EP1434656A2 - Ultraschallvorrichtung zur übertragung von ultraschall in ein probenvolumen - Google Patents

Ultraschallvorrichtung zur übertragung von ultraschall in ein probenvolumen

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EP1434656A2
EP1434656A2 EP02787342A EP02787342A EP1434656A2 EP 1434656 A2 EP1434656 A2 EP 1434656A2 EP 02787342 A EP02787342 A EP 02787342A EP 02787342 A EP02787342 A EP 02787342A EP 1434656 A2 EP1434656 A2 EP 1434656A2
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EP
European Patent Office
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ultrasound
ultrasonic
sample
microtiter plate
sonotrodes
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Withdrawn
Application number
EP02787342A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Beatrix Christa Meier
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Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1434656A2 publication Critical patent/EP1434656A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
    • C12M45/02—Means for pre-treatment of biological substances by mechanical forces; Stirring; Trituration; Comminuting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/06—Hydrolysis; Cell lysis; Extraction of intracellular or cell wall material

Definitions

  • the invention relates to an ultrasound device, in particular an ultrasound device for disrupting cells or cell material.
  • microtiter plates In the context of biological and pharmaceutical test procedures, there is a tendency towards small sample quantities that can be processed automatically with high throughput in standardized microtiter plates, also called multiwell plates. These microtiter plates have between 6 (2x3) and 9600 (80x120) wells, called wells, with volumes from milliliters to picoliters. The plates have a fixed external size of approx. 85 x 128 mm with a predetermined arrangement of the sample vessels (wells). The external size and sample arrangement generally follow the international ANSI standard.
  • the cells In order to be able to examine biological cell material, the cells have to be disrupted, i.e. the cell walls have to be opened or destroyed in order to access the material inside the cell. This cell disruption should be carried out as gently as possible without the need to add foreign substances to the sample.
  • cavitation causes the membranes and cell walls of the sonicated cells to tear due to the rapid pressure changes that occur.
  • the cavitation is stronger in the range of low frequencies than at high frequencies, so that ultrasound waves as low as possible are used for cell disruption.
  • the ultrasound frequencies used are usually around 20 kHz, since the lower range is limited by the audibility limit.
  • An ultrasound device for such an application consists of a generator that generates an electrical output wave (sine wave) with a frequency of 20 kHz, for example, an ultrasound transducer, which is usually of the piezoelectric type and that converts the electrical output wave from the generator into a mechanical movement perpendicular to the Converts the surface of the transducer, a mechanical transmitter (impedance transducer), which transmits the ultrasonic energy coming from the piezo ultrasonic transducer, as well as an ultrasonic horn and a sonotrode, which focus the ultrasonic energy and introduce it into the liquid with the sample.
  • an ultrasound transducer which is usually of the piezoelectric type and that converts the electrical output wave from the generator into a mechanical movement perpendicular to the Converts the surface of the transducer
  • a mechanical transmitter impedance transducer
  • transmits the ultrasonic energy coming from the piezo ultrasonic transducer as well as an ultrasonic horn and a sonotrode, which focus the
  • the vibrated sonotrode at the tip subjects the liquid to the extremely high acoustic pressure fluctuations that are responsible for the generation of the phenomenon of cavitation.
  • horns and sonotrodes are used to transmit the ultrasound into the sample. Depending on the geometry, they cause an increase in intensity: the smaller the final diameter at the tip of the sonotrode, the greater the intensity radiated into the medium to be sonicated.
  • the size of the sonotrode must match the size of the sample container. For this reason alone, if the horns and sonotrodes are to be used in the small volumes of the microtiter plates, they must taper sharply towards the tip.
  • the geometry of the end surface of the sonotrodes also determines the radiation behavior.
  • a flat surface perpendicular to the longitudinal direction of the sonotrode causes radiation to be directed very forward; a tapered or tapered tip has a stronger lateral radiation.
  • multi-element sonotrodes have also already been used, in which a relatively wide, block-shaped impedance converter, which has a relatively narrow coupling element, such as e.g. a piezo element, several sonotrodes are attached next to each other.
  • a relatively wide, block-shaped impedance converter which has a relatively narrow coupling element, such as e.g. a piezo element
  • several sonotrodes are attached next to each other.
  • the object of the invention is to provide an ultrasonic device for sonicating media in microtiter plates and similar sample containers or also in chips, with which a uniform sonication of a whole series of containers etc. is possible. This object is achieved with the ultrasound device specified in claim 1. Advantageous configurations are described in the subclaims.
  • the invention can be used particularly advantageously in the case of ultrasound devices in which a plurality of sound-emitting elements are arranged next to one another in a row or area.
  • a three-dimensional arrangement is also possible.
  • the arrangement can be square. Transitions from round to square arrangements are also possible. It is particularly important that no transverse forces and transverse vibrations, that is to say no transverse waves and no bending vibrations, occur in the entire arrangement. The surface is therefore set into a relatively even, longitudinal vibration.
  • the ultrasound device according to the invention solves this problem. This enables the fast, reproducible digestion required for the standardization and certification of tests directly in the microtiter plate.
  • the ultrasound device according to the invention offers all possibilities for automation and can be used in combination with other devices in processes with high throughput.
  • the ultrasound device according to the invention for sonicating microtiter plates can be used in many areas of pharmacy, biotechnology, diagnostics, environmental technology, microbiology, immunology, cell biology and medicine.
  • biological material such as tissue, cells, bacteria, cell material, organelles, aggregates, viruses
  • high-throughput screening high-throughput screening, toxicity studies for sample preparation in enzymatic tests, ELISA's, RIA's, genomics and proteomics, PCR or RT-PCR, DNA or RNA labeling, hybridization, receptor binding studies to accelerate, catalyze and increase the yield of chemical reactions, manufacture of liposol Men, microemulsions, nanoparticles and the like as well as for suspending, homogenizing, emulsifying and extracting and much more.
  • FIG. 2 shows an ultrasound head for the microtiter plate of FIG. 1 in a view parallel to the longitudinal axis of the ultrasound head;
  • FIG. 3 shows the ultrasound head of FIG. 2 in a view transversely to the longitudinal axis
  • FIG. 4 shows a view similar to that of FIG. 3, two ultrasound heads being arranged next to one another in the longitudinal direction;
  • Fig. 5 shows a structure for indirect sonication of the microtiter plate of Fig. 1 from below.
