CN102395868B - 利用聚焦声能处理样本 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于利用聚焦声能处理样本的装置。由此，经由完全干式传播路径从源向样本传送所生成的声能。包含样本(101)的盒(103)被插入到仪器(102)中，其中，该插入形成干式传播路径。
Description
技术领域
本发明涉及利用聚焦声能处理样本。具体来说，本发明涉及用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的装置，和用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的方法。
背景技术
近年来，对还已知为微全分析系统(microTAS)或芯片上实验室的样本入结果出装置的许多方面的改进，出于多种理由，产生了对体外诊断(IVD)应用的越来越多的关注。例如，集成和小型化导致这样的系统：该系统需要相对较小的、可接受的样本污染风险，高灵敏度以及短周转时间的测试，和每测试较低的成本。而且，在样本输入和结果生成之间应当需要最小操作员干涉。操作员干涉可以由相对不熟练的操作员并借助对操作环境的适度需求来进行。
利用声能处理样本的已知技术可能不适于如分子器件应用的某些应用，因为在完成声处理之后，在内部具有液体样本的泄露盒与该装置本身所使用的液体之间可能不会产生区别。这在利用这种液体耦合的这些装置内可能是不可接受的处理结果。
而且，包括如例如混合的复杂操作的预处理功能相对于其它处理功能分离且独立地处理。这与进一步小型化和集成的本领域中的一般趋势相反。更加严重的是，其例如与具有真正小尺寸系统的医院或实验室需求相矛盾，因为这些设置中可用空间非常有限。
除了该分子诊断测试通常包括利用复杂压电阵列、复杂控制系统以及复杂电驱动器的技术以外，这些技术还很昂贵，需要许多技术支持并且还需要很多空间。
发明内容
本发明的一个目的可以是提供改进的样本处理。
该目的可以通过根据独立权利要求中的一项的主题来实现。本发明的实施方式在从属权利要求中进行了描述。
定义和缩写语：
应注意到，在本发明的上下文中，将使用下列定义和缩写语：
干式耦合：
术语“干式耦合”在本发明的上下文中被用作声能仅通过非液体物质从源至样本的完全传送。
声能：
术语“声能”在本发明的上下文中被用作包括如声波(sonic)能、声波、声脉冲、超声能、超声波、超声、冲击波、声音(sound)能、音(sound)波、声波脉冲、脉冲、波或这些术语的任何其它语法形式。
焦点区和焦点：
如在本发明的上下文中使用的“焦点区”或“焦点”意指其中声能会聚和/或碰撞目标或样本的区域，尽管该区域不一定必须是单个聚焦点。
装置：
本发明的上下文中的表达“装置”包括分子诊断装置和其它装置。该装置例如可以应用于医疗保健/生命科学、食品工业、兽医业以及法医应用。
样本：
应当明确地注意到，术语“样本”可以包含利用根据本发明的装置被处理的用于分子分析的样本。例如、血液、培育血、尿、吸出物、具有水状粘度的样本、异质样本或如BAL的载体上的样本、唾液、气管吸出物、CSF、具有病原体的拭子和/或刷子。尽管如此，这不意指任何其它种类的物质、固体、液体、气体或其任何组合不可以是样本并且不可以被本发明利用聚焦声能照射。
NA：
“NA”将被用于任何核酸。
源：
在本发明的上下文中，术语“源”将被同义地用于术语“换能器”。另外，能够发射如本发明上下文内定义的声能的任何其它装置包括在所述源中。
传播路径：
表述“传播路径”在本发明上下文中描述声能从源至少通过耦合器和盒的任何组合到样本的路线。如透镜、另外的耦合器的其它部件可以处于该传播路径中。因而，在该传播路径中，这些不同部件的中间接触层也被声能通过。另外，可以包括如例如声窗(acousticwindow)或接触面介质的其它层。
衰减：
术语“衰减”在本发明上下文中涉及减小所生成的声能的强度。这例如可以因反射、吸收、衍射或其任何组合而引起。
处理样本：
术语“处理”在本发明上下文中被用于描述聚焦声能与样本的相互作用。通过按各种特定方式将声能聚焦到样本上，在该样本中引起声化学和/或声物理反应，以生成如例如混合、扩散、搅拌、从拭子或刷子的洗脱、液化、细胞溶解或细胞释放的功能。由此，“处理”的这种定义还描述了在称作“预处理”的过程期间的声物理和/或声化学相互作用。换句话说，“处理”除其它功能以外还包括样本的“预处理”。
处理腔室：
表述“处理腔室”将类似地被用于“腔室”和“盒的腔室”。
超声：
术语“超声”和“超声波”将被用于频率在20kHz与100kHz之间的循环声压。
高强度聚焦超声(HiFu)：
术语“HiFu”在本发明上下文中将被用作具有范围在0.2MHz到10MHz的源频率的聚焦声场，该聚焦声场具有被选择成足够有效，以致于在焦点区中生成高压冲击波和/或气穴的振幅。焦点区尺寸(长度和直径)取决于源换能器类型(例如，平坦型源换能器的自然聚焦，或锥形/球形源换能器的加强聚焦)。用于所指示的频率范围的示例性长度标度是(亚)毫米。
样本入结果出系统：
接受(例如，生物)样本的系统进行全部所需准备步骤以准备检测任何种类的事实、进行检测并且递送检测结果。例如，可以设置用于分子分析样本(举例来说，如血液或其它细胞)的装置，其提供所有必需的分析步骤，从提供自然的未处理样本到分析结果。
透镜：
在本发明上下文中，术语“透镜”可以被用作使得能够传播或会聚声能的组件或系统。能够影响所生成声能的传播特性的任何物质都应当被包括在术语“透镜”内。
接触面/接触面介质：
在本发明上下文中，声能的传播路径可以包括若干组件，如源、全固态耦合器(fullsolidcoupler)以及盒。为了描述其中传播路径的这些不同部件彼此物理接触的转折点或区域，使用术语接触面和接触面介质。例如，如果耦合器与盒物理接触，则耦合器的接触面介质描述了在与盒相接触的耦合器的这个区域内耦合器使用的材料。
耦合器：
术语耦合器在本发明上下文中将被用作为声能的传播路径的一部分，并且可以与其它部件一起将声能从源传送至盒。而且，术语耦合器将与术语全固态耦合器类似地使用。
固态凝胶：
在本发明上下文中，“固态凝胶”仅包括凝胶成型材料。其是全固态的并且其同时是凝胶。液态物质在固态凝胶内被完全避免。因而，在使用固态凝胶时，避免水或水凝胶。因而，术语“凝胶”在本发明上下文中与术语“固态凝胶”类似地使用。
应注意到，下面描述的实施方式类似地关于用于利用聚焦声能照射样本的装置和用于利用聚焦声能照射样本的方法。协同效应可以随着这些实施方式的不同组合而出现，尽管可能未对它们进行明确或详细描述。
进一步地，应注意到，本发明的涉及方法的所有实施方式可以按照所述步骤的次序执行，尽管如此，这不必是该方法步骤的唯一和必需的次序。此处公开了该方法步骤的所有不同次序和组合。
根据本发明第一方面，提供了一种用于在源与盒之间完全干式耦合声能的全固态耦合器。因此，在本发明第一示例性实施方式中，呈现了一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的装置，其中，该装置包括：仪器、盒、全固态耦合器以及用于生成声能的源。而且，所述盒具有用于接纳所述样本的腔室，并且所述全固态耦合器在所述源与所述盒之间提供声能的完全干式耦合。所述仪器和所述盒适于将所述盒插入到所述仪器中，其中，所述盒和所述仪器可分离。
下面，对根据第一示例性实施方式的装置的可能的进一步的特征和优点进行详细说明。
换句话说，通过将盒插入到仪器中，生成了用于从源到样本的聚焦声能的完全干式传播路径。仪器的所有不同干式组件、盒、全固态耦合器以及源由此在将盒插入到仪器中之后按完全干式方式连接。耦合器通常从其一个端部向另一端部传送声能。应当明确注意到，按这样的方式在所述装置处布置所述全固态耦合器，使得其按干式方式补足或完成声能在源与盒之间的传播路径。换句话说，在全固态耦合器插入前，传播路径包括：第一干式部分传播路径以及第三部分传播路径。通过在这两部分之间插入耦合器，提供缺失的第二部分路径。完整的传播路径可例如首先由接合至聚焦换能器的材料形成，其次由基于聚合物的耦合器形成，第三由耦合器与盒之间的箔形成。由此，实现源与盒之间的完全干式耦合。因而，全固态耦合器不必须通过本身形成整个传播路径。但若希望，本发明的一个示例性实施方式可以实现该方案。
