JP2001525722A - 粒子マニピュレーション - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 粒子が懸濁した流体は、音響定在波場を設定するための手段（２０・２２）を有するダクト（１２・１４・１６・１８）に沿って流され、それによって粒子が移動して平行な帯を形成する。ダクトは幅の広がり（１６）を含み、それによって粒子の帯の間の間隔が増大し、それらの帯の観察および／またはダクトからの分離がより容易となる。

Description

【発明の詳細な説明】 粒子マニピュレーション ［技術分野］ 本発明は、音響定在波の場(field)を用い、流体内に懸濁した粒子をマニピュ レーション（操作）するための装置および方法に関する。 ［背景技術］ 流体内に懸濁した粒子に音響定在波の場を与えると、粒子は定在波ノードの位 置へ移動する。この方法の効果は、粒子と懸濁流体との相対的な濃度や圧縮率に よって変化する。 このような現象を利用して粒子を液体または他の流体から分離する方法が数多 く提案されている。通常は音響定在波場の設定されているダクトに粒子を通して 流し、ダクトの長さだけ該場を横断するようにする。粒子はそれによって移動し て一連の平行な帯(band)を形成する。そしてそれで、主流路であるダクトから粒 子の個々の帯を離すように導く多数の出口通路が得られる。粒子の帯を回収する 多数の平行な狭い出口通路を得る場合に生じる技術的な困難性を考慮して、通常 は比較的低い周波数を用い、定在波場の波長を十分に大きくして、粒子の帯の間 で適当な間隔（半波長間隔）が得られるようにする。 音響定在波場の中で一個の粒子に与えられる一次音響放射力は使用周波数に比 例する。また、一個の粒子がノードまで到達するために必要な移動距離は、周波 数が高くなると減少する。これは周波数が小さくなり、ノード間の間隔が減少す るからである。したがって使用周波数が高ければ、粒子の濃度を高くすることが 容易となる。超音波キャビテーションも高周波で適用可能な音圧をあまり制限し ないと考えられる。しかし高い周波数したがって小さい波長を用いたりすると、 個々の粒子の帯のため出口通路を得ることに関する技術的な困難性が増大する。 粒子を懸濁流体から分離する代わり、観察のため（例：ＧＢ−２２６５００４に 記載されているような免疫凝集分析のため）、粒子を帯状に形成する必要のある 場合も存在する。このような場合は、高周波数を用いて粒子の帯を互いに近くす るため観察がさらに困難となる。 ［発明の開示］ 本発明の発明者らは上述した各種の困難を克服して、粒子を懸濁流体から分離 するか否かにかかわらず、また、観察のために粒子を帯状に形成するか否かにか かわらず使用することのできる装置および方法を創案した。 本発明に基づけば、流体内に懸濁した粒子にマニピュレーションを行うための 装置において、粒子が懸濁した流体を流すためのダクトおよび該ダクトを幅方向 に横切る音響定在波場を設定するための手段を有し、該ダクトが、該定在波場の 下流に幅方向に広がって形成されるという装置が提供される。 この装置を使用すると、流体内の粒子が音響定在波場により移動して一連の平 行な帯となる。流体が定在波場の存在する部分から下流に流れても、粒子はこれ らの帯として留まる。流体がダクトが広がった部分に達すると、それにしたがっ て流体の流れの幅も広がり、それによって粒子がさらに別れ、隣接する帯の間の 間隔が増大する。 粒子の帯はダクトに沿ってさらに流れてもその間隔を保持する。これによって 帯を観察することもできるし、あるいは、ダクトから分離することもできる。 好ましくは、該ダクトは始まりの細長い部分を含み、該部分では流体が音響定 在波場に入る前に流体の層状の流れが設定される。 好ましくは、該ダクトの広がりは該広がり部分の全長にわたってダクトの幅が 徐々に増大することによって形成される。好ましくは、該広がり部分の下流では 該ダクトが断面が均一な細長い部分を有し、該部分の中では流体の層流が維持さ れる。 粒子の帯の分離を広げることによって、これらの帯の観察が容易となること、 および／または、流体から分離することが容易となることは理解されよう。好ま しくは２ＭＨｚ以上の従来より高い周波数の超音波を使用することができる。好 ましくは、該広がり部分の下流には、粒子の帯を観察するため、または、それら を主ダクトから分離するための手段が配設される。 該ダクトは、ある傾斜角で外側に伸びてダクトの幅の広がりを形成する少なく とも一つの出口通路を備えて形成することができる。該出口通路の分岐するダク トの側部に隣接していて、隣接する粒子の帯の外側にある流体は、これによって 出口通路に沿って該ダクトから出る。 好ましくは各出口通路には弁が配設される。該弁が閉じられると、流体は幅方 向に広がらず、かつ、粒子の帯もそれに対応してより多く分離されることなく、 すべてダクト沿いに流れる。該弁が徐々に開けられると、徐々により多くの流体 が出口通路から流れ出ることができるようになり、したがって流体の流れの広が りが効果的に増大し、該流れのより多くの部分が主ダクトから流れ出ることにな る。