Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP6346126B2 - Molecular weight distribution measuring method and molecular weight distribution measuring apparatus - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP6346126B2 - Molecular weight distribution measuring method and molecular weight distribution measuring apparatus - Google Patents

Molecular weight distribution measuring method and molecular weight distribution measuring apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP6346126B2
JP6346126B2 JP2015129495A JP2015129495A JP6346126B2 JP 6346126 B2 JP6346126 B2 JP 6346126B2 JP 2015129495 A JP2015129495 A JP 2015129495A JP 2015129495 A JP2015129495 A JP 2015129495A JP 6346126 B2 JP6346126 B2 JP 6346126B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
liquid
molecular weight
flow path
molecules
weight distribution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2015129495A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2017015424A (en
Inventor
弦 岩崎
弦 岩崎
松浦 伸昭
伸昭 松浦
鈴代 井上
鈴代 井上
勝義 林
勝義 林
倫子 瀬山
倫子 瀬山
弘 小泉
弘 小泉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
NTT Inc USA
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp, NTT Inc USA filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2015129495A priority Critical patent/JP6346126B2/en
Publication of JP2017015424A publication Critical patent/JP2017015424A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6346126B2 publication Critical patent/JP6346126B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

本発明は、分子量分布測定方法および分子量分布測定装置に関する。   The present invention relates to a molecular weight distribution measuring method and a molecular weight distribution measuring apparatus.

分子量の測定は、化学分析、有機合成、工業的化合物生産、生化学実験操作で基本的に重要である。有機合成や工業的化合物生産では、分子量が合成物の評価の指標である。生化学実験操作では、基本的には直鎖ポリペプチドであるタンパク質、直鎖ポリデオキシリボ核酸であるDNA分子の切断、連結操作に伴う分子量の変化を確認することによって、多段階操作の各段階の成功を確認するためにも分子量は重要である。   Measurement of molecular weight is fundamentally important in chemical analysis, organic synthesis, industrial compound production, and biochemical experimental procedures. In organic synthesis and industrial compound production, the molecular weight is an index for evaluating a synthesized product. In the biochemical experimental operation, basically, the change in the molecular weight accompanying the cleavage and ligation of the protein that is a linear polypeptide and the DNA molecule that is a linear polydeoxyribonucleic acid is confirmed. Molecular weight is also important to confirm success.

また、化学反応による生成物から目的分子を単離するにはクロマトグラフィーを使うことが主流である。クロマトグラフィーでは、分子の大きさとカラム充填剤の網目との相互作用でカラム中を分子が移動する速度が異なる。この結果、保持時間(Retention)が分子量に応じて異なり、インジェクションから溶出までの時間の差に基づいて分子を分離することができる。   In addition, chromatography is mainly used to isolate a target molecule from a product obtained by a chemical reaction. In chromatography, the speed at which molecules move through the column varies depending on the interaction between the size of the molecules and the network of column packings. As a result, the retention time (Retention) varies depending on the molecular weight, and the molecules can be separated based on the difference in time from injection to elution.

一般にクロマトグラフィーでは、分離される分子と、カラム(容器)の壁または充填剤との相互作用によって分子が分離される。例えば、ゲルクロマトグラフィーでは、ゲル(充填剤)の網目の大きさと分離される分子のサイズとによる相互作用によって、小さな分子ほど自由区間体積が大きいために滞留時間が長くなる。その結果、分子量が大きな分子ほど早くカラムを通過するために、分子量による分子の分離を行うことができる(例えば非特許文献1を参照)。   In general, in chromatography, molecules are separated by the interaction between the molecules to be separated and the walls of the column (container) or packing material. For example, in gel chromatography, due to the interaction between the size of the gel (filler) network and the size of the molecules to be separated, the smaller the molecules, the larger the free zone volume, and the longer the residence time. As a result, since molecules having a higher molecular weight pass through the column earlier, molecules can be separated by molecular weight (see, for example, Non-Patent Document 1).

また、ゲル電気泳動法では、電場によって荷電した分子が泳動し、アクリルアミド高分子(充填剤)のマトリクスを分子が通過するときに、大きな分子はマトリクスに阻害されて移動度が小さくなり、小さな分子は移動度が大きくなる。   In gel electrophoresis, molecules charged by an electric field migrate, and when molecules pass through a matrix of acrylamide polymer (filler), large molecules are hindered by the matrix and mobility becomes small. Increases mobility.

分子量の異なる複数の分子が混合した混合物のサンプルを、ゲルの一点から泳動させた場合、分子の分子量に応じて移動速度が異なるので、一定の時間だけ電気泳動させると、分子量に応じた位置に分子が停止する。その停止した分子を染色や蛍光法で検出すれば、泳動開始点からの分子の移動距離に基づいて分子量を測定することができる。   When a sample of a mixture of multiple molecules with different molecular weights is run from a single point on the gel, the migration speed differs depending on the molecular weight of the molecules. The molecule stops. If the stopped molecule is detected by staining or fluorescent method, the molecular weight can be measured based on the movement distance of the molecule from the starting point of electrophoresis.

分子量を決定するには、分子量が既知のサンプル(以下、これを「分子量マーカー」と呼ぶ。)を同時に泳動させ、その停止位置と、測定対象の分子の停止位置とを比較する。この場合、分子量マーカーおよび測定対象の分子を同じ条件で泳動させ、泳動停止後に停止位置をそれぞれ測定する必要がある。   In order to determine the molecular weight, a sample having a known molecular weight (hereinafter referred to as “molecular weight marker”) is simultaneously migrated, and the stop position is compared with the stop position of the molecule to be measured. In this case, it is necessary to migrate the molecular weight marker and the molecule to be measured under the same conditions and measure the stop position after stopping the migration.

このように、従来のクロマトグラフィーによる分子の分離では、分離すべき分子(以下、これを「被分離分子」と呼ぶ場合がある。)を含む混合物のサンプルをカラムまたはカラム状の流路に上流から流し、被分離分子と、カラム内に固定された固定相(充填剤)との相互作用による移動速度の差を利用して分子を分離している。   Thus, in the conventional separation of molecules by chromatography, a sample of a mixture containing molecules to be separated (hereinafter sometimes referred to as “separated molecules”) is upstream of a column or a column-shaped flow path. The molecules are separated using the difference in the moving speed due to the interaction between the molecules to be separated and the stationary phase (packing agent) fixed in the column.

この相互作用が続く限り、分子の移動速度の差が継続するため、長距離または長時間カラム中を移動させると、その分だけ分子量に応じた分子の移動距離の差が長くなるため、その移動距離の差に基づいて分子量差の小さな分子であっても分離できるようになる。その一方で、分子ごとの拡散と移動速度の分散による効果で時間が経過すると同じ分子量であっても溶出時間の分布が広がる。   As long as this interaction continues, the difference in the moving speed of the molecule will continue, so if you move through the column for a long distance or for a long time, the difference in the moving distance of the molecule according to the molecular weight will increase accordingly. Even molecules with small molecular weight differences can be separated based on the difference in distance. On the other hand, as time elapses due to the effect of diffusion and movement speed for each molecule, the distribution of elution time spreads even with the same molecular weight.

このため、複数の分子が混合したサンプルをクロマトグラフィーで分離して、複数の分子それぞれの分子量を決定するためには、カラムの長さ、移動速度の分散の効果を考慮して実験条件を決定する必要がある。   For this reason, in order to determine the molecular weight of a plurality of molecules by separating a sample containing a mixture of molecules by chromatography, the experimental conditions are determined in consideration of the effect of dispersion of column length and moving speed. There is a need to.

クロマトグラフィーにおいては、カラムで生じた分子の濃度分布をカラムの出口に設置したセンサーで検出する。このセンサーには、吸光度、蛍光強度、化学発光強度、屈折率、電気化学活性、電導度を測定する方式がある。   In chromatography, the concentration distribution of molecules generated in a column is detected by a sensor installed at the outlet of the column. This sensor has a method for measuring absorbance, fluorescence intensity, chemiluminescence intensity, refractive index, electrochemical activity, and conductivity.

それぞれ被測定分子の性質や、分子に予め標識分子を結合させることによって分子が測定される。標識分子を使うと高感度に分子の濃度分布を測定できるが、被測定分子が未知または標識反応の効率が不明の場合には、標識による測定は困難になる。   Molecules are measured by the properties of the molecules to be measured and the label molecules previously bound to the molecules. When a labeled molecule is used, the concentration distribution of the molecule can be measured with high sensitivity. However, when the molecule to be measured is unknown or the efficiency of the labeling reaction is unknown, measurement using the label becomes difficult.

吸光による方法では、被測定分子に吸収がある波長を選択する必要があるが、被測定分子によって適する波長が異なるため、広帯域の分光光度計が必要になる。被測定分子によって吸光係数が大きく異なるので、吸光度から濃度を求めるには、あらかじめ目的分子の吸光係数が既知である必要がある。   In the method using absorption, it is necessary to select a wavelength at which the molecule to be measured has absorption, but since a suitable wavelength differs depending on the molecule to be measured, a broadband spectrophotometer is required. Since the extinction coefficient varies greatly depending on the molecule to be measured, the extinction coefficient of the target molecule needs to be known in advance in order to obtain the concentration from the absorbance.

また、吸光度で感度を上げるためには、光路長を長くする必要があるが、光路長を長くすると、その分だけ体積が必要となり、また長くした光路長分だけ濃度が平均化されるために、カラム中では分離されているが、カラムの出口の検出器の信号ではこれより低い分解能で測定されてしまう。   In order to increase sensitivity with absorbance, it is necessary to increase the optical path length. However, if the optical path length is increased, the volume is required by that amount, and the concentration is averaged by the increased optical path length. Although it is separated in the column, the signal at the detector at the outlet of the column is measured with a lower resolution.

電気化学的検出方法では、電気化学活性の高い分子は高い感度で検出できるが、それ以外の電気化学活性の低い分子は検出できないため、被測定分子が制限されてしまう。   In the electrochemical detection method, a molecule having a high electrochemical activity can be detected with high sensitivity, but other molecules having a low electrochemical activity cannot be detected, so that the molecules to be measured are limited.

屈折率測定では、屈折率が溶液の濃度にほぼ比例するために、被測定分子の種類に制限することなく分子の濃度を測定できる。このために、未知の分子を含んで混合したサンプルの分子量分布を測定するために適当である。また、全反射光学系を使った測定では、反射点ごとに濃度を測定できるため、カラム中で分離された分子の情報を欠落させることなく分子量分布を測定できる。   In the refractive index measurement, since the refractive index is substantially proportional to the concentration of the solution, the concentration of the molecule can be measured without being limited to the type of molecule to be measured. For this reason, it is suitable for measuring the molecular weight distribution of a sample mixed with unknown molecules. Further, in the measurement using the total reflection optical system, the concentration can be measured for each reflection point, so that the molecular weight distribution can be measured without losing information on the molecules separated in the column.

クロマトグラフィーでは、カラムの途中部分で分子の分離が進行するが、その過程は測定されず、出口の一点で溶出した分子の濃度の時間変化を測定し、その波形(クロマトグラム)から分子量分布を測定する。   In chromatography, the separation of molecules proceeds in the middle of the column, but the process is not measured. The time-dependent change in the concentration of molecules eluted at one point at the outlet is measured, and the molecular weight distribution is determined from the waveform (chromatogram). taking measurement.

