特許 5997173 フィルターデバイス及びそれを用いた分析デバイス

(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】5997173

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月28日

(54)【発明の名称】フィルターデバイス及びそれを用いた分析デバイス

(51)【国際特許分類】

   B01J 20/10 20060101AFI20160915BHJP

   B01J 20/281 20060101ALI20160915BHJP

   B01J 19/00 20060101ALI20160915BHJP

   G01N 1/10 20060101ALI20160915BHJP

   C12M 1/12 20060101ALI20160915BHJP

   C12M 1/00 20060101ALI20160915BHJP

   B32B 5/26 20060101ALI20160915BHJP

【ＦＩ】

   B01J20/10 A

   B01J20/10 C

   B01J20/22 D

   B01J19/00 321

   G01N1/10 B

   C12M1/12

   C12M1/00 A

   B32B5/26

【請求項の数】14

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-540654(P2013-540654)

(86)(22)【出願日】2012年10月24日

(86)【国際出願番号】JP2012006805

(87)【国際公開番号】WO2013061585

(87)【国際公開日】20130502

【審査請求日】2015年9月18日

(31)【優先権主張番号】特願2011-234028(P2011-234028)

(32)【優先日】2011年10月25日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100081422

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 光雄

(74)【代理人】

【識別番号】100100158

【弁理士】

【氏名又は名称】鮫島 睦

(74)【代理人】

【識別番号】100132241

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 博史

(74)【代理人】

【識別番号】100113170

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 和久

(72)【発明者】

【氏名】中谷 将也

(72)【発明者】

【氏名】岡 弘章

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル・ヤズベク

(72)【発明者】

【氏名】山本 健樹

(72)【発明者】

【氏名】野上 貴裕

【審査官】 河野 隆一朗

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／０８２２７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−０６１２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２１６１２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１３６８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０３２１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１５４８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平１０−５０１１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００２／０４５８４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 Ya-Show Chen, Chao-Shuan Chang, and Shing-Yi Suen，Protein adsorption separation using glass fiber membranes modified with short-chain organosilicon derivatives，Journal of Membrane Science，２００７年，Vol.305, No.1-2，P.125-135

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｊ ２０／００ − ２０／３４

Ｂ０１Ｄ １５／００ − １５／０８

Ｃ１２Ｍ １／００

Ｄ０４Ｈ １／４２１８

Ｇ０１Ｎ １／１０

Ｇ０１Ｎ ３０／８８

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アモルファス二酸化ケイ素からなる複数の繊維を有し、前記複数の繊維が互いに絡み合うことにより接続され、空隙部を形成するシート状繊維構造体を少なくとも有し、
前記繊維の少なくとも表面側は、窒素原子がドープされているフィルターデバイス。

【請求項2】

前記繊維の一部が溶融し、前記繊維と前記繊維の一部が結合して形成された接続部を有する請求項１に記載のフィルターデバイス。

【請求項3】

前記繊維の長さが１μｍ以上、５００μｍ以下である請求項１に記載のフィルターデバイス。

【請求項4】

前記繊維と隣り合う前記繊維との最大間隔が１μｍ以上、５０μｍ以下である請求項１に記載のフィルターデバイス。

【請求項5】

前記繊維の太さが０．０１μｍ以上、１μｍ以下である請求項１に記載のフィルターデバイス。

【請求項6】

前記繊維の表面は、撥水膜により表面修飾されている請求項１に記載のフィルターデバイス。

【請求項7】

前記窒素原子のドープ量は、前記表面側が最も濃度が高く、前記繊維の中心部になるほど濃度は低くなり、少なくとも最も中心に近いところでは窒素原子が存在しない、請求項６に記載のフィルターデバイス。

【請求項8】

請求項１に記載のフィルターデバイスを流路に備えた分析デバイス。

【請求項9】

前記シート状繊維構造体の表面に官能基を形成し、
前記官能基は、オクチル基、オクタデシル基、ドコシル基、トリアコチル基のいずれかよりなる請求項８に記載の分析デバイス。

【請求項10】

前記シート状繊維構造体を複数設けた請求項８に記載の分析デバイス。

【請求項11】

前記複数のシート状繊維構造体は、親水性コーティングされた第一のシート状繊維構造体と、疎水性コーティングされた第二のシート状繊維構造体とを設け、第一のシート状繊維構造体と、第二のシート状繊維構造体とが交互に積層された請求項１０に記載の分析デバイス。

【請求項12】

前記流路の流路径は１０μｍ〜１０００μｍである請求項８に記載の分析デバイス。

【請求項13】

前記流路には流入口が設けられ、前記流入口には流体制御機構が備えられている請求項８に記載の分析デバイス。

【請求項14】

前記流路の末端部に光学分析用の光路を備えた請求項８に記載の分析デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、繊維状の二酸化ケイ素よりなるシート状繊維構造体に関する。また、マイクロリアクター、ケミカルチップ、バイオチップ、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ、ナノチップ、クロマトグラフィー等の一部において、溶液から特定の物質のみを抽出するために用いられるシート状繊維構造体からなるフィルターデバイス及びそれを用いた分析デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