あるいはさらに、各出口通路にポンプを配設してその流量を独立に調節でき るようにすることもできる。 また本発明に基づけば、流体内に懸濁した粒子のマニピュレーションを行う方 法において、該流体がダクトに沿って流れるようにし、該ダクトに対して横方向 に音響定在波場を設定し、該定在波場の下流で該流体の流れを幅方向に広げるこ とからなる方法が提供される。 ［図面の簡単な説明］ 本発明の複数ある実施形態は例にすぎない方法で各図に示されており、これら を参照すると、図１は本発明に基づく装置の第一実施形態の縦断面概略図、図２ は粒子の帯の分離が図１の装置の広がり部分全体で増大する様子を示した拡大概 略図、図３は本発明に基づく装置の第二実施形態の縦断面概略図である。 ［発明を実施するための最良の形態］ 図１を参照してここに示された装置は、縦方向のダクトまたはチャンバからな り、該チャンバは４つの連続した部分を有する。はじめのダクトは、断面が均一 で真直な層流安定化部分１２や音響定在波部分１４で形成されている。つぎのダ クトは幅方向に広がった流れの広がり部分１６で形成されている。該チャンバは さらに、断面が均一で真直なダクト１８を有していてこれが観察部分を形成して いる。入口通路１１は第一の部分１２の端部まで伸びており、出口通路１９は観 察部分１８の端部まで伸びている。 図示例において、はじめの二部分１２・１４を形成しているダクトは１．１× １０ｍｍの直方形の断面を有する。第一の部分１２は長さが４０ｍｍ、第二の部 分１４は長さが１５ｍｍである。第三の部分１６もやはり直方形の断面を有する が、最初の１．１×１０ｍｍの寸法から３０ｍｍの全長にわたって８×１０ｍｍ の寸法まで広がっている。チャンバの第四部分１８は断面が均一に８×１０ｍｍ の直方形であって長さが６５ｍｍである。 音響定在波場は、ダクトの片側に配置された圧電トランスデューサ２０および ダクトの反対側に配置された厚さ３ｍｍの真鍮の反射板２２によって、ダクト部 分１４を横切って設定される。該トランスデューサ２０は、クリスガルトのフェ ロペルム社製（デンマーク）のＰＺＴ２６型・直径２．５ｃｍの背部通風式であ り、３ＭＨｚに近い基本共振周波数を有する。該トランスデューサの背部電極は 超音波の発生を音響チャンバに対応する面積に限定するように１×１．５ｃｍの 面積でエッチングされている。 使用時には、粒子を懸濁した流体（生物の細胞とすることができる）が、好ま しくは蠕動ポンプを用いて該チャンバを通って汲み揚げられる。第一の部分１２ は、流体の層流を安定的に設定できる十分な長さを有する。該チャンバの第二の 部分内に設定された音響定在波場は、トランスデューサ２０と反射板２２との間 のチャンバ幅方向に半波長の間隔で隔てられた多くのノード面を形成する。した がって懸濁した粒子は、これらのノード面に対して横方向に移動し、一連の平行 な帯を形成する。該流体がさらにチャンバに沿って流れて定在波場から出ても粒 子はこれらの帯状を保つが、図２に示すように、チャンバの広がり部分１６の全 長の間で、これらの帯Ｂは徐々に別れていく。つぎに最後のチャンバ部分１８を 通って流れる間、これらの帯Ｂは互いに平行を保ち、またチャンバの広がり部分 １６で得られた広がった分離状態を保持する。 隣接する帯Ｂの間の間隔が増大するため、これらの帯の観察がきわめて容易と なることは理解されよう。観察はチャンバの最後の部分１８の透明な側壁を通し て、すなわち、図１の紙面に対して垂直な方向に行なわれる。 あるいはまた、本発明の原理を用いて、たとえば図３に示すようにして流体か ら粒子を分離することも可能である。図３のダクト３０にあっては、はじめ流体 の層流が設定されており、つぎに該流体を音響定在波場を横切って流して、懸濁 した粒子が横方向に移動するようにし、それによって一連の平行な帯Ｂを形成す る。図３に示すダクト３０の部分（通常、幅Ｗ₁＝１．６ｍｍ）は、一対の外側 に傾斜した出口通路３２（通常、Ｗ₂＝３ｍｍ）とともに形成される。これらの 出口通路は、音響定在波場から下流の縦方向に任意の距離だけ離れた位置に配置 することができる。なぜなら粒子は、これが帯Ｂになると、かなりの時間帯状を 保つからである。該出口通路３２はダクト３０の広がりを形成し、粒子の帯Ｂ分 離状態が広がるようにする。これによって粒子の外側の帯の外側の流体は、該ダ クト３０から出口通路３２を通って流れ出る。 図３に示した例では、第一の一対の出口通路３２からさらに下流の位置に第二 の一対の外側に傾斜した出口通路３４を備えるように形成される。この第二の対 の出口通路３４は、ダクト３０のさらに他の広がりを形成し、外側の粒子の帯が 通路３４を通ってダクト３０から出るようにする。また、該第二の対３４からさ らに下流の位置に第三の一対の出口通路３６を備えて形成され、それによってダ クト３０の第三の広がりを形成し、残る両側の粒子の帯が該通路を通ってダクト ３０から出るようにする。