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(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】
(24)【登録日】2023-09-11
(45)【発行日】2023-09-20
(54)【発明の名称】水溶液二相系ナノフィルター及びこれを用いた分離方法
(51)【国際特許分類】
B03B 5/00 20060101AFI20230912BHJP
【ＦＩ】
B03B5/00 Z
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2021526423
(86)(22)【出願日】2019-11-12
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-19
(86)【国際出願番号】 KR2019015304
(87)【国際公開番号】W WO2020105928
(87)【国際公開日】2020-05-28
【審査請求日】2021-05-12
(31)【優先権主張番号】10-2018-0142370
(32)【優先日】2018-11-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】507421795
【氏名又は名称】ポステック アカデミー－インダストリー ファウンデーション
(73)【特許権者】
【識別番号】521204736
【氏名又は名称】エクソソームプラス インク．
(74)【代理人】
【識別番号】100120891
【弁理士】
【氏名又は名称】林 一好
(74)【代理人】
【識別番号】100165157
【弁理士】
【氏名又は名称】芝 哲央
(74)【代理人】
【識別番号】100205659
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 拓也
(74)【代理人】
【識別番号】100126000
【弁理士】
【氏名又は名称】岩池 満
(74)【代理人】
【識別番号】100185269
【弁理士】
【氏名又は名称】小菅 一弘
(72)【発明者】
【氏名】パク ジェ スン
(72)【発明者】
【氏名】シン ヒュン ウ
(72)【発明者】
【氏名】ジョン ファ ピョン
(72)【発明者】
【氏名】チョ シ ウ
【審査官】塩谷 領大
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００４／０１８０６６（ＷＯ，Ａ２）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１７４９９１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１０５７７８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１６４１９７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００５－２２４７８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１７３１１９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０３Ｂ １／００ー１３／０６
Ｂ０１Ｄ １１／００－１２／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに異なるサイズの混合ナノ粒子を分離するために、分散相をなす第１水溶液相、及び
前記分散相と相分離され、連続相をなす第２水溶液相を含み、
前記第１水溶液相は、バルク形態で連続相内を流動するものであり、
前記第１水溶液相と前記第２水溶液相とが相分離される界面での張力（γ）は下記数式１を満足し、
前記ナノ粒子の直径は１～１００ｎｍであり、
前記ナノ粒子は、高分子ナノ粒子、バイオナノ粒子、生物由来のナノ粒子、またはこれらの混合粒子である、混合試料から前記ナノ粒子を分離するための水溶液二相系ナノフィルター。
［数式１］
２×１０－７Ｊ／ｍ２≦γ≦５０×１０－５Ｊ／ｍ２
【請求項2】
前記水溶液二相系ナノフィルターは、拡散によって第１水溶液相から第２水溶液相へナノ粒子が移動して分離するものである、請求項１に記載の水溶液二相系ナノフィルター。
【請求項3】
前記界面で形成されるフィルターの気孔サイズが１～５００ｎｍである、請求項１に記載の水溶液二相系ナノフィルター。
【請求項4】
前記界面で形成されるフィルターの気孔サイズが３０～８０ｎｍである、請求項１に記載の水溶液二相系ナノフィルター。
【請求項5】
前記第１水溶液相及び前記第２水溶液相は、高分子、高分子塩又は塩が溶解した水溶液の中から選択されたいずれか一つである、請求項１に記載の水溶液二相系ナノフィルター。
【請求項6】
前記第１水溶液相－第２水溶液相は、高分子－高分子、高分子－高分子塩又は高分子－高濃度塩の組み合わせである、請求項１に記載の水溶液二相系ナノフィルター。
【請求項7】
前記高分子は、ポリアルギニン、ポリリジン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレンイミン、キトサン、プロタミン（ｐｒｏｔａｍｉｎ）、ポリビニルアセテート、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、ヘパリン、アルギン酸塩、ヒドロキシオキシプロピルメチルセルロース、ゼラチン、澱粉、ポリ（ビニルメチルエーテル）、ポリビニルピロリドン、及びこれらの組み合わせよりなる群から選択された１種の親水性高分子；シクロデキストリン、グルコース、デキストラン、マンノース、スクロース、トレハロース、マルトース、フィコール（ｆｉｃｏｌｌ）、イノシトール、マンニトール、ソルビトール、スクロース－マンニトール、グルコース－マンニトール、トレハロース－ポリエチレングリコール、スクロース－ポリエチレングリコール、スクロース－デキストラン、及びこれらの組み合わせよりなる群から選択された１種の高分子多糖類；
並びにこれらの組み合わせよりなる群から選択された１種以上である、請求項５又は６に記載の水溶液二相系ナノフィルター。
【請求項8】
前記塩は、（ＮＨ４）２ＳＯ４、Ｎａ２ＳＯ４、ＭｇＳＯ４、Ｋ２ＨＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ４、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＢｒ、ＮａＩ、ＬｉＣｌ、ｎ－Ｂｕ４ＮＢｒ、ｎ－Ｐｒ４ＮＢｒ、Ｅｔ４ＮＢｒ、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｎａ２ＣＯ３、Ｃａ３（ＰＯ４）２、ＺｎＣｌ２、（Ｃ２Ｈ３）２Ｚｎ、ＺｎＣＯ３、ＣｄＣｌ２、ＨｇＣｌ２、ＣｏＣｌ２、（ＣａＮＯ３）２、ＢａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＰｂＣｌ２、ＡｌＣｌ３、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＮｉＣｌ２、ＡｇＣｌ、ＡｕＣｌ３、ＣｕＣｌ２、ドデシル硫酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ｄｏｄｅｃｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ）、テトラデシル硫酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ｔｅｔｒａｄｅｃｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ）、臭化ドデシルトリメチルアンモニウム（ｄｏｄｅｃｙｌ ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、塩化ドデシルトリメチルアンモニウム（ｄｏｄｅｃｙｌ ｔｒｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、臭化テトラデシルトリメチルアンモニウム（ｔｅｔｒａｄｅｃｙｌ ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、及びこれらの組み合わせよりなる群から選択された１種である、請求項５又は６に記載の水溶液二相系ナノフィルター。
【請求項9】
前記第１水溶液相及び前記第２水溶液相は、濃度が０．００１～２０重量％である、請求項１に記載の水溶液二相系ナノフィルター。
【請求項10】
前記水溶液二相系ナノフィルターは、一方向に延長され、一側端部が開口した中空のチャンネルを含み、前記チャンネルは、フィルターハウジング内に装着されて第１方向に延長されるボディを有するものである、請求項１に記載の水溶液二相系ナノフィルター。
