JP6831398B2 - 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、高速回転するチャンネル内に微小粒子群を含んだ液体を通過させ、遠心力によって液体中の微小粒子群を粒子サイズごとに分級する遠心分離型のフィールドフローフラクショネーション装置（Field Flow Fractionation装置、以下ＦＦＦ装置と称する）に関する。

試料液中の粒子を、粒子径に応じて分級する前処理を行ってから分析を行うことがある。そのような場合に、粒子サイズごとに分級するための前処理装置としてＦＦＦ装置が使用されている。
ＦＦＦ装置にはクロスフロー方式、温度分布方式、電気フィールド方式、遠心分離方式と称される異なる分離手法によるものがあり、分離対象となる液体や粒子の性質に応じて適切な方式のものが選択され使用されている。このうち、遠心分離方式は高速回転するロータの遠心力場を利用するもので、粒子に電気的、熱的な影響を与えることなく分級することが可能であり、古くから使用されている（例えば特許文献１〜３参照）。

図６は、従来からの遠心分離型のＦＦＦ装置を用いた分析システムの概略構成を示す図である。同様の分析システムは、例えば特許文献１に記載された分析システムにも記載されている。
分析システム１００は遠心分離型のＦＦＦ装置１０１と、ＦＦＦ装置１０１に微小粒子を含む試料液を送り込む外部供給流路１２と、ＦＦＦ装置１０１から送り出される試料液を分析装置に送り出す外部排出流路１３とからなる。

外部供給流路１２は、溶媒タンク１５に貯留されている溶媒を送液ポンプ１６で送り、測定対象の微小粒子を含んだ試料を試料導入部１７において溶媒中に注入して試料液体とし、ＦＦＦ装置１０１に送り込むようにしてある。
外部排出流路１３では、ＦＦＦ装置１０１から送り出される試料液体を、分析装置１８（例えば分光光度計）に送り出すようにしてある。

図７は遠心分離型のＦＦＦ装置１０１の概略断面図である。ＦＦＦ装置１０１は、左右一対の固定軸２２、２３と、回転軸２４と、ロータ１０５と、チャンネル２６と、支持ベース２７と、回転駆動機構２８とを備えている。
固定軸２２、２３は、支持ベース２７に支持されている。回転軸２４は、固定軸２２、２３に装着してある軸受け２２ａ、２３ａによって左右両端部が軸支され、回転駆動機構２８により高速回転できるようにしてある。

右側の固定軸２２には流路３１、左側の固定軸２３には流路３２、回転軸２４には固定軸２２に近い側に流路３３、固定軸２３に近い側に流路３４が形成されている。
流路３３は一端が回転軸２４の右側の端面３５の中心に開口し、回転軸２４の内部を回転中心となる軸線に沿って進み、途中で屈曲し、他端が回転軸２４の側面３６に開口するように形成されている。
流路３４は一端が回転軸２４の左側の端面３７の中心に開口し、回転軸２４の内部を回転中心となる軸線に沿って進み、途中で屈曲し、他端が回転軸２４の側面３６に開口するように形成されている。
流路３１は、一端が外部供給流路１２に流路接続され、他端が流路３３に流路接続される。また、流路３２は一端が外部排出流路１３に流路接続され、他端が流路３４に流路接続される。流路３１と流路３３との接続部分、および、流路３２と流路３４との接続部分は、周知のメカニカルシールやオイルシール等のシール構造によって液密構造にしてある。シール構造についての詳細については説明を省略するが、例えば上述した各特許文献１〜３にも開示されており、シール構造については特に限定されない。

ロータ１０５は、回転軸２４の側面３６（円周面）に固定支持され、径方向に広がる円板状のロータベース１０５ａと、ロータベース１０５ａの円形の外周端を基端として軸方向に延設される円筒状の周縁部１０５ｂとが一体に形成されたものであり、軸方向の断面がコの字状（カップ状）の回転体をなしている。断面をコの字状にするのは、ロータ１０５に遠心力が働いた状態で、後述するチャンネル２６を支えることができるようにするとともに、チャンネル２６の着脱を容易に行えるようにするためである。

