CN102341162A - 具有减小的功率阀值的hifu引致空化 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高强度聚焦超声波装置。此外，本发明涉及用于以声能照射液体样品以在液体样品中产生空化的设备。所述设备(100)包括超声源并且适于接收卡盒(105)，使得所述设备将从超声源发射的HIFU波聚焦到在所述卡盒内存在的液气界面上。当卡盒被插入到所述设备的接收部分内时执行所述聚焦。

Description

具有减小的功率阀值的HIFU引致空化
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年4月14日提交的欧洲专利申请EP09157849的优先权，该申请的全部内容通过参引的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及用于引致空化的声学装置。具体地，本发明涉及用于以声能照射样品以在液体样品中产生空化的设备、用于以声能照射液体样品以在液体样品中产生空化的设备的卡盒、用于以声能照射液体样品的系统、计算机程序元件、计算机可读介质、以及用于以声能照射液体样品以在液体样品中产生空化的方法。
背景技术
在分子装置应用领域中已经越来越多地使用高强度聚焦超声波(HIFU)来克服已知的处理样品技术中的问题。借助于聚焦到样品上的声能，能够以有效的方式引起声物理(sonophysical)和声化学(sonochemical)反应。此外，近年来，已经实现了在样品进结果出(sample-in result-out)装置、也称为微型全分析系统或片上实验室的多个方面的进展。例如，集成化和微型化导致如下需求的系统：相对较小、可接受的样品污染风险、测试的高灵敏度和短周转时间以及每次测试的较低成本。此外，在样品放入与结果产生之间应需要最小的操作者干预。操作者干预能够由相对不熟练的操作者进行并且适度地需求操作环境。
空化被定义为当液体的压强低于其蒸气压时在液体的内部区域中形成气泡的现象。在分子分析装置中，空化可以用于在要由HIFU进行处理的样品内获得细胞的裂解、而且类似于混合液化的其他处理功能可由HIFU引起。在已知的技术中，混合和裂解的处理功能需要不同的功率水平，这可能使得在单一腔中进行上述两项处理功能变得复杂化。为了提供较高功率系统，使用较大的换能器并且可以应用液体冷却以避免过度加热。
发明内容
本发明的目的可以是提供一种利用减小的功率进行的HIFU样品处理。
定义和缩写：
应注意的是，在本发明的上下文中，将使用如下的定义和缩写：
高强度聚焦超声波(HIFU)：
在本发明的上下文中，术语“HIFU”用作聚焦的声场，该聚焦的声场具有在0.2MHz至10MHz的范围内的源频率、具有选定为在聚焦带中充分有效地生成高压强冲击波和/或空化的振幅。聚焦带的尺寸(长度和直径)取决于超声源换能器的类型(例如，平直超声源换能器的天然聚焦或圆锥形/球形超声源换能器的强制聚焦)。用于所指示的频率范围的示例性长度等级是(亚)毫米。
样品进结果出系统：
一种接收(例如，生物)样品、执行全部所需的准备步骤以对任一种事实的检测做好准备、运行检测且输出检测结果的系统。例如，能够提供一种用于样品(例如血液或其他细胞)的分子分析的装置，该装置提供了从供应天然未处理的样品到结果分析的全部必要的分析步骤。
界面/界面介质：
在本发明的上下文中，声能的传播路径可以由诸如超声源、全固体结合器和卡盒的若干部件组成。为了描述传播路径中的这些不同元件进行相互物理接触的过渡区或区域，使用术语界面或界面介质。例如，如果结合器与卡盒物理接触，则结合器的界面介质描述了在结合器中使用的、在结合器与卡盒相接触的该区域内的材料。
设备/装置：
在本发明的上下文中，表述“装置”包括分子诊断装置以及其他装置。装置的应用可以例如是保健/生命科学、食品工业、兽医实践和法医学应用。
样品：
应清楚地注意的是，术语“样品”可以包括利用根据本发明的装置进行处理的用于分子分析的样品。例如，血液、培养血、尿、抽吸物、具有类似水的粘度的样品、异质样品或在类似BAL的承载器上的样品、唾液、气管吸出物、CSF、带有病原体的医用海绵和/或刷子。然而，这并不意味着任意其他种类的物质、固体、液体、气体或其任意组合从样品中排除且从受到本发明的聚焦声能照射中排除。
样品的处理：