【請求項11】
前記水溶液二相系ナノフィルターは、温度調節器又は超音波発生器のうちの少なくとも一つの装置をさらに備える、請求項１に記載の水溶液二相系ナノフィルター。
【請求項12】
（Ｓ１）混合ナノ粒子を含む試料を第１水溶液相と混合するステップと、（Ｓ２）第２水溶液相を準備してチャンネル内に注入するステップと、
（Ｓ３）前記試料を含む分散液を、第２水溶液相が担持されたチャンネル内に注入するステップと、を含む、混合試料からナノ粒子の分離方法であって、
前記第１水溶液相と前記第２水溶液相は相分離され、
前記第１水溶液相は、バルク形態で連続相内を流動するものであり、
相分離される界面での張力（γ）は下記数式１を満足し、
分離される前記ナノ粒子の直径は１～１００ｎｍであり、
分離される前記ナノ粒子は、高分子ナノ粒子、バイオナノ粒子、生物由来のナノ粒子、またはこれらの混合粒子である、混合試料からナノ粒子の分離方法。
［数式１］
２×１０－７Ｊ／ｍ２≦γ≦５０×１０－５Ｊ／ｍ２
【請求項13】
温度調節器又は超音波発生器のうちの少なくとも一つの装置を駆動するステップをさらに含む、請求項１２に記載のナノ粒子の分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［関連出願との相互引用］
本出願は、２０１８年１１月１９日付の韓国特許出願第１０－２０１８－０１４２３７０号に基づく優先権の利益を主張し、その韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
本出願は、２０１８年１１月１９日付の韓国特許出願第１０－２０１８－０１４２３７０号に基づく優先権の利益を主張し、その韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
【0002】
［技術分野］
本発明は、水溶液二相系ナノフィルター及びこれを用いた分離方法に関する。
本発明は、水溶液二相系ナノフィルター及びこれを用いた分離方法に関する。
【背景技術】
【0003】
ナノ粒子とは、ナノ粒子を構成する一次粒子の直径（最大外径）のサイズが１～１００ｎｍ程度の物質を意味する。前記ナノ粒子は、そのサイズが小さくなるにつれて表面積増加効果（ｓｕｒｆａｃｅ－ａｒｅａ ｅｆｆｅｃｔ）及び毛細管効果（ｃａｐｉｌｌａｒｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔ）を有する。
【0004】
ナノ粒子の表面積増加効果は、表面現象との関連性が大きい化学反応及び触媒反応、異種成分の吸着・脱着挙動に大きな影響を及ぼす。これに対し、毛細管効果（表面張力の影響により粉末の内部に及ぶ圧力効果）は、粉末の根本的な物性を変化させることにより、以前には見られなかった新しい現象が現れるようにする。このため、ナノ粒子は、ミクロン（ｍｉｃｒｏｎ）もしくはサブミクロン（ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ）粉末が持たない特性を有するため、その活用分野が非常に広い。
【0005】
通常知られているナノ粒子は、銀ナノ粒子などの金属ナノ粒子だけでなく、無機ナノ粒子、有機ナノ粒子、有機－無機ハイブリッドナノ粒子、バイオナノ粒子、及び生物由来のナノ粒子などの様々な種類がある。
【0006】
このため、多様な産業分野で前記ナノ粒子を適用した様々な製品が生産されている。一例として、半導体、医療、バイオ、電子通信、食品、個人用品などの各種分野でナノ粒子を用いた新しい技術の開発が盛んに行われており、代表的な製品としては、ＬＣＤモニター、携帯電話、洗濯機、各種抗菌製品、日焼け止めなどを含む様々な種類の化粧品といった非常に多くの製品にナノ粒子が活用されている。
【0007】
ナノ粒子は、合成によって得られるか、或いは自然又は生物から得られる。この時、ナノ粒子は、所定の範囲の粒子サイズの範囲で存在し、そのまま使用する場合もあるが、通常、ナノ粒子を分離して使用する。
【0008】
通常の粒子分離方法は、分離膜を用いたフィルター方式が採用されている。前記分離膜の種類及び方式によって、精密濾過（Ｍｉｃｒｏ Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ、ＭＦ）、限外濾過（Ｕｌｔｒａ Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ、ＵＦ）、ナノ濾過（Ｎａｎｏ Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ、ＮＦ）、及び逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ、ＲＯ）濾過方式がある。このような分離膜を用いた方式は、主に液体－固体システムにおける固体の分離方式であって、サイズによるナノ粒子の高純度分離に無理がある。また、ナノ粒子の分離のために、分離膜はナノサイズの気孔を持たなければならないが、分離膜に形成された気孔の大きさが均一ではなく、分離工程中に気孔にナノ粒子が凝集して分離膜の気孔が詰まってしまうという問題が発生する。また、分離に使用するナノ粒子の含有量が高いほど、気孔が詰まってしまう速度が増加して分離に困難が発生する。
【0009】
そこで、粒子の大きさではなく、異なる物性の差を用いて分離する方法が開発された。その例として、表面の電気的性質を用いる方法や、粒子の密度を用いる遠心分離などがある。
【0010】
ナノ粒子の表面の電気的性質を用いる場合、分離しようとする粒子の表面が電荷を帯びないか、或いはその差が大きくなければ適用することが難しいという限界がある。また、粒子の密度を用いる方法も実用化されたが、この場合にも、密度の差が少ない粒子を分離する場合に適用に限界があるので、制限的使用が避けられない。このような従来のナノ粒子分離方法は、多くのナノ粒子の損失を誘発するという共通の欠点がある。
【0011】
また、遠心分離器を用いてナノ粒子を分離するためには、非常に速い速度で回転させなければならず、超高速遠心分離器が必要である。この方法は、主にバイオ分野で使用する方法であって、ナノ粒子の分離に要する費用が上昇し、試料準備のための過程が複雑であり、処理時間が非常に長くかかるという問題が発生する。
【0012】
一方、最近、二種類の水溶液の相分離が起こった水溶液二相系を用いてナノ粒子を分離する方法が提案された。この方式は、ＡＢＳ（Ａｑｕｅｏｕｓ ｂｉｐｈａｓｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ）、ＡＴＰＳ（Ａｑｕｅｏｕｓ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｓｙｓｔｅｍｓ）またはＡＴＰＥ（Ａｑｕｅｏｕｓ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）方式として知られている。
【0013】
水溶液二相系を用いた分離は、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）／デキストランの２つの高分子水溶液を用いてバイオ分子（ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）を分離または精製している。この分離システムは、バイオ分子の表面特性を利用する方式でであって、未だに、高濃度でタンパク質を使用することに制限的に提示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【文献】韓国登録特許第１０－１５７５４８８００００号（２０１５年１２月１日、粒子分離のためのマイクロ流体遠心分離機）
【非特許文献】
【0015】
【文献】Ｈａｍｔａ， Ａｆｓｈｉｎ ｅｔ ａｌ．， “Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｂａｓｅｄ ａｑｕｅｏｕｓ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ”． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｌｉｑｕｉｄｓ． （２０１７） ２３１： ２０～２４
【文献】Ｊｕａｎ Ａ．Ａｓｅｎｊｏ ｅｔ ａｌ．， Ａｑｕｅｏｕｓ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ： Ａ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ Ａ， Ｖｏｌｕｍｅ １２１８， Ｉｓｓｕｅ ４９， ９ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１１， Ｐａｇｅｓ ８８２６－８８３５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
