JPS5935265B2 - 場流れ分別用装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、係属中の［沈降渦流れ分別用ロータ］なる名
称の米国特許出願第１２５，８５５号（１９８０年２月
２９日出願）、「回転シール用駆動装置」なる名称の米
国特許出願第１２５，８５４号（１９８０年２月２９日
出願）、「沈降渦流れ分別用チャンネル」なる名称の米
国特許出願第１２５，８５３号（１９８０年２月２９日
出願）、「場流れ分別方法および装置」なる名称の米国
特許出願第１２５．８５１号（１９８０年２月２９日出
願）、および１９８０年２月２９日出願の「沈降渦流れ
分別用ロータ」なる名称の米国特許出願第１２５．８５
０号（１９８０年２月２９日出願）に関連している。

場流れ分別は流体媒体中に浮遊する広範囲に多様な微粒
の高度な分析分離についての融通性のある技術である。

微粒には一般に１０５〜１０１３の分子量（０，００１
〜１μｍ）の範囲にある巨大分子、コロイド、粒子、ミ
セル、細胞小器官などを含む。

この技術はＧｉｄｄｉｎｇｓ氏の米国特許第３、４４９
．９３８号およびＰｕｒｃｅｌｌおよびＢｅｒｇ両氏の
米国特許第３，５２３，６１０号の各明細書に一層明白
に記載されている。

場流れ分別はクロマトグラフィーのそれと同様にキャリ
ア相すなわち移動相中での各成分の差別的な移動速度の
結果である。

しかしながら、場流れ分別においては、クロマトグラフ
ィーの場合におけるような別の定常相はない。

試料の保持は、移動相内でのより速く動く層とより遅く
動く層との間での試料成分の再分布によって起こされる
。

従って微粒は溶媒前線よりも一層遅く溶離する。

代表的には、接近して隔てられた平行な二つの面からな
る場流れ分別チャンネルが使用される。

移動相はその面の間の間隙を連続的に流通せしめられる
。

この間隙の狭さく代表的には０．０２５Ｃ７ｒＬ）のた
めに、移動相の流れは特徴ある放物線状速度プロフィル
を有する層流である。

その流れ速度はチャンネルの中央部で最高であり、かつ
チャンネルの二つの面の近くで最低である。

若干のタイプの外部力場（それら力場にはＧｉｄｄｉｎ
ｇｓ 、 ＢｅｒｇおよびＰｕ ｒｃｅ Ｉ １氏等が
種々に記載しているように重力、熱、電気、クロスフロ
ー（横流れ）およびその他の力場を含む）がチャンネル
の面すなわち壁に横断方向に（垂直に）加えられる。

この力場は外壁に近いより遅く動く層の方へ試料成分を
押しやる。

しかしながら、壁の近くでの試料濃度の蓄積は、力場に
反対方向への微粒の通常な拡散により抵抗をうける。

このことは結局成分粒子の動的層を生じ、各成分は指数
関数−濃度プロフィルを有することとなる。

この濃度プロフィルは加えられた場の強さと拡散する粒
子の反対傾向との間のバランスの関数であるが、その濃
度プロフィルの範囲内での微粒の時間平均位置によって
滞留の程度が決定されることになる。

沈降渦流れ分別においては、分離のために必要な力場を
確立するために、遠心分離機が使用される。

この目的のために、長く薄い環状のベルト様チャンネル
が遠心分離機内でそれ自身軸のまわりに回転せしめられ
る。

生ずる遠心力がチャンネルの外壁に向けて移動相よりも
より高い密度を有する成分を沈降させる。

同じ粒子密度の場合には、より小さい微粒はそれらのよ
り高い拡散速度のために、より大きい粒子よりも外壁に
対してより厚い層に蓄積する。

それ故、平均すれば、より大きい微粒は外壁により近接
させられる。

もしここで移動相または溶媒と呼ぶことができる流体媒
体がチャンネルの一端から連続的に供給されると、その
流体媒体はチャンネルの出口での後から検出のためにチ
ャンネルを通して試料成分を移送する。

