特許 5730470 チャネル内を流れる流体中の粒子または粒子集団の選別方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5730470

(24)【登録日】2015年4月17日

(45)【発行日】2015年6月10日

(54)【発明の名称】チャネル内を流れる流体中の粒子または粒子集団の選別方法

(51)【国際特許分類】

   B03B 5/00 20060101AFI20150521BHJP

   B01J 19/00 20060101ALI20150521BHJP

   C12N 1/00 20060101ALI20150521BHJP

   C12M 1/34 20060101ALI20150521BHJP

【ＦＩ】

   B03B5/00 Z

   B01J19/00 N

   B01J19/00 321

   C12N1/00 T

   C12M1/34 A

【請求項の数】18

【外国語出願】

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2009-114376(P2009-114376)

(22)【出願日】2009年5月11日

(65)【公開番号】特開2009-291783(P2009-291783A)

(43)【公開日】2009年12月17日

【審査請求日】2012年3月6日

(31)【優先権主張番号】0802577

(32)【優先日】2008年5月13日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】506423291

【氏名又は名称】コミサリア ア レネルジィ アトミーク エ オ ゼネ ルジイ アルテアナティーフ

【氏名又は名称原語表記】ＣＯＭＭＩＳＳＡＲＩＡＴ Ａ Ｌ’ＥＮＥＲＧＩＥ ＡＴＯＭＩＱＵＥ ＥＴ ＡＵＸ ＥＮＥＲＧＩＥＳ ＡＬＴＥＲＮＡＴＩＶＥＳ

(74)【代理人】

【識別番号】110000796

【氏名又は名称】特許業務法人三枝国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】レ ボ ソフィー

(72)【発明者】

【氏名】ベルティエ ジャン

(72)【発明者】

【氏名】リベラ フロランス

【審査官】 藤崎 詔夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−３５４３６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２６３６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５２２９１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５２１４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５２４８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭２９−００２９５３（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開昭５２−１４１３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０４３５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３１５３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第６５０６６０９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 国際公開第０３／００６１３３（ＷＯ，Ａ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０３Ｂ ５／００

Ｂ０１Ｊ １９／００

Ｃ１２Ｍ １／３４

Ｃ１２Ｎ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

主チャネルの軸方向に流れる流体に混入されており、前記流体の密度とは異なる密度である１ミリメートルより小さい粒子または粒子集団をサイズ選別する方法であって、
前記主チャネルの第１の領域において、少なくとも１つのフォーカシング装置によって粒子を集中させる工程と、
前記領域の下流で、前記主チャネルの第２の領域において、前記集中させられた粒子または粒子集団を収集する工程と、を含み、
前記少なくとも１つのフォーカシング装置は、主チャネルの壁に開口する、流体を注入するための少なくとも１つの横チャネルを呈しており、
前記集中させられた粒子または粒子集団は、それらのサイズに依存して、前記壁に沿った位置を有する流線に分布し、
前記収集する工程は、前記壁に設けられる開口を介して前記主チャネルに連通している少なくとも１つの選別及び取り出し装置においてなされ、
前記開口の寸法は、前記粒子または粒子集団の流線の位置の関数として、前記粒子または粒子集団を選択できるように形成され、
前記収集される粒子または粒子集団は、当該粒子または粒子集団のサイズを関数として前記選別及び取り出し装置によって選択され、
前記少なくとも１つの選別及び取り出し装置は、前記主チャネルに連通している再循環チャンバであり、
前記再循環チャンバは、前記収集された粒子を濃縮するための少なくとも１つの再循環ゾーンを有している、方法。

【請求項2】

前記再循環チャンバは、選別されて濃縮された粒子を回収することができる順次的な取り出し手段をさらに備えている、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の領域は、実質的に一定の断面であり、
前記粒子の集中は、少なくとも１つの横チャネルを５°以上の好ましくは９０°に実質的に等しい入射角度αを有する前記フォーカシング装置から、流体を前記主チャネルへと注入することによってなされ、前記横注入がなされる領域の下流の前記主チャネルの前記壁に粒子が集中させられる、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記注入の領域の反対側で、前記注入の領域に面し、かつ／または前記注入の領域の下流で、流体を取り出すための少なくとも１つの流体取り出しチャネルによって取り出しが行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記流体取り出しチャネルのサイズは、前記主チャネル内を流れる最も微細な粒子のサイズよりも小さい、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記主チャネルにおける平均速度は、１ｍｍ／ｓ〜５０ｍｍ／ｓの範囲にあり、前記再循環ゾーンにおける速度は、５μｍ／ｓ〜１０００μｍ／ｓの範囲にある、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記少なくとも１つの再循環チャンバは、当該再循環チャンバに存在する流体を汲み出すための漏れポンプチャネルへと連結されている、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

複数の前記選別及び取り出し装置は、昇順のサイズの粒子を収集するように縦列に配置された、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

少なくとも１つの追加のフォーカシング装置は、前記縦列に配置された選別及び取り出し装置のうちの２つの間に配置されている、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記集中させる工程は、前記主チャネルの壁に沿って粒子を集中させ、
柱の列を少なくとも１つ備え、
前記列は、前記主チャネルの軸に対して傾けられ、前記主チャネルの前記集中が生じる前記壁と反対側の壁との間を延びており、所与の直径Ｄｃよりも大きい直径の粒子を偏向させ、
再循環チャンバは、前記柱の列の近傍かつ上流において、前記主チャネルの前記反対側の壁へと開いている、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

前記柱の列は、前記少なくとも１つのフォーカシング装置の下流、かつ前記フォーカシング装置と前記再循環チャンバとの間に配置されている、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記柱の列は、前記再循環チャンバのうちの２つの間に配置されている、請求項１０に記載の方法。

【請求項13】

前記再循環チャンバを構成する前記主チャネルの拡大領域を含んでいる、請求項１に記載の方法。

【請求項14】

前記主チャネルの前記拡大領域は、前記主チャネル内の流体の流れの軸に対して実質的に垂直な少なくとも１つの上流壁を含んでいる、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記少なくとも１つの再循環チャンバは、準矩形、円形、または多角形の形状であり、開口を介して前記主チャネルに連通している、請求項１に記載の方法。

【請求項16】

前記漏れポンプチャネル内の漏れの流れは、粒子のサイズを選択可能にするような方法で調節できる速度にて連続的に生じる、請求項７に記載の方法。

【請求項17】

漏れポンプチャネルの流量は、０．１μＬ／ｈ〜５００μＬ／ｈの範囲にある、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

主チャネルの軸方向に流れる流体に混入された粒子を選別するための装置であって、
前記主チャネルは、少なくとも１つのフォーカシング装置を有する第１の領域と、前記第１の領域の下流に位置し、少なくとも１つの取り出し装置を有する第２の領域とを備えており、
前記少なくとも１つのフォーカシング装置は、
前記主チャネルの壁に開口する、流体を注入するための少なくとも１つの横チャネルを有しており、
前記主チャネルの壁に沿って前記粒子を集中させ、集中させられた粒子が前記粒子のサイズに依存して反対側の壁に沿った位置を有する流線に分布され、
前記少なくとも１つの取り出し装置は、前記主チャネルの壁に設けられる開口に連通する再循環チャンバを形成しており、収集された粒子を濃縮するための少なくとも１つの再循環ゾーンを有しており、前記開口は前記粒子の流線の位置の関数として前記粒子の選択ができるように形成された寸法を有する、装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、主チャネル内を流れる流体中のサブミリメートル粒子またはサブミリメートル粒子集団を選別し、おそらくは濃縮する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