在本发明的上下文中，术语“处理”或“处理的”用于描述聚焦声能与样品的相互作用。通过HIFU引起在样品中的多种声化学和/或声物理反应，以产生例如混合、分散、搅动、从医用海绵或刷子中的洗脱、液化、裂解或细胞释放之类的功能。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于以声能照射液体样品以在液体样品中产生空化的设备。所述设备包括用于发射高强度超声波的超声源。此外，所述设备适于接收卡盒。例如，所述设备包括用于接收卡盒的接收部分。卡盒容纳液体样品和液气界面。此外，所述设备聚焦高强度超声波，以使得当卡盒由所述设备(例如由接收部分)接收时，在卡盒内的液气界面上方生成液体的喷泉。
换言之，该设备与卡盒相结合，所述卡盒不是流动穿透式卡盒、而是首先提供液体样品并且其次提供在液体样品上方的气体容积。因此，卡盒内具有位于液体样品与气体容积之间的分界层。此外，所述设备适于在接收部分接收卡盒，以建立起用于高强度超声波从超声源到卡盒及由此到液体样品的传播路径。
生成喷泉的聚焦可以通过各种不同的方式实现。例如，所述设备可以聚焦成直接在液气界面上、而且也可以聚焦成低于该界面而进入到液体样品内、或者高于该界面而可以由此聚焦到由卡盒所提供的高于液气界面的气体容积内。所有这些实施例都可以包含在术语“聚焦在液气界面上”中。所有可能的聚焦可能性的一个重要方面在于生成喷泉。从喷泉回到液体样品中的喷泉液滴可以在液体样品内引致空化过程。回到液体内的液滴可以引入小气泡和/或气膜，所述小气泡和/或气膜又可以是用于空化的起始点。为了更加精确，在下文中详细描述了聚焦的示例性
实施例：
作为聚焦的第一示例性实施例，在超声源和/或诸如透镜的可能的聚焦元件的焦距大于从超声源到液气界面的距离的情况下，虚焦点位于液气界面的上方并且由此位于卡盒的气体容积中。对于该条件，可以容易实现喷泉的形成。在该情况下，从超声源传播到液气界面的一定量的HIFU波没有传输到在该界面上方的气体容积内，而是被反射回样品内。由此，反射回的HIFU波或多或少地聚焦在液气界面上。应清楚地注意的是，在描述本发明时应包括这种方法的聚焦，即，提供在液气界面上方的气体容积中的虚聚焦区域或虚焦斑。如上所述，经由在液气界面处的回反射进行聚焦。本发明的一个重要方面在于所述设备以这种方式将HIFU波聚焦在液气界面上，以使喷泉被生成。这可以减小空化所需的功率阀值。
当然，HIFU波直接和明确地聚焦在液气界面上能够作为由所述设备聚焦HIFU波的第二示例性实施例。这也可以生成使功率阀值减小的喷泉。因为所述设备将所发射的具有足够高功率的HIFU波聚焦在液气界面上，所以在所聚焦的HIFU波的聚焦带中生成喷泉。
下文描述由所述设备聚焦HIFU波的第三示例性实施例：在超声源和/或诸如透镜的可能的聚焦元件的焦距小于从超声源到液气界面的长度的情况下，焦点或焦斑可以位于液体样品中。从焦斑或聚焦带到液气界面的示例性距离可以是范围为1cm-2cm之间，其中聚焦带位于在卡盒中的液气界面之下的液体内。由此，一个重要的方面在于具有略低于液气界面的焦斑的该聚焦生成了喷泉，并且由此减小了用于样品中的空化所需的功率阀值。
此外，应明确地注意的是，不应误解术语焦距，原因在于其建议了点聚焦。实际中，聚焦形状的范围可以从点状到圆柱状(对于弱聚焦弯曲超声源或天然聚焦平直超声源)。重要的是注意到，利用弱聚焦或弱聚焦超声源，喷泉可以形成在流体高度的较大范围上。还应当注意的是，对于较大的超声源输入功率，距液气界面(即液体表面)的距离可以增大，这使得HIFU波能够处理或加工卡盒中的较大容积。
换言之，提供了一种用于分子诊断的设备，以提供具有减小的功率阀值的空化。由所聚焦的HIFU波生成的喷泉的返回液滴由此作为样品内的成核特征。换言之，本发明的该示例性实施例不使用已知技术可能使用的同质空化。本发明的该示例性实施例使用异质空化，原因在于液体样品内的空化是由所述设备通过因聚焦而生成的喷泉所引致。
换言之，本发明的该示例性实施例避免经由卡盒的腔壁引致空化。
所述设备以引起喷泉的方式进行聚焦且所述喷泉又使液滴作为成核元件落回到液体中，该事实使用于在液体样品中产生空化所需的功率减小。换言之，在例如液体样品的处理、预处理或裂解期间，HIFU波的聚焦导致使用具有减小的能量和功率的HIFU波的可能性。这可以引起能够使用较小的换能器或超声源的优点。而且，因为可以使用减小的功率，也能够减小由于HIFU波的吸收所引起的加热，所以可以避免液体冷却。此外，可以使用用于HIFU波的固态材料的结合介质和传送介质。这意味着HIFU波在从超声源向样品传播时可以跨过干界面传输。这也可能是因所使用的HIFU波的功率的减小、以及在这些介质内的吸收被减小到不会引起熔化和/或退化的值。
此外，因使用较小的换能器或超声源，所以可以获得更高程度的小型化、并且设备的复杂性可以进一步减小。除此之外，可以使用基于聚合物的材料作为卡盒材料，原因在于通过能够使用具有减小功率的HIFU波，可以减小由卡盒吸收的HIFU波。