チャンネル内の層流の速度プロフィルの形状とそのプロ
フィルでの微粒の配置のために、溶媒の流れはより小さ
い微粒を先ず溶離させ、それに続いて微粒の質量が上が
って行く順序で試料成分の連続的な溶離が行なわれる。

この成分の溶離は、それが沈降の場流れ分別におけるも
のであれ、また他の形式の場流れ分別におけるものであ
れ、バンド拡大として知られている問題の影響を受ける
。

「バンド拡大」とは、種種の溶離される成分がシャープ
な溶離ピークすなわち溶離プロフィルを形成するために
望まれるよりも一層長い時間または一層大きい移動相容
積にわたって拡延せしめられる現象を意味する。

より広いバンドでは、成分間の分離は悪くなる傾向があ
り、ピークは相互に合体してしまう。

これは複数のピークとして正確な測定値を得る能力すな
わち複数個の純粋な試料成分を集める能力を減する。

バンドの拡大は後述する多くの要因による。

当面は、バンドの拡大は分離の質を悪くシ、かつそれ故
に補正を要するような望ましくない分離技術の特性すな
わち特徴であると云っておけば充分である。

本発明は流体媒体中に浮遊する微粒をそれらの実効質量
により分離するための装置であって、該装置は円筒軸を
有する環状の円筒状チャンネルと、該チャンネルを前記
の軸のまわりに回転するための手段と、該チャンネルを
通して流体媒体を円周方向に通過させるための手段と、
該媒体中に微粒の試料を導入して前記チャンネルを通過
させるための手段とを備え、前記チャンネルが半径方向
ｌこ内壁、外壁および入口端部、出口端部を有し、一般
にその断面が長方形でかつ該外壁から内方にほぼ半径距
離ｌのところに前記微粒を導入するように配置された入
口を有し、ｌは回転遠心力とそれに対向するブラウン運
動による通常の拡散力とによって各微粒に働く平均の外
部力場に起因する外壁からの微粒の平衡点までの半径距
離ＪＪｃであることを特徴としている。

本発明の一つの特徴によれば、チャンネルはまたほぼ半
径距離ｌのところに位置された出口を有する。

さらに入口および出口の両者は半径方向に配向された管
の形状をなしていて、該管はチャンネルの内、壁を貫通
して半径方向に配向されかつ外壁から半径距離ｌのとこ
ろで終端している。

本発明の別の態様では、チャンネルの入口はそのチャン
ネルの半径方向の厚さが入口で減するように外壁に向け
てテーパを設けられたチャンネル内壁によって形成され
ている。

好ましい態様では、その厚さは約１０の係数によって減
少されている。

出口も同様に形成される。

このテーパを設けた形状については、別の試料入口で上
述の管タイプのものが、別の試料を流れている流体媒体
中へ導入するために使用される。

これらの構成はすべてバンドの拡大を減するために役立
ち、かつそれによって分離が進行し得るように力場にお
いて粒子が平衡に達するのに要する弛緩時間を減じてバ
ンドのシャープさおよび分離を改善する。

さらに、これらの構成は分離が起ったときに、チャンネ
ルからの分離された微粒成分の迅速かつ正確な取出しを
促進する。

本発明の利点および特徴は下記の記載から一層間らかに
される。

本発明が使用される代表的な沈降揚泥れ分別装置の動作
の原理は第１図および第２図を参照すれば一層容易に理
解できよう。

第１図では、符号Ｗを付した比較的小さい厚さく半径方
向寸法で）を有する環状のベルト様（すなわちリボン状
）のチャンネル１０を見ることができる。

チャンネルは、流体媒体（以下移動相または液体または
単に流体と称する）が分別されるべき微粒の少量の試料
と一緒にある時点で導入される入口１２と、その出口１
４とを有する。

環状のチャンネルはどちらかの方向に旋回される。

例示のためには、チャンネルは矢印１６を付した反時計
方向に回転されているものとして示される。

代表的にはこれらのチャンネルの厚さは０．０２４Ｃｒ
ｒＬ程度であり、実際にはチャンネルの厚さが小さくな
ればなる程分離が達成される速度は大きくなる。

いかなる場合でも、薄いチャンネルであるために、流体
流れは層流でありかつ符号１８で示されているように、
チャンネルの厚さを横断して放物線状の流れ速度プロフ
ィルをとる。

