本申請(qǐng)要求于2014年4月4日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/975,035的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容均以引用的方式并入本文。本申請(qǐng)還是于2013年9月13日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)14/026,413的部分延續(xù)案，其中所述美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)14/026,413要求于2012年10月2日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/708,641的優(yōu)先權(quán)。所述美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)14/026,413還是2013年3月15日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/844,754的部分延續(xù)案，其中所述美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/844,754要求于2012年3月15日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/611,159、同樣于2012年3月15日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/611,240、和于2013年1月21日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/754,792的優(yōu)先權(quán)。這些申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容均以引用的方式并入本文。

背景技術(shù)：

在許多應(yīng)用中，將顆粒/流體混合物分離成其單獨(dú)的組分的能力是合乎需要的。聲泳是使用高強(qiáng)度聲波，而不使用膜或物理尺寸排阻過(guò)濾器來(lái)分離顆粒。已知當(dāng)密度和/或壓縮率存在差異(或稱為聲學(xué)對(duì)比系數(shù))時(shí)，高強(qiáng)度聲音駐波能夠?qū)α黧w中的顆粒施加力。駐波中的壓力分布包含在其波節(jié)處的局部最小壓力振幅和在其波腹處的局部最大值的區(qū)域。根據(jù)顆粒的密度和壓縮率，它們將被捕獲在駐波的波節(jié)或波腹處。駐波的頻率越高，能夠由駐波的壓力捕獲的顆粒越小。

許多因素導(dǎo)致了生物技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，其中一些因素包括可用于生物反應(yīng)器的設(shè)備的改進(jìn)。設(shè)備的改進(jìn)使得能夠以大規(guī)模、低成本進(jìn)行生物衍生物(例如單克隆抗體和重組蛋白)的生產(chǎn)。用于基于生物學(xué)的新藥的生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵因素之一是生物反應(yīng)器及與其相關(guān)的輔助工藝。

現(xiàn)代生物反應(yīng)器是一種非常復(fù)雜的設(shè)備。除了其他參數(shù)，生物反應(yīng)器涉及流體流速、氣體含量、溫度、pH和氧含量的調(diào)節(jié)。能夠調(diào)整所有這些參數(shù)，進(jìn)而使得細(xì)胞培養(yǎng)能夠盡可能有效地由生物反應(yīng)器工藝產(chǎn)生所需的生物分子。用于生物反應(yīng)器的一種工藝是灌注式工藝。灌注式工藝由于其低資金成本和高生產(chǎn)量而區(qū)別于補(bǔ)料式和分批補(bǔ)料式(fed-batch)工藝。

在分批補(bǔ)料式工藝中，將培養(yǎng)物接種于生物反應(yīng)器中。采用在生長(zhǎng)周期過(guò)程中逐步添加大量新鮮的所選的營(yíng)養(yǎng)物來(lái)提高生產(chǎn)率和生長(zhǎng)。在收獲培養(yǎng)物之后回收產(chǎn)物，產(chǎn)物通常是單克隆抗體或重組蛋白。目前采用多種類型的分離用過(guò)濾器將細(xì)胞、細(xì)胞碎片和其他廢物與所需的產(chǎn)物分離。這種過(guò)濾器是昂貴的，并且在處理生物反應(yīng)器材料時(shí)會(huì)變得堵塞從而失去功能。分批補(bǔ)料式生物反應(yīng)器還具有高的啟動(dòng)成本，并且為了在生長(zhǎng)周期結(jié)束時(shí)獲得具有成本效益的量的產(chǎn)物而通常需要大的體積，并且這種工藝包括大量的非生產(chǎn)性停工期。

灌注式生物反應(yīng)器處理被供入生物反應(yīng)器中的一批連續(xù)的新鮮培養(yǎng)基，同時(shí)抑制生長(zhǎng)的副產(chǎn)物被不斷地移除。灌注式生物反應(yīng)器工藝可以縮短或取消非生產(chǎn)性停工期。灌注式培養(yǎng)所達(dá)到的細(xì)胞密度(3000-10000萬(wàn)個(gè)細(xì)胞/ml)通常高于分批補(bǔ)料模式的細(xì)胞密度(500-2500萬(wàn)個(gè)細(xì)胞/ml)。然而，灌注式生物反應(yīng)器需要細(xì)胞保持裝置以防止當(dāng)移除副產(chǎn)物時(shí)培養(yǎng)物逸出。這些細(xì)胞保持系統(tǒng)增加了灌注式工藝的復(fù)雜程度，并且需要管理、控制和維持以有效運(yùn)轉(zhuǎn)。以前，諸如細(xì)胞保持設(shè)備的故障或失靈等操作問(wèn)題是灌注式生物反應(yīng)器的難題。這在過(guò)去限制了它們的吸引力。

希望提供能夠降低使用生物反應(yīng)器并從制備所需產(chǎn)物的細(xì)胞中將其分離的成本和努力的手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在多個(gè)實(shí)施方案中，本公開(kāi)涉及用于生產(chǎn)如重組蛋白或單克隆抗體等生物分子的系統(tǒng)，以及用于從一次性的或非一次性的生物反應(yīng)器系統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)物中分離這些所需產(chǎn)物的方法。一般而言，所述生物反應(yīng)器包括用于產(chǎn)生多維聲駐波的聲泳裝置，其位于生物反應(yīng)器的出口附近。這種駐波是由超聲換能器和反射器產(chǎn)生的。在本公開(kāi)中，反射器是由基本上透聲的的薄材料(如某些塑料膜)，而不是固體金屬形成的。該薄材料提供恒定的壓力邊界，也稱為自由表面。實(shí)質(zhì)上，這些實(shí)施方案是提供壓力釋放表面(例如從塑料膜的透明層)的例子。

在多個(gè)實(shí)施方案中，公開(kāi)了一種包括具有至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口的流動(dòng)室的裝置。至少一個(gè)超聲換能器位于所述流動(dòng)室的室壁上。所述換能器包括由電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)的壓電材料，從而在所述流動(dòng)室內(nèi)產(chǎn)生多維聲駐波。薄結(jié)構(gòu)位于所述流動(dòng)室的與所述至少一個(gè)超聲換能器相對(duì)的室壁上。所述薄結(jié)構(gòu)提供充當(dāng)反射器的壓力釋放邊界。

在具體的實(shí)施方案中，所述薄結(jié)構(gòu)為塑料膜。所述塑料膜可以由選自由烯烴、聚氨酯、聚脲、聚酯、聚苯乙烯、聚酰胺、纖維素、離聚物、聚氯乙烯、聚乙烯醇縮丁醛，聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、乙烯乙酸乙烯酯、乙烯四氟乙烯、聚四氟乙烯及其組合組成的組中的材料制成。更具體而言，所述塑料膜可以為聚丙烯。

所述薄結(jié)構(gòu)能夠?yàn)?任選地)光學(xué)透明的。所述薄結(jié)構(gòu)可以基本上是平的。所述薄結(jié)構(gòu)可以具有這樣的厚度：其相對(duì)于由所述至少一個(gè)超聲換能器發(fā)射的頻率的波長(zhǎng)的1/2或更小。一般而言，該厚度在10微米至1毫米(mm)的范圍內(nèi)。