シート状繊維構造体を用いたアプリケーションの一例であるフィルターデバイスは、複数の物質が含まれるサンプル試料から特定の物質（被検体）のみを分離することを目的としており、様々な分野において必要とされている。

【0003】

例えば、石英からなる第一の基板の表面にドライエッチングやウェットエッチングなどの化学的処理や、あるいはレーザー、イオンビームなどによるエネルギー線照射処理による加工処理を施し、島状の柱状物を複数形成する。その後、この柱状物を密閉するようにシリコンからなる第二の基板で接合する。これにより、第一の基板と第二の基板とで密閉された島状の柱状物の隙間をフィルター流路として用いることが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

【0004】

また、第一の基板の表面には流路溝が形成され、この流路溝に複数の繊維状突起物からなる繊維状層が開口部まで設けられたデバイスが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

【0005】

また、繊維径が０．０２μｍ以上、０．８μｍ未満の極細繊維を０．５重量％以上、５０重量％未満含有する白血球除去材料であって、この極細繊維によって真円度が１．７以下、円換算径が１μｍ以上２０μｍ未満の網目状構造を形成していることを特徴とする白血球除去材料が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。

【0006】

また、繊維径が０．１μｍ以上、０．６μｍ未満の極細繊維を５重量％以上、２０重量％未満含有する白血球除去材であって、この極細繊維は湾曲度が１．２以上であることを特徴とする白血球除去材が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。

【0007】

フィルターデバイスを用いたアプリケーションの一例である分析チップは、従来、微量生成物の精製、単離や成分分析などを目的としており、通常、カラム管内に固定相としてのカラム用の充填剤であるシリカゲルを充填して成る。このシリカゲルの製造方法としては、アルコキシドなどの有機物を含有する酸化物を原料として使用し、ゾルゲル反応により無機多孔体を得る方法が知られている。具体的には、酸存在下において、アルコキシシランを水又は水／アルコール混合溶液中で加水分解し、シリカゾルを形成する。得られたシリカゾルをベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素と長鎖有機カルボン酸又は界面活性剤等の乳化剤とからなる油性分散媒中に添加して、ホモミキサー等の撹拌装置により撹拌し、この乳化液をゲル化させて製造する。この製造法は最も容易に実施できる方法の一つであるため、好ましく実施されており、この方法によって製造されたシリカゲルは、特徴的な表面物性を持つことから高速液体クロマトグラフィー充填剤として利用されている（例えば、特許文献５参照。）。

【0008】

なお、この出願の開示に関する先行技術文献としては、下記の特許文献が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００２−２３９３１７号公報

【特許文献2】国際公開第２０１０／０８２２７９号

【特許文献3】特開平１１−１２１８１号公報

【特許文献4】特開平１１−１２１８０号公報

【特許文献5】国際公開第２００６／００１３００号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上記のような構成においては、分離を効率良く行うことが困難であった。
従来のシート状繊維構造体を用いたフィルターデバイスの場合では、特に被検体の存在割合が低い場合、多くの物質が存在する試料溶液中から特定の物質のみを検出することは困難である。さらに、多くの物質が存在する少量の溶液から特定の被検体のみを抽出させることは困難であった。その結果、分離効率が低下してしまう。

【0011】

従来のシリカゲルをベースにしたカラムクロマトグラムは、シリカゲルの粒子径と分離能力から直径２ｍｍ、長さ１０ｃｍのカラムと大型であり、分離のためには液相においても一分析あたり５０〜１００ｍＬもの分離用溶液が必要となる。また、分析時間においても約６０分の時間を要していた。その結果、測定する際の分析効率が低下してしまう。

【0012】

そこで、本開示は、上記課題を解決し、測定時の分離効率を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

前記従来の課題を解決するために、本開示は、アモルファス二酸化ケイ素からなる複数の繊維を有し、前記複数の繊維が互いに絡み合うことにより接続され、空隙部を形成するシート状繊維構造体を少なくとも有したフィルターデバイスを提供する。

【0014】

前記従来の課題を解決するために、本開示は、基板と、前記基板に形成された流路と、前記流路の内壁に備えられたシート状繊維構造体と、を含む分析デバイスであり、前記シート状繊維構造体は、アモルファス二酸化ケイ素からなる複数の繊維を有し、前記複数の繊維が互いに絡み合うことにより接続され、空隙部を形成された分析デバイスを提供する。

【発明の効果】

【0015】

本開示のシート状繊維構造体は、極めて純度の高いアモルファス二酸化ケイ素で構成されており、このため、耐熱性が１０００℃以上と高い。つまり、フィルターデバイスに熱処理により表面処理を施す場合であってもシート構造を破損することがない。

