利用声力场处理对象的装置制造方法

利用声力场处理对象的装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于处理通道(2)中的流体(F)、尤其是液体内存在的对象(O)的装置(1)。所述装置包括：沿着纵向轴线(X)延伸的通道(2)，所述通道(2)具有横截面，所述横截面具有沿着第一横向轴线(Y)测量的宽度(L)和沿着与所述第一横向轴线垂直的第二横向轴线(Z)测量的厚度，所述宽度(L)大于或等于所述厚度，所述通道包括沿着所述第二横向轴线(Z)的第一壁(3)和第二壁(4)；和，声波发生器(10)，其在所述通道内自所述壁(3；4)中的至少一个壁产生声波，所述声波发生器(10)在频率f下工作，该频率f不同于所述通道(2)的沿着第二横向轴线(Z)的共振频率f0。
【专利说明】利用声力场处理对象的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过声力场处理在通道、尤其是微通道内的对象的装置。
【背景技术】
[0002]声泳可用于通过声力处理和分类颗粒。在现有技术已知的常规技术中，通过提供用于声波的共振条件，在沿着通道的维度(长度、宽度或厚度)的给定位置处创建至少一个声压节点。
[0003]本发明提供了免除共振条件施加的关于压力节点的位置的约束条件。
[0004]W02006/095117描述了一种流体分离装置，在该流体分离装置中能够产生声力场。
[0005]W098/17373和W002/072234描述了通过应用引起通道内的驻波形成的声力场来分离颗粒的方法。
[0006]Dron 等的文章 “Parametric study of acoustic focusing of particles in amicro-channel in the perspective to improve micro-PIV measurements”(MicrofluidNano-fluid (2009) 7:857-867)，描述了通过在通道内形成驻波以提高微-PIV (颗粒图像测速)测量的声聚焦的用途。
[0007]W02009/071733描述了通过使用在相当于微通道的共振频率的频率下工作的声换能器来在所述微通道的宽度上聚焦颗粒。
[0008]W02006/032703描述了一种用于通过将所应用的频率从通道的一个共振频率到另一共振频率的变更(“转换”)来分离颗粒的方法。
[0009]Glynne-Jones 等的文章 “Mode -switching:A new technique forelectronically varying the agglomeration position in an acoustic particlemanipulator^(Ultrasonics 50 (2010) 68-75)描述了通过将工作频率快速地从通道的一个共振频率改变到另一共振频率，而将声聚焦高度移置在所述通道的高度的一部分上的可行性。
[0010]Svennebring 等的文章“Selective Bioparticle Retention andCharacterization in a Chip-1ntegrated Confocal Ultrasonic Cavity，，(J.Biotech.Bioeng, 103,323-328(2009))描述了通过在腔的共振频率下工作来处理细胞的可行性。
[0011]Petersson等的文章“Separation of lipids from blood utilizing ultrasonicstanding waves in microfluidic channels”(Analyst，2004，129，938-943)描述了通过形成声驻波而从血液中分离脂类。
[0012]Lipkens 等的文章 “The Effect of Frequency Sweeping and Fluid Flow onParticle Trajectories i n Ultrasonic Standing Waves，， (IEEE Sensors Journal，第 8卷、第6期、2008年6月、667-677)描述了通过沿着宏通道的长度改变产生声力场的换能器的工作频率而产生的效应的模拟。
[0013]目前，已知的多数的声泳方法严重地受到压力节点的位置的限制，该压力节点的位置由共振条件规定。[0014]如果存在负面的声阻抗对比因子(例如气泡、脂质或脂质体)，颗粒将朝向压力反节点迁移。
[0015]还已知文献W02004/030800，该文献描述了用于促进通道内混合现象的装置的使用，但未提供类似声聚焦的现象的任何描述。
[0016]此外，已知的方法可不能够令人满意地在通道内聚焦大量的对象，尤其对象的层。
[0017]因此，需要能够在通道的整个维度上聚焦对象的装置，当该装置在通道的共振频率下工作时不仅在对应于所产生的压力节点或压力反节点的离散位置处聚焦对象。
[0018]需要提供一种能够在通道内聚焦大量对象、尤其是对象的层的装置。
[0019]需要提供一种装置，所述装置允许对象的聚焦位置根据通道内对象的特征和/或位置而变化。
[0020]还需要提供一种装置，该装置允许在通道内存在的对象的速度矢量的范数和/或方向和/或指向的改进的测量。
[0021]本发明意在满足所述需求中的一些或全部需求。

【发明内容】

[0022]在本发明的第一方面，本发明涉及一种用于处理通道中的流体、尤其液体内存在的对象的装置，包括:
[0023]-沿着纵向轴线延伸的通道，所述通道具有截面，所述截面具有沿着第一横向轴线测量的宽度以及沿着与所述第一横向轴线垂直的第二横向轴线测量的厚度，所述宽度大于或等于所述厚度，所述通道沿着所述第二横向轴线具有第一壁和第二壁，
[0024]-声波发生器，所述声波发生器自所述壁中的至少一个壁产生声波，
