JP2022528345A - マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。本デバイスは、流路であって、流路を通して、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子を内部に支持する液体懸濁液を向けることができる、流路と、液体懸濁液が内部を通って通過できる流路内に物理的に保持された粒子の少なくとも１つの充填層と、を備えている。本デバイスはさらに、液体懸濁液が内部を通って通過する間に充填層または各充填層を機械的に作動させるための超音波作動システムを含んでいる。【選択図】図１３Ａ

Description

本発明は概して、分離、ろ過、及び／または濃縮のシステムを対象とし、より詳細には、マイクロ粒子及びナノ粒子に関する分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス及び方法を対象としている。

マイクロ粒子及びナノ粒子の分離、濃縮、及び搬送は、サブミクロンスケールの化学的、生物学的、及び生物医学的な物質を処理及び調査するプロセスにおいて重要なパートを構成している。これらは、ウイルスまたはナノ粒子の細胞の溶融、検出及び診断、ナノ粒子の合成、ナノ薬剤、ナノスケールの薬の搬送及びナノ細線で使用されている。同様に、濃度濃縮、分離、または絶縁の様々なプロセスを通して、溶解した細胞構成要素、ＤＮＡ、欠如したナノ粒子のウイルス及びバクテリアの収集の生物学的分析において、ろ過及び浄化は非常に重要である。生物学及び生物医学の研究の分野において、細胞外小胞の確保への関心が近年高まっている。これらは、細胞の内側で形成され、細胞膜を通して秘密にされ、また、親細胞の遺伝情報を包含することができる。これらは、再生医療のための潜在的な生物マーカー及び重要な前駆体として考慮されるような、細胞間のコミュニケーション、抗原提示細胞、タンパク質の凝固及び伝達を担うと考えられている。

ＥＶは、マイクロ小胞（ＭＶ）、アポトーシス小体、及びエキソソームを含む、広範囲の小胞に関する。ＥＶは、約３０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の様々なサイズを有している。ＥＶを生物マーカーとして使用するために、ＥＶは、それらの特定のタイプに分離及び隔離する必要がある。同様に、薬の合成のために、非常に迅速かつクリーンな収集及び濃縮の方法の必要性が確認されている。ＥＶ収集のための慣習的な方法には、超遠心分離、超ろ過、免疫捕獲、クロマトグラフィ、及び沈殿が含まれる。これらの内、超遠心分離及び超ろ過は、より幅広く使用されているが、時間がかかり、労力を要し、概して生体粒子にダメージを与える。一方、免疫捕獲、クロマトグラフィ、及び沈殿の実施例は、微小なサンプル容量にのみ適用可能であり、形成される化学結合は、捕獲される物質の汚染を生じ得る。代替形態として、新興の微小流体ベースの方法が、顕著な見込みを示している。

微小流体が、マイクロ粒子の分離、トラッピング、及び濃縮のために広く使用されているが、ナノ粒子の扱いの文献の増大する主要部分も存在する。このことを達成するために、マイクロピラー、ろ過、慣性ベースの技術などのパッシブの流体力学的方法を含む、いくつかのメカニズムが利用されている。これらパッシブの方法に加え、ある範囲のアクティブシステムが開発されてきている。ここで、収集メカニズムを作動させるために、エネルギがシステムに入力され、それにより、製造前の、システムパラメータの、あるレベルの制御及び適用を可能にする。このことは、パッシブのアーキテクチャでは利用不可能である。電気泳動及び誘電泳動、磁気泳動、音響泳動、ならびに光学式ピンセットを含む、様々な強制メカニズムが利用されている。これらのアクティブの方法の内、アコーストフルイディクス（ａｃｏｕｓｔｏｆｌｕｉｄｉｃｓ）が、コンタクトレスであり、ラベルフリーであり、生体親和性である利点を有している。

アコーストフルイディクス、音響エネルギを微小流体チップ内の作動原として使用することは、３つの主要な強制メカニズムを提供する。音響放射力（ＡＲＦ）は、懸濁粒子に作用し、一定の、超音波場依存の、流体容量内の位置に移動を生じる。ＡＲＦは、マイクロ粒子及び細胞の位置を制御するためにしばしば使用される。しかし、ナノ粒子での使用のいくつかの実施例のみが存在する。このことは、スケーリング則に起因し、粒子が小さくなるにつれて、音響ストリーミングによって印加されるドラグの力がより支配的になることを意味している。超音波の伝播から生じるバルク流体流れの音響ストリーミングは、通常、ＡＲＦによって形成されたパターンを乱す旋回流れを印加する。しかし、これらの流れは、細胞及びナノ粒子を捕獲するためにも使用され得、ここでは、懸濁物質が低容量の制限及び流量の限定の中の渦内にトラッピングされる。第３の集束法は、粒子間の相互作用に起因して生じる。１つの粒子から発散される超音波は、他の近くの対象と相互作用し、ビヤークネスの力を生じる。このビヤークネスの力は、粒子の性質及びその向きに応じて、求引性であるか反発性であるものとすることができる。非常に明快なアプローチでは、Ｈａｍｍａｒｓｔｒｏｍ ｅｔ ａｌ．は、音場によって生成されたＡＲＦを使用してマイクロ粒子のクラスタを保持し、発散された波が、このクラスタの近くをナノ粒子が通過する際にこのナノ粒子に作用するようにビヤークネスの力を生じ、それにより、ナノ粒子がマイクロ粒子上で収集された。（Ｈａｍｍａｒｓｔｒｏｍ ， Ｂ．；Ｌａｕｒｅｌｌ， Ｔ．： Ｎｉｌｓｓｏｎ， Ｊ． Ｓｅｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｅｎａｂｌｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｒａｐｐｉｎｇ ｏｆ ｂａｃｔｅｒｉａ ａｎｄ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｌｏｗ ｓｙｓｔｅｍｓ． Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ２０１２， １２， ４２９６－４３０４を参照されたい）。アコーストフルイディクスにおける課題の１つは、十分に大きい力を生成することであり、これに取り組むために、共振が通常は利用されている。したがって、バルク波の励起が、流体チャンネル内の共振を生成するために使用され、それにより、マイクロ粒子がこのチャンネルの中心に保持され得るようになっており、ビヤークネスの力は、高度に効率的な捕獲を可能にするために十分であった。このシステムが、小さい、診断に関連するサンプルサイズに関して非常に良好に作動するが、このアプローチを、このスケールを超えてグレードアップすることは、チャンネルの共振の要請に起因して、困難なものである。このことは、このアプローチの商業的用途を制限する。

本明細書に含まれているあらゆる文献、作用、材料、デバイス、物品などのあらゆる議論は、これら要素のいずれか、またはすべてが、従来技術のベースの一部を形成すること、または、添付の特許請求の範囲の各々の優先権の日の前に存在するような、本開示に関する分野における、通常の一般的な知識であったことの承認としては取られないものとする。

前の既知のシステムに関連する欠点の１つまたは複数に対処する、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス及び方法を提供することが、本発明の目的である。

いくつかの実施形態は、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスであって、
流路であって、流路を通して、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子を内部に支持する液体懸濁液を向けることができる、流路と、
液体懸濁液が内部を通って通過できる流路内に物理的に保持された粒子の少なくとも１つの充填層と、液体懸濁液が内部を通って通過する間に充填層または各充填層を機械的に作動させるための超音波作動システムと、を備えた分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスに関する。

充填層または各充填層は、同じ物理的特性を有する、少なくとも実質的に一様なサイズ、形状の粒子から形成される場合がある。粒子は形状が概して球形である場合がある。しかし、粒子が、限定ではないが、楕円形、筒状、ピラー／ロッド、及び繊維（紙繊維、任意の形状のピラー及び粒子など）を含む、代替的な形状を有することも予期される。

各粒子は、限定ではないが、ポリスチレン、ＰＭＭＡ、ナイロン、ＰＤＭＳ、ＯｒｍｏＣｏｍｐを含む高分子材料で形成されている場合がある。しかし、限定ではないが、金属、セラミック、またはクリスタル材料を含む他の材料から粒子を形成することができることも予想される。

粒子は、マイクロメートルで測定される寸法を有する粒子から、ミリメートルで測定される寸法を有する粒子まで、寸法が変化する場合もある。

複数の充填層が提供される場合があり、各充填層が、異なる形状、寸法、及び／または材料特性の粒子から形成されている。

充填層または各充填層は、充填層を形成する粒子の共振周波数または共振周波数の近くで機械的に作動される場合がある。複数の前述の充填層が提供される場合があり、各充填層が、異なる共振周波数、及び／または異なる出力レベルで機械的に作動される。

粒子は、複数の異なる共鳴周波数を有する場合があり、この共鳴周波数は、粒子の形状、寸法、及び材料特性に応じて変化する。たとえば、寸法（ｄ）を有する粒子、及び波長（λ）を有する共振周波数のケースにおいて、第１の共振周波数は（球状の粒子に関して）ｄ／λ≧０．２５をおおよそ超え、（筒状の粒子に関して）ｄ／λ≧０．２０をおおよそ超える場合がある。

ＰＳから形成された球状の粒子のケースでは、充填層または各充填層は、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述のマイクロ粒子は、約０．３λから約０．６７λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する。好ましくは、充填層または各充填層は、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子は、約０．３１λ未満の直径（ｄ）を有する。代替的には、充填層または各充填層は、波長（ｌ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子は、約０．３１λから約０．４５λの範囲の直径（ｄ）を有する。代替的には、充填層または各充填層は、波長（ｌλ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子は、約０．４５λから約０．６７λの範囲の直径（ｄ）を有する。

ＰＭＭＡから形成された粒子のケースでは、充填層または各充填層は、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３２λ未満から約０．６１λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する。好ましくは、充填層または前述の各充填層は、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３２λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する。代替的には、充填層または各充填層は、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子は、約０．３２λから約０．４１５λの範囲の直径（ｄ）を有する。代替的には、充填層または各充填層は、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子は、約０．４１５λから約０．６１λの範囲の直径（ｄ）を有する。

マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスは、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子を内部に通過させつつ、充填層を流路内の位置に保持するための充填層保持システムをさらに備えている場合がある。１つの可能性のある実施形態では、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスの流路は、微小流体チャンネルを備えている場合がある。層保持システムは、充填層の下流の流路に沿って延びる１つまたは複数のマイクロピラーポストを備えている場合がある。

超音波作動デバイスは、圧電性デバイスである場合がある。好ましい一実施形態によれば、圧電性デバイスは、表面音波（ＳＡＷ）アクチュエータである場合がある。圧電性デバイス内のバルク波など、概して機械的作動のために代替的配置を使用することも、予想される。

いくつかの実施形態は、液体懸濁液からのマイクロ粒子及び／またはナノ粒子を分離、ろ過、及び／または濃縮する方法であって、
流路を通して液体懸濁液を向けることであって、流路内に物理的に保持された１つまたは複数の、粒子の充填層が提供されており、流路を通して液体懸濁液が通過する、向けることと、液体懸濁液が通過する間に充填層または各充填層を機械的に作動させることであって、それにより、充填層または各充填層内にマイクロ粒子及び／またはナノ粒子を捕獲する、機械的に作動させることと、を含む、分離、ろ過、及び／または濃縮する方法に関する。

本方法は、充填層または各充填層を、充填層または各充填層を形成する粒子の共振周波数または共振周波数の近くで機械的に作動させることを含む場合がある。代替的には、本方法は、複数の前述の充填層を機械的に作動させることを含む場合があり、各充填層が、異なる共振周波数、及び／または異なる出力レベルで機械的に作動される。

寸法（ｄ）を有する粒子、及び波長（λ）を有する共振周波数のケースにおいて、第１の共振周波数が（球状の粒子に関して）ｄ／λ≧０．２５、及び、（筒状の粒子に関して）ｄ／λ≧０．２０をおおよそ超える場合がある。

ＰＳから形成された球状の粒子のケースでは、本方法は、充填層または前述の充填層を、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動させることを含む場合があり、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の粒子が、約０．３λから約０．６７λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する。

本方法は、好ましくは、充填層または前述の各充填層を、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動させることを含み、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３λ未満の直径（ｄ）を有する。代替的には、本方法は、充填層または各充填層を、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動させることを含む場合があり、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３λから約０．４５λの範囲の直径（ｄ）を有する。代替的には、本方法は、充填層または前述の各充填層を、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動させることを含む場合があり、前述の粒子が、約０．４５λから約０．６７λの範囲の直径（ｄ）を有する。

ＰＭＭＡから形成された球状の粒子のケースでは、本方法は、充填層または前述の充填層を、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動させることを含み、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３２λから約０．６１λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する。

本方法は、好ましくは、充填層または前述の各充填層を、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動させることを含み、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３２λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する。代替的には、本方法は、充填層または各充填層を、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動させることを含む場合があり、充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３２λから約０．４１５λの範囲の直径（ｄ）を有する。代替的には、本方法は、充填層または前述の各充填層を、波長（ｌ）を有する周波数で機械的に作動させることを含む場合があり、前述の粒子が、約０．４１５λから約０．６１λの範囲の直径（ｄ）を有する。

本方法は、充填層または各充填層の機械的な作動を断続的に中断し、それにより、捕獲されたマイクロ粒子及び／またはナノ粒子を充填層または各充填層から放出することを含む場合がある。

本方法は、液体懸濁液のバッチ容量を、流路を通して搬送することをさらに含む場合がある。代替的には、本方法は、連続した流れの液体懸濁液を、通路を通して搬送することを含む場合がある。

分離されている粒子は、細胞外小胞である場合がある。細胞外小胞は、アポトーシス小体及びエキソソームを含む場合がある。

代替的には、液体懸濁液は汚染水である場合があり、粒子は水内の汚染物質である場合がある。汚染物質は、ウイルス及びバクテリアを含む場合がある。

代替的には、分離されているマイクロ粒子及び／またはナノ粒子は、貴金属ナノ粒子またはＤＮＡである場合がある。

いくつかの実施形態は、液体懸濁液からのマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の分離、ろ過、及び／または濃縮のためのシステムであって、１つまたは複数のプロセッサと、１つまたは複数のプロセッサによって実行される場合、ろ過プロセス及びそれに続く収集プロセスを実施するように構成されたコンピュータ実行可能コードを備えているメモリと、を備え、ろ過プロセスの間、１つまたは複数のプロセッサが、第１のスイッチを作動させることであって、第１のスイッチが、第１の導管に沿う流体流れを制御するように構成されており、第１の導管が、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスの出口と、第１の容器との間に流体連通を提供するように配置されており、それにより、第１のスイッチを作動させることが、出口と第１の容器との間の流体流れを可能にする、作動させることと、超音波信号を引き起こして、デバイスの超音波変換器に音波を生成させて、デバイスの粒子の充填層を作動させ、それにより、液体懸濁液のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子をトラッピングさせ、デバイスの内側に収集させ、また、ろ過された液体に関し、第１の導管に沿って容器に搬送させる、引き起こすことと、をするように構成されており、収集プロセスの間、１つまたは複数のプロセッサが、デバイスの粒子の充填層の作動を停止するように、超音波信号をオフにすることと、出口と第１の容器との間の流体流れを妨げるように、第１のスイッチを停止させることと、第２のスイッチを作動させることであって、第２のスイッチが、第２の導管に沿う流体流れを制御するように構成されており、第２の導管が、デバイスの出口と、第２の容器との間に流体連通を提供するように配置されており、それにより、第２のスイッチを作動させることが、出口と第２の容器との間の流体流れを可能にする、作動させることと、をするように構成されている、システムに関する。

