JP7177797B2 - 物体を操作するための方法及び装置 - Google Patents
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Description
(式中、<->は平均時間、dpiは粒子径、<Eac>は音響波の1周期において平均化された空洞内の音響エネルギー密度、κ=2π/λは音響面の波数、Fyは音響コントラスト因子(acoustic contrast factor)、及び、zは放射壁と反射壁との間の粒子の軸方向の位置である。)
として定義されることがある。
(式中、ρpは密度ρfの媒体における物体の密度、cpは物体における音の速さ(celerity)、及び、cfは液体における音の速さ(celerity)である。)
として記述することができる。
本発明の必要性は、特許請求されている方法及び装置によって達成される。特に、本発明の方法は、音場によって形成された凝集体から物体(粒子とも呼ばれる)を吐き出すために光線を使用する。物体が浮揚状態の平面内で吐き出されるので、物体は、音響波の伝搬方向に平行な軸に沿って同じ高さに配置された出口を使用して、簡単に分類することができる。本発明内において記載される方法は、光音響泳動法(photoacoustophoresis methods)と呼ぶことができる。
a)空洞の少なくとも1つの領域において、特定の波長範囲の光を吸収できる物体を提供すること;
b)音場に物体をさらすことによって、物体の凝集体を形成すること;及び
c)所定の波長範囲で放射する光線に凝集体をさらすことにより、凝集体を破壊することと;
を含む。
a)空洞の少なくとも1つの領域において、第1の波長範囲の光を吸収することができる複数の第1の物体と、第1の波長範囲の光を吸収できない複数の第2の物体とを含む物体を提供すること;
b)第1の物体及び複数の第2の物体を音場にかけることにより、第1の物体及び複数の第2の物体の凝集体を形成すること;及び
c)第1の波長範囲で放射する光線に凝集体をさらすことにより、凝集体から複数の第1の物体を吐き出すこと;を含む。
d)空洞内に液体を流す工程;及び
e)吐き出された物体を第1の出口で回収する工程。
a)本発明による方法を使用して物体を操作又は分離すること;
b)空洞の少なくとも1つの領域を照らすこと;及び
c)前記照らされた物体の少なくとも1つの画像を取得すること。
前記装置が、
‐長手軸に沿って延びて、第1の横断軸に沿って測定された幅(w)及びその第1の横断軸に垂直な第2の横断軸に沿って測定された高さ(h)を表す断面を有する少なくとも1つの空洞;第2の横断軸に沿っている第1及び第2の壁と、前記空洞と液体連通している少なくとも第1の入口と、空洞2と液体連通している少なくとも第1、第2及び第3の出口とを有する空洞;ここで、第1の出口が、第2の出口と第3の出口との間の第1の横断軸上に配置されていること;
‐壁の1つから空洞の第1の領域において音場を生成する少なくとも1つの音響波発生器;及び
‐前記空洞の前記第1の領域において光線を放射する少なくとも1つの光源。
本発明において、次の用語は以下の意味を有する:
‐数字の前に置かれる「約」とは、数字の値のプラス又はマイナス10%、好ましくはプラス又はマイナス5%、好ましくはプラス又はマイナス1%を意味する。
‐「吸収」とは、電磁放射(特に、光)の吸収を意味する。
‐「物体の凝集体」とは、次の特徴のすべてを満たす物体の層を意味する:
前記層に含まれるオブジェクトの少なくとも2つ層(特には前記層に含まれる物体の少なくとも10%、より良くは25%、好ましくは50%)が接触しており、そして、前記層が、その横方向の寸法の少なくとも一つに沿って変位する場合に、その長さの少なくとも一部で、一連の物体を提供する。
‐本明細書で使用される「振幅」とは、頂点間振幅を意味する。音響波の振幅は、音響波発生器に印加される電圧に比例する。
‐「水溶液」とは、特有の相の溶液(この溶液では、前記水溶液に含まれる他の化学種に対するモル比及び/又は質量及び/又は体積の観点から水が主要な化学種である)を意味する。