所述換能器可以具有包含壓電材料的殼體。該壓電材料可以為空氣襯里，即，不具有襯里層。該壓電材料可以為陶瓷晶體。

在其它實(shí)施方案中，所述壓電材料由實(shí)質(zhì)上透聲的材料支撐。所述實(shí)質(zhì)上透聲的材料可以為輕木、軟木、或泡沫。所述實(shí)質(zhì)上透聲的材料的厚度可以為至多1英寸。所述實(shí)質(zhì)上透聲的材料可以為柵格的形式。

在某些實(shí)施方案中，所述超聲換能器可以具有與所述流動(dòng)室內(nèi)的流體接觸的面，所述面涂覆有耐磨層，該耐磨層包含鉻、電解鎳、化學(xué)鍍鎳、聚對(duì)二甲苯、玻璃化碳或聚氨酯。

該裝置還可以包括：通向環(huán)形腔室的裝置入口、位于所述裝置入口下游的波狀噴嘴壁、由所述環(huán)形腔室包圍的收集管道、以及將所述波狀噴嘴壁連接到所述流動(dòng)室入口的連接管道。

所述裝置能夠包括多個(gè)跨越所述流動(dòng)室的寬度的換能器。

在多個(gè)實(shí)施方案中，還公開(kāi)了一種從宿主流體中分離次級(jí)流體或顆粒的方法，包括：使所述宿主流體和次級(jí)流體或顆粒的混合物流過(guò)裝置，所述裝置包括：具有至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口的流動(dòng)室；位于所述流動(dòng)室的室壁上的超聲換能器，所述換能器包括由電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)的壓電材料，從而在所述流動(dòng)室內(nèi)產(chǎn)生多維聲駐波；和位于所述流動(dòng)室的與所述至少一個(gè)超聲換能器相對(duì)的室壁上的薄結(jié)構(gòu)，所述薄結(jié)構(gòu)提供充當(dāng)反射器的壓力釋放邊界；以及將所述次級(jí)流體或顆粒的較小顆粒捕獲在所述多維聲波駐波中，以從所述宿主流體中分離所述次級(jí)流體或顆粒。所述次級(jí)流體或顆粒在特定點(diǎn)處成簇或聚結(jié)，使得最終連續(xù)地發(fā)生重力分離。換句話說(shuō)，一旦發(fā)生成簇、聚結(jié)或團(tuán)聚，連續(xù)的重力分離或發(fā)生。脈沖電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)超聲換能器。

所述顆?？梢詾橹袊?guó)倉(cāng)鼠卵巢(CHO)細(xì)胞、NS0雜交瘤細(xì)胞、幼小倉(cāng)鼠腎(BHK)細(xì)胞、昆蟲細(xì)胞或人細(xì)胞(如干細(xì)胞和T-細(xì)胞)。所述混合物可以連續(xù)地流過(guò)所述流動(dòng)室。所述駐波可以具有軸向力和橫向力，所述橫向力與所述軸向力具有至少相同的數(shù)量級(jí)。

在多個(gè)實(shí)施方案中，還公開(kāi)了一種裝置，包括：具有至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口的流動(dòng)室。至少一個(gè)超聲換能器位于所述流動(dòng)室的室壁上。所述換能器包括由電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)的壓電材料，從而在所述流動(dòng)室內(nèi)產(chǎn)生多維聲駐波。薄結(jié)構(gòu)位于所述流動(dòng)室的與所述至少一個(gè)超聲換能器相對(duì)的室壁上。所述薄結(jié)構(gòu)提供充當(dāng)反射器的壓力釋放邊界。所述裝置具有-0.1至-1.0的聲反射系數(shù)。

以下更具體地描述這些和其他非限制性特征。

附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

以下是對(duì)附圖的簡(jiǎn)要描述，其是為了說(shuō)明本文所公開(kāi)的示例性實(shí)施方案的目的，不旨在對(duì)其進(jìn)行限制。

圖1為流動(dòng)室的示意性平面圖，示出了本公開(kāi)的薄結(jié)構(gòu)/反射器。

圖2為示出如何計(jì)算圖1的裝置的聲反射系數(shù)的示意圖。

圖3A為具有一個(gè)超聲換能器和用作反射器的透明薄塑料膜的聲泳分離器的圖片。

圖3B為示出薄塑料膜反射器的圖片。

圖4為其中能夠使用本公開(kāi)的反射器的聲泳分離器的截面圖。

圖5為常規(guī)超聲換能器的截面圖。

圖6為本公開(kāi)的超聲換能器的截面圖。該換能器中存在氣隙，并且不存在襯里層或耐磨板。

圖7為本公開(kāi)的超聲換能器的截面圖。該換能器中存在氣隙，并且存在襯里層和耐磨板。

圖8為以不同頻率驅(qū)動(dòng)的正方形換能器的電阻抗振幅對(duì)頻率的圖。

圖9示出圖8中的峰振幅中的七個(gè)的沿流體流的正交方向的捕獲線(trapping line)結(jié)構(gòu)。

圖10是示出聲輻射力、浮力和斯托克斯阻力與顆粒大小的關(guān)系的曲線圖。水平軸以微米(μm)表示并且垂直軸以牛頓(N)表示。

圖11為具有透聲的膜蓋的實(shí)驗(yàn)用超聲換能器的圖片。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參照以下對(duì)所需實(shí)施方案及其所包括的例子的詳細(xì)描述，本公開(kāi)將更加易于理解。在以下說(shuō)明書及其所附權(quán)利要求中，提及了大量術(shù)語(yǔ)，其應(yīng)當(dāng)被定義為具有以下含義。

雖然為了清楚起見(jiàn)在以下描述中使用了特定術(shù)語(yǔ)，但這些術(shù)語(yǔ)僅旨在指代被選擇在圖中示出的實(shí)施方案的特定結(jié)構(gòu)，而不旨在限定或限制本公開(kāi)的范圍。在圖中以及下文的描述中，應(yīng)當(dāng)理解相同的數(shù)字標(biāo)號(hào)指代相同功能的部件。

除非特別說(shuō)明，否則單數(shù)形式“一個(gè)”、“一種”和“這種”包括復(fù)數(shù)的所指對(duì)象。

本文所用術(shù)語(yǔ)“包括”是指存在所指部件/步驟，并且允許存在其他部件/步驟。術(shù)語(yǔ)“包括”應(yīng)當(dāng)被解釋為包括術(shù)語(yǔ)“由……構(gòu)成”，術(shù)語(yǔ)“由……構(gòu)成”只允許存在所指部件/步驟，以及來(lái)自所指部件/步驟制造過(guò)程中的任何雜質(zhì)。

數(shù)值應(yīng)當(dāng)被理解為包括當(dāng)簡(jiǎn)化為相同數(shù)目的有效數(shù)字時(shí)相同的那些數(shù)值，以及本申請(qǐng)中所述的用于確定所述值的常規(guī)測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)誤差以內(nèi)的與所述值不同的數(shù)值。

