JP6758719B2 - 多目的音響浮揚トラップ - Google Patents
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Description
本発明は、流体中の粒子を操作するためのデバイスの分野に関する。特に、本発明は、音響波によって流体中の粒子を操作するための音響共振器として用いるのに適したデバイスに関する。
音響波は、音響力場によって流体中の粒子を扱う又は分級するのに用いることができる。従来技術で公知の従来の技術では、音響共振器は空洞を備え、その壁のうちの１つは音響波発生器を備え、これに対向する壁は受動リフレクタとして作用する。発生した超音波が反射され、波の重ね合わせは定在波として知られており、音響波の共振条件を提供することにより音響共振器の空洞の寸法に沿った所与の位置に少なくとも１つの音響圧の節が生成される。超音波定在波での粒子の操作は、マイクロ流体デバイスにおいて粒子を扱う、動かす、又は捕捉するための強力なツールとして知られている。
例えば、米国特許第７，３７３，８０５号は、結合プレートに接着された超音波振動子と、音響共振器と、結合プレートと音響共振器との間に配置され、共振空洞を画定するスペーサと、を備える音響共振器を開示する。結合プレート、スペーサ、及び音響共振器は、ねじで取り付けられた状態でベースと上部プレートとの間の定位置に保持される。ねじは、共振空洞に充填されている流体の漏れを制限するために強く締められなければならない。さらに、共振空洞の厚さを規定するベースと上部プレートとの間のねじの締め具合は、定まった厚さを保証するべく正確に制御されなければならない。
音響共振器内では、共振空洞の厚さは、共振周波数が以下の条件：
に達することにより達成されるので実に最も重要であり、ここで、ｗは共振器の厚さであり、ｎは定在波の圧力節の数であり、波長λはｃｆ／ｆに等しく、ここで、ｃｆは、共振器の共振空洞に充填されている流体中の音の速度であり、ｆは音響周波数である。
その結果、米国特許第７，３７３，８０５号で開示された共振器は、複雑な組立体を必要とし、漏れを呈する場合がある。
米国特許出願第２０１３／０３２７１３０号も、４つの層、すなわち、振動子、結合スチール層、スペーサ、及び音響リフレクタを備える、音響共振器を開示する。スペーサは、結合スチール層と音響リフレクタとの間に挟まれた状態でネオプレン接着剤により組み立てられる。したがって、米国特許出願第２０１３／０３２７１３０号で開示された共振器は、再使用することができず、特に、スペーサは、共振空洞のサイズを変えるべく取り換えることができない。
したがって、共振空洞が開放され得る及びこれにアクセス可能であり、且つ、共振空洞のサイズを変えるべくスペーサが容易に取り換えられ得る、流体の漏れを回避する使いやすい音響共振器が必要とされている。特に、本発明のデバイスは、生命体と共に用いられ得るので、容易に分解及び清掃され得る、例えばオートクレーブで処理され得るデバイスが特に必要とされている。
さらに、従来技術の音響共振器は、マイクロ流体デバイスにおける１〜数百のほんの少量の粒子を扱うように設計される。米国特許第７，３７３，８０５号は、実際には直径１μｍのオーダーの粒子の使用を開示し、米国特許出願第２０１３／０３２７１４３０号は、粒子が約５０ｎｍ〜約５μｍの平均サイズを有することを開示する。したがって、大きい粒子、特に、０．１μｍ〜数百マイクロメートルの平均サイズを有する、細胞又は細胞のクラスタなどの大きい生物粒子の、複雑な操作なしの、分析、分離、及び収集に適したデバイスも必要とされている。
そのために、本発明は、少なくとも１つの音響波発生器に結合されるように適合されたベースと、開口を備えるスペーサと、リフレクタとを備える、音響共振器として用いるのに適したデバイスであって、
・ベースが、厚さｔを有する突出部を備え、
・スペーサの開口が、ベースの突出部と相補的であり、
・デバイスが、ベースの突出部と相補的な開口を有するハウジングをさらに備え、ハウジングの開口の内縁が、突出部と同じ厚さｔを有し、
・ハウジングが、スペーサの内縁の厚さが突出部とリフレクタとの間の空洞の厚さを規定するように、スペーサとリフレクタとの間に配置される、
デバイスに関する。
・ベースが、厚さｔを有する突出部を備え、
・スペーサの開口が、ベースの突出部と相補的であり、
・デバイスが、ベースの突出部と相補的な開口を有するハウジングをさらに備え、ハウジングの開口の内縁が、突出部と同じ厚さｔを有し、
・ハウジングが、スペーサの内縁の厚さが突出部とリフレクタとの間の空洞の厚さを規定するように、スペーサとリフレクタとの間に配置される、
デバイスに関する。
本発明のデバイス内では、ベース、スペーサ、及びハウジングは、スペーサ及びハウジングの開口内に挿入されたベースの突出部により接着剤なしに定位置に保持される。したがって、スペーサを容易に交換することができ、共振空洞にアクセスすることができる。さらに、本発明のデバイスは、流体が共振空洞から流れ出すには蛇行路を辿らなければならないので、流体の漏れを回避する。