そして周縁部１０５ｂの内周面１０５ｃに沿って、チャンネル２６が固定されている。図８はチャンネル２６を取り外したときの正面図である。チャンネル２６は、ほぼ円環に近いＣ字状の流路３８が内部に形成されたＣ字状の管体からなり、一端に流路３８の入口３９、他端に流路３８の出口４０が形成されている。チャンネル２６の両端間の（入口３９と出口４０との間）の切欠き部分には、固定部材（不図示）が差し込まれ、これによりＣ字状のチャンネル２６を押し広げて、内周面１０５ｃに密着させてある。

入口３９、出口４０は、それぞれ接続管４１、４２により回転軸２４の流路３３、３４と流路接続される。
したがってＦＦＦ装置１０１は、試料液体が外部供給流路１２、流路３１、流路３３、接続管４１、流路３８、接続管４２、流路３４、流路３２、外部排出流路１３の順に流れるようにしてある。

そして、このＦＦＦ装置１０１によって試料液体中の微小粒子群を分級する際には、外部供給流路１２から試料液体を供給するとともにロータ１０５を回転駆動機構２８によって高速回転させる。するとチャンネル２６内の流路３８を流れる試料液体中の粒子に遠心力が作用し、流路３８の外周側の壁面に押しやられる力が働くことになる。このとき大きい（あるいは重い）粒子は、小さい（あるいは軽い）粒子よりも強い遠心力を受け、大きい粒子ほど流路３８の外周壁側に強く押しやられることになる結果、小さい粒子は大きい粒子よりも流路３８の中心側領域を流れ、大きい粒子は外周壁側領域を流れることになる。

一方、チャンネル２６の流路３８は、ストリームプロファイルが放物線状となる流れを形成するように構成してあるので、流れの速さは、流路３８の中心領域の流れが速く、流路３８の外周壁面に近い領域ほど流れが遅くなる。
したがって、試料液体に遠心力が働くと、流路３８の外周壁面に近い領域を流れている大きい粒子よりも、流路３８の中心領域側を流れている小さい粒子の方が、先にチャンネル２６から流れ出すようになる。この作用によって、チャンネル２６を流れる粒子は先に小さい粒子が流出し、後から大きい粒子が流出するようになるので、粒子サイズに応じて、液体中の粒子を分級することができる。

チャンネル２６内の流路３８は、上述したように遠心力が作用することによって粒子を分級することができるので、流路３８を「分級流路」と称する。
そして、ＦＦＦ装置１０１内で「分級流路」に試料液を供給するための流路３１、流路３３、接続管４１をまとめて「供給流路」と称し、ＦＦＦ装置１０１内で「分級流路」からの試料液体を排出するための接続管４２、流路３４、流路３２をまとめて「排出流路」と称する。

米国特許第４４４８６７９号公報 米国特許第７４４２３１５号公報 欧州特許出願２５２４７３２号公報

近年、分析対象が多様化し、これまでよりも粒子サイズが小さいナノサイズ（１０〜１００ｎｍ）の粒子を含む試料の分析が行われるようになっている。ナノサイズの粒子の分析でも、試料液体を遠心分離型のＦＦＦ装置によって分級してから検出する方法がとられるが、粒子サイズが小さくなるほど、これまでよりも小さな径のナノ粒子を分級することが望まれている。その場合、より小さい粒子に対しても遠心力を作用させて外周壁側に押しやる必要があり、これまでよりも大きな遠心力を加えて分級することが必要になる。

一般に、ＦＦＦ装置でチャンネルを通過する試料液体中の粒子に加えられる遠心力Ｆは、次式（１）によって現わすことができる。
Ｆ＝ｍ（１−ρ／ρｓ）ｒω^２ ・・・（１）
ただし、ｍは粒子の質量、ρは溶媒の密度、ρｓは粒子の密度、ｒはチャンネルの半径、ωは角速度（回転速度）