本文所公開(kāi)的所有范圍包括所述的端點(diǎn)和獨(dú)立的組合(例如，范圍“2克至10克”包括端點(diǎn)2克和10克，以及所有中間的值)。

術(shù)語(yǔ)“實(shí)質(zhì)上”和“約”能夠用于包括能夠變化而不改變?cè)撝档幕竟δ艿娜魏螖?shù)值。當(dāng)在范圍中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“實(shí)質(zhì)上”和“約”還公開(kāi)了由兩個(gè)端點(diǎn)的絕對(duì)值限定的范圍，例如，范圍“約2至約4”還公開(kāi)了范圍“2至4”。術(shù)語(yǔ)“實(shí)質(zhì)上”和“約”可以指所指示數(shù)字的正或負(fù)10％。

應(yīng)當(dāng)注意到，本文所用的很多術(shù)語(yǔ)為相對(duì)術(shù)語(yǔ)。例如，術(shù)語(yǔ)“上部”和“下部”在位置上彼此相對(duì)，即，在給定的方向，上部部件位于比下部部件更高的高度，但如果裝置倒轉(zhuǎn)，這些術(shù)語(yǔ)可以改變。術(shù)語(yǔ)“入口”和“出口”是相對(duì)于流體流經(jīng)給定結(jié)構(gòu)而言的，例如，流體流過(guò)入口進(jìn)入結(jié)構(gòu)，并且流過(guò)出口流出結(jié)構(gòu)。術(shù)語(yǔ)“上游”和“下游”是相對(duì)于流體流過(guò)各部件的方向而言的，即，流體在流過(guò)下游部件之前流過(guò)上游部件。應(yīng)當(dāng)注意到，在環(huán)路中，第一部件可以被描述為第二部件的上游也可以被描述為第二部件的下游。

術(shù)語(yǔ)“水平”和“垂直”用于描述相對(duì)于絕對(duì)參照物(即地平面)的方向。然而，這些術(shù)語(yǔ)不應(yīng)當(dāng)被解釋為要求結(jié)構(gòu)之間彼此絕對(duì)的平行或絕對(duì)地垂直。例如，第一垂直結(jié)構(gòu)和第二垂直結(jié)構(gòu)不是必須彼此平行。術(shù)語(yǔ)“向上”和“向下”也是相對(duì)于絕對(duì)參照物而言的；向上流動(dòng)常與地球重力相反。

本申請(qǐng)涉及“相同的數(shù)量級(jí)”。如果大數(shù)值除以小數(shù)值的商為小于10的值，那么兩個(gè)數(shù)值為相同的數(shù)量級(jí)。

本公開(kāi)的聲泳分離技術(shù)采用超聲駐波來(lái)捕獲體(即，保持固定)宿主流體流中的顆粒或次級(jí)流。根據(jù)顆粒或次級(jí)流體相對(duì)于宿主流體的聲學(xué)對(duì)比系數(shù)，該顆?；虼渭?jí)流體收集在多維聲駐波的波節(jié)或波腹處，從而形成了這樣的簇，當(dāng)該簇已生長(zhǎng)到(例如，通過(guò)聚結(jié)或凝聚)足夠大的尺寸從而克服多維聲駐波的保持力時(shí)，形成最終由多維聲駐波中析出。這與其中粒子軌跡僅僅由聲學(xué)輻射力的效果改變的先前方法形成了重要區(qū)別。從顆粒散射的聲場(chǎng)導(dǎo)致三維聲學(xué)輻射力，其起到了三維捕獲場(chǎng)的作用。當(dāng)顆粒相對(duì)于波長(zhǎng)較小時(shí)，聲學(xué)輻射力與顆粒體積(例如半徑的立方)成比例。其還與頻率和聲學(xué)對(duì)比系數(shù)成比例。其還與聲能(例如聲壓振幅的平方)成比例。對(duì)于諧波激勵(lì)，力的正弦空間變化驅(qū)動(dòng)顆粒進(jìn)入駐波內(nèi)的穩(wěn)定軸向位置。當(dāng)施加于顆粒上的聲學(xué)輻射力強(qiáng)于流體動(dòng)力阻力與浮力和重力的組合效果時(shí)，顆粒被捕獲在聲駐波場(chǎng)中。這導(dǎo)致被捕獲的顆粒聚集、凝聚和/或聚結(jié)。強(qiáng)的側(cè)向力造成顆粒的快速成簇。因此，能夠通過(guò)增強(qiáng)的重力分離將一種材料的相對(duì)大的固體與不同材料、相同材料和/或宿主流體料的較小顆粒分離。

聲泳裝置的一個(gè)具體應(yīng)用是生物反應(yīng)器材料的處理。重要的是能夠從流體流中被表達(dá)的物質(zhì)中過(guò)濾所有細(xì)胞和細(xì)胞碎片。被表達(dá)的物質(zhì)包含生物分子，例如重組蛋白或單克隆抗體，并且包含要收集的所需的產(chǎn)物。通過(guò)使用聲泳，細(xì)胞和細(xì)胞碎片的分離是非常有效的并且導(dǎo)致被表達(dá)的物質(zhì)的非常少的損失。這是對(duì)當(dāng)前的過(guò)濾方法(深層過(guò)濾、切向流體過(guò)濾等)的改進(jìn)，當(dāng)前的過(guò)濾方法在高細(xì)胞密度下顯示出有限的效率，使得被表達(dá)的物質(zhì)由過(guò)濾床本身導(dǎo)致的損失可高達(dá)由生物反應(yīng)器產(chǎn)生的物質(zhì)的5％。已經(jīng)證明使用包括中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢(CHO)、NS0雜交瘤細(xì)胞、幼小倉(cāng)鼠腎(BHK)細(xì)胞和人細(xì)胞在內(nèi)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)物對(duì)于生產(chǎn)/表達(dá)現(xiàn)今藥物所需的重組蛋白和單克隆抗體是非常有效的。通過(guò)聲泳來(lái)過(guò)濾哺乳動(dòng)物細(xì)胞和哺乳動(dòng)物細(xì)胞碎片有助于大大地提高生物反應(yīng)器的收率。通過(guò)使用多維聲波的聲泳方法也可以與上游或下游的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)濾方法結(jié)合，所述過(guò)濾方法例如為使用硅藻土的深層過(guò)濾、切向流體過(guò)濾(TFF)或其他物理過(guò)濾方法。

在此方面，對(duì)比系數(shù)為顆粒的壓縮率和密度與流體本身的壓縮率和密度之間的差別。這些性質(zhì)為顆粒和流體本身的特征。與細(xì)胞懸浮在其中的培養(yǎng)基相比，大多數(shù)細(xì)胞類型都具有較高的密度和較低的壓縮率，因此細(xì)胞與培養(yǎng)基之間的聲學(xué)對(duì)比系數(shù)為正值。因此，軸向聲學(xué)輻射力(ARF)驅(qū)動(dòng)具有正的對(duì)比系數(shù)的細(xì)胞朝向聲壓波節(jié)面(pressure nodal plane)移動(dòng)，而具有負(fù)的對(duì)比系數(shù)的細(xì)胞或其他顆粒被驅(qū)動(dòng)為朝向聲壓波腹平面(pressure anti-nodal plane)移動(dòng)。聲學(xué)輻射力的徑向或橫向分力捕獲細(xì)胞。ARF的徑向或橫向分力大于流體動(dòng)力阻力與重力的組合效果。徑向或橫向分力驅(qū)動(dòng)細(xì)胞/顆粒向平面移動(dòng)，在該處它們能夠成簇成較大的組，然后從流體中重力分離。