障害物の周期的アレイの下流での受動的な流体力学的選別のための方法が、すでに知られており、スタッドの各列において、装置の形状によって決定される臨界サイズよりも大きいすべての粒子が同じ方向に偏向させられている。したがって、より大きな粒子の経路が、より小さな粒子の経路に対して傾けられることによって、細胞を、それらのサイズの関数として分離することが可能である。

【0003】

そのような技法が、特には次の出願に記載されている。ＷＯ２００４／０３７３７４（Ｈｕａｎｇ）、ＵＳ２００７−０２６３８１（Ｈｕａｎｇ）、またはＵＳ２００７−０５９７８２（Ｋａｐｕｒ）。

【0004】

別の受動的な選別法は、２つの層流、すなわち粒子を含んでいるバッファおよび粒子を含んでいないフォーカシングバッファを提供し、これらのバッファが狭いチャネルへと送り込まれ、その後により広いチャネルへと進入する。この方法においては、フォーカシングが、粒子をチャネルの対向する壁に対して位置させることを可能にする。フォーカシングは、粒子を含まない流体を側方から注入することによって実行され、幾何学的な絞りによって促進される。壁に対する粒子の位置を、粒子のサイズの関数として異ならせることができ、断面の拡大が、選別の実行を可能にする。すなわち、最小の粒子が、それらの慣性中心を、フォーカシングが実行されるチャネルの壁に近い距離ｘ１（極小）に有する一方で、より大きい粒子は、それらの慣性中心を、ｘ１よりも大きい距離ｘ２に有する。

【0005】

絞り領域からより大きな断面の領域への通過時に、流線の間の位置の差が強調され、粒子は、それらの慣性中心が位置している流線に従うため、チャネルの拡大によって、小さな粒子と大きな粒子との間の位置の相違が強調される。

【0006】

流れの絞りは、狭いチャネルに達するときに、粒子にせん断応力を作用させるという欠点を呈しており、とりわけ、その形状ゆえに、粒子サンプルの希釈を生じさせ、使用されている技法が、これについて何ら救済をもたらしていないという欠点を呈している。そのような技法は、特にはＭａｓｕｍｉ Ｙａｍａｄａらによる「Ｐｉｎｃｈｅｄ ｆｌｏｗ ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｉｚｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ａ ｌａｍｉｎａｒ ｆｌｏｗ ｐｒｏｆｉｌｅ ｉｎ ａ ｐｉｎｃｈｅｄ ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ」という文献（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．１８，２００４年９月１５日，５４６５〜５４７１頁）に記載されている。

【0007】

他の公知の技法は、粒子を含んでいる流体の流線を、吸引によって低圧ゾーンを局所的に生成することによって偏向させる能動的な選別法である。粒子の経路は、粒子へと加わる力の全体的な釣り合いに依存して決まる。すなわち、粒子の重量、密度、体積（または、直径）、および速度の関数として、ならびに吸引によってもたらされる圧力場の関数として、粒子が選別されるか否かが決定される。そのような技法が、Ｂａｒｔｏｎ ＳｍｉｔｈおよびＺａｃｈａｒｙ Ｈｕｍｅｓの名義の米国出願第２００７／２２１５５０号（ＷＯ ２００６／１０２２５８）に提案されている。

【0008】

さらに別の公知の技法は、流体力学的フィルタリングであり、特にはＭａｓｕｍｉ ＹａｍａｄａおよびＭｉｎｏｒｉ Ｓｅｋｉによる論文「Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｏｎ−ｃｈｉｐ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」，Ｔｈｅ Ｒｏｙａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００５，Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ２００５，５，１２３３〜１２３９頁に記載されている。この方法は、第１に粒子を濃縮および整列させ、第２にそれらを選択するために、横チャネル内に小流量の流れを実現している。壁に沿った粒子の濃度ゆえ、低流量かつきわめて正確な幾何学的寸法の横チャネルが、多数必要である。

【0009】

小さな蛍光粒子（マイクロメートル程度のサイズ）を捕捉するために、微細渦を利用することも知られている。この技法は、「Ｄｙｎａｍｉｃ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｉｎｇ−ｓｈａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｓｙｓｔｅｍ」，Ａｐｐｌｉｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２００３，８３（６），１１４５〜１１４７頁においてＤ． Ｌｉｍらによって説明されている。この方法は高い速度範囲を必要とする。

【0010】

粒子を遠心分離再循環によってそれらの密度に応じて分離する方法が、異なる密度を有する２種類のビーズ（１．０５グラム／平方センチメートル（ｇ／ｃｍ^３）の密度を有するポリスチレンビーズおよび１．８ｇ／ｃｍ^３〜２．０ｇ／ｃｍ^３の範囲の密度のシリカビーズ）の分離について、Ｎａｔｕｒｅ ２００３，４２５の３８頁以降に発表された「Ｈｉｇｈ ｒａｄｉａｌ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｉｃｒｏｖｏｒｔｉｃｅｓ」において、Ｓｈｅｌｂｙらによって説明されている。遠心分離再循環が、渦の中心に低密度のビーズを集中させ、より密度の大きいビーズをチャンバの壁に向かって集中させるように機能する。この方法は、粒子間の密度の大きな相違とともに、高速（２０メートル／秒（ｍ／ｓ）程度）を必要とする。最後に、この方法は分離された粒子の回収が可能にされていない。

【0011】

したがって、この方法は、粒子の選別または濃縮に役立たず、再循環ゾーンに高いレベルのせん断（１０^５パスカル（Ｐａ）程度）を伴う大きな遠心力（１０^４メートル毎秒毎秒（ｍ／ｓ^２）程度の遠心加速度）を加えることによって、粒子を分離させるように機能するにすぎない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明は、粒子または粒子集団をそれらのサイズに従って選別し、採取し、所望により濃縮する方法であって、溶液の希釈を必ずしも必要とせず、高度の遠心力および／またはせん断を講じる必要がない方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

主チャネルの軸方向に流れる流体に取り込まれた該流体の密度とは異なる密度のサブミリメートル粒子を選別する方法が、前記主チャネルの第１の領域において、粒子を少なくとも１つのフォーカシング装置によって該主チャネルの壁に沿って集中させ、該領域の下流において、開口を介して前記主チャネルに連通している少なくとも１つの選別及び取り出し装置への粒子の選別を、収集される粒子が該粒子のサイズの関数として前記選別及び取り出し装置によって選別されるように実行すること、および前記少なくとも１つの選別及び取り出し装置が、前記主チャネルに連通している再循環チャンバであり、該再循環チャンバが、前記収集された粒子を濃縮するための少なくとも１つの再循環ゾーンを呈していること、を特徴とする。

【0014】

したがって、この方法は、粒子の集中を選別及び取り出し装置に組み合わせることによって、粒子の選別を可能にし、選別及び取り出し装置への粒子の進入が、選別及び取り出し装置の幾何学的特徴によって調整される。さらに、選別及び取り出し装置が、再循環ゾーンを含んでいる再循環チャンバである場合、この方法は、選別された粒子を取り出しの前に濃縮することを可能にする。

【0015】

好都合には、前記再循環チャンバが、順次的な取り出し手段をさらに備えてもよく、この手段を、再循環チャンバへと開いており、好ましくは再循環ゾーンへと開いており、粒子濃縮物の順次の取り出しを可能にする取り出しチャネルによって構成してもよい。

【0016】

好ましくは、前記集中が、前記主チャネルの実質的に一定な断面の領域において、流れを絞ることなく、少なくとも１つの横チャネルを５°以上のおそらくは実質的に９０°の入射角度αに呈している前記フォーカシング装置から流体を前記主チャネルへと注入することによって実行され、この横注入が実行される領域の下流の前記チャネルの壁に粒子が集中させられる。

【0017】

主チャネルを絞ることなく、主チャネルへと開いている横チャネルから注入を行うことで、粒子に有害なせん断応力を加えることなく反対側の壁に沿って粒子を集中させることが容易になる。