より大きな遠心力をかけるためには、ロータ半径rを大きくするか、回転数ωを大きくする必要がある。しかし、ロータ半径ｒを大きくすると装置が大型化・重量化してしまうため、これを避けるにはロータを高速回転して角速度ωをできるだけ大きくすればよいことになる。

しかしながら、図６、図７で示した従来のＦＦＦ装置１０１では、角速度（回転速度）を大きくしていくと、遠心力の影響で周縁部１０５ｂ（チャンネル２６も含む）が大きく変形するようになる。図９は、高速回転時のロータの変形状態を示す図である。なお、説明の便宜上、誇張して変形状態を示している。周縁部１０５ｂは、ロータベース１０５ａに片端が支持されている片持ち構造なので、遠心力を受けると、ロータベース１０５ａから離れた側が外側に広がるように力のモーメントが働き、周縁部１０５ｂが撓むことになり、さらに周縁部１０５ｂの撓みの影響でロータベース１０５ａも固定軸２２側に撓むようになる。その結果、流路３８（分級流路）は軸方向に対して傾斜するようになり、流路３８に加わる遠心力が分布するようになり、流路３８を通過する粒子の分級の精度が劣化することとなる。
そして周縁部１０５ｂの撓み量が大きくなって限界を超すと、場合によってはロータ１０５が破壊してしまうおそれもある。
ロータ１０５の肉厚を増やすことで、高速回転による高重力場によるロータの変形を防ぐこともできるが、ロータ重量が大きくなるため、装置の大型化・重量化が避けられない。

そのため、従来のＦＦＦ装置では遠心力を高めるには限界があり、より小さな粒子の分級を行うことが困難であった。具体的には周縁部１０５ｂの半径が１０ｃｍ（直径２０ｃｍ）程度であれば、回転速度は約５０００ｒｐｍ程度（遠心力の大きさで言えば約２８００Ｇ）が限界であった。
装置を大型化せずに、半径が１０ｃｍ程度のロータで、１０ｎｍ程度の粒子サイズまでの分級を精度よく行うには５０００ｒｐｍ程度では遠心力が不十分であり、約１００００ｒｐｍ程度（遠心力の大きさで言えば、１００００Ｇ程度）まで回転速度を高めることが望まれる。

そこで本発明は、従来のＦＦＦ装置に比べて、ロータ（およびチャンネル）を安全に高速回転することを可能にし、より小さい粒子サイズの分級ができるようにするとともに、精度よく分級することができる遠心分離型のＦＦＦ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、回転軸に支持され、前記回転軸から径方向に広がるとともに円形の外周を有するロータベース、および、前記ロータベースの外周に沿って周設され前記回転軸の軸線方向と平行な内周面が形成された周縁部を有するロータと、前記周縁部の内周面に取り付けられ、遠心力によるフィールドフローフラクショネーションを生じさせるための分級流路が形成されたチャンネルと、前記分級流路に試料液体を送り込む供給流路と、前記分級流路からの試料液体を送り出す排出流路と、前記回転軸を回転させる回転駆動機構を備えたフィールドフローフラクショネーション装置であって、
前記ロータの周縁部は、前記ロータベースを挟んで片側に前記内周面が形成されたチャンネル装着部が形成され、他方側に前記ロータの質量分布を調整する質量バランサ部が形成され、
前記質量バランサ部は、前記チャンネルが前記チャンネル装着部に取り付けられた状態で、前記ロータベースを挟んで前記チャンネル装着部側と前記質量バランサ部側の質量分布が均等になるように質量が調整されるようにしてある。

本発明によれば、チャンネルがロータの片側にあるチャンネル装着部に取り付けられた状態で、ロータベースの左右の質量分布が均等になるように質量バランサ部側の質量が調整されている。よって、ロータが高速回転して強い遠心力が加わったとしても、チャンネル装着部側に働く力のモーメントと、重量バランサ部側に働く力のモーメントとが相殺するようになるので、ロータベースの撓みが減少し、チャンネルの分級流路は軸線方向からの変形が抑えられるようになる。また、ロータの変形を抑えることができるので、装置を大型化することなく大きな遠心力に耐えうる装置にすることができる。