  • microtiter plate 1 shows a microtiter plate according to the ANSI standard.
  • these standardized microtiter plates 1 with the external dimensions of 85 mm x 127.76 mm, the depressions 2 for the samples, the so-called wells, are arranged in such a way that the number of wells in the horizontal direction (in the x-direction) is an integral multiple of three and in the vertical direction (in the y direction) is an integer multiple of two.
  • the 96-well microtiter plate shown in FIG. 1 and currently used most has 12 wells in the horizontal direction and 8 wells in the vertical direction. With this- 96-well plates, the inner diameter of wells 2 is 6 mm each.
  • An ultrasound head for direct sonication of a number of wells 2 of a 96-well microplate 1 can, for example, contain 4 adjacent sonotrodes. With two such ultrasound heads, which are arranged side by side in the longitudinal direction, the complete row of wells 2 of the microtiter plate 1 can then be sonicated in the y direction at once.
  • the ultrasound head 3 for the microtiter plate 1 in a view parallel to the longitudinal axis of the ultrasound head, that is to say the plane of the drawing is perpendicular to the longitudinal axis here. 3 shows this ultrasound head 3 in a view rotated by 90 °. As shown in FIGS. 2 and 3, the ultrasound head 3 is constructed as follows:
  • a piezo element 4 forms the core of the ultrasound head 3.
  • the piezo element 4 converts the electrical waves or impulses supplied to it from a generator (not shown) into mechanical impulses (acoustic waves, ultrasound waves).
  • An ultrasonic horn 6 is connected to the impedance converter 5, which tapers conically linearly in one dimension and effects a first focusing of the ultrasonic energy on a rectangular surface.
  • the ultrasonic horn 6 is three quarters of a wave long.
  • Ultrasonic sonotrodes 7, each with a quartz tip (not specifically shown), are glued into the narrow end of the ultrasonic horn 6
  • the shape and structure of the ultrasonic horn 6 and the sonotrode 7 are designed so that a standing wave is formed.
  • the end face at the tip of the sonotrode 7 is intended to cause the ultrasound energy to be emitted as homogeneously as possible. This is best ensured by a rod with a flat end surface that is vibrated evenly over the entire width to avoid bending vibrations.
  • the sonotrode tip is equipped with interchangeable quartz rods. At the transition to quartz, the step reduction should be as small as possible so that the quartz does not break off there.
  • the piezo element 4 generates ultrasonic waves with a frequency of typically 20 kHz and with an energy sufficient to cause cavitation in the wells 2 of the microtiter plate 1, which can serve to disintegrate cells or cell material.
  • An end piece 8 which is arranged behind the piezo element 4 in the radiation direction, enables the piezo element 4 to be clamped between the end piece 8 and the ultrasonic horn 6 by means of a screw 9, which runs through the end piece 8, the piezo element 4 and the impedance converter 5 and into that Ultrasonic horn 6 is screwed in.
  • the end piece 8, the piezo element 4 and the impedance converter 5 are each cylindrical and all have the same Diameter.
  • this diameter is, for example, 35 mm.
  • the end piece 8, the piezo element 4 and the impedance converter 5 can each also have other shapes, for example in cross-section square or rectangular
  • the starting body for the ultrasonic horn 6 is either a column with a square cross section, the edge length of the square corresponds to the diameter of the end piece 8, the piezo element 4 and the impedance converter 5, or a cylinder with the same diameter of, for example, 35 mm as these parts.
  • the ultrasonic horn 6 In the dimension transverse to the longitudinal direction, the ultrasonic horn 6, as shown in the view in FIG. 2, tapers from the full edge length or the full diameter to a width which corresponds approximately to the width or the diameter of a sonotrode 7 or is slightly larger.
  • the ultrasound horn 6 tapers onto a 35 mm by 9 mm surface.
  • the impedance converter 5, the ultrasonic horn 6 and the part of the sonotrode 7 in which the quartz tip is inserted are preferably made of aluminum or duralumin, which has good sound transmission properties.
  • the end piece 8 is preferably made of brass and alternatively made of steel or tantalum.
  • the quartz tips on the sonotrodes 7 can have a diameter of 2 mm for microtiter plates with up to 384 wells. In the case of microtiter plates with more wells, the diameter then decreases in accordance with the size of the wells.
  • the shape of the tip can be straight in the manner of a rod or, particularly for higher energy inputs, can be tapered.
  • two such ultrasound heads 3 can be arranged next to one another in the longitudinal direction, the arrangement being such that the distance between all sonotrodes 7 is the same and corresponds to the distance between the wells 2 in the microtiter plate 1. With such an arrangement, a complete row of wells 2 can then be treated simultaneously.
  • a common ultrasonic horn 6 can also be provided for two piezo element end piece impedance transducer arrangements (excitation arrangements) 4, 5, 8 and eight sonotrodes 7.
  • the ultrasonic horn 6 then consists of a plate with an elongated rectangular basic shape, the length of which is substantially equal to the total length of the excitation arrangements 4, 5, 8 lying next to one another and the thickness of the excitation arrangements 4, 5, 8 towards the sonotrodes 7 as shown in FIG 2 decreases.
  • the excitation arrangements 4, 5, 8 and the sonotrodes 7 are arranged along the center line of the elongated ultrasound horn 6 in such an ultrasound head.
  • Such ultrasound heads can then also be stacked side by side in such a way that a flat array of sonotrodes is formed, with which an entire microtiter plate can be treated at once, or with which, for example, every second row of wells 2 in the microtiter plate 1 can be treated.
  • Arrays for half etc. microtiter plates can of course also be produced.
  • the number of excitation arrangements 4, 5, 8 and the number of sonotrodes 7 on a common ultrasonic horn 6 is in each case arbitrary and can be selected taking into account the intended use. Likewise, any number of ultrasonic horns 6 can be arranged next to one another or connected to one another in order to form linear and / or flat arrays.
  • the focusing of the ultrasound energy in the area of the ultrasound horn 6 can be achieved by different geometric configurations of the horn 6.
  • a step shape is possible in which the cross section of the horn 6 decreases in steps.
  • An exponential shape is also possible, in which the cross section of the horn 6 decreases continuously exponentially.