【0018】

前記注入の領域の反対側において、該注入の領域に面し、かつ／または該注入の領域の下流に位置するように、少なくとも１つの流体取り出しチャネルによる流体の取り出しを設けることができ、好都合には、この少なくとも１つの取り出しチャネルのサイズが、前記主チャネル内を流れる最も微細な粒子のサイズよりも小さい。これが、希釈の問題を解決すべく機能することができる。

【0019】

前記少なくとも１つの再循環ゾーンは、前記主チャネルに連通した開口を有している例えば準矩形、円形、または多角形形状の再循環空洞またはチャンバに存在できる。

【0020】

前記再循環チャンバまたは各再循環チャンバは、所与の長さにわたる前記主チャネルの各側の拡大領域であってよい。この拡大領域は、好都合には、主チャネル内の流体の流れの軸に対して実質的に垂直な上流壁を呈している。

【0021】

これにより、再循環チャンバにおいて流体が低い速度（詳しくは、１ミリメートル毎秒（ｍｍ／ｓ）〜５０ｍｍ／ｓの範囲の主チャネル内の平均速度において、５マイクロメートル毎秒（μｍ／ｓ）〜１０００μｍ／ｓの範囲の速度）で流れるため、濃縮機能を低レベルのせん断にて行うことができる。これは、壊れやすくて凝集力に乏しい生体、特には細胞培養物、さらにはランゲルハンス島において、きわめて好都合である。

【0022】

複数の選別及び取り出し装置を、昇順のサイズの粒子を収集するように、縦列に配置してもよい。

【0023】

少なくとも１つの追加のフォーカシング装置を、前記縦列の選別及び取り出し装置のうちの２つの間に配置してもよい。

【0024】

それぞれの選別及び取り出し装置の開口の寸法が、取り出すべき粒子または粒子集団を、フォーカシング段階の下流での粒子または粒子集団の流線の位置（粒子または粒子集団のサイズによって決まる）の関数として収集することを可能にする。

【0025】

前記少なくとも１つの再循環チャンバまたは横チャネルを、特には０．１マイクロリットル毎時（μＬ／ｈ）〜５００μＬ／ｈの範囲の流量にて動作する連続的な漏れポンプチャネルに連結することができる。好都合には、連続的な漏れポンプチャネルは、粒子の取り出しを可能にせず、流体を再循環ゾーンから汲み出すように機能する。目的は、粒子を該当のチャンバから取り出さず、このチャンバに存在する流体を汲み出すことにある。

【0026】

前記漏れポンプチャネルの流量は、調節可能であってよく、これにより、再循環チャンバへと進入する流線を変更することが可能になり、よってこのチャンバに進入する粒子のサイズを選択できるようになる。このようにして、この流量の変化が、本方法を調節するためのさらなるパラメータを構成する。

【0027】

再循環チャンバにおいて濃縮された粒子を取り出すために、少なくとも１つの粒子取り出しチャネルを、少なくとも１つの再循環チャンバへと連結してもよい。粒子の取り出しは、粒子または粒子集団が耐えることができるせん断のレベルに応じて、数マイクロリットル毎分（μＬ／分）〜数μＬ／ｈ程度の低い流量で、順次に実行される。

【0028】

さらに、この方法は、柱の列を少なくとも１つ備え、この列が、前記主チャネルの軸に対して傾けられて、前記主チャネルの前記集中が生じる壁と反対側の壁との間を延びていて、所与の直径Ｄｃよりも大きい直径の粒子を偏向させ、再循環チャンバが、前記柱の列の近傍かつ前記柱の列の上流において、前記主チャネルの前記反対側の壁へと開いていることを特徴としてもよい。

【0029】

柱の列を、フォーカシング装置の下流、かつフォーカシング装置と再循環チャンバとの間および／または２つの再循環チャンバの間に配置してもよい。

【0030】

さらに、本発明は、主チャネルの軸方向に循環する流体に取り込まれた粒子を選別するための装置であって、実質的に一定の断面である前記主チャネルの第１の領域に、粒子を前記主チャネルの壁に沿って集中させるための少なくとも１つのフォーカシング装置を備えており、前記第１の領域の下流に位置する第２の領域が、少なくとも１つの取り出し装置を呈しており、前記少なくとも１つのフォーカシング装置が、流体を注入するための少なくとも１つの横チャネルを呈しており、前記少なくとも１つの取り出し装置が、前記主チャネルに連通している再循環チャンバを形成しており、該再循環チャンバが、収集された粒子を濃縮するための少なくとも１つの再循環ゾーンを呈していることを特徴とする装置を提供する。

【0031】

本発明の他の特徴および利点が、以下の説明を図面との関連において検討することによって、明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明に従って壁へと流体力学的に集中させられる粒子を示している。

【図2a】そのような本発明の流体力学的集中を、流体の取り出しに組み合わせて示している。

【図2b】そのような本発明の流体力学的集中を、流体の取り出しに組み合わせて示している。

【図3a】本発明による閉じた空洞の形態の再循環ゾーンの実施例を示している。

【図3b】本発明による閉じた空洞の形態の再循環ゾーンの実施例を示している。

【図3c】本発明による閉じた空洞の形態の再循環ゾーンの実施例を示している。

【図4a】空洞の典型的な形状を示している。

【図4b】空洞の典型的な形状を示している。

【図4c】空洞の典型的な形状を示している。

【図4d】空洞の典型的な形状を示している。

【図4e】種々のチャンバ径において再循環を得るための限界レイノルズ数Ｒｅをプロットしている。

【図4f】円柱形のチャンバおよび矩形のチャンバにおける再循環の流線を示している。

【図4g】円柱形のチャンバおよび矩形のチャンバにおける再循環の流線を示している。

【図5】縦列に実現された３つのひし形の空洞を示している。

【図6】主チャネルの拡大領域の形態で実現された再循環ゾーンを示している。

【図7a】拡大領域の形態の再循環空洞に再循環ゾーンを有している本発明の装置を示しており、粒子を順次に取り出すための装置が組み合わせられており、粒子を順次に取り出すための装置が、閉鎖位置にて図示されている。

【図7b】拡大領域の形態の再循環空洞に再循環ゾーンを有している本発明の装置を示しており、粒子を順次に取り出すための装置が組み合わせられており、粒子を順次に取り出すための装置が、開放位置にて図示されている。