这意味着，卡盒可以由从包括以下的组中选取的材料形成：聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚甲基戊烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、基于聚合物的材料、以及其任意组合。除此之外，卡盒可以具有以下特性中的一个：一次性的、可消耗的、可移除的、可以包含一个腔或更多个腔、可包含一个样品或更多个样品、可工业化应用的。
这些前述优点可以使设备的成本减小、以及设备和/或卡盒的小型化。此外，由于不再需要冷却槽，因此避免样品受到来自冷却槽中的液体的污染的风险。
此外，应注意的是，为了裂解在液体样品中出现的细胞，可能需要空化。通过如上所述地减小用于产生空化所需的最小功率，所述设备现在能够使用具有较小超声源的一个设备配置，所述超声源使用能够进行混合和裂解的减小的功率值。
因为通过所述设备减小了用于在液体样品中产生空化所需的最小功率，所以能够在由聚合材料(例如聚乙烯、环氧树脂和硅)制成的卡盒中进行混合和裂解。因为减小了所使用的功率，所以可以通过本发明的该示例性实施例避免卡盒的熔化和/或退化。因此，作为卡盒的基于聚合物的加工腔可以是利用可消耗卡盒的完整的样品进结果出系统的一部分。这可以减小在样品处进行测量的成本。
换言之，本发明的该示例性实施例克服了已知技术的缺点，在已知技术中，卡盒或加工腔的壁结合了两个功能：首先容纳液体样品并且其次引致空化。与这些已知技术相反，在本发明的该实施例中，分开实施液体样品的容纳和液体样品中的空化的引致。容纳由腔实施，而空化的引致是由于液气界面上的聚焦导致，该聚焦导致减小用于引致空化的功率阀值的喷泉。
应清楚地注意的是，在本发明的任一实施例中，空化的开始可取决于HIFU超声源的功率。
此外，所述设备可以适于使得当所述设备被开启时，所述设备自动地调节若干不同的参数，以使喷泉生成。示例性参数可以例如是超声源的功率、焦斑位置和/或焦斑的形状。
根据本发明的另一示例性实施例，所述设备包括用于使在液体样品中产生空化所需的最小功率减小的成核元件，并且其中，从喷泉落回到液体样品上的喷泉液滴是成核元件。
所有可能的聚焦可能性的一个重要方面在于生成喷泉。从喷泉回到液体样品中的喷泉液滴可以在液体样品内引致空化过程。回到液体中的液滴可以引入小气泡和/或气膜，所述小气泡和/或气膜又可以是用于空化的起始点。
根据本发明的另一示例性实施例，所述设备包括用于控制高强度超声波的聚焦位置的控制单元。
控制单元可以例如使所述设备相对于卡盒定位并且可以由此控制三维定位系统，所述三维定位系统可以也包括在所述设备中。定位系统也可以定位卡盒的位置。由此，聚焦位置的一个重要方面在于，当对于例如使用细胞而在液体样品内需要空化时，聚焦位置如上所述地设置在液气界面处。
由此，应清楚地注意的是，喷泉的形成可能取决于所使用的高强度超声波的焦斑的几何形状。其也可能取决于HIFU的功率。
由此，喷泉由HIFU波生成，使得部分液体样品被推高或被送出液体样品而进入到在液体样品上方的气体容积中。换言之，卡盒适于使其提供用于在卡盒内的高于液气界面的气体容积的最小高度，其中气体容积的最小高度允许形成使功率阀值减小的喷泉。
根据本发明的另一示例性实施例，所述设备适于通过空化来裂解液体样品内的细胞。
换言之，通过以高强度超声波照射液体样品，也能够利用一个相同的设备和利用一个相同的卡盒进行样品或样品组分的裂解预处理，由此以高强度超声波预处理液体，其中利用从包括以下的组中所选取的方法完成预处理：试剂混合；循环；医用海绵的细胞、病原体和基质(matrix)的释放；感染；在室温或升高温度下利用试剂培育液体；摇动；混合；转向；提取和核酸提取；流动产生；液体匀浆；通过离心分离；以及其任意组合。换言之，在混合和裂解这两个步骤之间，通过本发明的该示例性实施例可以避免增大的超声源功率。
根据本发明的另一示例性实施例，在将卡盒插入到接收部分内时，由所述设备接收卡盒提供了高强度超声波在所述设备与卡盒之间的全干结合。例如，在所述设备中可以包括接收部分以提供这种干结合。
换言之，可提供用于HIFU波的传播路径，所述传播路径部分地包括液体材料且部分地包括固态材料。例如，柔性箔片可以用于建立起在液体结合介质与可能由聚合物制成的卡盒之间的界面介质。本发明的该示例性实施例结合了具有低衰减声学特性的液体结合器和可适于基于聚合物的卡盒的形状的箔片弹性的优点，以实现将HIFU波有效地结合至卡盒和样品。除此之外，所述设备的外表面是全干的并且箔片完全地包封液体。因此，可以减小污染的风险。另外，在卡盒泄漏的情况下，由于结合介质中的液体因被包封而排除其存在，因此可快速检测到该泄漏。
根据本发明的另一示例性实施例，所述设备还包括全固体结合器，所述全固体结合器用于在卡盒由所述设备接收时将高强度超声波从超声源至少部分地传输到卡盒。例如，所述设备的接收部分可以接收卡盒。
