JP2020532418A - ポリマーチップにおける音響泳動操作のための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、従来知られているポリマーチップおよびそれらの使用方法の前述のデメリットならびに欠陥、特に低い音響泳動効率を回避することを目的とする。
a.マイクロ流体流路が配置されたポリマー基板を備える音響泳動チップを設ける工程と、
b.基板と音響接触する少なくとも1つの超音波変換器を設ける工程と、
c.少なくとも、好ましくは懸濁液で満たされたマイクロ流体流路を含む、基板の音響共鳴ピークに相当する周波数fで少なくとも1つの超音波変換器を作動させる工程と、
d.流路に懸濁液を供給し、懸濁液に対して音響泳動操作を実行する工程を含む。
ポリマー基板および基板内に配置されたマイクロ流体流路を備える音響泳動チップと、
基板と音響接触する少なくとも1つの超音波変換器と、
少なくとも1つの超音波変換器に接続され、少なくとも、好ましくは懸濁液で満たされたマイクロ流体流路を含む、基板の音響共鳴ピークに相当する周波数fで少なくとも1つの超音波変換器を作動させるように構成されている駆動回路を備える。
a.計算またはシミュレーションにより、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて、基板の音響共鳴を決定する工程であって、基板パラメータにはポリマー基板材料、基板寸法、マイクロ流体流路寸法、基板内でのマイクロ流体流路位置、マイクロ流体流路内の液体の特性、少なくとも1つの超音波変換器の位置、および作動周波数fが含まれる工程と、
b.基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせの中から、ポリマー基板材料(または材料の組み合わせ)M、基板寸法DSのセット、マイクロ流体流路寸法DCのセット、基板内でのマイクロ流体流路位置PC、マイクロ流体流路内の液体Lの特性、少なくとも1つの超音波変換器の位置PU、および作動周波数fを選択し、これによりマイクロ流体流路を含む基板内に音響共鳴を生じさせる工程と、
c.基板寸法DSを有し、マイクロ流体流路寸法DCおよび基板内でのマイクロ流体流路位置PCを有するマイクロ流体流路が設けられた、基板材料(または材料の組み合わせ)Mから作られる音響泳動チップを製造する工程を含む。
壁などの凸部、または溝などの凹部の第1セットが形成された基板表面を有するポリマー主基板と、
凹凸部の第1セットとともに、少なくとも1つのマイクロ流体流路を画定するように、基板表面上に配置されたポリマー蓋基板とを含み、
ここでマイクロ流体流路の一部が、主基板の音響泳動領域を通って延在し、その領域で音響泳動操作が実行され、
ここで凹凸部の第2セットが、音響泳動領域をポリマー主基板の残りの部分から少なくとも部分的に分離するように、音響泳動領域内または音響泳動領域に隣接してポリマー主基板に設けられており、
少なくとも2つの超音波変換器が、基板表面とは反対を向くポリマー蓋基板の側で、ポリマー蓋基板と音響接触しており、少なくとも2つの超音波変換器が、音響泳動領域の少なくとも一部を覆うようにポリマー蓋基板に配置されており、
駆動回路が、少なくとも2つの超音波変換器に接続されており、好ましくはずれた位相でまたは逆位相で、少なくとも2つの超音波変換器を、好ましくはマイクロ流体流路および/または音響泳動領域に面するポリマー蓋基板の一部を含むポリマー主基板の音響泳動領域の共鳴ピークに相当する周波数fで作動させるように構成されている。
(材料および方法)
2Dシミュレーション実験では、図1Aに示す幾何学的配置を使用してPMMAチップをモデル化した。
図1B−1Dに見られるように、3つのチップ幅(WB)の全てで、音響エネルギー(Eac)がピークとなるいくつかの作動周波数が発生しており、チップ全体における共鳴を表している。
(材料および方法)
WS=3.0mm、チップの全高=1.18mmの場合は実施例 1 と同様である。周波数f=1.745MHzを選択し、非対称作動および対称作動のシミュレーションを実行した。
図1Mは、1.380MHzでの対称作動についてのFradを示している。力ベクトルは、流路の側壁に向かっている。
(材料および方法)
PMMAチップ1B(寸法については実施例4を参照)を、実施例2のパラメータを使用してシミュレーションした。シミュレーションは、1/4対称を使用して行った。
0<x<Ls/2 Ls=40mm