また、上記発明において、周縁部の軸方向の肉厚分布を、中央が厚く左右端が薄くなるように分布させてもよい。これにより、周縁部において肉厚を薄くした左右端にかかる遠心力が減り、遠心力により周縁部が撓むことに起因して接続部分にかかる応力が小さくなる。その結果、ロータベースと周縁部との境界部分（接続部分）の強度を増すことができる。さらに、肉厚が均一である場合と比較してロータの断面２次モーメントが小さくなるため、より効率的にロータを駆動させることができ（あるいは回転駆動機構を小型化でき）、装置の大型化・重量化を避けることができる。

本発明の一実施形態であるＦＦＦ装置の断面図。 図１のロータの断面図。 図１のロータの正面図。 周縁部の断面形状の変形例を示す図。 本発明の他の一実施形態であるロータの断面図。 従来からのＦＦＦ装置を用いた分析システムの概略構成図。 図６に示したＦＦＦ装置の概略断面図。 チャンネルの正面図。 高速回転時のロータの変形状態を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるＦＦＦ装置１１の断面図である。このＦＦＦ装置１１は、例えば図６で説明した分析システム１００と同様の分析システムにおいて利用することができる。
ＦＦＦ装置１１と、図６、図７に示したＦＦＦ装置１０１とが異なる部分はロータの構造であり、ＦＦＦ装置１０１のロータ１０５に代えてＦＦＦ装置１１ではロータ５１を備えている。よってロータ５１以外の同一構成部分については同符号を付すことにより、説明の一部を省略する。

図２はロータ５１の断面図であり、図３は正面図である。ロータ５１は円板状のロータベース５２と、ロータベース５２の円形の外周に沿って左右両側にロータ５１の軸線方向に平行な内周面５３a、５３ｂを有する縁が形成された周縁部５３とが一体形成された左右対称の構造をしている。ロータベース５２を挟んで片側（左側）はチャンネル装着部５５、他方側（右側）は質量バランサ部５６として用いられる。
チャンネル装着部５５には、内周面５３aに沿ってＣ字状のチャンネル２６（図８参照）が固定してある。チャンネル２６は内部に分級流路３８が形成してあり、分級流路３８の入口３９は接続管４１を介して流路３３に接続され、出口４０は接続管４２を介して流路３４に接続される。

一方、質量バランサ部５６には、チャンネル装着部５５に取り付けたチャンネル２６と均等な質量を有する円環状のダミーリング５７（バランス部材）が固定される。なお、ダミーリング５７に代えてチャンネル２６と同じものをダミーリングとして使用してもよい。後者の場合は分級流路３８を流れる流体の質量分の差が生じるので、ダミー液を充填して入口３９、出口４０を閉栓させておくのが望ましい。

周縁部５３の径方向の肉厚は軸方向に沿って分布しており、中央が厚く、左右両側が薄くなるように周縁部５３の外周面側を山形の断面にしてある。なお、周縁部５３の中央の肉厚を厚く、左右端の肉厚を薄くした断面形状を有するロータには、例えば図４に示すロータ７１、８１のようなバリエーションがあるので適宜選択すればよい。

次にこのロータ５１を使用したＦＦＦ装置１１の動作について説明する。ロータ５１を高速回転すると、ロータ５１の周縁部５３にも（１）式で説明した遠心力が働く。周縁部５３に働く遠心力による力のモーメントは、ロータベース５２を挟んでチャンネル装着部５５側と質量バランサ部５６側とで互いに相殺される。よってロータベース５２の撓みが減少し、ロータベース５２の撓みに起因して生じていた、チャンネル２６が軸線方向と平行な位置からずれる現象を抑えることができる。

また、チャンネル装着部５５側の周縁部５３はロータベース５２との接続部分で片持ち構造になっているが、周縁部５３の左端の質量が小さくなるように肉厚を薄くしてあるので、遠心力により周縁部が撓むことに起因して接続部分にかかる応力が小さくなり、ロータベースと周縁部との境界部分（接続部分）の強度を増すことができる。また、周縁部５３の肉厚が均一である場合と比較して、ロータの断面２次モーメントが小さくなり、より効率的にロータを駆動することができるようになる。

