(57)【要約】【課題】流体中に取り込まれた粒子を誘導するための装置を提案する。【解決手段】流体中に取り込まれた粒子を誘導するための装置は、周波数νを有する音波を生成する手段を含む第１の壁と、音波を反射することが可能な第２の対向壁とを有するチャンバを備え、第１および第２の壁は、流体通過用導管を定め、第２の壁の厚さは、第２の壁における定常波の経路長が、第２の壁中の音波の波長λｒのほぼ１／２の倍数になるような厚さである。【選択図】図６
2010032536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中に取り込まれた粒子を誘導するための装置であって、周波数νを有する音波を生成する手段を含む第１の壁と、音波を反射することが可能な第２の対向壁とを有するチャンバを備え、第１および第２の壁は、流体通過用導管を定め、第２の壁の厚さは、第２の壁における定常波の経路長が、第２の壁中の音波の波長λｒのほぼ１／２の倍数になるような厚さである装置。
【請求項２】
第１の壁は、結合層をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
導管の幅は、流体における音波の波長λｆに対する１／２または１／４の倍数である、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
第１の壁における音波を伝達する材料の厚さは、第１の壁中の音波の波長λｔの１／２または１／４の倍数である、請求項２に従属する場合の請求項３に記載の装置。
【請求項５】
音波を生成することが可能な材料の厚さは、該材料中の音波の波長λｇの１／２の奇数倍である、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
音波の全音響経路長は、全音響経路長中の音波の波長λの１／２の倍数である、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
音波を生成することが可能な材料は、圧電セラミックである、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
音波の周波数νは、圧電セラミック材料の共振周波数または共振周波数の付近である、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
第２の壁は、ガラス、鋼、炭素、またはケイ素を含む、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
音波を伝達することができる第１の壁における材料は、鋼、炭素、またはケイ素を含む、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
音波は、超音波である、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
第１および／または第２の壁、または第１および／または第２の壁の付近で、粒子を検出する検出手段をさらに備える、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
検出手段は、生体感知媒体を備える、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
生体感知媒体は、１つまたは複数の抗体またはレクチンを含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
第２の壁は着脱可能である、請求項１２から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
第２の壁および生体感知媒体は、表面プラズモン共鳴または金属漏出導波路チップを含む、請求項１２から１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
検出手段は、第２の壁に入射する光を供給する手段と、共鳴または光結合に必要な光の角度の変化を検出する手段とをさらに備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
検出手段は、粒子から散乱または放射された光を検出する手段をさらに備える、請求項１６または１７に記載の装置。
【請求項１９】
流体中の粒子を検出するための方法であって、ｉ）流体通過用導管をともに定める、周波数νの音波を生成する手段を含む第１の壁、および音波を反射することが可能な第２の対応壁と、第１および／または第２の壁における粒子を検出する検出手段とを備えるチャンバに流体を通す工程と、ｉｉ）第２の壁における定常波の経路長が、第２の壁中の音波の波長λｒのほぼ１／２の倍数になるように周波数νを選択する工程と、ｉｉｉ）粒子を検出する工程とを含む方法。
【請求項２０】
導管の幅は、流体における音波の波長λｆの１／４である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２１】
検出工程の前に、チャンバから第２の壁が取り外される、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中の粒子を誘導するための装置に関する。本発明は、特には、流体中に単一の圧力波節点を有する超音波定常波を利用して、粒子を平面境界に誘導する装置に関するが、それに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
