KR20140057300A - 음향력 장을 이용한 물체 취급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체(F) 특히, 액체 내부의 채널(2)에 존재하는 대상물(O)을 취급하기 위한 장치에 관한 것으로서, 세로축(X)을 따라 연장하고, 제1 횡축(Y)을 따라 측정된 폭(L)과 제1 횡축에 직교하는 제2 횡축(Z)을 따라 측정된 두께(e)를 가진 단면을 포함하고, 폭(L)은 두께(e)보다 크거나 동일하고, 제2 횡축(Z)을 따르는 제1 벽(3)과 제2 벽(4)을 구비하는 채널(2); 및 제1 벽(3)과 제2 벽(4) 중 적어도 어느 하나로부터 채널에 음파를 발생시키는 음파 발생기(10)를 구비하고; 음파 발생기(10)는 제2 횡축(Z)을 따르는 채널(2)의 공명 주파수(fo)와 다른 주파수(f)에서 작동하고, 대상물(O)의 적어도 하나의 층(N)이 음향 초점화에 의해 형성된다.

Description

음향력 장을 이용한 물체 취급 장치{Device for handling objects, using acoustic force fields}
본 발명은 음향력 장에 의해 채널 특히, 마이크로채널 내부의 물체를 취급하기 위한 장치에 관한 것이다.
음파영동(Acoustophoresis)은 음향력으로 입자를 취급하고 분류시키는데 사용될 수 있다. 업계에서 알려진 선행기술에 있어서, 음파에 공명 상태를 제공함으로써 채널의 길이, 폭, 또는 두께를 따라 주어진 위치에 적어도 하나의 음향 압력 노드가 생성된다.
본 발명은 공명 상태에 의해 부과되는 압력 노드의 위치에 대한 제한으로부터 자유를 제공한다.
WO 2006/095117은 음향력 장(acoustic force field)이 생성될 수 있는 유체 분리 장치를 개시한다.
WO 98/17373과 WO 02/072234는 채널 내부에서 정상파(standing wave)의 형성을 유도하는 음향력 장의 적용에 의해 입자들을 분리하는 방법들을 개시한다.
Dron 등에 의한 논문, "마이크로-PIV 측정 향상 관점에서 마이크로-채널의 입자들의 음향 초점화에 관한 파라메트릭 연구"(Microfluid Nano-flud (2009) 7: 857-867)는 마이크로-PIV 측정을 향상시키기 위해 채널에서 정상파를 형성시킴에 의해 음향 초점화의 유용성을 개시한다.
WO 2009/071733은 상기 마이크로채널의 공명 주파수에 상응하는 주파수에서 작동하는 음향 변환기의 사용에 의해 마이크로채널의 폭에 걸친 입자들의 초점화를 개시한다.
WO 2006/032703은 채널의 하나의 공명 주파수로부터 다른 공명 주파수로 가해진 주파수의 변형(스위칭)에 의한 입자들의 분리 방법을 개시한다.
Glynne-Jones 등의 논문, "Mode-switching : 음향 입자 머니퓰레이터에서 복합체 위치를 전자적으로 변환시키기 위한 신기술"(Ultrasonics 50 92010) 68-75)은 상기 채널의 하나의 공명 주파수에서 다른 작동 주파수의 신속한 변화에 의해 채널의 높이에 걸쳐 음향 초점화 높이를 교체하는 가능성을 개시한다.
Svennebring 등의 논문, "칩-집적화된 공초점 초음파 캐버티에서의 선택적 생입자 점유 및 특성"(J. Biotech. Bioeng, 103, 323-328 (2009))는 캐버티의 공명 주파수에서의 작동에 의한 세포의 취급 가능성을 개시한다.
Petersson 등에 의한 논문, "미소유체(microfluidic) 채널에서 초음파 정상파를 이용하여 혈액으로부터 지질(lipid)의 분리"(Analyst, 2004, 129, 938-943)는 음향 정상파의 형성에 의해 혈액으로부터 지질의 분리를 개시한다.
Lipkens 등의 논문, "초음파 정상파에서 주파수 스위핑 및 입자 궤적의 유체 유동"(IEEE Sensors Journal, Vol. 8, No. 6, June 2008, 667-677)은 매크로채널의 길이를 따라 음향력을 생성하는 변환기의 작동 주파수의 변화에 의해 생성된 효과의 시뮬레이션을 개시한다.
현재 알려진 음파영동의 다양한 방법들은 공명 상태에 의해 생성된 압력 노드들의 위치에 의해 심각하게 제한된다.
만약, 네거티브 음향 임피던스 콘트라스트 인자(버블, 지질 또는 리포솜과 같은)가 존재하면, 입자들은 압력 앤티노드를 향해 이동할 것이다.
채널에서의 혼합 현상들을 증대시키기 위한 장치의 사용을 개시하지만, 음향 초점화를 닮은 현상에 대한 그 어떤 설명도 제공하지 않는 WO 2004/030800과 같은 문헌이 알려져 있다.
또한, 알려진 방법들은 채널 내부에서 많은 수의 대상물 특히, 대상물의 층들의 초점화를 만족시킬 수 없다.
본 발명은 채널의 공명 주파수에서 작동될 때 생성되는 압력 노드 또는 앤티노드에 상응하는 불연속 위치에서 뿐만 아니라, 채널의 전체 치수에 걸쳐 대상물을 초점화할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 채널 내부에서 많은 수의 대상물들 특히, 대상물의 층들을 초점화할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 채널 내부의 대상물의 특징 및/또는 위치의 함수로서 대상물의 위치의 초점화가 변화되는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 채널 내부에 존재하는 대상물의 속도 벡터의 놈(norm) 및/또는 방향(direction 및/또는 sense)의 향상된 측정을 허용하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 전술한 과제들의 일부 또는 모든 과제를 만족시키는 의도를 가진다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 유체 특히, 액체 내부의 채널에 존재하는 대상물을 취급할 수 있는 장치에 개시되며, 이러한 장치는,
- 제1 횡축을 따라 측정된 폭과 제1 횡축에 직교하는 제2 횡축을 따라 측정된 두께를 가진 단면을 포함하고, 상기 폭은 상기 두께보다 크거나 동일하게 되어 있고, 상기 제2 횡축을 따르는 제1 벽과 제2 벽을 포함하며, 세로축을 따라 연장하는 채널; 및
- 상기 제1 벽과 상기 제2 벽의 적어도 어느 하나로부터 음파를 생성하는 음파 발생기를 구비하며;
상기 음파 발생기는 제2 횡축을 따르는 채널의 공명 주파수(fo)와 다른 주파수(f)에서 작동한다.
"채널의 세로축"이라는 용어는 채널의 단면들의 중력 중심의 세트를 연결하는 선을 의미한다. 채널의 세로축은 직선이거나 곡선일 수 있고, 채널의 일부 또는 모든 단면을 위한 대칭면일 수 있다.
채널의 두께(ｅ)는 제1 벽과 제2 벽을 분리하는, 제2 횡축을 따라 측정된 간격과 동일하다.
"제2 횡축을 따르는 채널의 공명 주파수(fo)"라는 표현은, 채널의 세로축을 따라 주어진 위치에서 측정된 채널의 두께(ｅ)가 되는 fo는 ｅ = nλ/2에 의해 결정되고, 여기서 n은 정수이고, λ = cf/fo 이고, cf는 유체의 온도 예, 20℃에서 채널 내부에 존재하는 유체의 소리의 속도를 의미한다. 다시 말해, 주파수(fo)는 채널의 세로축을 따라 주어진 위치에서의 이론적 주파수와 동일하고, 채널에서 정상파의 공명 상태를 만족시키고, 제2 횡축 다시 말해, 그 두께를 따르는 정상파의 형성을 야기한다.