いくつかの実施形態では、収集プロセスの終了時に、１つまたは複数のプロセッサがコンピュータコードを実行して、システムに、次のろ過プロセス及び次の収集プロセスを実施させるように構成されている。

いくつかの実施形態では、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスは、記載の実施形態のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスを備えている。

いくつかの実施形態は、液体懸濁液からのマイクロ粒子及び／またはナノ粒子を分離、ろ過、及び／または濃縮する方法であって、ろ過プロセス及び次の収集プロセスを含み、ろ過プロセスが、第１のスイッチを作動させることであって、第１のスイッチが、第１の導管に沿う流体流れを制御するように構成されており、第１の導管が、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスの出口と、第１の容器との間に流体連通を提供するように配置されており、それにより、第１のスイッチを作動させることが、出口と第１の容器との間の流体流れを可能にする、作動させることと、超音波信号を引き起こして、デバイスの超音波変換器に音波を生成させて、デバイスの粒子の充填層を作動させ、それにより、液体懸濁液のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子をトラッピングさせ、デバイスの内側に収集させ、また、ろ過された液体に関し、第１の導管に沿って容器に搬送させる、引き起こすことと、を含み、収集プロセスが、デバイスの粒子の充填層の作動を停止するように、超音波信号をオフにすることと、出口と第１の容器との間の流体流れを妨げるように、第１のスイッチを停止させることと、第２のスイッチを作動させることであって、第２のスイッチが、第２の導管に沿って流体流れを制御するように構成されており、第２の導管が、デバイスの出口と、第２の容器との間に流体連通を提供するように配置されており、それにより、第２のスイッチを作動させることが、出口と第２の容器との間の流体流れを可能にする、作動させることと、を含む、方法に関する。

いくつかの実施形態では、方法は、ろ過プロセス及び次の収集プロセスの、次のサイクルを実施することを含む。

いくつかの実施形態は、１つまたは複数のプロセッサによって実行される場合、システムに、記載の方法のいずれかに係る方法を実施させる命令を貯蔵している非一時的なマシン可読媒体に関する。

本明細書を通して、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、または、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」もしくは「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変形形態の用語は、述べられている要素、整数、もしくはステップ、または、要素、整数、もしくはステップのグループの包含を暗示するが、任意の他の要素、整数、もしくはステップ、または、要素、整数、もしくはステップのグループの除外は暗示しないものと理解されるものとする。

添付図面に関連して本発明をさらに記載することが好都合となるであろう。この添付図面は、本発明に係るマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスの実施形態を図示している。他の実施形態が可能であり、したがって、添付図面の特徴は、本発明の前述の記載の概説に代わるものとして理解されるものではない。

いくつかの実施形態に係るマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスの概略図である。 マイクロ粒子及びナノ粒子の音響放射力の数値上の結果を示す図である。 マイクロ粒子及びナノ粒子の音響放射力の数値上の結果を示す図である。 マイクロ粒子及びナノ粒子の音響放射力の数値上の結果を示す図である。 マイクロ粒子及びナノ粒子の音響放射力の数値上の結果を示す図である。 いくつかの実施形態に係るマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスを使用した、ナノ粒子の収集及び放出を示す一連の画像である。 Ａはステップ状の矩形パルスを示す図であり、Ｂは試験中に適用される周波数掃引の間の幅広いチャンネルの上流側の平均強度レベルを示す図である。 Ａはステップ状の矩形パルスを示す図であり、Ｂは試験中に適用される周波数掃引の間の幅広いチャンネルの上流側の平均強度レベルを示す図である。 試験中に適用された３つの異なる出力レベルに関するＳＡＷ周波数の正規化された強度ゲインを示す図であり、差し込まれている画像が、正規化前の異なる出力レベルに関する各周波数の絶対的な強度ゲインを示している。 試験中に適用された異なる出力レベルに関する正規化された強度ゲインの下流の結果を示す図である。 Ａはステップ状のパルスの出力掃引を伴うチャンネルの下流側における瞬間的な平均強度レベルを示す図であり、Ｂは異なる周波数の正規化された強度ゲインが、出力レベルとの線形コンプライアンスを示しており、このため、出力レベルに対する対数の傾斜を示している。 Ａはステップ状のパルスの出力掃引を伴うチャンネルの下流側における瞬間的な平均強度レベルを示す図であり、Ｂは異なる周波数の正規化された強度ゲインが、出力レベルとの線形コンプライアンスを示しており、このため、出力レベルに対する対数の傾斜を示している。 決まった出力レベルでの選択された周波数における捕獲効率を示す図である。 異なる流量における最大の強度レベル（捕獲）を示す図である。 蛍光発光フィルタを伴わないものと伴うものとであり、一方、蛍光発光フィルタを伴う、充填層のエリアの図である。 ＳＡＷが明らかである影響下における、有効なトラッピングエリアでの、蛍光性フィルタを伴わないものと伴うものとであり、一方、蛍光発光フィルタを伴う、充填層のエリアの図である。 ＡからＤは、各見出しが、（１）ＳＡＷが作動する前、（２）ＳＡＷの作動中、（３）ＳＡＷをオフにした直後、及び（４）作動が終了した数秒後、を示している、ポリスチレン粒子のトラッピングの上流側及び下流側をそれぞれ示す図である。 ＡからＤは、各見出しが、（１）ＳＡＷが作動する前、（２）ＳＡＷの作動中、（３）ＳＡＷをオフにした直後、及び（４）作動が終了した数秒後、を示している、ポリスチレン粒子のトラッピングの上流側及び下流側をそれぞれ示す図である。 ＡからＤは、各見出しが、（１）ＳＡＷが作動する前、（２）ＳＡＷの作動中、（３）ＳＡＷをオフにした直後、及び（４）作動が終了した数秒後、を示している、ポリスチレン粒子のトラッピングの上流側及び下流側をそれぞれ示す図である。 ＡからＤは、各見出しが、（１）ＳＡＷが作動する前、（２）ＳＡＷの作動中、（３）ＳＡＷをオフにした直後、及び（４）作動が終了した数秒後、を示している、ポリスチレン粒子のトラッピングの上流側及び下流側をそれぞれ示す図である。 ｉからｖは、それぞれ、マイクロ粒子（ＭＰ）、及びそれに次ぐナノ粒子（ＮＰ）のローディングのシークエンスを示すシステムの概略図である。 ＳＡＷが作動していない状態での、チャンネルの上流側の瞬間的な強度レベルを示すグラフであり、インサートは、２つの異なる周波数で作動されたＳＡＷを示すグラフである。 記載の実施形態に係る、理論上または数値上の規定された周波数領域の概略を提供する表である。 図１のデバイスを備えたろ過／分離システムの概略図であり、デバイスがオフ状態にある。 図１のデバイスを備えたろ過／分離システムの概略図であり、デバイスが作動（ろ過）状態にある。 図１のデバイスを備えたろ過／分離システムの概略図であり、デバイスが停止（分離）状態にある。 図１３Ａのシステムの一部を示す投影図である。 図１４のシステムのデバイスの分解図である。 線対称の２次元幾何学形状における２つの固形の球のモデルを示す図であり、ペアが定常波（ＳＷ）を受け、正方向の進行波（ＴＷ＋）または負方向の進行波（ＴＷ－）を補助しているシナリオを示している。 ＡからＣは、シミュレーションの結果のグラフ表示を示す図であり、ＮＰが通過する孔サイズのサイズに調整された隙間に位置するマイクロ粒子によって印加される５００ｎｍのポリスチレンのナノ粒子の吸引力を示している。 ５０ＭＨｚから１００ＭＨｚの周波数の範囲での、１０ミクロンのポリスチレンの充填層を使用したナノ粒子の収集の試験結果を示す図であり、（約６３ＭＨｚ及び約８５ＭＨｚでの）進行波から生じるピーク、及び、全体の音響場の定常波成分から生じるピークを示している。 異なるサイズ（ａ）及び異なる材料（ｂ）に関するすべてのピーク周波数で生成された力の比較を示す図である。 （充填層内の）異なるサイズのビーズの捕獲効率の比較の試験結果を示す図である。 捕獲効率に関する、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＭＭＡ（ポリ（（メチルメタクリレート））、及びＳＧ（シリカグラス）（すべて１０μｍのマイクロビーズを伴う）の様々な材料での性能の比較を示す図である。 制御サンプル（超音波に曝される前のリポソーム）の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の画像である。 （超音波に継続的に曝され、音響が作動された充填層を通過した後に収集された）テストサンプルの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の画像である。 ｔ_０（表面音波（ＳＡＷ）の励起前）、及び次いでＳＡＷがオフにされた後に続く各時点における充填層及びポストを含む流路の４つの画像である（ｔ_１＝ＳＡＷがＯＦＦにされた２秒後、ｔ_２＝ｔ_１＋０．２秒、ｔ_３＝ｔ_１＋３秒）。

「ナノ粒子」（ＮＰ）との用語は、本文献で使用される場合、ナノメートルで測定される寸法を有する粒子に言及し、いくつかの実施形態では、約１ｎｍから約５００ｎｍの間の直径、たとえば約１ｎｍより大である直径を有する粒子に言及する。一方、「マイクロ粒子」（ＭＰ）との用語は、本文献で使用される場合、マイクロメートルまたはミリメートルで測定される寸法を有する粒子に言及し、いくつかの実施形態では、約０．１μｍから約１００μｍの間の直径、たとえば約１００ｎｍより大である直径を有する粒子に言及する。

記載の実施形態のコンセプトの証拠は、微小流体チャンネル及びマイクロ粒子を使用し、後に記載されるような、微小流体システムで証明したものであり、また、後に記載される。しかし、記載の実施形態が、以下に図１３から図１５を参照して論じるような、より慣習的なサイズの充填層システムで使用され、したがって、記載の実施形態がこのため、微小流体システムでの使用に限定されないことが予見される。

最初に図１を参照すると、記載の実施形態に係る、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子のトラッピング及び濃縮のための微小流体デバイスの概略図が示されている。いくつかの実施形態では、たとえば、本発明者によって実施された試験のいくつかにおいて、微小流体デバイスは、ＬｉＮｂＯ_３の基板表面３を備えており、この表面上に、微小流体チャンネル５が設けられている。微小流体チャンネル５内には、マイクロ粒子９から形成された充填層７が位置している。充填層７は、充填層７の下流のチャンネル５に沿って延びる一連のマイクロピラーポスト１１によってチャンネル５内の定位置に保持されている。一対のインターデジタル変換器（ＩＤＴ）１５、１７が、基板表面３上と、充填層７の対向する側とに設けられている。ＩＤＴ１５、１７に電気信号を適用することにより、充填層７を機械的に作動させる表面音波（ＳＡＷ）１９を誘導する。チャンネル５は入口４を有しており、この入口４を通して、ナノ粒子６の液体懸濁液を供給することができる。ナノ粒子６は、トラッピングエリア８でトラッピングすることができる。トラッピングエリア８内には、充填層７が位置している。トラッピングされ、濃縮されたナノ粒子６は、チャンネル５の出口１０に放出することができる。記載の実施形態は、ＳＡＷによって励起されたマイクロ粒子９（１０μｍのポリスチレンビーズが、試験で使用された）の受動的にトラッピングされた充填層の共鳴を使用する。トラッピングエリア８は、定在ＳＡＷ１９を生成する２つの対向するＩＤＴ１５、１７と、マイクロ粒子９を定位置に保持するマイクロピラーポスト１１とを示すように、拡大されて示されている。ＳＡＷをオフにすると、トラッピングされ、濃縮されたナノ粒子１２のバッチが、チャンネル５内に下流に放出される。

ビーズの充填層は、ろ過または化学的プロセスの反応器のために幅広く使用されている。さらに、微小流体では、充填層内の機能化されたビーズが、特定のタイプのタンパク質または生体粒子をトラッピングするために、ときどき使用される。記載の実施形態によれば、化学的機能化を使用するよりむしろ、機械的な（超音波の）作動の使用が提案されている。表面音波（ＳＡＷ）は、バルク音波を使用して通常励起されるよりも、より広い範囲の周波数にアクセスする作動方法である。これらは、パターニング、ソート、篩にかけること、及びトラッピングのために、微小流体で使用されている。しかし、ここで、マイクロ粒子をトラッピングするよりむしろ、これらは、物理的バリアによって微小マイクロ粒子が（充填層内に）トラッピングされている間に、これらを共鳴させるために使用される。

とりわけ、高周波数の動作が、単一の細胞のパターニングのために使用されている。このパターニングでは、音響波長が、細胞のサイズの大きさである。このタイプのシステムで生成されるＡＲＦ及びビヤークネスの力をモデル化する場合、本発明者は、我々が操作することを試みていた粒子の共鳴周波数において、ビヤークネスの力が非常に大きく増大し、それにより、クラスタリングがパターニングに対して優位であったことを前に示した（Ｈａｂｉｂｉ， Ｒ．；Ｄｅｖｅｎｄｒａｎ， Ｃ．；Ｎｅｉｌｄ， Ａ． Ｔｒａｐｐｉｎｇ ａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｃｅｌｌｓ ｉｎ ａ １Ｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅ． Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ２０１７， １７， ３２７９－３２９０を参照されたい）。このため、ここでは、ＳＡＷによって与えられた高い周波数の機会が、各々が共鳴するように、マイクロ粒子の充填層を故意に励起させるために使用される。より大である粒子間に残った孔をナノ粒子が通過する際に、これらナノ粒子は、発生する、より大であるビヤークネスの力に起因して、吸引及び収集される。したがって、共鳴は粒子サイズに関連し、そのため、チャンネルの寸法とは切り離されている（図１）。

