形である。たとえば、流路壁近くでは、大きい粒子が小さい粒子よりもはるかに大きい力を経験するように、慣性揚力はａ^３〜ａ^６（ａは粒子直径）の範囲でスケール変更すると考えられる。より大きい慣性揚力は、島構造のアレイの１つの行から次の行へ上向きに移動する、島に隣接する流体ストリームから、粒子を動かすために使用されてもよい。粒子サイズと慣性揚力との関係についてのさらなる情報は、ここにその全体が引用により援用される、Ｄ．ジ カーロら、「閉じ込められた流れにおける粒子隔離および動力学」、Physical Review Letters、２００９年、に見出され得る。第２に、大きい粒子の平衡位置は一般に、小さい粒子の平衡位置よりも壁から離れており、したがって、流体抽出流路からさらに離れており、抽出流路に向かって移動しない流線上に位置しがちである。大きい粒子はしたがって所与の行内に保持されてもよく、一方、島の近くを流れるより小さい粒子は、アレイの１つの行から次の行へ上向きに移動する。

このため、分別は、（１）流路壁から大きい粒子を遠ざけるために慣性揚力を使用すること、次に（２）大きい粒子がない流体を隣接流路に移動させること、を繰り返すことによって達成される。いくつかの実現化例では、分別はまた、粒子をソース流体（たとえば血液）から流体流線を越えて隣接する宛先流体（たとえば緩衝液）へ分類するために使用可能である。

たとえば、図５は、同様にサイズに基づいて粒子を分離するために使用可能な装置５００の一例を示す概略図である。装置５００の構成は、図２に示す装置２００と同じである。第３のミクロ流体流路５１２における流体抵抗は、流路幅の減少に起因して次第に増加し、一方、第２のミクロ流体流路５０８の流体抵抗は、流路幅の増加に起因して次第に減少する。したがって、装置５００の動作中、第１のミクロ流体流路５１０から第２のミクロ流体流路５０８への第１の流体（「流体１」）の流体移動の繰り返しが、第１のアレイ５１４における島５１８間の隙間で起こる。同様に、第３のミクロ流体流路５１２から第１のミクロ流体流路５１０への第２の流体（「流体２」）の流体移動の繰り返しが、第２のアレイ５１６における島５１８間の隙間で起こる。流体抽出力は、小さい粒子５０３を第１の流体とともに引っ張るのに十分大きいが、大きい粒子５０２が経験する慣性揚力に対抗するほど十分大きくはない。その結果、大きい粒子は、第１のミクロ流体流路５１０内の流線に沿って流れ続ける。粒子および流体移動の繰り返しの後で、大きい粒子５０２は、第１の流路５１０に移動した第２の流体内の流線に沿って流れ始める。粒子分類／移動領域の長さにわたって、流路５１０から流路５０８に流れ込む流体の量が、流路５１２から流路５１０に流れ込む流体の量と実質的に等しく保たれる場合、流路５１０内を流れる流体の量は実質的に一定に保たれ得る。

図１〜５に示すミクロ流体装置は、ミクロ流体流路壁からの、および島構造の定期的なアレイからの慣性揚力を使用して、流体流線を越える粒子移動を実現する。流体流線を越える粒子の移動を支援するために、慣性揚力以外の手法が使用されてもよい。たとえば、粒子を流体流線を越えて移動させるために、および／または粒子をミクロ流体流路内に維持するために、高いディーン流れおよび／または高いストークス流れに起因して生じる内力、たとえば慣性集束を使用することができる。それに代えて、またはそれに加えて、粒子を流体流線を越えて移動させるために、磁力、音響力、重力／遠心力、光学力、および／または電気力などの外力を使用してもよい。加えて、異なる流れ領域を分離する剛性島構造の形状は、図１〜５に示す形状に限定されない。たとえば、剛性島構造は、上面および底面が合同多角形である、またはあり得る、柱、直方体、または他の多面体に似た形状を有していてもよい。高流量などといったある状況では、流線形でテーパが付いた端を有する島を使用することが有利である。なぜなら、これは、予測不能で望ましくないやり方で流れを乱す流れ再循環（渦）の形成を最小限にするのに役立つためである。剛性島構造についての他の形状も可能である。剛性島構造の長軸は、流体の平均流れ方向、粒子の平均流れ方向、または分類領域の長軸に対して、ある角度で配向されてもよい。流路セグメントの形状は、図１〜５に示す略矩形形状に限定されない。流路セグメントは、曲線、または幅の実質的変化を含んでいてもよい。断面では、図１〜５に示す流路は、正方形、矩形、台形、または円形であってもよい。流路断面についての他の形状も可能である。流路深さは粒子分類領域にわたって均一であってもよく、もしくは、流路深さは横方向にまたは長手方向に変動してもよい。加えて、図１〜５はミクロ流体流路を略直線の経路として示すが、流路は他の異なる配置で構成されてもよい。たとえば、いくつかの実現化例では、ミクロ流体流路は、螺旋構成を有するように形成されてもよい。たとえば、第１のミクロ流体流路および第２のミクロ流体流路は螺旋構成で配置されてもよく、第１および第２のミクロ流体流路は依然として、島構造のアレイによって分離されるものの流路を通る流体流の長手方向は、略螺旋状の経路をたどるであろう。いくつかの実現化例では、島構造の寸法または形状は、分類領域の長さに沿って（たとえば、流体流の方向において）、および／または、分類する領域の幅に沿って（たとえば、流体流の方向を横切って）変化してもよい。いくつかの実現化例では、島構造間を通る流体の割合は、流路内の異なる場所で変化する。たとえば、２つの島構造間の第１の隙間を通る流体の割合は、２つの島構造間の次の隣接する隙間を通る流体の割合より高くても、または低くてもよい。

図１〜５に示すいくつかの実現化例は２つの入口流路を含むが、追加の入口流路がミクロ流体流路に結合されてもよい。いくつかの実現化例では、３つ、４つ、またはそれ以上の入口流路が、流体交換および慣性揚力を通して粒子を移動させる装置領域に流体を導入してもよい。たとえば、いくつかの実現化例では、１つは血液を送出し、１つは染色試薬を送出し、１つはおよび緩衝液ストリームを送出する、３つの入口流路があってもよい。ここに開示される流体移動手法と慣性揚力手法との組合せを使用すれば、血流からの白血球を試薬ストリームに、次に緩衝液ストリームに移動させることができるであろう。

いくつかの実現化例では、ここに説明される装置は、たとえばあるサイズの粒子の部分母集団をろ過するためのフィルタを含む、流体および／または粒子を操作するための他のミクロ流体モジュールとともに使用されてもよい。加えて、ここに説明される装置は、ミクロ流体システム内で直列および／または並列で使用されてもよい。

ミクロ流体装置設計パラメータ
ミクロ流体装置の動作に対するさまざまな設計パラメータの効果をここで説明する。参考のために、図７は、島構造７１０のいくつかの行を含み、島の各行は島の隣接する行から対応する内側ミクロ流体流路７０３によって分離されている、例示的な粒子分類領域７００の上面図を示す概略図である。加えて、島のアレイより上に延在する外側ミクロ流体流路７０５ａと、島のアレイより下に延在する外側ミクロ流体流路７０５ｂとがある。流体流の主方向は、矢印７０１によって示される。（ｙ方向に沿って規定される）外側流路７０５ａの幅は流路の長さに沿って拡大し、一方、（ｙ方向に沿って規定される）外側流路７０５ｂの幅は流路の長さに沿って縮小する。以下の説明のために、流路および島は、別々の「ユニット」（図７のユニット１、ユニット２、およびユニット３を参照）へと配置されるとして理解されてもよい。具体的には、図７は、２つの内側流路と２つの外側流路とを有するアレイの３つのユニットを示す。

粒子分類領域７００についての関連する設計パラメータは、ユニット長、幅、および流体移動である。ここで、幅ｗは、内側ミクロ流体流路７０３の寸法を指し、長さｌは、１ユニット内の島構造７１０の長さを指す。内側流路はこのため、固定された幅ｗおよび流体コンダクタンスｇを有する。拡大流路は幅ｗ_ｅ，ｉおよび流体コンダクタンスｇ_ｅ，ｉを有し、ここでｉはユニット番号を指す。同様に、縮小流路は幅ｗ_ｃ，ｉおよび流体コンダクタンスｇ_ｃ，ｉを有し、ここでｉはユニット番号を指す。流体移動ｆは、各ユニットでの行（流路）間で移動する、内側流路における流れの分画ｑである。内側流路における正味の流れは変化しない。なぜなら、各ユニットで、流れｆｑ（ｆとｑとの積）が（島構造間の開口７０７で）これらの流路から移動し、流れｆｑが（島構造間の開口７０７で）これらの流路に移動するためである。対照的に、外側流路７０５における正味の流れは変化する。縮小流路７０５ｂにおける正味の流れは各ユニットでｆｑだけ減少し、拡大流路７０５ａにおける正味の流れは各ユニットでｆｑだけ増加する。このため、各ユニットの外側流路の幅は、アレイにわたって流体の所望の移動を提供するように設定されてもよい。

