(57)【要約】【課題】粒子の分類、操作、及び特徴付けを行うための方法及び装置を改良すること。【解決手段】  可変定常的表面弾性波を用いる粒子操作装置は、基板上に規定されるチャネルと、一対の可変周波数櫛歯型変換器とを含む。上記チャネルは、ゼロ次波節位置が上記チャネル内の動作領域の外側になるように、上記変換器の間に非対称に配置される。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変定常的表面弾性波を用いる粒子操作装置であって、
基板と、
前記基板上に規定され、微小物体を含む流体懸濁液を収容し、第１の側面、前記第１の側面に対向する第２の側面、並びに前記第１の側面及び前記第２の側面の間に規定される動作領域を有するチャネルと、
前記基板上に前記チャネルの前記第１の側面から離れて配置され、周波数及び位相を有する第１の入力信号に応答して前記基板を振動させる第１の可変周波数櫛歯型変換器（ＩＤＴ）と、
前記基板上に前記チャネルの前記第２の側面から離れて配置され、周波数及び位相を有する第２の入力信号に応答して前記基板を振動させる第２の可変周波数ＩＤＴと
を具備し、
ゼロ次波節位置は、前記第１及び第２の可変周波数ＩＤＴの間に規定され、前記チャネルは、前記ゼロ次波節位置が横方向において前記動作領域の外側になるように前記第１及び第２のＩＤＴの間に中心を避けて配置される
粒子操作装置
【請求項２】
可変定常的表面弾性波を用いる粒子操作方法であって、
基板と、
前記基板上に規定され、微小物体を含む流体懸濁液を収容し、第１の側面、前記第１の側面に対向する第２の側面、並びに前記第１の側面及び前記第２の側面の間に規定される動作領域を有するチャネルと、
前記基板上に前記チャネルの前記第１の側面から離れて配置され、周波数及び位相を有する第１の入力信号に応答して前記基板を振動させる第１の可変周波数櫛歯型変換器（ＩＤＴ）と、
前記基板上に前記チャネルの前記第２の側面から離れて配置され、周波数及び位相を有する第２の入力信号に応答して前記基板を振動させる第２の可変周波数ＩＤＴと
を具備し、
ゼロ次波節位置は、前記第１及び第２の可変周波数ＩＤＴの間に規定され、前記チャネルは、前記ゼロ次波節位置が前記動作領域の外側になるように前記第１及び第２のＩＤＴの間に中心を避けて配置される
粒子操作装置を提供し、
粒子を含む流体懸濁液を前記チャネルに導入し、
前記第１及び第２の可変周波数櫛歯型変換器を用いて、前記流体懸濁液において定常的表面弾性波を生成し、
前記定常的表面弾性波の周波数及び／又は位相を調整することにより前記粒子を操作する
粒子操作方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記動作領域において定常的表面弾性波を生成するために前記第１及び第２の入力信号を供給する電子制御回路をさらに含み、前記動作領域における高次の波節の位置を調整し、前記粒子の位置を調整するために、前記第１及び第２の入力信号の前記周波数及び／又は位相は可変である
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記チャネルは、第３の側面及び前記第３の側面に対向する第４の側面をさらに含み、
前記粒子操作装置は、
前記基板上に前記チャネルの前記第３の側面から離れて配置され、周波数及び位相を有する第３の入力信号に応答して前記基板を振動させる第３の可変周波数ＩＤＴと、
前記基板上に前記チャネルの前記第４の側面から離れて配置され、周波数及び位相を有する第４の入力信号に応答して前記基板を振動させる第４の可変周波数ＩＤＴと
をさらに含み、
第２のゼロ次波節位置は、前記第３及び第４の可変周波数ＩＤＴの間に規定され、前記チャネルは、前記第２のゼロ次波節位置が前記動作領域の外側になるように前記第３及び第４のＩＤＴの間に中心を避けて配置される
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項５】
請求項４に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記第３及び第４のＩＤＴは、前記第１及び第２のＩＤＴにほぼ直交して配置される
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項６】
請求項４に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記動作領域において第１の定常的表面弾性波を生成するように前記第１及び第２の入力信号を前記第１及び第２のＩＤＴにそれぞれ供給し、前記動作領域において第２の定常的表面弾性波を生成するように前記第３及び第４の入力信号を前記第３及び第４のＩＤＴにそれぞれ供給する電子制御回路をさらに含み、前記動作領域において高次の波節の位置を調整し、前記粒子の位置を調整するために、前記第１、第２、第３、及び第４の入力信号の前記周波数及び／又は位相は可変である
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記粒子は有機粒子、無機粒子、生体細胞、又は微生物である
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項８】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記チャネルは、入力チャネル及び複数の出力チャネルを有するフローチャネルであり、
前記動作領域において高次波節の位置を変化させるように前記第１及び第２の入力信号の前記周波数及び／又は位相を変化させることにより、粒子は前記複数の出力チャネルのうちの１つに選択的に導かれる
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項９】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記基板は圧電基板である
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項１０】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記第１及び第２のＩＤＴは、前記基板に支持され、前記基板における位置関数として変化する間隔を空けて互いに隣接する櫛歯を有する櫛歯型電極をそれぞれ有する
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項１１】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記第１及び第２のＩＤＴは、少なくとも１０ＭＨｚの可変周波数範囲又は少なくとも１０度の可変位相範囲をそれぞれ有する
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項１２】
可変定常的表面弾性波を用いる粒子操作方法であって、
粒子を含む流体懸濁液をチャネルに導入し、
一対の可変周波数櫛歯型変換器を用いて、前記流体懸濁液において定常的表面弾性波を生成し、
前記定常的表面弾性波の周波数及び／又は位相を調整することにより前記粒子を操作する
粒子操作方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の粒子操作方法であって、
前記粒子操作方法は、粒子分類方法であり、
前記チャネルは、フローチャネルであり、