粒子の懸濁液を含む流体に超音波定常波を形成すると、粒子を圧力波節点または圧力波腹点の方へ誘導するように作用する力が、粒子に加えられることが知られている。特に、水性懸濁液中の細菌は、その質量密度および音の速度が水より大きいため、圧力波節点に誘導されることが知られている。対照的に、水中の油滴または気泡は、その質量密度および音の速度が水より小さいため、圧力波腹点に誘導される。
【０００３】
これらの音響放射力の大きさおよび方向については、広範に議論されてきた。例えば、Ｋｉｎｇ、Ｌ．Ｖ．Ｐｒｏｃ．Ｒ．Ｓｏｃ．、１９３４年、Ｌｏｎｄｏｎ  Ａ１４７、２１２〜２４０ページ、Ｙｏｓｉｏｋａ、Ｋ．ａｎｄ  ｋａｗａｓｉｍａ、Ｙ．、Ａｃｕｓｔｉｃａ、１９９５年、５、１６７〜１７３ページ、Ｇｏｒ’ｋｏｖ、Ｌ．Ｐ．、Ｓｏｖ．Ｐｈｙｓ．Ｄｏｋｌ．、１９６２年、６、７７３〜７７５ページ、Ｎｙｂｏｒｇ、Ｗ．Ｌ．、Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、１９６７年、４２、９４７〜９５２ページ、Ｃｒｕｍ、Ｌ．Ａ．、ｉｂｉｄ．、１９７１年、５０、１５７〜１６３ページ、Ｇｏｕｌｄ、Ｒ．Ｋ．ａｎｄ  Ｃｏａｋｌｅｙ、Ｗ．Ｔ、Ｐｒｏｃ．１９７３年  Ｓｙｍｐ．ｏｎ  Ｆｉｎｉｔｅ−Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｗａｖｅ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  Ｆｌｕｉｄｓ（Ｐｅｒｇａｍｏｎ  Ｐｒｅｓｓ、Ｇｕｉｌｄｆｏｒｄ、ＵＫ  １９７４年）、２５２〜２５７ページ、Ｗｈｉｔｗｏｒｔｈ、Ｇ．ａｎｄ  Ｃｏａｋｌｅｙ、Ｗ．Ｔ．、Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，１９９２年、９１、７９〜８５ページ、およびＧｒｏｓｃｈｌ  Ｍ．、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  Ａｃｕｓｔｉｃａ−ａｃｔａ  ａｃｕｓｔｉｃａ、１９９８年、８４、４３２〜４４７ページを参照されたい。
【０００４】
音響定常波システムにおける圧力波腹点は、一般には、音響インピーダンスが著しく異なる材料間の１つまたは複数の境界に生じることがよく知られている。例えば、圧力波腹点は、水とステンレス鋼またはガラス層との間の境界に生じる。現在までは、境界面に圧力波節点を配置することによって、粒子を境界面に誘導することは可能ではなかった。したがって、米国特許第５２２５０８９号、米国特許第５６２６７６７号、欧州特許第０６３３０４９号、および欧州特許第０３８０１９４号には、いずれも、圧力波腹点が境界面に存在する、粒子を誘導するための音響装置が開示されている。
【０００５】
超音波定常波システムにおける圧力波節点の位置は、流体層に単一の波節点を有する定常波を生成することが望ましいときには、特に興味深い。そのようなシステムは、流体層の幅または厚さが、流体における定常波の波長λｆの半分または４分の１であることを必要とする。
【０００６】
ここではλ／２システムと称する、半波長厚みを含むシステムは、当該技術分野で知られており、Ｈａｗｋｅｓ、Ｊ．Ｊ．他、ｉｎ  Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、２００２年、１１１、１２５９〜１２６６ページ、およびＳｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ、２００１年、７５、２１３〜２２２ページによって広範に議論されている。音響チャンバは、圧電セラミックおよびステンレス鋼の透過層を有する第１の壁と、ガラスの第２の反射壁とを備える。音波の周波数は、システムにおける最大エネルギーを流体層に集中させることを確実にするために、ガラス反射板の厚さが、ガラス中の定常波の４分の１波長になるように選択される。圧電セラミックと鋼層、鋼層と流体層、および流体層とガラス壁の境界に形成された圧力波腹点は、流体層の中心に定常波に対する圧力波節点をもたらす。粒子を流体から濾過するために（Ｓｐｅｎｇｌｅｒ、Ｊ．Ｆ．他、Ｂｉｏｓｅｐａｒａｔｉｏｎ、２００１年、９、３２９〜３４１ページ）、またある流体から他の流体に粒子を移動させるために（同時係属出願、英国特許出願第ＧＢ０２２３５６２．０号を参照されたい）、λ／２システムが使用された。
【０００７】