발명자들은 채널의 두께의 대부분에 걸쳐 음향 초점화 위치의 변화 가능성을 실험적으로 입증했다. 이러한 효과는 상기 채널의 두께에서 음파의 생성 및 제2 횡축을 따른 상기 채널의 공명 주파수와 각각 서로 다른 주파수들 사이의 음파 발생기의 작동 주파수의 변화에 의해 얻어졌다.
그 어떤 설명 또는 이론에 의해 구속되는 것을 원하지 않으면서, 발명자들은, WO 2009/071733에서와 같이 폭에 걸치기 보다는 두께에 걸쳐 음향력 장을 생성시킴에 의해, 음향 스트리밍 효과를 제한시킬 가능성이 있음을 고려한다.
결과적으로, 본 발명은 초점화 위치들을 위한 불연속 위치에 대한 제한으로부터 자유를 제공하고, 따라서 음향력 장에 의해 채널 내부에서 대상물을 취급할 수 있는 분야에서 주요한 혁신을 제공한다.
바람직하게, 대상물의 적어도 하나의 층은 음향 초점화에 의해 형성된다.
바람직하게, 음향 압력의 적어도 하나의 극값(extremum)은 생성된 음파에 의해 유체 내부에 형성된다.
대상물의 층은 생성된 음파에 의해 유체 내부에 형성된 음향 압력의 극값(음향 노드 또는 앤티노드)에 집중된다. 예를 들어, 대상물의 뚜렷한 다수의 층들이 형성되고, 이러한 층들의 각각은 분명한 음향 압력 극값들에 존재한다.
형성된 대상물의 층은 채널의 세로축을 따라 길게 뻗어 있는 모양을 가질 수 있고, 예를 들어, 층의 편평한 평면에 수직인 방향에서 보았을 때 타원형 또는 직사각형 일 수 있다. 변형예에 있어서, 형성되는 대상물의 층은 편평한 평면에 직교하는 방향에서 보았을 때 원형 또는 정사각형을 가질 수 있다.
음파 발생기
음파 발생기는 예를 들어, 10MHz와 동일하거나 그보다 더 작은 주파수에서, 특히, 0.5 내지 10MHz의 범위에서 작동될 수 있다.
이러한 주파수 범위에서 음파 발생기를 사용함으로써, 생물학적 세포를 손상시키지 않고서도 생물학적 세포의 취급이 가능하다.
음파 발생기는 공명 주파수(fo)와 다르고 0.75fo 내지 1.25fo 범위에서 바람직하게, 0.75fo 내지 0.95fo 또는 1.05fo 내지 1.25fo 범위의 주파수(f)에서 작동하는 것이 바람직하다.
공명 주파주에 근접한, 이러한 주파주 범위에서 음파 발생기를 사용함으로써, 입자들의 만족스러운 초점화를 제공하는 충분히 큰 음향력을 생성할 수 있다.
음파 발생기는 바람직하게 광대역 음파 발생기이다.
다수의 음파 발생기들은 채널을 따라 배치될 수 있고, 제1 벽과 제2 벽 중 적어도 어느 하나로부터 음파를 생성할 수 있고, 음파 발생기들은 채널의 동일 측면에 위치될 수 있다.
다수의 음파 발생기들의 사용은 유체가 고속으로 유동할 때 또는 큰 입자들의 층들이 생성될 때 유용하다. 첫째, 유체 속도가 증가할 때 발생기들 하부의 비행 시간은 감소된다. 이것은 초점화를 얻기 위해 많은 수의 변환기들이 사용될 필요가 있다. 둘째, 예를 들어, 유동이 없는 경우, 큰 입자들의 층들을 형성하기 위해 다수의 음파 발생기들의 사용이 가능하다.
다수의 음파 발생기들이 사용될 때, 그들 중 적어도 어느 하나는 채널의 제1 횡축을 따라 즉, 채널의 폭을 따라 음파를 생성할 수 있다.
후자의 경우, 폭/두께 비율은 1 내지 10, 특히, 1 내지 3의 범위일 수 있다.
두께에 걸쳐 그리고 폭에 걸쳐 음향력 장을 적용시키면, 채널의 그 어떤 영역에서, 입자들의 세트 예를 들어, 입자들의 선을 이동시킬 수 있으므로, 음향 초점화를 위한 많은 수의 가용 위치들로부터 이점을 얻을 수 있다.
음파 발생기에는 정현파 전압이 공급될 수 있다. 변형예에 있어서, 음향 발생기에는 삼각 전압 또는 구형파 전압이 공급될 수 있다.
음파 발생기는 디지털 또는 아날로그 제어에 의해 작동될 수 있다.
음파 발생기는 예를 들어, 제1 및 제2 벽 또는 채널의 벽들에 고정될 수 있다. 이러한 고정은 당업자에게 알려진 방식 특히, 풀칠에 의해 수행될 수 있다.
음향 정합층 물질은 음파 발생기와 채널의 제1 벽과 제2 벽의 적어도 어느 하나 사이에 존재할 수 있다.
음향 정합(acoustic matching)은 이러한 목적을 위해 당업자에게 알려진 그 어떤 적합한 물질을 사용하여 제공될 수 있다.
채널( channel )
채널의 두께는, 예를 들어, 축방향 순서로 위치되고 서로 다른 두께를 가진 적어도 2개의 영역들을 가진, 채널의 세로축을 따른 이동에 대해 일정하거나 가변될 수 있다.
채널은 그 길이의 적어도 일부에 걸쳐, 특히 그 전체 길이에 걸쳐 예를 들어, 3cm 이하의 두께, 또는 바람직하게 1cm 이하의 두께를 가질 수 있다. 채널은 예를 들어, '마이크로채널'이다.
'마이크로채널'이라는 용어는 그 전체 길이에 걸쳐 1mm 이하의 두께를 가진 채널을 의미한다.
채널은 그 전체 길이의 적어도 일 부분에 걸쳐 특히, 그 전체 길이에 걸쳐 50마이크로미터 내지 1mm의 범위 바람직하게, 100마이크로미터 내지 500마이크로미터 범위의 두께을 가질 수 있다.
채널의 폭은 예를 들어, 축방향 순서로 위치된 적어도 2개의 영역들과 서로 다른 폭들을 가진 채널의 세로축을 따른 이동에 대해 일정하거나 가변될 수 있다.
채널은 그 전체 길이의 적어도 일부분에 걸쳐 특히 그 전체 길이에 걸쳐 1mm 내지 20mm, 바람직하게 5mm 내지 20mm 범위의 폭을 가질 수 있다.
채널은 세로축을 따른 이동에 대해 실질적으로 일정한 단면을 가질 수 있다.
채널은 그 전체 길이의 적어도 일 부분에 걸쳐 특히, 그 전체 길이에 걸쳐 정사각 단면 또는 원형 단면을 가질 수 있다.
세로축을 따라 측정된 채널의 길이는 예를 들어, 3mm 내지 10cm의 범위, 바람직하게 10mm 내지 70mm의 범위일 수 있다.
채널의 길이/두께 비율은 10 이상 예를 들어, 12 이상일 수 있다.
제1 벽과 제2 벽 중 적어도 어느 하나, 바람직하게 2개 모두는, 무기 또는 유기 유리, 석영, 열가소성 재료, 특히 PMMA 또는 폴리카보네이트, 및 금속 중에서 선택된 하나의 물질을 포함하거나 그것으로 구성될 수 있다. 보다 일반적으로, 높은 음향 임피던스를 가진 그 어떤 물질 즉, 유체의 그것보다 적어도 10배 이상의 음향 임피던스를 가진 물질이 사용될 수 있다.
음파들이 생성되는 벽에 대면하는 벽은 유체의 그것보다 적어도 10배 이상의 음향 임피던스를 가진 물질을 포함하거나 그러한 물질로 구성될 수 있다.
벽들에서 높은 음향 임피던스를 가진 물질들을 사용하게 되면, 현저한 압력 극값의 형성을 촉진하여 대상물의 음향 초점화를 향상시킬 수 있다.
