特開 2024-18667 粒子操作装置、及び粒子操作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024018667

(43)【公開日】2024-02-08

(54)【発明の名称】粒子操作装置、及び粒子操作方法

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/10 20060101AFI20240201BHJP

   B01J 19/00 20060101ALI20240201BHJP

【ＦＩ】

B01J19/10

B01J19/00 321

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022122138

(22)【出願日】2022-07-29

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 〔１〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年８月９日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｕｃ９５ｇＦｕｙＹｘ４ 〔２〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年８月１０日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｙｏｕｔｕ．ｂｅ／ＦｌＵＫｖ７ｈＴ２ｍｃ 〔３〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年８月１１日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｍｙＥｆｖＨｕｌｓＴＱ 〔４〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年９月２７日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｉＳ６ＢｓＱｚｅＱ４ｇ

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 〔５〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１１月２５日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ＷＩ３１ｊｃＱｆＸ１４ 〔６〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１１月２５日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｊＳｂＮｋＭｆｘｖｆＵ 〔７〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１１月２５日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ＤＰｌＹＩ１ＺｅｔｆＵ 〔８〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１１月２５日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝Ｕ９ＺｏＯｎＰ４ｔ２ｃ 〔９〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１１月２５日 ▲２▼ ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ＧｆＯＪｌｖｅｊｉｍＭ 〔１０〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１１月２５日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｇｂＱｆＲｂＡｈＳＺ０ 〔１１〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１１月２５日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｃＺｚｇ＿ｗＦＢ７ｌｓ 〔１２〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１１月２５日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｉＨｘＵｏＬｙＡｕｔｃ 〔１３〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１１月２５日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｑＥＴ６ＯＭＲｘＮ８０

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 〔１４〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１２月８日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｑｙＫＺｔ０ＪＷＶＢｓ 〔１５〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１２月８日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｅｇＷＮＵ５ＶｗＲ＿ｃ 〔１６〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１２月８日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝９５ｃｓＯ６ｚＥ７ＺＥ 〔１７〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１２月１３日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｇＳｆｗｎｉｓＴＥ－ｇ 〔１８〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１２月１４日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝７ＲＦＹａＺＳ－ＯＪＱ 〔１９〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和３年１２月１４日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝Ｆｐｔ９ｓｌｋＡｃＴＵ

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 〔２０〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年１月２日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｃ１Ｙｄ２ｇＴＤｇ８ｋ 〔２１〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年１月２日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｅｒｈｔｑＰｔｇＳｔＥ 〔２２〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年１月３日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｇ２ｉＴＬＳｌＩｕｆｃ 〔２３〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年１月２０日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｘＮ７Ｗｋ３－５ｉＪｓ 〔２４〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年１月２０日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝８ＨＳＶＮＹ９１３ｇＩ

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 〔２５〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年２月３日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝Ｉｃｐｎｉｋｘ６Ｒ８Ｕ 〔２６〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年２月６日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ＥＺａｙＳｌｑｅＢｑＡ 〔２７〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年２月１０日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ＥｔｂＢ３ＭＹｔｉＧＩ 〔２８〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年２月１３日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝８ｙＦ７ＲＲｋｐｐＲｓ 〔２９〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年２月２２日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｓｈｏｒｔｓ／ＸＲｄｐ５４ｇＪｎＫｏ 〔３０〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年２月２４日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ｗｖＥｔｔｊＭｅＱ４ｃ 〔３１〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年２月２４日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝ＭＷ＿ｏＧｇＺＴ２Ｆｓ 〔３２〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年２月２４日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝＿２８ｔ５ａ４ｈｓｐｃ 〔３３〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年２月２４日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝Ｔ８ａｗＥＦＭＺＪＸｃ 〔３４〕 （１） ウェブサイトの掲載日 令和４年２月２４日 （２） ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝１ｅ０ＪＣＷｓＦ－ｏｃ

(71)【出願人】

【識別番号】504171134

【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100152272

【弁理士】

【氏名又は名称】川越 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100181722

【弁理士】

【氏名又は名称】春田 洋孝

(72)【発明者】

【氏名】伏見 龍樹

(72)【発明者】

【氏名】落合 陽一

(72)【発明者】

【氏名】頃安 祐輔

【テーマコード（参考）】

4G075

【Ｆターム（参考）】

4G075AA13

4G075AA27

4G075AA39

4G075AA61

4G075BA10

4G075BB05

4G075BB10

4G075CA23

4G075DA02

4G075EB50

4G075FA03

4G075FC20

(57)【要約】

【課題】サイズの大きい粒子であっても、３次元方向の任意の位置に操作することが可能であり、かつ、複数の粒子を個別に操作することが可能な粒子操作装置、及びこれを用いた粒子操作方法を提供する。
【解決手段】音場生成手段と、前記音場生成手段に隣接して配されたステージと、前記音場生成手段を制御する制御手段と、を有し、前記音場生成手段は、振動素子を配置したものからなり、前記ステージは音波を通過させるシート材からなり、前記制御手段は、前記ステージに配される粒子に向けて、前記振動素子で生じる音波ビームを前記粒子に向けて照射させ、該音波ビームを前記ステージの任意の位置に移動させることにより、前記粒子を前記ステージの任意の３次元位置に移動するように前記音場生成手段を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