ここではλ／４システムと称し、上述のシステムと類似した４分の１波長厚みを含むシステムは、これまでは実用的価値がないと考えられていた。ガラス反射板の厚さがガラスにおける定常波の４分の１波長になるように、音波の周波数を選択するという明白な要件によって、そのシステムが制約される。特に、圧力波節点は、流体層と、鋼層またはガラス壁のいずれかとの境界でのみ生じることができる。しかし、空気の音響インピーダンスが低いために、圧力波節点は、空気に接触する境界でも生じることになるため、定常波システムに位相変化が発生しうる。この位相変化は、必然的に圧電セラミックで発生するため、圧力波節点は、多くの実用的用途に望まれるように流体とガラス壁との境界ではなく、鋼層と流体との境界に形成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この問題のいくつかのアプローチは、反射壁における所謂「圧力リリース」に的を絞ったものであった。特に、ガラス反射板の厚さを最小限に抑えるか、または流体と同様の音響特性を有する材料を代用する試みがなされてきた。しかし、これらのアプローチは、要求される厚さにより、反射板の製造および取扱いが困難になり、反射板が機械的衝撃で破損しやすいという点で、または定常波が生成されないという点で甚だ非実用的なものでありまたは作動しないものである。
【０００９】
出願人は、驚いたことに、λ／２システムとλ／４システムの双方における周波数および／または反射板の厚さの選択が、粒子を１つまたは複数の流体境界面に誘導するのに実用的な価値を有することを見いだした。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
よって、一態様において、本発明は、流体に取り込まれた粒子を誘導するための装置を提供し、装置はチャンバを備え、チャンバは、周波数νの音波を生成する手段を含む第１の壁と、音波を反射することが可能な第２の対向壁とを有し、第１および第２の壁は、流体が通過するための導管を定め、第２の壁の厚さは、第２の壁における定常波の経路長が、第２の壁中の音波の波長λｒのほぼ１／２の倍数になるような厚さである。
【００１１】
第２の壁の厚さ（または音波の周波数ν）を、第２の壁における定常波の経路長が約１／２λｒになるように選択すると、流体境界面のいずれか一方または両方に圧力波節点が生じることが理解されるであろう。特に、第２の壁は、選択された波長で共振し、その結果として、流体に対する壁の比較的高い音響インピーダンスが、効果的に０に引き下げられることが理解されるであろう。さらに、システムにおけるエネルギーが共振する第２の壁に集中するが、波節点で粒子に作用する力の大きさは、流体における層流の方向を横切って粒子を駆動するのに十分なものである。この点で、選択された厚さまたは動作周波数では、第２の壁の共振によって生成された熱は、局所的な温度をわずかに（５℃から１０℃）上昇させるにすぎないことが観察される。
【００１２】
本発明は、第２の壁の厚さまたは音波の周波数νを、第２の壁における定常波の経路長が、第２の壁中の音の波長のちょうどλ／２の倍数になるような厚さまたは周波数にすることを必要としない。特に、本明細書で用いられる「ほぼ１／２λｒの倍数」という用語は、経路長が、第２の壁における音の波長λｒのｎ（１／２）倍に対する理論値の＋／−５％以内である（ただし、ｎは偶数または１を含む奇数である）ことを意味するものと理解されるであろう。
【００１３】
しかし、反射板の厚さまたは音波の周波数を、定常波の経路長が、１／２λｒの倍数値になるように選択しても、局所的な温度は、音の速度、そして第２の壁における定常波の波長が、著しく変化するほど上昇してはならない。好ましくは、ｎの値は１から５の範囲にある。より好ましくは、第２の壁の厚さは約１／２λｒ（ｎ＝１）である。
【００１４】
流体層に十分なエネルギーを確保する要件に従えば、第１の壁の厚さは、本発明にとって重要ではないことは理解される。好ましくは、第１の壁の厚さは、第１の壁中の音波の波長λｇの１／２、または１／４の奇数倍（ｎは奇数）。さらにより好ましくは、第１の壁の厚さは、第１の壁中の音波の波長λｇの１／２である。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態において、該装置は、音波を伝送することが可能である、第１の壁に接触する材料をさらに含む。第１の壁の内面に結合層を含めることは、当該技術分野ではよく知られている。結合層の厚さは、エネルギーの要件に従えば、本発明にとって重要ではない。しかし、好ましい厚さは、結合層中の音波の波長λｔの１／２の偶数または奇数倍（ｎは偶数または奇数）、あるいは１／４の奇数倍（ｎは奇数）である。
【００１６】
さらに、導管の幅は、エネルギーの要件に従えば、本発明によって制限されない。しかし、好ましくは、導管の幅は、導管中の音波の波長λｆの１／２の偶数または奇数倍（ｎは偶数または奇数）、あるいは１／４の奇数倍（ｎは奇数）である。勿論、幅が、流体における音波の波長λｆの１／２または１／２の倍数である場合は、複数の圧力波節点が、流体層に存在する。しかし、このシステムでは、圧力波節点は、常に流体層の境界に存在することになる。同様に、導管の幅が、流体における音波の波長λｆの１／４の奇数倍である場合にも、複数の圧力波節点が、存在することになる。しかし、このシステムでは、圧力波節点は、常に流体層の第２の壁との境界に存在することになる。
【００１７】
しかし、本発明の極めて好ましい実施形態では、導管の幅は、流体における音波の波長λｆの１／４である。この実施形態において、単一の圧力波節点は、流体層に存在し、かつ流体層と第２の壁との境界に位置する。この実施形態は、流体における粒子が、専ら流体層と第２の壁との境界面に駆動されるという点において特に有利である。
【００１８】
