荷電物質分離デバイスおよび荷電物質の分離方法
【課題】 磁場の中で流体を流動させ、該流動エネルギーにより、流体に含まれる荷電物質を分離する分離装置と方法において、小形の磁石による比較的低い磁束密度にによっても実用的な程度に分離できる、荷電物質分離デバイスおよび荷電物質の分離方法を提供すること。
【解決手段】 分離を行う流路部分である分離室を小さくして、一つの分離室に於ける分離能は小さくても分離の速度を速くし、それを多段配置することによって、分離能と速度を同時に向上させることが出来る。
【解決手段】 分離を行う流路部分である分離室を小さくして、一つの分離室に於ける分離能は小さくても分離の速度を速くし、それを多段配置することによって、分離能と速度を同時に向上させることが出来る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体に溶解又は分散状態で含まれる荷電物質を連続的に分離することのできる荷電物質分離デバイス、および荷電物質分離方法に関し、磁場を横切る方向に設けられた微細な流路に荷電物質を含有する流体を流すことにより分離する荷電物質分離デバイスおよび分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体に均一に溶解して含有される物質は、該流体に温度差、電気ポテンシャル差、磁気ポテンシャル差、又は重力場より大きい加速度場の位置ポテンシャル差を設けると、該媒体中で濃度勾配（濃度分極）が生じることが理論的に知られている。例えば、液体に静磁場を掛けた場合には、媒体より透磁率の高い溶質は高磁位側、媒体より透磁率が低い溶質は低磁位側の濃度が高くなる。
【０００３】
荷電物質を溶解又は分散状態で含有する流体、例えば、ポリアミンなどの荷電重合体の水溶液を磁場の中で層流で流動させると、該荷電物質は磁力線の向きに直角で且つ流動方向に直角な向き（フレミングの左手の法則に相当する向き）に力を受け、その結果、該媒体中で該荷電物質の濃度勾配（濃度分極）が生じることが理論的に知られている。
【０００４】
このとき、荷電物質が磁場によって受ける力は流速に比例するから、流速を速くするほど濃度勾配を大きくでき、分離能が向上することが期待される。しかし、その間に流体は長距離を流れることになり、大面積の磁場を形成する必要があった。逆に、流体の流速を遅くすると、荷電物質が磁場によって受ける力は弱くなり、相対的に、拡散により均一化する効果が増して、形成される濃度分布は実用に供し得ないほど小さなものとなった。これは、分離すべき対象が、流体に均一に溶解している分子のように小さな粒子である場合や、分散質のように大きな粒子であっても荷電量が少ない場合には特に顕著であった。これを防ぐには極めて強い磁場が必要であり。しかも、分離に長時間を要するため、長い距離を流す必要があり、磁場を広範囲に設ける必要があった。このように、いずれの場合も磁場を形成するための装置が大がかりとなって、実用的ではなかった。
【０００５】
また、微少量の互いに混和しない液体を層状に接触させて安定して流すことにより液液間物質移動を行わしめ、その後、互いに接触している液体を再び連続的に分離、回収することのできる微小ケミカルデバイス（特許文献１参照）、微少量の互いに混和しない液体を接触させた後それらを分離し、連続的に抽出や油水分離ができる微小ケミカルデバイス（特許文献２参照）が開示されている。しかし、これらは、相互に混和しない２種の液体を流路に導入し、層状に接触させて安定して流すためのデバイスや、単に互いに混和しない２種の液体を分離して流出させるためのデバイスであって、物質の分離に関する記述はなく、当該分離を行うための構成についても開示されていない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１３７６１３号公報
【特許文献２】特開２０００−２６２８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、磁場の中で流体を流動させ、該流動エネルギーにより、流体に含まれる荷電物質を分離する分離装置と方法において、小形の磁石による比較的低い磁束密度にによっても実用的な程度に分離できる、荷電物質分離デバイスおよび荷電物質の分離方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、分離を行う流路部分である分離室を小さくして、一つの分離室に於ける分離能は小さくても分離の速度を速くし、それを多段配置することによって、分離能と速度を同時に向上させることが出来ることを見いだし、上記課題を解決した。
【０００９】
即ち本発明は、
流体中に含まれる荷電物質を分離する荷電物質分離デバイスであって、
前記荷電物質分離デバイスが、
（１）板状又はシート状の外形を有すること、
（２）流入口、第１流出口及び第２流出口を有する空洞状の分離室を有すること、
（３）該分離室の流入口と、第１流出口及び第２流出口との間の内壁面のうち、前記荷電物質分離デバイスの一の平面側表面の近傍と、他の平面側表面の近傍とに、それぞれ磁位の異なる部分であるφ１部とφ２部とを有すること、
（４）前記第１流出口及び第２流出口が、前記荷電物質分離デバイスの側面側に設けられていること、
（５）前記分離室が、上流から下流にかけて複数段にわたって配置され、該複数段のうちの任意の段における前記分離室の第１流出口又は第２流出口が、下流側次段における分離室の流入口に接続されている荷電物質分デバイス、
及び、該荷電物質分離デバイスを用い、前記分離室に前記流体を層流で流すことによって、流体中に含まれる荷電物質を分離する荷電物質の分離方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、磁場の中で流体を流動させる方式により、小形の磁石による比較的低い磁束密度によっても、流体に溶解又は分散して含まれる荷電物質を、十分に高い分離能で分離できる荷電物質分離デバイスおよび荷電物質分離方法を提供できる。本発明は又、バルブ切り替えや受容器の切り替えを行う必要がなく、荷電物質分離デバイスに単に混合流体を流すだけでそれぞれの成分の濃縮液を分けて採取できる上、圧力損失を小さくできるため流体を流すために高圧を必要としない。そのため、流動させるためのエネルギーも少なくてよく、単に重力によって流すだけで分離可能である。磁場を形成するために永久磁石を使用すれば、磁場を設けるためにエネルギーを供給し続ける必要がなく、省エネルギーで分離できる。
【００１１】
本発明は、本荷電物質分離デバイスをマイクロリアクターと一体化することが可能であり、マイクロリアクターによる生成物を分離して連続的に次の工程に移すことが出来るため、複雑な多段反応を行うマイクロリアクターを構築出来る。
【００１２】
さらに本発明は、微少量の流体の分離も可能であり、マイクロ流体デバイス内で実施される合成反応や分析と連続させることにより、合成と分離が統合されたマイクロリアクタを構築することができるし、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（μ−ＴＡＳ）を構築することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
〔分離対象物質〕
本発明の荷電物質分離デバイス及び荷電物質分離方法は、流体中に含まれる２つの物質、即ち第１物質および第２物質を相互に、又はそれぞれを共通の媒体から分離するデバイス及び方法である。第１物質と第２物質は、互いに荷電量の異なる物質、又は、荷電量／質量の値が異なる物質であり、この差が大きなほど分離能や分離速度が向上する。荷電量は絶対値でなく、プラスとマイナスを区別する。説明の煩雑化を避けるため、荷電量又は荷電量／質量の最も大きい物質を第１物質とする。第１物質と第２物質から成る２成分系の場合は、第１物質と第２物質の荷電量又は荷電量／質量の差が大きいことが好ましく、一方がゼロであるか、或いは、互いに逆の符号を持つものが好ましい。第１物質と第２物質と媒体から成る３成分系の場合は、媒体の荷電量又は荷電量／質量がゼロであるか、或いは、第１物質と第２物質の間の値を持つものが好ましい。第１物質としては、アンモニウム基、フォスフォニウム基、スルホニウム基含有化合物などのカチオン、カルボキシル基、スルホン基、燐酸基含有化合物等のアニオン、各種金属イオンなどの無機イオン、ＤＮＡやＲＮＡなどのポリヌクレオチド、蛋白などのポリペプチド、アミノ酸などの荷電低分子化合物を例示できる。
【００１４】
第１物質と第２物質は、一方の物質が他方の物質を溶解又は分散したものでも、第１物質と第２物質が第３の媒体に溶解又は分散したものであってもよい。例えば、互いに溶解した２つの液体、溶質と溶媒、分散室と分散媒、共通溶媒に溶解した２つの溶質、共通分散媒に分散した２つの分散質、共通媒体中の溶質と分散質であり得る。
【００１５】
〔荷電物質分離デバイス〕
本発明の荷電物質分離デバイスは、（１）板状又はシート状の外形を有し、（２）流入口、第１流出口及び第２流出口を有する空洞状の分離室を有し、（３）該分離室の流入口と、第１流出口及び第２流出口との間の内壁面のうち、前記荷電物質分離デバイスの一の平面側（板状又はシート状の外形を有する荷電物質分離デバイスの最も広い面積を有する面及びその裏面を平面、他の面を側面とする。）表面の近傍と、他の平面側表面の近傍とに、それぞれ磁位の異なる部分であるφ１部とφ２部とを有し、（４）前記第１流出口と第２流出口が、前記荷電物質分離デバイスの側面側に設けられ、（５）前記分離室が、上流から下流にかけて複数段にわたって配置され、該複数段のうちの任意の段における前記分離室の第１流出口又は第２流出口が、下流側次段における分離室の流入口に接続されている。
【００１６】
また、本発明の荷電物質分離デバイスは、好ましくは、基材層と、内部層と、カバー層が積層されて固着されてなり、前記分離室が、前記内部層の欠損部として設けられており、前記φ１部とφ２部が、前記分離室の基材層側の内壁とカバー層側の内壁にそれぞれ設けられ、前記流入口、第１流出口、及び第２流出口が、前記内部層に設けられている。あるいは、前記内部層が前記基材層と一体化された形状の溝を有する基材と、カバー層が固着された形状、或いは逆に、基材と、前記内部層が前記カバー層と一体化された形状の溝を有するカバー部材とが固着された形状であっても良い。
【００１７】
分離室を多数段直列に接続することにより、１段での分離能が低くても、実用的な分離能で分離することが可能になる。本発明の荷電物質分離デバイスは分離室が微小であるため、多数段接続された分離室を持つ物質デバイスを容易に製造することができる。
【００１８】
各部材の固着は、接着剤による接着であってもよいし、融着などの、接着剤を用いない固着であってもよいし、各層間を密着させてネジやクランプなどで固定されていてもよい。また、例えばマイクロ光造形法などの方法により、各層を別々に形成することなく一体成型されていてもよいし、また例えば、射出成型や切削やエッチングなどの方法により、上記のうちの複数の層、例えば基材層２１と内部層２３、或いは内部層２３とカバー層２５が、それぞれ一体成型された部材とされていてもよい。
【００１９】
以下、実施態様を中心にして、本発明になる荷電物質分離デバイスの各部について説明する。
〔磁気ポテンシャル〕
分離質のφ１部とφ２部を異なる磁気ポテンシャルとするには、板状又はフィルム状である本物質分離デバイスの一方の外表面と裏面側の外表面、例えば、基材層側とカバー層側の両側に永久磁石を配し、φ１部からφ２部方向に（あるいはその逆方向に）磁力線が貫通するように磁場を形成することで実施できる。磁石は荷電物質分離デバイスに固定されていても独立していてもよい。また、磁石は荷電物質分離デバイスの外表面に接触していてもしていなくてもよい。
【００２０】
磁場の種類は任意であり、永久磁石、超伝導磁石、電磁石であってよいが、永久磁石又は超伝導磁石が、エネルギーの消費がなく好ましく、永久磁石が簡便であり好ましい。磁力線が分離室のφ１部とφ２部に集中するようにポールピースを使用することが好ましい。
【００２１】
φ１部とφ２部を透過する磁束密度が大きいほど、分離能や分離速度が高くなり好ましい。φ１部とφ２部の間の分離室における磁束密度は、好ましくは１０００［Ｇ：ガウス］以上、より好ましくは３０００［Ｇ］以上、さらに好ましくは５０００（Ｇ）以上、最も好ましくは７０００［Ｇ］以上である。上限は、高い方が好ましいため特に限定する必要はないが、磁石が大規模となるため、例えば１５０００［Ｇ］以下が好ましい。但し、分離室内に荷電物質を含有する流体が流動している場合には、これにより、分離室内の磁束密度が影響を受け、磁束密度を見積もることが困難であるため、本発明に於いては、分離室内が真空の場合の磁束密度とする。本発明は、φ１部とφ２部の距離を、分離室の説明の項で述べる範囲にすることで、φ１部とφ２部の間の分離室における磁束密度を非常に大きくすることが容易である。分離室における磁束密度を上記の値にするために、磁石が持つ磁束密度として、好ましくは３０００［Ｇ］以上、より好ましくは５０００［Ｇ］以上、最も好ましくは７０００［Ｇ］以上である。上限は、高い方が好ましいため特に限定する必要はないが、例えば１５０００［Ｇ］以下が好ましい。しかし、磁石が持つ磁束密度が上記の範囲未満であっても、ポールピースを用いて、磁力線を本荷電物質分離デバイス部分や、分離室部分に集中させることにより、分離室部分の磁束密度を上記の範囲にすることが出来る。
【００２２】
本発明に於けるφ１部とφ２部における磁束密度や流体の流速は、時間的に一定であれば分離できるが、変動しても差し支えない。
【００２３】
〔荷電物質分離デバイスの構成単位〕
まず、本発明の荷電物質分離デバイスの構成単位である分離室の構造について説明する。
図１は本発明になる荷電物質分離デバイスの構成単位である分離室部分の実施態様の説明図であり、図１（イ）は分離室付近の部分平面図、図１（ロ）は分離室付近の部分側面図である。即ち、内部層２３の両面にそれぞれ基材層２１とカバー層２５が積層されていて、分離室３、流入口５、第１流出口６および第２流出口７は全て内部層２３に形成されている。分離室３における基材層２１側内表面がφ１部１とされ、カバー層２５側の内表面がφ２部２とされている。流入口５は分離室３の長さ方向（図１の紙面内左右方向）の左端部の上流端に設けられている。第１流出口６は分離室３の下流端の図１（イ）の紙面内下側の側面に設けられ、第２流出口７は図１（ロ）の紙面内上側の側面に設けられている。
【００２４】
（分離室）
分離室３は、図１に於いては、図１（イ）の平面視で幅（図１（イ）図の紙面内上下方向の寸法）が一定で、長さが幅より大きい流路状であるが、該平面形状は任意であり、例えば、幅が長さより大きくてもよいし、或いは、幅が流出口に近づくほど増すテーパー状になっていてもよい。また、分離室３の横断面の形状も任意であり、矩形が好ましいが、その他、例えば半円形、円形、台形、等であってもよい。
