CN1681573A - 用于引导流体中的颗粒的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于对包含在流体中的颗粒进行引导的设备，其包括腔室，该腔室具有：第一壁，该第一壁具有用于产生频率为v的声波的装置；相对置的第二壁，该第二壁能够反射声波，其中第一壁和第二壁限定出一管道，以供流体通过，其中第二壁的厚度使得驻波在第二壁中的路径长度是声波在其中的波长λr的约1/2的倍数。

Description

用于引导流体中的颗粒的设备
技术领域
本发明涉及用于引导流体中的颗粒的设备。具体地说，本发明涉及利用在流体中具有单个压力波节点的超声驻波来把颗粒引导到平面边界的设备，但本发明并不局限于这些。
背景技术
已知，通过在具有悬浮颗粒的流体中产生超声驻波，对颗粒施加一个作用力，这个作用力用来把这些颗粒引导到压力波节点或压力波腹。尤其是，已经知道，在水悬浮液中的细菌被引导朝向压力波节点，这是由于细菌在水悬浮液中的质量密度和声速要比在水中的大。相比较而言，水中的油滴或气泡被引导到压力波腹，这是因为它们在其中的质量密度和声速要比在水中的小。
这些声音辐射力的大小和方向已被广泛地描述过。例如见：King，L.V.Proc.R.Soc.，1934，伦敦A147，212-240；Yosioka，K.和Kawasima，Y.，Acustica，1955，5，167-173；Gor’kov，L.P.，Sov，Phys.Dokl.，1962，6，773-775；Nyborg，W.L.，J.Acoust.Soc.Am.，1967，42，947-952；Crum，L.A.，ibid.，1971，50，157-163；Gould，R.K.和Coakley，W.T，Proc.1973 Symp.关于流体中的有限幅波效果(Finite-Amplitude Wave Effects in Fluids)(Pergamon出版社，Guildford，英国1974)，第252-257页；Whitworth，G.和Coakley，W.T.，J.Acoust.Soc.Am.，1992，91，79-85和Grschl M.，FundamentalsAcustica-acta acustica，1998，84，432-447。
众所周知，在声音驻波系统中的压力波腹通常出现在具有显著不同的声音阻力的材料之间的边界处。例如，在水和不锈钢或玻璃层之间的边界处会出现压力波腹。至今仍不能通过把压力波节点安排到表面来把颗粒引导于边界表面。因此，在US5225089，US5626767，EP0633049，EP0380194中，全都公开了用于对颗粒进行引导的设备，其中，压力波腹位于边界表面处。
当期望在流体层中产生具有单一波节点的驻波时，压力波节点在超声驻波系统中的位置尤其重要。这些系统要求流体层的宽度或厚度是驻波在流体中的波长λf的一半或四分之一。
这种系统具有半波长厚度，在本文中，这种系统被称作λ/2系统，这种系统在本领域是已知的，并且已由Hawkes，J.J.等人在J.Acoust.soc.Am.，2002，111，1259-1266以及传感器和驱动器(andSensors and Actuators)B，2001，75，213-222中广泛描述过。一声腔包括：具有压电陶瓷和不锈钢传输层的第一壁；以及由玻璃制成的第二反射壁。选择声波的频率，以使得玻璃反射器的厚度是驻波在玻璃中波长的四分之一，以便确保系统中的最大能量集中于流体层中。形成在压电陶瓷与钢层，钢层与流体层，以及流体层与玻璃壁的边界处的压力波腹，导致驻波的一压力波节点位于流体层的中央。这种λ/2系统已被用于过滤流体中的一些颗粒(Spengler，J.F.等人，生物分离(Bioseparation)，2001，9，329-341)以及用于把颗粒从一种流体移动到另一种流体(见我们的待审查英国专利申请No.GB0223562.0)。