チャンネル１０は外側面すなわち外壁２２と内側面すな
わち内壁２３とによって形成される。

ここで矢印２０で示される半径方向の遠心力場Ｆがチャ
ンネルの横方向すなわちチャンネルに直角に加えられる
と、微粒は指数関数の濃度プロフィルをもつ動的な雲秋
物（ｃｌｏｕｄ）に圧縮される。

そのプロフィルの外壁２２からの平均高さすなわち距離
Ａｃ（第５図）は、遠心力場Ｆとブラウン運動によるそ
れに対向する通常の拡散力とによって各微粒に働く平均
の力の間の平衡で決定される。

微粒は任意の与えられた瞬間には一定の運動状態にある
ので、ある所定の微粒は壁から任意の距離のところで見
出すことができる。

拡散時間に比較して長い時間が過ぎると、雲秋物の中に
あるすべての微粒はそのことごとくが、しばしば異なっ
た壁からの高度になっている。

しかしながら、その時間がすぎての所定の質量の個々の
微粒のすべての壁からの平均高さは同じである。

それ故、壁からの微粒の平均高さは微粒の質量に関係し
、より大きい微粒が平均高さＡａ（第１図）を有すると
すれば、その平均高さｌｌａはより小さい微粒の平均高
さｘｂ （第１図）よりも小さい。

チャンネル内の流体は均一な速度で流れしめられるので
、流体は放物線プロフィルの流れ１８になっている。

この層流状態では、液体の層が壁に近ければ近い程それ
は一層緩徐に流れる。

流れている流体と微粒の圧縮された雲状物との相互作用
の間に、充分に大きい微粒は流体の基層（その平均速度
がチャンネル内の全液体流れに対する最大速度よりは小
さい）と相互に作用する。

かくして、これらの微粒は場によって保持または滞留さ
れる、すなわちその場の中で遅れた溶離を示す。

この機構はＢｅｒｇおよびＰｕｒｃｅｌ１両氏の［流体
中に浮遊する巨大分子または小粒子の混合物を質量屹応
じて分離する方法■、理論」と題する論文［［Ｐｒｏｃ
ｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＮａｔｉｏｎａｌＡｃ
ａｄｅｍｙ ｏｆ ５ｃｉｅｎｃｅｓＪ第５８巻第３
号第８６２〜８６９頁（１９６７年９月）〕に記載され
ている。

ＢｅｒｇおよびＰｕｒｃｅｌ１両氏によれば、流体中に
浮遊した巨大分子または小さい微粒の混合物は質量によ
り、すなわち一層正確には実効質量と称されるもの、す
なわち１個の微粒の質量マイナスその質量を置き換えた
流体の質量に応じて分離することができる。

微粒が流れている流体中に浮遊されている場合には、そ
れらの微粒は複数の平衡「雰囲気」中に分布することに
なるが、それらの雰囲気の層の高さｌは既知の関係式Ｍ
ｅａ＝ｋＴによってそれらの実効質量ｍｅに依存する。

この関係式において、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温
度、そしてａは遠心加速度である。

比較的長いコラムすなわちチャンネルを通る微粒のこの
差別的な通過時間の故に、微粒は分離されるようになり
かつ異なった時期に溶離するようになる。

それ故、第１図で理解しつるように、平均高さｌｂの比
較的小さい微粒群は先に進み且つ最初にチャンネルから
溶離するが、一方平均高さｌ のより大きくより重い微
粒群は外壁２２に一層接近して分布されることが認めら
れ、かつ流体流れのより遅く動く成分の影響を受けるこ
とで明らかに後の時点で溶離することになる。

沈降揚泥れ分別においては、試料の導入に続いて、流れ
が開始される前に粒子がチャンネルを横断する力場の中
で平衡状態に到達するのにある時間が必要とされる。

これらの時間は代表的には弛緩時間または平衡時間と呼
ばれる。

実際に、沈降揚泥れ分別でのバンドの拡大は一般に最初
に試料を弛緩すなわち平衡にするのに必要な時間の関数
である。

バンドを拡大する他の原因は第３図での外壁２２の近く
の遅く動いている微粒が主たる流れ２γにおける大容量
の流体媒体程には迅速にチャンネルを退出できないこと
である。