예시적 실시예에 있어서, 제1 벽과 제2 벽 중 적어도 어느 하나, 바람직하게 2개 모두는 무기 또는 유기 유리 또는 PMMA를 포함하거나 이것들로 구성될 수 있다.
예를 들어, 장치는 상부 벽일 수 있는 채널의 제1 벽으로부터 음파들을 생성하는 음파 발생기일 수 있다.
- 제1 벽과 제2 벽은 PMMA를 포함하거나 특히 PMMA로 구성될 수 있거나,
- 제1 벽과 제2 벽은 무기 또는 유기 유리를 포함하거나 특히 이것으로 구성될 수 있거나,
- 제1 벽은 PMMA를 포함하거나 특히, PMMA로 구성되고, 제2 벽은 무기 유리 또는 유기 유리를 포함하거나 특히 이것으로 구성될 수 있다.
제1 벽 및/또는 제2 벽은 예를 들어, 플레이트 형태일 수 있다.
제1 벽 및/또는 제2 벽은 그 전체 길이의 적어도 일부분에 걸쳐 특히 그 전체 길이에 걸쳐 5mm 내지 5mm의 범위의 두께를 가질 수 있다.
제1 벽과 제2 벽 중 적어도 어느 하나, 예들 들어, 2개 모두는 불투명일 수 있다.
변형예에 있어서, 제1 벽과 제2 벽 중 적어도 어느 하나, 예를 들어, 2개 모두는 투명일 수 있다. 채널 내부에 존재하는 대상물의 이미지를 얻을 필요가 있는 경우, 투명한 벽들의 사용이 바람직하고, 그 상세한 내용은 후술한다.
음파들이 생성되는 벽 또는 벽들에 대향되는 벽 또는 벽들은 장치가 작동 중일 때 자유롭게 진동할 수 있다.
채널은 음파 발생기가 작동하는 주파수(f)에 따라 대상물이 선택적으로 안내되어 향하게 되는 다수의 출구들을 포함할 수 있다.
대상물이 선택적으로 안내되어 향하게 되는 출구 또는 출구들의 크기는 상기 대상물의 크기에 따라 개조될 수 있다.
유체 및 대상물
유체는 혈액과 같은 생물학적 액체일 수 있다.
변형예에 있어서, 유체는 물일 수 있다.
유체는 예를 들어, 가시광선에 투명할 수 있다.
유체는 장치가 작동 중일 때 정지되어 있을 수 있다. 변형예에 있어서, 유체는 장치가 작동 중일 때 유동 상태 예를 들어, 층류 상태일 수 있다.
대상물은 예를 들어, 단분산 또는 다분산 생물학적 세포 특히, 혈액 세포 예컨대, 소구체(globules)일 수 있다. 후자의 경우, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법은 예를 들어, 생물학적 세포의 분류 공정에 사용될 수 있다.
대상물은 단단하거나 변형가능한 입자들 예를 들어, 폴리스티렌 입자들일 수 있다.
채널 내부에 존재하는 대상물의 평균 크기는 예를 들어, 50마이크로미터 이하일 수 있다. "평균 크기"라는 용어는 D50이라 명명되는 개체군의 절반에서 통계학적 입자 크기를 의미한다.
음파 발생기가 작동하는 주파수(f)는, 그 관련 파장이 채널 내부에 존재하는 대상물의 평균 크기보다 더 크고 바람직하게, 이러한 평균 크기의 10배보다 더 크도록 되어 있다.
채널의 두께는 음파가 생성되는 세로축을 따르는 적어도 하나의 위치에서, 채널 내부에 존재하는 대상물의 평균 크기의 10배 이상일 수 있다.
센서 및 제어 시스템
바람직한 예시적 실시예에 있어서, 본 발명은 위에서 정의된 장치를 포함하는 조립체에 관한 것으로서, 다음과 관련된다.
- 조립체는 채널 내부에 존재하는 대상물의 특성 및/또는 위치를 측정하기 위해 사용될 수 있는 센서를 구비하고, 센서는 이러한 특성의 결과로서 신호를 발생시킨다.
- 조립체는 신호를 수신하고 음파 발생기가 작동하는 주파수(f) 및/또는 신호의 함수로서 음파의 진폭을 제어하는 제어 시스템을 구비한다.
센서는 유체의 적어도 하나의 특성 특히, 유동 속도 및/또는 유동율 및/또는 온도를 측정하기 위해 사용될 수 있고, 센서는 이러한 측정의 결과의 함수로서 신호를 생성하고, 제어 시스템은 상기 신호를 수신하여 음파 발생기가 작동하는 주파수(f)를 및/또는 신호의 함수로서 음파의 진폭을 제어한다.
채널에 존재하는 유체가 유동 상태일 때, 센서는 예를 들어, 유동의 방향에 대해 적어도 하나의 음파 발생기의 상류에 배치될 수 있다.
변형예에 있어서, 센서는 유동의 방향에 대해 적어도 하나의 음파 발생기의 하류에 배치될 수 있다.
센서는 예를 들어, 대상물의 크기를 측정하는데 사용될 수 있다. 이 경우, 센서는 다음과 같은 구성요소들을 포함할 수 있다.
- 광원 특히, 채널의 주어진 영역에 위치된 대상물을 조명할 수 있는 레이저 광원; 및
- 광원으로부터 방출되고 대상물에 의해 분산되는 광선을 감지하고, 가시광선을 분산시키는 대상물의 크기의 함수인 신호를 생성하도록 구성된 가시광선 감지기를 포함하거나 이것을 구성하는 제어 시스템.
다른 바람직한 예시적 실시예에 따르면, 채널의 주어진 영역 내부의 대상물의 농도는 센서에 의해 측정될 수 있다.
센서는 예를 들어, 쿨터 계수기 또는 UV 탐지기일 수 있다.
제어 시스템은 컴퓨터를 포함할 수 있다.
제어 시스템은 음파 발생기의 파워 서플라이 스테이지 예를 들어, 증폭기 스테이지에 연결된 신호 발생기를 제어할 수 있다.
채널 내부에 존재하는 대상물의 이미지의 획득 및 가공
예시적 실시예에 있어서, 본 발명은 위에서 정의된 장치, 채널 내부에 존재하는 대상물의 적어도 일 부분을 비추도록 구성된 조명 시스템, 및 채널 내부에 존재하고 조명 시스템에 의해 조명된 대상물의 적어도 일 부분의 적어도 하나의 이미지를 획득하기 위한 이미지 획득 시스템을 구비하는 조립체에 관한 것이고, 조립체는 이미지 획득 시스템에 의해 생성된 적어도 하나의 이미지를 가공하기 위한 장치를 포함한다.
조명 시스템은 음향 초점화에 의해 형성된 대상물의 층의 일부 또는 모두를 조명하도록 구성될 수 있다.
가공 장치는 채널 내부에 존재하고 조명 시스템에 의해 조명되는 대상물의 적어도 일 부분의 속도 벡터의 놈(norm) 및/또는 방향(dircection 및/또는 sense)을 측정하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 조립체는 입자 영상 유속계(PIV) 방법을 실행하는데 사용될 수 있다.
적어도 하나의 이미지를 가공하기 위한 장치는 예를 들어, 컴퓨터를 포함할 수 있다.
이미지 가공 장치는 예를 들어, 이미지 획득 시스템에 의해 생성된 대상물의 적어도 2개의 이미지들에서 발견된 광도 분포의 상관계수를 계산하도록 구성될 수 있다.
발명자들은 본 발명에서 개시된 음향 초점화 장치 및 방법의 사용은, 특히, 채널의 전체 두께에 걸쳐 정확한 위치에서 채널 내부의 대상물의 음향 초점화를 허용함으로써, 입자 영상 유속계에 의해 만들어진 측정이 향상되는 것을 발견하였다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 내용과 독립적으로 또는 이들과 조합하여, 본 발명은 유체 특히, 액체 내부의 채널에 존재하는 대상물의 취급을 의도하는 장치에 관한 것이다.
