(57)【要約】  流体滴中に浮遊する粒子を、圧電基材(1)および該圧電基材(1)内に波を発生するための波発生手段(3)、および作動表面(2)を含み、該作動表面は、該作動表面の中を通して該波を分配することができ、該作動表面上に流体滴(9)を配置することができる微小流体システムを使用して操作する方法であって、一個以上の流体滴を該作動表面(2)上に配置すること、該波発生手段(3)に印加される電力を変動させるか、または作動表面(2)を横切る波の分配を変動させ、該波発生手段(3)により該圧電基材(1)に印加される該電力または波の分配に応じて、該流体滴(9)内に浮遊する粒子(11)を、該滴中に分散させるか、または該滴内のある区域に集中させるか、または波の通路に配置された該流体滴(9)内で流体を回転させることを含む、方法。
2009535203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基材と、前記圧電基材内に波を発生するための波発生手段と、作動表面とを含み、該作動表面を通して前記波が分配されることができ且つ該作動表面上に粒体滴が配置されることができる、微小流体システムを使用して粒体滴内に浮遊する粒子を操作する方法であって、
該方法が、一個以上の流体滴を前記作動表面上に配置し、前記波発生手段により前記圧電基材に印加される前記電力に応じて、前記流体滴内に浮遊する粒子が、前記滴内で分散されるか、または前記滴内のある区域に集中されるように、前記波発生手段に印加される電力を変動させることを含む、方法。
【請求項２】
相対的に高い電力を前記波発生手段に印加することにより、前記粒子を前記滴の特定の区域中に集中させること、および相対的に低い電力を前記波発生手段に印加することにより、前記粒子を前記滴内で分散させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記波発生手段が、前記圧電基材の表面中に表面音響波(SAW)を発生させる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記波発生手段が、前記圧電基材上に堆積させた少なくとも一個の櫛状電極と、前記電極中にRF入力を印加するための電源手段とを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
圧電基材と、前記圧電基材中に波を発生するための波発生手段と、作動表面とを含み、該作動表面を通して前記波が分配されることができ且つ該作動表面上に流体滴が配置されることができる、微小流体システムを使用して流体滴中に浮遊する粒子を操作する方法であって、
該方法が、一個以上の流体滴を前記作動表面上に配置し、前記発生した波の前記作動表面を横切る分配に応じて、前記流体滴内に浮遊する粒子が、前記滴内で分散されるか、または前記滴内のある区域に集中されるように、前記発生した波の前記作動表面を横切る分配を変動させることを含む、方法。
【請求項６】
前記波発生手段が、前記圧電基材の表面中に表面音響波(SAW)を発生させる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記波発生手段が、前記圧電基材上に堆積させた櫛状電極の少なくとも一個と、前記電極中にRF入力を印加するための電源手段とを含む、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
対向する末端を有する細長い圧電基材と、
前記圧電基材中に波を発生するための波発生手段と、
作動表面であって、該作動表面を通して前記発生した波が分配されることができ且つ該作動表面上に、中に粒子が浮遊している少なくとも一個の流体滴が配置されることができるものと、
前記作動表面の幅を横切って波の分配を変動させ、それにより前記波の通路中に配置される前記流体滴内の前記流体の回転を促進する手段と
を含む、微小流体システム。
【請求項９】
前記波発生手段が、前記圧電基材の表面中に表面音響波(SAW)を発生させる、請求項８に記載の微小流体システム。
【請求項１０】
前記波発生手段が、前記圧電基材上に堆積させた少なくとも一個の櫛状電極と、前記電極中にRF入力を印加するための電源手段とを含む、請求項９に記載の微小流体システム。
【請求項１１】
前記SAW波の分配を変動させる手段が、前記圧電基材の、前記櫛状電極に対向する末端に取り付けた、傾斜した反射表面を含む、請求項１０に記載の微小流体システム。
【請求項１２】
