DE69917272T2

DE69917272T2 - Partikelkonzentration in einem fluid in einem akustischen feld mit stehenden wellen

Info

Publication number: DE69917272T2
Application number: DE69917272T
Authority: DE
Inventors: Joseph Cefai; David Anthony Barrow; Terence William COAKLEY; Jeremy John Panylan HAWKES
Original assignee: Protasis UK Ltd
Current assignee: Protasis UK Ltd
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: DE69917272D1; GB0205208D0; GB2339703B; GB2339703A; EP1096985B1; US20110158855A1; US20090101547A1; US20020154571A1; AU5055599A; WO2000004978A1; GB2369308B; US20040230382A1; GB2369308A; EP1096985A1; ATE266458T1; GB9815919D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen der Handhabung von Teilchen, die in einem Fluid suspendiert sind, unter Verwendung eines Feldes akustischer stehender Wellen.
Wenn Teilchen, die in einem Fluid suspendiert sind, einem Feld akustischer stehender Wellen ausgesetzt werden, werden die Teilchen zum Ort der Knoten der stehenden Welle verschoben, wobei die Wirksamkeit dieses Vorganges sich mit den relativen Dichten und Kompressibilitäten der Teilchen des suspendierenden Fluids ändern. Es ist eine Anzahl von Techniken vorgeschlagen worden, die dieses Phänomen verwenden, um Teilchen von einer Flüssigkeit oder einem anderen Fluid zu trennen. Typischerweise wird bewirkt, dass das Fluid durch eine Leitung strömt, in der ein Feld akustischer stehender Wellen quer zur Länge der Leitung eingerichtet ist. Die Teilchen werden demgemäß verschoben, um eine Reihe von parallelen Bändern zu bilden: eine Anzahl von Auslasskanälen kann vorgesehen sein, um die einzelnen Bänder von Teilchen von der Leitung der Hauptströmung weg zu führen. Da es technische Schwierigkeiten gibt, die damit verknüpft sind, eine Reihe von engen Auslasskanälen zu schaffen, um die Teilchenbänder zu sammeln, besteht die Tendenz, bei verhältnismäßig niedrigen Frequenzen zu arbeiten, sodass die Wellenlänge des Feldes stehender Wellen ausreichend groß ist, um einen angemessene Abstand (Abstand halber Wellenlänge) zwischen dem Teilchenbändern zu erhalten.
Die primäre akustische Kraft auf ein einziges Teilchen in einem Feld akustischer stehender Wellen ist proportional zur Arbeitsfrequenz. Auch die Entfernung, um die sich ein Teilchen bewegen muss, um einen Knotenpunkt zu erreichen, nimmt mit wachsender Frequenz ab, da die Wellenlänge kleiner ist und daher der Abstand zwischen Knotenpunkten kleiner ist. Es ist daher leichter, Teilchen (einschließlich biologischer Zellen) bei höheren Arbeitsfrequenzen zu konzentrieren. Es ist auch weniger wahrscheinlich, dass Ultraschallkavitation den anwendbaren akustischen Druck bei höheren Frequenzen begrenzt. Die Verwendung von höheren Frequenzen und daher kleinerer Wellenlängen erhöht die technischen Schwierigkeiten, die damit verknüpft sind, Auslasskanäle für die individuellen Teilchenbänder zu schaffen. In Fällen, wo es gewünscht ist, die Teilchenbänder zu beobachten, ist dieses auch schwierig oder unmöglich, wenn die Bänder zu nahe beieinander liegen.
Unserer internationale Patentanmeldung PCT/GB98/01274 schlägt eine Vorrichtung vor, um die oben erwähnten Schwierigkeiten zu verringern. Diese Anmeldung offenbart eine Vorrichtung, die eine Leitung für die Strömung des Fluids, in dem die Teile suspendiert sind, und Mittel zum Herstellen eines Feldes akustischer stehender Wellen über die Breite der Leitung aufweist, wobei die Leitung mit einer Erweiterung in ihrer Breite stromab von Feld stehender Wellen, ausgebildet ist. Bei Verwendung dieser Vorrichtung werden die Teilchen in dem strömenden Fluid in eine Reihe von parallelen Bändern durch das Feld der akustischen stehenden Welle verschoben. Die Teilchen bleiben in diesen Bändern, wenn das Fluid stromabwärts vom Abschnitt strömt, in dem das Feld stehender Wellen vorhanden ist. Wenn das Fluid die Erweiterung der Leitung erreicht, erweitert sich der Fluidstrom entsprechend in seiner Breite, und dabei werden die Bänder der Teilchen weiter auseinander ausgebreitet, sodass der Abstand zwischen benachbarten Bändern vergrößert wird. Bei der Weiterbewegung entlang der Strömungsleitung behalten die Teilchenbänder den erhöhten Abstand: die Bänder können nun entweder beobachtet werden, oder sie können von der Leitung getrennt werden.
