(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-10-28
(54)【発明の名称】流動場分画装置のチャネル温度の調整
(51)【国際特許分類】
B03B 5/00 20060101AFI20241018BHJP
G05D 23/19 20060101ALI20241018BHJP
【FI】
B03B5/00 Z
G05D23/19 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024522699
(86)(22)【出願日】2022-10-14
(85)【翻訳文提出日】2024-06-10
(86)【国際出願番号】 US2022046797
(87)【国際公開番号】W WO2023064611
(87)【国際公開日】2023-04-20
(32)【優先日】2021-10-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524141924
【氏名又は名称】ワイアット・テクノロジー・エル・エル・シー
(74)【代理人】
【識別番号】110001173
【氏名又は名称】弁理士法人川口國際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】トレイノフ,スティーブン
【テーマコード(参考)】
4D071
5H323
【Fターム(参考)】
4D071AA90
4D071AB62
4D071BA01
4D071BA12
4D071BB12
5H323AA38
5H323BB11
5H323BB12
5H323CA08
(57)【要約】
本開示は、流動場分画装置のチャネル温度を調整する装置について記載する。実施形態において、装置は、上面及び底面を含む熱伝導ブロックであって、ブロックの上面は流動場分画装置の底板組立体の底面と接触するように構成され、底板組立体は熱伝導率の高い材料を含む、熱伝導ブロックと、ブロックに取り付けられ、ブロックを加熱するように構成されたヒータと、ブロックに取り付けられ、ブロックのブロック温度を測定するように構成された温度センサと、流動場分画装置のチャネルのチャネル温度を測定するように構成され、ヒータ及び温度センサに接続されるように構成された温度制御器とを含み、ブロックは底板組立体を加熱するように構成される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
装置であって、
上面と、
底面と、
を具備する熱伝導ブロックであって、
ブロックの上面は流動場分画装置の底板組立体の底面と接触するように構成され、
底板組立体は熱伝導率の高い材料を具備する、
熱伝導ブロックと、
ブロックに取り付けられ、ブロックを加熱するように構成されたヒータと、
ブロックに取り付けられ、ブロックのブロック温度を測定するように構成された温度センサと、
流動場分画装置のチャネルのチャネル温度を測定するように構成され、ヒータ及び温度センサに接続されるように構成された温度制御器と、
を備え、
ブロックは底板組立体を加熱するように構成されている、装置。
【請求項2】
ブロックに取り付けられたサーモスタットを更に備える、請求項1に記載の装置。
【請求項3】
ブロックは底面にボルト止めされる、請求項1に記載の装置。
【請求項4】
ブロックは底面に接着される、請求項1に記載の装置。
【請求項5】
ブロックは凹状空洞を備え、
ヒータは凹状空洞に取り付けられ、
温度センサは凹状空洞に取り付けられる、
請求項1に記載の装置。
【請求項6】
ブロックは凹状空洞を備え、
サーモスタットは凹状空洞に取り付けられる、
請求項2に記載の装置。
【請求項7】
ブロックの熱質量は、装置が断熱なしで0.01℃以下の温度安定性でブロック温度を維持できるのに十分である、請求項1に記載の装置。
【請求項8】
ブロックと底面との間に熱伝導性材料を更に備える、請求項1に記載の装置。
【請求項9】
流動場分画装置は温度制御器を備える、請求項1に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、2021年10月14日に出願された米国特許出願第17/502,027号の優先権を主張する。
【背景技術】
【0002】
本開示は、流動場分画装置に関し、より具体的には、流動場分画装置のチャネル温度の調整に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本開示は、流動場分画装置のチャネル温度調整装置について記載する。
【課題を解決するための手段】
【0004】
例示的な実施形態では、装置は、(1)上面及び底面を含む熱伝導ブロックであって、ブロックの上面は流動場分画装置の底板組立体の底面と接触するように構成され、底板組立体は高熱伝導率材料を含む、熱伝導ブロックと、(2)ブロックに取り付けられ、ブロックを加熱するように構成されたヒータと、(3)ブロックに取り付けられ、ブロックのブロック温度を測定するように構成された温度センサと、(4)流動場分画装置のチャネルのチャネル温度を測定するように構成され、ヒータ及び温度センサに接続されるように構成された温度制御器と、を含み、(5)ブロックは底板組立体を加熱するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【