【００２５】
分離室の寸法は、例えば長さ方向が１．２ｍｍ、高さ（基材層２１側内表面とカバー層２５側内表面間の距離）が１００μｍ、幅が１００μｍとされる。分離室３の幅は、好ましくは３μｍ以上、さらに好ましくは１０μｍ以上、最も好ましくは３０μｍ以上であり、好ましくは１ｍｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下、最も好ましくは３００μｍ以下である。この下限以上とすることにより、拡散混合による均一化を抑えて、分離室当たりの分離効率を高めることができると共に、圧力損失が過剰に高くすることを防止できる。また、この上限以下とすることにより、分離室３内での流体の流速を高くして、分離室当たりの分離効率を高めることができる。
【００２６】
分離室３の幅は、流入口５側の端（上流端）で狭く、流出口側の端（下流端）へ近づく程広がる形状とすることが好ましい。この場合、分離室３の上流端の幅を上記の幅にすることが好ましい。下流端の幅は、上流端の幅の好ましくは１．１倍以上、更に好ましくは１．２倍以上、最も好ましくは１．３倍以上であり、好ましくは３倍以下、更に好ましくは２．５倍以下、最も好ましくは２倍以下である。このようにすることにより、高い分離速度と、拡散混合の抑制による高い分離能を同時に実現することが出来る。
【００２７】
分離室３の高さ、即ち、φ１部とφ２部間の距離は任意であるが、好ましくは３μｍ以上、さらに好ましくは１０μｍ以上、最も好ましくは３０μｍ以上であり、好ましくは１ｍｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下、最も好ましくは３００μｍ以下である。この下限以上とすることにより、処理量を増すことができると共に、圧力損失が過剰に高くすることを防止できる。また、この上限以下とすることにより、φ１部とφ２部間に大きな磁気ポテンシャル勾配を形成すること、即ち、大きな磁場の強さを実現できると共に、分離室３内での流体の流速を高くして、分離室当たりの分離効率を高めることができる。
【００２８】
分離室３の長さは任意であり、幅や高さより小さくてもよいが、好ましくは幅以上、さらに好ましくは幅の１．３倍以上、さらに好ましくは１．５倍以上であり、好ましくは２００倍以下、さらに好ましくは１００倍以下、最も好ましくは５０倍以下である。この範囲とすることにより、分離室毎の分離効率が高くなり、かつ、分離室を短くできるため、段数を増すことができる。分離室３は長さ方向（流れ方向）に直線である必要はなく、曲線やジグザグなど、任意の形状であり得る。また、長さ方向の平面内の向きも任意であり、Ｕターンした形状であってよい。
【００２９】
本発明に於いて、分離する対象である第１物質と第２物質が、荷電量の異なる物質である場合と、荷電量／質量の値が異なる物質である場合とで、好適な分離室の長さが異なる。第１物質と第２物質が、荷電量の異なる物質である場合には、ある流速で流したとき、分離室長が十分に長いと、分離室内で濃度分極が最大値で平衡に達する。そのため、流体の分離室長が長く、滞留時間が過度に長くても、分離能は最大値で平衡に達して低下することはなく、スペースファクターが低下するだけである。一方、第１物質と第２物質が荷電量が同じで荷電量／質量の値が異なる物質である場合には、ある流速で流したとき、荷電量／質量の値の大きい方の物質が先に濃度分極の平衡値に達するが、十分長時間後には、荷電量／質量の値の小さい方の物質も同じ濃度分極の平衡値に達する。そのため、分離室の長さが過度に長いと、かえって分離能が低下する。そのため最適値を見つける必要があるが、最適な分離室の長さは、分離室の断面積や流体の流速にも依存するが、実験により容易に見つけることが出来る。
【００３０】
（流入口）
図１の態様に於いては、流入口５は分離室３の上流端の端面に設けられているが、一般には、流入口５を分離室３の上流端のどの位置に設けるかは任意であり、基材層２１側（φ１部１側）の内壁面、カバー層２５側（φ２部２側）の内壁面、分離室３の側面の内部層２３に設けてもよい。また、後述のように、分離室を多段配置するにあたり、一つの分離室の入口に前段の二つの分離室の流出口からの流路を接続する場合がある。この場合、分離室の上流端のどの位置に流入口５を設けるかは任意である。例えば、前段の二つの分離室の各流出口からの流路を一つにまとめて流入口５に接続してもよいし、それぞれを別々に設けられた流入口５に接続してもよい。このように、分離室上流端の異なる位置に流入させても、分離室断面の寸法を前記の範囲とすることにより、異なる流入口から流入した流体は分離室内で拡散によって混合し、本発明の分離機能を発揮しうる。
【００３１】
（第１流出口および第２流出口）
図１の態様に於いては、第１流出口６は、分離室３の下流端の図１（イ）の紙面内下側の側面に設けられ、第２流出口７は図１（ロ）の紙面内上側の側面に設けられているが、これらの流出口は、分離室３の下流端の端面９に設けてもよい。このように、両流出口を、分離室３の下流端の端面９の両側面側、又は下流端の側面に設けることにより、流体が流入口から入り、分離室３内をマスフローとして流出口方向へ流れると、該流体に含有される第１物質と第２物質はφ１部とφ２部を貫通する磁力線を横切り、流れ方向に直角でかつ該磁力線に直角な方向の力を受けて、第１流出口６又は第２流出口７方向へ移動し、これらの流出口からそれぞれが濃縮されて流出する。第１流出口６、第２流出口７の形状や寸法は任意である。
【００３２】
（流路）
分離室３の流入口５、第１流出口６、及び第２流出口７は、流路でもって他の分離室、導入口、取出口その他の構造に接続される。各流路の形状や寸法は任意である。これらの流路も内部層２３に設けられるが、必要に応じて、例えば内部層２３と基材層２１の間や、内部層２３とカバー層２５のに中間層を設け、補助的な流路を該中間層に設けてもよい。
【００３３】
（外形）
本荷電物質分離デバイスの外形は板状（直板状、曲板状を含む）又はシート（フィルム、ベルト、リボンなどを含む）状である。本荷電物質分離デバイスの厚みは任意であるが、好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは２０μｍ以上、最も好ましくは３０μｍ以上であり、好ましくは３ｍｍ以下、更に好ましくは２ｍｍ以下、最も好ましくは１ｍｍ以下である。この範囲にすることにより、荷電物質分離デバイスの外側に磁石を配して分離室３に磁場を掛ける場合、十分な力学的強度を保有して取り扱い性に優れ、大きな磁束密度を形成することが容易である。又、このような板状（又はシート状）構造は、実施態様のように、層の積層構造として製造できるため、製造の容易さ、他のマイクロ流体デバイスと一体化することの容易さ、等の点で好ましい。
【００３４】
（素材）
本荷電物質分離デバイスは、少なくとも内部層２３は強磁性体でないことが必要である。内部層２３が強磁性体であると、磁力線は分離室３を通過せずに、分離室の周りの内部層形成素材中を透過するため、φ１部とφ２部間に大きな磁位勾配を設けることが出来ない。常磁性体又は反磁性体の素材として、例えば有機重合体、ガラス、セラミック、強磁性体でない金属などを好ましく用いることが出来、中でも有機重合体が製造が容易なため好ましい。基材層２１とカバー層２５は、強磁性体であることも、φ１部とφ２部を透過する磁束密度を高めるために好ましい。
【００３５】
［多段配置］
分離室３の第１流出口６をもう一つの分離室３の流入口５に接続すると、第１物質が２回濃縮され、濃縮率が向上する。これは、一つの分離室内では、拡散による均一化効果のために、いくら長い分離室を形成しても、φ１部側とφ２部側の濃度差が一定以上にならないのに対し、複数の分離室を直列に接続すると、濃度差を積算してゆける為に、高度に濃縮することが可能となる。
【００３６】
（２段配置）
段数が２段の場合において、第１物質の濃縮、又は第２物質の除去を求める場合には、前段の第１流出口６に後段の分離室３の流入口５を接続すればよい。第２物質の濃縮、又は第１物質の除去を求める場合には、前段の第２流出口７に後段の分離室３の流入口５を接続すればよい。第１物質と第２物質の両方を濃縮する場合には。第１流出口６、第２流出口７にそれぞれ別の後段の分離室３の流入口５を接続すればよい。
【００３７】
（３段以上の多段配置の基本構成）
図２は多段配置の態様の平面図である。なお、図２は、多段配置の接続方法を示したものであり、各分離室３の詳細な形状は略されている。各分離室の詳細は、図１に示したものと同様である。本多段配置の態様に於いては、第１段から第Ｋ段までの範囲は、多段配置の基本構成を示したものであり、分離流路を多段に接続する方式のうち、次のような好ましい接続方式で接続されている。即ち、上流から下流にかけて分離室３が複数段にわたって配置され、第１段に分離室３ａ、第２段に分離室３ｂ及び３ｃ、第３段に分離室３ｄ、３ｅ及び３ｆが配置されていて、第１段における分離室３ａの第１流出口６ａが、第２段における分離室３ｂの流入口５ｂに流路１２ａでもって接続され、前記分離室３ａの第２流出口７ａが、第２段における分離室３ｃの流入口５ｃに流路１３ａでもって接続されている。
【００３８】
さらに、第２段における分離室３ｂの第１流出口６ｂが、第３段における分離室３ｄの流入口５ｄに流路１２ｂでもって接続され、前記分離室３ｂの第２流出口７ｂが、第３段における分離室３ｅの流入口５ｅに流路１３ｂでもって接続されている。また、第２段における分離室３ｃの第１流出口６ｃが、前記分離室３ｅの流入口５ｅに流路１２ｃでもって接続され、前記分離室３ｃの第２流出口７ｃが、第３段における分離室３ｆの流入口５ｆに流路１３ｃでもって接続されている。
【００３９】
ここで、第２段における分離室３ｂの第２流出口７ｂと、分離室３ｃの第１流出口６ｃとが、第３段において異なる分離室の流入口に接続されているのではなく、同一の分離室３ｅの流入口５ｅに接続されている。いま、当初試料に含まれる第１物質および第２物質の濃度をそれぞれ５０％ずつと仮定する。その試料を分離室３ａに流入させると、試料に含まれる第１物質がφ１部１に濃縮され、分離室３ａの第１流出口６ａから流出する試料は、例えば第１物質の濃度が５１％に上昇する。それと同時に、第１物質はφ２部２では希釈され、分離室３ａの第２流出口７ａから流出する試料は、例えば第１物質の濃度が４９％に降下する。さらに、分離室３ａの第１流出口６ａから流出する試料を分離室３ｂに流入させると、上記と同様に第１物質がφ１部１に濃縮され、第１物質はφ２部２側では希釈される。その結果、５１％で導入された第１物質の濃度が、例えば分離室３ｂの第１流出口６ｂから流出する試料は５２％に上昇するとともに、分離室３ｂの第２流出口７ｂから流出する試料は、第１物質の濃度が５０％に下降する。一方、第１物質の濃度が４９％の試料を導入された分離室３ｃの第１流出口６ｃから流出する試料は、例えば第１物質の濃度が５０％に上昇するとともに、分離室３ｃの第２流出口７ｃから流出する試料は、第１物質の濃度が４８％に下降することになる。
【００４０】
ここで、第２段の分離室３ｂの第２流出口７ｂから流出する試料は、前記第１段で第１物質の濃度が濃縮された後、第２段で第１物質の濃度が希釈されたものである。同様に、分離室３ｃの第１流出口６ｃから流出する試料は、第１段で第１物質の濃度が希釈された後、第２段で第１物質の濃度が濃縮されたものである。そしてこの二つの濃度は略等しくなる。従って、第１物質の濃度がほぼ等しい上記２つの試料を異なる分離室で分離処理する利益はない。そこで、上記２つの試料を異なる分離室に流入させるのではなく、同一の分離室３ｅに流入させればよい。
【００４１】
第４段以降も同様に接続される。即ち、本実施態様における分離室の多段配置は、１段毎に分離室３が１本ずつ増える配置である。このような接続構造とすることによって、１本の分離室３がそれぞれ次段の２本の分離室に接続された構造、即ち、１段毎に流路数が２倍になる構造に比べて流路数を少なくでき、スペースファクターが向上する。
【００４２】
そして、本多段配置の基本構成の最下流段（図１の第Ｋ段）における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室の第１流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第１取出口１６に接続され、最下流段における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室の第２流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第２取出口１７に接続されていることにより、各々の流出口から第１物質濃縮流体および第２物質濃縮流体がそれぞれ取り出される。
【００４３】
上記の本方式を一般化して述べると、以下のようになる。
すなわち、各段において並列に配された分離室を「列」として表し、第１物質が最も濃縮される列を第１列と称し、第１段第１列の分離室３ａを「分離室［１，１]」と称し、一般に、第ｎ段第ｉ列（ｎ，ｉは正の整数、以下同様）の分離室３を「分離室［ｎ，ｉ］」と称する。流入口５、第１流出口６、第２流出口７についても同様に、第ｎ段第ｉ列のものを［ｎ，ｉ］で示すものとする。
【００４４】
すると、図９に示す第１段第１列の分離室３ａ（即ち分離室［１，１]）の第１流出口６ａ（即ち、第１流出口［１，１］）は、第２段第１列の分離室３ｂ（即ち分離室［２，１］）に導かれる。一方、第１段第１列の分離室［１，１の第２流出口７ａ（即ち、第２流出口［１，１］）は、第２段第２列の分離室３ｃ（即ち、分離室［２，２］）の流入口５（即ち、流入口５［２，２］）に接続されている。
【００４５】
第２段と第３段の接続については、分離室［２，１］に関して第１流出口［２，１］は流入口［３，１］に、第２流出口［２，１］は流入口５［３，２］に接続される。また、分離室［２，２］に関して第１流出口［２，２］は流入口流入口［３，２］に、第２流出口［２，２］は流入口［３，３］に接続される。
【００４６】
そして一般に、第ｎ段第ｉ列の第１流出口［ｎ，ｉ］は、第（ｎ＋１）段第ｉ列の分離室［ｎ＋１，ｉ］の流入口［ｎ＋１，ｉ］に接続されており、第ｎ段第ｉ列の分離室の第２流出口［ｎ，ｉ］は、第（ｎ＋１）段第（ｉ＋１）列の分離室［ｎ＋１，ｉ＋１］の流入口［ｎ＋１，ｉ＋１］に接続されている。
【００４７】
そして、本基本構成部分の最終段（第Ｋ段）の第１流出口［Ｋ，１］からは第１物質が最も濃縮された溶液が、第２流出口［Ｋ，Ｋ］からは第２物質が最も濃縮された溶液が流出する。
【００４８】