【0016】

さらに、二酸化ケイ素は、耐アルカリ性、耐酸性の高い材料であるため、薬品処理により表面処理を施す場合であってもシート構造を破損することがない。

【0017】

さらに、アモルファス構造であるため、結晶体繊維に比べて高い柔軟性を持っている。このため、折り曲げ、プレスなどを行ってもシート構造が破損されることが少ない。

【0018】

これにより、本開示のシート状繊維構造体からなるフィルターデバイスは、フィルターデバイスそのものを小型化し、分離時間を短縮することができる。

【0019】

また、これにより、本開示のシート状繊維構造体からなる分析デバイスは、分析デバイスそのものを小型化し、分析時間を短縮することができる。

【0020】

さらに、分析デバイスが小型化することにより、分析に必要な溶媒が少量で可能となるため、溶媒量を削減することができる。その結果、分析効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】（ａ）図１（ａ）は、実施の形態１におけるシート状繊維構造体の断面図である。（ｂ）図１（ｂ）は、実施の形態１におけるシート状繊維構造体の要部拡大図である。

【図2】図２は、実施の形態１におけるシート状繊維構造体の要部ＳＥＭ写真である。

【図3】図３は、実施の形態１におけるシート状繊維構造体の要部ＳＥＭ写真である。

【図4】図４は、実施の形態１におけるシート状繊維構造体の要部ＳＥＭ写真である。

【図5】図５は、実施の形態１におけるフィルターデバイスを用いた際の断面模式図である。

【図6】図６は、実施の形態１におけるフィルターデバイスの要部ＳＥＭ写真である。

【図7】図７は、実施の形態１におけるフィルターデバイスの断面図である。

【図8】図８は、実施の形態１におけるシート状繊維構造体の断面図である。

【図9】図９は、実施の形態１におけるシート状繊維構造体を窒化処理した後の要部ＳＥＭ写真である。

【図10】図１０は、実施の形態１におけるシート状繊維構造体の窒化処理前後におけるＥＤＳ分析結果を示す図である。

【図11】図１１は、実施の形態１における窒化処理有無によるシート状繊維構造体についての血球分離能を比較した図である。

【図12】図１２は、実施の形態１における窒化処理有無によるシート状繊維構造体について、それぞれ長期保管した後の血球分離能を比較した図である。

【図13】図１３は、実施の形態２における分析デバイスの上面図である。

【図14】図１４は、実施の形態２におけるシート状繊維構造体の要部ＳＥＭ写真である。

【図15】図１５は、実施の形態３におけるフィルターデバイスを用いた際の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本開示を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本開示はこれら実施の形態に限定されるものではない。

【0023】

（実施の形態１）
以下、本開示の実施の形態１におけるアモルファス二酸化ケイ素のシート状繊維構造体について、図面を参照しながら説明する。

【0024】

図１は、実施の形態１におけるシート状繊維構造体の断面図、図２は、シート状繊維構造体の表面状態を示す走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、SEM）像を示す写真である。
図１および図２に示すように、シート状繊維構造体１００は、アモルファス二酸化ケイ素(以下、単に二酸化ケイ素と呼ぶ)からなる繊維１が互いに絡み合い、接続され、内部に溶液や固体物質などを通すための空隙部２を有している。繊維１は、適度にカールした状態で互いに絡み合って密集している。

【0025】

さらに、この繊維１は、図３に示すように適度にカールした状態で互いに絡み合って密集している。また、図４に示すように、繊維１は、一部が互いに溶融された接続部３により接続されている。これにより繊維１は、より強固に繋がる。このように接続部３を持つことにより、隣り合う繊維１が互いに支え合うため、接続部３の無い場合に比べて強固になる。

【0026】

次に、シート状繊維構造体の製造方法の一例を示す。
まず、原料となるＳｉからなる粒子あるいは基材を準備する。この原料と少なくとも酸素が含まれるガスとを混合させ、ヒータなどを用いて１０００〜１５００℃で加熱する。原料はその原料が持つ沸点もしくは昇華点付近近辺に達すると蒸発をする。蒸発した原料はガスに含まれる酸素と結合し亜酸化シリコン（ＳｉＯ）を形成した後、凝集を起こし、雰囲気中の酸素を取り込んで二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）となり、繊維１として析出される。ここで、原料が持つ沸点もしくは昇華点付近近辺とは、原料が当該圧力雰囲気の時にガス化する温度のことをいう。

【0027】

ここで、形成されたＳｉＯの周辺に核となる物質が存在すると凝集が起こりやすくなり、さらに雰囲気中の酸素を取り込んで、効率よく繊維１として析出される。なお、核となる物質としては、例えば、Ｐｔの他に、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉまたはＡｕ等の金属を用いることができ、特に金属の種類には限定されない。また、核となる物質は必ずしも必要ではない。
なお、加熱時の圧力を大気圧より低くしておくと、原料の沸点もしくは昇華点付近が下がり、蒸発しやすくなるので、繊維１をより多く形成することができる。特に、出来るだけ酸素を取り除いた状態で昇温し、少量の酸素を追加した低酸素分圧下、例えば１０^-２Ｐａ〜数１０００Ｐａでその温度を維持することにより、繊維１の生産性が向上する。

【0028】

そして、このように析出した繊維１が絡み合い、重なり合うことによって、シート状繊維構造体１００が形成される。このとき、繊維１が成長していく過程によってシート状になる場合と、繊維１が成長して形成された後にシート状になる場合とがある。このような条件は、繊維１を形成する際の温度に依存している。

