JP5636652B2 - 分級装置及び分級方法 - Google Patents

Description

本発明は分級装置及び分級方法に関する。

微粒子の分級を行う方法・装置として、部分的に細くなった部分を有するマイクロチャネル（ピンチドチャネル）を用い、マイクロチャネル内の特徴的な流れのプロファイルを利用することで、微粒子を導入するだけで流れの左右方向への分級が可能とする方法が提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。この方法では、粒径が１５μｍと３０μｍの微粒子の分離が可能であることが報告されている。

また、微粒子の分級を行う方法・装置として、円弧状の矩形断面マイクロチャネルの一方から微粒子分散液を導入し、流体と微粒子の比重差と流体の流速に関わる遠心力、揚力などを利用した分離・分級方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

さらに、微粒子分散液を、シース流により粒子を整列させたマイクロ流路の導入部から分級ゾーンに層流で送液させ、前記微粒子分散液中での微粒子の沈降速度差により、微粒子を分級する分級方法及び分級装置が提案されている（例えば、特許文献２及び非特許文献３参照）。
また、同じように粒径の違いによる重力沈降速度差を利用してマイクロ流路内の層流下で分級する微粒子の分級方法及び分級装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００４−１５４７４７号公報 米国特許出願公開第２００３／００４０１１９号明細書 特開２００６−１１６５２０号公報

関実、山田真澄、「マイクロチャネルを利用した微粒子分級法の開発」、化学とマイクロ・ナノシステム、化学とマイクロ・ナノシステム研究会、２００６年３月、第４巻、第２号、ｐ．１１−１６ 大川原真一、他３名、「マイクロチャンネル分離分級器の性能に対する流路深さの影響」、化学工学論文集、社団法人化学工学会、２００４年３月、第３０巻、第２号、ｐ．１４８−１５３ Shuichi Takayama、他７名、"A gravity-driven microfluidic particle sorting device with hydrodynamic separation amplification", Anal Chem, 2007 February 15; 79(4): 1369-1376

本発明は、分級精度に優れた、粒子の分級装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、前記分級装置を使用した分級方法を提供することを目的とする。

本発明の上記課題は、以下の＜１＞及び＜３＞に記載の手段により解決された。好ましい実施態様である＜２＞とともに以下に記載する。
＜１＞ 分級路と、一端に粒子分散液を導入する開口部を有し、他端が前記分級路に接続部を介して接続された粒子分散液導入路と、一端に輸送液を導入する開口部を有し、他端が前記分級路に接続された輸送液導入路と、一端が開口部を有し、他端が前記分級路に接続され、分級路で分級された粒子を回収する少なくとも１つの回収路と、を備え、前記接続部の流路幅と、前記分級路の流路幅が略同一であり、かつ、少なくとも１つの回収路の底面の形状が、流路幅の中央部が凸の形状であることを特徴とする分級装置、
＜２＞ 回収路を複数有する＜１＞に記載の分級装置、
＜３＞ ＜１＞又は＜２＞に記載の分級装置を使用して粒子分散液中の粒子を分級することを特徴とする分級方法。

上記＜１＞に記載の発明によれば、本構成を有していない場合に比して、分級精度に優れる。
上記＜２＞に記載の発明によれば、本構成を有していない場合に比して、より分級精度に優れる。
上記＜３＞に記載の発明によれば、本構成を有していない場合に比して、分級精度に優れる。

本実施形態の分級装置の一例を示す概念斜視図である。 本実施形態の分級装置の接続部を示す拡大図である。 本実施形態の分級装置の回収路の断面図である。 本実施形態の分級装置の他の一例を示す概念斜視図である。 従来の分級装置の一例を示す概念斜視図である。 粒子の挙動の一例を示す模式図である。 実施例で作製した分級装置の寸法図である。 実施例で使用した粒子分散液の粒径分布図である。 実施例及び比較例の分級効率を示す図である。

本実施形態の分級装置は、分級路と、一端に粒子分散液を導入する開口部を有し、他端が前記分級路に接続部を介して接続された粒子分散液導入路と、一端に輸送液を導入する開口部を有し、他端が前記分級路に接続された輸送液導入路と、一端が開口部を有し、他端が分級路に接続され、分級路で分級された粒子を回収する少なくとも１つの回収路と、を備え、前記接続部の流路幅と、前記分級路の流路幅が略同一であり、かつ、少なくとも１つの回収路の底面の形状が、流路幅の中央部が凸の形状であることを特徴とする。
なお、以下の説明において、数値範囲を表す「Ａ〜Ｂ」の記載は、特に断りのない限り「Ａ以上Ｂ以下」を意味する。すなわち、端点であるＡ及びＢを含む数値範囲を意味する。
以下、適宜図面を参照しながらさらに詳細に説明する。なお、以下の説明において、特に断りのない限り、同一の符号は同一の対象を表すものである。