  • a conical shape is possible, in which the cross-section is linear over the length. takes. This type is very resilient and easy to manufacture and is therefore preferred, although the focusing effect is less than in the other two configurations.
  • the tips of the sonotrodes are arranged in the center, that is to say in a linear arrangement they lie on the center line of the ultrasonic horn 6, the impedance converter 5 and the piezo element 4.
  • the arrangement described can be supplemented by devices for automatically moving and displacing the ultrasound head 3 and / or the microtiter plate 1 in the three spatial directions.
  • an arrangement for indirect excitation of the microtiter plate can be provided from below with a sound wave. Although part of the ultrasound energy is absorbed by the bottom of the microtiter plate, the movement of the ultrasound head towards the sample and the cleaning of the ultrasound head after each treatment are unnecessary.
  • Uniform indirect sonication of the entire microtiter plate is only possible if it is excited by a number of piezo elements that vibrate in phase. Ideally, this takes place via sonotrodes vibrating independently of one another, the number of which corresponds to the number of wells to be sonicated. The limit up to which this is possible in practice is the 96-well plates.
  • a more general approach that can be used for all microtiter plates is to place the microtiter plate on a metal plate that is excited evenly from below by a number of piezo elements over the entire area.
  • FIG. 5 The structure of such an arrangement, which represents a second embodiment of the present ultrasound device, is shown in FIG. 5.
  • this structure corresponds to an upside-down arrangement according to FIGS. 2 and 3 with a flat distribution of the piezo elements 4, a metal plate 10 being located at the location of the sonotrodes 7 and the ultrasonic horn being replaced by a transfer cylinder 16.
  • the metal plate 10 is attached at the other end of the transfer cylinder 16.
  • the metal plate 10 is provided with a number of excitation and transmission arrangements 4, 5, 8, 16 in such a way that there is little space between the individual excitation and transmission arrangements 4, 5, 8, 16. In other words, the metal plate 10 is densely covered with excitation and transmission arrangements 4, 5, 8, 16.
  • the diameter of the transfer cylinder 16 corresponds in each case to the diameter of the piezo element 4, but it does not taper, as is the case with the ultrasonic horn 6 of the first embodiment. Again, it is important that between the piezo element 4 and the attachment of the transfer cylinder 16 to the metal plate 10 there are no widenings in the path of the sound waves.
  • the dense coverage of the metal plate 10 with the excitation and transmission arrangements 4, 5, 8, 16 ensures that there is no significant widening in the sound propagation path even at the transition from the transfer cylinder 16 to the metal plate 10.
  • the whole arrangement is dimensioned such that the end face from which the ultrasonic wave is transmitted into a liquid or to the bottom of the microtiter plate is at an amplitude maximum, that is to say at an integral multiple of ⁇ / 2.
  • Attachment and transition points are located at vibration nodes.
  • the piezo elements 4 must vibrate in phase with the same energy so that the samples in the wells 2 of the microtiter plate 1 are sonicated uniformly.
  • the microtiter plate can be placed directly on the surface of the metal plate 10 or in a bath in which the metal plate 10 is located.
  • the external dimensions of the metal plate 10 correspond to the external dimensions of the microtiter plate 1 plus an edge.
  • a liquid bath is required in order to be able to introduce the ultrasonic energy into the well.
  • the microtiter plate has wells with a flat bottom, it can be placed on the metal plate 10 without the interposition of a liquid. Without liquid, the sound transmission can be improved by Mylar (Mylar is a trademark of the DuPont group for a polyester film) or by a film made of a highly viscous liquid.
  • the microtiter plate can be covered with a film. With direct sonication, this film is simply pierced with the tip of the sonotrodes. As a result, the individual wells of the microtiter plate are covered and neighboring wells are not contaminated during the ultrasound treatment.
  • the ultrasound energy radiated into the sample volume is preferably measured and the measured value is used to regulate the energy output.
  • a further ultrasonic transducer for example in the form of a piezo element, is advantageously attached to the sample as a sensor, which reproduces the pressure radiated into the sample volume as an electrical signal.
  • the sensor attached directly to the sample or microtiter plate makes it possible lent to take the amplitude of the radiated ultrasound wave directly from the sample and to keep it constant by means of appropriate control.
  • the measured amplitude or energy can also be measured and regulated by means of a pressure measurement, a force measurement and particularly simply via the increase in weight of the sample volume or samples. In the latter case, the microtiter plate only needs to be placed on a balance in the case of direct sonication.

Abstract

Die beschriebene Ultraschallvorrichtung weist ein Piezoelement (4), das Ultraschallwellen erzeugt, und Zwischenelemente (5, 6) auf, über die die Ultraschallwellen zu einer Sonotrode (7) und in ein Probenvolumen in einer Mikrotiterplatte (1) übertragen werden. Zu einem Piezoelement (4) gehören jeweils mehrere den Ultraschall abstrahlende Sonotroden (7), die nebeneinander in einer Reihe angeordnet sind. Zwischen dem Entstehungsort der Schallwelle am Piezoelement (4) und dem Abgabeort der Schallwelle an den abstrahlenden Sonotroden (7) weisen die wellenübertragenden Elemente (5, 16) gegenüber der Fläche des Piezoelements (4) keine Verbreiterung auf.

Description

ULTRASCHALLVORRICHTUNG
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallvorrichtung, insbesondere eine Ultraschallvorrichtung zum Aufschließen von Zellen oder Zellmaterial.
Im Rahmen von biologischen und pharmazeutischen Testverfahren geht die Tendenz zu kleinen Probenmengen, die in standardisierten Mikrotiterplatten, auch Multiwellplatten genannt, automatisch mit hohem Durchsatz bearbeitet werden können. Diese Mikrotiterplatten weisen zwischen 6 (2x3) und 9600 (80x120) Vertiefungen, Wells genannt, mit Volumen vom Milliliter- bis in den Pikoliterbereich auf. Die Platten haben eine feste Außengröße von ca. 85 x 128 mm mit einer vorgegebenen Anordnung der Probengefäße (Wells) . Außengröße und Pro- benanordnung folgen in der Regel der internationalen ANSI- Norm.
Um biologisches Zellmaterial untersuchen zu können, müssen die Zellen aufgeschlossen werden, das heißt es müssen die Zellwände geöffnet oder zerstört werden, um an das Material im Innern der Zelle heranzukommen. Dieser Zellaufschluß soll so schonend wie möglich erfolgen, ohne daß Fremdsubstanzen zu der Probe hinzugefügt werden müssen.