本発明では、バイオ物質の表面特性によって分離する方式ではなく、水溶液二相系の組成設計に焦点を合わせてタンパク質などのバイオ物質に限定するものではなく、すべてのナノ粒子の分離に適用可能である新しい概念を導入した分離システムを開発した。
【0017】
そこで、本発明は、水溶液二相系システムで２つの相が接触する界面での張力を調節することにより、ナノ粒子の分離が可能である水溶液二相系ナノフィルターを提供することを目的とする。
【0018】
また、本発明は、前記水溶液二相系ナノフィルターを用いたナノ粒子の分離方法を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0019】
上記の目的を達成するために、本発明は、互いに異なるサイズの混合ナノ粒子を分離するために、分散相をなす第１収容液相、及び前記分散相と相分離され、連続相をなす第２水溶液相を含む、水溶液二相系ナノフィルターを提供する。
【0020】
この時、前記第１収容液相と前記第２水溶液相が相分離される界面での張力（γ）は、下記数式１を満足する。
【0021】
［数式１］
２×１０－７ Ｊ／ｍ２≦γ≦５０×１０－５ Ｊ／ｍ２
２×１０－７ Ｊ／ｍ２≦γ≦５０×１０－５ Ｊ／ｍ２
【0022】
前記第１水溶液相は、バルク形態で重力又は浮力によって連続相内を流動し、拡散によって第１水溶液相から第２水溶液相へ移動して混合ナノ粒子を分離する。
【0023】
この時、前記界面での気孔は、粒子が通過するための臨界粒径であり、直径が１～５００ｎｍであることを特徴とする。
【0024】
前記混合ナノ粒子は、金属ナノ粒子、無機ナノ粒子、有機ナノ粒子、有機－無機ハイブリッドナノ粒子、高分子粒子、バイオナノ粒子、生物由来のナノ粒子、またはこれらの混合粒子であることができる。
【0025】
また、本発明は、前記水溶液二相系ナノフィルターを用いるが、
（Ｓ１）第２収容液相を準備してチャンネル内に注入するステップと、
（Ｓ２）混合ナノ粒子を含む試料を第１水溶液相と混合するステップと、
（Ｓ３）前記試料を含む分散液を、第２水溶液相が担持されたチャンネル内に注入するステップと、
（Ｓ４）試料からナノ粒子分離工程を行う、ナノ粒子の分離方法を提供する。
（Ｓ１）第２収容液相を準備してチャンネル内に注入するステップと、
（Ｓ２）混合ナノ粒子を含む試料を第１水溶液相と混合するステップと、
（Ｓ３）前記試料を含む分散液を、第２水溶液相が担持されたチャンネル内に注入するステップと、
（Ｓ４）試料からナノ粒子分離工程を行う、ナノ粒子の分離方法を提供する。
【発明の効果】
【0026】
本発明による水溶液二相系ナノフィルターは、１０ｎｍ程度のサイズ差を有する混合ナノ粒子を分離することができる。
【0027】
特に、前記分離は、低コストで短時間内に行われることが可能であり、ナノ粒子の損傷及び損失なしに高純度で分離が可能である。また、温度や超音波などの外力を印加する場合、その時間をさらに短縮させることができるという利点がある。
【0028】
このような水溶液二相系ナノフィルターは、バイオ分野に限定せず、ナノ粒子の分離が要求される多様な産業分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明で提示する水溶液二相系ナノフィルターの分離メカニズムを説明するための模式図である。
【図2】第１収容液相及び第２水溶液相のエネルギー障壁を示す模式図である。
【図3】粒子サイズの異なる３種類のビーズ粒子を用いて粒子サイズによる移動を示すシミュレーション結果である。
【図4】粒子サイズの異なる３種類のビーズ粒子を用いて粒子サイズによる移動を示す模式図である。
【図5】第１収容液相と第２収容液相との界面張力と粒子サイズによるエネルギー障壁の大きさを示す模式図である。
【図6】第１収容液相と第２水溶液相との界面張力による臨界粒径の変化を示すグラフである。
【図7】実施例で第２水溶液相に第１水溶液相を形成した後、蛍光ビーズの移動を示す写真である。
【図8】時間による蛍光ビーズの移動程度を示すイメージであり、その下端にはＡ、Ｂ及びＣの第１収容液相（ＤＥＸ）と第２収容液相（ＰＥＧ）との界面張力を示す。
【図9】ナノ粒子サイズによる界面での脱出速度の変化を示すグラフである。
【図10】温度の変化による臨界粒径の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0030】
本発明は、互いに異なるサイズのナノ物質の分離に使用するナノフィルター、及びこれを用いた分離方法を提示する。
【0031】
本発明で言及するナノフィルターは、ナノレベルの粒子サイズを有する混合ナノ粒子から粒子サイズに応じてナノ粒子を分離する装置を意味する。
【0032】
本発明で言及する水溶液二相系とは、密度の異なる水溶液が液体－液体の状態に相分離されて存在することを意味する。
【0033】
このため、本発明で提示する水溶液二相系ナノフィルターとは、二種類の水溶液が相分離された形で存在し、前記相分離された状態の界面（すなわち、境界面）からナノ粒子の脱出を介してナノ粒子の分離が可能なフィルターを意味する。
【0034】
以下、水溶液二相系ナノフィルターを用いた粒子分離に関するメカニズムについて説明する。
【0035】
図１は本発明で提示する水溶液二相系ナノフィルターの分離メカニズムを説明するための模式図である。
【0036】
まず、分離しようとする３種類のナノ粒子を準備する。前記３種類のナノ粒子は、説明のためのもので、分離のために粒子サイズの異なる２種以上の混合されたナノ粒子であればいずれも使用可能である。
【0037】
次に、水溶液二相系を形成するための二つの水溶液を準備する。この時、分離が必要な対象（混合ナノ粒子、試料）は、第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２のうちのいずれか一つの相に含まれる。図１では、説明の便宜のために、第１収容液相Ｐ１に混合した。
【0038】
水溶液二相系の形成は、二つの水溶液が存在し、これらの水溶液は、接触によって、図１（ａ）に示すように第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２に相分離される。
【0039】
第１水溶液相Ｐ１は、重力（ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ｆｏｒｃｅ）または浮力（ｂｕｏｙａｎｃｙ）によって、第２収容液相Ｐ２内で流動する状態で存在する。第１水溶液相Ｐ１が第２収容液相Ｐ２よりも高い密度を有する場合、重力方向に移動するが、浮力によって底部に沈まずに第２水溶液相Ｐ２に浮遊する状態で存在する。
【0040】
特に、前記第１水溶液相Ｐ１は、微細な粒子や液滴の状態で存在するか、或いは、上層部／下層部のように上下層が分離された状態ではなく、バルク（ｂｕｌｋ）形態で浮遊して存在する。従来の水溶液二相系を用いた粒子分離では、撹拌（ｖｏｒｔｅｘｉｎｇ）などの工程によって、第１水溶液相が微細な粒子状態に割れてナノ粒子の分離が起こるのに対し、本発明では、バルク形態内でナノ粒子の分離が行われる。また、従来の水溶液二相系は、撹拌（ｖｏｒｔｅｘｉｎｇ）過程に与えられる外力によって水溶液境界面のエネルギー障壁（ｅｎｅｒｇｙ ｂａｒｒｉｅｒ）が変わり、このような外力によって粒子が境界面を自由に通過することができるので、相境界面による粒子のフィルタリング効果よりも粒子の表面と各水溶液相との親和力（ａｆｆｉｎｉｔｙ）による分離効果がより顕著に現れる。
【0041】
図１（ｂ）を参照すると、バルク状態の第１収容液相Ｐ１に存在する混合ナノ粒子は、水溶液相内で不規則に運動するブラウン運動（Ｂｒｏｗｎｉａｎ ｍｏｔｉｏｎ）が活発に起こり、この運動によって第１水溶液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２とがなす境界面に接触する。
【0042】
この時、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２とが接触して境界面にトラップ（ｔｒａｐ）されるが、このトラップされたナノ粒子の拡散係数（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）によって第２収容液相Ｐ２又は第１水溶液相Ｐ１に移動するか或いは境界面に残留する。その結果、図１（ｃ）に示すように、第１収容液相Ｐ１の混合ナノ粒子の一部が前記気孔を介して第２水溶液相Ｐ２に移動する。その結果、一定時間の経過後、混合ナノ粒子の一部は第２収容液相Ｐ２に残留し、その残りは第１収容液相Ｐ１又は境界面に残留し、前記第２収容液相Ｐ２が境界面を含んで分離することで、これに存在するナノ粒子の回収を介してナノ粒子の分離を行うことができる。
