场流分离装置

摘要

本发明涉及的场流分离装置具备分离通道、载液供给部、分离膜、废液腔、交叉流流量调节部以及载液追加部。载液追加部构成为，在设定于交叉流流量调节部的上游侧的载液追加位置处，对通过了分离膜的载液的液流追加其它载液的液流，从而使流入交叉流流量调节部的载液的流量变得比通过了分离膜的载液的流量大。

权利要求

1.一种场流分离装置，其特征在于，具备：

分离通道，在两端设置有入口端口和出口端口，形成供载液流动的空间；

载液供给部，经由所述入口端口向所述分离通道供给载液；

分离膜，具有使载液通过的同时使分离对象的粒子不通过的性质，成为划分所述分离通道的壁面；

废液腔，成为供流经所述分离通道的载液中通过了所述分离膜的载液流动的空间，具有将通过了所述分离膜的载液向外部排出的排出端口；

交叉流流量调节部，与所述排出端口连接，通过将经由所述排出端口从所述废液腔排出的载液的流量调节成预先设定的流量，对由于所述分离通道内的载液通过所述分离膜而形成的交叉流的流量进行调节；

载液追加部，在将所述交叉流流量设为比可用所述交叉流流量调节部控制的流量的下限小的流量的情况下，在设定于所述交叉流流量调节部的上游侧的载液追加位置处，对通过了所述分离膜的载液的液流追加其它载液的液流，从而使流入所述交叉流流量调节部的载液的流量变得比通过了所述分离膜的载液的流量大。

2.如权利要求1所述的场流分离装置，其特征在于，

所述载液追加位置设定在通过了所述分离膜的载液的流动方向中所述分离膜和所述交叉流流量调节部之间的位置。

3.如权利要求2所述的场流分离装置，其特征在于，

所述载液追加位置设定在所述排出端口和所述交叉流流量调节部之间。

4.如权利要求2所述的场流分离装置，其特征在于，

所述载液追加位置设定在所述废液腔的与设置有所述排出端口的位置相反侧的位置。

5.如权利要求1所述的场流分离装置，其特征在于，具备：聚集流形成部，连接至所述分离通道的与所述入口端口不同的载液供给位置，在规定的时机向所述分离通道供给载液，在所述分离通道内形成与来自所述入口端口的载液的液流对向的载液的液流，所述聚集流形成部具有作为所述载液追加部的功能，构成为在与从所述载液供给位置向所述分离通道供给载液的时机不同的时机，在所述载液追加位置处向通过了所述分离膜的载液的液流供给载液的液流。

6.如权利要求5所述的场流分离装置，其特征在于，

所述聚集流形成部构成为具备对载液进行送液的送液泵，所述送液泵经由流路切换阀与所述载液供给位置和所述载液追加位置连接，通过所述流路切换阀的切换，将载液的供给目标选择性地切换为所述载液供给位置和所述载液追加位置中的任一方。

7.如权利要求1～6的任一项所述的场流分离装置，其特征在于，所述交叉流流量调节部是质量流量控制器。

说明书

场流分离装置

技术领域

[0001] 本发明涉及用于利用场流分离(Field‑Flow)对流体中包含的微粒子进行分离、分馏的场流分离装置。

背景技术

[0002] 作为用于将分散在溶液中的粒径为1nm～50μm左右的较宽范围的微粒子分离并进行检测或分馏的方法，以往以知有所谓的交叉流方式的场流分离(例如，参照专利文献1)。

[0003] 采用非对称通道结构的交叉流方式的场流分离装置具有用于分离样品的分离通道。形成分离通道的壁面之一是RC(再生纤维素)、PES(聚醚砜)等具有细孔的半透膜(也称为分离膜)，进而在该半透膜的外侧设置有被称为玻璃料(frit)的多孔质的平板。通过使被导入通道内的载液通过该壁面，从而产生相对于从分离通道的入口端口流向出口端口的顺方向的液流(channel flow:通道流)垂直的方向的液流(cross flow:交叉流)。以下，将分离通道中设置有玻璃料的壁面侧定义为下侧。