因此，避免使用水或水凝胶或任何含凝胶的液态物质。因而，在完成利用所述声能照射所述样本之后，可以在包含液态物质的可能泄露盒与耦合介质之间进行清楚区别。换句话说，所述装置的用户可以更清楚、甚至更快速地识别因盒泄露而造成高污染风险的情况。
由于仪器和盒是物理分离或至少可分离的完全不同的组件，因而要处理样本的体积可以通过选择不同盒来选定。而且，盒的腔室可以不完全充满样本，并由此在腔室内的样本上方具有另外的空气层。与所谓的导流系统(flowthroughsystem)相比，这可以有若干技术优点。样本上方的空气层的示例性优点是：可以利用HiFu引入有力混合，允许处理比焦点区体积大得多的样本体积。例如，通过用HiFu照射来生成样本液体的喷泉(fountain)，可以经由在喷泉周期中迫近的样本液体的循环来提供混合机制。由此，HiFu能量生成喷泉的焦点区与样本体积相比可以非常小。尽管如此，HiFu经由喷泉启动混合过程。因而，通过本发明的该示例性实施方式可以避免照射要混合的整个样本体积的需要。换句话说，可以通过相对较小的装置来处理较大的样本。
另外，HiFu可以生成喷泉，其可以被用于按相对较低(缩减)的功率生成气穴。通过返回至液体的喷泉液滴可以在样本中引入气穴核，与水中的同质空穴相比，其可以将功率阈值缩减一个量级。换句话说，通过从样本中生成喷泉(例如，在样本是液体时)，可以缩减用于换能器的最小功率，并由此缩减要从源发射的最小声能。这可以导致本发明上下文中描述的优点。
换句话说，由于喷泉产生盒内的样本与周围空气的更大接触表面，所以除了导致样本中的混合以及缩减气穴功率阈值以外，喷泉还可以用于冷却样本。
盒和仪器的物理分离可以造成非集成系统，其意指源、耦合器以及盒可以彼此独立地选择并应用于测量。换句话说，当限定系统的三个构成部件(源、耦合器以及盒)之间的接触面时，可以进行这三个构成部件的独立选择，只要该选择与接触面适配即可。
因为盒和腔室的尺寸独立于源的尺寸和形状以及所述耦合器的尺寸和形状的事实，在不需要改变装置的声特性的情况下，可以扩增盒容积。与本发明该实施方式相比，导流系统的缺点可以是：在不必同样增大换能器的情况下，可能扩增所述腔室。
另外，其可以依靠聚焦到焦点区上并且避免与声能和腔室的壁部的相互作用的相关性。换句话说，腔室的壁部不用作换能器。与此相反，已知系统必须考虑腔室壁部的谐振频率是几何特性和材料特性的函数。这些系统必须将其与源频率相匹配。由于按这种描述方式不依靠声场与壁部的相互作用，因而可以与换能器选择相独立地进行腔室的扩增。
由于盒可与仪器物理地分离，因而盒可以是一次性、可消耗性以及可去除的盒，这可以导致用于利用聚焦声能分析样本的便宜的系统。在处理样本之后，盒可以丢弃，而不需要丢弃源或耦合器。因而，通过用于具有不同样本的多种不同盒的一个单个仪器、一个固态耦合器以及一个源提供的多个测量是利用干式耦合的一种可能方式。
所述装置还可以包括用于将所生成的声能聚焦到样本上的透镜。
而且，用聚焦声能照射样本导致对样本的处理。
源或换能器可以是在kHz或MHz频率之间操作的平坦或弯曲压电换能器。所述换能器的直径例如可以在5mm与35mm之间，以适配将希望在盒中处理的体积范围(0.2mL-10mL)。换能器的焦距可以从5mm至80mm变化。换能器电输入功率可以从2W至100W变化。根据本发明的该示例性实施方式，与现有已知技术相比，可以以较低功率处理样本。因而，避免了因周围物质(尤其是源与样本之间的物质)的声能吸收而造成的加热，使得能够引入干式耦合。
换能器可以按连续模式或突发模式操作。向换能器应用的信号可以具有不同和可变形式：例如，正弦状、块状、三角状，或其任何组合。频率可以另外调节成补偿针对加热的频移或者切换焦距。
盒可以具有下列特征之一：一次性、可消耗、可去除，可以包含一个腔室或许多腔室，可以包含一个样本或许多样本，可工业应用。所述盒材料不限于但例如还可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate)(PET)；聚甲基戊烯(PMP)聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate)(PMMA)、聚碳酸酯(PC)以及聚苯乙烯(PS)。
除此以外，盒还是与耦合器物理独立的装置。因而，盒与仪器并且还与耦合器不同并且可分离。本发明该示例性实施方式不排除耦合器被放置或固定到盒或仪器上，而是包含这种可能性。
一个主要优点是，可以在盒的一个单个腔室中进行样本的全部希望和需要的处理。而且，所施加声能的整个处理可以利用来自装置的一个单个源的所有必需致动根据样本入结果出原理来进行。通过聚焦声能，样本可以在作为处理腔室的一个单个腔室中，以如样本预处理和细胞溶解的许多不同功能来处理。尤其是，HiFu可以被用于这些处理。
为实现接收位置(盒中的腔室，并由此在样本处)处的高强度声能，优选的是，源或换能器和/或透镜的焦点质量足够高，材料沿所述声能的传播路径的声衰减足够低，其意指低阻抗和/或低厚度，并且在所述材料接触面处沿所述声能的传播路径的反射足够低，其意指对于干式耦合器来说，两个接触层的厚度和粗糙度应当足够小。本发明该示例性实施方式满足这些需求。
电力可以从仪器例如经由引线或电刷向源提供。全固态耦合器可以包括不同片段、部分或区段。
而且，干式耦合可以在微米级上引起例如源与耦合器(第一层)之间的接触，和/或耦合器与盒(第二层)可以接近直接接触状态，换句话说，尽可能靠近，以便实现有效干式耦合。因而，两个层的表面在尽可能共形的情况下可以处于微米级或纳米级，以最小化或消除在干式接触下两个层之间的气陷(air-pocket)。
换句话说，为了最小化或消除气陷，装置可满足下列需求：源、耦合器、盒、全固态耦合器以及接触面介质的表面粗糙度可以足够低。而且，所使用的材料可以足够“柔韧”，以实现保形性。由此，保形性的次序可以认为是：液体＞水凝胶＞固态凝胶＞橡胶＞(弹性)箔＞热塑性聚合物＞热硬物(thermoharder)、金属、陶瓷以及其它固态材料。
声能或声辐射可以未聚焦地通过路径的第一部分传播，并且随后可以在该路径的第二部分内聚焦，以聚焦地通过该路径的第三部分传播直到样本为止。之前或随后聚焦也是可以的。
由于可以将另外的成核点引入腔室中(例如，具有适当高表面粗糙度的部件，例如，杆)，或者可以引起喷泉，用于在样本中产生气穴处理的所需功率可以通过本发明该示例性实施方式来缩减。从喷泉落回到样本中的液滴可以缩减该功率阈值。由于本构造使得能实现两种可能性，可以将低功率HiFu用于制备和处理样本。
由于所需功率可以通过本发明减小，因而可以避免以高强度生成的另外的折射。
根据本发明另一示例性实施方式，聚焦声能是高强度聚焦超声(HiFu)。
由此，源频率可以在0.2MHz至10MHz的范围中，并且振幅被选择成足够有效，以致于在焦点区中生成高压冲击波和/或气穴。焦点区尺寸可以取决于源换能器类型。用于所指示的频率范围的示例性长度标度是(亚)毫米。而且，平坦或弯曲压电换能器可以在0.2MHz与10MHz之间，或者在0.75MHz与3MHz之间，或者在1MHz与2MHz之间使用操作。换能器的直径例如可以在5mm与35mm之间，以适配将希望在盒中处理的体积范围(0.2mL-10mL)。换能器的焦距可以从5mm至80mm变化。换能器电输入功率可以从0.5W至100W变化。
换句话说，本发明的该示例性实施方式可以被用作用于处理和/或分析分子样本的HiFu分子装置。由此，没有液态物质必须被用于将声能从源耦合至样本。因而，可以缩减液体污染风险，并且通过利用一次性或可消耗盒，可以提供一种利用所述装置并由此利用HiFu测量样本的特性并制备该样本的不复杂、便宜且快速的方式。
与超声相比，由于HiFu的相对短的波长，可以增强聚焦到较小区域上。这导致小型化优点。
除此以外，各种不同焦点区形状可以被用于通过HiFu处理样本。
由于HiFu使得用户能够利用如下功能来处理样本，例如：如与反应物混合，循环，从拭子释放细胞、病原体和母体，从刷子释放细胞、病原体和母体，液化，在室温或高温下培育具有反应物的样本，摇动，混合；搅拌，萃取，NA萃取，流生成，样本均质化，通过离心法分离，及其任何组合；细胞溶解，微生物细胞溶解，在室温或高温下培育具有反应物的样本，及其任何组合，因而产生大量针对所述装置的各种应用。