具有四分之一波长厚度的系统在本文中被称作λ/4系统，这种系统类似于上面所描述的系统，这种系统已被认为没有实际价值。由于需要对声波的频率进行选择，以使得玻璃反射器的厚度为驻波在玻璃中的波长的四分之一，因此这对所述系统产生了限制。具体地，只能在流体层与钢层或玻璃壁中的一个或另一个的边界处产生压力波节点。然而，由于在接触空气的边界处也必须产生一压力波节点，因为空气的声阻抗较低，因此在驻波系统中可能会发生相位变化。由于在压电陶瓷处总是发生这种相位变化，从而不象许多实际应用中所期望的那样在流体和玻璃壁之间的边界形生压力波节点，而是在钢层和流体的边界处形生压力波节点。
解决这个问题的许多方案都把注意力集中在所谓的在反射壁处的“压力释放”。具体地说，使玻璃反射器的厚度最小化，或者用相对于流体具有类似的声音特性的材料来进行替换。然而，这些方案大部分都是不切实际的或失败了，因为对厚度的要求使得反射器的制造和处理困难，并且在发生机械振动时易破碎，或者是因为不能产生驻波。
申请人已发现，在λ/2系统和λ/4系统中，选择反射器的厚度和/或频率对于把颗粒引向一个或多个流体边界面是有实际价值的。
发明内容
因此，在本发明的一个方面中，本发明提供了一种用于对包含在流体中的颗粒进行引导的设备，这种设备包括一腔室，该腔室具有：一第一壁，该第一壁具有用于产生频率为v的声波的装置；和一对置的第二壁，该第二壁能反射声波，其中，所述第一壁和第二壁限定有一管道，用于供流体通过，其中第二壁的厚度使得驻波在第二壁中的路径长度是声波在其中的波长λr的约1/2的倍数。
应当知道，选择第二壁的厚度(或声波的频率v)以使得驻波在第二壁中的路径长度约为1/2λr，这就导致在两个流体边界面中的一个或两个处都产生压力波节点。尤其是应当知道，第二壁在选择的频率处发生谐振，这导致所述壁相对流体的相对较高的声阻抗被有效地减小至零。此外，尽管系统中的能量被集中在使第二壁发生谐振，但是，在节点处作用在颗粒上的力的大小仍然足以驱动颗粒，使其沿着横贯流体中层流方向行进。在这个方面，发现在选择的厚度或操作频率的情况下，由第二壁的谐振产生的热量所导致所局部温度升高很小(5至10℃)。
本发明不需要第二壁的厚度或声波的频率v能使得驻波在第二壁中的路径长度正好是声波在其中的波长的1/2λ的倍数。具体地说，本文中所用的术语“约1/2λr的倍数”应被理解为是指路径长度在对于声音在第二壁中的波长λr的n(1/2)倍的理论值的+/-5％内，其中n为包括1在内的偶数或奇数。
选择反射器的厚度或声波的频率以使得驻波的路径长度是1/2λr的倍数，但是这种选择不会使局部温度升高至这样的程度，即，使得声音在第二壁中的速度和因此驻波在第二壁中的波长被明显改变。优选地是，n的值为从1至5之间。更优选地是，第二壁的厚度约为1/2λr(n＝1)。
应当知道，由于对流体层中的足够能量的要求，对于本发明，第一壁的厚度并不重要。优选地是，第一壁的厚度是声波在其中的波长λg的1/2或1/4的奇数倍(n是奇数)。更优选地是，第一壁的厚度是声波在其中的波长λg的1/2。
在本发明的一些优选实施例中，所述设备还包括与第一壁相接触的材料，这种材料能传输声波。对于本领域而言，众所周知，在第一壁的内表面上还具有一耦合层。该耦合层的厚度对于本发明并不是很重要，只要满足能量要求即可。然而，优选的厚度为声波在其中的波长λt的1/4的奇数倍(n为奇数)或声波波长λt的1/2的偶数或奇数倍(n为奇数或偶数)。
此外，根据能量要求，管道的宽度在本发明中并不受限制。但优选地是，管道的宽度为声波在其中的波长λf的1/4的奇数倍(n为奇数)或波长λf的1/2的偶数或奇数倍(n为奇数或偶数)。当然，如果所述宽度为声波在流体中的波长λf的1/2或1/2的倍数，那么，在流体层中出现一个以上的压力波节点。然而，在这种系统中，压力波节点一般出现在流体层的边界处。同样，如果所述管道的宽度为声波在流体中的波长λf的1/4的奇数倍，那么，也会出现多个压力波节点。但是，在这种系统中，压力波节点一般出现在流体层与第二壁的边界处。
但是，在本发明的一个非常优选的实施例中，管道的宽度为声波在流体中的波长λf的1/4。在这个实施例中，在流体层中存在单个压力波节点，该压力波节点位于流体层和第二壁的边界处。这个实施例特别有利，因为流体中的颗粒被唯一地驱动到流体层和第二壁之间的边界面。
