JPH07501969A - 超音波場における粒子操作 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波場における粒子操作 本発明は、超音波場における粒子の操作に関する。

粒子が浮遊している媒質の音響特性と粒子の音響特性が異なる場合に、これらの 粒子が音響定在波にさらされたときに動いて半波長間隔で高濃度領域を生成する 可能性があることは周知である。平らな音響波を用いることによって、圧力節ま たは波腹に対応する帯状に粒子が集中することがわかっている。このようにして 生物細胞の操作を行って、たとえば、血漿から血液細胞を分離する技術が発表さ れている。これについては以下の文献を参照されたい。

ｒＰｒｏｃ、　ｏｆ　ＩＥＥＥ　Ｅｉｇｈｔｈ　Ａｎｎｕａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅ ｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎ　Ｍ■р奄モ■ ｎｅ　ａｎｄ　Ｉｌｉｏｌｏｇｙ　５ｏｃｉｅｔｙＪの第１５４〜１５６頁の、 Ｐｅｔｅｒｓｏｎ等の論文ｒＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｎ　Ｕｌｔｒａ ｓｏｎｉｃ　Ｂｌｏｏｄ　Ｃｅ１ｌ　５ｅｐａｒａｔｏｒＪｒＡｃｕｓＬｉｃａ Ｊ、１９８４年第５６巻、　Ｗｅｉｓｅｒ等の論文ｒＩｎｔｅｒｐａｒｔｉｃｌ ｅ　Ｆｏｒｃｅｓ　ｏｎ　ＲｅｄＣｅｌｌｓ　ｉｎ　ａ　Ｓｔａｎｄｉｎｇ　Ｗ ａｖｅ　ＦｉｅｌｄＪＧＢ−Ａ−２，１６６、６５９ ＷＯ８７７０７１７８ ＥＰ−Ａ−０１４７０３２ ＩＩｓ　４，６７３，５１２ ＧＯ−８−２，０９８，４９８ ＵＳ　４，０５５，４９１ 代表的な公知の構成では、粒子の帯は円筒室の軸線に沿って形成され、周波数変 換あるいは移相によって定在渡場を動かすことによって、帯状の粒子が収集点に 動かされる。多くの重要な用途において、鎖帯を動かすことのできる速度は。

かなり遅くて、望む通りには行かない。

本発明の目的は、超音波場において粒子を操作するための改良装置および方法、 重要な例としては、粒子をより迅速に収集できるこのような方法および装置を提 供することにある。

したがって、本発明は、その１つの局面において、超音波場で粒子を操作する装 置であって、懸濁流体内に粒子を入れるためのチャンバを包含し、このチャンバ が、少なくとも部分的に、円筒形の圧力解放壁によって構成されていて音響流体 圧力が流体／壁境界で小さくなるようにしてあり、さらに、単一の音響モードの 励起を通じて円筒形軸線に沿って音響波を発生するようになっている音響トラン スジューサ手段と、トランスジューサ駆動手段とを包含し、励起時に、粒子が円 筒形軸線に対称的に半径方向に変位するようにした装置を提供する。

好ましくは、この構成は、励起時に、粒子が半径方向内方へ変位して円筒形軸線 に沿って円柱を形成するようになっている。

また、音響トランスジューサ手段は、最下方の軸線方向に対称的な音響モードを 励起するようになっていると有利である。

さらに、流体／壁境界のところの音響圧力振幅は、円筒形軸線上での振幅の２０ ％以下（好ましくは、１０％以下）であると適当である。

発明の一形態では、円筒形の圧力解放壁は、円形の横断面形状であり、音響トラ ンスジューサ手段は、ベッセル関数に近似する半径方向振幅分布を有する音響波 を発生するようになっている。

先に述べた平らな波と逆に、単一モード塩の発生によって、本発明は、粒子の軸 線方向円柱の形成を可能とする。この円柱は、粒子および場のパラメータに応じ て、軸線方向に帯状に分割することができる。ひとたび粒子が円柱状に形成され たならば、一般的にそれを平らな帯状の場合よりもかなり迅速に軸線方向に移動 させることができることが実験的にわかった。この現象は、半径方向の円柱に集 中した粒子が粘性抗力の低減によって一体となって移動するためであると考えら れる。

