(57)【要約】【課題】サブミリ流路内の微粒子を連続的に効率良く分離する。【解決手段】流路１０内を流れる浮遊微粒子８を音響放射力及び静電気力により連続的に分離するに際して、静電気力により浮遊微粒子の一部（小径粒子８ｂ）を流路１０の一方の側壁１２に導くと共に、音響放射力を働かせるための定在波２４を走査して、該定在波２４によって生じる音場の節の位置を変化させることにより、浮遊微粒子の他の一部（大径粒子８ａ）を流路１０の他方の側壁（反射板２２）に導く。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内を流れる浮遊微粒子を音響放射力及び静電気力により連続的に分離するに際して、
静電気力により浮遊微粒子の一部を流路の一方の側壁に導くと共に、
音響放射力を働かせるための定在波を走査して、該定在波によって生じる音場の節の位置を変化させることにより、浮遊微粒子の他の一部を流路の他方の側壁に導くことを特徴とする浮遊微粒子の連続的分離方法。
【請求項２】
流路内を流れる浮遊微粒子を音響放射力及び静電気力により連続的に分離するための浮遊微粒子の連続的分離装置であって、
浮遊微粒子の流路の側壁間に静電気力を発生させる手段と、
浮遊微粒子の流路の側壁間に音響放射力を働かせるための定在波を発生する手段と、
該定在波を走査する手段とを備え、
前記静電気力により浮遊微粒子の一部を流路の一方の側壁に導くと共に、前記定在波を走査して、該定在波によって生じる音場の節の位置を変化させることにより、浮遊微粒子の他の一部を流路の他方の側壁に導くようにされていることを特徴とする浮遊微粒子の連続的分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮遊微粒子の連続的分離方法及び装置に係り、特に、ＭＥＭＳ（Micro  Electro-Mechanical  System）技術を用いて作成されるμ−ＴＡＳ（Total  Analysis  System）やＬab-on-a  Tip等のマイクロ流体デバイスに用いるのに好適な、流路内を流れる浮遊微粒子を音響放射力及び静電気力により連続的に分離するための浮遊微粒子の連続的分離方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の分離技術は、工学・医学・食品学等、様々な分野において、不純物の除去やばらつきの抑制による品質の向上等に必要不可欠な技術であり、一般的に遠心分離法や膜分離法等を用いた方法が採られている。
【０００３】
しかしながら、近年急速に実用化が進む微細加工技術を用いて既存の機器の小型化、機能の集積化を目的としたマイクロ流体デバイスへの適用に多くの課題を抱えているのが現状である。即ち、代表的な分離機器である遠心分離機は、装置自体が大型であり、毎回のサンプルの摘出が必要となり、膜フィルタは、定期的な膜の交換が必要である。又、両者とも接触式分離方法であるため、分離対象の破壊や微量な試料を扱うことが困難となる等の問題がある。そのため、マイクロ流体デバイスにおいては、革新的な非接触且つ連続的な分離技術が求められている。
【０００４】
物質に非接触で力を加える方法としては、光の放射圧や磁力を用いる方法などが挙げられるが、近年注目を集めている方法に、例えば非特許文献１に記載されているような、音の放射圧に基づく音響放射力を用いる方法がある。音響放射力は、（１）対象となる空間や物質の透明度や屈折率・磁性等に制約を受けない。（２）広範囲に力学的作用を与えることができ、装置が単純なため小型化が容易、光学機器等と比較して安価であることなどが実用上大きな利点である。
【０００５】
又、音響放射力と同じく非接触で物質を操作する方法の１つに、特許文献１に記載されているような静電気力を用いる方法がある。
【０００６】
更に、音響放射力と静電気力を組合せて微粒子を分離することが、特許文献２に示唆されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−８２７２３号公報
【特許文献２】特許第３２０５４１３号公報（段落［００２９］、［００３４］、図３、図５）
