DE69413470T2

DE69413470T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Teilchen

Info

Publication number: DE69413470T2
Application number: DE69413470T
Authority: DE
Inventors: Totaro C/O Canon Kabushuki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Imasaka; Kazuo C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Isaka; Takeshi C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Miyazaki; Toshikazu Ohta-Ku Tokyo Ohnishi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-07-08
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2014-07-08
Also published as: DE69413470D1; EP0635994B1; US6224732B1; EP0635994A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technologie zum Abscheiden von Teilchen mit Licht und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden dispergierter Teilchen.

In Beziehung stehender Stand der Technik

Es sind verschiedenartige Verfahren bekannt geworden, um Teilchen abzuscheiden, wie etwa mit lebenden Organismen in Beziehung stehende Teilchen, d. h. Zellen, Mikroorganismen, Liposome, etc., und synthetische Teilchen, d. h. Latexteilchen, Gelteilchen, Industrieteilchen, etc.
Beispielsweise gibt es eine Schrift über das Abscheiden von Teilchen unter Verwendung eines sogenannten Laser-Stoppens bzw. Laser-Haltens, in dem Teilchen durch Sammeln und Verdichten von Laserstrahlen in einem Raum eingegrenzt werden (H. Misawa, et al. Chem. Lett., 469(1991).
Das Laser-Stoppen ist eine Technologie zur Verarbeitung der Teilchen unter Anwendung einer dynamischen Lichtwirkung auf die Teilchen. Wenn ein Lichtstrahl mit einem Intensitätsgradienten, wie etwa ein Laserstrahl, verdichtet wird und auf Teilchen gestrahlt wird, wirken zwei Arten von Kräften auf die Teilchen, d. h. ein Lichtdruck (Bestrahlungsdruck), der in der Bestrahlungsrichtung des Lichtstrahls wirkt, und eine Kraft, um die Teilchen in der optischen Achse einzugrenzen (d. h. eine Lichtgradientenkraft). Sowohl der Lichtdruck als auch die Lichtgradientenkraft hängen von der Lichtintensität, einer Intensitätsverteilung in der Richtung der optischen Achse, die ein Kondensiergrad durch eine Linse und dergleichen ist, und einer Intensitätsverteilung in der zu der optischen Achse senkrechten Richtung ab. Der Lichtdruck und die Lichtgradientenkraft hängen ferner von dem Brechungsindex, dem Absorbtionsindex (Reflexionsvermögen) und der Teilchengröße ab. Teilchen können durch die Wirkung der Gradientenkraft unter den beiden Arten von Kräften in einer bestrahlten Position gestoppt werden.
Die Abscheidung von Teilchen unter Anwendung des vorbeschriebenen Laser-Stoppens wird wie folgt durchgeführt. Es ist eine Gruppe von Teilchen bestehend aus einer Mischung aus zwei Arten von Polystyren-Latex-Teilchen vorbereitet worden, die sich in der Größe voneinander unterscheiden. Laserstrahlen werden in einem Muster von Mehrfachringen gesammelt und verdichtet, und zwar durch optische Interferenz, um auf die Teilchen aufzutreffen. Wenn sich der Durchmesser der Ringe ändert, während die Teilchen an zugehörigen Ringen durch Licht gestoppt bzw. gehalten werden, springen geringfügig gehaltene kleinere Teilchen aus den Ringen und werden davon entfernt, wodurch lediglich größere Teilchen fortlaufend gehalten an den Ringen gestoppt werden. Daraus resultiert, daß die größeren Teilchen wahlweise abgeschieden werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Das vorbeschriebene Verfahren ist jedoch in der Abscheidefähigkeit unzureichend, wobei es schwierig ist, beispielsweise drei oder mehr Teilchengruppen mit Hilfe des Verfahrens abzuscheiden.
Die vorliegende Erfindung ist bewerkstelligt worden, um das Problem in den vorbeschriebenen herkömmlichen Verfahren zu überwinden. Die vorliegende Erfindung soll ein Verfahren und eine Vorrichtung schaffen, die in einer einfachen Weise eine bessere Abscheidefähigkeit erzielt.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Teilchen, wie in den Oberbegriffen der beigefügten unabhängigen Ansprüche dargelegt, ist aus der US-A-4887721 bekannt. Darin wird eine Vorrichtung gezeigt, die eine Durchflußzelle hat, in der in einem Dispergierungsmittel dispergierte Teilchen entlang eines Strömungspfads getrieben werden, und zwar unter Bestrahlung von einem ersten Antriebslaser, der unter Anwendung eines Versuchslasers identifiziert worden ist, und von dem Strömungspfad abgelenkt und unter Anwendung eines zweiten Antriebslasers sortiert werden.
Es ist ebenso anerkannt, daß die US-A-5100627 ein Verfahren und eine Vorrichtung zeigt, in der in einem Dispergierungsmittel dispergierte Teilchen mittels Laserstrahlen manipuliert werden, während diese in erweiterten Volumina gehalten werden, die in einem Durchflußkanal einer Durchflußzelle eingerichtet sind.
Ein Verfahren zur Abscheidung dispergierter Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch ein Bestrahlen der strömenden Teilchen mit einem im wesentlichen mit Streifen versehenen Muster gekennzeichnet, wobei die Streifen des Musters den Strömungspfad kreuzen, wodurch darauf eine Bremskraft aufgebracht wird, und zwar in Abhängigkeit von der Größe der Art jedes Teilchens.
Eine Vorrichtung zur Abscheidung dispergierter Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch eine optische Einrichtung gekennzeichnet, die geeignet ist, die dispergierten Teilchen mit einem im wesentlichen mit Streifen versehenen Muster zu bestrahlen, wobei die Streifen des Musters den Strömungspfad kreuzen, um eine Bremskraft auf die Teilchen aufzubringen, und zwar in Abhängigkeit von der Größe der Art jedes Teilchens.
Zum weiteren Verständnis der vorliegenden Erfindung sind deren bevorzugte Ausführungsbeispiele in den abhängigen Ansprüchen beschrieben worden und werden nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 einen Zustand, in dem Licht auf eine Durchflußzelle gestrahlt wird;
Fig. 2 die Struktur eines Fluidträgersystems in einer Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine Zeichnung der Struktur eines optischen Bestrahlungssystems in einer Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 die Struktur eines Fluidträgersystems in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 einen Strömungszustand eines Fluids in elektroosmotischer Strömung;
Fig. 6 einen Strömungszustand eines Fluids unter Druck;
Fig. 7 die Struktur eines optischen Abtastsystems in einer Vorrichtung in einem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 8 die Beziehung zwischen einer Durchflußzelle und einem Abtastlicht in einem vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 9A eine weitere Einrichtung zur Lichtbestrahlung;
Fig. 9B ein weiteres Muster eines Strömungspfads;
Fig. 10A eine weitere Einrichtung zur Lichtbestrahlung;
Fig. 10B ein weiteres Muster eines Strömungspfads;
Fig. 11 die Struktur einer Durchflußzelle in einem fünften Ausführungsbeispiel; und
Fig. 12A und 12B einen Prozeß zum Erzeugen der Durchflußzelle in dem fünften Ausführungsbeispiel.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele.