[0025]所述声波发生器在频率f下工作，该频率f不同于通道的沿着所述第二横向轴线的共振频率f。。
[0026]术语“通道的纵向轴线”指连接所述通道的所述截面的一组重心的线。通道的纵向轴线可是直线的或曲线的，且可包括在一平面中，对于所述通道的一些或所有所述截面，该平面可以是对称面。
[0027]通道的厚度￡等于沿着所述第二横向轴线测量的、第一壁和第二壁所间隔的距离。
[0028]表述为通道的沿着第二横向轴线的共振频率”指这样的&:其使得，在沿着通道的纵向轴线的给定位置处测量的所述通道的厚度旦，由€ = 定，其中，η为整数且
λ =十，cf表示在流体温度(例如20°C )下，声音在通道内存在的流体中的速度。换句
Jo
话说，频率fo等于理论频率，该理论频率在沿着所述通道的纵向轴线的给定位置处，满足通道内声波的共振条件且引起形成沿着其第二横向轴线、换句话说沿着其厚度的驻波。
[0029]发明人已经根据实验证实可以在通道的厚度的大部分上改变声聚焦位置。通过在所述通道的厚度上产生声波且在不同频率(每一频率不同于所述通道的沿着其第二横向轴线的共振频率)之间改变声波发生器的工作频率，实现了这种效果。
[0030]不希望受限于任何解释或理论，发明人认为，通过在厚度上产生声力场，而不是在如W02009/071733中的宽度上产生声力场，可限制声流的效应。
[0031]因此，本发明提供了免除对聚焦位置的离散位置的限制，从而构成了在通过声力场处理通道内的对象的领域上的重大创新。
[0032]有利地，通过声聚焦形成对象的至少一个层。
[0033]还有利地，通过所产生的声波，在流体内形成声压的至少一个极值。
[0034]优选地，对象层聚焦在由所产生的声波而在流体内形成的声压(声节点或声反节点)的极值处。例如，形成不同对象的多个层，这些层中的各个层在不同的声压极值处存在。
[0035]所形成的对象层沿着通道的纵向轴线可具有细长形状，且当在与层的扁平面垂直的方向上观看时，可例如是椭圆形的或矩形的。在变型中，当在与层的扁平面垂直的方向上观看时，所形成的对象层可具有圆形的或正方形的形状。
[0036]声波发生器
[0037]例如，声波发生器可以在等于或小于IOMHz的频率下工作，尤其在从0.5MHz至IOMHz的范围内的频率下工作。
[0038]通过在这些频率范围内使用声波发生器，有利地，可处理活细胞，而不损伤活细胞。
[0039]声波发生器优选地在频率f下工作，该频率f不同于&且在0.75f0至1.25f0的范围内，尤其从0.75f0到0.95f0或者从1.05f0到1.25f0的范围内。
[0040]通过在接近共振频率的这些频率范围内使用声波发生器，可有利地形成足够大的声力，以提供令人满意的颗粒的聚焦。
[0041]声波发生器优选地为宽频带声波发生器。
[0042]多个声波发生器可沿着通道进行布置且可从所述第一壁和第二壁中的至少一个壁产生声波，尤其，所述声波发生器可定位在通道的同一侧上。
[0043]当流体以高速流动时或者要产生大颗粒的层时，多个声波发生器的使用是有利的。在第一种情况下，随着流体速度增大，在发生器下的飞行时间减少。这可需要使用较大数量的换能器，以实现聚焦。在第二种情况下，例如在不进行流动的情况下，可使用多个声波发生器以形成大颗粒的层。
[0044]当使用多个声波发生器时，它们中的至少一个可沿着通道的第一横向轴线产生声波，即沿着通道的宽度产生声波。
[0045]在上一情况下，宽度/厚度比可在I至10、尤其I至3的范围内。
[0046]通过在厚度上和宽度上施加声力场，可有利地将一组颗粒(例如一行颗粒)移动至通道的任何区域内，从而受益于较大量的可用于声聚焦的位置。
[0047]声波发生器可被提供有正弦电压。在变型中，声波发生器可被供给有三角波电压或方波电压。
[0048]声波发生器可通过数字控制或模拟控制进行工作。
[0049]例如，声波发生器可被固定至通道的第一壁和第二壁或上述两个壁。可通过本领域技术人员已知的任何方式、尤其通过胶合的方式来实施该固定。
[0050]声匹配材料层可存在于所述声波发生器和所述通道的第一壁和第二壁中的至少一个壁之间。[0051]可通过使用本领域技术人员已知的适于该目的任何材料来提供声匹配。
[0052]诵道
[0053]关于沿着通道的纵向轴线的移动，通道的厚度可以是恒定的或者可变化的，其中，例如至少两个区域以轴向顺序定位且具有不同的厚度。
[0054]例如，在通道长度的至少一部分上、尤其在整个通道长度上，所述通道可具有小于3cm、或者优选小于Icm的厚度。例如，通道为微通道。
[0055]术语“微通道”指在其整个长度上厚度等于或小于Imm的通道。
[0056]在通道长度的至少一部分上、尤其在整个通道长度上，通道的厚度可在50 μ m至1mm、优选地100 μ m至500 μ m的范围内。
[0057]关于沿着通道的纵向轴线的移动，通道的宽度可以是恒定的或者可变化的，其中，例如至少两个区域以轴向顺序定位且具有不同的宽度。
[0058]在通道长度的至少一部分上、尤其在整个通道长度上，通道的宽度可在Imm至30mm、优选地在5mm至20mm的范围内。
[0059]关于沿着通道的纵向轴线的移动，通道可具有基本上恒定的截面。
[0060]在通道长度的至少一部分上、尤其在整个通道长度上，通道可具有矩形截面。
[0061]在变型中，在通道长度的至少一部分上、尤其在整个通道长度上，通道可具有正方形的截面或者圆形的截面。
[0062]例如,沿着纵向轴线测量的通道的长度可在3mm至10cm、优选地在IOmm至70mm的
范围内。
[0063]有利地，通道的长度/厚度比可大于或等于10，例如大于或等于12。
[0064]第一壁和第二壁中的至少一个壁、优选地两个壁，可包括选自以下的材料或者尤其由选自以下的材料构成:无机玻璃或者有机玻璃；石英；热塑性材料，尤其PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)或聚碳酸酯；和金属。更一般地，可使用任何具有高声阻抗的材料，即为流体的声阻抗的至少10倍的声阻抗。