前記定常的表面弾性波の前記周波数及び／又は位相は、前記粒子の軌道を複数の出力チャネルから選択された１つの出力チャネルに向けるために調整される
粒子操作方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の粒子操作方法であって、
前記粒子は、有機粒子、無機粒子、細胞、又は微生物である
粒子操作方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の粒子操作方法であって、さらに
一対の第２の可変周波数櫛歯型変換器を用いて、前記流体懸濁液において第２の定常的表面弾性波を生成し、
前記粒子はさらに、前記第２の定常的表面弾性波の周波数及び／又は位相を調整することにより操作される
粒子操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１２年１月３１日に出願された米国仮出願第６１／５９２，８５５号の優先権を主張するものであり、その内容が全体として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、米国国立衛生研究所によって与えられた助成金番号ＯＤ００７２０９及びアメリカ国立科学財団によって与えられた助成金番号ＥＣＣＳ０８２４１８３の下において、政府支援によりなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、粒子、細胞、及び微生物の凝集、収集、及び特徴付けを含む、表面弾性波を用いて粒子を操作及び分類するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
粒子の分類、操作、及び特徴付けを行うための方法及び装置を改良することは、多くの用途に有用となるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第２１４５６８７号明細書
【特許文献２】国際公開第２００３／０８９１５８号
【特許文献３】ロシア特許第２２４３６３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
粒子の分類、操作、及び特徴付けを行うための方法及び装置を改良することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施例には、粒子を操作及び分類するための方法及び装置が含まれる。マイクロ粒子又はナノ粒子等の様々な種類の粒子を用いて、この方法を実施してもよい。粒子は天然由来の成分であってもよく（又は、含んでもよく）、細胞（特に、血液細胞）及び微生物を含んでもよい。本発明の実施例を用いて、細胞、特にヒトの血液に含まれる細胞等の粒子を凝集及び分離することができる。また、粒子は無機ポリマーや他の様々な種類の粒子を含んでもよい。
【０００８】
本発明の実施例は、マイクロ粒子、細胞、及び微生物等の単一の粒子を捕捉し巧みに操作できる「音響ピンセット」を含む。この音響ピンセットは、広い共振帯のチャープ（ｃｈｉｒｐ又はｃｈｉｒｐｅｄ）櫛歯型変換器（ＩＤＴｓ：interdigital transducers又はinterdigitated transducersと呼ぶ場合もある）を利用して、粒子の柔軟な操作を可能にする定常的表面弾性波場のリアルタイムな制御を実現することができる。
【０００９】
実施例の音響デバイスが用いる電力密度は、光ピンセットが必要とする電力密度よりもかなり低い（典型的には、光ピンセットの１０００万分の１、光電子ピンセットの１００分の１である）。音響ベースの粒子操作方法は、非侵襲性であり、従来の方法の優れた代替となる。本明細書に示す音響ピンセットは、単一のマイクロ粒子を２次元において正確に制御する第１の音響操作方法を示す。
【００１０】
実施例の装置構造には、２対の直交するチャープ櫛歯型変換器（ＩＤＴｓ）の間に設けられた、圧電基板に隣接するチャネルが含まれる。チャープＩＤＴｓは櫛歯間隔に勾配を有し、これにより広範囲の周波数にわたって効率的に共振することが可能になる。チャープＩＤＴｓの各対は、無線周波数（ＲＦ）信号により独立してバイアスをかけられ、同一の表面弾性波（ＳＡＷｓ）を生成する。ＳＡＷｓ間の干渉により、定常的表面弾性波（ＳＳＡＷ）が生成される。これらＳＳＡＷｓは、隣接する液状媒体に漏洩し、差圧場を形成する。この差圧場が、懸濁粒子に作用する音響放射力を生成する。ゼロ次波節位置がチャネルの動作領域の外側になるように、チャネルはＩＤＴｓの中心を避けて配置される。
【００１１】
音響放射力は、圧力場において波節又は非波節に向けて粒子を弾性特性に応じて駆動する。ほとんどの粒子は、懸濁液状媒体に対する密度及び／又は圧縮率の変動のために、圧力場において波節に向けて押し出される。
【００１２】
チャープＩＤＴｓの帯域幅が広いことは、装置において粒子の操作範囲を定義するアクセス可能なＳＳＡＷ波長のスペクトルが広いことを意味する。様々な入力ＲＦ周波数を有するチャープＩＤＴｓを用いて、ＳＳＡＷ間の干渉により生成された波節の位置を正確に調整することができ、波節で捕捉された１つまたは複数の粒子は、２次元で自由に操作することができる。流体内の粒子の軌道も正確に調節することができ、これにより、粒子の分類をより正確に行うことができる。
【００１３】
別の実施例の装置構造には、１対の可変周波数櫛歯型変換器（ＩＤＴｓ）の間に設けられたチャネルが含まれる。チャネルはチャネル入力及び複数のチャネル出力を有する。１対のＩＤＴｓは、ＲＦ信号によりバイアスがかけられ、同一の表面弾性波（ＳＡＷｓ）を生成する。ＳＡＷｓ間の干渉により、チャネルの動作領域内において定常的表面弾性波（ＳＳＡＷ）が生成され、流体において差圧場が形成される。駆動信号の周波数調整により圧力場を調整することで、チャネルを流れる粒子の軌道を所望のチャネル出力に導くことができる。分類は電子的に制御することができ、また、チャネル内の粒子に対して決定される１つ又は複数の特徴に基づいて制御することもできる。したがって、血液細胞成分の分類や蛍光活性細胞の分類を含む効率的な粒子分類が可能となる。
【００１４】
適用例としては、粒子分類（細胞分類を含む）、フローサイトメトリー等が挙げられる。粒子分類及びフローサイトメータを改善するために、本発明の実施例をマイクロ流体粒子収集装置と組み合わせてもよい。改善されたフローサイトメータは、粒子収集ステージ、粒子特徴付けステージ、及び粒子分類ステージを含んでもよい。分類ステージは、検出された粒子パラメータに基づいて異なる粒子が分類されるように特徴付けステージと電気通信してもよい。
【００１５】
実施例の粒子操作装置は、基板（例えば、圧電基板等のＳＳＡＷを支持する基板）と、上記基板上に規定されるチャネル（例えば、少なくとも１つの１ｍｍ未満の断面寸法を有するマイクロチャネル）と、上記基板上に形成された、１対の離れた可変周波数又はチャープ櫛歯型変換器（ＩＤＴｓ）とを含む。上記チャネルは、上記１対のＩＤＴｓの間に中心を避けて設けられている。上記チャネルの動作領域において、上記１対のＩＤＴｓを駆動して定常的表面弾性波を生成するために、電子制御回路を提供してもよい。上記チャネルは、上記粒子を含む流体懸濁液を収容するように構成され、上記粒子の位置は、定常的表面弾性波（ＳＳＡＷ）の周波数及び／又は位相を変化させることにより調整可能である。上記基板は、チャネルの壁部を提供してもよい。上記粒子は、ポリマー粒子、細胞（例えば、血液細胞）、微生物、粒子集合体、又は周囲の支持媒体と異なる弾性特性を有する他の物体でもよい。上記支持媒体は流体、特に液体でもよい。