連続する各ユニットに対し、ｆｇ（ｆとｇとの積）が拡大流路の流体コンダクタンスに加算され、ｆｇが縮小流路の流体コンダクタンスから減算される。変化する流体コンダクタンスは、体積流量の比例する変化に変わる。なぜなら、１ユニット当たりの圧力降下ｐは１ユニットにおけるすべての流路にわたってほぼ同じであり、また、流量は関係ｑ＝ｐｇによって流体コンダクタンスに関係付けられるためである。したがって、拡大流路（たとえば流路７０５ａ）のコンダクタンスがｆｇだけ増加すると、拡大流路における流量はｆｑだけ増加する。同様に、縮小流路（たとえば流路７０５ｂ）のコンダクタンスがｆｇだけ減少すると、縮小流路における流量はｆｑだけ減少する。

アレイにおける各流路の流体コンダクタンスは、その寸法および流体粘度の関数である。図７に示すアレイでは、各流路は矩形断面を有すると仮定され、したがって、以下の式によって示されるコンダクタンスを有する：

ここで、ηは流体粘度、ｌは流路長、ｗは流路幅、ｈは流路高さ、およびα＝ｈ／ｗである。より正確な無限級数ベースの式も利用可能である（タンエリ（Tanyeri）ら、「ミクロ流体ベースの流体力学的トラップ：設計および実現（副教材）」（A microfluidic-based hydrodynamic trap: Design and implementation (Supplementary Material)）、Lab on a Chip（２０１１））。より複雑な流路形状寸法のコンダクタンスを求めるために、計算機モデル化または実験的方法を使用することができる。（なお、この説明では、流体抵抗Ｒではなく、流体コンダクタンスｇに注目するほうがより簡単である。これら２つの量は、ｇ＝ｌ／Ｒによって簡単に関係付けられる。）
内側流路の流体コンダクタンスを求めた後で、拡大流路のｉ番目のユニットの流体コンダクタンスｇ_ｅ，ｉは、以下のように表わされ得る：

すなわち、第１のユニットの流体コンダクタンスはｆｇであり、連続する各ユニットの流体コンダクタンスはｆｇだけ増加する。なお、拡大流路のｉ番目のユニットにおける流量ｑ_ｅ，ｉはｑ_ｅ，ｉ＝ｐｇ_ｅ，ｉによってコンダクタンスに関係付けられ、また、ｑ＝ｐｇであり、拡大流路のｉ番目のユニットにおける流量は、以下のように表わされ得る：

このため、第１のユニットにおける流量はｆｑであり、連続する各ユニットにおける流量はｆｑだけ増加する。

縮小流路のｉ番目のユニットの流体コンダクタンスｇ_ｃ，ｉは、以下のように表わされ得る：

すなわち、第１のユニットの流体コンダクタンスは２ｇ−ｆｇであり、連続する各ユニットの流体コンダクタンスはｆｇだけ減少する。なお、縮小流路のｉ番目のユニットの流量ｑ_ｃ，ｉはｑ_ｃ，ｉ＝ｐｇ_ｃ，ｉによってコンダクタンスに関係付けられ、また、ｑ＝ｐｇであり、縮小流路のｉ番目のユニットにおける流量は、以下のように表わされ得る：

このため、第１のユニットにおける流量は２ｑ−ｆｑであり、連続する各ユニットにおける流量はｆｑだけ減少する。

拡大流路の幅ｗ_ｅ，ｉは、必要とされるｇ_ｅ，ｉを与えるように選択され、縮小流路の幅ｗ_ｃ，ｉは、必要とされるｇ_ｃ，ｉを与えるように選択される。実際には、これらの幅は、広範囲の流路幅にわたって（上述の式を使用して）流体コンダクタンスを評価し、次に、所望の流路コンダクタンスを与える流路幅を見つけるために補間することによって、求められてもよい。

拡大流路における流れをｑに増加させ、縮小流路における流れをｑに減少させるために必要なユニットの数は、ｎ＝１／ｆである。このため、ｎ番目のユニットでは、すべての流路における流量は等しく、ｑ_ｅ，ｎ＝ｑ_ｃ，ｎ＝ｑである。

ｎ個のユニットの後で、アレイは「リセット」されてもよい。たとえば、図８は、島構造７１０のｎ個の先行ユニットの後に「リセット」領域が導入された、図７に示す領域７００に似た例示的な粒子分類領域８００の上面図を示す概略図である。リセットでは、縮小流路７０５ｂと隣接する内側流路７０３とが組合されて新しい縮小流路７０９ｂを形成し、拡大流路７０５ａが内側流路になり、新しい拡大流路７０９ａが導入される。

ユニット長、幅、移動、流速、および粒子サイズは、装置の性能に最も著しく影響を与える要因である。簡潔に言えば、各々の影響は以下のとおりである：
・ユニット長は、慣性揚力が粒子に作用する距離（および時間）を定め、したがって、１ユニット当たり粒子がマイグレーションする横方向距離を定める。保持されるべき粒子のために、ユニットは、島間の次の開口で移動されるであろう流体からその粒子が逃げるために十分長くなければならない；
・流速も、慣性揚力の大きさ、および１ユニット当たり粒子がマイグレーションする横方向距離に影響を与える。長手方向距離ごとのマイグレーション（横方向）距離は、流速にほぼ比例する。保持されるべき粒子のために、流速は、島間の次の開口で移動されるであろう流体からその粒子が逃げるために十分速くなければならない；
・移動は、粒子マイグレーションに直接影響を与えないが、むしろ、島間の次の開口で移動されるであろう流体を逃れるために粒子がどれくらいの距離（すなわち、流体の何分画にわたって）マイグレーションしなければならないかを定める。移動が大きいほど、粒子はより遠くマイグレーションしなければならない；
・ユニット幅は、２つの点で性能に影響を与える。第１に、ユニットの幅（および高さ）は、粒子に作用する慣性揚力の大きさに影響を与え、ユニット幅が増加するにつれて力は減少する。第２に、幅は、粒子がマイグレーションしなければならない距離に移動を関係付ける。言い換えれば、所与の移動のために、ユニット幅が大きいほど、粒子は、島間の次の開口で移動されるであろう流体を逃れるためにより遠くマイグレーションしなければならない；
・慣性揚力の大きさは粒子サイズに強く依存しており、力は粒子サイズとともに劇的に増加する（Ｄ．ジ カーロ、「慣性ミクロ流体工学」、Lab on a Chip（２００９））。その結果、より大きい粒子は、より小さい粒子よりも、１ユニット当たり横方向により遠くマイグレーションする。粒子のサイズベースの分類を可能にするのは、マイグレーション速度におけるこの違いである。

流路間で流体を交換するために、上述の要因は、対象粒子がアレイの行内に保持されることを保証するように選択されてもよい。サイズベースの粒子分類用途のために、上述の要因は、より大きい粒子の部分母集団が行内に保持され、より小さい粒子の部分母集団が行内に保持されないように選択されてもよい。

たとえば、血液を減量する（すなわち、赤血球（red blood cell：ＲＢＣ）および血小板から白血球（ＷＢＣ）を分離する）ために、約２００μｍのユニット長、約５０μｍのユニット幅、約５２μｍのユニット深さ、約３．０％の移動、および１行当たり約８０μＬ／分の流量（平均流速０．５１ｍ／秒）という一組のパラメータを使用することができる。この一組のパラメータは、ＲＢＣおよび血小板のキャリーオーバーが最小でＷＢＣを単離するのに非常に効果的になり得る。この場合、白血球は球形で、典型的には直径が＞８μｍである。赤血球は、〜７μｍの直径と〜１．５μｍの厚さとを有する円盤形状である（したがって、中間サイズの球のように挙動すると予想される）。血小板は、３μｍの直径を有する円盤形状である。

島は、２００μｍの長さ（すなわちユニット長と同じ）と５０μｍの幅と有する。島の目的は単に、装置内に適切な流れ条件を確立するように流路を分離することである。そのため、島の幅は特定の機能的重要性を有していない。島は、装置の性能に著しく影響を与えることなく、幾分より狭く、またはより広くされてもよい。