‐「空洞」とは、閉じられている又は好ましくは少なくとも1つの入口と少なくとも1つの出口を備えており、長方形(これはチャネルとも呼ばれる)、正方形、円形、又は好ましくは3~10の辺を有する多角形から選択される内部形状を有する、経路、チャネル又は導管を意味する。
‐「光」とは、電磁放射線、好ましくは10nm~10000nmの範囲の波長(すなわち、赤外から紫外線)を有する電磁放射線、より好ましくは約400~約800nmの範囲の波長(すなわち、可視光)を有する電磁放射線を意味する。
‐「長手軸」とは、空洞の断面の重心を結ぶ線を意味する。長手軸は直線でも曲線とすることができる。
‐「物体」とは、粒子を意味し、この物体には、生体細胞、例えば、真核細胞及び原核細胞、古細菌細菌、モールド(mold)、植物細胞、微細藻類、酵母、原生動物、アメーバ、原生生物、動物細胞;細胞小器官;有機/無機元素又は分子;ミクロスフェア;水中の油などの不混和性液体の液滴が含まれる。
‐「物体の体積割合」とは、物体の体積を、物体と液体を含む混合物のすべての異なる物体の体積で割った比を意味する。
‐その空洞の少なくとも1つの領域において、所定の波長範囲の光を吸収することができる物体を提供すること;
‐物体の凝集体を、音場にそれらをさらすことによって形成すること;及び
‐所定の波長範囲で放射される光線に前記凝集体をさらすことによって、その凝集体を破壊すること。
‐空洞の少なくとも1つの領域において、第1波長範囲の光を吸収することができる複数の第1の物体と、第1波長範囲の光を吸収できない複数の第2の物体とを備えること;
‐複数の第1の物体と複数の第2の物体の凝集体を、それらを音場にさらすことによって形成すること;及び
‐第1の波長範囲で放射する光線に凝集体をさらすことによって、凝集体から複数の第1の物体を吐き出すこと。
したがって、一実施形態では、方法は更に以下の工程を含む:
‐空洞内において液体を流すこと;及び
‐最初の出口で吐き出された物体を回収すること。
‐空洞の少なくとも1つの領域において、所定の第1の波長範囲の光を吸収可能な複数の第1の物体、所定の第2の波長範囲の光を吸収可能な複数の第2の物体、及び複数の第3の物体を提供すること;
‐複数の第1の物体、複数の第2の物体、及び複数の第3の物体の凝集体を、それらを音場にさらすことにより形成すること;
‐所定の第1の波長範囲で放射する光線に凝集体をさらすことにより、凝集体から複数の第1の物体を吐き出すこと;及び
‐所定の第2の波長範囲で放射する光線に凝集体をさらすことにより、凝集体から複数の第1の物体を吐き出すこと。
空洞の少なくとも1つの領域において、n個の複数の物体を含む物体を提供するものであり、各複数の物体は、ある波長範囲の光を吸収することができ、そしてn個の波長範囲のいずれも重複しないこと;
物体の凝集体を、音場にそれらをさらすことにより、形成すること;
i=l..nの場合には、i番目の波長範囲で放射する光線に凝集体をさらすすることにより、凝集体からi番目の複数の物体を吐き出すこと。
‐上述の方法を使用して物体を操作又は分離すること;
‐照明システムによって空洞の少なくとも1つの領域を照らすこと;及び
‐前記の照らされた物体についての少なくとも1つの画像を取得システムにより取得すること。
‐長手軸に沿って延びて、第1の横断軸に沿って測定されている幅(w)及び第1の横断軸に垂直な第2の横断軸に沿って測定されている高さ(h)を表す断面を有する少なくとも1つの空洞2。第2の横断軸に沿っている第1及び第2の壁3、4と、空洞2と液体連通している少なくとも第1の入口9.1と、空洞2と液体連通している少なくとも第1、第2及び第3の出口10.1、10.2、10.3とを有する空洞2。ここで、第1の出口10.1は、第2の出口10.2と第3の出口10.3との間の第1の横断軸上に配置されていること;
‐壁の1つから空洞の第1の領域において音場8を生成する少なくとも1つの音響波発生器5;及び
‐空洞の第1の領域で光線7を放射する少なくとも1つの光源6。
センサは、例えば、CCDカメラであってもよい。
図2は、本発明による方法を実施するための装置の一実施形態の断面図を示しており、物体は、光線によって物体が照らされている2種類の複数の物体を含む。