【0029】

さらに、シート状繊維構造体１００に約１１００℃以上の熱を加えると、シート状繊維構造体１００は熱溶融を起こす。熱溶融を起こしたＳｉＯ_２繊維は、冷却過程で隣り合う繊維と接触している箇所があると結合を起こし、図３に示すように、接続部３を複数有するシート状繊維構造体１００を形成する。このように接続されたシート状繊維構造体１００は、空隙部２を有しているので表面積を大きく保つことができる。さらに繊維１が互いに支え合うため、接続部３の無い場合に比べて強固になる。

【0030】

なお、接続部３は、繊維１が成長していく過程においても形成される場合がある。接続部３の形成は繊維１の形成時の温度に依存している。特に原料にシリコン基板を用いた場合、繊維１形成過程における基板と繊維１との接合部分の表面では、繊維１が密集しているため溶融が起こりやすく、接続部３が形成されやすい。

【0031】

なお、繊維１を形成するために必要なガスは、酸素の他に、一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）、一酸化炭素（ＣＯ）など酸化作用を有する（つまり酸素を供給する）ガスも使用可能である。しかしこれらのガスは、酸素とは別の不純物を含むため、繊維１の形成およびシート状繊維構造体１００の形成過程に影響を及ぼすので、適切な濃度・温度・圧力の制御が必要である。
なお、繊維１の大きさ、繊維１の形成時における雰囲気の圧力、雰囲気の酸素濃度、雰囲気の温度などの条件により析出状態が変わる。そのため、これらの条件を変えることによって所望の形状を持った繊維１およびシート状繊維構造体１００を形成できる。繊維１の直径（太さ）は０．０１μｍ以上、１μｍ以下まで変えられる。繊維１の長さは１μｍ以上、５００μｍ以下まで変えられる。

【0032】

このように形成されたシート状繊維構造体１００の繊維１が複数形成されている領域においては、アモルファス二酸化ケイ素の表面積が極めて大きくなる。一方で、アモルファス二酸化ケイ素周辺には空隙部２が多数存在している。シート状繊維構造体１００はアモルファス二酸化ケイ素からなる繊維１と空隙部２によって構成されている。そして本実施の形態では、空隙部２において、フィルター機能を設けることができる。

【0033】

また、このシート状繊維構造体１００は高温、高酸素濃度下でも使用可能であり、図３に示すように熱溶融により容易に網目状構造を形成することができるので、強度をさらに強くすることができるといったカーボン系ファイバーにはない特徴を有する。

【0034】

上記シート状繊維構造体１００はガラスキャピラリ、ＰＥＥＫチューブ等の送液路内に封入することでフィルターデバイス１０１とすることが可能であり、各種溶液のフィルターを容易に行うことができる。図５は、複数の貫通孔４が形成された枠体５にシート状繊維構造体１０を入れ、この枠体５をガラスからなるキャピラリ６の先端に封入した様子を示す模式図である。このようにすることで、キャピラリ６の上端から、たとえば白血球７と赤血球８が混在した溶液を投入すると、シート状繊維構造体１００で白血球７が捕獲され、赤血球８のみが透過するといったフィルターデバイス１０１を得ることができる。なおここで、白血球７がシート状繊維構造体１００に捕獲される理由は、白血球７のみがその表面に特定のタンパク質を保有しており、このタンパク質がシート状繊維構造体１００の表面にあるＳｉＯＨ基などに吸着されやすい性質を持っているからである。またシート状繊維構造体１００の表面にはＳｉＯＨ基の他、各種の分子構造をつけておくことができるので、フィルターにおいて捕獲したい物質によって各種分子構造の選択がなされることが好ましい。この場合においても、シート状繊維構造体１００がナノ構造の屈曲した繊維構造であり、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を主体とした材料であることは極めて有利である。すなわち、これら材料は耐薬品性、耐熱性に優れており、各種分子構造をつける際に用いる薬品や温度などの工程条件に制約がすくない。さらに、シート状繊維構造体１００がナノ構造の屈曲繊維であるので、その表面積は大きくなり、図６に示す捕獲の様子のように、被フィルター物質９である捕獲対象粒子を巻き込んで捕獲することができるので、より強い捕獲性能を有する。

【0035】

なお、図５においては、フォルターデバイス１０１は、複数の貫通孔４を形成した枠体５にシート状繊維構造体１００を形成したが、枠体５に保持部（図示せず）を設けてもよい。保持部を設けることにより、キャピラリ６挿入時の接合がさらに容易となる。さらに、保持部を設けることにより、枠体５本体の強度を増強することが可能となるため、保持部を設けることが望ましい。