本多段配置の基本構成に於ける分離室３の段数は３段以上が好ましく、４段以上が更に好ましく、５段以上が最も好ましい。段数を多くするほど、単段での分離能が低い分離対象も良好に分離することができる。勿論、１つの分離室３における分離能が優れる系に於いては、段数を少なくすることができる。段数の上限は特に制限はないが、製造の容易さの点から、５００段以下が好ましく、１００段以下が更に好ましい。本発明においては、このように多段配置型の分離デバイスとしても、膜分離装置とは異なって各段毎にポンプを要しないため、構造が極めて単純となり、容易にマイクロ流体デバイス内に組み込むことができる。マイクロ流体デバイスの容積を同一としたとき、より小さな分離室をより多段に形成する方が全体としての分離能が向上する。
【００４９】
荷電物質分離デバイスが、本多段配置の基本構成のみで構成されている場合には、上記多段配置の態様に於いて、第Ｋ段の第１流出口［Ｋ，１］から流出する第１物質が最も濃縮された溶液を第１取出口１６に接続し、第２流出口［Ｋ，Ｋ］から流出する第２物質が最も濃縮された溶液を第２取り出し口１７に接続する。但し、濃縮率が多少低下しても、収率を求める場合には、例えば、第Ｋ段の第１流出口［Ｋ，２］や第１流出口［Ｋ，３］も第１取出口１６に接続してもよい。第２取出口１７についても同様である。
【００５０】
また、上記多段配置の態様に於いて、共通溶剤中の第１物質と第２物質を分離するような３成分の分離の場合には上記の構成が好適であるが、第２物質が溶媒であるような２成分の分離の場合には、第１物質の濃縮（又は除去）だけを考えればよいから、第２取出口１７は設けずに、第２取出口１７に接続される流路は第３取出口１８に合流させてよい。逆に、第１取出口１６は設けずに、第１取出口１６に接続される流路は第３取出口１８に合流させてよい。あるいは、第３段以降は、各段の分離室数を第１物質濃縮側だけの半分とし、前記一般的な表現によれば、第２段の第２流出口「ｎ、ｎ／２」（但し、ｎ／２が整数にならない場合には最も近い整数とする）は、下流側次段の流入口［ｎ＋１，（ｎ＋１）／２］に接続することが、第１物質濃縮流体の収率が増加するため好ましい。勿論、第２物質を濃縮する場合には、第１流出口に関して上記第２流出口における態様と同様にすればよい。
【００５１】
本多段配置に於いて、上記説明では、説明の簡略化のために、各段の分離室３は横一列に平衡に配置された例で説明したが、各段での各分離室の向きや位置や形状は任意である。ただし、各段に於ける各分離室になるべく等しく流体が流れるように、各分離室に接続される流路１２や流路１３を含めた圧力損失を等しくすることは好ましい。また、各段毎に、分離室の向きや配置が異なっていても良い。
【００５２】
荷電物質分離デバイスが、本多段配置の基本構成部分の後に、次に述べる下流範囲段が形成されている場合には、各分離室や各取出口は、下記のように接続される。
【００５３】
〔濃縮溶液量の確保〕
上記の段階的配置を採用した場合、各流出口からの流出量を均等と仮定すると、第１物質が最大に濃縮された流体の取り出し量、即ち、第Ｋ段の、それまでに第１流出口を最も多い回数通過した流体が流出する流出口、また、一般化された表示では 第１物質が最大に濃縮される第１流出口［Ｋ，１］、から採取される溶液の量は、段数が増えるほど収率が低下する。同様に、第２物質が最大に濃縮される第２流出口［Ｋ，Ｋ］、から採取される溶液の量は、段数が増えるほど収率が低下する。この不都合を回避する手段として下記の２つの方式が好ましいものとして用いられる。下記の２つの手段は併用してよい。
【００５４】
（第１方式：下流範囲段の分離室数を各段で略一定とした方式）
図２に示したように、本方式では、第１段から境界段である第Ｋ段（即ち、ｎ＝Ｋである段）までの範囲の上流範囲段においては、上記の多段配置の基本構成のように、各段に含まれる分離室の本数は、段数と同じ本数の分離室が形成されている。そして、第Ｋ段より下流側の任意の段（以下「下流範囲段」と称する）には、各段ほぼ一定本数の分離室が形成されている。例えば、第Ｋ段以降には交互にｎ本およびｎ−１本の分離室が形成されている。このような構成にすることによって、スペースファクターを高く維持しながら、濃縮流体の収率を増すことが出来る。
【００５５】
そして、最下流段における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室の第１流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、第１物質濃縮流体を取り出す第１取出口１６に接続され、最下流段における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室の第２流出口の通過回数が最多となる流出口が、第２物質濃縮流体を取り出す第２取出口１７に接続されていることにより、各々の流出口から第１物質、第２物質がそれぞれ取り出される。
【００５６】
なお本方式では、第Ｋ段以降の第ｎ段における分離室の本数が交互にｎ本およびｎ−１本とされている。この場合、分離室３の本数がｎ本となる段における各分離室３ｎの流出口のうち、それまでの第１流出口６の通過回数が最多となる流体の流出口が、流路１２ｚを介して第１取出口１６に接続され、それまでの第２流出口７の通過回数が最多となる流体の流出口が、取出流路１３ｚを介して第２取出口１７に接続されている。
【００５７】
このようにすることによって、最小の流路数で所定値以上に分離（濃縮）された溶液を、多量に採取することができる。しかも、第Ｋ段以降、一段おきに溶液が取り出される分だけ下流側次段の分離室に流入する流体量は減少して行くから、十分多数の下流範囲段を設けると、最終的には導入された溶液のほとんどが第１取出口１６又は第２取出口１７から分離されて取り出される。即ち、分離の収率が向上する。
【００５８】
本態様では、最下流段における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室３の第１流出口６の通過回数が最多となる流体の流出口が第１取出口１６に接続され、各段における分離室３の第２流出口７の通過回数が最多となる流体の流出口が第２取出口１７に接続されている。その他の第Ｋ段の流出口は流路１６ｚによりまとめられて第３取出口１８に接続されている。しかし、最下流段における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室３の第１流出口６の通過回数が比較的多くなる複数の流出口をまとめて第１取出口１６に接続するとともに、各段における分離室３の第２流出口７の通過回数が比較的多くなる複数の流出口をまとめて第２取出口１７に接続してもよい。この場合、隣接するいくつかの流出口をまとめて第１取出口１６または第２取出口１７に接続することになり、所定値以上に分離（濃縮）された溶液を多量に採取することができる。
【００５９】
境界段である第Ｋ段より下流範囲について一般化した表現では次のようになる。即ち、第ｎ段において分離室がｉ本配され、ｎ又はｉの少なくともいずれかが２以上であり、第ｎ段において分離室の第１流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第１取出口１６に接続され、第２流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第２取出口１７に接続されてなり、第ｎ段以降の段における分離室がｉ本配された段の分離室の流出口のうち、当該段より上流段において、前記流体が第１流出口を通過する回数をｌ、前記流体が第２流出口を通過する回数をｍとした際に、ｌ−ｍが最も大きい流出口が、前記第１取出口１６に接続され、ｍ−ｌが最も大きい流出口が、第２取出口１７に接続されている構成である。具体的には、段数と列数とが同じ場合には、ｎ本の分離室を含む第ｎ段の第１流出口［ｎ，１］が第１取出口１６に接続され、第２流出口［ｎ，ｎ］が第２取出口１７に接続されている。勿論、第１の方式および／または第２の方式を併用してもよい。
【００６０】
上記第１の方式のように接続することにより、下流範囲段において、段が進む程に分離室を増す必要がなくなるので、下流範囲段における分離室の本数の増加が抑制される。すなわち、前記境界段に至るまでは段数と共に該段の分離室数が増加するが、境界段以降は、段数ｎが増しても分離室数が増加しない。この場合、第ｎ段の分離室数を、段数ｎがある値（Ｋとする）の段（境界段）では概ねＫとし、段数ｎがＫを超える範囲（下流範囲段）では概ねＫで一定とする。なお、一段おきに流出口を取出口に接続すれば、ｎがＫを超える範囲（下流範囲段）における流路数は、ｎが増加するごとに交互にＫおよび（Ｋ−１）となる。
勿論この場合にも、多段は１の基本構成のところで述べたように、分離すべき流体が２成分の場合には、第２取出口１７、又は第１取出口１６は省略できる。
【００６１】
（第２方式：各段の分離室の面積の総和を略同一とする方式）
第２の方式（図示略）は、任意の特定段における複数の分離室の断面積の総和が、それより下流側の任意の段における複数の分離室の断面積の総和と略同一とする構成である。これは任意の二つの段について行えるが、全段について分離室の断面積の総和を略同一とすることが好ましい。これにより、上流段における分離室の本数が少なくても、濃縮溶液の取出量を増加させることが可能になる。
【００６２】
本方式（図示略）は、任意の特定段に於ける分離室の流路の長さ×断面積を、それより下流側の任意の段における全分離室の流路の長さ×断面積の合計と略等しくする構成である。具体的には、任意の特定段である第ｎ段に含まれる分離室数がｎである場合には、第ｎ段の分離室の流路の長さ×断面積を、それより下流側の任意の段である第ｐ段（但し、ｐ＞ｎ）がｑ個（但し、ｑは正の整数）の同寸法の分離室から成っているとき、の分離室の流路の長さ×断面積の略ｎ／ｑ倍にする。第ｐ段は最終段である第Ｚ段とすることが好ましい。これにより、前記特定段の分離室を流れる流速を増しても、滞留時間は保たれ、濃縮溶液の取出量を増加させることが可能になる。即ち、第Ｚ段がｚ個の同寸法の分離室から成っているとき、第１段の分離室の流入口５に供給する原液の量をｚ倍にすると、流体の各段の滞留時間は等しくなり、最終段の第１流出口［ｚ，１］および第２流出口［ｚ，ｚ］から、全ての分離室の寸法が同じ場合のｚ倍の濃縮溶液を採取することができる。長さと断面積はそれぞれ増加させる割合は任意である。断面積より長さの増加割合を大きくし、流体の流速を上げると、該分離室内での分離能も向上する。分離室の高さが一定の時は、「長さ×断面積」の代わりに「長さ×幅」を等しくして良い。
【００６３】
〔導入口と取出口〕
本発明の荷電物質分離デバイスに於いて、分離すべき混合流体を導入する導入口１５並びに上述した第１取出口１６および第２取出口１７の形成位置や形状は任意であり、分離デバイス外への開口部であってよいし、接続配管が接続されていてもよいし、該分離デバイスと一体化されたマイクロ流体デバイスの何らかの機構、例えば反応用流路、に接続されていてもよい。また、荷電物質分離デバイスの任意の面であってよく、例えば基材層側表面３１、カバー層側表面３２、荷電物質分離デバイスの端面や側面であってよい。本荷電物質分離デバイスを多数並列に設置して処理量の増加を計る場合には、荷電物質分離デバイスの端面や側面であることが好ましい。
【００６４】
〔その他の機構〕
上述した本態様の構成に対して、以下の構成を付加してもよい。
各流路の流量比を調節するために、各分離室や各流路の断面積や流路長を変えることも可能であるし、流路の任意の部分に流量調節バルブを設けることも可能である。
【００６５】
第３取り出し口から取り出される流体を、ポンプを介して第１段の流入口５に接続してもよい。このとき、第３取り出し口を荷電物質分離デバイス外に接続するのではなく、荷電物質分離デバイス内に於いて、該デバイス内に設けられたポンプを介して第１段の流入口５に接続してもよい。これにより、第３取出口１８から流出する流体を、上流段の分離室に還流させることが可能になり、試料を効率的に利用することができる。
【００６６】
［物質分離方法］
以下に本発明の物質分離方法を説明するが、下記に記載されていない細部については、本発明の荷電物質分離デバイスの項で説明した内容と同じである。
【００６７】
〔物質分離方法〕
導入口１５から分離すべき原流体を導入し、前記第１取出口１６から第１物質が濃縮された流体を取り出し、前記第２流出口から第２物質が濃縮された流体を取り出す分離方法である。
【００６８】
本発明の物質分離方法は、いずれの場合に於いても、分離室内を流れる流速をレイノルズ数が２３００未満として層流で流す。乱流で流すと分離されないか、分離能が極度に低下する。しかしながら、分離室の横断面積を上記の好ましい寸法にすると、分離室の断面積や壁間距離が十分に小さいため乱流になりにくく、流体を層流で流すことが出来る。分離室の各流出口に接続される流路中では乱流になってもよいが、層流とすることが、該流路中でも分離が成されて、本荷電物質分離デバイスの分離能が向上するため好ましい。
【００６９】
流体を流す速度の時間的変化については任意であり、一定速度であってよいし、変動させてもよいし、間欠的に流してもよいが、一定速度が、単純なポンプ機構でよく、分離能も高くなり好ましい。
【００７０】
分離すべき流体が、２種の流体の混合流体、溶質と溶媒、分散質と分散媒であるような２成分系の場合には、前記第１取出口から第１物質が濃縮された流体を取り出し、前記第２取出口から第１物質が希釈され、相対的に第２物質が濃縮されたた流体を取り出す。前記第３取出口を有する場合には、ここからは上記２つの取出口から取り出される中間的な混合比の流体を取り出す。このとき該分離すべき流体が、第３物質を含有していてもよい。第３物質は、第１物質と共に第１流出口側に濃縮されるものであっても、第２物質と共に第２流出口側に濃縮されるものであっても、本分離方法では分離されずに、第１流出口と第２流出口から等しく流出するものであってもよい。
【００７１】
分離すべき流体が、溶質（又は分散質）である第１物質と、同じく溶質（又は分散質）である第２物質と、これらの共通の溶媒（又は分散媒）から成るような３成分系の場合には、前記第１取出口から第１物質が濃縮され第２物質が希釈された流体を取り出し、前記第２取出口からは第２物質が濃縮され第１物質が希釈された流体を取り出し、前記第３取出口から第１物質も第２物質も希釈された媒体を取り出す。このとき該分離すべき流体が、前記共通の溶媒以外の第４物質を含有していてもよい。
【００７２】
以下には流体に含まれる２種類の溶質（第１物質および第２物質）を分離する場合を例にして説明する。