音場生成手段と、前記音場生成手段に隣接して配されたステージと、前記音場生成手段を制御する制御手段と、を有し、
前記音場生成手段は、振動素子を配置したものからなり、
前記ステージは音波を通過させるシート材からなり、
前記制御手段は、前記ステージに配される粒子に向けて、前記振動素子で生じる音波ビームを前記粒子に向けて照射させ、該音波ビームを前記ステージの任意の位置に移動させることにより、前記粒子を前記ステージの任意の３次元位置に移動するように前記音場生成手段を制御することを特徴とする粒子操作装置。

【請求項2】

前記粒子は液滴であることを特徴とする請求項１に記載の粒子操作装置。

【請求項3】

前記液滴は水を含み、前記シート材は、撥水性を有するメッシュシートからなることを特徴とする請求項２に記載の粒子操作装置。

【請求項4】

前記音場生成手段は、前記ステージに対して所定の間隔を開けて、前記ステージの下部に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の粒子操作装置。

【請求項5】

前記音場生成手段は、前記ステージの上面に沿った横方向に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の粒子操作装置。

【請求項6】

前記音波は、超音波であることを特徴とする請求項１または２に記載の粒子操作装置。

【請求項7】

前記制御手段は、前記音波ビームの照射位置を前記ステージの上面側において複数形成し、複数の前記粒子を前記ステージの上面の任意の３次元位置にそれぞれ移動するように前記音場生成手段を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の粒子操作装置。

【請求項8】

前記制御手段は、複数の前記液滴を前記ステージの上面の任意の位置で一体化させて１つの前記液滴となるように前記音場生成手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の粒子操作装置。

【請求項9】

前記制御手段は、１つの前記液滴を前記ステージの上面の任意の位置で分割して複数の前記液滴となるように前記音場生成手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の粒子操作装置。

【請求項10】

前記制御手段は、前記ステージの上面から上方向に向けて前記粒子が跳躍するように前記音場生成手段を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の粒子操作装置。

【請求項11】

請求項１または２に記載の粒子操作装置を用いた粒子操作方法であって、前記ステージの任意の位置に前記音波ビームの照射位置を合わせることによって、前記照射位置に前記粒子を移動させることを特徴とする粒子操作方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粒子操作装置、及びこれを用いた粒子操作方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、種々の化学物質や検体の研究において、実験の処理能力の向上、再現性の向上のために、マイクロリットル単位の液滴を操作することによる自動化技術が求められている。誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）、静電、及び音響浮揚プラットフォーム等のマイクロ流体の制御方法は、優れた液体（液滴）の操作及び高速制御をもたらすとされている。

【0003】

例えば、非特許文献１～９には、デジタルマイクロ流体力学（ＤＭＦ）プラットフォームが開示されている。しかし、ＤＭＦの分野においては、誘電体表面へのＥＷＯＤが依然として最も普及した方法である。非特許文献１０には、表面上の液滴を３次元方向に操作するＥＷＯＤに関する技術が開示されている。こうした液滴の面上に沿った操作に加えて、更に液滴を十分な高さで高さ方向に跳躍させる技術が望まれている。例えば、非特許文献１０～１７には、液滴を高さ方向に跳躍させる技術が開示されている。

【0004】

一方、上述したＤＭＦ技術と並行して、液滴の浮揚技術に基づく３Ｄマイクロ流体力学も研究されている。音響浮揚は、浮揚対象が特定の材料特性（例えば、磁性）を有することを必要としないため、液滴の浮揚技術の中でも有望である。例えば、Ｆｏｒｅｓｔｉらは、音響浮揚を使用して、水平空中統合器と、空中での化学／生物学実験を実証している（例えば、非特許文献１８）。

【0005】

液滴の音響浮揚技術に基づく３Ｄマイクロ流体力学における現行のシステムでは、液滴の操作として定常波の使用が必須であるとされている。（例えば、非特許文献２０～２３）。これにより、論理的に可能な液滴の浮揚サイズ（球体の半径）は、定常波の波長の４分の１に限定される（非特許文献２４）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】RB Fair, Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible? Microfluid. Nanofluidics 3, 245-281 (2007).