すなわち、第３図に示されているように、微粒の層２５
は主たる流れよりもチャンネル出口に向けて非常に遅く
移動する。

それ故流体媒体が外壁から出口へと微粒を押し流す傾向
は最小である。

結果としてバンドが拡大される。

第３図で理解できるように、微粒はそれらがチャンネル
を退出することができる前に主流れ２γの中へ拡散する
ために比較的大きな時間を必要とする。

この質量移送過程は上述したバンド拡大のその他の原因
の一つすなわち分析分離に先立ってチャンネル入口での
試料の弛緩に必要な時間の反映である。

勿論、第４図に示されるように、外壁にチャンネル出口
を配置することが可能である。

出口への粒子層の運搬は拡散距離が比較的短かいので減
少される。

不幸にも、時として外壁にチャンネル出口を配置するこ
とが遠心力の適用においては困難である。

本発明によれば、チャンネルの入口および出口の配置は
平衡時間とチャンネル出口への分離された微粒群の運搬
との両者を減少するように独特の配置がなされる。

第５図で理解されるように本発明の構成では、（前記特
許出願に記載の割りリングのような）流れチャンネルの
入口を、試料が真平均値であるｌ。

に近い半径方向位置でチャンネル内に導入されるように
配列することが考えられている。

この場合、１３ｃは回転遠心力とブラウン運動によるそ
れに対向する通常の拡散作用とによって各微粒に働く平
均の力場に対しての粒子の外壁からの平衡筒さすなわち
平衡距離である。

試料の導入は入口管１００によって試料を含む流体媒体
をゆっくりと供給することによって達成され、その際矢
印１０２は流体媒体の流れの方向を示す。

試料の導入は、チャンネルが若干の比較的高い最初の力
場２０に付されている間に試料管１００を通して試料含
有流体媒体を徐々に供給することによって最良に達成で
きる。

この目的のために、流体媒体ラインは分れていて一方の
部分は流れ１０２を提供するために直接チャンネルに供
給しそして第２の部分は試料管１００へ供給するための
サンプリング弁３４（第２図）に結合されている。

試料管１００は、チャンネルの内壁２３を貫通してチャ
ンネル１０の流れ中に直接延びていて、かつ外壁すなわ
ち分析壁２２から距離ｌ。

にまで延びている。

代表的にはこの距離ｌ。はチャンネルが０．０２５α程
度の厚みを有覆るのに対して、５０〜１００マイクロメ
ートル（μｍ）程度である。

好ましくは、ｌｏ対チャンネル厚さの比は１〜１０程度
である。

試料管１００はステンレス鋼管で、所望の流れに適した
直径を有し、内壁２３に垂直の位置で溶接されている簡
単な形のものである。

勿論それに代わって、従来の外部配置された配管接続器
を使用して接続することができる。

あるいはまた、流体相は例えば管１００のごときを通し
て試料と共に導入することができる。

第５図に示しているように、同じような手法がチャンネ
ル出口に対してもバンドの拡大な減するために使用する
ことができる。

この構成では、出口管１０４が内側チャンネル壁２３を
貫通して入口管１０２と同様にして挿入される。

出口管１０４はまた外側チャンネル壁２２から距離ｌｄ
のところにチャンネルの厚さを通って延びている。

この場合Ａｄは分離状態にある試料微粒群２５が退出す
る点と近い距離である。

管１０４の正確な位置に関しては、それが分離されつつ
ある試料に応じて変化するので妥協がなされねばならな
い。

しかしながら、一般にｌｄはチャンネル厚さＷの半分よ
りは小さくなければならず、かつｌｄはチャンネル厚さ
の１／４〜１／１０の一般的範囲に配置されるのが好ま
しいと云いつる。