【００１６】
いくつかの実施例では、上記チャネルは、入力チャネル及び複数の出力チャネルを有するフローチャネルである。上記粒子は、定常的表面弾性波の周波数を変化させることにより、複数の出力チャネルの中から選択された１つのチャネルに導かれる。実施例には、改善された細胞分類装置、細胞分類方法、及び血液細胞の分類が含まれる。
【００１７】
上記チャネルは、第１のＳＳＡＷを生成する１対の第１の櫛歯型変換器及び第２のＳＳＡＷを生成する１対の第２の櫛歯型変換器の間に設けてもよい。第１及び第２のＳＳＡＷｓ（例えば、直交するＳＳＡＷｓ）は、少なくとも２次元において上記粒子の位置を制御するために調整可能な第１及び第２の周波数を有する。
【００１８】
可変周波数又はチャープＩＤＴは、上記基板に支持された第１及び第２の櫛歯型電極を含んでもよい。電子制御回路により上記第１及び第２の櫛歯型電極の間に制御信号が印加され、これにより両電極が駆動される。隣接する櫛歯型電極間の間隔が、上記基板上における位置関数として変化し、その結果、チャープＩＤＴは広い周波数応答を有してもよい。本発明において使用される可変周波数ＩＤＴは、少なくとも１ＭＨｚ、特に少なくとも１０ＭＨｚの可変周波数範囲を有してもよい。実施例のチャープＩＤＴは、少なくとも１０ＭＨｚの動作帯域幅及び１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下、特に５ＭＨｚ以上５０ＭＨｚ以下の範囲の動作周波数を有していてもよい。実施例のチャープＩＤＴｓは、１８．５ＭＨｚ以上３７ＭＨｚの範囲で動作し、これは約１００μｍ以上２００μｍ以下のＳＡＷ波長及び約１μｍの操作精度に対応する。本文における音響という用語は、ヒトの可聴周波数に対する周波数範囲を限定しないことは明らかである。
【００１９】
粒子操作方法には、粒子を含む流体懸濁液をチャネルに導入することが含まれる。上記チャネルは、基板の近くにあり（例えば、隣接しており）、１対のチャープＩＤＴｓを用いて上記基板においてＳＳＡＷを生成し、上記ＳＳＡＷの周波数を調整することにより上記粒子を操作する。上記粒子操作方法は、粒子分類方法でもよい。上記チャネルはフローチャネルであり、上記ＳＳＡＷの周波数は、複数の出力チャネルの中から選択された１つの出力チャネルに上記粒子の軌道を向ける。上記粒子は血液細胞等の細胞でもよい。１対の第２のチャープＩＤＴｓを用いて、上記基板において第２のＳＳＡＷを生成してもよい。上記第２のＳＳＡＷの周波数を調整することにより、上記粒子はさらに操作される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る粒子操作装置の斜視図である。
【図２】図１の２−２線に沿った本実施形態の２つの断面図であり、定常的表面弾性波における変化がどのように粒子の移動に影響するかを示す。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る動作領域の一部に対する圧力場のシミュレーションを示す。
【図３Ｂ】適用された様々な音響出力レベルにおける一定の周波数変化による一次元の粒子の動きを示すグラフである。
【図３Ｃ】図３Ｂにおける変位曲線に対応する粒子の速度を示すグラフである。
【図３Ｄ】異なる入力電力レベルにおける最も近い波節（離散点）からの距離の関数として、実験で測定された粒子における音響放射力（ＡＲＦ）を示すグラフであり、近似曲線は実線で示されている。
【図３Ｅ】再現性のある粒子の動きを実証するものとしての粒子変位と時間との関係を示すグラフである。
【図３Ｆ】明確に定義されたステップにおいて、Ｘ方向に沿った粒子の連続並進を実証するものとしての粒子の動きと時間との関係を示すグラフであり、粒子はｙ方向において移動していない。
【図４】１匹の線形動物の独立した２次元操作を示す画像の図である。
【図５】可変周波数櫛歯型変換器及びＰＤＭＳベースのマイクロチャネルの例示的な製造プロセスを示す断面図である。
【図６】図６Ａは、本発明の一実施形態に係る粒子操作装置の概略図であり、粒子は複数の出口チャネルのうちの１つに選択的に導かれるように、フローチャネルにおいて操作される。図６Ｂは図６Ａと同様の概略図であり、粒子は複数の出口チャネルのうち上記と異なる１つの出口チャネルに導かれている。
【図７】３つの出口チャネルのうちの１つに選択的に分類される蛍光粒子を示す画像の図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る２つのフローチャネル分類装置の概略図であり、５つのチャネルへの細胞の分類を示す。
【図９】図９Ａは、本発明に係る装置の動作領域における２種類の粒子の混合を示す図である。図９Ｂは、図９Ａにおいて９Ｂで示す部分の拡大図である。図９Ｃは、定常的表面弾性波を調整することにより大きな粒子を一掃した後の図９Ａの動作領域を示す図である。図９Ｄは、図９Ｃにおいて９Ｄで示す部分の拡大図である。
【図１０】本発明に係る粒子操作装置の概略図であり、動作領域を通過する際に、大きな粒子と小さい粒子とが分離されている。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施例は、可変定常的表面弾性波を用いて、マイクロ／ナノ粒子や微生物を高精度に分類するための方法及び装置を含む。マイクロ／ナノ粒子は細胞（例えば、ヒトやウシ等の哺乳類の血液細胞等の血液細胞）を含むが、これに限られない。実施例の装置及び方法は、一般的なソフトリソフラフィ技術を用いて製造できる単層の平面マイクロ流体装置を用いる。これら手法により、従来技術（例えば、進行表面弾性波分類、光ピンセット分類、及び動電分類）と比較して、はるかに高い精度の分類が可能となり、装置製造が大幅に単純化され、侵襲性が低減され、コストが抑制される。
【００２２】
本発明の実施例を利用して、細胞、特にヒトの血液に含まれる細胞等の粒子を凝集、操作、分類、及び分離することができる。細胞分離、特にヒトの全血細胞の分離は、生物医学研究及び診断において非常に重要である。音響操作技術を用いて、細胞／粒子分類、細胞／粒子分離、及び細胞／粒子凝集等の幅広い適用が可能である。
【００２３】
本発明の実施例は、マイクロ流体チップ内において単一のマイクロ粒子、細胞、及びカエノラブディティス・エレガンス（Caenorhabditis elegans：C. elegans）等の有機体を捕捉し巧みに操作できる「音響ピンセット」を含む。これら音響ピンセットは、広い共振帯の可変周波数（チャープ（ｃｈｉｒｐ又はｃｈｉｒｐｅｄ）とも呼ばれる）櫛歯型変換器（ＩＤＴｓ）を利用して、定常的表面弾性波場のリアルタイムな制御を実現し、これにより、マイクロ粒子、細胞、及び有機体の柔軟な操作が可能となる。本発明のいくつかの実施形態に係る音響デバイスにおいて必要とされる電力密度は、光ピンセットが必要とする電力密度よりも著しく低く（光ピンセットの１０００万分の１、光電子ピンセットの１００分の１である）、これにより本技術は非侵襲性になり、小型化に適するようになる。この方法の非侵襲性機能を検証するために、細胞生存試験を実施した。非侵襲性、小型化、及び汎用性という長所を有するため、本明細書に記載する音響ピンセットは、理工学の多くの分野において有益である。
【００２４】