【非特許文献2】S Waheed, et al., 3D printed microfluidic devices: Enablers and barriers. Lab on a Chip 16, 1993-2013 (2016).

【非特許文献3】Y Zhang, NT Nguyen, Magnetic digital microfluidics - a review. Lab on a Chip 17, 994-1008 (2017).

【非特許文献4】U Umapathi, P Shin, K Nakagaki, D Leithinger, H Ishii, Programmable Droplets for Interaction in Extended Abstracts of the 2018 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. (ACM, New York, NY, USA), pp. 1-1 (2018).

【非特許文献5】T Franke, AR Abate, DA Weitz, A Wixforth, Surface acoustic wave (SAW) directed droplet flow in microfluidics for PDMS devices. Lab on a Chip 9, 2625 (2009).

【非特許文献6】X Tang, et al., Mechano-regulated surface for manipulating liquid droplets. Nat. Commun. 8, 1-10 (2017).

【非特許文献7】Y Jin, et al., Electrostatic tweezer for droplet manipulation. Proc. Natl. Acad. Sci. United States Am. 119 (2022).

【非特許文献8】C Yang, Y Ning, X Ku, G Zhuang, G Li, Automatic magnetic manipulation of droplets on an open surface using a superhydrophobic electromagnet needle. Sensors Actuators, B: Chem. 257, 409-418 (2018).

【非特許文献9】Q Sun, et al., Surface charge printing for programmed droplet transport. Nat. Mater. 18, 936-941 (2019).

【非特許文献10】Y Mi, et al., 3D Photovoltaic Router of Water Microdroplets Aiming at Free-Space Microfluidic Transportation. ACS Appl. Mater. & Interfaces 13, 45018-45032 (2021).

【非特許文献11】SJ Lee, S Lee, KH Kang, Droplet jumping by electrowetting and its application to the threedimensional digital microfluidics. Appl. Phys. Lett. 100 (2012).

【非特許文献12】SJ Lee, J Hong, KH Kang, IS Kang, SJ Lee, Electrowetting-induced droplet detachment from hydrophobic surfaces. Langmuir 30, 1805-1811 (2014).

【非特許文献13】Z Wang, et al., Jumping drops on hydrophobic surfaces, controlling energy transfer by timed electric actuation. Soft Matter 13, 4856-4863 (2017).

【非特許文献14】K Takeda, A Nakajima, K Hashimoto, T Watanabe, Jump of water droplet from a superhydrophobic film by vertical electric field. Surf. Sci. 519, 3-6 (2002).

【非特許文献15】B Traipattanakul, C Tso, CY Chao, Study of jumping water droplets on superhydrophobic surfaces with electric fields. Int. J. Heat Mass Transf. 115, 672-681 (2017).

【非特許文献16】W Yan, et al., Optically Guided Pyroelectric Manipulation of Water Droplet on a Superhy-drophobic Surface. ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 23181-23190 (2021).

【非特許文献17】N Li, et al., Ballistic Jumping Drops on Superhydrophobic Surfaces via Electrostatic Manipulation. Adv. Mater. 30, 1703838 (2018).

【非特許文献18】MAB Andrade, N Perez, JC Adamowski, Review of Progress in Acoustic Levitation. Braz. J. Phys. 48, 190-213 (2018).

【非特許文献19】D Foresti, M Nabavi, M Klingauf, A Ferrari, D Poulikakos, Acoustophoretic contactless transport and handling of matter in air. Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 12549-12554 (2013).

【非特許文献20】MAB Andrade, TSA Camargo, A Marzo, Automatic contactless injection, transportation, merging, and ejection of droplets with a multifocal point acoustic levitator. Rev. Sci. Instruments 89, 125105 (2018).

【非特許文献21】A Watanabe, K Hasegawa, Y Abe, Contactless Fluid Manipulation in Air: Droplet Coalescence and Active Mixing by Acoustic Levitation. Sci. Reports 8, 10221 (2018).

【非特許文献22】SJ Brotton, RI Kaiser, Controlled Chemistry via Contactless Manipulation and Merging of Droplets in an Acoustic Levitator. Anal. Chem. 92, 8371-8377 (2020).

【非特許文献23】T Matsubara, K Takemura, Containerless Bioorganic Reactions in a Floating Droplet by Levitation Technique Using an Ultrasonic Wave. Adv. Sci. 8, 1-5 (2021).