换言之，本发明的该示例性实施例可以完全使用固态材料用于将HIFU波从超声源传输到样品。因此，因为避免了任意的结合液体，所以避免了液体结合器和样品被污染的风险。在卡盒泄漏的情况下，因为没有用于结合的液体存在，所以能够明确地检测到该泄漏。这可以便于利用所述设备进行的测量。另外，这可以减小利用所述设备进行测量的成本。
根据本发明的另一示例性实施例，所述设备还包括以下中的至少一个：提取单元；核酸扩增单元；试剂储存单元；用于测量液体样品的物理参数的检测单元，其中所述设备适于基于所检测的物理参数来分析液体样品。根据该实施例，所述设备可以包括例如：提取单元；提取单元和核酸扩增单元；提取单元、核酸扩增单元和检测单元。在这些选项中的每一项中，除了在前句子中所列举的每个选项的元件外，可以存在试剂储存单元。提取单元允许从由所述设备加工的样品中获得核酸。核酸扩增单元允许扩增(使用例如PCR)从样品中所获得的核酸。试剂储存单元包括用于例如提取和/或扩增所需的试剂。
换言之，本发明的该示例性实施例是完全的样品进结果出系统，其中，首先样品可以被预处理、其次可以由所述设备向样品施加裂解处理步骤、并且再次例如可以利用检测单元进行光学测量。除此之外，加工单元可以加工由检测单元传输的数据并且可以提供测量结果，该结果可以输出给使用者。
此外，所述设备例如可以包括用于激活液体样品以用于分析步骤的激活单元；例如激光器、机械搅拌器、或在液体样品中导致电流的电子部件。
另外，所述设备可以具有用于聚焦HIFU波的透镜。透镜也可以是卡盒的一部分。
根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种用于以声能照射液体样品以在液体样品中产生空化的系统，其中所述系统包括根据前述实施例中的一个所述的设备和用于容纳液体样品的卡盒。
根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种用于以声能照射样品以在液体样品中产生空化的方法。由此，所述方法包括以下步骤：提供用于发射高强度超声波的超声源；提供容纳有液体样品和在卡盒内的液气界面的卡盒；以及将高强度超声波聚集在卡盒内的液气界面上。
根据本发明的另一示例性实施例，所述方法还包括以下步骤：在卡盒内生成液体的喷泉以及由喷泉的液滴在液体样品中引致空化的过程。
在与已知技术中使用的匀质空化的清晰对比中，该方法提供了具有减小的功率阀值的异质HIFU引致的空化。
根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种计算机程序元件，其中所述元件的特征在于，当在计算机上使用时适于以导致计算机执行以下步骤：从超声源发射高强度超声波、以及将所述高强度超声波聚焦在容纳有液体样品的卡盒内的液气界面上，以用于在液体样品内引致空化。
在本发明的另一示例性实施例中，提供了一种计算机可读介质，其中所述计算机可读介质具有存储在其上的根据前述实施例的计算机程序元件。
根据本发明的另外的实施例，提供了一种用于使计算机程序元件能够用于下载的介质，所述计算机程序元件设置成执行根据本发明的一个前述实施例所述的方法。
根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种卡盒，所述卡盒用于以声能照射液体样品以在液体样品中产生空化的设备，所述卡盒包括用于容纳液体的腔和固定在该腔上的成核元件。
应清楚地注意的是，该示例性实施例可以实现为不依赖于在液气界面上的聚焦、并且可以实现为不依赖于喷泉的生成。因此，该突起的成核元件(其可以例如是陶瓷杆或者例如氧化铝)与喷泉生成相反，对于本发明的该示例性实施例可以不需要气体间隙。
现在，成核元件的粗糙表面自身可以是小气泡的源头，所述小气泡又作为成核地点。
换言之，卡盒将空化增强装置引入到容纳在腔中的液体样品内。通过将这些空化增强装置引入到聚焦带中或附近，可以实现使引致空化所需的功率阀值减小一个数量级。由此，聚焦带可以不与腔壁相接触。应清楚地注意的是，所述设备的前述优点类似地包含在本发明的该实施例中。
由此，可以使用用于成核元件的具有特定的粗糙表面特性的材料。另外，可以使用在聚焦带中或附近抵抗HIFU波功率足够长的材料，以满足由带有该卡盒的设备所进行的测试。例如，陶瓷杆或铝制元件可以有效地引致空化。
根据本发明的另一示例性实施例，卡盒包括突起元件以将成核元件固定在卡盒上。
应清楚地注意的是，该示例性实施例可以实现为不依赖于在液气界面上的聚焦、并且可以实现为不依赖于喷泉的生成。