本発明の分離方法に於いて、分離する対象である第１物質と第２物質が、荷電量の異なる物質である場合と、荷電量／質量の値が異なる物質である場合で、好適な分離室内の滞留時間が異なる。第１物質と第２物質が、荷電量の異なる物質である場合には、流体の流速が過剰に速い、即ち流体の分離室内滞留時間が過剰に短いと、分離不十分で排出されるため、分離能が低下する。逆に、流体の流速が過剰に遅いと、分離室内での分離駆動力が不十分となり、濃度差は平衡に達して、いくら滞留時間を増してもそれ以上分離せず、処理速度が低下する。しかも、各流出口などに接続された流路中で逆に分離される場合が生じ、かえって分離能低下する場合が生じうる。
【００７３】
一方、第１物質と第２物質が荷電量が同じで荷電量／質量の値が異なる物質である場合には、ある流速で流したとき、荷電量／質量の値の大きい方の物質が先に濃度分極の平衡値に達するが、十分長時間後には、荷電量／質量の値の小さい方の物質も同じ濃度分極の平衡値に達する。そのため、分離室内の滞留時間が過度に長いと、かえって分離能が低下する。勿論滞留時間が過度に短い場合に分離能が低下することは上記の荷電量が異なる場合と同様であるから、最適値が存在する。その最適値は、流速を変えた実験で簡単に見いだすことが出来る。
【００７４】
流体を本荷電物質分離デバイスに流す速度は任意であるが、一般には、流体の本荷電物質分離デバイス内の滞留時間は、好ましくは１５秒以上、さらに好ましくは３０秒以上、最も好ましくは１分以上であり、好ましくは２０分以下、より好ましくは１５分以下、最も好ましくは１０分以下である。本荷電物質分離デバイスの分離室を小さくして段数を多くすると、本荷電物質分離デバイス内の滞留時間を同じにしても分離能が向上する。
【実施例】
【００７５】
以下、実施例を用いて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は以下の実施例の範囲に限定されるものではない。
（実施例１）
図１は、実施例１の荷電物質分離デバイスの分離室部分を示した（ａ）平面図及び（ｂ）側面図である。また、図２は実施例１の荷電物質分離デバイス１００の平面図である。
【００７６】
図１に示されたように、本実施例１の荷電物質分離デバイスは、内部層２３の両面にそれぞれ基材層２１とカバー層２５を固着して構成されていて、内部層２３に該内部層の貫通溝として分離室３が形成され、分離室３に面した基材層２１にφ１部１が形成され、分離室３に面したカバー層２５にφ２部２が形成され、分離室３の上流側端面（図中左側）に流入口５が形成され、分離室３の下流側端部（図中右側）に於ける分離室３の図１及び図２の紙面内上側の側面に第１流出口６が設けられ、分離室３の下流側端部（図中右側）に於ける分離室３の図１及び図２の紙面内下側の側面に第２流出口７が設けられている。また、内部層２３には第１流出口６に接続された流路１２、及び第２流出口７に接続された流路１３が形成されている。
本実施例１の荷電物質分離デバイスは、分離室３が２０段にわたって直列接続されている。また、各段における分離室３の本数は、第１段が１本、第２段が２本と順次増加し、第１２段（境界段）以降は交互に１２本および１１本となっている。カバー層２５側外表面に導入口１５、第１取出口１６、第２取出口１７、及び第３取出口１８が開口して設けられていて、分離室３の本数が１２本となる段（偶数段）における各分離室３の流出口のうち、それより上流の段における分離室３の第１流出口６の通過回数が最多となる流体の流出口が、取出流路１２ｚを介して第１取出口１６に接続されている。また、分離室３の第２流出口７の通過回数が最多となる流体の流出口が、取出流路１３ｚを介して第２取出口１７に接続されている。さらに、その他の流出口が、流路１４を介して第３取出口１８に接続されている。また、第１段の流入口５には導入口１５が接続されている。
【００７７】
［荷電物質分離デバイスの作製］
まず、本実施例における紫外線照射および蛍光特性測定の方法について説明する。
【００７８】
〔紫外線ランプ＃１による照射〕
３ｋＷメタルハライドランプを光源とするアイグラフィックス株式会社製のＵＥ０３１−３５３ＣＨＣ型ＵＶ照射装置を用いて、波長３６５ｎｍで強度４０ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を、特に指定が無い限り室温、窒素雰囲気中で照射した。
【００７９】
〔紫外線ランプ＃２による照射〕
２５０Ｗ高圧水銀ランプを光源とするウシオ電機株式会社製のマルチライト２５０Ｗシリーズ露光装置用光源ユニットを用いて、波長３６５ｎｍで強度５０ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を、特に指定が無い限り室温、窒素雰囲気中で照射した。
【００８０】
次に、本実施例における製膜液および組成物の調整方法について説明する。
〔組成物Ｘ１の調製〕
エネルギー線重合性化合物として、平均分子量２０００の３官能ウレタンアクリレートオリゴマー「ユニディックＶ−４２６３」（大日本インキ化学工業株式会社製）を７０部、ヘキサンジオールジアクリレート「ニューフロンティアＨＤＤＡ」（第１工業製薬株式会社製）を３０部、光重合開始剤として１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン「イルガキュアー１８４」（チバガイギー社製）を３部、及び重合遅延剤として２，４−ジフェニル−４−メチル−１−ペンテン（関東化学株式会社製）を０．５部、それぞれ混合して組成物Ｘ１を調製した。
【００８１】
〔基材側部材の形成〕
厚さ８０［μｍ］のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートを第１の一時的な支持体（図示略）として使用し、該一時的な支持体上にスピンコーターにて組成物Ｘ２を塗工し、紫外線ランプ＃１により紫外線を１秒間照射して製膜液Ｘ２を半硬化させ、基材層２１となる樹脂層を形成した。該基材層２１上にスピンコーターにて組成物Ｘ１を塗工し、分離室３、及び流路１２、１３、１４を形成すべき部分以外の未硬化塗膜に、紫外線ランプ＃２によりフォトマスクを通して紫外線を１２０秒間照射して半硬化させ、紫外線の非照射部分に残された未硬化の組成物Ｘ１を５０％エタノール水溶液により洗浄除去し、分離室３、および流路１２、１３、１４となる内部層２３の欠損部を形成した。このようにして基材層側部材を得た。
【００８２】
〔カバー層の形成と固着〕
前記と同じＰＥＴシートを第２の一時的な支持体（図示略）として、この上にバーコーターにて組成物Ｘ２を塗工し、該未硬化塗膜に、紫外線ランプ＃１により紫外線を１秒間照射して半硬化させ、カバーこのカバー層２５を前記基材層側部材に積層し、その状態で、紫外線ランプ＃１により紫外線を６０秒間照射して硬化を進めて固着した。その後、前記第１の一時的な支持体および前記第２の一時的な支持体を基材層２１とカバー層２５から剥離し、図２に示したような物質分離デバイス前駆体を得た。
【００８３】
〔その他の構造の形成〕
次に、第１段の分離室３（３ａ）の流入口５（５ａ）となる端部において、ドリルを用いて、カバー層２５および内部層２３に直径０．３［ｍｍ］の穴を開けて導入口１５を形成した。同様にして、流路１２ｚの下流端部、流路１３ｚの下流側端部、および流路１４の下流側端部において、カバー層２５および内部層２３に直径０．３［ｍｍ］の穴を開けて第１取出口１６、第２取出口１７、および第３取出口１８を形成した。
【００８４】
以上のようにして分離デバイス１００を作製した。分離デバイス１００の外形は７０［ｍｍ］×５０［ｍｍ］×０．３［ｍｍ］である。各部の寸法は、基材層２１、内部層２３、及びカバー層２５の厚みは全て約１００［μｍ］であり、分離室３、流路１２、流路１３、流路１４は幅が１００［μｍ］、高さが１００［μｍ］であり、分離室３の長さは１．２［ｍｍ］、第１流出口６及び第２流出口７の寸法は、幅が１００［μｍ］、高さが１００［μｍ］である。
【００８５】
上記物質分離デバイス１００の基材３側外表面３１とカバー層側外表面３２の、全ての分離室３を含む範囲に、それぞれ直径５０［ｍｍ］、厚さ５０［ｍｍ］の飽和状態に磁化させたアルニコ磁石（推定磁束密度約１００００［Ｇ］）をカバー層２５側をＮ極側にして設置し、厚み１０［ｍｍ］、幅６０［ｍｍ］の鉄部材で、該２つのアルニコ磁石を内側に入れたロの字型の磁気回路を作った。
【００８６】
［物質分離方法］
分離実験用の原溶液として、牛血清アルブミン（等電点ｐＨ＝５．６）の１０［μＭ］水溶液（ｐＨ＝８の緩衝溶液）を使用した。
【００８７】
導入口１５に、マイクロシリンジポンプ（図示略）から原溶液を５［ｍｍ３／分］で導入し、第１取出口１６から流出する溶液を紫外吸収にて牛血清アルブミン濃度を測定したところ、牛血清アルブミンは第１取り出し口から流出する溶液に濃縮された。
【００８８】
（実施例２）
本字指令では、濃縮溶液量の確保の為の第２の方式を併用した例を示す。即ち、第一段の分離室（分離室３ａ）の長さと幅を、１２の平方根である３．４６倍（４．１５［ｍｍ］、４１５［μｍ］）とし、第２段の分離室（分離室３ｂ及び分離室３ｃ）の長さと幅を１２／２の平方根である２．４５媒（２．９４［ｍｍ］、２９４［μｍ］）とし、以下、第３段を１２／３の平方根倍、第４段を１２／４の平得方根倍、第５段を１２／５の平方根倍、第６段を１２／６の平方根倍、第７段を１２／７の平方根倍、第８段を１２／８の平方根倍、第９段を１２／９の平方根倍、第１０段を１２／１０の平方根倍、第１１段を１２／１１の平方根倍に増加させた荷電物質分離デバイス１００を作製した。内部層の厚み等、その他の部分は実施例１と同じである。
【００８９】
［物質分離方法］
マイクロシリンジポンプ（図示略）で導入口１５に導入する流速路５０μｌ／分としたこと以外は実施例１と同様の試験を行い、実施例１と同様の結果を得た。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】荷電物質分離デバイスの分離室部分の部分平面図（イ）及び部分側面図（ロ）である。
【図２】分離室の多段配置を示す配置図の平面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１‥φ１部
２‥φ２部
３‥分離室
５‥流入口
６‥第１流出口
７‥第２流出口
８‥上流側端面
９‥下流側端面
１１，１２、１３、１４、４２、４３‥流路
１５‥導入口
１６‥第１取出口
１７‥第２取出口
１８‥第３取出口
２１‥基材層
２２‥第１中間層
２３‥内部層
２４‥第２中間層
２５‥カバー層
３１‥（荷電物質分離デバイスの）基材層側の表面
３２‥（荷電物質分離デバイスの）カバー層側外表面
１００‥荷電物質分離デバイス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体に溶解又は分散状態で含まれる荷電物質を連続的に分離することのできる荷電物質分離デバイス、および荷電物質分離方法に関し、磁場を横切る方向に設けられた微細な流路に荷電物質を含有する流体を流すことにより分離する荷電物質分離デバイスおよび分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体に均一に溶解して含有される物質は、該流体に温度差、電気ポテンシャル差、磁気ポテンシャル差、又は重力場より大きい加速度場の位置ポテンシャル差を設けると、該媒体中で濃度勾配（濃度分極）が生じることが理論的に知られている。例えば、液体に静磁場を掛けた場合には、媒体より透磁率の高い溶質は高磁位側、媒体より透磁率が低い溶質は低磁位側の濃度が高くなる。
【０００３】
荷電物質を溶解又は分散状態で含有する流体、例えば、ポリアミンなどの荷電重合体の水溶液を磁場の中で層流で流動させると、該荷電物質は磁力線の向きに直角で且つ流動方向に直角な向き（フレミングの左手の法則に相当する向き）に力を受け、その結果、該媒体中で該荷電物質の濃度勾配（濃度分極）が生じることが理論的に知られている。
【０００４】
このとき、荷電物質が磁場によって受ける力は流速に比例するから、流速を速くするほど濃度勾配を大きくでき、分離能が向上することが期待される。しかし、その間に流体は長距離を流れることになり、大面積の磁場を形成する必要があった。逆に、流体の流速を遅くすると、荷電物質が磁場によって受ける力は弱くなり、相対的に、拡散により均一化する効果が増して、形成される濃度分布は実用に供し得ないほど小さなものとなった。これは、分離すべき対象が、流体に均一に溶解している分子のように小さな粒子である場合や、分散質のように大きな粒子であっても荷電量が少ない場合には特に顕著であった。これを防ぐには極めて強い磁場が必要であり。しかも、分離に長時間を要するため、長い距離を流す必要があり、磁場を広範囲に設ける必要があった。このように、いずれの場合も磁場を形成するための装置が大がかりとなって、実用的ではなかった。
【０００５】
また、微少量の互いに混和しない液体を層状に接触させて安定して流すことにより液液間物質移動を行わしめ、その後、互いに接触している液体を再び連続的に分離、回収することのできる微小ケミカルデバイス（特許文献１参照）、微少量の互いに混和しない液体を接触させた後それらを分離し、連続的に抽出や油水分離ができる微小ケミカルデバイス（特許文献２参照）が開示されている。しかし、これらは、相互に混和しない２種の液体を流路に導入し、層状に接触させて安定して流すためのデバイスや、単に互いに混和しない２種の液体を分離して流出させるためのデバイスであって、物質の分離に関する記述はなく、当該分離を行うための構成についても開示されていない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１３７６１３号公報
【特許文献２】特開２０００−２６２８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、磁場の中で流体を流動させ、該流動エネルギーにより、流体に含まれる荷電物質を分離する分離装置と方法において、小形の磁石による比較的低い磁束密度にによっても実用的な程度に分離できる、荷電物質分離デバイスおよび荷電物質の分離方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、分離を行う流路部分である分離室を小さくして、一つの分離室に於ける分離能は小さくても分離の速度を速くし、それを多段配置することによって、分離能と速度を同時に向上させることが出来ることを見いだし、上記課題を解決した。
【０００９】
即ち本発明は、
流体中に含まれる荷電物質を分離する荷電物質分離デバイスであって、
前記荷電物質分離デバイスが、
（１）板状又はシート状の外形を有すること、
（２）流入口、第１流出口及び第２流出口を有する空洞状の分離室を有すること、