［結果及び議論］
［動作原理］
理論によって束縛されることを望むことなく、本発明者は、記載の実施形態の動作原理の記載を提供する。

多くの音響的に作動される微小流体システムでは、微粒子の方式は大きく希釈され、音の波長は、粒子サイズよりも長くなっている。この方法で、定在音波の圧力ノードに対する粒子泳動などの現象を観測することができ、また、粒子のソート及び操作などの作業のために使用することができる。近年、波長が低減され、粒子のサイズに近付くように、より高い動作周波数を利用するいくつかの研究がされている。しかし、ここでも同様に、パターニングの効果が求められたことから、サンプルは希釈される（Ｃｏｌｌｉｎｓ， Ｄ． Ｊ．；Ｍｏｒａｈａｎ， Ｂ．；Ｇａｒｃｉａ－Ｂｕｓｔｏｓ， Ｊ．；Ｄｏｅｒｉｇ， Ｃ．；Ｐｌｅｂａｎｓｋｉ， Ｍ．；Ｎｅｉｌｄ， Ａ． Ｔｗｏ－ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｅｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｏｎｅ ｃｅｌｌ ｐｅｒ ｗｅｌｌ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅｓ． Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ２０１５， ６， ８６８６を参照されたい）。対照的に、記載の実施形態は、充填層を使用する。この充填層では、マイクロ粒子の移動は望ましくなく、最大の粒子間効果を有するように、粒子を共鳴させることを求めている。このことが可能であるかを試験するために、本発明者は、第１に、マイクロ粒子間の粒子間力が、充填層が励起された後にも損なわれないままであるようになっていることを数値上で試験し、第２に、ナノ粒子が振動しているマイクロ粒子の近くを通過する際に、周波数と、ナノ粒子に印加されている力との間の関係を示すようにした。

図２は、マイクロ粒子及びナノ粒子の音響放射力の数値上の結果をそれぞれ示す図である。（ａ）単一のポリスチレン（ＰＳ）粒子上の主要な音響放射力が、＋λ／８に位置した。このことは、別個のＡ領域、Ｂ領域、及びＣ領域を示している。周波数領域は、１００ｋＰａの振幅の１Ｄ音波下で、水中での１０μｍのＰＳに関する。領域Ｂには１つの共振周波数が存在し、領域Ｃには２つの共振周波数が存在する。（ｂ）それらの領域Ｂにあるマイクロ粒子（ＭＰ）の小さいクラスタは、粒子間力がクラスタをともにし、力の場が、ＭＰ間に包含されたナノ粒子（ＮＰ）を、それらの隣接するＭＰに導く。一方、クラスタから離れたＮＰは、押されて圧力ノードにされる。すべての力は、方向のみを示すように正規化され、その大きさには比例しない。マイクロ粒子に関する周波数領域は、ナノ粒子に適用される吸引力に明らかな影響を有している。ここで、１００ｋＰａの振幅を有する１Ｄ定在音波内の圧力アンチノード辺りの、λ／１００の正規化された隙間内の、１０μｍ及び５００ｎｍのＰＳ粒子に関し、結果を示す。ＮＰ上の全体の音響放射力は、ＮＰをＭＰに吸引し、主要な誘因は、二次力（吸引力）であり、一方、一次力は、非常に小さく、逆向きである。

前に、本発明者は、音場内で粒子が互いから分離されて保持されることになる動作条件を見出す目的のために、周波数の関数としてマイクロ粒子間の力を試験した（Ｈａｂｉｂｉ， Ｒ．；Ｄｅｖｅｎｄｒａｎ， Ｃ．；Ｎｅｉｌｄ， Ａ． Ｔｒａｐｐｉｎｇ ａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｃｅｌｌｓ ｉｎ ａ １Ｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅ． Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ２０１７， １７， ３２７９－３２９０）。そのような反発的な粒子間の効果は、充填層には非常に有害なものであり得た。しかし、この以前の研究により、どの周波数において充填層が安定すると予想され得るかを確立するために必要なフレームワークが提供される。すなわち、その作業において、周波数領域は、図２ａに示すように、圧力ノード及びアンチノードの中間に位置する場合に、定在圧力波に曝される単一の粒子に作用するように知られている力に基づいて規定した。考慮されるポリスチレン（ＰＳ）粒子に関しては、粒子サイズが波長の３分の１未満である場合、音響放射力は正であることを見ることができ、粒子が圧力ノードへ移行することになることを意味している（領域Ａ：ｄ＜０．３１λ）。ここで、ｄは球状粒子の直径であり、λは１Ｄ定在平面波の波長である。より大である粒子サイズでは、音響放射力は負であり、このため、粒子は、最寄りのアンチノードに移動される（領域Ｂ：０．３１λ＜ｄ＜０．４５λ）。第１の粒子の共鳴は、力の大きさのスパイクによって見られるように、動作のこの領域において発生する。この力の符号が交互に現れることは、さらなる領域を規定するためにも使用される（たとえば、領域Ｃ：０．４５λ＜ｄ＜０．６７λ）。これら領域間の境界は、球状の弾性粒子の材料特性に依存する。この材料特性は、明確に判定することが困難であり得る。圧力アンチノード辺りのわずかな隙間（λ／１００の大きさ）によって分けられている２つの粒子間の粒子間力が、領域Ｃの狭いバンドを除き、領域Ａ、領域Ｂ、及び領域Ｃにおいて求引性であることが示された。このことに基づき、本発明者は、ほとんどの条件下で充填層が安定になることを予想している。このことを確認し、大きい粒子周りに作用する力の場を調査するために、本発明者は、小さいクラスタをモデル化した。この小さいクラスタでは、粒子（領域Ｂの範囲内の、その正規化されたサイズを有している）は、充填層において生じるように、互いに隣接して配置されており、また、粒子間力は吸引性であることが示されている、図２ｂ。

ＰＭＭＡのマイクロ粒子では、領域は、領域Ａがｄ＜０．３２λ、領域Ｂが０．３２λ＜ｄ＜０．４１５λ、領域Ｃが０．４１５λ＜ｄ＜０．６１λであるように判定した。

本発明者は、振動しているマイクロ粒子と、すぐ近くのナノ粒子との間の存在する吸引力を試験した。ふたたび、本発明者は、（マイクロ粒子のサイズを考慮しつつ）動作領域を参照してこのことを試験した。（各周波数における）λ／１００の決まった隙間での、１０μｍと５００ｎｍとの、ポリスチレンの球状粒子のペアに関し、ＮＰの全体の力は、図２ｄに示されている。さらに、逆方向（負の符号）にナノ粒子に作用する一次力も、比較のために示した。このデータは、二次力が、ＮＰ上の音響の力全体の主要な部分に寄与したことを示した。さらに、図２ｃは、領域Ｂ（ＰＭＭＡに類似）において二次力が劇的に増大したことを示しており、第１の共振周波数において最大になる。より高い周波数では、力の振幅の低下が、ｄＭＰ／λ≒０．６３（依然として領域Ｃ内にある）に等しい周波数において、力の振幅が低レベルに低下する前に、さらなるピークの後に、第２のマイクロ粒子の共鳴（一次力がゼロである領域Ｂと領域Ｃとの間の境界に非常に近い）において観測される。逆に、ＮＰのもっとも高い吸引が、領域Ｂ内の共振周波数において、及び領域Ｃの共振周波数の後の縁で発生する。図１２に示すように、１０μｍ及び５００ｎｍのＰＳ粒子のシステム内の重要な周波数の概要が表１に与えられている。

ビヤークネスの力は、２つの粒子間の距離に反比例し、それにより、図２ｄにおいて単一の分離のみが示されているが、傾向をより広く適用可能である。記載の実施形態では、充填層を使用して、最大の分離距離が、マイクロ粒子間の「孔」のサイズによって制限される。

この理論上の研究は、機械的に作動された充填層を完全にはモデル化していないが、動作の裏の、重要な基礎の物理的現象、具体的には、マイクロ粒子の、粒子の共鳴の役割に関する物理的現象を示している。本発明者は、安定した充填層を維持するために、マイクロ粒子間の粒子間の力を使用し、次いで、マイクロ粒子とナノ粒子との間の最大の力の発生に基づく作動周波数を選択した。このことは、表１に詳述される条件に対応する。

［収集の測定］
ナノ粒子を捕獲するためにマイクロ粒子の共鳴を使用する原理を分析するために使用されるチャンネルは、比較的小さく、２０μｍ対９４μｍ（それぞれ、高さと幅）の寸法を取り、この制限されたサイズにより、層の正確な特徴付け及び可視化が可能になった。チャンネルの一方の端部では、ピラーの列は、６μｍのギャップサイズで製造した。チャンネルの一方側では、電極が圧電性基板上に配置され、これら電極の下流側の端部をチャンネル内のピラーと整列させた。互いにかみ合う電極（またはインターデジタル変換器、ＩＤＴ）のこのペアを、ＳＡＷを励起するために使用した。試験の第１の段は、チャンネルに非蛍光性の１０μｍのＰＳ粒子をローディングすることであった。チャンネルの端部のピラーにより、これら粒子がトラッピングされ、小さい充填層を形成することが確実にされた。次いで、蛍光性の５００ｎｍのＰＳナノ粒子の０．０４％ｗ／ｖの溶液を、１μＬ／ｈｒの流量で充填層を通してポンプした。システムの充填及び動作シークエンスは、図１０のｉからｖに示されている。図１０のｉからｖはそれぞれ、マイクロ粒子（ＭＰ）、及びそれに次ぐナノ粒子（ＮＰ）のローディングのシークエンスを示すシステムの概略図である。ナノ粒子は、音波（ここでは、インターデジタル変換器（ＩＤＴ）によって生成されたＳＡＷ）を作動させることによってオンデマンドで収集することができ、高濃度のサンプルを、音波をオフにすることによって放出することができる。チャンネル内のナノ粒子の位置は、ビデオ顕微鏡を使用した蛍光性信号の強度の試験により、ひとまとめに分析した。マイクロ粒子に吸引されることなく、ナノ粒子が充填層を通過する場合、ほぼ一様な強度の分布が予測される。充填層のエリアにおける強度の増大、及び層から下流の強度の低下は、取込みが発生していることを示している。一方、この強度の分布の逆転、すなわち、層の下流のより高い強度は、トラッピングの事象が発生した後のナノ粒子の放出を示している。これら強度の変化は、非常に高いナノ粒子の濃度を使用することによって強調されている。図３は、表面音波の作動がオンにされ、次いでオフにされる際の、このことの実施例を示しており、作動期間の間に層内で発生する明確な濃縮の事象を示している。

図３は、強度の変化が、（ＳＡＷがＯＮの場合の）５００ｎｍのＮＰの収集、及び、上流における非蛍光性の１０μｍのＭＰの充填層を伴う、５０μｍの幅のチャンネル内の濃縮されたバッチのさらなる放出（ＳＡＷがＯＦＦにされた後）を実証していることを示している。一方、上流及び下流の部分は、青及び緑の破線のボックスによってそれぞれ示されるように選択されて、６８ＭＨｚの周波数及び１５ｄＢｍのソース出力レベルでの試験の間の強度レベルの変化を追跡した。

［最適な周波数］
本発明者は、最初に、測定された強度のこれら変化を使用して、共鳴の役割を精査するために、励起周波数の変化の影響を分析した。励起の状況にわたって正確な比較を行うために、本発明者は、（外部から与えられる流れの条件または顕微鏡の設定に対するあらゆる変化を避けるために）単一の試験を行った。この試験では、励起を、新たな各サイクルをより高い周波数とした状態で、繰り返しオン及びオフにした。このことを達成するために、本発明者は、チャープＩＤＴ（すなわち、間隔を有する電極）を使用して、幅広いバンド幅を提供した。このバンド幅にわたって、有用なデータを得ることが可能である。また、粒子の共鳴がこのバンド幅内にあるように設計されている。

周波数にわたって掃引する一方、図４ａに示すように、決まった出力レベルの、ステップ状の矩形のパルスを適用した。周波数レンジは６１ＭＨｚから８０ＭＨｚとし、各パルスは３秒の長さであり、（流体流れにより、前に捕獲された粒子を充填層から洗い出すための十分な時間を許容するために）次いで３秒間オフにした。作動期間にわたり、強度は、充填層の決まったエリアにわたって合計した。このことは、図４ｂに示されている。

図４は、以下をそれぞれ示している。ａ）３秒のパルス幅及び１ＭＨｚのステップの、ステップ状の矩形パルス。出力レベルは、掃引に沿って一定である。ｂ）周波数掃引の間の、９４μｍの幅のチャンネルの上流側の平均強度レベル。各ステップにおいて、強度ゲインは、各ステップに関する最低から最高のレベルまで計算された。結果は、５ｄＢｍの出力レベルに関して示されている。

データを分析する前に、ピラーの上流側が１０μｍの粒子により、５００μｍの長さのＩＤＴよりもかなり長い長さにわたって完全にパックされ、励起していない状態で、ナノ粒子の収集における流体力学的影響が最小であり、無視できることに留意することが有益である。強度は、ちょうど±２％の範囲を変化させる。図１１を参照されたい。一方、対照的に、音波で作動する収集の成長率は、３０秒の同じ時間（図４に示すデータで使用されるものよりかなり長い）内で、試験条件では、５０％以上である。図１１は、もっとも高い平均の線形の強度の成長を有する２つの過度なケース（上昇と下降との両方）における、ＳＡＷが作動していない、チャンネル（幅９４ｍ）の上流における瞬間的な強度レベルを示している。エネルギが与えられたＳＡＷ（ここでは、差込み図において３０秒間作動された、６２．５ＭＨｚと７５ＭＨｚとの２つの異なる周波数に関して示されている）による、強度レベルの成長と比較する場合、流体力学的影響に起因する強度の変化は、重要ではなく、このため、無視できる。

第２のコントロールは、マイクロ粒子のない中でのＳＡＷの作動の影響の試験であり、具体的には、マイクロ粒子が生成するビヤークネスの力なしで、ナノ粒子を収集するために、音響放射の効果が十分であるかを見ている。そのような条件下では、ナノ粒子のいくつかが、ノードの線に沿って収集されたが、これらは、流れに対して保持されず、このため、作動中に下流では存在の低減がなかった。

これら２つのコントロールの結果として、ＳＡＷとして見られる強度の上昇は、図４ｂで作動され、マイクロ粒子の存在から生じる二次力によって引き起こされるナノ粒子の収集に起因し得る。各作動ステップの短期間の間、強度の増大はほぼ線形であり、（図４ｂに示すような）その傾斜またはゲインは、ＮＰ収集の測定値として、相互交換可能に考慮することができる。

図５は、３つの異なる出力レベルに関し、９４μｍ×２０μｍのチャンネル内の６１ＭＨｚから８０ＭＨｚのＳＡＷ周波数の正規化された強度ゲインを示している。差し込まれている画像は、正規化前の異なる出力レベルに関する各周波数の絶対的な強度ゲインを示している。