[0065]与产生声波的壁相对的壁可包括声阻抗为流体的声阻抗的至少10倍的材料，或者尤其由声阻抗为流体的声阻抗至少10倍的材料构成。
[0066]通过在壁中使用具有高声阻抗的材料，有利地，可以通过促进显著的压力极值的形成来提高对象的声聚焦。
[0067]在示例性实施方式中，第一壁和第二壁中的至少一个壁、优选地两个壁，可包括无机玻璃或有机玻璃或者PMMA、或者尤其由无机玻璃或有机玻璃或者PMMA构成。
[0068]例如，装置可使得:声波发生器自通道的第一壁产生声波，该第一壁可为顶壁，且:
[0069]-第一壁和第二壁包括PMMA、或者尤其由PMMA构成，或者
[0070]-第一壁和第二壁包括无机玻璃或有机玻璃，或者尤其由无机玻璃或有机玻璃构成，或者
[0071]-第一壁包括PMMA、或者尤其由PMMA构成，且第二壁包括无机玻璃或者有机玻璃、或者尤其由无机玻璃或者有机玻璃构成。
[0072]第一壁和/或第二壁例如可以具有板的形状。
[0073]在第一壁和/或第二壁的长度的至少一部分上、尤其在其整个长度上，第一壁和/或第二壁的厚度可在0.5mm至5mm的范围内。
[0074]第一壁和第二壁中的至少一个壁，例如该两个壁，可是不透明的。
[0075]在变型中，第一壁和第二壁中的至少一个壁，例如该两个壁，可是透明的。如下文详细描述，如果需要获得通道内存在的对象的图像，则使用透明的壁可以是优选的。
[0076]当装置在工作中时，与产生声波的壁相对的壁可自由振荡。
[0077]通道可包括多个出口，根据频率f，对象被选择性引导至这些出口，声波发生器在该频率f下工作。
[0078]对象被选择性导向的一个出口或者多个出口的尺寸可适于所述对象的尺寸。
[0079]流体和对象
[0080]流体可为生物流体，例如血液。
[0081]在变型中，流体可为水。
[0082]例如，可见辐射可透过流体。
[0083]当装置操作时，流体可是静止的。在变型中，当装置操作时，流体可是流的状态，例如，层流的状态。
[0084]例如，对象可为单分散的或者多分散的生物细胞，尤其血细胞，例如血球。对于后者而言，可使用根据本发明的方法，例如在用于分类所述生物细胞的过程中。.[0085]对象可为刚性颗粒或可变形颗粒，例如聚苯乙烯颗粒。
[0086]例如，在通道内存在的对象的平均尺寸可以小于或等于50μπι。术语“平均尺寸”表示群体的一半的统计的颗粒尺寸，称作D50。
[0087]声波发生器工作的频率f可使得:声波发生器的相关的波长大于通道内存在的对象的平均尺寸，优选地大于或等于该平均尺寸的10倍。
[0088]沿着纵向轴线至少在产生声波的位置处，所述通道的厚度可以大于或等于通道内存在的对象的平均尺寸的10倍。
[0089]传感器和控制系统
[0090]在示例性实施方式中，本发明可涉及包括如上所限定的装置的组件，该组件与以下相关:
[0091]-传感器，该传感器可被用于测量通道内存在的对象的至少一个特征和/或位置，所述传感器依照该测量的结果产生信号，和
[0092]-控制系统，该控制系统接收所述信号且根据所述信号控制频率f(声波发生器在该频率f下工作)和/或产生的声波的振幅。
[0093]所述传感器还可被用于测量流体的至少一个特征，尤其是流体的流速和/或流体的流量和/或流体的温度，所述传感器根据该测量的结果产生信号，且所述控制系统接收所述信号且根据所述信号控制频率f(声波发生器在该频率f下工作)和/或产生的声波的振幅。
[0094]如果通道内存在的流体处于流的状态时，例如，传感器可相对于流的方向被设置在至少一个声波发生器的上游。
[0095]在变型中，传感器可相对于流的方向被设置在至少一个声波发生器的下游。
[0096]例如，传感器可被用于测量对象的尺寸。在该情况下，传感器可包括:
[0097]-光源，尤其是激光器，其用于照射位于通道的给定区域中的对象，和[0098]-控制系统，该控制系统包括光辐射检测器、尤其由光辐射检测器构成，所述光辐射检测器用于检测从所述光源发出且由所述对象漫射的辐射，该光辐射检测器适于产生信号，该信号是已漫射光辐射的对象的尺寸的函数。
[0099]根据另一示例性实施方式，在通道的给定区域内的对象的浓度可通过传感器来测量。
[0100]例如，所述传感器可为库尔特计数器或UV检测器。
[0101]所述控制系统可包括计算机。
[0102]所述控制系统可控制声波发生器的与放大器级连接的电源级，例如信号发生器。
[0103]通道内存在的对象的图像的采集和处理
[0104]在示例性实施方式中，本发明可涉及一种组件，其包括:
[0105]-如上所限定的装置，
[0106]-照射系统，所述照射系统配置成照射通道内存在的对象中的至少一些对象，和
[0107]-图像采集系统，所述图像采集系统配置成采集在通道内存在的对象中的被照射系统照射的至少一些对象的至少一个图像，
[0108]所述组件尤其包括用于处理通过采集系统产生的所述至少一个图像的器件。
[0109]照射系统可被配置成照射通过声聚焦形成的对象层的部分或全部。
[0110]处理器件可用于测量在通道内存在的对象中的被照射系统照射的至少一些对象的速度矢量的范数和/或方向(direction)和/或指向(sens)。
[0111]根据本发明的组件尤其可用于执行颗粒图像测速(PIV)的方法。
[0112]用于处理所述至少一个图像的器件例如可包括计算机。
[0113]图像处理器件例如可被配置成:计算在对象的由所述图像采集系统产生的至少两个图像中发现的发光强度的分布的相关系数。
[0114]发明人已发现，使用本发明中描述的声聚焦装置和方法，能够使通过颗粒图像测速进行的测量得以改善，尤其通过使通道内的对象声聚焦在通道的整个厚度上的精确位置处而改善该测量。
[0115]独立地或者与上文相结合，在本发明的另一方面，本发明涉及一种用于处理通道中的流体、尤其液体内存在的对象的装置，包括:
[0116]-沿着纵向轴线延伸的通道，该通道具有截面，该截面具有沿着第一横向轴线测量的宽度和沿着与第一横向轴线垂直的第二横向轴线测量的厚度，所述宽度大于或等于所述厚度，所述通道沿着第二横向轴线具有第一壁和第二壁，和
[0117]-宽频带声波发生器，所述宽频带声波发生器自第一壁和第二壁中的至少一个壁产生声波。
[0118]方法
[0119]独立地或与上文相结合，在本发明的另一方面，本发明涉及一种使用尤其上文所限定的装置或组件、借助声波发生器来处理通道内存在的对象的方法，其中:
[0120]-所述通道沿着纵向轴线延伸且具有截面，该截面具有沿着第一横向轴线测量的宽度和沿着与第一横向轴线垂直的第二横向轴线测量的厚度，所述宽度大于或等于所述厚度，所述通道沿着第二横向轴线具有第一壁和第二壁，和
[0121]-所述声波发生器自第一壁和第二壁中的至少一个壁产生声波，且在频率f下工作，该频率f不同于通道的沿着第二横向轴线的共振频率
[0122]上文描述的方法可用于以下应用中的至少一个应用中:物种分类的方法，所述物种例如为刚性颗粒或可变形的颗粒、多分散颗粒、生物细胞、细菌、胶体乳液或非胶体乳液、蛋白质或脂质体，所述生物细胞尤其是血细胞，例如血液或血球的样本中存在的癌细胞；诊断或分析的方法；物种的提纯、富集或排除的方法；物种的合成的方法；物种的物理特征或化学特征的改变的方法；医学产品研究的方法；混合方法或测量扩散系数的方法。
[0123]根据本发明的方法尤其可被用于分离在多分散的颗粒的混合物中最初包括的颗粒。
[0124]多分散颗粒之间的尺寸差异可使颗粒根据其朝向沿着通道的厚度所产生的声压节点的迁移速率上的差异，而被分离。
[0125]根据本发明的方法可使对象的至少一个层通过声聚焦而形成。尤其，根据本发明的方法可包括这样的步骤，其中，在通过声聚焦形成的层中存在的至少两个化学物种进行反应。
[0126]根据本发明的方法还可允许对象的多个层的聚并或者膜的融合。
[0127]根据本发明的方法还可使得通过被处理的对象的选择性的声聚焦来实施无过滤器的过滤。
[0128]独立地或者与上文结合，在本发明的另一方面，本发明涉及一种使用尤其上文所限定的装置、借助声波发生器来处理通道内存在的对象的方法，其中:
[0129]-所述通道沿着纵向轴线延伸且具有截面，该截面具有沿着第一横向轴线测量的宽度和沿着与第一横向轴线垂直的第二横向轴线测量的厚度，所述宽度大于或等于所述厚度，所述通道沿着第二横向轴线具有第一壁和第二壁，
[0130]-所述声波发生器自第一壁和第二壁中的至少一个壁产生声波，且在频率f下工作，
[0131]-通过传感器测量在通道内存在的对象的至少一个特征和/或位置，
[0132]-所述传感器根据所述测量的结果产生信号，
[0133]-所述信号被发送给控制系统，该控制系统用于根据所述信号控制声波发生器工作时的频率和/或所产生的声波的振幅，和
[0134]-根据所述信号改变频率f，声波发生器在该频率f下工作。
[0135]根据本发明的方法可包括以下步骤:在通过控制系统根据产生的所述信号改变频率f(声波发生器在该频率f下工作)后，沿着通道的厚度移动对象。
[0136]因此，根据本发明的方法可有利地使对象的位置例如根据对象的尺寸或性质而实时改变。
[0137]因此，根据本发明的用于分离多分散颗粒的方法可例如通过以下执行:改变声波发生器工作时的频率且利用不同尺寸的颗粒朝向节点具有不同的松弛速度。
[0138]所述对象的移动可发生在不同于所述对象的声聚焦位置的第一位置和与所述第一位置不同的第二位置之间，该第二位置为所述对象的声聚焦位置。如果在所述对象经受所产生的声波之前执行传感器进行的测量，则该移动可尤其发生。
[0139]在变型中，由于频率f(声波发生器在该频率f下工作)改变，对象的移动可发生在所述对象的第一声聚焦位置和所述对象的第二声聚焦位置之间，所述第二声聚焦位置与第一声聚焦位置不同。
[0140]当流体处于流的状态时，对象的位置的改变可使所述对象选择性地被导向通道的给定出口。
[0141]换句话说，根据本发明的方法可使对象的位置至少根据通道内的对象的特征和/或位置的测量的结果而进行改变。
[0142]由于频率f(声波发生器在该频率f下工作)改变，对象移动的步骤可例如允许尤其具有基本上相同的尺寸的对象集中在给定位置。
[0143]特别地，该集中步骤可被用作用于物种分类、尤其是用于分类多分散的颗粒的方法的一部分。
[0144]该集中步骤的后面还可有至少一个化学反应，所述化学反应可尤其被用于量化对象的含量和/或确定对象的性质。
[0145]例如，所述化学反应可发生在至少两种化合物之间，所述至少两种化合物在集中步骤期间被集中在同一位置。
[0146]所述化学反应可发生在通道内，尤其在声力场内。
[0147]在变型中，所述化学反应可不发生在通道内。在该情况下，根据本发明的方法所集中的对象可被选择性导向通道的出口，例如以收集在壳体中。因而所述化学反应可发生在所述壳体中。在变型中，包含根据本发明的方法而集中的对象的壳体可朝着附接的仪器输送，该附接的仪器包含用于量化所述对象的含量和/或确定对象的性质的试剂。
[0148]如上所述，传感器可相对于流的方向而被设置在至少一个声波发生器的下游。
[0149]在该情况下，根据本发明的方法可包括以下步骤:
[0150]-在多个频率当中改变声波发生器工作时的频率，
[0151]-使用传感器以对于所述频率中的每一频率测量对象的至少一个特征和/或位置，
[0152]-将在所述频率中的每一频率下进行的测量所得到的值与至少一个参考值相比较，
[0153]-在所述多个频率当中选择一频率，对于该选择的频率，所得到的值与参考值的比较给出了预定的结果，
[0154]-使声波发生器在该选择的频率下工作。
[0155]例如，可测量相对于流的方向在声波发生器的下游的对象的密度以及选择获得最大密度时的频率。
[0156]因此，根据本发明的方法可有利地包括获知最佳的工作频率以及控制声波发生器以使声波发生器在该最佳频率下工作的步骤。