（３）該分離室の流入口と、第１流出口及び第２流出口との間の内壁面のうち、前記荷電物質分離デバイスの一の平面側表面の近傍と、他の平面側表面の近傍とに、それぞれ磁位の異なる部分であるφ１部とφ２部とを有すること、
（４）前記第１流出口及び第２流出口が、前記荷電物質分離デバイスの側面側に設けられていること、
（５）前記分離室が、上流から下流にかけて複数段にわたって配置され、該複数段のうちの任意の段における前記分離室の第１流出口又は第２流出口が、下流側次段における分離室の流入口に接続されている荷電物質分デバイス、
及び、該荷電物質分離デバイスを用い、前記分離室に前記流体を層流で流すことによって、流体中に含まれる荷電物質を分離する荷電物質の分離方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、磁場の中で流体を流動させる方式により、小形の磁石による比較的低い磁束密度によっても、流体に溶解又は分散して含まれる荷電物質を、十分に高い分離能で分離できる荷電物質分離デバイスおよび荷電物質分離方法を提供できる。本発明は又、バルブ切り替えや受容器の切り替えを行う必要がなく、荷電物質分離デバイスに単に混合流体を流すだけでそれぞれの成分の濃縮液を分けて採取できる上、圧力損失を小さくできるため流体を流すために高圧を必要としない。そのため、流動させるためのエネルギーも少なくてよく、単に重力によって流すだけで分離可能である。磁場を形成するために永久磁石を使用すれば、磁場を設けるためにエネルギーを供給し続ける必要がなく、省エネルギーで分離できる。
【００１１】
本発明は、本荷電物質分離デバイスをマイクロリアクターと一体化することが可能であり、マイクロリアクターによる生成物を分離して連続的に次の工程に移すことが出来るため、複雑な多段反応を行うマイクロリアクターを構築出来る。
【００１２】
さらに本発明は、微少量の流体の分離も可能であり、マイクロ流体デバイス内で実施される合成反応や分析と連続させることにより、合成と分離が統合されたマイクロリアクタを構築することができるし、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（μ−ＴＡＳ）を構築することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
〔分離対象物質〕
本発明の荷電物質分離デバイス及び荷電物質分離方法は、流体中に含まれる２つの物質、即ち第１物質および第２物質を相互に、又はそれぞれを共通の媒体から分離するデバイス及び方法である。第１物質と第２物質は、互いに荷電量の異なる物質、又は、荷電量／質量の値が異なる物質であり、この差が大きなほど分離能や分離速度が向上する。荷電量は絶対値でなく、プラスとマイナスを区別する。説明の煩雑化を避けるため、荷電量又は荷電量／質量の最も大きい物質を第１物質とする。第１物質と第２物質から成る２成分系の場合は、第１物質と第２物質の荷電量又は荷電量／質量の差が大きいことが好ましく、一方がゼロであるか、或いは、互いに逆の符号を持つものが好ましい。第１物質と第２物質と媒体から成る３成分系の場合は、媒体の荷電量又は荷電量／質量がゼロであるか、或いは、第１物質と第２物質の間の値を持つものが好ましい。第１物質としては、アンモニウム基、フォスフォニウム基、スルホニウム基含有化合物などのカチオン、カルボキシル基、スルホン基、燐酸基含有化合物等のアニオン、各種金属イオンなどの無機イオン、ＤＮＡやＲＮＡなどのポリヌクレオチド、蛋白などのポリペプチド、アミノ酸などの荷電低分子化合物を例示できる。
【００１４】
第１物質と第２物質は、一方の物質が他方の物質を溶解又は分散したものでも、第１物質と第２物質が第３の媒体に溶解又は分散したものであってもよい。例えば、互いに溶解した２つの液体、溶質と溶媒、分散室と分散媒、共通溶媒に溶解した２つの溶質、共通分散媒に分散した２つの分散質、共通媒体中の溶質と分散質であり得る。
【００１５】
〔荷電物質分離デバイス〕
本発明の荷電物質分離デバイスは、（１）板状又はシート状の外形を有し、（２）流入口、第１流出口及び第２流出口を有する空洞状の分離室を有し、（３）該分離室の流入口と、第１流出口及び第２流出口との間の内壁面のうち、前記荷電物質分離デバイスの一の平面側（板状又はシート状の外形を有する荷電物質分離デバイスの最も広い面積を有する面及びその裏面を平面、他の面を側面とする。）表面の近傍と、他の平面側表面の近傍とに、それぞれ磁位の異なる部分であるφ１部とφ２部とを有し、（４）前記第１流出口と第２流出口が、前記荷電物質分離デバイスの側面側に設けられ、（５）前記分離室が、上流から下流にかけて複数段にわたって配置され、該複数段のうちの任意の段における前記分離室の第１流出口又は第２流出口が、下流側次段における分離室の流入口に接続されている。
【００１６】
また、本発明の荷電物質分離デバイスは、好ましくは、基材層と、内部層と、カバー層が積層されて固着されてなり、前記分離室が、前記内部層の欠損部として設けられており、前記φ１部とφ２部が、前記分離室の基材層側の内壁とカバー層側の内壁にそれぞれ設けられ、前記流入口、第１流出口、及び第２流出口が、前記内部層に設けられている。あるいは、前記内部層が前記基材層と一体化された形状の溝を有する基材と、カバー層が固着された形状、或いは逆に、基材と、前記内部層が前記カバー層と一体化された形状の溝を有するカバー部材とが固着された形状であっても良い。
【００１７】
分離室を多数段直列に接続することにより、１段での分離能が低くても、実用的な分離能で分離することが可能になる。本発明の荷電物質分離デバイスは分離室が微小であるため、多数段接続された分離室を持つ物質デバイスを容易に製造することができる。
【００１８】
各部材の固着は、接着剤による接着であってもよいし、融着などの、接着剤を用いない固着であってもよいし、各層間を密着させてネジやクランプなどで固定されていてもよい。また、例えばマイクロ光造形法などの方法により、各層を別々に形成することなく一体成型されていてもよいし、また例えば、射出成型や切削やエッチングなどの方法により、上記のうちの複数の層、例えば基材層２１と内部層２３、或いは内部層２３とカバー層２５が、それぞれ一体成型された部材とされていてもよい。
【００１９】
以下、実施態様を中心にして、本発明になる荷電物質分離デバイスの各部について説明する。
〔磁気ポテンシャル〕
分離質のφ１部とφ２部を異なる磁気ポテンシャルとするには、板状又はフィルム状である本物質分離デバイスの一方の外表面と裏面側の外表面、例えば、基材層側とカバー層側の両側に永久磁石を配し、φ１部からφ２部方向に（あるいはその逆方向に）磁力線が貫通するように磁場を形成することで実施できる。磁石は荷電物質分離デバイスに固定されていても独立していてもよい。また、磁石は荷電物質分離デバイスの外表面に接触していてもしていなくてもよい。
【００２０】
磁場の種類は任意であり、永久磁石、超伝導磁石、電磁石であってよいが、永久磁石又は超伝導磁石が、エネルギーの消費がなく好ましく、永久磁石が簡便であり好ましい。磁力線が分離室のφ１部とφ２部に集中するようにポールピースを使用することが好ましい。
【００２１】
φ１部とφ２部を透過する磁束密度が大きいほど、分離能や分離速度が高くなり好ましい。φ１部とφ２部の間の分離室における磁束密度は、好ましくは１０００［Ｇ：ガウス］以上、より好ましくは３０００［Ｇ］以上、さらに好ましくは５０００（Ｇ）以上、最も好ましくは７０００［Ｇ］以上である。上限は、高い方が好ましいため特に限定する必要はないが、磁石が大規模となるため、例えば１５０００［Ｇ］以下が好ましい。但し、分離室内に荷電物質を含有する流体が流動している場合には、これにより、分離室内の磁束密度が影響を受け、磁束密度を見積もることが困難であるため、本発明に於いては、分離室内が真空の場合の磁束密度とする。本発明は、φ１部とφ２部の距離を、分離室の説明の項で述べる範囲にすることで、φ１部とφ２部の間の分離室における磁束密度を非常に大きくすることが容易である。分離室における磁束密度を上記の値にするために、磁石が持つ磁束密度として、好ましくは３０００［Ｇ］以上、より好ましくは５０００［Ｇ］以上、最も好ましくは７０００［Ｇ］以上である。上限は、高い方が好ましいため特に限定する必要はないが、例えば１５０００［Ｇ］以下が好ましい。しかし、磁石が持つ磁束密度が上記の範囲未満であっても、ポールピースを用いて、磁力線を本荷電物質分離デバイス部分や、分離室部分に集中させることにより、分離室部分の磁束密度を上記の範囲にすることが出来る。
【００２２】
本発明に於けるφ１部とφ２部における磁束密度や流体の流速は、時間的に一定であれば分離できるが、変動しても差し支えない。
【００２３】
〔荷電物質分離デバイスの構成単位〕
まず、本発明の荷電物質分離デバイスの構成単位である分離室の構造について説明する。
図１は本発明になる荷電物質分離デバイスの構成単位である分離室部分の実施態様の説明図であり、図１（イ）は分離室付近の部分平面図、図１（ロ）は分離室付近の部分側面図である。即ち、内部層２３の両面にそれぞれ基材層２１とカバー層２５が積層されていて、分離室３、流入口５、第１流出口６および第２流出口７は全て内部層２３に形成されている。分離室３における基材層２１側内表面がφ１部１とされ、カバー層２５側の内表面がφ２部２とされている。流入口５は分離室３の長さ方向（図１の紙面内左右方向）の左端部の上流端に設けられている。第１流出口６は分離室３の下流端の図１（イ）の紙面内下側の側面に設けられ、第２流出口７は図１（ロ）の紙面内上側の側面に設けられている。
【００２４】
（分離室）
分離室３は、図１に於いては、図１（イ）の平面視で幅（図１（イ）図の紙面内上下方向の寸法）が一定で、長さが幅より大きい流路状であるが、該平面形状は任意であり、例えば、幅が長さより大きくてもよいし、或いは、幅が流出口に近づくほど増すテーパー状になっていてもよい。また、分離室３の横断面の形状も任意であり、矩形が好ましいが、その他、例えば半円形、円形、台形、等であってもよい。
【００２５】
分離室の寸法は、例えば長さ方向が１．２ｍｍ、高さ（基材層２１側内表面とカバー層２５側内表面間の距離）が１００μｍ、幅が１００μｍとされる。分離室３の幅は、好ましくは３μｍ以上、さらに好ましくは１０μｍ以上、最も好ましくは３０μｍ以上であり、好ましくは１ｍｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下、最も好ましくは３００μｍ以下である。この下限以上とすることにより、拡散混合による均一化を抑えて、分離室当たりの分離効率を高めることができると共に、圧力損失が過剰に高くすることを防止できる。また、この上限以下とすることにより、分離室３内での流体の流速を高くして、分離室当たりの分離効率を高めることができる。
【００２６】
分離室３の幅は、流入口５側の端（上流端）で狭く、流出口側の端（下流端）へ近づく程広がる形状とすることが好ましい。この場合、分離室３の上流端の幅を上記の幅にすることが好ましい。下流端の幅は、上流端の幅の好ましくは１．１倍以上、更に好ましくは１．２倍以上、最も好ましくは１．３倍以上であり、好ましくは３倍以下、更に好ましくは２．５倍以下、最も好ましくは２倍以下である。このようにすることにより、高い分離速度と、拡散混合の抑制による高い分離能を同時に実現することが出来る。
【００２７】
分離室３の高さ、即ち、φ１部とφ２部間の距離は任意であるが、好ましくは３μｍ以上、さらに好ましくは１０μｍ以上、最も好ましくは３０μｍ以上であり、好ましくは１ｍｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下、最も好ましくは３００μｍ以下である。この下限以上とすることにより、処理量を増すことができると共に、圧力損失が過剰に高くすることを防止できる。また、この上限以下とすることにより、φ１部とφ２部間に大きな磁気ポテンシャル勾配を形成すること、即ち、大きな磁場の強さを実現できると共に、分離室３内での流体の流速を高くして、分離室当たりの分離効率を高めることができる。
【００２８】
分離室３の長さは任意であり、幅や高さより小さくてもよいが、好ましくは幅以上、さらに好ましくは幅の１．３倍以上、さらに好ましくは１．５倍以上であり、好ましくは２００倍以下、さらに好ましくは１００倍以下、最も好ましくは５０倍以下である。この範囲とすることにより、分離室毎の分離効率が高くなり、かつ、分離室を短くできるため、段数を増すことができる。分離室３は長さ方向（流れ方向）に直線である必要はなく、曲線やジグザグなど、任意の形状であり得る。また、長さ方向の平面内の向きも任意であり、Ｕターンした形状であってよい。
【００２９】
本発明に於いて、分離する対象である第１物質と第２物質が、荷電量の異なる物質である場合と、荷電量／質量の値が異なる物質である場合とで、好適な分離室の長さが異なる。第１物質と第２物質が、荷電量の異なる物質である場合には、ある流速で流したとき、分離室長が十分に長いと、分離室内で濃度分極が最大値で平衡に達する。そのため、流体の分離室長が長く、滞留時間が過度に長くても、分離能は最大値で平衡に達して低下することはなく、スペースファクターが低下するだけである。一方、第１物質と第２物質が荷電量が同じで荷電量／質量の値が異なる物質である場合には、ある流速で流したとき、荷電量／質量の値の大きい方の物質が先に濃度分極の平衡値に達するが、十分長時間後には、荷電量／質量の値の小さい方の物質も同じ濃度分極の平衡値に達する。そのため、分離室の長さが過度に長いと、かえって分離能が低下する。そのため最適値を見つける必要があるが、最適な分離室の長さは、分離室の断面積や流体の流速にも依存するが、実験により容易に見つけることが出来る。
【００３０】
（流入口）
図１の態様に於いては、流入口５は分離室３の上流端の端面に設けられているが、一般には、流入口５を分離室３の上流端のどの位置に設けるかは任意であり、基材層２１側（φ１部１側）の内壁面、カバー層２５側（φ２部２側）の内壁面、分離室３の側面の内部層２３に設けてもよい。また、後述のように、分離室を多段配置するにあたり、一つの分離室の入口に前段の二つの分離室の流出口からの流路を接続する場合がある。この場合、分離室の上流端のどの位置に流入口５を設けるかは任意である。例えば、前段の二つの分離室の各流出口からの流路を一つにまとめて流入口５に接続してもよいし、それぞれを別々に設けられた流入口５に接続してもよい。このように、分離室上流端の異なる位置に流入させても、分離室断面の寸法を前記の範囲とすることにより、異なる流入口から流入した流体は分離室内で拡散によって混合し、本発明の分離機能を発揮しうる。
【００３１】
（第１流出口および第２流出口）