【非特許文献24】RR Whymark, Acoustic field positioning for containerless processing. Ultrasonics 13, 251-436 261 (1975).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、化学及び物理学における一般的な実験では、例えば、４０μＬを超える容量の液滴の混合及び取り扱いが必要であり、最も一般的に使用される音響周波数が４０ｋＨｚ（λ＝８．６ｍｍ）であるとすると、非特許文献２４に開示された技術では、こうした容量の大きい液滴を操作することができないという課題があった、また、従来の音響による液滴の浮揚では、常に全ての液滴が浮揚される必要があるため、同時に取り扱い可能な液滴の数が少数に制限されてしまうといった課題もあった。さらに、音響浮揚を用いて液滴を分割することも困難であるといった課題もあった。

【0008】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、サイズの大きい粒子であっても、３次元方向の任意の位置に操作することが可能であり、かつ、複数の粒子を個別に操作することが可能な粒子操作装置、及びこれを用いた粒子操作方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らは、音波を通過させる撥液性のシート材の上面に配された液滴などの粒子に対して、音波を集束した音波ビームを照射し、この音波ビームの焦点位置をシート材の上部の任意の３次元位置に移動させることにより、容量の大きい液滴であっても、シート材の上面の任意の位置まで移動させ、また、従来よりも高い位置まで跳躍させることが可能であることを見出した。また、撥水性等が無いシートの表面であっても，ライデンフロスト効果など、音波を通過する面から液滴などの粒子が少し浮く状態であれば、同様の液滴操作が可能であることを見出した。

【0010】

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態の粒子操作装置は、以下の手段を提案している。
（１）本発明の態様１の粒子操作装置は、音場生成手段と、前記音場生成手段に隣接して配されたステージと、前記音場生成手段を制御する制御手段と、を有し、前記音場生成手段は、振動素子を配置したものからなり、前記ステージは音波を通過させるシート材からなり、前記制御手段は、前記ステージに配される粒子に向けて、前記振動素子で生じる音波ビームを前記粒子に向けて照射させ、該音波ビームを前記ステージの任意の位置に移動させることにより、前記粒子を前記ステージの任意の３次元位置に移動するように前記音場生成手段を制御することを特徴とする。

【0011】

（２）本発明の態様２は、態様１の粒子操作装置において、前記粒子は液滴であることを特徴とする。

【0012】

（３）本発明の態様３は、態様２の粒子操作装置において、前記液滴は水を含み、前記シート材は、撥水性を有するメッシュシートからなることを特徴とする。

【0013】

（４）本発明の態様４は、態様１から３のいずれか１つの粒子操作装置において、前記音場生成手段は、前記ステージに対して所定の間隔を開けて、前記ステージの下部に形成されることを特徴とする。

【0014】

（５）本発明の態様５は、態様１から４のいずれか１つの粒子操作装置において、前記音場生成手段は、前記ステージの上面に沿った横方向に形成されることを特徴とする。

【0015】

（６）本発明の態様６は、態様１から５のいずれか１つの粒子操作装置において、前記音波は、超音波であることを特徴とする。

【0016】

（７）本発明の態様７は、態様１から６のいずれか１つの粒子操作装置において、前記制御手段は、前記音波ビームの照射位置を前記ステージの上面側において複数形成し、複数の前記粒子を前記ステージの上面の任意の３次元位置にそれぞれ移動するように前記音場生成手段を制御することを特徴とする。

【0017】

（８）本発明の態様８は、態様２の粒子操作装置において、前記制御手段は、複数の前記液滴を前記ステージの上面の任意の位置で一体化させて１つの前記液滴となるように前記音場生成手段を制御することを特徴とする。

【0018】

（９）本発明の態様９は、態様２の粒子操作装置において、前記制御手段は、１つの前記液滴を前記ステージの上面の任意の位置で分割して複数の前記液滴となるように前記音場生成手段を制御することを特徴とする。

【0019】

（１０）本発明の態様１０は、態様１から９のいずれか１つの粒子操作装置において、前記制御手段は、前記ステージの上面から上方向に向けて前記粒子が跳躍するように前記音場生成手段を制御することを特徴とする。

【0020】

（１１）本発明の態様１１の粒子操作方法は、態様１から１０のいずれか１つの粒子操作装置を用いた粒子操作方法であって、前記ステージの任意の位置に前記音波ビームの照射位置を合わせることによって、前記照射位置に前記粒子を移動させることを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、サイズの大きい粒子であっても、３次元方向の任意の位置に操作することが可能であり、かつ、複数の粒子を個別に操作することが可能な粒子操作装置、及びこれを用いた粒子操作方法を提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の一実施形態に係る粒子操作装置の構成の一例を示す模式図である。