【0043】
特に、第１収容液相Ｐ１が第２収容液相Ｐ２に注入された後、重力によって下部側に移動する過程で、前記第１水溶液相Ｐ１が新しい第２水溶液相Ｐ２と継続的に会って界面を形成するので、前記二つの相Ｐ１、Ｐ２の境界面でナノ粒子の移動が連続的に起こりながら加速化できる。相分離形態の一つである上層部／下層部に相分離された形態では、持続的な新しい境界面の形成が不可能であって、ナノ粒子の連続的な移動が起こることができない。また、微細な液滴状態で相分離された形態では、撹拌などによって新しい境界面が形成できるが、前記撹拌過程に与えられる外力によって境界面におけるエネルギー障壁が変わり、この外力によって粒子が境界面を自由に通過することができるため、撹拌過程で境界面を介した多くの粒子の損失が発生して適さない。この方法は、境界面におけるフィルタリング効果よりは粒子の表面と各収容液相Ｐ１、Ｐ２との親和力（ａｆｆｉｎｉｔｙ）による分離効果が顕著に現れるので、本発明とは異なるメカニズムで分離が起こる。
【0044】
本発明で提示する水溶液二相系ナノフィルターを用いたナノ粒子の分離は、第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２を形成する水溶液の境界面における張力によって影響を受ける。
【0045】
界面張力（Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｔｅｎｓｉｏｎ）は、互いに異なる２種以上の物体が混合せずに層を成して接するとき、この境界面に発生する張力を意味する。第１水溶液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２は、互いに異なる溶質を含むので密度差があり、互いに異なる溶質の大きさ差、物性差により界面を境界として張力が形成される。このような張力によって、粒子が越えなければならないエネルギー障壁が表面に形成され、このエネルギー障壁はまるで気孔のような役割を担うが、張力の大きさが大きければ、エネルギー障壁の高さが高くなって気孔が小さくなる傾向があるから、前記力によって界面での気孔のサイズ、すなわち臨界直径（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ、又は限界直径）を有する気孔が形成される。このように形成された気孔を介して混合ナノ粒子の一部が第１収容液相Ｐ１へ移動する。
【0046】
臨界直径は、通常、ｎｍレベルであって、前記ｎｍレベルを維持するためには、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との界面張力がある程度の範囲を持たなければならない。つまり、界面張力が小さいというのは、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２とが互いに混和（ｍｉｓｃｉｂｌｅ）できることを意味するため、粒子分離が起こることができず、逆に界面張力が大きい場合には、相分離が起こるものの、臨界直径が非常に小さいため、粒子分離を行うことができなくなる。この界面張力と臨界直径との関係は、水溶液二相系システムの研究分野でまだ提示したことのない新しい概念である。
【0047】
第１水溶液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２によって設定される界面張力の数値は、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２の組成によって設計でき、このような組成の設計は、分離しようとするナノ粒子が第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との接触によって形成される境界面におけるエネルギー障壁を越えて拡散が可能であるかによって変わる。
【0048】
図２は第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２のエネルギー障壁を示す模式図である。
【0049】
図２を参照すると、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２は、互いに異なる溶質を含む水溶液であって、それぞれ異なる高さを有するエネルギー障壁が存在する。前記第１収容液相Ｐ１に存在する混合ナノ粒子は、粒子分離のために境界面と第２収容液相Ｐ１との間のエネルギー障壁を越えて第２水溶液相Ｐ２に脱出する。この時、図１の装置を用いる場合、第２収容液相Ｐ２に脱出した一部のナノ粒子は、再び第１収容液相Ｐ１に移らない。前記界面でのエネルギー障壁の通過、すなわち第１収容液相Ｐ１からの脱出エネルギーは、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との界面での張力によって影響を受ける。
【0050】
境界面の表面張力は、高くなるほど、境界面の粒子が他の相に脱出するために越えなければならないエネルギー障壁の高さが高くなり、境界面を脱出することが可能な粒子の臨界サイズを減少させる。これは、使用する第１及び第２水溶液の相をどのように選択するかによって、境界面の界面張力を変数として活用することができることを意味する。
【0051】
また、境界面における第１収容液相Ｐ１から第２収容液相Ｐ２へのナノ粒子の移動及び脱出は、フィックの拡散法則（Ｆｉｃｋ’ｓ ｌａｗｓ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を介して説明される。前記フィックの拡散法則は、熱力学における拡散過程を示す２つの法則であって、第１法則と第２法則があり、本発明では、連続的な拡散に関連するフィックの第二法則（Ｆｉｃｋ’ｓ ｓｅｃｏｎｄ ｌａｗ）で説明できる。
【0052】
フィックの第二法則と境界面にトラップされた粒子の脱出割合（ｅｓｃａｐｉｎｇ ｒａｔｅ）を用いて、粒子の移動を予測した。境界面にトラップされた粒子が脱出する割合は、下記式（１）を満足する。
【0053】
【数1】
【0054】
（前記式（１）中、Γ：境界面から脱出する粒子の割合、Ｊ：粒子のｆｌｕｘ、ｎ：境界面にある粒子の濃度、α：比例定数、ΔΕ：境界面にある粒子と境界面から脱出した粒子とのエネルギー差、κ：ボルツマン定数、Ｔ：温度である。）
【0055】
第１水溶液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との境界面にある粒子のエネルギー障壁ΔΕは、下記式２で表現できる。
【0056】
【数2】
【0057】
（前記式（２）中、γＰｈａｓｅ／Ｐｈａｓｅ２：第１収容液相と第２水溶液相との境界面に作用する張力、Ｒ：粒子の半径、γｐａｒｔｉｃｌｅ／Ｐｈａｓｅ１：第１水溶液相中にある粒子の表面に作用する張力、γｐａｒｔｉｃｌｅ／Ｐｈａｓｅ２：第２水溶液中にある粒子の表面に作用する張力、κ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、Ｋ：分離係数である）
【0058】
前記式中、ΔΕは境界面にある粒子が境界面から抜け出すために越えなければならないエネルギー障壁（Ｅｎｅｒｇｙ ｂａｒｒｉｅｒ）を意味し、その値が大きいほど、粒子の脱出割合は低くなることを意味する。
【0059】
また、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との境界面の近くにおける粒子の流動は、下記式を満足する。
【0060】
【数3】
【0061】
【数4】
【0062】
（前記式（３）、（４）中、ＪＰｈａｓｅ１－ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：第１水溶液相と境界面との間の粒子の流動、ＪＩｎｔｅｒｆａｃｅ－Ｐｈａｓｅ２：第２水溶液相と境界面との間の粒子の流動、ＣＰｈａｓｅ１：境界面近くの第１水溶液相にある粒子の濃度、ＣＰｈａｓｅ２：境界面近くの第２収容液相にある粒子の濃度、ＣＩｎｔｅｒｆａｃｅ：境界面にある粒子の濃度、κ１、κ２：比例定数、ΓＰｈａｓｅ１：境界面から第１収容液相に脱出する粒子の割合、ΓＰｈａｓｅ２：境界面から第２水溶液相に脱出する粒子の割合である）
【0063】
前記式を参照すると、第２収容液相Ｐ２と境界面との間の粒子の流動は、第２収容液相Ｐ２から境界面に移動する粒子の流動と、境界面から第２水溶液相Ｐ２に脱出する粒子の流動との合計である。同様に、第１収容液相Ｐ１と境界面との間の粒子の流動は、第１収容液相Ｐ１から境界面へ移動する粒子の流動と、境界面から第１収容液相Ｐ１へ脱出する粒子の流動との合計である。
【0064】
前記式（１）乃至前記式（４）をフィックの第二法則（Ｆｉｃｋ’ｓ ｓｅｃｏｎｄ ｌａｗ）に適用してシミュレーションを行った。
【0065】