【図8】粒子を再循環ゾーンから順次に取り出すための装置の実施形態を示している。

【図9】横チャネル経由の取り出し流量の関数としてサイズによって選別される粒子を示している。。

【図10】横チャネル経由の取り出し流量の関数としてサイズによって選別される粒子を示している。

【図11】横チャネル経由の取り出し流量の関数としてサイズによって選別される粒子を示している。

【図12】漏れポンプ流量２５の関数としてサイズによって選別される粒子を示しており、この図は、図４ｆに示した再循環チャンバの「拡大」図に相当している。

【図13】選別すべきそれぞれの粒子サイズのための柱の列の助けによって、サイズによって選別される粒子を示している。

【図14】選別すべきそれぞれの粒子サイズのための柱の列の助けによって、サイズによって選別される粒子を示している。

【図15】選別すべきそれぞれの粒子サイズのための柱の列の助けによって、サイズによって選別される粒子を示している。

【図16】選別すべきそれぞれの粒子サイズのための柱の列の助けによって、サイズによって選別される粒子を示している。

【図17】選別すべきそれぞれの粒子サイズのための柱の列の助けによって、サイズによって選別される粒子を示している。

【図18a】図１７の装置の典型的な実施形態を、寸法を含めて示している。

【図18b】図１７の装置の変形実施形態を示しており、主たる流れのチャネルが、再循環チャンバの上流において広げられている。

【図19】考えられる拡散、局在化、および放散（ＤＬＤ）装置のこれらの柱の寸法入りの略図を示している。

【発明を実施するための形態】

【0033】

したがって、本発明は、主チャネル内の流体に混入したサブミリメートル粒子を集中させ、選別し、取り出すことを可能にする。

【0034】

また、本発明は、そのような粒子を、取り出しの前に濃縮することを可能にする。

【0035】

選別は、実行すべき選別の関数として寸法付けられた開口を介して主チャネルに連通しているチャネルまたはチャンバの助けによって行われる。

【0036】

以下の説明は、種々の選別及び取り出し装置を、３つの主たる実施形態にて示している。

【0037】

・主チャネルに連通した再循環チャンバによる選別および濃縮。粒子が順次に取り出される（図３ａ〜図３ｃ、図４ａ〜図４ｄ、図４ｇ、図５、図６、および図８）。

【0038】

・固定または可変の漏れ流量を有する再循環チャンバによる選別および濃縮。順次の粒子の取り出しを伴う。漏れ流量および主チャネルに連通する開口のサイズが、選別される粒子のサイズを決定する（図４ｆ〜図１２）。

【0039】

・中央チャネルに連通しているいわゆる「横」チャネルによる選別。横チャネルが、固定または可変の取り出し流量で動作する連続的な取り出し手段を有している。取り出し流量および横チャネルの入り口径が、選別される粒子のサイズを決定する。この実施形態は、粒子の濃縮を可能にすることができず、粒子の選別および取り出しのみを可能にする（図９〜図１１）。および
・中央チャネルに連通しているいわゆる「横」チャネルによる選別。横チャネルが、固定または可変の取り出し流量で動作する順次の取り出し手段２７を、漏れポンプ手段２５とともに有している。取り出し流量および漏れ流量、ならびに横チャネルの入り口径が、選別される粒子のサイズを決定する。この実施形態は、粒子の濃縮を可能にすることができず、粒子の選別および取り出しのみを可能にする。

【0040】

図１（α＝９０°）においては、選別対象の粒子１０の溶液が、実質的に一定の断面の主チャネル１に沿って矢印Ｆの方向に平均速度Ｖ_０で流れる。主チャネル１は、好ましくは、幅ｗ_０および深さｐの正方形または矩形の断面である。

【0041】

フォーカシング溶液が、補助チャネル２内に矢印Ｆ’の方向で注入される。補助チャネル２は、好ましくは矢印Ｆの方向に対して垂直である矢印Ｆ’’の方向に横注入を行うために、１つ以上の横チャネル３によって開いている。主チャネル１の流れの方向への入射角αを、５°〜９０°の範囲にあるように選択することも可能である。

【0042】

この横注入の効果は、上流領域４において主チャネル１に無作為に分布している粒子１０を、フォーカシングゾーン３０において壁７へと偏向させて、主チャネルの下流領域において、横注入が行われる壁６とは反対側の領域へと集中させることにある。

【0043】

粒子の壁への集中を、他の様式で実行することも可能であり、特には図２ａに示すように、注入および流体の取り出しの両方に依存する原理に基づくフォーカシングシステムを、実施することが可能である。このシステムにおいては、流体取り出しゾーン２０において、流体取り出しチャネル２１が、流体取り出しチャネル２２へと開いており、いかなる粒子もこれらの横チャネルへと進入することがないように十分に小さい。

【0044】

このフォーカシングシステムについて、図１に示したシステムと比べた場合の主たる利点は、注入によるフォーカシングに起因する希釈効果に対抗するために必要となる流体の取り出し流量を可能にする点にある。さらには、チャネル２１が注入ゾーン３０に面し、さらには／あるいは注入ゾーン３０のすぐ下流に位置することで、壁への粒子の集中を向上させることができる一方で、注入フォーカシングシステムへの進入において流体に必要とされる速度を抑えることができる。このように、２つの要素の組み合わせが、フォーカシングゾーンにおいて粒子に加わる希釈およびせん断力の両方を小さくするように機能する。

【0045】

図２ａの例では、注入によって生じる希釈効果を抑制または除去するために、取り出し流量Ｑ_{ｔａｋｅ−ｏｆｆ}（矢印Ｆ’’’）を、注入流量Ｑ_{ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ}と同じにすることが可能である。Ｖ_{ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ}およびＶ_{ｔａｋｅ−ｏｆｆ}が、注入および取り出しの流体のそれぞれの平均速度を表わしている。

【0046】

図２ｂが、図２ａの細部の拡大であり、選別対象の粒子を含んでいる流体の流線が、どのように壁へと上手く集中させられるのかを示している。

【0047】

フォーカシングバッファとして機能する注入流体は、選別対象の粒子を含んでいる流体と同じであってよい。この条件は、決して必須ではなく、２つの異なるバッファ、好ましくは、混和性であるバッファを使用することも、完全に可能である。

【0048】

このフォーカシング段階の後で、粒子は、層流の様相で流体内を流れ、直径に応じて選別される。

【0049】

・より小さな粒子は、壁にきわめて近い流線に位置し、したがって再循環ゾーンに向かって偏向させることができる。

【0050】

・より大きな粒子は、重心を壁からさらに遠くに有しており、結果として、より小さな粒子がたどる流線とは異なる流線に従い、連続的な層流の流体の流れをたどる。

【0051】

その結果、小さな粒子および大きな粒子が、流線の位置に応じて分布し、流線への粒子の配置は、それらの慣性中心に依存して決まり、したがって層流である流れにおけるそれらのサイズに依存して決まる。

【0052】

効果的な選別を得るために、小さな粒子および大きな粒子の流線の間の位置の相違を強調することが適切である。

【0053】

従来技術において、主チャネルの急激な拡大、あるいは流体の局所的な吸い出しまたは送り込みによって、位置の相違を強調することが知られており、流体の除去の可能性は、出願ＷＯ２００６／１０２２５８号に記載のとおりである。

【0054】

この出願に記載されている選別手段は、設定可能ではない。加えて、濃縮手段との組み合わせも、記載されていない。

【0055】

本発明の独自の特徴の１つは、フォーカシング段階の下流に１つ以上の再循環チャンバを配置することにあり、これらのチャンバが、粒子にとって粒子のサイズの関数としてアクセス可能であることで、粒子をそれらのサイズによって選別することができ、選別した粒子を取り出すことができる一方で、おそらくはそれらを濃縮することも可能である。粒子を、速度（延いては、せん断力）が小さい少なくとも１つの再循環ゾーンに蓄積させることによって、濃縮することが可能である。

【0056】

Ｓｈｅｌｂｙらの論文（上記参照）が、粒子が再循環チャンバにおける遠心加速度（１０^４ｍ／ｓ^２程度である）によって１０^５Ｐａ程度のせん断応力において濃縮されることを示している。このような大きさは、ランゲルハンス島などといった壊れやすい粒子または粒子集団の操作に適合しない。本発明の装置は、粒子の分離および濃縮のために遠心力によって動作することが決してないため、５Ｐａ程度のせん断レートで、再循環ゾーンを実現することを可能にし、したがって濃縮を達成することを可能にする。例として、遠心加速度が、本発明においては１０^−５ｍ／ｓ^２程度である。したがって、本発明を、ランゲルハンス島などといった壊れやすい粒子または粒子集団の操作および濃縮のために、好都合に利用することができる。

【0057】

技術水準に示されているとおり、希釈は、大部分の既存の流体力学選別技法の大きな欠点である。この問題を解決するために、再循環ゾーンの濃縮力が利用される。図３ａ〜図３ｃに示されるとおり、そのような再循環チャンバ４０の分離力は、主チャネルと再循環ゾーンとの間に存在する大きな速度差に由来し、この差は、チャンバの形状に大きく依存する。