本発明者等は、流路の上方（天井側）から分散液を導入し、流路を送液しながら粒子の沈降を利用して分級する場合、粒子が水平の粒子分布を保って沈降するものではないことを見出した。
図６に示すように、粒子が流路の側壁近傍に存在する場合、粒子の送液速度については、鉛直方向に対して同一の高さで比較すると（流路の進行方向に平行な断面における幅方向で比較すると）、平面ポアズイユ流となっており、図６の上部に示すように、流速は放物線分布となり、流路の水平方向中央において最も流速が速い。すなわち、流路の中心に比べ、側壁近傍での粒子の送液方向への移動が遅い。このため、流路の中心に比べ、側壁近傍での粒子は水平方向の距離に対して見かけ上速く沈降する。この結果、流路の断面における粒子分布は∩形状（逆Ｕ字形状）となる。
本実施形態では、図６に示すように、粒子が流路の側壁近傍に存在する場合には、流路の断面における粒子分布は∩形状（逆Ｕ字形状）となることに鑑み、粒子分散液を回収する回収部での流路形状を、粒子分布の形状と合わせることで、優れた分級効率を得るものである。

図１は本実施形態の分級装置の一例を示す概念斜視図である。
図１に示す分級装置１００は、粒子分散液Ａを上層、輸送液Ｂを下層とする層流下で粒子分散液及び輸送液を送液する分級路１１０を有する。
該分級路１１０の上流には、一端に粒子分散液を導入する開口部（粒子分散液導入口）１２１を有し、他端が分級路１１０に接続部を介して接続された粒子分散液導入路１２０と、一端に輸送液を導入する開口部（輸送液導入口）１３１を有し、他端が分級路１１０に接続された輸送液導入路１３０とが配置されている。
本実施形態において、粒子分散液導入路１２０は、分級路１１０の上方に接続され、輸送液導入路１３０は、分級路１１０の下方に接続され、分級路１１０は、粒子分散液を上層、輸送液を下層とする層流下で、粒子分散液及び輸送液が送液される。なお、本実施形態はこれに限定されず、粒子分散液と輸送液との間に、他の液体の層を有していてもよいが、粒子分散液導入路１２０と輸送液導入路１３０とは、粒子分散液が輸送液に対して相対的に上方となるように、分級路１１０に接続されていることが好ましい。
粒子分散液中の粒子は、分級路１１０を送液される間に、重力により沈降する。このとき、粒子分散液が含有する粒子の比重が同じであれば、ストークスの定義により、大きな粒子ほど先に沈降し、小さな粒子はゆっくりと沈降しながら、分級路１１０下流へと送液される。分級路１１０の下流には、一端に開口部を有し、他端が分級路に接続され、分級された粒子を回収する少なくとも１つの回収路１４０が設けられている。図１では、２つの回収路１４０、１４１が設けられているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、１つ以上の回収路が設けられていればよいが、２以上の回収路が設けられていることが好ましい。
また、本実施形態において、分級装置１００は、粒子分散液導入路１２０と分級路１１０との接続部１５０を有する。

本実施形態において、接続部の流路幅と、前記分級路の流路幅とは、略同一である。
図２は、分級装置１００の接続部１５０を含む拡大図である。図２中、接続部１５０の流路幅をａ、分級路１１０の流路幅をｂで表している。
図２（Ａ）では、接続部１５０の流路幅ａと、分級路１１０の流路幅ｂとが同一である。一方、図２（Ｂ）では、接続部１５０の流路幅ａが分級路１１０の流路幅ｂよりも小さい。
ここで、接続部１５０の流路幅ａと、分級路１１０の流路幅ｂとが略同一であるとは、０．８×ａ≦ｂ≦１．２×ａを満たすことを意味する。０．９×ａ≦ｂ≦１．１×ａを満たすことがより好ましく、０．９５×ａ≦ｂ≦１．０５×ａを満たすことがさらに好ましく、ａ＝ｂであることが特に好ましい。
分級路１１０の流路幅ｂが接続部１５０の流路幅ａの０．８倍未満であると、接続部１５０の流路幅ａの方が分級路１１０の流路幅ｂよりも過度に大きく、分級路１１０との間に粒子の堆積が生じ、目詰まりを発生する。また、分級路１１０の流路幅ｂが接続部１５０の流路幅ａの１．２倍を超えると、分級路の幅全体に渡って粒子分散液が導入されず、図７に示す粒子分布を示さないため、本実施形態の効果が得られない。