而且，已知系统因不可能实际使超声发射器小型化而受物理限制；因此，已知系统可以被限制为大约100mm。本发明该实施方式可以被小型化为小于100mm。
进一步地，已知系统的另一缺点可以是：超声腔室的谐振频率是设计和材料相关的，并且应当与选定超声发射器频率相匹配。制造公差可能不得不包含这种相关性。与此相反，可以不考虑所述装置的任何谐振频率，如上所述。
而且，根据机械学的基本物理定律(尺寸的增加意指腔室或系统的谐振频率的缩减)，利用声能的其它仪器可以受限于小容积腔室。始于样本规范的超声频率的平行现有需求由此可以使得没有必要增加腔室的尺寸。这可以限制这种已知仪器的应用的范围。
与此相反，提出了一种非集成系统，其中，盒在物理上独立，即，与源和耦合器分离，如上所述。其可以是，当选择盒或腔室的希望尺寸时，不必考虑腔室的谐振频率。这是优于已知技术的重要优点。
而且，若需要，该示例性实施方式使得能够避免导流技术，其可以使与高温下培育的组合复杂化。另外，这些导流技术可能需要向腔室提供某种小珠。但在可能希望导流的情况下，本想法也能够为此而提供。
换句话说，本发明该示例性实施方式与利用撞击腔室的壁部的超声的技术相区别。在这些已知系统中，谐振频率与装置的几何特性和/或材料相关。
而且，与使用均质气穴的导流系统相反，由于本发明该示例性实施方式可以在腔室中提供空气层，因而在该示例性实施方式中可以缩减功率，使得可以如上所述引入成核点或者产生喷泉。通过附加成核点(如引入腔室中的杆)或者通过所述喷泉，可以缩减用于发起气穴的功率阈值。而且，尽管不是所有样本流体都必须处于焦点区中，但其可以为样本提供培育可能性。
这可以使得用户能够使用更小的换能器和更少的功率，使得能够引入全固态耦合器或干式耦合。而且，可以便利培育的组合。
除此以外，本发明该示例性实施方式能够使用另外的不同功能，例如，在处理腔室中洗脱拭子。由于HiFu与干式耦合一起使用，因而其允许检测盒泄露，并由此可以在早期检测到污染。
根据本发明的又一实施方式，源是仪器的一部分或盒的一部分。
在本实施方式的第一实例中，源可以在装置的仪器中实现。因而，多个盒可以一个接一个地被同一个声能源照射。由此，由于可以排除源自不同源的偏差，所以不同盒的测量结果可以更加可比较和可靠。
在本发明该实施方式的第二实例中，源是盒的一部分。例如，盒可以设置有源和全固态耦合器，并且全固态耦合器位于源与盒之间。例如，它们可以被胶合在一起成为一个单元。而且，应当包括其它固定可能性。通过将该单元插入到仪器中，针对源的电源之间的电连接被插接在一起。由此，在本发明该实施方式中生成完全干式耦合。
通过将源集成到盒中，可以预选择或预适应用于特定测量意图的特定源。由此，与仪器相结合地，不同类型的盒可以与单个仪器一起使用，其中，这些盒具有针对这些盒和针对特定测量的特定选定源。这意指仪器的操作领域增加。除此以外，盒和附接至盒的源可以是一次性的，并由此可以提供便宜且不复杂的解决方案，以利用通过单个仪器附接的不同源来处理不同盒中的不同样本。
根据本发明另一示例性实施方式，仪器和盒按这样的方式组合布置，以使得通过将盒插入到仪器中，形成用于从源向样本传送声能的传播路径，其中，所述传播路径仅包括非流体物质。
换句话说，盒和仪器在插入过程中的相互作用产生完全干式耦合传播路径。因此，仪器和盒的对应表面在插入过程期间被带至一起，并且它们可以按例如形封闭(form-closed)方式或压配合(force-fit)方式来成形。除了仪器和盒的外形的这种形状适配以外，可以提供用于在这些部件与附加耦合器之间施加压力的额外装置。换句话说，仅固态材料或气体材料(如气陷)呈现在所述声能的传播路径中。
根据本发明另一示例性实施方式，全固态耦合器由包括以下材料的组中选定：固态凝胶、橡胶、弹性箔、基于聚合物的材料、热塑性聚合物、具有低声衰减特性的聚合物、金属、半导体、陶瓷、聚丙烯、铝、以及由这些材料构成的叠层。
应当明确注意到，全固态耦合器由基于聚合物的材料形成。
所使用的材料可以服从允许耦合器顺从适应装置的组件(例如，盒或源)的形状的弹性特性。由此，全固态耦合器的材料可以按这样的方式选择，以使得最小化或避免传播路径内任何接触面处的气陷，以实现有效干式耦合。而且，全固态耦合器还可以包含上述材料作为部分组件，并且其它未提到的材料可以包含在全固态耦合器中。
计算已经示出，堆层可以增加可以被传递至接收位置的能量的量，但以更复杂耦合器为代价。换句话说，可以使用阻抗匹配。由此，全固态耦合器可以包括若干组件，其一起产生声能从源至样本的完整且有效的干式耦合。
根据本发明另一示例性实施方式，盒包括声窗，其中，声窗由柔性箔制成，并且其中，全固态耦合器通过将盒插入到仪器中而与声窗物理地接触。
为实现接收位置(盒中样本所处的腔室)处的高强度聚焦声能，可能必要的是，材料在HiFu的传播路径中的衰减足够低。而且，应当利用足够低的表面粗糙度来最小化或消除气陷。而且，可以使用足够柔韧以致于实现顺从性的材料。这些需求可以通过由如塑料箔的柔性材料制成的声窗满足。由此，塑料箔在将盒插入到仪器期间可以使其形状与盒的接触表面的形状或全固态耦合器的形状相适应。
盒的声窗可以足够大，以致于在选定声窗距离处的HiFu锥形的截面在该声窗中完全适配。声窗可以是平坦或弯曲的。声窗由具有低衰减聚合物(例如，PP、PMP)的薄层制成。还重要的是，细胞溶解腔室的壁部在液体水平之下的剩余部分可以足够薄，以致于缩减声损失，并且限制腔室外壳的加热。
根据另一示例性实施方式，在全固态耦合器与盒之间的施加接触压力，其中，接触压力通过由以下方法构成的组中的至少一种方法来生成：在盒的腔室中施加过压力，在盒外侧施加局部低压力，以及通过力彼此相对地按压盒和全固态耦合器。
充分地施加所述固态耦合器与盒表面之间的接触压力，以致于除去声能的传播路径中的、在接触面处或任何中间层处的空气或气陷。一种可能解决方案可以是：针对平坦盒按压，例如，凸形固态耦合器，并且盒材料足够柔韧以致于变得与固态耦合器的形状共形。除此以外，耦合器也可以具有这种柔韧性。
另一示例性实施方式可以是干式接触面解决方案，包括平滑球状或锥状HiFu换能器和柔性盒箔。
由此，接触压力按可以最小化一些或全部中间接触表面之间的气陷的方式产生至少按压三个组件(源、耦合器以及盒)的力。因此，可以将特别平滑和柔韧的材料用于这些表面。
根据本发明另一示例性实施方式，全固态耦合器具有用于接触声窗的第一接触表面，并且盒具有用于接触声窗的第二接触表面。而且，第一接触表面、第二接触表面以及声窗中的至少一个具有从包括下面各项的组中选定的表面粗糙度值：小于0.5微米的值，小于1微米的值，以及小于2微米的值。
由于本发明该实施方式，可以最小化或消除气陷并由此最小化或消除在传播声能时的传送损耗。
仪器与盒之间的使得能够横跨干式接触面传输声能的接触面介质可以由低衰减材料(如橡胶(例如，RT615)，(弹性)箔(例如，PP，基于PP的热塑性弹性体，PMP)，或热塑性聚合物(例如，pp))制成。接触面层可以是仪器的一部分或盒的一部分。例如，接触耦合器的盒底层同时还可以是接触面介质。
根据本发明另一示例性实施方式，传播路径具有声阻抗的梯度，其中，所述梯度沿从源至样本的方向单调地减小。
由于传播路径中从一个组件至另一组件的耦合可以因声阻抗的梯度而改进，因而，该实施方式可以导致进一步缩减声能损耗。通过在所述传播路径内应用这样的声阻抗分布图，可以缩减聚焦声能的反射和吸收。这可以导致指定功率的更好的产出或收益(spoil)。
在声能的传播路径内使用的材料的声阻抗从源的一侧相对较高变得在所述样本/盒点处相对较低。除此以外，可以将声学定律用于最优化选择所述装置及其组件的尺度和材料。
根据本发明另一示例性实施方式，全固态耦合器从包括以下各项的组中选择：作为放置在源与盒之间的物理分离的组件的耦合器，作为源的一部分的耦合器，作为盒的一部分的耦合器，及其任何组合。