由此，突起元件可以是适于将成核元件固定或设置在卡盒内以使例如陶瓷杆之类的被固定的成核元件定位在液体样品内的聚焦位置上的任一种装置。这可以在图8和图9中以详细的方式见到。
根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种用于以声能照射液体样品以在液体样品中产生空化的系统。所述系统包括一设备，其中所述设备包括用于发射高强度超声波的超声源。此外，所述设备适于接收卡盒。例如，所述设备可以包括接收部分。所述系统还包括根据两个前述卡盒实施例的中的一个的卡盒。由此，卡盒容纳液体样品并且在卡盒由所述设备接收时，所述设备将高强度超声波聚焦在成核元件上。
根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种用于以声能照射液体样品以在液体样品中产生空化的设备。所述设备包括用于发射高强度超声波的超声源。所述设备适于接收卡盒，所述卡盒容纳有液体样品，并且——在卡盒由所述设备接收的情况下——所述设备适于将高强度超声波聚焦在卡盒中的成核元件上。
因为对于本发明的这些实施例，通过插入成核元件减小了用于在液体样品中产生空化所需的最小功率，所以利用这种系统也可能的是部分干结合或者使用仅固态材料的全干结合。上文也描述了这种干结合和利用固态材料的全干结合的细节和优点。
所述实施例类似地包含所述设备、所述系统、所述方法、所述计算机程序元件、所述计算机可读介质以及所述卡盒。虽然它们可能不被详细地描述，但是从这些实施例的不同组合中可以出现协同效应。
此外，应注意的是，本发明的关注于方法的所有实施例都可以依照所描述的步骤顺序执行，尽管这并不必然是所述方法步骤的唯—主要的顺序，由此描述了所述方法步骤的顺序和组合的所有不同的顺序。从下文中描述的实施例的示例也能够推出本发明的以上限定的方面和其他方面、特征和优点，并且参照这些实施例的示例进行解释。在下文中将参照这些实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明并不限于这些示例。
附图说明
图1示意性地示出根据本发明的一个示例性实施例的用于以声能照射液体样品以产生空化的系统；
图2示意性地示出根据本发明的另一示例性实施例的用于以声能照射液体样品以在液体样品中产生空化的系统；
图3示意性地示出根据本发明的另—示例性实施例的卡盒；
图4示意性地示出以被动式空化检测器获得的频谱；
图5示意性地示出描绘HIFU对白色念珠菌的作用的示图；
图6示意性地示出根据本发明的另一示例性实施例的用于以声能照射液体样品以在液体样品中产生空化的系统；
图7示意性地示出根据本发明的另一示例性实施例的带有成核元件的卡盒；
图8示意性地示出根据本发明的另一示例性实施例的带有成核元件的卡盒；
图9示出根据本发明的另一示例性实施例的方法的流程图。
具体实施方式
在若干附图中，对相似的或相关的部件提供相同的附图标记。附图中的视图是示意性的而没有完全按比例。
图1示出用于以声能照射液体样品101以在液体样品中产生空化的设备100。所示设备包括用于发射高强度超声波103的超声源102。此外示出用于接收卡盒105的接收部分104。在本发明的该示例性实施例中，接收部分104被实施为固定元件127，卡盒105能够固定在该固定元件127上并且随后定位在期望的位置。该位置可以设置成使得在卡盒被插入到接收部分中时所述设备将高强度超声波103聚焦在液气界面106上。
在图1中清楚地看到，聚焦位置111定位在液气界面106上。通过将声能聚焦在液气界面上或足够靠近液气界面并且通过利用用于换能器102的足够高的功率，由HIFU波生成液体的喷泉108。如图1中所示，已经在卡盒内并且在液气界面的上方形成喷泉。从喷泉落回到液体样品上的喷泉液滴109是用于使在液体中产生空化所需的最小功率减小的成核元件107。回到样品中的喷泉液滴109能够引致空化。液滴109可以引入小气泡和/或气膜，所述小气泡和/或气膜又是用于空化的起始点。
换言之，本发明的该示例性实施例避免靠近卡盒壁129的聚焦，这可以避免卡盒材料的熔化和/或退化。而且减小的功率可以避免卡盒材料的熔化和/或退化。因此，基于聚合物的卡盒——其可以是样品进结果出的可消耗系统的一部分——是可能的。此外，因为减小了用于产生空化所需的最小功率，所以能够在一个单一卡盒中相继地进行混合和裂解而无需大量地改变所使用的超声源102的功率。换言之，其能够避免不得不使用用于样品的玻璃容器。这是因为与利用同质空化的已知技术相比，异质空化由HIFU经由喷泉引致。HIFU波可以例如处于MHz范围中。