図3Aは、図1による装置の上面図の一部を示している。
図3Bは、図2による装置の上面図の一部を示している。
図4は、本発明による方法を実施するための装置の一実施形態の断面図を示しており、物体は、2種類の複数の物体を含む。
図5は、図4による装置の上面図を示している。
図6は、本発明による方法を実施するための装置の一実施形態の断面図を示しており、物体は、3種類の複数の物体を含む。
図7は、図6の装置の上面図を示している。
図8は、図7で使用した空洞のA-Aにおける図である。
図9は、本発明の一実施形態による、物体を操作するための装置、照明システム、及び取得システムの概略図である。
図10は、1.6μmの物体の凝集体を示している:
‐(a)は、緑色の照明(λlight=545nm)にさらしたものである;
‐(b)は、赤色の蛍光を発したものである;
‐(c)-(d)は、光音響相互作用下において、凝集体が破裂したものである(c)-(d);
‐(e)-(f)は、緑色光励起がなくなるとすぐに、集合工程が再び開始され、凝集体が元の形状に戻ったものである。
図11は、凝集体からの物体の放出速度を照明出力の関数として示している。
図12は、物体の放出速度を音場の振幅の関数として示している。
図13は、赤血球の凝集体を示している:
‐(a)は、青色の照明(λlight=488nm)にさらしたものである;
‐(b)光音響相互作用下のものである;
‐(c)-(d)は、凝集体が破裂したものである;
‐(e)-(f)は、青色光励起がなくなるとすぐに、集合工程が再び開始され、凝集体が元の形状に戻ったものである。
図14は、1.62μmの赤色蛍光体と0.883μmの緑色蛍光体の2成分混合物の分離を示している。
図15a、15b、及び15cは、1.0μmの蛍光ポリスチレン粒子の破裂を示している。
図16は、藻類(phacodactylum)の浮揚凝集体に対する青色光の影響を示している。
図17は、照明下でのナノロッドの凝集体と分散の作成を示している。
図18は、光を吸収する多数の粒子に囲まれた大きな非感光性粒子の分離の実施例を示している。
B-コンピュータ
C-光源
D-顕微鏡
E-増幅器
F-波発生器
1-物体を操作するための装置
2-空洞
3-反射壁
4-送信器の壁
5-音波発生器
6-光源
7-照明領域
8-音場
9.1-第1の入口
9.2-第2の入口
9.3-第3の入口
10.1-第1の出口
10.2-第2の出口
10.3-第3の出口
直径D=20mm、高さh=400μmの円形型アルミニウムの空洞を製造した。空洞は、反射壁として機能する高さ1.1mmの円形型の石英カバープレートによって閉じられ、底部は送信器の壁として機能する高さ0.30mmのシリカウェーハで作られている。正方形型の圧電変換器を空洞の底面に接触するように配置した。高さ1mm、側面10mmの圧電変換器を、水溶性接着剤を使用してシリカウェーハに直接接着した。図9に示すように、圧電変換器は、印加電圧を数mVから10V以上に変化させることができるアンプE(Tabor Electronics 3222)に接続された波発生器F(Tabor Electronics 5200)から電力が供給される。正弦波信号の周波数は、共鳴条件に相当する音響放射力(すなわち、円筒型空洞の高さの2倍の波長(ここでは、1.85MHz))を最大にするように調整された。
照明システムは、画像化用の白色光と光線の波長の良好な制御との両方を可能にする光源Cを含む。取得システムは顕微鏡Dを備え、記録はコンピュータAに接続された高速カメラBを使用して行われた。
緑色の光で励起され赤色の光で蛍光を発する(λabs=532nm及びλem=600nm)ことのできる直径dp=1.62μmの蛍光ポリスチレン粒子を使用した。粒子は液体に分散した。実験は、1.849MHzの周波数、7Vの変換器供給電圧、20.4μWの照明電力で実行された。図10に示すように、粒子の大きな凝集体が音響浮揚状態で作成される。音響浮揚状態で緑色の光線が凝集体を照らすと、凝集体は粒子を放出し始める。粒子は浮揚状態のままで凝集体から自由になる。出願人によると、これは、一次放射力は影響を受けないが、横方向の力は釣り合うという事実に基づくものである。光線がオフになると、集合工程が再び開始される。粒子の放出は、さまざまな電圧とさまざまな照明パワーで起こり、図11と図12に示すように、照明の増加及び振幅の増加に伴って放出速度が増加すると考えられる。