何故ならば、それは退出する粒子が群をなすであろう通
常の範囲だからである。

第６図に示されている別の構成では、それぞれの入口端
部と出口端部とに隣接するチャンネル１０の端部が、ピ
ークの拡大を減少するために本発明に従って修正されて
いる。

この場合、チャンネルの内壁２３のチャンネル入口端部
１０６とチャンネル出口端部１０γとが両者共に、それ
ぞれ人口１１０および出口１１２を形成するように外壁
２２に向けてテーパが設けられている。

これら入口および出口は、その半径方向寸法がチャンネ
ルの厚さＷの平径方向寸法に対して１０対２５の比率に
まではならないように小さく形成される。

そこで、０．０２５４ｃＩｎの厚さであるチャンネルに
対しては、チャンネルの入口１１０および出口１１２は
それぞれ０．００５ｍ程度の厚さに形成さされる。

チャンネルの幅は一定のままにすることができるが、こ
れもまた無駄な空間を減らすためにテーパをつけること
ができる。

テーパはチャンネルでの無駄な空間を減するのに役立ち
、かつ望ましい流体流れを容易にする。

換言すれば、効率のよい分離のために微粒を取込ませる
ように良好な拡散が維持される。

完全な開示のために、沈降揚泥れ分別を実施しうる装置
の全体が第２図に示されている。

この図において、チャンネル１０は支持のためにわん（
ボウル）様またはリング様のロータ２６中に置くことが
できる。

ロータ２６はダッシュブロック２１によって示される従
来の遠心分離機の一部である。

この遠心分離機は適切なリンク装置３２を通じて作動す
る既知型式の適切な遠心分離機駆動装置３０を含み、ま
たそのリンク装置３２も直接ベルトまたは歯車駆動装置
である既知の型式のものである。

わん様ロータが図示されているけれども、チャンネル１
０はそれ自体の円筒軸まわりをスパイダ（図示せず）ま
たは簡単なリングのような何等かの適切な手段によって
回転させることによって支持されていてもよいことが理
解されるべきである。

チャンネルは液体すなわち液体の入口１２および出口１
４を有しているが、これらは従来の設計の回転シール２
８によって装置のその他の部分を構成している静止状態
と結合される。

従って、系の導入された流体（すなわち液体）すなわち
移動相は適切な溶媒貯槽３１から誘導され、その貯槽は
従来のポンプ３３を通り、それから従来の設計の二方向
６０のサンプリング弁３４、およびこれもまた従来の設
計である回転シール２８を通って入口１２と結合される
。

分離されるべき微粒を保有する試料は、この従来のサン
プリング弁３４によって、流れている流体流れ中に導入
される。

このサンプリング弁では試料ループ３６はどちらかの端
部をその弁３４の対向する口に結合せしめられており、
シリンジ３８は隣接口に結合されている。

試料ループの排出すなわち廃物容器４０が最終の口に結
合されている。

サンプリング弁３４が実線によって表わされた位置にあ
る場合には、試料流体はその試料ループ３６中に導入さ
れその間試料は試料ループを通して排出容器４０へ流れ
る。

その間に溶媒貯槽３１からの流体がポンプを経てサンプ
リング弁３４を通って直接に流れる。

サンプリング弁３４が破線４２によって示された第２の
位置に変えられると、口は貯槽３１からの流動流れが回
転シール２８に流れる前に試料ループ３６を通って流れ
る位置に移動する。

逆に云うと、シリンダ３８が排出貯槽４０に直接に結合
される。

かくして、試料は流体流れによって回転シール２８へと
運ばれる。

チャンネル１０からの出口ライン１４は回転シール２８
を通して在来の検出器４４そしてそこから排出または採
集容器４６へと結合される。

検出器は紫外線吸収検出器や光散乱検出器のような任意
の在来の型式のものでもよい。

何等かの場合には、この検出器のアナログ電気出力は所
望ならば既知の型式の適切な記録計４８に接続すること
ができるし、またそれに加えて破線５０によって示され
たように、このデータを分析するための適切なコンピュ
ータに接続することができる。