當(dāng)細(xì)胞在駐波的波節(jié)凝聚時(shí)，還存在細(xì)胞培養(yǎng)基的物理洗滌作用，由此，由于細(xì)胞與已經(jīng)保持在駐波中的細(xì)胞接觸，因此更多的細(xì)胞被捕獲。這通?？捎杉?xì)胞培養(yǎng)基中分離細(xì)胞。所表達(dá)的生物分子保留在營(yíng)養(yǎng)液流(即，細(xì)胞培養(yǎng)基)中。

期望地，超聲換能器在流體中產(chǎn)生三維或多維聲駐波，該三維或多維聲駐波對(duì)懸浮的顆粒施加橫向力以伴隨軸向力，由此增加駐波的顆粒捕獲和聚集能力。在文獻(xiàn)中公開(kāi)的典型結(jié)果記載中，橫向力比軸向力小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。與此形成對(duì)比的是，本申請(qǐng)公開(kāi)的技術(shù)提供了更高的橫向力，達(dá)到與軸向力相同數(shù)量級(jí)。

對(duì)于三維聲場(chǎng)，Gor’kov公式能夠用于計(jì)算適用于任何聲場(chǎng)的聲輻射力F_ac。主聲輻射力F_ac被定義為場(chǎng)勢(shì)(field potential)U的函數(shù)，

F_A＝-▽(U)，

其中場(chǎng)勢(shì)U定義如下：

并且f₁和f₂是單極和偶極貢獻(xiàn)率，定義如下：

其中p是聲壓，u為流動(dòng)顆粒速度，Λ為細(xì)胞密度ρ_p與流體密度ρ_f的比，σ為細(xì)胞聲速c_p與流體聲速c_f的比，V_o為細(xì)胞體積，<>表示求經(jīng)過(guò)波周期的時(shí)間平均值。Gor’kov公式適用于小于波長(zhǎng)的顆粒。對(duì)于較大的粒徑，Ilinskii提供了對(duì)于任何顆粒大小的用于計(jì)算3D聲學(xué)輻射力的等式。請(qǐng)參見(jiàn)Ilinskii,Acoustic Radiation Force on a Sphere in Tissue(對(duì)組織中球體的聲學(xué)輻射力),The Journal of the Acoustical Society of America(美國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)雜志),132,3,1954(2012)，其通過(guò)引用并入本文中。

壓電晶體在超聲換能器中以多模方式擾動(dòng)允許產(chǎn)生多維聲駐波。壓電晶體能夠被具體地設(shè)計(jì)成在指定的頻率下以多模式方式變形，從而允許產(chǎn)生多維聲駐波。多維聲駐波能夠通過(guò)壓電晶體的不同模式產(chǎn)生，例如會(huì)產(chǎn)生多維聲駐波的3x3模式。也可以通過(guò)使壓電晶體通過(guò)許多不同模態(tài)振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生多個(gè)多維聲駐波。因此，該晶體將激發(fā)多種模式，例如0x0模式(即，活塞模式)到1x1、2x2、1x3、3x1、3x3和其它更高階模式，然后循環(huán)回到晶體的較低模式(不一定以直階)。晶體在模式之間的切換或抖動(dòng)允許實(shí)現(xiàn)各種多維波形以及在指定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的單個(gè)活塞模態(tài)。

還可以用任意相位驅(qū)動(dòng)多個(gè)超聲換能器。換句話說(shuō)，在彼此異相的同時(shí)，多個(gè)換能器可以用于分離流體流中的物質(zhì)?；蛘撸部梢赃\(yùn)作已經(jīng)被分成有序陣列的單獨(dú)超聲換能器，使得陣列的某些組件將與陣列的其他組件異相。

有時(shí)，由于聲流動(dòng)，需要調(diào)整駐波的頻率和電壓振幅。這可以通過(guò)振幅調(diào)節(jié)和/或頻率調(diào)節(jié)來(lái)完成。還可以利用駐波傳播的工作循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)捕獲材料的某些結(jié)果。換言之，可以在不同的頻率下啟動(dòng)或者關(guān)閉聲束，從而實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)果。

由本公開(kāi)的超聲換能器產(chǎn)生的總聲學(xué)輻射力(ARF)的橫向力是可觀的，并且足以克服處于等于和大于1cm/秒的高線性速度的流體動(dòng)力阻力。例如，為了分離細(xì)胞/顆粒，通過(guò)本公開(kāi)的裝置的線性速度能夠最小為4cm/分鐘，并且為了分離油/水相，能夠高達(dá)1cm/秒。流速能夠最小為25ml/分鐘，并且能夠高達(dá)40ml/分鐘到1000ml/分鐘的范圍，或甚至更高。這對(duì)于分批式反應(yīng)器、分批補(bǔ)料式生物反應(yīng)器、灌注式生物反應(yīng)器而言均是如此。

本公開(kāi)涉及聲泳裝置以及可以使這種裝置更經(jīng)濟(jì)并且還提供增強(qiáng)應(yīng)用范圍(它們能夠在這些應(yīng)用中使用)的機(jī)會(huì)的結(jié)構(gòu)。在這方面，圖1是流動(dòng)室128的平面圖(俯視圖)。超聲波換能器130存在于流動(dòng)室的一個(gè)室壁上，并且反射器132存在于與換能器相對(duì)的室壁上。流體流動(dòng)進(jìn)入/離開(kāi)圖的平面。

反射器通常由固體材料(例如鋼或鋁板)制成。雖然金屬板提供良好的反射，但它也增加了流動(dòng)室128的重量。在本公開(kāi)中，反射器132為能夠提供壓力釋放邊界的薄結(jié)構(gòu)。當(dāng)聲壓在界面處為零時(shí)，出現(xiàn)壓力釋放邊界。

如圖1所示，薄結(jié)構(gòu)132相對(duì)于流動(dòng)室128具有基本上平坦的輪廓。薄結(jié)構(gòu)將流動(dòng)室128內(nèi)的流體138與在流動(dòng)室128外部的介質(zhì)(通常為空氣)139分離。在運(yùn)作時(shí)，由超聲換能器130產(chǎn)生的超聲傳播波134(如虛線所示)從反射器/空氣界面處產(chǎn)生的邊界137反射。換句話說(shuō)，駐波的波長(zhǎng)將穿過(guò)反射器的材料，然后從邊界137反射。因此，薄結(jié)構(gòu)132應(yīng)該由透聲的材料制成，即不會(huì)阻礙超聲波或具有非常低的阻抗。應(yīng)當(dāng)注意，聲波實(shí)際上是由空氣(即，在薄結(jié)構(gòu)和空氣的界面處)反射的。為了本公開(kāi)的目的，術(shù)語(yǔ)“反射器”可以用于指代將流動(dòng)室的內(nèi)部與流動(dòng)室的外部分隔并且提供與空氣的界面的結(jié)構(gòu)組件。然而，例如，在特定的實(shí)施方案中，換能器可以與多維聲駐波垂直定向，該多維聲駐波從換能器向上傳播進(jìn)入流體中。在這種情況下，流體-空氣邊界將是提供壓力釋放邊界的自由表面，而不需要其它物理結(jié)構(gòu)。