サンプルが単一の分子であったり、分離の結果、他の分子と十分に分離して溶出時には単一の分子が順に検出器に流れるような場合には、検出器で計測される被測定分子の濃度の時間変化(クロマトグラム)はピーク状になる。電気泳動では、泳動パターンによりピーク状の結果が得られるので、クロマトグラムの場合と同様である。   If the sample is a single molecule, or if the separation results in sufficient separation from other molecules and the single molecule flows to the detector in order during elution, the measured molecule measured by the detector The time change (chromatogram) of the concentration of A becomes a peak. Electrophoresis is the same as in the chromatogram because a peak-like result is obtained by the electrophoresis pattern.

分子量が近い二つの分子が十分に分離されずにカラムを通過し、検出器に到達する場合には、検出器で記録される濃度パターンは、ピークが重畳したようなクロマトグラムが得られる。   When two molecules having similar molecular weights pass through the column without sufficiently being separated and reach the detector, a chromatogram in which peaks are superimposed on the concentration pattern recorded by the detector is obtained.

重なりのあるピークでは、分子量の決定が困難になるので、カラムの充填剤、流速、サンプルの体積などを最適化して、ピークが重ならないように、分離操作を行う必要がある。ゲル電気泳動の場合でも、ゲルの組成を変えることで、同様に分離性能を上げる操作が必要となる。   Since it is difficult to determine the molecular weight of overlapping peaks, it is necessary to optimize the column packing material, flow rate, sample volume, etc., and perform a separation operation so that the peaks do not overlap. Even in the case of gel electrophoresis, an operation for improving the separation performance is required by changing the gel composition.

クロマトグラフィーにおいても、ゲル電気泳動においても、充填剤の充填された空間をサンプルが流れる間に分子の分離が行われるため、分解能を上げるにはカラム中の滞留時間を長くする必要があり、分析時間を短縮することができない。   In both chromatography and gel electrophoresis, molecules are separated while the sample flows through the space filled with the packing material, so it is necessary to increase the residence time in the column in order to increase the resolution. The time cannot be shortened.

そのため、クロマトグラフィーでは、液送のための圧力を上げることによって流速を上げている。このために、高圧を発生できるポンプとその圧力に耐えられるカラム、液送用接続部品が必要になる。   Therefore, in chromatography, the flow rate is increased by increasing the pressure for liquid feeding. For this purpose, a pump capable of generating high pressure, a column capable of withstanding the pressure, and a connection part for liquid feeding are required.

電気泳動では、電圧を上げることによって泳動速度を上げることができるが、同時に電流も増え、そのため温度が上昇したり、電極での反応が激しくなり、安定した泳動が困難になる。このように、クロマトグラフィーや電気泳動などにおいては、混合物や未知の試料の分子を分子量で分離したり、その分子の分子量を測定するには多くの時間を要する。   In electrophoresis, the speed of electrophoresis can be increased by increasing the voltage, but at the same time, the current also increases, so that the temperature rises and the reaction at the electrode becomes intense, making stable electrophoresis difficult. Thus, in chromatography, electrophoresis, etc., it takes a lot of time to separate molecules of a mixture or an unknown sample by molecular weight or to measure the molecular weight of the molecules.

そこで、キャピラリーカラムの内部を充填剤で充填することなく、流路を流し去るフロースルー型の流路で分子量による分子の分離を行う方法が提案されている(非特許文献2を参照。)。   In view of this, a method has been proposed in which molecules are separated by molecular weight in a flow-through flow channel that flows away from the flow channel without filling the inside of the capillary column with a filler (see Non-Patent Document 2).

この非特許文献2では、高さ1[um]、幅0.5[mm]、69[mm]長のマイクロ流路を作製し、 直径が155[nm]以下の粒子(分子)と安息香酸とを混合した混合物のサンプルをインジェクターからマイクロ流路に注入し、マイクロ流路の出口に設置した紫外線吸収検出器(UV検出器)で溶出パターンを測定した結果、直径の大きな粒子(分子)から順に流出し、安息香酸が最後に検出されることを示している。   In this Non-Patent Document 2, a microchannel having a length of 1 [um], a width of 0.5 [mm] and a length of 69 [mm] is produced, and particles (molecules) having a diameter of 155 [nm] or less and benzoic acid are mixed. A sample of the mixed mixture is injected into the microchannel from the injector, and the elution pattern is measured with an ultraviolet absorption detector (UV detector) installed at the outlet of the microchannel. And benzoic acid is detected last.

これは、直径の大きな粒子(分子)は壁面に近づけず、線流速の速い、より中心部分を流れるために、先に溶出されるからである。このような、フロースルー型の方法はハイドロダイナミッククロマトグラフィー(HDC)と呼ばれる。   This is because particles (molecules) having a large diameter do not approach the wall surface and are eluted earlier because they flow through the central portion with a higher linear flow velocity. Such a flow-through method is called hydrodynamic chromatography (HDC).

また、非特許文献3では、流路の断面のアスペクト比が1に近いHDCで粒子(分子)を分けるには、粒子(分子)のサイズは、流路高さ、あるいは、HDCのカラムの直径の数パーセントより大きい必要がある。   In Non-Patent Document 3, in order to divide particles (molecules) by HDC having a cross-sectional aspect ratio close to 1, the size of the particles (molecules) is the height of the channel or the diameter of the column of the HDC. Need to be greater than a few percent.

その一方、アスペクト比が大きい流路では、流路高さや動径方向の拡散の方が粒子(分子)のサイズよりも支配的に働き、外部との化学的な相互作用なしに、拡散と流れの効果だけで分子の分離が起きる。   On the other hand, in a channel with a large aspect ratio, diffusion in the channel height and radial direction works more dominantly than particle (molecule) size, and diffusion and flow without chemical interaction with the outside. Molecular separation occurs only by the effect of.

その結果、単純な理論通りに分子の分離が実際に起こり、例えば内径 150[um]、長さ0.3[m]のキャピラリーカラムで、220[nm]の光吸収検出器を用いてヨウ素イオン(分子量127)と硝酸イオン(分子量62)の分離が100秒程度でできるとしている。また、アスペクト比の大きなHDCでは化学的な相互作用を使わないので、その反応にかかる時間が必要なく、流速を上げることができ、短時間、短距離で分子を分離できるとしている。   As a result, molecular separation actually occurs according to a simple theory. For example, in a capillary column having an inner diameter of 150 [um] and a length of 0.3 [m], a 220 [nm] light absorption detector is used to detect iodine ions (molecular weight 127). ) And nitrate ions (molecular weight 62) can be separated in about 100 seconds. In addition, since HDC having a large aspect ratio does not use chemical interaction, time is not required for the reaction, the flow rate can be increased, and molecules can be separated in a short time and at a short distance.

このように、HDCを用いて高速な分子の分離が期待されるが、充填カラムを用いる液体クロマトグラフィーと比較すると分離性能が低く、それに比べると実現されたHDCの高速性や簡便性はその分離性能が低いというデメリットをカバーできなかった。   Thus, although high-speed molecular separation is expected using HDC, the separation performance is low compared to liquid chromatography using a packed column, and the high-speed and simplicity of HDC achieved compared to that is the separation. The disadvantage of low performance could not be covered.

このHDCはいわゆるTaylor dispersionを基本とする測定法である。一方、本出願による特願2014-090269では、流路の壁面での濃度を測定することにより、短時間かつ短い流路で分子量(または拡散係数)を測定できる技術を開示している。   This HDC is a measurement method based on so-called Taylor dispersion. On the other hand, Japanese Patent Application No. 2014-090269 according to the present application discloses a technique capable of measuring the molecular weight (or diffusion coefficient) in a short time and in a short flow path by measuring the concentration on the wall surface of the flow path.

この技術では、拡散係数を測定する従来のTaylor dispersion法が、溶質が平均流速で移動する状態になった後の流れ方向の溶質の空間分散を指標にして測定していたのに対して、流路壁面近傍での溶質の移動速度から拡散係数を測定することができる。   In this technique, the conventional Taylor dispersion method for measuring the diffusion coefficient was measured using the spatial dispersion of the solute in the flow direction after the solute moved to the average flow velocity as an index. The diffusion coefficient can be measured from the moving speed of the solute near the road wall.

具体的には、溶媒で満たされた流路に溶液を注入すると、流路の中心付近では、溶質は流れにのって移動するので流路断面の中で最も高速に移動する。その後、拡散によって減速し、最終的には中心線流速の2/3の速度で移動する。   Specifically, when a solution is injected into a channel filled with a solvent, the solute moves along the flow in the vicinity of the center of the channel, and thus moves at the highest speed in the channel cross section. Then, it decelerates by diffusion, and finally moves at a speed that is 2/3 of the centerline flow velocity.

一方、流路壁面付近では、ゼロスリップコンディションにより流れの速度がゼロなので、溶質は移動しない。しかし、先行する流路中心部分からの拡散によって濃度が変化するため、溶質が進行し始める。したがって、壁面では溶質の速度は0から加速し、最終的には流路中心と同じ中心線流速の2/3まで加速する。   On the other hand, the solute does not move near the channel wall surface because the flow velocity is zero due to the zero slip condition. However, since the concentration changes due to diffusion from the preceding flow path center portion, the solute begins to advance. Therefore, the solute speed is accelerated from 0 on the wall surface, and finally accelerated to 2/3 of the same centerline flow velocity as the flow path center.

この濃度変化の過程は拡散に依存するので、壁面で溶質が移動するときの加速度から溶質の拡散係数を求めることができる。また、流路出口には、拡散係数に依存する時間で溶質が到達する。   Since this concentration change process depends on diffusion, the diffusion coefficient of the solute can be obtained from the acceleration when the solute moves on the wall surface. In addition, the solute reaches the channel outlet in a time depending on the diffusion coefficient.

ここで、拡散係数は、分子量と単純な傾向の相関があり、分子量が小さく拡散係数が大きいと速く拡散し、分子量が大きく拡散係数が小さいと遅く拡散するように、分子量によって流路を流れ去る時間が異なるため、分子量に応じてサンプルの溶出時間が異なると言える。したがってこの技術で、拡散係数を求めれば、HDCの高速性・簡便性を上回る性能を持ちながら、求めた拡散係数に基づいて分子を分子量ごとに分離できる可能性がある。   Here, the diffusion coefficient has a simple tendency to correlate with the molecular weight. When the molecular weight is small and the diffusion coefficient is large, the diffusion coefficient is quickly diffused, and when the molecular weight is large and the diffusion coefficient is small, the diffusion coefficient flows slowly through the flow path. Since the time is different, it can be said that the elution time of the sample differs depending on the molecular weight. Therefore, if the diffusion coefficient is obtained with this technique, there is a possibility that molecules can be separated by molecular weight based on the obtained diffusion coefficient while having performance exceeding the high speed and simplicity of HDC.