既に述べたように、本発明のシステムにおける定常波のエネルギーは、重要な要素である。したがって、好ましくは、周波数ν、第１および第２の壁の厚さ、ならびに導管の幅は、システムにおける定常波の全経路長（すなわちΣλｒ、λｔ、λｆ、λｇ）が、λ／２の倍数になるようにする。所望の動作周波数および厚さにおける十分なエネルギーは、第１の壁によって生成された音波の振幅を選択することによって得ることが可能である。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態において、超音波を生成することが可能な材料は、圧電セラミックを含む。これらの実施形態において、装置は、圧電セラミックに交流電位を加える手段をさらに備える。加えられた交流電位の大きさによって、音波の大きさが制御される。好ましくは、加えられた電位の周波数は、圧電セラミックの基本共振周波数または基本共振周波数の付近にある。しかし、他の周波数を用いることもできる。勿論、レーザおよび静電アクチュエータを含む他の超音波源を使用することもできる。
【００２０】
透過層および第２の壁の材料は、当該技術分野に知られているような任意の材料を含むことができる。好ましくは、音波を反射することが可能な材料はガラスを含む。有利には、第２の壁は、ガラスの顕微鏡スライドを含む。透過層は、特に鋼、炭素、またはケイ素を含むことができる。
【００２１】
本発明による装置は、導管を通じて流体の流れを供給する手段を備えることもできる。好ましくは、該手段はポンプなどを備える。
【００２２】
本発明は、流体境界面のいずれかまたは両方への流体中の粒子の操作を可能にする。したがって、本発明は、例えばこれらの表面のうちの１つまたは複数の表面に集めることによって、粒子を流体から濾過する代替的な可能性を提供する。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態において、該装置は、チャンバの第１および／または第２の壁またはチャンバの第１および／または第２の壁の付近で粒子を検出する手段をさらに備える。
【００２４】
極めて好ましい実施形態において、導管の幅は、その中の定常波の経路長が、流体における音波に波長のλｆの１／４になるような幅である（λ／４システム）。この実施形態では、流体と第２の壁との境界に位置する単一の圧力波節点のみが、流体層に存在するため、検出手段は第２の壁に設けられる。
【００２５】
本発明は、粒子を検出する何らかの特定の手段に限定されない。装置は、当該技術分野に知られている、粒子を検出する任意の好適な検出手段を備えることができる。しかし、好ましくは、検出手段は、細菌、ウイルス、ＤＮＡ、およびタンパク質などの粒子を感知することが可能な感知媒体を含むバイオセンサを備える。さらにより好ましくは、検出手段は、光学的バイオセンサを含む。
【００２６】
感知媒体は、特に、対象とする粒子に特有の捕獲剤を支持するアガロースまたはデキストランゲル基質を含むことができる。捕獲剤の好ましい形態としては、抗体またはレクチンが挙げられる。勿論、感知媒体は、他の不活性基質を含み、かつ／または様々な粒子に特有の複数の捕獲剤を支持することもできる。
【００２７】
一実施形態において、第２の壁は、少なくとも一部に、感知媒体の層が設けられる。特に、第２の壁および感知手段は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）センサチップ、または金属クラッド漏出導波路（ＭＬＣＷ）センサチップなどを備えることができる。当該チップは、チップの下側から感知媒体または流体中のエバネッセント波への入射光の結合角のシフトにより、捕獲粒子の検出を可能にする。例えば、参照により本明細書に組み込まれている同時係属特許出願ＰＣＴ／ＧＢ０２／０４５０４５号を参照されたい。
【００２８】
検出手段は、顕微鏡、ＣＣＤビデオカメラ、および／または画像解析システムをさらに備えることができる。あるいは、またはさらに、検出手段は、検知媒体または流体中のエバネッセント波への光の結合角のシフトを検出する手段を備えることができる。検出手段は、特に、チップの上面を画像化するか、またはチップ上の粒子からの散乱または放射される光を画像化することができる。
【００２９】
しかし、粒子の検出は、第２の壁またはチップが、装置から取り外せることを必ずしも必要としない。特に、ＳＰＲまたはＭＣＬＷチップは、検出を直接、かつ音波処理時に実施できることが理解されるであろう。しかし、好ましくは、振動作用を最小限に抑え、かつ／またはチップの感知媒体から散乱または放射される光を監視することによる検出を促進させるように、第２の壁またはチップを装置から取り外すことができる。チップを取り外すことによって、有利には、その交換および／または置換が可能になる。
【００３０】
試料流体への粒子が集中は、感知媒体による粒子の捕獲を低下させうる凝集体の形成を促進させることがある。したがって、好ましくは、装置は、流速および圧力勾配とともに、流体における粒子の濃度を最適化する手段を含む。当該手段は、流体を濾過または希釈する手段を備えることができる。
【００３１】
勿論、導管の幅の選択を、λ／４システムに限定する必要はない。特に、装置は、圧力波節点が、両流体境界面に発生するλ／２システムを代替的に含むことができる。この実施形態では、検出手段を、圧電セラミックまたは結合層および／または第２の壁に設けることができる。好ましくは、透過層または圧電セラミックに設けられた検出手段は、再生可能な生体感知媒体を備える。感知媒体の再生によって、新たな圧電セラミックまたは結合層を設ける費用を伴わずに、チャンバを複数回使用することが可能になる。