一実施形態によれば、突出部は軸対称であり、好ましくは円筒形、菱面体形、平行六面体形、又はリボン形である。
一実施形態によれば、デバイスは、支持ベース及び上部をさらに備え、ベース、スペーサ、ハウジング、及びリフレクタは、支持ベースと上部との間の定位置に保持される。一実施形態によれば、支持ベースはベースから外方に延び、上部は、ベース、スペーサ、ハウジング、及びリフレクタを包囲し、支持ベースと上部プレートは、例えば、ねじで互いに取り付けられる。一実施形態によれば、デバイスは、支持ベースと上部との間の密封性を保証するガスケットをさらに備える。
一実施形態によれば、突出部は、少なくとも１つの入口及び少なくとも１つの出口を備える。一実施形態によれば、ベース、突出部、及び／又はハウジングは、金属又はプラスチックから選択された材料を含む。一実施形態によれば、リフレクタは、ガラス、石英、又はプラスチックから選択された光学的に透明な材料を含む。一実施形態によれば、突出部は、ガラス、石英、又はプラスチックから選択された光学的に透明な材料を含む。一実施形態によれば、上部は、頂部に光学的に透明な窓を備える。一実施形態によれば、スペーサは、ポリイミド又はポリエチレンテレフタレートから選択された材料を含む。
本発明はまた、本発明に係るデバイスと、ベースに結合された少なくとも１つの音響波発生器とを備える音響共振器に関する。一実施形態によれば、少なくとも１つの音響波発生器は、ベースの突出部よりも下に存在する。一実施形態によれば、少なくとも１つの音響波発生器は超音波発生器である。一実施形態によれば、少なくとも１つの音響波発生器は圧電振動子である。一実施形態によれば、少なくとも１つの音響波発生器はリング形である。
本発明はさらに、
ｉ．本発明に係る音響共振器を提供するステップと、
ｉｉ．粒子を含む流体を空洞に導入するステップと、
ｉｉｉ．周波数ｆを、空洞内の定在波の経路長が空洞内の音波の波長の１／２の倍数であるように選択するステップと
ｉｖ．粒子を捕捉するステップと、
を含む、流体中の粒子を捕捉する方法に関する。
ｉ．本発明に係る音響共振器を提供するステップと、
ｉｉ．粒子を含む流体を空洞に導入するステップと、
ｉｉｉ．周波数ｆを、空洞内の定在波の経路長が空洞内の音波の波長の１／２の倍数であるように選択するステップと
ｉｖ．粒子を捕捉するステップと、
を含む、流体中の粒子を捕捉する方法に関する。
定義
本発明では、以下の用語は以下の意味を有する。
・「音響共振器」は、操作されることになる粒子に力をかけるのに音響波を用いるデバイスを指す。
・「浮揚」は、音響力が重力に逆らうことにより、粒子種が空洞内で沈降するのを防ぎ、それらを制御された位置に維持することを指す。
・「光学的に透明」は、可視光スペクトルの少なくとも一部（約４００〜約７００ｎｍ）にわたって高い（５０％を上回る、好ましくは７５％を上回る、より好ましくは９０％を上回る）光透過率を呈する部分を指す。
本発明では、以下の用語は以下の意味を有する。
・「音響共振器」は、操作されることになる粒子に力をかけるのに音響波を用いるデバイスを指す。
・「浮揚」は、音響力が重力に逆らうことにより、粒子種が空洞内で沈降するのを防ぎ、それらを制御された位置に維持することを指す。
・「光学的に透明」は、可視光スペクトルの少なくとも一部（約４００〜約７００ｎｍ）にわたって高い（５０％を上回る、好ましくは７５％を上回る、より好ましくは９０％を上回る）光透過率を呈する部分を指す。
以下の詳細な説明は、図面と併せて読むとより良く理解されるであろう。例示する目的で、デバイスが、好ましい実施形態で図示される。しかしながら、用途は、図示された正確な構成、構造、特徴、実施形態、及び態様に限定されないことを理解されたい。図面は、縮尺通りに描かれておらず、請求項の範囲を描画された実施形態に限定することを意図していない。本明細書でなされる空間的説明（例えば、「〜よりも上」、「〜よりも下」、「上方」、「下方」、「頂部」、「底部」、「〜の上」、「〜の下」など）は、単に例示のためであることと、本発明のデバイスは、どの配向又は様態で空間的に配置することもできることを理解されたい。
図１及び図２に示される第１の態様によれば、本発明は、少なくとも１つの音響波発生器に結合されるように適合されたベース２と、開口３１を備えるスペーサ３と、リフレクタ５とを備える、音響共振器として用いるのに適したデバイス１であって、
・ベース２が、厚さｔを有する突出部２１を備え、
・スペーサの開口３１が、ベースの突出部２１と相補的であり、
・デバイスが、ベースの突出部２１と相補的な開口４１を有するハウジング４をさらに備え、ハウジングの開口４１の内縁が、ベースの突出部２１と同じ厚さｔを有し、
・ハウジング４が、スペーサ３の厚さがベースの突出部２１とリフレクタ５との間の空洞の厚さを規定するように、スペーサ３とリフレクタ５との間に配置される、