Giddings, J. C., Unified Separation Science. John Wiley and Sons: 1991.Giddings, J. C., Unified Separation Science. John Wiley and Sons: 1991. Blom, M. T.; Chmela, E.; Oosterbroek, R. E.; Tijssen, R.; van den Berg, A., On-Chip Hydrodynamic Chromatography Separation and Detection of Nanoparticles and Biomolecules. Analytical Chemistry 2003, 75 (24), 6761-6768.Chmela, E.; Tijssen, R.; Blom, M. T.; Gardeniers, H. J. G. E.; van den Berg, A., A Chip System for Size Separation of Macromolecules and Particles by Hydrodynamic Chromatography. Analytical Chemistry 2002, 74 (14), 3470-3475.Blom, MT; Chmela, E .; Oosterbroek, RE; Tijssen, R .; van den Berg, A., On-Chip Hydrodynamic Chromatography Separation and Detection of Nanoparticles and Biomolecules. Analytical Chemistry 2003, 75 (24), 6761-6768 .Chmela, E .; Tijssen, R .; Blom, MT; Gardeniers, HJGE; van den Berg, A., A Chip System for Size Separation of Macromolecules and Particles by Hydrodynamic Chromatography. Analytical Chemistry 2002, 74 (14), 3470 -3475. 非特許文献Okada, T., HYDRODYNAMIC CHROMATOGRAPHY IN NARROW AND WIDE-BORES; WHETHER RADIAL DIFFUSION IS ESSENTIAL OR NOT. Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies 2010, 33 (9-12), 1116-1129.Non-patent literature Okada, T., HYDRODYNAMIC CHROMATOGRAPHY IN NARROW AND WIDE-BORES; WHETHER RADIAL DIFFUSION IS ESSENTIAL OR NOT. Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies 2010, 33 (9-12), 1116-1129. Taylor, G., Dispersion of Soluble Matter in Solvent Flowing Slowly through a Tube. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences 1953, 219 (1137), 186-203.)Taylor, G., Dispersion of Soluble Matter in Solvent Flowing Slowly through a Tube.Proceedings of the Royal Society of London.Series A. Mathematical and Physical Sciences 1953, 219 (1137), 186-203.)

しかしながら、特願2014-090269による技術では、純粋なサンプルを構成する1種類の分子の分子量(拡散係数)を測定するものであり、混合物を構成する複数の分子の分子量分布を測定することはできなかった。   However, the technique according to Japanese Patent Application No. 2014-090269 measures the molecular weight (diffusion coefficient) of one kind of molecule constituting a pure sample, and cannot measure the molecular weight distribution of a plurality of molecules constituting a mixture. There wasn't.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、短時間でサンプル(第2液)を構成する複数の分子の分子量分布を測定する分子量分布測定方法および分子量分布測定装置を提案することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and a molecular weight distribution measurement method and a molecular weight distribution measurement method for measuring the molecular weight distribution of a plurality of molecules constituting a sample (second liquid) in a short time. The object is to propose a device.

本発明に係る請求項1の分子量分布測定方法は、流路形成部材(101)の流路(113)内において、少なくとも第1液と複数の分子(j)が混合された第2液とを接触させた状態で当該第1液および当該第2液を液送させる液液ステップと、前記流路(113)内で接触された前記第1液と前記第2液とが互いに拡散したときの当該第2液の合計濃度分布(Call)を測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定された前記合計濃度分布(Call)に基づいて前記第2液を構成する複数の分子(j)の分子量分布(A(Q))算出する分子量分布算出ステップとを有するようにする。   In the molecular weight distribution measuring method according to claim 1 of the present invention, at least a first liquid and a second liquid in which a plurality of molecules (j) are mixed in a flow path (113) of a flow path forming member (101). A liquid-liquid step for feeding the first liquid and the second liquid in contact with each other, and the first liquid and the second liquid in contact with each other in the flow path (113) diffused to each other. A measuring step for measuring the total concentration distribution (Call) of the second liquid, and a molecular weight of a plurality of molecules (j) constituting the second liquid based on the total concentration distribution (Call) measured in the measuring step A molecular weight distribution calculating step for calculating a distribution (A (Q)).

請求項1記載の分子量分布測定方法において、前記測定ステップは、前記流路形成部材(101)の流路壁面近傍の前記合計濃度分布(Call)を測定するようにする。   2. The molecular weight distribution measuring method according to claim 1, wherein the measuring step measures the total concentration distribution (Call) in the vicinity of a channel wall surface of the channel forming member (101).

請求項1記載の分子量分布測定方法において、前記流路形成部材(101)は、液送方向とは直交する断面のアスペクト比が1よりも大きいようにする。   2. The molecular weight distribution measuring method according to claim 1, wherein the flow path forming member (101) has an aspect ratio of greater than 1 in a cross section perpendicular to the liquid feeding direction.

本発明に係る請求項4の分子量分布測定装置は、流路(113)が形成された流路形成部材(101)と、前記流路(113)内において、少なくとも第1液と複数の分子(j)が混合された第2液とを接触させた状態で当該第1液および当該第2液を液送させる液送部(106)と、前記流路(113)内で接触された前記第1液と前記第2液とが互いに拡散したときの当該第2液の合計濃度分布(Call)を測定する測定部(102)と、前記測定部(102)で測定された前記合計濃度(Call)に基づいて前記第2液を構成する複数の分子(j)の分子量分布(A(Q))を算出する分子量分布算出部(102)とを備えるようにする。   The molecular weight distribution measuring apparatus according to claim 4 of the present invention includes a flow path forming member (101) in which a flow path (113) is formed, and at least a first liquid and a plurality of molecules (in the flow path (113)). In the state where the second liquid in which j) is mixed is in contact with the first liquid and the liquid feeding section (106) for feeding the second liquid, the first liquid in contact with the second liquid in the flow path (113). A measuring unit (102) that measures the total concentration distribution (Call) of the second liquid when the first liquid and the second liquid diffuse to each other, and the total concentration (Call) measured by the measuring unit (102) ) Based on the molecular weight distribution calculation unit (102) for calculating the molecular weight distribution (A (Q)) of the plurality of molecules (j) constituting the second liquid.

請求項1および4の本発明によれば、微小な短い流路(113)を用い、少ない手順かつ短時間のうちに、第2液を構成する複数の分子の分子量分布(A(Q))を算出することができる。   According to the first and fourth aspects of the present invention, the molecular weight distribution (A (Q)) of a plurality of molecules constituting the second liquid can be obtained in a short procedure and in a short time using a small short flow path (113). Can be calculated.

請求項2の発明によれば、流路壁面近傍の合計濃度(Call)を測定するので、流れによる影響を最も受けない部分の安定した濃度変化を測定することができる。   According to the invention of claim 2, since the total concentration (Call) in the vicinity of the channel wall surface is measured, it is possible to measure a stable concentration change in a portion that is least affected by the flow.

請求項3の発明によれば、流路(113)は、その流路断面のアスペクト比が1よりも大きいことにより、第2液が外部との相互作用なしに拡散と流れの効果だけで分子の分離を生じさせることが可能となる。   According to the invention of claim 3, since the flow path (113) has an aspect ratio of the cross section of the flow path larger than 1, the second liquid is molecular only by the effect of diffusion and flow without interaction with the outside. Can be separated.

本発明の実施の形態におけるHDC装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the HDC apparatus in embodiment of this invention. マイクロ流路チップの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a microchannel chip | tip. 屈折率Aから屈折率Bへ流路の中が切り替わる状態の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the state which the inside of a flow path switches from the refractive index A to the refractive index B. マイクロ流路の主流路をモデル化したモデル図である。It is a model figure which modeled the main channel of a micro channel. 第1液から第2液へ切り替わるときの初期状態を示すモデル図である。It is a model figure which shows the initial state when switching from a 1st liquid to a 2nd liquid. 所定時間経過後における第1液から第2液へ切り替わるときの濃度分布を示すモデル図である。It is a model figure which shows density | concentration distribution when switching from the 1st liquid to the 2nd liquid after progress for predetermined time. 3種類の相互拡散係数Qで第1液(純物質の液体)と第2液(複数の分子の混合溶液)とが接触し流路を流れていく状態をそれぞれ示す時空間濃度分布を示すモデル図である。Model showing spatio-temporal concentration distributions showing the state in which the first liquid (pure substance liquid) and the second liquid (mixed solution of a plurality of molecules) are in contact with each other and flow through the flow path with three types of mutual diffusion coefficients Q. FIG. 図7の時空間濃度分布を時間微分したときの図である。It is a figure when time-spatial density distribution of FIG. 7 is time-differentiated. 図7の時空間濃度分布を空間微分したときの図である。It is a figure when the space time density distribution of FIG. 7 is spatially differentiated. 6個の個別分子を溶解した6種類のサンプル、および、3分子を混合したサンプルの時空間濃度分布を空間微分したときの図、および、3分子を混合したサンプルの分子検出結果を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the results of spatial differentiation of spatiotemporal concentration distributions of six types of samples in which six individual molecules are dissolved, and a sample in which three molecules are mixed, and a diagram showing the molecular detection results of a sample in which three molecules are mixed. is there. 6個の個別分子を溶解した6種類のサンプルの拡散係数分布および分子量分布を示す図である。It is a figure which shows the diffusion coefficient distribution and molecular weight distribution of 6 types of samples which melt | dissolved 6 individual molecules.

以下、本発明の実施の形態における分子量分布測定装置としてのHDC(Hydrodynamic chromatography)装置の概要について説明する。本実施の形態においては、「濃度」を「屈折率」に置き換えて測定するため、「濃度」と「屈折率」との間には一定の比例関係を有するものとして考える。また、「拡散係数」と「分子量」とは、単調で単純な関係であり、所定の関係式に基づいて互いに換算できるものとする。   Hereinafter, an outline of an HDC (Hydrodynamic chromatography) apparatus as a molecular weight distribution measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, since “density” is measured by replacing “refractive index”, it is considered that “density” and “refractive index” have a certain proportional relationship. Further, “diffusion coefficient” and “molecular weight” are monotonous and simple relationships, and can be converted into each other based on a predetermined relational expression.

<HDC装置の概要>
このHDC装置は、流路形成部材に形成された流路の少なくとも一部を満たした第1液に対して、2種類以上の複数の分子を混合した第2液が接触された後、当該第1液および当該第2液が流路を液送されながら互いに拡散したときの第2液に含まれている複数の分子の合計の濃度(以下、これを「合計濃度」と呼ぶ。)を測定し、非負最小二乗法等の所定の成分濃度計算方法によって、第2液に含まれている複数の分子の分子量ごとの濃度の分布(分子量分布)を算出するものである。
<Outline of HDC device>
The HDC apparatus is configured to contact the first liquid that has filled at least a part of the flow path formed in the flow path forming member with the second liquid in which two or more types of molecules are mixed, The total concentration of a plurality of molecules contained in the second liquid (hereinafter, referred to as “total concentration”) when one liquid and the second liquid diffuse to each other while being sent through the flow path is measured. The concentration distribution (molecular weight distribution) for each molecular weight of a plurality of molecules contained in the second liquid is calculated by a predetermined component concentration calculation method such as a non-negative least square method.

<HDC装置の構成>
図1に示すように、拡散係数の測定を行うHDC装置100は、流路形成部材としてのマイクロ流路チップ101と、当該マイクロ流路チップ101を載置した状態で接続された屈折率測定装置102と、FEP(フッ素樹脂)チューブ103によりマイクロ流路チップ101の大気解放された液体導入穴110と接続される注入装置としての液体分注装置104と、当該FEPチューブ103によりマイクロ流路チップ101の液体排出穴111と気密状態のまま接続された気液分離装置105と、当該気液分離装置105とFEPチューブ103により接続された液送開始装置としての圧力制御ポンプ106とによって構成されている。
<Configuration of HDC device>
As shown in FIG. 1, an HDC device 100 that measures a diffusion coefficient includes a micro-channel chip 101 as a channel-forming member and a refractive index measuring device connected in a state where the micro-channel chip 101 is placed. 102, a liquid dispensing device 104 as an injection device connected to the liquid introduction hole 110 opened to the atmosphere of the microchannel chip 101 by an FEP (fluororesin) tube 103, and the microchannel chip 101 by the FEP tube 103. The liquid discharge hole 111 is connected to the liquid discharge hole 111 in an airtight state, and the pressure control pump 106 is connected to the gas / liquid separation apparatus 105 and the FEP tube 103 as a liquid feeding start device. .