【0058】

主チャネル１において、速度Ｖで移動しており、距離Ｌだけ離れており、再循環チャンバ４０においては、速度ｖであって、距離ｌだけ離れている２つの粒子１０１および１０２を考える。

【0059】

主チャネルにおいて、２つの粒子は、

【0060】

だけ離れている。

【0061】

空洞においては、２つの粒子は、

【0062】

だけ離れている。

【0063】

したがって、両方の粒子が空洞にあるとき、

【0064】

である。

【0065】

ｖ＜Ｖかつｌ＜Ｌであるため、空洞の効果は、粒子を互いに近付くように移動させることであり、これが粒子の濃縮に相当する。

【0066】

再循環ゾーン４０を生じさせるために、さまざまな形状を使用することができるが、とりわけ、
・例えばひし形（「ダイアモンド形」）（図４ａ）などの多角形のチャンバ、あるいは準矩形または矩形、特には（図４ｃおよび図４ｄに示した形式の）台形のチャンバ、ならびに
・円形、特には円柱形（図４ｂ）のチャンバ
を挙げることができる。

【0067】

図４ｂにおいて、参照番号２７が、後述される粒子取り出しチャネルに相当する。

【0068】

壊れやすい粒子集団について、モデル化が、使用できる再循環ゾーンを得るために必要な速度が、較正された開口を介して主チャネルに連通する円形または多角形のチャンバにおいて、きわめて低いことを示している。したがって、この種の形状（図４ａまたは図４ｂを参照）が、ランゲルハンス島などの凝集力に乏しい壊れやすい粒子集団の選別、濃縮、および取り出しが所望される場合に、推奨される。

【0069】

各チャンバにおいて、再循環ゾーン４１を、特には
・チャンバの形状（空洞への開口、深さ、など）、
・主チャネルにおける最大速度、および
・主チャネルの形状（特には、深さ）
に依存して決まる限界のレイノルズ数を超えて得ることができる。

【0070】

レイノルズ数Ｒｅは、

【0071】

のように表わされ、ここで
Ｖ_１は、流体の最大速度（単位は、メートル／秒（ｍ／ｓ））であり、
Ｌは、考慮対象の形状の特徴寸法（単位は、メートル（ｍ））であり、
νは、流体の動粘性係数（単位は、平方メートル／秒（ｍ^２／ｓ））である。

【0072】

Ｇが、チャンバの深さとチャンバの開口の長さＤ_ｈとの間の比として定義される。図４ｅが、円形、特には、円柱形またはひし形（「ダイアモンド形」）の０．５ミリメートル（ｍｍ）（小さなチャンバ）〜３ｍｍ（「大寸法」と呼ばれるチャンバ）の範囲のさまざまなＤ_ｈの値について、水または水性バッファにおけるレイノルズ数Ｒｅの値の例を、比Ｇの関数として示している。

【0073】

図４ｃが、粒子を壁へと集中させるためのシステムを、再循環チャンバ４０内の特定の粒子のための濃縮ゾーン４１ａおよび４１ｂに組み合わせる本発明の原理を示しており、ここでは、再循環チャンバ４０が、主チャネル１の両側に広がる準矩形のチャンバである。特定の流線に沿って流れる特定の粒子のみが、再循環ゾーン４１ａに加わり、したがって濃縮されることを、理解できるであろう。壁７の最も近くの流線に沿って移動する粒子（最も直径の小さい粒子に相当）が存在する。ゾーン４１ａのみが、選別された粒子を含んでおり、すなわち本方法によって利用される。

【0074】

図４ｄが、選別マイクロシステムの原理を示している。最小の粒子１１０が、壁にきわめて近い流線をたどることによって、再循環ゾーン４１ａに向かって移動する。それらは、とりわけストークスの流体力学的抗力、慣性、および重力など、さまざまな力によって再循環ゾーン４１ａの中心に向かって引き寄せられる。

【0075】

より大きな粒子１１１、すなわち壁から遠く離れている粒子は、自身の経路をそのまま進み続け、循環チャンバ４０の下流から出る。

【0076】

図４ｆおよび図４ｇが、１ｍｍ／ｓの平均進入速度（フォーカシング速度１ｍｍ／ｓ）を有し、主チャネルに与えられる平均速度が２ｍｍ／ｓであり、空洞の中央において５μｍ／ｓ程度の速度である直径５ｍｍの円形の再循環ゾーン（図４ｆ）、ならびに１ｍｍ／ｓの進入速度および５０ｍｍ／ｓの空洞入り口オリフィスにおける速度（平均フォーカシング速度：５０ｍｍ／ｓ）を有する矩形の再循環ゾーン（図４ｇ）の内外の流線を、さらに詳しく示している。したがって、再循環ゾーン４１について計算される速度は、数十〜数百μｍ／ｓ程度であり、最大のせん断速度は、円形のチャンバにおいて２．５ｍｍ／ｓ程度であり、矩形のチャンバにおいて６０ｍｍ／ｓ程度である。図４ｆに示した再循環チャンバが、１６０μＬ／ｈの漏れ流量を有する漏れチャネル２５を有していることに気付くべきである。

【0077】

空洞の開口の特性が、フォーカシングシステムの反対側の壁７に最も近い流線の偏向を可能にし、これらの流線が、上流で実行されたフォーカシングの結果としての特定の粒子径に対応していることに、気付くべきである。

【0078】

より正確には、取り出そうとする粒子の最大径がＤｃである場合、壁７に対して距離Ｄｃ／２に位置している流線（Ｄｃ／２よりも小さい半径またはＤｃ／２に近い半径の粒子に対応）を捕捉するように、空洞の開口の特性を定めることが可能である。これらの特性を、例えば当業者によく知られているＣｏｍｓｏｌソフトウェアなど、適切なソフトウェアを使用して実行されるモデル化によって定めることができる。モデルのパラメータは、チャンバおよび主チャネルの寸法、流体の性質（特には、動粘性係数）、ならびに種々のチャネルの入り口および出口における流量または圧力である。

【0079】

そのようなソフトウェアを、例えば再循環ゾーンによって得られる濃縮力を最適にするという目的のために、再循環ゾーンの流線をモデル化して、上述のパラメータを調節できるようにするためにも、使用することができる。

【0080】

図６が、１ｍｍの深さを有しており、フォーカシング段階を準矩形のチャンバに先立って備えているマイクロシステムにおける流線のモデルを示している。この図は、主チャネル１における特徴速度（フォーカシング後のＶ_ｍａｘ＝５０ｍｍ／ｓ）および再循環４１のレベル（再循環における位置に依存して０．５ｍｍ／ｓ〜１ｍｍ／ｓ程度のＶ_ｍａｘ）を比較することによって、濃縮力を説明している。このようにして、上述のように、フォーカシングの下流における再循環の有無をモデル化することができる。

【0081】

種々の空洞４０を次々に縦列配置することによって、異なるサイズの粒子をそれぞれのチャンバにおいて選別し、捕捉し、濃縮することができる。縦列に接続される空洞のサイズおよび数が大である特定の状況においては、粒子が実際に壁に対して位置して濃縮空洞へと進入できるように保証するために、２つの空洞の間にフォーカシングシステムを追加することが、適切かも知れない。

【0082】

図５が、縦列に配置された３つのひし形の空洞４０_１、４０_２、および４０_３の平面図である。これらの空洞の中央に示されている正方形は、後述される粒子取り出しチャネル２７に相当する。例として、主チャネルにおいて、最大速度は１．９ｍｍ／ｓであり、それぞれの空洞４０_１〜４０_３においては、７０μｍ／ｓ程度（５μｍ／ｓ〜７０μｍ／ｓにわたる値）である。主チャネル１と空洞４０_１〜４０_３との間のきわめて明らかな速度差が、粒子の濃縮を可能にする。