【図2】振動素子の位相差制御によって音波ビームを生成する様子を示す模式図である。

【図3】ステージの中心に液滴の目標位置を設定した際の、それぞれの振動素子の位相差を示す模式図である。

【図4】本実施形態の粒子操作装置によって操作される液滴の挙動例を示す模式図である。

【図5】本発明の別な実施形態の粒子操作装置の構成を示す模式図である。

【図6】実施例１の結果を示す説明図である。

【図7】実施例２の結果を示す説明図である。

【図8】実施例３の結果を示す説明図である。

【図9】実施例４の結果を示す説明図である。

【図10】実施例５の結果を示す説明図である。

【図11】実施例６の結果を示す説明図である。

【図12】実施例７の結果を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態の粒子操作装置、及びこれを用いた粒子操作方法について説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

【0024】

本願発明における操作対象となる粒子は、固体の粒子、および液体の粒子、即ち液滴のいずれも含んでいる。以下の各実施形態では、これら粒子のうち、液滴を例示して説明するが、本願発明における粒子は、液滴に限定されるものではない。

【0025】

本発明の一実施形態の粒子操作装置、およびこれを用いた粒子操作方法について説明する。
図１は、本実施形態の粒子操作装置の構成を示す模式図である。
本実施形態の粒子操作装置１０は、音場生成手段１１と、ステージ１２と、音場生成手段１１を制御する制御手段１３と、音場生成手段１１を動作させる電源１４と、スタンド１５と、を備えている。

【0026】

音場生成手段１１は、例えば、複数の振動素子２１，２１…を平面上に配列したものから構成されている。音場生成手段１１は複数の振動素子２１，２１…のそれぞれの位相を制御することで、音波、本実施形態では超音波を、ステージ１２に向けて、任意の強度で照射することができる。これにより、複数の振動素子２１，２１…から、ステージ１２の一面１２ａ上の１つの座標に向けて超音波を集束させることによって、この１つの座標を焦点にした、超音波を集束させた超音波ビーム（音波ビーム）Ｂを形成することができる。

【0027】

なお、本実施形態では、音場生成手段１１を複数の振動素子２１から構成しているが、１つの振動素子で音場生成手段１１を構成することもできる。

【0028】

本実施形態では、振動素子２１として、音波のうち、波長が２０ｋＨｚ～２０ＭＨｚ程度の超音波を照射する素子を用いているが、振動素子２１は、こうした超音波よりも波長が長い音波を照射する素子を用いることもできる。それぞれの振動素子２１は、制御手段１３によって位相が制御され、振動素子２１どうしで位相差を形成することができる。

【0029】

また、本実施形態の音場生成手段１１は、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ１６個、合計２５６個の振動素子２１を配列したものから構成されているが、振動素子２１の配列個数は限定されるものではなく、個々の振動素子２１の性能（出力値）やステージ１２の大きさに応じて、適宜選択されればよい。

【0030】

ステージ１２は、一面１２ａ上に操作される液滴（粒子）Ｑが載置される。こうしたステージ１２は、例えばスタンド１５に支持されたフレーム１６の開口部分に四方を支持されている。このステージ１２は、振動素子２１から照射される音波、例えば超音波ビームＢを通過可能なシート状の材料、本実施形態では、メッシュ部材から構成されている。
また、このステージ１２は、本実施形態では撥水性を有している。こうしたステージ１２は、例えば、樹脂層の形成などによって撥水加工を施した布などを用いることができる。

【0031】

なお、本実施形態では、ステージ１２の一面１２ａ上で操作する液滴Ｑとして、水を含む液滴を想定して撥水性を有しているが、これ以外にも、例えば操作する液滴として水に不溶性の油滴を用いる場合、ステージ１２として撥油性を有するシート材を用いることができる。

【0032】

制御手段１３は、例えば、パソコン、増幅回路、およびインターフェースなどから構成され、電源１４から供給される電力によって、音場生成手段１１を構成する個々の振動素子２１の出力強度及び位相を制御する。

【0033】

なお、本実施形態では、液滴（粒子）Ｑを操作するための超音波ビームの照射位置の制御として、位相差を用いた例を示しているが、これ以外にも、例えば、振動素子２１の振幅差や振幅を制御することでも、液滴（粒子）Ｑを操作することができる。

【0034】

図２に示すように、音場生成手段１１を構成する個々の振動素子２１の位相差を制御することによって、任意の座標を焦点にした超音波ビーム（音波ビーム）Ｂを形成することができる。即ち、平面上に配列された複数の振動素子２１を動作させる際に、振動素子２１どうしで遅延時間を設定することで、振動素子２１どうしで位相差が形成される。
これにより、平面上に配列された複数の振動素子２１から、ステージ１２の一面１２ａ上の任意の座標を焦点Ｆにして、超音波を集束させた超音波ビーム（音波ビーム）Ｂが照射される。