장치는 세로축을 따라 연장하고, 제1 횡축을 따라 측정된 폭과 제1 횡축에 직교하는 제2 횡축을 따라 측정된 두께를 가진 단면을 포함하고, 폭은 두께보다 크거나 동일하고, 제2 횡축을 따르는 제1 벽과 제2 벽을 가진 채널, 및 제1 벽과 제2 벽 중 적어도 어느 하나로부터 음파를 발생시키는 광대역 음파 발생기를 구비한다.
방법
전술한 내용과 독립적으로 또는 이와 결합하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 장치 또는 조립체를 사용하는 음파 발생기의 도움으로 채널에 존재하는 대상물을 취급하는 방법이 개시된다.
여기서, 채널은 세로축을 따라 연장하고, 제1 횡축을 따라 측정된 폭과 제1 축에 직교하는 제2 횡축을 따라 측정된 두께를 가진 단면을 포함하고, 폭은 두께보다 크거나 동일하고, 제2 횡축을 따르는 제1 벽과 제2 벽을 가지며, 그리고 상기 음파 발생기는 제1 벽과 제2 벽 중 적어도 어느 하나로부터 음파를 발생시키고, 제2 횡축을 따르는 채널의 공명 주파수(fo)와 다른 주파수(f)에서 작동한다.
전술한 방법은 예를 들어, 단단하거나 변형 가능한 입자들, 다분산계 입자들, 생물학적 세포 특히, 혈액 세포, 예를 들어, 혈액 또는 소구체에 존재하는 암 세포, 박테리아, 콜로이드 또는 비-콜로이드 에멀전, 단백질 또는 리포솜과 같은 시료를 분류하는 방법, 진단 또는 분석 방법, 시료의 정화, 농축 또는 방혈 방법, 시료의 합성 방법, 시료의 물리적 또는 화학적 특성의 변이 방법, 의약품 연구 방법, 분산 계수 혼합 또는 측정 방법 등에 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에 따른 방법은, 특히 다분산계 입자들의 혼합에 최초로 포함된 입자들을 분리시키기 위해 사용될 수 있다.
다분산계 입자들 사이의 크기 차이는 채널의 두께를 따라 생성된 음향 압력 노드를 향하는 그들의 이동 속도 차이들에 따라 입자들이 분리되는 것을 허용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에 따른 방법은 대상물의 적어도 하나의 층이 음향 초점화에 의해 형성되는 것을 가능하게 한다. 특히, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법은 음향 초점화에 의해 형성된 층에 존재하는 적어도 2개의 화학적 시료들을 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법은 대상물의 다수의 층들의 융합 또는 필름들의 융합을 허용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법은 취급되는 대상물의 선택적인 음향 초점화에 의해 무필터(filterless) 여과를 가능하게 할 수 있다.
전술한 내용과 독립적으로 또는 이와 결합하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 바와 같은 장치를 사용하는 음파 발생기의 도움으로 채널에 존재하는 대상물을 취급하는 방법이 개시된다.
여기서, 상기 채널은 세로축을 따라 연장하고, 제1 횡축을 따라 측정된 폭과 제1 축에 직교하는 제2 축을 따라 측정된 두께를 가진 단면을 포함하고, 폭은 두께보다 크거나 동일하게 되어 있고, 제2 축을 따르는 제1 벽과 제2 벽을 포함한다.
또한, 상기 음파 발생기는 제1 벽과 제2 벽 중 적어도 어느 하나로부터 음파를 발생시키고, 주파수(f)에서 작동한다.
채널에 존재하는 대상물의 적어도 하나의 특성 및/또는 위치는 센서에 의해 측정된다.
상기 센서는 상기 측정 결과의 함수로서 신호를 발생시킨다.
상기 신호는 음파 발생기가 작동하는 주파수 및/또는 신호의 함수로서 음파의 진폭을 제어하는데 사용되는 제어 시스템을 향해 전송된다.
음파 발생기가 작동하는 주파수(f)는 신호의 함수로서 변조된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법은, 제어 시스템에 의해 생성된 신호의 함수로서, 음파 발생기가 작동하는 주파수(f)의 변조 후, 채널의 두께를 따라 대상물을 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법은 예컨대, 대상물의 크기 또는 성질에 따라, 대상물의 위치를 실시간으로 변경시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 다분산계 입자들의 분리 방법은 예를 들어, 음파 발생기가 작동하는 주파수를 변조시키고, 다른 크기의 입자들은 노드들을 향해 다른 휴식 속도(relaxation velocity)를 가진다는 사실을 이용함으로써 수행될 수 있다.
대상물의 이동은 대상물의 음향 초점화 위치와 다른 제1 위치와, 대상물의 음향 초점화 위치이고 제1 위치와 다른 제2 위치 사이에서 발생될 수 있다. 이러한 이동은 발생된 음파에 대상물이 노출되기 전에 센서에 의한 측정이 이루어질 때, 특히 발생될 수 있다.
변형예에 있어서, 음파 발생기가 작동하는 주파수(f)의 변조의 결과로서, 대상물의 이동은, 대상물의 제1 음향 초점화 위치와 대상물의 제2 음향 초점화 위치 사이에서 발생될 수 있고, 제1 음향 초점화 위치와 제2 음향 초점화 위치는 서로 다르다.
유체가 유동 상태일 때, 대상물의 위치의 변화는 대상물이 채널의 주어진 출구를 향해 선택적으로 안내되는 것을 가능하게 한다.
다시 말해, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법은 적어도 채널 내부의 대상물의 특성 및/또는 위치들의 측정의 결과의 함수로서 대상물의 위치들이 변경되는 것을 가능하게 한다.
음파 발생기가 작동하는 주파수(f)의 변조의 결과로서 대상물의 이동 단계는 예를 들어, 대상물의 주어진 위치의 집중이 실질적으로 동일한 크기를 가지게 할 수 있다.
이러한 집중 단계는 특히, 시료의 분류 방법 특히, 다분산계 입자들의 분류를 위한 방법의 일부로서 사용될 수 있다.
이러한 집중 단계는 적어도 하나의 화학적 반응을 수반할 수 있고, 이러한 화학적 반응은 대상물의 내용물의 수량화 및/또는 그들의 성질의 결정하는데 사용될 수 있다.
화학적 반응은 예를 들어, 집중 단계 동안 동일한 위치에 집중된 적어도 2개의 화합물들 사이에서 발생된다.
화학적 반응은 채널 내부 특히, 음향력 장에서 발생될 수 있다.
변형예에 있어서, 화학적 반응은 채널 내부에서 일어나지 않을 수도 있다. 이 경우, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법에 의해 집중되는 대상물은 예를 들어, 밀폐계(enclosure)에 수거되도록 하기 위해, 채널의 출구를 향해 선택적으로 안내될 수 있다. 그러면, 화학적 반응은 상기 밀폐계에서 발생될 수 있다. 변형예에 있어서, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법에 의해 집중된 대상물을 포함하는 밀폐계는 대상물의 내용물의 수량화 및/또는 그들의 성질을 결정하기 위한 시약을 포함하는 부착된 장치를 향해 운송될 수 있다.
전술한 바와 같이, 센서는 유동의 방향에 대해 적어도 하나의 음파 발생기의 하류에 배치될 수 있다.
이 경우, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법은 다음 단계를 포함할 수 있다.
- 다수의 주파수들 중 음파 발생기가 작동하는 주파를 변화시키는 단계;
- 센서를 사용하여 상기 주파수들의 각각을 위한 대상물의 적어도 하나의 특성 및/또는 위치를 측정하는 단계;
- 적어도 하나의 기준값을 가진 상기 주파수들의 각각에서 측정들을 위해 얻어진 값들을 비교하는 단계;
- 미리 결정된 결과를 주는 기준값으로 얻어진 값들의 비교를 위해 다수의 주파수들 사이에서 하나의 주파수를 선택하는 단계; 및
- 음파 발생기를 이러한 선택된 주파수에서 작동시키는 단계.