しかしながら、島の幅は製造容易性に影響を与える。製造容易性は主として、ミクロ流体装置内の構造のアスペクト比（高さ／幅）によって定められ、より小さいアスペクト比の装置は、低コストで、および高い製造歩留りで、より容易に製造される。アスペクト比は、２つの方法で定義可能である。最小アスペクト比は、構造高さｈ／最小構造幅ｗ_ｍｉｎである。全体アスペクト比は、構造高さｈ／構造と同じ面積を有する円の直径Ｄである。ここで、Ｄは

として表わすことができ、式中、Ａは構造の面積である。
上述の例における島は５０μｍの幅および５２μｍの高さを有するため、それらは、最小アスペクト比１．０４および全体アスペクト比０．４６を有する。これは、成型されたＰＤＭＳおよびエポキシ装置、ならびに射出成型されたプラスチック装置の簡潔な作製を可能にし得る。このため、装置は、機能的な観点から極めて有用であるだけではなく、商業的観点からも本質的にスケール変更可能で経済的である。さらに、上に列挙された一組の装置パラメータは、他のサイズの粒子を分類するために修正可能である。

所与のサイズの粒子を移動させるように構成されたミクロ流体装置は、いくつかの実現化例では、異なるサイズの粒子を効果的に移動させるためにスケール変更され得る。たとえば、粒子を流体流線を越えて移動させるために慣性揚力を採用する装置については、粒子レイノルズ数Ｒ_ｐの値が保たれる限り、粒子移動エリアの寸法を粒子サイズに合わせてスケール変更し、流れ条件を変更することができる。粒子レイノルズ数は、以下のように表わされ得る：

式中、Ｕ_ｍは最大流路速度、ａは粒子直径、νは流体の運動粘度、Ｄ_ｈは流路の水力直径である。幅ｗおよび高さｈを有する矩形断面の流路については、Ｄ_ｈは（２ｗｈ）／（ｗ＋ｈ）として表わすことができ、式中、ｈは流路高さ、ｗは流路幅である。たとえば、サイズａの粒子を効果的に移動させる移動エリア１を考慮されたい。サイズ２ａの粒子を効果的に移動させる移動エリア２を設計する１つの方法は、移動エリア１の全寸法を係数２だけスケール変更する（すなわち、すべての形状構成の長さ、幅、および高さを２倍にする）ことである。移動エリア２において同じＲ_ｐを維持するには、最大流路速度Ｕ_ｍは係数２だけ減少されなければならない。

粒子サイズに合わせて粒子移動エリアの寸法および流れ条件をスケール変更する他の方法も可能である。

粒子を流線を越えて移動させるために慣性揚力に依拠するまっすぐな流路を有する分類装置について、以下は、装置設計および動作ガイドラインを提供する。

第１に、「慣性ミクロ流体工学」、ジ カーロ、Lab Chip（９）、３０３８〜３０４６、２００９年（ここにその全体が引用により援用される）に記載されているように、長手方向（流体流の方向）速度Ｕ_ｚに対する（流路を横切る）横方向粒子速度Ｕ_ｙの比は、粒子レイノルズ数Ｒ_ｐに比例しており、以下のように表わされ得る：

ここで、Ｕ_ｍは最大流路速度、ａは粒子直径、νは流体の運動粘度、Ｄ_ｈは流路の水力直径である（幅ｗおよび高さｈを有する矩形断面の流路については、Ｄ_ｈ＝（２ｗｈ）／（ｗ＋ｈ）である。）。ここに説明される粒子分類装置の目標は、いくつかの実現化例では、流線を越えて効率的に粒子を動かす（すなわち、Ｕ_ｙ／Ｕ_ｚを最大化する）ために慣性揚力を使用することである。その目的のために、動作圧力といった他の実用的制約によって許可される程度まで粒子流路における粒子レイノルズ数Ｒ_ｐを最大化するように、流路寸法および流れ条件が選択されることが推奨される。装置全体にわたって、粒子流路における粒子レイノルズ数Ｒ_ｐは理想的には、約０．０１よりも大きくあるべきであるが、それはこれよりもはるかに大きくてもよく、おそらくは１００よりも大きくてもよい。１にほぼ等しいＲ_ｐは、良好な中間目標である。

所与の粒子直径ａおよび運動粘度νのために、目標粒子レイノルズ数Ｒ_ｐは、流路寸法および流路速度の多くの異なる組合せを通して達成され得る。Ｒ_ｐを増加させるための１つの可能な戦略は、（ａに対して）非常に小さい水力直径Ｄ_ｈを選択することであろう。しかしながら、流路抵抗はＤ_ｈへの４次依存性を有しており、不必要に小さいＤ_ｈを選択することは、非常に増加した動作圧力という代償を伴う。これに反して、動作圧力は流路速度Ｕ_ｍとともに線形にスケール変更し、そのため、良好な代替戦略は、控えめな水力直径Ｄ_ｈを有する装置を設計し、次に、動作時に高収量の粒子を達成するために必要に応じて流路速度Ｕ_ｍ（ひいてはＲ_ｐ）を増加させることである。Ｄ_ｈ＝ｗ＝ｈとなるような正方形断面を有する流路については、粒子直径ａのおよそ５倍のＤ_ｈの値が妥当な選択であり、Ｄ_ｈ＝５ａである。

第２に、島間の（長手方向における）開口の長さは、ほぼａよりも大きく、ほぼｗ以下であることが好ましいものの、必ずしも必要ではない。開口の長さがａよりも小さい場合、開口は粒子で詰まるかもしれず、それにより、開口を通る流れを乱す。ｗとほぼ等しい長さの開口は粒子で詰まりにくく、流体が島間を通って隣接流路まで横断するための適切な余地を提供する。ｗよりも大きい長さの開口は機能するであろうが、特に利益を提供せず、無駄な空間という代償を伴う。

第３に、島の長さｌは好ましくは、島間の開口の長さ以上である。粒子は、開口でではなく、島に沿って進む際に慣性揚力を経験するため、粒子は、それらの長手方向距離のほとんどを、島間の開口を越えて進むのではなく、島にそって進むべきである。言い換えれば、島の長さと島間の開口の長さとが等しい場合、粒子は、それらが進む距離のたった５０％に沿って慣性揚力を経験する。一方、島の長さが開口の長さの４倍である場合、粒子は、それらが進む距離の８０％に沿って慣性揚力を経験する。

島の長さｌに対する緩やかな上限は、粒子が平衡集束位置にマイグレーションするために必要な長さである。粒子が平衡に達するために必要な分を超えるいかなる追加の流路長さも、粒子を流線を越えて移動させることに寄与しない。粒子が平衡に達するために必要な流路長Ｌ_ｆについての式は、「慣性ミクロ流体工学」、ジ カーロ、Lab Chip（９）、３０３８〜３０４６、２００９年に、以下のように与えられている：

ここで、μは動粘度、ｗは流路幅、ρは流体密度、Ｕ_ｍは最大流路速度、ａは粒子直径、ｆ_Ｌは無次元常数であり、ｆ_Ｌは、約２〜０．５の範囲のアスペクト比（ｈ／ｗ）を有する流路については約０．０２〜０．０５の範囲である。Ｌ_ｆは上限を提供するものの、それは緩やかな上限であり、島の最適長さｌを上回る。これは、粒子に対する揚力が、流路壁近くで非常に強い（ａ^６に比例）ものの、壁から離れるにつれて急激に低下する（流路の中央近くでａ^３に比例）ためである。このため、Ｌ_ｆよりも著しく小さい島長さｌを使用することによって粒子が流路壁近くに保たれる場合、分類装置は、粒子をより効率的に流線を越えて移動させるであろう。

これらの考慮事項を想定すると、島長さについての妥当な中間値は、ほぼｌ＝４ｗである。これは近似値であり、流体移動ｆ_ｓなどの他のパラメータ用に選択された値に必然的に依存する。

第４に、流体移動ｆ_ｓは、０．２％よりも大きく、理想的には１．０％よりも大きくなるべきである。流体移動がたとえば０．１％のように小さい場合、分類アレイの幅を越えて粒子を移動させるために必要な移動（ユニット）の総数は非常に大きく、したがって、装置自体が非常に長くなければならない。最大流路速度Ｕ_ｍが、粒子レイノルズ数Ｒ_ｐを所定の範囲に収めるのに十分速ければ、たとえば０．１％のような極めて小さい移動は必要ない。最大流路速度Ｕ_ｍに依存して、約１％〜５％の範囲の流体移動ｆ_ｓは、ここで概説されるように設計され動作される装置のために良好に機能するはずである。