図５では、各周波数における強度ゲインは、図４ｂから示されており、さらに、３つの他の試験条件が分析されている。各ケースにおいて、６９ＭＨｚから７２ＭＨｚにおいて、最初のピークまで周波数を伴う強度ゲインの上昇が存在し（シミュレーションは、６５．７ＭＨｚから６７．５ＭＨｚを予測している、表１参照）、後に下がり、次いで、７６ＭＨｚから７８ＭＨｚで第２のピーク（シミュレーションは８２．５ＭＨｚと予測している）があることを見ることができる。この周波数レンジ内の性能の低下は、７４ＭＨｚにおいて発生する（７１．２ＭＨｚが予測された）。

シミュレーションの予測からの、試験におけるピーク及び谷のわずかなシフトは、数値上のモデルにおいて、材料特性が、マクロスケールの報告された値に設定され、一方、マイクロビーズの機械的剛性及び密度が、わずかに異なる場合があり、このことが、共鳴周波数をシフトさせ得、また、それに応じてモード形状を変化させ得るという事実に起因し得る。それにも関わらず、これら試験結果から、充填層の作用が、マイクロ粒子の共鳴作用に密にリンクしていることが明らかである。重要な特徴は、６０ＭＨｚと９０ＭＨｚとの間の２つのピークと１つの谷とであり、第１のもの（領域Ｂ）に比べ、第２のピーク（領域Ｃ）内の吸引力がより大であり、より高い周波数に向けて、吸引力（ひいてはＮＰ収集）が最終的に低下する。

性能の低下が、図５における高い出力において行われた２つの試験に関して顕著ではなく、この理由が、充填層がより高い最適な駆動周波数において飽和することになり、このため、これらに関して見られる強度の上昇が制限されているためであると考えられることに留意することが、有益である。この飽和は、使用されるナノ粒子の高い濃度に起因して、非常に迅速に発生し得る。ほとんどの用途に関し、かなり低い濃度が予測されるが、特徴付けの目的のために、強度の変化は、（より低い出力レベルにおける）そのような高い濃度を使用することで、より信頼性のあるものである。このことをさらに探求するために、図６に示すように、より大である範囲の出力にわたり、試験のセットを実施した。図６は、９４μｍ×２０μｍのチャンネル内での、異なる出力レベルに関する６１ＭＨｚから９０ＭＨｚの範囲内の正規化された強度ゲインの下流の結果を示している。傾向は、ピーク／谷の周波数のわずかなシフトを伴って、数値上のシミュレーションと同様である。差し込まれている画像は、正規化前の異なる出力レベルに関する各周波数の絶対的な強度ゲインを示している。ここで、より高い出力レベルは、同じ設定でより大である強度レベル、すなわち、より高い収集を提供する。

ここで、５ｄＢｍのケースと７ｄＢｍとのケースにわたって一貫性が見られ、１４ｄＢｍは、最適ではない周波数であっても、この出力が粒子を捕獲するために十分であることから、外れ値になっている。さらに、より高い周波数を包含するデータのセットが含まれている。前に試験した範囲内では、傾向は非常に類似しており、このことが、ＩＤＴのセットの性能における急変よりむしろ、マイクロ粒子に関連する現象であることを示している。この範囲を超えると、我々は、性能のさらなる低下を見出し、このことは、シミュレーションでも同様である。

［出力掃引］
我々は、最適な励起周波数（充填層の１０μｍのＰＳビーズのケースにおいては、７０±２ＭＨｚ及び７７±２ＭＨｚ）を使用することによって達成される相対ゲインは、ＰＳの共鳴周波数によって影響され、特に低出力において、重要な役割を果たすことを見出しており、この低出力においては、我々は、６０％から７０％の大きさのピーク－谷の差異を観測した。より高い出力では、このコントラストは、飽和に起因して異なっていた（１２％から２３％の間）。しかし、ここで、本発明者は、出力の影響をより完全に試験し、掃引された出力の試験を使用して、出力の関数として（強度の変化を介して）性能を試験する。

より高い出力レベルがより高い強度レベルを提供する周波数掃引において観測されたような、ナノ粒子の収集における出力の影響を検査するために、同様に、ステップ状の矩形のＳＡＷパルスをシステムに導入した。１ｄＢｍ（１．２６ｍＷに等しい）を始点に、各パルスは３秒間続き、次いで６秒のオフの期間が続き、ステップレベルは、１４ｄＢｍ（２５．１２ｍＷに等しい）の限界まで、増大する毎に１ｄＢｍ増大させた。９４μｍ×２０μｍのチャンネルの下流に関する、リアルタイムの平均強度レベルとともに、パルス図が図７に示されている。

図７は、それぞれ、ａ）ステップ状のパルスの１ｄＢｍから１４ｄＢｍの出力掃引を伴う、６８ＭＨｚ（赤）での９４μｍ×２０μｍのチャンネルの下流側における瞬間的な平均強度レベルと、ｂ）異なる周波数の正規化された強度ゲインが、ｄＢｍでの出力レベルとの線形コンプライアンスを示しており、このため、ｍＷａｔｔでの出力レベルに対する対数の傾斜と、を示している。

［捕獲性能及び濃縮のリターン］
［捕獲効率］
分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスの捕獲性能を調査するために、試験のさらなるセットを実施した。このことは、周波数のある範囲にわたって行ったが、ここでは、各作動は、周波数掃引の試験で使用したよりも長い時間だけ持続させた。使用した範囲は、（ソース信号ジェネレータのポートにおいて）１２ｄＢｍの決まった出力レベルで、（異なる領域から代表されるものとした）５５ＭＨｚから８５ＭＨｚの間とした。流量は９４μｍ×２０μｍのチャンネル内で１μＬ／ｈｒに維持し、強度レベルは、マイクロピラーポストの下流で測定し、トラッピングされなかったＮＰのパーセンテージを定量化するために使用した。理想的には、すべてのＮＰが上流でトラッピングされた場合、下流エリアで蛍光性ＮＰから放射される光強度は、作動されるとゼロに低下し、このため、ナノ粒子シーブの捕獲性能は１００である。代表的な周波数に関してのみであるが、結果は、周波数を増大させることにより、捕獲効率も増大してピークに達し、その後に低下する、同様の傾向を示した。８０ＭＨｚの周波数（前に論じた第２のピークに非常に近い）において、我々が、約９７％の捕獲効率η_{ｃａｐｔｕｒｅ}を達成できることを見ることができる。図８ａを参照されたい。図８は、それぞれ、ａ）９０×２０のチャンネル内の決まった出力レベル１２ｄＢｍの選択された周波数での捕獲効率と、ｂ）充填層の有効なトラッピングエリアと、を示している。上流におけるこのエリアの外のマイクロ粒子は、捕獲において無視できる部分を有している。

他の周波数に関し、図７ａに見ることができるように、出力の増大により、上流において強度が増大することになり、下流において強度が対称的に減少する。換言すると、より高い捕獲効率が達成可能である。

そのような高い捕獲率において、出力のさらなる増大は、観測される強度に差異を生じることがなく、このことも、（層の飽和とともに）１４ｄＢｍのもっとも高い使用される出力の周波数掃引の試験において、なぜ最適な周波数における作動が、オフの共鳴よりも多くの捕獲を示すことが見られなかったのかを説明することに、留意することが有益である。

［濃縮のリターン］
合理的に高い捕獲を提供する、最適な周波数及び出力レベルを実現することにより、ナノ粒子のトラッピングされたバッチの最終的な濃度は、時間、チャンネルサイズ、及び流量の関数となる。既知の流量Ｑ、及び最初の濃度Ｒｉの流れの中で、ＳＡＷがアクティブとなる一定の時間ｔの後に、トラッピングエリアにトラッピングされたナノ粒子の質量ｍＮＰ及び最終的な濃度Ｒｆは、以下のようになる。

式中、η_{ｃａｐｔｕｒｅ}は、特定のＳＡＷ条件（周波数及び出力）における分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスの捕獲効率であり、Ｖ_{ｃｈａｍｂｅｒ}は、トラッピングエリアの容量である。このエリアは、充填層全体の、ＳＡＷの影響を受けたパートを包含するのみである。テストされたデバイスでは、ＭＰローディングの後に、充填層がＳＡＷビームを超えてエリアを充填及びカバーするが、このエリアの外のマイクロ粒子は、ＮＰトラッピングを補助することは観測されていない。このことを確認するために、図８ｄは、２００ｎｍのＰＳ粒子での試験の終了時の９４μｍ×２０μｍチャンネル内で、ＳＡＷが作動されたエリアが、明確に、ＳＡＷビームの上流の充填層の部分より明るい強度（ＮＰの収集に起因する）を有していることを示している。本発明者は、この部分の容量を規定するため、また、図８ｃ及び図８ｄに示すケースに関し、Ｖ_{ｃｈａｍｂｅｒ}を使用した。このことは、おおよそＶ_{ｃｈａｍｂｅｒ}＝９００×１００×２０（μｍ）^３＝１．８ｎＬである。方程式１及び方程式２を再整理すると、濃度のリターンは、以下のように示すことができる。

このことは、濃縮が無限及び線形的に増大することができないことから、短時間で有効である。５０μｍの幅及び２０μｍの高さのチャンネルで、７０ＭＨｚ及び１４ｄＢｍのＳＡＷ信号の条件で実行した試験のセットにおいて、異なる流量に対して、（５００ｎｍのサイズの最大の捕獲されたナノ粒子を示すものとして）下流で最大強度を測定し、この最大強度が、２５μＬ／ｈｒの流量まで保持されていることを見ることができる。このことは、６９００μｍ／秒の平均速度、図８ｂに対応する。１４ｄＢｍの出力レベルでの０．７の無難な捕獲効率を予想すると、１０秒間のＳＡＷ動作内で、濃度のリターンは、約５４である。このため、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスは、短時間で約５０倍のナノ粒子の濃縮の能力を有している。スケールアップすることにより、チャンバ容量Ｖ_{ｃｈａｍｂｅｒ}は増大し、また、リターンの割合を維持するために、流量は増大し得、こうして、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスがより大であるサンプル容量を扱うことを可能にする。

［ナノ粒子のサイズの影響］
本発明者は、さらに、より小さいナノ粒子に関する分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスの動作性を調査した。本発明者の、周波数及び出力の特徴付けは、５００ｎｍのポリスチレンビーズを利用し、高品質のデータ収集のために、これらビーズが与える蛍光発光の明るさを利用した。本発明者の研究は、ナノ粒子の収集が最適である２つの領域を明確に示した。その研究では、周波数の影響を観測するために、出力を制限しなければならなかった。この理由は、高い出力において、捕獲の全体と、層の飽和との混合が、到達する最大強度の変更を生じたためである。システムの動作に関し、このことは明確に、作動領域において使用されていない容量が存在することを明確に証明している。ここで、本発明者は、出力を上昇させることにより、これを利用して、より小さい粒子を捕獲する、より困難な作業に取り組んだ。本発明者は、ここで、広帯域の幅のチャープＩＤＴが、この作業のために依然として使用されていること、及び、このことも、濃縮のためのさらなる余地を与えることに留意している。この理由は、単一の周波数のＩＤＴが、顕著により効率的であるためであり、ここで、７２ＭＨｚが第１のピークの範囲内にある。より小さい対象を捕獲するために、この条件のセットがどのように使用され得るかを研究するために、９４μｍ×２０μｍのチャンネル内において、それぞれ０．３％ｗ／ｖと０．００７％ｗ／ｖとの濃度で、両方とも１μＬ／ｈｒの流量で、１９０ｎｍと１００ｎｍとのポリスチレンナノ粒子に関して試験を別々に実施した。

１８ｄＢｍ及び増幅器の最小ゲイン（名目上２６ｄＢ）での７２ＭＨｚ（第１の周波数ピーク内）のＳＡＷを、層を作動させるために使用した。図９ａ－２は、層内の１９０ｎｍの粒子の捕獲からの結果である、結果としての強度の変化を示しており、一方、下流の溶液の浄化は、図９ｂ－２に見られる。超音波の作動をオフにすると、上流におけるナノ粒子の濃度は、高強度と低強度との間の変移領域が流れとともに下流（図９ａ－３及び図９ｂ－３）に移動すると、迅速に低下する。ＳＡＷの作動の終了後の数秒で、蛍光性強度は、その最初のレベルに戻る（図９ａ及び図９ｂの見出し４）。

図９から図９ｄはそれぞれ１９０ｎｍのポリスチレン粒子のトラッピングの上流側及び下流側の図であり、各見出しが、（１）ＳＡＷが作動する前、（２）ＳＡＷの作動中、（３）ＳＡＷをオフにした直後、及び（４）作動が終了した数秒後、を示している。ソースにおける出力レベルは１８ｄＢｍであり、増幅器は最小レベルである。ｃ）１００ｎｍのポリスチレンでのＳＷＡＮＳの下流の図が段（２）及び段（３）に示されている。捕獲が起こるが、ＮＰの小サイズに起因して、捕獲は顕著ではない。出力レベル１８ｄＢｍ及び最小の増幅器のゲイン。ｄ）１００ｎｍのポリスチレンビーズの捕獲が示されており、ＳＡＷが作動している間（２）、強度が低下しており、ＳＡＷをオフにする（３）と濃縮されたバッチの放出が顕著である。増幅器のゲインが増大した。矢印は、すべての見だしに関して下向きである流れを示しており、スケールバーは５０μｍである。

同様に、１００ｎｍの粒子の溶液が、７２ＭＨｚの周波数及び１８ｄＢｍの出力レベル（増幅器の最小ゲインを伴う）で、収集、濃縮、及び放出のサイクルを通ったが、１００ｎｍの粒子のより小さいサイズに起因して、収集が行われ、トラッピングされた粒子の放出を図９ｃ－３から観測できるが、このことの明瞭度が低下している。ナノ粒子の音響放射力は、以前の研究に基づき、粒子の容量、そしてひいては、その直径の３乗に比例するものと推測することができる。１０μｍのポリスチレン粒子の近位の１００ｎｍのポリスチレン粒子のシミュレーションは、図２に記載及び証明したのと同様の方式で、全体の音響放射力、そしてひいてはナノ粒子の二次力が、粒子サイズの３乗に比例することを示している。これに対抗するために、出力のさらなる増大が、別様に同一の条件において、１００ｎｍの粒子の明確な収集をより明らかに示している（図９ｄ）。図９ｃ及び図９ｄの段２及び段３の比較により、適切な出力レベルに調節することが、充填層において１００ｎｍの粒子を効果的にトラッピングし（下流の強度の低下から明らかである）、下流へのその伝播するフロントとともに、濃縮されたバッチが下流に素早く放出されることが示されている。