如前所述，在本发明的系统中，驻波的能量是一个重要的考虑因素。因此，优选地是，频率v、第一和第二壁的厚度、管道的宽度是这样子的，即，使驻波在所述系统中的总体路径长度(即，∑λr，λt，λf，λg)为λ/2的倍数。通过选择由第一壁所产生的声波的波幅，就能以期望的操作频率和厚度获得足够的能量。
在本发明的一些优选实施例中，能产生超声波的材料为压电陶瓷。在这些实施例中，所述设备还包括用于向压电陶瓷施加交变电势的装置。所施加的交变电势的大小控制着声波的波幅。优选地是，所施加的电势的频率为压电陶瓷的基本谐振频率或在该基本谐振频率附近。然而，也可以采用其它的频率。当然，也可以采用其它的超声源，包括激光和静电激励器。
传输层和第二壁的材料可以由任何现有技术中已知的材料构成。优选地是，这种能够反射声波的材料包括玻璃。有利地是，第二壁是一玻璃显微镜载片。具体地，所述传输层可以由钢，碳或硅构成。
根据本发明的设备还可包括用于使流体通过管道流动的装置。优选地是，该装置包括泵或类似件。
本发明可以把流体中的颗粒驱动到流体的所述两个流体边界面中的一个或另一个。因此，本发明提供了多种可选择的可能性，诸如通过这些表面中的一个或多个处对颗粒进行收集而过滤流体中的颗粒。
在本发明的优选实施例中，所述设备还包括用于在腔室的第一和/或第二壁处或附近检测颗粒的检测装置。
在非常优选的实施例中，管道的宽度是这样子的，即，使得驻波在管道中的路径长度为声波在流体中的波长λf的1/4(λ/4系统)。在这个实施例中，检测装置被设置在第二壁处，这是因为在流体层中只有一个压力波节点，这个压力波节点位于流体和第二壁的边界处。
本发明并不局限于任何特定的颗粒检测装置。所述设备可包括现有技术中已知的任何适于检测颗粒的检测装置。然而，优选地是，所述检测装置包括生物传感器，它包括一感测介质，这种感测介质能够感测诸如细菌、病毒、DNA、蛋白质等颗粒。更优选地是，所述检测装置包括光学生物传感器。
尤其是，所述感测介质可以包括琼脂糖或右旋糖凝胶基质(dextrangel matrix)，它负载着专用于相应颗粒的捕获试剂。优选地是，捕获试剂的形式包括抗体或外源凝集素。当然，感测介质可以包括其它非活性基质和/或负载着多个专用于不同颗粒的捕获试剂。
在一个实施例中，所述第二壁至少部分设置有感测介质层。尤其是，所述第二壁和检测装置可包括表面等离子体谐振(surface plasmonresonance，SPR)检测芯片(sensor chip)、金属包层的漏泄波导(metalclad leaky waveguide，MLCW)检测芯片等。这些芯片通过入射在芯片底侧的光相对于感测介质或流体中渐消波的耦合角(coupling angle)的偏移，来进行能够对被捕获颗粒的检测。例如，参见我们的共同待审查专利申请PCT/GB02/045045中的描述，在此引用这篇文献作为参考。
所述检测装置还可包括：显微镜、CCD摄像机和/或图像分析系统。可选择地或附加地，所述检测装置可包括用于检测光相对于感测介质或流体中的渐消波的耦合角的偏移的装置。具体地，所述检测装置可以对芯片的上表面进行成像，或者是对从芯片上的颗粒散射或发射出的光进行成像。
然而，对颗粒进行检测并不一定需要第二壁或芯片能从所述设备上拆下。具体地，很显然，所述SPR或MLCW芯片允许即使在超声处理期间也可以直接执行检测。然而，优选地是，第二壁或芯片能从所述设备上拆下，从而使振动最小化和/或便于通过对从芯片的感测介质散射或发射出的光进行监视来进行检测。芯片的拆卸有利于对它进行替换和/或代替。
颗粒在样本流体中的浓度可以促进形成聚集体，这样就可以减少所述感测介质对颗粒的捕获。因此，优选地是，所述设备包括一种结合流速和压力梯度对颗粒在流体中的浓度进行优化的装置。这种装置可包括对流体进行过滤或稀释的装置。
当然，管道宽度的选择无需局限于λ/4系统。尤其是，所述设备可选择地包括λ/2系统，其中，压力波节点出现在两个流体边界面处。在这个实施例中，检测装置可以设置在压电陶瓷或耦合层和/或第二壁上。优选地是，设置在传输层上或压电陶瓷上的检测装置包括可再生的、生物感测介质。感测介质的可再生性使得腔室能多次使用，且无需提供新的压电陶瓷或耦合层。
也可以采用其它包括多倍λ/4和λ/2系统的实施例，只要多个压力波节点的恶化对于检测目的而言是可接受的即可。