Mit Ultraschall ist es möglich, ohne das Einbringen von Fremdstoffen Zellen in kleinen Volumina von unter einem Milliliter schnell aufzuschließen. Die in einer Probenflüssig- keit suspendierten Zellen werden dabei mit Ultraschall niedriger Frequenz und hoher Energie zerstört .
Hochfrequente Schallwellen mit hoher Amplitude erzeugen in Flüssigkeiten kleine Blasen, die zunächst größer werden, bis sie implodieren. Dieser Kavitation genannte Effekt bewirkt durch die auftretenden schnellen Druckwechsel ein Zerreißen der Membranen und Zellwände der beschallten Zellen. Die Kavitation ist im Bereich niedriger Frequenzen stärker als bei hohen Frequenzen, so daß zum Zellaufschluß möglichst niederfrequente Ultraschallwellen verwendet werden.
Meist liegen die angewendeten Ultraschallfrequenzen bei 20 kHz, da der Bereich nach unten durch die Hörbarkeitsgrenze eingeschränkt wird.
Ein Ultraschallgerät für eine solche Anwendung besteht aus einem Generator, der eine elektrische Ausgangswelle (Sinuswelle) mit einer Frequenz von zum Beispiel 20 kHz erzeugt, einem Ultraschallwandler, der meist vom piezoelektrischen Typ ist und der die elektrische Ausgangswelle vom Generator in eine mechanische Bewegung senkrecht zur Oberfläche des Wandlers umsetzt, einem mechanischen Übertrager (Impedanzwandler) , der die vom Piezo-Ultraschallwandler ausgehende Ultraschallenergie weiterleitet, sowie einem Ultraschallhorn und einer Sonotrode, die die Ultraschallenergie fokussieren und in die Flüssigkeit mit der Probe einleiten.
Die in Schwingung gebrachte Sonotrode an der Spitze unterwirft die Flüssigkeit den extrem hohen akustischen Druckschwankungen, die für die Erzeugung des Phänomens der Kavitation verantwortlich sind. Hörn und Sonotroden dienen wie erwähnt der Übertragung des Ultraschalls in die Probe. Sie bewirken dabei abhängig von der Geometrie eine Erhöhung der Intensität: Die in das zu beschallende Medium eingestrahlte Intensität ist um so größer, je kleiner der Enddurchmesser an der Spitze der Sonotrode ist . Allerdings können über die Stirnfläche der Sonotrode nicht beliebig hohe Amplituden bei gleichzeitig hoher Leistung in ein Medium abgestrahlt werden. Außerdem muß die Größe der Sonotrode auf die Größe des Probenbehälters abgestimmt sein. Schon aus diesem Grund müssen sich die Hörner und Sonotroden, wenn sie in den kleinen Volumina der Mikrotiterplatten eingesetzt werden sollen, zur Spitze hin stark verjüngen.
Die Geometrie der Endfläche der Sonotroden bestimmt auch das Abstrahlverhalten. Eine ebene Fläche senkrecht zur Längsrichtung der Sonotrode bewirkt eine stark nach vorn gerichtete Abstrahlung; eine kegelige oder konisch zulaufende Spitze eine stärkere seitliche Abstrahlung.
Aus der US-A-6 071 480 ist ein Ultraschallgerät bekannt, bei dem Mikrogefäße in den Amplitudenmaxima der Transversalwelle angeordnet werden, die etwa die doppelte Frequenz der Longi- tudinalwelle hat. In der Endplatte eines Ultraschallhorns sind dazu für die Mikrogefäße Löcher vorgesehen, in die die Mikrogefäße eingesetzt werden. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß sie nicht für standardisierte Probengefäßanordnungen verwendet werden kann, da die Amplitudenmaxima auf der Oberfläche der Endplatte auf geometrischen Figuren in der Art von Kreisen liegen und nicht im rechteckigen Muster der eingangs erwähnten Mikrotiterplatten. Aus diesem Grund kann das aus der US-A-6 071 480 bekannte Ultraschallgerät auch nur in Verbindung mit den beschriebenen, separaten Mikro-Probengefä- ßen verwendet werden. Bisher werden Proben dadurch in Mikrotiterplatten mit Ultraschall aufgeschlossen, daß die Spitze der Sonotroden manuell in jede einzelne Vertiefung (jedes einzelne Well) getaucht wird. Diese AufSchlußtechnik ist zeitaufwendig und nicht standardisierbar .
Versuchsweise wurden auch bereits Multi-Element-Sonotroden eingesetzt, bei denen an einem relativ breiten, blockförmigen Impedanzwandler, der mit einem relativ schmalen Kopplungselement, wie z.B. einem Piezoelement, verbunden ist, nebeneinander mehrere Sonotroden angesetzt sind. Dabei tritt das Problem auf, daß bereits bei wenigen Sonotroden die Intensitätsverteilung ungleichmäßig ist.
Aus der US-A-4 571 087 ist eine Vorrichtung zur Positionierung der einzelnen Wells einer Mikrotiterplatte über einem Ultraschallhorn beschrieben. Von dem senkrecht unter einem Well der Mikrotiterplatte befindlichen Ultraschallhorn wird die Ultraschallenergie in ein Flüssigkeitsbad, meist ein Wasserbad, übertragen, in dem die Mikrotiterplatte durch die Vorrichtung in x-y-Richtung bewegt wird. Auch diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß die einzelnen Wells der Mikrotiterplatte nur zeitaufwendig nacheinander mit dem Ultraschall behandelt werden können und daß kein hoher Energieeintrag möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ultraschallvorrichtung zur Beschallung von Medien in Mikrotiterplatten und ähnlichen Probenbehältern oder auch in Chips zu schaffen, mit der eine gleichmäßige Beschallung einer ganzen Reihe von Behältern etc. möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Ultraschallvorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung tritt demnach zwischen dem Entstehungsort der Schalldruckwelle am Ultraschallwandler und dem Abgabeort der Schalldruckwelle am schallabgebenden Element keine Verbreiterung der wellenübertragenden Teile gegenüber der Breite des Entstehungsortes auf. Es hat sich nämlich gezeigt, daß durch eine Verbreiterung eine Störung in der Wellenausbreitung erfolgt, die zu einer ungleichmäßigen Amplitudenverteilung führt.