任意の所与の装置設計および粒子サイズａのために、最後のパラメータ選択は装置動作流量であり、それは、粒子流路における最大流路速度Ｕ_ｍおよび粒子レイノルズ数Ｒ_ｐを直接定める。概説されるように設計される装置については、良好な性能を提供する下限流量があるであろう。このしきい値流量より下では、慣性揚力は、粒子が流体とともに島を通って移動されないように粒子を島壁から十分離して移動させるには不十分であるため、粒子の低収量をもたらすであろう。ここに提供された式はしきい値流量の概算を可能にするものの、しきい値流量を定める最も正確で関連する方法は経験的である。

分類装置が、サイズに基づいて粒子を分別するために使用されることになっている場合（すなわち、異なるサイズを有する粒子の母集団が２つ以上ある場合）、動作流量は、慣性揚力が小さい粒子を移動させることなく大きい粒子を移動させるのに十分であるように、選択されるべきである。

ここに説明された設計および動作パラメータガイドラインは細胞分類装置のために良好に機能するということが分かっている。しかしながら、他の設計および最適化戦略も、効果的で高性能の粒子分類装置をもたらし得る。

ミクロ流体装置の寸法
隣り合う島間に隙間がある島構造のアレイによって分離された少なくとも２つの流路を有するミクロ流体装置（たとえば図１参照）を通して略球形の粒子が移送されるためには、各ミクロ流体流路の（たとえば図１のｘ方向に沿って測定されるような）深さおよび（たとえば図１のｙ方向に沿って測定されるような）幅は好ましくは、単一粒子の直径の約２倍〜約５０倍の範囲にある。流体が抽出される隙間を形成する剛性構造に関しては、構造の幅は、単一のミクロ流体流路の幅の最大約１０倍であってもよく、一方、構造の長さは、流路幅の約０．２５倍〜流路幅の約５０倍までであってもよい。

一例として、直径が約８ミクロンである略球形の粒子については、図１に示す構成と同様の、剛性構造のアレイによって分離された２つのミクロ流体流路を有するミクロ流体装置は、以下のパラメータを有していてもよい。各ミクロ流体流路および島構造の深さは約５０μｍであってもよく、各ミクロ流体流路の幅は約５０μｍであってもよく、各島構造の幅は約５０μｍであってもよく、各島構造の長さは約２００μｍであってもよい。

寸法の他の例を以下に述べる。
たとえば、異なる流体流領域を含むエリアの外壁間の距離、すなわち流体流方向を横切って測定されるような距離は、約１μｍ〜約１００ｍｍ（たとえば、約１０μｍ、約５０μｍ、約１００μｍ、約５００μｍ、約１ｍｍ、約５ｍｍ、約１０ｍｍ、または約５０ｍｍ）であるように構成され得る。他のサイズも可能である。流体流方向を横切って測定される各流体流領域の幅は、約１μｍ〜約１０ｍｍ（たとえば、約５０μｍ、約１００μｍ、約２５０μｍ、約５００μｍ、約７５０μｍ、約１ｍｍ、または約５ｍｍ）であるように構成され得る。他の距離も可能である。

流体流方向に沿って（たとえば図１のｚ方向に沿って）測定されるような島構造間の隙間／開口の長さは、約５００ｎｍ〜約１０００μｍ（たとえば、約１μｍ、約２μｍ、約５μｍ、約１０μｍ、約５０μｍ、約１００μｍ、約２００μｍ、約５００μｍ、または約７５０μｍ）であるように構成され得る。いくつかの実現化例では、連続する各開口の長さは、最後の開口の長さよりも大きく、または小さい。たとえば、流体経路に沿って流体抵抗が減少するように構成された流路では、より大量の流体が開口を通って抽出されるように、連続する各開口はより大きくなってもよい。異なる流体流領域を分離する島構造は、約１０ｎｍ〜約１０００μｍの長さと、約１０ｎｍ〜約１０００μｍの幅とを有するように構成され得る。隙間および島構造についての他の寸法も可能である。

（たとえば図１のｘ方向に沿って測定されるような）粒子移動エリア内の流体流領域および島構造の高さは、およそ１００ｎｍ〜およそ１０ｍｍの範囲内にある。たとえば、流路の高さは、約５００ｎｍ、約１μｍ、約５μｍ、約１０μｍ、約５０μｍ、約１００μｍ、約５００μｍ、約７５０μｍ、約１ｍｍ、または約５ｍｍであり得る。他の高さも可能である。ミクロ流体流領域の断面積は、たとえば約１μｍ^２〜約１００ｍｍ^２の範囲内に入り得る。

ミクロ流体システム
いくつかの実現化例では、ここに説明されるミクロ流体装置の粒子移動エリアは、ミクロ流体流路のネットワークを有するより大きいオプションのミクロ流体システムの一部である。そのようなミクロ流体システムは、複合親試料からの液体および／または粒子の制御、操作（たとえば分類、分離、隔離、混合、集束、濃縮）、ならびに単離を容易にするために使用可能である。単離プロセス中、ミクロ流体素子は、たとえば生体液の取扱い、またはサンプルとの粒子の再現可能な混合といった重要な機能を提供する。

たとえば、ミクロ流体システムは、慣性揚力とは異なる他の手法を使用して、サイズおよび／または形状に従って粒子を分類するための追加エリアを含んでいてもよい。これらの他の手法は、たとえば決定論的横置換を含み得る。追加エリアは、隙間を通過する流体が次の隙間へと不均一に分割される、隙間のネットワークのアレイを採用してもよい。アレイは、隙間の寸法が同一であっても隙間を通過する流体が不均一に分割されるように配置された隙間のネットワークを含む。慣性揚力と流体抽出との組合せに基づいて粒子を分離するためにここに説明された手法とは対照的に、決定論的横置換は、粒子が隙間を形成する柱と直接接触する場合に起こる衝突に依拠する。流体の流れは、アレイの見通し線に対して小さい角度（流れ角度）で整列される。臨界サイズよりも大きい流体サイズを有する流体内の粒子は、アレイにおける見通し線に沿ってマイグレーションし、一方、臨界サイズよりも小さい流体サイズを有する流体内の粒子は、異なる方向の流れに追従する。装置における流れは一般に、層流条件下で起こる。装置では、異なる形状の粒子は、それらが異なるサイズを有するかのように挙動する場合がある。たとえば、リンパ球は、直径が〜５μｍの球であり、赤血球は、直径が〜７μｍ、厚さが〜１．５μｍの両凹円盤である。赤血球の長軸（直径）はリンパ球よりも大きいが、短軸（厚さ）はリンパ球よりも小さい。赤血球が、流れによって柱のアレイを通って運ばれる際に、それらの長軸を流れに対して整列させる場合、それらの流体サイズは事実上それらの厚さ（〜１．５μｍ）であり、それはリンパ球よりも小さい。赤血球が流体流によって柱のアレイを通って運ばれる場合、それは、その長軸を流れに対して整列させ、リンパ球よりも事実上「小さい」、幅が〜１．５μｍの粒子のように挙動する傾向がある。決定論的横置換のためのエリアはしたがって、細胞の体積が同じであっても、細胞をそれらの形状に従って分離する場合がある。加えて、異なる変形性を有する粒子は、それらが異なるサイズを有するかのように挙動する。たとえば、変形していない形状を有する２つの粒子は、決定論的横置換によって分離され得る。なぜなら、より大きい変形性を有する粒子は、それがアレイにおける障害物と接触して形状を変える場合に変形し得るためである。このため、装置における分離は、粒子の物理的寸法、形状、および変形性を含む、流体力学的サイズに影響を与える任意のパラメータに基づいて達成され得る。

ミクロ流体流路ネットワークおよびそれらの作製についての追加情報は、たとえば、米国特許出願公開第２０１１／００９１９８７号、米国特許第８，０２１，６１４号および第８、１８６，９１３号に見出すことができ、それらの各々はその全体がここに引用により開示される。

いくつかの実現化例では、ミクロ流体システムは、粒子搬送流体サンプルを粒子移動エリアに導入する前に当該流体サンプルを調製するための構成要素を含む。たとえば、図６Ａは、図１に示す粒子移動エリアと同様の粒子分類エリア６０１（「分類ユニット」と表示）を含むミクロ流体システム６００の一例の上面図を示す概略図である。図２〜５に示す構成のうちのいずれかといった他の構成が、粒子移動エリアとして使用されてもよい。２つ以上の入口流路を含む構成については、システム６００は、それらの入口のための追加の流体源を含んでいてもよい。