예를 들어, 유동의 방향에 대해 음파 발생기의 하류에서 대상물의 밀도를 측정하고, 최대 밀도가 얻어지는 주파수를 선택하는 것도 가능하다.
따라서, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법은 최적 작동 주파수를 확인하는 단계 및 이러한 최적 주파수에서 음파 발생기가 작동하도록 음파 발생기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 확인 단계는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법에서 수회 연속될 수 있고, 아니면 변형예에서, 한 번만 사용되고 다시는 사용되지 않을 수 있다.
전술한 내용과 독립적으로 또는 이와 결합하여, 본 발명의 다른 측면은 채널 내부에 존재하는 대상물의 적어도 하나의 이미지를 획득하는 방법을 개시한다.
이러한 방법은, a) 채널의 주어진 영역에서 대상물의 음향 초점화를 얻기 위해 전술한 방법을 사용하여 대상물을 취급하는 단계; b) 조명 시스템을 이용하여 음향 초점화 영역에서 대상물에 빛을 비추는 단계; 및 c) 획득 시스템을 이용하여, 이러한 방식으로 조명되는 대상물의 적어도 하나의 이미지를 획득하는 단계를 포함한다.
개시된 방법은 예를 들어, 제1 순간에 대상물의 적어도 제1 이미지를 획득하는 단계 및 제2 순간에 대상물의 제2 이미지를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
개시된 방법은 이러한 제1 및 제2 이미지들에서 발견된 광도 분포의 상관 계수를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
개시된 방법은 특히, 채널 내부에 존재하고 조명 시스템에 의해 빛이 투사되는 대상물의 속도 벡터의 놈(norm) 및/또는 방향(direction 및/또는 sense)을 특정하는 방법이다.
이 방법은 예를 들어, 전술한 제1 및 제2 이미지들에 근거하여 정량화된 적어도 하나를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
개시된 방법은 예를 들어, 입자 영상 유속계의 방법일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 채널의 공명 주파수에서 작동될 때 생성되는 압력 노드 또는 앤티노드에 상응하는 불연속 위치에서 뿐만 아니라, 채널의 전체 치수에 걸쳐 대상물을 초점화할 수 있다
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 채널 내부에서 많은 수의 대상물들 특히, 대상물의 층들을 초점화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 채널 내부의 대상물의 특징 및/또는 위치의 함수로서 대상물의 위치의 초점화를 변화시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 채널 내부에 존재하는 대상물의 속도 벡터의 놈(norm) 및/또는 방향(direction 및/또는 sense)의 향상된 측정을 허용한다.
본 명세서에 개시되는 발명은 첨부된 도면들의 비제한적인 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 광대역 음파 발생기의 특징짓기 위한 실험 장치의 예를 부분적인 방식으로 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 광대역 음파 발생기에서 생성된 신호의 예를 개략적으로 부분적 방식으로 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 장치의 예를 개략적으로 부분적 방식으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 장치의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 취한 개략적 부분적 단면도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 변형 실시예를 각각 도시하는 개략도이다.
도 8은 마이크로채널에서 대상물의 초점화 높이의 음파의 주파수 효과를 도시한다.
도 9 내지 도 13은 음향 초점화의 다양한 파라미터들의 효과를 각각 도시하는 도면들이다.
광대역 음파 발생기의 특징을 위한 규약
도 1에 도시되고 아래에서 상술되는 실험 장치는 음파 발생기가 광대역 발생기로서 고려될 수 있는지 여부를 결정하는데 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 주어진 작동 주파수에서 작동하는 음파 발생기(10)는 물(E)로 채워지고 파워 서플라이 장치(D)에 의해 정현파 전압이 공급되는 탱크에 배치된다. 공급 전압은 10V이다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Mylar®) 멤브레인(50)은 음파 발생기(10)를 면하도록 배치되고, 멤브레인(50)은 음파 발생기(10)의 축에 직교한다. 멤브레인(50)은 특히, 음파 발생기와의 관계에서 그 두께 및 그 간격을 기준으로 선택됨으로써, 멤브레인의 이동은 음파 생성에 기인하는 유체 입자의 이동에 상응한다. 다시 말해, 멤브레인(50)은 생성되는 음파에 의해 발생되는 유체 입자 유동에 대한 무시할 수 있는 저항을 생성한다.
레이저 광선(미도시)은 멤브레인(50) 쪽을 향하고 멤브레인에 의해 반사된다. 그러면, 멤브레인(50)에 의해 반사되는 광선은 광검출기(51) 쪽을 향하고, 수신되는 광도에 비료하는 신호를 전송한다. 광검출기(51)의 출력에서 얻어지는 신호는 복조기(52)에 의해 복조되어 멤브레인(50)의 이동의 선형 함수인 전압을 생성한다.
이러한 전압은, 5GHz의 샘플링 주파수를 사용하여, 이러한 목적으로 제공된 장치(53)에 의해 시간에 대해 수치적으로 미분된다. 수치 미분은 예를 들어, Matlab®과 같은 수치 시뮬레이션 소프트웨어 패키지에 의해 수행될 수 있다.
그러면, 시간 함수로서 멤브레인의 이동 속도 프로파일이 얻어지고, 멤브레인의 이동 속도(vo)의 이러한 프로파일의 최대 속도가 결정되고, 10회 이상의 측정값의 평균(vo')이 얻어진다. 이것으로부터, 음향 에너지<Eac>의 평균값이 추론되고, 이 값은 다음과 같은 공식으로 주어진다.
공식 :
Figure pct00001
, 여기서 ρF는 유체의 밀도를 의미한다.
음파 발생기가 광대역 발생기인지 여부를 결정하기 위해, <Eac>에서 음파 발생기의 작동 주파수의 변화 효과가 수량화된다. 전술한 규약은 음파 발생기의 작동 주파수를 변화시키면서 연속된다. 그러면 다른 주파수 값들에서 발견된 <Eac>의 값이 보고된다. 음향 에너지의 최대값, <Eac>max은 음파 발생기의 명목 작동 주파수에서 발견될 것이다.
주파수 범위[0.75*음파 발생기의 명목 주파수; 1.25*음파 발생기의 명목 주파수]에 걸쳐, <Eac>/<Eac>max의 비가 15% 이상, 바람직하게 40%이상이면, 음파 발생기는 광대역 발생기로서 간주된다. 도 2는 전술한 작동 상태에서 결정된 광대역 음파 발생기를 위한 주파수 함수로서 <Eac>의 경향을 도시한다.
이 예에 있어서, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 멤브레인은 12마이크로미터의 두께를 가지고, 음파 발생기로부터 1mm 떨어져서 위치된다.
도 2의 예에 있어서, 사용된 음파 발생기는, Signal processing®사에서 판매되고, 30mm의 길이, 7mm의 직경, 및 대략 2MHz의 명목 작동 주파수를 가진 원통형 구조의 변환기이다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 사용된 장치들의 예
도 3은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 장치(1)를 도시한다. 이러한 장치는 유체(F)가 수용된 채널(2)의 범위를 구획하는 하부 벽(3)과 상부 벽(4)을 가진다. 유체(F)는 유동 상태, 예를 들어 층류 상태일 수 있거나, 변형예에 있어서, 정지되어 있을 수 있다.
유체(F)는 단분산계 또는 다분산계일 수 있는 다수의 대상물(O)을 포함한다. 대상물(O)은 특히, 생물학적 세포일 수 있고, 이 경우, 유체(F)는 혈액과 같은 생물학적 액체일 수 있다.
음향 변환기(10)는 도시된 바와 같이, 장치(1)의 상부 벽(4)에 고정될 수 있다. 변환기(10)는 광대역 변환기이다.
변형예에 있어서, 제2 횡축(Z)을 따라 채널(2)의 공명 주파수(fo)와 다른 주파수(f)에서 음파를 생성시키는데 사용될 수 있다면, 변환기(10)는 광대역 변환기가 아닐 수 있다.