【００３２】
検出を目的とした複数の圧力波節点の不利点が受け入れられるとすれば、多重のλ／４およびλ／２システムを備える他の実施形態を用いることもできる。
【００３３】
本発明は、第２の態様において、流体中の粒子を検出するための方法を提供し、方法は、ｉ）流体通過用導管をともに定める、周波数νの音波を生成する手段を含む第１の壁、および音波を反射することが可能な第２の対応壁と、第１および／または第２の壁における粒子を検出する検出手段とを備えるチャンバに流体を通す工程と、ｉｉ）第２の壁における定常波の経路長が、その中の音波の波長λｒのほぼ１／２の倍数になるように周波数νを選択する工程と、ｉｉｉ）粒子を検出する工程とを含む。
【００３４】
チャンバは、本発明の第１の態様による装置の実施形態の特徴のいずれかを備えることができる。しかし、好ましくは、チャンバにおける導管の幅は、流体における音波の波長λｆの１／４で、検出手段は第２の壁に設けられる。
【００３５】
粒子の最適な捕獲は、導管における流体の流速、ならびに流体における圧力勾配に応じる。流速の最適化は、一般的な実施者の技量の範囲内にある。好ましくは、流速は、導管における流れが層流で、導管における滞留時間が、感知媒体上の粒子の捕獲を最大限にすることを可能にするような流速である。しかし、圧力勾配および流速を最適化することで、好ましくは、第２の壁における粒子の捕獲の可能性を低下させうる粒子の凝集体の形成を回避すべきである。
【００３６】
試料流体への粒子が集中は、感知媒体による粒子の捕獲を低下させうる凝集体の形成を促進させることがある。したがって、本方法は、流体における粒子の濃度を調整する予備的な工程を含むことができる。
【００３７】
任意の好適な技術を用いて検出工程を実施することができる。好ましくは、検出工程は、表面プラズモン共鳴の如きエバネッセント技術、およびその上で粒子が捕獲される生体感知媒体を備える感知手段による。粒子を捕獲した際の媒体の局所的な屈折率の変化は、共鳴に必要な入射光の角度のシフトをもたらす。
【００３８】
本発明の方法は、検出工程の前に、第２の壁および感知媒体をチャンバから取り外すさらなる工程を含むことができる。この実施形態では、振動効果を回避することができ、エバネッセント技術は、感知媒体から散乱または放射される光の検出を可能にする。あるいは、またはさらに、検出工程は、顕微鏡、ビデオカメラ、および／または画像化システムによって感知媒体上で捕獲された粒子、または捕獲粒子から発散もしくは放射された光を視覚化することを含むことができる。
【００３９】
本発明の装置および方法は、表面センサへの超音波付着を通じての粒子、特に細菌またはウイルスの如き病原体の検出を向上させる。本発明は、直径が１μｍのオーダの粒子に作用する超音波力が、遅い拡散速度を克服し、特に粒子を層流の流体の平行流線と交差させることができるという点において、他の装置に比べて感度を向上させる。本発明の特有の利点は、第２の壁、および結合される感知手段が、取外しおよび交換が可能な顕微鏡スライドと感知媒体の安価な構成を備えることが可能な点にある。
【００４０】
次に、モデル試験、好ましい実施形態および添付の図面を参照しながら、本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による音響チャンバを示す概略図である。
【図２】チャンバにおける音響圧力およびエネルギーの分布を、λ／２システムのいくつかの代替的な構成と関連づけたモデル試験の結果を示す図である。
【図３】チャンバにおける音響圧力およびエネルギーの分布を、λ／４システムのいくつかの代替的な構成と関連づけたモデル試験の結果を示す図である。
【図４】流体層における音響エネルギーの周波数を、図２の構成と関連づけたモデル試験の結果を示す図である。
【図５】流体層における音響エネルギーの周波数を、図３の構成と関連づけたモデル試験の結果を示す図である。
【図６】本発明の好ましい実施形態による装置の分解図である。
【図７ａ】図６の装置を使用した枯草菌バラニガー（Ｂ．ｇｌｏｂｉｇｇｉ）胞子の集合を示す写真を示す図である。
【図７ｂ】図６の装置を使用した枯草菌バラニガー（Ｂ．ｇｌｏｂｉｇｇｉ）胞子の集合を示す写真を示す図である。
【図７ｃ】図６の装置を使用した枯草菌バラニガー（Ｂ．ｇｌｏｂｉｇｇｉ）胞子の集合を示す写真を示す図である。
【図７ｄ】図６の装置を使用した枯草菌バラニガー（Ｂ．ｇｌｏｂｉｇｇｉ）胞子の集合を示す写真を示す図である。
【図８ａ】様々な試料濃度および滞留時間におけるＢ．ｇｌｏｂｉｇｇｉの集合を示す写真を示す図である。
【図８ｂ】様々な試料濃度および滞留時間におけるＢ．ｇｌｏｂｉｇｇｉの集合を示す写真を示す図である。
【図８ｃ】様々な試料濃度および滞留時間におけるＢ．ｇｌｏｂｉｇｇｉの集合を示す写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
ここで図１を参照すると、圧電セラミックを含む第１の変換器壁１２と、ステンレス鋼を含む透過層１３と、やはりステンレス鋼を含む第２の反射壁１４とを備える、一般に１１で示される音響チャンバが示されている。第１および第２の壁は、水層の通過用導管１５を定める。