一連の試験は、ナノ粒子の捕獲におけるマイクロ粒子の共鳴の役割を示すように設計されている。このため、いくつかの要請が、性能のロール周波数の高品質のデータの捕獲のために課された。画像強度が顕著であるように、比較的大きい粒子（５００ｎｍ）を使用すること、及び、可視化をさらに補助するために、小さいシステムで試験を実施することが必要であった。このため、高出力において、周波数の役割が、最適なものに次ぐ周波数においてさえ、相当に十分な捕獲によって不明瞭にされることが観測された。本発明者は、過度な動作容量を示すような、共鳴作用を観測するために、出力レベルを低下させる必要性に留意しており、このため、より小さい粒子を捕獲するその能力を利用している。しかし、音場の強度が、電力から表面音波へのより効率的な変換によってさらに増大され得ることにも留意することも有益である。周波数の影響を研究するために、可変ピッチ電極を伴う広帯域ＩＤＴセットを使用することが必要である。この中で、ＳＡＷ生成に最適なピッチは、いくつかの電極にわたってのみ生じる。単一の周波数の動作、一定のピッチ、ＩＤＴは、かなりよい効率、そしてひいては、向上された性能に関するさらなる容量を与える。

［概要］
機械的に作動される充填層のコンセプトは、連続した流れの中で、ナノ粒子のトラッピング及び濃縮が可能であるように提供及び図示されている。作動は、超音波の励起の形態である。この超音波の励起は、充填層を形成するマイクロ粒子の共鳴モードと一致するように周波数が選択された場合に、もっとも効率的になるように、数値上と試験上との両方で示されている。この条件下では、第１に、マイクロ粒子が互いに吸引されていることから、層自体は安定である。第２に、ナノ粒子の溶液が層を通過する際に、これらナノ粒子も、マイクロ粒子に吸引され、それらの表面に捕獲されることになる。このため、ろ過が、層を化学的に機能化する必要なく得られ、逆の方式では、濃縮されたサンプルを収集できるようになっている。ろ過は、層をブロックすることはなく、また、膜のろ過とは対照的に、孔サイズは、ナノ粒子よりむしろマイクロ粒子のサイズによって規定される。１２ｄＢｍの出力では、８０ＭＨｚの共振周波数で作動された層を通過した５００ｎｍの９７％が、収集された。さらに、収集は、１９０ｎｍの粒子と１００ｎｍの粒子との両方の、より高い出力で示された。共鳴が、層のサイズよりむしろ、層の構成要素に関連することから、グレードアップすること、この作業において基礎にある物理法則を示すことに関する優れたポテンシャルがある。

［材料及び方法］
［シミュレーション］
１次元の定常波における、粒子の相互作用の裏の物理法則を理解するために、ポリスチレン材料の１０μｍ及び５００ｎｍの球を、ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（登録商標）５．１ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ ｍｏｄｕｌｅでモデル化した。固体の領域は、ユーザが規定したポリスチレン材料（１０５０ｋｇ／ｍ３の密度、３．６９ＧＰａのヤング率、及び０．３のポアソン比）を有する球に起因するものであり、また周囲の領域に関しては、水がＣＯＭＳＯＬのデータベースから選択された。単一のポリスチレンのマイクロ粒子の周波数領域、及び、５００ｎｍのナノ粒子との、その粒子間の相互作用を調査するために、我々は、線対称の２Ｄ幾何学形状でモデルを確立した。しかし、複数のマイクロ粒子のシナリオに関しては、より時間効果の高い２Ｄ幾何学形状が、完全な３Ｄの幾何学形状の代わりに適用された。

［製造］
５０μｍまたは９４μｍの幅、及び２１ ２２μｍの高さを有するマイクロチャンネルを、ＡｕｔｏＣＡＤで設計し、シリコンの原型を、ポジティブフォトリソグラフィ、エッチングマスクとしてのクロムの堆積、及び所望の深さへのシリコンのＤＲＩエッチングによって製造した。マイクロチャンネルチップは、Ｓｉ型上のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ；１：１０の比の硬化媒体／ベース）のソフトリソグラフィによって生成した。

ＰＤＭＳ構成要素が接着される基板は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３、ＬＮ）のウェーハ（１２８°Ｙ－カット）である。この圧電性材料上の金属電極の堆積により、ＳＡＷの生成が可能なインターデジタル変換器（ＩＤＴ）が形成される。具体的には、１．１４ｍｍのアパーチャを伴う広帯域（チャープ）ＩＤＴを、ｘ伝播方向に対して４５度に整列させた。また、２つの異なる波長レンジ、１４μｍから６０μｍと２０μｍから７０μｍとを使用した。ＩＤＴフィンガ及びコンタクトパッドは、５ｎｍの厚さのＣｒプライマー層、１９０ｎｍの厚さのＡｌ導電性層、及び５ｎｍの厚さのＡｕ腐食保護層から製造した。別の２５０ｎｍの厚さのＳｉＯ２の層は、浸食に対するさらなる保護、及びＰＤＭＳへの良好な接着のために、ＩＤＴエリアの頂部に堆積させた。電極は、慣習的なフォトリソグラフィ技術、次いで、Ｅビーム蒸発堆積、リフトオフ、そして最後にダイシングソーによってカットすることを介して製造した。ＰＤＭＳマイクロチャンネルは、プラズマ処理（Ｈａｒｒｉｃｋ Ｐｌａｓｍａ，ＰＤＣ－３２Ｇ）の後にＬＮ基板上に接着した。ＬＮの表面上に生成されたＳＡＷは、さらに伝播する際、特に、ＰＤＭＳバルク材料を通って伝わる際に、減衰に起因してそのエネルギを失う。ＳＡＷの減衰を最小にするために、ＰＤＭＳマイクロチャンネルチップは、各々をテストチャンネルから絶縁する薄い６０μｍの壁を伴って、ＩＤＴの頂部に組み込まれたエアポケットを有している。トラッピングのためにマイクロ粒子（ＭＰ）として使用される１０μｍのビーズは、非蛍光性の暗い赤色であり、ポリスチレンで形成した（Ｍａｇｓｐｈｅｒｅ， ＵＳＡ）。３つの異なるサイズのポリスチレン蛍光性ナノ粒子（（Ｍａｇｓｐｈｅｒｅ， ＵＳＡ）を使用した。５００ｎｍは赤、１９０ｎｍは黄緑、１００ｎｍは赤である。固体の粒子は、粒子がチャンネルの壁に付くことを避けるために、２％のポリエチレングリコールの水溶液内に懸濁させた。各試験の実行の前に、一様な懸濁液を達成するために、サンプルを渦流ミキサによって混合した。

［試験］
試験のセットアップは、ＳＡＷを生成するためにＬＮチップに接続した信号ジェネレータ（ＳＭＣ１００Ｃ， Ｒｈｏｄｅ ＆ Ｓｃｈｗａｒｚ）及び増幅器（２５Ａ２５０Ａ， Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）で構成する。また、マイクロ粒子／ナノ粒子の懸濁液を、注射ポンプ（ＫＤ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）を使用してＰＤＭＳマイクロチャンネルに注入した。すべてのテストは、蛍光性光フィルタ（Ｏｌｙｍｐｕｓ ａｎｄ Ｅｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ）を介して、上向きの顕微鏡（ＢＸ４３， Ｏｌｙｍｐｕｓ）の下で観測した。すべての画像及びビデオは、頂部に取り付けられたデジタルカメラ（Ｐｉｘｅｌｉｎｋ ＰＬ－Ｂ７８２ＣＵ ａｎｄ ＤｉｎｏＣａｍ）で捕獲した。信号ジェネレータの臨機の動作を促すために、信号ジェネレータには、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）によってコマンドが送られ、また、同時に、ビデオの捕獲がＭＡＴＬＡＢ（登録商標）のＩｍａｇｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｔｏｏｌｂｏｘ（商標）によって引き起こされた。

［データ分析］
ビデオの蛍光性光強度は、ナノ粒子の捕獲及び放出のレベルを示すように、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）によって処理及び分析した。ナノ粒子の収集が、充填層のエリア全体にわたってランダムに発生することから、グレースケールの強度レベルが、時間に対して計算及び記録された。

上述の試験は、記載の実施形態に係る、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス及び方法の実現可能性を証明することを試みた。微小流体システムを使用して試験が行われたが、記載の実施形態が、水のろ過、ガスの乾燥、及び反応／蒸留タワーの用途のために通常使用されるような、慣習的なサイズの充填層に、容易にサイズを大きくすることができることも予期される。また、試験が、充填層の必要な音響作動を生成するために、表面音波の構成を利用したが、代替的な手段が、充填層の音響励起を達成するために利用されることも予期される。たとえば、この目的のために圧電性デバイス内で生成されたバルク波を利用することが可能である場合がある。さらに、試験ではポリスチレンから形成されたマイクロ粒子を使用したが、充填層の共振周波数を変更するために、金属など、マイクロ粒子のために代替的材料を使用することも予期される。

［ろ過／分離システム］
図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃをここで参照すると、図１の微小流体デバイス１などのろ過／分離／濃縮のデバイス１００、または、上述のようなマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスを備えたろ過／分離システム１００の概略図が示されている。以下により詳細に論じるように、図１３Ａでは、ろ過／分離／濃縮のデバイス１０２はオフの状態であり、図１３Ｂでは、ろ過／分離／濃縮のデバイスは作動状態（ろ過状態）であり、図１３Ｃでは、ろ過／分離／濃縮のデバイス１００（１０２の誤記）は停止状態（分離状態）である。

システム１００は、デバイス１０２に搬送されることになる液体懸濁液を受領及び保持するためのコンテナ１０４を備えている。コンテナ１０４はポンプ１０６に結合されている。ポンプ１０６は、作動されると、液体懸濁液を、導管１０８に沿ってデバイス１０２へ、より詳細には、デバイス１０２の流路またはチャンネル１１０へ搬送させるように構成されている。

デバイス１０２は、流路１１０内に物理的に保持された、膜またはピラーなどのバリア１１２を備えている。バリア１１２は、マイクロ粒子をトラッピングし、それにより、マイクロ粒子の充填層を形成するように構成されている。したがって、液体懸濁液が流路１１０に搬送されると、液体懸濁液は粒子の充填層及びバリア１１２を通過する。たとえば、バリア１１２は、流路１１０の断面にわたっている場合がある。いくつかの実施形態では、図１４及び図１５に示すように、バリア１１２は、流路１１０の端部に位置しているか、端部に向いており、また、流路１１０の端部に向いて設けられた２つのガスケット１４０間に配置されている場合があり、バリア１１２の後方に充填層ができている。たとえば、出口１２２側のガスケット１４０に向けて配置された、適切なメッシュサイズの膜は、流路１１０の内側にマイクロ粒子を保持し、充填層を構築する場合があり、一方、媒体及びより小さいナノ粒子を通過させる。インラインで構築された充填層は、マイクロ粒子のサイズ、実装密度、及び充填層の長さに依存する静水圧を生成する。

流路１１０に加え、デバイス１０２はさらに、充填層または各充填層を機械的に作動させるための超音波作動システム１１４を備えている。いくつかの実施形態では、超音波作動システム１１４は、超音波作動システム１１４の動作の選択的な制御、及び、具体的には、動作の周波数及び出力の選択的な制御を可能にするために、信号ジェネレータ１１６または類似の機器を備えている場合がある。信号ジェネレータ１１６は、コンピュータシステムまたはデバイス１１８に結合されるとともに、コンピュータシステムまたはデバイス１１８によって制御される場合がある。

いくつかの実施形態では、ニオブ酸リチウム基板上のインターデジタル変換器（ＩＤＴ）が、流路１１０の内部、及び、具体的には、流路１１０の底でＳＡＷを生成するために使用される。いくつかの実施形態では、超音波作動システム１１４は、変換器を備えている場合がある。この変換器は、流路１１０の外側に配置することができ、また、充填層内の粒子の共鳴が励起周波数にほぼ依存することから、プレート変換器またはリング変換器の形態である場合がある。信号ジェネレータソースからの超音波信号は、ＩＤＴに供給するように、ＰＣＢボードを通る場合がある。

流路１１０の出口１２０は、多方向コネクタまたはフランジ１２２に接続されており、複数のそれぞれのチャンネルに流体連通を提供する。図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃに記載の実施形態では、多方向コネクタ１２２は、デュアルコネクタであり、出口１２０と第１のチャンネル１２４との間、及び、出口１２０と第２のチャンネル１２６との間の流体連通を提供する。第１のチャンネル１２４及び第２のチャンネル１２６は、それぞれ第１のスイッチ１２８と第２のスイッチ１３０とが設けられており、これらスイッチは、チャンネルを通過する流体の流れを可能にするか妨げる（または停止する）ように、各々が作動され得る。たとえば、図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃに示すように、第１のスイッチ及び第２のスイッチは、ソレノイドバルブである場合があり、また、コンピュータシステム１１８に結合されるとともに、コンピュータシステム１１８によって制御される場合がある。第１の容器１３２と第２の容器１３４とは、それぞれ、第１のチャンネル１２４と第２のチャンネル１２６との各々の端部に配置されて、これら容器に搬送された流れを集める場合がある。

図１４は、図１３Ａのシステム１００の一部を示す投影図であり、いくつかの実施形態に係るデバイス１０２及びその構成要素をより明確に示している。

図１５は、いくつかの実施形態に係る、デバイス１０２の入口フランジ１３６（入口フランジ１３６間には、ガスケットまたはＯリング（図示せず）が概して置かれている）と、出口フランジ１４０（出口フランジ１４０間には、ガスケットまたはＯリング（図示せず）が概して置かれている））とを図示する、デバイス１０２の分解図である。上述のように、コネクタ１２２は、多方向のコネクタとすることができ、それにより、収集／分離の各サイクルの後に、分離された（ナノ）粒子が他のチャンネルまたはチューブにそらされて、別のコンテナ内に収集／抽出される場合があるようになっており、一方、充填層の機械的作動の間、ろ過された媒体は、その専用のチャンネル及び収集コンテナへ切り替えられる。

作動時には、処理されていない媒体がコンテナ１０４に入れられる。収集／ろ過サイクルは、コンピュータシステム１１８が、第１のバルブ１２８、たとえば、「ろ過／処理バルブ」を作動させて（すなわち、オンにして）、超音波変換器（ここでは、チャンネルに挿入されているが、外部の配置も可能である）１１４に、粒子の充填層を作動させる音波を生じさせるように、超音波信号を引き起こすことによって開始される。超音波信号がオンである限り、ろ過が生じ、ナノ粒子が流路１１０内でトラッピング及び収集される。