本実施形態において、回収路の底面の形状が、流路幅の中央部が凸の形状である。
図５は従来の分級装置の一例を示す概念斜視図である。
図５に示すように、従来の分級装置では、分級路を水平方向に区切るように、回収路を設けている。図５では、水平方向の上方を送液される流体が回収路１４１から回収され、水平方向の下方を送液される流体が回収路１４０から回収される。しかし、図６に示すように、流路断面における粒子分布は∩形状（逆Ｕ字形状）となるため、流路の側壁近傍では下方の回収路に微小流路の混入が生じ、十分な分級効率が得られない。

本実施形態では、図１に示すように、回収路の底面の形状が、流路幅の中央が凸の形状とすることにより、流路分布に近い形状で分級され、高い分級効率が得られる。なお、回収路の底面の形状が、流路幅の中央が凸の形状であるとは、流路分布形状に即した形状で粒子を回収することを目的としている。したがって、回収路の下流側での流路形状は特に限定されない。
図３は、図１に示す分級装置のｘ−ｘ’断面であり、回収路の断面図を示している。
図１に示す分級装置１００の回収路１４１の断面は、図３（Ａ）に示すように、中央が凸の逆Ｖ字形状（∧形状）であるが、本実施形態において、回収路の流路断面の形状は、底面の形状が流路幅の中央部が凸の形状であれば特に限定されるものではない。
具体的には、図３（Ｂ）に示すように流路幅の全体に渡って、上に凸の台形（等脚台形）の形状であってもよく、図３（Ｃ）に示すように、流路幅の中央部が上に凸の台形（等脚台形）の形状であってもよい。また、図３（Ｄ）に示すように、回収路の底面が流路幅の全体に渡って上に凸の湾曲形状であってもよく、図３（Ｅ）に示すように、流路幅の中央部が上に凸の湾曲形状であってもよい。さらに、図３（Ｆ）に示すように、流路幅の中央部が上に凸の矩形の形状であってもよく、図３（Ｇ）に示すように、流路幅の中央が上に凸の逆Ｖ字形状であってもよい。
これらの中でも、分級効率の観点から、回収路の流路形状は図３（Ｅ）に示すように流路幅の中央部が上に凸の湾曲形状であることが特に好ましい。

図４は、本実施形態の分級装置の他の一例を示す概念斜視図である。
図４に示す分級装置１００には、３つの回収路が設けられている。図４において、回収路１４１及び回収路１４２の流路断面の形状は、いずれも流路幅の全体に渡って、上に凸の∧形状である。
本実施形態において、回収路の断面形状の少なくとも１つが、流路幅の中央部が凸の形状であればよいが、図４に示すように、全ての回収路の断面の形状が、流路幅の中央部が凸の形状であることがより好ましい。

本実施形態の分級装置において、分級路、粒子分散液導入路、輸送液導入路及び回収路は、いずれもマイクロ流路であることが好ましく、マイクロスケールの複数の流路（チャネル）を有する装置であることが好ましい。
マイクロスケールの流路は、寸法及び流速がいずれも小さい。本実施形態において、レイノルズ数は２，３００以下である。したがって、本実施形態の分級装置は、通常の分級装置のような乱流支配ではなく、層流支配の装置である。
ここで、レイノルズ数（Ｒｅ）は、下記式で表されるものであり、２，３００以下のとき層流支配となる。
Ｒｅ＝ｕＬ／ν （ｕ：流速、Ｌ：代表長さ、ν：動粘性係数）

上述のように層流支配の世界では、粒子分散液中の粒子が、分散媒体である媒体液体より重い場合、粒子は媒体液体中を沈降するが、その際の沈降速度は、粒子の比重あるいは粒径によって異なる。本実施形態においては、上述の通り、この沈降速度差を利用して粒子を分級するものである。特に粒子の粒径が異なる場合、沈降速度が粒径の２乗に比例し、粒径が大きい粒子ほど急速に沈降するため、粒径が異なる粒子の分級に適している。
一方、流路径が大きく、粒子分散液が乱流となる場合は、粒子の沈降位置が変化してしまうため、基本的に分級されない。