音響ベースの粒子操作方法は、従来の方法の優れた代替となる。光、電子、磁気ベースの方法と比較して、音響ベースの方法は、生体にとって比較的非侵襲性であり、光、電子、磁気特性に関わらず、ほとんどのマイクロ粒子に有効である。しかし、従来の音響ベースの方法は、光ピンセットを巧みに操作していなかった。すなわち、従来の音響ベースの方法は、任意のパスに沿って単一のマイクロ粒子又は細胞を操作することができなかった。本明細書に記載の音響ピンセットは、単一のマイクロ粒子を二次元で正確に制御するための第１の音響操作方法を示す。さらに、発明者らは、細胞及び有機体（C. elegans）等の生体に対して同様の操作を実証した。C. elegansは、主にその比較的小さいサイズ（体長１ｍｍ以下）、光透過性、及び十分にマッピングされた神経系のために、多くの生物及び医学研究において魅力的なモデル有機体である。
【００２５】
従来、C. elegansの捕捉及び操作は難しいことが証明されており、多くの場合、有害である可能性のある麻酔、真空、冷却、又は直接接触の機械的方法を伴う。それに対して、本発明に係る音響ピンセットは、作用機序に依存する。この作用機序は、操作することができる物体の種類やサイズにおける優れた柔軟性を音響ピンセットにもたらす。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態に係る装置を示す。図示の実施形態は、考えられる多くの実施形態のうちの１つを示しているにすぎないが、本発明者らによって製造され試験された実施例に対応する。図１に示す形態は音響ピンセット１０と呼んでもよく、可変定常的表面弾性波を用いた粒子操作装置の実施例である。図２は、音響ピンセット１０の２つの断面図である。音響ピンセット１０は、図２に示す基板１２を含み、基板１２は本発明の他の構成要素を支持している。本実施例では、基板１２はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）圧電基板である。チャネル１４は、基板１２上で規定される。図１及び２において、チャネル１４は鎖線で示されており、視覚的にも音響的にもほぼ透明でよいことを示す。本実施例において、チャネル１４は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）圧電基板に結合された、２．５×２．５ｍｍのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）チャネルである。
【００２７】
チャネル１４は、第１の側面１６、第１の側面１６に対抗する第２の側面１８、第３の側面２０、及び第３の側面に対抗する第４の側面２２を有してもよい。本実施形態において、チャネル１４はほぼ正方形であり、第１及び第２の側面１６及び１８は第３及び第４の側面２０及び２２にほぼ直交する。本実施形態では、チャネル１４は上面２４も有する。これら側面及び上面は、動作領域２５を覆っている。基板１２は、覆われた動作領域の下部を規定してもよい。流体懸濁液を動作領域２５に添加し又は動作領域２５から除去するため、動作領域は、さらに１つ又は複数の注入口及び排出口を有してもよい。流体懸濁液は、操作される粒子を含むであろう。
【００２８】
本実施形態において、チャネル１４は、直交する２対のチャープ櫛歯型変換器（ＩＤＴｓ）の間に非対称に配置される。第１のＩＤＴ２６は第１の側面１６から離れて配置され、第２のＩＤＴ２８は第２の側面１８から離れて配置され、第３のＩＤＴ３０は第３の側面２０から離れて配置され、第４のＩＤＴ３２は第４の側面２２から離れて配置される。各ＩＤＴは圧電基板１４上に形成され、入力信号により電圧を加えられると、圧電基板１４において振動を生み出す。この振動は動作領域に伝わる。
【００２９】
チャープＩＤＴｓは櫛歯間隔に勾配を有し、これにより広範囲の周波数にわたって効率的に共振することが可能になる。例えば、第１のＩＤＴ２６は２つの電極３４及び３６を有する。これら電極は櫛歯型電極を有し、櫛歯型電極はもう１方の電極の櫛歯型電極と互いにかみ合っている。櫛歯型電極間の間隔は、チャネルからの距離の関数として変化する。チャネルに近い櫛歯型電極は互いに近くに配置され、チャネルから遠い櫛歯型電極は、互いに遠くに配置される。動作時は、チャープＩＤＴｓの各対は、無線周波数（ＲＦ）入力信号により独立してバイアスをかけられ、同一の表面弾性波（ＳＡＷｓ）を生成する。例えば、第１のＩＤＴ２６及び第２のＩＤＴ２８は、同一の入力信号を与えられ、その結果、同一のＳＡＷｓを生成する。ＳＡＷｓ間の干渉により、基板上に定常的表面弾性波（ＳＳＡＷ）が生成される。これらＳＳＡＷｓは、動作領域２５内の隣接する液状媒体に漏洩し、差圧場を形成する。この差圧場が、懸濁粒子に作用する音響放射力を生成する。本明細書で使用する「可変周波数ＩＤＴ」という用語は、周波数及び／又は位相を調整可能なＩＤＴを意味する。電子制御回路には符号４０が付されている。電子制御回路４０は、各電極に接続され、様々な構成を採ることができる。
【００３０】
音響放射力により、圧力場において波節又は非波節に向けて粒子が弾性特性に応じて駆動される。ポリスチレンビーズ、細胞、及びC. elegans等のほとんどの物体は、背景媒体に対する密度及び／又は圧縮率の変動のために、圧力場において波節に向けて押し出される。ただし、これら実施例は、本発明を限定しない。懸濁液状媒体と異なる弾性特性を有するあらゆる粒子又は構造物を、本方法により操作又は分類してもよい。本発明の実施例を用いて、無機粒子、ポリマー粒子、細胞（血液細胞を含む）及び微生物等の生物学的構造、ミセル、脂質構造、気泡（非波節に導かれる傾向がある）、あらゆる分散位相成分（エアロゾル及びラテックスを含む）、食物粒子、ナノ／マイクロ粒子集合体、機能性粒子、及び他の生物学的構造等の様々な粒子を操作及び分類することができる。直交する２対のＩＤＴｓにより、２次元での操作が可能になる。
【００３１】
チャープＩＤＴｓの帯域幅が広いことは、装置において粒子の操作範囲を定義するアクセス可能なＳＳＡＷ波長のスペクトルが広いことを意味する。様々な入力ＲＦ周波数及び又は位相を有するチャープＩＤＴｓを用いて、ＳＳＡＷ干渉から生成された波節の位置をシフトすることができる。その結果、波節で捕捉された単一の粒子／細胞／C. elegansを、２次元で自由に操作することができる。
【００３２】
図２は、図１に示す装置１０の断面図であり、装置１０の１次元（ｘ軸）に沿ったＳＳＡＷ及び関連する圧力場を示す。２つのＩＤＴｓの中央の固定波節を、０次波節又はゼロ次波節と呼ぶ（長い鎖線４２で示す）。ゼロ次波節位置４２は、ＩＤＴｓ２６及び２８の中間にある。好ましい実施形態において、チャネル１４は、ゼロ次波節位置４２が動作領域２５の外側に配置されるように、ＩＤＴｓ２６及び２８の間に非対称に配置される。ＩＤＴｓ３０及び３２についても同様である。ゼロ次波節位置４２を中心として、波節の次数は１次、２次、３次等、中心から外側に向かって増加していく。ゼロ次波節位置４２は動作領域２５の外側にあるので、高次波節は動作領域２５で生じ、ＩＤＴｓへの入力信号の周波数を変化させることにより操作してもよい。ｎ次波節に対する絶対波節位置は、信号周波数に直接関連するＳＡＷ波長に直接関連する。適用する信号周波数を変化させることにより、高次波節はすべて簡単に移動することができる。図２には、λ１からλ２への周波数変化に対する波節変位が示されている。粒子変位が波節の次数に直接比例するのは明らかである。