図2に示すように、マイクロ流路チップ101は、主流路113の一端に液体導入穴110が形成されるとともに主流路113の他端に液体排出穴111が形成されている。なお、液体導入穴110、主流路113、および、液体排出穴111により、全体として非常に微小な流路(以下、これを「マイクロ流路」と呼ぶ。)112が構成されている。   As shown in FIG. 2, the microchannel chip 101 has a liquid introduction hole 110 formed at one end of the main channel 113 and a liquid discharge hole 111 formed at the other end of the main channel 113. The liquid introduction hole 110, the main flow path 113, and the liquid discharge hole 111 constitute a very small flow path (hereinafter referred to as “micro flow path”) 112 as a whole.

主流路113の流路形状は、PDMS(ポリジメチルシロキサン)を使った鋳型法で作成されている。具体的には、主流路113は、アスペクト比が1よりも大きい100[μm]×1[mm]程度の単純な直方体形状で、かつ、その流路長は5[mm]程度である。ただし、これに限るものではない。なお、このマイクロ流路チップ101は、ガラス(BK7)の基板とマイクロ流路112とを接着して構成されている。   The channel shape of the main channel 113 is created by a casting method using PDMS (polydimethylsiloxane). Specifically, the main flow path 113 has a simple rectangular parallelepiped shape with an aspect ratio larger than 1 and about 100 [μm] × 1 [mm], and the flow path length is about 5 [mm]. However, the present invention is not limited to this. The microchannel chip 101 is formed by bonding a glass (BK7) substrate and a microchannel 112.

屈折率測定装置102は、全反射光学系の屈折率測定装置であり、イメージセンサ等のカメラ部120を主流路113の鉛直方向下方に備えている。したがって屈折率測定装置102では、マイクロ流路112の主流路113の中心線に沿った壁面近傍位置の屈折率(濃度)を測定部としてのカメラ部120により測定する。なお、屈折率測定装置102は、主流路113の壁面近傍位置の屈折率(濃度)を測定するため、主流路113の流れによる影響を最も受けない部分の安定した濃度変化を測定することができる。   The refractive index measurement device 102 is a total reflection optical system refractive index measurement device, and includes a camera unit 120 such as an image sensor below the main flow path 113 in the vertical direction. Therefore, the refractive index measuring device 102 measures the refractive index (concentration) near the wall surface along the center line of the main flow path 113 of the micro flow path 112 by the camera section 120 as a measurement section. Since the refractive index measuring device 102 measures the refractive index (concentration) near the wall surface of the main flow path 113, it can measure a stable concentration change in a portion that is least affected by the flow of the main flow path 113. .

屈折率測定装置102は、表面プラスモン共鳴(SPR)型または臨界角あるいはブリュースター角測定型の装置を用いることができる。SPR型の場合には、マイクロ流路112の屈折率測定装置102側の壁面に金属膜が必要である。   As the refractive index measuring device 102, a surface plasmon resonance (SPR) type or critical angle or Brewster angle measuring type device can be used. In the case of the SPR type, a metal film is required on the wall surface of the micro flow channel 112 on the refractive index measuring device 102 side.

また、気液分離装置105は、気体と液体とを分離する装置である。液体分注装置104は、液体導入穴110に対して液体を所定のタイミングで供給する装置である。   The gas-liquid separation device 105 is a device that separates gas and liquid. The liquid dispensing device 104 is a device that supplies liquid to the liquid introduction hole 110 at a predetermined timing.

なお、屈折率測定装置102は、CPU(Central Processing Unit)、メモリ、インタフェース等からなるコンピュータ(ハードウェア)にコンピュータプログラム(ソフトウェア)をインストールすることによって実現され、当該屈折率測定装置102における拡散係数の算出部等の機能部については、コンピュータの各種ハードウェア資源とコンピュータプログラムとが協働することによって実現される。また、コンピュータプログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体や記憶装置に格納された状態で提供されても良く、或いは電気通信回線を介して提供されても良い。   The refractive index measuring apparatus 102 is realized by installing a computer program (software) in a computer (hardware) including a CPU (Central Processing Unit), a memory, an interface, and the like, and the diffusion coefficient in the refractive index measuring apparatus 102 is The functional units such as the calculation unit are realized by the cooperation of various computer hardware resources and a computer program. Further, the computer program may be provided in a state of being stored in a computer-readable recording medium or a storage device, or may be provided via an electric communication line.

<インジェクション>
このような構成のHDC装置100において、第1液と第2液とを接触させる方法について説明する。HDC装置100では、マイクロ流路112における主流路113の体積の10倍となる水を液体分注装置104により液体導入穴110に滴下し、圧力制御ポンプ106により一定の圧力で吸引すると、主流路113内を所定の圧力状態にすることができ、その圧力状態に応じた液速で液体(水)が主流路113の中を流れ、主流路113を満たした後、気液分離装置105に達する。液体は気液分離装置105の底に溜まり、圧力の制御に必要な気体が圧力制御ポンプ106に達する。
<Injection>
A method of bringing the first liquid and the second liquid into contact with each other in the HDC device 100 having such a configuration will be described. In the HDC device 100, when water that is 10 times the volume of the main channel 113 in the microchannel 112 is dropped into the liquid introduction hole 110 by the liquid dispensing device 104 and sucked at a constant pressure by the pressure control pump 106, The inside of 113 can be made into a predetermined pressure state, the liquid (water) flows through the main flow path 113 at a liquid speed according to the pressure state, fills the main flow path 113, and then reaches the gas-liquid separation device 105. . The liquid accumulates at the bottom of the gas-liquid separator 105, and the gas necessary for pressure control reaches the pressure control pump 106.

なお、HDC装置100では、気液分離装置105と圧力制御ポンプ106とが分離された状態で用いられているが、これに限るものではなく、液体の圧力も制御可能な圧力制御ポンプが液送開始装置として用いられるようにしても良い。   In the HDC device 100, the gas-liquid separator 105 and the pressure control pump 106 are used in a separated state. However, the present invention is not limited to this, and a pressure control pump capable of controlling the liquid pressure is also used. It may be used as a starting device.

主流路113を液体(水)が満たした状態で、液体分注装置104によりマイクロ流路112における液体導入穴110に屈折率Aの第1液(溶媒)を滴下する。第1液は、純物質の液体である。ただし、これに限るものではなく、第1液は、混合物、ブロッキング剤を含む溶液であってもよい。   In a state where the main channel 113 is filled with liquid (water), the liquid dispensing apparatus 104 drops the first liquid (solvent) having a refractive index A into the liquid introduction hole 110 in the microchannel 112. The first liquid is a pure substance liquid. However, it is not restricted to this, The 1st liquid may be a solution containing a mixture and a blocking agent.

第1液を滴下すると、先にマイクロ流路112の入口まで満たしていた液体(水)と接触し、このため著しく表面張力が低下し、圧力制御ポンプ106の圧力により液送され始める。   When the first liquid is dropped, it comes into contact with the liquid (water) that has been filled up to the inlet of the microchannel 112 previously, so that the surface tension is remarkably lowered, and liquid feeding starts due to the pressure of the pressure control pump 106.

液体導入穴110のサンプル(第1液)の体積が徐々に減り、その水面がマイクロ流路112の入り口(液体導入穴110と主流路113との接続点)まで下がると、第1液の表面張力と圧力制御ポンプ106の圧力とがバランスし、それ以上は第1液が動かなくなる。   When the volume of the sample (first liquid) in the liquid introduction hole 110 is gradually reduced and the water surface falls to the entrance of the micro flow path 112 (the connection point between the liquid introduction hole 110 and the main flow path 113), the surface of the first liquid The tension and the pressure of the pressure control pump 106 are balanced, and the first liquid does not move beyond that.

このときに屈折率測定装置102のカメラ部120により主流路113の屈折率を測定すると、第1液の屈折率Aに相当する値が当該主流路113と平行な測定軸Zに沿って均一に測定される。これは主流路113が第1液で満たされているからである。   At this time, when the refractive index of the main channel 113 is measured by the camera unit 120 of the refractive index measuring device 102, the value corresponding to the refractive index A of the first liquid is uniformly along the measurement axis Z parallel to the main channel 113. Measured. This is because the main channel 113 is filled with the first liquid.

<第1液および第2液の接触および液送>
次に、屈折率測定装置102において、1/150秒毎に屈折率の時間変化を測定できるようにカメラ部120を設定する。この設定において、液体分注装置104により液体導入孔110に屈折率Bの第2液を滴下すると、このときも、圧力制御ポンプ106の圧力により第2液の送液が開始される。すなわち、第1液および第2液を接触させた後に当該第1液および第2液を主流路113内で液送させる。なお、主流路113において、第1液を液送している最中に、その主流路113に第2液を滴下し、第1液と第2液とを接触させた状態で液送させるようにしてもよい。
<Contact and liquid feed of first liquid and second liquid>
Next, in the refractive index measuring apparatus 102, the camera unit 120 is set so that the change in refractive index with time can be measured every 1/150 seconds. In this setting, when the second liquid having the refractive index B is dropped into the liquid introduction hole 110 by the liquid dispensing device 104, the liquid supply of the second liquid is started by the pressure of the pressure control pump 106 also at this time. That is, after the first liquid and the second liquid are brought into contact with each other, the first liquid and the second liquid are fed in the main channel 113. In the main flow path 113, while the first liquid is being fed, the second liquid is dropped into the main flow path 113 so that the first liquid and the second liquid are brought into contact with each other. It may be.

ここで、第2液は、第1液を同じ組成比で含んでいる必要がある。この場合、第2液は、第1液に塩化ナトリウム(Nacl)、アプロチニン(Aprotinin)、免疫グロブリンG(IgG)の3分子を含んだ屈折率Bの溶液とする。   Here, the second liquid needs to contain the first liquid at the same composition ratio. In this case, the second liquid is a solution having a refractive index B containing three molecules of sodium chloride (Nacl), aprotinin, and immunoglobulin G (IgG) in the first liquid.

このとき屈折率測定装置102では、図3(A)に示すように、屈折率Aから屈折率Bに主流路113の中が切り替わる状態を観測することができる。この場合、屈折率A、Bについては、屈折率Aよりも屈折率Bの方が高い。図3(A)では時間をX軸に、主流路113中での上流から下流への位置をY軸に、屈折率の時間変化をZ軸に表示している。   At this time, the refractive index measuring apparatus 102 can observe a state where the inside of the main channel 113 is switched from the refractive index A to the refractive index B as shown in FIG. In this case, with respect to the refractive indexes A and B, the refractive index B is higher than the refractive index A. In FIG. 3A, the time is displayed on the X axis, the position from the upstream to the downstream in the main flow path 113 is displayed on the Y axis, and the change in refractive index with time is displayed on the Z axis.