前記SAW波の分配を変動させる手段が、前記圧電基材の、前記櫛状電極に対向する末端で、前記SAW波の一般的な通路に対してずれた位置に配置されている減衰材料を含む、請求項１０に記載の微小流体システム。
【請求項１３】
前記櫛状電極が、複数の組み合わされた指を有し、前記各指の厚さ、幅または長さが、前記SAW伝播方向で前記電極に沿って変化する、請求項１０に記載の微小流体システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には微小流体システムに関し、特にそのようなシステムに音響エネルギーを使用する、小流体体積中にある小粒子の集中および分散に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小流体処理およびシステムにおける開発および研究は、微小規模で流体に対して処理を行うことにより達成できる多くの有益性により推進されている。特に、流体分析用途では、少量の流体だけが必要とされる。また、少量の関連する試薬および被分析物だけが必要であり、コストの節約につながる。さらに、そのようなシステムを操作するには低電力で済む。さらに、集積開路製造方法を使用し、そのようなシステムを大量生産する可能性により、そのようなシステムは、比較的低コストの、携帯用で、使い捨ての診断システムとして魅力的なものになる。流体の混合は、主として流体間の拡散によるので、流体の混合をより効果的に制御することができる。これらのシステムは、生物学的材料、例えば赤血球または細菌、を流体中に、その材料に損傷をほとんど、または全く与えずに、濃縮する必要がある、生物医学用途にも使用できる。そのような微小流体システムには、他の多くの既存の、および潜在的用途も考えられる。
【０００３】
簡単な微小流体システムは、典型的にはシリコン、ガラス、重合フィルムまたは熱可塑性樹脂のような材料から形成された基材を含み、その中に、微小流体通路がエッチング、レーザーカットまたは成形されている。そのような通路は、典型的には少なくとも一つの寸法が１ mm未満である。通路の上にはカバーも設け、通路を包み込むことができる。注射器または微小電気機械的システム(MEMS)を使用し、流体、および関連する試薬または被分析物を、これらの通路を通して輸送することができる。
【０００４】
より複雑な微小流体システムは、電気的励起を使用して振動させる圧電アクチュエータを使用する。そのような一システムでは、毛細管をそのようなアクチュエータ上に取り付けるか、またはそこに機械的に連結させ、毛細管を超音波振動させる。これには、毛細管の振動により発生した音響定常波中に位置する圧力点(nodes)の中に生物学的材料を濃縮する特別な用途がある。そのような毛細管に基づくシステムの大きな欠点は、続いて流体および濃縮された材料を毛細管から取り出すのが困難なことである。
【０００５】
上記の用途は全て、通路または毛細管を通る流体の連続的な流れを使用する。微小流体処理を個別の流体滴で行うこともできる。これらの滴は、圧電基材の表面に直接塗布することができ、高周波(RF)パルス状励起を使用して基材内に発生させた振動に直接さらすことができる。そのようなシステムの一つは、圧電基材を使用し、その圧電基材の表面上に少なくとも一個の櫛状(interdigital)電極が配置されている。RF入力を電極に印加することにより、圧電基材表面中に、「レイリー」波とも呼ばれる表面音響波(SAW)が発生する。この基材表面のSAW励起が、その表面上に位置する一個以上の流体滴を移動させる、または操作するように作用する。
【０００６】
濃縮された粒子を集める際の上記の欠点を解決する、微小流体システムおよびそのようなシステムの使用方法を提供することが有利であろう。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書における文書、システム、行為または知識は全て、本発明の背景を説明するために含まれる。本本明細書で優先権を主張する日付以前における、国内および他のどの国における先行技術の基礎または関連技術における共通の一般的な知識も、本発明の一部を形成することを承認するものではない。
【０００８】
本発明の一態様によれば、圧電基材と、前記圧電基材内に波を発生するための波発生手段と、作動表面とを含み、該作動表面を通して前記波が分配されることができ且つ該作動表面上に粒体滴が配置されることができる、微小流体システムを使用して粒体滴内に浮遊する粒子を操作する方法であって、