デバイス１に関する。
・ベース２が、厚さｔを有する突出部２１を備え、
・スペーサの開口３１が、ベースの突出部２１と相補的であり、
・デバイスが、ベースの突出部２１と相補的な開口４１を有するハウジング４をさらに備え、ハウジングの開口４１の内縁が、ベースの突出部２１と同じ厚さｔを有し、
・ハウジング４が、スペーサ３の厚さがベースの突出部２１とリフレクタ５との間の空洞の厚さを規定するように、スペーサ３とリフレクタ５との間に配置される、
デバイス１に関する。
一実施形態によれば、ハウジング４は、スペーサ３とリフレクタ５との間に位置決めされ、これにより、突出部２１とリフレクタ５との間に空洞を構成し、このような空洞は、スペーサ３の内縁の厚さと同一の厚さを有する。
一実施形態によれば、突出部２１は、スペーサの開口３１及びハウジングの開口４１内に挿入される。
一実施形態によれば、ベース２はプレートである。一実施形態によれば、ベース２は、共振空洞と少なくとも１つの音響波発生器との間の結合層となるように適合される。一実施形態によれば、ベース２は円筒形である（すなわち円形の外周を有する）。
一実施形態によれば、ベース２は、ベース２から上方に突き出る突出部２１を備える。一実施形態によれば、突出部２１は一定の厚さを有する。一実施形態によれば、突出部２１の厚さは、１〜１０ｍｍ、好ましくは２〜５ｍｍの範囲である。
図４に示される別の実施形態によれば、突出部２１は、中空であり、空洞の底部プレートとして作用する底部プレート２１２を収容するように構成された周溝２１１を備える。前記底部プレート２１２は厚さｔを有する。一実施形態によれば、底部プレート２１２の厚さｔは、１〜１０ｍｍ、好ましくは２〜５ｍｍの範囲である。一実施形態によれば、前記周溝２１１は、空洞の密封性を保証するように構成されたＯリングを備える。
一実施形態によれば、突出部２１は軸対称である。一実施形態によれば、突出部２１は、円筒形、菱面体形、平行六面体形、又はリボン形である。
一実施形態によれば、突出部２１の面積は、１〜１０ｃｍ２、好ましくは１〜３ｃｍ２の範囲である。
一実施形態によれば、ベース２は、少なくとも１つの突出部２１を備える。一実施形態によれば、ベース２は、１つよりも多い突出部２１を備える。一実施形態によれば、ベース２は、それぞれ底部プレート２１２を備える１つよりも多い中空突出部２１を備える。
一実施形態によれば、スペーサ３はプレートである。一実施形態によれば、スペーサ３は、一定の厚さを有するプレートである。一実施形態によれば、スペーサ３は円筒形である（すなわち円形の外周を有する）。一実施形態によれば、スペーサ３の厚さは、１０μｍ〜２０００μｍ、好ましくは５０μｍ〜１０００μｍ、より好ましくは５０〜５００μｍの範囲である。
スペーサ３は開口３１を備える。一実施形態によれば、スペーサの開口３１は、突出部２１と相補的である。一実施形態によれば、スペーサの開口３１の形状は、突出部２１の形状と相補的である。一実施形態によれば、スペーサの開口３１は、突出部２１と協働するように適合された形状を有する。一実施形態によれば、スペーサの開口３１は、突出部２１がスペーサの開口３１に機械的遊びなしに挿入され、スペーサ３がベース２上に置かれるように、突出部２１と同じ形状を有する。突出部２１により、スペーサ３は、ベース２の平面内の平行移動を制約される。一実施形態によれば、突出部２１の形状は、ベース２に対するスペーサ３の回転を防ぐ。前記実施形態では、突出部２１は、円筒形ではないが、菱面体形、平行六面体形、又はリボン形であってもよい。
一実施形態によれば、スペーサ３と突出部２１は同じ厚さを呈さない。一実施形態によれば、スペーサ３の厚さは、突出部２１の厚さよりも小さい。一実施形態によれば、スペーサ３の厚さと突出部２１の厚さとの比は、０．５未満である。一実施形態によれば、スペーサ３の厚さと突出部２１の厚さとの比は、０．００１〜０．５、好ましくは０．００５〜０．２の範囲、好ましくは約０．０１である。
一実施形態によれば、スペーサ３は、ポリイミド又はポリエチレンテレフタレートから選択された材料を含む。
一実施形態によれば、スペーサ３は少なくとも１つの開口３１を備える。一実施形態によれば、スペーサ３は１つよりも多い開口３１を備える。
一実施形態によれば、リフレクタ５はプレートである。一実施形態によれば、リフレクタ５は一定の厚さを有する。一実施形態によれば、リフレクタ５は円筒形である（すなわち円形の外周を有する）。一実施形態によれば、リフレクタ５はどのような開口も備えない。一実施形態によれば、リフレクタ５の厚さは、５００μｍ〜４ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜２ｍｍの範囲である。
一実施形態によれば、リフレクタ５は、有機ガラス又はミネラルガラス、石英、熱可塑性材料、又は金属合金のなかで選択された材料を含む。一実施形態によれば、リフレクタ５は、ＴＡ６Ｖなどのチタン合金から作製される。一実施形態によれば、リフレクタ５は光学的に透明な材料を含む。一実施形態によれば、リフレクタ５は不透明材料を含む。