なお、分級路の長さは、分級対象とする粒子の分級のし易さ、例えば、粒子分布や、媒体液体と粒子の比重差等により適宜選択すればよい。
一般的には、媒体液体及び輸送液と、粒子との比重差が小さい場合、分級路の長さを長くすることが好ましい。

本実施形態において、分級路の流路断面形状は特に限定されず、矩形、台形、円形等のいずれとしてもよく、特に限定されないが、加工が容易である点から、矩形であることが好ましい。

本実施形態において、分級路の送液は、上方から下方へと行うことが好ましい。水平方向に送液する場合、分級路において沈降した粒子が、分級路の底面に堆積する場合がある。特に、マイクロ流路では、壁面での流速はほぼゼロであり、粒子の堆積を生じやすい。
一方、分級路の底面が傾斜を有していると、分級路の底面に沈降した粒子は、重力に従って底面に沿って下方へと移動するので、粒子の堆積や、それによる流路の目詰まりが抑制されるので好ましい。
粒子分散液導入路における送液方向は、水平方向から傾きを有し、上方から下方へと下向きに送液されることが好ましく、特に、重力方向であることが好ましい。ここで、流路の送液方向の角度が水平である時を０°、重力方向下方である場合を９０°とすると、粒子分散液導入路の送液方向は、０°より大きく、１３５°以下であることが好ましく、１０〜１２０°であることがより好ましく、２０〜１１０°であることがさらに好ましい。
粒子分散液導入路の送液方向を０°より大きくすることによって、粒子の目詰まりが抑制されるので好ましく、特に９０°とすると、粒子の目詰まりが最も生じにくいので好ましい。
また、分級路の送液方向は、０°より大きく、９０°未満であることが好ましく、１０〜８０°であることがより好ましく、２０〜７０°であることがさらに好ましく、３０〜６０°であることが特に好ましい。分級路の送液方向が０°より大きいと、上述のとおり、分級路底面に沈降した粒子が重力により流路下流へと送液されるので好ましい。また、分級路の送液方向が９０°未満であると、分級精度が向上するので好ましい。
回収路の送液方向は、粒子分散液導入路の送液方向と同様に、０°より大きく、９０°以下であることが好ましく、１０〜９０°であることがより好ましく、２０〜９０°であることがさらに好ましく、９０°（重力方向）であることが特に好ましい。
回収路の送液方向を重力方向とすることにより、粒子の目詰まりが抑制されるので特に好ましい。
なお、本実施形態において、粒子を含まない輸送液が送液される、輸送液導入路での送液方向は特に限定されない。

図１において、粗大粒子及び微小粒子を含有する粒子分散液Ａが分級路１１０に送液されると、粗大粒子は微小粒子よりも速く沈降するので、粗大粒子はより上流に設けられた回収路１４０から回収される。一方、微小粒子は、沈降速度が遅いため、回収路１４１から回収される。したがって、回収路１４０からは粗粉回収液（送液した粒子分散液に対して、粗分の含有率が大きい回収液）Ｔ１が回収され、回収路１４１からは微粉回収液（送液した粒子分散液に対して、微粉の含有率が大きい回収液）Ｔ２が回収される。

粒子分散液の粒子分散液導入路への導入方法、及び、輸送液の輸送液導入路への導入方法は特に限定されないが、マイクロシリンジ、ロータリーポンプ、スクリューポンプ、遠心ポンプ、ピエゾポンプ、ギアポンプ、モーノポンプ、プランジャーポンプ、ダイアフラムポンプ等で圧入することが好ましい。

また、粒子分散液の送液に際して、粒子分散液は、静置すると粒子の沈降が生じ、均一な粒子分散液を送液することが困難である。そのため、撹拌、超音波、振動等を行いながら送液することが好ましい。具体的には、粒子分散液をシリンジに収容し、該シリンジ内に撹拌子を投入し、シリンジ外からスターラーで撹拌しながら送液する方法が例示される。

粒子分散液の粒子分散液導入路での流速は、０．００１〜５００ｍＬ／ｈｒであることが好ましく、０．０１〜３００ｍＬ／ｈｒであることがより好ましい。
また、輸送液の輸送液導入路での流速は、０．００２〜５，０００ｍＬ／ｈｒであることが好ましく、０．１〜３，０００ｍＬ／ｈｒであることがより好ましい。

分級装置の材質としては特に限定されず、金属、セラミックス、プラスチック、ガラスなど、一般的に使用されているものから選択すればよく、送液する媒体等により適宜選択することが好ましい。