【0083】

このような状況のもとで、空洞の開口によって実行されるとおりのサイズによる粒子の選択が、昇順にて生じ、最も小さな粒子が空洞４０_１によって集められ、それよりもわずかに大きい粒子が、空洞４０_２によって集められ、以下同様である。
粒子取り出しシステム
本発明は、再循環チャンバ４０に蓄積した粒子を回収することができる取り出しシステムをさらに含んでいる。

【0084】

この取り出しは、流体バルブ２６によって制御される取り出しチャネル２７から順次に行われる。バルブが閉じられているとき（図７ａ）、粒子が、再循環が生じているチャンバ４０の再循環ゾーン４１ａおよび４１ｂに蓄積される。粒子が濃縮されると、バルブ２６が開かれ（図７ｂ）、流線がバルブ２６の開放の結果として偏向させられ、選別されて濃縮された粒子をチャネル２７に回収することができる。

【0085】

図示のとおり、例えば温度制御のもとで開閉する流体バルブ２６を使用することが可能であり、空気が室温に保たれているとき、バルブ２６が開き、循環４１を解消して流れ４２を形成することによって取り出しが実行される。チャンバ内に収容されている空気の温度を（ヒータ抵抗Ｒによって）高めることで、チャンバ内に収容されている気体の圧力が上昇する。その結果、気体２８がチャネル２５へと進入し、流体の流れを阻止する。

【0086】

図８に示した実施形態は、粒子を濃縮するために、閉じた空洞４０、例えば、円形の空洞の中央に取り出しチャネル２７（図４ｂも参照のこと）を備えている。取り出しチャネル２７の流量は少ない（数μＬ／分〜数μＬ／時）。
柱を有する受動選別／濃縮カップリング
別の実施形態において、本発明は、やはり純粋に受動的であるカップリングによって再循環ゾーンへと連結された選別システムを実現する。受動的とは、粒子の再循環ゾーンへの進入が、装置の形状のみによって引き起こされるという意味である。

【0087】

この構成は、ランゲルハンス島など、細胞の大集団において好ましい。

【0088】

この装置の動作は、２つの段階を含んでいる。最初に、粒子が、上述のとおり再循環チャンバとは反対側の壁７に集中させられる。次いで、選別が、主チャネル１の軸に対して所定の角度βを形成している柱５０の列６０によって実行される。直径Φの柱５０の幾何学的特徴は、臨界サイズＤｃよりも小さい粒子が、柱５０の列によって構成される障害物を通過するため、おおむね偏向されることがない一方で、臨界サイズＤｃよりも大きい粒子が、柱の各列によって再循環チャンバ４０に向かって常に同じ方向に偏向させられるような幾何学的特徴である。そのような状況のもとで、再循環チャンバが、好ましくは壁７とは反対側の壁に位置し、すなわちフォーカシング装置と同じ側に位置することに、気付くべきである。この装置は、降順のサイズによる選別の実行を可能にする。

【0089】

この装置の柱５０の列６０は、例えばＳｃｉｅｎｃｅ ２００４，３０４，９８７〜９９０頁に発表された「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ」においてＨｕａｎｇによって説明されているように、粒子をそれらのサイズに従って偏向させることによって、サイズによる選別の実行を可能にするが、相違点は、柱のアレイの代わりに、柱の列が１列だけ使用されている点にあり、これは、前もって粒子を壁７に沿って集中させることによって可能にされる。これは、選択されたサイズの粒子が再循環ゾーンへと進入することを保証できるようにする。柱の立体障害効果が、柱によって粒子が流線を変えて、再循環ゾーンへの進入を強いられるような効果である。

【0090】

装置が、拡散、局在化、および放散（ＤＬＤ）タイプの装置を使用してサイズによる選別の実行を可能にするそのような柱の列を備える場合、好ましくはフォーカシングの下流に配置することが可能である。しかしながら、上流のフォーカシング段階を備えないそのような柱の列を想像することも可能である。そのような状況下では、列が、フォーカシングの機能およびサイズ選別の機能の両方を実行する。

【0091】

寸法決定は、基本的には、流線の形態学に基づいて行われる。

【0092】

粒子の速度が遅い（すなわち、粒子の慣性を無視できる）場合、小さなサイズの粒子（直径がＤｃ未満）は、例えばＤｃ未満の直径の粒子５１など、自身の重心を通過する流線に従う（図１３）。

【0093】

対照的に、Ｄｃ以上の直径の粒子は、立体障害ゆえに柱の列によって偏向させられる。すなわち、柱の列が、Ｄｃよりも大きい直径の粒子５２について示されているような方法で、流線を偏向させる（図１４）。

【0094】

要約すると、臨界サイズＤｃよりも小さい粒子が、チャネル１内の自身の経路をたどり続ける一方で、その他の粒子は、流れの方向Ｆに対して角度βに傾けられた軸を有している柱５０の列によって、再循環ゾーンへと押し込まれ、再循環ゾーンに蓄積する（図１５参照）。降順のサイズでの選別を実行できるようにするために、柱の列６０を、２つの再循環チャンバ４０（中間にフォーカシング装置を有していても、あるいは有していなくてもよい）の間に配置してもよいことに、気付くべきである。最大の粒子が最も偏向させられやすいため、柱から下流に位置する空洞が、偏向させられた粒子、すなわち最大の粒子を、選択的に収集する。

【0095】

このシステムの寸法決定は、図１６の図によって与えられる。

【0096】

柱５０（停止点を参照）上で終息している流線が、粒子を案内する臨界線であって、
・粒子を主チャネルの出口に向かって案内し（すなわち、粒子が偏向させられることなく柱５０の列６０を通過する）、あるいは
・再循環チャンバ４０に向かって案内する（粒子が、それぞれの柱５０において立体障害ゆえに偏向させられる）。

【0097】

これらの臨界線は、チャネルの軸に厳密には平行ではなく、柱から数百マイクロメートルの距離にあると推定され、臨界線は、直径Φの柱の中心を通過する水平線から距離Φ／２に位置する。これは、柱のペアの間にＤｃ／２程度の横方向の間隔を与える。

【0098】

２つの柱５０の中心間の軸方向の間隔（ｅ＋Φ）は、ピタゴラスの定理を適用することによって与えられ、
(L₀ +F )² = (e +F)² + Dc²/4
である。

【0099】

柱のペアの間の距離Ｌ_０は、フィルタを構成することがないように十分に大きくなければならないため、さらなる条件
L₀ ³ a Dc（ここで、a ≫ 1.25 to 1.50である）
が存在する。

【0100】

柱５０の間の軸方向の間隔ｅは、

cos b = ( e+F) / ( L₀+F)

のように導出され、Φ、ｅ、およびＬ_０が与えられると、βが決定される。

【0101】

図１７が、柱５０の列６０を備える選別及び再循環装置の全体図であり、柱５０の列６０の位置で主チャネル１’が拡大されている。

【0102】

図１７において、再循環ゾーンの上流の主チャネルが非対称であり、そのような形状が、それぞれの再循環ゾーンへの入り口における力線の曲率半径を調節できるようにしていることを、見て取ることができる。すなわち、曲率半径を、力線上を移動している粒子が、曲率ゆえに慣性によって力線から抽出されるように、構成することができる（図１７参照）。このような非対称性は、濃縮の対象である粒子が大きなサイズの粒子である場合に、特に有用である。これは、結果として、再循環ゾーン内に漏れの流れがもたらされることを防止する。寸法入りの図１８ａに、そのような非対称が示されており、主チャネルが、再循環チャンバの上流に凹所が形成されるように、徐々に広げられている。図１８ａにおいて、主チャネルが、再循環チャンバの入り口の反対側でも広げられている一方で、図１８ｂは、再循環チャンバの上流で主チャネルを広げるための別の様式を示しており、ただ１つの凹所を再循環ケースの入り口のすぐ近くに有している。