Letztlich sollen alle Elemente, durch die der Schall wandert, im wesentlichen innerhalb der aktiven Fläche des Ultraschall - wandlers liegen.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar bei Ultra- schallvorrichcungen, bei denen mehrere schallabgebende Elemente in einer Reihe bzw. Fläche nebeneinander angeordnet sind.
Statt einer zweidimensional -linearen Anordnung ist auch eine dreidimensional-flächige Anordnung möglich. So kann die Anordnung zum Beispiel viereckig sein. Auch sind Übergänge von runden zu viereckigen Anordnungen möglich. Wichtig ist vor allem, daß in der gesamten Anordnung keine Querkräfte und Querschwingungen, das heißt keine Transversalwellen und keine Biegeschwingungen entstehen. Die Fläche wird daher in eine relativ gleichmäßige, longitudinale Schwingung versetzt.
Das gleiche gilt nicht nur für die schallabgebenden Elemente, sondern auch für die schallerzeugenden Ultraschallwandler, die ebenfalls in einer Mehrzahl und in verschiedenen linearen und flächigen Ausgestaltungen angeordnet werden können.
Mit der erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung ist sowohl eine direkte Beschallung einer Mikrotiterplatte unterhalb des schallabgebenden Elements als auch indirekte Beschallung einer Mikrotiterplatte möglich, die über dem schallabgebenden Element liegt. Bei der direkten Beschallung kann die Platte während der Behandlung gekühlt werden.
Auf dem Markt ist bisher kein Ultraschallgerät verfügbar, das für einen schnellen und reproduzierbaren Aufschluß von Zellen in Mikrotiterplatten geeignet wäre. Die erfindungsgemäße Ultraschallvorrichtung löst dieses Problem. Es ist damit der für die Standardisierung und Zertifizierung von Tests erforderliche schnelle, reproduzierbare Aufschluß direkt in der Mikrotiterplatte möglich. Die erfindungsgemäße Ultraschall - Vorrichtung bietet alle Möglichkeiten zur Automatisierung und kann in Kombination mit anderen Geräten in Verfahren mit hohem Durchsatz eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Ultraschallvorrichtung zum Beschallen von Mikrotiterplatten kann Anwendung in vielen Bereichen der Pharmazie, Biotechnologie, Diagnostik, Umwelttechnik, Mikrobiologie, Immunologie, Zellbiologie und Medizin finden. Anwendungsbeispiele umfassen neben dem Aufschluss von biologischem Material, wie z.B. Gewebe, Zellen, Bakterien, Zellmaterial, Organellen, Aggregate, Viren, das Hochdurchsatz-Scree- ning, Toxizitätsstudien zur Probenvorbereitung in enzymati- schen Tests, ELISA's, RIA's, Genomics und Proteomics, PCR bzw. RT-PCR, DNA- oder RNA-Labelling, Hybridisierung, Rezeptor-Bindungsstudien zur Beschleunigung, Katalyse und Erhöhung der Ausbeute chemischer Reaktionen, Herstellung von Liposo- men, Mikroemulsionen, Nanopartikeln und dergleichen sowie zum Suspendieren, Homogenisieren, Emulgieren und Extrahieren und vieles andere mehr.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine standardisierte Mikrotiterplatte;
Fig. 2 einen Ultraschallkopf für die Mikrotiterplatte der Fig. 1 in einer Ansicht parallel zur Längsachse des Ultraschallkopfes ;
Fig. 3 den Ultraschallkopf der Fig. 2 in einer Ansicht quer zur Längsachse ;
Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der der Fig. 3, wobei zwei Ultra- schallköpfe in Längsrichtung nebeneinander angeordnet sind; und
Fig. 5 einen Aufbau zur indirekten Beschallung der Mikrotiterplatte der Fig. 1 von unten.
In der Fig. 1 ist eine Mikrotiterplatte gemäß ANSI -Standard gezeigt. In diesen standardisierten Mikrotiterplatten 1 mit den Außenmaßen von 85 mm x 127,76 mm sind die Vertiefungen 2 für die Proben, die sogenannten Wells, derart angeordnet, daß die Anzahl von Wells in horizontaler Richtung (in x-Richtung) ein ganzzahliges Vielfaches von drei und in vertikaler Richtung (in y-Richtung) ein ganzzahliges Vielfaches von zwei beträgt. Die in der Fig. 1 gezeigte und zur Zeit am meisten verwendete 96 -Well-Mikrotiterplatte weist in horizontaler Richtung 12 und in vertikaler Richtung 8 Wells auf. Bei die- sen 96-Well-Platten beträgt der Innendurchmesser der Wells 2 jeweils 6 mm.
Ein Ultraschallkopf zur direkten Beschallung einer Anzahl von Wells 2 einer 96-Well-Mιkrotιterplatte 1 kann zum Beispiel 4 nebeneinanderliegende Sonotroden enthalten. Mit zwei solchen Ultraschallkopfen, die m Längsrichtung nebeneinander angeordnet sind, laßt sich dann die komplette Reihe von Wells 2 der Mikrotiterplatte 1 in y-Richtung auf einmal beschallen.
Die Fig. 2 zeigt einen Ultraschallkopf 3 für die Mikrotiterplatte 1 in einer Ansicht parallel zur Langsachse des Ultraschallkopfes, das heißt die Zeichenebene liegt hier senkrecht zur Langsachse. Die Fig. 3 zeigt diesen Ultraschallkopf 3 in einer um 90° gedrehten Ansicht. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, ist der Ultraschallkopf 3 wie folgt aufgebaut:
Ein Piezoelement 4 bildet den Kern des Ultraschallkopfs 3. Das Piezoelement 4 wandelt als Ultraschallwandler die ihm von einem Generator (nicht gezeigt) zugeführten elektrischen Wellen oder Impulse in mechanische Impulse (akustische Wellen, Ultraschallwellen) um. An das Piezoelement 4 schließt sich in Abstrahlungsrichtung ein Impedanzwandler 5 an, der eine Lange von einer Viertelwelle hat. An den Impedanzwandler 5 schließt sich wiederum ein Ultraschallhorn 6 an, das sich in einer Dimension konisch linear verjüngt und eine erste Fokussierung der Ultraschallenergie auf eine Rechteckfläche bewirkt. Das Ultraschallhorn 6 ist eine Dreiviertelwelle lang. In das schmale Ende des Ultraschallhorns 6 werden Ultraschall-Sono- troden 7 mit jeweils einer Quarzspitze (nicht eigens gezeigt) eingeklebt Form und Aufbau des Ultraschallhorns 6 und der Sonotrode 7 sind so gestaltet, daß sich eine stehende Welle ausbildet. Die Endfläche an der Spitze der Sonotrode 7 soll eine möglichst homogene Abstrahlung der Ultraschallenergie bewirken. Dies wird am besten durch einen Stab mit einer ebenen Endfläche gewährleistet, der über die ganze Breite gleichmäßig in Schwingungen versetzt wird, um Biegeschwingungen zu vermeiden. Dazu wird die Sonotrodenspitze mit auswechselbaren Quarzstäben ausgerüstet. Beim Übergang zum Quarz sollte die Stufenreduktion möglichst gering sein, damit der Quarz nicht dort abbricht .