該方法が、一個以上の流体滴を前記作動表面上に配置し、前記波発生手段により前記圧電基材に印加される前記電力に応じて、前記流体滴内に浮遊する粒子が、前記滴内で分散されるか、または前記滴内のある区域に集中されるように、前記波発生手段に印加される電力を変動させることを含む、方法が提供される。
【０００９】
本出願人は、SAWシステム中に入力できる最大連続電力の5％未満の、適度の量の電力を圧電基材に印加した時に、粒子が一般的に、滴の特定の区域中に、典型的には中心に集中することを見出した。しかし、SAWシステム中に入力できる最大連続電力の0.5〜2％の範囲にわたる、さらに少ない電力を圧電基材に印加すると、粒子は滴中に分散する。2つの場合に適切な実際の電力は、滴の流体特性および体積、その作動表面上への配置、および粒子の濃度、形状、および組成によって異なる。これは、部分的に、作動表面中の波が作用し、流体滴中の流体の回転を誘発し、流体滴中にある粒子の集中および分配につながるためである。回転は、少なくとも部分的に、滴における音響エネルギーの粘性吸収の結果である。
【００１０】
波発生手段は、圧電基材の表面中に表面音響波(SAW)を発生することができる。しかし、バルク音響波(BAW)、表面−スキミングバルク波(SSBW)およびせん断表面音響波(SH-SAW)を含む、他の形態の波をこのシステムで使用し、音響エネルギーを二次基材に送達することもできる。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、圧電基材と、前記圧電基材中に波を発生するための波発生手段と、作動表面とを含み、該作動表面を通して前記波が分配されることができ且つ該作動表面上に流体滴が配置されることができる、微小流体システムを使用して流体滴中に浮遊する粒子を操作する方法であって、
該方法が、一個以上の流体滴を前記作動表面上に配置し、前記発生した波の前記作動表面を横切る分配に応じて、前記流体滴内に浮遊する粒子が、前記滴内で分散されるか、または前記滴内のある区域に集中されるように、前記発生した波の前記作動表面を横切る分配を変動させることを含む、方法が提供される。
【００１２】
波発生手段は、圧電基材の表面中に表面音響波(SAW)を発生することができ、圧電基材上に堆積させた少なくとも一個の櫛状電極と、電極中にRF入力を印加するための電源手段とを含むことができる。
【００１３】
発生した波を作動表面の幅を横切って変動させることにより、波の通路中に位置する場合、流体滴内の流体の回転を促進する。以下に考察するように、波の分配を変動させるための、様々な手段を使用することができる。
【００１４】
本出願人は、滴を上に載せた基材に対してSAW放射線を使用し、滴中に方位(azimuthal)バルク液体再循環音響流を誘発することにより、静止(sessile)滴中で粒子が2〜20ｓで急速に集中することを立証した。方位再循環を誘発する手段は、SAW放射線の、滴の幅を横切る、好ましくはSAW伝播方向に対して横方向の非対称性である。これは、作動表面を横切るSAWの分配変動の結果である。音響流により発生した方位流線に沿って十分な初期の局所的な粒子集中が達成されると、せん断により誘発される移動が支配し、半径方向内側に向く力が生じ、これが粒子を滴の中央に集中させる。粒子凝集物の再分散も、外方向に向く救心的(centripetal)加速がせん断により誘発される拡散過程に打ち勝つように、バルク内対流がせん断により誘発される移動より優勢になるように入力電力を増加することにより、達成することができる。本発明の粒子集中過程は、SAWシステムを使用して達成される大きな対流速度のために、現在利用できる粒子集中機構よりも速い。その上、集中過程も効率的であり、粒子を、滴のサイズの約10％の凝集物に集中させる。この方法を使用して濃縮される生物粒子は、SAW放射線により損傷を受けないことも確認されている。これらの知見は、ここに提案するSAW集中システムの使用により、現在のバイオセンサーの限界を解消できることを示している。従って、この粒子集中方法により、広範囲なセンサー技術を使用することができるので、被分析物検出感度を増加することができる。その上、この急速集中方法により、分子結合対−適合過程ならびに総濃度および検出時間に対する拡散制限が低減される。従って、これらの優位性が、これらのSAW技術を使用することにより、バイオセンサー技術を経済的に改良すると考えられる。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、
対向する末端を有する細長い圧電基材と、
前記圧電基材中に波を発生するための波発生手段と、