本発明において行われる半径方向の変位は、粒子のサイズ、密度および断熱圧縮 性に従って粒子の半径方向分離も可能とする。単一モード塩の使用で、平面渡場 を用いた場合にチャンバ壁に発生する音響流動をほとんど排除できることもわか っている。

別の局面によれば、本発明は、超音波場において粒子を操作する方法であって、 音響流体圧力が流体／壁境界でほぼ消滅するように懸濁流体内の粒子を円筒形の 圧力解放壁に関して位置決めし、単一音響モードの励起によって円筒形軸線に沿 って音響波を発生させ、粒子が円筒形軸線に対称的に半径方向に変位するように した方法を提供する。

好ましくは、粒子は半径方向内方へ変位して円筒形軸線に沿って円柱を形成する 。

最下方の軸線方向に対称的な音響モードを励起すると有利である。

本発明の一形態では、円筒形の圧力解放壁は、円形の横断面形状であり、音響波 は、ベッセル関数に近似する半径方向振幅分布を有する。

液体円筒に沿った音響伝播、特に、伝播の際の境界状態の効果は、研究の対象で あり、これについては、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ 　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ。

１９４９年３月、第２１巻、第２号の、Ｗｉｌｌｉａｍ　Ｊ、　Ｊａｃｏｂｉの 論文ｒＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｏｆＳｏｕｎｄ　Ｗａｖｅｓ　Ａｌｏｎｇ　Ｌ ｉｑｕｉｄ　Ｃｙｌｉｎｄｅｒｓｊを参照されたい。ここには、圧力解放壁の場 合、すなわち、音響流体圧力力にの圧力解放壁で消滅する境界状態では、平波伝 達モードがまったくないことが示されている。圧力解放壁について、壁厚が小さ く、壁材料のヤング率が低くなければならない、　Ｊａｃｏｂｉによれば、壁円 周の単位長さあたりの剪断力および撓み波による壁のポイントを通過するパワー 流の両方がＥδ１に比例する。ここで、Ｅは壁材料のヤング率であり、δは壁厚 である。実際には、圧力解放壁は、非常に薄い金属チューブを用いて形成され、 このチ１−ブの外面がガスまたは真空にさらされる。成る特別の厚さについては 、ゴムまたはプラスチックのようなより弾性のある材料を使用することによって さらに改良を行うことができる。音響にとって最適な壁材料は、たぶん、１１０ ０ＬＬ未満の厚さの薄いプラスチック膜であるが、必要な構造上の一体性を得る のに注意する必要がある。これは、たとえば、連続気泡フオームの外側スリーブ によって達成され得る。より実用的な代替物としては、必要な構造上の一体性を 与えるに充分な厚さであるか、あるいは、より剛性のある容器内の圧力解放ライ ニングとして作用し得る独立気泡フオームで作った壁がある。独立気泡フオーム は、非常に薄い効果的な膜壁を提供し、膜の外面にある気体充満気泡が圧力解放 作用を与える。

円筒形壁の半径は重要なファクタである。流体媒質密度ρ。より大きい密度ρと 、流体媒質の断熱圧縮性β。より小さい断熱圧縮性を持つ粒子（たとえば、水中 の生物細胞）の場合、円筒形直径は、音響波長に関して大きくなければならない 。好ましくは、直径は、５波長よりも太き（、より好ましくは、１０波長よりも 大きい。後により詳しく説明するように、狭すぎる円筒形壁を用いると、上記の 不等関係を満たし、軸線方向の円柱を形成するように動くことなく粒子が壁に向 かって移動することになる。デユープの直径には理論的に上限はないが、実際に は、チューブ直径が大きくなるにつれて円柱を形成するのにかかる時間が長くな る。

比較的大きな直径の円筒形壁内に含まれる流体が多数の音響モードを伝播するこ とができるので、トランスジューサの設計では、最下方の軸線方向対称モードの みを確実に励起するように注意しなければならない。円形横断面の円筒形壁の場 合、理想的なトランスジューサは、半径方向にベッセル形の振幅分布を発生する ことになる。