【非特許文献１】小塚晃透「周波数変化を用いた定在波音場の制御による微粒子走査」信学技報ＵＳ２００２−１３（２００２−０５）４１〜４４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら従来は、音響放射力と静電気力を組合せて浮遊微粒子を連続的に効率良く分離することはできなかった。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、音響放射力と静電気力を利用して、サブミリ流路内を流れる浮遊微粒子を連続的に効率良く分離することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、流路内を流れる浮遊微粒子を音響放射力及び静電気力により連続的に分離するに際して、静電気力により浮遊微粒子の一部を流路の一方の側壁に導くと共に、音響放射力を働かせるための定在波を走査して、該定在波によって生じる音場の節の位置を変化させることにより、浮遊微粒子の他の一部を流路の他方の側壁に導くようにして、前記課題を解決したものである。
【００１１】
本発明は、又、流路内を流れる浮遊微粒子を音響放射力及び静電気力により連続的に分離するための浮遊微粒子の連続的分離装置であって、浮遊微粒子の流路の側壁間に静電気力を発生させる手段と、浮遊微粒子の流路の側壁間に音響放射力を働かせるための定在波を発生する手段と、前記静電気力により浮遊微粒子の一部を流路の一方の側壁に導くと共に、該定在波を走査する手段とを備え、前記定在波を走査して、該定在波によって生じる音場の節の位置を変化させることにより、浮遊微粒子の他の一部を流路の他方の側壁に導くようにして、同じく前記課題を解決したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、静電気力と移動定在波の組合せにより、音響・静電場内の大径粒子を例えば超音波の周波数走査により輸送し、小径粒子を電気泳動により大径粒子と反対方向に輸送することにより、例えばサブミリ流路内を流れる浮遊微粒子を、連続的に効率良く分離することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１（Ａ）に示す如く、例えばサブミリ流路１０を構成する一方の流路壁１２の背後に音源（例えば超音波発振プローブであるトランスデューサ）２０を配設し、これと平行に他方の流路壁を兼ねたガラス板等の反射板２２を設置すると、流路１０内を伝播する進行波と反射波の２つの音波が干渉して定在波２４の音場が形成され、定在波音場中の物質（微粒子）８には音響放射力Ｆacが働く。定在波音場では、音圧振幅が大きい腹と音圧振幅が小さい節が交互に存在し、定在波音場中の音響放射力Ｆacは次式で表わされる。
【００１５】
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【００１６】
ここで、Ｒは粒子半径［ｍ］、ｋ［−］は波数、Ｅac［Ｊ／ｍ3］は音のエネルギー密度、ｌ[ｍ]は節からの距離、ρ［kg／ｍ3］及びρ’［kg／ｍ3］は粒子及び媒質の密度、γ［１／Ｐa］及びγ’[１／Ｐa]は粒子及び媒質の弾性率である。
【００１７】
力の方向は関数Ａにより決定され、関数Ａが正のとき粒子は節に向かう力を受け、負のとき腹に向かう方向に力を受ける。例えば水中に分散するポリスチレン粒子の場合、関数Ａは正の値をとり、節に向かう方向に力を受け、移動後、節の位置に捕捉される。
【００１８】
本発明では、更に流路１０の壁面１２、２２に沿って電極３０、３２を設置し、電源３４を接続することにより、流れ方向に対して垂直に電界を発生させる。そして、図１（Ａ）に示したように、流路内の粒子８が定在波２４の節に捕捉された状態で、電極３０、３２に電圧を印加して電界を発生させると、溶液中で負に帯電する粒子は静電気力により陽極３２へ引き付けられる。このとき、粒子８には、音響放射力と静電気力の２つの力が同時に働く。静電気力Ｆeよりも音響放射力Ｆacが支配的となる場合、図１（Ｂ）に示すように、粒子８は音響放射力と静電気力との釣合いの位置に静止し、音響放射力よりも静電気力が支配的となると、図１（Ｃ）に示すように、粒子８は音響放射力のポテンシャルの山を越えて陽極３２に引き付けられる。従って、２種の大きさが異なる粒子を混濁させた溶液中において、音響放射力と静電気力のバランスをとることにより、大径粒子８ａと小径粒子８ｂで支配的となる力を異なるものとし、図１（Ｄ）に示すように、支配的になる力により粒子の運動を決定することが可能となる。これを流動場に適用することにより、小径粒子８ｂの連続的な分離が可能となる。