本実施形態の分級装置の製造方法は特に限定されず、公知のいずれの方法により作製してもよい。
本実施形態の分級装置は、固体基板上に微細加工技術により作製してもよい。
固体基板として使用される材料の例としては、金属、シリコン、テフロン（登録商標）、ガラス、セラミックス及びプラスチックなどが挙げられる。中でも、金属、シリコン、テフロン（登録商標）、ガラス及びセラミックスが、耐熱、耐圧、耐溶剤性及び光透過性の観点から好ましく、特に好ましくはガラスである。

流路を作製するための微細加工技術は、例えば、「マイクロリアクタ−新時代の合成技術−」（２００３年、シーエムシー刊、監修：吉田潤一）、「微細加工技術 応用編−フォトニクス・エレクトロニクス・メカトロニクスへの応用−」（２００３年、エヌ・ティー・エス刊、高分子学会 行事委員会編）等に記載されている方法が挙げられる。

代表的な方法を挙げれば、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ）、Ｄｅｅｐ ＲＩＥによるシリコンの高アスペクト比加工法、Ｈｏｔ Ｅｍｂｏｓｓ加工法、光造形法、レーザ加工法、イオンビーム加工法、及びダイアモンドのような硬い材料で作られたマイクロ工具を用いる機械的マイクロ切削加工法などがある。これらの技術を単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。好ましい微細加工技術は、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ）、及び機械的マイクロ切削加工法である。

本実施形態に用いられる流路は、シリコンウエハ上にフォトレジストを用いて形成したパターンを鋳型とし、これに樹脂を流し込み固化させる（モールディング法）ことによって作製してもよい。モールディング法には、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）又はその誘導体に代表されるシリコン樹脂が使用される。

本実施形態の分級装置を製造する際、接合技術を用いてもよい。通常の接合技術は大きく固相接合と液相接合に分けられ、一般的に用いられている接合方法としては、固相接合として圧接や拡散接合、液相接合として溶接、共晶接合、はんだ付け、接着等が代表的な接合方法として挙げられる。

さらに、接合に際しては高温加熱による材料の変質や変形による流路等の微小構造体の破壊を伴わない寸法精度を保った高度に精密な接合方法が望ましく、その技術としてはシリコン直接接合、陽極接合、表面活性化接合、水素結合を用いた直接接合、ＨＦ水溶液を用いた接合、Ａｕ−Ｓｉ共晶接合、ボイドフリー接着などが挙げられる。

本実施形態の分級装置はパターン部材（薄膜パターン部材）を積層して形成してもよい。なお、パターン部材の厚さは５〜５０μｍであることが好ましく、１０〜３０μｍであることがより好ましい。本実施形態の分級装置は、所定の二次元パターンが形成されたパターン部材が積層されて形成された分級装置としてもよく、パターン部材の面同士が直接接触して接合された状態で積層されていてもよい。
接合技術を用いた製造方法としては、
（ｉ）第１の基板上に目的とする分級装置の各断面形状に対応した複数のパターン部材を形成する工程（ドナー基板作製工程）、及び、
（ii）前記複数のパターン部材が形成された前記第１の基板と第２の基板との接合及び離間を繰り返すことにより前記第１の基板上の前記複数のパターン部材を前記第２の基板上に転写する工程（接合工程）、
を含むことを特徴とする製造方法が例示され、例えば、特開２００６−１８７６８４号公報に記載の製造方法が参照される。

次に、粒子分散液について説明する。本実施形態において、粒子分散液中の粒子の比重は、粒子分散液の分散媒体である媒体液体及び輸送液の比重よりも大きい。
粒子分散液は、体積平均粒子径が０．１μｍ〜１，０００μｍの粒子が媒体液体に分散し、該粒子の比重から媒体液体の比重を引いた差が０．０１〜２０であることが好ましい。

粒子分散液に含まれる粒子は、体積平均粒子径が０．１〜１，０００μｍであれば、樹脂粒子、無機粒子、金属粒子、セラミック粒子等、いずれも好ましく用いられる。
粒子の体積平均粒子径は、０．１〜１，０００μｍであることが好ましく、０．１〜５００μｍであることがより好ましく、０．１〜２００μｍであることがさらに好ましく、０．１〜５０μｍであることが特に好ましい。該粒子の体積平均粒子径が１，０００μｍ以下であると、流路詰まりが生じにくいので好ましい。また、沈降速度が適当であり、流路底面への堆積、流路の閉塞が抑制されるので好ましい。粒子の体積平均粒子径が０．１μｍ以上であると、流路内壁面とのインタラクションが生じにくく、付着が生じにくいので好ましい。