Generell sind zwar Aluminium und Quarz die bevorzugten Materialien für die schallübertragenden Teile des Ultraschallkopfs 3, es sind jedoch selbstverständlich auch andere Materialien verwendbar, solange deren Impedanz vergleichbar ist oder nicht zu weit davon entfernt liegt.
Das Piezoelement 4 erzeugt Ultraschallwellen mit einer Frequenz von typisch 20 kHz und mit einer Energie, die ausreicht, um in den Wells 2 der Mikrotiterplatte 1 eine Kavitation hervorzurufen, die zum Aufschluß von Zellen oder Zellmaterial dienen kann.
Ein Endstück 8, das in Abstrahlungsrichtung hinter dem Piezoelement 4 angeordnet ist, ermöglicht eine Einspannung des Piezoelements 4 zwischen dem Endstück 8 und dem Ultraschallhorn 6 mittels einer Schraube 9, die durch das Endstück 8, das Piezoelement 4 und den Impedanzwandler 5 verläuft und in das Ultraschallhorn 6 eingeschraubt ist.
Das Endstück 8, das Piezoelement 4 und der Impedanzwandler 5 sind jeweils zylinderförmig und haben alle den gleichen Durchmesser. Bei dem Ultraschallkopf 3 für die standardisierte 96-Well -Mikrotiterplatte 1 beträgt dieser Durchmesser zum Beispiel 35 mm.
Alternativ können das Endstuck 8, das Piezoelement 4 und der Impedanzwandler 5 jeweils auch andere Formen haben, zum Beispiel im Querschnitt quadratisch oder rechteckig ausgestaltet
Der Ausgangskorper für das Ultraschallhorn 6 ist entweder eine Säule mit quadratischem Querschnitt, wobei die Kantenlange des Quadrats dem Durchmesser des Endstücks 8, des Piezoelements 4 und des Impedanzwandlers 5 entspricht, oder ein Zylinder mit dem gleichen Durchmesser von zum Beispiel 35 mm wie diese Teile.
In der Dimension quer zur Längsrichtung verjüngt sich das Ultraschallhorn 6, wie es in der Ansicht der Fig. 2 gezeigt ist, von der vollen Kantenlänge bzw. dem vollen Durchmesser auf eine Breite, die etwa der Breite bzw. dem Durchmesser einer Sonotrode 7 entspricht oder geringfügig größer ist .
In dem geschilderten Beispiel verjüngt sich das Ultraschallhorn 6 auf eine 35 mm mal 9 mm große Fläche.
In der in der Fig. 3 gezeigten Aufsicht auf den Ultraschall - köpf 3 ist zu sehen, daß in Längsrichtung nebeneinander längs der Mittellinie des Ultraschallhorns 6 vier Sonotroden 7 in das Ultraschallhorn 6 eingesetzt sind. Der Abstand der Spitzen der Sonotroden 7 entspricht genau dem Abstand der Wells 2 in der Mikrotiterplatte 1. Der Impedanzwandler 5, das Ultraschallhorn 6 und der Teil der Sonotrode 7, in den die Quarzspitze eingesetzt wird, bestehen vorzugsweise aus Aluminium oder Duraluminium, das gute Schallübertragungseigenschaften aufweist. Das Endstück 8 besteht vorzugsweise aus Messing und alternativ aus Stahl oder Tantal.
Die Quarzspitzen an den Sonotroden 7 können für Mikrotiterplatten mit bis zu 384 Wells einen Durchmesser von 2 mm haben. Bei Mikrotiterplatten mit mehr Wells verringert sich dann der Durchmesser entsprechend der Größe der Wells. Die Form der Spitze kann in der Art eines Stabes gerade sein oder, besonders für höhere Energieeinträge, sich konisch ver- jüngend .
Wie in der Fig. 4 gezeigt, können zwei solcher Ultraschallköpfe 3 in Längsrichtung nebeneinander angeordnet werden, wobei die Anordnung dergestalt erfolgt, daß der Abstand zwischen allen Sonotroden 7 der gleiche ist und dem Abstand der Wells 2 in der Mikrotiterplatte 1 entspricht. Mit einer solchen Anordnung kann dann eine vollständige Reihe von Wells 2 gleichzeitig behandelt werden.
Alternativ kann in dem geschilderten Beispiel auch ein gemeinsames Ultraschallhorn 6 für zwei Piezoelement-Endstück- Impedanzwandleranordnungen (Erregeranordnungen) 4, 5, 8 und acht Sonotroden 7 vorgesehen werden. Das Ultraschallhorn 6 besteht dann aus einer Platte mit länglich-rechteckiger Grundform, deren Länge im wesentlichen gleich der Gesamtlänge der nebeneinanderliegenden Erregeranordnungen 4, 5, 8 ist und deren Dicke von den Erregeranordnungen 4, 5, 8 zu den Sonotroden 7 hin entsprechend der Abbildung in der Fig. 2 abnimmt. Die Erregeranordnungen 4, 5, 8 und die Sonotroden 7 sind bei einem solchen Ultraschallkopf jeweils längs der Mittellinie des langgestreckten Ultraschallhorns 6 angeordnet.