0<y<Ws/2 Ws=3mm
0<z<Hs Hs=1.18mm
音響エネルギーEacを使用して測定した2つの最大共鳴は、実験値に正確に一致する1.29MHz(実施例4を参照)と、実験値1.55MHzの約105%である1.63MHz(図2Aを参照)で見つかった。
(材料および方法)
チップ1B(WS=3.0mm)および1F(WS=5.0mm)は、いずれも全高にわたる高さ(HS=1.18mm)および長さ(LS=50mm)を持ち、実施例2のように、1/4垂直横対称面および垂直軸反対称性を使用して、幾何学的配置を1/4(0<x<LS/2=25mmおよび0<y<WS/2=1.5mmまたは2.5mm)に縮小する。
以下の表では、シミュレーションで予測された共鳴周波数と実験で特定された共鳴周波数を比較している(実施例4を参照)。
チップ1B
チップ1F
(材料および方法)
ドイツのMicrofluidic ChipShopに、20個のPMMAチップを注文した。
以下の表は、各チップで見つかったさまざまな共鳴周波数f1、f2、f3、f4を示している。
参照番号1で指定の、マイクロ流体流路が配置されたポリマー基板を備える音響泳動チップを設ける工程と、
参照番号3で指定の、基板の1つの表面と音響接触する少なくとも1つの超音波変換器を設ける工程と、
参照番号5で指定の、懸濁液(2)で満たされたマイクロ流体流路を含む基板の音響共鳴ピークに相当する周波数fで少なくとも1つの超音波変換器を作動させる工程と、
参照番号7で指定の、流路に懸濁液を供給し、懸濁液に対して音響泳動操作を実行する工程。
参照番号9で指定の、計算またはシミュレーションにより、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて、基板の音響共鳴を決定する工程であって、基板パラメータにはポリマー基板材料、基板寸法、マイクロ流体流路寸法、基板内でのマイクロ流体流路位置、マイクロ流体流路内の液体の特性、少なくとも1つの超音波変換器の位置、および作動周波数fが含まれる工程と、
参照番号11で指定の、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせの中から、ポリマー基板材料M、基板寸法DSのセット、マイクロ流体流路寸法DCのセット、基板内でのマイクロ流体流路位置PC、マイクロ流体流路内の液体Lの特性、少なくとも1つの超音波変換器の位置PU、および作動周波数fを選択し、これによりマイクロ流体流路を含む基板内に音響共鳴を生じさせる工程と、
参照番号13で指定の、基板寸法DSを有し、マイクロ流体流路寸法DCおよび基板内でのマイクロ流体流路位置PCを有するマイクロ流体流路が設けられた、基板材料Mから作られる音響泳動チップを製造する工程。
本発明は、上記で説明し、図面に示す実施形態のみに限定されるものではなく、これらの実施形態は主に説明および例示の目的を有する。この特許出願は、本明細書に記載の好ましい実施形態の全ての調整および変形形態を網羅することを意図しており、したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の文言およびその等価物によって定義される。したがって、装置は、添付の特許請求の範囲内であらゆる種類の方法で修正されてもよい。
1.音響泳動操作を実行する方法であって、
a.マイクロ流体流路(18)が配置されたポリマー基板(12)を備える音響泳動チップ(10)を設ける工程と、
b.基板と音響接触する少なくとも1つの超音波変換器(22A、22B)を設ける工程と、
c.少なくとも、好ましくは懸濁液(2)で満たされたマイクロ流体流路を含む、基板の音響共鳴ピークに相当する周波数fで少なくとも1つの超音波変換器を作動させる工程と、
d.流路に懸濁液を供給し、懸濁液に対して音響泳動操作を実行する工程を含む、方法。
2.音響共鳴ピークが、好ましくはマイクロ流路を含む基板における3次体積共鳴に相当し、この3次体積共鳴が、基板における1次または2次共鳴として表すことができるものではない、項目1に記載の方法。
3.周波数fが、流路のみの共鳴周波数には相当しない、項目1または2に記載の方法。
4.工程bにおいて、基板と音響接触する少なくとも2つの超音波変換器(22A、22B)を設け、工程cにおいて、少なくとも2つの超音波変換器を、互いに対してずれた位相で、好ましくは逆位相で作動させる、項目1〜3のいずれか一項に記載の方法。
5.少なくとも2つの超音波変換器が、単一の共通圧電結晶(24)を共有する、項目4に記載の方法。