在本发明的第二方面中，提供了一种用于检测流体中的颗粒的方法，其包括步骤：i)使流体通过一腔室，该腔室包括一第一壁，该第一壁具有用于产生频率为v的声波的装置；一相对的第二壁，该第二壁能够对声波进行反射，并且所述第一壁和第二壁一起限定出一管道，以供流体通过；和检测装置，用于对第一壁和/或第二壁处的颗粒进行检测；ii)选择频率v，使得驻波在第二壁中的路径长度是声波在其中的波长λr的约1/2的倍数；和iii)对颗粒进行检测。
所述腔室可包括根据本发明第一方面的设备的实施例中的任意特征。然而，优选地是，腔室中的管道宽度是声波在流体中的波长λf的l/4，并且检测装置设置在第二壁处。
对颗粒的优选捕获取决于流体在管道中的流速和流体中的压力梯度。对流速进行优化属于本领域普通技术人员的技术能力范围之内。优选地是，流速是这样子的，即，使得管道中的流动是层流，并且流体在管道中的驻留时间允许在感测介质上最大程度地捕获颗粒。然而，优选地是，对压力梯度和流速的优化应避免形成颗粒聚集块，因为这种颗粒聚集块会减小在第二壁处捕获这些颗粒的可能性。
在样本流体中的颗粒浓度可促进形成聚集块，这会减弱感测介质对颗粒的捕获。因此，这种方法可包括用于调节流体中颗粒的浓度的预备步骤。
可以采用任何适合的技术来执行检测步骤。优选地是，检测步骤依靠渐消技术(evanescent technique)例如表面等离子体谐振，以及感测装置，该感测装置包括生物感测介质，颗粒被捕获在该生物感测介质上。一旦捕获颗粒，所述介质的局部折射系数就会发生改变，导致谐振所需的入射光的角度发生偏移。
本发明的方法可包括一附加的步骤，用于在检测步骤之前从腔室除去第二壁和感测介质。在这个实施例中，可以避免振动作用，且所述渐消技术可允许检测从感测介质散射或发出的光。可选择地或附加地，所述检测步骤可包括利用显微镜、摄像机和/或成像系统或从被捕获颗粒散射或发出的光使被捕获在感测介质上的颗粒显像。
本发明中的设备和方法通过在表面传感器上进行超声沉积(ultrasonic deposition)，改善了对颗粒且尤其是病原体，诸如细菌或病毒的检测。与其它设备相比，本发明提供了改进的灵敏度，这是因为作用在直径为1μm数量级的颗粒上的超声波作用力能克服较慢的扩散速度，尤其是使得颗粒能穿过层流形式的流体中的平行流线。本发明的一个特殊优点在于，第二壁和相应的感测装置可包括布置便宜的显微镜载片和能被去除或被替代的感测介质。
附图说明
下面将参照模型研究、优选实施例和附图来描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的一声腔的示意图；
图2表示模型研究的结果，其中，声压和能量在所述腔室中的分布与多个可选结构的λ/2系统相关；
图3表示模型研究的结果，其中，声压和能量在所述腔室中的分布与多个可选结构的λ/4系统相关；
图4表示模型研究的结果，其中，声能在流体层中的频率与图2的结构相关；
图5表示模型研究的结果，其中，声能在流体层中的频率与图3的结构相关；
图6是根据本发明一优选实施例的设备的分解示意图；
图7是一些照片，表示利用图6的设备对枯草杆菌黑色变种芽孢(B.globiggi，枯草杆菌)孢子的收集；
图8是一些照片，表示在不同的样本浓度和滞留时间的情况下对B.globiggi的收集。
具体实施方式
参照图1，示出了一声腔，其总体由附图标记11表示，它包括：第一换能器壁12，该第一换能器壁包括压电陶瓷和由不锈钢构成的传输层13；和第二反射壁14，该第二反射壁也由不锈钢构成。第一和第二壁限定了用于供水层通过的管道15。
Nowotny，H.等人在J.Acoust.Soc.Am.1987，90，1238-1245中描述了一种转移矩阵模型，对于多个声腔结构，模拟进行声波通过所述系统的传播。表1中给出了模型材料的一些物理特性。(近来，该模型已由Hawkes，J.J.等人通过实验验证了，见前引文献，2002，111，1259和Grlschl，M.Fundamentals Acustica-acta Acustica 1998，84，432-447。)