【0035】

なお、本実施形態では、液滴（粒子）Ｑの操作位置を、ステージ１２の一面１２ａ上で超音波が集束した焦点位置としているが、これに限定されるものではない。焦点位置は一例であり、制御対象となる液滴（粒子）Ｑに対して安定的な音響放射力を照射するものであれば、どのようなものであってもよい。また，不安定な音響放射力であっても、閉制御ループを組み込めば、液滴（粒子）Ｑを操作することができる。また、音響場の位相勾配やOrbital Angular Momentum（軌道角運動）を用いて粒子を動かすことも可能である。
また、本実施形態では、液滴（粒子）Ｑは、ステージ１２の上面となる一面１２ａ上で操作しているが、液滴（粒子）Ｑの位置はこれに限定されるものではなく、ステージ１２の下面で操作することもでき、位置が限定されるものではない。

【0036】

制御手段１３は、例えばパソコンから液滴Ｑの操作情報が入力されると、この操作情報に基づいて振動素子２１どうしの位相差の変化を算出し、音場生成手段１１を構成する個々の振動素子２１を制御する。

【0037】

例えば、ステージ１２の一面１２ａ上で操作される液滴Ｑの移動経路の座標や跳躍高さなどが入力されると、超音波ビームの焦点座標が変化する経路に基づいて、音場生成手段１１を構成する個々の振動素子２１の位相差の変化が算出される。そして、この位相差の変化に基づいて個々の振動素子２１が制御され、ステージ１２の一面１２ａ上において、超音波ビームＢの焦点の３次元座標を任意の位置に変化させることができる。
図３に、ステージ１２の中心に液滴の目標位置を設定した際の、それぞれの振動素子２１の位相差の模式図を示す。

【0038】

そして、こうした超音波ビームＢの焦点位置において液滴Ｑがトラップされ、液滴Ｑがステージ１２の一面１２ａ上において任意の３次元位置に制御される。
なお、本実施形態では、超音波ビームＢの焦点座標は、液滴Ｑの実際の目標位置よりも僅かに上（例えば１０ｍｍ）に設定している。

【0039】

音場生成手段１１とステージ１２との距離は、任意の距離だけ離間していればよいが、本実施形態では、音場生成手段１１とステージ１２との距離を１０ｃｍに設定している。

【0040】

図４は、本実施形態の粒子操作装置によって操作される液滴の挙動例を示す模式図である。
図４（ａ）では、所定の座標上で液滴Ｑをステージ１２の一面１２ａから離間させ、高さ方向（ｚ）に向けて跳躍させている。こうした液滴Ｑの跳躍は、液滴Ｑに向けて照射される超音波ビームＢの出力値を高めることによって行うことができる。本実施形態の粒子操作装置１０によれば、容量が４０μＬを超える液滴Ｑを、従来よりも高い１０ｃｍ程度まで跳躍させることができる。

【0041】

図４（ｂ）では、液滴Ｑをステージ１２の一面１２ａ上で円を描くように回転移動させている。こうした液滴Ｑのステージ１２の一面１２ａ上での移動は、超音波ビームＢの焦点位置の変化（経路）を制御手段１３に入力することにより、超音波ビームＢの焦点位置が変化し、この焦点位置でトラップされる液滴Ｑが任意の経路で移動する。なお、こうした実施形態は、密度が高いため、操作がやや難しい。

【0042】

図４（ｃ）では、２つの液滴Ｑを１つの液滴として合体させるように移動させている。この例では、ステージ１２の一面１２ａ上の２箇所にある液滴Ｑ１，Ｑ２のそれぞれに対して超音波ビームＢの焦点を設定し、次に、２つの超音波ビームＢの焦点がステージ１２の一面１２ａ上の中心付近で一致するように移動させる。これにより、２つの液滴Ｑ１，Ｑ２を合体させて、１つの大きな液滴Ｑにすることができる。

【0043】

このように、ステージ１２は、撥水性を有しているため、複数の液滴は、ステージ１２表面に吸着されることなく、ステージ１２の一面１２ａ上に楕円球形の液滴として留まることができるため、最小限の超音波ビームＢの出力で複数の液滴Ｑを効率的に操作することができる。そして、この例のように、複数の液滴を合体させて１つにする操作は、例えば、器具による吸引や混合が困難な、ごく微量で、かつ反応性の高い薬液の混合、反応等に利用することができる。

【0044】

図４（ｄ）では、１つの液滴Ｑを２つの液滴に分割している。
この例では、ステージ１２の一面１２ａ上にある液滴Ｑの上部に、表面撥水加工を行ったナイフＫを設置し、このナイフＫに向けて液滴Ｑを跳躍させることにより、１つの液滴Ｑが２つの液滴Ｑ１，Ｑ２に分割され、ステージ１２の一面１２ａ上の互いに離れた位置に着地する。
この例のように、１つの液滴を分割して２つにする操作は、例えば、器具による分取が困難な、ごく微量の薬液を正確に分割するなどの目的で利用することができる。