In der Vorrichtung, die in unserer internationalen Patentanmeldung PCT/GB98/01274 offenbart ist, hat die Leitung eine Breite von 1 mm im Abschnitt, in der das Feld akustischer stehender Wellen ausgebildet ist. Wir haben nun herausgefunden, dass beträchtliche Vorteile entstehen, indem die Leitung mit einer wesentlich kleineren Breite hergestellt wird.
Daher wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen der Handhabung von Teilchen, die in einem Fluid suspendiert sind, geschaffen, welche Vorrichtung eine Leitung für die Strömung eines Fluids, in dem die Teilchen suspendiert sind, und einen akustischen Wandler und einen Reflektor zum Bilden eines Feldes akustischer stehender Wellen über die Breite der Leitung aufweist, wobei der Abstand zwischen dem Wandler und dem Reflektor 300 Mikron oder weniger beträgt.
Der Wandler und der Reflektor können die gegenüberliegenden Seitenwände einer Kammer bilden, die die Strömungsleitung bildet. Stattdessen können entweder der Wandler oder der Reflektor (oder beide) außerhalb von entsprechenden Seitenwänden der Kammer positioniert sein. In allen Fällen wird man verstehen, dass die Breite der Leitung wesentlich kleiner ist als in der Vorrichtung, die in unserer internationalen Patentanmeldung PCT/GB98/01274 offenbart ist. Vorzugsweise trägt der Abstand zwischen dem Wandler und dem Reflektor weniger als 200 Mikron und am bevorzugtestem ist er so klein wie 100 Mikron.
Wir haben herausgefunden, dass die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung besonders wirksam beim Konzentrieren der Teilchen ist. Vorzugsweise wird ein Feld stehender Wellen halber Wellenlänge zwischen dem Wandler und dem Reflektor hergestellt, sodass ein einzelnes Band von Teilchen gebildet wird. Wir haben herausgefunden, dass eine wesentlich geringere Arbeitsspannung erforderlich ist im Vergleich zu Kammern größerer Breite, um die Teilchen zu konzentrieren. Wir haben auch herausgefunden, dass es einfach ist, die Teilchen gegen die Strömung des suspendierenden Fluides (unabhängig von der Orientierung der Vorrichtung) einzufangen. Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass extrem kleine Teilchen wirksam gehandhabt werden könne. Wir haben Polystyrol-Latex-Teilchen von 46 nm Durchmesser gehandhabt, glauben aber, dass sogar Teilchen, die kleiner sind als dies, wirksam gehandhabt werden können.
Wir glauben auch, dass die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung das Phänomen von Teilchen-Wirbeln oder- Strömen verringert. Diese Erscheinung tritt auf, da zusätzlich zum Feld stehender Wellen es normalerweise eine Wellenkomponente gibt, die bewirkt, dass Teilchen von dem Knoten der stehenden Welle verschoben werden. Es gibt eine ähnliche Wirkung aufgrund von Unterschieden in der Temperatur über die Breite der Strömungsleitung. In der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung tritt jedoch weniger akustischer Verlust aufgrund der kleineren Weglänge und daher einer kleineren Komponente der wandernden Welle auf. Lokalisierte Wärme wird auch aufgrund des erhöhten Oberflächen-zu-Volumenverhältnisses der Kammer leichter abgeleitet.
Vorzugsweise wird die Vorrichtung bei der Resonanzfrequenz der akustischen Kammer betrieben, im Gegensatz zur Resonanzfrequenz des akustischen Wandlers. Die Arbeitsfrequenz kann daher wesentlich unterschiedlich von der Resonanzfrequenz des Wandlers sein. Die Resonanzfrequenz der Kammer kann aufgrund von Herstellungstoleranzen variieren und wird in Abhängigkeit von dem speziellen Fluid und den suspendierten Teilchen, die durch sie strömen sollen, variieren. Die Arbeitsfrequenz kann jedoch für individuelle Vorrichtungen und für individuelle Anwendungen eingestellt werden.