一実施形態によれば、ハウジング４はプレートである。一実施形態によれば、ハウジング４は一定の厚さを有し、特に、その開口４１の内縁は一定の厚さを有する。一実施形態によれば、ハウジング４の厚さ、特に、その開口４１の内縁の厚さは、ベースの突出部２１の厚さと同じ厚さｔを有する。一実施形態によれば、ハウジング４は円筒形である（すなわち円形の外周を有する）。一実施形態によれば、ハウジング４は開口４１を備える。一実施形態によれば、ハウジング４の厚さは、１〜１０ｍｍ、好ましくは２〜５ｍｍの範囲である。
一実施形態によれば、ハウジングの開口４１は、突出部２１と相補的である。一実施形態によれば、ハウジングの開口４１の形状は、突出部２１の形状と相補的である。一実施形態によれば、ハウジングの開口４１は、突出部２１と協働するように適合される。一実施形態によれば、ハウジングの開口４１は、突出部２１がハウジングの開口４１内に機械的遊びなしに挿入され、ハウジング４がスペーサ３上に置かれるように、突出部２１と同じ形状を有する。突出部２１により、ハウジング４は、ベース２の平面に沿った平行移動を制約される。一実施形態によれば、突出部２１の形状は、ベース２に対するハウジング４の回転を防ぐ。前記実施形態では、突出部２１は、円筒形ではないが、菱面体形、平行六面体形、又はリボン形であってもよい。
一実施形態によれば、ハウジング４は、少なくとも１つの開口４１を備える。一実施形態によれば、ハウジング４は、１つよりも多い開口４１を備える。
一実施形態によれば、ベース２、突出部２１、及び／又はハウジング４は、有機ガラス又はミネラルガラス、石英、熱可塑性材料、例えばアルミニウム又はステンレス鋼などの金属のなかで選択された材料を含む。一実施形態によれば、ベース２、突出部２１、ハウジング４、及び／又はリフレクタ５は、共振空洞を充填する流体の音響インピーダンスの好ましくは１０倍を超える、高い音響インピーダンスを有する材料を含む又はからなる。一実施形態によれば、突出部２１とリフレクタ５は異なる材料から作製される。一実施形態によれば、突出部２１とリフレクタ５は同じ材料から作製される。
一実施形態によれば、突出部２１は、光学的に透明な材料で作製される。一実施形態によれば、突出部２１は、有機ガラス又はミネラルガラス、石英、又は熱可塑性材料のなかで選択された材料で作製される。
一実施形態によれば、ベース２は、取り外し可能な底部プレート２１２を有する突出部２１を備え、前記底部プレート２１２は、光学的に透明な材料で作製される。一実施形態によれば、前記底部プレート２１２は、シリコンウェーハで作製される。一実施形態によれば、前記底部プレート２１２は、有機ガラス又はミネラルガラス、石英、又は熱可塑性材料のなかで選択された材料で作製される。
一実施形態によれば、デバイスは、ベース２、スペーサ３、ハウジング４、及びリフレクタ５を順次に備え、この場合、ベースの突出部２１は、デバイスが突出部２１とリフレクタ５との間に空洞を備えるように、スペーサの開口３１及びハウジングの開口４１内に挿入され、前記空洞は、スペーサ３の厚さと同じ厚さを有する。一実施形態によれば、前記空洞は、２００μＬ〜２０００μＬ、好ましくは１０００μＬ〜２０００μＬの範囲の容積を有する。従来技術のデバイスとは対照的に、空洞のこのような容積により、千を超える、好ましくは数十万を超える粒子が操作され得る。さらに、空洞のこのような寸法は、ミクロンサイズの粒子を操作することを可能にする。
一実施形態によれば、スペーサ３及びハウジング４は一定の厚さを有するので、空洞の上壁と下壁（すなわち、突出部の上面とリフレクタの下面）は平行である。
一実施形態によれば、スペーサ３及び／又はハウジング４は一定の厚さを有さず、ゆえに空洞の上壁と下壁（すなわち、突出部の上面とリフレクタの下面）は平行ではない。
ベース２、スペーサ３、及びハウジング４は、互いに接着されないので、空洞の厚さを変えるべくスペーサ３を容易に取り換えることができる。
一実施形態によれば、ハウジング４は、機械的遊びなしにリフレクタ５を収容するための上方に突き出る周壁４２を備える。一実施形態によれば、リフレクタ５は、ハウジング４の上に置かれる。一実施形態によれば、リフレクタ５はハウジング４に接着されない。一実施形態によれば、リフレクタ５は、ハウジング４に接着又は固定される。空洞内に流体の流れが存在しない一実施形態によれば、リフレクタは、ハウジングの上に置かれ、接着剤又は固定手段なしに毛管力により維持され得る。
一実施形態によれば、デバイスは、ベース２、スペーサ３、ハウジング４、及びリフレクタ５を好ましくは機械的遊びなしに共に取り囲む、支持ベース６及び上部７をさらに備える。一実施形態によれば、ベース２、スペーサ３、ハウジング４、及びリフレクタ５は、支持ベース６と上部７との間の定位置に保持される。