[0157]在根据本发明的方法中，该获知步骤可被重复数次，或者在变型中，该获知步骤可仅使用一次或者根本不使用。
[0158]独立地、或者与上文结合，本发明涉及一种用于采集通道内存在的对象的至少一个图像的方法，包括以下步骤:
[0159]a)通过使用如上所述的方法处理对象，以得到所述对象在通道的给定区域中的声聚焦，
[0160]b)通过照射系统照射声聚焦区域中的对象，和[0161]c)通过采集系统采集以这样方式照射的所述对象的至少一个图像。
[0162]例如，该方法可包括至少在第一时刻采集所述对象的第一图像以及在第二时刻采集所述对象的第二图像的步骤。
[0163]该方法还可包括计算在这些第一图像和第二图像中发现的发光强度的分布的相关系数的步骤。
[0164]该方法可尤其为用于测量在通道内存在的且通过照射系统照射的对象的速度矢量的范数和/或方向和/或指向。
[0165]例如，该方法可使用基于上文限定的第一图像和第二图像计算上述量中的一个量的步骤。
[0166]例如，该方法可为颗粒图像测速的方法。
【专利附图】

【附图说明】
[0167]从下文的本发明的实施方式的非限定性示例的详细说明以及所附的附图中，将更清晰地理解本发明，其中:
[0168]-图1以示意性且局部的方式示出用于表征宽频带声波发生器的实验装置的示例；
[0169]-图2以示意性且局部的方式示出针对宽频带声波发生器所获得的信号的示例；
[0170]-图3以示意性且局部的方式示出根据本发明的装置的示例；
[0171]-图4以示意性且局部的方式示出沿着穿过图3的装置的IV-1V切取的剖面；
[0172]-图5至图7以示意性且局部的方式示出本发明的变型实施方式；
[0173]-图8示出声波的频率对在微通道内的对象的聚焦高度的影响；和
[0174]-图9至图13示出不同参数对声聚焦的影响。
【具体实施方式】
[0175]用于表征宽频带声波发生器的方案
[0176]下文所详细描述以及在图1中所示的实验装置可用于确定声波发生器能否被认为是宽频带发生器。
[0177]如图1所示，在给定的工作频率下工作的声波发生器10被设置在填充有水的槽E内且通过电源装置D而提供有正弦电压。电源电压为10V。聚对苯二甲酸乙二醇酯
(Mylar? )的膜50被设置成面向声波发生器10，膜50与声波发生器10的轴线垂直。膜50，
尤其关于其厚度以及其相对于声波发生器的间距而选择成使得，膜的移动对应于流体颗粒由于声波的产生而引起的移动。换句话说，膜50对于由所产生的声波而形成的流体颗粒流形成可以忽略的阻力。
[0178]激光束(未示出)指向膜50，且通过膜50反射。然后，膜50反射的光束指向光检测器51，该光检测器51发送与所接收的发光强度成比例的信号。然后，在光检测器51的输出端得到的信号被解调器52解调，以产生电压，该电压是膜50的移动的线性函数。
[0179]然后，通过器件53，使用5GHz的采样频率，相对于时间对该电压进行数值微分计算，该器件53用于此目的。例如，可以通过诸如Matlab?的数值模拟软件包来执行数值微分计算。[0180]然后，得到膜移动速度根据时间的分布图，膜移动速度的该分布图的最大值VO被确定且通过对10次测量求平均值得到V’ O。由此，然后推导出声能的平均值<Eae>，该值通
过式给出，其中，Pf表示流体的密度。
[0181]为了确定声波发生器是否为宽频带发生器，量化声波发生器的工作频率的变化对值<Ea。〉的影响。对于声波发生器的工作频率的变化，重复上述方案。然后记录对于不同的频率值所求得的值<Ea。〉。将在声波发生器的标称工作频率下，求出声能最大值<Eae>max。
[0182]如果在[声波发生器的0.75*标称频率；声波发生器的1.25*标称频率]的频率范围内，求出的比值<Eac>/〈Eac;>max大于或等于15%、优选地大于或等于40%，则声波发生器被认为是宽频带发生器。图2示出对于在上述的工作条件下所确定的宽频带声波发生器的<Eae>根据频率的趋势。
[0183]在该示例中，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜具有12 μ m的厚度、且定位成距离声波发生器1mm。
[0184]在图2的示例中，所使用的声波发生器为由Signal processing?公司出售的换能
器，其具有长度30_、直径7_的圆柱形几何结构和标称工作频率约2MHz。
[0185]用在本发明的上下文中的装置的示例
[0186]图3示出根据本发明的装置I。该装置具有限定通道2的底壁3和顶壁4，流体F被容纳在通道中。流体F可处于流动状态，例如处于层流的状态，或者在变型中，可以是静止的。
[0187]流体F包括可以是单分散的或者多分散的多个对象O。对象O可尤其是生物细胞，在该情况下流体F可以是诸如血液的生物液体。
[0188]如图所示，声换能器10可被固定到装置I的顶壁4。换能器10为宽频带换能器。
[0189]在变型中，如果换能器10能够用于产生频率f的声波，该频率f不同于通道2沿着第二横向轴线Z的共振频率f。，则换能器10可以不是宽频带换能器。
[0190]例如，在根据本发明的装置I中可使用Signal processing?公司出售的换能器，
其具有长度30mm、直径7mm的圆柱形几何结构和标称工作频率约2MHz。
[0191]可使用几何结构不同于圆柱形的换能器10，尤其是具有如图3所示的平行六面体几何结构的换能器。
[0192]换能器10被提供从发生器D获得的信号，发生器D例如可包括与电压放大器级串联连接的信号发生器或者尤其由与电压放大器级串联连接的信号发生器构成。发生器D优选地向换能器10提供具有给定频率的正弦信号。在变型中，电源电压可以是三角波或者方波。
[0193]在工作中，换能器10能够提供沿着通道的横向轴线Z、沿着通道的厚度的声力场，从而能够使对象O在聚焦高度hf。。处被聚焦。如上所述，聚焦高度hf。。是换能器10的工作频率的函数。