Da die Teilchen leicht gegen die Fluid-Strömung eingefangen werden können, kann die Vorrichtung verwendet werden, die Teilchen während einer gewünschten Zeitdauer zu halten und einige der Teilchen selektiv loszulassen (das heißt die Hälfte loszulassen und die andere Hälfte einer eingefangenen Menge von Teilchen festzuhalten). Die Vorrichtung kann so ausgebildet werden, dass sie Teilchen von einem Teil der Kammer zu einem anderen bewegt, z. B., indem ein Wandler oder Abschnitt des Wandlers erregt wird, während ein anderer entregt wird. Auch können Teilchen zu selektiven Ausgangsöffnungen der Kammer abgelenkt werden.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist viel wirksamer als größere Vorrichtungen, kleine Teilchen zu handhaben. Eine große Anzahl solcher Vorrichtungen kann daher parallel auf einem Fluid-Strömungsweg angeordnet werden, um eine große Gesamtvolumenströmung aufzunehmen, während aus der vergrößerten Fähigkeit der einzelnen Vorrichtungen, kleine Teilchen zu manipulieren, Nutzen gezogen werden kann.
EP-A-0773055 und JP-A-06-241977 offenbaren Vorrichtungen zum Durchführen der Handhabung von Teilchen, die in einem Fluid suspendiert sind, welche Vorrichtungen eine Leitung für die Strömung eines Fluides, in dem die Teilchen suspendiert sind, und einen akustischen Wandler und einen Reflektor zum Herstellen eines Feldes akustischer stehender Wellen über die Breite der Leitung aufweisen. In EP-A-0773055 wird die Vorrichtung bei einer Frequenz von 1 MHz betrieben, und der akustische Wandler und Reflektor können einen Abstand von einer halben Wellenlänge (0,75 mm) haben. In JP-A-06-241977 können der akustische Wandler und Reflektor einen Abstand von einer halben Wellenlänge haben, wobei die Arbeitsfrequenz nicht angegeben ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen nur beispielsweise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
1 eine vergrößerte Querschnittsansicht durch eine Teilchen-Handhabungsvorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Erfindung;
2 eine ähnliche Ansicht einer abgewandelten Vorrichtung;
3 eine ähnliche Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Teilchen-Handhabungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung; und
4 eine ähnliche Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Teilchen-Handhabungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung.
Bezugnehmend auf 1 der Zeichnungen ist dort eine Teilchen-Handhabungsvorrichtung gezeigt, die eine akustische Kammer aufweist, die eine Leitung für die Durchströmung eines Fluides bildet, in der Teilchen suspendiert werden. Die Vorrichtung weist einen ebenen akustischen Wandler 10 und eine ebenen akustischen Reflektor 12 auf, die gegenüberliegende parallele Seitenwände der Kammer bilden und die durch einen Abstandshalter 14 getrennt sind. Einlass- und Auslassöffnungen 16 und 18 sind durch den Reflektor 12 nahe bei gegenüberliegenden Enden der Kammer gebildet. Stattdessen können eine oder beide Öffnungen durch den Wandler 10 oder durch den Abstandshalter 14 gebildet sein. Die Elektroden des Wandlers 10 sind bei 10a, 11b an dessen gegenüberliegenden Seiten gezeigt.
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung beträgt der Abstand zwischen dem Wandler 10 und dem Reflektor 12 300 Mikron oder weniger, und es wird ein Feld stehender Wellen halber Wellenlänge zwischen dem Wandler und dem Reflektor gebildet, sodass ein einziges Band von Teilchen gebildet wird. Die Vorrichtung wird bei der Resonanzfrequenz der Kammer betrieben, nicht bei der Resonanzfrequenz des Wandlers.
Wie oben erwähnt ist die Vorrichtung sehr wirksam beim Handhaben der Teilchen und kann benutzt werden, um die Teilchen gegen die Durchströmung des suspendierenden Fluides einzufangen.
Die Elektroden 10a, 10b können auf den gegenüberliegenden Flächen des Wandlers 10 in einem Muster aufgebracht werden, das den Ort und die Größe des akustischen Felds definiert. Das Elektrodenmaterial kann unter Verwendung von Standardfabrikationstechniken der Mikroelektronik aufgebracht und gemustert werden.
Der Reflektor 12 kann irgendein Material aufweisen, das eine geeignete akustische Dichte aufweist, einschließlich Glas, Metall und Keramik. Der Reflektor kann ein einziges Stück aus solchem Material aufweisen, oder er kann eine Schicht eines solchen Materials aufweisen, das auf einer Unterlage eines anderen Materials aufgebracht ist.