例如，这样的构造是可以的：源作为顶部上结合有金属透镜的压电换能器，在该金属透镜顶部上具有聚合物耦合器。而且，同时作为透镜工作的弯曲源可以在该弯曲表面顶部上设置有聚合物耦合器。所述耦合器可以物理地粘合至源或盒，但其还可以通过施加至这些组件的外部压力而保持在这些组件中的一个的顶部上。下面参照下图10至14，在源与盒之间布置和固定耦合器的种类繁多的组合都是可以的。以不同固定可能性(如按压在一起、胶粘在一起、将耦合器淀积在组件上，及其任何组合)将所述耦合器放置在源上、盒上、透镜上、第二附加耦合器上以及声窗口上都被包括在本发明的该实施方式内。
根据本发明另一示例性实施方式，还包括用于将所生成的声能聚焦到样本上的透镜。由此，透镜从下面组中选定，所述组包括：作为放置在源与盒之间的物理分离的组件的透镜，作为源的一部分的透镜，作为透镜的具有聚焦形状的源，产生聚焦声能的源阵列，作为盒的一部分的透镜，由具有低声衰减特性的聚合物制成的透镜，金属透镜，陶瓷透镜，聚丙烯透镜，铝透镜，混合透镜，及其任何组合。
透镜可以由低衰减聚合物、金属或陶瓷制成。出于环境理由，透镜可以可消耗地集成并且由聚合物(例如，PP)制成。
作为透镜的第一特性，透镜能够将所生成的声能聚焦到样本上。为了缩减传送损耗，透镜可以附接至源。例如，可以将金属透镜固定至产生发射聚焦声场的压电换能器。而且，多个源的阵列可以按这样的方式空间地放置并且按这样的方式电子地驱动，即，所有单声场的叠加产生聚焦声场。而且，有可能透镜是盒的例如被固定至盒底部的部分。除此以外，该实例还可以包括作为盒的一部分的源。
为了产生多焦性(multi-focality)，在本发明该示例性实施方式中可以使用混合透镜。由此，所述透镜具有至少两个不同的发射区，其意指，所述透镜的不同发射区在以下各项中的至少一项上彼此偏离：组件形状、表面粗糙度、材料及其任何组合。为简短地概括混合透镜的功能，必须要说的是，进入的同质声场将被混合透镜传递到例如具有两个不同焦点区的非同质声场中。
根据本发明另一示例性实施方式，在盒的单个腔室中，通过聚焦声能向样本应用预处理和细胞溶解。由此，预处理是从下面组中选定的一种方法，所述组包括：与反应物混合，循环，释放来自拭子的细胞、病原体和母体，释放来自刷子的细胞、病原体和母体，液化，在室温或高温下培育具有反应物和/或酶的样本，摇动，混合，搅拌，萃取，NA萃取，流生成，样本均质，通过离心法分离及其任何组合。而且，细胞溶解是从下面组中选定的一种方法，所述组包括：与反应物混合，与和在预处理期间应用的反应物不同的反应物混合，循环，微生物的细胞溶解，以室温或高温或者与在预处理期间应用的温度不同的温度培育具有反应物的样本，及其任何组合。
应当明确注意到，在不设置干式耦合的情况下，可以通过仅源自单个源的聚焦声能在单个腔室中应用预处理和细胞溶解的组合。完全干式介质之外的全固态耦合器或传播路径不是必需的。
因此，本发明第二方面致力于在所述盒的一个单个腔室中(即，特别是在同一个腔室中)通过聚焦声能向样本应用预处理和溶解。本发明该方面的示例性实施方式提供了一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的装置，该装置包括：仪器、盒、以及用于生成声能的源。盒具有用于容纳样本的腔室。仪器和盒适于将盒插入到仪器中。盒和仪器可分离。所述装置被设计成使得可通过聚焦声能向盒的腔室中的样本应用预处理和细胞溶解。
除此以外，本发明该第二方面的示例性实施方式还涉及一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的对应仪器，该仪器包括：用于生成声能的源。仪器适于接纳可与该仪器分离的盒，盒提供用于接纳样本的腔室。仪器被设计成使得当将盒插入仪器中时，可通过聚焦声能向盒的腔室中的样本应用预处理和细胞溶解。
对应地，在另一示例性实施方式中提供了一种盒，该盒用于仪器，该仪器用于利用通过源生成的聚焦声能照射样本来处理该样本，该盒包括：用于接纳样本的腔室。盒适于插入仪器中并且适于与仪器分离。盒被设置成使得当被插入到仪器中时，可通过聚焦声能向腔室中的样本应用预处理和细胞溶解。
除此以外，本发明的该方面的示例性实施方式还涉及一种用于通过聚焦声能(举例来说，如源自一个单个源的HiFu)预处理和细胞溶解一个单个腔室中的样本的对应方法(优选地通过这种装置)，并且还涉及计算机程序组件，其特征在于，该计算机程序组件适于在被使用时控制用于预处理和细胞溶解样本的装置，以使该装置执行该对应方法的步骤。
这些示例性实施方式例如可以通过利用单焦点HiFu在单个腔室中组合预处理和细胞溶解，而且还可以使用多焦点HiFu。而且，针对培育的任何组合都是可以的。
换句话说，通过装置、对应仪器和盒、对应方法以及计算机程序组件的示例性实施方式来避免用于进行样本预处理的人工步骤。预处理被集成在盒中，以增加易用性，并且减小与外界和污染风险的流动性界面接触。而且，预处理和细胞溶解功能被集成在可以暴露于HiFu的一个单个腔室中，并且/或被加热和/或冷却，以缩减装置和用于一起进行处理和细胞溶解的过程的复杂性、成本以及尺寸。预处理和细胞溶解功能有利地在样本不需要在中间离开腔室的情况下被处理，和/或有利地按全自动方式处理，和/或有利地顺序或同时处理。
本发明第二方面可以被用于需要预处理和/或细胞溶解的任何应用。应用可以不限于健康护理、生命科学、食品工业以及兽医业。这涉及本发明的任何实施方式。
尤其是对于细胞溶解困难的微生物来说，应用热细胞溶解的本领域技术的情况具有若干不足。与此相反，本发明该方面使用聚焦声能，尤其是HiFu来解决这些问题。通过这种完全体外集成的制备和检测仪器，提供了一种用于样本入结果出测试的系统，尤其是用于核酸(NA)、蛋白质或细胞检测。而且，核酸分析、蛋白质分析以及细胞分析可以通过所谓的微全分析系统来进行。
另外，现有细胞溶解方法包括这里可以避免的磨削或小珠敲打。
一般来说，核酸样本制备协议比细胞或蛋白质制备协议更复杂。尽管本发明该方面可以用于核酸样本制备的主要部分，但其不限于此。
为此，需要具有高灵活性的单个解决方案，以在所需预处理中适应这些偏差。本发明该方面满足在预处理和细胞溶解协议上具有高度灵活性的这些需求。
应注意到，本发明其它方面的优选实施方式也应当被视为参照本方面的优选和公开实施方式，反之亦然。
根据本发明另一示例性实施方式，所述装置按这样的方式适应，即，其在样本处生成至少两个不同焦点区。
应当明确注意到，可以应用或实现本发明的该示例性实施方式，而不需要提供完全干式耦合特征。换句话说，通过装置产生多焦性还可以与非固态耦合物质组合使用。
因此，本发明的第三方面致力于在样本处生成两个不同的焦点区。在本发明该第三方面的示例性实施方式中，提出了一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的装置，该装置包括：仪器、盒、以及用于生成声能的源。盒具有用于接纳样本的腔室。仪器和盒适于将盒插入到仪器中。盒和仪器可分离。装置被设计成用于在样本处生成声能的至少两个不同焦点区。
除此以外，本发明该第三方面的示例性实施方式还涉及一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的对应仪器，该仪器包括：用于生成声能的源。仪器适于接纳可与仪器分离并且提供用于接纳样本的腔室的盒。仪器被设计成在将盒插入仪器中时，在样本处生成声能的至少两个不同焦点区。
对应地，在另一示例性实施方式中提供了一种盒，该盒用于仪器，该仪器用于利用通过源生成的聚焦声能照射样本来处理该样本，该盒包括：用于容纳样本的腔室。盒适于插入仪器中并且适于与仪器分离。盒被设计成在被插入仪器中时允许在样本处生成声能的至少两个不同焦点区。
而且，应当明确注意到，用于通过装置在样本处生成至少两个不同焦点区的对应方法和用于控制生成针对样本的多焦性的装置的对应计算机程序组件包括在该实施方式中。由此，计算机程序部件的特征在于，适于当在用于生成针对样本的多焦性的装置上使用时，使装置执行该对应方法的步骤。
换句话说，提供了一种利用用于提供不同焦点条件的两个不同焦点区的处理协议。例如，用于通过聚焦声能混合液体循环的焦点条件可以不同于用于例如对微生物进行细胞溶解的需求。本发明该实施方式满足这些需求。