一実施形態によれば、支持ベース６は、ベース２から下方に及び外方に延びる。一実施形態によれば、上部７は、ベース２、スペーサ３、ハウジング４、及びリフレクタ５を包み込む。一実施形態によれば、支持ベース６と上部プレート７は、例えば、ねじで互いに取り付けられる。
一実施形態によれば、デバイスは、支持ベース６と上部７との間の密封性を保証するガスケット８をさらに備える。
一実施形態によれば、上部７は、頂部に光学的に透明な窓を備える。一実施形態によれば、空洞は、例えば粒子間の音響相互作用を研究するために光学的に透明な窓越しに電子顕微鏡で観察することができる。
図４に示される１つの代替的な実施形態によれば、デバイス１は、支持ベース６の突出部６１がベース２の突出部２１内に挿入され得るように、ベース２の突出部２１の形状と相補的な形状を有する突出部６１を備える支持ベース６をさらに備える。前記実施形態によれば、音響波発生器が支持ベース６１の突出部に固定されるときに、音響波発生器はベースの突出部２１に結合されてよい。一実施形態によれば、デバイスは、上部７及び支持ベース６を備えず、ハウジング４とベース２は、ボルト留めされる、ねじ留めされる、又は当業者に公知の任意の手段によって維持される。一実施形態によれば、支持ベース６１の突出部は、光学的に透明な材料で作製される。一実施形態によれば、支持ベース６１の突出部は、有機ガラス又はミネラルガラス、石英、又は熱可塑性材料のなかで選択された材料で作製される。
一実施形態によれば、突出部２１は、少なくとも１つの入口２２及び少なくとも１つの出口２３を備える。一実施形態によれば、前記入口２２及び出口２３は、空洞に流体を充填する及び／又は空洞内に流体の流れを生み出すのに適する。一実施形態によれば、ベース及び／又は支持ベースは、それぞれ突出部の入口及び出口に流体接続される入口チャネル及び出口チャネルを備える。一実施形態によれば、入口２２及び出口２３は突出部２１の中央には存在しない。一実施形態によれば、流量は、操作されることになる粒子、空洞の容積、及び印加される音響力場に依存する。例えば、流体は、０．０１ｍＬ／ｍｉｎ〜１００ｍＬ／ｍｉｎの範囲の流量で流れてよい。一実施形態によれば、粒子の操作中に１つよりも多い流量が実施されてもよい。一実施形態によれば、流体は液体である。一実施形態によれば、液体は、水性液体、有機液体、血漿などの生物学的液体、ＬＢ（Ｌｙｓｏｇｅｎｙ Ｂｒｏｔｈ）基礎成長細菌培地などの組織培地、イオン液体、又は担体造形につながるポリマー溶液などの複合流体から選択される。
一実施形態によれば、突出部２１は底部プレート２１２を備え、底部プレートは、空洞に流体を充填する及び／又は空洞内に流体の流れを生み出すのに適した少なくとも１つの入口及び少なくとも１つの出口を備えてよい。
一実施形態によれば、突出部２１は、どのような入口又は出口も備えない。前記実施形態では、デバイスは、例えば、どのような流れもなしに（すなわち、リフレクタをハウジング上に配置する前に）空洞内に配置される溶液の１つ又は複数の液滴の分析に用いられる。
一実施形態によれば、突出部２１は少なくとも２つの入口を備え、少なくとも１つの入口はサンプルを導入し、少なくとも１つの入口は反応剤（例えば、サンプルの洗浄、希釈、又は試験のための）を導入する。一実施形態によれば、突出部２１は少なくとも２つの出口を備える。一実施形態によれば、各出口は、収集されることになるサンプルに応じて開閉するバルブに流体接続される。
一実施形態によれば、一方の出口の付近の突出部２１の厚さは、他方の出口の付近の突出部２１の厚さとは異なる。
図２に示される一実施形態によれば、突出部２１は、共振空洞が互いに流体連通する複数の区画を備えるように、例えばピンなどの上方に突き出る複数のセパレータ２４を備える。一実施形態によれば、セパレータは、スペーサ３の内縁の厚さに等しい又はより小さい厚さを有する。一実施形態によれば、各区画は、音響波発生器と結合するように適合される。一実施形態によれば、前記区画は、異なる厚さを有していてもよく、又は異なる培地、異なる周波数、及び／又は異なる音響波発生器と共に用いられてもよい。
一実施形態によれば、粒子の操作を並列にするために、ベースは１つよりも多い突出部を備えてもよく、スペーサ及びハウジングは突出部と相補的な１つよりも多い開口を備えてもよい。前記実施形態内では、異なる流体内で異なる粒子が操作されてよく又は同じ粒子が操作されてよい。
図３に示される第２の態様によれば、本発明はまた、本発明に係るデバイス１と、ベースに結合された少なくとも１つの音響波発生器９とを備える、音響共振器１１に関する。
一実施形態によれば、少なくとも１つの音響波発生器は、円筒形、四角形、ロッド形、又はリング形である。
一実施形態によれば、少なくとも１つの音響波発生器９は、ベース２に接着又は固定される。