Der Abstandshalter kann gebildet werden, indem Material auf den Wandler und/oder auf den Reflektor aufgebracht wird, wobei dann anschließend Strukturierungsschritte durchgeführt werden, um den Fluidkanal zu bilden. Alternativ kann der Abstandshalter ein separates Glied aufweisen, wobei der Wandler, der Reflektor und der Abstandshalter dann miteinander gebondet sind.
In der abgewandelten Vorrichtung, die in 2 gezeigt ist, ist der Wandler 10 auf einer Fläche eines ebenen Trägers 20 vorgesehen, der die Seitenwand der Kammer bildet, gegenüber dem Reflektor 12. Der Wandler kann durch Ablagern von Voräufern des erforderlichen piezo-elektrischen Materials auf den Träger 20 gebildet werden, wobei die abgelagerten Materialien dann behandelt (gesintert, polarisiert usw.) werden, um die piezo-elektrischen Eigenschaften zu schaffen. Das Material des Trägers 20 wird im Hinblick auf seine Fähigkeit ausgewählt, die akustische Energie in die Kammer einzukuppeln. Alternativ kann der Wandler 10 ein vorfabriziertes Glied haben, das auf den Träger 20 angebracht z. B. bei durch Kleben, Bonden) ist. Der Wandler kann in eine Ausnehmung der Trägeroberfläche eingebettet werden.
Bezugnehmend auf 3 kann der Wandler 10 ein separates Glied aufweisen oder auf einem separaten Glied gehalten werden, das jenseits der Seitenwand 20 der Kammer positioniert ist. Bezugnehmend auf 4 weisen sowohl der Wandler 10 als auch der Reflektor 12 getrennte Glieder auf, die jenseits der gegenüberliegenden Seitenwände 20, 22 der Kammer positioniert sind. In diesem Falle kann die akustische Kammer in gleitende Weise von einer Einheit entfernbar sein, die den Wandler und den Reflektor aufweist, wie dies durch den Fall A angezeigt ist. Man wird verstehen, dass in den Vorrichtungen der 3 und 4 die Seitenwände 20, 22 aus Materialien sind, durch die sich die akustische Energie fortpflanzen kann.

Claims

Vorrichtung zum Durchführen der Handhabung von Teilchen, die in einem Fluid suspendiert sind, welche Vorrichtung eine Leitung für die Strömung eines Fluids, in dem Teilchen suspendiert sind, und einen akustischen Wandler (10) und einen Reflektor (12) zum Ausbilden eines Feldes akustischer stehender Wellen über die Breite der Leitung aufweist, wobei der Abstand zwischen dem Wandler (10) und dem Reflektor (12) 300 Mikron oder weniger beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der der Wandler (10) und der Reflektor (12) entgegengesetzte Seitenwände einer Kammer bilden, die die Leitung bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der einer oder beide der aus Wandler (10) und Reflektor (12) bestehenden Teile außerhalb entsprechender gegenüberliegenden Seitenwände einer Kammer angeordnet sind, die die Leitung bildet.
Vorrichtung nach einem vorrangehenden Anspruch, in der der Abstand zwischen dem Wandler (10) und dem Reflektor (12) weniger als 200 Mikron beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, in der der Abstand zwischen dem Wandler (10) und dem Reflektor (12) im Wesentlichen 100 Mikron beträgt.
Vorrichtung nach einem vorrangehenden Anspruch, die so ausgebildet ist, dass ein stehendes Wellenfeld halber Wellenlänge zwischen dem Wandler (10) und dem Reflektor (12) erzeugt wird, wodurch die Teilchen in ein einziges Band konzentriert werden.
Vorrichtung nach einem vorrangehenden Anspruch, die eine Wechselstromquelle zum Treiben des Wandlers (10) einschließt, wobei die Anordnung dazu dient, bei einer Resonanzfrequenz der fluidgefüllten zu Kammer arbeiten, die die Leitung bildet, oder bei einer Oberschwingung der Resonanzfrequenz.
Vorrichtung nach einem vorrangehenden Anspruch, die dazu ausgebildet ist, Teichen von einem Ort innerhalb einer Kammer, die die Leitung bildet, zu einem anderen Ort innerhalb der Kammer zu bewegen.
Vorrichtung nach einem vorrangehenden Anspruch, die dazu ausgebildet ist, Teilchen zu selektiven Ausgangsöffnungen einer Kammer, die die Leitung bildet, abzulenken.