図1A】既存の流動場分画装置によるグラフを示す。
【
図1B】既存の流動場分画装置によるグラフを示す。
【
図1C】既存の流動場分画装置によるグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【0006】
本開示は、流動場分画装置のチャネル温度を調整する装置について記載する。例示的な実施形態では、装置は、(1)上面及び底面を含む熱伝導ブロックであって、ブロックの上面が流動場分画装置の底板組立体の底面と接触するように構成され、底板組立体が熱伝導率の高い材料を含む、熱伝導ブロックと、(2)ブロックに取り付けられ、ブロックを加熱するように構成されたヒータと、(3)ブロックに取り付けられ、ブロックのブロック温度を測定するように構成された温度センサと、(4)流動場分画装置のチャネルのチャネル温度を測定するように構成され、ヒータ及び温度センサに接続されるように構成された温度制御器とを含み、(5)ブロックは底板組立体を加熱するように構成される。一実施形態では、熱伝導ブロックは、少なくとも1つのアルミニウム、銅及びステンレス鋼を含む。一実施形態では、熱伝導ブロックは、少なくとも1つのアルミニウム、銅及びステンレス鋼である。一実施形態では、底板組立体は、熱伝導率が10W/m Kを超える材料を含む。一実施形態では、底板組立体は、熱伝導率が10W/m Kを超える材料である。一実施形態では、底板組立体は、プラスチックではない材料を含む。一実施形態では、底板組立体は、プラスチックではない材料である。
【0007】
一実施形態では、ヒータは薄膜ヒータを含む。一実施形態では、ヒータは薄膜ヒータである。そのような薄膜ヒータは、均一な熱を生成することができ、低く薄い形状とすることができる。一実施形態では、流動場分画装置は温度制御器を含む。
【0008】
本開示は、FFFチャネルと一体化された安価な組立体を説明する。装置は、FFFのチャネル温度を測定することができ、フィードバックシステムによってFFFの温度を調整する。装置は、周囲温度から55℃まで動作可能で、試料ピークを再現可能に溶出させることができ、それによってFFFシステムの精度及び有用性を改善できる。
【0009】
定義
粒子
粒子は、液体試料アリコートの構成要素であってもよい。そのような粒子は、様々な種類及び寸法の分子、ナノ粒子、ウイルス様粒子、リポソーム、エマルジョン、細菌及びコロイドであってもよい。これらの粒子は、ナノメートルからミクロン程度の寸法の範囲であってもよい。
【0010】
溶液中の高分子種又は粒子種の分析
溶液中の高分子種又は粒子種の分析は、適切な溶媒中で試料を調製し、次いで、そのアリコートを液体クロマトグラフィ(LC)カラム又は流動場分離(FFF)チャネルなどの分離システムに注入することによって達成することができ、ここで、試料中に含まれる異なる種の粒子は、それらの様々な構成要素に分離される。一般に寸法、質量又はカラム親和性に基づいて分離されると、試料は、光散乱、屈折率、紫外線吸収、電気泳動移動度及び粘度測定応答による分析に供され得る。
【0011】
流動場分画
流動場分画、FFFによる溶液中の粒子の分離は、1960年初頭、J.C.Giddingsによって広範に研究及び開発された。これらの技術の基礎は、チャネルに拘束された試料と、流れ方向に垂直に加えられた印加場との相互作用にある。これらの技術の中でも現在注目されているのは、対称流(SFlFFF)としばしば呼ばれるクロスフローFFFであり、印加場は、チャネル内の試料キャリア流体に垂直な2次流れを導入することによって達成される。この技術には、非対称流FFF(すなわち、A4F)及び中空糸(H4F)流れ分離を含むいくつかの変形例がある。
【0012】
他のFFF技術には、(i)重力/遠心交差力がチャネルフローの方向に対して垂直に加えられる沈降FFF(SdFFF)、(ii)電場がチャネルフローに対して垂直に加えられる電気FFF(EFFF)、及び(ii)温度勾配が横方向に加えられる熱FFF(ThFFF)が含まれる。
【0013】
これら全ての流動場分画方法に共通しているのは、流体又は移動相であり、その中に試料のアリコートが注入され、クロス場の印加によってその構成画分への分離が達成される。流動場分画装置の多くは、電場、クロスフロー、温度勾配又は他の可変の場にかかわらず、試料アリコートがチャネルを流れ下る間のクロス場の強度の制御及び変動が可能である。
【0014】
対称流クロスフロー分画装置(SFlFFF)