6.音響泳動操作が、マイクロ流体流路内の懸濁液に懸濁した粒子を、マイクロ流体流路の1つまたは複数の別々の領域に向けて集中させる工程を含む、項目1〜5のいずれか一項に記載の方法。
7.音響泳動操作を実行するための装置であって、
ポリマー基板(12)および基板内に配置されたマイクロ流体流路(18)を備える音響泳動チップ(10)と、
基板と音響接触する少なくとも1つの超音波変換器(22A、22B)と、
少なくとも1つの超音波変換器に接続され、少なくとも、好ましくは懸濁液で満たされたマイクロ流体流路を含む、基板の音響共鳴ピークに相当する周波数fで少なくとも1つの超音波変換器を作動させるように構成されている駆動回路(38)を備える、装置。
8.駆動回路が、基板と音響的に接触する少なくとも2つの超音波変換器(22A、22B)を備え、駆動回路が、さらに、少なくとも2つの超音波変換器を、音響共鳴周波数fにおいて、互いに対してずれた位相で、好ましくは逆位相で作動させるように構成されている、項目7に記載の音響泳動装置。
9.基板がさらなるマイクロ流体流路(18´)を追加的に備え、好ましくはマイクロ流体流路およびさらなるマイクロ流体流路を含む基板での共鳴により、さらなるマイクロ流体流路内の標的粒子(4)に音響力が発生するようにさらなるマイクロ流体流路が配置されており、その音響力が、マイクロ流体流路内の標的粒子に発生する音響力と同じものであるか、または異なるものである、項目7〜8のいずれか一項に記載の音響泳動装置。
10.音響泳動操作を実行するための音響泳動チップ(12)を製造する方法であって、音響泳動チップがマイクロ流体流路(18)が設けられたポリマー基板(12)を備え、
a.計算またはシミュレーションにより、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて、基板の音響共鳴を決定する工程であって、基板パラメータにはポリマー基板材料、基板寸法、マイクロ流体流路寸法、基板内でのマイクロ流体流路位置、マイクロ流体流路内の液体の特性、少なくとも1つの超音波変換器の位置、および作動周波数fが含まれる工程と、
b.基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせの中から、ポリマー基板材料M、基板寸法DSのセット、マイクロ流体流路寸法DCのセット、基板内でのマイクロ流体流路位置PC、マイクロ流体流路内の液体Lの特性、少なくとも1つの超音波変換器の位置PU、および作動周波数fを選択し、これによりマイクロ流体流路を含む基板内に音響共鳴を生じさせる工程と、
c.基板寸法DSを有し、マイクロ流体流路寸法DCおよび基板内でのマイクロ流体流路位置PCを有するマイクロ流体流路が設けられた、基板材料Mから作られる音響泳動チップを製造する工程を含む、方法。
11.工程aでシミュレーションが使用される、項目10に記載の方法であって、シミュレーションが、境界として、ポリマー/基板の外表面の空気界面と、ポリマー/マイクロ流体流路の壁の液体界面とを使用する、方法。
12.工程aにおいて、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて、基板全体にわたって標的粒子(4)にかかる音響力を決定する工程がさらに含まれ、工程bにおいて、標的粒子にかかる音響力が音響泳動操作を実行するのに適している基板の領域を、マイクロ流体流路でもって少なくとも部分的に区切るように、マイクロ流体流路寸法DCのセットおよび基板内でのマイクロ流体流路位置PCを決定する工程がさらに含まれる、項目10〜11のいずれか一項に記載の方法。
13.音響泳動チップがさらなる音響泳動操作を実行するのに適しており、基板パラメータが、さらなるマイクロ流体流路(18´)のために、さらなるマイクロ流体流路寸法および基板内でのさらなるマイクロ流体流路位置を追加的に含む、項目10〜12のいずれか一項に記載の方法。
14.音響泳動操作とさらなる音響泳動操作とが異なるものであり、工程bにおいて、標的粒子にかかる音響力がさらなる音響泳動操作を実行するのに適している基板のさらなる領域を、さらなるマイクロ流体流路でもって少なくとも部分的に区切るように、マイクロ流体流路寸法DC2のさらなるセットおよび基板内でのマイクロ流体流路位置PC2を決定する工程がさらに含まれる、項目13に記載の方法。
15.マイクロ流体システムであって、