在具體的實(shí)施方案中，該薄結(jié)構(gòu)的厚度為與其一起使用的超聲換能器的波長(zhǎng)的1/2或更小，并且在更具體的實(shí)施方案中為波長(zhǎng)的至多1/20或至多1/50。一般來(lái)說(shuō)，這意味著薄結(jié)構(gòu)具有10微米至1毫米的厚度。

在具體的實(shí)施方案中，提供壓力釋放邊界的薄結(jié)構(gòu)是透聲的膜，例如塑料膜。塑料膜通常在框架內(nèi)拉伸。塑料膜可以是透明的，從而使得流動(dòng)室128的內(nèi)部可視化。所述塑料膜可以由選自由烯烴、聚氨酯、聚脲、聚酯、聚苯乙烯、聚酰胺、纖維素、離聚物、聚氯乙烯、聚乙烯醇縮丁醛，聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、乙烯乙酸乙烯酯、乙烯四氟乙烯、聚四氟乙烯及其組合組成的組中的材料制成。

圖2為解釋提供壓力釋放邊界的薄結(jié)構(gòu)的運(yùn)作的示意圖。還示出了流動(dòng)室128，也示出了換能器130和薄結(jié)構(gòu)132。在運(yùn)作期間，流動(dòng)室充滿流體(通常為水)，該流體具有聲阻抗Z1，其是流體的密度和流體中的聲速的乘積。當(dāng)薄結(jié)構(gòu)非常薄時(shí)，其聲阻抗可以忽略。流動(dòng)室外部的介質(zhì)139(通常為空氣)也具有聲阻抗Z2。如右側(cè)所示，腔室內(nèi)的流體和腔室外的介質(zhì)產(chǎn)生具有聲反射系數(shù)R的系統(tǒng)：該聲反射系數(shù)R是根據(jù)下式確定的：

聲阻抗是以瑞利(Rayls)(1瑞利＝1kg/m²/秒)來(lái)測(cè)量的。作為薄結(jié)構(gòu)的功效的例子，0℃下的空氣的聲阻抗為428瑞利，而淡水的聲阻抗為148萬(wàn)瑞利。因此，該系統(tǒng)的聲反射系數(shù)為-0.999這表明大多數(shù)聲能將以180度的相變而反射。

圖3A和圖3B中示出了使用透聲的膜作為反射器的聲泳顆粒分離器100的圖片。首先參考圖3A，多組分液體流(例如水或其它流體)進(jìn)入入口104并且被分離的流體經(jīng)由出口106在相對(duì)端離開(kāi)。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)該液體流流過(guò)分離器時(shí)，該液體流通常處于壓力下。顆粒分離器100具有縱向流動(dòng)通道108，該縱向流動(dòng)通道108攜帶多組分液體流通過(guò)超聲換能器112和透聲的膜114，該透聲的膜114位于與換能器相對(duì)的室壁上。如圖所示，將薄塑料膜用作流動(dòng)室內(nèi)的空氣和流體之間的界面。圖3B是在設(shè)備運(yùn)作期間的塑料膜的圖片。

圖4為其中能夠使用本公開(kāi)的薄結(jié)構(gòu)反射器(例如，薄塑料膜)的聲泳分離器的截面圖。這是用于將浮力流體或顆粒與宿主流體分離的4”×2.5”流動(dòng)截面區(qū)域中間標(biāo)度裝置124的圖。聲學(xué)路徑長(zhǎng)度為4”。該裝置在這里顯示為這樣的取向：其中流動(dòng)方向是向下的，該裝置用于從宿主流體中分離較低密度的顆粒。然而，該裝置可以基本上倒置以使得比宿主流體更重的顆粒分離。不是在向上方向上的浮力，而是由于重力，凝聚顆粒的重量將它們向下拉動(dòng)。應(yīng)當(dāng)注意，該實(shí)施方案被描繪為具有流體垂直流動(dòng)的取向。然而，也可以想到流體流可以在水平方向上或成一定角度。

含有顆粒的流體通過(guò)入口126進(jìn)入裝置的環(huán)形腔室131。該環(huán)形腔室具有環(huán)形內(nèi)徑和環(huán)形外徑。雖然在該圖中兩個(gè)入口是可見(jiàn)的，但是預(yù)期可以根據(jù)需要提供任何數(shù)量的入口。在特定的實(shí)施方案中，使用四個(gè)入口。入口徑向相對(duì)且定向。

波狀噴嘴壁129以在壁區(qū)域附近產(chǎn)生更高速度并且減少湍流的方式減小流動(dòng)路徑的外徑，從而隨著流體速度分布的發(fā)展而產(chǎn)生近塞式流動(dòng)，即，流體在中心線的方向上向下加速，而具有很少甚至沒(méi)有圓周運(yùn)動(dòng)分量和低的流動(dòng)湍流。這產(chǎn)生了對(duì)于聲學(xué)分離和顆粒收集而言最佳的腔室流動(dòng)分布。流體穿過(guò)連接管道127并進(jìn)入流動(dòng)/分離腔室128。波狀噴嘴壁129還為懸浮顆粒添加徑向運(yùn)動(dòng)分量，使顆粒更靠近裝置的中心線移動(dòng)，并且與上升的、漂浮的凝聚顆粒產(chǎn)生更多的碰撞。這種徑向運(yùn)動(dòng)使得在到達(dá)分離腔室之前從連接管道127中的流體中最佳地擦除顆粒。波狀噴嘴壁129以在收集導(dǎo)管133的入口處產(chǎn)生大尺度渦流的方式引導(dǎo)流體，以增強(qiáng)顆粒收集。一般來(lái)說(shuō)，裝置124的流動(dòng)面積被設(shè)計(jì)成從環(huán)形腔室131到分離室128連續(xù)減小，以確保低湍流和渦流形成，從而實(shí)現(xiàn)更好的顆粒分離、凝聚和收集。噴嘴壁具有寬的端部和窄的端部。用術(shù)語(yǔ)擦洗來(lái)描述顆粒/液滴的凝聚、聚集、結(jié)塊或聚結(jié)的過(guò)程，該過(guò)程在當(dāng)較大的顆粒/液滴沿與流體流動(dòng)相反的方向行進(jìn)并與較小的顆粒碰撞，從而有效地從懸浮液中擦洗較小的顆粒時(shí)發(fā)生。

流動(dòng)/分離室128包括換能器陣列130和在腔室的相對(duì)側(cè)上的反射器132。反射器可以是上圖1中描述的薄膜-空氣界面，其中膜的一側(cè)暴露于流動(dòng)室內(nèi)的流體，并且膜的另一側(cè)暴露于流動(dòng)室外部的空氣。在使用時(shí)，在換能器陣列130和薄膜-空氣界面132之間產(chǎn)生駐波134。這些駐波能夠用于凝聚顆粒，并且該取向用于凝聚飄浮的顆粒(例如油)。然后，包含殘余顆粒的流體通過(guò)流出口135離開(kāi)。

隨著飄浮的顆粒凝聚，它們最終克服了流體動(dòng)力阻力和聲輻射力的組合效果，并且它們的浮力136足以使飄浮的顆粒向上升高。在這方面，收集導(dǎo)管133被環(huán)形腔室131包圍。較大的顆粒將穿過(guò)該導(dǎo)管并進(jìn)入收集室140。該收集室也可以是出口導(dǎo)管的一部分。收集導(dǎo)管和流出口在裝置的相對(duì)兩端。