【００３３】
図３Ａは、各波節を取り囲む圧力場の２次元におけるシミュレーションを示し、矢印は音響放射力のベクトルを示す。シミュレーション結果は、隣接する非波節間の粒子が、その間の波節に向かう引力を受けることを示す。図３Ｂは、様々な音響出力において、同一の周波数シフトに応答した１次元での粒子の動きの試験結果を示す。図３Ｃは、このプロセスにおける粒子の速度のプロット図である。差し込み図は、５つのデータ点の移動平均フィルタにより調整されたデータを提供する。力スペクトルの下端（図３Ｃの１１ｄＢｍ曲線）では、１０μｍの蛍光ポリスチレンビーズが３０μｍ／秒以下の速度で継続して移動することができる。一方、力スペクトルの上端（図３Ｃの２７ｄＢｍ曲線）では、粒子の速度は、１６００μｍ／秒以下もの速度にまで達する。図３Ｄは、異なる入力電力レベルにおける最も近い波節（離散点）からの距離の関数として、実験で測定された粒子における音響放射力（ＡＲＦ）を提供する。近似曲線は、実線で示されている。図３Ｂ，Ｃ，及びＤに示すデータに対応する単一の粒子の一段階操作では、１５ｄＢｍの入力電力による直径１０μｍのポリスチレンビーズの一段階操作が実証されている。
【００３４】
本発明者らは、異なる電力入力において粒子に対して働く音響放射力の大きさを定量的に決定するために力解析を実施した。実験的な放射力は図３Ｄにプロットされ、牽引力（図３Ｃにおける速度データを用いて取得された）と粒子運動量（図３Ｃにおける速度データから計算された）の時間導関数との差異から計算される。１０μｍの粒子（図３Ｄに離散点で示す）に対して働く力は、波節（実線）に対する距離に対して働く力の理論的な正弦依存性とよく適合する。音響放射力は粒径、圧縮率、及びＳＳＡＷ振幅に依存するので、粒子に働く力（１０μｍの粒子に対して１５０ｐＮに達する）を予測及び調整することができる。図３Ｅは変位再現性を示しており、４μｍの粒子がｙ方向には移動せず、ｘ方向において前後に移動している。この変位は、数百サイクルにわたって、１μｍ以内に再現できる。最後に、本発明者らは、より広い長さスケール（図３Ｆの１００μｍ以下）にわたる粒子の移動を実証するために、ｘの正の方向における波節の距離を繰り返し測定したが、ｙ方向定数は保持されたままであった。
【００３５】
捕捉した４μｍの単一の粒子を用いて再現性を試験した。２７ｄＢｍの電力により２８．３ＭＨｚから２８．４ＭＨｚに１対のＩＤＴｓへの周波数入力を切り替えることにより、この粒子をｘ方向において前後に動かすことに成功した。これにより、音響ピンセットの優れた再現性が実証された。対応するデータを図３Ｅに示す。
【００３６】
１対のＴＤＴｓに対する周波数を固定しながらそれに直交する１対のＩＤＴｓの周波数を掃引することにより、単一の粒子を多段階に操作できることを示し、ｘの正の方向における７μｍの粒子による一次元の粒子の並進を実現した。この結果は、ｘ及びｙ方向に独立して広範囲の操作を実現できることを示している。スタック画像を図３Ｆに示す。データは、２０ｄＢｍの入力電力を用いて収集した。
【００３７】
チャープＩＤＴｓに電力を供給するために使用するＲＦ信号は、１０μｍのポリスチレンビーズ（３０μｍ／秒以下の粒子速度に対して０．５ｎＷ／μｍ２以下）を操作するために、関数発生器により生成した。本技術が必要とする電力密度は、光ピンセットが必要とする電力密度よりもかなり低い（光ピンセットの１０００万分の１、光電子ピンセットの１００分の１である）。本設定で使用したチャープＩＤＴｓの動作周波数の範囲は、１８．５ＭＨｚ以上３７ＭＨｚであり、約１００μｍ以上２００μｍ以下のＳＡＷ波長及び約１μｍの操作精度に対応する。いくつかの実施形態では、ＩＤＴｓが少なくとも１０ＭＨｚの可変周波数範囲を有するのが好ましい。周波数と変位との間に正の相関があることは、音響ピンセットによりサブミクロンの変位を生じさせることができる可能性があることを示す。また、装置の操作領域はセンチメートル単位まで拡張できるので、マイクロ流体チャネル領域（２．５×２．５ｍｍ）をすべてカバーする。
【００３８】
単一の粒子／細胞の二次元における操作を実証するために、発明者らは、互いに直交して配置された２対のチャープＩＤＴｓ（図１に示すような）の入力周波数を調整した。チャープＩＤＴｓの各対は、単一の方向に沿った粒子の動きを独立して制御する。したがって、２対のＩＤＴｓを互いに直交して配置することにより、装置平面において完全な制御が可能となる。これら音響ピンセットを使用して、細胞やマイクロ粒子だけでなくC. elegans等の多細胞生物を操作することができる。高出力密度が広範囲にわたって適用され、実現困難な全出力要求につながるので、この役割は光学技術にとって魅力的である。
【００３９】
図４Ａ〜Ｄは、捕捉され、伸ばされ、ｘおよびｙ方向に独立に移動されたC. elegansを示す。１匹のC. elegansの操作を二次元的に実証した。ＲＦ信号を印加することによりC. elegansを捕捉して伸ばし、入力信号周波数を掃引することによりｙおよびｘ方向に独立して移動させた。入力電力をオフにすると、C. elegansは正常な状態に戻り、ＳＳＡＷ放射に３分以下の時間暴露させると自由に泳ぎ始めた。使用した電力は２９ｄＢＭであり、掃引速度は０．１ＭＨｚの周波数ステップで０．５ＭＨｚ／秒であった。これは、本発明の他の動作モードを実証する。周波数を掃引し、特定の方向への粒子の移動を促すために、その掃引を繰り返してもよい。
【００４０】
音響ピンセットは、多量の粒子を同時に操作することもできる。複数の粒子の並列操作は、単一の波節における複数の粒子、異なる波節における単一の粒子、又は異なる波節における複数の粒子を用いて実現できる。この操作は、様々な長さスケール（μｍからｍｍ）にわたって実施することができる。その結果、音響ピンセットは単一の粒子／細胞／有機体を動的に操作できる一方、数万以上の粒子を同時に操作できることが分かった。消費電力が少なく構造／設定が単純な音響ピンセットは、小さなＲＦ電源や基本電子機器に組み込むことにより、安価な完全一体型の携帯粒子操作装置として機能させることができる。この装置をフローベースのマイクロ流体と組み合わせると、細胞や他の生物学的粒子を分類、識別、及び特徴付けすることができる。さらに、非侵襲性及び多用途性を有するため、また、巧みに操作することにより、音響ピンセットは、生物自然科学において幅広い用途を有する優れたプラットフォームとなる。
【００４１】
さらなる実験において、倒立顕微鏡（Nikon TE2000U）のステージ上に操作装置を取り付けた。２対のチャープＩＤＴｓを独立に駆動するために、２つの関数発生器（Agilent E4422B）により２つのＲＦ信号を生成した。ウシの赤血球（直径６μｍ以下、イノベーティブリサーチ社（Innovative Research, Inc.））、C. elegans、又は直径２μｍ、４μｍ、７μｍ、１０μｍ、及び１５μｍの蛍光ポリスチレンビーズの溶液をチャネルに注入した後、生成したＲＦ信号を印加した。操作処理をキャプチャするために、ＣＣＤカメラ（CoolSNAP HQ2、フォトメトリクス社（Photometrics）、アメリカ合衆国アリゾナ州ツーソン）及び高速度カメラ（Casio EX-F1）を顕微鏡に接続した。本技術の非侵襲性をさらに試験するために、ＨｅＬａ細胞をそれぞれ６秒、１分、１０分の間、２３ｄＢｍの電力でＳＳＡＷ放射に暴露させることにより、細胞生存試験を実施した。
【００４２】