図６Ｂは、粒子分類領域６０１の拡大図を示す概略図である。拡大図に示すように、領域６０１は、第１のミクロ流体流路６５０と、第１のミクロ流体流路６５０に沿って延在する第２のミクロ流体流路６５２とを含む。第２および第１のミクロ流体流路は島構造６５４のアレイによって互いから分離され、アレイにおける各島は、アレイにおける隣接する島によって、第１のミクロ流体流路６５０を第２のミクロ流体流路６５２に流体結合する隙間または開口６５６によって分離される。第１のミクロ流体流路６５０内を流れる流体が開口６５６を通過するように、エリア６０１の流体抵抗はエリア６０１の長手方向に沿って（たとえば流体伝搬の方向に）変化する。島構造の近くで第１のミクロ流体流路６５０内を流れる粒子は、慣性揚力により、第２のミクロ流体流路６５２に入る流体に追従しないように流線を横断するようになる。

システム６００は加えて、粒子移動エリア６０１から上流に、フィルタ区分６０３（「フィルタ」と表示）と、粒子集束区分６０５（「集束流路」と表示）とを含む。フィルタ区分６０３は、複数の異なるサイズの柱構造の配置を含む。構造の配置に基づいて、フィルタ区分６０３は、予め規定されたサイズ以下の粒子しかシステム６００の次の段階に通されないように、入来流体に含まれる粒子を粒子サイズ（たとえば平均直径）に従ってろ過するように構成される。たとえば、骨髄穿刺液などの複合基質については、フィルタ区分６０３は、下流の濃度を高める効率を向上させるために、骨片およびフィブリン塊を除去するように構成されてもよい。例示的な配置では、フィルタ区分６０３は、あるサイズを超える粒子を偏向するように設計され、それによりそれらを主懸濁液から分離する柱サイズおよびアレイオフセットを有する柱のアレイを含んでいてもよい。典型的には、サイズ制限は、システム６００の後の段階を通過できる最大粒子サイズに基づいて定められる。たとえば、フィルタ６０３は、粒子移動エリア６０１における流路の最小幅の５０％よりも大きい、６０％よりも大きい、７０％よりも大きい、８０％よりも大きい、または９０％よりも大きい平均直径を有する粒子をろ過する／粒子の通過をブロックするように構成されてもよい。

フィルタ区分６０３は粒子集束区分６０５に流体結合される。粒子集束区分６０５は、フィルタ区分６０３を出た粒子が粒子移動エリア６０１に提供される前に、粒子を所望の流体流線位置に予め集束させるように構成される。粒子を予め集束させることの利点は、それが流路幅にわたる粒子の分布を狭い横方向範囲まで減少させる、ということである。粒子の集束された線は次に、粒子が誤って粒子分類エリア６０１内の間違った流路に入る確率が減少するように（たとえば、粒子が第１のミクロ流体流路６５０ではなく第２のミクロ流体流路６５２に入ることを回避するように）再度位置付けられ得る。予め集束させることは、慣性集束手法を使用して達成され得る。慣性集束のさらなる詳細は、たとえば、ここにその全体が引用により援用される米国特許第８,１８６，９１３号に見出すことができる。

粒子移動エリア６０１で粒子がいったん分類されると、分類された粒子は、ミクロ流体システム６００の別個の処理領域に結合されてもよく、もしくは、追加の処理および／または分析のためにシステム６００から除去されてもよい。たとえば、粒子移動エリア６０１の第２の流路は第１の出口６０７に結合され、一方、粒子移動エリア６０１の第２の流路は第２の出口６０９に結合される。

外力
粒子の集束、濃縮、分離、および／または混合を高めるために、他の機能性がミクロ流体システムに追加されてもよい。たとえば、いくつかの実現化例では、粒子流の標的特異性の修正をもたらす追加の力が導入されてもよい。追加の力はたとえば、磁力、音響力、重力／遠心力、電気力、および／または慣性力を含んでいてもよい。

ミクロ流体装置の作製
本開示に従ったミクロ流体装置を作製するためのプロセスを以下に述べる。まず、基板層を提供する。基板層は、たとえばガラス、プラスチック、またはシリコンウェハを含み得る。たとえば熱蒸着または電子線蒸着を使用して、オプションの薄膜層（たとえばＳｉＯ_２）を基板層の表面上に形成することができる。基板とオプションの薄膜層とは、ミクロ流体領域が形成され得るベースを提供する。基板の厚さは、およそ５００μｍ〜およそ１０ｍｍの範囲内にあり得る。たとえば、基板２１０の厚さは、６００μｍ、７５０μｍ、９００μｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、または９ｍｍであり得る。他の厚さも可能である。

基板層を提供後、基板層の上方にミクロ流体流路を形成する。ミクロ流体流路は、粒子移動エリアの異なる流体流経路と、任意のろ過区分、慣性集束区分、および磁気泳動区分を含む、システムの他のミクロ流体構成要素とを含む。ミクロ流体装置の他の処理および分析構成要素のためのミクロ流体流路も使用されてもよい。ミクロ流体流路およびカバーは、流体流路領域を規定する金型において、ポリマー（たとえば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、またはシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ））を蒸着させることによって形成される。ポリマーは、いったん硬化されると、基板層の表面に移送されて接合される。たとえば、まずＰＤＭＳを、流路のミクロ流体ネットワークを規定する金型（たとえば、２段階フォトリソグラフィで作製されたＳＵ−８金型（マイクロケム（MicroChem）））に注ぐことができる。次にＰＤＭＳを硬化させる（たとえば、６５℃で約３時間加熱）。固体のＰＤＭＳ構造を装置に移送する前に、接合を高めるために基板層の表面をＯ_２プラズマで処理する。それに代えて、ミクロ流体流路およびカバーは、ガラスまたはシリコンなどの他の材料で作製可能である。

用途
ここに説明される新しいミクロ流体手法および装置は、さまざまな異なる用途で使用可能である。

遠心分離代用品
ここに開示される粒子移動手法および装置は、遠心分離のための代用品として使用可能である。一般に、遠心分離とは、流体への遠心力の印加を通した流体内の副成分の濃縮を含むと理解される。典型的には、このプロセスは、摩耗および破損しがちな可動部品を有する装置を必要とする。さらに、可動部品は複雑で高価な作製プロセスを必要とする。遠心分離に関する別の問題は、それが典型的には閉鎖システムで適用されるプロセスであること、すなわち、遠心分離はサンプルを手動で遠心分離機に、および遠心分離機から移送することを必要とするということである。

対照的に、ここに開示される手法は、可動部品を必要とすることなく、比較的単純なミクロ構造を使用して流体成分の濃度を実質的に増加させることができる。これらの手法は、流体サンプルが手動介入なく粒子移動エリアに、または粒子移動エリアから移送されるように、単一の開放されたミクロ流体システムの一部として実現可能である。加えて、粒子移動は、粒子分離効率の実質的な劣化なく、大きいスループット（すなわち、処理可能な流体の体積率）を必要とする装置に拡張可能である。たとえば、ここに開示される装置は、最大１０、２５、５０、７５、１００、２５０、５００、１０００、５０００、または１００００μｌ／分の流体流を可能にするように構成されてもよい。他の流量も可能である。たとえば、一例として図１の装置１００を使用すると、第２のミクロ流体流路１０６および第１のミクロ流体流路１０８がおよそ５０μｍの深さとおよそ５０μｍの幅とを有する場合、装置１００は、最大約５ｍＬ／分の組合されたサンプル流量を達成でき得る。流路サイズを変更することは、装置が可能な最大体積流量を変更し得る。それに加えて、またはそれに代えて、体積流量は、島構造の長さを変更することによって調節され得る（上述の「ミクロ流体装置設計パラメータ」の章を参照）。さらに、複数の流路を多重化すること（たとえば、複数の粒子分類領域を並列で動作させること）は、さらにより高い流量を可能にし得る。

いくつかの実現化例では、粒子移動手法は、サイズに基づく粒子の分離を可能にする。たとえば、２つの異なるサイズの粒子を含む流体サンプルでは、本開示に従って説明される粒子分類領域は、（たとえば、より大きい粒子を元のミクロ流体流路に維持するために慣性揚力を使用しながら、より小さい粒子を流体サンプルから隣接するミクロ流体流路へと吸い上げることによって）より大きい粒子をより小さい粒子から分離するために使用されてもよい。別の例では、流体サンプルは、３つ以上の異なるサイズの粒子を含んでいてもよく、粒子分類領域は、粒子をそれらの異なるサイズに基づいて異なる領域に分類するように設計される。