図３は三つの粒子の帯が形成される構成を示すが、実 際には、使用周波数および定在波場が形成されるダクト部分の幅に応じて任意の 数のおよびを形成できることは理解されよう。 好ましくは、出口通路３２・３４・３６の各々に弁（通路の一つ通路３６にＶ で概略を示す）が配設される。たとえば通路３２では、対応する弁が閉じられて いるときに、これらの出口通路を通って流体が流れることはできず、したがって 流体は、すべて上述した横方向の広がりなしにダクト３０に沿って流れ続けるこ とになる。通路３２用の弁を徐々に開けると、これらの通路を通ってダクト３０ から流れ出ることのできる流体の割合いが徐々に増大する。このように、各出口 通路の弁を用いて粒子からの流体の分離を制御することができる。または、各出 口通路に独立して流量を換えることのできるポンプを配設して、上の分離の工程 を制御することもできる。 ダクト３０内に残る流体および粒子には、第二段の分離を行ない、粒子の含有 量をさらに高める（あるいは粒子から分離される流体の量を最大にする）ことが できる。 望む場合にダクト３０は、定在波場が設定される部分と（図３に示す）外側に 傾斜した出口通路が配設された部分の間に広がり部分を含むものとすることがで きる。この広がり部分（図１に示す広がり部分に対応する）は、粒子の帯を若干 分離し、図３に示すダクトの部分に入る前に観察ができるようにする。 本発明については、適当な流体に含まれる様々に異なる粒子または微粒子（生 物の細胞を含む）を用いる各種の用途に適用できることが理解されよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 バーロウ デイビッド アンソニー イギリス カーディフ シーエフ４ ３エ ルビー ギャボルファ ニューファウンド ランドロード65 (72)発明者 セファイ ジョセフ イギリス スオンジー エスエー５ ９デ ィージェー クォーリーロード14

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．流体内に懸濁した粒子のマニピュレーションを行うための装置において、粒 子の懸濁した流体を流すためのダクト（１２・１４・１６・１８）、ダクトの 片側に配置される超音波トランスデューサ、および、ダクトの反対側に配置さ れるリフレクタ（２２）を有し、超音波トランスデューサとリフレクタはダク トを幅方向に横切る音響定在波場を設定し、それによって粒子が濃縮してダク トの縦軸に平行な一以上の平面の帯となり、ダクトは定在波場の下流に幅方向 の広がり（１６）をともなって形成されることを特徴とする装置。 ２．ダクトは細長いはじまりの部分（１２）を含み、この部分では流体が音響定 在波場に入る前に流体の層状の流れが設定される請求の範囲１記載の装置。 ３．ダクトの広がりは、この広がり部分（１６）の全長にわたりダクト幅が徐々 に増大することによって形成される請求の範囲１または２記載の装置。 ４．ダクトは広がり部分の下流に断面が均一な細長い部分（１８）を有し、この 部分の中では、流体の層流が維持される請求の範囲１〜３いずれかに記載の装 置。 ５．ダクトは、ある傾斜角で外側に伸びてダクトの幅の広がりをつくる少なくと も一つの出口通路（３２）を備えて形成される請求の範囲１または２記載の装 置。 ６．ダクトに沿い互いに隔てられた複数の出口通路（３２・３４・３６）を有す る請求の範囲５記載の装置。 ７．出口通路または出口通路の各々に、これら通路を通る流体の流れを制御する ための弁（Ｖ）が配設される請求の範囲５または６記載の装置。 ８．出口通路または出口通路の各々に、流量を調節できるポンプが配設される請 求の範囲５または６記載の装置。 ９．ダクトの広がりの下流に、さらに、粒子によって形成される帯を観察するた めの手段を有する請求の範囲１〜８いずれかに記載の装置。 10．流体内に懸濁した粒子のマニピュレーションを行うための方法において、流 体がダクト（１２・１４・１６・１８）に沿って流れるようにし、このダクト に対して横方向に音響定在波場を設定し、それによって粒子が濃縮してダクト の縦軸に平行な一以上の平面の帯となるようにし、また、定在波場の下流にお いて流体の流れに対して幅方向かつ定在波場に対して平行方向の広がりを設け ることを特徴とする方法。 11．流体が定在波場に入る前にこの流体の層状の流れを設定する工程を有する請 求の範囲１０記載の方法。 12．幅方向の広がりの下流でダクトの一部分に沿って流体の層状の流れを維持す る工程を有する請求の範囲１０または１１記載の方法。 13．幅方向の広がりの下流のある位置で流体の流れを観察する工程をさらに有す る請求の範囲１０〜１２いずれかに記載の方法。 14．幅方向の広がりの下流のある位置でダクトから流体または粒子を分離する工 程をさらに有する請求の範囲１０〜１３いずれかに記載の方法。 15．ダクトは外側に傾斜する出口を備えて形成され、流体の広がりを制御するた め出口通路の弁またはポンプを制御する工程をさらに有する請求の範囲１０〜 １４いずれかに記載の方法。