【0103】

図１７、図１８ａ、および図１８ｂにおいては、拡散、局在化、および放散（ＤＬＤ）タイプの装置が、選択されたサイズの粒子が再循環ゾーンへと進入することを保証するために、再循環ゾーンの上流に位置している。そのような装置は、たいへん興味深いものであるが、必須ではない。

【0104】

図１９に、考えられる拡散、局在化、および放散（ＤＬＤ）タイプに関する詳細が提示されている。この特定の事例は、主として直径が２００μｍの粒子に適合する。

【0105】

図１７、図１８ａ、および図１８ｂには示されていないが、すでに説明したようなフォーカシング装置を、流れの上流に配置してもよい。

【0106】

図１５および図１７に示した再循環チャンバ４０は、粒子を濃縮後に取り出すことができるよう、（例えば、７ａまたは７ｂ同様）取り出しチャネル２７を呈してもよい。
選別及び濃縮システムのモデル化の例
実施例１：柱の列を備えている選別、濃縮、および取り出しのための装置
図１７の選別装置は、２００マイクロメートル（μｍ）よりも小さなサイズの粒子が、全体として偏向させられることなく柱の列を通過する一方で、２００μｍを超えるサイズの粒子が、それぞれの柱において再循環チャンバに向かって偏向させられるように、設計されている。

【0107】

この提案のシステムの特性を、以下の寸法規則から決定した。

【0108】

・臨界選別直径：Ｄｃ＝２００μｍ
・柱の直径：Φ＝１５０μｍ
・柱の間の横間隔：Ｄｃ／２＝１００μｍ
・軸方向の間隔ｅ＋Φ＝４４０μｍ、Ｌ_０＝３００μｍ
別の実施形態において、本発明は、選別システムを、能動的なカップリングを備える再循環ゾーンに組み合わせて備えている。能動的とは、再循環ゾーンへの粒子の進入が、漏れポンプに連結された装置の形状によって引き起こされるという意味である。

【0109】

漏れポンプと称される流体ポンプ装置を、再循環チャンバのうちの１つ以上に設けることも可能である。下記の実施例２が、容易に調節可能であり、したがって本発明の流体力学的特性を調節可能にできるという、漏れポンプの主たる利点を説明している。
実施例２：横チャネル式の選別及び取り出し装置
図９が、粒子が好ましくは主チャネルに対して垂直に配置される横チャネル２８によって選別される例を示している。この例では、外部の連続的な取り出し手段が、前記横チャネルを介して取り出し流量Ｑ_{ｔａｋｅ−ｏｆｆ}を適用することを可能にしている。

【0110】

粒子を横チャネル２８へと進入させるために、粒子の半径が、空洞へと進入する流れの幅ｗ_１よりも小さいか、あるいはそのような幅ｗ_１に近い必要がある（図９参照）。この幅は、それを超えると流線が開口へと進入できない距離ｗ_１に相当する。壁７から距離ｗ_１を超えて位置する流線に沿って移動する慣性中心を有する粒子は、横チャネル２８に向かって偏向させられることがなく、したがって主チャネルに残る。対照的に、慣性中心が壁７に距離ｗ_１よりも近く位置している流線に沿って移動している粒子は、開口に向かって偏向させられる。したがって、収集がサイズに関して選択的であると言うことができる。したがって、空洞へと進入できる粒子の最大サイズは、２ｗ_１に等しい。

【0111】

この検討に基づき、Ｐｕｒｄａｙの放物線状の速度プロファイルを積分することが、選別される粒子のサイズを連続的な取り出し流量Ｑ_{ｔａｋｅ−ｏｆｆ}に関連付けるように機能し、ここで、Ｖｔａｋｅ−ｏｆｆが、取り出される流体の速度を指し、

であって、ｗ_０は主チャネルの幅であり、ｗ_１は選別される粒子の半径であり、ｂはチャネルの深さであり、Ｑ_０は主チャネル１の流量であって、ｒは、ｗ_０≦ｂの場合には比α＝ｗ_０／ｂに依存し、ｂ≦ｗ_０の場合にはα＝ｂ／ｗ_０に依存する指数である。

【0112】

これは、α≦１／３において、ｒ＝２を与え、α＞１／３において、ｒ＝２＋０．３（α−１／３）を与える。

【0113】

連続的な取り出し流量を調節することによって、異なるサイズの粒子を空洞に回収して濃縮することができ、空洞へと進入できる粒子の最大サイズは、２ｗ_１である。この例は、選別された粒子を横チャネルに収集できることを示しており、収集は、サイズに関して選択的である。この選択的な収集を、幾何学的なパラメータ（ｗ_０、ｗ_１）ならびに連続的な取り出しの流量Ｑ_{ｔａｋｅ−ｏｆｆ}、流体の取り出しの速度Ｖ_{ｔａｋｅ−ｏｆｆ}、および主チャネル１の流量Ｑ_０などといった流体力学的なパラメータを調節することによって実行できることを、容易に理解できるであろう。
装置の設定変更可能な性質の説明
選別される粒子のサイズは、連続的な取り出しの流量および形状に依存して決まる。

【0114】

以下の寸法（図１０）
・主チャネル：１ｍｍの深さで１ｍｍの幅（ｗ_０＝１ｍｍ）、および
・横チャネル：１ｍｍの深さで１ｍｍの幅
において、所望の選別サイズが２００μｍ、すなわちｗ_１＝１００μｍである場合、これらの数字を式（１）へと代入して、

【0115】

がもたらされ、ここで、Ｖ_０は、主チャネル１の流体の平均速度である。したがって、Ｖ_０＝１ｍｍ／ｓである場合、Ｖ_{ｔａｋｅ−ｏｆｆ}＝３０μｍ／ｓである。

【0116】

数値シミュレーションが、それぞれ主チャネル１の縁７から５０μｍおよび７５μｍに位置する流線４５および４６が、完全に横チャネル２９へと進入することを示しており、壁７から１００μｍに位置する流線４７が、進入の限界にあることを示している（図１０参照）。最後に、壁７から１００μｍよりも遠く位置しているすべての流線（例えば、壁７から１５０μｍに位置している線４８）は、横チャネル２９に進入しない。

【0117】

結果として、同じ形状において、漏れ流の流量を変化させることによって、臨界選別サイズを３００μｍにすることが可能であり、それらの数字を式（１）に代入することで、

【0118】

がもたらされる。

【0119】

これは、主チャネルの入り口における１ｍｍ／ｓの速度を維持する場合、６３μｍ／ｓという取り出し流量を必要とする。このとき、図１１のシミュレーションに示されているように、壁７から５０μｍおよび１００μｍにそれぞれ位置している流線４５’および４６’が、完全に横チャネル２９へと進入する一方で、例えば壁７から２００μｍに位置している流線４８’など、壁７から１５０μｍを超えて位置している流線は、横チャネル２９へと進入することができず、壁７から１５０μｍの距離に位置している流線４７’が、進入の限界にある。