【００１９】
しかしながら、図２（Ａ）に示すように、小径粒子８ｂを流れに対し垂直方向に輸送しても、大径粒子８ａを定在波２４の節の位置に捕捉したままでは、大径粒子８ａと小径粒子８ｂが混在する領域が生じてしまうため、必ずしも効率的な分離は可能でない。
【００２０】
即ち、より効率的な分離を行なうためには、図２（Ｂ）に示すように、小径粒子８ｂ及び大径粒子８ａをそれぞれ異なる方向へ輸送する必要がある。そこで、本発明では、一定の周波数により空間的に固定された定在波ではなく、周波数を走査することにより、空間的に移動する定在波を用いて、大径粒子８ａも輸送する。音波の周波数を変化させることにより微粒子の運動を制御する技術は、非特許文献１に記載されている。
【００２１】
非特許文献１では、音波の周波数を走査させることにより、流路内に形成される定在波の節を移動させて、流体中のアルミナ粒子を移動させ、非接触且つ連続的な濃縮を行なっている。定在波は２つ以上の音波の干渉により形成されるため、音波の波長により形状が変化する。周波数が高くなるほど波長は短くなることから、定在波の節の間隔が短くなり、反対に、周波数が低くなるほど波長は長くなり、節の間隔は長くなる。従って、周波数を時間に対し連続的に変化させることにより、定在波の節は連続的に移動する。よって、節の移動に追従する粒子も連続的に移動する。しかしながら、音源であるトランスデューサには発振限界周波数帯域が存在し、圧電素子の共振周波数から離れた周波数の発信は、音響出力の著しい低下を招く。よって、音響放射力により粒子を捕捉するためには、共振周波数付近の超音波を用いなければならない。絶えず節の移動を行なうために、非特許文献１では、時間に対し比例する周波数走査を周期的に行なっている。即ち、図３に示すように、発振周波数をｆminから直線的にｆmaxまで変化させた後、初期の周波数ｆminに戻し、再度周波数を時間に直線的に変化させる。これにより、一時的に不連続ではあるが連続した周波数を同一方向に変化させ続けることが可能となる。
【００２２】
周波数走査による粒子移動の概略図を図４に示す。このようにして、周波数をｆminからｆmin＋Δｆ、ｆmaxと連続して走査させ続けることにより、音圧の節の間隔が徐々に短くなり、同時に捕捉されている大径粒子８ａも、図４中の（Ａ）から（Ｂ）、（Ｃ）へと移動する。そして、ｆ＝ｆmaxとした後、瞬時にｆ＝ｆminに変化させることにより、音圧の節に捕捉された大径粒子８ａは、（Ｃ）から（Ｄ）のように、最も近い節の位置へと移動する。同一周波数である（Ｄ）及び（Ａ）を比較すると分かるように、この一連の周波数走査で大径粒子８ａは左の音圧の節に移動していることが分かる。よって、周波数走査を繰り返すことにより、大径粒子８ａを連続的に移動させることができる。
【００２３】
従って、図５に示す如く、静電場内の移動定在波を用いることによって、大径粒子８ａと小径粒子８ｂの効率的な分離が可能となる。なお、大径粒子８ａの輸送方向は音源２０から反射板２２に向かう方向であるため、静電気の印加方向を図１、図２とは逆にして、音源２０側を陽極３２、反射板２２側を陰極３０とし、小径粒子８ｂを大径粒子８ａと逆の音源方向に輸送する必要がある。
【実施例】
【００２４】