収集サイクルの終了時に、コンピュータシステム１１８は、超音波信号をＯＦＦにし、第１のスイッチ（たとえば、「ろ過／処理バルブ」）を停止させ（すなわち、ＯＦＦにする）、第２のスイッチ１３０（たとえば、「別の（濃縮された）粒子」のバルブ）を作動させ（すなわち、ＯＮにし）、それにより、システムに、分離された（ナノ）粒子を第２の容器１３４に搬送または移送させるように構成されている。

分離されたバッチ全体が抽出されると、「別の（濃縮された）粒子」のバルブがＯＦＦにされ、「ろ過／処理バルブ」がＯＮにされる（開く）。別の収集／ろ過サイクルは、超音波信号をＯＮにすることによってすぐに開始され、したがって、別の分離ステップが後に続く。

流れが連続している間、ろ過及び分離のこれらサイクルは、サンプル全体が処理されるまで繰り返され、処理されたサンプルさえ、すべての（ナノ）粒子が捕獲されることを確実にするように、リサイクルされた複数のタイプとすることができる。この方法で、システム１００は、スイッチ１２８及び１３０を作動させて、粒子のろ過及び分離をさせることにより、連続したろ過を実施するように構成されている場合があり、分離／濃縮された粒子は、各収集サイクルの終了時に、複数のチャンネルの特定のチャンネル１２４、１２６に選択的に搬送される。

いくつかの実施形態では、システム１００は、流体チャネル１１０の断面積を増大させ、粒子の充填層の容量（Ｖ_{ｃｈａｍｂｅｒ}）を増大させるように比較的大きいサンプル容量（Ｑ）を扱うように、グレードアップされる場合がある。チャンバ容量を増大させることにより、流速を比較的低いままにすることができるが、捕獲効率に大きく影響しないか、捕獲効率を低下させないあるレベルにある。システムの流路１１０、フランジ１３６、１４０、及びシーリングは、大スケールの充填層のあらゆる増大した容量から生じる増大した圧力を許容するような方法で設計されている。

［充填層のビーズのサイズ及び材料の影響］
ａ．進行波を含むように、数値上のシミュレーションを拡大させる
１つまたは複数の、粒子の充填層は、ランダムにパックされた粒子の複数の層で形成されている場合がある。しかし、粒子（たとえば、マイクロビーズ）の通常は球形であること、及び超音波によって印加される振動を考慮すると、面心立方（ＦＣＣ）または六方最密（ＨＣＰ）のパッキングの形態を、多くのケースで予測することができる。この密なパッキングのシナリオでは、ナノ粒子は、水平方向または垂直方向において、球の間の孔を通過するのみの傾向にある。幾何学形状、換言すると、球のサイズは、孔サイズを指示している。球が大きくなると、孔が大きくなる。充填層が待機状態にある場合、ナノ粒子が、孔の中心を通過する傾向になることを予測することが公正である。

粒子の充填層は、粒子が充填層に配置される場合（たとえば、次の自己組織化）、孔の形成を許容する任意の適切な形状及びサイズを有する粒子から形成される場合がある。たとえば、粒子は、少なくとも実質的に一様なサイズである場合があり、成形された粒子は、同じ物理的特性を有している。粒子は形状が概して球形である場合がある。しかし、粒子が、限定ではないが、楕円形、筒状、ピラー／ロッド、及び繊維（紙繊維、任意の形状のピラー及び粒子など）を含む、代替的な形状を有することも予期される。粒子が充填層で自己組織化する場合、１つまたは複数の孔が形成されれば、他の形状も予期される。粒子の裏打ちされた層は、異なる形態構造の粒子の２つ以上のセット（たとえば、球状の粒子とロッド状の粒子との混合）をも含む場合がある。

粒子は、たとえば、約１．０、約１．１、約１．２、約１．３、約１．４、約１．５、約１．６、約１．７、約１．８、約１．９、または約２．０の、１．０から２．０のアスペクト比（すなわち、幅に対する長さの比であり、ここで、長さ及び幅は、互いに対して垂直に測定され、また、長さは、もっとも長い線形的に測定される寸法に関する）を通常は有する場合がある。一実施形態では、粒子は、約１．０のアスペクト比を有し、たとえば、球など、形状が等方性である。別の実施形態では、粒子は、１．０より大のアスペクト比を有し、たとえば、楕円形など、形状が異方性である。充填層は、異なるアスペクト比を有する粒子（楕円形のもの、筒、ピラー／ロッド、及び／または繊維など）の混合をも含む場合がある。

充填層の粒子は、任意の適切なサイズを有する場合がある。サイズ、たとえば直径（ｄ）は、共振周波数の波長（λ）を参照して規定される場合がある。たとえば、充填層は、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、前述の充填層の粒子は、おおよそ０．３λから０．６７λより下の範囲、たとえば、約０．３λ未満、約０．３１λ未満、約０．３２λ未満、約０．３３λ未満、約０．３４λ未満、約０．３５λ未満、約０．３６λ未満、約０．３７λ未満、約０．３８λ未満、約０．３９λ未満、約０．４０λ未満、約０．４１λ未満、約０．４２λ未満、約０．４３λ未満、約０．４４λ未満、約０．４５λ未満、約０．４６λ未満、約０．４７λ未満、約０．４８λ未満、約０．４９λ未満、約０．５０λ未満、約０．５１λ未満、約０．５２λ未満、約０．５３λ未満、約０．５４λ未満、約０．５５λ未満、約０．５６λ未満、約０．５７λ未満、約０．５８λ未満、約０．５９λ未満、約０．６０λ未満、約０．６１λ未満、約０．６２λ未満、約０．６３λ未満、約０．６４λ未満、約０．６５λ未満、約０．６６λ未満、または約０．６７λの直径（ｄ）を有する場合がある。充填層内の粒子の直径（ｄ）は、これら値の任意の２つの間の範囲で提供される場合もある。いくつかの実施形態では、充填層は、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、前述の充填層の粒子は、約０．３２λ未満から約０．６１λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する場合がある。他の（ｄ）の範囲も考慮される。

いくつかの実施形態では、充填層は、ある波長（λ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、前述の充填層の粒子は、約０．３λから約０．６７λの範囲の直径（ｄ）、たとえば、約０．３λ、約０．３１λ、約０．３２λ、約０．３３λ、約０．３４λ、約０．３５λ、約０．３６λ、約０．３７λ、約０．３８λ、約０．３９λ、約０．４０λ、約０．４１λ、約０．４２λ、約０．４３λ、約０．４４λ、約０．４５λ、約０．４６λ、約０．４７λ、約０．４８λ、約０．４９λ、約０．５０λ、約０．５１λ、約０．５２λ、約０．５３λ、約０．５４λ、約０．５５λ、約０．５６λ、約０．５７λ、約０．５８λ、約０．５９λ、約０．６０λ、約０．６１λ、約０．６２λ、約０．６３λ、約０．６４λ、約０．６５λ、約０．６６λ、または約０．６７λを有する場合がある。充填層内の粒子の直径（ｄ）は、これら値の任意の２つの間の範囲で提供される場合もある。いくつかの実施形態では、充填層は、ある波長（λ）を有する周波数で機械的に作動される場合があり、前述の充填層の粒子は、約０．３λから約０．４５、約０．３１λから約０．４５λ、約０．３２λから約０．６０λ、約０．３２から約０．６１λ、約０．３２λから約０．４１λ、約０．３２λから約０．４１５λ、約０．４１５λから約０．６λ、約０．４１５λから約０．６１λ、または約０．４５λから約０．６７λの範囲の直径（ｄ）を有する場合がある。他の（ｄ）の範囲も考慮される。

代替的または追加的に、充填層の粒子のサイズは、共振周波数の波長とは独立して規定される場合がある。いくつかの実施形態では、充填層の粒子の平均粒子サイズ（直径など）は、約１μｍから約１０００μｍの間、たとえば、約１μｍ、約２μｍ、約５μｍ、約１０μｍ、約１５μｍ、約２０μｍ、約２５μｍ、約５０μｍ、約７５μｍ、約１００μｍ、約２００μｍ、約５００μｍ、約７００μｍ、または約１０００μｍである場合がある。より小であるかより大である粒子が、本開示の範囲内にある。充填層の平均粒子サイズは、これら値の任意の２つの間の範囲で提供される場合もある。いくつかの実施形態では、充填層の平均粒子サイズは、１μｍから１００μｍの間、１μｍから５０μｍの間、１μｍから３０μｍの間、または１μｍから２０μｍの間である場合がある。一実施形態では、充填層の粒子はマイクロ粒子である場合がある。サイズ及び形状は、任意の適切な手段、たとえば、光学または電子顕微鏡の使用及び／または動的光散乱法を使用して判定することができる。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の充填層１１２の粒子は、組み合わさって、粒子間の複数の孔を規定する。アセンブリは、順番にはなっていない場合がある（すなわち、ランダムにパックされた粒子の複数の層を形成する）か、有機的な構造またはパターン（たとえば、自己組織化）を形成する場合がある。たとえば、粒子は、自己組織化して、稠密六方（ＨＣＰ）、面心立方（ＦＣＣ）、または体心立方（ＢＣＣ）のパッキングの形態を形成する場合がある。当該技術で理解されているように、ＨＣＰパッキングは、１２の配位数を有し、単位セル毎に６の粒子を包含している。ＢＣＣパッキングは、８の配位数を有し、単位セル毎に２の粒子を包含している。ＦＣＣパッキングは、１２の配位数を有し、単位セル毎に４の粒子を包含している。いくつかの実施形態では、充填層の粒子が自己組織化される場合、自己組織化は、順番になっている場合がある（たとえば、充填層にわたって一様なパッキング、たとえばＨＣＰ）か、順番になっていない場合がある（たとえば、１つまたは複数のシステム間で交互になっているパッキング、たとえば、ＨＣＰ及びＦＣＣのパッキングの交互のモチーフ）。粒子アセンブリのタイプに関わらず、１つまたは複数の充填層１１２が、複数の孔を有することを理解されたい。いくつかの実施形態では、孔は、３以上の隣接する粒子によって規定されるものとして記載することができる。たとえば、理想的な自己組織化されるパッキングのシナリオ（たとえば、ＦＣＣまたはＨＣＰ）では、３つの隣接する粒子の中心を通る平面は、粒子間にもっとも狭い通路（「孔」）を包含する平面を形成する。ここでは、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子を支持する液体懸濁液が通過できる。これら平面は、垂直、水平、または斜めにすることができる。いくつかの実施形態では、パッキングの配置が、充填層全体にわたって点在する４つの粒子のセット（たとえば、３つの粒子が底にあり、１つの粒子が中間の頂上に座している）を含む多くの「ピラミッド」アセンブリを形成し、平面が、４つの粒子のセットを含むピラミッドの側部を規定することを理解されたい。

マイクロ粒子及び／またはナノ粒子を支持する液体懸濁液は、孔を通過することができる。充填層の配置によって形成される孔のサイズに応じて、いくつかのマイクロ粒子及び／またはナノ粒子は、孔を通過する場合がある。このサイズの選択性は、液体懸濁液が、さらなる２つの異なるタイプの、異なるサイズの粒子を包含する場合、有益である場合がある。異なるサイズの粒子、そしてひいては異なるサイズの孔を含む２つ以上の充填層は、互いに隣接して配置される場合があり、それにより、異なるサイズのマイクロ粒子及び／またはナノ粒子を液体懸濁液から、液体懸濁液が通過する際に分離及びトラッピングする。

充填層内の孔の数、形状、及びサイズは、粒子の数、サイズ、及び形状によって指示される。いくつかの実施形態では、粒子の充填層によって生成される平均孔サイズは、１ｎｍから１０μｍの間、たとえば、約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、約３０ｎｍ、約４０ｎｍ、約５０ｎｍ、約６０ｎｍ、約７０ｎｍ、約８０ｎｍ、約９０ｎｍ、約１００ｎｍ、約２００ｎｍ、約３００ｎｍ、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、または１０μｍである場合があるが、より小であるかより大である孔サイズが、本開示の範囲内にある。平均孔サイズも、これら値の任意の２つの間の範囲で提供される場合がある。いくつかの実施形態では、平均孔サイズは、２０ｎｍから５μｍの間であるか、３０ｎｍから１μｍの間である場合がある。孔の形状は、粒子の形状及びサイズによって指示される。孔サイズは、孔を規定する任意の２つの粒子の間のもっとも大である距離として取られる場合がある。代替的または追加的に、一実施例では、孔サイズは、組み立てられ、孔を規定する粒子によって生成された空隙内に収容され得る、概念的な球の直径として取られる場合がある（たとえば、概念的な粒子が、理論上、孔内で自己組織化できる場合、いくつかの実施形態では、孔サイズは、その概念的な粒子の直径として取られる場合がある）。充填層は、充填層にわたる粒子のサイズ、形状、及び／またはパッキングに応じて、様々なサイズの孔を含む場合がある。たとえば、粒子は、異なるサイズ及び／または形状である場合があり、充填層内の様々なパッキングの配置、そしてひいては、異なるサイズの孔の結果となる。別の実施例では、粒子は、一様なサイズ及び形状（たとえば、球形）である場合があるが、２つ以上のパッキングのモチーフ（たとえば、ＨＣＰ及びＦＣＣ）間で交互になっている、順番になっていないパッキング構造を形成するように、自己組織化する場合がある。このことは、充填層内に異なる孔サイズを発生させる場合がある。

システム１００の作動及びデバイス１０２の励起がされると、表面音波（ＳＡＷ）は、基板の表面に沿って伝播し、この表面音波が流路１１０内の液体チャネルに達すると、レーリーの角度で流体の領域に結合される。さらに伝播する場合、ＳＡＷはそのエネルギを失い（液体の領域に伝達される）、流路１１０の中心付近では、反対側の、他の側から入ってくる移動ＳＡＷにそれ自体を重ね合わせる。このことは、２つの対抗する減衰進行波間の中間ポイントにおいて、基板上の定常波を形成する。相当の大きさの固体物質が液体の形態内に存在しない場合、圧力場はチャンネル内を上向きに移動する。しかし、ＰＤＭＳ－液体のインピーダンスのミスマッチに起因して、エネルギの一部がチャンネルに戻るように反射され、液体領域内に見かけの定常波を生じる。音響波長と共通するサイズを有する、液体領域内の固形の粒子の球（たとえば、マイクロ粒子）を含むと、波は、著しく散乱及び歪曲される。波はもはやシンプルな平面波ではなく、我々は、いまだに、進行波と定常波との混合がチャンネルの境界内で発生していることを推定する場合がある。