通过在样本处设置至少两个不同焦点区，装置可以为有吸引力的简单和便宜分子诊断测试而提供。而且，通过本发明该示例性实施方式可以避免压电阵列、复杂系统以及/或驱动器的复杂布置。而且，将若干不同功能(举例来说，如混合、循环以及细胞溶解)集成到通过两个不同焦点区处理的一个腔室中，可以小型化该分子诊断装置。
换句话说，分子诊断装置是用于向样本应用不同焦点区的多焦性HiFu分子诊断装置。这可以被用于生成和组合不同处理功能。例如，点状聚焦HiFu对于进行细胞溶解来说可以是最佳的，而区状聚焦HiFu对于混合和/或循环来说可以是最佳的。由此，点状意指相对小的焦点区，而区状焦点意指相对大的焦点区。不同焦点区还可以在形状和尺寸上不同。这些不同焦点需求通过本发明该示例性实施方式来满足。
而且，通过HiFu的细胞溶解需要高声压。高压力通过优质聚焦来实现，该优质聚焦通过本发明该示例性实施方式用所生成声能的第一高度聚焦部分来实现。与此相反，为释放来自拭子的微粒或细胞，为释放和均质化来自载体(例如，拭子、刷子)的粪便，为利用添加至腔室的反应物均质化存在于腔室中的液体，可以要求在盒的一个单个腔室中混合和循环。由此，将所生成声能的第二部分聚焦至样本处的相当大的、区状第二焦点区。由此，可以将两个不同处理功能在同一时间期间应用至一个单个腔室中的样本，并且不需要用户的任何人工干涉。
根据本发明另一示例性实施方式，至少两个不同焦点区通过从下面组中选定的部件生成，所述组包括：多个源、单个源和混合透镜、具有不同粗糙度区的一个单个源，和在源的不同位置处不同地激发的一个单个源，及其任何组合。这种部件可以具体实施为在盒外部的部件，或属于盒的部件，或集成到盒中的部件。
多个源包括至少两个单个源，和按这样的方式电子地控制的源阵列，即，所有源的叠加场产生具有至少两个焦点区的总场。而且，混合透镜可以由适度聚焦材料和高度聚焦材料构成。这些材料可以位于产生多焦性的透镜的不同部分。例如，凹形的混合透镜可以附接至如换能器的平坦源。但具有由适度聚焦材料和高度聚焦材料制成的弯曲混合透镜的弯曲换能器也是可以的。为了寻找这两个不同材料的最佳分布，可以针对不同构造执行声学建模。例如，透镜可以由聚丙烯形成。而且，透镜半径可以因装置的应用而改变。为了在样本所处的接收位置处生成多焦性，源还可以设置有不同粗糙度区，其意指源的表面服从不同表面粗糙度值。
不同发射区，更详细地说，这些区域的相应表面，可以具有不同的粗糙度性质。这些不同粗糙度性质产生区域的不同声照射特性，其导致至少两个不同焦点区。由此，源或换能器本身可以具有这些区域。但还可以将附加组件添加在换能器的顶部上，其中，所述组件服从这些不同表面粗糙度特性。换句话说，这些可能性的要点是，换能器的表面按分别向样本递送高度和适度聚焦声能的平滑和粗糙区域分段。
应注意到，本发明其它方面的优选实施方式也应当被视为关于本方面的优选和公开实施方式，反之亦然。
根据本发明另一示例性实施方式，将聚焦声能用于缩减样本的粘性。
应当明确注意到，本发明该实施方式不一定必需包含所有干式耦合特征。具体来说，不需要全固态耦合器或完全干式传播路径。
因此，本发明第四方面致力于利用用于缩减样本的粘性的聚焦能。在本发明该第四方面的示例性实施方式中，提供了一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的装置，该装置包括：仪器、盒、以及用于生成声能的源。盒具有用于接纳样本的腔室。仪器和盒适于将盒插入到仪器中。盒和仪器可分离。所述装置被设计用于利用聚焦声能来缩减样本的粘性。
除此以外，本发明第四方面的示例性实施方式还涉及一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的对应仪器，仪器包括用于生成声能的源。仪器适于接纳可与仪器分离并且提供用于接纳样本的腔室的盒。仪器被设计用于在将盒插入到仪器中时，利用聚焦声能来缩减样本的粘性。
对应地，在另一示例性实施方式中提供了一种盒，该盒用于仪器，该仪器用于利用通过源生成的聚焦声能照射样本来处理该样本，该盒包括：用于接纳样本的腔室。盒适于插入仪器中并且适于与仪器分离。盒被设计成在被插入到仪器中时，允许通过施加至样本的聚焦声能来缩减样本的粘性。
除此以外，示例性实施方式包括用于优选地通过这种装置来缩减样本的粘性的方法，和对应计算机程序部件。由此，所述计算机程序部件的特征在于，适于在使用用于通过利用聚焦声能照射样本来缩减样本的粘性的装置时，使所述装置执行该对应方法的步骤。
为了缩减样本(举例来说，如呈现在拭子上的BAL、唾液、血、粪便，或任何其它样本)的粘性，本发明该实施方式提出使用聚焦声能(例如，HiFu)来导致这种缩减。该方法可以按完整样本入结果出解决方案来实现，其中，在盒的一个腔室中可以进行样本的随后预处理和细胞溶解。由此，仅通过一个单个源，可以进行粘性缩减、进一步的预处理和细胞溶解的完整处理。
例如，可以将具有下列特性的源用于缩减样本粘性。具有25mm直径、22mm焦距的3.0MHz换能器。而且，盒的底部可以按距换能器15mm的距离设置。可以将5W的示例性功率应用至样本达大约300s。通过这种HiFu应用，样本在这种HiFu暴露之后可以更加均质，并且粘性可以从原始粘性降落至例如水状粘性。由此，可以推断的是，HiFu力将该缩减大分子的分子量从而缩减粘性的能力与在处理腔室中循环和混合样本的能力相组合。
应当明确注意到，本发明该示例性实施方式可以被用于需要在装置的亚毫米容积范围中循环和/或混合的任何应用。这些应用还可以是生命科学、芯片上实验室、以及mTAS应用。
应注意到，本发明其它方面的优选实施方式也应当被视为关于本方面的优选和公开实施方式，反之亦然。
根据本发明另一示例性实施方式，还包括用于在样本上应用测量的检测单元。由此，利用聚焦声能照射样本导致对样本的处理。
换句话说，本发明该示例性实施方式为完全样本入结果出系统而提供，其中，用户不必进行任何人工步骤。样本可以插入到装置中，并且通过聚焦声能按希望方式处理样本。随后，或者还可以通过所述检测单元将先前测量应用至样本。由此，使得所述装置能够将测量结果例如递送至针对用户的用户接口。例如，如液化、搅拌、混合、循环、预处理、培育以及细胞溶解的功能可以在检测单元用聚焦声能进行任何测量之前或之后进行。由此，向用户提供一种全自动系统。
还应明确注意到，本发明该实施方式可不必包含所有干式耦合特征。具体来说，不需要全固态和干式耦合器或完全干式传播路径。
因此，本发明第五方面致力于提供一种用于在样本上应用测量的检测单元。在本发明该第五方面的示例性实施方式中，提供了一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的装置，该装置包括：仪器、盒、以及用于生成声能的源。盒具有用于接纳样本的腔室。仪器和盒适于将盒插入到仪器中。盒和仪器可分离。装置包括：一种用于在样本上应用测量的检测单元。
除此以外，本发明该示例性实施方式还涉及一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的对应仪器，仪器包括用于生成声能的源。仪器适于接纳可与仪器分离并且提供用于接纳样本的腔室的盒。仪器包括：用于在将盒插入到仪器中时针对样本应用测量的检测单元。
对应地，在另一示例性实施方式中要求保护一种盒，该盒用于仪器，该仪器用于利用通过源生成的聚焦声能照射样本来处理该样本，该盒包括：用于接纳样本的腔室。盒适于插入仪器中并且适于与仪器分离。盒被设计成使得在被插入到仪器中时，检测单元可以针对样本应用测量。
除此以外，应注意到，该示例性实施方式包括一种用于通过这种装置针对样本应用测量的对应方法和对应计算机程序部件。由此，该计算机程序部件的特征在于，适于当在这种样本入结果出系统上使用时，使该装置执行对应方法的步骤。
这允许通过例如HiFu体外处理样本并且同时体外检测，其导致完全样本入结果出系统。
尤其是对于作为根据本发明的实施方式的装置(该装置能够萃取、净化、扩增以及检测核酸)的分子装置来说，其应当被规定如下：萃取和/或净化核酸基于固态表面上的吸收和/或解吸收。提供足够捕捉面积的任何表面应被视为本发明实施方式的一部分。一般表面捕捉实施方式是(例如，磁性)颗粒和膜。能够递送质量足够好的核酸以致于能用于复制增殖目的的任何捕捉材料应当被视为本发明实施方式的一部分。宽泛使用的材料例如是硅石、磁化硅石、氧化铁、氨基团官能化聚苯乙烯(aminogroupfunctionalizedpolystyrene)。其它材料也是可以的。