半径方向にガウス形振幅分布を発生する音響トランスジューサについての提案は 現存する。これについては、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ ａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａの１９８５年１２月、第７８巻、 第６号の、Ｇｏｎｇｈｕａｎ　ＤｕとＭ、　Ａ、　Ｂｒｅａｚｅａｌｅの論文、 ｒＴｈｅ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ａ　Ｇａｕｓｓｉａｎ　 ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒＪを参照されたい。真のガウス形分布は、もちろん、所望 のベッセル関数のように境界でゼロとなることはない。それにもかかわらず、未 拘束流体内にガウス場を発生するように設計されたトランスジューサは、実際に 、本発明の性能には充分である。Ｄｕの論文には、直径りの円板状後部電極を有 する圧電セラミック製円板の形をした音響トランスジューサが記載しである。こ の電極の直径りはセラミック円板の直径より小さく、セラミック円板の厚さＴの ２倍と４倍の間である。

本発明者等は、Ｄ＝４７の上記の音響トランスジューサを用いると、主として、 直径１．５Ｄの圧力解放壁によって境された流体の円筒体の最下方軸線方向対称 モードを励起することがわかった。

本発明による装置における粒子の振る舞いは、媒質に対する粒子密度および断熱 圧縮性によって特徴付けることができると考えられる。臨界直径の上下の壁の場 合、異なった粒子の振る舞いが予想される。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施例によってより詳しく説明する。

第１図は、本発明による装置を示す図である。

第２図は、音響流体圧力振幅の半径方向分布を示すグラフである。

第３（ａ）図〜第３（ｆ）図は、密度ρおよび断熱圧縮性βの粒子の予想される 粒子１度を、流体媒質のパラメータρ。およびβ。との比１こおｌ／Ａて示すグ ラフである。

１１図に示すように、本発明による装置は、音響トランスジューサ１２力）らの 敗る円筒形の圧力解放壁１０を包含する。この音響トランスジューサ４よ、ｃ１ ζ丁同じ直径の前部電極１６と、かなり小さい直径の後部電極１８とを有する圧 電円板１４を包含する。

１つの例において、圧力解放壁は、以下の寸法の酢酸セルロースで４乍った円バ ａ慣断面のチューブからなる。

長さ：　５７ｍｍ 外径：　１２．５ｍｍ 壁厚：　０．４ｍｍ チューブ１０は、エア支援式のトランスジューサ１２の面に同番すた１１着され る。トランスジューサ円板は、以下のパラメータを有するＰＺＴ−４でイ乍っで ある。

直径、　４０ｍｍ 前部電極直径、　４０ｍｍ 後部電極直径、　８．４ｍｍ 厚さ、　２．１ｍｍ 固有共鳴周波数、　ＩＭＨｚ 駆動周波数：　３．１２ＭＨｚ　（第３調波）音響場は、第２図に示す半径方向 振幅分布を有し、次のようにして導くこと力Ｓできる。

Ｐ（ｒ＋ｚ、ｔｌ＝ＰｏＪｏ（Ｘｏ＋　ｒ／ａｌｓｉｎｆｋ、ｚｌｓｉｎ（ｗｔ ｌここで、Ｋ、　□　［ｆｗ／ｃｌ”　−ｆＸｏ、／ａｔ甲′！＝２π／え。

密度ρ。および断熱圧縮性β。の流体媒質における運動エネルギと位置エネルギ についての式を生成することができる。

＜ＫＥ＞＝＜　［１Ｐ　（ｒ、　Ｚ、　ｔ）　ｄｔ］　”／２／）＋１＞＜ＰＥ ン＝＜Ｐ　（ｒ、　ｚ、　ｔ）　”＞β。／２体積ｖ０、密度ρおよび断熱圧縮 性βの浮遊粒子の運動を考えるとき、音響放射力、重力および拡散を考える必要 がある。全位置エネルギＵは次の通りである。

Ｕ＝Ｕ、＋　Ｕ。

ここで、　Ｕ　ｔ　＝　ｇ　（ρ−ρ、）Ｖ、ｚそして、 ｔＪ、＝−Ｖ、Ｂ　（ＫＥ）＋Ｖｏ　（１−β／βｏ）＜ＰＥ＞であるように定 義される［Ｌ　Ｐ　Ｇｏｒｋｏｖ、　Ｓｏｖ、　Ｐｈｙｓ　Ｄｏｋｌａｄｙ　６ ．７７３−７７５（１９６２）を参照されたい］。