粒子として１０ｎｍ、５０ｎｍ及び１００ｎｍの３種類の混合ビーズ粒子を適用して、第２水溶液相Ｐ２に脱出したビーズ粒子の量を測定することにより、支配方程式と境界条件の係数を決定した。第１水溶液相Ｐ１としてはデキストラン水溶液（１％濃度）を使用し、第２収容液相Ｐ２としてはポリエチレングリコール（３％濃度）を使用した。また、前記式中、第１水溶液相Ｐ１は新しい第２水溶液相Ｐ２と連続して接するため、境界面近くの第２収容液相Ｐ２の粒子の濃度は０に近いと仮定した（
）。そこで、第２水溶液相Ｐ２に脱出したビーズ粒子の量を測定して、支配方程式と境界条件の係数を仮定した。決定された係数に基づいて、粒子サイズ、濾過時間、分離係数（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）、温度、境界面の表面張力による粒子の分離をシミュレーションした。
【数5】
【0066】
図３は粒子サイズの異なる３種類のビーズ粒子を用いて粒子サイズによる移動を示すシミュレーション結果である。
【0067】
【0068】
具体的には、図３（ａ）を参照すると、時間による、境界面を通過することができるビーズ粒子の臨界サイズの増加は、２００秒内に急激に起こり、その後には一定の大きさに収束する。また、図３（ｂ）を参照すると、１０ｎｍサイズのナノ粒子は６０分経過後にすべて通過したことが分かり、５０ｎｍ及び１００ｎｍサイズのナノ粒子は界面に残留することが分かる。これは、水溶液二相系ナノフィルターが特定のサイズ以下の粒子のみを通過させるフィルターの役割を果たすということを意味する。
【0069】
特に、１０ｎｍの粒子は、６０分後に完全に脱出することが分かるため、混合ナノ粒子からナノ粒子の損失なしに高純度、すなわち１００％又はこれに近い収率でナノ粒子を分離することができることが分かる。このような結果から、実際ナノ粒子分離工程に適用する場合、従来の分離膜などの分離工程で発生するナノ粒子の損失などの問題を根本的に遮断して、本発明による水溶液二相系ナノフィルターを用いて高純度の分離工程を達成することができるという利点を確保することができることが分かる。
【0070】
これは、図４の模式図を介してより詳しく分かる。
【0071】
図４は粒子サイズの異なる３種類のビーズ粒子を用いて粒子サイズによる移動を示す模式図である。
【0072】
図４に示すように、粒子は、第１収容液相Ｐ１から、第２収容液相Ｐ２が接触して形成する界面へ移動する。境界面と接触した粒子の一部は境界面にトラップされ、この時、粒子サイズに応じて第１収容液相Ｐ１から第２収容液相Ｐ２に脱出する。
【0073】
図４は３つの形態の界面を図示し、界面Ａ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ａ）は最小サイズの粒子のみ通過し、界面Ｂ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｂ）は中間サイズの粒子まで通過し、界面Ｃ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃ）はすべて通過可能である。これにより、粒子サイズに応じて選択的に混合ナノ粒子からナノ粒子を分離することができる。
【0074】
付け加えると、３つの粒子のうち、最小サイズの粒子を分離しようとする場合には界面Ａ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ａ）のように設計して、第２収容液相Ｐ２に小さいサイズの粒子を通過させた後、これを回収して分離が可能である。また、最大サイズの粒子を分離しようとする場合には界面Ｂ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｂ）のように設計して、第１収容液相Ｐ１に残留する大きいサイズの粒子を回収して分離が可能である。また、中間サイズの粒子の場合には、界面Ｂ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｂ）のように設計した後、第２収容液相Ｐ２を回収し、これを再び界面Ａ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ａ）（図示せず）を持つように設計した後、第２収容液相Ｐ２内の小さいサイズの粒子と中間サイズの粒子をもう一度さらに分離する工程を経て、中間サイズの粒子のみを選択的に回収することができる。
【0075】
この界面Ａ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ａ）、界面Ｂ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｂ））、界面Ｃ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃ）でのナノ粒子の通過か否かは、上述したように、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２をなす各組成によるエネルギー障壁と、これらが接触して形成する界面での張力（すなわち、界面張力）によって変わる。前記第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２が持つエネルギー障壁が低ければ、これらが接触して成す界面張力が低くなり、前記界面張力が低くなるほど、界面を通過する粒子のサイズ（すなわち、臨界粒径）が増加することができる。
【0076】
図５は界面張力と粒子サイズによる第１水溶液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との間のエネルギー障壁を示す模式図である。
【0077】
図５において、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２とがなす界面張力が大きいほど、エネルギー障壁が高くなる。この時、１０ｎｍ、５０ｎｍ、及び１００ｎｍそれぞれのナノ粒子が越えなければならないエネルギー障壁に差があり、１０ｎｍで最も低いエネルギー障壁を有する。つまり、粒子サイズが小さいほど、境界面から他の相に脱出するときに越えなければならないエネルギー障壁がさらに低くなるが、粒子が特定のサイズ以上になると、エネルギー障壁があまり高いため粒子が越えなくなる。
【0078】
第１水溶液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２とが接して界面を形成する場合、エネルギー障壁が低い１０ｎｍサイズのナノ粒子から第２収容液相Ｐ２への脱出が先に起こる。このため、１００ｎｍサイズのナノ粒子の通過のために、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との界面張力を下げれば、これと比例的にエネルギー障壁が低くなって第２収容液相Ｐ２への脱出が起こり得ることが分かる。
【0079】
このような結果は、界面張力に応じて、ナノ粒子が境界面を通過することが可能な臨界粒径が主導的に（ｄｏｍｉｎａｎｔ）決定できることを意味する。言い換えれば、界面張力が低いというのは、その分だけ通過するナノ粒子のサイズが大きくなり得ることを意味する。
【0080】
図６は第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との界面張力による臨界粒径ＤＴの変化を示すグラフである。
【0081】
図６を参照すると、界面張力に応じて、境界面を通過して脱出する臨界粒径が変わることが分かる。
【0082】
具体的には、界面張力が高いほど、界面を脱出することが可能な臨界粒径が最終的に小さくなる傾向を示すことが分かる。また、特定の時間に到達するまで時間に応じて臨界粒径が変わるが、最終的に到達する臨界粒径は同一であることが分かる。また、時間に応じて臨界粒径が増加することが分かるが、これを解析することにより、所望のサイズを取り除くのにかかる時間が分かる。一例として、界面張力が５×１０－６
Ｊ／ｍ２に設計された水溶液二相系ナノフィルターの場合、臨界粒径４０ｎｍのナノ粒子を３０分以内に分離することができることが分かる。
【0083】
このような結果からみて、本発明では、ナノレベルの粒径を有する混合ナノ粒子の分離のために、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２は、下記数式１を満足する界面張力γの範囲を持たなければならない。
【0084】
［数式１］
２×１０－７ Ｊ／ｍ２≦γ≦５０×１０－５ Ｊ／ｍ２
２×１０－７ Ｊ／ｍ２≦γ≦５０×１０－５ Ｊ／ｍ２
【0085】
本発明による水溶液二相系ナノフィルターを用いて実現可能な気孔のサイズは、１～５００ｎｍ、好ましくは３～４５０ｎｍ、もっと好ましくは５～４００ｎｍ、さらに好ましくは５～３５０ｎｍ、よりさらに好ましくは１０～２５０ｎｍ、最も好ましくは３０～１８０ｎｍの範囲を有する。この時、混合ナノ粒子は、少なくとも２種であり得る。