また屈折率測定装置102では、図3(B)に示すように、主流路113の屈折率観測範囲(Y軸)の中心では、最初に第1液の屈折率Aを観測し、屈折率Bの第2液の流れの到着から時間経過とともに屈折率Bを観測するという変化の状態を観測することができる。なお、図3(B)では、屈折率を屈折率に比例するSPR angleと記述する。   In the refractive index measuring apparatus 102, as shown in FIG. 3B, the refractive index A of the first liquid is first observed at the center of the refractive index observation range (Y axis) of the main channel 113, and the refractive index B It is possible to observe a state of change in which the refractive index B is observed over time from the arrival of the second liquid flow. In FIG. 3B, the refractive index is described as SPR angle proportional to the refractive index.

<拡散係数と合計濃度時空間分布との関係>
ここで、拡散係数と合計濃度時空間分布との一般的な関係について説明する。この場合、1種類の分子が含まれた第2液を対象とし、図1に示されたようなHDC装置100と同じ形状の流路モデルを構築し、OpenFOAMのInter Mixing Foam(例えば、非特許文献4を参照)を用いて、合計濃度分布(時空間分布)を計算した。
<Relationship between diffusion coefficient and total concentration spatiotemporal distribution>
Here, the general relationship between the diffusion coefficient and the total concentration spatiotemporal distribution will be described. In this case, a flow channel model having the same shape as that of the HDC apparatus 100 as shown in FIG. 1 is constructed for the second liquid containing one kind of molecule, and an OpenFOAM Inter Mixing Foam (for example, non-patent) The total concentration distribution (spatiotemporal distribution) was calculated using reference 4).

図4に示すように、HDC装置100の主流路113をモデル化した流路200を用い、この流路200の両端に一定の圧力をかけ、かつ、第1液と第2液の相互拡散係数を設定し、溶質濃度の時空間分布を計算した。   As shown in FIG. 4, a flow path 200 that models the main flow path 113 of the HDC device 100 is used, a constant pressure is applied to both ends of the flow path 200, and the mutual diffusion coefficient between the first liquid and the second liquid is obtained. And the spatiotemporal distribution of the solute concentration was calculated.

初期状態として、流路200に第1液が充填された後に第2液が注入され、当該流路200において停止していた流れが再開した時点から計算を開始し、流路200内で第1液が第2液に切り替わる状態を計算した。ここで、計算対象の形状を簡素化するために、第2液は同じ形の流路に予め入っているものとし、流路入口面201は単一の断面形状の直方体型流路の途中にあるものとする。   As an initial state, the second liquid is injected after the flow path 200 is filled with the first liquid, and the calculation is started when the flow stopped in the flow path 200 is resumed. The state in which the liquid switched to the second liquid was calculated. Here, in order to simplify the shape to be calculated, it is assumed that the second liquid has entered the same shape of the flow path in advance, and the flow path inlet surface 201 is in the middle of a rectangular parallelepiped flow path having a single cross-sectional shape. It shall be.

計算は効率化のために二次元で行い、流路200の幅が無限大の平行平板であると設定し、流路200の下面での物質濃度勾配が「0」であり、壁面の滑りもない(non slip )境界条件を設定した。また、流路200の上方向では対称性を設定し、当該流路200の半分の厚さ(高さ)で計算するものとする。以下の図では、この半分の厚さの計算結果を示す。   The calculation is performed in two dimensions for efficiency, and the flow path 200 is set to be an infinite parallel plate, the substance concentration gradient on the lower surface of the flow path 200 is “0”, and the wall surface slips. A non slip boundary condition was set. In addition, symmetry is set in the upper direction of the flow path 200, and calculation is performed with a half thickness (height) of the flow path 200. In the following figure, the calculation result of this half thickness is shown.

図5(A)に示すように、初期状態では、第1液が流路200の大半を占め、第2液が流路入口面201の上流に配置されている。この場合、第2液と第1液とが流路長手方向(液送方向)に対して垂直な境界面で接していることが分かる。また図5(B)では、屈折率の測定対象となる流路200の下面での第2液の分率(濃度)が示されている。   As shown in FIG. 5A, in the initial state, the first liquid occupies most of the flow path 200, and the second liquid is disposed upstream of the flow path inlet surface 201. In this case, it can be seen that the second liquid and the first liquid are in contact with each other at a boundary surface perpendicular to the longitudinal direction of the flow path (liquid feeding direction). Further, FIG. 5B shows the fraction (concentration) of the second liquid on the lower surface of the flow path 200 that is the object of refractive index measurement.

図6(A)に示すように、時間が経過すると、流路200の両端にかけられた圧力によって第1液と第2液とが流路200の下流方向へ流れていく。その際、相互拡散係数Dmによって溶媒の第1液と溶液の第2液が混合しながら流れていく。この計算では、第1液および第2液しかないので、第1液から第2液への相互拡散係数Dm1と、第2液から第1液への相互拡散係数Dm2とは一致しているものとする。   As shown in FIG. 6A, when time elapses, the first liquid and the second liquid flow in the downstream direction of the flow path 200 due to the pressure applied to both ends of the flow path 200. At that time, the first liquid of the solvent and the second liquid of the solution flow while being mixed by the mutual diffusion coefficient Dm. In this calculation, since there are only the first liquid and the second liquid, the mutual diffusion coefficient Dm1 from the first liquid to the second liquid coincides with the mutual diffusion coefficient Dm2 from the second liquid to the first liquid. And

この計算では、流路200が全長500[μm]と短いとすると、時間についても開始から0.1[s]までの間に流路200を流れ切るので、流路200の断面では第1液と第2液とが均一にはなり切らずに下流方向へ流れていくことが分かる。また、拡散による混合と断面内流速分布のために、流速が最大である流路中心(図6(A)の上方)で先に境界面が下流方向へ移動していることが分かる。   In this calculation, if the flow path 200 is short with a total length of 500 [μm], the flow path 200 will flow through from the start to 0.1 [s] in terms of time, and therefore the first liquid and the first liquid in the cross section of the flow path 200 It can be seen that the two liquids flow in the downstream direction without becoming uniform. Further, it can be seen that the boundary surface first moves in the downstream direction at the center of the flow path where the flow velocity is maximum (above FIG. 6A) due to mixing by diffusion and flow velocity distribution in the cross section.

この場合、流路200の下面では、壁面での流速が「0」で滑りがない境界条件を仮定しているので(ゼロスリップを仮定しているので)、図6(A)の下方の流路200の下面(壁面)では液体の移動速度である流速が「0」である。   In this case, the lower surface of the flow path 200 assumes a boundary condition where the flow velocity on the wall surface is “0” and there is no slip (because zero slip is assumed), the lower flow in FIG. On the lower surface (wall surface) of the path 200, the flow velocity that is the moving speed of the liquid is “0”.

しかし、流路200の下面でも、液液境界が下流方向へ移動している。これは、流路200の流れ方向とは垂直な方向にも第1液と第2液とが拡散によって混ざりながら流れるからである。図6(B)のグラフでは、流路200の壁面における第2液の濃度分布が広範囲に広がっていることが分かる。   However, the liquid-liquid boundary also moves in the downstream direction on the lower surface of the flow path 200. This is because the first liquid and the second liquid flow in a direction perpendicular to the flow direction of the flow path 200 while being mixed by diffusion. In the graph of FIG. 6B, it can be seen that the concentration distribution of the second liquid on the wall surface of the flow path 200 is spread over a wide range.

この流路200の流路モデルでは、粘性係数が共通な第1液と第2液とが接触し、その粘性が変化することなく混合され、層流で流路200の下流方向へ流れながら混ざる。   In the flow channel model of the flow channel 200, the first liquid and the second liquid having the same viscosity coefficient are in contact with each other, mixed without changing their viscosity, and mixed while flowing in the downstream direction of the flow path 200 in a laminar flow. .

計算では、単純化するために、第1液および第2液は両方とも純粋な溶媒で単一の相互拡散係数Dm(第1液の拡散係数Dm1=第2液の拡散係数Dm2)で混合されるものであるとし、計算により、その混合割合を濃度と読み替えて、その混合割合(濃度)を流路200内の流れ方向の各位置と時間とに基づいて求める。   In the calculation, for simplicity, the first and second liquids are both pure solvents and mixed with a single mutual diffusion coefficient Dm (first liquid diffusion coefficient Dm1 = second liquid diffusion coefficient Dm2). The mixing ratio is read as the concentration by calculation, and the mixing ratio (concentration) is obtained based on each position in the flow direction in the flow path 200 and the time.

なお、層流での流速は粘度に依存するが、拡散係数には依存しない。また、この計算では、粘性は不変であるとし、層流で流れるような流路形状を仮定しているので、流速の分布は相互拡散係数Dmの設定にかかわらず同じになる。   The flow rate in the laminar flow depends on the viscosity, but does not depend on the diffusion coefficient. Further, in this calculation, the viscosity is assumed to be unchanged, and a flow path shape that assumes laminar flow is assumed. Therefore, the flow velocity distribution is the same regardless of the setting of the mutual diffusion coefficient Dm.

粘度は、溶液の濃度を下げることにより、無視できるようになる。また、混合溶媒としての第1液の成分を調整し、第2液の溶質を第1液に溶解させれば、粘度の差を小さくすることができる。さらに、粘度が既知の場合には、数値計算によって、その粘度の場合の濃度分布を求めることができる。   Viscosity becomes negligible by lowering the concentration of the solution. Moreover, if the component of the 1st liquid as a mixed solvent is adjusted and the solute of a 2nd liquid is dissolved in a 1st liquid, the difference in a viscosity can be made small. Further, when the viscosity is known, the concentration distribution in the case of the viscosity can be obtained by numerical calculation.

<第2液の合計濃度分布の測定>
一方、同一濃度(f)を有する複数の分子が混合された第2液を対象とした場合に、屈折率測定装置102のカメラ部120により測定される第2液の合計濃度分布について説明する。
<Measurement of total concentration distribution of second liquid>
On the other hand, when the second liquid in which a plurality of molecules having the same concentration (f) are mixed is targeted, the total concentration distribution of the second liquid measured by the camera unit 120 of the refractive index measuring apparatus 102 will be described.

ここで、第1液の濃度分布について、第1液の相互拡散係数「Dm1」を用いると、主流路113の各地点(y,z)および各時間(t)での第1液の濃度分布は「c(y,z,t,Dm1)」で表すことができる。   Here, regarding the concentration distribution of the first liquid, if the mutual diffusion coefficient “Dm1” of the first liquid is used, the concentration distribution of the first liquid at each point (y, z) and each time (t) of the main flow path 113. Can be represented by “c (y, z, t, Dm1)”.

また、第2液が同一濃度(f)を有する複数の分子の混合溶液であるため、第2液を構成する各分子(j)の第1液との相互拡散係数を「Dm(j)」とし、この「Dm(j)」が各々独立であるとすると、第2液の合計濃度分布Callは、次の(式1)で表すことができる。なお、各分子(j)において、j=1〜n、nは2以上の整数である。   Further, since the second liquid is a mixed solution of a plurality of molecules having the same concentration (f), the mutual diffusion coefficient of each molecule (j) constituting the second liquid with the first liquid is “Dm (j)”. Assuming that “Dm (j)” is independent, the total concentration distribution Call of the second liquid can be expressed by the following (formula 1). In each molecule (j), j = 1 to n and n is an integer of 2 or more.