因为通过本发明的该示例性实施例减小了用于产生空化所需的最小功率，所以可以使用较小的换能器，这对应于设备的小型化的可能性。因此，所述设备提供跨过干界面130传输HIFU波103的可能性，所述干界面例如是由弹性箔片制成的声窗。此外，在包括设备100和卡盒105的系统113内使用基于聚合物的卡盒材料的可能性对应于用系统113进行测量的成本的减小，并且可以对应于增大的生态兼容性，原因在于用所述设备进行的平均测量所需能量较少。
此外，计算机115示出为具有存储在该计算机上的计算机程序元件114，该计算机可以适于经由控制单元110引起在液气界面106上的聚焦。控制单元可以经由导线117控制定位系统128，以使聚焦位置111与液气界面106相匹配而产生喷泉。此外，用于测量液体样品的物理参数的检测单元112示出为位于卡盒105内。检测单元可以例如被实施为被动式空化检测器(PCD)，所述被动式空化检测器可以是压电换能器。经由导线126，处理单元125可以基于所检测的物理参数分析液体样品。
此外，图1示出用于超声源102的壳体121，例如为了保护超声源免于液体结合流体119。因此，本发明的该示例性实施例示出HIFU波从超声源102到卡盒105的至少部分湿结合。壳体可以通过螺钉122固定至腔120以用于结合介质119。当然，也能够利用如下设备产生喷泉：该设备在如上所述的HIFU波的传播路径中使用全干结合而无需任何液体。131示出活塞，可以通过沿方向132移动该活塞来限定在液气界面上方的高度。通过将活塞从与样品的直接接触竖直向上(图1中的向上方向)移动，随着活塞离开界面的距离的增加可以减小在样品中进行空化的功率阀值。换言之，空化可以是在液体样品上方的气体容积的函数。
本发明应当不限于此的可能的技术装备可以是以下装置：PM5193：具有工作范围在0.1MHz与50MHz之间的可编程合成器/功能发生器。放大器：ENI240L功率放大器50dB 20kHz-10MHz或者AR全世界KAA204RF功率放大器50dB 0.5-100MHz 200W；泰克(Tektronix)TDS3014：四通道彩色数字磷光示波器；安捷伦(Agilent)4395A：10Hz-500MHz/10Hz-500MHz/10kHz-500MHz网络/光谱/阻抗分析器；HiFu压电换能器：由东方金荣(Dongfang Jinrong)提供的JR20/60；被动式空化检测器(PCD)(压电换能器)：由东方金荣提供的JR20/60、JR15/30、JR12/30。
此外，改进的10ml PP注射器可以用于基于空化装置的喷泉。可以移除注射器针头，并且可以将100μm PP箔片激光密封至顶侧。活塞可以用于调节在液体样品上方的气体容积。可以利用超声胶(由Parker实验室公司提供的Aquaflex)将PCD夹持在注射器壁的外侧，由此构成可能的突起元件。PCD用于研究在注射器内部的空化。类似的设置可以用于证明跨过干界面的基于喷泉的空化。类似的设置可以用于决定由粗糙界面所引致的空化。
图2示出用于以声能照射液体样品101以在液体样品中产生空化的系统113的另一示例性实施例，其中设备100和用于容纳液体样品的卡盒105包括在该系统中。此外，检测单元112示出为放置在液体样品中。此外，示出了生成回落液滴109的喷泉108。超声源102结合于卡盒105的位置设置并且可能结合于透镜(未示出)设置，使得聚焦位置111定位在液气界面106上。本发明的示例性实施例示出通过全固体结合器200的HIFU波103的全干结合。因为通过喷泉减小了用于产生空化所需的最小功率，所以可以将全固态材料(例如基于聚合物的材料)用作结合介质，原因在于在传输HIFU能量的材料中避免了大部分的热量生成或变形。
图3示出用于设备301的卡盒300，所述设备301用于以声能照射样品以在液体样品中产生空化。卡盒包括用于容纳液体样品的腔302和固定在腔上的成核元件303。成核元件可以例如是陶瓷杆的陶瓷元件、或者铝制元件。由此，成核元件303的表面粗糙度可以适于使得在与没有这种成核元件的设置相比时以减小的功率水平引致空化。此外，用于成核元件的材料选取为使得其在焦斑111中或附近抵抗HIFU波功率足够长，以完成利用系统701进行的测试。系统701包括设备301，该设备301自身包括超声源702。此外，示出包括在设备中的接收部分705。由此，接收部分被实施为固定元件304，卡盒300能够固定在该固定元件304处，从而在卡盒被插入接收部分中时将其定位成使得所述设备将HIFU波聚焦在成核元件上或附近。
图4示出由插入到卡盒中的被动式空化检测器(PCD)获得的频谱，在所述卡盒中空化通过如上所述的喷泉或成核元件引致。插图404示出没有空化的图谱。x轴401显示以Hz为单位的频率，其中y轴402显示由PCD测量的功率相对于特定参考水平的分贝值。由此，插图404仅反映图谱401的剩余部分。在401和404中的顶峰分别是在1.7MHz处的基础频率405和谐波403。呈现在401中的宽带信号证实空化的出现。