Ausführungsbeispiel 1

Das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Fig. 2 und 3 zeigen die Gesamtstruktur einer Vorrichtung in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Fig. 2 zeigt die Struktur eines Fluidträgersystems in der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels. In Fig. 2 wird die Innenseite eines Probenkessels 4 mit einem mit Teilchen dispergierten Fluid 5 beladen, das aus einer Vielzahl (zumindest 3) Arten von Teilchen und einem Dispergierungsmittel (beispielsweise Wasser) zusammengesetzt ist. In diesem Falle ist die spezifische Schwerkraft der Teilchen auf demselben Niveau wie das des Dispergierungsmittels. Der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete Begriff "voneinander unterschiedliche Teilchen" bedeutet, daß die Teilchen sich voneinander in (1) der Größe, (2) dem Brechungsindex oder (3) der Größe und dem Brechungsindex unterscheiden. Bestimmte Beispiele der Teilchen schließen mit lebenden Organismen in Beziehung stehende Teilchen, wie etwa Zellen, Viren, Mikroorganismen, Liposome, DNAs und RNAs ein; synthetische Teilchen, wie etwa Latexteilchen, Gelteilchen, Industrieteilchen und Mizellen; Fremdteilchen, wie etwa Staub; und Erdteilchen ein.
Ein Kessel 6 wird mit einem Dispergierungsmittel 7 (beispielsweise ein wäßriges Lösungsmittel, wie etwa eine Pufferlösung oder ein organisches Lösungsmittel, wie etwa Ethanol) gefüllt. Schlauchleitungen 8 und 9 werden jeweils in dem Probenkessel 4 und in dem Kessel 6 eingesetzt, wobei diese Schlauchleitungen über ein Verbindungsglied 10 mit einem Strömungspfad 11 verbunden werden. Der Strömungspfad 11 ist mit einer aus Quarzglas angefertigten (an einer Stufe 19 gelagerten) Durchflußzelle 1 verbunden, wobei die Durchflußzelle 1 mit einer Auslaßkammer 12 verbunden ist. Die Innenseite der Auslaßkammer 12 wird durch ein Schließen eines Absperrglieds 13 luftdicht gehalten. Ein Abscheidungskessel 14 ist in dem Ablaufkessel 12 vorgesehen, wobei eine durch den Strömungsweg strömende Flüssigkeit in den Abscheidungskessel 14 aufgenommen wird. In dieser Einrichtung wird eine Saugpumpe 15 aktiviert, um den Innendruck in der Ablaufkammer gering zu halten, so daß eine Strömung des die Teilchen enthaltenen Dispergierungsmittel in der Strömungszelle 1 gebildet werden kann. Eine Teilchenmeßeinrichtung 16, in der eine optische (Ermittlung von Streulicht und Ermittlung von Fluoreszenz), elektrische, magnetische oder akustooptische Ermittlungstechnologie angewendet wird, ist stromab der Durchflußzelle 1 vorgesehen.
Fig. 3 zeigt die Struktur eines optischen Bestrahlungssystems in einer Vorrichtung in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. In Fig. 3 ist mit 20 eine Lichtquelle bezeichnet. Die Wellenlänge der Lichtquelle 20 liegt vorzugsweise in dem Wellenlängenbereich, in der eine Lichtabsorbtion mittels der Teilchen gering ist, beispielsweise in dem Wellenlängenbereich, in dem eine Beschädigung aufgrund der Lichtbestrahlung minimal ist (wie in dem Bereich von Nah-Infrarot zu Infrarot), und zwar im Falle von mit lebenden Organismen in Beziehung stehenden Teilchen, wie etwa Zellen. Insbesondere kann eine Lichtquelle eines (Gauß'schen Strahlen)-Lasers einer TEM 00-Art, beispielsweise ein Feststofflaser, wie etwa ein YAG-Laser, ein Gas-Laser, wie etwa Ar&spplus;-Laser, oder ein Halbleiterlaser verwendet werden. Ferner kann neben der Laserlichtquelle jede andere Lichtquelle verwendet werden, sofern sie Licht mit dem Intensitätsgrandienten erzeugen kann.
Ein von der Lichtquelle ausgestrahlter Lichtstrahl 22 wird mittels einer Strahlausweiteinrichtung 21 ausgeweitet und anschließend mittels einer Polarisierungsstrahlspalteinrichtung 23 zweigeteilt. Die beiden geteilten Strahlen 24 und 25 werden zu der Polarisierungsstrahlspalteinrichtung 23 zurückgeführt, und zwar jeweils mittels eines optischen Reflexionssystems, das aus einer Viertelwellenplatte 26 und einem Reflektierspiegel 27 zusammengesetzt ist, der senkrecht zu der optische Achse eingerichtet ist, und mittels eines optischen Reflexionssystems, das aus einer Viertelwellenplatte 28 und einem Reflektierspiegel 29 zusammengesetzt ist, der ausgehend von einer zu der optischen Achse senkrechten Ebene leicht geneigt ist. Die beiden Strahlen werden mittels der Strahlspalteinrichtung 23 gemischt, um ein Interferenzlicht 30 zu bilden. Da der Reflektierspiegel 29 leicht geneigt ist, bildet das Interferenzlicht 30 lineare Interferenzstreifen, in denen sich helle und dunkle Abschnitte in gleichen Intervallen wiederholen. Diese hellen und dunklen Abschnitte in dem Interferenzstreifen haben eine Intensitätsverteilung in der Form einer sinusförmigen Welle. Ferner kann der Abstand und die Richtung der hellen und dunklen Abschnitte in dem Interferenzstreifen dadurch gesteuert werden, daß der Neigungswinkel auf die geneigte Richtung des Reflektierspiegels 29 eingestellt wird.
