[論文レビュー] Separation of microscale chiral objects by shear flow

Marcos Marcos, Henry Fu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2010

Nanopore and Nanochannel Transport Studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、非動くヘリカルバクテリアなどのマイクロスケールキラル物体が、異方的ドラッグ力によってマイクロフルイディクス剪切流れで横方向の漂流を経験することを示しており、キラリティに基づく効率的（80％以上）かつ高速（2秒未塔）な分離が可能である。漂流の方向はヘリックスのヘリシティと剪切の符号に依存し、実験結果は抵抗力理論の予測と一致しており、40 nmまでのキラル分子の分離への応用が可能であることを示している。

ABSTRACT

We show that plane parabolic flow in a microfluidic channel causes nonmotile helically-shaped bacteria to drift perpendicular to the shear plane. Net drift results from the preferential alignment of helices with streamlines, with a direction that depends on the chirality of the helix and the sign of the shear rate. The drift is in good agreement with a model based on resistive force theory, and separation is efficient (>80%) and fast (<2s). We estimate the effect of Brownian rotational diffusion on chiral separation and show how this method can be extended to separate chiral molecules.

研究の動機と目的

• キラル媒体を用いずに、低コストでスケーラブルなマイクロスケールキラル物体の分離法を開発すること。
• 剪切流れが非動くヘリカルバクテリアにキラリティ依存の横方向漂流を引き起こすことを実証すること。
• ブラウン運動による回転拡산がキラル分離効率に与える影響を定量化すること。
• 剪切流れを用いたキラル分離の理論的下限サイズを推定し、ナノスケールキラル分子への応用を拡張すること。
• 高剪切率と代替的整列メカニズムを用いて、この手法を分子スケールのキラル分離に拡張可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 高剪切率（>10^6 s⁻¹）で平面的剪切流れを生成するため、放物線的流れプロファイルを有するマイクロフルイディクスチャネルを用いた。
• 長さ約16 µm、直径約200 nmの非動く右巻きヘリカルスピロケート（Leptospira biflexa flaB 突然変異株）を、キラル粒子のモデルとして用いた。
• 抵抗力理論（RFT）を用いて、ドラッグの異方性をモデル化した：ヘリックス断片が流れに対して横方向にあるとき、抵抗が大きくなる。
• 方向依存ドラッグとジェファリー軌道ダイナミクスを用いて、合成漂流速度を計算し、漂流方向はヘリックスのキラリティと剪切の符号によって決定された。
• 回転拡散（DR = 2.3×10⁻³ s⁻¹）と剪切誘導回転速度を含むFokker-Planck方程式を用いて、方位分布をモデル化した。
• Peclet数（Pe = γ̇ / DR）を用いて最小分解能サイズを推定し、剪切整列とブラウン運動のバランスをとった。ストークス流れ（Re ≪ 1）を前提とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロチャネル内の剪切流れが、異方的流体力学的ドラッグによって非動くキラルマイクロスケール物体に横方向の漂流を引き起こすか？
• RQ2 漂流の方向と大きさは、ヘリックスのキラリティと剪切率の符号にどのように依存するか？
• RQ3 ブラウン運動による回転拡散はキラル分離をどの程度妨げるのか？その影響が顕著になるサイズスケールは何か？
• RQ4 剪切率とレイノルズ数の制約を考慮した場合、この手法によるキラル分離の理論的下限サイズは何か？
• RQ5 高剪切率と粒子の整列制御を用いることで、この手法をキラル分子（例：40 nm未満）の分離に拡張可能か？

主な発見

• 放物線的剪切流れ中における右巻きヘリックスは、流れ平面に垂直に漂流し、方向はキラリティと剪切の符号に依存する。実験で約0.41 µm s⁻¹の漂流が確認された。
• 抵抗力理論と方位分布モデリングによる理論的漂流速度（0.81–1.22 µm s⁻¹）は、測定値（0.41 µm s⁻¹）とよく一致しており、わずかな不一致は柔軟性に起因する可能性がある。
• キラル分離効率は80％以上に達し、2秒未塔で実現され、高速かつ高収率の分離が可能であることを示した。
• Peclet数（Pe = γ̇ / DR）が整列を決定づける：実験ではPe ≈ 4×10⁴であり、剪切がブラウン運動を上回っていることを示している。
• 理論的推定では、剪切率約10⁸ s⁻¹で40 nm粒子のキラル分離が可能であり、現代のマイクロフルイディクスシステムで達成可能である。
• 10⁶ s⁻¹までの剪切率はマイクロチャネルで実験的に達成されており、80 nm粒子の分離が可能である。最適化条件下では40 nmへの拡張が可能である。