【0086】
前述したサイズの混合ナノ粒子を分離するための界面張力は、２×１０－７
Ｊ／ｍ２～５０×１０－５
Ｊ／ｍ２、好ましくは２×１０－７
Ｊ／ｍ２～４０×１０－５
Ｊ／ｍ２、もっと好ましくは３×１０－６
Ｊ／ｍ２～３５０×１０－６
Ｊ／ｍ２、さらに好ましくは４×１０－６
Ｊ／ｍ２～２７０×１０－６
Ｊ／ｍ２、よりさらに好ましくは５×１０－６
Ｊ／ｍ２～１５０×１０－６
Ｊ／ｍ２、最も好ましくは１０×１０－６
Ｊ／ｍ２～６０×１０－６
Ｊ／ｍ２の範囲を有する。
【0087】
この時、界面張力が、前記数式１で提示した範囲ではなく、その数値が減少してある程度の限界、すなわち、２×１０－７
Ｊ／ｍ２から外れると、相分離が発生せず、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との混合が起こって水溶液二相系ナノフィルターが構成されず、逆に前記界面張力がある数値以上、具体的には５０×１０－５
Ｊ／ｍ２を超える場合には、ナノ粒子の脱出が発生しなくなることが分かる。これは、本発明で提示する数式１の界面張力の数値範囲を持たなければ、安定な水溶液二相系ナノフィルターの構成が可能であって、ナノ粒子の脱出によるナノ粒子の分離が可能となることを立証することができるデータである。
【0088】
また、分離時間を考察すると、ナノ粒子のサイズが小さいほど、界面を脱出する速度が速くなることが分かる。
【0089】
このため、図６に示す界面張力による臨界粒径の変化に応じて、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２の組成物を、特定の界面張力を持つように設計する場合、ナノ粒子を高純度で容易に分離することができることを予測することができる。
【0090】
好ましくは、本発明による水溶液二相系ナノフィルターは、組成物の設計によって界面張力を調節し、前記界面張力の調節によって臨界粒径を制御することができることにより、臨界粒径が１～５００ｎｍ、好ましくは３～４５０ｎｍ、もっと好ましくは５～４００ｎｍ、さらに好ましくは５～３５０ｎｍ、よりさらに好ましくは１０～２５０ｎｍ、最も好ましくは３０～１８０ｎｍの範囲を有するフィルターを実現することができる。この時、前記水溶液二相系ナノフィルターは、分離能が、粒子間の差が１０ｎｍ程度となるまで分離可能である。この時、分離能が１０ｎｍであるというのは、ナノ粒子が１０ｎｍ及び２０ｎｍのように１０ｎｍの差を有するものまでも分離可能であることを意味し、１０ｎｍ及び１００ｎｍのように９０ｎｍの差を示す場合の分離は自明に行われ得ることを意味する。
【0091】
一方、図６は第１収容液相Ｐ１が固定相（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｐｈａｓｅ）である場合と移動相（ｍｏｖｉｎｇ ｐｈａｓｅ）である場合に分けて示す。時間が無限大である場合、第１収容液相Ｐ１が固定相と移動相の両方では同一の結果を示したが、定められた時間内では第１収容液相Ｐ１が移動相を持つ場合、ナノ粒子の分離に有利であることが分かる。通常、ナノ粒子の分離が無限大の時間ではなく、定められた時間内で行われることを考慮すれば、第１収容液相Ｐ１が移動相である形態を持つ場合、実際分離工程に適用することが好ましいことが分かる。
【0092】
前述した界面張力、エネルギー障壁及び臨界粒径に関する理論的考察と共に、シミュレーション結果によって、本発明でナノ粒子の分離が実際の工程で適用可能であるかを調べるために、図７及び図８で直接的な実験を行った。
【0093】
まず、混合ナノ粒子として３０ｎｍ、５０ｎｍ及び１００ｎｍの３種類の蛍光ビーズを準備し、第１収容液相Ｐ１としてはデキストラン水溶液を使用し、第２収容液相Ｐ２としてはポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を使用した。分離係数（Ｋ、ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）＝１００、温度＝２０℃、時間＝３００ｓ、境界張力＝０．０１３ｍＪ／ｍ２の条件で行った。
【0094】
この時、第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２の濃度を調節して、次のように界面張力を有する水溶液二相系フィルターを設計した。
【0095】
【表1】
【0096】
合計９つの管状試験管を準備し、構成Ａ、Ｂ及びＣのフィルターに３０ｎｍ、５０ｎｍ及び１００ｎｍの３種類の蛍光ビーズをそれぞれ注入して蛍光ビーズの移動を蛍光顕微鏡（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で確認した。この時、Ｄ及びＥの構成を有するフィルターは、臨界粒径が３０ｎｍ以下であって、ナノ粒子の脱出がないため、図８に示さなかった。
【0097】
測定のために、まず、管状試験管（内径２ｍｍ）に、第２水溶液相（Ｐ２）をなすポリエチレングリコール水溶液７５μＬを注入した。第１水溶液相のデキストラン水溶液３μＬに蛍光ビーズ５ｎｇを添加して均一に混合した。得られた分散液３μＬを前記第２水溶液相Ｐ２入りの管状試験管の上部にゆっくりと注入した。図７に示すように、第１収容液相Ｐ１が試験管の下部側に移送されることが分かる。
【0098】
第１水溶液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との混合即時（Ｔ＝０分）、３０分経過後及び６０分経過後の蛍光ビーズの移動を蛍光分光器によって測定し、その結果を図８に示した。
【0099】
図８は時間による蛍光ビーズの移動程度を示すイメージであり、その下端にはＡ、Ｂ及びＣの第１収容液相（ＤＥＸ）と第２収容液相（ＰＥＧ）との界面張力を示す。
【0100】
図８のＡ組成の場合を参照すると、界面張力が５．３６×１０－６
Ｊ／ｍ２である場合、３０ｎｍ、５０ｎｍ及び１００ｎｍそれぞれのナノ粒子のうち、３０ｎｍのナノ粒子のみが第２収容液相Ｐ２に移動したことが分かる。これと同様に、Ｂ組成の場合、界面張力が３．５７×１０－６
Ｊ／ｍ２であり、３０ｎｍ及び５０ｎｍのナノ粒子が第２収容液相Ｐ２に移動し、１００ｎｍのナノ粒子は第１収容液相Ｐ１に残留することが分かる。また、Ｃ組成の場合、界面張力が１．６５×１０－６
Ｊ／ｍ２であり、３０ｎｍ、５０ｎｍ及び１００ｎｍのナノ粒子のいずれも第２収容液相Ｐ２に移動することが分かる。これにより、数式１に示すように、界面張力が少なくとも２×１０－６
Ｊ／ｍ２以上にならなければならないことが分かる。
【0101】
このような結果より、界面張力の制御によって、ナノ粒子の分離時に通過することが可能な臨界粒径を調節することができることが分かる。
【0102】
第１水溶液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との界面での張力は、第１収容液相と第２水溶液相の組成設計によって実現できる。
【0103】
第１水溶液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との間に界面張力を持つためには、これらの間の相分離が先行されなければならない。前記相分離は、様々な方法が可能であるが、本発明では、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との間のｔｗｏ ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍを介して行われ得る。また、ナノ粒子の分離は、ナノ粒子の表面が第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２のうちのいずれか一つの相に親和力（ａｆｆｉｎｉｔｙ）があるかによって、分離速度及び分離能が向上することができる。このような内容を考慮して、第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２をなす特定の組成をｔｗｏ ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍを介して選択して水溶液二相系ナノフィルターを構成することができる。
【0104】
第１水溶液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２は、基本的に、溶質が水に溶けた水溶液である。
【0105】
前記溶質の種類によって、第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２は、高分子及び／又は塩が存在する高分子水溶液又は塩水溶液であり得る。