[0194]图3示出如何能够在聚焦高度hf。。处产生对象O的层N。该层N能够在换能器10产生的压力极值Ep (节点或反节点)下形成(参见图4)。
[0195]在图3所示的示例中，壁3包括具有高声阻抗的材料，即该声阻抗是流体F的声阻抗的至少10倍。因此，可具有面对壁4的壁3，从壁4产生声波，壁3包括具有高声阻抗的材料。当两个壁沿着换能器10所产生的声波的施加轴线定位时，这两个壁被称作“面对的”，换能器10在不同于L的频率f下工作。
[0196]在变型实施方式中，壁3和壁4中的各个壁包括具有高声阻抗的材料，或者尤其由具有高声阻抗的材料构成。
[0197]如图4所示，用于声阻抗匹配的凝胶层11可存在于换能器10和顶壁4之间。
[0198]图4还示出通过换能器10所产生的声波而在流体F内形成压力极值Ep。在所示的示例中，对象O的层N集中在压力极值Ep的层面。
[0199]在所示的示例中，对象O的层N集中在压力极值层面。在未示出的变型中，层N集中在压力反节点的层面。在未示出的变型中，所产生的声波形成多个声压力极值，且两个不同的层分别集中在不同的压力极值层面。因此，可得到在第一压力极值层面集中的第一层和在第二压力极值层面集中的第二层，所述第二压力极值与第一压力极值不同。
[0200]图5示出组件200的示例性实施方式，组件200包括根据本发明的装置I和传感器100，该传感器用于测量在通道2内存在的对象的至少一个特征和/或位置。传感器100根据该测量的结果产生信号，该信号发送给控制系统T。控制系统T可以用于根据所接收的来自传感器100的信号作用于发生器D，以控制换能器10工作时的频率和/或所产生的声波的振幅。
[0201]例如，传感器100可用于测量对象O的密度和/或尺寸。
[0202]传感器100所产生的信号可致使换能器10受到控制使得，对象O被选择性地引导至至少一个出口(S1,…，Sn)。
[0203]例如，传感器100可用于测量对象O的尺寸，且出于该目的，可包括激光器和测量在通道2内存在的对象O所漫射的发光强度的检测器。
[0204]在变型中，传感器100可包括用于计数对象O和确定对象O的尺寸的库尔特计数器或者UV检测器，或者尤其由用于计数对象O和确定对象O的尺寸的库尔特计数器或者UV检测器构成。
[0205]在一个示例性实施方式中，可形成颗粒层或细胞层或甚至生物膜，且将它们引导至出口(SI，…，Sn)中的一个出口。
[0206]图6示出包括多个换能器10的装置I的示例性实施方式。在该示例中，换能器10沿着通道2布置在同一侧。
[0207]在本发明的范围内，换能器10还可布置在通道2的两侧。
[0208]图7示出根据本发明的用于获取在通道2内存在的对象O的图像的组件300的示例性实施方式。组件300包括与照射系统110和图像采集系统120相关联的装置I。
[0209]照射系统110包括光源111，光源例如可包括激光器、尤其Nd = YAG激光器。在一个实施方式中，光源111包括两个脉冲Nd: YAG激光器的组合，且对象O为荧光颗粒，Nd: YAG激光器发射波长为532nm的福射,用于被对象O吸收。
[0210]光学结构112可被设置在光源111的输出端处，以使从光源111发出的辐射匹配
于光学装置。
[0211]在结构112的输出端处产生的辐射R能够被引导向反射结构113，以朝向透镜114聚焦。
[0212]例如，分离器1 13可包括滤波器和二色镜的组合。例如，透镜114可为显微透镜，其焦平面基本上位于声聚焦区域的层面。
[0213]尤其，反射结构113可被选择成不过滤波长能够被通道2内存在的对象O吸收的辐射，例如如果对象O发荧光。
[0214]例如，如果对象O是发荧光的，则辐射R可被吸收，且对象O可发射不同波长的辐射，例如较长的波长的辐射。
[0215]反射结构113可被配置成使得其基本上允许仅仅由对象O重发射的且引导向透镜121的辐射通过。
[0216]关于图像采集装置120，其具有透镜121，该透镜121用于将来自于通道2内存在的对象O的辐射聚焦在传感器122上，该传感器能够使所述对象O的图像产生。例如，传感器122可是CCD (电荷耦合器件)照相机。
[0217]例如，传感器122可与可包括计算机的图像处理器件130连接。
[0218]图像处理器件130可用于测量在通道2内存在的对象O中的由照射系统110照射的至少一些对象的速度矢量的范数和/或方向和/或指向。
[0219]如果捕获对象O的至少两个图像，则图像处理器件130可用于计算在对象O的该至少两个图像内发现的发光强度的分布的相关系数。
[0220]示例
[0221]示例 I
[0222]所使用的通道为厚度337 μ m、宽度IOmm和长度40mm的微通道。该微通道填充有水。微通道的顶壁和底壁都以Imm厚的PMMA板的形式制成。对象为浓度为56mg/L、直径7 μ m的聚苯乙烯颗粒。
[0223]这种类型的通道具有两个大约2MHz和2.5MHz的共振峰。
[0224]所使用的声波发生器为由Signal processing?.公司出售的圆柱形换能器，其直
径为7mm、高度为30mm、且标称工作频率为大约2MHz。声波发生器固定在微通道的顶壁位置处。换能器电源电压为10V。
[0225]图8示出了换能器的工作频率对颗粒的聚焦高度hf。。的影响。在两个不同的频率应用之间通过或不通过对微通道内的颗粒的重新均质的步骤而得到的曲线叠加在该图上。
[0226]示例2:声能的影响
[0227]除了换能器电源电压外，重复在示例I中详细描述的工作条件，检查换能器电源电压的影响。分别在5V、7V和IOV的换能器电源电压下，执行三个实验在图9中示出源自声波的产生的流体颗粒速度分布图的最大值在图9中示出结果。结果表明，受换能器电源电压控制的声波的振幅对所考虑的现象，即颗粒聚焦高度的移位，没有影响。
[0228]示例3:对象的尺寸的影响