检查在这些腔壁之间所期望的压力波节点的位置。假设一系统，对于不同的层，其基本频率为3MHz且声质系数为1000，虽然在对于水层和压电陶瓷，先前适用的声质系数结果分别为150和300。对于纯净水，数值大于10,000且使用压电陶瓷，但是这只作为举例。假设压电陶瓷具有振幅为1V的电源电压和50欧姆的电源电阻。这个模型未考虑用于把传输层固定到压电陶瓷上的胶粘层。
在3MHz情况下模制的传输层和反射器的厚度值确切对应于λ/2或λ/4或0。在3MHz情况下模制的管道宽度或水层厚度的值确切对应于1/2λf和1/4λf。表1中示出了这些尺寸(mm)。对于其中这些层的厚度对应于1/2λ和1/4λ的倍数的系统，期望它们的结果是类似的。例如，期望1/4λ层与3/4λ、5/4λ等层的行为方式相类似，同时期望1/2λ的层与3/2λ，5/2λ等层的行为方式相类似。然而，增加驻波在不同的层中的路径长度将会改变频谱，使得一些峰值更靠近(见图4和5)。
压电陶瓷A  钢B，D  水C
 声速(米/秒) 4080  6100  1500
 质量密度(kg/m3) 7700  7800  1000
 声质系数 1000  1000  1000
 介电常数(F/m) 1.2×10-8
 介质损耗角的正切 3.0×10-3
 机电耦合系数 0.48
 电极面积(mm2) 200
 3MHz情况下的厚度(Q)  0.508  0.125
 3MHz情况下的厚度(H) 0.680  1.016  0.250
                     表1
参照图2至6，根据一术语参考已被检查的多个结构，该术语表示在3MHz的情况下，驻波在每层的路径长度为声波在其中的波长的0波长(O)，1/4波长(Q)和半波长(H)。压电陶瓷的厚度始终以半波长来模制，因此在附图中未被提及。很显然，表达式“OHQ”是指这样一种结构，在这种结构中，没有传输层，并且水层和反射器的厚度分别对应于半波长(λf0.25mm)和四分之一波长(λr0.508mm)的路径长度。
在流体边界表面中的一个或另一个或两者处，相对于压力波节点的位置，对模型进行检查。参照图2，图中表示出了对于λ/4系统(0.125mm，横坐标以毫米为单位表示厚度)的所有九种可能结构的声压(左边侧，kPa)和能量密度(右边侧，J/m3)的空间分布结果。竖直线表示在每个系统中的边界位置。
从图中可以看出(左边栏)，如所期望的，在这个系统中缺少第二壁会导致压力波节点位于流体层与空气的边界处。缺少第二壁意思是这三种结构都不具有用于检测颗粒的真正的实际值。当反射器的厚度提供1/4λr的路径长度(中间栏)，这导致压力波节点位于流体层和换能器的边界。然而，当反射器的厚度提供1/2λr的路径长度(右边栏)，这导致压力波节点位于在反射器表面或在反射器表面附近的流体中。
参照图3，图中表示出了对于1/2λ系统(0.25mm，横坐标以毫米为单位表示厚度)的所有九种可能结构的声压(左边侧，kPa)和能量密度(右边侧，J/m3)的空间分布结果。竖直线表示在每个系统中的边界位置。
从图中可以看出(左边栏)，与1/4λ系统相比，缺少第二壁会导致另一压力波节点位于换能器和水层的边界。当反射器的厚度提供1/4λr的路径长度(中间栏，现有技术)，这导致压力波节点位于水层中间。然而，当反射器的厚度提供1/2λr的路径长度(右边栏)，这导致压力波节点位于在反射器和换能器处或位于反射器和换能器附近的流体中。
因此，这个模型表示，对于其中没有反射器或反射器使得路径长度为1/2λr的结构(xyO或xyH结构)，在水层的外边界处总是有一个压力波节点。此外，该模型表示，对于其中水层提供1/2λf路径长度的结构(xH0或xHH结构)，在水层的下边界处具有另一压力波节点。只有对于提供1/2λf路径长度的水层与提供1/4λr路径长度的反射器的组合，才能在水层的中间产生一个压力波节点。
从图2和图3的压力数值范围可以看出，在系统的总的声音路径长度为1/2λ的倍数时(OQQ，QQO，QQH，HQQ和OHO，OHH，QHQ，HHO，HHH)的情况下，所获得的声压特别高。
然而，在水层中的声能密度也取决于反射器的厚度。对于厚度为1/2λr的反射器来说，反射器中的声能比水层中的声能高得多，这是因为对于这些结构而言，在水层附近的两层中，移动幅度具有相同的最大值。这从必须作用在水-反射器界面的移动的连续条件可以得出。