Call=Σjf*c(y,z,t,Dm(j))……………………………………………………………(式1) Call = Σ j f * c (y, z, t, Dm (j)) …………………………………………………………… (Formula 1)

ここで、「f」は分子(j)に依存しない同一の濃度値(固定値)、「y」は主流路113の流れ方向の位置、「z」は主流路113の高さ方向の位置、「t」は時間である。また、c(y,z,t,Dm(j))は、第2液を最高濃度で規格化したときの各地点(y,z)および各時間(t)での各分子(j)の濃度分布である。すなわち、濃度分布c(y,z,t,Dm(j))で表される濃度値は、0〜1までの値となる。   Here, “f” is the same concentration value (fixed value) independent of the molecule (j), “y” is a position in the flow direction of the main flow path 113, “z” is a position in the height direction of the main flow path 113, “T” is time. C (y, z, t, Dm (j)) is the value of each molecule (j) at each point (y, z) and each time (t) when the second liquid is normalized at the highest concentration. Concentration distribution. That is, the density value represented by the density distribution c (y, z, t, Dm (j)) is a value from 0 to 1.

つまり、第2液の合計濃度分布Callは、単一の分子(j)の相互拡散係数Dm(j)で計算した第2液の各分子(j)の濃度分布c(y,z,t,Dm(j))の総和なる。第1液および第2液の相互拡散係数Dm(j)が異なる溶質間では、相互に拡散係数が影響するので、第2液が高濃度では厳密には成立しない場合があるが、その他の場合の低濃度ではより良く成立する場合が多い。   That is, the total concentration distribution Call of the second liquid is the concentration distribution c (y, z, t, of each molecule (j) of the second liquid calculated by the mutual diffusion coefficient Dm (j) of the single molecule (j). Dm (j)). Between solutes with different mutual diffusion coefficients Dm (j) of the first and second liquids, the diffusion coefficients affect each other, so the second liquid may not be established strictly at high concentrations, but in other cases In many cases, the lower the concentration, the better.

<分子量分離>
さらに、第2液が濃度の異なる複数の分子(j)(ここで、j=1〜n)の混合物であったり、複数の分子(j)の分子量分布を持ったポリマーであった場合には、単一な分子量の各分子(j)の濃度をA(j)とすると、第2液の合計濃度分布Callは、次の(式2)で表すことができる。なお、分子(j)の濃度A(j)は、非負の値である。この場合、分子(j)の濃度A(j)は、分子の種類(j)によって変化するものとする。
<Molecular weight separation>
Furthermore, when the second liquid is a mixture of a plurality of molecules (j) (where j = 1 to n) having different concentrations or a polymer having a molecular weight distribution of the plurality of molecules (j) Assuming that the concentration of each molecule (j) having a single molecular weight is A (j), the total concentration distribution Call of the second liquid can be expressed by the following (Equation 2). The concentration A (j) of the molecule (j) is a non-negative value. In this case, it is assumed that the concentration A (j) of the molecule (j) varies depending on the type (j) of the molecule.

Call=ΣjA(j)*c(y,z,t,Dm(j))…………………………………………………………(式2)
この場合、屈折率測定装置102のカメラ部120により取得される第2液の合計濃度分布Callの測定値と、屈折率測定装置102の算出部により計算される第2液の濃度分布c(y,z,t,Dm(j))の値とに基づいて、非負最小二乗法等の成分濃度計算方法により、分子(j)の濃度A(j)を求めることができる。
Call = Σ j A (j) * c (y, z, t, Dm (j)) ………………………………………………………… (Formula 2)
In this case, the measured value of the total concentration distribution Call of the second liquid acquired by the camera unit 120 of the refractive index measuring apparatus 102 and the concentration distribution c (y of the second liquid calculated by the calculating unit of the refractive index measuring apparatus 102 , z, t, Dm (j)), the concentration A (j) of the molecule (j) can be obtained by a component concentration calculation method such as a non-negative least square method.

ここで、第2液の濃度分布c(y,z,t,Dm(j))が求められると、第2液に含まれている各分子(j)の種類とその分子量は既知なので、各分子(j)を分子量と濃度A(j)との時空間濃度分布で表すことが可能となる。すなわち、第2液の濃度分布c(y,z,t,Dm(j))に基づいて分子(j)を分子量で分離できたことになる。   Here, when the concentration distribution c (y, z, t, Dm (j)) of the second liquid is obtained, the type and molecular weight of each molecule (j) contained in the second liquid are known. The molecule (j) can be represented by a spatiotemporal concentration distribution of the molecular weight and the concentration A (j). That is, the molecule (j) can be separated based on the molecular weight based on the concentration distribution c (y, z, t, Dm (j)) of the second liquid.

<分子量分布>
次に、第2液の分子量分布A(Q)を算出する方法について説明する。分子(j)の濃度A(j)は、連続的に分布していると考えてもよく、各分子(j)の種類とその分子量が既知であり、各分子(j)の分子量に基づいて連続的に表すことができるので、第2液の合計濃度分布Callは、次の(式3)で表すことができる。
<Molecular weight distribution>
Next, a method for calculating the molecular weight distribution A (Q) of the second liquid will be described. The concentration A (j) of the molecule (j) may be considered to be continuously distributed, the type and molecular weight of each molecule (j) is known, and based on the molecular weight of each molecule (j) Since it can be expressed continuously, the total concentration distribution Call of the second liquid can be expressed by the following (formula 3).

Call=∫A(Q)*c(y,z,t,Q)dQ…………………………………………………………(式3)
ここで、A(Q)は、第2液の分子量分布であり、非負の値である。また、「Q」は、第2液の分子(j)の相互拡散係数を表す積分変数である。
Call = ∫A (Q) * c (y, z, t, Q) dQ ………………………………………………………… (Formula 3)
Here, A (Q) is the molecular weight distribution of the second liquid and is a non-negative value. “Q” is an integral variable representing the mutual diffusion coefficient of the molecule (j) of the second liquid.

この(式3)による積分は、第2液に含まれている複数の分子(j)の相互拡散係数Qを用いて行う。(式3)における第2液の各分子(j)の濃度分布c(y,z,t,Q)は、任意の分子(j)の拡散係数Qに基づいて屈折率測定装置102の算出部による数値計算により求めることが可能である。   The integration according to (Equation 3) is performed using the mutual diffusion coefficient Q of the plurality of molecules (j) contained in the second liquid. The concentration distribution c (y, z, t, Q) of each molecule (j) in the second liquid in (Expression 3) is calculated by the calculation unit of the refractive index measuring device 102 based on the diffusion coefficient Q of any molecule (j). It is possible to obtain by numerical calculation according to.

第2液の合計濃度分布Callは、上述したように全反射光学系の屈折率測定装置102のカメラ部120によって測定可能な測定値である。(式3)において、第2液の各分子(j)の濃度分布c(y,z,t,Q)は、主流路113の流路壁面の値であるため、z=0であり、濃度分布c(y,0,t,Q)となる。   The total concentration distribution Call of the second liquid is a measurement value that can be measured by the camera unit 120 of the refractive index measurement device 102 of the total reflection optical system as described above. In (Equation 3), the concentration distribution c (y, z, t, Q) of each molecule (j) in the second liquid is the value of the channel wall surface of the main channel 113, so z = 0 and the concentration Distribution c (y, 0, t, Q).

この場合、第2液の合計濃度分布Callは、屈折率測定装置102のカメラ部120により2次元の配列(画像)として測定される。その際、各地点(y,z)において測定された1つ1つの画像は、その地点における第2液の各分子(j)の濃度分布c(y,z,t,Q)である。   In this case, the total concentration distribution Call of the second liquid is measured as a two-dimensional array (image) by the camera unit 120 of the refractive index measuring device 102. At that time, each image measured at each point (y, z) is a concentration distribution c (y, z, t, Q) of each molecule (j) of the second liquid at that point.

したがって、屈折率測定装置102において、カメラ部120による測定時間間隔と主流路113の被測定部分の長さとを調節することにより、第2液の合計濃度分布Callを表す時空間濃度分布(画像)を高分解能で取得することができる。   Therefore, in the refractive index measurement apparatus 102, the spatio-temporal concentration distribution (image) representing the total concentration distribution Call of the second liquid by adjusting the measurement time interval by the camera unit 120 and the length of the measured portion of the main channel 113. Can be obtained with high resolution.

第2液の各分子(j)の濃度分布c(y,0,t,Q)と、屈折率測定装置102により取得される第2液の合計濃度分布Callとが既知なので、非負最小二乗法等を用いた所定の成分濃度計算方法(数学的計算手法)により、第2液の分子量分布A(Q)を推定することが可能である。このようにして、第2液の分子量分布A(Q)を算出することができるのである。   Since the concentration distribution c (y, 0, t, Q) of each molecule (j) in the second liquid and the total concentration distribution Call of the second liquid acquired by the refractive index measuring device 102 are known, the non-negative least square method It is possible to estimate the molecular weight distribution A (Q) of the second liquid by a predetermined component concentration calculation method (mathematical calculation method) using the above. In this way, the molecular weight distribution A (Q) of the second liquid can be calculated.

具体的には、図7(A)〜(C)に示すように、縦軸yの400の位置で第1液と第2液とが接触し、その後、主流路113を流れていく様子が、拡散係数Qが1e-8[m2/s]、1e-9[m2/s]、1e-10[m2/s]ごとに示されている。 Specifically, as shown in FIGS. 7A to 7C, the first liquid and the second liquid come into contact with each other at a position 400 on the vertical axis y and then flow through the main flow path 113. The diffusion coefficient Q is shown for each of 1e-8 [m 2 / s], 1e-9 [m 2 / s], and 1e-10 [m 2 / s].

すなわち、図7では、濃淡が濃度の違いを表しており、拡散係数Qが大きいほど第2液の合計濃度分布Callの空間濃度勾配が緩くなり、拡散係数Qが小さいほど第2液の合計濃度分布Callの空間濃度勾配が急峻になることが分かる。   That is, in FIG. 7, the light and shade represent the difference in concentration. The larger the diffusion coefficient Q, the more the spatial concentration gradient of the total concentration distribution Call of the second liquid becomes gentle, and the smaller the diffusion coefficient Q, the total concentration of the second liquid. It can be seen that the spatial concentration gradient of the distribution Call becomes steep.

このように、1e-8[m2/s]、1e-9[m2/s]、1e-10[m2/s]の拡散係数Qごとに、第2液の各分子(j)の濃度分布c(y,0,t,Q)を計算により求めることが可能である。この場合、第2液の各分子(j)の全拡散係数範囲で拡散係数Qを設定して濃度分布c(y,0,t,Q)を幾らでも細かく計算することができ、事実上、濃度分布c(y,0,t,Q)は拡散係数Qに関して連続な関数として計算できる。これにより、第2液の分子量分布A(Q)を高い分解能で求めることができる。 Thus, for each diffusion coefficient Q of 1e-8 [m 2 / s], 1e-9 [m 2 / s], 1e-10 [m 2 / s], each molecule (j) of the second liquid The concentration distribution c (y, 0, t, Q) can be obtained by calculation. In this case, it is possible to calculate the concentration distribution c (y, 0, t, Q) as finely as possible by setting the diffusion coefficient Q in the entire diffusion coefficient range of each molecule (j) of the second liquid. The concentration distribution c (y, 0, t, Q) can be calculated as a continuous function with respect to the diffusion coefficient Q. Thereby, the molecular weight distribution A (Q) of the second liquid can be obtained with high resolution.