流路１１０及び粒子の充填層が超音波のＳＡＷで励起される場合、孔を通る（ナノ）粒子は、一次及び二次の音響放射力、ならびに、音響流れが印加されるドラグの力を経ることになる。しかし、（ナノ）粒子の小サイズに起因して、一次力は無視でき、マイクロビーズの存在に起因して、音響流れは発達しない場合がある。球間の各孔にマイクロストリーミングが発生する場合があるとしても、印加される力の大きさは、二次の音響放射力、または一般的に知られているように、ビヤークネスの力に関して、無視できるものと予測することができる。各球は、それ自体のビヤークネスの力をナノ粒子に印加することになる。しかし、音場内の球の位置が異なる場合があることから、すべての３つのビヤークネスの力を均一に予測することは、これら力の間の不均衡のおかげで、「求引性」であり、ナノ粒子は最終的に、マイクロ粒子の球の１つに近くなる。ビヤークネスの力が、より高い力に対する距離の逆数に比例する（Ｆ_ａｔｔ∝１／ｄ^２または１／ｄ^４）ことから、他の２つの球からのビヤークネスの力は、ますます小さくなり、そのため、無視することができる。このため、異なるＭＰサイズまたは材料に関する異なる波の形態において、「求引性」または「反発性」のビヤークネスの力の周波数応答を調査するために、単一のＭＰ及び単一のＮＰのモデルを提供することを正当化することができる。この観点から、線対称の２次元の幾何学形状における２つの固体の球のモデルを、図１６に示すように、ＣＯＭＳＯＬ ５．１ Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｅに組み込んだ。

図１６は、デバイス１０２の励起を示し、球によって印加される３つのビヤークネスの力を図示している。充填層は、非常に密な充填の組成を有している。そのため、より小であるナノ粒子（ＮＰ）は、３つの隣接するマイクロ粒子（ＭＰ）毎の間の孔を通過のみすることができる。同時に、これらの各々が、それらの吸引力／反発力をそれぞれ印加し、それら力が平衡にない場合があることから、ＮＰは最終的に、１つのＭＰの影響下となり、そのため、１つのＮＰ対１つのＭＰのモデルが正当化される。流路１１０の条件のシミュレーションされたモデルは、図示のように、ペアが定常波（ＳＷ）を経ることができ、正方向の進行波（ＴＷ＋）を補助するか、負方向の進行波（ＴＷ－）を妨げるシナリオを含むことができる。

［ｂ．各サイズの周波数応答］
前の試験では、本発明者は、純粋な定常波のみを伴うモデルからの結果に注目した。しかし、上述の洞察の観点から、ＰＤＭＳ壁を伴う液体チャネル内でＳＡＷを使用することは、定在波と進行波との混合を生成することができる。バルク音波（ＢＡＷ）など、超音波を生成する他の方法が使用される場合、定常波または進行波の一方か、これら両方の混合が、音響領域に形成され得ることを理解されたい。

いくつかの実施形態では、充填層または各充填層は、充填層を形成する粒子の共振周波数またはその近くで機械的に作動される。したがって、適切な周波数は、充填層内のマイクロビーズのサイズに基づいて選択される場合がある。共振周波数は、たとえば７ミクロン及び１０ミクロンの粒子に関し、５０ＭＨｚから１５０ＭＨｚの範囲である場合がある。より大である粒子に関し、共振周波数は、通常、より低くなる（たとえば、１５ｕｍの粒子に関し、第１のピーク周波数は、約４０ＭＨｚで発生する、などである）。異なる粒子サイズの混合は、充填層を形成する場合があり、このケースにおいて、印加される周波数は、粒子のいくつかに関する共振にある／共振の近くにあり、他の粒子に関しては共振から離れていることを理解されたい。

図１７Ａ、図１７Ｂ、及び図１７Ｃを参照すると、シミュレーションの結果のグラフ表示が示されており、ＮＰが通過する孔サイズのサイズに調整されたギャップに位置するマイクロ粒子によって印加される５００ｎｍのポリスチレンナノ粒子の吸引力を示している。７μｍの粒子に関し、この隙間は３００ｎｍ（側部対側部）であり（図１７Ａ）、１０μｍに関しては５００ｎｍ（図１７Ｂ）、また１５μｍの粒子に関しては、隙間は７５０ｎｍである（図１７Ｃ）。粒子のサイズが増大すると、ピーク周波数（ｆ^＊）は、より小である周波数にシフトし、また、ＳＷによる力は、より支配的になる。同様に、吸引力の周波数応答は、異なる材料、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、及びシリカガラス（ＳＧ）が選択される場合に計算される。

正方向の進行波（図１６）が印加される場合、２つのピーク周波数が観測されるが、定常波のピーク周波数とは異なっている。マイクロビーズの自然／共振周波数が、定在波または進行波のいずれかである、波のタイプでは変化しないが、ここでは、吸引力（ＭＰとＮＰとの間のビヤークネスの力）が、波のタイプに依存することを見ることができる。たとえば、７μｍのポリスチレンビーズのケースでは、吸引力の第１のピークと第２のピークとは、８０ＭＨｚと１３２ＭＨｚとで発生し、これらは、これらの定常波の対応するものとは異なっている。驚くべきことに、進行波の方向さえ、ピーク周波数をわずかに変化させることを、見ることができる。ふたたび、７μｍに関し、これら周波数は、それぞれ、８４ＭＨｚと１３４ＭＨｚとである。しかし、シフトは、非常に顕著なものではなく、通常は、特により大であるサイズに関し、１ＭＨｚまたは２ＭＨｚ以下の範囲内である。そのため、正方向及び負方向の進行波のピーク周波数は、同じであるものと解釈することができる。それにもかかわらず、ＭＰの球のサイズを増大させることにより、（進行波の）これらピークにおける吸引力の大きさは、負のＴＷの第２のピークが、１０μｍ及び１５μｍのサイズに関して消える範囲まで、低減される。

図１８は、より広い範囲の周波数（５０ＭＨｚから１００ＭＨｚ）での１０ミクロンのポリスチレンの充填層を使用したナノ粒子収集の試験結果を示している。このことは、前に観測されたピーク（立ち上がった形態の定常波）に加え、進行波からのピーク（約６３ＭＨｚ及び約８５ＭＨｚ）を示している。これら試験結果は、励起周波数の範囲が拡大される場合、前に観測されたピークに加え、進行波から来る他のピークを確認している。同様の比較を、充填層内の異なる材料（ＰＳ、ＰＭＭＡ、及びＳＧ）のビーズに関して実施するが、サイズは１０ミクロンに固定した。

図１９は、異なるサイズ（ａ）及び異なる材料（ｂ）に関するすべてのピーク周波数で生成された力の数値上の比較を示す図である。各波の形態の各ピーク周波数は、他のサイズまたは材料の、その対応するオーダのピーク周波数と比較される。サイズの影響のケースでは、定常波のケースにおいて、サイズが大であれば、ビーズが、その対応するピーク周波数において、より高い吸引力を生成することが、シミュレーションによって予測されている。それにもかかわらず、進行波のケースでは、より小さいサイズが、ピーク周波数におけるより高い吸引力の発生において、よりよい性能を示す。換言すると、進行波から生じるピークは、より小さいサイズのビーズに関してより支配的であり、定常波は、より大であるサイズに関してより支配的である。同じ方法で、異なる材料が比較される場合、ＰＭＭＡは、特に定常波のシナリオにおいて、ＰＳよりも高い吸引力を発生させる。ＰＭＭＡとＰＳとの両方が、より高い吸引力に関し、ＳＧより性能が優れている。したがって、傾向から、純粋な定常波を印加したより大であるＭＰが、ＮＰに向けて、より大きい吸引力を発生させるが、純粋な進行波（任意の方向）のケースでは、そのピーク周波数におけるより小さいサイズが、ＮＰにより大である力を印加することが示されている。

試験結果（図２０及び図２１）は、ビーズのサイズを増大させることにより、よりよい捕獲を提供することができるシミュレーションからの予測に関する合意を示している。同様に、このことは、より柔らかい高分子材料が、シリカガラスなどのより剛性のある材料より良好な性能を示すことができるという予測に一致している。具体的には、図２０は、（充填層内の）異なるサイズのビーズの捕獲効率の比較の試験結果を示す図である。７ミクロンの粒子がその最適の効率を示す周波数は、ピークの立ち上がった形態の進行波（ＴＷ）に対応している。比べると、１０ミクロンの粒子及び１５ミクロンの粒子は、数値上の解決策が定常波（ＳＷ）から予期したピーク周波数において良好な性能を示す。より大であるサイズのビーズは、よりよい性能を示し、このことは、シミュレーションの結果に一致している。図２１は、捕獲効率に関し、ＰＳ、ＰＭＭＡ、及びＳＧ（すべて１０ｕｍのマイクロビーズを伴う）の様々な材料での性能の比較を示す図である。最適の結果を比較する場合、高分子材料（ＰＳ及びＰＭＭＡ）は、ＳＧよりもよい性能を示している。概略的な傾向も、シミュレーションと一致している。ここでは、ＰＭＭＡがＰＳよりも良好であり（両方とも、それらのＳＷが支配的なピーク周波数を伴う）、一方、シリカガラスの最適な性能が、進行波（ＴＷ）から発生していることを示している。進行波及び定常波を考慮することによって明らかになる共鳴のピークにおいて収集がもっとも効率的になる傾向にあるが、これら共鳴のまわりの周波数において顕著な収集がされ、したがって、これらもナノ粒子の捕獲には適している。たとえば、前述のように、共鳴周波数の外で粒子を励起させることが必要であるか望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、粒子は、音響の浸透深さのより低い／より高い周波数（共鳴から遠くにあり得る）に起因して、共鳴周波数の外で励起される場合がある。いくつかの実施形態では、異なる粒子サイズの混合は、充填層を形成する場合があり、このケースにおいて、印加される周波数は、粒子のいくつかに関する共振にある／共振の近くにあり、他の粒子に関しては共振から離れている。

［生体粒子の完結性］
流路１１０内の粒子（生体粒子など）の収集が、比較的高い周波数領域で発生することから、生体粒子の膜は、超音波の作動、そしてひいては収集段階の間、無傷のままである必要がある。このことに対処するために、緩衝剤（１０ｍＭのＨＥＰＥＳ、１５０ｍＭのＮａＣｌ、ｐＨ７．２）内に希釈された１ｍｇ／ｍＬの濃度の、１００ｎｍの平均粒子サイズを有するリポソームのサンプルを、１０ミクロンのポリスチレン粒子の充填層（Ｍａｇｓｐｈｅｒｅ， ＵＳＡ）で充填された単一の出口微小流体チャンネル（９４μｍ×２１μｍ）に通した。ここで、収集及び放出サイクルを１時間継続的に実施して、すべての粒子が励起周波数（ソース信号ジェネレータにおいて１３ｄＢｍの出力レベルで７０ＭＨｚ）に曝されることを確実にした。

ここで図２２及び図２３を参照すると、それぞれ、制御サンプル（超音波に曝される前のリポソーム）と、テストサンプル（超音波に継続的に曝され、音響が作動した充填層に通された後に収集された）との、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像が示されている。図示のように、膜は無傷のままであり、脂質の二重層が両方の画像から観測可能である。同様に、ほとんどのリポソーム粒子が、その球状の形状及び形態構造を保持しており、充填層に保持されている間にリポソームに伝達された機械的エネルギが、その膜を破壊することも、その二重層脂質構造を変更することもしないことを確認した。脂質二重層が、すべての細胞膜の一般的な構成要素であり、また、ほとんどのウイルスの外皮を形成もすることから、この研究に基づき、ウイルス、バクテリア、及びエキソソームなどの他の粒子の形態構造及び完全性が、同様に、超音波へ曝された後に保持されることになることが予測される。この研究において脂質の膜の繊細な性質がテストされる場合、他の膜（たとえば、脂質ではない膜）も無傷のままになることも予想される。

［生物学的サンプルのトラッピング］
いくつかの実施形態では、デバイス１０２は、粒子、たとえば１つまたは複数の生体粒子（すなわち、生物由来の粒子）を支持する液体懸濁液を受領するように配置されている。粒子は、マイクロ粒子、ナノ粒子、またはこれらの組合せである場合がある。いくつかの実施形態では、粒子は細胞外小胞であり、このことは、限定ではないが、アポトーシス小体及びエキソソームを含んでいる。いくつかの実施形態では、粒子はウイルス及び／またはバクテリアである。ウイルス及び／または粒子は、サンプルを汚染している場合があり、このサンプルは、水、薬品、または食品グレードの製品を含む任意の液体である場合がある。上述の１つまたは複数の粒子の組合せを含む、２つ以上のタイプの粒子が液体懸濁液内に支持されている場合がある。述べられていない他の粒子も、特定の用途に応じて、液体懸濁液内に支持される場合もある。

いくつかの実施形態では、液体懸濁液内に支持されている粒子は、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子とすることができる。いくつかの実施形態では、粒子は、１ｎｍから１０μｍの間、たとえば、約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、約３０ｎｍ、約４０ｎｍ、約５０ｎｍ、約６０ｎｍ、約７０ｎｍ、約８０ｎｍ、約９０ｎｍ、約１００ｎｍ、約２００ｎｍ、約３００ｎｍ、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、または１０μｍの平均粒子サイズを有しているが、より小であるかより大である粒子が、本開示の範囲内にある。平均粒子サイズも、これら値の任意の２つの間の範囲で提供される場合がある。いくつかの実施形態では、粒子は、２０ｎｍから５μｍの間であるか、３０ｎｍから１μｍの間である平均粒子サイズを有する。

たとえば、デバイス１０２は、１０ｎｍから５０００ｎｍの範囲の粒子を支持する液体懸濁液を受領するように配置されている場合がある。いくつかの実施形態では、粒子は、アポトーシス小体であり、５０ｎｍから５０００ｎｍの間の平均粒子サイズを有する。いくつかの実施形態では、粒子は、マイクロ小胞であり、１００ｎｍから１０００ｎｍの間の平均粒子サイズを有する。いくつかの実施形態では、粒子は、エキソソームであり、３０ｎｍから１５０ｎｍの間であるか、３０ｎｍから１００ｎｍの間であるの平均粒子サイズを有する。いくつかの実施形態では、粒子は、ウイルスであり、２０ｎｍから５００ｎｍの間であるか、２０ｎｍから４００ｎｍの間、たとえば１００ｎｍから３００ｎｍの間である平均粒子サイズを有する。いくつかの実施形態では、粒子は、バクテリアであり、５０ｎｍから５０００ｎｍの間、たとえば１０００ｎｍの平均粒子サイズを有する。いくつかの実施形態では、粒子は、エキソソームであり、２０ｎｍから５００ｎｍの間であるか、５０ｎｍから３００ｎｍの間、たとえば１００ｎｍから２００ｎｍの間である平均粒子サイズを有する。