Das somit erhaltene Interferenzlicht 30 wird durch ein Linsensystem 31 auf den Strömungspfad in der Durchflußzelle 1 durch ein Linsensystem 31 bestrahlt. Fig. 1 zeigt einen Zustand, in dem die Durchflußzelle 1 mit dem Licht bestrahlt wird. Das Interferenzlicht wird derart bestrahlt, daß die ein Streifenmuster darstellenden Interferenzstreifen 3 den linearen Strömungspfad 2 kreuzen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der durch den Strömungspfad und dem Interferenzstreifen eingeschlossene Winkel 90º, wobei der Winkel allerdings keinesfalls auf 90º beschränkt ist. Der Winkel kann durch ein Neigen der Durchflußzelle mittels der Stufe 19 geändert werden.
Die Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist derart eingerichtet, daß die Bestrahlungsintensität des Interferenzlichts, das von der Lichtquelle ausgesandt wird, um an der Bestrahlungsposition aufzutreffen, eingestellt werden kann, um einen Schwellenwert zur Abscheidung der Teilchen gemäß der Größe und des Brechungsindexes festzulegen. Bestimmte Ausführungsbeispiele der Einstellung können einschließen: (1) eine Einstellung der Ausstrahlungsintensität von Licht von der Lichtquelle, (2) eine Einstellung der Bestrahlungsmenge durch Festlegen eines Modulierelements oder eines Filters in dem optischen Weg und (3) eine Einstellung der wesentlichen Bestrahlungsmenge durch Steuern einer Ausweitungsrate des Linsensystems oder der Strahlenausweiteinrichtung. Ferner kann der Schwellwert zur Abscheidung von Teilchen dadurch geändert werden, daß die Wellenlänge des Interferenzlichts gesteuert wird.
Ferner kann der Schwellwert oder die Abscheidungsauflösung ebenso durch Einstellen des Abstands der hellen und dunklen Abschnitte in dem Interferenzstreifen durch das Interferenzlicht festgelegt werden. Bestimmte Beispiele dieser Einstellung können (1) eine Einstellung des Neigungswinkels des Reflektierspiegels 29 und (2) ein Ändern des einfallenden Winkels des Bestrahlungslichts auf die Durchflußzelle 1 mittels der Stufe 19 einschließen.
Wie vorbeschrieben können die Abscheidungsbedingungen einfach dadurch geändert werden, daß die Bestrahlungsbedingungen für Licht geändert werden, wodurch das Verfahren und die Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels auf Abscheidungen verschiedener Arten von Teilchen flexibel angewendet werden kann.
Die optische Einrichtung zur Bildung der Interferenzstreifen ist nicht auf die in der Fig. 3 gezeigte begrenzt. Vielerlei Abwandlungen können entworfen werden. Beispielsweise ist es möglich, daß ein Strahl von der Lichtquelle schräg auf einen Halbspiegel einfallend erzeugt wird und daß zwei abgezweigte Strahlen mittels jeweiliger Spiegel durch verschiedene Pfade geführt und gemischt werden, um miteinander an der bestrahlten Position zu interferieren. Eine weitere mögliche Anordnung ist eine solche, in der ein Strahl von der Lichtquelle auf ein Gitter einfallend erzeugt wird und eine Vielzahl von dadurch erzeugten Beugungsstrahlen (beispielsweise +1. Lichtordnung und -1. Lichtordnung) mittels jeweiliger Spiegel durch verschiedene Pfade geführt und gemischt werden, um miteinander an der bestrahlten Position zu interferieren.
Ferner kann ein Interferenzlicht zur Bildung von Interferenzstreifen in einem Muster von konzentrischen Kreisen verwendet werden, und zwar zusätzlich zu dem Interferenzlicht zur Bildung von Interferenzstreifen in einem Streifenmuster. Das Interferenzlicht eines Musters aus konzentrischen Kreisen kann durch die Newton'schen Ringe oder durch eines dargestellt sein, das durch Anordnen des Reflektierspiegels 29 als ein Konvexspiegel oder ein Konkavspiegel erhalten wird.
Nachstehend ist der Betrieb der Vorrichtung in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. In Fig. 2 wird das Verbindungsglied 10 zu der Seite der Schlauchleitung 8 gedreht, wobei das mit dispergierten Teilchen versehene Fluid im Probenkessel 4 etwas in den Strömungspfad 11 strömen kann.
Anschließend wird das Verbindungsglied zu der Seite der Schlauchleitung 9 verstellt, um lediglich das Dispergierungsmittel strömen zu lassen. Daraus resultiert, daß die Teilchen in der Strömung des Dispergierungsmittels in die Durchflußzelle 1 strömen können. An der bestrahlten Position des Interferenzlichts wird eine größere Wirkkraft (Bremskraft) auf die Teilchen mit größeren Teilchengrößen (oder größeren Brechungsindizes) in Vergleich mit Teilchen mit kleineren Teilchengrößen (oder kleineren Brechungsindizes) ausgeübt. Jedes Teilchen nimmt aufgrund der Lichtgradientenkraft die Bremskraft auf, und zwar immer dann, wenn es einen Streifen in dem Interferenzmuster überquert. Da die Teilchen viele Interferenzstreifen überqueren, hat die Vorrichtung eine exzellente Abscheidungsfähigkeit. Demgemäß gehen die kleinere Bremskräfte aufnehmenden Teilchen schneller durch die bestrahlte Position durch, wodurch die Teilchen abgeschieden werden können, um in der Größenordnung ausgehend von den kleinere Bremskräfte aufnehmenden Teilchen zu den größere Bremskräfte aufnehmenden Teilchen zu strömen.
Die Teilchen, die separiert worden sind, um zu strömen, werden mittels der Meßeinrichtung 16 gemessen und anschließend in einem Abscheidungskessel 14 aufgenommen. Durch Auswechseln des Abscheidungskessels 14 mit einem anderen zu einem gegebenen Zeitpunkt, können die Teilchen separat aufgenommen werden, und zwar jede separierte Gruppe von Teilchen.