図１の態様に於いては、第１流出口６は、分離室３の下流端の図１（イ）の紙面内下側の側面に設けられ、第２流出口７は図１（ロ）の紙面内上側の側面に設けられているが、これらの流出口は、分離室３の下流端の端面９に設けてもよい。このように、両流出口を、分離室３の下流端の端面９の両側面側、又は下流端の側面に設けることにより、流体が流入口から入り、分離室３内をマスフローとして流出口方向へ流れると、該流体に含有される第１物質と第２物質はφ１部とφ２部を貫通する磁力線を横切り、流れ方向に直角でかつ該磁力線に直角な方向の力を受けて、第１流出口６又は第２流出口７方向へ移動し、これらの流出口からそれぞれが濃縮されて流出する。第１流出口６、第２流出口７の形状や寸法は任意である。
【００３２】
（流路）
分離室３の流入口５、第１流出口６、及び第２流出口７は、流路でもって他の分離室、導入口、取出口その他の構造に接続される。各流路の形状や寸法は任意である。これらの流路も内部層２３に設けられるが、必要に応じて、例えば内部層２３と基材層２１の間や、内部層２３とカバー層２５のに中間層を設け、補助的な流路を該中間層に設けてもよい。
【００３３】
（外形）
本荷電物質分離デバイスの外形は板状（直板状、曲板状を含む）又はシート（フィルム、ベルト、リボンなどを含む）状である。本荷電物質分離デバイスの厚みは任意であるが、好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは２０μｍ以上、最も好ましくは３０μｍ以上であり、好ましくは３ｍｍ以下、更に好ましくは２ｍｍ以下、最も好ましくは１ｍｍ以下である。この範囲にすることにより、荷電物質分離デバイスの外側に磁石を配して分離室３に磁場を掛ける場合、十分な力学的強度を保有して取り扱い性に優れ、大きな磁束密度を形成することが容易である。又、このような板状（又はシート状）構造は、実施態様のように、層の積層構造として製造できるため、製造の容易さ、他のマイクロ流体デバイスと一体化することの容易さ、等の点で好ましい。
【００３４】
（素材）
本荷電物質分離デバイスは、少なくとも内部層２３は強磁性体でないことが必要である。内部層２３が強磁性体であると、磁力線は分離室３を通過せずに、分離室の周りの内部層形成素材中を透過するため、φ１部とφ２部間に大きな磁位勾配を設けることが出来ない。常磁性体又は反磁性体の素材として、例えば有機重合体、ガラス、セラミック、強磁性体でない金属などを好ましく用いることが出来、中でも有機重合体が製造が容易なため好ましい。基材層２１とカバー層２５は、強磁性体であることも、φ１部とφ２部を透過する磁束密度を高めるために好ましい。
【００３５】
［多段配置］
分離室３の第１流出口６をもう一つの分離室３の流入口５に接続すると、第１物質が２回濃縮され、濃縮率が向上する。これは、一つの分離室内では、拡散による均一化効果のために、いくら長い分離室を形成しても、φ１部側とφ２部側の濃度差が一定以上にならないのに対し、複数の分離室を直列に接続すると、濃度差を積算してゆける為に、高度に濃縮することが可能となる。
【００３６】
（２段配置）
段数が２段の場合において、第１物質の濃縮、又は第２物質の除去を求める場合には、前段の第１流出口６に後段の分離室３の流入口５を接続すればよい。第２物質の濃縮、又は第１物質の除去を求める場合には、前段の第２流出口７に後段の分離室３の流入口５を接続すればよい。第１物質と第２物質の両方を濃縮する場合には。第１流出口６、第２流出口７にそれぞれ別の後段の分離室３の流入口５を接続すればよい。
【００３７】
（３段以上の多段配置の基本構成）
図２は多段配置の態様の平面図である。なお、図２は、多段配置の接続方法を示したものであり、各分離室３の詳細な形状は略されている。各分離室の詳細は、図１に示したものと同様である。本多段配置の態様に於いては、第１段から第Ｋ段までの範囲は、多段配置の基本構成を示したものであり、分離流路を多段に接続する方式のうち、次のような好ましい接続方式で接続されている。即ち、上流から下流にかけて分離室３が複数段にわたって配置され、第１段に分離室３ａ、第２段に分離室３ｂ及び３ｃ、第３段に分離室３ｄ、３ｅ及び３ｆが配置されていて、第１段における分離室３ａの第１流出口６ａが、第２段における分離室３ｂの流入口５ｂに流路１２ａでもって接続され、前記分離室３ａの第２流出口７ａが、第２段における分離室３ｃの流入口５ｃに流路１３ａでもって接続されている。
【００３８】
さらに、第２段における分離室３ｂの第１流出口６ｂが、第３段における分離室３ｄの流入口５ｄに流路１２ｂでもって接続され、前記分離室３ｂの第２流出口７ｂが、第３段における分離室３ｅの流入口５ｅに流路１３ｂでもって接続されている。また、第２段における分離室３ｃの第１流出口６ｃが、前記分離室３ｅの流入口５ｅに流路１２ｃでもって接続され、前記分離室３ｃの第２流出口７ｃが、第３段における分離室３ｆの流入口５ｆに流路１３ｃでもって接続されている。
【００３９】
ここで、第２段における分離室３ｂの第２流出口７ｂと、分離室３ｃの第１流出口６ｃとが、第３段において異なる分離室の流入口に接続されているのではなく、同一の分離室３ｅの流入口５ｅに接続されている。いま、当初試料に含まれる第１物質および第２物質の濃度をそれぞれ５０％ずつと仮定する。その試料を分離室３ａに流入させると、試料に含まれる第１物質がφ１部１に濃縮され、分離室３ａの第１流出口６ａから流出する試料は、例えば第１物質の濃度が５１％に上昇する。それと同時に、第１物質はφ２部２では希釈され、分離室３ａの第２流出口７ａから流出する試料は、例えば第１物質の濃度が４９％に降下する。さらに、分離室３ａの第１流出口６ａから流出する試料を分離室３ｂに流入させると、上記と同様に第１物質がφ１部１に濃縮され、第１物質はφ２部２側では希釈される。その結果、５１％で導入された第１物質の濃度が、例えば分離室３ｂの第１流出口６ｂから流出する試料は５２％に上昇するとともに、分離室３ｂの第２流出口７ｂから流出する試料は、第１物質の濃度が５０％に下降する。一方、第１物質の濃度が４９％の試料を導入された分離室３ｃの第１流出口６ｃから流出する試料は、例えば第１物質の濃度が５０％に上昇するとともに、分離室３ｃの第２流出口７ｃから流出する試料は、第１物質の濃度が４８％に下降することになる。
【００４０】
ここで、第２段の分離室３ｂの第２流出口７ｂから流出する試料は、前記第１段で第１物質の濃度が濃縮された後、第２段で第１物質の濃度が希釈されたものである。同様に、分離室３ｃの第１流出口６ｃから流出する試料は、第１段で第１物質の濃度が希釈された後、第２段で第１物質の濃度が濃縮されたものである。そしてこの二つの濃度は略等しくなる。従って、第１物質の濃度がほぼ等しい上記２つの試料を異なる分離室で分離処理する利益はない。そこで、上記２つの試料を異なる分離室に流入させるのではなく、同一の分離室３ｅに流入させればよい。
【００４１】
第４段以降も同様に接続される。即ち、本実施態様における分離室の多段配置は、１段毎に分離室３が１本ずつ増える配置である。このような接続構造とすることによって、１本の分離室３がそれぞれ次段の２本の分離室に接続された構造、即ち、１段毎に流路数が２倍になる構造に比べて流路数を少なくでき、スペースファクターが向上する。
【００４２】
そして、本多段配置の基本構成の最下流段（図１の第Ｋ段）における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室の第１流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第１取出口１６に接続され、最下流段における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室の第２流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第２取出口１７に接続されていることにより、各々の流出口から第１物質濃縮流体および第２物質濃縮流体がそれぞれ取り出される。
【００４３】
上記の本方式を一般化して述べると、以下のようになる。
すなわち、各段において並列に配された分離室を「列」として表し、第１物質が最も濃縮される列を第１列と称し、第１段第１列の分離室３ａを「分離室［１，１]」と称し、一般に、第ｎ段第ｉ列（ｎ，ｉは正の整数、以下同様）の分離室３を「分離室［ｎ，ｉ］」と称する。流入口５、第１流出口６、第２流出口７についても同様に、第ｎ段第ｉ列のものを［ｎ，ｉ］で示すものとする。
【００４４】
すると、図９に示す第１段第１列の分離室３ａ（即ち分離室［１，１]）の第１流出口６ａ（即ち、第１流出口［１，１］）は、第２段第１列の分離室３ｂ（即ち分離室［２，１］）に導かれる。一方、第１段第１列の分離室［１，１の第２流出口７ａ（即ち、第２流出口［１，１］）は、第２段第２列の分離室３ｃ（即ち、分離室［２，２］）の流入口５（即ち、流入口５［２，２］）に接続されている。
【００４５】
第２段と第３段の接続については、分離室［２，１］に関して第１流出口［２，１］は流入口［３，１］に、第２流出口［２，１］は流入口５［３，２］に接続される。また、分離室［２，２］に関して第１流出口［２，２］は流入口流入口［３，２］に、第２流出口［２，２］は流入口［３，３］に接続される。
【００４６】
そして一般に、第ｎ段第ｉ列の第１流出口［ｎ，ｉ］は、第（ｎ＋１）段第ｉ列の分離室［ｎ＋１，ｉ］の流入口［ｎ＋１，ｉ］に接続されており、第ｎ段第ｉ列の分離室の第２流出口［ｎ，ｉ］は、第（ｎ＋１）段第（ｉ＋１）列の分離室［ｎ＋１，ｉ＋１］の流入口［ｎ＋１，ｉ＋１］に接続されている。
【００４７】
そして、本基本構成部分の最終段（第Ｋ段）の第１流出口［Ｋ，１］からは第１物質が最も濃縮された溶液が、第２流出口［Ｋ，Ｋ］からは第２物質が最も濃縮された溶液が流出する。
【００４８】
本多段配置の基本構成に於ける分離室３の段数は３段以上が好ましく、４段以上が更に好ましく、５段以上が最も好ましい。段数を多くするほど、単段での分離能が低い分離対象も良好に分離することができる。勿論、１つの分離室３における分離能が優れる系に於いては、段数を少なくすることができる。段数の上限は特に制限はないが、製造の容易さの点から、５００段以下が好ましく、１００段以下が更に好ましい。本発明においては、このように多段配置型の分離デバイスとしても、膜分離装置とは異なって各段毎にポンプを要しないため、構造が極めて単純となり、容易にマイクロ流体デバイス内に組み込むことができる。マイクロ流体デバイスの容積を同一としたとき、より小さな分離室をより多段に形成する方が全体としての分離能が向上する。
【００４９】
荷電物質分離デバイスが、本多段配置の基本構成のみで構成されている場合には、上記多段配置の態様に於いて、第Ｋ段の第１流出口［Ｋ，１］から流出する第１物質が最も濃縮された溶液を第１取出口１６に接続し、第２流出口［Ｋ，Ｋ］から流出する第２物質が最も濃縮された溶液を第２取り出し口１７に接続する。但し、濃縮率が多少低下しても、収率を求める場合には、例えば、第Ｋ段の第１流出口［Ｋ，２］や第１流出口［Ｋ，３］も第１取出口１６に接続してもよい。第２取出口１７についても同様である。
【００５０】
また、上記多段配置の態様に於いて、共通溶剤中の第１物質と第２物質を分離するような３成分の分離の場合には上記の構成が好適であるが、第２物質が溶媒であるような２成分の分離の場合には、第１物質の濃縮（又は除去）だけを考えればよいから、第２取出口１７は設けずに、第２取出口１７に接続される流路は第３取出口１８に合流させてよい。逆に、第１取出口１６は設けずに、第１取出口１６に接続される流路は第３取出口１８に合流させてよい。あるいは、第３段以降は、各段の分離室数を第１物質濃縮側だけの半分とし、前記一般的な表現によれば、第２段の第２流出口「ｎ、ｎ／２」（但し、ｎ／２が整数にならない場合には最も近い整数とする）は、下流側次段の流入口［ｎ＋１，（ｎ＋１）／２］に接続することが、第１物質濃縮流体の収率が増加するため好ましい。勿論、第２物質を濃縮する場合には、第１流出口に関して上記第２流出口における態様と同様にすればよい。
【００５１】
本多段配置に於いて、上記説明では、説明の簡略化のために、各段の分離室３は横一列に平衡に配置された例で説明したが、各段での各分離室の向きや位置や形状は任意である。ただし、各段に於ける各分離室になるべく等しく流体が流れるように、各分離室に接続される流路１２や流路１３を含めた圧力損失を等しくすることは好ましい。また、各段毎に、分離室の向きや配置が異なっていても良い。
【００５２】
荷電物質分離デバイスが、本多段配置の基本構成部分の後に、次に述べる下流範囲段が形成されている場合には、各分離室や各取出口は、下記のように接続される。
【００５３】
〔濃縮溶液量の確保〕
上記の段階的配置を採用した場合、各流出口からの流出量を均等と仮定すると、第１物質が最大に濃縮された流体の取り出し量、即ち、第Ｋ段の、それまでに第１流出口を最も多い回数通過した流体が流出する流出口、また、一般化された表示では 第１物質が最大に濃縮される第１流出口［Ｋ，１］、から採取される溶液の量は、段数が増えるほど収率が低下する。同様に、第２物質が最大に濃縮される第２流出口［Ｋ，Ｋ］、から採取される溶液の量は、段数が増えるほど収率が低下する。この不都合を回避する手段として下記の２つの方式が好ましいものとして用いられる。下記の２つの手段は併用してよい。
【００５４】
（第１方式：下流範囲段の分離室数を各段で略一定とした方式）
図２に示したように、本方式では、第１段から境界段である第Ｋ段（即ち、ｎ＝Ｋである段）までの範囲の上流範囲段においては、上記の多段配置の基本構成のように、各段に含まれる分離室の本数は、段数と同じ本数の分離室が形成されている。そして、第Ｋ段より下流側の任意の段（以下「下流範囲段」と称する）には、各段ほぼ一定本数の分離室が形成されている。例えば、第Ｋ段以降には交互にｎ本およびｎ−１本の分離室が形成されている。このような構成にすることによって、スペースファクターを高く維持しながら、濃縮流体の収率を増すことが出来る。
【００５５】
そして、最下流段における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室の第１流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、第１物質濃縮流体を取り出す第１取出口１６に接続され、最下流段における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室の第２流出口の通過回数が最多となる流出口が、第２物質濃縮流体を取り出す第２取出口１７に接続されていることにより、各々の流出口から第１物質、第２物質がそれぞれ取り出される。