本発明を実施するための実施例装置を図６（全体構成）及び図７（流路構成）に示す。本実施例では蛍光粒子と無蛍光粒子を用いているため、２つの光源を使用した。蛍光粒子の励起光源として連続発光光源である水銀ランプ５０を用い、フィルタブロック４４の各種フィルタにより粒子に含まれる蛍光剤の吸収波長の光をステージ１４上のサブミリ流路１０に照射し、蛍光粒子からの発光を得て、ＣＣＤカメラ４０にて撮像した。無蛍光粒子には、透過光源として、水銀ランプと同じく連続発光光源であるハロゲンランプ４８をステージ１４の上部に設置し、流路１０内へ白色光を透過することにより粒子像をＣＣＤカメラ４０に投影した。レンズ系にはＮＡ＝０．２５の１０倍の対物レンズ４６及び０．６倍のＴＶレンズ４２を用い、総合倍率を６倍とした。流路１０内に挿入された電極３０、３２は高圧電源３４に接続し直流電圧を印加した。流路１０に対し垂直に設置された超音波発振プローブであるトランスデューサ２０は、ファンクションジェネレータ２６により正弦電圧で駆動した。図において、６０は、流路１０内の流れを形成するためのシリンジポンプである。
【００２５】
前記流路１０は、図７に詳細に示す如く、矩形流路をアクリルでなる流経壁１２とガラス板でなる反射板２２の組合せにより作成し、流路中央のアクリル壁１２に垂直にトランスデューサ２０を設置した。発振周波数は、透過率が最大となり、且つ１／２波長の整数倍が流路幅となる共振条件により、発振周波数ｆを５．１８ＭＨｚと設定した。トランスデューサ２０より発振された超音波は、アクリル壁１２、溶液を透過し、ガラス壁２２により反射される。水とガラス間の音響インピーダンスから求められた反射率は７９．９％である。アクリル流路壁面に沿って計４本の直径５０μｍの白金線電極３０、３２を挿入し、アクリル壁１２側を陰極３２、ガラス壁２２側を陽極３０とした。ここで、板状ではなく線状の電極を用いているのは、超音波の伝播を妨害しないためである。なお、超音波が十分伝われば板状の電極でも良い。
【００２６】
分離対象となるポリスチレン粒子には、小径粒子として粒子径２．０μｍ、４．０μｍの蛍光粒子、及び、大径粒子として粒子径９．６μｍの無蛍光粒子の３種類の粒子を用いた。粒子は表面に硫酸塩基（−ＨＳＯ3）が修飾されており、溶液中におけるイオンの解離（ＨＳＯ3→Ｈ+＋ＳＯ3-）により粒子は帯電する。粒子溶液をイオン交換水により５ｍＭに調整したＨＥＰＥＳ緩衝溶液によりそれぞれ希釈し、粒子の体積密度を調整した。ＨＥＰＥＳ緩衝溶液はｐＨ＝６．８６、導電率σ＝１１７．９［μＳ／ｃｍ］であった。緩衝溶液により粒子溶液のｐＨは一定に保たれ、粒子は自己のクーロン力により溶液中で安定して分散している。
【００２７】
上記装置による実験結果を、図８乃至図１０に示す。
【００２８】
図８は、静止流動場において、１種の粒子溶液に対し、電界のみを印加、又は、電界と周波数走査により移動する定在波の両方を作用させた時の、（Ａ）２．０μｍ粒子、（Ｂ）４．０μｍ粒子、（Ｃ）９．６μｍ粒子の速度と正規化された確率密度の関係を示したものである。
【００２９】
２．０μｍ粒子及び４．０μｍ粒子は、電界を印加しない周波数走査時において移動速度は１０μｍ／s程度であり、同条件で計測された９．６μｍ粒子速度と比較しても低速度である。周波数走査に加え２．０Ｖ／ｍｍ及び２．３Ｖ／ｍｍの電界を印加したとき、２．０μｍ粒子及び４．０μｍ粒子は、２．０Ｖ／μｍ及び４．０Ｖ／μｍの電界のみを印加したときの速度分だけ正の速度へシフトした確率分布となった。一方、９．６μｍ粒子は、電界を印加し、強度を上げていくと静電気力の影響により移動する早さは低下するが、２．３Ｖ／ｍｍ印加時においても電界を印加しないときと比較し、平均速度の変化は数μｍ程度であった。周波数走査に加え電界を印加することにより、２．０μｍ粒子および４．０μｍ粒子は正の速度を有するのに対し、９．６μｍ粒子は負の速度を有した。９．６μｍの大径粒子と２．０、４．０μｍの小径粒子の移動速度が、それぞれ反対の符号を有し、平均速度の差は１５０μｍ／sであった。
【００３０】