一実施形態によれば、少なくとも１つの音響波発生器９は、支持ベース６の突出部６１に接着又は固定される。一実施形態によれば、突出部６１の高さは、少なくとも１つの音響波発生器９が前記突出部６１に接着又は固定されるときに、少なくとも１つの音響波発生器９が突出部２１に結合されるように構成される。前記結合は、乾式結合であってよく、又は任意の結合手段を用いてもよい。
一実施形態によれば、少なくとも１つの音響波発生器９がベースの突出部２１よりも下に存在する。一実施形態によれば、複数の音響波発生器９がベースの突出部２１よりも下に存在する。一実施形態によれば、ベース２は、少なくとも１つの音響波発生器９を収容するための突出部２１の背面上にエッチングされる。
一実施形態によれば、少なくとも１つの音響波発生器９が支持ベース６１の突出部の頂部に存在する。一実施形態によれば、複数の音響波発生器９が支持ベース６１の突出部の頂部に存在する。
一実施形態によれば、少なくとも１つの音響波発生器９は超音波発生器である。一実施形態によれば、少なくとも１つの音響波発生器９は圧電振動子である。
一実施形態によれば、リフレクタ５の光学的に透明な部分の面積は、少なくとも１つの音響波発生器の面積よりも大きく、これにより、音響力場の上流及び下流を調査することが可能である。
一実施形態によれば、リフレクタ５、ベース２の突出部２１、及び支持ベース６の突出部６１は、光学的に透明な材料を含み、少なくとも１つの音響波発生器９は、少なくとも１つのリング形音響波発生器である。前記実施形態は、透過顕微鏡による空洞の光学的分析を可能にする。
第３の態様によれば、本発明はまた、本発明に係るデバイスを用いて流体中の粒子を捕捉する方法に関する。
特に、流体中の粒子を捕捉する方法は、
ｉ．本発明の一実施形態に係る音響共振器を提供するステップと、
ｉｉ．粒子を含む流体を空洞に導入するステップと、
ｉｉｉ．周波数ｆを、空洞内の定在波の経路長が空洞内の音波の波長の１／２の倍数であるように選択するステップと、
ｉｖ．粒子を捕捉するステップと、
を含む。
ｉ．本発明の一実施形態に係る音響共振器を提供するステップと、
ｉｉ．粒子を含む流体を空洞に導入するステップと、
ｉｉｉ．周波数ｆを、空洞内の定在波の経路長が空洞内の音波の波長の１／２の倍数であるように選択するステップと、
ｉｖ．粒子を捕捉するステップと、
を含む。
一実施形態によれば、粒子を捕捉する方法は、流体の流れなしに、又は流体の連続流又は拍動流と共に実施されてもよい。
一実施形態によれば、粒子の捕捉は、浮揚、選択的集束、ＭＳＦ、フロー捕捉分級、又は選択的集束捕捉によって実施されてもよい。したがって、本発明の音響共振器は、多目的音響トラップであり、好ましくは多目的音響浮揚トラップである。１つの好ましい実施形態によれば、粒子の捕捉は、浮揚によって実施されてもよい。
浮揚は、音響定在波、好ましくは空洞の厚さ内の節及び腹によって特徴付けられる超音波放射圧プロファイルを生じる超音波定在波により発生する。節及び腹は、空洞の厚さ内のどこにでも、壁の近くにでさえも位置し得る。節が空洞の中央平面に位置するときに、例えば、集束する力である放射力が、粒子を壁から引き離すことにより粒子と壁との相互作用を防ぐ。他の構成では、周波数を僅かに変化させることにより、節位置を壁の方へ制御された様態で動かすことで修正することができ、したがって、粒子の平衡位置を、空洞の厚さ全体を通して調整することができる。
粒子種をいずれかの壁の方に押すことにより、或いは節又は腹を壁の近くに位置させることにより、粒子と壁との相互作用を発生させる及び研究すること、並びに、節面への緩和がサイズ選択的であることに基づいて部分分離を生じさせることも可能である。
一実施形態によれば、本発明の音響共振器は、非生物粒子、及び、例えば、細胞、細菌、ウィルス、ＤＮＡ、タンパク質などの生物粒子と共に用いられてもよい。
一実施形態によれば、粒子は、ナノ又はミクロンサイズの粒子である、すなわち、０．１〜数百マイクロメートル、好ましくは０．１〜９００μｍ、より好ましくは１〜５００μｍ、さらにより好ましくは１０〜４００μｍの範囲の少なくとも１つのサイズを有する。
一実施形態によれば、操作又は捕捉されることになる粒子は、剛性粒子、弾性粒子、ミネラル粒子、又は生物学的粒子から選択される。一実施形態によれば、操作又は捕捉されることになる粒子は、藻類、微生物、細菌、ウィルス、ＤＮＡ、タンパク質、又はパン種から選択される。一実施形態によれば、操作又は捕捉されることになる粒子は、コロイド状のエマルジョン、非コロイド状のエマルジョン、イオン流体、又は活性流体から選択される。一実施形態によれば、操作又は捕捉されることになる粒子は、細胞、細胞残屑などの細胞の一部、或いは、例えば血液細胞、海綿状細胞、又は上皮細胞などの細胞のクラスタから選択される。一実施形態によれば、操作又は捕捉されることになる粒子は、リン脂質、リポソーム、又はベシクルから選択される。一実施形態によれば、操作又は捕捉されることになる粒子は、金属マイクロファイバなどのマイクロ粒子、或いはカーボンナノチューブ又はその混合物などのナノ粒子から選択される。一実施形態によれば、粒子を捕捉する方法は、生物学的流体又はイオン流体中の細菌或いはマイクロ／ナノロボットなどの自己推進物体と共に実施される。一実施形態によれば、粒子を含む流体は有機流体又は無機流体である。