流動場分離による粒子の分離の説明として、おそらく最も平易なシステムであるSFlFFFを簡略化したものを説明する。試料は消費移動相と共に入口ポートに注入される。試料は、いわゆる「緩和段階」を経ることができ、ここでは、加えられるチャネルフローはないが、常に加えられるクロスフローによって、より大きな粒子がより小さな粒子よりもチャネル高さの更に下方に押しやられる。チャネルフローが再開されると、試料アリコートは、チャネルフローの断面の、チャネルフローが最も速い、チャネル高さ中心近くの領域に存在するため、チャネル長さを下流へ移動する間に、より小さい粒子がより大きい粒子を先導するように非立体的分離を受け始める。クロスフロー速度を上げることにより、全ての種の分離が継続し、一方、より大きな画分は、より寸法の小さな画分の更に後方に遅れ始める。分画試料は、排出ポートを通ってチャネルを出た後、様々な検出器を用いて分析することができる。
【0015】
非対称流FFF(A4F)
非対称流FFF(A4F)は、一般に、以前に開発されたSFlFFFの変形と考えられる。A4Fチャネル組立体の要素を
図1に示す。A4Fチャネル組立体は、(1)密封Oリング105によって囲まれた液体透過性フリット107を保持する底部組立体構造150と、(2)フリット107上にある透過性膜と、(3)空洞が切り込まれた厚さ約75μm~800μmのスペーサ110と、(4)一般にポリカーボネート材料又はガラスの透明板を保持する上部組立体構造とを含むことができる。
【0016】
結果として得られる挟持体は、ボルト又は他の手段、例えば漏れに対してチャネルを密封するのに十分な圧力を加えることによって一体的に保持され、そのような圧力は、漏れが生じないようにチャネル組立体全体に比較的均一な圧力を提供することができる限りにおいて、万力又はクランプ機構によって加えることができる。スペーサ110内のほぼ棺形又は先細の空洞は、分離を生じさせるチャネルとして機能する。上部組立体構造140は、通常、上部板110を貫通し、チャネルの上方に中心決めされたポートと呼ばれる3つの穴を含み、そのポートに取付具を取り付けることができる。これらのポートは、(a)チャネルの開始部付近に位置し、キャリア液体、いわゆる移動相を圧送する移動相入口ポート、(b)入口ポートの下流にあり、分離される試料のアリコートがチャネルに導入され、その下に集束される試料ポート、及び(c)分画されたアリコートが空洞の端部付近でチャネルを出る出口ポートである。
【0017】
流動場分画(FFF)システムは、粒子が蓄積壁に蓄積するように流体試料に場を印加することによって、粒子及び分子を分画するために一般に使用される。非対称流FFF(A4F)の場合、試料保持流体は、溶媒を通過させるが試料を保持する半透膜に通される。膜表面は蓄積壁を形成し、膜を通る流れはクロスフローと呼ばれる。粒子に作用するストークス力が、試料を膜に向かって押す流束を生じさせる。膜の近くの高濃度の拡散は、ストークス力を打ち消す上向きの流束を生成する。これらの流束の平衡は、膜表面で最大であり、バルク内へと減衰する指数関数的な濃度プロファイルを生じる。異なる寸法の粒子は、これらの2つの流束間で異なるバランスを有する。大きな粒子は、小さな粒子よりも大きなストークス流束及び小さな拡散流束を有し、より小さな指数関数的減衰長を生じさせる。大きな粒子及び小さな粒子の両方が壁上で最大濃度を有するが、小さな粒子はバルク内に更に抜け出る。
【0018】
分画プロセスの間、平面に平行なチャネルフローが加えられる。平行な平板間のポワズイユ流は、境界で速度せん断を生成する。バルク内に更に抜け出る小さな粒子は大きな粒子よりも急速に下流に移動するため、最初に溶出し、その後、徐々に大きな粒子が続く。これが周知のFFF機構である。分画機構の中心にある指数関数的な濃度減衰長は、拡散定数とストークス力を介して溶媒温度に依存する。拡散定数は、ブラウン運動からの明示的な温度依存性と、ストークス-アインシュタインの関係に見られるような溶媒粘度からの暗黙の温度依存性とを有する。
D=(kBT)/(6πηr)、
ここで、kBはボルツマン定数、Tは温度、ηは温度依存粘度、rは粒子半径である。ストークス力は、溶媒粘度による温度にも依存する。
Fd=6πην、
ここで、νは溶媒に対する粒子の速度である。FFF理論を用いて、測定された溶出時間を基礎となる粒径に関連付けることができる。理論への入力はチャネル温度であるため、チャネル温度を測定する必要があり、最良の再現性のためには温度を一定に保つ必要があることは明らかである。
【0019】
現在の技術
これを達成する最も簡単な方法は、熱制御オーブン内にFFFチャネルを入れることである。そのような1つの解決策が、チャネル温度を4℃から90℃に調節することができるThermos製品としてSuperon GMBHから販売されたものである。これは非常に効果的であるが、そのような解決策は大きく比較的高価である。本開示の主題は、チャネル組立体と一体化することができる、単純で低費用の温度調節機構について説明することである。
【0020】
図1Aは、従来技術の流動場分画装置(FFF)用の熱安定化システムを備えていない室内におけるシステムの、多数の反復注入を示す。具体的には
図1Aは、温度制御なしの先行技術のFFFシステムにおける、30nmのポリスチレンラテックス球の反復注入を示す。
【0021】