図５は本発明の他の一実施形態であるロータ６１の断面図である。ロータ６１は図１のＦＦＦ装置１１においてロータ５１に代えて使用される。
ロータ６１は円板状のロータベース６２と、ロータベース６２の円形の外周に沿って周縁部６３が一体形成された構造をしている。ロータ６１の片側（左側）はチャンネル装着部６５、他方側（右側）は質量バランサ部６６として用いられる。チャンネル装着部６５には軸線方向に平行な内周面６３aが形成され、内周面６３aに沿ってチャンネル２６（図８参照）が固定してある。チャンネル２６は内部に分級流路３８が形成してあり、ロータ５１と同様に分級流路３８の入口３９は接続管４１を介して流路３３に接続され、出口４０（不図示）は接続管４２（不図示）を介して流路３４に接続される。

一方、質量バランサ部６６は、チャンネル２６とチャンネル装着部６５とを足し合わせた質量と均等な質量となるように周縁部６３の肉厚がチャンネル装着部６５より肉厚に形成され、左右非対称な構造のロータ６１にしてある。
このロータ６１によっても、高速回転時にはロータベース６２の左右に働く力のモーメントが相殺するようになってロータベース６２には撓みが生じない。また、周縁部６３の断面形状を、中央の肉厚を厚くし、左右端の肉厚を薄くすることにより接続部分にかかる応力が小さくなり、ロータベースと周縁部との境界部分（接続部分）の強度を増すことができる。そして、この場合も周縁部６３の軸方向の肉厚が均一である場合と比較して、ロータの断面２次モーメントが小さくなり、より効率的にロータを駆動することができるようになる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

本発明は、遠心分離型のＦＦＦ装置に利用することができる。

１１ ＦＦＦ装置
２２、２３ 固定軸
２４ 回転軸
２６ チャンネル
２８ 回転駆動機構
３１、３３、４１ 供給流路
３８ 分級流路
３２、３４、４２ 排出流路
５１ ロータ
５２ ロータベース
５３ 周縁部
５３ａ 内周面
５５ チャンネル装着部
５６ 質量バランサ部
５７ ダミーリング
６１ ロータ
６２ ロータベース
６３ 周縁部
６３ａ 内周面
６５ チャンネル装着部
６６ 質量バランサ部

Claims (4)

1. 回転軸に支持され前記回転軸から径方向に広がるとともに円形の外周を有するロータベース、および、前記ロータベースの外周に沿って周設され前記回転軸の軸線方向と平行な内周面が形成された周縁部を有するロータと、
   前記周縁部の内周面に取り付けられ、遠心力によるフィールドフローフラクショネーションを生じさせるための分級流路が形成されたチャンネルと、
   前記分級流路に試料液体を送り込む流路と、
   前記分級流路からの試料液体を送り出す流路と、
   前記回転軸を回転させる回転駆動機構を備えたフィールドフローフラクショネーション装置であって、
   前記ロータの周縁部は、前記ロータベースを挟んで片側に前記内周面が形成されたチャンネル装着部が形成され、他方側に前記ロータの質量分布を調整する質量バランサ部が形成され、
   前記質量バランサ部は、前記チャンネルが前記チャンネル装着部に取り付けられた状態で、前記ロータベースを挟んで前記チャンネル装着部側と前記質量バランサ部側の質量分布が均等になるように質量が調整されている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. 前記チャンネル装着部と前記質量バランサ部とが、ロータベースを挟んで対称に形成され、前記質量バランサ部には前記チャンネルと質量分布が等価なバランサ部材が装着される請求項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. 前記ロータの周縁部は、前記チャンネルの質量に相当する等価質量分を前記質量バランサ部側の周縁部に加重するようにしてロータベースを挟んで非対称に形成してある請求項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. 前記周縁部の径方向の肉厚分布が、中央が厚く左右端が薄くなるように分布するようにしてある請求項１〜３のいずれか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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