参照图4和图5，图中分别示出了相对于图2和图3的系统结构，在水层中的声能密度的频谱。可以看出，对于其中在系统中的总的声音路径长度为1/2λ的倍数的所有结构而言，对于3MHz的压电陶瓷谐振频率，在水层中获得了最大声能。然而，应当注意到在这一点上，由于声能密度也是所施加的电压和输入到系统内的总的电输入的函数，因此图中的声能并未完全表示特定结构的效率。虽然如此，但是很明显，最佳的结构是OQQ，QQO，QQH，HQQ和OHO，QHQ，HHO。
将所述模型的结果一起考虑，就得出用于把颗粒引导到反射器的最有效结构为QQH的结论。虽然对于OQH和HQH所获得的结果看起来分别与对于OQQ和HQQ所获得的结果非常相似(总的声音路径长度为1/2λ的倍数)，但是，很显然，这种相似性是由于由50欧姆的电源电阻引起的平滑作用(smoothing effect)而导致的。这种作用可由下面的事实来说明，即，对于结构OQH而言，对于零电源电阻的能量密度谱是一条具有双峰的曲线(图中未示)。所述双峰是其中在3MHz时总的声音路径长度不是λ/2的倍数的结构的特性。
其它不满足路径长度标准的结构在3MHz附近(OQO，HQO，OHQ或HHQ)或在远低于和远高于3MHz(QQQ，QHO)处具有一双峰。然而，结构OHH和HHH示出在3MHz只有一个很小的峰和在每侧的两个较大的峰，即使它们在3MHz满足路径长度标准。这个效果看起来有助于电源电阻的平滑效果，与谐振阻力相比，所述电源电阻在3MHz时很大。
对于由碳(声速为4260m/s，质量密度为1470kg/m3)或硅(声速为8430m/s，质量密度为2340kg/m3)构成的反射器和传输层来说，对于压力波节点位置和频谱，所述模型提供了相似的结果。所述模型还表示，声波在反射器中的路径长度从1/4λr至1/2λr的变化(尤其是在OHH和HHH结构中)，将导致颗粒从腔室中央向壁移动。此外，颗粒还可以从一壁向另一壁移动。所述模型还表示，在压电陶瓷的基本谐振状态下进行操作是很有利的。然而，也不必排除其它操作频率，其它操作频率也可产生某些有用的系统。
已利用QQH结构的系统对所述模型进行了实验验证。参照图6，图中表示出了一个声腔，该声腔具有一电极12，该电极12由平面超声换能器(PZ26，30平方毫米，3MHz厚度谐振，Ferroperm，丹麦)构成，在这个换能器上粘接有不锈钢连接板13(1.5mm，在3MHz时为3λt/4，)。电极12的背部被蚀刻，从而形成一个20mm×10mm的中央换能器区域。
利用黄铜垫片16和用螺钉18固定的黄铜顶板17将一相对置的平面玻璃声音反射器14固定在适当位置，该平面玻璃声音反射器包括一涂敷有抗体的玻璃显微镜载片(1.0mm，专用于B.globiggi的抗体)。黄铜垫片16(0.125μm)被设置在连接板13和玻璃反射器14之间并且具有孔19，该孔19提供观察窗口或观察区(14mm×64mm)。位于窗口19内的硅橡胶垫圈(未示出)限定供流体通过的管道(10mm×60mm)并且在载片14和连接板13之间形成空气与水的密封。所述腔室通过螺钉18被固定到注册商标为Perspex的基底20上。基底20设置有：供样本通过的入口21和出口22；和用于把电势施加到换能器上的连接器23。设置一蠕动泵(图中未示，吉尔森微小真空泵(Gilson minipuls 3))，用于把B.globiggi悬浮液泵送到通道内。根据Spengler J.F.等人，生物分离(Bioseparation)2001，9，329-341，以及Hawkes J.J.和Coakley，W.T.传感器和致动器(Sensors and Actuators)，2001，B，75，213-222，来执行施加到换能器上的频率和电压的产生和控制。
涂敷有抗体的显微镜载片是这样制备的，即，通过将已进行预硅烷化处理的(pre-silanated)载片(注册商标为SILANE-PREP，Sigma)在以去离子水为溶剂的1％戊二醛溶液中浸泡1至3小时。用磷酸盐缓冲盐水(PBS，五次)冲洗所述载片，并使其在氮流中干燥。将PBS(200μl)中的100ug/ml多克隆家兔(polyclonal rabbit)α-BG抗体溶液涂覆到载片的中央区域(10mm×20mm)。在静置3小时之后，用含有0.05％Tween(商标)的PBS溶液冲洗所述载片，并排除过多的溶液。