次いで、２種の粒子を等量混合した溶液をシリンジポンプ６０により送液し、２種の粒子が混在する流動場への適用を行った。２．０μｍ粒子及び９．６μｍ粒子溶液を等量混合し、流路中心速度が１５０μｍ／sとなる流速にて送液した。４．６８ＭＨｚから５．６８ＭＨｚまで３秒１周期で周波数走査を行うことにより定在波の節を移動させ、２．３Ｖ／ｍｍの電界を印加したときの各々の粒子速度を計測した。計測領域は流路中央及び音源付近の計２箇所とした。ＣＣＤカメラのフレームレート３０ｆｐｓとし、周波数走査２周期に相当する６秒間１８０時刻の画像から速度を算出した。図９上段に各計測領域における周波数走査１周期間の粒子の重心位置を示す。図中灰色の点で示した２．０μｍ粒子は下流へ流れるに従い陽極側へ移動しているのに対し、黒い点で示した９．６μｍ粒子は明らかに２．０μｍ粒子とは反対側に反射板方向へ移動している様子が確認された。図９下段に各位置において計測された２．０μｍ及び９．６μｍ粒子速度の正規化された確率密度分布を示す。流路中央と比較し、音源付近において、９．６μｍ粒子は幅広い速度を有した。図９上段からも見て取れるように、音源付近では９．６μｍ粒子が左右に往復運動する様子が見られる。音源付近では周波数に対する節の移動量が大きいため、９．６μｍ粒子が節に追従しきれず、流路中央と比較し節の間で粒子の受け渡しが起こりにくいためであると考えられるが、平均速度は依然として３０μｍ／s程度のＸ軸に正方向の速度を有した。また、２．０μｍ粒子及び９．６μｍ粒子を混合することにより混合しない場合と比較し平均移動速度粒子の低下が確認された。２．０μｍ粒子の平均移動速度は流路中央の計測領域において３１％まで低下が見られ、９．６μｍ粒子は７６％となった。反対方向に進もうとする粒子の間で粘性の影響により、互いに抗力を与えたためであると考えられる。
【００３１】
次に、４．０μｍ粒子と９．６μｍ粒子溶液を等量混合し、同様の実験を行った。図１０上段に各計測領域における周波数走査１周期間の粒子の重心位置を示す。図中灰色の点で示した４．０μｍ粒子は下流へと流れながら陽極側へ移動しているのに対し、黒い点で示した９．６μｍ粒子は明らかに４．０μｍ粒子とは反対に下流に流れるに従って反射板方向へ移動している様子が確認された。図１０下段に各位置において計測された４．０μｍ及び９．６μｍ粒子速度の確率密度分布を示す。４．０μｍ粒子と９．６μｍ粒子を混合した場合も２．０μｍ粒子と９．６μｍを混合した結果と同様の傾向が確認された。４．０μｍ粒子の混合に伴う移動速度の低下は２．０μｍよりも顕著であり、９．１％にまで低下した。
【００３２】
このようにして、大径粒子及び小径粒子が、上流から下流に流れると同時に互いに反対方向に向かって移動した。流路中央における相対速度は２．０μｍ及び９．６μｍにおいて約７０μｍ／sであり、４．０μｍ及び９．６μｍにおいては５５μｍ／sであった。サブミリ流路１０内の流動場において粒子が連続的に分離されたことから、本発明のマイクロ流体デバイスへの適用の可能性が確認できた。
【００３３】
なお、前記実施形態においては、本発明がサブミリ流路内の微粒子の分離に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の原理を示す、音響放射力と静電気力の組合せによる微粒子の分離方法を模式的に示す断面図
【図２】同じく定在波を固定した場合の問題点を説明するための断面図
【図３】定在波の周波数の走査状態を示す図
【図４】移動定在波による粒子の移動状態を示す図
【図５】移動定在波による音響放射力と静電気の組合せによる微粒子の移動状態を示す図
【図６】実施例装置の全体構成図
【図７】同じく流路の構成図
【図８】同じく実施例の粒子径による粒子速度の確率分布の違いを示す図
【図９】同じく流動場における２．０μｍ粒子と９．６μｍ粒子の分離状態の例を示す図
【図１０】同じく流動場における４．０μｍ粒子と９．６μｍ粒子の分離状態の例を示す図
【符号の説明】
【００３５】
８…微粒子
８ａ…大径粒子
８ｂ…小径粒子
１０…流路
１２…流路壁（アクリル）
２０…音源（トランスデューサ）
２２…反射板（ガラス）
２４…定在波
３０、３２…電極
３４…電源
【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７】
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【図８】
2007229557.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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