作動表面であって、該作動表面を通して前記発生した波が分配されることができ且つ該作動表面上に、中に粒子が浮遊している少なくとも一個の流体滴が配置されることができるものと、
前記作動表面の幅を横切って波の分配を変動させ、それにより前記波の通路中に配置される前記流体滴内の前記流体の回転を促進する手段と
を含む、微小流体システムが提供される。
【００１６】
流体回転を促進することにより、上記のように、流体滴中にある粒子の分散または集中が強化される。
【００１７】
波は、表面音響波(SAW)の形態でよいが、上記のように、他の形態の波を使用して音響エネルギーを圧電基材に送ることもできる。
【００１８】
波発生手段は、圧電基材上に堆積させたの櫛状電極の少なくとも一個と、電極に高周波(RF)入力を印加するための電源手段とを含むことができる。しかし、他の型の変換器を使用してSAW波または他の波を圧電基材中に発生させることもできる。
【００１９】
SAW波の分配を変動させる手段は、一つの可能な配置では、圧電基材の、櫛状電極と反対側の末端に配置された、傾斜した反射表面を有することができる。従って、SAW波は、反射表面から斜めの角度で反射され、作動表面の幅を横切ってSAW波を変動させる。
【００２０】
SAW波の分配を変動させる手段は、別の可能な実施態様では、圧電基材の、櫛状電極と反対側の末端におけるSAW波の一般的な通路に対して偏った位置に配置された減衰材料を含む。減衰材料の偏った位置は、SAW波の反射にも影響を及ぼし、作動表面の幅を横切るSAW波の分配を変動させる。
【００２１】
作動表面の幅を横切るSAW波の分配に影響を及ぼす他の手段も考えられる。櫛状電極は、複数の組み合わされた指を含み、各指の厚さまたは幅が、SAW伝播方向で電極に沿って変化することができる。あるいは、電極自体の幅が、SAW伝播方向に沿って連続的に、または個別の段階的に変化することもできる。
【００２２】
圧電基材自体は、従来、ニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ３)から形成することができる。他の型の圧電基材も使用でき、チタン酸バリウム(ＢｉＴａＯ３)、チタン酸鉛ジルコニウム(PZTまたはＰｂＺｒＯ３、ドーピング剤を含み、性能を改良することが多い)、酸化亜鉛(ＺｎＯ)、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、および単結晶材料、例えばタンタル酸リチウム(ＬｉＴａＯ3)、ランガサイト(Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４)、およびオルトリン酸ガリウム(ＧａＰＯ4)を含む多結晶質圧電基材料中に波を誘発することができる。
【００２３】
作動表面は、圧電基材の表面でよい。しかし、流体滴が腐食性である場合、これによって圧電基材の表面が損傷を受けることがある。従って、別の配置では、圧電基材に被覆を施し、その表面を保護し、作動表面を与えることができる。典型的な手法は、二酸化ケイ素の薄い被覆を使用することであるが、他の被覆材料も使用できる。しかし、被覆の使用には、圧電基材中に発生したSAW波を吸収する可能性がある。従って、本出願人の同時係属出願では、好ましくは流体結合層により、圧電基材の表面に連結した剛性の二次基材により、作動表面を形成することができる。この配置により、二次基材の作動表面にSAW波を分配し易くなる。
【００２４】
本発明の微小流体システムにより、作動表面上に粒子が集中し、これらの粒子を集め易くすることができる。この配置は、毛細管中に濃縮された粒子を集めるのが困難である毛細管によるシステムよりも有利である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
添付の図面を参照しながら、本発明の微小流体システムの好ましい実施態様をさらに説明する。本発明の他の配置も可能であり、従って、添付する図面の詳細により、本発明の上記説明の一般性が制限されるものではない。
【００２６】
先ず図１に関して、本発明の微小流体システムは、細長い圧電基材1を含む。基材1の対向する末端には、櫛状電極3が配置され、各電極は、高周波(RF)入力5によりパルス状に励起される。櫛状電極3のパルス状励起により、表面音響波(SAW)が圧電基材1の上側表面2中に発生する。櫛状電極3および圧電基材1の相対的配置に応じて、表面音響波(SAW)7は、上側表面2中で定常波または進行波になる。パルス状励起の周波数は、典型的には10〜1000 MHzのオーダーでよいが、この周波数は、櫛状電極3の共鳴周波数および圧電基材1の物理的特性に応じて変化することができる。