【００４３】
該システムを通じての音響波の伝搬をシミュレートする、Ｎｏｗｏｔｎｙ、Ｈ他、ｉｎ  Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、１９８７年、９０、１２３８〜１２４５ページに記載されている伝送マトリクスモデルを、音響チャンバのいくつかの構成に対して実行した。モデル化した材料の物理特性を、表１に示す（そのモデルは、最近、Ｈａｗｋｅｓ、Ｊ．Ｊ．他、ｉｂｉｄ．２００２年、１１１、１２５９ページおよびＧｒｏｌｓｃｈｌ、Ｍ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  Ａｃｕｓｔｉｃａ−ａｃｔａ  Ａｃｕｓｔｉｃａ、１９９８年、８４、４３２〜４４７ページにより実験的に実証された）。
【００４４】
チャンバ壁間の所望の圧力波節点の位置を調べた。先の適合品質係数の結果は、水層および圧電セラミックに対してそれぞれ１５０および３５０であったが、異なる層に対して基本周波数が３ＭＨｚで、音響品質係数が１０００のシステムを想定した。ただし、１００００を上回る純水、および使用される圧電セラミックに対する値には引用符号が付されている。圧電セラミックは、振幅１Ｖの電源電圧、および５０オームの電源抵抗を有するものと想定された。そのモデルには、透過層を圧電セラミックに固定するのに使用される接着層が考慮されていない。
【００４５】
透過層および反射板の厚さを、３ＭＨｚでモデル化し、値を、λ／２またはλ／４または０に厳密に対応させる。導管の幅または水層の厚さを、３ＭＨｚでモデル化し、値を、１／２λｆおよび１／４λｆに厳密に対応させた。これらの寸法（ｍｍ）も表１に示されている。結果は、これらの層の厚さが１／２λおよび１／４λの倍数に対応するシステムの場合と同様であると想定される。例えば、１／４λ層は、３／４λ、５／４λ層等と同様の挙動を示すものと想定されるのに対して、１／２λは、３／２λ、５／２λ層等の同様の挙動を示すものと想定される。しかし、様々な層における定常波の経路長を大きくすると、周波数スペクトルが変化して、ピークを互いに近接させる（図４および図５を参照のこと）。
【表１】
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【００４６】
次に図２から図６を参照すると、３ＭＨｚにおける各相の定常波の経路長を、その中の音の波長のゼロ（０）、４分の１（Ｑ）および半分（Ｈ）で表す用語法に従って、調査した多数の構成を参照する。圧電セラミックの厚さは、すべて半波長でモデル化されたため、図では参照されていない。表現「０ＨＱ」は、透過層が存在しない構成を示し、水層および反射板の厚さは、それぞれ半波長（λｆ０．２５ｍｍ）および４分の１波長（λｆ０．５０８ｍｍ）の経路長に対応することが理解されるであろう。
【００４７】
そのモデルは、流体境界面のいずれかまたは両方における水層内の圧力波節点の位置に対して調査したものである。次に図２を参照すると、λ／４システム（０．１２５ｍｍ、横座標に沿ってｍｍで示される厚さ）の９つのすべての可能な構成についての、音響圧力の空間分布（左側、ｋＰａ）およびエネルギー密度（右側、Ｊ／ｍ３）に対する結果が示されている。垂直の線は、各システムにおける境界位置を示す。
【００４８】
（左側の欄に）見られるように、第２の壁が存在しないことで、想定できるように、このシステムにおける流体層と空気との境界に圧力波節点がもたらされる。第２の壁が存在しないことは、これら３つの構成が、粒子の検出に対して真の実質的価値を有さないことを意味する。１／４λｒの経路長を与える厚さの反射板（中央の欄）は、流体層と変換器との境界に圧力波節点をもたらす。しかし、１／２λｒの経路長を与える厚さの反射板（右側の欄）は、反射板表面または反射板表面の付近で流体中に圧力波節点をもたらす。
【００４９】
次に図３を参照すると、音響圧力の空間分布（左側、ｋＰａ）、およびλ／２システム（０．２５ｍｍ、横座標に沿ってｍｍで示される厚さ）の９つのすべての可能な構成についてのエネルギー分布（右側、Ｊ／ｍ３）に対する結果が示されている。垂直の線は、各システムにおける境界の位置を表す。
【００５０】
（左側の欄に）見られるように、第２の壁が存在しないことで、λ／４システムと比較して、変換器と水層の境界にさらなる圧力波節点がもたらされる。１／４λｒの経路長を与える厚さの反射板（中央の欄、従来技術）は、水層の中央に波節点をもたらす。しかし、１／２λｒの経路長を与える厚さの反射板（右側の欄）は、反射板および変換器またはその付近において流体中に圧力波節点をもたらす。
【００５１】
したがって、そのモデルは、反射板が存在しない、または１／２λｒの経路長を与える反射板が存在する構成（ｘｙ０またはｘｙＨ構成）では、水層の外部境界に常に圧力波節点が存在することを示している。さらに、そのモデルは、水層が１／２λｆの経路長を与える構成（ｘＨ０またはｘＨＨ構成）では、水層の下部境界にさらなる圧力波節点が存在することを示している。水層の中央の圧力波節点は、１／２λｆの経路長を与える水層と１／４λｒの経路長を与える反射板との組合せに対してのみ生じる。
【００５２】