【００５６】
なお本方式では、第Ｋ段以降の第ｎ段における分離室の本数が交互にｎ本およびｎ−１本とされている。この場合、分離室３の本数がｎ本となる段における各分離室３ｎの流出口のうち、それまでの第１流出口６の通過回数が最多となる流体の流出口が、流路１２ｚを介して第１取出口１６に接続され、それまでの第２流出口７の通過回数が最多となる流体の流出口が、取出流路１３ｚを介して第２取出口１７に接続されている。
【００５７】
このようにすることによって、最小の流路数で所定値以上に分離（濃縮）された溶液を、多量に採取することができる。しかも、第Ｋ段以降、一段おきに溶液が取り出される分だけ下流側次段の分離室に流入する流体量は減少して行くから、十分多数の下流範囲段を設けると、最終的には導入された溶液のほとんどが第１取出口１６又は第２取出口１７から分離されて取り出される。即ち、分離の収率が向上する。
【００５８】
本態様では、最下流段における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室３の第１流出口６の通過回数が最多となる流体の流出口が第１取出口１６に接続され、各段における分離室３の第２流出口７の通過回数が最多となる流体の流出口が第２取出口１７に接続されている。その他の第Ｋ段の流出口は流路１６ｚによりまとめられて第３取出口１８に接続されている。しかし、最下流段における複数の分離室の流出口のうち、各段における分離室３の第１流出口６の通過回数が比較的多くなる複数の流出口をまとめて第１取出口１６に接続するとともに、各段における分離室３の第２流出口７の通過回数が比較的多くなる複数の流出口をまとめて第２取出口１７に接続してもよい。この場合、隣接するいくつかの流出口をまとめて第１取出口１６または第２取出口１７に接続することになり、所定値以上に分離（濃縮）された溶液を多量に採取することができる。
【００５９】
境界段である第Ｋ段より下流範囲について一般化した表現では次のようになる。即ち、第ｎ段において分離室がｉ本配され、ｎ又はｉの少なくともいずれかが２以上であり、第ｎ段において分離室の第１流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第１取出口１６に接続され、第２流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第２取出口１７に接続されてなり、第ｎ段以降の段における分離室がｉ本配された段の分離室の流出口のうち、当該段より上流段において、前記流体が第１流出口を通過する回数をｌ、前記流体が第２流出口を通過する回数をｍとした際に、ｌ−ｍが最も大きい流出口が、前記第１取出口１６に接続され、ｍ−ｌが最も大きい流出口が、第２取出口１７に接続されている構成である。具体的には、段数と列数とが同じ場合には、ｎ本の分離室を含む第ｎ段の第１流出口［ｎ，１］が第１取出口１６に接続され、第２流出口［ｎ，ｎ］が第２取出口１７に接続されている。勿論、第１の方式および／または第２の方式を併用してもよい。
【００６０】
上記第１の方式のように接続することにより、下流範囲段において、段が進む程に分離室を増す必要がなくなるので、下流範囲段における分離室の本数の増加が抑制される。すなわち、前記境界段に至るまでは段数と共に該段の分離室数が増加するが、境界段以降は、段数ｎが増しても分離室数が増加しない。この場合、第ｎ段の分離室数を、段数ｎがある値（Ｋとする）の段（境界段）では概ねＫとし、段数ｎがＫを超える範囲（下流範囲段）では概ねＫで一定とする。なお、一段おきに流出口を取出口に接続すれば、ｎがＫを超える範囲（下流範囲段）における流路数は、ｎが増加するごとに交互にＫおよび（Ｋ−１）となる。
勿論この場合にも、多段は１の基本構成のところで述べたように、分離すべき流体が２成分の場合には、第２取出口１７、又は第１取出口１６は省略できる。
【００６１】
（第２方式：各段の分離室の面積の総和を略同一とする方式）
第２の方式（図示略）は、任意の特定段における複数の分離室の断面積の総和が、それより下流側の任意の段における複数の分離室の断面積の総和と略同一とする構成である。これは任意の二つの段について行えるが、全段について分離室の断面積の総和を略同一とすることが好ましい。これにより、上流段における分離室の本数が少なくても、濃縮溶液の取出量を増加させることが可能になる。
【００６２】
本方式（図示略）は、任意の特定段に於ける分離室の流路の長さ×断面積を、それより下流側の任意の段における全分離室の流路の長さ×断面積の合計と略等しくする構成である。具体的には、任意の特定段である第ｎ段に含まれる分離室数がｎである場合には、第ｎ段の分離室の流路の長さ×断面積を、それより下流側の任意の段である第ｐ段（但し、ｐ＞ｎ）がｑ個（但し、ｑは正の整数）の同寸法の分離室から成っているとき、の分離室の流路の長さ×断面積の略ｎ／ｑ倍にする。第ｐ段は最終段である第Ｚ段とすることが好ましい。これにより、前記特定段の分離室を流れる流速を増しても、滞留時間は保たれ、濃縮溶液の取出量を増加させることが可能になる。即ち、第Ｚ段がｚ個の同寸法の分離室から成っているとき、第１段の分離室の流入口５に供給する原液の量をｚ倍にすると、流体の各段の滞留時間は等しくなり、最終段の第１流出口［ｚ，１］および第２流出口［ｚ，ｚ］から、全ての分離室の寸法が同じ場合のｚ倍の濃縮溶液を採取することができる。長さと断面積はそれぞれ増加させる割合は任意である。断面積より長さの増加割合を大きくし、流体の流速を上げると、該分離室内での分離能も向上する。分離室の高さが一定の時は、「長さ×断面積」の代わりに「長さ×幅」を等しくして良い。
【００６３】
〔導入口と取出口〕
本発明の荷電物質分離デバイスに於いて、分離すべき混合流体を導入する導入口１５並びに上述した第１取出口１６および第２取出口１７の形成位置や形状は任意であり、分離デバイス外への開口部であってよいし、接続配管が接続されていてもよいし、該分離デバイスと一体化されたマイクロ流体デバイスの何らかの機構、例えば反応用流路、に接続されていてもよい。また、荷電物質分離デバイスの任意の面であってよく、例えば基材層側表面３１、カバー層側表面３２、荷電物質分離デバイスの端面や側面であってよい。本荷電物質分離デバイスを多数並列に設置して処理量の増加を計る場合には、荷電物質分離デバイスの端面や側面であることが好ましい。
【００６４】
〔その他の機構〕
上述した本態様の構成に対して、以下の構成を付加してもよい。
各流路の流量比を調節するために、各分離室や各流路の断面積や流路長を変えることも可能であるし、流路の任意の部分に流量調節バルブを設けることも可能である。
【００６５】
第３取り出し口から取り出される流体を、ポンプを介して第１段の流入口５に接続してもよい。このとき、第３取り出し口を荷電物質分離デバイス外に接続するのではなく、荷電物質分離デバイス内に於いて、該デバイス内に設けられたポンプを介して第１段の流入口５に接続してもよい。これにより、第３取出口１８から流出する流体を、上流段の分離室に還流させることが可能になり、試料を効率的に利用することができる。
【００６６】
［物質分離方法］
以下に本発明の物質分離方法を説明するが、下記に記載されていない細部については、本発明の荷電物質分離デバイスの項で説明した内容と同じである。
【００６７】
〔物質分離方法〕
導入口１５から分離すべき原流体を導入し、前記第１取出口１６から第１物質が濃縮された流体を取り出し、前記第２流出口から第２物質が濃縮された流体を取り出す分離方法である。
【００６８】
本発明の物質分離方法は、いずれの場合に於いても、分離室内を流れる流速をレイノルズ数が２３００未満として層流で流す。乱流で流すと分離されないか、分離能が極度に低下する。しかしながら、分離室の横断面積を上記の好ましい寸法にすると、分離室の断面積や壁間距離が十分に小さいため乱流になりにくく、流体を層流で流すことが出来る。分離室の各流出口に接続される流路中では乱流になってもよいが、層流とすることが、該流路中でも分離が成されて、本荷電物質分離デバイスの分離能が向上するため好ましい。
【００６９】
流体を流す速度の時間的変化については任意であり、一定速度であってよいし、変動させてもよいし、間欠的に流してもよいが、一定速度が、単純なポンプ機構でよく、分離能も高くなり好ましい。
【００７０】
分離すべき流体が、２種の流体の混合流体、溶質と溶媒、分散質と分散媒であるような２成分系の場合には、前記第１取出口から第１物質が濃縮された流体を取り出し、前記第２取出口から第１物質が希釈され、相対的に第２物質が濃縮されたた流体を取り出す。前記第３取出口を有する場合には、ここからは上記２つの取出口から取り出される中間的な混合比の流体を取り出す。このとき該分離すべき流体が、第３物質を含有していてもよい。第３物質は、第１物質と共に第１流出口側に濃縮されるものであっても、第２物質と共に第２流出口側に濃縮されるものであっても、本分離方法では分離されずに、第１流出口と第２流出口から等しく流出するものであってもよい。
【００７１】
分離すべき流体が、溶質（又は分散質）である第１物質と、同じく溶質（又は分散質）である第２物質と、これらの共通の溶媒（又は分散媒）から成るような３成分系の場合には、前記第１取出口から第１物質が濃縮され第２物質が希釈された流体を取り出し、前記第２取出口からは第２物質が濃縮され第１物質が希釈された流体を取り出し、前記第３取出口から第１物質も第２物質も希釈された媒体を取り出す。このとき該分離すべき流体が、前記共通の溶媒以外の第４物質を含有していてもよい。
【００７２】
以下には流体に含まれる２種類の溶質（第１物質および第２物質）を分離する場合を例にして説明する。
本発明の分離方法に於いて、分離する対象である第１物質と第２物質が、荷電量の異なる物質である場合と、荷電量／質量の値が異なる物質である場合で、好適な分離室内の滞留時間が異なる。第１物質と第２物質が、荷電量の異なる物質である場合には、流体の流速が過剰に速い、即ち流体の分離室内滞留時間が過剰に短いと、分離不十分で排出されるため、分離能が低下する。逆に、流体の流速が過剰に遅いと、分離室内での分離駆動力が不十分となり、濃度差は平衡に達して、いくら滞留時間を増してもそれ以上分離せず、処理速度が低下する。しかも、各流出口などに接続された流路中で逆に分離される場合が生じ、かえって分離能低下する場合が生じうる。
【００７３】
一方、第１物質と第２物質が荷電量が同じで荷電量／質量の値が異なる物質である場合には、ある流速で流したとき、荷電量／質量の値の大きい方の物質が先に濃度分極の平衡値に達するが、十分長時間後には、荷電量／質量の値の小さい方の物質も同じ濃度分極の平衡値に達する。そのため、分離室内の滞留時間が過度に長いと、かえって分離能が低下する。勿論滞留時間が過度に短い場合に分離能が低下することは上記の荷電量が異なる場合と同様であるから、最適値が存在する。その最適値は、流速を変えた実験で簡単に見いだすことが出来る。
【００７４】
流体を本荷電物質分離デバイスに流す速度は任意であるが、一般には、流体の本荷電物質分離デバイス内の滞留時間は、好ましくは１５秒以上、さらに好ましくは３０秒以上、最も好ましくは１分以上であり、好ましくは２０分以下、より好ましくは１５分以下、最も好ましくは１０分以下である。本荷電物質分離デバイスの分離室を小さくして段数を多くすると、本荷電物質分離デバイス内の滞留時間を同じにしても分離能が向上する。
【実施例】
【００７５】
以下、実施例を用いて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は以下の実施例の範囲に限定されるものではない。
（実施例１）
図１は、実施例１の荷電物質分離デバイスの分離室部分を示した（ａ）平面図及び（ｂ）側面図である。また、図２は実施例１の荷電物質分離デバイス１００の平面図である。
【００７６】
図１に示されたように、本実施例１の荷電物質分離デバイスは、内部層２３の両面にそれぞれ基材層２１とカバー層２５を固着して構成されていて、内部層２３に該内部層の貫通溝として分離室３が形成され、分離室３に面した基材層２１にφ１部１が形成され、分離室３に面したカバー層２５にφ２部２が形成され、分離室３の上流側端面（図中左側）に流入口５が形成され、分離室３の下流側端部（図中右側）に於ける分離室３の図１及び図２の紙面内上側の側面に第１流出口６が設けられ、分離室３の下流側端部（図中右側）に於ける分離室３の図１及び図２の紙面内下側の側面に第２流出口７が設けられている。また、内部層２３には第１流出口６に接続された流路１２、及び第２流出口７に接続された流路１３が形成されている。
本実施例１の荷電物質分離デバイスは、分離室３が２０段にわたって直列接続されている。また、各段における分離室３の本数は、第１段が１本、第２段が２本と順次増加し、第１２段（境界段）以降は交互に１２本および１１本となっている。カバー層２５側外表面に導入口１５、第１取出口１６、第２取出口１７、及び第３取出口１８が開口して設けられていて、分離室３の本数が１２本となる段（偶数段）における各分離室３の流出口のうち、それより上流の段における分離室３の第１流出口６の通過回数が最多となる流体の流出口が、取出流路１２ｚを介して第１取出口１６に接続されている。また、分離室３の第２流出口７の通過回数が最多となる流体の流出口が、取出流路１３ｚを介して第２取出口１７に接続されている。さらに、その他の流出口が、流路１４を介して第３取出口１８に接続されている。また、第１段の流入口５には導入口１５が接続されている。
【００７７】
［荷電物質分離デバイスの作製］
まず、本実施例における紫外線照射および蛍光特性測定の方法について説明する。
【００７８】
〔紫外線ランプ＃１による照射〕
３ｋＷメタルハライドランプを光源とするアイグラフィックス株式会社製のＵＥ０３１−３５３ＣＨＣ型ＵＶ照射装置を用いて、波長３６５ｎｍで強度４０ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を、特に指定が無い限り室温、窒素雰囲気中で照射した。
【００７９】
〔紫外線ランプ＃２による照射〕
２５０Ｗ高圧水銀ランプを光源とするウシオ電機株式会社製のマルチライト２５０Ｗシリーズ露光装置用光源ユニットを用いて、波長３６５ｎｍで強度５０ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を、特に指定が無い限り室温、窒素雰囲気中で照射した。
【００８０】
次に、本実施例における製膜液および組成物の調整方法について説明する。
〔組成物Ｘ１の調製〕