【0106】
溶質としての高分子は、親水性高分子であり得る。
【0107】
使用可能な親水性高分子としては、ポリアルギニン、ポリリジン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレンイミン、キトサン、プロタミン（ｐｒｏｔａｍｉｎ）、ポリビニルアセテート、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、ヘパリン、アルギン酸塩、ヒドロキシオキシプロピルメチルセルロース、ゼラチン、澱粉、ポリ（ビニルメチルエーテルエーテル）、ポリビニルピロリドン、及びこれらの組み合わせよりなる群から選択された１種の親水性高分子であることができる。
【0108】
また、溶質としての高分子は、高分子多糖類であることができる。前記高分子多糖類は、シクロデキストリン、グルコース、デキストラン、マンノース、スクロース、トレハロース、マルトース、フィコール（ｆｉｃｏｌｌ）、イノシトール、マンニトール、ソルビトール、スクロース－マンニトール、グルコース－マンニトール、トレハロース－ポリエチレングリコール、スクロース－ポリエチレングリコール、スクロース－デキストラン、及びこれらの組み合わせよりなる群から選択された１種の親水性高分子であることができる。
【0109】
塩水溶液に使用する塩は、（ＮＨ４）２ＳＯ４、Ｎａ２ＳＯ４、ＭｇＳＯ４、Ｋ２ＨＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ４、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＢｒ、ＮａＩ、ＬｉＣｌ、ｎ－Ｂｕ４ＮＢｒ、ｎ－Ｐｒ４ＮＢｒ、Ｅｔ４ＮＢｒ、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｎａ２ＣＯ３、ＺｎＣＯ３、Ｃａ３（ＰＯ４）２、ＺｎＣｌ２、（Ｃ２Ｈ３）２Ｚｎ、ＺｎＣＯ３、ＣｄＣｌ２、ＨｇＣｌ２、ＣｏＣｌ２、（ＣａＮＯ３）２、ＢａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＰｂＣｌ２、ＡｌＣｌ３、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＮｉＣｌ２、ＡｇＣｌ、ＡｕＣｌ３、ＣｕＣｌ２、ドデシル硫酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ｄｏｄｅｃｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ）、テトラデシル硫酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ｔｅｔｒａｄｅｃｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ）、臭化ドデシルトリメチルアンモニウム（ｄｏｄｅｃｙｌ ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、塩化ドデシルトリメチルアンモニウム（ｄｏｄｅｃｙｌ ｔｒｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、臭化テトラデシルトリメチルアンモニウム（ｔｅｔｒａｄｅｃｙｌ ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、及びこれらの組み合わせよりなる群から選択された１種の親水性高分子であることができる。
【0110】
また、前記溶質として高分子塩が使用でき、一例として、前述した高分子と塩の組み合わせになることができる。
【0111】
前述した高分子及び塩の中からの第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２への選択は、分離しようとするナノ粒子の特性（例えば、表面特性）、及び相分離を可能にする特性及び濃度によって変わり得る。
【0112】
その中で、第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２として使用可能なそれぞれの組み合わせは、高分子である場合、親水性－疎水性の特性であり得る。前記高分子は、基本的に水溶液に溶解されるので親水性を示すが、二つの組成を組み合わせる場合、相対的に親水性を持つか或いは相対的に疎水性を持つことができる。一例として、デキストランとポリエチレングリコールの場合、デキストランは、相対的に親水性を有し、分子構造がより稠密であり（ｍｏｒｅ ｄｅｎｓｅｒ）、ポリエチレングリコールは、相対的に疎水性を有し、分子構造がより少なく稠密である（ｌｅｓｓ ｄｅｎｓｅ）特性がある。このため、デキストラン／ポリエチレングリコールは、それぞれ、第１収容液相／第２水溶液相（Ｐ１／Ｐ２）として使用することができる。
【0113】
また、第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２として使用可能なそれぞれの組み合わせは、高分子の場合、分子量及び濃度は重要な選定理由になることができる。
【0114】
高分子は、分子量が大きくなるほど、濃度が高くなるほど、第１水溶液相と第２水溶液相が安定的に形成され、高分子の分子量があまり小さい場合、第１水溶液と第２水溶液とが容易に混ぜられてしまう。
【0115】
高分子の分子量は、少なくとも水溶液内に溶解（又は膨潤）した状態で存在しなければならず、これは、高分子の種類によって水に対する溶解度の差があるので、その範囲の限定が容易ではない。但し、前述した親水性高分子の場合、重量平均分子量が２００～２，０００，０００、好ましくは５００～１，０００，０００、さらに好ましくは１，０００～５００，０００を有する。一例として、デキストランと組み合わせるポリエチレングリコールの場合、２００～６０，０００、好ましくは５００～４０，０００の範囲の重量平均分子量を有するものを使用する。また、デキストランは、１５～１０００，０００、好ましくは１，０００～５００，０００の範囲の重量平均分子量を有する。
【0116】
この時、高分子又は高分子塩水溶液の濃度は、水に対する溶解度の差があるが、０．００１～２０重量％、好ましくは０．０１～１５重量％、さらに好ましくは０．１～１０重量％であることができる。もし、その濃度があまり低い場合、第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２の高分子水溶液が水と同様の流動性を示すため、この二つが互いに混和（ｍｉｓｃｉｂｌｅ）されて水溶液二相系の形成が難しい。逆に、あまり高い場合、高分子の溶解に時間がかかり、水溶液二相系の界面での張力があまり大きいため、臨界粒径が小さくなってナノ粒子の分離が難しくなるという問題がある。
【0117】
高分子の代わりに塩を使用する場合、水溶液二相系を成すために高濃度の塩が必要である。前述したように、高分子の分子量が大きくなるほど、第１水溶液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２が安定的に形成されるが、塩の場合、分子量が高分子よりも小さいため、高濃度でのみ水溶液二相系を形成させることができる。好ましくは、高濃度の塩は、１～７０重量％、さらに好ましくは５～５０％で使用することが好ましい。
【0118】
既に第１収容液相と第２水溶液相を成すことができるシステムに低濃度の塩を追加する場合、塩が水溶液中でイオン状態に解離されるため、ナノ粒子の移動速度を変化させる役割を果たす。この時、塩は、平均分子量が１０～１０００重量部であることが好ましい。
【0119】
具体的には、本発明による水溶液二相系ナノフィルターで第１収容液相／第２水溶液相Ｐ１／Ｐ２の組み合わせは、下記表２に示すように、高分子－高分子、高分子－高分子塩、及び高分子－高濃度塩の組み合わせで使用できる。
【0120】
【表2】
【0121】
前記表２に例示した組み合わせは一例であり、この他に、前述した組成を用いた多様な組み合わせが、数式１で提示した界面張力を満足する範囲であれば、そのいずれの組み合わせでも使用できる。
【0122】
さらに、本発明による水溶液二相系ナノフィルターの性能に関連して、追加パラメータにより分離速度に影響を受ける。前記追加パラメータは温度であり得る。
【0123】
水溶液二相系ナノフィルターにおいて、温度は、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との境界面でのナノ粒子の脱出速度を高めることにより、同じ時間内のナノ粒子の脱出割合を増加させることができる。
【0124】
図９はナノ粒子サイズによる界面での脱出速度の変化を示すグラフである。図９において、ΓＰ１：境界面から第１水溶液相に脱出する粒子の割合を意味し、ΓＰ２：境界面から第２水溶液相に脱出する粒子の割合を意味する。