小さい球形の粒子の場合、パラメータＢは。

Ｂ＝３（ρ−ρ。）Ｅ／（２ρ＋ρ。）で与えられる［ＲＪ　Ｕｒｉｃｋ、　Ｊ 　Ａｃｏｕｓｔ　Ｓｅｃ　Ａｍ　２０．２８３−２８９（１９４８）を参照〕。

ここで、Ｅは粘性補正ファクタである。

粒子が相互作用を行わない領域では、平衡粒子分布Ｃ（ｒ、ｚ）は、次のように なると考えられる。

Ｃ（ｒ、ｚ）＝Ｃｏｅｘｐ　［（Ｕ−Ｕｏ）／ｋＴ］計算した粒子分布を示すグ ラフが第３（ａ）図〜第３〔ｆ）図に示しである。

第３（ａ）図は、流体媒質の密度ρ。よりも大きい粒子密度ρ、流体媒質の断熱 圧縮性Ｂ０よりも小さい断熱圧縮性βの場合、たとえば、水中の生物細胞の場合 を示している。この場合、チューブの直径は、ｌＯん、より大きい。明らかなよ うに、粒子は軸線（ｒ＝ｏ）に集中し、間隔ん！／２の内部帯構造を有する円柱 となる。同じ粒子を幅の狭いチューブに入れた場合、粒子は、第３（ｂ）図に示 すように、チューブの壁面（ｒ＝ａ）に集中する。ここにも内部帯構造はあるが 、広いチューブに比べてん、／４の移相がある。

流体密度ρ。よりも小さい密度ρ、流体の断熱圧縮性β。よりも大きい断熱圧縮 性βを有する粒子の場合、幅の広いチューブと狭いチューブについての予想され る粒子分布が第３（Ｃ）図および第３（ｄ）図にそれぞれ示しである。これら両 方の場合、円柱の形成が予想され、内部帯構造も有する。

ρ。より大きいρおよびβ。より大きいβを有する粒子の場合、広いチューブに ついての予想される粒子分布が第３（ｅ）図に示しである。チューブの軸線上に 円柱が形成されるが、帯構造はない。ρ０より小さいρおよびβ。より小さいβ を有する粒子の場合、広いチューブについて予想される粒子分布は第３（ｆ）図 に示すものである。明らかなように、粒子は壁面に向かって移動する傾向があり 、円柱は形成されない。

１つの実験的な配置では、水中に直径１３μｍのラッテクス微小球体を浮遊させ た粒子懸濁液を用いた。この懸濁液では、ρはρ。よりも大きく、βはβ。より も小さい、約０，５ＭＰａの音響圧力振幅を表わす３０Ｖ、、、の駆動電圧で、 チューブ内の粒子の大部分を含む中央円柱が１分未満で形成されたことが観察さ れた。円柱の形成後、粒子は、周波数制御を含む種々の技術によって軸線方向に 移動させることができる。約直径２ｕｍの生物細胞を用いてさらに実験したが、 その場合も、円柱が急速に形成されたことが示された。

明らかなように、上記の配置では、チャンバの頂部での液体／空気界面は、定在 波を発生する反射器として作用する。別の配置では、チューブの端に吸収器を設 け、移動波を形成することができる。この場合、粒子のチューブ軸線に向かって 移動し１円柱を形成する状態は、 Ｂ〉（１−β／β。） である。

この不等式は、定在波の形成がより重要となる水中の生物細胞の重要な例には当 てはまらない。しかしながら、成る種の用途では、移動渡場の使用で、上記の不 等式を満足する粒子の分離を行うことが可能となる。

本発明は超音波場で粒子を操作するための種々の従来の提案から改良した性能を 得ることができると考えられる。本発明は、したがって、特定の操作技術に制限 されることはなく、たとえば、分離、収穫、濾過、懸濁液分類、反応速度向上１ 粒子整合、クロマトグラフ様分析を含む。さらに、ρおよびβの値で特徴付けら れる粒子間でのように種々の半径方向変位量は有用な操作技術を提供し得る。