[0229]除了颗粒的直径之外，重复在示例I中详细描述的工作条件,检查颗粒的直径的影响。分别使用直径为2μπι和7μπι的颗粒，进行两个实验。在图10中示出结果。结果表明，所使用的颗粒的直径对所考虑的现象，即颗粒聚焦高度的移位，没有影响。
[0230]示例4:对象浓度的影响
[0231]除了对象的浓度外，重复在示例I中详细描述的工作条件，检查对象的浓度的影响。分别使用浓度为5.6mg/L和56mg/L的颗粒,进行两个实验。在图11示出结果。结果表明，所使用的颗粒的浓度对所考虑的现象，即颗粒的聚焦高度的移位，没有影响。[0232]示例5:形成壁的材料的影响
[0233]除了形成顶壁和底壁的材料的性质外，重复在示例I中详细描述的工作条件，检查形成顶壁和底壁的材料的性质的影响。另外，微通道的厚度适合于用于形成壁的材料的性质。在图12和图13示出结果。
[0234]注释“PMMA/PMMA”指具有由PMMA制成的顶壁和底壁的通道。注释“PMMA/玻璃”指具有PMMA顶壁和玻璃底壁的通道。注释“玻璃/玻璃”指具有玻璃制成的顶壁和底壁的通道。
[0235]术语“包括一”用于解释为指“包括至少一”。
[0236]除非另有说明，否则表述“在…范围内”用于解释为包括极限值。
【权利要求】
1.一种用于处理通道⑵中的流体(F)内、尤其液体内存在的对象(O)的装置⑴，所述装置包括: -沿着纵向轴线(X)延伸的通道(2)，所述通道(2)具有截面，所述截面具有沿着第一横向轴线(Y)测量的宽度(L)和沿着与所述第一横向轴线(Y)垂直的第二横向轴线(Z)测量的厚度匕)，所述宽度(L)大于或等于所述厚度(e)，所述通道沿着所述第二横向轴线(Z)具有第一壁(3)和第二壁(4), -声波发生器(10)，所述声波发生器自所述壁(3;4)的至少一个壁在所述通道中产生声波， 所述声波发生器(10)在频率f下工作，所述频率f不同于所述通道(2)的沿着所述第二横向轴线(Z)的共振频率A，且通过声聚焦形成对象(O)的至少一个层(N)。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述通道(2)在其长度的至少一部分上、尤其在其整个长度上的厚度匕)小于3cm、尤其小于lcm，所述通道(2)优选地为微通道。
3.根据权利要求1或2所述的装置(I)，其中，所述通道(2)在其长度的至少一部分上、尤其在其整个长度上具有基本上矩形的截面。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(I)，包括多个声波发生器(10)，所述多个声波发生器能够沿着所述通道设置且自所述壁(3 ；4)中的至少一个壁产生声波，所述声波发生器(10)尤其定位在所述通道(2)的同一侧上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述壁(3;4)中的至少一个壁、优选地两个壁包括选自以下的材料、或者尤其由选自以下的材料构成:无机玻璃或有机玻璃、热塑性材料、石英和金属，所述热塑性材料尤其是聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯，在所述金属中，乘积，即金属的密度X声音在所述金属中的速度，大于或等于IO6Pa.s/m。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述壁(3;4)中的至少一个壁、优选地两个壁包括声阻抗为所述流体的声阻抗的至少10倍的材料，尤其由声阻抗为所述流体的声阻抗的至少10倍的材料构成。
7.根据前一项权利要求所述的装置(I)，其中，与通过所述声波发生器(10)而自其产生声波的壁面对的壁(3 ；4)包括声阻抗为所述流体的声阻抗的至少10倍的材料、尤其由声阻抗为所述流体的声阻抗的至少10倍的材料构成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(I)，其中，在所述流体(F)内通过所产生的声波形成声压的至少一个极值(Ep)。
9.根据前一项权利要求所述的装置，其中，对象(O)的所述层(N)聚焦在声压极值(Ep)的层面。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置(I)，其中，所述声波发生器(10)在等于或小于IOMHz的频率f下工作、尤其在0.5MHz至IOMHz的范围内的频率f下工作。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述声波发生器(10)在频率f下工作，所述频率f不同于f0且在0.75f0至1.25&、尤其在0.75f0至0.95&、或者在1.05f0至1.25f0的范围内。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述通道(2)包括多个出口(S1,...，Sn)，所述对象(O)根据所述声波发生器(10)工作时的所述频率f而选择性地导向所述多个出口。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置(I)，其中，所述通道(2)具有沿着其纵向轴线(X)测量的长度(I)，使得长度/厚度比大于或等于10。
14.一种组件(200)，包括: -根据权利要求1至13中任一项所述的装置(I)， -传感器(100)，所述传感器(100)能够用于测量在所述通道(2)内存在的所述对象(O)的至少一个特征和/或位置，所述传感器(100)根据该测量的结果产生信号，和 -控制系统(T)，所述控制系统(T)接收所述信号且根据所述信号控制所述声波发生器(10)工作时的所述频率f和/或所产生的声波的振幅。
15.一种组件(300)，包括: -根据权利要求1至13中任一项所述的装置(I)， -照射系统(110)，所述照射系统(110)配置成照射所述通道(2)内存在的所述对象(O)中的至少一些对象，和 -图像采集系统(1 20)，所述图像采集系统(120)配置成采集在所述通道(2)内存在的所述对象(O)中的被所述照射系统(110)照射的至少一些对象的至少一个图像， 所述组件尤其包括用于所述图像采集系统(120)采集的所述至少一个图像的处理器件(130)。