Solche Ultraschallköpfe lassen sich dann auch stapelweise derart nebeneinander anordnen, daß ein flächiges Array von Sonotroden entsteht, mit dem eine ganze Mikrotiterplatte auf einmal behandelt werden kann, oder mit dem zum Beispiel jede zweite Reihe von Wells 2 in der Mikrotiterplatte 1 behandelt werden kann. Es lassen sich natürlich auch Arrays für halbe usw. Mikrotiterplatten herstellen.
Die Anzahl von Erregeranordnungen 4, 5, 8 und die Anzahl von Sonotroden 7 an einem gemeinsamen Ultraschallhorn 6 ist jeweils beliebig und kann unter Berücksichtigung des vorgesehenen Verwendungszwecks gewählt werden. Gleichermaßen können beliebig viele Ultraschallhörner 6 nebeneinander angeordnet oder miteinander verbunden werden, um lineare und/oder flächige Arrays zu bilden.
Auch bei flächigen Arrays kann ein einziges, allen Erregeranordnungen 4, 5, 8 und Sonotroden 7 gemeinsames Ultraschallhorn 6 vorgesehen werden, wobei die Erregeranordnungen 4, 5, 8 und die Sonotroden 7 jeweils eine viereckige Anordnung bilden.
Die Fokussierung der Ultraschallenergie im Bereich des Ultraschallhorns 6 kann durch verschiedene geometrische Ausgestaltungen des Horns 6 erreicht werden. Möglich ist einmal eine Stufenform, bei der der Querschnitt des Horns 6 sprungweise in Stufen abnimmt. Des weiteren möglich ist eine Exponential- form, bei der der Querschnitt des Horns 6 kontinuierlich ex- ponentiell abnimmt. Schließlich ist noch eine konische Form möglich, bei der der Querschnitt über die Länge linear ab- nimmt. Dieser Typ ist sehr belastbar und einfach herzustellen und wird deshalb bevorzugt, obwohl die Fokussierungswirkung geringer ist als bei den anderen beiden Ausgestaltungen.
Wesentlich ist bei allen Anordnungen, daß zwischen dem Entstehungsort der Schallwelle am jeweiligen Piezoelement 4 bis hin zu den Spitzen der zugehörigen Sonotroden 7 im wesentlichen keine Verbreiterung der wellenübertragenden Teile auftritt, auch keine Verbreiterung, die später wieder reduziert wird. Die schallübertragenden Teile dürfen an keiner Stelle senkrecht zur Schallausbreitung eine Querschnittsfläche haben, die wesentlich größer ist als die Fläche des Piezoele- ments 4 bzw. des Ultraschallwandlers. Allenfalls am Übergang zum Piezoelement 4 ist eine Verbreiterung von 20 bis 30 % möglich. Möglich sind auch kleine Einbuchtungen in den schallführenden Teilen beispielsweise zum Anbringen von Halterungen. Dabei ist natürlich darauf zu achten, daß Befestigungsstellen immer an den Schwingungsknotenpunkten und nicht auf den Schwingungsbäuchen liegen.
Wichtig ist auch, daß die Spitzen der Sonotroden mittig angeordnet sind, das heißt bei einer linearen Anordnung auf der Mittellinie des Ultraschallhorns 6, des Impedanzwandlers 5 und des Piezoelements 4 liegen.
Die beschriebene Anordnung kann ergänzt werden durch Einrichtungen zum automatischen Bewegen und Verschieben des Ultraschallkopfs 3 und/oder der Mikrotiterplatte 1 in den drei Raumrichtungen .
Alternativ zur beschriebenen Anordnung zum direkten Beschallen der Proben in Mikrotiterplatten durch Eintauchen der So- notrodenspitzen in die Probenflüssigkeit von oben kann auch eine Anordnung zum indirekten Anregen der Mikrotiterplatte von unten mit einer Schallwelle vorgesehen werden. Dabei wird zwar ein Teil der Ultraschallenergie vom Boden der Mikrotiterplatte absorbiert, es erübrigt sich jedoch die Bewegung des Ultraschallkopfes zur Probe hin und die Reinigung des Ultraschallkopfes nach jeder Behandlung.
Eine gleichmäßige indirekte Beschallung der gesamten Mikrotiterplatte ist nur möglich, wenn diese über eine Anzahl von in Phase schwingenden Piezoelementen angeregt wird. Im Idealfall erfolgt dies über unabhängig voneinander schwingende Sonotroden, deren Anzahl der Anzahl der zu beschallenden Wells entspricht. Die Grenze, bis zu der dies in der Praxis möglich ist, liegt hier bei den 96-Well-Platten.
Ein allgemeinerer Ansatz, der für alle Mikrotiterplatten Verwendung finden kann, besteht darin, die Mikrotiterplatte auf eine Metallplatte aufzusetzen, die von unten von einer Anzahl Piezoelementen über die gesamte Fläche gleichmäßig angeregt wird.
Der Aufbau einer solchen Anordnung, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Ultraschallvorrichtung darstellt, ist in der Fig. 5 gezeigt. Im Prinzip entspricht dieser Aufbau einer auf den Kopf gestellten Anordnung gemäß Fig. 2 und 3 mit einer flächigen Verteilung der Piezoelemente 4, wobei sich an der Stelle der Sonotroden 7 eine Metallplatte 10 befindet und das Ultraschallhorn durch einen Übertragungszylinder 16 ersetzt ist.
Im einzelnen besteht die Anordnung der Fig. 5 aus dem Endstück 8, dem Piezoelement 4 und dem Impedanzwandler 5. Das Endstück 8, das Piezoelement 4 und der Impedanzwandler 5 sind an den massiven Übertragungszylinder 16 angeschraubt. Am anderen Ende des ÜbertragungsZylinders 16 ist die Metallplatte 10 befestigt. Die Metallplatte 10 ist derart mit einer Anzahl von Erregungs- und Übertragungsanordnungen 4, 5, 8, 16 belegt, daß zwischen den einzelnen Erregungs- und Übertragungs- anordnungen 4, 5, 8, 16 nur wenig Zwischenraum bleibt. Mit anderen Worten ist die Metallplatte 10 dicht mit Erregungsund Übertragungsanordnungen 4, 5, 8, 16 belegt.