図５は、音響ピンセット装置の製造に関わる主要なステップ（（１）チャープ櫛歯型変換器（ＩＤＴｓ）の製造及び（２）ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）マイクロチャネルの製造）を示す。
【００４３】
図５Ａ〜Ｄは、チャープＩＤＴｓの製造プロセスを示す。図５Ａに示すように、フォトレジスト５２（ＳＰＲ３０１２、マイクロケム社（MicroChem）、アメリカ合衆国マサチューセッツ州ニュートン）の層を、Ｙ＋１２８°Ｘ−伝播ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）ウェハ５０上にスピンコートした。これをＵＶ光源によりパターン化し、フォトレジスト現像液（MF CD-26、マイクロポジット社（Ｍｉｃｒｏｐｏｓｉｔ））で現像することにより、図５Ｂに示す構造を得た。続いて、図５Ｃに示すように、電子ビーム蒸発器（セミコア社（Semicore Corp））を用いて２層金属５４（Ｔｉ／Ａｕ、５０Å／８００Å）をウェハ上に堆積させ、その後、リフトオフプロセスによりフォトレジストを除去して、図５Ｄに示すＩＤＴｓを形成した。
【００４４】
図５Ｅ〜Ｈに示すように、一般的なソフトリソグラフィ技術及びモールド複製技術を用いて、ＰＤＭＳマイクロチャネルを製造した。図５Ｇに示すように、マイクロチャネルモールド用のシリコン基板６０をフォトレジスト６２（Shipley 1827、マイクロケム社（MicroChem）、マサチューセッツ州ニュートン）によりパターン化し、深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ、アディクセン社（Adixen）、マサチューセッツ州ヒンガム）によりエッチングした。これにより、シリコン６６用のモールド６４を得た。Sylgard(tm) 184シリコーンエラストマー硬化剤（Dow Corning、ミシガン州ミッドランド）及びSylgard(tm) 184シリコーンエラストマーベースを１：１０の重量比で混合し、シリコンモールドに流し込み、６５℃で３０分間硬化させた。最後に、図５Ｉに示すように、ＩＤＴ基板及びＰＤＭＳを酸素プラズマで処理し、結合させた。２００９年１２月４に出願された米国出願第１２／６３１０５９号に記載の製造方法を用いて、本発明の実施例に係る装置を製造してもよい。
【００４５】
本発明者らは、６秒、１分、及び１０分の間、高出力（２３ｄＢＭ）のＳＳＡＷ場にＨｅＬａ細胞を放置することにより、生存能力を検討した。ＳＳＡＷ場に１０分間放置した場合、細胞生存率は９９．０２％であり、陽性対照群と比較してわずか０．３３％だけ低かった。対照実験として、室温で２時間及び６５℃で４８時間放置することにより、細胞の生存能力を検討した。各群について、５回試験を実施した。ＳＳＡＷ場に６秒、１分、１０分の間放置させた群における生存率は、それぞれ１００，０％、９９．３％、及び９９．０２％であった。
【００４６】
本発明は、可変定常的表面弾性波（ＳＳＡＷｓ）を用いて細胞を分類するためのオンチップのマイクロ流体装置を提供する。この装置はＰＤＭＳ装置に組み込まれ、蛍光活性細胞分類（ＦＡＣＳ）の長所と細胞移動の高速電子制御の長所とを兼ね備えている。実施例の装置は、入力周波数をチャープＩＤＴｓの広い動作範囲内に制御してＳＳＡＷｓの位置をシフトすることにより、細胞を３つの異なる出口に正確に導く。この分類装置は、導かれた物体の物性におけるコントラスト及び連続相を利用するので、分極又は電磁ビーズ等のマーカーにより物体に予めラベルを付すことなく連続フローで動作する。細胞は、従来のＦＡＣＳにおける液滴のようなものに予めカプセル化することなく直接分類される。
【００４７】
細胞分類は、基本的な細胞研究、がん研究、臨床医学、及び移植免疫にとって重要である。蛍光活性細胞分類（ＦＡＣＳ）において、細胞は小さな液滴にカプセル化され、電荷によって選択的にラベルを付され、電界において高速に分類される。しかし、このような液滴ベースの分類は、典型的には、高収率を実現するために大量の細胞を必要とする。死容積が大きいと、少量のサンプルから重要な細胞を分離するのが困難になる。例えば、細胞は分類後に培養するので、液滴に細胞を入れるのは望ましくない場合がある。低コストの使い捨てマイクロ流体装置による直接細胞分類により、これら欠点を避けることができ、コストを抑えることもできる。
【００４８】
マイクロ流体分類装置において、細胞移動又は流動のアクティブ制御のためにいくつかの方法が用いられる。流体動電可動化ベースの細胞分類装置は、細胞の生存能力を維持するのが困難であり、緩衝器不適合の制限もある。生体細胞分類には、流体弁に依存した流体力学的流動制御も使用されている。しかし、複雑な構造、応答時間の短さ、及び各スイッチサイクルにおける比較的容積の大きい液体の老廃物により、その用途が限定される。磁化活性細胞分類において、電界における分類に先立ち細胞を標的とするため、電磁ビーズにはラベルが付されている。光学力スイッチングは、光学装置の放射圧力を利用して粒子又は細胞を操作する。しかし、これら装置は、複雑な構成を必要とし、比較的高価であるため、携帯するには望ましくない。
【００４９】
安全で非侵襲性の代替法として、連続フロー状態における粒子／細胞収集、捕捉、分離、抽出、及ぶ分類のためにマイクロ流体において音誘導が利用されている。可変ＳＳＡＷを用いて、高速電子応答の長所と冗長外部ラベリング又は液滴カプセル化の長所とを組み合わせた新しいハイブリッド法を実証した。
【００５０】
液滴／細胞分類のために表面弾性波（ＳＡＷ）を用いることが近年報告されている。しかし、ＳＡＷの基礎にある物理的作用機序は、本技術の可変定常的表面弾性波（ＳＳＡＷ）のものと著しく異なる。前者では、ＳＡＷが基板の表面を伝導し、縦波として液体に漏洩し、この漏れ波が、バルク流体の圧縮性の結果として音響流を引き起こす。この音響流がバルク流体を駆動させ、物体が埋め込まれ、これにより、物体の分類が実現される。これに対し、本発明の装置は、入力周波数を制御することにより細胞を特定のチャネルに導く。本発明者らは、可変ＳＳＡＷを用いて、蛍光粒子及びウシ赤血球を３つのチャネルに正確に分類できることを実証した。他のほとんどの分類技術を含む従来のＳＡＷベースの分類法は、収集チャネルと老廃物チャネルの２つの出口チャネルを有しているだけである。すなわち、サンプルから１種類の物体のみを分離できることを意味する。本明細書に記載の方法は、対象のサンプルから複数の物体を収集することができる。
【００５１】
図６Ａ及び６Ｂは、１対のチャープＩＤＴｓ７０及び７２を示し、各チャープＩＤＴは圧電基板上に堆積された１対の金電極を有する。この櫛状電極構造は、勾配のある櫛歯間隔距離を有する。この構造の櫛歯間隔における勾配により、広範囲の周波数においてＳＡＷの励起が可能になる。フローチャネル７４は、ゼロ次波節位置が動作領域７６の外側になるようにＩＤＴｓの間に非対称に配置される。フローチャネル７４は、入口７８及び３つの出口８０、８２、及び８４を有する。
【００５２】
ＩＤＴｓは、互いに干渉し合う同一のＳＡＷｓを生成し、２つのＩＤＴｓ間の領域においてＳＳＡＷを形成する。これらＳＳＡＷｓは動作領域７６内の隣接する液状媒体に漏洩し、懸濁物に対する音響放射力を生成する。音響放射力は、圧力場において並列波節又は非波節に向けて弾性特性に応じて物体を駆動する。ポリスチレンビーズや細胞を含むほとんどの物体は、背景媒体に対する密度及び／又は圧縮率の変動のために、圧力場において波節に向けて押し出される。