【0036】

なお、図５においては、フォルターデバイス１０１は、複数の貫通孔４を形成した枠体５にシート状繊維構造体１００を形成したが、必ずしも枠体５に形成する必要はなく、図７に示すように、流入口１０と流出口１１との間に挟むようにシート状繊維構造体１００が備えられていればよい。この場合は流入口１０から投入した溶液がシート状繊維構造体１００に均一に透過するように、流入口１０とシート状繊維構造体１００の間に流路構造(図示せず)が設けられている。なお、このような流路構造が挟み込まれたフィルターは一般的であるので、ここではこれ以上説明しない。
なお、図８に示すように、作製したシート状繊維構造体１００の繊維１の表面を撥水膜１２によって表面修飾することも可能である。撥水膜１２は、例えばＣＦ_２鎖が繋がったポリマーやＣＦ基が存在するフッ素化合物、アルキルシリル基、フルオロシリル基、長鎖アルキル基によって形成できる。繊維１の表面が撥水効果を持つ化学物質で修飾されることにより、撥水膜１２が繊維１の表面に形成される。

【0037】

撥水性の高いシート状繊維構造体１００を用いたフィルターデバイス１０１は、フィルタリングする溶液の溶媒が疎水性である場合において特に有効である。すなわち、シート状繊維構造体１００が親水性であると、疎水性溶媒はフィルターデバイス１０１に形成されたシート状繊維構造体１００へ侵入できないが、疎水性にすることでこれら溶媒に対するフィルタリングを効率よく行うことが出来る。

【0038】

このように、シート状繊維構造体１００の表面を疎水性にしたい場合において、本開示のシート状繊維構造体１００は構造材料が二酸化ケイ素を主体としているため有利である。つまり、二酸化ケイ素は耐薬品、耐熱に優れており、撥水性表面を形成するための薬品、工程条件に制約が少ない。

【0039】

また、繊維１の表面側から窒素原子をドープすることで、繊維１の表面の分子組成を変更することができる。すなわち、繊維１の表面にＳｉＮ結合あるいはＳｉＯＮ結合を含むことができる。繊維１の主成分であるアモルファス二酸化ケイ素を、ＮＨ₃ガス雰囲気において１０００℃前後に熱することで、繊維１の表面には窒素原子がドープされ、表面ではＳｉ−Ｏ−Ｎ結合、もしくはＳｉ−Ｎ結合が少なくとも５％以上、存在することになる。Ｓｉ−Ｏ−Ｎ結合やＳｉ−Ｎ結合は一般にアモルファス二酸化ケイ素の表面であるＳｉ−Ｏ−Ｈ結合やＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合よりも安定しており、たとえば繊維１の表面に吸着する被フィルター物質９がフィルターデバイス１０１の経時変化によらず、安定して吸着するという利点を有している。

【0040】

例えば、二酸化ケイ素からなる繊維１を有するシート状繊維構造体１００をＮＨ_３ガス雰囲気囲気で焼成することによって繊維１の表面および内部に窒素をドープする窒化処理を施した。図９は、実施の形態１におけるシート状繊維構造体を窒化処理した後の要部ＳＥＭ写真である。図９に示すように、窒化処理前の繊維１の形状と何ら変わりなく同じように、窒化処理後も複数の繊維１が互いに絡み合って接続され、空隙部２を形成している。

【0041】

図１０は、窒化処理前後における繊維１についてのエネルギー分散型Ｘ線分析（Energy dispersive X-ray spectrometry、ＥＤＳ）分析結果を示す図である。その分析結果を（表１）に示す（小数点３桁未満は切り捨て。）。

【表1】

【0042】

窒化処理後は窒素原子（Ｎ）が増える一方で酸素原子（Ｏ）が減少しているのが分かる。すなわち、窒化処理前の繊維１には、窒素原子がほとんど存在しておらず、繊維１の表面はＳｉＯ結合である。一方、窒化処理後の繊維１の表面はＳｉＯ結合、ＳｉＮ結合（もしくはＳｉ−Ｏ−Ｎ結合）が混在している状態である。

【0043】

このようにＳｉＮ結合が存在する場合においては、ＳｉＯ結合だけである場合よりも、表面の結合状態は安定的である。つまり、ＳｉＯ結合だけの場合には最表面はＳｉ−Ｏ−Ｓｉのシロキサン結合もしくは、Ｓｉ−ＯＨのシラノール基結合にて終端される必要があり、これらの結合は表面が暴露されている雰囲気に敏感に左右される。

【0044】

例えば、雰囲気温度が高く（たとえば１００℃以上）乾燥した雰囲気である場合にはＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が優勢になり、逆に、雰囲気温度が低く（たとえば室温以下）湿度が高い状態である場合にはＳｉ−ＯＨ結合が優勢になるとされている。これは、下記反応が可逆的に起こりやすいからである。
Ｓｉ−ＯＨ ＋ Ｓｉ−ＯＨ →← Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ ＋ Ｈ_２Ｏ

【0045】

この反応は二つのＳｉ−ＯＨ基が隣り合う距離にあるとき最も反応が起こりやすいため、表面がＳｉＯ_２のみで構成されている場合には環境によって不安定さが伴う。ここで不安定さとは、たとえば、表面電位のバラツキに影響する。表面がＳｉＯ_２のみで形成されている場合は、マイナスにチャージするＳｉ−ＯＨ結合である場合と、プラスにチャージするＳｉＯ結合である場合と、が混在することになる。環境によって表面結合が変化することは、すなわち表面電位が環境によって変わりやすいということを意味している。