図２および図３の圧力スケールからわかるように、得られた音響圧力は、システムの全音響経路長が、λ／２の倍数（０ＱＱ、ＱＱ０、ＱＱＨ、ＨＱＱ、および０Ｈ０、０ＨＨ、ＱＨＱ、ＨＨ０、ＨＨＨ）である場合に特に高くなる。
【００５３】
しかし、水層における音響エネルギー密度は、反射板の厚さにも応じる。１／２λｒの厚さの反射板では、これらの構成に対して、変位振幅は、水層付近の両層において同じ最大値を有するため、音響エネルギーは、水層よりも反射板の方がはるかに大きくなる。これは、水と反射板との界面で加えられるべき変位に対する連続性の条件に起因する。
【００５４】
次に図４および図５を参照すると、それぞれ図２および図３のシステム構成に対する水層における音響エネルギー密度の周波数スペクトルが示されている。ここに見られるように、水層における最大音響エネルギーは、システムにおける全音響経路長が、λ／２の倍数であるすべての構成について、圧電共振周波数が３ＭＨｚの場合に得られる。しかし、この点に関して、エネルギー密度は、印加電圧とシステムへの全電気入力との関数でもあるため、それらの図におけるエネルギーは、特定の構成の効率を完全に示すものではないことがわかるであろう。にもかかわらず、最良の構成は、０ＱＱ、ＱＱ０、ＱＱＨ、ＨＱＱ、および０Ｈ０、ＱＨＱ、ＨＨ０であることは明らかである。
【００５５】
集約すると、そのモデルの結果は、粒子を反射板に誘導するための最も効率的な構成はＱＱＨであることを示唆している。０ＱＨおよびＨＱＨに対する結果は、それぞれ０ＱＱおよびＨＱＱ（全音響経路長がλ／２の倍数）に対して得られた結果に極めて類似しているが、その類似性は、明らかに、５０オーム電源抵抗によって生じる平滑効果によるものである。その効果は、構成０ＱＨについてのゼロ電源抵抗に対するエネルギー密度スペクトルは、例えば二重ピークを有する曲線（図示せず）であることから明らかである。二重ピークは、３ＭＨｚにおける全音響経路が、λ／２の倍数にならない構成に特有のものである。
【００５６】
経路長基準を満たさない他の構成は、３ＭＨｚ（０Ｑ０、ＨＱ０、０ＨＱ、またはＨＨＱ）付近に二重ピークを示すか、または３ＭＨｚ（ＱＱＱ、ＱＨ０）の遙か下または上にピークを示す。しかし、構成０ＨＨおよびＨＨＨは、３ＭＨｚにおいて経路長基準を満たしていても、３ＭＨｚにおいて非常に小さいピークを示すとともに、両側に２つのより大きいピークを示す。その効果は、３ＭＨｚでは、共鳴器インピーダンスに比べて大きい電源抵抗の平滑効果に起因するようである。
【００５７】
モデルは、透過層と、炭素（音の速度：４２６０ｍ／ｓ、質量密度：１４７０ｋｇ／ｍ３）、またはケイ素（音の速度：８４３０ｍ／ｓ、質量密度：２３４０ｋｇ／ｍ３）から構成される反射板とでは、圧力波節点位置および周波数スペクトルに対して同様の結果を与える。モデルは、（特に構成０ＨＨおよびＨＨＨにおいて）反射板における音波の経路長が、１／４λｒから１／２λｒに変化すると、粒子が中央からチャンバの壁に移動しうることを示唆している。さらに、粒子は、１つの壁から他の壁にも移動しうる。モデルは、圧電セラミックの基本共振で動作するのが有利であることをさらに示唆している。しかし、他の動作周波数は、必ずしも除外されるものではなく、何らかの有用なシステムを生むこともある。
【００５８】
構成ＱＱＨのシステムを使用して、モデルを実験的に変化させた。次に図６を参照すると、ステンレス鋼結合板１３（１．５ｍｍ、３ＭＨｚにおいて３λｔ／４）が接着された、平面形超音波変換器（ＰＺ２６、３０平方ミリメートル、３ＭＨｚ厚の共振、Ｆｅｒｒｏｐｅｒｍ、デンマーク）によって形成された電極１２を備えた音響チャンバが示されている。中央の２０ｍｍ×１０ｍｍの変換器領域を与えるように、電極１２の背面がエッチングされている。
【００５９】
抗体塗布ガラス顕微鏡スライド（１．０ｍｍ、Ｂ．ｇｌｏｂｉｇｇｉに特有の抗体）を備えた対向平面形ガラス音響反射板１４が、ねじ１８で固定された真鍮シムスペーサ１６および真鍮上板１７によって所定の位置に保持されている。真鍮シムスペーサ１６（０．１２５μｍ）は、結合板１３とガラス反射板１４との間に配置され、窓または視野（１４ｍｍ×６４ｍｍ）を与える開口１９を備える。窓１９の内部に位置するシリコンゴムガスケット（図示せず）は、流体通過用導管（１０ｍｍ×６０ｍｍ）を定め、スライド１４と結合板１３との間に空気および水シールを形成する。チャンバは、ねじ１８によってＰｅｒｓｐｅｘ（登録商標）基板２０に固定される。基板２０には、試料通過用入口２１および出口２２と、変換器に電位を加えるためのコネクタ２３とが設けられる。Ｂ．ｇｌｏｂｉｇｇｉの懸濁液をチャネルにポンプで送るために、蠕動ポンプ（図示せず、Ｇｉｌｓｏｎミニパルス３）が配置される。周波数、および変換器に印加される電圧の生成および制御は、Ｓｐｅｎｇｌｅｒ  Ｊ．Ｆ．他、Ｂｉｏｓｅｐａｒａｔｉｏｎ、２００１年、９、３２９〜３４１ページ、およびＨａｗｋｅｓ  Ｊ．Ｊ．およびＣｏａｋｌｅｙ、Ｗ．Ｔ．、Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、２００１年、Ｂ、７５、２１３〜２２２ページに従って行われる。
【００６０】