壁などの凸部、または溝などの凹部の第1セットが形成された基板表面を有するポリマー主基板(122)と、
凹凸部の第1セットとともに、少なくとも1つのマイクロ流体流路(104)を画定するように、基板表面上に配置されたポリマー蓋基板(124)とを含み、
ここでマイクロ流体流路の一部(118)が、主基板の音響泳動領域(120)を通って延在し、その領域で音響泳動操作が実行され、
ここで凹凸部の第2セット(126A、126B)が、音響泳動領域をポリマー主基板の残りの部分から少なくとも部分的に分離するように、音響泳動領域内または音響泳動領域に隣接してポリマー主基板に設けられており、
少なくとも2つの超音波変換器(22A、22B)が、基板表面とは反対を向くポリマー蓋基板の側で、ポリマー蓋基板と音響接触しており、少なくとも2つの超音波変換器が、音響泳動領域の少なくとも一部を覆うようにポリマー蓋基板に配置されており、
駆動回路(38)が、少なくとも2つの超音波変換器に接続されており、好ましくはずれた位相でまたは逆位相で、少なくとも2つの超音波変換器を、好ましくはマイクロ流体流路および/または音響泳動領域に面するポリマー蓋基板の一部を含むポリマー主基板の音響泳動領域の共鳴ピークに相当する周波数fで作動させるように構成されている、マイクロ流体システム。
Claims (15)
- 音響泳動操作を実行する方法であって、
a.マイクロ流体流路(18)が配置されたポリマー基板(12)を備える音響泳動チップ(10)を設ける工程と、
b.前記基板の1つの表面と音響接触する少なくとも2つの超音波変換器(22A、22B)を設ける工程と、
c.懸濁液(2)で満たされた前記マイクロ流体流路を含む前記基板の音響共鳴ピークに相当する周波数fで前記少なくとも2つの超音波変換器を作動させる工程と、
d.前記流路に前記懸濁液を供給し、前記懸濁液に対して前記音響泳動操作を実行する工程を含む、方法。 - 前記音響共鳴ピークが、前記マイクロ流体流路を含む前記基板における3次体積共鳴に相当し、この3次体積共鳴が、前記基板における1次または2次共鳴として表すことができるものではない、請求項1に記載の方法。
- 前記周波数fが、前記流路のみの共鳴周波数には相当しない、請求項1または2に記載の方法。
- 工程cにおいて、前記少なくとも2つの超音波変換器を、互いに対してずれた位相で、好ましくは逆位相で作動させる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの超音波変換器が、単一の共通圧電結晶(24)を共有する、請求項4に記載の方法。
- 前記音響泳動操作が、前記マイクロ流体流路内の懸濁液に懸濁した粒子を、前記マイクロ流体流路の1つまたは複数の別々の領域に向けて集中させる工程を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 音響泳動操作を実行するための装置であって、
ポリマー基板(12)および前記基板内に配置されたマイクロ流体流路(18)を備える音響泳動チップ(10)と、
前記基板の1つの表面と音響接触する少なくとも2つの超音波変換器(22A、22B)と、
前記少なくとも2つの超音波変換器に接続され、懸濁液で満たされた前記マイクロ流体流路を含む前記基板の音響共鳴ピークに相当する周波数fで前記少なくとも2つの超音波変換器を作動させるように構成されている駆動回路(38)を備える、装置。 - 前記駆動回路が、さらに、前記少なくとも2つの超音波変換器を、前記音響共鳴周波数fにおいて、互いに対してずれた位相で、好ましくは逆位相で作動させるように構成されている、請求項7に記載の音響泳動装置。
- 前記基板がさらなるマイクロ流体流路(18´)を追加的に備え、前記マイクロ流体流路および前記さらなるマイクロ流体流路を含む前記基板での共鳴により、前記さらなるマイクロ流体流路内の標的粒子(4)に音響力が発生するように前記さらなるマイクロ流体流路が配置されており、前記音響力が、前記マイクロ流体流路内の標的粒子に発生する音響力と同じものであるか、または異なるものである、請求項7〜8のいずれか一項に記載の音響泳動装置。
- 音響泳動操作を実行するための音響泳動チップ(12)を製造する方法であって、前記音響泳動チップがマイクロ流体流路(18)が設けられたポリマー基板(12)を備え、