图5示出图500，其中x轴501显示空化值，该空化值由此应定义为PCR循环的数目。此外，y轴502显示相对的荧光单元(RFU)值。曲线503、504、505和506示出了HIFU对白色念珠菌细胞的影响。503示出对于未处理的细胞的曲线(两重)；506示出用玻璃珠处理后的细胞，其中504和505示出细胞暴露给热量的结果。与此相反，507显示细胞暴露给根据本发明的HIFU的结果。因此，图5公开了与现有的黄金标准相比，加热具有六倍高的Ct值(定义如下)并且利用本发明的裂解具有六倍低的Ct值，其中应清楚地注意的是，较低Ct值具有若干优点。
下文将描述术语CT值和较低Ct值的优点。Ct值是检测到的信号穿过预设定的RFU值的PCR循环数目。低Ct意味着需要低数目的增殖步骤以超过阀值。换言之，低Ct值对应于高初始DNA浓度并且由此对应于在本发明的利用HIFU的情况下进行的非常有效的裂解。换言之，本发明可以以2^6＝64的因子来克服黄金标准。
图6示出本发明的用于以声能照射液体样品以在液体样品中产生空化的系统701的另一示例性实施例。该系统包括设备301和用于发射HIFU波704的超声源702。该系统还包括卡盒300，其中该卡盒容纳液体样品101。设备300还包括用于接收卡盒的接收部分705。由此，接收部分可以是在将卡盒插入到所述设备中时所述设备中与卡盒建立起物理接触的任意元件或部件。
由此，当卡盒被插入到接收部分中时，设备301将HIFU波聚焦在成核元件303上。此外，卡盒包括用于容纳液体样品的腔302并且包括固定在腔上的成核元件303。为了充分固定成核元件，在卡盒内包括突起元件700以将成核元件固定在卡盒中。由此，在本发明的这个实施例中以及任意其他实施例中，突起元件可以通过能够保持和固定成核元件的任意装置被实施为使得成核元件延伸到液体样品内并且聚焦位置707能够被定位在成核元件303上或附近。
本发明的该示例性实施例能够使用在具有全干结合的配置中，其中系统701包括全固体结合器706。例如，基于聚合物的材料可以用于将HIFU波从超声源结合至卡盒。除此之外，可以被实施为声窗的干界面708能够与本发明的该示例性实施例一起使用，原因在于能够实现减小的用于空化的最小功率并且由此能够避免卡盒材料的受热或泄漏。
图7示意性地示出具有从顶部800突出的至少一个成核元件303的卡盒105的实施例。通过突起元件709实现该突起，该突起元件709被实施为夹持成核元件303的夹具710。顶部可以是卡盒的一部分但是也可以是物理分开的元件。取决于成核元件的直径和超声源102的焦斑或聚焦带111的直径，成核元件可以与聚焦带的竖直轴线成一直线但是也可以偏心设置。卡盒的突起元件709实现成核元件的竖直固定。但是也可以是通过突起元件的水平、倾斜、中心或非中心固定。应清楚注意的是，能够不依赖于在液气界面上的聚焦和喷泉的形成来使用这种类型的空化引致。
图8示意性地示出具有至少一个成核元件303的卡盒105的另一实施例。顶部800具有两个侧壁900和901。换言之，卡盒包括作为用于成核元件303的固定元件的突起元件700。因此，成核元件从侧壁901水平地突起。象征性地示出发射HIFU波的超声源102。应再次清楚注意的是，能够不依赖于在液气界面上的聚焦和喷泉的形成使用这种类型的空化引致。
图9示出根据本发明的示例性实施例的方法的流程图，其中所述方法包括：提供用于发射高强度超声波的超声源的步骤S1、以及提供容纳液体样品和在卡盒内的液气界面的卡盒的S2。在第三步骤S3中，将所发射的高强度超声波聚焦在卡盒内的液气界面上。通过将HIFU波聚焦在液气界面上，产生离开液体样品的液体，这使得液滴落回到样品内并且减小在液体样品内开始空化的功率阀值。图8和图9均示出具有诸如陶瓷杆或铝成核元件的成核元件的卡盒，通过该成核元件可以减小用于腔302内的样品中的空化的功率阀值。这些成核元件的粗糙表面可以是当将HIFU波聚焦到它们之上时小气泡的来源，这些气泡又可以作为成核地点。
从对附图、说明书和所附权利要求的研究，本领域的技术人员能够理解和实现所公开实施例的其他变型并且能够实践本发明。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”并不排除复数。单个处理器或其他单元能够实现在权利要求中所述的若干物件或步骤的功能。某些措施在相互不同的从属权利要求中叙述的简单事实并不表明这些措施的结合不能被优先地使用。计算机程序可以存储/分布在比如与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质的合适介质上，而且也可以分布在比如经由互联网或其他有线或无线通信系统之类的其他形式中。