Der Durchmesser des Übertragungszylinders 16 entspricht jeweils dem Durchmesser des Piezoelements 4, er verjüngt sich allerdings nicht, wie es beim Ultraschallhorn 6 der ersten Ausführungsform der Fall ist. Wieder ist wichtig, daß zwischen dem Piezoelement 4 und dem Ansatz des Übertragungszylinders 16 an der Metallplatte 10 keine Verbreiterungen im Weg der Schallwellen auftreten. Durch die dichte Belegung der Metallplatte 10 mit den Erregungs- und Übertragungsanordnungen 4, 5, 8, 16 ist sichergestellt, daß auch am Übergang vom Übertragungszylinder 16 zur Metallplatte 10 keine wesentliche Verbreiterung im Schallausbreitungsweg vorliegt.
Die ganze Anordnung ist so dimensioniert, daß die Endfläche, von der die Ultraschallwelle in eine Flüssigkeit oder auf den Boden der Mikrotiterplatte übertragen wird, bei einem Amplitudenmaximum liegt, das heißt bei einem ganzzahligen Vielfachen von λ/2. Befestigungs- und Übergangspunkte liegen in Schwingungsknotenpunkten .
Die Piezoelemente 4 müssen mit gleicher Energie in Phase schwingen, damit die Proben in den Wells 2 der Mikrotiterplatte 1 gleichmäßig beschallt werden. Die Mikrotiterplatte kann direkt auf die Oberfläche der Metallplatte 10 aufgesetzt werden oder in ein Bad, in dem sich die Metallplatte 10 befindet. Die Außenmaße der Metallplatte 10 entsprechen den Außenmaßen der Mikrotiterplatte 1 plus einem Rand. Bei Wells in U- oder V-Form ist ein Flüssigkeitsbad erforderlich, um die Ultraschallenergie in das Well einbringen zu können. Wenn die Mikrotiterplatte Wells mit einem ebenen Boden besitzt, kann sie ohne Zwischenschaltung einer Flüssigkeit auf die Metallplatte 10 aufgesetzt werden. Ohne Flüssigkeit kann die Schallübertragung durch Mylar (Mylar ist ein Warenzeichen der DuPont-Gruppe für eine Polyesterfolie) oder durch einen Film aus einer hochviskosen Flüssigkeit verbessert werden.
Zum Vermeiden von Spritzern kann die Mikrotiterplatte mit einer Folie abgedeckt werden. Bei der direkten Beschallung wird diese Folie einfach mit der Spitze der Sonotroden durchstochen. Dadurch sind die einzelnen Wells der Mikrotiterplatte abgedeckt, und Nachbarwells werden bei der Ultraschallbehandlung nicht kontaminiert .
Vorzugsweise wird die in das Probenvolumen eingestrahlte Ultraschallenergie gemessen und der Meßwert zur Regelung der Energieabgabe verwendet. Dadurch ist es zum Beispiel auch möglich, während des Einschwingvorgangs zu Beginn der Ultraschallbehandlung dem Ultraschallwandler mehr Energie zuzuführen und die Energie dann so herunterzuregeln, daß die in das Probenvolumen eingestrahle Energie konstant bleibt. Vorteilhaft wird dabei an der Probe als Sensor ein weiterer Ultraschallwandler etwa in der Form eines Piezoelements angebracht, das den in das Probenvolumen eingestrahlten Druck als elektrisches Signal wiedergibt. Durch den an der Probe bzw. der Mikrotiterplatte direkt angebrachten Sensor ist es mög- lieh, die Amplitude der eingestrahlten Ultraschallwelle direkt an der Probe abzunehmen und durch eine entsprechende Regelung konstant zu halten.
Die Messung und Regelung der eingestrahlten Amplitude oder Energie kann auch mittels einer Druckmessung, einer Kraftmessung und besonders einfach über die Gewichtszunahme des oder der Probenvolumen erfolgen. Im letzteren Fall braucht bei direkter Beschallung die Mikrotiterplatte nur auf eine Waage gestellt zu werden.

Claims

ULTRASCHALLVORRICHTUNGPatentansprüche
1. Ultraschallvorrichtung mit einem Ultraschallwandler (4), der Ultraschallwellen erzeugt, die über Zwischenelemente
(6, 16) in ein Probenvolumen (2) übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleichmäßige longitudinale Schwingung über mehrere Ultraschall abstrahlende Elemente
(7) oder eine Fläche (10) entsteht und somit eine gleichmäßige Einstrahlung von Ultraschall in mehrere Probengefäße simultan erfolgt, bedingt durch eine Anordnung, dass vom Entstehungsort der Schallwelle am Ultraschallwandler
(4) über die wellenübertragenden Zwischenelemente (6, 16) bis zum Abgabeort der Schallwelle am abstrahlenden Element (7, 10) im Wesentlichen keine Verbreiterung gegenüber dem Entstehungsort auftritt.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils einen Ultraschallwandler (4) mehrere Ultraschall abstrahlende Elemente (7) vorgesehen sind.
3. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils eines der Ultraschall abstrahlenden Elemente (10) mehrere Ultraschallwandler (4) ohne oder mit Zwischenelementen (5, 16) zur Ultraschallübertragung vorgesehen sind.
4. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrere Ultraschallwandler (4) bzw. mehrere Ultraschall abstrahlende Elemente (7, 10) ein gemeinsames Zwischenelement (6) vorgesehen ist .
5. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler ein Piezoelement (4) ist .
6. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall abstrahlenden Elemente Sonotroden (7) sind, die zum Eintauchen in eine Probenflüssigkeit vorgesehen sind.
7. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenübertragenden Zwischenelemente (5, 6) bevorzugt aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen und die abstrahlenden Elemente (7) bevorzugt aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen und Quarz bestehen.
8. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschall abstrahlende Element eine Metallplatte (10) ist.
9. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenvolumen (2) in einem Probengefäß einer Mikrotiterplatte (1) oder in Gefäßen ähnlicher Anordnung, die auch Teilen einer Mikrotiterplatte entsprechen können, enthalten ist.
10. Verwendung einer Ultraschallvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Aufschließen von biologischem Material zur Probenvorbereitung von PCR, Genomics und Proteo- mics, zur Probenvorbereitung in enzymatischen Tests, Hy- bridisierungs- und Rezeptorbindungsstudien, zur Beschleunigung, Katalyse und Erhöhung der Ausbeute chemischer Reaktionen, zum Herstellen von Liposomen, Mikroemulsionen oder Nanopatikeln, sowie zum Suspendieren, Homogenisieren, Emulgieren und Extrahieren.
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