上記の「蛍光物体の凝集体の分解」で詳述した作動条件を、異なる直径の蛍光物体又は吸収物体に対して繰り返した。0.883μm~5μmの範囲の直径の蛍光物体、及び10μm~15μmの範囲の直径の吸収物体を使用した。物体の直径は、吐き出しの現象に影響がないように考えられた。しかし、他の実験条件と粒子又は細胞の性質とによれば、サイズは、吐き出し現象に影響を与える可能性がある。
実験は赤血球でも実施された。赤血球は、400~500nmの波長範囲で吸収する非蛍光粒子である。実験は、1.850MHzの周波数、6Vの変換器供給電圧、20.4mWの照明電力で行われた。図13に示すように、赤血球の大きな凝集体が音響浮揚状態において生成される。青い光線が音響浮揚状態で凝集体を照らすと、凝集体は粒子を放出し始める。粒子は浮揚状態のままで凝集体から自由になる。光線がオフになると、集合工程が再び開始される。
蛍光コロイド粒子の混合溶液(それぞれのポリスチレンは、粒子直径dpl=1.62μm及びdp2=0.883μm;吸収波長λ1=545nm及びλ2=488nm;等しい体積分率(0.025%)である)を使用した。混合物は、10.5Vの供給電圧と1.903MHzの周波数を使用して、凝集体に集束した。次に、凝集体を、青色光(λlight=488nm) を使用して、20μWの出力で10秒間、照らした。図14a)、b)、c)に示すように、照明前は、音響力によって生成された凝集体は均質である(bは緑色蛍光粒子を示し、cは赤色蛍光粒子を示す)。写真の下は、粒子に照明を照らした後の凝集体を示している。緑色の蛍光粒子e)は、2種類の凝集体(赤色の粒子を含む凝集体、及び緑色の粒子を含む凝集体)を作り出す赤色の蛍光粒子f)から抽出される。
微細藻類(Phacodactylum)の浮揚状態での凝集体の破裂は、2MHzの共振器で行われた。ポルフィリジウムと呼ばれる他の種類の藻類は、おそらく、それらが水の密度に非常に近いために凝集体を形成しなかった(それらは、非常にゆっくり沈降する)。
操作された幹細胞は、分光光度計を通過した後における、特定の光吸収ピークを明らかにしていません。これらの幹細胞が異なる波長で照らされ音響浮揚状態で維持された場合には、効果は観察されなかった。
異なる形状のナノロッドは、フルオロフォアを含む又は自然に蛍光を発する異なる材料、金属、又はポリマーから作成された。ナノロッドは、直径が1ミクロン未満の棒である。音場の影響下で、ナノロッドが凝集体を形成する(図17参照)。粒子凝集体とは異なり、ナノロッドは凝集体内で移動可能である。適切な波長で照らされると、凝集体が破裂する。すなわち、音響力と選択的照明を組み合わせて、1以上のナノロッドの動きを制御することができると考えられる。
特定の波長の光を吸収する粒子が音響集束平面で照らされると、粒子は照射領域から吐き出されるが、音響浮揚状態のままである。この原理は、希少細胞(例えば、循環腫瘍細胞(CTC:Circulating Tumor Cells))の分離に使用できる。
Claims (15)
- 液体を含む空洞(2)において物体を操作する方法であって、
前記方法が、
a)前記空洞(2)の少なくとも1つの領域において物体を提供すること;
b)音場(8)に前記物体をさらすことによって、浮揚平面内において物体の凝集体を形成すること;
を含み;そして、
前記物体が、所定の波長範囲の光を吸収する物体であること、そして、
前記方法が、c)所定の波長範囲で放射する光線(7)に前記凝集体をさらすことによって、浮揚平面内で前記凝集体を破壊する工程を更に含むことを特徴とする、前記方法。 - 前記光線(7)の出力が10μW~200mWの範囲である、請求項1に記載の方法。