在权利要求中的任意附图标记不应理解为限定权利要求的范围。

Claims (16)

1.用于以声能照射液体样品(101)以在所述液体样品中产生空化的设备(100)，所述设备包括：
超声源(102)，所述超声源用于发射高强度超声波(103)；
其中，所述设备适于接收卡盒(105)，所述卡盒容纳所述液体样品和液气界面(106)；
所述设备适于聚焦所述高强度超声波，以使得在所述卡盒由所述设备接收时，在所述卡盒内生成在所述液气界面上方的液体的喷泉(108)。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括：
成核元件(107)，所述成核元件用于减小在所述液体样品中产生空化所需的最小功率；并且
其中，从所述喷泉落回到所述液体样品上的所述喷泉的液滴(109)是所述成核元件。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的设备，还包括：
控制单元(110)，所述控制单元用于控制所述高强度超声波的聚焦位置(111)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，
其中，所述设备适于通过所述空化裂解在所述液体样品内的细胞。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，
其中，当所述卡盒由所述设备接收时，所述设备的所述接收提供了所述高强度超声波在所述设备与所述卡盒之间的全干结合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括：
全固体结合器(200)，所述全固体结合器用于在所述卡盒由所述设备接收时将所述高强度超声波从所述超声源至少部分地传输至所述卡盒。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括：
以下中的至少一个：提取单元、核酸扩增单元、试剂储存单元、用于测量所述液体样品的物理参数的检测单元(112)；
其中，所述设备适于基于检测到的所述物理参数分析所述液体样品。
8.用于以声能照射液体样品以在所述液体样品中产生空化的系统(113)，所述系统包括：
根据权利要求1至8中任一项所述的设备(100)；以及
用于容纳所述液体样品的卡盒(105)。
9.用于以声能照射液体样品以在所述液体样品中产生空化的方法，所述方法包括以下步骤：
提供用于发射高强度超声波的超声源(S1)；
提供卡盒，所述卡盒容纳所述液体样品和在所述卡盒内的液气界面(S2)；
将所发射的所述高强度超声波聚焦在所述卡盒内的液气界面上(S3)。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：
在所述卡盒内生成液体的喷泉(S4)；以及
通过所述喷泉的液滴在所述液体样品中引致空化过程(S5)。
11.计算机程序元件(114)，其特征在于，当在计算机(115)上使用时，所述计算机程序元件适于使所述计算机执行以下步骤：
从超声源发射高强度超声波；以及
将所发射的所述高强度超声波聚焦在容纳有液体样品的卡盒内的液气界面上，以用于在所述液体样品内引致空化。
12.计算机可读介质；
其中，所述计算机可读介质具有储存在其中的根据权利要求11所述的计算机程序元件。
13.卡盒(300)，所述卡盒用于以声能照射液体样品以在所述液体样品中产生空化的设备(301)，所述卡盒包括：
腔(302)，所述腔用于容纳所述液体样品；
成核元件(303)，所述成核元件固定在所述腔上。
14.根据权利要求13所述的卡盒，还包括：
突起元件(700)，所述突起元件将所述成核元件固定在所述卡盒上。
15.用于以声能照射液体样品以在所述液体样品中产生空化的系统(701)，所述系统包括：
根据权利要求13或14所述的卡盒(300)；
其中，所述卡盒容纳所述液体样品(101)；
设备(310)，所述设备包括：
超声源(702)，所述超声源用于发射高强度超声波(704)；
其中，所述设备适于接收所述卡盒；以及
其中，在所述卡盒由所述设备接收时，所述设备将所述高强度超声波聚焦在所述成核元件(303)上。
16.用于以声能照射液体样品以在所述液体样品中产生空化的设备，所述设备包括：
超声源(102)，所述超声源用于发射高强度超声波(103)；
其中，所述设备适于接收卡盒(105)，所述卡盒容纳所述液体样品；
其中，所述设备适于在所述卡盒由所述设备接收时，将所述高强度超声波聚焦在所述卡盒中的成核元件上。
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