[0004] 在分离通道中，根据需要形成与通道流对向的液流(focus flow:聚集流)。从形成分离通道的壁面的分离膜通过的载液从分离通道的与出口端口不同的出口端口(排出端口)排出。来自玻璃料的排出量由设置在排出端口侧的MFC(mass flow controller:质量流量控制器)来控制。

[0005] 样品从入口端口经由样品注射器被导入分离通道内。此时，在分离通道内，形成了从入口端口供给的载液的通道流、以及从与入口端口不同的出口端口侧的端口供给的载液的对向流(聚集流)，被导入分离通道内的样品被收集至通道流和聚集流的边界部分。这被称为聚集(Focusing)。

[0006] 通过聚集被收集到对向流的边界部分的样品粒子由于流体力学上的半径的差而产生扩散系数的差，所以越容易扩散的粒子越被汇集在分离通道的上侧。这被称为松弛(Relaxation)。其后，若聚集流停止，分离通道内的液流变为只有通道流和交叉流，则由于斯托克斯流动使得从较小的样品粒子开始依次经由出口端口从分离通道被排出。在分离通道的出口端口连接有紫外线吸光度检测器等检测器，例如从在紫外线区域(190nm～280nm)中的吸光度小的样品粒子开始利用检测器依次进行测量，能够得到分离图(fractogram)。

[0007] 现有技术文献

[0008] 专利文献

[0009] 专利文献1：日本特开2008‑000724号公报

发明内容

[0010] 发明要解决的技术问题

[0011] 一般来说，交叉流的流量是通过调节来自废液腔的排出流量来控制的，其中该废液腔供通过了分离膜的载液流动。作为控制该排出流量的方法，有主动泵方式和被动阀方式。场流分离装置中所要求的交叉流流量为0‑10mL/min左右。因此，在采用阀方法的场流分离装置中，为了控制交叉流流量，一般使用具备不需要频繁校准的科里奥利式流量计的液体用质量流量控制器。

[0012] 在这样的场流分离装置中，将交叉流的流量设为恒定来运用的情况较少，通常为了可靠地排出洗脱很费时间的微粒子和难以洗脱的较大的微粒子，采取了将交叉流的流量减小至极限的方式。交叉流的流量变小时，其流量控制依存于质量流量控制器的性能，能够使交叉流连续地降低的流量下限成为比0mL/min大的值。

[0013] 在能够用液体用质量流量控制器控制的流量被限制为例如液体用质量流量控制器的前后的流量比为50：1的情况下，若满刻度为5mL/min，则下限为0.1mL/min。即使使用这样的质量流量控制器想要将流量控制为小于0.1mL/min，也不能进行正确的流量控制，或存在阀完全关闭而使交叉流流量成为0mL/min的情况。像这样，若不能在低流量范围中正确地控制交叉流，则存在可分级的粒径范围变窄的问题。

[0014] 此外，在从分离膜到质量流量控制器的系统中存在无法忽略的流体阻力和死体积。因此，在想要将交叉流的流量控制得极低而将质量流量控制器完全关闭的情况下，从分离膜到质量流量控制器为止的系统内的压力上升，产生载液经由分离膜向朝向分离通道侧的方向、即向交叉流的反方向逆流的现象。由此，来自分离通道的出口端口的洗脱液的流量上升，存在洗脱液的流量控制的正确性降低的问题。

[0015] 在该出口端口连接有UV检测器、示差折射率计等检测器的情况下，由于信号强度根据线速度变化，因此基线漂移明显出现。由于到基线漂移稳定为止不能开始接下来的分级操作，因此会妨碍场流分离装置的高效运用。