一実施形態によれば、突出部の上面及び／又はリフレクタの下面は、粒子の検出を可能にする感知媒体を備えてもよい。一実施形態によれば、突出部の上面及び／又はリフレクタの下面は、課された流れ又は音響力場によって発生した流れのいずれかにより、空洞を通って流れる表面抗原受容体で標識された特異的細胞を捕捉するために特異的抗体で標識されてもよい。
一実施形態によれば、本発明の音響共振器は、異なる細胞を凝集する及び操作することにより組織工学で用いられてもよい。
一実施形態によれば、捕捉する方法はまた、例えばフィルタを生産するための二次元又は三次元構築物の製作のために粒子を凝集するステップを含んでもよい。
一実施形態によれば、本発明のデバイス及び／又は本発明の音響共振器は、例えば、ベース内のペルチェシステム又は加熱回路などの当業者に公知の任意の手段によって温度制御される。
種々の実施形態が説明及び例示されているが、詳細な説明は、これに限定されるものとして解釈されるべきではない。請求項によって定められる本開示の真の精神及び範囲から逸脱することなく当業者は実施形態に種々の修正を加えることができる。
本発明は、以下の実施例によってさらに例示される。
実施例１：細菌の操作
細菌懸濁液が、本発明の音響共振器の空洞内に噴射される。細菌の濃度は、高濃度のサンプルから非常に希薄なサンプルまで変化し得る。
音響波発生器により空洞内に音響力場が発生し、音響力場の下で数千又は数百万の細菌が捕捉され、これにより、浮揚での安定した凝集を誘起する。
したがって、懸濁培地の機能のその経時変化を観察することにより、細菌の安定したコロニーを研究することができる。全コロニーを捕捉し、新しい平衡を確立するために培地を変更することができる。培地を変更することにより本発明の音響共振器内で特定の細菌を除外することも可能である。
サンプルが操作されると、当業者に公知の任意の技術を用いる他の研究に付託されるべくアッセイ後に空洞が取り外されてよく、サンプルが収集されてよい。
実施例２：微粒子種の分離
異なる粒子種又は異なる濃度の粒子種を含む懸濁液が、本発明の音響共振器の空洞内に噴射される。粒子種は、サイズ又はさらには音響インピーダンスなどの音声特性が異なるものとすることもできる。本発明の実施例内では、直径７μｍ（Ａ）及び直径２μｍ（Ｂ）のポリスチレンの２つの粒子種の懸濁液が空洞内に噴射される。
適切な周波数を選択することにより、異なる粒子種が捕捉され、空洞の壁から異なる距離に位置することになる。異なる平衡位置に達すると、一種類の粒子種のみが捕捉されている状態で他の粒子種（単数又は複数）は溶離されるような様態で流れが確立され、収集したサンプルは、捕捉された粒子種がフィルタされている。
音響力は粒径に依存するので、音響力は、より大きい粒子種の方がはるかにより強く、直径７μｍの粒子種の方が直径２μｍの粒子種よりも少なくとも４０倍強い。したがって、ａ）粒子種が平衡位置に達するのにかかる時間は、より大きい粒子種の方がはるかにより短い、及びｂ）捕捉した粒子種を保持するための力は、より大きい粒子種の方がはるかにより強い、という２つの効果が用いられる。
その結果、流れが確立されるときに、異なる粒子種の平均位置は異なっており、空洞に沿って異なる輸送を生じている。
本発明の実施例内では、７μｍの粒子が捕捉されている状態で最小の粒子種を溶離することができる。図５は、２つの粒子種に対応するピークを有する密度プロファイルを例示する。特に、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、及び図５Ｅは、それぞれ０秒、２秒、３秒、４秒、及び５秒後の両方の粒子種の異なる位置を順に示す。
１−音響共振器として用いるのに適したデバイス
１１−音響共振器
２−ベース
２１−突出部
２１１−溝
２１２−底部プレート
２２−入口
２３−出口
２４−セパレータ
３−スペーサ
３１−スペーサの開口
４−ハウジング
４１−ハウジングの開口
４２−周壁
５−リフレクタ
６−支持ベース
６１−突出部
７−上部
８−ガスケット
９−音響波発生器
１１−音響共振器
２−ベース
２１−突出部
２１１−溝
２１２−底部プレート
２２−入口
２３−出口
２４−セパレータ
３−スペーサ
３１−スペーサの開口
４−ハウジング
４１−ハウジングの開口
４２−周壁
５−リフレクタ
６−支持ベース
６１−突出部
７−上部
８−ガスケット
９−音響波発生器
Claims (17)
- 少なくとも１つの音響波発生器に結合されたベース（２）と、開口（３１）を備えるスペーサ（３）と、リフレクタ（５）とを備える、音響共振器（１１）として用いるのに適したデバイス（１）であって、
・前記ベース（２）が、厚さｔを有する突出部（２１）を備え、
・前記スペーサの開口（３１）が、前記ベースの突出部（２１）と相補的であり、