【0046】

しかし、本開示の一実施例のように、最表面にＳｉＮ結合が混在している場合には、Ｓｉ−ＯＨ基が隣り合う確率が少なくなることで、上記反応が起こりにくく、つまり安定した表面となる。表面電位はＮＨ_２基の数とＳｉ−ＯＨ基の数の比によって変わるが、表面の結合状態が安定しているので、すなわち表面電位も安定している。

【0047】

本実施例では、上記のように窒化処理した繊維１からなるシート状繊維構造体１００を用いて血液用フィルターを作成し、一定時間、保管し、環境によって表面状態がどのように変わるかを実際に実験した。

【0048】

図１１は、窒化処理を行っていないサンプル（未処理１，未処理２，未処理３）と、窒化処理を行ったサンプル（窒化処理１、窒化処理２、窒化処理３）とを用い、血液用フィルターを作成した直後に血液サンプルを濾過し、赤血球回収率（透過率）と白血球除去率を比較した図である。
赤血球と白血球は、それぞれ異なる表面性を持ち、繊維１の表面には白血球のほうが赤血球に比べて捕捉されやすい性質を持つ。図１１に示すように、窒化処理を行っていないサンプル（未処理１，未処理２，未処理３）と、窒化処理を行ったサンプル（窒化処理１、窒化処理２、窒化処理３）との間には、赤血球の透過率は共に４０〜７０%、白血球の除去率は共に９０〜１００%と大きな差は見られなかった。すなわち、窒化処理による表面状態の変化は、シート状繊維構造体１００を用いた血液用フィルターの初期特性においては何ら影響を及ぼさないことがわかった。

【0049】

そして、これら血液用フィルターのサンプルを窒素雰囲気にそれぞれパッケージし、長期的な保管を行った後、同様に血液サンプルを濾過し、赤血球透過率、白血球除去率を計測した。
図１２は、窒化処理を行っていないサンプル（未処理４、未処理５）からなる血液用フィルター、あるいは、窒化処理を行ったサンプル（窒化処理４、窒化処理５、窒化処理６）からなる血液用フィルターをそれぞれ長期保管した後に、血液サンプルを濾過し、赤血球回収率（透過率）と白血球除去率を比較した図である。

【0050】

窒化処理を行っていないサンプル（未処理４、未処理５）では白血球の除去率が低下、赤血球透過率が上昇しており、血液用フィルターの特徴である白血球の優先的除去が見られにくくなった。一方で窒化処理を行ったサンプル（窒化処理４、窒化処理５、窒化処理６）では、初期状態のサンプル（窒化処理１、窒化処理２、窒化処理３）に比べて白血球の除去率が８０〜９５%へ低下が若干みられるものの、優先的に白血球を除去するフィルターとしての特性は失われてない。
すなわち、窒化処理を行うことで表面の結合状態が安定し、長期の保管においても表面特性の劣化が少なくなることが分かる。

【0051】

なお、上述のようなＮＨ_３ガス雰囲気による窒素原子ドープを行った場合、繊維１の最も中心（内部）に近い部分では窒素原子が存在しないことが望ましい。つまり、窒素原子のドープ量は繊維物質の表面が最も高く、中心に向かうほど低くなり、最も中心では窒素原子は存在していない。このように、ドープ量が連続して変化していることで、繊維１は分子構造の不連続点を持つことが無いので、窒素原子のドープされた領域が剥がれるといったことがない。

【0052】

高分子材料によりフィルターデバイスを形成した場合は、耐熱性、耐薬剤性の問題がある。しかし、本実施の形態のシート状繊維構造体１００を用いたフィルターデバイス１０１は、アモルファス二酸化ケイ素からなる無機材料であるため、耐熱性、耐薬剤性に優れている。シート状繊維構造体１００は、耐熱温度が１０００℃以上であり熱処理による表面処理などを容易に行える。そして、耐薬品性としてはフッ化水素酸以外に侵されることがなく、アルカリ性溶液に対しても強固である。このように、単位面積当たりの空隙率が高く、耐熱性、耐薬品性にも優れたフィルターデバイス１０１を提供できる。

【0053】

（実施の形態２）
本実施の形態においては、実施の形態１で形成されたシート状繊維構造体１００を用いた分析デバイス１０２について説明する。図１３は、実施の形態２における分析デバイス１０２の上面図である。図１４は、実施の形態２におけるシート状繊維構造体の要部ＳＥＭ写真である。

【0054】

本実施の形態における分析デバイス１０２は、シリコンからなる基板２１と、この基板２１表面に形成された末端に流入口２４と流出口２５とを設けた流路２２と、この流路２２の内壁に充填されたシリコン酸化物からなる繊維１よりなるシート状繊維構造体１００とから構成されている。