予めシラン処理したスライド（ＳＩＬＡＮＥ−ＰＲＥＰ（商標）、Ｓｉｇｍａ）を、脱イオン水に溶解させた１％グルタルアルデヒド溶液に、１時間から３時間にわたって浸すことによって、抗体塗布顕微鏡スライドを調製した。そのスライドを、リン酸緩衝シラン（ＰＢＳ、５回）で洗浄し、窒素流で乾燥した。ＰＢＳ（２００μｌ）に溶解させた１００μｇ／ｍｌポリクロナルラビットα−ＢＧ抗体溶液を、スライドの中央領域（１０ｍｍ×２０ｍｍ）に塗布した。３時間靜置した後、０．０５％Ｔｗｅｅｎ（商標）を含むＰＢＳ溶液でスライドを洗浄し、過剰の溶液を排出した。
【００６１】
スライドの抗体塗布領域の領域は、変換器のエッチングされた部分より大きい領域を包含し、超音波フィールドの上流側および下流側での付着を調べることも可能にする。ビデオカメラおよび／または顕微鏡を使用して、実験時、またはその後スライドを除去するときに視野を調べた。
（実施例）
【００６２】
ＰＢＳに溶解した２×１０１０ｃ．ｆ．ｕ．ｍｌ−１の濃縮溶液（ｐＨ７．４）を希釈することによって、Ｂ．ｇｌｏｂｉｇｇｉ２４の胞子懸濁液を調製した。使用前に、１×１０８から１×１０５ｃｆｕ  ｍｌ−１の希釈液を、血球計算器のカウントによって確認した。
【００６３】
水のポリスチレンラテックスビーズ（２．８μｍ）懸濁液（１０％ｗ／ｖ、ポリマーラボラトリーズ、英国）を、蒸留水で８×１０６ビーズｍｌ−１の濃度まで希釈した。
【実施例１】
【００６４】
ラテックスビーズ溶液に対する周波数走査によって、チャネル幅が１７８μｍである装置（Ａ）については、粒子を反射板表面に駆動するための最適な周波数は、２．９１５ＭＨｚであることが示された。チャネル幅が２００μｍである装置（Ｂ）については、最適な周波数は２．８８２Ｈｚであった。これらのシステムにおける水層中の定常波の経路長は、水の中の音の速度のλ／４とλ／２の間にある。これらの周波数を、次の実験に採用した。
【実施例２】
【００６５】
装置Ａ
胞子の懸濁液（１×１０８ｃｆｕ  ｍｌ−１）を、２ｍｌ／分の流速で装置に通した。超音波不在下で、懸濁液全体を通じて均一な濃度で、胞子を、視野を横切ってランダムに分散させた。胞子と反射板の接触は認められなかった。しかし、超音波をオンに切り換えると（０．８Ｖｒｍｓを変換器に印加すると）、１秒間以内に超音波フィールドの領域に胞子凝集体が形成した。胞子は、流れに対して静止状態を保ち、凝集体のサイズは、フィールドにおける滞留時間が長くなるにつれて大きくなった。スライドを装置から除去すると、結合された胞子のみが付着されていることが確認された。
【００６６】
超音波処理時の反射板表面への胞子の付着は、領域間の間隔が、水中の音の半波長（２．９０ＭＨｚで０．２６ｍｍ）に対応する規則的な付着領域のパターンを示していた。この結果は、スライドの個別的な部分への付着を達成する可能性を示唆するものである。各々の領域において、胞子は、利用可能な表面領域の４０％から９５％に付着していた。チャンバにおける胞子凝集体の全体位置は、超音波暴露を通じて変化しなかった。これらの領域に的を絞ってさらなる実験を行った。
【００６７】
次に図７を参照すると、視野におけるチャンバの特定領域に対する胞子（１×１０８ｃｆｕ  ｍｌ−１）の付着が示されている。胞子が超音波フィールドの領域に達する前は、ほとんどまたは全く付着していなかったのに対して（図７ａ）、フィールド内では付着が最大であった（図７ｂの縁および図７ｃの中央）。そのフィールドを超えた抗体層には、少ない数の胞子が付着していた（図７ｄ）。
【実施例３】
【００６８】
圧電セラミックへの印加電圧を変化させた。０．２Ｖｒｍｓでは、装置Ａにおける胞子（１×１０８ｃｆｕ  ｍｌ−１）の付着は、０．５Ｖｒｍｓでの付着に比べて無視できる程度であった。この装置における実験を、０．８Ｖｒｍｓで続けた。装置Ｂについても同様に観察されたため３．５Ｖｒｍｓを選択した。
【実施例４】
【００６９】
装置Ｂ
図８を参照すると、濃度および３分および３０分に６．６×１０６ｃｆｕ  ｍｌ−１の試料を超音波暴露し（０．４ｍｌ／分の流速で３．５Ｖｒｍｓ）、スライドを装置から取り外した後に、抗体塗布スライドへの胞子付着を比較した。暴露時は、付着が着実に増加する（図８ａ：０分、図８ｂ：３分、図８ｃ：３０分）。
【実施例５】
【００７０】
装置Ｂ
超音波後に装置から取り外されたスライド上で顕微鏡により見ることができる胞子の最低濃度は、３．３×１０５ｃｆｕ  ｍｌ−１と判断された。図は、超音波を使用しない検出に比べて、感度が２００倍に高められることを示している。
【００７１】
実験結果は、境界面への粒子の超音波操作が可能であるというモデルの想定を裏づけるものである。特に、それらは、粒子に作用する音響力は、粒子を層流の方向に対して直角に移動させるのに十分であることを裏づけるものである。それらの結果は、（導管の幅のばらつきが約１０％である）両装置によって得られた結果の類似性に鑑みて、最適な移動は、流体層における定常波の経路長に応じないことをも裏づけるものである。
【００７２】
より良好な共鳴をもたらす反射板の最適な構成を通じて、（約１×１０４ｃｆｕ  ｍｌ−１の胞子濃度に対して）より高い感度を与える良好な実験結果が想定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【外国語明細書】
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