【００５３】
様々な入力周波数を有するチャープＩＤＴｓを用いて、装置８６はＳＳＡＷの干渉により生成された波節の位置をシフトすることができる。その結果、図６Ａ及び６Ｂに示すように、波節で捕捉された単一の粒子／細胞を、特定の入力周波数に対応して上部又は下部のチャネルに導くことができる。動作領域を通過した後の粒子のシフト距離は、一実施形態において５０μｍであり、用途に応じてさらに拡大することもできる。この装置を電子制御に組み込むことにより、ＩＤＴをオンにして標的物体を分類するための高速トリガーを実現することができる。
【００５４】
実施例の粒子分類装置は、ＰＤＭＳチャネル及び１対のチャープＩＤＴｓを含む。本明細書に記載の装置は一端の２６０μｍから他端の３００μｍの櫛歯間隔（ただしこれに限られない）を有し、１３ＭＨｚ以上１５ＭＨｚ以下の周波数範囲で動作する。この動作周波数は、用途に応じて変更することができる。使用する圧電基板は、Ｘ軸周りに１２８°回転する結晶を有するＹ−カットＬｉＮｂＯ３である。チャープＩＤＴの櫛歯は、Ｘ軸に平行に配列されるので、Ｘ軸に垂直な方向に伝導するＳＡＷを励起する。
【００５５】
この装置の製造には、２つの主要なステップが関与する。（１）チャープＩＤＴｓの製造には、フォトレジストリソグラフィ（SPR3012、マイクロケム社（MicroChem）、マサチューセッツ州ニュートン）、電子ビーム蒸発器（セミコア社（Semicore Corp））を用いたウェハ上への二層金属（Ｃｒ／Ａｕ、５０Å／８００Å）の堆積、及びフォトレジストを除去してＩＤＴｓを形成するリフトオフプロセスが関与する。（２）ＰＤＭＳマイクロチャネルは、図６Ａ及び６Ｂに示すように、主チャネルを３つの出口チャネルに分割する２つのブランチにより設計し、一般的なソフトリソグラフィ技術及びモールド複製技術を用いて製造した。最後に、ＩＤＴ基板及びＰＤＭＳを酸素プラズマで処理した後、顕微鏡下で結合し装置を完成した。分類装置は、倒立顕微鏡（Nikon TE2000U）のステージ上に取り付けた。２つのチャープＩＤＴｓを同時に駆動させるために、ＲＦ信号を関数発生器（Agilent E4422B）により生成した。ウシの赤血球（直径６μｍ以下、イノベーティブリサーチ社（Innovative Research, Inc.））又は直径１５μｍの蛍光ポリスチレンビーズ（ドラゴングリーン）の溶液をチャネルに注入し、２つのシースフローにより２次元で収集させた後、ＲＦ信号を印加した。分類処理をキャプチャするために、ＣＣＤカメラ（CoolSNAP HQ2、フォトメトリクス社（Photometrics）、アメリカ合衆国アリゾナ州ツーソン）及び高速度カメラ（Casio EX-F1）を顕微鏡に接続した。
【００５６】
分類方法の機能性を実証するために、本発明者らはまず、この分類方法を用いて１．２ｇ／ｃｍ３の密度を有する１５μｍのポリスチレンビーズを移動させた。ビーズの溶液サンプルは、２つの側方フローにより主チャネルの中心に流体力学的に収集され、ＳＳＡＷ動作領域を通過し、そこで分類される。一実施例では、１３．９ＭＨｚ及び１４．５ＭＨｚの周波数において粒子はそれぞれ上部及び下部のチャネルに導かれた。ＳＳＡＷがオフになると、すべての粒子は中央のチャネルにまっすぐ進む。
【００５７】
このようにして、本発明者らは、それぞれ上部及び下部の出口チャネルに２種類の細胞を分類することができた。チャープＩＤＴｓの動作周波数範囲が広いので、ＰＤＭＳチャネル及びＩＤＴｓを正確に配置する必要がない。入力周波数を掃引するだけで、各出口チャネルに対する特定の分類周波数を見出すことができる。この装置は、図示した３つの出口チャネルを複数の出口チャネルに拡大することにより、より多くの種類の細胞を分類することができる。本明細書に示す新しい分類技術は、多くの種類の物体を同時に分類することができる。この技術は高速電子制御により動作し、収集、検出、分類システムなどの複雑なシステムに容易に組み込むことができる。細胞は連続フローにより直接分類されるので、この技術は、その後の細胞培養にとって特に望ましいものとなる。
【００５８】
図８は、５経路分類装置の概略図であり、図の右側は、実験により実現した血液細胞の５経路分類、特に５つの異なる出口チャネルへのヒトの白血球（ＨＬ−６０細胞）の分類を示す。
【００５９】
いくつかの実施例では、粒子はフローチャネル又は粒子が流れる入力チャネルにおいて特徴付けられる。粒子の特徴付けは、光学的（例えば、散乱、蛍光、吸収等）、電子的、磁気的な特徴付け、又はその組み合わせでもよい。特徴付け信号はコントローラに送信され、コントローラは、受信した特徴付け信号に基づいて、複数の出力チャネルのうちの所望の出力チャネルに粒子を導くための変換信号の周波数及び／又は位相を調整する。
【００６０】
細胞分類機能は、周波数を調整して懸濁液又は他の液状媒体において波節（又は非波節）の位置を変えることにより実現できる。しかし、同様の構成により、位相を変化させることで上述の機能（粒子分離、分類、及び他の操作）と同様の機能を実現できる。その結果、波節（又は非波節）の位置は、ＳＡＷの周波数又は位相の調整により実現できる。ＳＡＷの周波数及び位相は、変換器への入力信号により決定され、電子制御回路により制御することができる。
【００６１】
実施例には、あらゆる種類の細胞にラベルを付し、ラベルを検出（例えば、蛍光検出）することにより、標識された細胞を所望の出力チャネルに導く免疫装置が含まれる。粒子に対して選択可能な出力チャネルの数は、本実施例によって制限されず、例えば、２以上２０以下、特に２以上１０以下でもよい。標識検出は、波長依存でもよい。例えば、異なる傾向波長を利用して、異なるチャネルに細胞を分類してもよい。電子検出器は、電子制御回路と通信してもよい。この電子制御回路は、ＳＳＡＷを適宜調整して、選択した出力チャネルに粒子を導く。
【００６２】
分類装置は、低コストで使い捨て可能なマイクロ流体チップ上に構築してもよく、必要とするサンプルの容積が小さいため、研究分析及び診断にとって理想的な代替となる。
【００６３】
本発明は、細胞分離に用いてもよい。図９Ａ〜Ｄは、例示的な細胞分離及び凝集プロセスを示す。図９Ａに示すように、また図９Ｂに拡大して示すように、正方形のチャネル９０は、１０μｍ及び１μｍの粒子で満たされる。粒子をチャネルの上部から下部に移動させるために、図９に示さないＩＤＴｓを用いて本音響デバイスに対して掃引周波数を適用すると、大きな粒子（直径１０μｍ）がチャネルの下部に凝集する。図９Ｃは、大きな粒子が下部に一掃されたチャネルを示す。これにより、図９Ｄに示すように、小さな粒子だけが残る。この現象を利用して、ヒトの全血細胞から血液細胞（７μｍ以上１５μｍ以下）、血小板（２μｍ以下）、及びプラズマを分離することができる。
【００６４】
図１０は、フローチャネル９２における粒子／細胞分離を示す概略図である。異なるサイズの細胞／粒子を含む溶液がチャネル９２に注入されると、可変定常的表面弾性波（ＳＳＡＷ）が、大きな細胞を一方向に押し出し、小さな細胞は元のフローストリームに止まるので、小さな細胞／粒子は上部の出口チャネルに集まり、大きな細胞／粒子は下部のチャネルに集まる。本実施例において、掃引信号を用いてもよい。
【００６５】
本明細書に記載の特許又は刊行物は、参照により、各個別の刊行物が参照により組み込まれると具体的かつ個別に示された場合と同程度にここに組み込まれる。