同時に、この装置は所望ならばコンピュータにポンプ３
３の操作および遠心分離器２１の操作をも制御させて自
動化することができる。

このような制御はそれぞれ破線５２および５４によって
示されている。

チャンネルは何等かの既知技術を用いて形成することが
できる。

例えば前記した特許出願に記載された割りリングチャン
ネルが使用できる。

ここにはバンドの拡大を効果的に減する比較的簡単な装
置について記載されている。

【図面の簡単な説明】

・ 第１図は沈降揚泥れ分別技術の簡単化した略図、
第２図は本発明により構成された微粒分離装置の一部分
簡略化し一部分絵画的に示した図、第３図は分離された
成分の排出される過程でのバンドの拡大の原因の一つを
表イつす略図、第４図は流れチャンネルのために使用で
きる最適の排出形状についての略図、第５図は本発明の
一態様により構成された流れチャンネルの略図、第６図
は本発明の別の態様による流れチャンネル構成の略図で
ある。 １０・・・・・・チャンネル、１２，１１０・・・・・
・入口、１ １４．１１２・・・・・・出口、２２・・
・・・・外壁、２３・・・・・・内壁、Ｆ・・・・・・
遠心力場、２５・・・・・・微粒の層、２７・・・・・
・主流れ、３４・・・・・・サンプリング弁、３６・・
・・・・試料ループ、３８・・・・・・シリンジ、１０
０・・・・・・試料管、１０４・・・・・・出口管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体媒体中に浮遊する微粒をそれらの実効質量によ
   り分離するための装置であって、該装置は円筒軸を有す
   る環状の円筒状チャンネルと、前記チャンネルを前記軸
   のまわりに回転させるための手段と、前記チャンネルを
   通して前記流体媒体を円周方向に通過させるための手段
   と、前記チャンネルを通過する前記媒体中に前記微粒を
   導入するための手段とを備え、前記チャンネルが半径方
   向に内壁、外壁および入口端、出口端を有し、一般にそ
   の断面が長方形で、且つ該外壁から内方向にほぼ半径距
   離ｌのところであって前記ｌが回転遠心力とブラウン運
   動によるそれに対向する通常の拡散力とによって各微粒
   に働く平均力場間での平衡点であるところ（１−１ｊｃ
   ）に前記微粒を導入するように配置された入口を有する
   ことを特徴とする、場流れ分別用装置。 ２ 前記チャンネルが更にほぼ前記半径距離ｌのところ
   に出口を有する特許請求の範囲第１項記載の装置 ３ 前記入口が前記チャンネルの内壁を貫通して導かれ
   た半径方向に配向された管の形態である特許請求の範囲
   第１項または第２項に記載の装置。 ４ 前記出口が前記チャンネルの内壁を貫通して導かれ
   た半径方向に配向された管の形態である特許請求の範囲
   第２項に記載の装置。 ５ 前記入口が前記チャンネルの内壁を貫通して導かれ
   た半径方向に配向された管の形態であり、且つ前記出口
   が前記チャンネルの内壁を貫通して導かれた半径方向に
   配向された管の形態である特許請求の範囲第２項に記載
   の装置。 ６ 前記入口が前記外壁に向けてテーパされている前記
   チャンネルの内壁によって形成され、それによって前記
   チャンネルの半径方向の厚さが前記入口で減少されてい
   る特許請求の範囲第１項に記載の装置。 γ 前記出口が前記外壁に向けてテーパーされている前
   記チャンネルの内壁によって形成され、それによって前
   記チャンネルの半径方向の厚さが前記出口で減少されて
   いる特許請求の範囲第２項に記載の装置。 ８ 前記半径厚さが約１０の係数で減少されている特許
   請求の範囲第６項に記載の装置。 ９ 前記出口が前記外壁に向けてテーパされている前記
   チャンネルの内壁によって形成さべそれによって前記チ
   ャンネルの半径厚さが前記出口で減少されている特許請
   求の範囲第６項に記載の装置っ １０前記半径厚さが約１０の係数で減少されている特許
   請求の範囲第１項に記載の装置。 １１ 前記ｌがＷを前記チャンネルの厚さとした場合に
   ０．１ Ｗないし０．５Ｗの範囲である特許請求の範囲
   第１項に記載の装置。