應(yīng)當(dāng)注意，在分離室128中形成的飄浮的顆粒隨后穿過(guò)連接管道127和噴嘴壁129。這使得來(lái)自環(huán)形腔室的進(jìn)入流在上升的凝聚顆粒上流動(dòng)，這是由于由噴嘴壁施加的向內(nèi)徑向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。這使得上升的顆粒也捕獲進(jìn)入流中的較小顆粒，從而增加擦洗效率。因此，連接管道127和波狀噴嘴壁129的長(zhǎng)度增加了擦洗效率。發(fā)現(xiàn)尺寸為0.1微米至20微米的顆粒有特別高的效率，然而常規(guī)方法的效率非常低。

本文的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化的速度分布(在流動(dòng)室128的入口處具有低流動(dòng)湍流)，在流動(dòng)室之前的擦洗長(zhǎng)度(以增強(qiáng)在聲學(xué)分離之前的顆粒凝聚和/或聚結(jié))，以及收集渦流的使用(以有助于顆粒在收集導(dǎo)管133處的去除)。

本公開(kāi)的換能器裝置產(chǎn)生三維壓力場(chǎng)，該三維壓力場(chǎng)包括垂直于流體流的駐波。壓力梯度足夠大，從而產(chǎn)生與駐波方向正交的聲泳力(即，聲泳力平行于流體流動(dòng)方向)，其與駐波方向上的聲泳力有相同數(shù)量級(jí)。這允許在流動(dòng)室中以及沿著良好限定的捕獲線產(chǎn)生增強(qiáng)的捕集、聚集和收集，這與常規(guī)裝置中僅在收集平面捕集顆粒形成對(duì)比。顆粒具有大量的時(shí)間移動(dòng)到駐波的節(jié)點(diǎn)或波腹，從而產(chǎn)生顆粒可以集中、凝聚和/或聚結(jié)，然后重力分離的區(qū)域。

在某些實(shí)施方案中，流體的流動(dòng)具有高達(dá)1500的雷諾數(shù)(Reynold number)，即發(fā)生層流。對(duì)于工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于通過(guò)該系統(tǒng)的流動(dòng)，雷諾數(shù)通常為10至1500。對(duì)于該顆粒，相對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)的顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生遠(yuǎn)小于1.0的顆粒雷諾數(shù)。雷諾數(shù)表示在給定流場(chǎng)中慣性流動(dòng)效應(yīng)與粘性效應(yīng)的比值。對(duì)于低于1.0的雷諾數(shù)，粘性力在流場(chǎng)中占主導(dǎo)地位。這導(dǎo)致顯著的阻尼，其中剪切力在整個(gè)流動(dòng)中占主導(dǎo)地位。這種粘性力占主導(dǎo)的流動(dòng)稱為斯托克斯(Stoke)流動(dòng)。在這種情況下，室壁輪廓和流線型化很不重要。這與非常粘的流體的流動(dòng)或在非常微小的通道中的流動(dòng)相關(guān)，如MEMS器件。

如圖4所示，大的環(huán)形腔室后面是入口壁噴嘴，其加速并向中心線向內(nèi)引導(dǎo)流體。壁輪廓將對(duì)分布具有大的影響。區(qū)域收斂增加了流動(dòng)平均速度，但是決定速度分布的是壁輪廓。噴嘴壁輪廓將是流動(dòng)流線，并且在分離器中被設(shè)計(jì)成具有小的曲率半徑。

現(xiàn)在更詳細(xì)地描述用于聲泳過(guò)濾裝置的超聲換能器可能是有幫助的。圖5為常規(guī)超聲換能器的截面圖。該換能器具有位于底端的耐磨板50、環(huán)氧樹脂層52、陶瓷晶體54(由例如PZT制成)、環(huán)氧樹脂層56、和襯里層58。在陶瓷晶體的兩側(cè)具有電極：正電極61和負(fù)電極63。環(huán)氧樹脂層56將襯里層58附接到晶體54。整個(gè)組件被包括在可以由例如鋁制成的外殼60中。電適配器62為電線穿過(guò)外殼并連接至附接于晶體54上的導(dǎo)線(未示出)提供連接。通常，襯里層被設(shè)計(jì)為增加阻尼并形成在寬的頻率范圍內(nèi)具有均勻位移的寬帶換能器，并且被設(shè)計(jì)為抑制在特定的振動(dòng)本征模式(vibrational eigen-mode)下的激發(fā)。耐磨板通常被設(shè)計(jì)為阻抗變換器以更好地匹配介質(zhì)(換能器向其中進(jìn)行輻射)的特征阻抗。

圖6為本公開(kāi)的超聲換能器81的截面圖。換能器81被成形為盤或板，并且具有鋁外殼82。壓電晶體是大量的鈣鈦礦陶瓷晶體，每個(gè)由在較大的二價(jià)金屬離子(通常為鉛或鋇)的晶格中的小的四價(jià)金屬離子(通常為鈦或鋯)以及O^2-離子組成。作為例子，PZT(鋯鈦酸鉛)晶體86限定了換能器的底端，并且從殼體的外部暴露。晶體通過(guò)位于晶體和外殼之間的小的彈性層98(例如，硅樹脂或類似材料)支撐在其周邊上。換句話說(shuō)，不存在耐磨層。

螺絲通過(guò)螺紋88將外殼的鋁頂板82a附接至外殼的殼體82b。所述頂板包括為換能器供電的連接器84。PZT晶體86的頂面連接至正電極90和負(fù)電極92(它們通過(guò)絕緣材料94隔離)。電極可以由任何導(dǎo)電材料制成，例如銀或鎳。通過(guò)晶體上的電極將電能提供至PZT晶體86。應(yīng)指出，晶體86不具有襯里層或環(huán)氧樹脂層。換言之，在換能器中在鋁頂板82a和晶體86之間具有氣隙87(即，氣隙完全是空的)。如圖7所示，在一些實(shí)施方案中可以提供極小的襯里58和/或耐磨板50。

換能器的設(shè)計(jì)可影響系統(tǒng)的性能。通常的換能器為層狀結(jié)構(gòu)，其中陶瓷晶體結(jié)合至襯里層和耐磨板。由于換能器負(fù)荷有駐波賦予的高機(jī)械阻抗，因此耐磨板的傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(例如，對(duì)于駐波應(yīng)用的半波長(zhǎng)厚度或?qū)τ谳椛鋺?yīng)用的四分之一波長(zhǎng)厚度)和制造方法可能是不合適的。相比較，在本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施方案中，換能器不具有耐磨板或襯里，這使得晶體以其本征模式之一振動(dòng)并具有高的Q-因數(shù)。振動(dòng)陶瓷晶體/盤直接暴露于流過(guò)流動(dòng)腔室的流體。