このため、ある実現化例では、粒子移動手法は、従来の遠心分離プロセスに比べてコストおよび時間をかなり節約するという利点を提供し得る。遠心分離装置のミクロ流体代用品が有用であり得る用途の例は、骨髄および尿の分析を含む。

感染因子の検出
加えて、ここに開示される粒子移動手法は、対象分析物（たとえば、タンパク質、細胞、細菌、病原体、およびＤＮＡ）を調べるための研究プラットフォームの一部として、もしくは、患者における潜在的病状または感染因子を診断するための診断検査の一部として使用可能である。流体サンプル内の粒子を分離し集束させることにより、ここに説明されるミクロ流体装置は、小分子、タンパク質、核酸、病原体、および癌細胞を含む多くの異なる生物学的標的を測定するために使用されてもよい。さらなる例を以下に説明する。

まれな細胞の検出
ここに説明されるミクロ流体装置および方法は、血液サンプル中の循環腫瘍細胞（ＣＴＣ）、または妊婦の血液サンプル中の胎児細胞といったまれな細胞を検出するために使用されてもよい。たとえば、癌の迅速で包括的なプロファイリングのために、原発腫瘍細胞またはＣＴＣの濃度が血液サンプルにおいて高くされ得る。ここに説明される粒子偏向手法を磁気泳動と組合せることにより、異なるタイプの細胞（たとえば、心臓疾患についての循環内皮細胞）が検出可能である。このため、ミクロ流体装置は、強力な診断および予後ツールとして使用されてもよい。標的とされ検出される細胞は、癌細胞、幹細胞、免疫細胞、白血球、もしくは他の細胞、たとえば循環内皮細胞（上皮細胞表面マーカーに対する抗体、たとえば上皮細胞接着分子（ＥｐＣＡＭ）を使用）、または循環腫瘍細胞（癌細胞表面マーカーに対する抗体、たとえばメラノーマ細胞接着分子（ＣＤ１４６）を使用）であってもよい。システムおよび方法はまた、ＣＴＣ集合、小分子、タンパク質、核酸、または病原体を検出するために使用可能である。

流体交換
ここに説明されるミクロ流体装置および方法は、細胞をある搬送流体から別の搬送流体に移動させるために使用されてもよい。たとえば、開示される粒子移動手法は、薬剤、抗体、細胞染料、磁気ビーズ、不凍剤、溶解試薬、および／または他の分析物などの試薬を含む流体ストリームに、または流体ストリームから細胞を移動させるために使用されてもよい。

単一の粒子移動領域は、移動された細胞が通過するであろう（多くの入口からの）多くの平行な流体流を含み得る。たとえば、白血球は、血流から、染色試薬を含むストリームに、次に緩衝液ストリームに移動され得る。

バイオ処理および関連分野では、説明される装置および手法は、（老廃物を含む）古い培地から新鮮な成長培地への細胞の殺菌した連続移送を可能にするために使用されてもよい。同様に、細胞が生物反応器内に保持される間、細胞外液および細胞生成物（たとえば抗体、タンパク質、糖、脂質、生物製剤、アルコール、およびさまざまな化学物質）が、殺菌した連続的な態様で生物反応器から抽出されてもよい。

細胞の分離および分析
ここに説明されるミクロ流体装置および方法は、サイズなどの生物物理特性に基づいて細胞を分別するために使用されてもよい。たとえば、装置および方法は、血液を別々の血小板、赤血球および白血球ストリームに分別するために使用されてもよい。別の例では、装置および方法は、白血球をその別々のリンパ球、単球および顆粒球ストリームに分別するために使用されてもよい。

分別された細胞のストリームは、それらを別々の流体出口にルーティングすることによって単離されてもよい。それに代えて、細胞のストリームは、各ストリームにおける細胞の数、もしくは各ストリームにおける細胞のサイズまたは粒度などの特性を判断するために、（たとえば光学手法を使用して）リアルタイムで検出され分析されてもよい。

手法は、細胞の分別および／または分析を容易にするために、分類前または分類中に細胞またはそれらの搬送流体を変更するために使用されてもよい。たとえば、大きいビーズが、特定の細胞タイプの有効サイズを大きくするために、その細胞タイプに接合されてもよい。制御された細胞集合も、細胞の有効サイズを大きくするために使用されてもよい。流体の温度、密度、粘度、弾性、ｐＨ、浸透圧、および他の特性は、分類プロセスに直接影響を与えるように（たとえば、慣性効果は粘度に依存する）、もしくは、細胞の特性を変更する（たとえば、浸透圧膨張または減少）ことによって分類プロセスに間接的に影響を与えるように変更されてもよい。

流体殺菌および清浄
ここに説明されるミクロ流体装置および方法は、流体から病原体、汚染物質、および他の特定の混入物を除去するために使用されてもよい。混入物を流体流線を越えて移動させることにより、混入物は流体サンプルから除去され、別個の廃液流として集められてもよい。

バイオ燃料用の藻類の採取
成長培地からの藻類の採取は、バイオ燃料の生産における大きな出費である。なぜなら、藻類は非常に希薄な懸濁液内でほぼ中立浮力で成長し、藻類バイオマスの効率的な抽出および濃縮を難しくするためである。ここに説明されるミクロ流体装置および方法は、密度にもろ過にも依存しない、藻類を採取する効率的な手段を提供することができる。説明される装置および手法は、成長タンク内の藻類が成長培地から抽出され、高い体積密度まで濃縮されることを可能にする。これは、単一のステップとして、または連続プロセスの一部として行なわれてもよい。加えて、ここに説明される装置はサイズに依存する態様で細胞を分類できるため、それらは、成熟に達したより大きい藻類のみを分類し濃縮するように設計されてもよく、より小さい未熟な藻類はタンクに戻る。

ミクロ熱交換器
ここに説明される装置および方法は、液体流だけでなく、気体流および多相流も処理するために使用可能である。１つの例示的な対象用途は、集積回路用の高効率熱交換器にある。マイクロチップにおける高出力密度は、廃熱の効率的な除去を必要とする。そのような冷却は、マイクロチップが積み重ねられるにつれてますます難しくなり、全体的な表面積対体積比を減少させる。熱源からの熱が流れる液体に通される液体冷却は、マイクロチップの冷却速度を増加させるための１つのアプローチである。そのような冷却は、液体の沸点近くで特に効率的になり得る。なぜなら、液相から気相への変化でかなりのエネルギーが吸収されるためである。しかしながら、熱交換表面での蒸気（泡）の蓄積は、熱流束を劇的に減少させる。ここに説明される装置および手法は、熱交換表面から泡を一掃するために使用可能であり、蒸気と接触する面の分画を最小限にしつつ、（相変化を介した）液体による熱吸収を最大化する。この用途のために、分類モジュールの片側は、マイクロチップ熱源と接触するであろう。モジュールを通って流れる液体が熱を吸収する際、泡が熱交換表面上に形成され、臨界サイズに達すると（流体抗力によって）流れへと一掃されるであろう。分類アレイは次に、これらの泡を分類モジュールを越えて熱交換表面から遠ざかるように方向付け、それにより、マイクロチップから冷却液への熱流束を最大化するであろう。

この発明を、請求項に記載される発明の範囲を限定しない以下の実施例においてさらに説明する。

実施例１：減量
減量とは、血液および他の複合流体、たとえば骨髄穿刺液（bone marrow aspirate：ＢＭＡ）などにおける、有核細胞（たとえば白血球（ＷＢＣ））からの、血漿、赤血球（ＲＢＣ）、血小板、および他の小型構成要素（たとえば磁気ビーズ）の除去である。これは典型的には、密度によって血液を層に分離する密度遠心分離によって達成される。しかしながら、以下の実施例では、血液を減量するために慣性揚力に依拠する分類装置の使用について説明する。

装置作製
ミクロ流体装置を作製するために、標準ＳＵ８フォトリソグラフィ手法およびソフトリソグラフィ手法を使用して、マスター金型およびＰＤＭＳミクロ流路をそれぞれ作製した。簡潔に言えば、ネガ型フォトレジストＳＵ８−５０（マイクロケム社、マサチューセッツ州）をおよそ５０μｍの厚さまで２８５０ＲＰＭで回転させ、流路のミクロ流体ネットワークを規定するマイラー乳剤印刷フォトマスク（ファインライン・イメージング（Fineline Imaging）、コロラド州）を通して紫外線にさらし、ＢＴＳ−２２０ ＳＵ８現像剤（Ｊ．Ｔ．ベイカー（Baker）、ニュージャージー州）で現像して、隆起した金型を形成した。次に、シルガード（Sylgard）１８４エラストマー主剤および硬化剤（ダウ・コーニング（Dow Corning）、ミシガン州）の１０：１混合物を隆起した金型に注ぎ、炉内で６５℃で８時間硬化させ、次にＳＵ８マスター金型から取外して、パターン化された流路を有するミクロ流体装置カバーを形成した。特注の尖った針先を使用して、流路への入口および出口穴をパンチした。次に、低残基テープを使用して装置から粒子を除去し、装置を予め清浄された１ｍｍ厚のガラス製顕微鏡スライドに酸素プラズマ接合した。