[0016] 图5A是使用蛋白质的牛血清白蛋白(BSA)作为分级对象进行分级时的洗脱数据(分离图)的一例，图5B是示出获取该数据时的交叉流流量(质量流量控制器的指示值)的图表，图5C是示出获取该数据时的废液腔的下游侧流路(排出流路)内的压力值的图表。在该测量中，使用0.2M磷酸缓冲液作为溶剂(载液)。分离通道的流路高度为0.35mm，流路宽度为21mm，流路长度为266mm。此外，使用再生纤维素(Merck Millipore PLGC，MWCO 10kDa)作为分离膜，将来自分离通道的出口端口的洗脱液的流量设定为1mL/min。在出口端口连接UV检测器，测量在波长280nm处的吸光度。

[0017] 以图5A的虚线圆包围的峰A是系统峰，与试样无关。峰B是BSA的峰。若使交叉流流量从3.5mL/min减少为2mL/min(参照图5C)，则排出流路内的压力从P0上升至P1(参照图5B)，但UV检测器的基线几乎没有变动(参照图5A)。但是，若使交叉流流量从2mL/min变为0mL/min，则排出流路内的压力从P1进一步上升至P2(参照图5B)。此时，UV检测器的检测信号的基线漂移开始，产生重影C(参照图5A)。

[0018] 像这样，若控制从废液腔排出的载液的流量的质量流量控制器的阀关闭而将交叉流流量设定为0mL/min，则废液腔侧的压力相比分离通道侧的压力上升，由此产生载液的逆流，产生检测器信号的基线漂移。

[0019] 因此，本发明的目的在于即使在极低区域中也能够正确地控制从废液腔排出的载液的流量，从而防止上述那样的问题的产生。

[0020] 用于解决上述技术问题的方案

[0021] 本发明的场流分离装置具备：分离通道，在两端设置有入口端口和出口端口，形成供载液流动的空间；载液供给部，经由所述入口端口向所述分离通道供给载液；分离膜，具有使载液通过的同时使分离对象的粒子不通过的性质，形成划分所述分离通道的壁面；废液腔，形成供流经所述分离通道的载液中通过了所述分离膜的载液流动的空间，具有将通过了所述分离膜的载液向外部排出的排出端口；交叉流流量调节部，与所述排出端口连接，通过将经由所述排出端口从所述废液腔排出的载液的流量调节成预先设定的流量，调节由于所述分离通道内的载液通过所述分离膜而形成的交叉流的流量；载液追加部，在设定于所述交叉流流量调节部的上游侧的载液追加位置处，对通过了所述分离膜的载液的液流追加其它载液的液流，从而使流入所述交叉流流量调节部的载液的流量变得比通过了所述分离膜的载液的流量大。

[0022] 用于对通过了分离膜的载液的液流追加其它载液的液流的载液追加位置也可以被设定在所述排出端口和所述排出流路调节部之间。

[0023] 此外，载液追加位置也可以被设定在废液腔的与设置有排出端口的位置为相反侧的位置。

[0024] 场流分离装置具备聚集流形成部，所述聚集流形成部通常连接到分离通道的与入口端口不同的载液供给位置，在规定的时机向分离通道供给载液，在分离通道内形成与来自入口端口的载液的液流对向的载液的液流。上述聚集流形成部形成使载液与从入口端口向出口端口流动的通道流对向地流动的聚集流的时机是在向分离通道内导入分级对象的微粒子之后。通过聚集被导入分离通道内的分级对象的微粒子汇集在规定的位置。另外，用于在聚集时向分离通道导入用于形成聚集流的载液的载液供给位置是比入口端口更靠出口端口侧的位置，可以是出口端口本身，也可以是不同于出口端口的位置。

[0025] 在本发明中，也能够将上述的聚集流形成部作为载液追加部使用。在分离通道内形成聚集流是仅在聚集时，聚集结束后，不需向分离通道内供给用于形成聚集流的载液。因此，聚集结束后，能够将聚集流形成部的载液供给功能作为载液追加部利用。即，聚集流形成部能够构成为，在与从所述载液供给位置向所述分离通道供给载液的时机不同的时机，在所述载液追加位置处向通过了所述分离膜的载液的液流供给载液的液流。