选择的检测单元和由此选择的检测方法可以取决于应用领域，例如，如核酸、蛋白质或细胞检测。
对于核酸扩增和检测来说，例如，描述了大量等温和热循环扩增方法。聚合酶链反应(PCR)是最常用方法之一。根据本发明该示例性实施方式的样本入结果出系统将这种PCR功能实现到还通过HiFu处理样本的腔室中。
PCR被进一步细分成两个子类别，即，终端和实时PCR(rtPCR)。有关这两个中，rtPCR被最宽泛使用(rtPCR扩增与检测并行运行)。为检测核酸，例如可以使用诸如荧光标记的可检测标记，其可以在PCR期间被并入所扩增核酸中。还可以使用其它可检测标签或甚至无标签方法。
对于蛋白质检测来说，可以使用诸如组合抗体捕捉和光学读出(例如，荧光)或磁性读出的普通方法。
对于细胞检测来说，光学方法被宽泛地用于计数、分析细胞形状等，但(di)电泳和电特性也可以被用于检测/表征细胞。
所有之前提到的本发明该实施方式的检测可能性都对应于在本发明该实施方式中使用的检测单元。由此，所实现的样本入结果出系统可以并入这些检测或测量特征中的任一个。
根据本发明另一示例性实施方式，检测单元用于向样本应用从下面的组中选定的至少一种测量，所述组包括：光学测量、磁测量、热测量、电测量、化学测量、声测量、及其任何组合。
所述装置还可以包括下列中的至少一个：萃取单元；核酸扩增单元；反应物存储单元；用于在样本上应用测量的检测单元，其中，检测单元用于向样本应用从下面组中选定的至少一种测量，所述组包括：光学测量、磁测量、热测量、电测量、化学测量、声测量、及其任何组合。根据该实施方式，所述装置例如可以包括：萃取单元；萃取单元和核酸扩增单元；萃取单元、核酸扩增单元以及检测单元。在这些选项中的每一个选项中，除了先前句子中所列出的每一个选项的部件以外，还可以呈现反应物存储单元。萃取单元允许从通过装置处理的样本获取核酸。核酸扩增单元允许扩增从样本获取的核酸(例如，利用PCR)。反应物存储单元包括例如需要萃取和/或扩增的反应物。
为了具有宽频谱的测量可能性，可以将不同类型的传感器和检测器安装在所述装置内。另外，可以有利的是，组合用于致动或处理样本的已有超声波装置与用于进行声波测量的可能性。检测单元还可以是盒的一部分。换句话说，不但可以使用光学读出以及其它检测标签(例如，磁性、电、电磁，尤其是射频应用技术的标签)，而且可以使用无标签方法。
根据本发明另一示例性实施方式，装置还可以包括：用于协调处理协议的处理器、数据处理器、显示器以及用户接口。
应注意到，本发明其它方面的优选实施方式也应当被视为关于本方面的优选和公开实施方式，反之亦然。
根据本发明另一示例性实施方式，全固态耦合器由基于聚合物的材料制成；并且其中，所述基于聚合物的材料具有从下面组中选定的玻璃化转变温度Tg，所述组包括：Tg≥-30℃；Tg≥-10℃；Tg≥-5℃；Tg≥20℃；Tg≥40℃；Tg≥60℃；Tg≥80℃；Tg≥100℃；Tg≥120℃；Tg≥130℃；Tg≥140℃；Tg≥150℃；以及Tg≥160℃。
应注意到，HiFu的强度越高，全固态耦合器的材料的玻璃化转变温度的相关性变得越重要。对于低强度来说，例如，当换能器的输入功率P小于3瓦特时，Tg的值可以不如此相关。这可以在图22中看出。中等强度P例如处于3瓦特与6瓦特之间，如上和下面所述的半强制衰减可以扮演更严重的角色，其可能需要具有足够高Tg的聚合物。在超过例如6瓦特的高强度下，选择聚合物基于其Tg值的相关性甚至变得更重要。
可能必需的是，在室温下的高强度HiFu应用下，Tg可能必须超出室温(大约50℃)。
已经发现，具有相对较高玻璃化转变温度Tg的材料在装置操作期间针对低Tg材料保持相反(contrary)，并由此在声能传送期间，保持它们的低衰减特性。由此，作为全固态耦合器的这些低衰减高Tg材料的应用使得能够非常有效地传送与例如处理样本，例如细胞的细胞溶解相关的超声强度。尤其是对于如上限定的HiFu应用来说，这是本发明实现的有利效果。换句话说，通过利用这些材料，向源提供的缩减功率必需在焦点区中实现一定HiFu功率。由此，处理和/或预处理功能可以以缩减的功率值来实现。这可以节省能量和成本。换句话说，本发明可以避免耦合材料的自执行(self-enforced)衰减效果。由此可以缩减传播路径的每米的衰减。
为了更好地理解本发明该示例性实施方式，应注意到物理过程的下列描述：
衰减的本质是，耦合器材料温度可能开始增加。而且，声能的衰减还可以并行增加。下面，本发明该示例性实施方式提供具有所述优点的材料，以使即使它们的温度例如在按MHz范围下的HiFu操作期间开始增加时也保持相对较低衰减。
这种材料的示例可以是Tg大约为18℃的聚丙烯，Tg大约为60℃的环氧树脂，以及Tg大约为60℃、大约为100℃和大约为125℃的硅。
必须注意到，足够高的玻璃化温度与在测试开始时的衰减、超声强度、设置的导热率(传输所生成的热)以及暴露时间有关。
换句话说，选择具有一定Tg值的聚合物取决于若干参数，如在HiFu通过作为全固态耦合器的聚合物传送的开始时，并由此在开始任何吸收或热生成之前，该聚合物的衰减值。而且，源的施加强度或功率确定所述聚合物的选择。另外，耦合器周围的导热率是影响选择具有足够高的Tg值的聚合物的参数。如果HiFu足够长地暴露以达到平衡，则所述系统在耦合器周围的高导热率导致更慢的温升和更低的最大温度。
尤其是对于相对较高强度的超声应用来说，这可能特别相关。例如，当在样本内利用HiFu能进行细胞溶解时，必需的功率可以相对较高。因而，对于利用HiFu的细胞溶解方法来说，该示例性实施方式可以十分有利。
换句话说，在源与作为盒的目的地之间的传播中存在的全固态耦合器具有声能的经缩减的衰减。除此以外，可以使用传送声能的材料的调谐或匹配阻抗，以在通过材料接触面时最小化反射损耗。
由此，装置提供了具有下列可能优点的完全干式耦合：针对操作员的易用性、和测试周转时间的缩减，结果，可以想象由不太熟练的人员所运行的其它应用。
因为丰富种类的材料可用、形状和尺寸设计自由、容易复制以及相关联的相对较低的成本，所以聚合物是要用作耦合器的、特别有利的类别的材料。这还可以在图21至23中进行详细描述。
根据本发明的另一示例性实施方式，其中，基于聚合物的材料按从下面组中选定的固化温度TC固化，所述组包括：TC≥20℃；TC≥40℃；TC≥60℃；TC≥70℃；TC≥80℃；TC≥90℃；TC≥100℃；TC≥110℃；TC≥120℃；TC≥130℃；TC≥140℃；TC≥150℃；TC≥160℃；TC≥170℃；以及TC≥180℃。
当在聚合物制造期间基于聚合物材料的固化温度增加时，在其它情况不变的情况下，可以进一步缩减全固态耦合器的衰减。这可以在图21至23中进一步进行详细描述。
已经发现，在包括固化处理步骤的聚合物制造期间，在该固化处理步骤期间的固化温度至少部分地确定了所构建聚合物材料的玻璃化转变温度。如上所述，足够高的Tg值具有针对HiFu分子装置中的应用的某些优点。由此，通过将该固化温度限定至一定值，可以在该聚合物中实现希望的Tg值。这种处理步骤可以是根据本发明另一示例性实施方式的方法的一部分。
根据本发明另一示例性实施方式，提供了一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的方法。由此，该方法包括以下步骤：提供仪器，提供盒，提供全固态耦合器，提供用于生成声能的源，将盒插入到仪器中。而且，盒具有用于接纳样本的腔室，并且由于将盒插入到仪器中，在源与盒之间提供声能的完全干式耦合。盒和仪器是可分离的。
根据本发明另一实施方式，提出了一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的仪器。仪器包括用于生成声能的源、全固态耦合器，其中，该仪器适于接纳包含样本的盒，其中，当将盒被插入仪器中时，全固态耦合器在源与盒之间提供声能的完全干式耦合；
其中，盒和仪器可分离，并且仪器和盒形成根据上述实施方式中的一个实施方式的装置。