なお、上述したように、(式3)から第2液の分子量分布A(Q)を求める際には、その前に、(式3)を時間変数tまたは主流路113の流路方向の位置変数y、あるいは、その両方で、1階微分しても高階微分(時間変数tでn(nは2以上の整数)階微分、位置変数yでn階微分等)してもよい。これにより、第1液と第2液とが接触する境界面を協調することができる。   As described above, before obtaining the molecular weight distribution A (Q) of the second liquid from (Equation 3), before (Equation 3) is set to the time variable t or the position of the main flow passage 113 in the flow direction. The variable y or both may be first-order differentiated or higher-order differentiated (time variable t is n (n is an integer of 2 or more), position variable y is n-th derivative, etc.). Thereby, the boundary surface which a 1st liquid and a 2nd liquid contact can be coordinated.

図8(A)〜(C)は、(式3)の濃度分布c(y,0,t,Q)を時間微分した第2液の時空間濃度分布であり、濃淡は濃度の時間微分の結果を表している。図9(A)〜(C)は、(式3)の濃度分布c(y,0,t,Q)を、時間変数tおよび主流路113の流路方向の位置変数yで空間微分した結果の第2液の時空間濃度分布である。   FIGS. 8A to 8C are spatiotemporal concentration distributions of the second liquid obtained by temporally differentiating the concentration distribution c (y, 0, t, Q) of (Equation 3). Represents the result. 9A to 9C show the results of spatial differentiation of the concentration distribution c (y, 0, t, Q) in (Equation 3) with respect to the time variable t and the position variable y in the flow path direction of the main flow path 113. Is a spatiotemporal concentration distribution of the second liquid.

このように、濃度分布c(y,0,t,Q)を時間微分または空間微分した場合、第1液と第2液とが接触する境界面を協調するとともに、計算処理量を低減しながら第2液の分子量分布A(Q)を高い分解能で測定することができる。   As described above, when the concentration distribution c (y, 0, t, Q) is time-differentiated or spatially differentiated, the boundary surface where the first liquid and the second liquid are in contact with each other and the calculation processing amount is reduced. The molecular weight distribution A (Q) of the second liquid can be measured with high resolution.

<3分子の混合物に対する分子量分布の推定>
次に、計算によるのではなく、実験的により得た第2液の各分子(j)の濃度分布c(y,0,t,Q)を使って3分子の混合物の第2液からそれぞれの分子(j)の濃度A(j)の分子量分布を算出(推定)した実験の結果について説明する。
<Estimation of molecular weight distribution for a mixture of three molecules>
Next, using the concentration distribution c (y, 0, t, Q) of each molecule (j) of the second liquid obtained experimentally rather than by calculation, each of the second liquid of the mixture of three molecules is used. The result of the experiment for calculating (estimating) the molecular weight distribution of the concentration A (j) of the molecule (j) will be described.

この場合、例えば、ブロックエース溶液を第1液とし、塩化ナトリウム、グルコース、フルクトース、アプロチニン、ヒトアルブミン(HSA)、ヒトIgG(hIgG)の6分子をそれぞれ個別にブロックエース溶液に溶解した6種類の溶液を第2液とした場合の第2液の屈折率(濃度)の変化をそれぞれ測定した。また、上記の6分子のうち、塩化ナトリウム、アプロチニン、ヒトIgGの3分子を混合したサンプルの屈折率(濃度)の変化を同様に測定した。   In this case, for example, a block ace solution is used as a first solution, and six types of sodium glycerol, glucose, fructose, aprotinin, human albumin (HSA), and human IgG (hIgG) are individually dissolved in the block ace solution. Changes in the refractive index (concentration) of the second liquid when the solution was the second liquid were measured. Moreover, the change of the refractive index (concentration) of the sample which mixed three molecules, sodium chloride, aprotinin, and human IgG among said 6 molecules was measured similarly.

この6個の個別分子におけるそれぞれの屈折率(濃度)の変化を空間微分した結果と、3分子を混合したサンプルにおける屈折率(濃度)の変化を空間微分した結果とを図10(A)に示す。この図10(A)では、第1液と第2液との接触前0.1秒の時点から、接触後0.67秒の時点までの測定データを用いた。すなわち、この場合の分子量分布の測定に必要な時間は、0.77秒になる。   FIG. 10A shows the result of spatial differentiation of the change in refractive index (concentration) in each of the six individual molecules and the result of spatial differentiation of the change in refractive index (concentration) in a sample in which three molecules are mixed. Show. In FIG. 10A, measurement data from the time point of 0.1 seconds before the contact between the first liquid and the second liquid to the time point of 0.67 seconds after the contact was used. That is, the time required for measuring the molecular weight distribution in this case is 0.77 seconds.

3分子を混合したサンプルの屈折率(濃度)の変化は、相当する3個の個別分子の屈折率(濃度)の変化の和となっている。ここで、非負最小二乗法により、(式3)の右辺と左辺の差の2乗和が最小となる第2液の分子量分布A(Q)を計算すると、図10(B)に示す結果が得られた。   The change in the refractive index (concentration) of the sample in which three molecules are mixed is the sum of the change in the refractive index (concentration) of the corresponding three individual molecules. Here, when the molecular weight distribution A (Q) of the second liquid that minimizes the square sum of the difference between the right side and the left side of (Equation 3) is calculated by the non-negative least square method, the result shown in FIG. Obtained.

実際に、サンプルに混合されているとおり、塩化ナトリウム、アプロチニン、ヒトIgGが検出され、サンプルには混合されていないグルコース、スクロース、ヒトアルブミン(HSA)は検出されなかった。この場合、検出された3分子の濃度比は、本来1:1:1になるはずであるが、この例では、第2液の合計濃度分布Callの測定値に含まれるノイズと、測定中に主流路113の両端の圧力差を一定に保持できなかったため、高精度に濃度比を決められていない。   Actually, sodium chloride, aprotinin, and human IgG were detected as mixed with the sample, and unmixed glucose, sucrose, and human albumin (HSA) were not detected in the sample. In this case, the concentration ratio of the detected three molecules should be 1: 1: 1, but in this example, the noise contained in the measured value of the total concentration distribution Call of the second liquid and the measurement Since the pressure difference between both ends of the main channel 113 could not be kept constant, the concentration ratio could not be determined with high accuracy.

しかしながら、サンプルに混合されている分子(塩化ナトリウム、アプロチニン、ヒトIgG)が、サンプルに混合されていない分子(グルコース、スクロース、ヒトアルブミン(HSA))から正確に分離できていることが分かる。   However, it can be seen that the molecules (sodium chloride, aprotinin, human IgG) mixed in the sample can be accurately separated from the molecules (glucose, sucrose, human albumin (HSA)) not mixed in the sample.

6分子の拡散係数Qと6分子の分子量とは、既知なので、この値を使って図10(B)を拡散係数、分子量に対応させてグラフにすると、図11(A)、(B)に示すように、サンプルの拡散係数分布および分子量分布を得ることができる。すなわち、この方法でクロマトグラフィーを行うことができることが分かる。   Since the diffusion coefficient Q of 6 molecules and the molecular weight of 6 molecules are already known, if this value is used to graph FIG. 10B corresponding to the diffusion coefficient and the molecular weight, FIG. 11A and FIG. As shown, the diffusion coefficient distribution and molecular weight distribution of the sample can be obtained. That is, it can be seen that chromatography can be performed by this method.

このように、屈折率測定装置102では、例えば塩化ナトリウム(Nacl)から免疫グロブリンG(IgG)までの分子量範囲(50〜15万)の無機塩、糖、タンパク質の混合物を1回の操作で約0.77秒という短時間の間に分離することができる。   Thus, in the refractive index measuring apparatus 102, for example, a mixture of inorganic salt, sugar, and protein having a molecular weight range (50 to 150,000) from sodium chloride (Nacl) to immunoglobulin G (IgG) can be reduced by one operation. Separation can be achieved in a short time of 0.77 seconds.

この場合、HDC装置100は、特別な充填カラム、ゲル、流路内部の特別な構造は必要なく、単に中空の長さ5mm程度の主流路113があればよく、また、送液のための高圧なポンプ類が不要で、100[Pa]以下の極めて小規模なポンプだけで実現することができる。   In this case, the HDC device 100 does not require a special packed column, gel, or a special structure inside the flow path, and may simply have a main flow path 113 having a hollow length of about 5 mm, and a high pressure for liquid feeding. These pumps are unnecessary, and can be realized with only a very small pump of 100 [Pa] or less.

<効果>
HDC装置100は、第2液を構成する複数の分子の分子量分布を、微小な主流路113からなる極めて単純な装置、手順により、短時間のうちに高速かつ高精度に測定することができる。
<Effect>
The HDC apparatus 100 can measure the molecular weight distribution of a plurality of molecules constituting the second liquid in a short time with high accuracy with a very simple apparatus and procedure including the minute main channel 113.

また、このHDC装置100において実現する主流路113は、背圧の低い短流路であり、そこに液送する圧力は、表面張力で実現されるほど極めて低くて済むため、低圧のポンプでよく、かつシールも容易である。サンプルを主流路113にインジェクションする際も、液送する圧力が低いため、特別なインジェクターは不要であり、液体導入穴110と主流路113との接続点からサンプルを単に供給するだけでよい。   The main flow path 113 realized in the HDC device 100 is a short flow path with low back pressure, and the pressure to feed the liquid there may be extremely low as it is realized with surface tension. And easy to seal. When injecting the sample into the main flow path 113, since the pressure for feeding the liquid is low, a special injector is not necessary, and the sample may be simply supplied from the connection point between the liquid introduction hole 110 and the main flow path 113.

さらに、HDC装置100は、マイクロ流路112の主流路113の液送方向に対して直交する流路断面のアスペクト比が1よりも大きいことにより、第2液が外部との相互作用なしに拡散と流れの効果だけで分子の分離を生じさせることが可能となる。   Further, in the HDC device 100, since the aspect ratio of the cross section of the micro flow channel 112 perpendicular to the liquid flow direction of the main flow channel 113 is larger than 1, the second liquid diffuses without interaction with the outside. It is possible to cause molecular separation only by the flow effect.

さらに、HDC装置100は、主流路113に溶質と相互作用する物質は全く存在せず、単なる中空でありながら、混合物のサンプルにおける50以下の分子量から16万を超える分子量までの範囲内で分離することができる。   Furthermore, the HDC device 100 has no substance that interacts with the solute in the main flow path 113 and is merely hollow, but separates within a range from a molecular weight of 50 or less to a molecular weight exceeding 160,000 in the sample of the mixture. be able to.

なお、HDC装置100では、第2液の合計濃度Callの測定には、全反射光学系からなる屈折率測定装置102を用い、光源からの反射光をマイクロ流路112の下方からカメラ部120により撮像する構成であるため、カメラ部120を移動させる可動部品が不要であり、全体の構成を簡素化できると共に低コストで実現することができる。   In the HDC device 100, the refractive index measuring device 102 made of a total reflection optical system is used to measure the total concentration Call of the second liquid, and the reflected light from the light source is transmitted from below the microchannel 112 by the camera unit 120. Since it is the structure which images, the movable part which moves the camera part 120 is unnecessary, and it can implement | achieve at low cost while the whole structure can be simplified.