a.計算またはシミュレーションにより、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて、前記基板の音響共鳴を決定する工程であって、前記基板パラメータにはポリマー基板材料、基板寸法、マイクロ流体流路寸法、前記基板内でのマイクロ流体流路位置、前記マイクロ流体流路内の液体の特性、少なくとも1つの超音波変換器の位置、および作動周波数fが含まれる工程と、
b.前記基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせの中から、ポリマー基板材料M、基板寸法DSのセット、マイクロ流体流路寸法DCのセット、前記基板内でのマイクロ流体流路位置PC、前記マイクロ流体流路内の液体Lの特性、少なくとも1つの超音波変換器の位置PU、および作動周波数fを選択し、これにより、前記音響泳動操作を実行するために、前記マイクロ流体流路を含む前記基板内に音響共鳴を生じさせる工程と、
c.前記基板寸法DSを有し、前記マイクロ流体流路寸法DCおよび前記基板内での前記マイクロ流体流路位置PCを有するマイクロ流体流路が設けられた、前記基板材料Mから作られる前記音響泳動チップを製造する工程を含む、方法。 - 工程aでシミュレーションが使用される、請求項10に記載の方法であって、前記シミュレーションが、境界として、前記ポリマー/前記基板の外表面の空気界面と、前記ポリマー/前記マイクロ流体流路の壁の液体界面とを使用する、方法。
- 工程aにおいて、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて、前記基板全体にわたって標的粒子(4)にかかる音響力を決定する工程がさらに含まれ、工程bにおいて、前記標的粒子にかかる前記音響力が前記音響泳動操作を実行するのに適している前記基板の領域を、前記マイクロ流体流路でもって少なくとも部分的に区切るように、前記マイクロ流体流路寸法DCのセットおよび前記基板内でのマイクロ流体流路位置PCを決定する工程がさらに含まれる、請求項10〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記音響泳動チップがさらなる音響泳動操作を実行するのに適しており、前記基板パラメータが、さらなるマイクロ流体流路(18´)のために、さらなるマイクロ流体流路寸法および前記基板内でのさらなるマイクロ流体流路位置を追加的に含む、請求項10〜12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記音響泳動操作と前記さらなる音響泳動操作とが異なるものであり、工程bにおいて、前記標的粒子にかかる前記音響力が前記さらなる音響泳動操作を実行するのに適している前記基板のさらなる領域を、前記さらなるマイクロ流体流路でもって少なくとも部分的に区切るように、マイクロ流体流路寸法DC2のさらなるセットおよび前記基板内でのマイクロ流体流路位置PC2を決定する工程がさらに含まれる、請求項13に記載の方法。
- 請求項7〜9のいずれか一項に記載の装置を含むマイクロ流体システムであって、
壁などの凸部、または溝などの凹部の第1セットが形成された基板表面を有するポリマー主基板(122)と、
凹凸部の第1セットとともに、少なくとも1つのマイクロ流体流路(104)を画定するように、前記基板表面上に配置されたポリマー蓋基板(124)とを含み、
ここで前記マイクロ流体流路の一部(118)が、前記主基板の音響泳動領域(120)を通って延在し、その領域で音響泳動操作が実行され、前記音響泳動領域が前記音響泳動チップを画定しており、
ここで凹凸部の第2セット(126A、126B)が、前記音響泳動領域を前記ポリマー主基板の残りの部分から少なくとも部分的に分離するように、前記音響泳動領域内または前記音響泳動領域に隣接して前記ポリマー主基板に設けられており、
前記少なくとも2つの超音波変換器(22A、22B)が、前記基板表面とは反対を向く前記ポリマー蓋基板の側で、前記ポリマー蓋基板と音響接触しており、前記少なくとも2つの超音波変換器が、前記音響泳動領域の少なくとも一部を覆うように前記ポリマー蓋基板に配置されており、
前記駆動回路(38)が、前記少なくとも2つの超音波変換器に接続されており、好ましくはずれた位相でまたは逆位相で、前記少なくとも2つの超音波変換器を、前記マイクロ流体流路と前記音響泳動領域に面する前記ポリマー蓋基板の一部とを含む前記ポリマー主基板の前記音響泳動領域の共鳴ピークに相当する周波数fで作動させるように構成されている、マイクロ流体システム。
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