【００２７】
本出願人は、上側表面2またはこの上側表面2に連結された作動表面上に配置された流体滴9に音響エネルギーを作用させることにより、発生したSAW波7に露出された時に、小粒子が流体滴9内で分散または集中することを見出した。これを、音響エネルギーが滴9に伝達される影響を示す図2および3に最も分かり易く示すが、図3は、粒子が材料11中で流体滴9の中心に向かって集中することを示している。
【００２８】
本出願人は、流体滴9内における粒子は、櫛状電極3に供給される電力の程度に、従って流体滴9により吸収される音響エネルギーに応じて、操作されることを見出した。相対的に低い電力では、粒子は流体滴9内で、より分散する傾向がある。しかし、十分に高い電力では、粒子は、流体滴9内のある区域に集中することができる。
【００２９】
流体滴9内における粒子の移動は、流体滴9中の流体の回転により、容易に行うことができる。この回転は、少なくとも部分的に、滴9における音響エネルギーの粘性吸収の結果である。しかし、流体滴9内における流体の回転は、発生したSAW波7が流体滴9に一様に分配されない場合に促進される。これは、図1に示す可能な配置で、流体滴9を、SAW波7が伝播する一般的な通路に対してずらした位置に配置し、滴9の一部だけがSAW波7の主要波面に直接露出されるようにすることにより、達成することができる。
【００３０】
あるいは、本発明の微小流体システムに、圧電基材1の上側表面の幅を横切るSAW波7の分配を変動させる手段を備え、それによって、SAW波の通路に配置された時、流体滴内で流体が回転し易くすることができる。
【００３１】
図4は、圧電基材1の一端に単一の櫛状電極3だけが配置されており、その基材1の他端は、櫛状電極3により発生したSAW波7が伝播する一般的な方向に対してある角度を有する、傾斜した反射面15を備えている点で、図1に示す配置と異なった、別の好ましい実施態様を示す。SAW波7は、傾斜した反射面15から、その本来の方向に対してある角度で跳ね返り、それによって、圧電基材1の上側表面2を横切るSAW波の分配を変化させる。これによって、上側表面2の上に配置された流体滴9は、SAW波の非対称性にさらされ、その滴内における流体の回転が助長される。
【００３２】
図5は、本発明の微小流体システムのもう一つの好ましい実施態様を示すが、この微小流体システムは、上記のように、圧電基材1を含み、該圧電基材は、その一端に、SAW波7を発生するための櫛状電極3を有する。圧電基材1の他端には、SAW波7が伝播する一般的な通路に対してずらした位置に配置された一片の減衰材料17が取り付けてある。この減衰材料17は、反射されたSAW波7の一部の反射強度を減衰させ、それによって、圧電基材1の上側表面2内におけるSAW波を変動させ、分配するように作用する。この配置は、上側表面2の上の、櫛状電極3と減衰材料17との間に配置された流体滴9内における流体の回転を助長するようにも作用する。
【００３３】
滴の幅を横切るSAW波7の空間変動を起こすためのもう一つの可能な手段は、櫛状電極3が、幅に対して、連続的または個別段階的に、電極を形成する金属被膜の厚さ、電極を形成する個別指の幅、またはSAW伝播方向に沿った電極全体の幅を変化させる相対的な配置を有することを必要とする。この最後の配置では、圧電基材1の励起周波数の変化により、電極3の様々な部分が、基材1に沿って表面音響波を駆動する
【００３４】
当業者には明らかな修正および変形は、請求項に規定される本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の微小流体システムの好ましい実施態様の平面図である。
【図２】流体滴の、本発明を適用する前の、滴中における粒子の分配を示す平面図である。
【図３】本発明の適用に続く、図２の流体滴中における粒子の集中を示す。
【図４】本発明の別の好ましい実施態様の平面図である。
【図５】本発明のさらに別の好ましい実施態様の平面図である。
【図１】
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【図２】
2009535203.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2009535203.tif 000008
2009535203.tif 000009
2009535203.tif 000010