装置は、（図７に関して上述されたユニット長設計に従って）ユニット長２００μｍ、ユニット幅５０μｍ、ユニット深さ５２μｍというパラメータを有していた。島構造は、２００μｍの長さ（すなわちユニット長と同じ）および５０μｍの幅を有していた。

サンプル調製
多数の（ｎ＝６３）独立した実験にわたって、減量装置の性能を評価した。各実験では、ＥＤＴＡまたはＡＣＤ抗凝血剤を加えた新鮮全血≧２ｍＬを、１％のＦ６８プルロニック（Pluronic）を加えたＰＢＳ（１倍）で、１：１で希釈した。

実験手順および結果
行程ごとに、６０μＬ／分で動作するシリンジポンプを使用して、血液サンプルを装置に運び込んだ。２７２μＬ／分で動作するシリンジポンプを使用して、緩衝液並行流（１％のＦ６８プルロニックを加えたＰＢＳ（１倍））を装置に運び込んだ。血液分析器（シスメックス（Sysmex）ＫＸ２１Ｎ）を使用して、投入物、生成物、および廃棄物の組成を分析した。低濃度で存在する細胞タイプ（具体的には、廃棄物内のＷＢＣと生成物内のＲＢＣおよび血小板）についての正確なデータを保証するために、ノイバウアー（Neubaur）およびナジェット（Nageotte）チャンバを使用する手動カウントも、生成物および廃棄物に対して行なった。

図９Ａ〜９Ｄで、実験から生じたデータを概説する。ＷＢＣ収量中央値は８５．９％、好中球収量中央値は９３．４％である。好中球収量がＷＢＣ収量全体よりも幾分高いことは、好中球が物理サイズの点で最大のＷＢＣ部分母集団であるという事実と一致している。生成物の純度は優れている。ＲＢＣのキャリーオーバー中央値（すなわち、生成物において最終的に残っている投入ＲＢＣの割合）はたった０．００５４％、血小板のキャリーオーバー中央値はたった０．０２７％であり、ＷＢＣおよび好中球と同じ流体ストリームにＲＢＣおよび血小板がほとんど残っていないことを示す。ミクロ流体分画への他のいくつかのアプローチとは対照的に、ここに提示されたアプローチは、装置における流量に敏感である。これは、慣性揚力が流速に強く依存するためである。アレイでは、関連する流量は、１行当たりの流量である。

減量に対する効果を評価するために、流量を変更した追加の実験を行なった。図１０Ａ〜１０Ｂは、１行当たりの流量に対してプロットされたＷＢＣ収量を示す。低い流量（＜１０μＬ／分）では、慣性揚力は弱すぎて、移動された流体流からＷＢＣを動かすことができないため、収量は〜０％である。流量が６０μＬ／分へと増加するにつれて、慣性揚力は増加し、より大きい割合のＷＢＣが移動された流体流を逃れ、それによって生成物に到達し、収量を増加させる。最も高い流量（＞６０μＬ／分）では、慣性揚力は、大多数のＷＢＣをアレイを越えて生成物に方向付けるのに十分大きく、ＷＢＣ収量は〜８５％で横這い状態になる。参考のために、図９の減量実験における１行当たりの流量は、８０μＬ／分であった。

流量へのＷＢＣ収量の強い依存性は、１行当たりの流量を調整することによって分別サイズしきい値を制御することが可能であり得るということを示唆する。いずれの所与の流量についても、粒子に対する慣性揚力は、そのサイズに依存する。したがって、図１０Ａ〜１０Ｂに示す曲線は、より大きい細胞（またはＷＢＣ母集団内のより大きい細胞の部分母集団）については左に移動し、より小さい細胞（またはＷＢＣ母集団内のより小さい細胞の部分母集団）については右に移動することが予想されるであろう。大きい細胞（たとえば好中球）をアレイを越えて動かすのに十分大きいものの、小さい細胞（たとえばリンパ球）をアレイを越えて動かすほど大きくはない、１行当たりの流量で動作することは、細胞の特定の部分母集団を高純度で単離する１つの方法であってもよい。

実施例２：粒子サイズ、流体流量、および流体移動の影響の評価
装置性能に対する設計およびプロセス因子の影響を、２つの実験を使用して示すことができる。第１の実験は、収量に対する粒子サイズおよび１行当たりの流量の影響を示すために蛍光ビーズを使用し、第２の実験は、収量に対する移動の影響を示すために白血球（ＷＢＣ）を使用する。実施例１で上述されたのと同じ手順に従って、実験に使用された装置を作製した。

第１の実験のために、いくつかの異なるサイズの蛍光ビーズを、１行当たりある範囲の流量にわたって使用した。各ビーズサイズを独立して試験した。各々の場合、緩衝液（１％のＦ６８プルロニックを加えたＰＢＳ（１倍））中に懸濁されたビーズを含むサンプルを、緩衝液のストリームに沿って装置に投入した。

図１１は、異なる流量にわたる異なるサイズの蛍光ビーズの収量を示す。総流量（サンプル＋緩衝液）は、１行当たりの指示された流量を与えるように選択され、サンプルおよび緩衝液の相対投入流量は、総投入流の１８％がサンプルであるように選択された。装置の端で、下向きにマイグレーションされた粒子が、生成物流路を通って装置を出て、バイアルに集められた。アレイの上部に残った粒子が、廃棄物流路を通って装置を出て、別個のバイアルに集められた。生成物バイアルおよび廃棄物バイアルの体積を質量で測定し、標準ノイバウアーおよびナジェットカウントチャンバを使用して粒子の濃度を求めた。相対収量を、生成物における出力ビーズの分画として計算した。

結果として生じるデータでは、いくつかの傾向が際立っている。第１に、いずれの所与のビーズサイズについても、収量は流量とともに増加する。これは、流速とともに慣性揚力が増加することに起因する。第２に、いずれの所与の流量についても、収量はビーズサイズとともに増加する。これは、粒子サイズとともに慣性揚力が劇的に増加することに起因する。１行当たり８０μＬ／分を例として挙げると、２０μｍおよび１０μｍのビーズについては、収量は１００％である。これは次に、８μｍのビーズについては６８％、７μｍのビーズについては１％、６μｍのビーズについては０％まで低下する。第３に、いずれの所与の装置についても、１行当たりの流量は、臨界粒子サイズを微調整する手段を提供する。たとえば、≦７μｍの粒子から１０μｍの粒子を分離するには、８０μＬ／分が、理想的な１行当たりの流量である。≦６μｍの粒子から８μｍの粒子を分離するには、１５０μＬ／分が、理想的な１行当たりの流量である。

第２の実験では、ＷＢＣの収量に対する流体移動の影響を評価した。ヘタスターチ沈殿を使用してＷＢＣを単離した。具体的には、１ｍＬの６％ヘタスターチ（ステムセル・テクノロジーズ（Stemcell Technologies）のヘタセップ（HetaSep））を、１０ｍＬの新鮮全血に添加し、混合し、３０分間沈殿させた。次に、上部のＷＢＣ濃縮（およびＲＢＣ枯渇）層をピペットで吸引した。このサンプルを、異なる移動（２．５％、３．０％、３．２％、３．４％、３．６％、または４．０％）および上述のような寸法を各々有する６つの異なる装置のうちの１つに導入した。各々の場合、緩衝液のストリームに沿ってサンプルを装置に投入した。総流量（サンプル＋緩衝液）は、１行当たり８０μＬ／分の流量を与えるように選択され、サンプルおよび緩衝液の相対投入流量は、総投入流の１８％がサンプルであるように選択された。装置の端で、（アレイを越えて）下向きにマイグレーションされたＷＢＣが、生成物流路を通って装置を出て、バイアルに集められた。アレイの上部に残ったＷＢＣが、廃棄物流路を通って装置を出て、別個のバイアルに集められた。生成物バイアルおよび廃棄物バイアルの体積を質量で測定し、標準ノイバウアーおよびナジェットカウントチャンバを使用してＷＢＣの濃度を求めた。相対収量を、生成物における出力ＷＢＣの分画として計算した。