【0055】

基板２１は、単結晶シリコンからなるシリコン基板２１を用いたが、他に例えば、ガラスや多結晶シリコン、熱酸化ＳｉＯ₂、ポリシリコン、アモルファスシリコンなどの無機素材で形成することができる。また、シリコンの他に、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、環状ポリオレフィンなどの樹脂や、それらの樹脂とガラスとの複合材料からも成形することもできる。

【0056】

ここで、シート状繊維構造体１００に用いる繊維１は、流路２２内壁から直接接合させることも可能であるが、流路２２の内壁に充填しておいてもよい。ここで、「直接接合」とは、流路２２内壁に繊維１とが直接形成され、流路２２内壁と繊維１とを構成する原子または分子が直接結合している状態を指し、通常は分子間が共有結合をしている状態である。本実施例では、流路２２内壁面のケイ素原子と繊維１中のケイ素原子とが、雰囲気中の酸素原子を介して共有結合している。

【0057】

図１４に示すように、繊維１には、例えば、その表面に官能基２３が形成されていてもよい。官能基２３は、オクチル基、オクタデシル基、ドコシル基、トリアコチル基のいずれかを用いることができ、シランカップリング反応を用いることによって容易に繊維１の表面に形成することができる。

【0058】

この官能基２３は、流路２２内壁に形成された繊維１の表面に、分析直前に反応を行うことによって、官能基２３を形成させても良いし、あらかじめ繊維１に官能基２３を形成させた状態で、流路２２の内部に充填させておいても良い。

【0059】

なお、繊維１が流路２２内壁に形成された状態でシランカップリング反応によって官能基２３を形成させる場合は、シランカップリング反応において未反応であった未反応シラノール基を繊維１表面より排除することが望ましい。

【0060】

本実施の形態における分析デバイス１０２は、流路２２に供給されたサンプルが図１３に示した矢印方向に流れていき、流路２２の内壁に充填された繊維１の表面に形成された官能基２３と反応しながら流路２２内部を通り抜けることで、サンプルを分離しながら、分析することができる。

【0061】

サンプルの供給は、図１３に示すように、流路２２の末端に設けられた流入口２４を用いて行われる。この時、流入口２４に流体制御機構（図示せず）を設けることによってサンプルの供給をより円滑に行うことができる。流体制御機構としては、例えば、ロータリーポンプやブランジャーポンプを用いることができる。

【0062】

なお、流路２２の末端である流出口２５に光学分析用の光路（図示せず）を設けることで、分離された物質を分取後すぐに観測することができるため、流出口２５に光学分析用の光路を設けることが好ましい。

【0063】

次に本実施の形態における分析デバイス１０２における効果を示す。
本実施の形態の分析デバイス１０２においては、０．０１〜１μｍの径を持つ繊維１からなるシート状繊維構造体１００を用いているため、表面積の大きさを充分確保することによって、分離機能・感度を向上することができる。また、通常のシリカゲルなどの充填剤に比べ、繊維１の径が小さいために流路２２内壁に高充填させることが可能となり、分析デバイス１０２そのものを小型化することが可能となる。従って、極微量のサンプルでも分析を行うことが可能となると同時に分離の際に用いるアセトニトリルなどの溶媒も少量で済ませることができ、分離用溶媒を削減することができる。その結果、分析時間の短縮や、分離用に用いられる溶媒を削減させることができ、分析効率を向上させることができる。

【0064】

本実施の形態の分析デバイス１０２は、吸着クロマトグラフィー、分配クロマトグラフィー、イオン交換クロマトグラフィー、分子排斥クロマトグラフィー、アフィニティークロマトグラフィーなどの固体相として用いることが可能であり、ガスクロマトグラフィー、液体クロマトグラフィー、超臨界流体クロマトグラフィーなどとして用いることが可能である。

【0065】

なお、本実施の形態では流路２２は基板２１に形成する例で説明したが、必ずしも基板２１上に形成する必要は無い。流路２２は、キャピラリ形状（図示せず）となっており、流路２２の内壁に官能基２３を有する繊維１からなるシート状繊維構造体１００が形成されている場合であっても実施することが可能である。

【0066】

なお、本実施の形態では流路２２は基板２１に直線状に１本形成する例で説明したが、流路２２の末端に流入口２４と流出口２５とが形成されていれば、流路２２の形状、本数はこれに限定されない。

【0067】

なお、本実施の形態では流体制御機構を用いてサンプルを供給したが、流出口２５から吸引することによって、流路２２にサンプルを供給することもできる。

【0068】

なお、実施の形態1同様に、シート状繊維構造体１００を撥水処理し、撥水膜を形成しても同様の効果を奏する。
なお、実施の形態１同様に、シート状繊維構造体１００の繊維１を窒化処理し、繊維１の表面側から窒素原子をドープすることで、繊維１の表面の分子組成を変更することができる。すなわち、繊維１の表面にＳｉＮ結合あるいはＳｉＯＮ結合を含ませることができる。この場合も同様の効果を奏する。

【0069】

（実施の形態３）
本実施の形態においては、実施の形態１で形成されたシート状繊維構造体１００を用いた分析デバイス１０２について説明する。本実施の形態での分析デバイス１０２は、一つの分析デバイス１０２の中に機能の異なる複数のシート状繊維構造体１００が形成されている。