[0026] 作为使聚集流形成部也具备作为载液追加部的功能的情况下的具体的构成，能够例举如下例子：聚集流形成部构成为，具备对载液进行送液的送液泵，该送液泵经由流路切换阀与载液供给位置以及载液追加位置连接，通过该流路切换阀的切换，将载液的供给目标选择性地切换为载液供给位置和载液追加位置中的任一方。通过这样地构成聚集流形成部，能够不追加新的送液泵等而以低价且简单的构成实现载液追加部。

[0027] 本发明能够应用于由泵控制交叉流流量的泵方法以及由阀控制交叉流流量的阀方法中的任一方法，对于将质量流量控制器作为交叉流流量调节部使用的阀方法特别有效。

[0028] 发明效果

[0029] 在本发明的场流分离装置中，由于具备载液追加部，所以流入交叉流流量调节部的载液的流量升高到比通过了分离膜的载液的流量、即比交叉流流量大的流量，所述载液追加部在设定于交叉流流量调节部的上游侧的载液追加位置处，对通过了分离膜的载液的液流追加其它载液的液流，从而使流入交叉流流量调节部的载液的流量变得比通过了分离膜的载液的流量大。因此，即使在将交叉流流量设为比可用交叉流流量调节部控制的流量的下限小的流量的情况下，由于能够将实际流入交叉流流量调节部的载液的流量设为比其大的流量，因此能够以比可用交叉流流量调节部控制的流量的下限小的流量范围对交叉流流量进行控制。

附图说明

[0030] 图1是概略地示出场流分离装置的一实施例的概略流路构成图。

[0031] 图2是示出该实施例的载液追加部的具体构成的一例的流路构成图。

[0032] 图3是概略地示出场流分离装置的另一实施例的概略流路构成图。

[0033] 图4是示出该实施例的载液追加部的具体构成的一例的流路构成图。

[0034] 图5A是示出场流分离装置的分离图的一例的图表。

[0035] 图5B是示出获取该数据时的质量流量控制器的指示值的图表。

[0036] 图5C是示出获取该数据时的废液腔的下游侧流路内的压力值的图表。

具体实施方式

[0037] 以下，使用附图对场流分离装置的一实施例进行说明。

[0038] 首先，使用图1对该实施例的场流分离装置的构成进行说明。

[0039] 该实施例的场流分离装置具备用于分离样品粒子的分离通道2，入口端口4、出口端口6以及中间端口8与该分离通道2相通。入口端口4与分离通道2的一端相通，出口端口6与分离通道2的另一端相通。中间端口8位于入口端口4和出口端口6之间。虽然省略了图示，但分离通道2例如形成于由多个基板层叠构成的块体的内部，各端口4、6以及8是由设置于该块体的孔所构成的。

[0040] 分离通道2具有大致菱形的形状。分离通道2的一端部和另一端部成为角部，其平面形状的宽度尺寸随着从一端侧向另一端侧移动而暂且先变宽，从中途开始随着向另一端移动而宽度逐渐变窄，并在另一端部收敛。

[0041] 在入口端口4经由流量计15以及样品注射器12连接有对贮存在容器18内的载液进行送液的送液泵14。送液泵14以及流量计15形成经由入口端口4向分离通道2内供给载液的载液供给部。作为分离对象的样品粒子通过样品注射器12被注入，与由送液泵14送液的载液一起从入口端口4被导入分离通道2内。出口端口6与检测器20相通。