本发明该实施方式可以与HiFu声能一起使用，以便利用如混合和/或细胞溶解的方法或功能在例如一个单个腔室中处理样本。而且，仪器可以包括检测器和激发源，两者都可以用于进行光学、电、磁以和/或机械测量。另外，可以将透镜包括在仪器中。
换句话说，干式耦合可以通过作为仪器的一部分的全固态耦合器来实现。在盒出现之前，实现从源起通过全固态耦合器的完全干式传播路径。通过将盒插入到仪器中，使源与样本之间的整个干式传播路径完整，并且可以将声能传递至样本，以便处理该样本。
根据本发明另一实施方式，提出了一种用于仪器的盒，该仪器用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本，盒包括：用于接纳样本的腔室、全固态耦合器，其中，盒适于插入仪器中。而且，当将盒插入仪器中时，全固态耦合器在源与盒之间提供声能的完全干式耦合。其中，盒和仪器是可分离的，并且仪器和盒形成根据上述实施方式中的一个实施方式的装置。
全固态耦合器可以永久性地固定至盒。但其它解决方案也是可以的。源例如可以是仪器的一部分。通过将盒插入到仪器中，建立源与样本之间的全固态传播路径。
而且，源可以包括在盒中。由此，通过将盒插入到仪器中，来自仪器的电引线与源相接触，以便向源提供电能。
对于两个前述实施方式来说，应当明确注意到，按这样的方式在仪器处或盒处布置全固态耦合器，即，全固态耦合器不必通过本身形成整个传播路径，并且可以存在其它附加干式耦合部件。尽管如此，若希望这样，本发明示例性实施方式可以实现该方案。
还应注意到，计算单元可以是仪器的一部分。其可以是与仪器通信的分离的单元，或者可以是分布在计算单元和仪器上的计算任务。
还应注意到，作为本发明示例性实施方式的上述所有计算机程序部件可以存储在计算单元上，这还可以是本发明实施方式的一部分。该计算单元可以适于执行或引起执行上述方法的步骤。而且，该计算单元可以适于操作上述装置的组件。该计算单元可以适于自动操作和/或执行用户的命令。而且，该计算单元可以请求来自用户的选择，以处理来自用户的输入。
涉及计算机程序部件的实施方式覆盖从一开始就使用计算机程序部件的计算机程序，和通过更新将现有程序变成使用本发明的程序的计算机程序。
根据本发明另一实施方式，提出了一种计算机可读介质，其中，该计算机可读介质具有存储在其上的计算机程序部件，该计算机程序部件通过前述或下列段落来描述。
可以将以下内容看作本发明的要点：可从仪器分离的可消耗盒在盒被插入到仪器中时，生成用于聚焦声能的完全干式耦合传播路径。由此，干式耦合从生成声能的源到达样本。
必须注意到，本发明一些实施方式参照不同主题进行描述。具体来说，一些实施方式参照方法权利要求进行描述，而其它实施方式参照装置权利要求进行描述。然而，本领域技术人员根据上述和下列描述将获得(除非另外通知)，除了属于一类主题的任何组合或特征以外，涉及不同主题的特征之间的任何组合也被视为在该申请内公开。
本发明的上面限定方面和其它方面、特征以及优点还可以从下面要描述的实施方式的实例得出，并且参照多个实施方式的实例进行说明。下面，参照多个实施方式的实例对本发明进行更详细描述，但本发明不限于此。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施方式的用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的装置的示意图。
图2示出了根据本发明示例性实施方式的具有声窗的盒的示意图。
图3示出了根据本发明示例性实施方式的盒的示意图。
图4至8示出了根据本发明示例性实施方式的装置的源的示意图。
图9示出了根据本发明示例性实施方式的仪器的若干组件的示意图。
图10至14示出了根据本发明示例性实施方式的装置的可能构造的示意性概图。
图15示出了根据本发明示例性实施方式的用于装置的电子组件的示意图。
图16示出了根据本发明示例性实施方式的装置所处理的处理协议。
图17至19示出了根据本发明示例性实施方式的生成针对样本的多焦性的装置的示意图。
图20示出了表示根据本发明示例性实施方式的方法的流程图。
图21示出了根据本发明示例性实施方式的用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的装置的示意图。
图22和23示出了根据本发明示例性实施方式的利用用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的装置所获取的结果的图。
具体实施方式
若干图中的相似或相关组件设置有相同标号。图中的视图是示意性的并且不完全按比例。
图1示出了根据本发明示例性实施方式的用于利用聚焦声能照射样本101来处理该样本的装置100。可以清楚地看出，该装置具有若干组件，即，仪器102、盒103、以及用于生成声能的源105(仅以虚线示出)。而且，声能的传播路径106(点虚线)的示意图在源105处开始而在样本101处结束。由此，盒具有用于接纳样本101的腔室110。在所示仪器102内部，设置有全固态耦合器(未示出)104，以便在没有流体物质的情况下生成传播路径。由此，源105和全固态耦合器104位于仪器102内部，并由此不能直接被看到。而且，仪器102和盒103适于将该盒插入到该仪器中，其中，盒和仪器是可分离的。应注意到，如源、透镜、全固态耦合器以及声窗的隐藏组件分别可以在示出分解图的图9和图2上看到。
另外，检测单元111(例如，传感器)被示出在盒内部，以便在通过聚焦声能的可能处理之后或之前，针对样本进行测量。而且，示出了用于协调处理协议112的处理器，其与检测单元111链接，并且其还连接至显示器114和数据处理器113。用于协调处理协议的处理器112连接至装置100，并且进一步连接至检测单元111。由此，使得处理器112能够控制该完整样本入结果出系统，其中，按全自动方式，通过聚焦声能(尤其是通过HiFu)处理样本可以与分析和测量相组合，该测量例如是光学测量、磁测量、热测量、电测量、化学测量、声测量及其任何组合。
由于使用HiFu和对应短波长(例如，与按20kHz-100kHz范围操作的已知超声应用相比)，焦点区的大小可以减小，并由此可以小型化整个分子装置。例如对于因医院或实验室这些环境中可用空间非常有限而需要具有真实小型系统的医院或实验室需求来说，这是本发明所示实施方式的高度重要的优点。而且，功能处理、预处理、细胞溶解以及先前或随后进行的测量的组合可以缩减这种样本处理或分子诊断的成本和时间。
另外，可以向装置100提供多焦源设置。由此，装置在样本101处生成至少两个不同焦点区。这可以通过至少两个不同源，单个源和混合透镜，或具有不同粗糙度区的一个单个源来进行。而且，还可以组合这些可能性。
而且，该装置101可以被用于通过聚焦声能(尤其是通过利用HiFu)缩减样本的粘性。
除此以外，该装置使其可以通过仅源自一个单个源105的聚焦声能在一个单个腔室110中组合预处理和/或培育和/或细胞溶解。尤其是可以实现HiFu应用。由此，预处理和细胞溶解可以包括在先前段落中描述了的不同功能。这可以缩减这些样本处理或分子诊断的成本和时间，并且该装置要求的空间还可以因将两种功能集成到一个腔室中而被缩减。而且，可以缩减该装置的技术复杂性。
预处理方法或细胞溶解方法可以通过聚焦声能，尤其是通过HiFu，并由此通过在样本位置处生成HiFu点的声源或换能器来处理或执行，从而导致样本的预处理和/或细胞溶解。而且，可以集成到分子诊断装置中并且执行该方法所必需的其它装置也可以生成所希望的方法。例如，具有电源线的附加加热装置、冷却装置或反应物涂覆器(分配器)可以集成在分子诊断装置中，以使得在高温下利用附加反应物培育。
反应物例如可以是溶菌酶(lysozymeenzyme)，其首先可以被混合并随后在37℃下培育。尤其是，混合、循环、液化以及均质可以通过利用HiFu照射样本来进行。
而且，细胞溶解微生物(举例来说，如革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌、真菌以及酵母)可以利用图1所示装置100通过HiFu来进行。细胞溶解还可以进一步包括在室温或高温下培育具有反应物的样本。反应物例如可以是GuHCl/protK，其首先混合并且随后在大约56℃下培育，并且可选地冷却至环境温度，或者该反应物可以是GuSCN，其首先混合并且随后在大约70℃下培育，并且可选地冷却至大约25℃。