Ausführungsbeispiel 2

Nachstehend ist das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben, in dem sich das Fluidträgersystem von dem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet. Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß eine elektroosmotische Strömung zur Beförderung des Fluids verwendet wird. Bevor dieses Ausführungsbeispiel beschrieben wird, wird anhand der Fig. 5 das Prinzip der elektroosmotischen Strömung erklärt.
Die Wände in dem Strömungspfad haben negative elektrische Ladungen, die durch Ionisierung von Silanolgruppen oder dergleichen ortsfest sind. Eine Lösung in dem Strömungspfad wird positive Elektronenladungen entsprechend den negativen Elektronenladungen haben, um diese zu neutralisieren, wodurch elektrische Doppelschichten gebildet werden. Wenn hierbei ein elektrisches Feld auf den Strömungspfad in derartiger Weise ausgeübt wird, daß eine positive Elektrode an der stromaufwärtigen Seite der Strömung und eine negative Elektrode an der stromabwärtigen Seite der Strömung angeordnet ist, nehmen die positiven elektrischen Ladungen eine Kraft auf, und zwar wegen des elektrischen Feldes, wobei sich die gesamte Lösung in Richtung auf die negative Elektrode bewegt. Eine Geschwindigkeitsverteilung der elektroosmotischen Strömung in dem Strömungspfad ist nahezu gleichmäßig, ausgenommen in der nächsten Umgebung der elektrischen Doppelschichten (eine Dicke von mehreren 10 nm (mehrere Å, wie gemäß der Pfeile in Fig. 5 gezeigt)), was einer Pfropfenströmung nahekommt. Im Falle des generellen Verfahrens zum Befördern einer Flüssigkeit unter Anwendung von Wasserdruck, wie etwa durch eine Pumpe, wird die Strömungsgeschwindigkeit schneller, wenn sich die Position der Mitte des Strömungspfads nähert, wie in Fig. 6 gezeigt und im Unterschied zur Pfropfenströmung. Wenn daher die Teilchen unter Anwendung der elektroosmotischen Strömung abgeschieden werden, kann die Abscheidungsfähigkeit beträchtlich verbessert werden, da die Flüssigkeit nicht gestört wird.
Nachstehend wird ein Fluidträgersystem des vorliegenden Ausführungsbeispiels anhand der Fig. 4 beschrieben. In Fig. 4 haben die auch in Fig. 2 gezeigten Bauteile die gleichen Bezugszeichen. Elektroden 100a, 100b und 100c werden jeweils in den Abscheidungskessel 14, den Kessel 6 und den Probenkessel 4 eingesetzt und in jeweiligen Flüssigkeiten in den dazugehörigen Kesseln eingetaucht. Jeder dieser Elektroden ist mit einer Hochspannungsgleichstromenergiequelleneinheit 17 verbunden, so daß die negative Elektrizität auf die Elektrode 100a und die positive Elektrizität auf entweder die Elektrode 100b oder 100c durch ein Umschalten eines Relais 18 wahlweise angelegt wird. Der Betrieb der Vorrichtung ist nachstehend beschrieben.
Zunächst wird ein Verbindungsglied 10 zu der Seite des Schlauchrohrs 8 gedreht und die Hochspannungsgleichstromenergiequelleneinheit 17 aktiviert, wodurch die positive Elektrizität auf die in dem Probenkessel 4 vorgesehene Elektrode 100c und die negative Elektrizität auf die in dem Abscheidungskessel 14 vorgesehene Elektrode 100a angelegt wird. Eine elektroosmotische Strömung wird durch diesen Betrieb gemäß dem oben beschriebenen Prinzip erzeugt, wobei sich das Fluid 5 mit dispergierten Teilchen in dem Probenkessel 4 durch das Schlauchrohr 8 bewegt. Wenn eine geringe Menge des Fluids mit dispergierten Teilchen durch das Verbindungsglied 10 in den Strömungspfad 11 strömt, wird das Verbindungsglied 10 zu der Seite des Schlauchrohrs 9 geschaltet und wird durch ein Umschalten des Relais 18 die positive Elektrizität auf die Elektrode 100b in dem Kessel 6 angelegt. Durch diesen Vorgang strömt lediglich das Dispergierungsmittel 7 mittels der elektroosmotischen Strömung, so daß die Teilchen in der Strömung des Dispergierungsmittels in der Durchflußzelle 1 strömen.
Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Durchflußzelle 1 mit dem Interferenzlicht bestrahlt, wobei eine größere Wirkkraft (beispielsweise eine Bremskraft) auf Teilchen mit größeren Teilchengrößen (oder größeren Brechungsindizes) im Vergleich mit Teilchen mit kleineren Teilchengrößen (oder kleineren Brechungsindizes) ausgeübt wird. Jedes der Teilchen nimmt aufgrund der Lichtgradientenkraft die Bremskraft auf, und zwar immer dann, wenn es einen Streifen der Interferenzstreifen überquert. Da diese Teilchen viele Interferenzstreifen überqueren, hat die Vorrichtung eine herausragende Abscheidungsfähigkeit. Demgemäß gehen die kleinere Bremskräfte aufnehmenden Teilchen schneller durch die bestrahlte Position, wodurch die Teilchen zur Strömung separiert werden können, um in der Größenordnung ausgehend von den kleinere Bremskräfte aufnehmenden Teilchen zu den größere Bremskräfte aufnehmenden Teilchen zu strömen.