【0125】
図９を参照すると、温度が増加するほど、ナノ粒子のブラウン運動が加速化されて境界面にあるナノ粒子の脱出速度が増加する。このような結果より、非常に正確なサイズで短時間内に分離する必要がある場合に有用に使用することができる工程条件の変数として、温度を用いることもできることが分かる。
【0126】
図１０は温度の変化による臨界粒径の変化を示すグラフである。
【0127】
図１０を参照すると、温度の増加に伴って臨界粒径が線形的に増加する傾向を示すことが分かる。しかし、臨界粒径のサイズ差が１０ｎｍ以内であるため、ナノ粒子分離の際に温度を増加させても、分離速度のみを増加させるだけであり、必要以上の臨界粒径を増加させないため、高純度でナノ粒子を分離させることができることが分かる。
【0128】
また、第１収容液相Ｐ１が固定相（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｄｒｏｐｌｅｔ）及び移動相（ｍｏｖｉｎｇ ｄｒｏｐｌｅｔ）である場合、分離速度のみ異なるだけであり、臨界粒径は最終的に同一になることが分かる。
【0129】
また、前記温度以外に、水溶液二相系ナノフィルターの分離能に関連するパラメータとして、振動印加か否かを含むことができる。
【0130】
振動印加は、超音波印加であってもよい。これは、外部からの物理力が境界面のエネルギー障壁を下げて臨界粒径を変化させるか、或いは粒子の拡散を助けてナノ粒子の脱出速度を増加させることができる。
【0131】
粒子サイズの異なる混合ナノ粒子は、そのサイズ差のような力学的物性の差が発生する。前記サイズの他に、その材質や組成が異なる場合には、材質、密度及び圧縮率などの力学的物性は大きく異なる。ここで、超音波が混合ナノ粒子に印加されると、粒子のサイズによって、互いに異なる音響放射力（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎｆｏｒｃｅ）を持つため、超音波の音圧節線（ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｎｏｄｅ ｌｉｎｅ）に沿ってナノ粒子が移動する。つまり、混合ナノ粒子が混在している場合、これらを分離することができ、これらの移動速度を高めることができる。特に、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２との境界面にトラップされているナノ粒子の脱出を高めることができるため、前記トラップされたナノ粒子による分離速度の低下を防止することができる。
【0132】
このような音響放射力は、周波数の制御によって調節可能である。好ましくは、本発明では、０．０１～１００ｋＨｚの２００Ｗ～４００Ｗの強度で１分～２４０分行うことが好ましい。この時、印加する超音波の強度があまり強い場合、バルク形態を成さなければならない第１収容液相Ｐ１に影響を与え、前記第１水溶液相Ｐ１が微細な液滴を形成することができるので、上記の範囲内で適切に行う。また、超音波印加は、超音波発生器によって行うことができる。
【0133】
一方、本発明による水溶液二相系ナノフィルターは、一方向に延長され、一側端部が開口した中空のチャンネルが形成され、前記チャンネルは、フィルターハウジング内に装着される。
【0134】
この時、チャンネルは、注入された流体が存在しうる通路又は導管である。前記チャンネルは、便宜上の表現であったが、微細な管だけでなく、内部直径の大きいカラムの意味も一緒に含む。詳細には、カラムは大量の試料分離のために使用でき、チャンネルは少量の試料分離のために使用できる。この時、チャンネルは、混合ナノ粒子の分離が容易であるように、マイクロチャンネル又はナノチャンネルであることができる。
【0135】
チャンネルの断面（流体の流れ方向に対する垂直方向）形状は、製造上の便利又は当業者の目的によって選択的に変更でき、これに限定されないが、例えば、円形、楕円形、長方形、正方形などを含む。好ましくは、本発明の前記チャンネルの断面形状は円形であることができる。
【0136】
チャンネルを介した抵抗は、その長さに比例し、断面積に反比例するので、長さ、幅、及び高さが適切に設計できる。特に、第１収容液相Ｐ１にバルク形態で流動するため、十分な長さ及び幅を確保することができるようにする。
【0137】
前記チャンネルは、長さが０．０１～３ｃｍ、好ましくは１～５ｃｍであることができ、高さ（導管の横断面基準）は０．００１～５ｃｍ、好ましくは０．０１～１ｃｍであることができ、幅（幅）は０．００１～５ｃｍ、好ましくは０．０１～１ｃｍであることができる。
【0138】
フィルターハウジングは、金属又は合成樹脂で製作されたケース装置であって、水溶液二相系ナノフィルターを装着することができるように、上端又は下端に開閉可能なカバーが存在し、このようなフィルターハウジングのチャンネルの内部に流体が引き込まれる引込口と、内部の流体を排出することができる排出口を持っている。
【0139】
水溶液二相系ナノフィルターは、チャンネルの内部に第１水溶液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２の注入を介して形成することができ、重力及び浮力によって第１収容液相Ｐ１が流動することができるように、チャンネルが地面に対して垂直に存在することができるようにする。
【0140】
前記フィルターハウジングは、必要に応じて温度調節装置が装着でき、超音波発生器に連結できる。
【0141】
一方、前述した水溶液二相系ナノフィルターは、ナノサイズの粒子分離工程に好適に適用することができる。
【0142】
具体的には、水溶液二相系ナノフィルターは、
（Ｓ１）混合ナノ粒子を含む試料を第１水溶液相Ｐ１と混合するステップと、
（Ｓ２）第２収容液相Ｐ２を準備してチャンネル内に注入するステップと、
（Ｓ３）前記試料を含む分散液を、第２水溶液相（Ｐ２）が担持されたチャンネル内に注入するステップと、
（Ｓ４）試料からナノ粒子分離工程を行う、ナノ粒子の分離方法を提供する。
（Ｓ１）混合ナノ粒子を含む試料を第１水溶液相Ｐ１と混合するステップと、
（Ｓ２）第２収容液相Ｐ２を準備してチャンネル内に注入するステップと、
（Ｓ３）前記試料を含む分散液を、第２水溶液相（Ｐ２）が担持されたチャンネル内に注入するステップと、
（Ｓ４）試料からナノ粒子分離工程を行う、ナノ粒子の分離方法を提供する。
【0143】
以下、各ステップで詳細に説明する。
【0144】
まず、水溶液二相系ナノフィルターの製作に先立って、第１収容液相Ｐ１と第２収容液相Ｐ２の組成を設計して準備する。前記第１収容液相Ｐ１及び第２収容液相Ｐ２は、前述したところによって適切な組み合わせとして選定できる。
【0145】
（Ｓ１）ステップでは、混合ナノ粒子を含む試料を第１水溶液相Ｐ１と混合して分散液を製造する。
【0146】
前記試料は、混合ナノ粒子であって、本水溶液二相系ナノフィルターの適用分野によって変わり得る。一例として、電子、光電子、磁気分野、バイオメディカル、医薬、化粧品分野、エネルギー、触媒、構造体などの産業全般にわたって使用するナノ粒子であることができる。また、前記試料は、その材質によって、金属ナノ粒子、無機ナノ粒子、有機ナノ粒子、有機－無機ハイブリッドナノ粒子、高分子粒子、バイオナノ粒子、生物由来のナノ粒子、又はこれらの混合粒子であることができる。
【0147】
次に、（Ｓ２）ステップでは、第２収容液相Ｐ２を準備してチャンネル内に注入する。
【0148】
次に、（Ｓ３）ステップでは、前記試料を含む分散液を、第２水溶液相（Ｐ２）が担持されたチャンネル内に注入する。
【0149】
次に、（Ｓ４）ステップでは、一定時間放置して試料からナノ粒子分離工程を行う。
【0150】
この時、ナノ粒子の分離能及び分離速度を高めるために、温度調節装置及び超音波発生器の少なくとも一つの装置を作動させることができる。
【0151】
前記ステップを経て行うナノ粒子の分離は、１０ｎｍ程度のサイズ差を有する混合ナノ粒子を分離することができる。特に、前記分離は、短時間内に高純度で行われることができ、温度や超音波などの外力を印加する場合、その時間をさらに短縮させることができるという利点がある。
【0152】
以上で述べた本発明は、図面に示された実施形態を参考にして説明したが、これは、例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有する者であれば、これから様々な変形及び実施形態の変形が可能であることを理解するだろう。ところが、このような変形は、本発明の技術的保護範囲内にあると見なすべきである。従って、本発明の真正な技術的保護範囲は、添付された特許請求の範囲の技術的思想によって定められるべきであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】