・前記デバイス（１）が、前記ベースの突出部（２１）と相補的な開口（４１）を有するハウジング（４）をさらに備え、前記開口（４１）の内縁が、前記突出部（２１）と同じ厚さｔを有し、
・前記ハウジング（４）が、前記スペーサ（３）の内縁の厚さが前記突出部（２１）と前記リフレクタ（５）との間の空洞の厚さを規定するように、前記スペーサ（３）と前記リフレクタ（５）との間に配置される、
ことを特徴とする、デバイス（１）。 - 前記突出部（２１）が軸対称である、請求項１に記載のデバイス。
- 前記デバイスが、支持ベース（６）及び上部（７）をさらに備え、前記ベース（２）、前記スペーサ（３）、前記ハウジング（４）、及び前記リフレクタ（５）が、前記支持ベース（６）と前記上部（７）との間の定位置に保持される、請求項１又は２に記載のデバイス。
- 前記支持ベース（６）が、前記ベース（２）から外方に延び、前記上部（７）が、前記ベース（２）、前記スペーサ（３）、前記ハウジング（４）、及び前記リフレクタ（５）を包囲し、前記支持ベース（６）及び前記上部プレート（７）が、ねじで互いに取り付けられる、請求項３に記載のデバイス。
- 前記支持ベース（６）と前記上部（７）との間の密封性を保証するガスケット（８）をさらに備える、請求項３又は４に記載のデバイス。
- 前記突出部（２１）が、少なくとも１つの入口（２２）及び少なくとも１つの出口（２３）を備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記ベース（２）、前記突出部（２１）、及び／又は前記ハウジング（４）が、金属又はプラスチックから選択された材料を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記リフレクタ（５）が、ガラス、石英、又はプラスチックから選択された光学的に透明な材料を含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記突出部（２１）が、ガラス、石英、又はプラスチックから選択された光学的に透明な材料を含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記上部（７）が頂部に光学的に透明な窓を備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記スペーサ（３）が、ポリイミド又はポリエチレンテレフタレートから選択された材料を含む、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のデバイス。
- 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のデバイスと、前記ベースに結合された少なくとも１つの音響波発生器（９）とを備える、音響共振器（１１）。
- 前記少なくとも１つの音響波発生器（９）が前記ベースの突出部（２１）よりも下に存在する、請求項１２に記載の音響共振器。
- 前記少なくとも１つの音響波発生器（９）が超音波発生器である、請求項１２又は請求項１３に記載の音響共振器。
- 前記少なくとも１つの音響波発生器（９）が圧電振動子である、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の音響共振器。
- 前記少なくとも１つの音響波発生器（９）がリング形である、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の音響共振器。
- 流体中の粒子を捕捉する方法であって、
ｉ．音響共振器（１１）であって、前記音響共振器（１１）が、
・周波数ｆの音波を発生させるための少なくとも１つの音響波発生器（９）と、
・前記少なくとも１つの音響波発生器（９）に結合されたベース（２）と、
・開口（３１）を備えるスペーサ（３）と、
・開口（４１）を備えるハウジング（４）と、
・リフレクタ（５）と、
を備え、
前記ベース（２）が、厚さｔを有する突出部（２１）を備え、
前記スペーサの開口（３１）が、前記ベースの突出部（２１）と相補的であり、
前記ハウジングの開口（４１）が、前記ベースの突出部（２１）と相補的であり、
前記ハウジングの開口（４１）の内縁が、前記突出部（２１）と同じ厚さｔを有し、
前記ハウジング（４）が、前記スペーサ（３）の厚さが前記突出部（２１）と前記リフレクタ（５）との間の空洞の厚さを規定するように、前記スペーサ（３）と前記リフレクタ（５）との間に配置される、
音響共振器（１１）を提供するステップと、
ｉｉ．粒子を含む流体を前記空洞に導入するステップと、
ｉｉｉ．周波数ｆを、前記空洞内の定在波の経路長が前記空洞内の音波の波長の１／２の倍数であるように選択するステップと、
ｉｖ．前記粒子を捕捉するステップと、
を含む、方法。
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