粒子の形状は特に限定されないが、針状で特に、長軸が流路幅の１／４より大きくなると詰まりの可能性が高くなる場合がある。このような観点から、微粒子の長軸長と短軸長との比（長軸長／短軸長）は、１〜５０の範囲が好ましく、１〜２０の範囲がより好ましい。なお、粒径、粒子形状に合わせて、適宜流路幅を選択することが好ましい。

粒子の種類は、以下に列挙したものが可能であるが、それらに限定されるものではない。例えば、高分子微粒子、顔料のごとき有機物の結晶あるいは凝集体、無機物の結晶あるいは凝集体、金属微粒子、あるいは金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物のごとき金属化合物の微粒子などである。

前記高分子微粒子としては、具体的には、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、スチレン−アクリル樹脂、スチレン−メタクリル樹脂、ポリアクリルアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリビニルピリジン樹脂、セルロース系樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、カゼイン、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、変性塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル−無水マレイン酸共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、塩化ビニリデン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−アルキッド樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂等の微粒子が挙げられる。また、上記高分子微粒子中に、顔料のごとき有機化合物の結晶あるいは凝集体、無機化合物の結晶あるいは凝集体、金属粒子、あるいは金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物のごとき金属化合物の粒子や、分散剤、酸化防止剤等の各種添加材を含有した複合系の粒子も挙げられる。

また、前記金属あるいは金属化合物の微粒子としては、カーボンブラック、亜鉛、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、クロム、チタニウム等の金属、あるいはその合金、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＭｇＯ、酸化鉄等の金属酸化物やこれらの化合物、窒化ケイ素などの金属窒化物などやそれらを組み合わせた微粒子が挙げられる。

これら微粒子の製法は多岐に渉るが、合成により媒体液体中で微粒子を作製し、そのまま微粒子の分級を行う場合が多い。塊状物を機械的に解砕して作製した微粒子を媒体液体中に分散し分級する場合もある。この場合は、媒体液体中で解砕することが多く、この場合はそのまま分級される。

一方、乾式で作製された粉体（微粒子）を分級する場合には、予め、媒体液体に分散しておく必要がある。媒体液体中に乾燥粉体を分散させる方法としては、サンドミル、コロイドミル、アトライター、ボールミル、ダイノーミル、高圧ホモジナイザー、超音波分散機、コボールミル、ロールミル等が挙げられるが、この際、分散によって１次粒子が粉砕されない条件で行うことが好ましい。

前記粒子の比重から前記媒体液体の比重を引いた差が０．０１〜２０であることが好ましく、０．０５〜１１であることがより好ましく、０．０５〜４であることがさらに好ましい。前記微粒子の比重から前記媒体液体の比重を引いた差が０．０１以上であると、粒子沈降が良好であるので好ましい。一方、２０以下であると、粒子の搬送が容易であるので好ましい。

媒体液体としては、上述のように、前記粒子の比重から前記媒体液体の比重を引いた差が０．０１〜２０のものであれば好ましく用いられ、例えば、水、あるいは水系媒体、有機溶剤系媒体などが挙げられる。

前記水としては、イオン交換水、蒸留水、電解イオン水などが挙げられる。また、前記有機溶剤系媒体としては、具体的には、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ベンジルアルコール、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、酢酸ｎ−ブチル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、メチレンクロライド、クロロホルム、クロルベンゼン、トルエン、キシレンなど、及びこれらの２種以上の混合物が挙げられる。

好ましい媒体液体は前記粒子の種類によって異なる。前記粒子の種類別の好ましい前記媒体液体としては、高分子粒子（一般的に比重が１．０５〜１．６程度である。）と組み合わされる媒体液体として、粒子を溶解させない水系、アルコール類、キシレンなどの有機溶媒、酸あるいはアルカリ水などが好ましく挙げられる。
また、金属あるいは金属化合物の微粒子（一般的に比重が２〜１０程度である。）と組み合わされる媒体液体としては、金属などを酸化、還元などで侵さない水、アルコール類、キシレンなどの有機溶媒、あるいは油類が好ましく挙げられる。