[0042] 在分离通道2内，将从入口端口4流向出口端口6的流体的液流称为“通道流”。与该通道流平行的分离通道2的一壁面(在图中为下侧的壁面)由分离膜10构成，该分离膜10具有载液能够通过而样品粒子不能通过的性质。由于被导入分离通道2的载液的一部分通过分离膜10，因此在分离通道2内产生沿图中箭头所示的方向、即与通道流正交的方向的液流。将该液流称为“交叉流”。

[0043] 通过了分离膜10的载液流经设置于分离通道2的下方的废液腔22，通过排出端口24向外部排出。在与排出端口24连接的排出流路28上设置有质量流量控制器(MFC)26，从废液腔22排出的载液的流量由质量流量控制器26来控制。从废液腔22通过排出端口24排出的载液的流量与从分离通道2侧向废液腔22侧通过分离膜10的载液的流量、即交叉流流量相等。因此，质量流量控制器26成为用于调节交叉流流量的交叉流流量调节部。

[0044] 在中间端口8经由流量计17连接有从容器18对载液进行送液的送液泵16。送液泵16相对于向入口端口4供给载液的送液泵14独立地设置，根据需要使载液以规定流量从中间端口8供给至分离通道2内，在分离通道2内形成与通道流对向的聚集流。即，送液泵16以及流量计17成为聚集流形成部。

[0045] 该实施例中，在入口端口4和出口端口6之间的位置设定有用于供给聚集流形成用的载液的载液供给位置，在该载液供给位置设置有中间端口8。其中，载液供给位置也可以设定在与出口端口6的位置相同的位置。该情况下，不需要中间端口8。在将出口端口6的位置作为载液供给位置的情况下，仅在分离通道2内形成聚集流时构成流路，使得载液从出口端口6被供给。

[0046] 在与废液腔22的排出端口24连接的排出流路28连接有载液追加部30。载液追加部30构成为，能够在所期望的时机以恒定流量向排出流路28供给载液。通过从载液追加部30供给载液，从而对从排出端口24排出的载液的流量、即交叉流流量追加了其它载液的液流，使流经质量流量控制器26的载液的流量变得比交叉流流量大。

[0047] 样品粒子的分级测量时，若使通过入口端口4被供给至分离通道2的载液的流量为M1，从出口端口6流出并流经检测器20的载液的流量为M2，通过分离膜10从分离通道2流向废液腔22的载液的流量(交叉流流量)为M3，则这些流量的关系为

[0048] M1＝M2+M3。

[0049] 分级测量时，以使流经检测器20的流体的流量M2(＝M3‑M1)成为恒定的方式来控制送液泵14的动作。交叉流流量M3由质量流量控制器26来控制。即，送液泵14基于质量流量控制器26的控制值和流量计15的测量值进行控制，以使M3‑M1成为恒定。

[0050] 在此，该实施例中，流经质量流量控制器26的载液的流量是通过排出端口24从废液腔22排出的载液的流量即交叉流流量M3、和由载液追加部30供给的载液的流量M4之和(M3+M4)。因此，在将交叉流流量M3设定为比可用质量流量控制器26控制的流量的下限小的流量的情况下，使其与由载液追加部30供给的载液的流量M4之和(M3+M4)超过质量流量控制器26可控制的流量的下限，由此能够正确地控制交叉流流量M3。

[0051] 对于该实施例的场流分离装置的样品的分离动作进行说明。

[0052] 样品粒子与载液一起经由入口端口4被导入分离通道2内。此时，载液也从中间端口8被供给至分离通道2内而形成聚集流。通过该聚集流使得从入口端口4被导入的样品粒子被收集(聚集)在来自入口端口4的载液的液流和来自中间端口8的载液的液流的边界部分。在分离通道内，因通过分离膜10的载液的液流也产生了交叉流，能够在来自入口端口4的载液的液流和来自中间端口8的载液的液流的边界部分进行样品粒子的松弛。

[0053] 聚集以及松弛结束后，从送液泵16流向分离通道2内的载液的供给被停止，而不再形成聚集流。在分离通道2内产生了从入口端口4向出口端口6流动的载液形成的通道流、和通过分离膜10的载液形成的交叉流。