Signal processing®사에서 판매되는, 30mm의 길이, 7mm의 직경, 대략 2 MHz의 명목 작동 주파수를 가진 원통형 구조의 변환기는 예를 들어, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 장치(1)에 사용될 수 있다.
원통형 이외의 구조 특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 평행 6면체 구조를 가진 변환기(10)를 사용할 수도 있다.
변환기(10)에는 예를 들어, 전압 증폭기 스테이지와 직렬로 연결된 신호 발생기를 포함하거나 이것으로 구성된 발생기(D)로부터 얻어진 신호가 공급된다. 발생기(D)는 주어진 주파수를 가진 정현파 신호를 변환기(10)로 공급하는 것이 바람직하다. 변형예에 있어서, 공급 전압은 삼각파 또는 구형파일 수 있다.
작동에 있어서, 변환기(10)는 채널의 횡축(Z)을 따라, 채널의 두께를 따라 음향력 장을 제공할 수 있으므로, 초점화 높이(hfoc)에서 대상물(O)이 초점화되는 것을 가능하게 한다. 전술한 바와 같이, 초점화 높이(hfoc)는 변환기(10)의 작동 주파수의 함수이다.
도 3은 초점화 높이(hfoc)에서 생성될 수 있는 대상물(O)의 층(N)을 도시한다. 이러한 층(N)은 변환기(10)에 의해 발생되는 압력 극값(Ep)(노드 또는 앤티노즈)에 형성될 수 있다(도 4 참조).
도 3에 도시된 예에 있어서, 하부 벽(3)은 높은 음향 임피던스 즉, 유체(F)의 그것보다 적어도 10배 이상의 임피던스를 가진 물질을 포함한다. 따라서, 음파가 발생되는 상부 벽(4)에 면하고, 높은 음향 임피던스를 가진 물질을 포함하는 하부 벽(3)을 가질 수 있다. 2개의 벽들은 그들이 공명 작동 주파수(fo) 이외의 주파수(f)에서 작동하는 변환기(10)에 의해 발생되는 음파의 적용축을 따라 위치될 때 "면하는(facing)"으로 불려 질 수 있다.
변형된 실시예에 있어서, 각각의 벽들(3)(4)은 높은 음향 임피던스를 가진 물질을 포함하거나 특히, 이러한 물질로 구성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 음향 임피던스 정합(matching)을 위한 겔(11)의 층은 변환기(10)와 상부 벽(4) 사이에 존재할 수 있다.
도 4는 변환기(10)에 의해 발생된 음파에 의해 유체(F) 내부의 압력 극값(Ep)의 형성을 도시한다. 설명된 예에 있어서, 대상물(O)의 층(N)은 압력 극값(Ep)의 레벨에서 초점화된다.
미도시된 변형예에 있어서, 층(N)은 압력 앤티노드의 레벨에서 초점화된다. 미도시된 변형예에 있어서, 다수의 음향 압력 극값, 및 2개의 서로 다른 층들로부터 발생된 음파들 각각은 서로 다른 압력 극값들의 레벨에서 초점화된다. 따라서, 제1 압력 극값의 레벨에서 초점화되는 제1 층 및 제1 압력 극값과 다른 제2 압력 극값의 레벨에서 초점화되는 제2 층을 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 장치(1)와 채널(2)에 존재하는 대상물의 적어도 하나의 특성 및/또는 위치를 측정하기 위한 센서(100)를 포함하는 조립체(200)의 예시적 실시예를 도시한다. 센서(100)는 이러한 측정 결과의 함수로서 신호를 생성하고, 이러한 신호는 제어 시스템(T) 쪽으로 전송된다. 제어 시스템(T)은, 센서(100)로부터 수신된 신호에 따라, 변환기(10)가 작동하는 주파수 및/또는 발생되는 음파의 진폭을 제어하기 위해, 발생기(D)에 작용하는데 사용될 수 있다.
센서(100)는 예를 들어, 대상물(O)의 밀도 및/또는 크기를 측정하는데 사용될 수 있다.
센서(100)에 의해 발생된 신호는 대상물(O)이 적어도 어느 하나의 출구들(S1,...,Sn)로 선택적으로 안내되도록 하는 방식으로 변환기(10)가 제어되도록 할 수 있다.
센서(100)는 예를 들어, 대상물(O)의 크기를 측정하는데 사용될 수 있고, 이러한 목적을 위하여, 레이저 및 채널(2)에 존재하는 대상물(O)에 의해 분산되는 광도를 측정하는 탐지기를 포함할 수 있다.
변형예에 있어서, 센서(100)는 대상물(O)의 수를 계산하고 그들의 크기를 결정하기 위한 쿨터 계수기 또는 UV 탐지기를 포함하거나 특히, 이것으로 구성될 수 있다.
하나의 예시적 실시예에 있어서, 입자들 또는 세포들 또는 생물학적 멤브레인의 층들을 형성하여, 그들을 어느 하나의 출구들(S1,...,Sn) 쪽으로 안내하는 것이 가능하다.
도 6은 다수의 변환기들(10)을 포함하는 장치(1)의 예시적 실시예를 도시한다. 이 예에 있어서, 변환기들(10)은 동일한 면에서 채널(2)을 따라 배치된다.
또한, 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 범위에서, 변환기들(10)은 채널(2)의 양면 모두에 배열될 수도 있다.
도 7은 채널(2)에 존재하는 대상물(O)의 이미지를 획득하기 위한 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 조립체(300)의 예시적 실시예를 도시한다. 조립체(300)는 조명 시스템(110)과 이미지 획득 시스템(120)과 관련된 장치(1)를 포함한다.
조명 시스템(110)은 예를 들어, 레이저 특히 Nd:YAG 레이저를 포함할 수 있는 광원(111)을 구비한다. 일 실시예에 있어서, 광원(111)은 2개의 펄스 Nd:YAG 레이저들의 조합을 구비하고, 대상물(O)은 형광성 입자들이고, Nd:YAG 레이저들은 532nm의 파장을 가지고, 대상물(O)에 의해 흡수될 수 있는 광선을 발산시킨다.
광학 구조(112)는 광원으로부터 나오는 광선을 광학 장치에 정합시키기 위해 광원(111)의 출력에 배치될 수 있다.
광학 구조(112)의 출력에서 생성되는 광선(R)은 반사 구조(113) 쪽으로 안내되어 렌즈(114)를 향해 초점화될 수 있다.
세퍼레이터(113)는 예를 들어, 필터와 색선별 거울의 조합을 포함할 수 있다. 렌즈(114)는 예를 들어, 음향 초점화 영역의 레벨 실질적으로 위치된 초점 평면을 가진 현미경 렌즈일 수 있다.
반사 구조(113)는 예를 들어, 대상물(O)이 형광성인 경우, 채널(2)에 존재하는 대상물(O)에 의해 흡수될 수 있는 파장을 가진 광선을 여과시키지 않도록 선택될 수 있다.
예를 들어, 대상물(O)이 형광성인 경우, 광선(R)은 흡수될 수 있고, 대상물(O)은 다른 파장 예를 들어, 더 긴 파장을 가진 광산을 발산시킬 수 있다.
반사 구조(113)은 대상물(O)에 의해 재-발산된 광선만 실질적으로 통과시켜 렌즈(121) 쪽으로 안내하도록 구성될 수 있다.
이미지 획득 장치(120)와 관련하여, 이것은 채널(2)에 존재하는 대상물(O)로부터 나오는 광선을 센서(122)에 초점화시켜 대상물(O)의 이미지를 생성시킬 수 있도록 하기 위한 렌즈(121)를 구비한다. 센서(122)는 예를 들어, CCD 카메라일 수 있다.
센서(122)는 예를 들어, 컴퓨터를 포함할 수 있는 이미지 가공 장치(130)에 연결될 수 있다.