より好ましい粒子と媒体液体との組み合わせとしては、高分子粒子と水系媒体との組み合わせ、金属あるいは金属化合物と低粘度油性媒体との組み合わせが挙げられ、この中でも高分子微粒子と水系媒体との組み合わせが特に好ましい。
好ましい粒子と媒体液体との組み合わせとしては、スチレン−アクリル樹脂系粒子と水系媒体、スチレン−メタクリル樹脂系粒子と水系媒体、ポリエステル樹脂系粒子と水系媒体が挙げられる。

また、前記粒子分散液における粒子の含有率は、０．０１〜４０体積％であることが好ましく、０．０５〜２５体積％であることがより好ましい。前記微粒子分散液における微粒子の割合が０．０１体積％以上であると、回収が容易であるので好ましい。また、４０体積％以下であると、流路詰まりが抑制されるので好ましい。
特に本実施形態においては、従来分級が困難であった比較的粒子濃度の高い粒子分散液を使用した場合であっても、良好な分級精度が得られる。特に、従来のピンチドチャネルを使用した分級方法や、遠心力を使用した分級方法では分級が困難であった、１．０体積％以上の粒子含有率を有する粒子分散液であっても、分級精度に優れる。

なお、本実施形態において、前記粒子の体積平均粒径は、下記粒径（５μｍ以下）の場合を除き、コールターカウンターＴＡ−ＩＩ型（コールター社製）を用いて測定した値である。この場合、粒子の粒径レベルにより、最適なアパーチャーを用いて測定する。しかし、微粒子の粒径が５μｍ以下の場合は、レーザ回折散乱式粒度分布測定装置（ＬＡ−９２０、（株）堀場製作所製）を用いて測定する。
また、前記粒子の比重は、気相置換法（ピクノメータ法）により、湯浅アイオニクス（株）製ウルトラピクノメータ１０００を用いて測定される。
さらに、前記媒体液体の比重は、エーアンドディー社の比重測定キットＡＤ−１６５３を用いて測定される。

本実施形態の分級方法において、輸送液は、分級目的の粒子を含まない液体であり、本実施形態においては、前記媒体液体と該輸送液とが同じ液体であることが好ましい。
また、輸送液は、前記媒体液体と異なる場合、該媒体液体の具体例として挙げられている液体であることが好ましい。
さらに、前記輸送液の前記粒子に対する比重の好ましい態様は、前記媒体液体の前記粒子に対する比重の好ましい態様と同様である。

本実施形態において、粒子分散液は、粒子及び分散媒の他に、界面活性剤を含有することが好ましい。界面活性剤は、粒子分散液中の粒子表面に吸着して、微細な粒子を形成、かつ安定化し、これらの粒子が再び凝集することを防ぐ作用を有する。また、分級装置の流路内部壁面への粒子の静電気的な固着を防止する効果を有するので好ましい。

界面活性剤としては、カチオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤及び非イオン系界面活性剤が挙げられ、本実施形態において、特に限定されず、粒子に応じて適宜選択することが好ましい。
カチオン系界面活性剤としては、四級アンモニウム塩、アルコキシル化ポリアミン、脂肪族アミンポリグリコールエーテル、脂肪族アミン、脂肪族アミンと脂肪族アルコールから誘導されるジアミン及びポリアミン、脂肪酸から誘導されるイミダゾリン及びこれらのカチオン性物質の塩が例示される。これらカチオン性分散剤は、単独であるいは２種以上を組み合わせて用いられる。
アニオン系界面活性剤としては、Ｎ−アシル−Ｎ−メチルタウリン塩、脂肪酸塩、アルキル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、ジアルキルスルホコハク酸塩、アルキルリン酸エステル塩、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物、ポリオキシエチレンアルキル硫酸エステル塩等が例示される。なかでも、Ｎ−アシル−Ｎ−メチルタウリン塩もしくはポリオキシエチレンアルキル硫酸エステル塩が好ましい。また塩を形成するカチオンはアルカリ金属カチオンが好ましい。これらアニオン性分散剤は、単独であるいは２種以上を組み合わせて用いられる。
非イオン系界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアリールエーテル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、グリセリン脂肪酸エステルなどが例示される。なかでも、ポリオキシエチレンアルキルアリールエーテルが好ましい。これら非イオン系界面活性剤は、単独であるいは２種以上を組み合わせて用いられる。
これらの中でも、粒子分散液として樹脂微粒子分散液を使用する場合には、アニオン系界面活性剤を使用することが好ましく、Ｎ−アシル−Ｎ−メチルタウリン塩、脂肪酸塩、アルキル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、アルキルリン酸エステル塩、ポリオキシエチレンアルキル硫酸エステル塩等を使用することがさらに好ましい。