载片的抗体涂敷区的覆盖区域比换能器的蚀刻区域更大，从而也在超声区的上游和下游检验沉积现象。在实验期间，或者是在移去载片之后，利用摄影机和/或显微镜对观察区进行检验。
例子：
通过对PBS(pH7.4)中的2×1010cfu/ml浓缩溶液进行稀释来制备B.globiggi 24的孢子悬浮液。在使用前，通过血细胞计数器(haemocytometer count)来确认1×108至1×105efu/ml的稀释。
将水中的聚苯乙烯乳胶珠(polystyrene latex bead)(2.8μm)悬浮液(10％，w/v，英国聚合物实验室(Ploymer Laboratories，UK))稀释到在蒸馏水中至8×106个珠/毫升的浓度。
例1
通过对乳胶珠溶液进行的频率扫描显示，对于其中通道宽度为178μm的设备(A)而言，把颗粒驱动到反射器表面的最佳频率是2.915MHz。对于其中通道宽度为200μm的设备(B)而言，所述最佳频率是2.882Hz。在这些系统中，驻波水层中的路径长度在处于声速在水中波长的λ/4和λ/2范围内。在后面的实验中采用这些频率。
例2
设备A
一种孢子悬浮液(1×108cfu/ml)以2ml/min的速度通过该设备。在没有超声波的情况下，孢子在观察区中是随机分布的，且整个悬浮液的浓度均匀。没有发现孢子与反射器相接触。然而，当超声波被打开时(0.8Vrms施加到换能器上)，在一秒钟内，在超声区的区域内形成孢子块。这些孢子克服流动而保持静止，且这些孢子块的大小随着在该区域的驻留时间的增长而增大。把载片从该设备中移去，发现只有结合的孢子保持粘附。
在超声波降解(ultrasonication)过程中，孢子在反射器表面上的沉积呈现出规则图案的粘附区域，其中，这些区域之间的间距看起来与声音在水中的半波长(在2.90MHz时为0.26mm)相对应。这个结果表示在载片的离散区域上实现沉积的可能性。在每个区域中，孢子粘附到40％至95％的有效表面区域上。在暴露于超声波的过程中，孢子块在所述腔室中的一般位置不会发生改变。对这些区域作进一步的实验。
参照图7，图中表示出了在观察区中，与所述腔室中的特定区域相关的孢子(1×108cfu/ml)的沉积。在孢子到达超声区区域之前，很少或没有发生沉积(图7a)，但是，在这样的区域(图7b边缘和7c中心)内发生最大沉积。数量减少了的孢子粘附到抗体层上超出这样的区域(图7d)。
例3
改变施加到压电陶瓷上的电压。与在0.5Vrms情况下的沉积相比，在0.2Vrms孢子(1×108cfu/ml)情况下在设备A中的沉积是可以忽略的。在这个设备中继续以0.8Vrms进行实验。对于设备B，通过类似的观察，选择3.5Vrms。
例4
设备B
参照图8，在浓度为6.6×106cfu/ml的样本暴露于超声波(3.5Vrms，流速为0.4ml/min)3和30分钟之后，以及从所述设备去除了载片之后，比较沉积到涂敷有抗体的载片上的孢子。在暴露期间，沉积稳定地增加(图8a，0分钟；图8b，3分钟；图8c，30分钟)。
例5
设备B
确定最低浓度为3.3×105cfu/ml，在该最低浓度在载片上的所述孢子在显微镜下是可见的，所述载片在超声波处理之后从所述设备上取下。图中表示，与在不使用超声波的情况下的检测相比，灵敏度增大了200倍。
这些实验结果证实了对该模型的预测，即，可以利用超声波将颗粒操作到边界表面上。尤其是，这些结果证实了作用在颗粒上的声音作用力足够使颗粒沿垂直于层流的方向移动。这些实验还证实了，鉴于利用所述两个设备(其中，管道的宽度变化约为10％)获得的结果相类似，因此，最佳移动并不取决于驻波在流体层中的路径长度。
可以想到，通过对反射器的优化设计，从而产生更佳的谐振，就可以获得灵敏度更高的改进的实验结果(孢子浓度约为1×104cfu/ml)。

Claims (21)

1、一种用于对包含在流体中的颗粒进行引导的设备，其包括一腔室，该腔室具有：第一壁，该第一壁具有用于产生频率为ν的声波的装置；和相对置的第二壁，该第二壁能反射声波，其中所述第一壁和第二壁限定出一管道，以供流体通过，其中所述第二壁的厚度这样设置，以使得驻波在第二壁中的路径长度是声波在其中的波长λr的约1/2的倍数。