【0070】

図１５に、本実施の形態における分析デバイス１０２の断面図を示す。分析デバイス１０２は、流入口２４と流出口２５と繋げる流路２２を備えたキャピラリ２６と、このキャピラリ２６の流路２２の内壁に充填されたシリコン酸化物からなる繊維１よりなるシート状繊維構造体１００とから構成されている。このシート状繊維構造体１００は、流路２２内の複数ヶ所にそれぞれ備えられており、複数のシート状繊維構造体１００は、親水性コーティングされた第一のシート状繊維構造体１００ａと、疎水性コーティングされた第二のシート状繊維構造体１００ｂとを有し、この第一のシート状繊維構造体１００ａと、第二のシート状繊維構造体１００ｂとが交互に積層されている。

【0071】

第一のシート状繊維構造体１００ａは、繊維１の表面を親水性コーティングすることによって得られる。繊維１の表面を親水性コーティングする場合には、シリコン酸化物よりなる表面をＳｉ−ＯＨ結合が主流になるように処理すると親水性を有する。

【0072】

親水性コーティングすることにより、更に親水性特性はシート状繊維構造体の内部空間において均一になり、分析精度を向上させることが可能となる。

【0073】

一方、第二のシート状繊維構造体１００ａは、繊維１の表面を疎水性コーティングすることによって得られる。疎水性コーティングは、例えば、Ｓｉ−Ｏ結合が主流になるように処理すると撥水性を有する。この方法に加えて、実施の形態１に示した方法により撥水処理することにより可能である。

【0074】

本開示によるシート状繊維構造体１００は、大きな表面積を有しているので、親水性と撥水性との間をＳｉＯ結合、ＳｉＯ結合の割合で制御することによって、親水性、撥水性等の表面の機能をより増大して得ることができる。さらにシート状繊維構造体１００は複数の繊維１が互いに絡み合って接続しており、内部に大きな空隙を有していることから、表面の分子構造を変えるだけで親水性空間と撥水性空間を連続的に接続することが出来る。

【0075】

シート状繊維構造体１００は、シリコン酸化物からなる繊維１からなっているため、繊維１を容易に化学修飾させることができるために、第一のシート状繊維構造体１００ａ、第二のシート状繊維構造体１００ｂを容易に形成することが可能となる。

【0076】

このように、一つの分析デバイス１０２の中に機能の異なる複数のシート状繊維構造体１００を形成させておくことにより、それぞれの領域において溶媒物質の移動中に移動時間をより明確に変化させることが可能となるので、目的に応じた分離分析を容易に行うことができる。その結果、より効率的に分析を行うことができる。

【0077】

なお、本実施の形態では、例えば第一のシート状繊維構造体１００ａと、第二のシート状繊維構造体１００ｂとが交互に積層させて４層としたが、第一のシート状繊維構造体１００ａと、第二のシート状繊維構造体１００ｂとが交互に積層した２層であっても構わない。

【0078】

なお、本実施の形態では、第一のシート状繊維構造体１００ａとして親水性コーティング、第二のシート状繊維構造体１００ｂとして疎水性コーティングさせた繊維１を用いたが、それ以外にも例えば、イオン交換可能なイオン交換膜をコーティングさせた繊維１を用いたシート状繊維構造体１００を用いることも可能である。

【0079】

ここでイオン交換可能なイオン交換膜をコーティングさせた繊維１とは、例えば、価数、解離性など性質の異なる官能基を繊維１に形成させることによって得られる。このようなシート状繊維構造体１００を用いることにより、容易にイオン交換クロマトグラフィーを行うことが可能となる。

【0080】

あるいは、密度勾配を形成させた繊維１を用いたシート状繊維構造体１００を用いることも可能である。
ここで密度勾配を形成させた繊維１とは、例えば、シート状繊維構造体１００の上流から下流へ向かうに従って空隙径が徐々に小さくなるように孔径サイズを調節しシート状繊維構造体１００を形成することによってできる。このようなシート状繊維構造体１００を用いることにより、容易に分子排斥クロマトグラフィーを行うことが可能となる。

【0081】

これらのような目的の異なる複数のシート状繊維構造体１００を用いることによって、一つの分析デバイスで様々な分析を行うことが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0082】

以上のように、本開示に係るシート状繊維構造体は、例えば、ヒトや動物の全血または生体由来溶液に含まれる赤血球を抽出または分離するフィルターデバイスやクロマトグラフィーなどの分析デバイスとして利用される。

【符号の説明】

【0083】

１ 繊維
２ 空隙部
３ 接続部
４ 貫通孔
５ 枠体
６ キャピラリ
７ 白血球
８ 赤血球
９ 被フィルター物質
１０ 流入口
１１ 流出口
１２ 撥水膜
２１ 基板
２２ 流路
２３ 官能基
２４ 流入口
２５ 流出口
２６ キャピラリ
１００、１００ａ、１００ｂ シート状繊維構造体
１０１ フィルターデバイス
１０２ 分析デバイス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】