去除襯里(例如使晶體以空氣作為襯里)還使得陶瓷晶體以很小的阻尼以振動(dòng)的高階模振動(dòng)(例如高階模位移)。在晶體具有襯里的換能器中，晶體以更均勻的位移振動(dòng)，就像活塞。去除襯里使得晶體以非均勻位移模式振動(dòng)。晶體的模態(tài)的階越高，晶體就具有越多的波節(jié)線。盡管捕獲線與波節(jié)的關(guān)聯(lián)不一定是一對(duì)一的，并且以更高的頻率驅(qū)動(dòng)晶體不一定產(chǎn)生更多的捕獲線，但晶體的高階模位移產(chǎn)生更多的捕獲線。

在一些實(shí)施方案中，晶體可以具有極少地影響晶體的Q-因數(shù)(例如小于5％)的襯里。襯里可以由基本上透聲的材料制成，例如輕木、泡沫或軟木，其使得晶體以高階模態(tài)振動(dòng)并保持高的Q-因數(shù)，同時(shí)還為晶體提供一定的機(jī)械支持。襯里層可以是實(shí)心的，或者可以是在層中具有孔的柵格，這樣?xùn)鸥窀S以特定的高階振動(dòng)模式振動(dòng)的晶體的波節(jié)，從而在波節(jié)位置提供支持，同時(shí)允許其余的晶體自由振動(dòng)。柵格結(jié)構(gòu)或透聲材料的目的是提供支持，而不降低晶體的Q-因數(shù)或干擾特定模態(tài)的激發(fā)。

使晶體直接與流體接觸避免了環(huán)氧樹脂層和耐磨板的阻尼和能量吸收效應(yīng)，從而也提供了高的Q-因數(shù)。其他實(shí)施方案可以具有耐磨板或耐磨表面以防止含有鉛的PZT接觸宿主流體。這在(例如)如分離血液的生物應(yīng)用中可能是希望的。這種應(yīng)用可以使用諸如鉻、電解鎳或非電解鎳或玻璃化碳等的耐磨層。也可以使用化學(xué)氣相沉積涂覆聚(對(duì)二甲苯)(例如Parylene)或其他聚合物的層。諸如硅酮或聚氨酯等有機(jī)或生物相容性涂層也可用作耐磨表面。

在本發(fā)明的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)在一定電壓下運(yùn)作從而使得顆粒被超聲駐波捕獲。顆粒被收集在良好限定的捕獲線中，這些捕獲線分開(kāi)半個(gè)波長(zhǎng)。在每個(gè)波節(jié)面中，顆粒被捕獲在最小聲輻射勢(shì)能處。聲輻射力的軸向分力驅(qū)動(dòng)具有正對(duì)比系數(shù)的顆粒向聲壓波節(jié)面移動(dòng)，而具有負(fù)對(duì)比系數(shù)的顆粒被驅(qū)動(dòng)為向聲壓波腹平面移動(dòng)。聲輻射力的徑向或橫向分力為捕獲、聚集和重力分離顆粒的力。在使用通常的換能器的系統(tǒng)中，聲輻射力的徑向或橫向分力通常比聲輻射力的軸向分力小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。相反，分離器1中的橫向力能夠可觀地與軸向分力在一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且足以克服在高達(dá)1cm/秒的線性速度下的流體動(dòng)力阻力。如上所述，可以通過(guò)將換能器驅(qū)動(dòng)為高階模態(tài)來(lái)提高橫向力，這種高階模態(tài)與其中晶體有效地像具有均勻位移的活塞那樣移動(dòng)的振動(dòng)形式不同。因此，所產(chǎn)生的波的類型被稱為具有位移特征的復(fù)合波，該復(fù)合波與漏對(duì)稱(leaky symmetric)(還稱為壓縮或延伸)蘭姆波相似。由于波輻射到水層中，因此它們發(fā)生泄漏，這導(dǎo)致在水層中產(chǎn)生聲駐波。對(duì)稱的蘭姆波具有相對(duì)于壓電元件的中性軸對(duì)稱的位移特征，其導(dǎo)致在3-D空間中產(chǎn)生多個(gè)駐波。這些高階振動(dòng)模式可以包括模式(1,1)、(1,2)、(2,1)、(2,2)、(2,3)或(m,n)，其中m和n為1或更大。聲壓與換能器的驅(qū)動(dòng)電壓成比例。電能與電壓的平方成比例。

在一些實(shí)施方案中，驅(qū)動(dòng)換能器的脈沖電壓信號(hào)可以具有正弦、矩形、鋸齒或三角波形；并且頻率為500kHz至10MHz。脈沖電壓信號(hào)可以用脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)，這產(chǎn)生任何所需的波形。脈沖電壓信號(hào)還可以具有振幅或頻率調(diào)制啟動(dòng)/停止能力以消除聲流(streaming)。

換能器的尺寸、形狀和厚度決定了換能器在不同激發(fā)頻率下的位移，這進(jìn)而影響了分離效果。通常，換能器在接近厚度共振頻率(半波長(zhǎng))的頻率下運(yùn)作。換能器位移梯度(gradient)通常導(dǎo)致更多的用于待捕獲顆粒的位置。高階模位移在聲場(chǎng)中在所有方向上產(chǎn)生具有強(qiáng)梯度的三維聲駐波，由此在所有方向上產(chǎn)生相等的強(qiáng)聲學(xué)輻射力，這導(dǎo)致了多個(gè)捕獲線，其中捕獲線的數(shù)目與換能器的特定的模態(tài)有關(guān)。

為了研究換能器位移特性曲線對(duì)聲學(xué)捕獲力和分離效果的影響，使用1”x1”正方形換能器重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)10次，其中除了激發(fā)頻率以外所有條件均相同。將10個(gè)連續(xù)的聲共振頻率(圖8中以被圈起來(lái)的數(shù)字1-9和字母A示出)用作激發(fā)頻率。條件為：實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間30分鐘，1000ppm油濃度的約5微米SAE-30油液滴，流速500ml/分鐘，輸入功率20W。由于油比水致密，并且能夠利用聲泳從水中分離，因此使用了油液滴。

圖9示出當(dāng)在含有油滴的水柱中運(yùn)作時(shí)，所測(cè)量的換能器的作為在2.2MHz換能器共振附近的頻率的函數(shù)的電阻抗振幅。換能器電阻抗的最小值對(duì)應(yīng)水柱的聲共振，并且其代表用于運(yùn)作的可能的頻率。數(shù)值模擬表明，換能器位移特性曲線在這些聲共振頻率處變化顯著，由此直接影響聲駐波和所得捕獲力。由于該換能器在接近其厚度共振下運(yùn)作，因此電極表面的位移是本質(zhì)上異相的。換能器電極的典型位移是不均勻的，并且根據(jù)激發(fā)頻率改變。作為一個(gè)例子，在一個(gè)激發(fā)頻率下，產(chǎn)生了單行被捕獲的油液滴，位移在電極的中間具有單一最大值，在換能器邊緣附近具有最小值。在另一個(gè)激發(fā)頻率下，換能器特性曲線具有多個(gè)最大值，這導(dǎo)致產(chǎn)生多行受捕獲的油液滴。更高階的換能器位移模式導(dǎo)致更高的捕獲力以及多個(gè)穩(wěn)定的被捕獲的油液滴捕獲線。