16.根据前一项权利要求所述的组件，其中，所述处理器件(130)能够测量在所述通道(2)内存在的所述对象(O)中的被所述照射系统(110)照射的至少一些对象的速度矢量的范数和/或方向和/或指向。
17.根据权利要求15和16中任一项所述的组件(300)，其中，所述照射系统(110)被配置成照射对象(O)的通过声聚焦形成的所述层(N)的全部或部分。
18.一种使用权利要求1至13中任一项所述的装置(I)或权利要求14至17中任一项所述的组件、借助声波发生器(10)来处理通道(2)内存在的对象(O)的方法，在所述方法中: -所述通道(2)沿着纵向轴线(X)延伸且具有截面，所述截面具有沿着第一横向轴线(Y)测量的宽度(L)和沿着与所述第一横向轴线(Y)垂直的第二横向轴线(Z)测量的厚度匕)，所述宽度(L)大于或等于所述厚度匕)，所述通道沿着所述第二横向轴线(Z)具有第一壁(3)和第二壁(4)，和 -所述声波发生器(10)在所述通道内自所述第一壁(3)和第二壁(4)中的至少一个壁产生声波，且在频率f下工作，该频率f不同于所述通道(2)沿着所述第二横向轴线(Z)的共振频率f。。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述频率f不同于&，且在0.75f0至1.25f。、尤其在0.75f0至0.95f。、或者在1.05f0至1.25f0的范围内。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中: -通过传感器(100)测量在所述通道(2)内存在的所述对象(O)的至少一个特征和/或位置， -根据所述传感器(100)进行的所述测量的结果产生信号且将所述信号发送给控制系统(T)，和 -根据所述信号，通过所述控制系统(T)的操作来改变所述声波发生器(10)工作时的所述频率f和/或所产生的声波的振幅。
21.一种用于采集通道(2)内存在的对象(O)的至少一个图像的方法，所述方法包括以下步骤: a)通过使用根据权利要求18至20中任一项所述的方法处理所述对象(O)，以得到在所述通道(2)的给定区域内的所述对象(O)的声聚焦， b)通过照射系统(110)照射在所述声聚焦的区域中的所述对象(0)，和 c)通过采集系统(120)采集以此方式照射的所述对象(O)的至少一个图像。
22.一种用于测量在通道(2)内存在的对象(O)的速度矢量的范数和/或方向和/或指向的方法，所述方法包括以下步骤: -通过使用前一项权利要求所述的方法，在第一时刻采集所述对象(O)的第一图像， -通过使用前一项权利要求所述的方法，在第二时刻采集所述对象(O)的第二图像，和 -从所述第一图像和所述第二图像计算对象(O)的速度矢量的范数和/或方向和/或指向的测量结果。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于以下应用中的至少一个应用:颗粒图像测速PIV，尤其微颗粒图像测速，即微-PIV ;物种分类方法，所述物种例如为刚性颗粒或可变形颗粒、多分散颗粒、生物细胞、细菌、胶体乳液或非胶体乳液、蛋白质或脂质体，所述生物细胞尤其为血细胞，例如血液或血球的样本中的癌细胞；诊断或分析的方法；物种的提纯、富集或排除的方法；物种的合成的方法；物种的物理特征或化学特征的改变的方法；医学产品研究的方法；混合方法或测量扩散系数的方法。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的方法，其中，所述对象(O)为单分散生物细胞或多分散生物细胞，尤其血细胞，尤其血球。
25.一种用于处理通道(2)中的流体(F)内、尤其液体内存在的对象(O)的装置(1)，所述装置包括: -沿着纵向轴线(X)延伸的通道(2)，所述通道(2)具有截面，所述截面具有沿着第一横向轴线(Y)测量的宽度(L)和沿着与所述第一横向轴线(Y)垂直的第二横向轴线(Z)测量的厚度匕)，所述宽度(L)大于或等于所述厚度匕)，所述通道沿着所述第二横向轴线(Z)具有第一壁(3)和第二壁(4), -声波发生器(10)，所述声波发生器自所述壁(3 ；4)中的至少一个壁在所述通道内产生声波， 所述声波发生器(10)在频率f下工作，所述频率f不同于所述通道(2)的沿着所述第二横向轴线⑵的共振频率A， 所述第一壁和所述第二壁包括声阻抗为所述流体的声阻抗的至少10倍的材料。
26.一种用于处理通道(2)中的流体(F)内、尤其液体内存在的对象(O)的装置(1)，所述装置包括: -沿着纵向轴线(X)延伸的通道(2)，所述通道(2)具有截面，所述截面具有沿着第一横向轴线(Y)测量的宽度(L)和沿着与所述第一横向轴线(Y)垂直的第二横向轴线(Z)测量的厚度匕)，所述宽度(L)大于或等于所述厚度(e)，所述通道沿着所述第二横向轴线(Z)具有第一壁(3)和第二壁(4), -声波发生器(10)，所述声波发生器自所述壁(3 ；4)中的至少一个壁在所述通道内产生声波， 所述声波发生器(10)在频率f下工作，所述频率f不同于所述通道(2)的沿着所述第二横向轴线(Z)的共振频率f0且在0.75f0至1.25f。、尤其在0.75f0至0.95f。、或者1.05f0至1.25f0的范围内。
27.根据权利 要求25或26所述的装置(I)，还具有权利要求2至13中描述的任一特征。
【文档编号】B01F11/00GK103906555SQ201280052804
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年7月30日 优先权日:2011年8月30日
【发明者】让-卢克·埃德尔, 奥利维尔·德龙, 毛利西奥·霍约斯 申请人:国家科学研究中心