【0045】

以上のように、本実施形態の粒子操作装置１０によれば、複数の振動素子２１を配列した音場生成手段１１と、この音場生成手段１１から離間して配され、撥液性のシート材からなるステージ１２と、を備えることにより、液滴Ｑがシート材の表面に吸着されないため、従来と同様の超音波ビームＢの出力であっても、液滴Ｑの操作力が高められる。これにより、液滴Ｑを撥水性のステージ１２の一面１２ａ上で精密に、かつ自在に制御することができる。例えば、液滴Ｑは、従来よりも高い１０ｃｍ以上に跳躍させることが可能になる。

【0046】

なお、上述した実施形態では、音場生成手段１１はステージ１２の下部に配置しているが、音場生成手段１１の形成位置はこれに限定されるものではない。
図５は、本発明の別な実施形態の粒子操作装置の構成を示す模式図である。
この実施形態の粒子操作装置３０では、ステージ１２の下部に音場生成手段３１Ａが形成されると共に、ステージ１２の一面１２ａに沿った横方向にも音場生成手段３１Ｂが形成される。

【0047】

このような構成によれば、ステージ１２の一面１２ａに載置された液滴Ｑを、より高速で横方向に効率的に移動させたり、斜め上方に液滴Ｑを大きく跳躍させたりすることができる。音場生成手段は、これ以外にも、ステージ１２の一面１２ａのうち対向する２辺に形成されていたり、ステージ１２を取り巻くように４辺に沿って形成されていてもよく、形成位置が限定されるものではない。

【0048】

また、上述した実施形態以外にも、音波を通過可能なステージを複数重ね合わせた構成にすることもできる。これにより、それぞれのステージごとに配置された液滴（粒子）を操作することも可能になる。

【0049】

以上、本発明の実施形態を説明したが、こうした実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。こうした実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【実施例0050】

以下、本発明の粒子操作装置を用いて、実際に液滴の操作を行ったいくつかの実施例を示す。
（実施例１）
ステージ上で液滴を移動させる実験を行った。
図６（Ａ）は、ステージ上を移動する液滴（容量４５μＬ）のタイムラプス画像を示しており、図６（Ｂ）、（Ｃ）は、振動素子の印可電圧を１０Ｖにした時の、４つの容量（１５、３０、４５、及び６０μＬ）の液滴の２つの周波数（ｆ＝１．０Ｈｚ（図６（Ｂ））、λ＝０．２Ｈｚ（図６（Ｃ）））に対する水平位置の水平軌跡を示している。

【0051】

図６（Ｂ）、（Ｃ）に示される通り、本発明の粒子操作装置を用いると、大きな容量の液滴であって、高速での移動が困難な６０μＬの場合を除いて、特定された軌跡をほぼ辿っている。すべての容量の液滴について、図６（Ｂ）では、ｔ＝１／２ｆ及び１／ｆで、何らかのオーバーシュート及び減衰不足の振動が観察された。

【0052】

減衰不足の振動は、液滴の移動中、図６（Ｂ）よりも図６（Ｃ）においてより優勢となっており、定常偏差の大きさは、双方のケースで同様であった。これらの軌跡偏差は無視できる程度でないものの、より正確な液滴制御を達成するために、液滴位置を検出することで、クローズドループコントロールを実現してもよい。

【0053】

（実施例２）
ステージ上で液滴を跳躍させる実験を行った。
図７（Ａ）～（Ｈ）は、メッシュからなるステージ上から液滴を上方に跳躍させるプロセスを示している。液滴の容量が１５、３０、４５、及び６０μＬでの液滴の跳躍を検証した。振動素子の印可電圧は、１２Ｖ及び１６Ｖとした。放物運動には変動性があるため、実験は５回繰り返した。

【0054】

ここで、それぞれの液滴の跳躍高さは、ピーク時及び最初の液滴の重心間の差として規定される。振動素子への印可電圧が１２Ｖであったとき、液滴の平均跳躍高さは、１５、３０、４５、６０μＬに対して、それぞれ、３０．７（ＳＤ＝０．７７８）、３３．２（ＳＤ＝１．８７）、１５．８（ＳＤ＝４．２３）、及び３．２５ｍｍ（ＳＤ＝０．７５２）であった（図７（Ａ）～（Ｄ））。