【００６６】
本発明は、上述の実施例に限定されない。記載した実施例は、本発明の範囲を限定することを意図していない。本発明における変更、他の要素の組み合わせ、及び他の使用は、当業者には可能であろう。本発明の改変や修正は、上述の教示に照らして可能であり、添付の特許請求の範囲内であれば、明記した範囲を超えて実施可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年11月12日(2014.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面弾性波を用いる粒子操作装置であって、
基板と、
前記基板上に規定され、ミクロスケールの物体及びナノスケールの物体の一方又は両方を含む流体懸濁液を収容し、第１の側面、前記第１の側面に対向する第２の側面、並びに前記第１の側面及び前記第２の側面の間に規定される動作領域を有するチャネルと、
前記基板上に前記チャネルの前記第１の側面から離れて配置され、周波数及び位相を有する第１の入力信号に応答して前記基板を振動させる第１の可変周波数変換器と
を具備する粒子操作装置。
【請求項２】
表面弾性波を用いる粒子操作方法であって、
基板と、
前記基板上に規定され、ミクロスケールの物体及びナノスケールの物体の一方又は両方を含む流体懸濁液を収容し、第１の側面、前記第１の側面に対向する第２の側面、並びに前記第１の側面及び前記第２の側面の間に規定される動作領域を有するチャネルと、
前記基板上に前記チャネルの前記第１の側面から離れて配置され、周波数及び位相を有する第１の入力信号に応答して前記基板を振動させる第１の可変周波数変換器と
を具備する粒子操作装置を準備し、
粒子を含む流体懸濁液を前記チャネルに導入し、
前記第１の可変周波数変換器を用いて、前記流体懸濁液において表面弾性波を生成し、
前記表面弾性波の周波数及び／又は位相を調整することにより前記粒子を操作する
粒子操作方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記動作領域において表面弾性波を生成するために前記第１及び第２の入力信号を供給する電子制御回路をさらに含み、前記動作領域における高次の波節の位置を調整し、前記粒子の位置を調整するために、前記第１及び第２の入力信号の前記周波数及び／又は位相は可変である
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記粒子操作装置は、
前記基板上に前記チャネルの前記第２の側面から離れて配置され、周波数及び位相を有する第２の入力信号に応答して前記基板を振動させる第２の可変周波数変換器
をさらに具備する粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項５】
請求項４に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記粒子操作装置は、
前記基板上に前記チャネルの第３の側面から離れて配置され、周波数及び位相を有する第３の入力信号に応答して前記基板を振動させる第３の可変周波数変換器と、
前記基板上に前記チャネルの第４の側面から離れて配置され、周波数及び位相を有する第４の入力信号に応答して前記基板を振動させる第４の可変周波数変換器と
をさらに具備し、
前記第３及び第４の可変周波数変換器は、前記第１及び第２の可変周波数変換器にほぼ直交して配置される
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項６】
請求項５に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記動作領域において第１の表面弾性波を生成するように前記第１及び第２の入力信号を前記第１及び第２の可変周波数変換器にそれぞれ供給し、前記動作領域において第２の表面弾性波を生成するように前記第３及び第４の入力信号を前記第３及び第４の可変周波数変換器にそれぞれ供給する電子制御回路をさらに含み、前記動作領域において高次の波節の位置を調整し、前記粒子の位置を調整するために、前記第１、第２、第３、及び第４の入力信号の前記周波数及び／又は位相は可変である
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記粒子は有機粒子、無機粒子、生体細胞、液滴又は微生物である
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項８】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記チャネルは、入力チャネル及び複数の出力チャネルを有するフローチャネルであり、
前記動作領域において高次波節の位置を変化させるように前記第１及び第２の入力信号の前記周波数及び／又は位相を変化させることにより、粒子は前記複数の出力チャネルのうちの１つに選択的に導かれる
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項９】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記基板は圧電基板である
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項１０】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記第１及び第２の可変周波数変換器は、前記基板に支持され、前記基板における位置関数として変化する間隔を空けて互いに隣接する櫛歯を有する櫛歯型電極をそれぞれ有する
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項１１】
請求項１又は２に記載の粒子操作装置又は粒子操作方法であって、
前記第１及び第２の可変周波数変換器は、少なくとも１ＭＨｚの可変周波数範囲又は少なくとも１０度の可変位相範囲をそれぞれ有する
粒子操作装置又は粒子操作方法。
【請求項１２】
可変表面弾性波を用いる粒子操作方法であって、
粒子を含む流体懸濁液をチャネルに導入し、
一対の可変周波数変換器を用いて、前記流体懸濁液において表面弾性波を生成し、
前記表面弾性波の周波数及び／又は位相を調整することにより前記粒子を操作する
粒子操作方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の粒子操作方法であって、
前記粒子操作方法は、粒子分類方法であり、
前記チャネルは、フローチャネルであり、
前記表面弾性波の前記周波数及び／又は位相は、前記粒子の軌道を複数の出力チャネルから選択された１つの出力チャネルに向けるために調整される
粒子操作方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の粒子操作方法であって、
前記粒子は、有機粒子、無機粒子、液滴、細胞、又は微生物である
粒子操作方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の粒子操作方法であって、さらに
一対の第２の可変周波数変換器を用いて、前記流体懸濁液において第２の表面弾性波を生成し、
前記粒子はさらに、前記第２の表面弾性波の周波数及び／又は位相を調整することにより操作される
粒子操作方法。
【国際調査報告】
2015512766.tif 000017