이미지 가공 장치(130)는 채널(2)에 존재하고 조명 장치(110)에 의해 비춰지는 대상물(O)의 적어도 일부의 속도 벡터의 놈(norm) 및/또는 방위 및/또는 방향을 측정하기 위해 사용될 수 있다.
대상물(O)의 적어도 2개의 이미지들이 캡처되면, 이미지 처리 장치(130)는 이러한 대상물(O)의 적어도 2개의 이미지들에서 발견된 광도 분포의 상관 계수를 계산하는데 사용될 수 있다.
Examples
Example 1
사용된 채널은 337마이크로미터의 두께, 10mm의 폭, 40mm의 두께를 가진 마이크로채널이다. 마이크로채널은 물로 채워져 있다. 마이크로채널의 상부 벽과 하부 벽 모두는 1mm의 두께의 PMMA 플레이트 형태로 제작되었다. 대상물은 7마이크로미터의 직경, 56mg/L의 농도를 가진 폴리스티렌 입자들이다.
이러한 형태의 채널은 대략 2MHz 및 2.5MHz의 2개의 공명 피크들을 가진다.
사용된 음파 발생기는 Signal processing®사에서 판매되고 있는 7mm의 직경, 30mm의 높이, 대략 2MHz의 명목 작동 주파수를 가진 원통형 변환기이다. 음파 발생기는 마이크로채널의 상부 벽의 위치에 고정된다. 변환기 공급 전압은 10V이다.
도 8은 입자의 초점화 높이(hfoc)에서 변환기의 작동 주파수의 효과를 도시한다. 2개의 서로 다른 주파수들의 적용들 사이에서 마이크로 채널에 있는 입자의 재균질화(rehomogenization)의 계단과 함께 또는 그것없이 발견된 곡선들은 도 8에서 중첩된다.
Example 2 : 음향 에너지의 효과
변환기 공급 전압을 제외고, Example 1에서 상술된 작동 조건들이 반복되었고, 그 효과를 실험하였다. 5V, 7V, 및 10V의 변환기 공급 압력으로 각각 3개의 실험들이 수행되었다. 음파 발생의 결과로부터 나오는 유체 입자의 속도 프로파일의 최대값들은 도 9에 도시되어 있다. 결과물은 도 9에 도시되어 있다. 변환기 공급 전압에 의해 제어된 음파의 진폭은 고려되는 현상 즉, 입자의 초점화 높이의 변위에 아무 효과가 없는 것으로 나타난다.
Example 3 : 대상물의 크기의 효과
입자의 직경을 제외하고, Example 1에서 상술된 작동 조건들이 반복되었고, 그 효과를 실험하였다. 각각 2마이크로미터와 7마이크로미터의 직경을 가진 입자들을 사용하여 실험이 수행되었다. 결과는 도 10에 도시되어 있다. 사용된 입자의 직경은 고려된 현상 즉, 입자의 초점화 높이의 변위에 아무런 효과가 없는 것으로 나타난다.
Example 4 : 대상물의 농도의 효과
입자의 농도를 제외하고, Example 1에서 상술된 작동 조건들이 반복되었고, 그 효과를 실험하였다. 각각 5.6 mg/L 및 56 mg/L의 농도의 입자들을 사용하여 실험이 수행되었다. 결과는 도 11에 도시되어 있다. 사용된 입자의 농도는 고려된 현상 즉, 입자의 초점화 높이의 변위에 아무런 효과가 없는 것으로 나타난다.
Example 5 : 벽을 형성하는 물질의 효과
상부 벽과 하부 벽을 형성하는 물질의 성분을 제외하고, Example 1에서 상술된 작동 조건들이 반복되었고, 그 효과를 실험하였다. 부가적으로, 마이크로채널의 두께는 벽들을 형성하는데 사용된 물질의 성분에 따라 조절되었다. 결과는 도 12 및 도 13에 도시되어 있다.
주석, "PMMA/PMMA"는 PMMA로 제조된 상부 벽과 하부 벽을 가진 채널을 의미한다. 주석, "PMMA/glass"는 PMMA로 이루어진 상부 벽과 유리로 이루어진 하부 벽을 가진 채널을 의미한다. 주석, "유리/유리"는 유리로 제조된 상부 벽과 하부 벽을 가진 채널을 나타낸다.
1...장치 2...채널
3...하부 벽 4...상부 벽
10...음파 발생기 50...멤브레인
51...광검출기 100...센서
111...광원 112...광학 구조
113...반사 구조 114...렌즈
120...이미지 획득 시스템 121...렌즈
122...센서 130...이미지 가공 장치
300...조립체

Claims (27)

  1. 유체(F) 특히, 액체 내부의 채널(2)에 존재하는 대상물(O)을 취급하기 위한 장치에 있어서,
    - 세로축(X)을 따라 연장하고, 제1 횡축(Y)을 따라 측정된 폭(L)과 제1 횡축에 직교하는 제2 횡축(Z)을 따라 측정된 두께(e)를 가진 단면을 포함하고, 폭(L)은 두께(e)보다 크거나 동일하고, 제2 횡축(Z)을 따르는 제1 벽(3)과 제2 벽(4)을 구비하는 채널(2); 및
    - 제1 벽(3)과 제2 벽(4) 중 적어도 어느 하나로부터 채널에 음파를 발생시키는 음파 발생기(10)를 구비하고;
    음파 발생기(10)는 제2 횡축(Z)을 따르는 채널(2)의 공명 주파수(fo)와 다른 주파수(f)에서 작동하고, 대상물(O)의 적어도 하나의 층(N)이 음향 초점화에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    채널(2)은 전체 길이의 일부분에 걸쳐 특히, 전체 길이에 걸쳐 3cm 미만 특히, 1cm의 두께(e)를 가지며, 채널(2)은 바람직하게 마이크로채널인 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    채널(2)은 전체 길이의 적어도 일부분 특히, 전체 길이에 걸쳐 실질적으로 직사각 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    채널을 따라 배치될 수 있고 제1 벽(3)과 제2 벽(4) 중 적어도 어느 하나로부터 음파를 발생시키는 다수의 음파 발생기들(10)을 포함하고, 음파 발생기들(10)은 채널(2)과 동일한 면에 위치된 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 벽(3)과 제2 벽(4) 중 적어도 어느 하나, 바람직하게 2개 모두는 무기 또는 유기 유리, 열가소성 물질, 특히 PMMA 또는 폴리카보네이트, 석영, 및 밀도와 음속의 곱이 106Pa.s/m이상인 금속 중에서 선택된 물질을 포함하거나 그러한 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 벽(3)과 제2 벽(4) 중 적어도 어느 하나, 바람직하게 2개 모두는, 유체의 그것보다 적어도 10배 이상의 음향 임피던스를 가진 물질을 포함하거나 그러한 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    음파 발생기(10)에 의해 음파들이 생성되는 벽에 면하는 벽(3)(4)은 유체의 그것보다 적어도 10배 이상의 음향 임피던스를 가진 물질을 포함하거나 그러한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    음향 압력의 적어도 하나의 극값(Ep)은 생성된 음파에 의해 유체(F) 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    대상물(O)의 층(N)은 음향 압력 극값(Ep)의 레벨에서 초점화되는 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    음파 발생기(10)는 10MHz 이하의 주파수(f) 특히, 0.5MHz 내지 10 MHz 범위에서 작동하는 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    음파 발생기는 공명 주파수(fo)와 다르고 0.75fo 내지 1.25fo 범위, 특히 0.75fo 내지 0.95fo 또는 1.05fo 내지 1.25fo 범위인 주파수(f)에서 작동하는 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    채널(2)은 음파 발생기(10)가 작동하는 주파수(f)에 따라 대상물(O)이 선택적으로 안내되어 향하게 되는 다수의 출구들(S1,...,Sn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    채널(2)은 길이/두께 비율이 10 이상이 될 수 있도록 세로축(X)을 따라 측정된 길이(l)를 가지는 것을 특징으로 하는 대상물 취급 장치.