【0055】

振動素子への印可電圧を１６Ｖに上昇したとき、液滴の平均跳躍高さは、１５、３０、４５、及び６０μＬに対して、それぞれ、１０９（ＳＤ＝１５．１）、７８．０（ＳＤ＝１５．７）、５９．７、２７．４ｍｍに上昇した（図７（Ｅ），（Ｆ））。記録された最大跳躍高さは、１６Ｖ、１５μＬで１２８ｍｍである。これは、従来のＥＷＯＤによって達成された跳躍高さ、焦電方法によって達成された跳躍高さ、及び起電力によって達成された跳躍高さの、それぞれ、３２倍、８倍、及び４倍であった。

【0056】

なお、実施例２はそれぞれ５回繰り返し、図７（Ａ）～（Ｈ）の画像は、５回の実験のうち最も高い跳躍高さのものである。また、図７（Ａ）～（Ｈ）の図面の目盛りは、ステージからの高さである。

【0057】

（実施例３）
ステージ上で２つの液滴を合体させて１つの液滴にする実験を行った。
図８（Ａ）は、ステージ上を移動する２つの液滴のタイムラプス画像を示している。また、図８（Ｂ）には、２つの液滴の時間経過に伴うｘ座標の位置の変化を示している。
振動素子の印加電圧を２５Ｖとして、両端にある２つの液滴をそれぞれ中央に向けて移動させた。移動開始から０．８４秒で２つの液滴が合体し、最終的に中央で１つの液滴となった。

【0058】

（実施例４）
ステージ上で２つの液滴をナイフによって分割して２つの液滴にする実験を行った。
図９は、ステージ上を跳躍して２つに分割される液滴のタイムラプス画像を示している。
ステージ上の高さ５ｍｍの位置に撥水加工されたナイフを設置し、振動素子の印加電圧を１２Ｖとして、容量４５μＬの液滴を上方に跳躍させた。ナイフは、液滴を約７０ｍｓで半分に切断し、液滴は、垂直方向に移動し続け、自由落下の後、再びステージ上に着地した。液滴の容量を１５μＬ、３０μＬにした場合でも、同様に２つの液滴に分割された。

【0059】

（実施例５）
ステージ上で互いに化学反応する２つの液滴を合体させて、化学反応させた液滴にする実験を行った。
図１０は、２つの液滴がステージ上を移動して合体し、化学反応後の１つの液滴が形成される様子を示すタイムラプス画像である。
一方の液滴として米酢（容量３０μＬ）、他方の液滴として塩基性状態（黄色に呈色）のブロモチモールブルー（ＢＴＢ）溶液（容量３０μＬ）を用い、ステージの中央に向けて、それぞれの液滴を移動させた。

【0060】

その結果、移動開始から０．７１ｓ後に液滴どうしが合体し始め、０．８８ｓ後には米酢とブロモチモールブルーとが化学反応を起こし、青色に変化した液滴が得られた。こうした実験から、僅かな液量の化学物質を反応させて合成物を得るといった用途にも利用できることが確認できた。

【0061】

（実施例６）
ステージ上で液滴を移動させて、微小な固形物を包み込んだ液滴を形成する実験を行った。
図１１は、液滴が円状に移動し、その途上で微小な固形物を包み込んで移動する様子を示すタイムラプス画像である。
振動素子の印加電圧を１１Ｖとして、液滴として水滴（容量３０μＬ）を、ステージ上で円形軌道で移動させた。また、この軌道内に、予め固形物としてプラスチックビーズを配置した。水滴は軌道内で０．５７秒後に固形物を取り込み、ビーズを包含した水滴として、１０．７秒後に出発位置に戻った。こうした実験から、特定の化学物質（固形物）を液滴に取り込むといった、実験の自動化において特に有用である。

【0062】

（実施例７）
ステージ上で液滴を大きく跳躍させて、容器に収容する実験を行った。
図１２は、液滴を跳躍させて容器に入れる様子を示すタイムラプス画像である。
振動素子の印加電圧を１８Ｖとして、液滴として水滴（容量５μＬ）をステージ上から放物線を描くように跳躍させ、高さ８０ｍｍのカップ内に収容させることができた。このような液滴の大きな３次元飛翔力により、調理中の味付けの自動化、添加物製造、実験の自動化などの用途に適用することができる。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明の粒子操作装置、粒子操作方法によれば、種々の化学物質や検体の研究において、マイクロリットル単位の液滴の操作を自動化することができる。これにより、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）、静電、及び音響泳動プラットフォーム等のマイクロ流体の制御を容易にかつ精密に行うことに寄与する。従って、本発明は産業上の利用可能性を有する。

【符号の説明】

【0064】

１０…粒子操作装置
１１…音場生成手段
１２…ステージ
１３…制御手段
２１…振動素子
Ｂ…超音波ビーム（音波ビーム）
Ｑ…液滴

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】