作為換能器經(jīng)過(guò)的油-水乳液，觀察并研究了油液滴捕獲線的特征。如圖9所示，對(duì)圖8所發(fā)現(xiàn)的10個(gè)共振頻率中的七個(gè)進(jìn)行了捕獲線特征研究，包括對(duì)流動(dòng)通道中的捕獲線數(shù)目進(jìn)行觀察和繪制圖案。換能器的不同位移特性曲線可在駐波中產(chǎn)生不同的(更多的)捕獲線，其中位移特性曲線存在更多梯度通常會(huì)產(chǎn)生更高的捕獲力和更多的捕獲線。

換能器用于建立可產(chǎn)生相同數(shù)量級(jí)的與駐波方向垂直和沿駐波方向的力的壓力場(chǎng)。當(dāng)力為大致相同數(shù)量級(jí)時(shí)，大小為0.1微米至300微米的顆粒更有效地向凝聚區(qū)域(“捕獲線”)移動(dòng)。由于垂直聲泳分力具有相等的大梯度，因此在換能器與反射器之間具有在駐波方向上位置規(guī)則分布的“熱點(diǎn)”或顆粒集中區(qū)。熱點(diǎn)位于聲學(xué)輻射勢(shì)能最小的位置。這些熱點(diǎn)代表顆粒集中位置。

圖10是示出聲輻射力、流體動(dòng)力阻力和浮力與顆粒半徑的縮放比例的對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)圖(對(duì)數(shù)y軸，對(duì)數(shù)x軸)。對(duì)實(shí)驗(yàn)中使用的典型SAE-30油液滴進(jìn)行計(jì)算。浮力是依賴于顆粒體積的力，因此對(duì)于微米量級(jí)的粒徑是可忽略的，但是對(duì)于幾百微米量級(jí)的粒徑會(huì)增長(zhǎng)，并且變得顯著。流體動(dòng)力阻力與流體速度成線性比例，因此對(duì)于微米尺寸顆粒通常超過(guò)浮力，但對(duì)于數(shù)百微米數(shù)量級(jí)的較大尺寸顆粒來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)。聲輻射力縮放作用不同。當(dāng)粒徑較小時(shí)，聲學(xué)捕獲力隨著粒子的體積而縮放。最終，當(dāng)粒徑增大時(shí)，聲輻射力不再隨著顆粒半徑的立方而增加，并且將在特定的臨界粒徑下迅速消失。隨著粒徑的進(jìn)一步增加，輻射力在大小上再次增加，但具有相反相位(圖中未示出)。隨著粒徑增加，該模式重復(fù)。

最初，當(dāng)懸浮液流過(guò)具有主要為小的微米尺寸顆粒的系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于待捕獲在駐波中的顆粒而言，聲輻射力必須平衡流體動(dòng)力阻力和浮力的組合效果。在圖10中，這發(fā)生在粒徑為約3.5微米上，標(biāo)記為R_c1。然后該圖表明所有較大顆粒也將被捕獲。因此，當(dāng)小顆粒被捕獲在駐波中時(shí)，發(fā)生顆粒聚結(jié)/結(jié)塊/聚集/凝聚，導(dǎo)致有效粒徑的連續(xù)生長(zhǎng)。隨著粒徑增大，聲輻射力從顆粒反射，使得大顆粒導(dǎo)致聲輻射力降低。粒徑繼續(xù)生長(zhǎng)直到浮力/重力變?yōu)橹鲗?dǎo)，這由第二臨界粒徑R_c2表示，在該尺寸下，根據(jù)顆粒相對(duì)于宿主流體的相對(duì)密度，顆粒將上升或下沉。因此，圖10解釋了小顆粒如何能夠在駐波中連續(xù)捕獲，生長(zhǎng)成更大的顆粒或團(tuán)塊，然后最終由于浮力/重力的增加而上升或沉降。

在生物應(yīng)用中，預(yù)期所述系統(tǒng)的所有部分(例如反應(yīng)容器、導(dǎo)向或出自生物反應(yīng)器的管道、溫度調(diào)節(jié)夾套等)都可以彼此分離，并且為一次性的。還可以改變換能器的頻率以在給定功率下獲得最佳效果。

提供以下實(shí)施例以說(shuō)明本公開(kāi)的裝置、組件和方法。這些實(shí)施例僅僅是說(shuō)明性的并且不旨在將本公開(kāi)限制于本文中闡述的材料、條件或工藝參數(shù)。

實(shí)施例

實(shí)施例1

使用厚度為0.60密爾(15.24微米)的聚烯烴熱收縮膜作為透聲的膜，以形成流體-空氣界面，并使用空的換能器殼體將其夾在適當(dāng)位置。當(dāng)換能器在2.2MHz的頻率下運(yùn)作時(shí)，該厚度是波長(zhǎng)的1/50。圖3A為測(cè)試裝置的圖片。

圖3B是在運(yùn)作期間的塑料膜-空氣界面反射器的圖片。通過(guò)塑料膜(其也是光學(xué)透明的)可以看到5×5捕獲線模式的運(yùn)作。白色的捕獲線通過(guò)塑料膜是可見(jiàn)的。與使用鋼反射器相比，該裝置的總效率僅降低了3％，其在測(cè)量誤差的范圍內(nèi)。

實(shí)施例2

將透聲薄膜170附接到超聲換能器的壓電晶體(尺寸為1英寸×1英寸)172的表面。使用兩種不同的塑料薄膜，一個(gè)約60微米厚并且一個(gè)約350微米厚。使用超聲波傳輸凝膠174的薄層以確保在薄膜和晶面之間沒(méi)有氣穴。圖11為正方形換能器的圖片和所得結(jié)構(gòu)的圖。

測(cè)試了三種類型的反射器：鋼反射器、約60微米厚的薄塑料膜反射器(R-ATF)和約350微米厚的薄塑料膜反射器(R-TBC)。使用了三種不同類型的壓電晶體：具有約60微米厚的塑料薄膜蓋的晶體(C-ATF)；具有約350微米厚的塑料薄膜蓋的晶體(C-TBC)；和未涂覆的γ滅菌晶體(UC)。

測(cè)試這些晶體/反射器組合以確定其對(duì)具有2億細(xì)胞/mL的3％酵母進(jìn)料的分離和所指示的起始濁度的影響。進(jìn)料流速為30ml/min，濃縮物產(chǎn)率為5mL/min，滲透物產(chǎn)率為25/mL/min。除非另有說(shuō)明，晶體的功率為7-11瓦，并且頻率為2.2455MHz。350微米厚的膜約為在該頻率下的波長(zhǎng)的厚度的一半。

30分鐘后，測(cè)量濃縮物、滲透物和滯留物。濃縮物是離開(kāi)裝置的部分，其包含濃縮酵母和一些流體。滲透物是離開(kāi)裝置的過(guò)濾部分，其主要是具有低得多的酵母濃度的液體。滯留物是運(yùn)作后留在裝置中的剩余物質(zhì)。

結(jié)果提供在下表1中。

表1

從本文可以看出，濁度在在滲透物中大大降低，而在濃縮物中大大增加，表明該系統(tǒng)的效率。

已經(jīng)參照示例性實(shí)施方案描述了本公開(kāi)。顯然，通過(guò)閱讀并理解上文的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行改變或修改。本公開(kāi)旨在被理解為包括所附權(quán)利要求及其等價(jià)形式的范圍以內(nèi)的所有這些改變和修改。