界面活性剤の添加量は特に限定されないが、粒子の均一分散性及び安定性をより一層向上させるため、粒子分散液固形分全体の０．０００１〜２０重量％であることが好ましく、０．００１〜１０重量％であることがより好ましく、０．００５〜５重量％であることがさらに好ましい。

以下、実施例によって本実施形態をさらに説明するが、本実施形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示すアクリル樹脂製の分級装置を作製した。図７は、実施例で作製した分級装置の寸法図である。該分級装置の分級路は、流路幅（Ｗ）０．５ｍｍ、深さ（Ｈ１）２ｍｍ、分級路及び輸送液導入路の総長さ（Ｌ１）５０ｍｍ、輸送液導入路の長さ（Ｌ３）１０ｍｍ）、回収路に頂角θが４８°の逆Ｖ字型の長さ（Ｌ２）５ｍｍの流路を側壁の上部から深さ（Ｈ２）１ｍｍの位置に設けたマイクロチャネル型装置を使用して、図８に示す平均粒径５．８μｍ、比重１．１６ｇ／ｃｍ³のポリエステル球形粒子を１．４％含んだ粒子分散液を粒子分散液導入口１２１より１ｍＬ／ｈ、輸送液導入口１３１より水を５０ｍＬ／ｈで供給し、回収路１４０と回収路１４１からそれぞれ回収した結果、図９のような部分分級効率曲線が得られた。
なお、粒子分散液導入路１２０は、幅が流路幅（Ｗ）と同じく０．５ｍｍと流路深さ方向の幅（ｈ１）０．０４ｍｍ、回収路１４０は、幅が流路幅（Ｗ）と同じく０．５ｍｍと流路深さ方向の幅（ｈ２）を１．３２ｍｍとした。

（比較例１）
図５のように実施例１のマイクロチャネル型装置において回収路に逆Ｖ字型の流路を設ける代わりに水平型の流路を側壁の上部から深さ（ｈ２）０．８ｍｍの位置に設けた以外は実施例１と同様の方法で実施結果、図９のような部分分級効率曲線が得られた。
なお、粒子分散液導入路は、幅が流路幅（Ｗ）と同じく０．５ｍｍと流路深さ方向の幅（ｈ１）０．０４ｍｍ、回収路は、幅が流路幅（Ｗ）と同じく０．５ｍｍと流路深さ方向の幅（ｈ２）を１．２４ｍｍとした。

図９に示すように実施例１の曲線の傾きの方が傾斜が急であることより、効率よく分級が行なわれていることがわかる。

１００ 分離装置
１１０ 分級路
１２０ 粒子分散液導入路
１２１ 粒子分散液導入口
１３０ 輸送液導入路
１３１ 輸送液導入口
１４０ 回収路
１４１ 回収路
１４２ 回収路
１５０ 接続部
Ａ 粒子分散液
Ｂ 輸送液

Claims (7)

1. 分級路と、
   一端に粒子分散液を導入する開口部を有し、他端が前記分級路に接続部を介して接続された粒子分散液導入路と、
   一端に輸送液を導入する開口部を有し、他端が前記分級路に接続された輸送液導入路と、
   一端が開口部を有し、他端が前記分級路に接続され、分級路で重力による沈降を利用して分級された粒子を回収する、分級路を区切るように重力方向に分割された少なくとも２つの回収路と、を備え、
   前記接続部の流路幅と、前記分級路の流路幅が略同一であり、かつ、
   少なくとも１つの回収路の底面の形状が、流路幅の中央部が内向きに凸の湾曲形状であり、
   送液方向の角度が水平である場合を０°、重力方向下方である場合を９０°としたとき、粒子分散液導入路における送液方向は、０°より大きく１３５°以下であり、分級路における送液方向は０°より大きく９０°未満であり、回収路の送液方向は０°より大きく９０°以下であることを特徴とする
   分級装置。
2. 分級路における送液方向が１０°〜６０°である、請求項１に記載の分級装置。
3. 分級路における送液方向が３０°〜６０°である、請求項１又は請求項２に記載の分級装置。
4. 粒子分散液導入路における送液方向が２０°〜１１０°である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の分級装置。
5. 粒子分散液導入路における送液方向が９０°である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の分級装置。
6. 少なくとも１つの回収路における送液方向が９０°である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の分級装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の分級装置を使用して粒子分散液中の粒子を分級することを特徴とする分級方法。

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