Ausführungsbeispiel 3

Das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Lichtabtasten durchgeführt, und zwar in einer Richtung, um den Strömungspfad in der Strömungszelle eines Linearmusters zu kreuzen.
Fig. 7 zeigt die Struktur eines optischen Abtastsystems in der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Mit 40 ist in Fig. 7 eine Lichtquelle bezeichnet. Die Wellenlänge der Lichtquelle 40 ist vorzugsweise in dem Wellenlängenbereich, in dem eine Lichtabsorbtion mittels der Teilchen gering ist, beispielsweise in dem Wellenlängenbereich, in dem ein Schaden aufgrund der Lichtbestrahlung minimal ist (wie in dem Bereich von Nah-Tnfrarot zu Infrarot), und zwar im Falle von mit lebenden Organismen in Beziehung stehenden Teilchen, wie etwa Zellen. Insbesondere kann eine Lichtquelle eines (Gauß'schen Strahlen-) Lasers einer TEM00-Art verwendet werden, d. h. ein Feststofflaser, wie etwa ein YAG-Laser, ein Gaslaser, wie etwa ein Ar&spplus;-Laser oder ein Halbleiterlaser. Ferner kann neben der Laserlichtquelle jegliche andere Lichtquelle verwendet werden, sofern diese Licht mit dem Intensitätsgradienten erzeugen kann.
Ein von der Lichtquelle 40 ausgestrahlter Lichtstrahl wird mittels zweier Galvanospiegeln 41 und 42 zweidimensional abgelenkt, um durch ein Linsensystem 43, das eine zweidimensionale Abtastung durchführt, an der Durchflußzelle 1 aufzutreffen. Es ist anzumerken, daß neben den Galvanospiegeln auch andere Lichtablenkungseinrichtungen angewendet werden können. Beispielsweise kann eine mögliche Einrichtung ein Dreh- Poligonspiegel, ein akustooptisches Element oder ein elektrooptisches Element sein. Ferner kann dieselbe Lichtbestrahlung, wie die vorbeschriebene, bewirkt werden, wenn das Lichtabtasten durchgeführt wird, während sich die Durchflußzelle bewegt. In diesem Falle kann das zweidimensionale Lichtabtasten an der Durchflußzelle dadurch erreicht werden, daß eine in eine Richtung gerichtete Lichtabtasteinrichtung eines Galvanospiegels mit einer Durchflußzellenbewegungseinrichtung der Stufe 19 kombiniert wird.
Die Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiel ist derart eingerichtet, daß die Bestrahlungsintensität des Abtastlichts, das von der Lichtstrahlen ausgesandt wird, um auf die Abtastposition aufzutreffen, eingestellt werden kann, um einen Schwellwert zur Abscheidung der Teilchen gemäß der Größe oder des Brechungsindexes festzulegen. Bestimmte Beispiele der Einstellung können einschließen: (1) eine Einstellung der Ausstrahlungsintensität von Licht von der Lichtquelle, (2) eine Einstellung der Bestrahlungsmenge durch Festlegen eines Modulierelements oder eines Filters in dem optischen Pfad und (3) eine Einstellung der wesentlichen Bestrahlungsmenge durch Steuern des Linsensystems. Ferner kann der Schwellwert zur Abscheidung von Teilchen durch Steuern der Wellenlänge des Abtastungslichts geändert werden.
Ferner kann der Schwellwert oder die Abscheidungsauflösung dadurch festgelegt werden, daß das Abtastmuster (der Abstand oder die Abtastlänge) oder die Abtastgeschwindigkeit über eine Antriebssteuerung des optischen Abtastsystems eingestellt wird.
Wie vorbeschrieben können die Abscheidungsbedingungen einfach dadurch geändert werden, daß die Lichtbestrahlungsbedingungen geändert werden, wodurch die vorliegende Erfindung auf eine Abscheidung von verschiedenen Arten von Teilchen flexibel angewendet werden kann.
Nachstehend ist der Betrieb der Vorrichtung in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Gesamtstruktur der Vorrichtung entspricht derjenigen gemäß Fig. 2 oder gemäß Fig. 4. Nachstehend wird der Betrieb anhand der Fig. 2 erklärt. Das Verbindungsglied 10 wird zu der Seite der Schlauchleitung 8 gedreht, um eine geringe Menge des Fluids mit dispergierten Teilchen in dem Probenkessel 4 in den Strömungspfad 11 strömen zu lassen. Anschließend wird das Verbindungsglied zu der Seite des Schlauchrohrs 9 geschaltet, um lediglich das Dispergierungsmittel strömen zu lassen. Anschließend strömen die Teilchen in der Strömung des Dispergierungsmittels in der Durchflußzelle 1. An der bestrahlten Position des Abtastlichts wird eine größere Wirkkraft (beispielsweise eine Bremskraft) auf Teilchen mit größeren Teilchengrößen (oder größeren Brechnungsindizes) ausgeübt als auf Teilchen mit kleineren Teilchengrößen (oder kleineren Brechungsindizes). Wenn die Lichtabtastungsgeschwindigkeit viel größer (zumindest um das zehnfache größer) ist als die Strömungsgeschwindigkeit der Teilchen durch die Durchflußzelle, ist die Lichtintensität an der Abtastspur im wesentlichen die gleiche zu den Teilchen wie in dem Falle, in dem ein über die Zeitdauer gemitteltes gleichmäßiges Licht bestrahlt wird. Somit nehmen die Teilchen wegen der Lichtgradientenkraft die Bremskraft auf, und zwar immer dann, wenn die Teilchen einen Streifen in der Lichtabtastungsspur überqueren. Da die Teilchen viele Streifen in der Abtastungsspur überqueren, kann die Vorrichtung eine herausragende Abscheidungsfähigkeit aufweisen. Demgemäß gehen die kleinere Bremskräfte aufnehmenden Teilchen schneller durch die bestrahlte Position, wodurch die Teilchen separiert werden können, um in der Größenordnung von den kleinere Bremskräfte aufnehmenden Teilchen zu den größere Bremskräfte aufnehmenden Teilchen zu strömen.
Die Teilchen, die separiert worden sind, um zu strömen, werden mittels der Meßeinrichtung 16 gemessen und anschließend in einem Abscheidungskessel 14 aufgenommen. Durch ein Auswechseln des Abscheidungskessels 14 mit einem anderen zu einem gegebenen Zeitpunkt können die Teilchen separat aufgenommen werden, und zwar jede separierte Gruppe von Teilchen.

Ausführungsbeispiel 4

Das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend beschrieben. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Muster eines Strömungspfads in der Durchflußzelle derart eingerichtet ist, um die Abscheidungsfähigkeit von Teilchen zu verbessern.
Fig. 8 zeigt eine Beziehung zwischen der Durchflußzelle und dem Abtastlicht. Das Licht wird auf einen Strömungspfad 61 eines aus einem gebogenen Pfad bestehenden Musters, das in der Durchflußzelle 60 gebildet ist, gestrahlt, so daß Interferenzstreifen von Interferenzlicht oder eine Abtastspur eines Abtastlichts die Strömung kreuzen, wie in Fig. 8 mit 62 gezeigt. Hierbei ist das Fluidträgersystem das gleiche wie in den vorbeschriebenen Fig. 2 und 4. Die Durchflußzelle mit dem feinen Strömungspfad eines solchen aus einem gebogenen Pfad bestehenden Musters kann durch eine Mikrobearbeitungstechnologie erzeugt werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Wirkkraft beispielsweise eine Bremskraft) auf die Teilchen in mehreren Bereichen entlang der Strömungsrichtung des Durchflußwegs 61 ausgeübt, wodurch eine Abscheidung in einer hohen Auflösung bewirkt werden kann, wobei beispielsweise zumindest drei Arten von unterschiedlichen Teilchen leicht abgeschieden werden können. Da ferner der Strömungspfad in der Durchflußzelle durch die Mikrobearbeitungstechnologie in einem feinen Bereich eingebunden ist, kann ein Lichtbestrahlungsbereich klein angefertigt werden, was den Entwurf des optischen Interferenzsystems oder des optischen Abtastsystems erleichtert.
Ferner kann anstelle des aus einem gebogenen Pfad bestehenden Musters des Strömungspfads in der vorbeschriebenen Durchflußzelle ein Strömungspfad mit radialem Muster, wie in Fig. 9B gezeigt, oder mit spiralförmigen Muster, wie in Fig. 10B gezeigt, angewendet werden, auf das das Licht jeweils in einem Muster, wie in Fig. 9A oder Fig. 10A gezeigt, bestrahlt wird.

Ausführungsbeispiel 5

Das 5. Ausführungsbeispiel ist nachstehend beschrieben. Fig. 11 zeigt eine Raumansicht einer in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten Durchflußzelle. Mit 151 ist eine Vielzahl von Mikrolinsen bezeichnet, die an einem Substrat 150 gebildet sind, wobei mit 153 ein Strömungspfad bezeichnet ist. Die Mikrolinsen 151 sind entlang der Strömungsrichtung in dem Strömungspfad 153 gebildet. Mit 155 ist ein Einlaß für ein Dispergierungsmittel bezeichnet, der mit dem Strömungspfad 153 verbunden ist, wobei mit 156 dessen Auslaß für ein Dispergierungsmittel bezeichnet ist.
Wenn Parallellicht von einer nicht dargestellten Lichtquelle über die gesamte obere Fläche der Durchflußzelle bestrahlt wird, wird das bestrahlte Licht mittels jeder der Mikrolinsen 151 an einer Vielzahl von Positionen auf den Strömungspfad 153 konvergiert. Teilchen in dem Dispergierungsmittel, die in dem Durchflußpfad 153 strömen, nehmen jeweils die Wirkkraft (beispielsweise eine Bremskraft) auf, und zwar wegen der Lichtgradientenkraft an jeder konvergierten Position. Die Teilchen nehmen unterschiedliche Bremskräfte in Abhängigkeit von Eigenschaften der Teilchen (die Größe oder der Brechungsindex) auf, was wiederum einen Unterschied in der Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Arten von Teilchen verursacht, um eine Abscheidung zu bewirken.
Hierbei ist das Muster der Rille nicht auf das Muster des gebogenen Pfades in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel begrenzt, sondern kann, wie in der Fig. 9B oder Fig. 10B gezeigt, das radiale Muster oder das spiralförmige Muster sein.
Nachstehend ist ein Verfahren zur Herstellung der obigen Durchflußzelle beschrieben. Fig. 12a zeigt die Struktur eines oberen Substrates als ein Bauteil der Strömungszelle. Mit 150 ist eine transparente Glasplatte einer Dicke von 0,5 mm bezeichnet, in der viele Mikrolinsen 151 gebildet sind. Jede Mikrolinse hat einen Durchmesser von 50 um, der in einer derartigen Weise erzeugt wird, daß Ionen, beispielsweise von Ti, mittels des Photolyse-Verfahrens in ein poröses Glas implantiert werden, um eine Brechungsindexverteilung in dem Glas zu bilden.
Fig. 12B zeigt die Struktur eines unteren Substrats als ein weiteres Bauteil der Durchflußzelle. Mit 152 ist ein Einzelkristallsilikonsubstrat bezeichnet, an dem eine einen Strömungspfad bildende Rille 153 gebildet ist. Ein Verfahren zur Formung der Rille 153 ist im folgenden dargestellt. Die Oberfläche des Silikonsubstrats wird mit einem Photoresistlack beschichtet, und zwar mittels einer Schleudervorrichtung, wobei durch eine Bestrahlung ultravioletter Strahlen auf einen Abschnitt eine Belichtung bewirkt wird, wodurch der Strömungspfad entsteht, woraufhin der Photoresistlack gemäß dem Muster des Strömungspfads entfernt wird. Anschließend wird die Rille 153 mit der Breite von 10 um und der Tiefe von 10 um an dem Strömungspfadabschnitt durch Trockenätzung, wie etwa das Sputtern, gebildet.
Das Glassubstrat 150 in Fig. 12A und das Silikonsubstrat 152 in Fig. 12B werden exakt übereinander gelegt, so daß die Mikrolinsen mit dem Strömungspfad übereinstimmen. In diesem Zustand wird die Beschichtung an einer Heizvorrichtung plaziert und auf 250ºC erwärmt. Anschließend wird eine Spannung von 200 V auf die beiden Substrate angelegt, um dazwischen eine Anodenkopplung zu bewirken. Anstelle dessen kann die Anodenkopplung im wesentlichen bei einer gewöhnlichen Temperatur durch Anlegen einer Spannung von 1 kV an die Substrate bewirkt werden, während diese mit dem CO&sub2;-Laser bestrahlt werden, der die Energie von mehreren Watt/cm² hat, und zwar von der Seite des Silikonsubstrats, um zu verhindern, daß die Ionen in den Mikrolinsen thermisch diffundieren. Somit wird mittels der obigen Vorgänge eine Durchflußzelle erhalten.
Die Erfindung ist hierbei nicht auf eine derartige Anordnung begrenzt, in der die Glasplatte und das Einzelkristallsilikonsubstrat wie vorbeschrieben aneinander gekoppelt sind. Beispielsweise kann eine derartige Anordnung für die Durchflußzelle angewendet werden, in der ein dünnes Glas an eine einen Strömungspfad ausbildende Oberfläche eines Einzelkristallsilikonsubstrats geklebt werden, um eine Durchflußzelle zu bilden, und in der Licht an dem Durchflußpfad durch eine separat vorgesehene Glasplatte mit Mikrolinsen konvergiert wird. In diesem Falle kann die Glasplatte mit Mikrolinsen an dem Hauptkörper der Vorrichtung festgelegt werden, wodurch die Durchflußzelle vorteilhafterweise zu einem billigen Preis vorgesehen werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Abscheiden von dispergierten Teilchen, welches Verfahren aufweist:

Strömenlassen von in einem Dispergierungsmittel (5) dispergierten Teilchen durch eine Durchflußzelle (1; 60; 150) entlang eines Strömungspfads (2; 61; 153); und

Bestrahlen der durch die Durchflußzelle strömenden Teilchen mit Licht, um die Teilchen abzuscheiden;

dadurch gekennzeichnet, daß:

der Schritt Bestrahlen der Teilchen einer ist, in dem die Teilchen mit einem im wesentlichen mit Streifen versehenen Muster (3; 61) bestrahlt werden, wobei die Streifen des Musters den Strömungspfad (2; 61; 153) kreuzen, um darauf eine Bremskraft aufzubringen, deren Größenordnung von der Art jedes Teilchen abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Streifenmuster (3; 62) aus Interferenzstreifen gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Streifenmuster (3; 62) durch eine sich wiederholende Abtastung gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner mit einem Messen der somit abgeschiedenen Teilchen.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Teilchen dazu gebracht werden, unter Druck zu strömen.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Teilchen dazu gebracht werden, unter einem elektroosmotischen Druck zu strömen.

7. Vorrichtung zum Abscheiden dispergierter Teilchen, welche Vorrichtung aufweist:

eine Durchflußzelle (1; 60; 150) zum Durchströmen von in einem Dispergierungsmittel dispergierten Teilchen entlang eines Strömungspfads (2; 61; 153); und

eine optische Einrichtung (20-31; 40-43; 151), die zum Bestrahlen der entlang des Strömungswegs strömenden Teilchen eingerichtet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung geeignet ist, die Teilchen mit einem im wesentlichen mit Streifen versehenen Muster (3; 62) zu bestrahlen, wobei die Streifen des Musters den Strömungspfad kreuzen, um auf die Teilchen eine Bremskraft aufzubringen, deren Größenordnung von der Art jedes Teilchens abhängt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die optische Einrichtung ein optisches Interferenzsystem (20-31) zur Erzeugung von Interferenzlicht hat, um Interferenzstreifen an dem Strömungspfad auszubilden, welche Interferenzstreifen das Streifenmuster bestimmen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die optische Einrichtung ein optisches Abtastungssystem (40-43) zum wiederholten Abtasten eines Lichtstrahls über den Strömungspfad hat, um das Streifenmuster zu bestimmen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner mit einer Meßeinrichtung (16) zum Messen der Teilchen stromab einer Position, in der der Strömungspfad bestrahlt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-10, ferner mit einer Einrichtung (12-15) zum Strömenlassen der Teilchen entlang des Strömungspfads unter einer Druckdifferenz.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-10, ferner mit einer Einrichtung (17, 18, 100a, 100b, 100c) zum Strömenlassen der Teilchen entlang des Strömungspfads unter einem elektroosmotischen Druck.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-12, wobei der Strömungspfad (61; 153) einen nicht geradlinigen Aufbau hat.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der einen nicht geradlinigen Aufbau aufweisende Strömungspfad (61; 153) mehrmals gebogen ist.