ここで、本発明が例示されたものであり、発明の範囲から逸脱することなく種々 の変更をなし得ることは了解されたい。圧力解放基準を満足する種々の壁構造を 説明してきたが、他の構造も当業者には明らかであろう。同様に、円形横断面の 円筒壁の場合に、はぼベッセル形の場を提供し、また、非円形横断面の円筒の場 合に、単一音響モード、好ましくは、最下方軸線方向対称音響モードを励起する のと同様に作用する別のトランスジェーサのデザインも可能である。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法１８４条の８）平成４年９月１４日

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．超音波場で粒子を操作する装置であって、懸濁流体内に粒子を入れるための チャンバを包含し、このチャンバが、少なくとも部分的に、円筒形の圧力解放壁 によって構成されていて音響流体圧力が流体／壁境界で小さくなるようにしてあ り、さらに、単一の音響モードの励起を通じて円筒形軸線に沿って音響波を発生 するようになっている音響トランスジューサ手段と、トランスジューサ駆動手段 とを包含し、励起時に、粒子が円筒形軸線に対称的に半径方向に変位するように したことを特徴とする装置。
2. ２．請求の範囲第１項記載の装置において、励起時に、粒子が半径方向内方へ変 位して円筒形軸線に沿って円柱を形成することを特徴とする装置。
3. ３．請求の範囲第１項または第２項記載の装置において、圧力解放壁スジューサ 手段が最下方軸線方向対称音響モードを励起するようになっていることを特徴と する装置。
4. ４．請求の範囲第１項から第３項のうちいずれか１つに記載の装置において、円 筒形のが円形の横断面形状を有し、圧力解放壁スジューサ手段がベッセル関数に 近似する半径方向振幅分布を有する音響波を発生するようになっていることを特 徴とする装置。
5. ５．請求の範囲第１項から第４項のうちいずれか１つに記載の装置において、円 筒形壁の、円筒形軸線に対して直角の平均寸法が、流体の音響波長の４倍より大 きく、好ましくは、１０倍よりも大きいことを特徴とする装置。
6. ６．請求の範囲第１項から第５項のうちいずれか１つに記載の装置において、圧 力解放壁が、１ｍｍ以下の壁厚を有するプラスチックまたはゴムのチューブで構 成されていることを特徴とする装置。
7. ７．請求の範囲第１項から第６項のうちいずれか１つに記載の装置において、圧 力解放壁が、１００μｍ以下の壁厚のプラスチック膜で構成されていることを特 徴とする装置。
8. ８．請求の範囲第１項から第７項のうちいずれか１つに記載の装置において、圧 力解放壁が、独立気泡フォームまたはフォーム様材料の本体内の円筒形の空所で 構成されていることを特徴とする装置。
9. ９．超音波場において粒子を操作する方法であって、音響流体圧力が流体／壁境 界でほぼ消滅するように懸濁流体内の粒子を円筒形の圧力解放壁に関して位置決 めし、単一音響モードの励起によって円筒形軸線に沿って音響波を発生させ、粒 子が円筒形軸線に対称的に半径方向に変位するようにしたことを特徴とする方法 。
10. １０．請求の範囲第９項記載の方法において、粒子が水様懸濁液内の生物細胞か らなることを特徴とする方法。
11. １１．請求の範囲第９項または第１０項記載の方法において、粒子が半径方向内 方へ変位して円筒形軸線に沿って円柱を形成することを特徴とする方法。
12. １２．請求の範囲第９、１０、１１項のうちいずれか１つに記載の方法において 、最下方軸線方向対称音響モードが励起されることを特徴とする方法。
13. １３．請求の範囲第９項から第１２項までのいずれか１つに記載の方法において 、円筒形圧力解放壁が円形横断面形状を有し、音響波がベッセル関数に近似する 半径方向振幅分布を有することを特徴とする方法。
14. １４．請求の範囲第９項から第１３項までのいずれか１つに記載の方法において 、流体／壁境界のところの音響圧力振幅が、円筒形軸線上の振幅の２０％以下、 好ましくは、１０％以下であることを特徴とする方法。
15. １５．請求の範囲第９項から第１４項までのいずれか１つに記載の方法において 、前記粒子が少なくとも２種類の粒子を包含し、これらの粒子の種類が、粒子密 度または粒子断熱圧縮性によって区別され、変位した粒子の半径方向分布が種の 特性となるようになっており、さらに、この半径方向分布の特性を用いて粒子の 分離を行うことを特徴とする方法。