<他の実施の形態>
なお上述した実施の形態においては、非負最小二乗法等の成分濃度測定方法により第2液の分子量分布A(Q)を求めるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、屈折率測定装置102により測定された第2液の合計濃度Callの時空間分布と、既に過去に求めておいた合計濃度Callの時空間分布(教師データ)とを照合することにより、教師有り学習法で第2液の分子量分布を求めるようにしてもよい。
<Other embodiments>
In the above-described embodiment, the case where the molecular weight distribution A (Q) of the second liquid is obtained by the component concentration measurement method such as the non-negative least square method has been described. The supervised learning method by collating the spatiotemporal distribution of the total concentration Call of the second liquid measured by the rate measuring device 102 with the spatiotemporal distribution (teacher data) of the total concentration Call that has been obtained in the past. Thus, the molecular weight distribution of the second liquid may be obtained.

また、上述した実施の形態においては、非負最小二乗法等の成分濃度測定方法(計算手法)により第2液の分子量分布A(Q)を求めるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、その他の疑似逆行列やスペクトル分解、一般調和解析等の成分濃度測定方法(計算手法)を用いて、第2液の分子量分布A(Q)を求めるようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the case where the molecular weight distribution A (Q) of the second liquid is obtained by the component concentration measurement method (calculation method) such as the non-negative least square method has been described. However, the molecular weight distribution A (Q) of the second liquid may be obtained using a component concentration measurement method (calculation method) such as other pseudo inverse matrix, spectral decomposition, and general harmonic analysis.

さらに、上述した実施の形態においては、分子の拡散係数Qが一定であることを前提として第2液の分子量分布A(Q)を求めるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、分子の拡散係数Qが第1液と第2液との混合過程で変化するような場合であっても適用することができる。この場合、HDC装置100では、非常に短い主流路113で短時間のうちに流れ切るので、分子の拡散係数Qが変化する前に第2液の分子量分布A(Q)を求めることができる。   Further, in the above-described embodiment, the case where the molecular weight distribution A (Q) of the second liquid is obtained on the assumption that the diffusion coefficient Q of the molecule is constant has been described. However, the present invention is not limited to this. However, the present invention can be applied even when the molecular diffusion coefficient Q changes in the mixing process of the first liquid and the second liquid. In this case, in the HDC device 100, since it flows out in a short time in the very short main channel 113, the molecular weight distribution A (Q) of the second liquid can be obtained before the molecular diffusion coefficient Q changes.

さらに、上述した実施の形態においては、第2液の液送に定圧の圧力制御ポンプ106を用いるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ろ紙、または、ピラー構造を使った表面張力により第2液を液送するようにしても良い。   Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the pressure control pump 106 having a constant pressure is used for feeding the second liquid has been described. However, the present invention is not limited to this, and a filter paper or a pillar structure is used. The second liquid may be fed by the surface tension.

本願の分子量分布測定方法および分子量分布測定装置は、測定の自動化も容易であり、測定時間の短さを利用した連続測定などに適する。特に、拡散係数が大きくなる化学反応の初期過程を測定することができるという特徴を有するため、化学反応の反応時間の長い測定の時間短縮化を図るのに適する。したがって、このような生化学、医療、食品、化学工学分野での利用価値が高い。   The molecular weight distribution measuring method and the molecular weight distribution measuring apparatus of the present application can be easily automated, and are suitable for continuous measurement using a short measurement time. In particular, since it has a feature that an initial process of a chemical reaction with a large diffusion coefficient can be measured, it is suitable for shortening the measurement time of a long chemical reaction. Therefore, the utility value in such biochemical, medical, food and chemical engineering fields is high.

100…HDC測定装置(分子量分布測定装置)、101…マイクロ流路チップ、102…屈折率測定装置(算出部)、103…FEPチューブ、104…液体分注装置(注入装置)、105…気液分離装置、106…圧力制御ポンプ(液送部)、110…液体導入穴、111…液体排出穴、112…マイクロ流路チップ、113…主流路(流路)、120……カメラ部、200…流路、201…流路入口面、202…流路出口。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... HDC measuring apparatus (molecular weight distribution measuring apparatus), 101 ... Microchannel chip, 102 ... Refractive index measuring apparatus (calculation part), 103 ... FEP tube, 104 ... Liquid dispensing apparatus (injection apparatus), 105 ... Gas-liquid Separator, 106 ... Pressure control pump (liquid feeding part), 110 ... Liquid introduction hole, 111 ... Liquid discharge hole, 112 ... Micro-channel chip, 113 ... Main channel (channel), 120 ... Camera part, 200 ... A flow path, 201: a flow path inlet surface, 202: a flow path outlet.

Claims (4)

流路形成部材の流路内において、少なくとも第1液と複数の分子が混合された第2液とが接触した状態で当該第1液および当該第2液を液送させる液送ステップと、
前記流路内で接触された前記第1液と前記第2液とが互いに拡散したときの当該第2液の合計濃度分布を測定する測定ステップと、
前記測定ステップで測定された前記合計濃度分布に基づいて前記第2液を構成する前記複数の分子の分子量分布を算出する分子量分布算出ステップと
を有することを特徴とする分子量分布測定方法。
A liquid feeding step for feeding the first liquid and the second liquid in a state where at least the first liquid and the second liquid in which a plurality of molecules are mixed are in contact with each other in the flow path of the flow path forming member;
A measurement step of measuring a total concentration distribution of the second liquid when the first liquid and the second liquid contacted in the flow path diffuse to each other;
A molecular weight distribution measuring method comprising: calculating a molecular weight distribution of the plurality of molecules constituting the second liquid based on the total concentration distribution measured in the measuring step.
請求項1記載の分子量分布測定方法において、
前記測定ステップは、前記流路形成部材の流路壁面近傍の前記合計濃度分布を測定する
ことを特徴とする分子量分布測定方法。
The molecular weight distribution measurement method according to claim 1,
The measurement step includes measuring the total concentration distribution in the vicinity of the flow path wall surface of the flow path forming member.
請求項1記載の分子量分布測定方法において、
前記流路形成部材は、液送方向とは直交する断面のアスペクト比が1よりも大きい
ことを特徴とする分子量分布測定方法。
The molecular weight distribution measurement method according to claim 1,
The flow path forming member has an aspect ratio of a cross section perpendicular to the liquid feeding direction of greater than 1. A molecular weight distribution measurement method, wherein:
流路が形成された流路形成部材と、
前記流路内において、少なくとも第1液と複数の分子が混合された第2液とを接触させた状態で当該第1液および当該第2液を液送させる液送部と、
前記流路内で接触された前記第1液と前記第2液とが互いに拡散したときの当該第2液の合計濃度分布を測定する測定部と、
前記測定部で測定された前記合計濃度分布に基づいて前記第2液を構成する前記複数の分子の分子量分布を算出する分子量分布算出部と
を備えることを特徴とする分子量分布測定装置。
A flow path forming member in which a flow path is formed;
A liquid feeding section for feeding the first liquid and the second liquid in a state where at least the first liquid and the second liquid in which a plurality of molecules are mixed are in contact with each other in the flow path;
A measuring unit for measuring a total concentration distribution of the second liquid when the first liquid and the second liquid contacted in the flow path diffuse to each other;
A molecular weight distribution measuring device comprising: a molecular weight distribution calculating unit that calculates a molecular weight distribution of the plurality of molecules constituting the second liquid based on the total concentration distribution measured by the measuring unit.
JP2015129495A 2015-06-29 2015-06-29 Molecular weight distribution measuring method and molecular weight distribution measuring apparatus Expired - Fee Related JP6346126B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015129495A JP6346126B2 (en) 2015-06-29 2015-06-29 Molecular weight distribution measuring method and molecular weight distribution measuring apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015129495A JP6346126B2 (en) 2015-06-29 2015-06-29 Molecular weight distribution measuring method and molecular weight distribution measuring apparatus

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017015424A JP2017015424A (en) 2017-01-19
JP6346126B2 true JP6346126B2 (en) 2018-06-20

Family

ID=57830234

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015129495A Expired - Fee Related JP6346126B2 (en) 2015-06-29 2015-06-29 Molecular weight distribution measuring method and molecular weight distribution measuring apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6346126B2 (en)

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS55121130A (en) * 1979-03-10 1980-09-18 Showa Denko Kk Measuring method for diffusion coefficient in laplace transforming method
JP3491042B2 (en) * 2001-09-27 2004-01-26 東北大学長 How to measure liquid diffusion coefficient
JP3775305B2 (en) * 2002-01-31 2006-05-17 コニカミノルタホールディングス株式会社 Liquid mixing mechanism and liquid mixing method
JP2005257303A (en) * 2004-03-09 2005-09-22 Hamamatsu Kagaku Gijutsu Kenkyu Shinkokai Method and apparatus for measuring concentration and distribution of sample due to x-rays
US20110300570A1 (en) * 2008-11-14 2011-12-08 The Brigham And Women's Hospital, Inc. Method and system for generating spatially and temporally controllable concentration gradients
JP5818325B2 (en) * 2012-08-22 2015-11-18 日本電信電話株式会社 Blood coagulation measurement method
JP6026962B2 (en) * 2013-06-19 2016-11-16 日本電信電話株式会社 Blood condition measurement method
JP2015004540A (en) * 2013-06-19 2015-01-08 日本電信電話株式会社 Flow velocity measuring method and apparatus, measuring chip and program
JP6243287B2 (en) * 2014-04-24 2017-12-06 日本電信電話株式会社 Diffusion coefficient measuring method and diffusion coefficient measuring apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017015424A (en) 2017-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104995509B (en) Fluidic device
Nery-Azevedo et al. Diffusiophoresis in ionic surfactant gradients
Otzen et al. Microfluidics and the quantification of biomolecular interactions
US20090142853A1 (en) Microfluidic system and methods
Casto et al. A miniature 3D printed LED-induced fluorescence detector for capillary electrophoresis and dual-detector Taylor dispersion analysis
Steuer et al. Comparison of high-performance liquid chromatography, supercritical fluid chromatography and capillary zone electrophoresis in drug analysis
US10107781B2 (en) Method for separating biological molecules and cells in solution
Misiunas et al. Density-dependent speed-up of particle transport in channels
EP4528267A2 (en) An analytical method and apparatus
Kennedy Bioanalytical applications of fast capillary electrophoresis
Dunn High-speed capillary electrophoresis using a thin-wall fused-silica capillary combined with backscatter interferometry
Zhang et al. Inkjet printing based separation of mammalian cells by capillary electrophoresis
Peter et al. Microscale diffusiophoresis of proteins
Wattanasin et al. Zone fluidics for measurement of octanol–water partition coefficient of drugs
Geiger et al. Effect of surface adsorption on temporal and spatial broadening in micro free flow electrophoresis
US20100225898A1 (en) Optical assembly and method
Ciura et al. Biopartitioning micellar electrokinetic chromatography–Concept study of cationic analytes
Iwasaki et al. Direct measurement of near-wall molecular transport rate in a microchannel and its dependence on diffusivity
JP6346126B2 (en) Molecular weight distribution measuring method and molecular weight distribution measuring apparatus
JP6243287B2 (en) Diffusion coefficient measuring method and diffusion coefficient measuring apparatus
Gibouin et al. Molecular rotors for in situ viscosity mapping during evaporation of confined fluid mixtures
US6808929B1 (en) Device and method for physiochemical measurements
JP4908590B2 (en) Determination of hydrodynamic radii of components of a mixture by analysis of Taylor dispersion following separation by capillary electrophoresis
Majcher et al. A method for rapid screening of interactions of pharmacologically active compounds with albumin
Tsuyama et al. Concentration determination at a countable molecular level in nanofluidics by solvent-enhanced photothermal optical diffraction

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170823

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180419

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180522

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180524

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6346126

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees