DE69628389T2 - Apparat zur Behandlung von Teilchen durch akustische Strahlung - Google Patents

Apparat zur Behandlung von Teilchen durch akustische Strahlung Download PDF

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Kazuo Tokorozawa-Shi Takeda
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Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Erfindungsgebiet:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Handhaben von Teilchen, insbesondere zum Konzentrieren, Filtrieren, Trennen und Anordnen von Teilchen und gelösten Stoffen in einem Fluid.
  • Beschreibung des Stands der Technik:
  • Es ist erforderlich, auf in einer Lösung levitierte Zellen eine gewisse Kraft auszuüben, ohne mit den Zellen einen direkten Kontakt herzustellen, wenn man Biomaterialien wie etwa die Zellen usw. in kontaktloser Form konzentriert. Es ist eine Ultrazentrifugierung bekannt, bei der als die obenerwähnte Kraft die Schwerkraft verwendet wird. Da es jedoch notwendig ist, eine Röhre mit einer darin gehaltenen Probe über eine vorbestimmte Zeit mit hoher Geschwindigkeit zu drehen, wenn sie im Hinblick darauf verwendet wird, die Schwerkraft zu erzeugen, ist unabhängig von einer beliebigen Menge einer zu trennenden Probe ein vorbestimmtes Verarbeitungszeitintervall erforderlich.
  • Als Technik zum direkten Einfangen einer sehr kleinen Probemenge ist von A. Ashkin et al. eine Technik, die Lichtstrahlungskraft verwendet, vorgeschlagen und als eine optische Fangeinrichtung patentiert worden (siehe US-Patent 4,893,886). Licht kann jedoch nicht in eine Lösung eindringen, in der Teilchen in großer Menge vorliegen und in der die Teilchendichte hoch ist, weshalb die vorliegende Lösung zum Konzentrieren einer Probe nicht angemessen ist.
  • Es wurde beispielsweise von Junru Wu, "Acoustical tweezers", Journal of Acoustical Society of America, S. 2140–2143, 89(5), Mai 1991 über eine Schall-Strahlungs kraft berichtet, die auf jedes Teilchen einwirkt, daß, wenn die Schall-Strahlungskraft auf jedes Teilchen ausgeübt wird, eine Polystyrolkugel mit einem Durchmesser von 270 μm erfolgreich in einem Brennpunkt eines fokussierten Ultraschall-Strahls eingefangen werden könnte. Das Prinzip des Einfangens der Teilchen durch die Schall-Strahlungskraft wurde in der Literaturstelle "Acoustic radiation pressure on a compressible sphere", S. 167–173 und "Acoustic radiation pressure on bubbles and their logarithmic decrement", S. 173–178, ACUSTICA Band 5 (1955) von Yoshioka et al. beschrieben. Nach der Literaturstelle wurde die Größe einer Schall-Strahlungskraft in einem idealen Fluid, der jedes Teilchen in einer stehenden Welle und in einer Wanderwelle ausgesetzt ist, geschätzt.
  • Außerdem wurde in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 7-47259 ein Verfahren offenbart, um mindestens einen Ultraschall-Strahl in eine Röhre einzuleiten, in der ein Fluid strömt, wodurch die Teilchen in einem bestimmten Bereich kontinuierlich konzentriert werden, oder ein Verfahren zum Wiedergewinnen der fokussierten Teilchen wurde ebenfalls erfunden. Außerdem wurde folgendes erfunden: eine Teilchentrenneinrichtung, die in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 6-241977 beschrieben wird, um eine Schall-Strahlungskraft und eine elektrostatische Kraft zusammen zu nutzen, um dadurch Teilchen mit unterschiedlichen Teilchendurchmessern oder Teilchen aus unterschiedlichem Material voneinander zu trennen und wiederzugewinnen, und eine Teilchentrenneinrichtung, die in dem US-Patent Nr. 4,523,682 offenbart wird, um eine Schall-Strahlungskraft und Schwerkraft zusammen einzusetzen, um dadurch Teilchen aus unterschiedlichem Teilchendurchmesser oder Dichte oder Teilchen aus unterschiedlichem Material voneinander zu trennen und zurückzugewinnen.
  • Das Prinzip, Ultraschall-Strahlen verschiedener Fre quenzen in einem überlagerten Zustand anzuwenden, um dadurch effektiv Blasen in einem Brennpunkt in einem Fluid zu erzeugen, ist zudem in "Ultrasonic symposium proceeding", S. 1843–1846 (1994), IEEE beschrieben worden, berichtet von Umemura et al.
  • IBM TDB, Band 25, Nr. 1, Juni 1982, S. 192, 193, wovon der Oberbegriff von Anspruch 1 ausgeht, offenbart eine Vorrichtung zum Trennen von Teilchen von einer Suspension. Die Vorrichtung umfaßt einen verzweigten Kanal mit einem Einlaß und zwei Auslässen, einen für eine mit Teilchen angereicherte Fraktion und einen für eine verdünnte Fraktion der Suspension. Die Trennung der Fraktionen wird durch die Kräfte erzielt, die von einer stehenden Ultraschall-Welle ausgeübt werden, die orthogonal zur Strömung der Suspension durch den Kanal abgestrahlt wird.
  • Aus. WO 85/01892 ist eine Vorrichtung zum Handhaben einer Suspension von Teilchen in einem durch eine Röhre strömenden Fluid bekannt. Eine stehende Ultraschall-Welle wird entlang der Richtung der Röhre erzeugt, und die relative Geschwindigkeit zwischen der stehenden Welle und der Strömung der Suspension wird gesteuert, um die Teilchen zu einem Ende der Röhre zu treiben.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die obenbeschriebenen herkömmlichen Techniken zeigen Techniken, die sich jeweils auf eine Vorrichtung beziehen, die in der Lage ist, einen Ultraschall-Strahl auf Teilchen zu richten, um die Teilchen zu konzentrieren beziehungsweise Teilchen in einem Fluid durch einen Ultraschall-Strahl und ein elektrisches Feld entsprechend ihren physikalischen Eigenschaften zu trennen und in spezifischen Bereichen zurückzugewinnen. Eine Technik zum freien Steuern der Form einer räumlichen Verteilung von durch den Ultraschall-Strahl erzeugter potentieller Energie ist nicht berücksichtigt worden.
  • Außerdem ist eine Technik zum periodischen Anordnen der Teilchen nicht berücksichtigt worden.
  • Obwohl die Steuerung der Temperatur eines eine Probe enthaltenden Fluids insbesondere dann wichtig ist, wenn eine Bioprobe gehandhabt wird, ist die Lösungstemperatursteuerung nicht berücksichtigt worden.
  • Zudem kommt es zu einem Problem, daß ein Schallfeld in einer Kammer durch einen Separator oder eine Saugleitung, die zur Teilchentrennung und -rückgewinnung eingeführt werden, gestört wird, und die Effizienz der Rückgewinnung von Teilchen oder eines Lösungsmittels ist reduziert. Außerdem ist eine Technik zum kontinuierlichen Ändern des Typs von Lösungsmittel, das diese enthält, ohne die Teilchen in dem die Teilchen enthaltenden Fluid zu reduzieren, nicht berücksichtigt worden.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung mit verbesserter Effizienz beim Handhaben von in einem Fluid suspendierten Teilchen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung wie in Anspruch 1 dargelegt. Die Erfindung reduziert störende Effekte auf das Ultraschall-Feld in der Vorrichtung.
  • Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bevorzugte Ausführungsformen können:
    • (1) die Form einer räumlichen Verteilung von von jedem Ultraschall-Strahl erzeugter potentieller Energie und eine Intensitätsverteilung einer Strahlungskraft, der jedes Teilchen in einem Fluid unterworfen ist, frei steuern,
    • (2) die Teilchen an einer gewünschten Stelle konzentrieren und jedes konzentrierte Teilchen zurückgewinnen,
    • (3) die Teilchen in dem Fluid entsprechend ihren physikalischen Eigenschaften wie etwa Größen oder Materialien trennen und sie jeweils entsprechend ihren physikalischen Eigenschaften sammeln,
    • (4) die physikalischen Eigenschaften konzentrierter Teilchen oder getrennter Teilchen messen,
    • (5) den Grad der Konzentration, Trennung oder Rückgewinnung jedes Teilchens einstellen,
    • (6) die Teilchen periodisch anordnen,
    • (7) die Temperatur des die Teilchen enthaltenden Fluids steuern,
    • (8) die Ungleichförmigkeit der Effizienz der Umwandlung einer Spitzenspannung in einen Spitzendruck entsprechend einer Variation der verwendeten Frequenz kompensieren,
    • (9) die Teilchen oder das Lösungsmittel effizient zurückgewinnen, ohne ein Schallfeld in einer Kammer zu stören, auf die ein Ultraschall-Strahl gerichtet ist, und
    • (10) gestatten, daß der Typ des Lösungsmittels im Fluid kontinuierlich durch einen anderen ersetzt werden kann.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist im Grunde eine Einrichtung zum gleichzeitigen Erzeugen von Ultraschall-Strahlen mit voneinander unterschiedlichen Intensitäten, Frequenzen und Phasen aus einer oder mehreren Ultraschall-Quellen auf, um die Ultraschall-Strahlen einander zu überlagern, um dadurch eine frei geformte räumliche Verteilung von potentieller Energie zu erzeugen, damit die Form der räumlichen Verteilung von durch jeden Ultraschall-Strahl erzeugter potentieller Energie frei gesteuert wird. Weiterhin kann eine Ausführungsform eine Einrichtung aufweisen, um diese räumliche Verteilung von potentieller Energie entsprechend einer zeitlichen Variation zu variieren. Sie kann einen Verstärkungsfaktor einer Wechselspannung entsprechend einer Variation der Frequenz variieren, wenn durch die Verwendung von Ultraschall-Strahlen mit mehreren Frequenzen ein piezoelektrischer Aktuator angetrieben wird.
  • Außerdem kann eine Ausführungsform Ultraschall-Strahlen in der Richtung orthogonal nur Strömung einer Lösung in einer Kammer zum Durchlassen eines Teilchen enthaltenden Fluids anlegen, damit jedes Teilchen konzentriert wird, und eine Saugleitung zum Zurückgewinnen getrennter Lösungsmittel oder Teilchen in einer Wandfläche der Kammer definieren, wobei die Saugleitung orthogonal zur Strömung der Lösung verläuft. Ein Anschluß zur Zufuhr eines zu ersetzenden Lösungsmittels kann an einer Stelle gegenüber der Saugleitung vorgesehen sein.
  • Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand eines veranschaulichenden Beispiels zusammen mit Beispielen gezeigt sind, die sich zum Verständnis der Erfindung eignen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • 1 bis 8 Beispiele, die sich zum Verständnis der Erfindung eignen, und 9 bis 23 Ausführungsformen der Erfindung.
  • Es zeigen im einzelnen:
  • 1 eine Prinzipansicht, die eine grundlegende Konfiguration einer kontinuierlich Teilchen konzentrierenden Vorrichtung zeigt;
  • 2(a) eine graphische Darstellung zum Beschreiben einer räumlichen Verteilung einer Hüllkurve des Schalldrucks zu dem Zeitpunkt, zu dem in einer Kammer eine einer Dreieckswelle entsprechende stehende Welle erzeugt wird, und 2(b) eine graphische Darstellung zum Beschreiben einer Potentialenergieverteilung in der. Kammer zum Zeitpunkt ihrer Erzeugung;
  • 3(a) eine graphische Darstellung zum Beschreiben einer räumlichen Verteilung einer Hüllkurve des Schalldrucks entsprechend der Dreieckswelle von 2(a), die erzeugt wird, indem 10 Sinuswellen einander überlagert werden, und 3(b) eine graphische Darstellung zum Beschreiben einer räumlichen Verteilung einer Hüllkurve des Schalldrucks, die durch Überlagern von 100 Sinuswellen erzeugt wird;
  • 4(a) eine graphische Darstellung zum Beschreiben einer räumlichen Verteilung einer Hüllkurve des Schalldrucks zu dem Zeitpunkt, zu dem eine in Form einer Rechteckwelle dargestellte stehende Welle in einer Leitung erzeugt wird, und 4(b) eine graphische Darstellung zum Beschreiben einer Potentialenergieverteilung in der Kammer zum Zeitpunkt ihrer Erzeugung;
  • 5(a) eine graphische Darstellung zum Beschreiben einer räumlichen Verteilung einer Hüllkurve des Schalldrucks entsprechend der Rechteckwelle von 4(a), die erzeugt wird, indem 10 Sinuswellen einander überlagert werden, und 5(b) eine graphische Darstellung zum Beschreiben einer räumlichen Verteilung einer Hüllkurve des Schalldrucks, die erzeugt wird, indem 100 Sinuswellen einander überlagert werden;
  • 6 eine kontinuierlich Teilchen konzentrierende Vorrichtung, bei der 6(a) eine Ansicht ist, die in der Regel einen Querschnitt durch eine Ultraschall-Kammer zeigt, und 6(b) eine typische Ansicht der Ultraschall-Kammer bei Betrachtung diagonal von oben ist;
  • 7 eine Vorrichtung, um Teilchen zu konzentrieren und sie periodisch in periodischen Positionen anzuordnen, wobei 7(a) eine Ansicht ist, die eine Potentialenergie zeigt, die veranlaßt wird, auf Teilchen in einer Ultraschall-Kammer einzuwirken, 7(b) eine Ansicht ist, die die Art und Weise veranschaulicht, wie Teilchen an Minimalpunkten von Potentialenergie konzentriert werden, die durch eine Schall-Strahlungskraft in der Ultraschall-Kammer erzeugt werden, und 7(c) eine Ansicht ist, die in der Regel den Anordnungszustand von Teilchen auf einem Substrat bei Betrachtung diagonal von oben ist;
  • 8 eine Prinzipansicht, die eine Vorrichtungskonfiguration einer Vorrichtung zum periodischen Anordnen von Teilchen bei Betrachtung diagonal von oben zeigt;
  • 9 eine typische Ansicht, die die Konfiguration einer Ausführungsform einer kontinuierlich Teilchen trennenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 10 eine typische Ansicht bei Betrachtung diagonal von oben, die eine Struktur einer in der in 9 gezeigten Ausführungsform verwendeten Ultraschall-Kammer zeigt;
  • 11 eine Querschnittsansicht bei Betrachtung in der durch Pfeile angegebenen Richtung an einer Position entlang der Linie A-A der Kammer in 10, die die Struktur der in 10 gezeigten Ultraschall-Kammer veranschaulicht;
  • 12 eine typische Ansicht im Schnitt bei Betrachtung in der durch Pfeile angegebenen Richtung an der Position entlang der Linie A-A der Zelle, die einen Prozeß zum Konzentrieren und Trennen von Teilchen durch die Ultraschall-Kammer der in 9 gezeigten Vorrich tung zum kontinuierlichen Konzentrieren von Teilchen veranschaulicht;
  • 13 eine typische Ansicht zum Beschreiben des Teilchenkonzentrierungs- und -trennungsprozesses von 12 durch ein Beispiel, bei dem die Position eines Schwingungsknotens des Schalldrucks in eine Position verschoben worden ist, die von der in 12 gezeigten verschieden ist;
  • 14 eine weitere Struktur der Ultraschall-Kammer, die in der in 9 gezeigten Ausführungsform eingesetzt wird, und sie ist eine Querschnittsansicht wie in 12;
  • 15 eine typische Ansicht wie in 12, die einen Prozeß zum Konzentrieren und Trennen von Teilchen durch die Ultraschall-Kammer der in 14 gezeigten kontinuierlich Teilchen konzentrierenden Vorrichtung zeigt;
  • 16 eine typische Ansicht wie in 12, die einen Prozeß zum Konzentrieren und Trennen von Teilchen durch eine Schall-Strahlungskraft und eine Kraft auf der Basis eines elektrischen Felds in der Ultraschall-Kammer der in 14 gezeigten kontinuierlich Teilchen konzentrierenden Vorrichtung veranschaulicht;
  • 17 eine typische Ansicht bei diagonaler Betrachtung von oben, die eine weitere Struktur der Ultraschall-Kammer zeigt, die in der in 9 gezeigten Ausführungsform verwendet wird;
  • 18 eine typische Ansicht im Schnitt bei Betrachtung in der durch Pfeile angezeigten Richtung bei einer Position entlang der Linie A'-A', die einen Prozeß zum Konzentrieren und Trennen von Teilchen durch die Ultraschall-Kammer der in 17 gezeigten kontinuierlich Teilchen konzentrierenden Vorrichtung zeigt;
  • 19 eine typische Ansicht bei diagonaler Betrachtung von oben, die noch eine weitere Struktur der Ultraschall-Kammer zeigt, die in der in 9 gezeigten Ausführungsform eingesetzt wird;
  • 20 eine typische Ansicht im Schnitt bei Betrachtung in der durch Pfeile angegebenen Richtung an einer Position entlang der Linie B-B, die einen Prozeß zum Konzentrieren und Trennen von Teilchen durch die Ultraschall-Kammer der in 19 gezeigten kontinuierlich Teilchen konzentrierenden Vorrichtung veranschaulicht;
  • 21 eine Ansicht, die die Art und Weise zeigt, wie eine Ultraschall-Kammer in Längsrichtung angeordnet ist, und
  • 22 eine Ansicht zum Beschreiben eines Prozesses zum Konzerttrieren und Trennen von Teilchen durch die in 21 gezeigte Ultraschall-Kammer.
  • 23 offenbart Effekte von Eingangsspannungswellenformen von unter drei Bedingungen in die Kammer gestrahltem Ultraschall, wobei (a) die Mikroaufnahme roter Blutzellen in der Kammer ohne Ultraschall-Bestrahlung, (b) die Bestrahlung mit Ultraschall mit einer 500 kHz-Sinuswelle und (c) die Bestrahlung mit Ultraschall mit einer Rechteckwelle zeigt und (d), (e) und (f) jeweils die Wellenform der Eingangsspannung entsprechend (a), (b) und (c) zeigen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Gemäß der theoretischen Analyse über die Strahlungskraft, die von einer Schallwelle oder einem Ultraschallstrahl abgegeben wird, was in "Acoustic radiation pressure on a compressible sphere", S. 167–173 und "Acoustic radiation pressure on bubbles and their logarithmic decrement" von Yoshioka et al., S. 173–178, ACUSTICA Band 5 (1955), wie oben erwähnt, beschrieben worden ist, kann, wenn ein Teilchen an einer Position existiert, die sich in einer Entfernung x von der Position des Druckknotens befindet, in der folgenden Gleichung, die eine ebene stehende Welle p(x) eines Wellenzahlenvektors k angibt, beispielsweise p(x) = p0 + p1 × sin(k – x) × cos(ωt) (1)die Strahlungskraft, der das Teilchen ausgesetzt ist, wie folgt dargestellt werden:
    Figure 00110001
    wobei p(x) den Schalldruck an einer Stelle x, p0 den hydrostatischen Druck, p1 den Spitzendruck, ω eine Winkelfrequenz eines Ultraschall-Strahls, t die Zeit, F eine Strahlungskraft, die das Teilchen von dem Ultraschall-Strahl erhält, R einen Radius des Teilchens, k eine Wellenzahl des Ultraschall-Strahls, E eine mittlere Energiedichte des Ultraschall-Strahls, p die Dichte des Teilchens, ρ' die Dichte eines Dispersionsmediums, γ die Kompressibilität des Teilchens und γ' die Kompressibilität des Dispersionsmediums angeben. Wenn A unter der Beziehung zwischen Teilchen und einem Lösungsmittel positiv ist, werden die Teilchen auf einem Druckknoten einer stehenden Welle konzentriert. Wenn andererseits A negativ ist, werden sie auf einem Schwingungsbauch (Schleife) davon fokussiert.
  • Das oben angegebene bekannte Beispiel zeigt die Schall-Strahlungskraft, die bei Anwesenheit der ebenen stehenden Welle mit dem Wellenzahlenvektor k auf die Teilchen wirkt. Bei den Ausführungsformen jedoch lagert ein Mittel zum Erzeugen räumlicher Verteilungen von potentieller Energie, dargestellt in freien Formen, Ultraschall-Strahlen mit mehreren verschiedenen Intensitäten, Phasen und Frequenzen übereinander, um eine räumliche Verteilung von Intensitäten der Ultraschall-Strahlen zu erzeugen und dadurch eine räumliche Verteilung potentieller Energie mit einer spezifischen räumlichen Verteilung zu erzeugen.
  • 1 ist eine Prinzipansicht eines Teilchenhandhabungsverfahrens durch eine Schall-Strahlungskraft und eine kontinuierlich Teilchen konzentrierende Vorrichtung.
  • Das Konfigurationsbeispiel der Vorrichtung umfaßt eine Probenlösung 1, die Proben enthält, die konzentriert, filtriert und angeordnet werden sollen, einen Tank 2 zum Speichern der Probenlösung 1 darin, eine Kammer 5, um zu bewirken, daß jeder Ultraschall-Strahl auf die Probenlösung 1 einwirkt, Ultraschall-Quellen 6 und 7, die so angeordnet sind, daß sie die Kammer 5 kontaktieren und Ultraschall-Strahlen spezifischer Intensitäten, Frequenzen und Phasen oder einen Ultraschall-Strahl, der hergestellt wird, indem diese Ultraschall-Strahlen einander überlagert werden, in die Kammer 5 einleiten, um eine Ultraschallstrahl-Intensitätsverteilung herzustellen, damit ein Potentialenergiegradient erzeugt wird, um zu bewirken, daß eine in einer vorbestimmten Richtung ausgesandte Kraft oder eine Kraft, die in einem vorbestimmten Gebiet bleibt, auf jedes Teilchen in der Kammer 5 einwirkt, eine Teilchenbeobachtungseinrichtung 8 zum Messen der Verteilung jedes Teilchens in der Kammer 5, eine Teilchentrenneinrichtung 9, die in der Lage ist, Teilchen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften wie etwa Größen oder Materialien zu trennen, indem sie eine Schall-Strahlungskraft und eine andere externe Kraft als die Ultraschall-Strahlen ausübt, Strömungsgeschwindigkeitssteuereinrichtungen 16 und 17 zum jeweiligen Einstellen der Geschwindigkeit zum Ansaugen der Lösung in die Kammer 5 oder der Geschwindigkeit zum Anziehen jedes in der Kammer 5 konzentrierten Teilchens, eine Temperatursteuereinrichtung 15 zum Steuern der Temperatur der Kammer 5 und eine Steuereinrichtung 10 zum Steuern eines Ultraschall-Strahls, erzeugt aus jeder Ultraschall-Quelle, eines Ultraschall-Strahls in der Teilchentrenneinrichtung 9, einer anderen externen Kraft in der Teilchentrenneinrichtung, der Temperatursteuereinrichtung 15 und der Strömungsgeschwindigkeitssteuereinrichtungen 16 und 17, Analysieren des Beobachtungsergebnisses der Teilchenbeobachtungseinrichtung 8 und Vornehmen einer Steuerung jedes erzeugten Ultraschall-Strahls, einer weiteren externen Kraft, der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis des Beobachtungsergebnisses.
  • Zunächst wird die die Proben enthaltende Lösung 1 in der durch Pfeil 4 angegebenen Richtung über eine Röhre 3 in die Kammer 5 eingeleitet. Als nächstes wird die in die Kammer 5 eingeleitete Lösung 1 mit dem jeweils überlagerten Ultraschall-Strahl bestrahlt. Somit können die Teilchen durch eine spezifische räumliche Verteilung von Potentialenergie, die durch den bestrahlenden Ultraschall-Strahl erzeugt wird, auf einen Punkt fokussiert werden, wo das Potential auf dem Minimum liegt. Zu diesem Zeitpunkt kann die Temperatur der Lösung 1 in der Kammer 5 selbst während der Bestrahlung durch jeden Ultraschall-Strahl konstant gehalten werden, indem die Temperatur der Kammer 5 mit der Temperatursteuereinrichtung 15 gesteuert wird. Wenn eine biologische Probe verwendet wird, kann zudem die Lösüngstemperatur auf eine für die Probe geeignete Lösungstemperatur gesteuert werden. Der Effekt des Konzentrierens der Probe kann kontinuierlich durch die Teilchenbeobachtungseinrichtung 8 beobachtet werden, die zum Beobachten der Innenseite der Kammer 5 dient. Falls sich aus dem Beobachtungsergebnis herausstellt, daß der Effekt der Probenkonzentrierung nicht ausreichend erzielt worden ist, dann kann unter der Steuerung der Steuereinrichtung 10 die Intensität des aus jeder Ultraschall-Quelle erzeugten Ultraschall-Strahls und die Form der räumlichen Verteilung der Potentialenergie geändert werden und die Geschwindigkeit zum Ansaugen der Lösung 1 in die Kammer 5, oder die Geschwindigkeit zum. Anziehen der konzentrierten Teilchen in die Kammer 5 kann ebenfalls unter der Steuerung der Steuereinrichtung 10 gesteuert werden.
  • Da die Teilchen, die in die Teilchentrenneinrichtung 9 eingeleitet sind, die in der Lage ist, die Teilchen mit den verschiedenen physikalischen Eigenschaften zu trennen, indem sie die Schall-Strahlungskraft und eine andere externe Kraft als die jeweiligen Ultraschall-Strahlen ausübt, entsprechend den physikalischen Eigenschaften verschiedene Gleichgewichtspositionen aufweisen, können sie als nächstes auf ihre entsprechenden Gleichgewichtspositionen fokussiert werden. Somit gestattet die Messung der Verteilung der Teilchen in der Kammer 5 durch die Teilchentrenneinrichtung 9 eine Analyse der Zusammensetzung der Teilchen wie etwa des Materials oder der Teilchen-Durchmesser-Verteilung. Weiterhin können die Teilchen, die jeweils eine spezifische Zusammensetzung aufweisen, auch dadurch zurückgewonnen werden, daß die an ihren entsprechenden Gleichgewichtspositionen gesammelten Teilchen selektiv zurückgewonnen werden. Die räumliche Verteilung der in der Kammer 5 erzeugten Potentialenergie gestattet die Erzeugung einer spezifischen räumlichen Verteilung von Potentialenergie, indem mehrere Ultraschall-Strahlen mit unterschiedlicher Intensität, Frequenz und Phase, die von den Ultraschall-Quellen 6 und 7 auf die Kammer 5 einwirken, einander überlagert werden. Indem in der Kammer 5 eine stehende Welle erzeugt wird, bei der eine der Position des Schalldrucks entsprechende Verteilung in der Form einer Dreieckswelle dargestellt wird, wie beispielsweise durch die Hüllkurven 18 und 19 in 2(a) angegeben, kann in der Kammer 5 eine in 2(b) gezeigte Potentialenergieverteilung 20 erzeugt werden. Die Schall-Strahlungskraft, der jedes Teilchen ausgesetzt wird, sinkt bei Annäherung an den Scwingungsknoten oder den Schwingungsbauch (Schleife) der stehenden Welle in einer Potentialenergieverteilung bei einer derartigen einfachen Sinuswelle, wie sie in Gleichung 2 ausgedrückt ist, und die Schall-Strahlungskraft wirkt in der Nähe dieser wenig auf jedes Teilchen. Bei der Potentialenergieverteilung einer in 2(b) gezeigten Dreieckswelle jedoch wird die von Koordinaten abhängige Strahlungskraft nicht gedämpft, und die auf jedes Teilchen einwirkende Strahlungskraft wird, ohne von den Koordinaten abzuhängen, im wesentlichen konstant gehalten. Um ein derartiges Gradientenpotentialfeld vom Dreieckswellentyp mit jedem Ultraschall-Strahl zu erzeugen, wird die Intensität von mehreren Ultraschall-Strahlen mit Frequenzen gemäß ihren Frequenzen entsprechend der folgenden Gleichung eingestellt, und ein Ultraschall-Strahl, der erhalten wird, indem diese einander überlagert werden, kann von jeder der Ultraschall-Quellen 6 und 7 in die Kammer 5 eingeleitet werden.
    Figure 00150001
    wobei p die Hüllkurve des akustischen Drucks an einer Position x, p0 den hydrostatischen Druck in der Kammer, p1 den Spitzendruck des Ultraschall-Strahls, k einen Basiswellenzahlenvektor des Ultraschall-Strahls, ω eine Basiswinkelfrequenz des Ultraschall-Strahls und 6 eine Phasenverschiebung zwischen mehreren, von mehreren Ultraschall-Quellen erzeugten Ultraschall-Strahlen angibt.
  • Wenn die stehende Welle in der Kammer 5 erzeugt wird, ist es wünschenswert, wenn der. Basiswellenzahlenvektor k gleich k = (2 π/L) × (m + 1/ 2) bezüglich der Breite L einer Wand in der Kammer wird. Hierbei gibt m in der gleichen Gleichung eine ganze Zahl an. In Gleichung 4 werden die Sinuswellen mit den Winkelfrequenzen im Bereich von ω bis nω einander überlagert. Hierbei ist n der Wert einer ganzen Zahl und kann im Idealfall ∞ sein. n kann jedoch bei einer Vorrichtungskonfiguration in der Wirklichkeit ein finiter Wert sein. Wenn beispielsweise n = 10, wird in der Praxis die in 3(a) gezeigte überlagerte Wellenform erzeugt. Wenn andererseits n = 100, wird die in 3(b) überlagerte Wellenform ausgebildet. In beiden Fällen kann ungefähr die in 2(a) gezeigte Dreieckswelle erzeugt werden.
  • Um die in Gleichung 4 ausgedrükte Druckschwingung von jeder der Ultraschall-Quellen 6 und 7 zu erzeugen, kann eine durch die folgende Gleichung. gegebene Spannungsschwingung V an einen piezoelektrischen Aktuator angelegt werden, wenn jede Ultraschall-Quelle vom Typ eines piezoelektrischen Aktuators ist (als Beispiel):
    Figure 00160001
    wobei V0 eine Offsetspannung, V1 eine Spitzenspannung, ω eine Basiswinkelfrequenz eines Ultraschall-Strahls, B(ω') einen Term zum Korrigieren der Ungleichförmigkeit der Effizienz der Umwandlung einer Spitzenspannung bei einer anderen Winkelfrequenz ω' in eine Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Aktuators und α ein Offset zum Korrigieren der Schwingungsphasen von jeweiligen Schwingern in dem Fall bezeichnet, wenn mehrere Ultraschall-Quellen verwendet werden. n gibt eine ganze Zahl an und kann sogar in diesem Fall wie oben beschrieben φ sein. In der Praxis kann n jedoch ein finiter Wert sein.
  • Somit weist die Steuereinrichtung 10 zum Antreiben des piezoelektrischen Aktuators eine Verstärkungs- oder Übertragungscharakteristik auf, die gemäß einer Frequenzschwankung (die gegeben ist durch die folgende Gleichung) variiert wird, um die Ungleichförmigkeit der obigen Umwandlungseffizienz zu korrigieren, und sie kann die Wellenform einer Eingangsspannung bestimmen, ohne die Ungleichförmigkeit der Umwandlungseffizienz zu berücksichtigen: B(ω') = ω'/ω (5.2)wobei ω' die Winkelfrequenz eines eingegebenen Ultraschall-Strahls angibt.
  • Wenn jedes ausreichend konzentrierte Teilchen gehandhabt wird, wird in der Kammer 5 eine durch die Hüllkurven 21 und 22 angegebene stehende Welle, die in 4(a) als eine Rechteckwelle dargestellt ist, erzeugt, was es ermöglicht, in der Kammer 5, wie in 4(b) gezeigt, eine Potentialenergieverteilung 23 zu erzeugen. Wenn jedes Teilchen unter einer Schall-Strahlungskraft konzentriert wird, wird die Dichteverteilung der konzentrierten Teilchen zu dem Zeitpunkt, zu dem sie einen stationären Zustand erreicht hat, gemäß dem Gleichgewicht zwischen der Schall-Strahlungskraft, die auf jedes Teilchen einwirkt, und einer Diffusionskraft bestimmt. Somit wird bei der in 4(b) gezeigten Potentialenergieverteilung die Schall-Strahlungskraft, die auf jedes Zeichen einwirkt, an der Position des Schwingungsknotens der stehenden-Welle ein Maximum und die Effizienz der Konzentration jedes Teilchens ist maximiert. Um mit jedem Ultraschall-Strahl ein derartiges Potentialfeld vom Typ einer Rechteckwelle zu erzeugen, werden die Intensitäten von mehreren Ultraschall-Strahlen mit Frequenzen entsprechend ihren Frequenzen gemäß der folgenden Gleichung eingestellt, und von jeder der Ultraschall-Quellen 6 und 7 kann ein Ultraschall-Strahl, der erhalten wird, indem diese einander überlagert werden, in die Kammer 5 eingeführt werden,
    Figure 00180001
    wobei p die Hüllkurve des akustischen Drucks an einer Position x, p0 den hydrostatischen Druck in der Kammer, p1 den Spitzendruck des Ultraschall-Strahls, k einen Basiswellenzahlenvektor des Ultraschall-Strahls, ω eine Basiswinkelfrequenz des Ultraschall-Strahls und δ ein Phasenoffset zwischen mehreren, von mehreren Ultraschall-Quellen erzeugten Ultraschall-Strahlen angibt. Wenn die stehende Welle in der Kammer 5 erzeugt wird, ist es wünschenswert, wenn der Basiswellenzahlenvektor k gleich k = (2 π/L) × (m + 1/2). bezüglich der Breite L einer Wand in der Kammer wird. Hierbei gibt m in der gleichen Gleichung eine ganze Zahl an.
  • In Gleichung 6 werden die Sinuswellen mit den Winkelfrequenzen im Bereich von ω bis nω einander überlagert. Hierbei ist n der Wert einer ganzen Zahl und kann im Idealfall φ sein. n kann jedoch bei einer Vorrichtungskonfiguration in der Wirklichkeit ein finiter Wert sein. Wenn beispielsweise n = 10, wird in der Praxis die in 5(a) gezeigte überlagerte Wellenform erzeugt. Wenn andererseits n = 100, wird die in 5(b) überlagerte Wellenform ausgebildet. Somit kann ungefähr die in 4(a) gezeigte Rechteckwelle erzeugt werden. Es versteht sich, daß die resultierende Wellenform insbesondere in der Nähe eines Schwingungsknotens der stehenden Welle einen Gradienten aufweisen kann, der eine Schwankung der Schallintensität anzeigt, die im Vergleich zur Dreieckswelle ausreichendgruß ist.
  • So kann die beabsichtigte räumliche Verteilung von Potentialenergie erzeugt werden, indem mehere Ultraschall-Strahlen mit unterschiedlicher Intensität, Phase und Wellenlänge einander wie oben beschrieben überlagert werden. In den Gleichungen 4 bis 6 wird eine Fourier-Synthese vorgenommen, indem zur Erzeugung der beabsichtigten räumlichen Verteilung von Potentialenergie die mehreren Sinuswellen einander überlagert werden. Falls es jedoch möglich ist, die beabsichtigte Potentialform zu realisieren, dann können tatsächlich beliebige als die Form des Ultraschall-Strahls verwendet werden, der von jeder Ultraschall-Quelle in die Kammer 5 eingegeben wird.
  • Weiterhin wird die Form jedes in der Kammer 5 erzeugten Ultraschall-Strahls kontinuierlich geändert, um den Effekt des Konzentrierens jedes Teilchens zu verbessern, und die Potentialform kann entsprechend dem Grad seiner Konzentration allmählich variiert werden.
  • Außerdem kann jedes Teilchen auf folgende Weise effektiv konzentriert werden. Es wird nämlich beispielsweise bei der anfänglichen Konzentrationsstufe eine Dreiecks-Orts-Potentialenergieverteilung, wie etwa in 2(b) gezeigt, erzeugt, und die Potentialenergieverteilung in der Nähe des Positionspotential-Minimalpunkts hat eine große Steigung, wenn das Teilchen allmählich konzentriert wird. Schließlich wird eine Potentialenergieverteilung erzeugt, um eine derartige Potentialenergieverteilung, wie in 4(b) gezeigt, zu maximieren, wodurch jedes Teilchen effektiv konzentriert werden kann.
  • Wie in "Ultrasonic symposium proceeding", S. 1843–1846 (1994), IEEE von Umemura et al., beschrieben wurde, können ein Ultraschall-Strahl mit einer Grundfrequenz und ein Ultraschall-Strahl mit einer dem Doppelten der Grundfrequenz entsprechenden Frequenz einander überlagert werden, um an ihrer Überlagerungsstelle nach der Konzentration jedes Teilchens oder im Verlauf seines Konzentrationsprozesses Kavitation zu erzeugen.
  • 6 zeigt eine kontinuierlich Teilchen konzentrierende Vorrichtung, wobei 6(a) eine Ansicht ist, die in der Regel einen Querschnitt einer Ultraschall-Kammer zeigt, und 6(b) eine typische Ansicht der Ultraschall-Kammer bei Betrachtung diagonal von oben ist.
  • Die Vorrichtung umfaßt zwei Seitenwände 261 und 262 einer Kammer 26 zum Durchleiten eines Teilchen enthaltenden Fluids und Ultraschall-Quellen 241 beziehungsweise 242, die an den Seitenwänden 261 und 262 angebracht sind und so aktiviert werden, daß sie in der Kammer 26 eine stehende Welle 27 erzeugen. Gelöste Stoffe wie etwa Teilchen 25 oder dergleichen in einer Lösung können durch jeden Ultraschall-Strahl gesammelt werden. Wenn das Fluid Wasser ist, wird eine Wellenlänge λ in Wasser zu 1,5 mm, wenn die Frequenz eines von jeder der Ultraschall-Quellen 241 und 242 erzeugten Ultraschall-Strahls 1 MHz beträgt. Falls die Breite 29 der Kammer λ/2 oder (λ/2 + nλ) beträgt, dann wird eine derartige stehende Welle 27 wie in Gleichung 1 angegeben in der Kammer 26 erzeugt. Hierbei stellt n eine ganze Zahl und λ die Wellenlänge des Ultraschalls dar. Die in der stehenden Welle 27 liegenden Teilchen 25 werden in solche Teilchen wie in Gleichung 3 ausgedrückt, in Teilchen, die in Abhängigkeit von der Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit in Wasser am Schwingungsknoten der stehenden Welle fokussiert werden, und Teilchen, die an einem Schwingungsbauch davon gesammelt werden, unterteilt. Es ist deshalb möglich, die Teilchen an der Schwingungsknotenposition der stehenden Welle und ihrer Schwingungsbauchposition zu konzentrieren. Bei der konzentrierenden Vorrichtung kann das Fluid in der Kammer 26 stationär und dynamisch sein, wenn es gewünscht ist, jedes Teilchen in der Kammer 26 zu konzentrieren.
  • Als nächstes wird die Wiedergewinnung jedes konzentrierten Teilchens beschrieben. Nachdem jedes Teilchen in dem Fluid konzentriert worden ist, wird eine dünne oder längliche Röhre 30, die an beweglichen Fixierstangen 31 in der Kammer 26 fixiert ist und einen Durchmesser aufweist, der ausreichend dünner ist als die Wellenlänge des Ultraschall-Strahls, in den durch die Pfeile 351 und 352 angezeigten Richtungen durch eine Längsröhrenantriebseinheit 32 verschoben, die die Funktion hat, die Verschiebung der länglichen Röhre 30 in der Kammer 26 zu überwachen und zu einer geeigneten Position in der Kammer 26 zu bewegen, wodurch das Fluid in dieser Position angesaugt wird. Dadurch kann das Fluid, das die auf den Schwingungsknoten der stehenden Welle fokussierten Teilchen und die an ihrem Schwingungsbauch gesammelten Teilchen enthält, selektiv angesaugt werden, oder das Fluid ohne die Teilchen kann selektiv angesaugt werden. Die Anzahl der an der Position des Schwingungsknotens oder Schwingungsbauchs der stehenden Welle in der Kammer 26 konzentrierten Teilchen kann gemessen werden, indem durch ein Beobachtungsfenster 37 mit einer Beobachtungseinrichtung 38 von Teilchen von einer Lichtquelle 39 erzeugtes Streulicht oder Fluoreszenz beobachtet wird. Da die Teilchen bei Vorliegen der eindimensionalen stehenden Welle ausgerichtet sind, so daß sich die Längsrichtung der Teilchen entlang dem Schwingungsknoten der stehenden Welle erstreckt, kann auch die Form jedes Teilchens bestimmt werden.
  • Wenn zu diesem Zeitpunkt der Durchmesser der länglichen Röhre 30 im Vergleich zur Wellenlänge des Ultraschall-Strahls ausreichend dünn eingestellt ist oder ein Prozeß zum Verhindern der Reflexion des Ultraschall-Strahls an der Außenfläche der länglichen Röhre 30 bewirkt wird, kann die längliche Röhre 30 in ein Schallfeld eingeführt werden, ohne dieses zu stören.
  • Weiterhin kann in einem Kanal 29 eine elektrostatische Kraft erzeugt werden, indem zwei Plattenelektroden in die Kammer 26 entlang den Ultraschall-Quellen 241 und 242 eingesetzt werden und zwischen den beiden Elektroden eine Spannungsdifferenz hergestellt wird. Zu diesem Zeitpunkt sind die Teilchen 25 in der Kammer 26 jeweils an Positionen konzentriert, wo die elektrostatischen Kräfte, die aufgrund von von den Teilchen 25 gehaltenen Oberflächenladungen erzeugt werden, und eine Schall-Strahlungskraft ein Gleichgewicht erreicht haben.
  • Außerdem kann ein Konzentrations-/Trennungsprozeß realisiert werden, bei dem von außen keine Verunreinigungen beigemischt werden, indem ein vom vorherigen Prozeß zugeführtes Lösungsmittel unter Verwendung einer geschlossenen Röhre transportiert und ein Prozeß, der alle von außen eingeleiteten Lösungen sterilisiert, oder ein Prozeß, der sie filtriert, eingeführt wird. Auf der Basis von Verteilungen der Teilchen im Fluid, was durch die Beobachtungseinrichtung erhalten worden ist, kann die Steuereinrichtung 36 die Intensitäten, Phasen und Frequenzen der aus den Ultraschall-Quellen erzeugten Ultraschall-Strahlen oder den Grad der Überlagerung dieser Ultraschall-Strahlen oder die Strömungsgeschwindigkeit der Lösung oder die Position und Geschwindigkeit des Ansaugens des von der länglichen Röhre zu extrahierenden Fluids oder die Intensität einer anderen externen Kraft wie etwa die elektrische Kraft oder dergleichen (siehe oben) einstellen.
  • Zudem kann auch die Temperatur der in der Kammer 26 fließenden Lösung gesteuert werden, indem die Temperatur der Kammer 26 gesteuert wird. Bei der vorliegenden Vorrichtung ist eine Kammer mit rechteckigem Querschnitt verwendet worden. Jedoch werden mehrere an der Kammerwand entsprechend der Form der Kammer angeordnete Ultraschall-Quellen verwendet, um Ultraschall-Strahlen anzulegen, bei denen mehrere Frequenzen und Phasen auf geeignete Weise jeweils einander überlagert worden sind, wodurch in der Kammer eine gewünschte räumliche Verteilung von Potentialenergie erzeugt werden kann.
  • 7 zeigt eine Vorrichtung, um Teilchen zu konzentrieren und sie an periodischen Positionen anzuordnen, wobei 7(a) eine Ansicht ist, die eine räumliche Verteilung von Potentialenergie zeigt, bei der bewirkt wird, daß sie auf Teilchen in einer Ultraschallkammer einwirkt, 7(b) eine Ansicht ist, die die Art und Weise veranschaulicht, wie Teilchen auf Minimumpunkte von Potentialenergie fokussiert werden, die durch eine Schall-Strahlungskraft in der Ultraschall-Kammer erzeugt werden, und 7(c) eine Ansicht ist, die in der Regel den Anordnungszustand von Teilchen auf einem Substrat bei diagonaler Betrachtung von oben zeigt.
  • Beispielsweise wird ein rechteckiger Ultraschall-Strahl in einer Teilchen 46 enthaltenden Lösung 43, mit der ein Lösungstank 42 beschickt ist, in 7(b) gezeigt, erzeugt, damit er sich von Ultraschall-Quellen 411 und 412, die von einer Ultraschallquellenantriebseinheit 47 gesteuert werden, in die durch die Pfeile 441 und 442 angegebenen Richtungen bewegt. Weiterhin wird auf einem Substrat 45 eine räumliche Verteilung von Potentialenergie 40, in 7(a) gezeigt, die wie oben in 4 beschrieben erzeugt worden ist, ausgebildet, wodurch die Teilchen 46 an auf dem Substrat 45 ausgebildeten Potentialminimumpunkten angeordnet werden können. Die Teilchen 46, die auf dem Substrat 45 angeordnet sind, in 7(c) gezeigt, können Leiter oder optisch undurchsichtige Substanzen oder isolierende Materialien sein, und die relative Dichte der Teilchen kann größer sein als die des Fluids. Die Ultraschallquellenantriebseinheit 47 kann bewirken, daß jede Ultraschall- Quelle eine Rechteckwelle erzeugt. Falls eine Potentialenergieverteilung, bei der Potentialminimumpunkte existieren, an der beabsichtigten Position realisiert werden kann, können sonst mit den Ultraschall-Quellen 411 und 412 beliebige Ultraschall-Strahlen erzeugt werden. Alternativ können die Ultraschall-Strahlen von den Schwingern erzeugt werden, damit sie einander überlagert werden.
  • Die Potentialverteilung in der eindimensionalen Richtung wird erzeugt, und die Teilchen werden in einer Dimension angeordnet. Es kann jedoch eine dreidimensionale Potentialverteilung erzeugt werden, indem mehrere Ultraschall-Schwingquellen eingesetzt werden und mit diesen Ultraschall-Quellen erzeugte Ultraschall-Strahlen einander überlagert werden (wie oben beschrieben).
  • 8 ist eine Prinzipansicht, die bei diagonaler Betrachtung von oben eine Vorrichtungskonfiguration einer Vorrichtung zum periodischen Anordnen von Teilchen zeigt.
  • Durch eine unter dem Substrat 49 vorgesehene Ultraschall-Quelle 48 wird auf der Oberfläche eines Substrats 49 eine AOW oder Lamb-Welle erzeugt. So können Teilchen 50 angeordnet werden, indem gestattet wird, daß die Intensität eines von über dem Substrat 49 durchdringenden Ultraschall-Strahls eine Verteilung aufweist.
  • 9 ist eine typische Ansicht, die die Konfiguration einer Ausführungsform einer kontinuierlich Teilchen konzentrierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Die kontinuierlich Teilchen konzentrierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ähnelt der in 1 gezeigten kontinuierlich Teilchen konzentrieren den Vorrichtung. Jedoch ist im Vergleich zu der in 1 gezeigten Vorrichtung eine Saugleitung, die vorgesehen ist, um ein konzentriertes Lösungsmittel oder konzentrierte Teilchen herauszuführen, so ausgelegt, daß sie das Schallfeld jedes Ultraschall-Strahls nicht stört: Weiterhin ist zusätzlich eine Einrichtung zum Entfernen gelöster Luft in einer Probe vor der Einleitung der Probe in eine Ultraschall-Kammer vorgesehen. Alternativ ist eine Einrichtung vorgesehen, um zusätzlich eine Route bereitzustellen, damit eine konzentrierte Probe zu einer Probenfalle oder einem Reservoir zurückgeführt werden kann, so daß die Probe wiederholt konzentriert werden kann. Wenn Blut als Probenlösung verwendet wird, trennt die vorliegende Ausführungsform es effektiv in Zellkomponenten wie etwa rote Blutzellen oder Erythrozyten, weiße Blutzellen oder Leukozyten, die beispielsweise in Blut und Plasma vorliegen.
  • Eine in einen Probenlösungstank 510 eingeleitete Probenlösung wird von einer Lösungsspeisepumpe durch ein Ventil 521 zu einer Entgasungseinheit 540 befördert. In der Entgasungseinheit 540 ist in einer Vakuumkammer eine Siliziumröhre mit einem Innendurchmesser von 500 μm und einer Filmdicke von 20 μm angeordnet, die dazu dient, die Probenlösung zuzuführen. Weiterhin wird ein gelöstes Gas in der Probenlösung durch den Film der Siliziumröhre ausgetragen. Da der Entgasungsgrad der Probenlösung entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit der Lösung und. dem Vakuumgrad in einer Entgasungskammer eingestellt werden kann, wird der Vakuumgrad in der Entgasungskammer von einer Vakuumpumpe 552 entsprechend einer Schwankung bei der Strömungsgeschwindigkeit der Lösung in der Lösungsspeisepumpe 530 variiert, während der Vakuumgrad in der Vakuumkammer der Entgasungseinheit 540 durch ein Vakuummeßgerät 551 gemessen wird, wodurch die Probenlösung auf ihren gewünschten Entgasungsgrad eingestellt wird. Das gelöste Gas in der Probenlösung kann reduziert werden, so daß die maximale Ultraschallbestrahlungsintensität ohne Erzeugung von kavitation durch den in eine stromabwärts vorgesehene Ultraschall-Kammer 560 eingestrahlten Ultraschall-Strahl verbessert wird. Dadurch kann die Intensität einer auf jedes Teilchen in der Probenlösung einwirkenden Schall-Strahlungskraft verbessert werden. Natürlich werden der Entgasungsgrad der Probenlösung und die Intensität des Ultraschall-Strahls in der Ultraschall-Strömungszelle 560 so eingestellt, daß sie in einen Bereich fallen, in dem sie keinen Einfluß auf die Komponenten in der Probenlösung ausüben. Wenn die Probenlösung aus den roten Blutzellen besteht, werden Komponenten in den roten Blutzellen selbst dann nicht herausgelöst, wenn die Menge an gelöster Luft auf etwa 30% der Sättigung reduziert wird. Wenn der Ultraschall-Strahl in einer Ultraschall-Intensität einwirkt, bei der keine Kavitation erzeugt wird, werden zudem die roten Blutzellen nicht beschädigt.
  • Die entgaste Probenlösung wird in die Ultraschall-Kammer 560 eingeleitet. Mindestens eine Ultraschall-Quelle in der Ultraschall-Kammer wird auf der Grundlage einer Spannungsschwingungswellenform angetrieben, die erhalten wird durch Verstärken einer durch einen Funktionsgenerator 611 erzeugten Spannungsschwingungswellenform mit einem Verstärker 612. Die in die Ultraschall-Kammer 560 eingeleitete Probenlösung wird aufgeteilt in eine Lösung, in der Teilchenkomponenten in der Ultraschall-Kammer 560 konzentriert sind, und ein teilchenfreies Lösungsmittel. Das Ausmaß des Abflusses der teilchenfreien Lösung wird eingestellt, indem der Öffnungsgrad eines Ventils 522 gemäß Informationen über den Druck einer Lösung, der durch einen Drucksensor 571 gemessen worden ist, und Informationen über den Druck einer Lösung, der durch einen Drucksensor 572 gemessen worden ist, gesteuert wird. Die gewonnene Lösungskomponente wird in einem der Probenlösungshalter 601 gespeichert. Dieser Probenlösungshalter 601 kann von einer Antriebseinrichtung 602 durch einen anderen ersetzt werden. Der Probenlösungshalter 601 wird auf einen anderen umgeschaltet, wenn der Probenlösungstank 510 durch einen anderen ersetzt wird.
  • Das Ausmaß des Abflusses der Lösung, in der die Teilchenkomponenten konzentriert worden sind, wird eingestellt, indem der Öffnungsgrad eines Ventils 523 gemäß Informationen über den vom Drucksensor 571 gemessenen Lösungsdruck gesteuert wird, und einer der Kanäle wird durch stromabwärts vom Ventil 523 vorgesehene Ventile 524 und 524' ausgewählt. Somit wird die Lösung in ein Lösungsreservoir 590 ausgetragen oder der Kanal 580 wird ausgewählt, um die Lösung wieder zum Probenlösungstank 510 zurückzuführen, wo die Teilchenkomponenten in der Lösung weiter konzentriert werden können. Wenn die Dichte der Lösungsmittelkomponente erhöht werden soll, wird das Ventil 522 geschlossen, und ein Ventil 573 wird geöffnet, um sie zum Probenlösungstank 510 zurückzuführen, wo die gleiche Operation, wie oben beschrieben, wiederholt werden kann. Hierbei können die konzentrierten Teilchenkomponenten anstatt in dem der Probe zugeordneten Lösungsreservoir 590 in einem Halter ähnlich dem obenerwähnten Probenhalter 601 gehalten werden.
  • Wenn die Differenz zwischen dem vom Drucksensor 571 erfaßten Lösungsdruck und dem vom Drucksensor 572 erfaßten Lösungsdruck ausreichend klein ist, stimmt das Verhältnis der Strömungsmenge der Lösung, in der die aus der Ultraschall-Kammer 560 extrahierten Teilchenkomponenten zur konzentriert worden sind, Strömungsmenge des teilchenfreien Lösungsmittels mit dem Verhältnis zwischen Abschnittsbereichen von Saugleitungen überein, die mit der Ultraschall-Kammer 560 verbunden sind. Die Anzahl der Teilchen in der Lösungsmittelkomponente wird reduziert, indem die Öffnungsgrade der Ventile 522 und 523 eingestellt wird, damit der vom Drucksensor 572 erfaßte Druck größer wird als der, der vom Drucksensor 571 erfaßt wird. Weiterhin nimmt die Anzahl der Teilchen in der Lösungsmittelkomponente zu, indem die Öffnungsgrade der Ventile 522 und 523 eingestellt werden, so daß der vom Drucksensor 572 erfaßte Druck niedriger wird als der, der vom Drucksensor 571 erfaßt wird. Die maximale Ultraschallbestrahlungsintensität, ohne daß Kavitation erzeugt wird, kann verbessert werden, indem die von den Drucksensoren 571 und 572 erfaßten Probenlösungsdrücke so eingestellt werden, daß sie höher sind als der Luftdruck, indem die Öffnungsgrade der Ventile 522 und 523 eingestellt werden.
  • Spezifische Beschreibungen über das Öffnen und Schließen jedes Ventils, das Antreiben jeder Ultraschall-Quelle, das Einstellen des Entgasungsgrades von Vakuum usw., die bei der vorliegenden Vorrichtung vorgenommen worden sind, entfallen. Sie werden jedoch alle von einem Steuercomputer 622 durchgeführt. Die Ergebnisse der Durchführung durch den Steuercomputer 622 werden auf einem Monitor 621 angezeigt. Eine dicke Linie für die Bereitstellung einer Verbindung zwischen einem Verstärker 612 und der Kammer 560 zeigt ein Antriebssystem für jede Ultraschall-Quelle an. Dünne Linien für die Bereitstellung von Verbindungen zwischen dem Monitor 621 und den jeweiligen Komponenten, wie der Pumpe 530 oder den Ventilen 522 und 523 usw., zeigen jeweilige Steuersysteme an.
  • 10 ist eine typische Ansicht bei diagonaler Betrachtung von oben, die die Struktur einer in der in 9 gezeigten Ausführungsform verwendeten Ultraschall-Kammer zeigt. 11 ist eine Querschnittsansicht bei Betrachtung in der durch Pfeile angegebenen Richtung an einer Position entlang der Linie A-A der Zelle in 10, die die Struktur der in 10 gezeigten Ultraschall-Kammer veranschaulicht.
  • In der Ultraschall-Kammer 560 sind zwei Resonanzplatten 651 und 652 in einer gegenüberliegenden Beziehung angeordnet, und Abschirmplatten 661 und 662 sind auf beiden Oberflächen der Ultraschall-Kammer 560 vorgesehen, um dadurch einen Probenlösungskanal auszubilden. Die Ultraschall-Quellen 631 und 632 sind jeweils außerhalb der Resonanzplatten 651 und 652 vorgesehen. Falls die Breite des Kanals λ/2 oder (λ/2 + nλ) einer Wellenlänge eines von jeder Ultraschall-Quelle erzeugten Ultraschall-Strahls sein soll, dann wird eine stehende Welle erzeugt, bei der der Schwingungsknoten des Schalldrucks der stehenden Ultraschall-Welle in der Mitte des Kanals existiert. Hierbei ist n eine ganze Zahl. Eine Röhre 670 (nicht in 10 gezeigt) zum Einleiten einer Probenlösung, eine Röhre 671 zum Austragen einer Lösungsmittelkomponente und eine Röhre 672 zum Austragen einer Lösung, in der jedes Teilchen konzentriert worden ist, sind jeweils im Kanal vorgesehen. Wie unter Bezugnahme auf 11 offensichtlich ist, ist ein Sauganschluß der Zugröhre 671 einfach in einer Oberfläche der Resonanzplatte 652 definiert. Der Durchmesser dieser Röhre ist ausreichend kleiner als die Wellenlänge (λ) des Ultraschall-Strahls. Dementsprechend ähnelt der Kanal hinsichtlich der Bestrahlung durch den Ultraschall-Strahl im wesentlichen einem ohne Öffnung, weshalb das Schallfeld von der Zugröhre 671 nicht gestört wird.
  • Die Ultraschall-Kammer 560 extrahiert die Lösungsmittelkomponente in der durch den Pfeil 642 angezeigten Richtung durch die Röhre 671 aus der Probenlösung, die durch die Röhre 670 in der durch den Pfeil 641 angegebenen Richtung eingeleitet wird, und führt die Lösung mit den konzentrierten Teilchen aus der Probenlösung in der durch den Pfeil 643 angegebenen Richtung durch die Röhre 672 aus. Die Ultraschall-Quellen 631 und 632 in der Ultraschall-Kammer 560 sind so angeordnet, daß der Schwingungsknoten des Schalldrucks der stehenden Welle in der Mitte des Kanals entlang der Strömung der Probenlösung im Kanal erscheint. Die Ultraschall-Quellen 631 und 632 können unter der Wirkung einer Schall-Strahlungskraft Teilchen wie etwa rote Blutzellen usw. in der Probenlösung am Schwingungsknoten des Schalldrucks der stehenden Welle fokussieren.
  • 12 ist eine typische Ansicht im Schnitt bei Betrachtung in der durch Pfeile angegebenen Richtung an der Position entlang der Linie A-A der Kammer, die einen Prozeß des Konzentrierens und Trennens von Teilchen durch die in 9 gezeigte, kontinuierlich Teilchen konzentrierende Vorrichtung veranschaulicht. 12 zeigt, wie die Teilchen, wie etwa die roten Blutzellen usw., in der Probenlösung am Schwingungsknoten des Schalldrucks der stehenden Welle durch die Schall-Strahlungskraft gesammelt werden können.
  • Die in den durch die beiden Resonanzplatten 651 und 652 erzeugten Kanal eingeleiteten Teilchen 511 und 512 erfahren während eines Prozesses, bei dem sie entlang dem Kanal abwärts strömen, eine von einem Ultraschall-Strahl erzeugte Kraft. Somit werden die Teilchen 511 und 512, wenn sie sich am Schwingungsknoten des Schalldrucks der stehenden Welle zu sammeln beginnen, wozu es in der Mitte des Kanals kommt, und sie stromab zur Position strömen, wo die Zugröhre 671 vorgesehen ist, in einen Zustand versetzt, in dem sie in eine Teilchenschicht und eine Lösungsmittelschicht getrennt sind.
  • Falls ein aus jeder der Ultraschall-Quellen 631 und 632 erzeugt Ultraschall-Strahl eine Frequenz von 1 MHz aufweist, wenn das Lösungsmittel Wasser ist, dann wird die Wellenlänge λ des Ultraschall-Strahls im Wasser 1,5 mm. Falls die Breite des Kanals λ/2 oder (λ/2 + nλ) ist, dann wird eine stehende Welle erzeugt, bei der der Schwingungsknoten des Schalldrucks in der Mitte des Kanals vorliegt. Zudem kann der Ultraschall-Strahl effektiver in den Kanal eingeleitet werden, indem die Resonanzplatten 651 und 652, die jeweils eine Dicke von λ/2 oder (λ/2 + nλ) der Wellenlänge eines zu verwendenden Ultraschall-Strahls erhalten, zwischen den Ultraschall-Quellen und dem Kanal angeordnet werden.
  • Wenn weiterhin die Resonanzplatten 651 und 652 jeweils aus einem Leiter wie etwa Gold, Platin, Kupfer, rostfreiem Stahl oder dergleichen oder aus einem isolierendem Material, wie etwa Glas oder einem anderen Material oder dergleichen bestehen, können sie zu solchen ausgebildet werden, die ausgebildet werden, indem die Leiter auf ihren in Kontakt mit der Lösung gebrachten Oberflächen durch Vakuumverdampfung aufgetragen werden. Zu diesem Zeitpunkt kann in der Lösung ein elektrisches Feld erzeugt werden, indem zwischen leitenden Teilen der beiden Resonanzplatten 651 und 652 eine Potentialdifferenz hergestellt wird. Wie später beschrieben wird, kann eine vom erzeugten elektrischen Feld erzeugte Kraft (außer der Kraft auf der Basis des Ultraschall-Strahls) auch auf jedes Teilchen in der Lösung einwirken, um die unterschiedlich geladenen Teilchen 511 und 512 voneinander zu trennen und zurückzugewinnen. Die angelegte Potentialdifferenz zur Erzeugung des elektrischen Felds ist so definiert, daß sie in einen Bereich zwischen 0 Volt und 1,23 Volt (mit einer Wasserstoffelektrode als Bezugspotential) fällt, um ein Herauslösen einer Elektrodenkomponente aufgrund Oxidation und Reduktion einer Probenlösung an einer Elektrodenoberfläche oder einer Elektrode oder das Auftreten von Blasen wegen der Elektrolyse einer Lösungskomponente zu verhindern. Dieser Wert ergibt sich aus dem elektrochemischen Potential, das erforderlich ist, um ein Wasserstoffion und ein Sauerstoffion zu Gasmolekülen zu oxidieren beziehungsweise reduzieren. Wenn in der Probenlösung oder der Elektrode eine Substanz vorliegt, die ein höheres Reduktionspotential als das Wasserstoffion oder ein niedrigeres Oxidationspotential als das Sauerstoffion aufweist, wird ein Potential verwendet, das der Differenz zwischen dem höchsten Reduktionspotential und dem niedrigsten Oxidationspo tential entspricht.
  • Wenn jede der Resonanzplatten 651 und 652 aus ferromagnetischen Dielektrika wie etwa CoCO3, einem Ferrit oder dergleichen besteht, kann eine von einem Ultraschall-Strahl erzeugte Kraft und eine von einem Magnetfeld erzeugte Kraft auf jedes Teilchen in einem Fluid einwirken gelassen werden, wodurch eine Trennung zwischen solchen wie einem magnetischen Kügelchen, das auf Magnetismus reagiert, und anderen Teilchen ermöglicht wird.
  • Da die Teilchenkomponenten wie etwa die roten Blutzellen usw. entsprechend dem Schwingungsknoten des Schalldrucks in der Kanalmitte fokussiert werden, kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Lösungsmittelkomponertte ohne Stören des im Kanal ausgebildeten Schallfelds herausgenommen werden, indem die Lösungsmittelkomponente durch das Loch ausgetragen wird, das in der Wandoberfläche zum Einkoppeln des Ultraschall-Strahls definiert ist und das in der Lage ist, die Lösungsmittelkomponente wie etwa das Plasma oder dergleichen anzusaugen. Es ist in diesem Fall wünschenswert, daß die Größe des Sauglochs ausreichend kleiner ist als die Wellenlänge eines zu verwendenden Ultraschall-Strahls. Weiterhin können die Anzahl oder der Typ konzentrierter Teilchenkomponenten, die Absorptionseigenschaft jeder Lösungsmittelkomponente und dergleichen optisch gemessen werden, indem die anderen beiden Wandoberflächen 661 und 662 aus einem lichtdurchlässigen Material wie etwa Glas oder dergleichen ausgebildet werden.
  • Weiterhin zeigt die vorliegende Ausführungsform die Konfiguration, in der der Kanal im Schnitt rechtwinklig ist. Wie oben beschrieben, kann jedoch selbst dann, wenn eine Kammer mit einem im Schnitt kreisförmigen Kanal verwendet wird, die Strömung konzentrierter Teilchen in der Mitte der Kammer ausgebildet werden, indem in die Kammer ein derartiger Ultraschall-Strahl eingekoppelt wird, daß der Innendurchmesser der Kammer λ/2 oder (λ/2 + nλ) der Wellenlänge des Ultraschall-Strahls wird. Somit ist es möglich, nur die Lösungsmittelkomponenten durch ein in einem Teil einer Kammerwand definiertes Saugloch zu saugen. In diesem Fall kann die Effizienz der Bestrahlung durch den Ultraschall-Strahl erhöht werden, indem jeweils Resonatoren angeordnet werden, die etwa die Hälfte der Kammer bedecken.
  • Wenn bei der vorliegenden Ausführungsform die Teilchen in der Mitte des Kanals angeordnet werden, können die beiden Ultraschall-Quellen 631 und 632 so angetrieben werden, daß sie einen Ultraschall-Strahl erzeugen, der in der folgenden Gleichung (7) ausgedrückt wird: Asin(ωt) (7)wobei A die größte Amplitude einer Druckschwingung relativ zum hydrostatischen Druck, x die Winkelfrequenz des Ultraschall-Strahls und t die Zeit bezeichnet. Wenn die Breite des Kanals bezüglich der Wellenlänge des Ultraschall-Strahls (λ/2) beträgt, dann ist ein Schallfeld, das im Kanal durch den von jeder der beiden Ultraschall-Quellen 631 und 632 einwirkenden Ultraschall-Strahl erzeugt wird, gegeben durch die folgende Gleichung (8): Asin(ωt – kx) + Asin{ωt + k(x – λ/2}} (8)
  • Wenn Gleichung (8), wie durch die folgende Gleichung (9) gegeben, ausgehend von der Gleichung (8) geändert wird, dann ist folgendes das resultierende Produkt:
    Figure 00340001
    Infolgedessen kann die Position des Schwingungsknotens des Schalldrucks der stehenden Schallwelle der Mitte des Kanals verschoben werden, indem eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Ultraschall-Quellen 631 und 632 erzeugt wird. Wenn ein Ultraschall-Strahl mit einer Phase, die durch die folgende Gleichung (10) gegeben ist, von der Ultraschall-Quelle 632 eingeleitet wird und ein Ultraschall-Strahl mit einer Phase, die durch die folgende Gleichung (11) gegeben ist, von der Ultraschall-Quelle 631 eingeleitet wird, wie man unter Bezugnahme auf die Gleichung (9) versteht, kann, wenn die Breite des Kanals auf beispielsweise (3λ/8) gesetzt ist. Asin(ωt) (10) Asin(ωt – π/4) (11)der Schwingungsknoten des Schalldrucks in einer Position λ/8 weg von der Resonanzplatte 651 und in einer Position λ/4 weg von der Resonanzplatte 652 angeordnet werden, und somit können die Teilchenkomponenten, wie etwa die roten Blutzellen usw. an der vom Saugloch beabstandeten Position konzentriert werden. Dabei kann das Einmischen der Teilchenkomponenten in eine Lösungskomponente 642 beim Saugen der Lösungsmittelkomponente 642 aus der Zugröhre 671 weiter reduziert werden.
  • 14 zeigt eine weitere Struktur der Ultraschall-Kammer, die in der in 9 gezeigten Ausführungsform verwendet wird, und sie ist eine Querschnittsansicht bei gleicher Betrachtung wie 12. Im Vergleich zu der in 11 gezeigten Ausführungsform ist die vorliegende Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß Saugleitungen 671 und 673, die in einer Wandfläche definiert sind, auf die ein Ultraschall-Strahl auffällt, bezüglich den gegenüberliegenden Wandoberflächen der Ultraschall-Kammer symmetrisch angeordnet sind.
  • 15 ist eine typische Ansicht, wie 12, die einen Prozeß zum Konzentrieren und Trennen von Teilchen durch die Ultraschall-Kammer der in 4 gezeigten, kontinuierlich Teilchen konzentrierenden Vorrichtung zeigt.
  • Die Teilchenkomponenten 511 und 512 in einer Strömung 641 einer Probenlösung werden auf einem Schwingungsknoten des Schalldrucks einer stehenden Welle konzentriert, und die Lösung wird mit der ähnlichen Strömungsgeschwindigkeit von den an einer Kammerwandoberfläche orthogonal zur Strömung 641 angeordneten Saugleitungen 671 und 673 gesaugt. Somit können Lösungsmittelkomponenten extrahiert werden, ohne ein in einem Kanal erzeugtes Schallfeld zu stören.
  • Wie schon in der in 11 gezeigten Ausführungsform beschrieben, können die Teilchen 511 und 512 mit voneinander verschiedenen Ladungen in der Lösung getrennt und zurückgewonnen werden, indem zwischen den Resonanzplatten 651 und 652 eine Potentialdifferenz erzeugt wird. 16 ist eine typische Ansicht wie 12, die einen Trennprozeß des Konzentrierens von Teilchen durch eine Schall-Strahlungskraft und eine auf einem elektrischen Feld in einer Zelle basierende Kraft darstellt.
  • 16 zeigt, wie Teilchen 511 mit jeweils einer positiven Ladung und Teilchen 512 mit jeweils einer negativen Ladung voneinander getrennt und zurückgewonnen werden, wenn eine Resonanzplatte 651 und eine Resonanzplatte 652 als eine Anode beziehungsweise Kathode verwendet werden. Die jeweils die positive Ladung aufweisenden Teilchen 511 werden durch eine elektromagnetische Kraft an die Resonanzplatte 652 angezogen, so daß sie zu einer Position getrennt werden, wo die Schall-Strahlungskraft und die elektromagnetische Kraft, die zwischen einem Schwingungsknoten des Schalldrucks und der Resonanzplatte 652 existieren, ins Gleichgewicht gebracht werden. Analog werden die jeweils die negative Ladung aufweisenden Teilchen 512 durch die elektromagnetische Kraft zur Resonanzplatte 651 gezogen, so daß sie zu einer Position getrennt werden, wo die Schall-Strahlungskraft und die elektromagnetische Kraft, die zwischen dem Schwingungsknoten des Schalldrucks und der Resonanzplatte 651 existieren, in ein Gleichgewicht gebracht werden. Wegen des Heraussaugens der Lösung aus den Saugleitungen 671 und 673, die an ihren jeweiligen Resonanzplatten angebracht sind, können die jeweils die positive Ladung aufweisenden Teilchen in konzentrierter Form zusammen mit dem Lösungsmittel durch die Saugleitung 671 herausgeführt werden, und die jeweils die negative Ladung aufweisenden Teilchen können in konzentrierter Form zusammen mit dem Lösungsmittel durch die Saugleitung 673 extrahiert werden.
  • 17 ist eine typische Ansicht bei diagonaler Betrachtung von oben, die eine weitere Struktur der Ultraschall-Kammer zeigt, die in der in 9 gezeigten Ausführungsform verwendet wird. 18 ist eine typische Ansicht im Schnitt bei Betrachtung der durch Pfeile angegebenen Richtung an einer Position entlang der Linie A'-A', die einen Prozeß zum Konzentrieren und Trennen von Teilchen durch die Ultraschall-Kammer der in 17 gezeigten, kontinuierlich Teilchen konzentrierenden Vorrichtung zeigt.
  • Im Vergleich zu den in den 10 und 11 gezeigten Ausführungsformen ist die vorliegende Ausführungform dadurch gekennzeichnet, daß eine Saugleitung 1712 an einer Position vorgesehen ist, die einem Schwingungsknoten des Schalldrucks in einem Kanal entspricht, wobei die Position an einer Wandoberfläche vorliegt, durch die kein Ultraschall-Strahl eindringen kann. Wenn die Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, dann können an der Position des Schwingungsknotens des Schalldrucks konzentrierte Teilchen aus einem Saugloch 1713 herausgesaugt werden, das an der Position des Schwingungsknotens des Schalldrucks angeordnet ist, wie schon in 18 gezeigt, und zwar zusammen mit einem Lösungsmittel, ohne daß ein Schallfeld gestört wird.
  • 19 ist eine typische Ansicht bei diagonaler Betrachtung von oben, die noch eine weitere Struktur der Ultraschall-Kammer zeigt, die in der in 9 gezeigten Ausführungsform verwendet wird. 20 ist eine typische Ansicht im Schnitt bei Betrachtung in der durch Pfeile angegebenen Richtung an einer Position entlang der Linie B-B, die einen Prozeß zum Konzentrieren und Trennen von Teilchen durch die Ultraschall-Kammer der in 19 gezeigten, kontinuierlich Teilchen konzentrierenden Vorrichtung veranschaulicht.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Ultraschall-Kammer von der Struktur her einstöckig mit einer Entgasungseinheit ausgebildet. Funktionsmäßig werden Probenteilchen einem Färbeprozeß unterzogen, so daß die Anzahl der Teilchen gemessen werden kann.
  • Bei der vorliegenden Vorrichtung wird zunächst eine Probenlösung durch eine Einleitungsröhre 674 in der durch Pfeil 644 angegebenen Richtung in eine Entgasungseinheit 680 eingeleitet. In der Entgasungseinheit 680 ist die Probenlösung durch Dünnfilme 682, und 683 aus Silizium von einer Vakuumkammer getrennt. Gelöste Luftkomponenten in der Probenlösung werden durch die Dünnfilme entgast. Die Vakuumkammer ist an eine Austragröhre 675 angeschlossen. Der Vakuumgrad in einer Entgasungskammer wird entsprechend dem Sauggrad von Luft aus der Austragröhre 675 eingestellt.
  • Als nächstes wird die entgaste Lösung in eine Schall- oder Ultraschallkonzentrationseinheit eingeleitet, die aus Ultraschall-Quellen 633 und 634 und Resonanzplatten 653 und 654 besteht. Beide Seitenflächen der Resonanzplatten 653 und 654 sind auf ähnliche Weise wie bei dem ersten Beispiel mit Abschirmplatten 663 und 664 (wobei 664 in der Zeichnung nicht gezeigt ist) bedeckt. Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht die Abschirmplatte 663 aus einem durchscheinenden Material wie Glas. Die eingeleitete Probenlösung wird mit einer Farbstofflösung wie etwa einem fluoreszierenden Antikörperreagens oder dergleichen vermischt, das durch eine dünne Röhre 677 in einen Kanal der Schallkonzentrationseinheit eingeleitet wird. Die mit der Farbstofflösung vermischte Probenlösung wird mit einem Rührer 710 gerührt, der im Kanal angeordnet ist und von einer Schall-Strahlungskraft gedreht wird, um die Teilchen in der Probenlösung und die Farbstofflösung miteinander zu vermischen. Um die Konzentration der Farbstofflösung in der Lösung nach dem Mischen der Teilchen und der Farbstofflösung zu verdünnen, wird hinter dem Kanal durch eine Röhre 678 eine Verdünnungslösung eingeleitet, so daß die mit den Probenteilchen in der Lösung nicht vereinigte Farbstofflösung gleichzeitig mit einer Lösungsmittelkomponente durch eine Röhre 676 zurückgewonnen wird. Die Position, an der die Röhre 676 vorgesehen ist, kann sich hinter der Röhre 678 befinden. Die Strömungsgeschwindigkeit der von der Röhre 676 gesaugten Lösung wird entsprechend dem Öffnungsgrad eines Ventils 525 eingestellt. Analog wird die Strömungsgeschwindigkeit der im Kanal strömenden Lösung entsprechend dem Öffnungsgrad eines an einer Röhre 679 angekoppelten Ventils 526 eingestellt. Da die Teilchenkomponenten in der Lösung an der Position des Schwingungsknotens der stehenden Welle gehalten werden, wenn die Farbstofflösung verdünnt wird, geht keine Teilchenkomponente verloren und ihre Konzentration bleibt auch dann unverändert, wenn die Lösungsmittelkomponente durch die Röhre 676 ausgetragen wird. Die Probenlösung, die die mit dem Farbstoff verbundenen Probenteilchen enthält, wird mit Licht bestrahlt, um einen fluoreszenten Farbstoff von einem Lichtquelleneinheitsgehäuse 690, das aus einer LED 691, einer Linse 692 und einem transparenten Fenster 694 besteht, anzuregen. Die Anzahl der Teilchen in der gefärbten Probenlösung wird von einem auf einer Glasplatte 663 angeordneten Fotodiodenarray 702 erfaßt. Zu diesem Zeitpunkt kann auf der Eingabeseite des Fotodiodenarrays 702 ein Grenzfilter 701 für angeregtes Licht hinzugefügt werden. Wenn eine Farbstofflösung zum Variieren der Absorptionseigenschaft einer Probe als Farbstofflösung verwendet wird, kann die Anzahl der gefärbten Teilchen unter Verwendung eines Filters gemessen werden, der eine an die verwendete Farbstofflösung angepaßte Absorptionseigenschaft aufweist.
  • Die oben beschriebene Ausführungsform zeigt als Beispiel den Fall, bei dem die Farbstofflösung eingeleitet wird, um die Teilchen optisch zu erfassen. Gegenmaßnahmen gegen den Fall, bei dem jedes Teilchen extrem klein ist und die von einem Ultraschall-Strahl erzeugte Kraft nicht ausreichend verwendet werden kann, können jedoch unter Verwendung der gleichen Struktur ergriffen werden. Es wird nämlich anstelle der Farbstofflösung eine Substanz eingeleitet, die chemisch mit einem Teilchenschwanz reagiert, wie etwa eine Substanz, die als ein vernetzendes Reagens dient. Dabei werden die Teilchen von dem Brückenmaterial polymerisiert, damit sie zu einem geeigneten großen Teilchen werden. Somit kann die von jedem Ultraschall-Strahl erzeugte Kraft ausreichend genutzt werden, wodurch die Effizienz einer Falle vergrößert werden kann.
  • Weiterhin kann, wie in 21 gezeigt, eine Ultraschall-Kammer in Längsrichtung angeordnet werden, so daß die Richtung einer in der Ultraschall-Kammer strömenden Lösung mit der Richtung der Schwerkraft zusammenfällt. Ein Prozeß zum Konzentrieren und Trennen von Teilchen durch die Ultraschall-Kammer zu diesem Zeitpunkt ist in 22 dargestellt. Somit kann die Anordnung der Ultraschall-Kammer in Längsrichtung das Absetzen und Ablagern der Teilchen am Boden eines Kanals durch die auf die Teilchen wirkende Schwerkraft verhindern.
  • 23 offenbart Effekte von Eingangsspannungswellenformen von unter drei Bedingungen in die Kammer Bestrahltem Ultraschall, wobei (a) die Mikroaufnahme roter Blutzellen in der Kammer ohne Ultraschall-Bestrahlung, (b) die Bestrahlung mit Ultraschall mit einer 500 kHz-Sinuswelle und (c) die Bestrahlung mit Ultraschall mit einer Rechteckwelle zeigt und (d), (e) und (f) jeweils die Wellenform der Eingangsspannung entsprechend (a), (b) und (c) zeigen. Wie in 23 gezeigt, ist es kler, daß eine in die Wandler eingegebene Rechteckspannung die Konzentration kleiner Teilchen am Druckknoten verbessert.
  • Wie oben ausführlich beschrieben worden ist, kann die vorliegende Erfindung zu dem vorteilhaften Effekt führen, daß Teilchen in einem Fluid effektiv konzentriert, gefiltert, zurückgewonnen oder getrennt werden können. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung zu dem weiteren vorteilhaften Effekt führen, daß die Teilchen, die im Fluid vorliegen, periodisch angeordnet werden können. Zudem kann die vorliegende Erfindung zu dem weiteren vorteilhaften Effekt führen, daß eine Lösungsmittelkomponente in einer Teilchen enthaltenden Lösung kontinuierlich durch eine andere ersetzt werden kann, ohne daß Teilchenkomponenten reduziert werden.
  • Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen.

Claims (11)

  1. Teilchen-Handhabungsvorrichtung, aufweisend: einen Kanal (560) zum Leiten einer Suspension mit einer Fluid-Komponente und einer Teilchen-Komponente, eine Saugleitung (671, 673, 1712), die im wesentlichen senkrecht zur Strömung der Suspension in dem Kanal in einer Wandfläche des Kanals (560) vorgesehen ist, und eine Ultraschallquelle (611, 612, 631, 632; 1312, 1322) zum Aussenden eines Ultraschall-Strahls im wesentlichen senkrecht zur Strömung der Suspension in dem Kanal (560) mit einem Knoten des akustischen Drucks einer stehenden Welle an einer vorbestimmten Stelle in dem Kanal, wobei die Wellenlänge des Ultraschall-Strahls größer als der Durchmesser der Saugleitung ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend: mehrere Ultraschall-Quellen (631, 632) in direktem oder indirektem Kontakt mit dem Fluid, und eine Steuereinrichtung (611, 612) zur Steuerung der Ultraschall-Quellen (631, 632) zur Erzeugung eines Ultraschall-Strahls durch Überlagerung von Strahlen der Ultraschall-Quellen übereinander, wobei jeder Strahl eine gesteuerte Frequenz, Intensität und Phase aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einem Verstärker, um die Amplitude einer Spannung einer eingegebenen Winkelfrequenz ω' bezüglich der Amplitude einer Spannung einer Bezugs-Winkelfrequenz ω um einen Faktor ω'/ω zu verstärken.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Einrichtung zur Steuerung der Temperatur des Fluids in dem Kanal (560).
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Einrichtung, um auf das Fluid ein elektrisches Feld, ein ma gnetisches Feld oder eine von der akustischen Strahlungskraft verschiedene äußere Kraft einwirken zu lassen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Einrichtung (691 bis 702) zur Beobachtung des Zustands der Teilchen in dem Fluid dort, wo die Teilchen konzentriert werden, oder stromabwärts dieser Stelle.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 2, 5 und 6, wobei die Steuereinrichtung (611, 612) die von den Ultraschall-Quellen (631, 632) erzeugten Intensitäten, Phasen und Frequenzen oder den Grad gegenseitiger Überlagerung der Strahlen oder eine von der Ultraschall-Strahlungskraft verschiedene äußere Kraft aufgrund der von der Beobachtungseinrichtung (691 bis 702) erhaltenen Verteilung der Teilchen in dem Fluid steuert.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Wandflächen des Kanals (560) Saugleitungen (671, 673) vorgesehen sind, die einander gegenüberliegen und im wesentlichen senkrecht zur Strömung der Suspension in dem Kanal sind, wobei der Ultraschall-Strahl eine größere Wellenlänge als der Durchmesse jeder Saugleitung aufweist und die die Leitungen aufweisenden Wandflächen leitend oder aus einem magnetischen Material sind und an jedes Teilchen eine durch ein elektrisches Feld oder ein Magnetfeld oder eine von dem Ultraschall-Strahl verschiedene Einrichtung erzeugte Kraft anlegen können.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend: einen ersten Lösungszufuhranschluß (677), der in einer Wandfläche des Kanals (560) im wesentlichen orthogonal zur Strömung der Suspension in dem Kanal vorgesehen ist, um eine auf die Teilchen einwirkende Reaktionslösung zuzuführen, einen zweiten Lösungszufuhranschluß (678), der in einer Wandfläche des Kanals vorgesehen ist, um eine Verdünnungslö sung zur Verdünnung der Reaktionslösung stromabwärts des ersten Lösungszufuhranschlusses (677) zuzuführen, wobei die Saugleitung (676) an einer Stelle gegenüber oder stromabwärts des zweiten Lösungszufuhranschlusses (678) vorgesehen ist und der Ultraschall-Strahl eine größere Wellenlänge als der jeweilige Durchmesser des ersten Lösungszufuhranschlusses (677), des zweiten Lösungszufuhranschlusses (678) und der Saugleitung (676) aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, mit einem stromabwärts des ersten Lösungszufuhranschlusses (677) vorgesehenen Rührer (710) zur Förderung des Kontakts zwischen der Reaktionslösung und den Teilchen.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend: eine Kammer (510) zur Aufnahme einer Teilchen-Suspension mit Fluid-Komponenten und Teilchen-Komponenten, eine mit der Proben-Suspension beschickte Entgasungseinrichtung (540) um aus jener gelöster Gaskomponenten zu entfernen, ein Umschaltventil (523) zum Ändern der Strömung der Fluid-Komponenten oder der Teilchen-Komponenten, die durch die Saugleitung (671) angesaugt werden, ein Umschaltventil (573) zum Ändern der Strömung der Fluid-Komponenten oder der Teilchen-Komponenten, die nicht durch die Saugleitung (671) angesaugt werden, Röhren zum Abführen der Fluid- oder Teilchen-Komponenten durch die entsprechenden Ventile, Röhren (580) zum Rückführen der Fluid- oder der Teilchen-Komponenten zu der Leitung durch die entsprechenden Ventile, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der entsprechenden Elemente.
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