【0120】

上記の例では、流線が、チャネル１に対して垂直なチャネル２９であって、連続的な取り出し流量を可能にする手段が適用されるチャネル２９によって案内されることで、偏向させられる流線に位置する粒子、すなわち壁７から特定の距離に位置する粒子を、選択することができる。
実施例３：再循環チャンバによる選別、濃縮、および取り出し
同じ原理を、再循環空洞など、外部の漏れポンプ手段２５を好都合に設けることができる他の形状にも当てはめることができ、そのような漏れポンプ手段２５が、調節可能な漏れ流量を生成できることで、装置に設定変更可能という性質を付与することができる。漏れポンプ手段は必須ではないが、他のパラメータ（寸法、流体の粘度、主たる流量）が可変でなくても本発明の流体力学的特性を調節できるようにする追加のパラメータを構成する。好ましくは、漏れポンプは、粒子が進入するには狭すぎる漏れポンプチャネルを通って実行され、そのようなチャネルが、再循環チャンバの粒子濃縮ゾーンの外側に位置する部位へと開いている。そのような漏れチャネル２５を、フォーカシング段階３０の下流に位置する任意の再循環チャンバ４０に組み合わせてもよい。柱５０の列を、前記再循環チャンバの開口よりも前に配置することができる。

【0121】

したがって、そのような漏れチャネル２５を、サイズに従って選別された粒子を濃縮するために、再循環ゾーン４１へと連結することが可能である。

【0122】

以下の例（図１２）が、そのような連結を示している。装置が、２００μｍ（ｗ_１＝１００μｍ）よりも小さい直径の粒子が、再循環ゾーン４１へと進入して濃縮されるように寸法付けられている。

【0123】

装置は、フォーカシング／選別ゾーン、および５ｍｍの直径を有する円形の空洞にて現れる再循環内の濃縮ゾーンを有している。以下に提示される実施例の幾何学的特徴は、以下のように与えられる。

【0124】

・主チャネル１：幅１ｍｍ（ｗ_０＝１ｍｍ）および深さ１ｍｍ（ｐ＝１ｍｍ）
・フォーカシングチャネル３：幅５００μｍおよび深さ１ｍｍ
・漏れポンプチャネル２５：１ｍｍの深さにわたり幅１００μｍ
・５ｍｍの直径を有する空洞４０
以下、すなわち入り口における１ｍｍ／ｓという平均速度Ｖ_０、１ｍｍ／ｓのフォーカシング速度Ｖ_{ｆｏｃｕｓｉｎｇ}、および大気圧に等しい出口圧力が与えられる場合、式（１）を適用することによって、漏れ速度が４５０μｍ／ｓでなければならないことが示される。
Q_focusing = V_focusing S= (1×10^-3)(500×10^-6)(1×10^-3) = 0.5×10^-9 m³/s
Q_main = V_main S= (1×10^-3)(1×10^-3)(1×10^-3) = 1×10^-9m³/s
Q₀ = 1.5×10^-9m³/s
ここで、Ｓ＝ｗ_０×ｐであり、ｍ^３／ｓは、立方メートル／秒を表わしている。

【0125】

したがって、
Q_leak = 0.03´Q₀ = 0.045´10^-9 = V_leak ´ S

であり、ここから

【0126】

がもたらされる。

【0127】

以上の数値モデルは、
・フォーカシング後に壁７から５０μｍに位置する流線が、実際に再循環空洞４０へと進入する一方で、例えば壁７から１５０μｍに位置する流線は、再循環ゾーンから締め出されること、および
・漏れポンプ２５によって再循環ゾーンが消されることがない（図４ｆ参照）こと
を示している。

【0128】

図１２において、順次の取り出しチャネル２７が再循環ゾーン４１の真ん中に存在することを、見て取ることができる。

【0129】

本発明の設定変更可能という性質を説明するために、直径１．５ｍｍの円形の空洞４０（図４ｂまたは図８）、５００μｍ×５００μｍの寸法を有する矩形の主チャネル１、および３００μｍ×３００μｍの寸法を有する矩形の漏れポンプチャネル２５に関して、Ｑ_０＝１５μＬ／分における一例を提示する。これは、
ａ）Ｖ_ｍａｘ＝１．８ｍｍ／ｓ（主チャネルにおける最大速度）およびＶ’_ｍａｘ＝５０μｍ／ｓ（空洞における最大速度）において、Ｑ_ｌｅａｋ＝２６μＬ／ｈで臨界サイズ２ｗ_１＝１００μｍを与え、
ｂ）Ｖ_ｍａｘ＝１．８ｍｍ／ｓおよびＶ’_ｍａｘ＝１４μｍ／ｓにおいて、Ｑ_ｌｅａｋ＝６．９μＬ／ｈで２ｗ_１＝５０μｍを与え、
ｃ）Ｖ_ｍａｘ＝１．８ｍｍ／ｓおよびＶ’_ｍａｘ＝１４μｍ／ｓにおいて、Ｑ_ｌｅａｋ＝０．３μＬ／ｈで２ｗ_１＝１０μｍを与える。

【0130】

空洞４０における粒子の最大速度は、それぞれ主チャネルにおける最大速度よりも３６倍、１００倍、および１２９倍小さい。このような速度が、ランゲルハンス島などといった壊れやすい細胞の凝集力に乏しい集団の濃縮に適することを、理解できるであろう。

【0131】

臨界サイズの考え方は、臨界サイズよりも小さい粒子が空洞へと進入して、そこで濃縮される一方で、臨界サイズよりも大きい粒子は、空洞へと進入することなく主チャネルに沿い続け、あるいは空洞から出ることを意味する。

【0132】

上述の例は、所与の入り口流量Ｑ_０および所与の形状において、漏れ流量Ｑ_ｌｅａｋを変化させることによって、臨界サイズを１０倍も（１０μｍ〜１００μｍの範囲にわたって）変化させることができることを示している。

【0133】

このように、本発明の装置は、所与の幾何学的特徴においてユーザがさまざまな臨界サイズで選別を実行することができるため、使用においてより柔軟である。これは、横チャネルの流体の流通抵抗を調節する必要があるＭ．ＹａｍａｄａおよびＭ．Ｓｅｋｉ（Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ２００５、１２３３〜１２３５頁において発表された上記論文）による技法や、臨界サイズの設定を可能にしていない公知の流れ絞り技法と比べたときに、有利である。

【0134】

本発明は、粒子の選別および濃縮に、それらが生物学的な粒子であるか否かにかかわらず使用可能である。すなわち、本発明のマイクロシステムの寸法を適宜に選択することによって、例えば
・ポリマー粒子、ナノ粒子、金属粒子、あるいは
・動物または植物細胞、細胞小器官、微生物、たんぱく質、ＤＮＡ分子、など
に使用することが可能である。

【0135】

特には、選別／濃縮装置を、ランゲルハンス島、２０μｍ〜５００μｍのサイズの壊れやすい細胞集団を選別するのに適用することが可能である。

【0136】

島の単分散の集団を得ることは、例えば薬物動態学的研究を実行するときや、島を揃いのサイズのカプセルに封入するために、好都合でありうる。

【0137】

細胞集団をサイズによって選別するための装置は、それ自身が、本発明の進歩的な態様である。なぜならば、それらのサイズおよび壊れやすさを前提として、従来技術において、そのような集団の選別を可能にするためにただ１つの装置を使用することが可能であるが、そのような装置は、いかなる状況であっても、決してマイクロ流体装置ではないからである。

【0138】

マイクロシステムは、生物学的粒子の選別および濃縮に使用することができるようにするために、殺菌することが可能である。

【0139】

入り口において、流体の移動を、圧力または流量にて制御することが可能である。

【0140】

この装置は、主として水相において機能するように意図されており、あるいは流体としての視点から見て、水のように挙動する培地において機能するように意図されている。

【0141】

しかしながら、他の種類の液体またはポリマー溶液においても、該当の液体の密度および粘度を考慮に入れるように該当の液体再循環チャンバの形状を構成したうえで、使用することが可能である。

【0142】

さらに、この選別装置は、好都合には殺菌可能であってよい。

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【図4d】

【図4e】

【図4f】

【図4g】

【図5】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18a】

【図18b】

【図19】