  14. 조립체(200)에 있어서:
    - 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항의 장치(1);
    - 채널(2)에 존재하는 대상물(O)의 적어도 하나의 특성 및/또는 위치를 측정하는데 사용될 수 있고, 측정의 결과로서 신호를 생성하는 센서(100); 및
    - 상기 신호를 수신하고, 음파 발생기(10)가 작동하는 주파수(f) 및/또는 신호의 함수로서 생성된 음파의 진폭을 제어하기 위한 제어 시스템(T)을 구비하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  15. 조립체(300)에 있어서,
    - 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항의 장치(1);
    - 채널(2)에 존재하는 대상물(O)의 적어도 일부분에 빛을 조사하도록 구성된 조명 시스템(110); 및
    - 채널(2)에 존재하고 조명 시스템(110)에 의해 조사되는 대상물(O)의 적어도 일 부분의 적어도 하나의 이미지를 획득하도록 구성된 이미지 획득 시스템(120)을 구비하고;
    이미지 획득 시스템(120)에 의해 획득된 적어도 하나의 이미지를 처리하기 위한 이미지 처리 장치(130)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  16. 청구항 15에 있어서,
    이미지 처리 장치(130)는 채널(2)에 존재하고 조명 시스템(110)에 의해 조사되는 대상물(O)의 적어도 일 부분의 속도 벡터의 놈(norm) 및/또는 방향을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 조립체.
  17. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
    조명 시스템(110)은 음향 초점화에 의해 생성된 대상물(O)의 층(N)의 모두 또는 일부를 조명하도록 구성된 것을 특징으로 하는 조립체.
  18. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 하나의 장치 또는 청구항 14 내지 청구항 17 중 어느 하나의 조립체를 사용하여, 음파 발생기(10)의 도움으로 채널(2)에 존재하는 대상물(O)을 취급하기 위한 방법에 있어서,
    - 채널(2)은 세로축(X)을 따라 연장하고, 제1 횡축(Y)을 따라 측정된 폭(L)과 제1 횡축(Y)에 직교하는 제2 횡축(Z)을 따라 측정된 두께(e)를 가지며, 폭(L)은 두께(e)보다 더 크거나 동일하고, 제2 횡축(Z)을 따르는 제1 벽(3)과 제2 벽(4)을 포함하고;
    - 음파 발생기(10)는 제1 벽(3)과 제2 벽(4)의 적어도 어느 하나로부터 채널에서 음파를 발생시키고, 제2 횡축(Z)을 따라 채널(2)의 공명 주파수(fo)와 다른 주파수(f)에서 작동하는 것을 특징으로 하는 대상물 취급 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 주파수(f)는 공명 주파수(fo)와 다르고, 0.75fo 내지 1.25fo 범위 특히, 0.75fo 내지 0.95fo 또는 1.05fo 내지 1.25fo 범위인 것을 특징으로 하는 대상물 취급 방법.
  20. 청구항 18 또는 청구항 19에 있어서,
    - 채널(2)에 존재하는 대상물(O)의 적어도 하나의 특성 및/또는 위치는 센서(100)에 의해 측정되고;
    - 신호는 센서(100)에 의해 측정된 결과의 함수로서 생성되어 제어 시스템(T)을 향해 전송되고;
    - 음파 발생기(10)가 작동하는 주파수(f) 및/또는 생성된 음파의 진폭은 제어 시스템(T)의 작용에 의해 신호의 함수로서 변조되는 것을 특징으로 하는 대상물 취급 방법.
  21. 채널(2) 내부에 존재하는 대상물(O)의 적어도 하나의 이미지를 획득하기 위한 방법에 있어서:
    a) 채널(2)의 주어진 영역에 있는 물체(O)의 음향 초점화를 얻기 위하여 청구항 18 내지 청구항 20 중 어느 하나의 방법을 사용하여 대상물(O)을 취급하는 단계;
    b) 조명 시스템(110)의 도움으로 음향 초점화 영역의 대상물(O)을 조명시키는 단계; 및
    c) 이미지 획득 시스템(120)의 도움으로 b) 단계에서 조명되는 대상물(O)의 적어도 하나의 이미지를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 획득 방법.
  22. 채널(2)에 존재하는 대상물(O)의 속도 벡터의 놈 및/또는 방향을 측정하기 위한 방법에 있어서:
    - 청구항 21의 방법을 사용하여 제1 순간에 대상물(O)의 제1 이미지를 획득하는 단계;
    - 청구항 21의 방법을 사용하여 제2 순간에 대상물(O)의 제2 이미지를 획득하는 단계;
    - 제1 이미지와 제2 이미지로부터 대상물(O)의 속도 벡터의 놈 및/또는 방향의 측정을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  23. 청구항 18 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
    입자 영상 유속계(PIV) 특히, 마이크로-입자 영상 유속계(micro-PIV), 예를 들어, 단단하거나 변형가능한 입자들, 다분산계 입자, 생물학적 세포, 특히 혈액 세포, 예를 들어, 혈액 또는 소구체 샘플의 암세포, 박테리아, 콜로이드 에멜전 또는 비콜로이드 에멜젼, 단백질 또는 리포솜의 종의 분류 방법; 진단 또는 분석 방법; 종의 정화, 농축, 방혈 방법; 종의 합성 방법, 종의 물리적 또는 화학적 특성의 변이 방법; 의약품 연구 방법; 확산 계수 측정 방법 중 적어도 어느 하나에 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 청구항 18 내지 청구항 24 중 어느 한 항에 있어서,
    대상물(O)은 단분산계 또는 다분산계 생물학적 세포 특히, 혈액 세포 특히, 소구체인 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 유체(F) 특히, 액체 내부의 채널(2)에 존재하는 대상물(O)을 취급하기 위한 장치(1)에 있어서,
    - 세로축(X)을 따라 연장하고, 제1 횡축(Y)을 따라 측정된 폭(L)과 제1 횡축에 직교하는 제2 횡축(Z)을 따라 측정된 두께(e)를 가지며, 폭(L)은 두께(e)보다 크거나 동일하며, 제2 횡축(Z)을 따르는 제1 벽(3)과 제2 벽(4)을 포함하는 채널(2); 및
    - 제1 벽(3)과 제2 벽(4) 중 적어도 어느 하나로부터 채널에서 음파를 생성하는 음파 발생기(10)를 구비하고;
    음파 발생기(10)는 제2 횡축(Z)을 따르는 채널(2)의 공명 주파수(fo)와 다른 주파수(f)에서 작동하고;
    제1 벽과 제2 벽은 유체의 그것보다 적어도 10배 이상의 음향 임피던스를 가진 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 취급 장치.
  26. 유체(F) 특히, 액체 내부의 채널(2)에 존재하는 대상물(O)의 취급 장치(1)에 있어서,
    - 세로축(X)을 따라 연장하고, 제1 횡축(Y)을 따라 측정된 폭(L)과 제1 횡축에 직교하는 제2 횡축(Z)을 따라 측정된 두께(e)를 가지며, 폭(L)은 두께(e)보다 크거나 동일하며, 제2 횡축(Z)을 따르는 제1 벽(3)과 제2 벽(4)을 포함하는 채널(2); 및
    - 제1 벽(3)과 제2 벽(4) 중 적어도 어느 하나로부터 채널에서 음파를 생성하는 음파 발생기(10)를 구비하고;
    음파 발생기(10)는 제2 횡축(Z)을 따르는 채널(2)의 공명 주파수(fo)와 다르고, 0.75fo 내지 1.25fo 범위 특히, 0.75fo 내지 0.95fo 범위 또는 1.05fo 내지 1.25fo 범위의 주파수(f)에서 작동하는 것을 특징으로 하는 취급 장치.
  27. 청구항 25 또는 청구항 26에 있어서,
    청구항 2 내지 청구항 13 중 어느 하나의 특징을 가진 것을 특징으로 하는 장치.
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