図1Bは、ピーク前縁の到達時間を示し、
図1Cは、従来技術のFFFにおける測定されたシャーシ温度を示す。実験を行った研究室では、費用削減のために夜間は空調を切っている。実験を一晩実行し、翌朝に空調がつけられ、部屋が冷え始めたときに、データ及びシャーシ温度に大きな変化が生じた。温度が制御されない場合、ピーク到達時間が良好に制御されないことは明らかであり、解決すべき問題を示している。
図1Bは、従来技術のFFFのピーク到達時間を示し、
図1Cは、従来技術のFFFの測定されたシャーシ温度を示す。このように、流動場分画装置のチャネル温度を調整する必要がある。
【0022】
例示的な実施形態における
図2A、
図2B、
図2C、
図2D及び
図2Eを参照すると、装置は、(1)上面及び底面を含む熱伝導ブロックであって、ブロックの上面が流動場分画装置の底板組立体の底面と接触するように構成され、底板組立体が熱伝導率の高い材料を含む、熱伝導ブロックと、(2)ブロックに取り付けられ、ブロックを加熱するように構成されたヒータと、(3)ブロックに取り付けられ、ブロックのブロック温度を測定するように構成された温度センサと、(4)流動場分画装置のチャネルのチャネル温度を測定するように構成され、ヒータ及び温度センサに接続されるように構成された温度制御器とを含み、(5)ブロックは底板組立体を加熱するように構成される。
【0023】
再現可能な溶出の利点を達成するためには、チャネルの温度を一定に保つだけでよく、広範に変化させる必要はない。チャネル組立体が熱伝導率の高い材料から構成されている限り、その温度を一定に保つために必要なのは、アルミニウムブロック、薄膜ヒータ、温度センサ及び安全サーモスタットからなる小さな温度調整部のみである。これは、チャネル組立体の底部に取り付けることができる。機器内の制御器がチャネル温度を読み取り、組立体温度を一定に保つようにヒータを調節する。
【0024】
図2Dは、FFFチャネル温度組立体の内部を示している。電子機器を囲むカバーがあり、組立体はFFFチャネルの下にボルト止めされている。
【0025】
この組立体は、重力で組立体を一体的に保持するように接着又は単純に積層されることができるが、密接な熱接触を提供するためにFFFチャネルの下にボルト止めされる。組立体全体は、断熱材又は外部筐体を必要とせずに室内で0.01℃より良好な安定温度を維持することができる十分な熱質量を有する。これは、再現可能な分離を提供するのに十分であり、クロマトグラフィのオーブンとは異なり、追加の実験台空間を必要としないほど十分に小型である。
【0026】
熱伝導ブロック
一実施形態では、ブロックは底面にボルト止めされる。一実施形態では、ブロックは、流動場分画装置の底板組立体の底面にボルト止めされる。一実施形態では、ブロックは底面に接着される。一実施形態では、ブロックは、流動場分画装置の底板組立体の底面に接着される。
【0027】
一実施形態では、
図2E及び
図3に示すように、ブロックは凹状空洞を含み、ヒータが凹状空洞に取り付けられ、温度センサが凹状空洞に取り付けられる。一実施形態では、
図4に示すように、カバーが凹状空洞を覆い、したがってヒータ及びセンサを覆うことができる。一実施形態では、サーモスタットが凹状空洞に取り付けられる。一実施形態では、カバーが凹状空洞を覆い、したがってサーモスタットを覆うことができる。一実施形態では、ブロックの熱質量は、装置が断熱なしで0.01℃以下の温度安定性でブロック温度を維持できるのに十分である。
【0028】
サーモスタット
一実施形態では、装置は、ブロックに取り付けられたサーモスタットを更に含む。サーモスタットは、装置の安全性を向上させることができる。
【0029】
熱伝導性材料
一実施形態では、装置は、ブロックと底面との間に熱伝導性材料を更に含む。一実施形態では、熱伝導性材料は、SILパッド及び熱ペーストのうちのいずれかである。熱伝導性材料は、ブロックと底面との間の熱接触を改善することができる。熱伝導性材料は、ブロックと底面との間の熱接触を確実にすることができる。
【0030】
実施例
図5は、本開示に記載の装置を使用してチャネル温度を30℃に調整し、FFFを実行した結果を示す。全ての波形がほぼ完全に重なり合い、問題が解決されたことを実証している。これは、従来技術のデータセットと同じ部屋で取得され、周囲温度は同様に変化していた。
図5は、開示された装置のチャネル温度調節システムの有効性を示す。
【0031】
本開示の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されているが、網羅的であること、又は開示された実施形態に限定されることを意図するものではない。記載された実施形態の範囲及び精神から逸脱することなく、多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、実際の用途又は市場で見られる技術に対する技術的改善を説明するために、又は当業者が本明細書に開示される実施形態を理解することを可能にするために選択された。
【国際調査報告】