2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一壁还包括耦合层。
3、根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述管道的宽度是声波在流体中的波长λf的1/2或1/4的倍数。
4、根据当从属于权利要求2时的权利要求3所述的设备，其特征在于，在第一壁中传输声波的材料的厚度是声波在其中的波长λt的1/2或1/4的倍数。
5、根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，能够产生声波的材料的厚度是声波在其中的波长λg的1/2的奇数倍。
6、根据前述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述波的总的声音路径长度是声波在其中的波长λ的1/2的倍数。
7、根据前述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述能够产生声波的材料是压电陶瓷。
8、根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述声波的频率ν在压电陶瓷材料的谐振频率处或在其附近。
9、根据前述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述第二壁由玻璃，钢，碳或硅构成。
10、根据前述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述在第一壁中能够传输声波的材料包括钢，碳或硅。
11、根据前述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述声波是一种超声波。
12、根据前述任一权利要求所述的设备，其特征在于，还包括检测装置，用于检测在第一壁和/或第二壁处或附近的颗粒。
13、根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述检测装置包括一种生物感测介质。
14、根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述感测介质包括一种或多种抗体或外源凝集素。
15、根据权利要求12至14中任一项所述的设备，其特征在于，所述第二壁是可拆除的。
16、根据权利要求12至15中任一项所述的设备，其特征在于，所述第二壁和感测介质包括一表面等离子体谐振芯片或一金属漏泄波导芯片。
17、根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述检测装置还包括：用于提供入射到第二壁上的光的装置和用于检测谐振或光耦合所需的入射角度变化的装置。
18、根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，所述检测装置还包括用于检测从颗粒发射或散射出的光的装置。
19、一种检测流体中的颗粒的方法，包括步骤：i)使流体通过一腔室，该腔室包括第一壁，该第一壁具有用于产生频率为ν的声波的装置；和相对置的第二壁，该第二壁能够对声波进行反射，所述第一壁和第二壁一起限定出一管道，以供流体通过；和检测装置，用于检测在第一壁和/或第二壁处的颗粒；ii)选择频率ν，使得驻波在第二壁中的路径长度是声音在其中的波长λr的约1/2的倍数；和iii)对颗粒进行检测。
20、根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述管道的宽度是声波在流体中的波长λf的1/4。
21、根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述的检测步骤在从所述腔室去除第二壁之后进行。
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