- 前記音場(8)の振幅が0.1V~50Vの範囲である、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記液体内の前記物体の体積分率が0.025%~65%の範囲である、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記音場(8)がパルス音場である、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記音場(8)の周波数が0.5f0~1.5f0の範囲であり、f0が前記空洞(2)の共振周波数である、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記物体が蛍光体である、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
- 液体を含む空洞(2)において物体を分離する方法であって、
前記方法が:
a)前記空洞(2)の少なくとも1つの領域において、第1の波長範囲の光を吸収することのできる複数の第1の物体とその第1の波長範囲の光を吸収することのできない複数の第2の物体とを含む物体を提供すること;
b)前記の複数の第1の物体及び前記の複数の第2の物体を音場(8)にさらすことによって、その複数の第1の物体及びその複数の第2の物体の浮揚面内に凝集体を形成すること;及び
c)複数の第1の物体と複数の第2の物体とを含む前記凝集体を前記第1の波長範囲で放射する光線(7)にさらすことによって、その凝集体から前記複数の第1物体を前記浮上平面内に吐き出すこと;
を含む、前記方法。 - d)前記空洞(2)内に前記液体を流す工程;及び
e)前記の吐き出された物体を第1の出口(10.1)において回収する工程;
を更に含む、請求項8に記載の方法。 - 前記複数の第2の物体が、前記第1の波長範囲と重複しない第2の波長範囲の光を吸収する、請求項8又は9に記載の方法。
- 前記第2の波長範囲で放射する光線(7)に前記凝集体をさらす工程を更に含む、請求項10に記載の方法。
- 前記複数の第1の物体が、前記複数の第2の物体と同じ音響コントラスト因子を有する、請求項8~11のいずれか一項に記載の方法。
- 液体を含む空洞において物体の少なくとも1つの画像を取得する方法であって、
前記方法が:
a)請求項1~12のいずれか一項に記載の方法を使用して前記物体を操作又は分離すること;
b)前記空洞(2)の少なくとも1つの領域を照らすこと;及び
c)前記空洞の透明な壁を介して、前記照らされた物体についての少なくとも1つの画像を取得すること;
を含む、前記方法。 - 液体中の物体を分離するための装置であって、
前記装置が、
‐第1の横断軸に沿って測定した幅(w)及びその第1の横断軸に垂直な第2の横断軸に沿って測定した高さ(h)で表される断面を有している、長手軸に沿って延びている、少なくとも1つの空洞(2)であって;前記空洞(2)が、前記第2の横断軸に沿っている第1及び第2の壁(3,4)と、前記空洞と液体連通している少なくとも第1の入口(9.1)と、前記空洞と液体連通している少なくとも第1、第2及び第3の出口(10.1、10.2、10.3)とを有しており、前記第1の出口(10.1)が、前記第2の出口と前記第3の出口(10.2,10.3)との間で前記第1の横断軸上に配置されている前記少なくとも1つの空洞(2);
‐前記壁(3,4)の1つから前記空洞(2)の第1の領域において音場(8)を生成する少なくとも1つの音響波発生器(5);及び
‐前記空洞(2)の前記第1の領域において光線(7)を前記音場に同時に放射するように配置された少なくとも1つの光源(6)であって;前記の少なくとも1つの光源(6)が、前記音場を生成する壁の反対側の壁又は同じ壁に配置されている前記少なくとも1つの光源(6);
を含む、前記装置。 - 第2及び第3の入口(9.2、9.3)を更に含み、前記第1の入口(9.1)が、前記第2の入口と前記第3の入口(9.2、9.3)との間で前記第1の横断軸上に配置されている、請求項14に記載の装置。
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