生物学的サンプルの分離及び濃縮を証明するために、本発明者は、ある試験を行い、それにより、７９１８μｇ／ｍＬのＢＣＡ濃度、及び１６７ｎｍの平均粒子サイズを有するエキソソームのサンプルを支持する液体懸濁液を、分離／ろ過／濃縮のデバイスの、超音波で作動された充填層を通過させた。

充填層は、９４μｍの幅及び３２μｍの高さを有するチャンネル内の１５ミクロンのポリスチレン粒子（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｅｘ， ＵＳＡ）で構成した。エキソソームサンプルは、リン酸塩の緩衝液で処理された緩衝剤（ＰＢＳ）内に希釈し、ＥｘｏＧｌｏｗ ｐｒｏｔｅｉｎ ｌａｂｅｌｌｉｎｇ ｋｉｔ（ＥＸＯＧＰ１００Ａ－１， Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅｓ － ＵＳＡ）を使用してラベルを付した。流量は、０．１ｕＬ／分に設定し、５７６ｎｍから５９６ｎｍの放射波長を有する蛍光性フィルタを、可視化のために使用した。インターデジタル変換器（ＩＤＴ）を、７０ＭＨｚの周波数、及び１４ｄＢｍの出力レベル（Ｒｏｈｄｅ ＆ Ｓｃｈｗａｒｚ ＳＭＣ１００Ａ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ２５Ａ２５０Ａ）で、３０秒間励起させた。

図２４は、ｔ_０（表面音波（ＳＡＷ）の励起前）、及び次いでＳＡＷがオフにされた後に続く各時点における充填層及びポストを含む流路の４つの画像である（ｔ_１＝ＳＡＷがＯＦＦにされた２秒後、ｔ_２＝ｔ_１＋０．２秒、ｔ_３＝ｔ_１＋３秒）。超音波で作動された後の画像（ｔ１からｔ３）は、蛍光性染料がされたエキソソームの捕獲、及び、超音波をオフにすることによる放出の後の、上流への濃縮されたバッチの伝播を明確に証明している。

当業者には明らかであると思われる変更形態及び変形形態は、添付の特許請求の範囲に請求される本発明の範囲内に含まれる。

Claims (60)

1. マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスであって、
   流路であって、前記通路内でマイクロ粒子及び／またはナノ粒子を支持する液体懸濁液を前記流路を通して導くことができる、流路と、
   前記液体懸濁液が前記通路内を通って通過できる前記流路内に物理的に保持された、少なくとも１つの、粒子の充填層と、
   前記液体懸濁液が前記通路内を通って通過する間に、前記充填層または各充填層を機械的に作動させるための超音波作動システムと、を備えた、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
2. 前記充填層または各充填層が、同じ物理的特性を有する、少なくとも実質的に一様なサイズ、形状の粒子から形成される、請求項１に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
3. 前記粒子の形状が概して球状である、請求項１または請求項２に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
4. 前記粒子の形状が概して楕円形、筒状、ピラー状、または繊維状である、請求項１または請求項２に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
5. 各粒子が高分子材料で形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
6. 各粒子が金属、セラミック、またはクリスタル材料で形成されている、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
7. 粒子がマイクロメートルで測定される寸法を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
8. 前記粒子がミリメートルで測定される寸法を有する、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
9. 複数の前述の充填層が提供され、各充填層が、異なる形状、寸法、及び／または材料特性の粒子から形成されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
10. 前記充填層または各充填層が、前記充填層を形成する前記粒子の共振周波数または共振周波数の近くで機械的に作動される、請求項１から９のいずれか一項に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
11. 複数の前述の充填層が提供され、各充填層が、異なる共振周波数、及び／または異なる出力レベルで機械的に作動される、請求項１０に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
12. 寸法（ｄ）を有する粒子、及び波長（λ）を有する前記共振周波数のケースにおいて、第１の前記共振周波数が（球状の粒子に関して）ｄ／λ≧０．２５をおおよそ超え、（筒状の粒子に関して）ｄ／λ≧０．２０をおおよそ超える、請求項１０または請求項１１に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
13. ＰＳから形成された球状の粒子のケースでは、前記充填層または各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前記粒子が、約０．３λから約０．６７λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する、請求項１０または請求項１１に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
14. 前記充填層または前述の各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３λ未満の直径（ｄ）を有する、請求項１３に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
15. 前記充填層または各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３λから約０．４５λの範囲の直径（ｄ）を有する、請求項１３に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
16. 前記充填層または各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．４５λから約０．６７λの範囲の直径（ｄ）を有する、請求項１３に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
17. ＰＭＭＡから形成された球状の粒子のケースでは、前記充填層または各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３２λから約０．６λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する、請求項１０または請求項１１に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
18. 前記充填層または前述の各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３２λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する、請求項１７に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
19. 前記充填層または各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３２λから約０．４１５λの範囲の直径（ｄ）を有する、請求項１７に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
20. 前記充填層または各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．４１５λから約０．６λの範囲の直径（ｄ）を有する、請求項１７に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
21. マイクロ粒子及び／またはナノ粒子を内部に通過させつつ、前記充填層を前記流路内の位置に保持するための充填層保持システムをさらに備えている、先行請求項のいずれか一項に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
22. 前記流路が微小流体チャンネルである、請求項２１に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
23. 前記層保持システムが、前記充填層の下流の前記流路に沿って延びる１つまたは複数のマイクロピラーポストを備えている、請求項２２に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
24. 前記超音波作動デバイスが圧電性デバイスである、請求項１から２３のいずれか一項に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
25. 前記圧電性デバイスが表面音波（ＳＡＷ）アクチュエータである、請求項２４に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイス。
26. 液体懸濁液から、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子を、分離、ろ過、及び／または濃縮する方法であって、
    流路を通して前記液体懸濁液を導くことであって、前記流路内に物理的に保持された１つまたは複数の、粒子の充填層が提供されており、前記流路を通して前記液体懸濁液が通過する、前記液体懸濁液を導くことと、
    前記液体懸濁液が通過する間に、前記層または各層を機械的に作動させることであって、前記通過により、前記充填層または各充填層内にマイクロ粒子及び／またはナノ粒子を捕獲する、前記機械的に作動させることと、
    を含む、方法。
27. 前記充填層または各充填層が、同じ物理的特性を有する、少なくとも実質的に一様なサイズ、形状の粒子から形成されている、請求項２５に記載の方法。
28. 前記粒子の形状が概して球状である、請求項２５または請求項２６に記載の方法。
29. 前記粒子の形状が概して楕円形、筒状、ピラー状、または繊維状である、請求項２５または請求項２６に記載の方法。
30. 各粒子が高分子材料で形成されている、請求項２５から請求項２８のいずれか一項に記載の方法。
31. 各粒子が金属、セラミック、またはクリスタル材料で形成されている、請求項２５から請求項２８のいずれか一項に記載の方法。
32. 粒子がマイクロメートルで測定される寸法を有する、請求項２５から請求項３０のいずれか一項に記載の方法。
33. 前記粒子がミリメートルで測定される寸法を有する、請求項２５から請求項３０のいずれか一項に記載の方法。
34. 複数の前述の充填層が提供され、各充填層が、異なる形状、寸法、及び／または材料特性の粒子から形成されている、請求項２５から請求項３２のいずれか一項に記載の方法。
35. 前記充填層または各充填層を、前記充填層または前述の各充填層を形成する前記粒子の共振周波数または共振周波数の近くで機械的に作動させることを含む、請求項２５から請求項３３のいずれか一項に記載の方法。
36. 複数の前述の充填層を機械的に作動させることを含み、各充填層が、異なる共振周波数、及び／または異なる出力レベルで機械的に作動される、請求項３４に記載の方法。
37. 寸法（ｄ）を有する粒子、及び波長（ｌ）を有する前記共振周波数のケースにおいて、第１の前記共振周波数が（球状の粒子に関して）ｄ／λ≧０．２５をおおよそ超え、（筒状の粒子に関して）ｄ／λ≧０．２０をおおよそ超える、請求項３４または請求項３５に記載の方法。
38. 前記充填層または前述の充填層を、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動させることを含み、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前記粒子が、約０．３λから約０．６７λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する、請求項３６に記載の方法。
39. 前記充填層または前述の各充填層を、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動させることを含み、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前記粒子が、約０．３λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する、請求項３６に記載の方法。
40. 前記充填層または各充填層を、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動させることを含み、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３λから約０．４５λの範囲の直径（ｄ）を有する、請求項３６に記載の方法。
41. 前記充填層または前述の各充填層を、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動させることを含み、前記粒子が、約０．４５λから約０．６７λの範囲の直径（ｄ）を有する、請求項３６に記載の方法。
42. ＰＭＭＡから形成された球状の粒子のケースでは、前記充填層または各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３２λから約０．６λ未満の範囲の直径（ｄ）を有する、請求項３４または請求項３５に記載の方法。
43. 前記充填層または前述の各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３２λ未満の直径（ｄ）を有する、請求項４１に記載の方法。
44. 前記充填層または各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．３２λから約０．４１５λの範囲の直径（ｄ）を有する、請求項４１に記載の方法。
45. 前記充填層または各充填層が、波長（λ）を有する周波数で機械的に作動され、前記充填層または少なくとも１つの前述の充填層の前述の粒子が、約０．４１５から約０．６λの範囲の直径（ｄ）を有する、請求項４１に記載の方法。
46. 前記充填層または各充填層の前記機械的な作動を断続的に中断し、それにより、前記捕獲されたマイクロ粒子及び／またはナノ粒子を前記充填層または各充填層から放出することを含む、請求項２５から請求項４４のいずれか一項に記載の方法。
47. 前記液体懸濁液のバッチ容量を、前記流路を通して搬送することを含む、請求項２５から請求項４５のいずれか一項に記載の方法。
48. 連続した流れの前記液体懸濁液を、前記通路を通して搬送することを含む、請求項２５から請求項４５のいずれか一項に記載の方法。
49. 前記ナノ粒子が細胞外小胞である、請求項２５から請求項４７のいずれか一項に記載の方法。
50. 前記細胞外小胞がアポトーシス小体及びエキソソームを含む、請求項４８に記載の方法。
51. 前記液体懸濁液が汚染水であり、前記ナノ粒子が前記水内の汚染物質である、請求項２５から請求項４７のいずれか一項に記載の方法。
52. 前記汚染物質がウイルス及び／またはバクテリアを含む、請求項５０に記載の方法。
53. 前記ナノ粒子が貴金属または非金属のナノ粒子である、請求項２５から請求項４７のいずれか一項に記載の方法。
54. 前記ナノ粒子がＤＮＡである、請求項２５から請求項４７のいずれか一項に記載の方法。
55. 液体懸濁液から、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のためのシステムであって、
    １つまたは複数のプロセッサと、
    前記１つまたは複数のプロセッサによって実行される場合、ろ過プロセス及びそれに続く収集プロセスを実施するように構成されたコンピュータ実行可能コードを備えているメモリと、を備え、
    前記ろ過プロセスの間、前記１つまたは複数のプロセッサが、
    第１のスイッチを作動させることであって、前記第１のスイッチが、第１の導管に沿う流体流れを制御するように構成されており、前記第１の導管が、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスの出口と、第１の容器との間で、流体連通を提供するように配置されており、それにより、前記第１のスイッチを作動させることが、前記出口と前記第１の容器との間の流体流れを可能にする、第１のスイッチを作動させることと、
    超音波信号を引き起こすことであって、前記デバイスの超音波変換器に音波を生成させて、前記デバイスの粒子の充填層を作動させ、それにより、液体懸濁液のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子をトラッピングさせ、前記デバイスの内側に収集させ、また、ろ過された液体に関し、前記第１の導管に沿って前記容器に搬送させる、超音波信号を引き起こすことと、
    を含み、
    前記収集プロセスの間、前記１つまたは複数のプロセッサが、
    前記デバイスの粒子の前記充填層の作動を停止するように、前記超音波信号をオフにすることと、
    前記出口と前記第１の容器との間の流体流れを妨げるように、前記第１のスイッチを停止させることと、
    第２のスイッチを作動させることであって、前記第２のスイッチが、第２の導管に沿う流体流れを制御するように構成されており、前記第２の導管が、前記デバイスの前記出口と、第２の容器との間に流体連通を提供するように配置されており、それにより、前記第２のスイッチを作動させることが、前記出口と前記第２の容器との間の流体流れを可能にする、前記作動させることと、
    をするように構成されている、前記システム。
56. 収集プロセスの終了時に、前記１つまたは複数のプロセッサがコンピュータコードを実行して、前記システムに、次のろ過プロセス及び次の収集プロセスを実施させるように構成されている、請求項５４に記載のシステム。
57. 前記マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスが、請求項１から請求項２４のいずれか一項に記載のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスを備えている、請求項５４または請求項５５に記載のシステム。
58. 液体懸濁液から、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子を、分離、ろ過、及び／または濃縮する方法であって、
    ろ過プロセス及び次の収集プロセスを含み、
    前記ろ過プロセスが、
    第１のスイッチを作動させることであって、前記第１のスイッチが、第１の導管に沿う流体流れを制御するように構成されており、前記第１の導管が、マイクロ粒子及び／またはナノ粒子の、分離、ろ過、及び／または濃縮のデバイスの出口と、第１の容器との間に流体連通を提供するように配置されており、それにより、前記第１のスイッチを作動させることが、前記出口と前記第１の容器との間の流体流れを可能にする、第１のスイッチを作動させることと、
    超音波信号を引き起こすことであって、前記デバイスの超音波変換器に音波を生成させて、前記デバイスの粒子の充填層を作動させ、それにより、液体懸濁液のマイクロ粒子及び／またはナノ粒子をトラッピングさせ、前記デバイスの内側に収集させ、また、ろ過された液体に関し、前記第１の導管に沿って前記容器に搬送させる、超音波信号を引き起こすことと、
    を含み、
    前記収集プロセスが、
    前記デバイスの粒子の前記充填層の作動を停止するように、前記超音波信号をオフにすることと、
    前記出口と前記第１の容器との間の流体流れを妨げるように、前記第１のスイッチを停止させることと、
    第２のスイッチを作動させることであって、前記第２のスイッチが、第２の導管に沿って流体流れを制御するように構成されており、前記第２の導管が、前記デバイスの前記出口と、第２の容器との間に流体連通を提供するように配置されており、それにより、前記第２のスイッチを作動させることが、前記出口と前記第２の容器との間の流体流れを可能にする、第２のスイッチを作動させることと、
    を含む、前記方法。
59. 前記方法が、ろ過プロセス及び次の収集プロセスの、次のサイクルを実施することを含む、請求項５７に記載のシステム。
60. １つまたは複数のプロセッサによって実行される場合、システムに、請求項５７または請求項５８に記載の方法を実施させる命令を貯蔵している非一時的なマシン可読媒体。

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