[0054] 聚集以及松弛结束后，对送液泵14的动作速度进行控制，以使流经检测器20的流体流量成为恒定。从排出端口24排出的载液的流量即交叉流的流量不一定为恒定的，可以根据需要调节其流量。交叉流流量由质量流量控制器26控制，在需要将交叉流流量控制在例如0.1mL/min以下的极低流量范围内的情况下，预先从载液追加部30以恒定流量(例如1mL/min)供给载液并进行调节，使得流经质量流量控制器26的载液的流量不低于可用质量流量控制器26控制的流量的下限。

[0055] 通过聚集以及松弛，在规定位置所收集的样品粒子受到交叉流的影响的同时向出口端口6侧流动，从受其影响较小的粒子开始依次被导入检测器20来进行检测。

[0056] 接下来，使用图2对用于实现图1的载液追加部30的流路构成的一例进行说明。

[0057] 仅在将样品粒子汇集至规定位置的聚集(以及松弛)时在分离通道2内形成聚集流。因此，聚集结束后，不需要通过中间端口8向分离通道2内导入载液。

[0058] 因此，在该例中构成为，将成为聚集流形成部的送液泵16以及流量计17也作为载气追加部30使用。具体而言，构成为在流量计17的后段侧设置流路切换阀32，通过该切换阀32的切换，送液泵16选择性地与通向中间端口8的聚集流用流路34和通向排出流路28的载液追加用流路36中的任一方的流路连接。通过这样地构成，不再需要为了实现载液追加部
30而另行设置送液泵、流量计，从而能够以低价且简单的构成实现载液追加部30。

[0059] 另外，在以上说明的图1以及图2的实施例中，用于通过载液追加部30追加载液的载液追加位置设定在排出端口24和质量流量控制器26之间的位置，但如图3所示，载液追加位置也可以设定在废液腔22中的与排出端口24相反侧的位置。

[0060] 由于通过了分离膜10的载液在废液腔22内向排出端口24侧流动，因此在与废液腔22内的排出端口24相反侧的区域中载液容易沉淀，容易变成死体积。因此，如图3所示，通过将载液追加位置设定在废液腔22中的与排出端口24相反侧的位置，能够从废液腔22中载液容易沉淀的位置供给载液，能够消除废液腔22中的载液的沉淀。

[0061] 由此，即使在将载液追加位置设定在废液腔22中的与排出端口24相反侧的位置的情况下，也与图1以及图2的实施例同样地，流经质量流量控制器26的载液的流量成为交叉流流量M3和由载液追加部30供给的载液的流量M4之和(M3+M4)。因此，在将交叉流流量M3设定为比可用质量流量控制器26控制的流量的下限小的流量的情况下，使其与由载液追加部30供给的载液的流量M4之和(M3+M4)超过质量流量控制器26可控制的流量的下限，由此能够正确地控制交叉流流量M3。

[0062] 对于该实施例的载液追加部30，如图4所示，也能够由成为聚集流形成部的送液泵16以及流量计17来实现。在图2的实施例中，载液追加用流路36与排出流路28连接，但在图4的实施例中载液追加用流路36连接在与废液腔22内的排出端口24相反侧的位置。

[0063] 附图标记说明

[0064] 2 分离通道

[0065] 4 入口端口

[0066] 6 出口端口

[0067] 8 中间端口

[0068] 10 分离膜

[0069] 12 样品注射器

[0070] 14，16 送液泵

[0071] 15，17 流量计

[0072] 18 载液用的容器

[0073] 20 检测器

[0074] 22 废液腔

[0075] 24 排出端口

[0076] 26 质量流量控制器

[0077] 28 排出流路

[0078] 30 载液追加部

[0079] 32 流路切换阀

[0080] 34 聚集流形成用流路

[0081] 36 载液追加用流路。