エネルギー線重合性化合物として、平均分子量２０００の３官能ウレタンアクリレートオリゴマー「ユニディックＶ−４２６３」（大日本インキ化学工業株式会社製）を７０部、ヘキサンジオールジアクリレート「ニューフロンティアＨＤＤＡ」（第１工業製薬株式会社製）を３０部、光重合開始剤として１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン「イルガキュアー１８４」（チバガイギー社製）を３部、及び重合遅延剤として２，４−ジフェニル−４−メチル−１−ペンテン（関東化学株式会社製）を０．５部、それぞれ混合して組成物Ｘ１を調製した。
【００８１】
〔基材側部材の形成〕
厚さ８０［μｍ］のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートを第１の一時的な支持体（図示略）として使用し、該一時的な支持体上にスピンコーターにて組成物Ｘ２を塗工し、紫外線ランプ＃１により紫外線を１秒間照射して製膜液Ｘ２を半硬化させ、基材層２１となる樹脂層を形成した。該基材層２１上にスピンコーターにて組成物Ｘ１を塗工し、分離室３、及び流路１２、１３、１４を形成すべき部分以外の未硬化塗膜に、紫外線ランプ＃２によりフォトマスクを通して紫外線を１２０秒間照射して半硬化させ、紫外線の非照射部分に残された未硬化の組成物Ｘ１を５０％エタノール水溶液により洗浄除去し、分離室３、および流路１２、１３、１４となる内部層２３の欠損部を形成した。このようにして基材層側部材を得た。
【００８２】
〔カバー層の形成と固着〕
前記と同じＰＥＴシートを第２の一時的な支持体（図示略）として、この上にバーコーターにて組成物Ｘ２を塗工し、該未硬化塗膜に、紫外線ランプ＃１により紫外線を１秒間照射して半硬化させ、カバーこのカバー層２５を前記基材層側部材に積層し、その状態で、紫外線ランプ＃１により紫外線を６０秒間照射して硬化を進めて固着した。その後、前記第１の一時的な支持体および前記第２の一時的な支持体を基材層２１とカバー層２５から剥離し、図２に示したような物質分離デバイス前駆体を得た。
【００８３】
〔その他の構造の形成〕
次に、第１段の分離室３（３ａ）の流入口５（５ａ）となる端部において、ドリルを用いて、カバー層２５および内部層２３に直径０．３［ｍｍ］の穴を開けて導入口１５を形成した。同様にして、流路１２ｚの下流端部、流路１３ｚの下流側端部、および流路１４の下流側端部において、カバー層２５および内部層２３に直径０．３［ｍｍ］の穴を開けて第１取出口１６、第２取出口１７、および第３取出口１８を形成した。
【００８４】
以上のようにして分離デバイス１００を作製した。分離デバイス１００の外形は７０［ｍｍ］×５０［ｍｍ］×０．３［ｍｍ］である。各部の寸法は、基材層２１、内部層２３、及びカバー層２５の厚みは全て約１００［μｍ］であり、分離室３、流路１２、流路１３、流路１４は幅が１００［μｍ］、高さが１００［μｍ］であり、分離室３の長さは１．２［ｍｍ］、第１流出口６及び第２流出口７の寸法は、幅が１００［μｍ］、高さが１００［μｍ］である。
【００８５】
上記物質分離デバイス１００の基材３側外表面３１とカバー層側外表面３２の、全ての分離室３を含む範囲に、それぞれ直径５０［ｍｍ］、厚さ５０［ｍｍ］の飽和状態に磁化させたアルニコ磁石（推定磁束密度約１００００［Ｇ］）をカバー層２５側をＮ極側にして設置し、厚み１０［ｍｍ］、幅６０［ｍｍ］の鉄部材で、該２つのアルニコ磁石を内側に入れたロの字型の磁気回路を作った。
【００８６】
［物質分離方法］
分離実験用の原溶液として、牛血清アルブミン（等電点ｐＨ＝５．６）の１０［μＭ］水溶液（ｐＨ＝８の緩衝溶液）を使用した。
【００８７】
導入口１５に、マイクロシリンジポンプ（図示略）から原溶液を５［ｍｍ３／分］で導入し、第１取出口１６から流出する溶液を紫外吸収にて牛血清アルブミン濃度を測定したところ、牛血清アルブミンは第１取り出し口から流出する溶液に濃縮された。
【００８８】
（実施例２）
本字指令では、濃縮溶液量の確保の為の第２の方式を併用した例を示す。即ち、第一段の分離室（分離室３ａ）の長さと幅を、１２の平方根である３．４６倍（４．１５［ｍｍ］、４１５［μｍ］）とし、第２段の分離室（分離室３ｂ及び分離室３ｃ）の長さと幅を１２／２の平方根である２．４５媒（２．９４［ｍｍ］、２９４［μｍ］）とし、以下、第３段を１２／３の平方根倍、第４段を１２／４の平得方根倍、第５段を１２／５の平方根倍、第６段を１２／６の平方根倍、第７段を１２／７の平方根倍、第８段を１２／８の平方根倍、第９段を１２／９の平方根倍、第１０段を１２／１０の平方根倍、第１１段を１２／１１の平方根倍に増加させた荷電物質分離デバイス１００を作製した。内部層の厚み等、その他の部分は実施例１と同じである。
【００８９】
［物質分離方法］
マイクロシリンジポンプ（図示略）で導入口１５に導入する流速路５０μｌ／分としたこと以外は実施例１と同様の試験を行い、実施例１と同様の結果を得た。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】荷電物質分離デバイスの分離室部分の部分平面図（イ）及び部分側面図（ロ）である。
【図２】分離室の多段配置を示す配置図の平面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１‥φ１部
２‥φ２部
３‥分離室
５‥流入口
６‥第１流出口
７‥第２流出口
８‥上流側端面
９‥下流側端面
１１，１２、１３、１４、４２、４３‥流路
１５‥導入口
１６‥第１取出口
１７‥第２取出口
１８‥第３取出口
２１‥基材層
２２‥第１中間層
２３‥内部層
２４‥第２中間層
２５‥カバー層
３１‥（荷電物質分離デバイスの）基材層側の表面
３２‥（荷電物質分離デバイスの）カバー層側外表面
１００‥荷電物質分離デバイス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中に含まれる荷電物質を分離する荷電物質分離デバイスであって、
前記荷電物質分離デバイスが、
（１）板状又はシート状の外形を有すること、
（２）流入口、第１流出口及び第２流出口を有する空洞状の分離室を有すること、
（３）該分離室の流入口と、第１流出口及び第２流出口との間の内壁面のうち、前記荷電物質分離デバイスの一の平面側表面の近傍と、他の平面側表面の近傍とに、それぞれ磁位の異なる部分であるφ１部とφ２部とを有すること、
（４）前記第１流出口と第２流出口が、前記荷電物質分離デバイスの側面側に設けられていること、
（５）前記分離室が、上流から下流にかけて複数段にわたって配置され、該複数段のうちの任意の段における前記分離室の第１流出口又は第２流出口が、下流側次段における分離室の流入口に接続されていること、
を特徴とする荷電物質分デバイス。
【請求項２】
前記荷電物質分離デバイスが、基材層と、常磁性体又は反磁性体で形成された内部層と、カバー層とが積層されて固着されてなり、
前記分離室が、前記内部層の欠損部として設けられており、
前記φ１部とφ２部が、前記分離室の基材層側の内壁とカバー層側の内壁にそれぞれ設けられ、
前記流入口、前記第１流出口、及び前記第２流出口が、前記内部層に設けられている請求項１に記載の荷電物質分離デバイス。
【請求項３】
前記複数段のうちの任意の第ｎ段における分離室（ａ）の第１流出口と第２流出口が、下流側の次段である第ｎ＋１段における分離室（ｂ）及び分離室（ｃ）の流入口にそれぞれ接続され、
更に、
前記分離室（ｂ）の第１流出口が、第ｎ＋１段の下流側の次段である第ｎ＋２段における分離室（ｄ）の流入口に、
前記分離室（ｃ）の第２流出口が、第ｎ＋１段の下流側の次段である第ｎ＋２段における分離室（ｅ）の流入口に、
前記分離室（ｂ）の第２流出口と、前記分離室（ｃ）の第１流出口が、第ｎ＋１段の下流側の次段である第ｎ＋２段における分離室（ｆ）の流入口に、
それぞれ接続されている請求項１または２に記載の荷電物質分離デバイス。
【請求項４】
最下流段における複数の前記分離室の流出口のうち、前記各段における前記分離室の前記第１流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第１取出口に接続され、
最下流段における複数の前記分離室の流出口のうち、前記各段における前記分離室の前記第２流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第２取出口に接続されている請求項１〜３のいずれかに記載の荷電物質分離デバイス。
【請求項５】
任意の第ｎ段において前記分離室がｉ本配され、ｎ又はｉの少なくともいずれかが２以上であり、
第ｎ段において前記分離室の前記第１流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第１取出口に接続され、前記第２流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第２取出口に接続されてなり、
第ｎ段以降の下流側の段における前記分離室がｉ本配された段の前記分離室の流出口のうち、当該段より上流段において、前記流体が第１流出口を通過する回数をｌ、前記流体が第２流出口を通過する回数をｍとした際に、ｌ−ｍが最も大きい流出口が、前記第１取出口に接続され、ｍ−ｌが最も大きい流出口が、前記第２取出口に接続されている請求項１〜４のいずれかに記載の荷電物質分離デバイス。
【請求項６】
任意の第ｎ段における複数の前記分離室の長さ×断面積の総和が、第ｎ段の下流側の任意の第ｐ段における複数の前記分離室の長さ×断面積の総和と略同一に形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の荷電物質分離デバイス。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の荷電物質分離デバイスを用い、前記分離室に前記流体を層流で流すことによって、流体中に含まれる荷電物質を分離することを特徴とする荷電物質の分離方法。
【請求項１】
流体中に含まれる荷電物質を分離する荷電物質分離デバイスであって、
前記荷電物質分離デバイスが、
（１）板状又はシート状の外形を有すること、
（２）流入口、第１流出口及び第２流出口を有する空洞状の分離室を有すること、
（３）該分離室の流入口と、第１流出口及び第２流出口との間の内壁面のうち、前記荷電物質分離デバイスの一の平面側表面の近傍と、他の平面側表面の近傍とに、それぞれ磁位の異なる部分であるφ１部とφ２部とを有すること、
（４）前記第１流出口と第２流出口が、前記荷電物質分離デバイスの側面側に設けられていること、
（５）前記分離室が、上流から下流にかけて複数段にわたって配置され、該複数段のうちの任意の段における前記分離室の第１流出口又は第２流出口が、下流側次段における分離室の流入口に接続されていること、
を特徴とする荷電物質分デバイス。
【請求項２】
前記荷電物質分離デバイスが、基材層と、常磁性体又は反磁性体で形成された内部層と、カバー層とが積層されて固着されてなり、
前記分離室が、前記内部層の欠損部として設けられており、
前記φ１部とφ２部が、前記分離室の基材層側の内壁とカバー層側の内壁にそれぞれ設けられ、
前記流入口、前記第１流出口、及び前記第２流出口が、前記内部層に設けられている請求項１に記載の荷電物質分離デバイス。
【請求項３】
前記複数段のうちの任意の第ｎ段における分離室（ａ）の第１流出口と第２流出口が、下流側の次段である第ｎ＋１段における分離室（ｂ）及び分離室（ｃ）の流入口にそれぞれ接続され、
更に、
前記分離室（ｂ）の第１流出口が、第ｎ＋１段の下流側の次段である第ｎ＋２段における分離室（ｄ）の流入口に、
前記分離室（ｃ）の第２流出口が、第ｎ＋１段の下流側の次段である第ｎ＋２段における分離室（ｅ）の流入口に、
前記分離室（ｂ）の第２流出口と、前記分離室（ｃ）の第１流出口が、第ｎ＋１段の下流側の次段である第ｎ＋２段における分離室（ｆ）の流入口に、
それぞれ接続されている請求項１または２に記載の荷電物質分離デバイス。
【請求項４】
最下流段における複数の前記分離室の流出口のうち、前記各段における前記分離室の前記第１流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第１取出口に接続され、
最下流段における複数の前記分離室の流出口のうち、前記各段における前記分離室の前記第２流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第２取出口に接続されている請求項１〜３のいずれかに記載の荷電物質分離デバイス。
【請求項５】
任意の第ｎ段において前記分離室がｉ本配され、ｎ又はｉの少なくともいずれかが２以上であり、
第ｎ段において前記分離室の前記第１流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第１取出口に接続され、前記第２流出口の通過回数が最多となる前記流体の流出口が、前記流体を取り出す第２取出口に接続されてなり、
第ｎ段以降の下流側の段における前記分離室がｉ本配された段の前記分離室の流出口のうち、当該段より上流段において、前記流体が第１流出口を通過する回数をｌ、前記流体が第２流出口を通過する回数をｍとした際に、ｌ−ｍが最も大きい流出口が、前記第１取出口に接続され、ｍ−ｌが最も大きい流出口が、前記第２取出口に接続されている請求項１〜４のいずれかに記載の荷電物質分離デバイス。
【請求項６】
任意の第ｎ段における複数の前記分離室の長さ×断面積の総和が、第ｎ段の下流側の任意の第ｐ段における複数の前記分離室の長さ×断面積の総和と略同一に形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の荷電物質分離デバイス。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の荷電物質分離デバイスを用い、前記分離室に前記流体を層流で流すことによって、流体中に含まれる荷電物質を分離することを特徴とする荷電物質の分離方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−１８５５６０（Ｐ２００７−１８５５６０Ａ）
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３５２６（Ｐ２００６−３５２６）
【出願日】平成１８年１月１１日（２００６．１．１１）
【出願人】（０００１７３７５１）財団法人川村理化学研究所 (206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月１１日（２００６．１．１１）
【出願人】（０００１７３７５１）財団法人川村理化学研究所 (206)
【Ｆターム（参考）】
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