図１２は、流体移動に対するＷＢＣ収量の依存性を示すプロットである。２．５％の移動から３．２％の移動にかけて、収量は９６％から９３％まで低下する。３．２％の移動を超えると、収量の低下は急勾配になり、４．０％の移動では７１％まで低下する。これは、試験されたより小さい移動については、慣性揚力に起因するＷＢＣのマイグレーションが、ＷＢＣの本質的にすべてが島間を移動する流体を逃れるのに十分大きい、ということを示す。しかしながら、より大きい移動については、いくつかのＷＢＣ、おそらくより小さいＷＢＣは、島間を移動する流体を逃れることができず、それにより廃棄物内に残ってしまう。

多重化装置
いくつかの実現化例では、ここに説明されるような島のアレイは、各アレイの設置面積が小さいため、非常に高いスループットの装置を作り出すために多重化され得る。図１３は、並列に動作し、２３個の二重構造として配置された４６個のアレイを収容する標準顕微鏡スライド（２５ｍｍ×７５ｍｍ）の画像である。多重化アレイは、最大〜１．４ｍＬ／分の組合された血液サンプルスループットを可能にする。

他の実施形態
この発明はその詳細な説明とともに説明されてきたが、前述の説明は、添付された請求の範囲によって定義される発明の範囲を例示するよう、および当該範囲を限定しないよう意図される、ということが理解されるべきである。

Claims (13)

1. 粒子分類領域を含むミクロ流体装置であって、
   前記粒子分類領域は、
   第１のミクロ流体流路と、
   前記第１のミクロ流体流路の第１の側に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、
   前記第１のミクロ流体流路を前記第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイとを含み、前記第１のアレイにおける各島は、前記第１のアレイにおける隣接する島から、前記第１のミクロ流体流路を前記第２のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、前記粒子分類領域はさらに、
   前記第１のミクロ流体流路の第２の側に沿って延在する第３のミクロ流体流路を含み、前記第２の側は前記第１のミクロ流体流路の前記第１の側の反対側であり、前記粒子分類領域はさらに、
   前記第１のミクロ流体流路を前記第３のミクロ流体流路から分離する島の第２のアレイを含み、前記第２のアレイにおける各島は、前記第２のアレイにおける隣接する島から、前記第１のミクロ流体流路を前記第３のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、
   前記第１のミクロ流体流路、前記第２のミクロ流体流路、および島の前記第１のアレイは、前記ミクロ流体装置の動作中、前記第１のミクロ流体流路における流体サンプルからの流体の一部が前記第１のアレイを通って前記第２のミクロ流体流路に入るように、前記第２のミクロ流体流路の流体抵抗が前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対して前記粒子分類領域の長手方向に沿って減少するように配置され、
   前記第１のミクロ流体流路、前記第３のミクロ流体流路、および島の前記第２のアレイは、前記ミクロ流体装置の動作中、前記第３のミクロ流体流路における流体サンプルからの流体の一部が前記第２のアレイを通って前記第１のミクロ流体流路に入るように、前記第３のミクロ流体流路の流体抵抗が前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対して前記粒子分類領域の前記長手方向に沿って増加するように配置され、
   ここにおいて、前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対する前記第２のミクロ流体流路の流体抵抗の減少は、前記粒子分類領域の前記長手方向に沿った前記第２のミクロ流体流路の増加する断面積に応じたものであり、ミクロ流体流路の境界は、装置壁と島の壁とによって規定され、前記第１のミクロ流体流路の幅は、前記長手方向に沿って実質的に一定である、ミクロ流体装置。
2. 前記第１のアレイにおける島間の隙間の断面積は、前記長手方向に沿って増加し、前記第１のアレイにおける各隙間の断面積は、前記隙間を通る流体流を横切る平面に沿って規定される、請求項１に記載のミクロ流体装置。
3. 前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対する前記第３のミクロ流体流路の流体抵抗の増加は、前記粒子分類領域の前記長手方向に沿った前記第３のミクロ流体流路の減少する断面積に応じたものである、請求項１に記載のミクロ流体装置。
4. 前記第１のミクロ流体流路の幅は、前記長手方向に沿って実質的に一定である、請求項３に記載のミクロ流体装置。
5. 前記第２のアレイにおける島間の隙間の断面積は、前記長手方向に沿って増加し、前記第２のアレイにおける各隙間の断面積は、前記隙間を通る流体流を横切る平面に沿って規定される、請求項１に記載のミクロ流体装置。
6. 第１の入口流路と、
   第２の入口流路とをさらに含み、
   前記第１の入口流路および前記第２の入口流路の各々は、前記粒子分類領域に流体結合される、請求項１に記載のミクロ流体装置。
7. ミクロ流体装置において流体サンプル間で粒子を移動させる方法であって、前記方法は、
   複数の第１のタイプの粒子を含む第１の流体サンプルを前記ミクロ流体装置の粒子分類領域に流すステップを含み、
   前記粒子分類領域は、第１のミクロ流体流路と、前記第１のミクロ流体流路の第１の側に沿って延在する第２のミクロ流体流路と、前記第１のミクロ流体流路を前記第２のミクロ流体流路から分離する島の第１のアレイと、前記第１のミクロ流体流路の第２の側に沿って延在する第３のミクロ流体流路と、前記第１のミクロ流体流路を前記第３のミクロ流体流路から分離する島の第２のアレイとを含み、
   前記第２の側は前記第１のミクロ流体流路の前記第１の側の反対側であり、前記第１のアレイにおける各島は、前記第１のアレイにおける隣接する島から、前記第１のミクロ流体流路を前記第２のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、前記第２のアレイにおける各島は、前記第２のアレイにおける隣接する島から、前記第１のミクロ流体流路を前記第３のミクロ流体流路に流体結合する開口によって分離され、前記方法はさらに、
   第２の流体サンプルを前記粒子分類領域に流すステップを含み、
   前記第１の流体サンプルの一部が前記第１のミクロ流体流路から前記第１のアレイにおける島間の開口を通って前記第２のミクロ流体流路に入るように、前記第２のミクロ流体流路の流体抵抗が前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対して前記粒子分類領域の長手方向に沿って変化し、前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対する前記第２のミクロ流体流路の流体抵抗の変化は、前記長手方向に沿った前記第２のミクロ流体流路の断面積の増加を含み、
   ここにおいて、前記第２の流体サンプルの一部が前記第３のミクロ流体流路から前記第２のアレイにおける島間の開口を通って前記第１のミクロ流体流路に入るように、前記第３のミクロ流体流路の流体抵抗が前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対して前記粒子分類領域の前記長手方向に沿って変化し、前記第１のミクロ流体流路の流体抵抗に対する前記第３のミクロ流体流路の流体抵抗の変化は、前記長手方向に沿った前記第３のミクロ流体流路の断面積の減少を含み、
   ここにおいて、前記第１のミクロ流体流路、前記第２のミクロ流体流路、および島の前記第１のアレイはさらに、前記複数の前記第１のタイプの粒子が前記第１のアレイの前記開口を通る前記第１の流体サンプルの一部とともに伝搬することを実質的に防止する慣性揚力を生成するように配置される、方法。
8. 前記第１の流体サンプルは前記第１のミクロ流体流路に送出され、前記第２の流体サンプルは前記第３のミクロ流体流路に送出される、請求項７に記載の方法。
9. 前記慣性揚力は、前記複数の前記第１のタイプの粒子が前記第１のミクロ流体流路内で前記第１の流体サンプルから前記第２の流体サンプルに移送されるように、前記複数の前記第１のタイプの粒子を流体流線を越えて移動させる、請求項７に記載の方法。
10. 前記第１の流体サンプルは複数の第２のタイプの粒子を含み、前記複数の前記第２のタイプの粒子は、前記第２のミクロ流体流路に入る前記第１の流体サンプルの流体部分とともに伝搬する、請求項７に記載の方法。
11. 前記第１のタイプの粒子は、前記第２のタイプの粒子よりも大きい、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の流体サンプルは、前記第２の流体サンプルとは異なる流体を含む、請求項７に記載の方法。
13. 前記第１のミクロ流体流路内の前記第１のタイプの粒子の濃度が実質的に一定のままであるように、前記第１のミクロ流体流路から前記第２のミクロ流体流路に入る前記第１の流体サンプルの量は、前記第３のミクロ流体流路から前記第１のミクロ流体流路に入る前記第２の流体サンプルの量と実質的に同じである、請求項７に記載の方法。