可选的是，该腔室在其出口处具有过滤器，或者在其出口通道处具有过滤器，以保证碎屑不会传输至盒的萃取功能部。
图2示出了盒103的声窗107，其中，该声窗由被示出为塑料箔108的柔性材料制成。可见，在底视图中示出的圆形声窗107被作为接触面介质的塑料箔108覆盖，该塑料箔可以使其本身首先适应盒103的形状，其次适应全固态耦合器的形状，或者源可以与直接处于所示表面108上的塑料箔相接触。115示出了盒的其上例如激光熔焊了柔性箔的底部部分。
图3示出了按正常或工作取向(其与图2相比旋转180°)的具有腔室110的盒103。换句话说，图2以其底侧示出了盒的底部部分115，而图3从上侧示出了具有底部部分115的盒。所示盒和箔夹(foilclamp)接着可以一起作为一个单元被插入到图1的装置100中，并且可以推动到仪器102的顶部上。该插入过程将形成用于从图1的源105(虚线所示)向图1中的样本101传送声能的传播路径。
图4示出了根据示例性实施方式的装置中所使用的可能的源的实例，其中，示出了源105和耦合器104，其中，这里所示的实例是聚合物耦合器。
图5示出了产生聚焦声能(尤其是HiFu)的源的另一个实例，其中，源105可以是压电换能器，并且将金属透镜109固定在例如该平坦换能器的顶部上。另外，耦合器104例如设置有聚合物耦合器。
与此相反，图6示出了聚合物耦合器构造，其中，弯曲源105与聚合物耦合器104相组合。除此以外，例如，可以将透镜定位在聚合物耦合器的顶部上，该聚合物耦合器在该透镜顶部上设置有例如另一个聚合物耦合器，以向盒提供有效干式耦合。
图7示出了压电构造，其中，可以看到作为自然聚焦源105工作的平坦压电换能器。另外，应用非常薄的聚合物层，以修改表面粗糙度来促进有效干式耦合。除此以外，还示出了电引线。
图8示出了源组件的另一可能构造，其中，金属透镜109直接与作为源105工作的平坦换能器接触。如后面将在图10至14中看到，这些构造的任何组合都可以，其导致宽范围的应用。
图9示出了仪器102的分解图，该仪器包括吸热器900、局部地构建全固态耦合器104的外壳的不同外壳环901(其可能例如是基于聚合物的材料或固态凝胶)、附加环902。而且，源105被示出为压电换能器。另外，全固态耦合器104用虚线指示。这些部件可以是仪器102的部件，并且它们可以构建接纳组件，其通过将盒插入在箔夹903的顶部上，生成仅由非流体物质构成的传播路径。部件901、902以及903也是耦合器的外壳的一部分。该外壳被制成为使得耦合器的高度可通过选择外壳环901的数量来修改。将箔夹903夹至被用于覆盖耦合器的箔(未描绘)。
图10示出了用于产生干式耦合的可能性的组合的概图。由此，第一行给出有关盒103的设置的信息，第二行给出有关耦合器104的设置的信息，第三行给出有关透镜109的设置的信息，而第四行给出有关源或换能器105的设置的信息。可以清楚地看出，五种不同的构造被示出为实例。1001示出了固态凝胶耦合器构造，其中，1002示出了金属透镜聚合物耦合器构造，而1003描述了聚合物耦合器构造。1004描述了一种用于干式耦合的、其中使用仅压电构造(其中，压电具有薄聚合物层以修改换能器的粗糙表面)的解决方案，而1005描述了可以怎样设置金属透镜构造以便达到干式耦合。1001示出了可以像透镜一样将源整形，并由此限定声能的生成和聚焦。而且，在列1002中示出，透镜可以物理地组合，例如，可以与固态耦合器104胶粘在一起。而且，全固态耦合器104可以直接附接至源105，如列1003所示。但盒与压电源之间的直接接触也是可以的，如1004所示。另外，金属透镜构造描述了在弯曲形的源105处，可以附接双凹面形透镜，例如，金属透镜。
其它设置可能性可以在图11、12、13以及14内的概图1100中详细示出。因为插入两个附加行以区分组件是盒的一部分，是源的一部分(这意指是仪器的一部分)，还是物理分离的组件的事实，所以这些概图比图10更详细，
应当明确注意到，任何示出和描述的组件都可以是换能器的一部分，盒的一部分，或者可以是物理分离的组件。除此以外，可以使用组件的任何组合，以便分离不同功能。例如，可以使用具有高度柔韧性的薄箔，以适应换能器的形状。与和箔相比具有较低柔韧性但衰减更低的全固态耦合器相组合，这对应于功能衰减和柔韧性的分离。这可以导致不同组件的有利组合，以实现有效干式耦合。
行1101描述了，若存在条目，则全固态耦合器是盒的一部分。与此相反，1102描述了全固态耦合器是源的一部分并由此是仪器的一部分的事实。而且，两个可能性可以同时布置在一个装置处。作为第三种可能性，1104描述了全固态耦合器是被插入到传播路径中的物理分离组件。此外，可以看出，可以提供透镜和源1103的组合。如可以从图11至14看出，针对例如利用HiFu的装置的干式耦合的各种各样的设置可能性都是可以的。
图15示出了被用于生成聚焦声能的示例性电子组件1500。由此，将可能函数发生器、功率放大器、观测仪器以及超声波换能器连接在一起，以便产生声场。在聚焦所发射的声能之后，其碰撞样本，并且导致不同声化学反应和声物理反应。这是由装置所造成的样本处理。换句话说，图15示出了用于生成和研究设置性能的实验室设置的构造。工业装置可能不包括观测仪器，并且函数发生器和放大器可以具体实现为特定和定制电子装置。
图16示出了用于仅通过一个单个源在一个单个腔室中应用预处理和细胞溶解的可能处理协议。处理协议1600具有若干步骤，例如，协议以样本的HiFu预处理开始1603，随后，向样本应用混合1604，其中，然后可以利用不同物质进行培育1605。随后，可以进行附加混合和培育步骤。因声化学或声物理相互作用而通过声能产生或造成的这些不同功能是预处理1601的全部。随后，细胞溶解1602可以在同一个单个腔室内进行，并且可以由已经处理了该预处理的同一个单个源引起。作为可能步骤，可以提到混合和培育。但还可以进行特定HiFu细胞溶解1606和附加过滤器步骤1607。由此，标号1608描述具有要检测的目标材料的任何样本，例如，粪便、血液、尿、唾液、BAL、CSF、组织、拭子或刷子。而且，第一预处理反应物(例如，化合物和/或酶)以1609示出。第二预处理反应物(化合物和/或酶)以标号1610示出，而1611描绘了第三预处理反应物(化合物和/或酶)。第一细胞溶解反应物(化合物和/或酶)以1612示出。1613示出了例如用于制备结合在硅石上的DNA的萃取反应物。所示图仅是示例性实施方式，并且过滤器不必处于细胞溶解腔室内部。
图17示出了根据本发明另一示例性实施方式的装置的多焦源设置1700。可见，具有含样本101的腔室110的盒103还表征在样本上方具有空气容积1701的可能性。而且在该设置中应用了两个不同的源105，以便生成第一焦点区1702和示出第二焦点区的1703。而且，盒的声窗应当具有低衰减和最小厚度，以避免加热材料并且在焦点区中实现高强度。对于大量生产来说，优选可注射模压聚合物。可以优选的是，焦点区与腔室的壁部不进行接触。在高强度下，这可以导致壁部熔化。还可以希望的是，具有较大焦点区1702的换能器与空气容积1701相对地放置。这导致最佳混合和循环，并且在熔化腔室壁部上具有较低风险。
图18a和18b示出了例如按可以仅通过一个单个源生成的HiFu范围工作的装置的多焦源。由此，图18a示出了利用混合透镜1800的多焦源设置1700，该混合透镜具有第一发射区1801、第二发射区1802以及第三发射区1803。在同心设置中，第一和第三发射区还可以是相同的。还可以看出，在样本101中，生成三个不同焦点区1804至1806。在同心设置中，情况是，1804和1806描述了具有环绕第二焦点区1805的环状形状的相同焦点区。
可见，源105可以具有平坦形状，并且混合透镜1800附接至源。
图18b示出了多焦源设置1700，其中，混合透镜1800已经获得适应于弯曲源105的形状的形状。在图18b中，混合透镜具有三个发射区和源自这三个发射区的三个焦点区。这些不同发射区可以由不同聚焦材料构成。例如，形成区1801和1803的外侧材料可以为轻度聚焦的外侧材料，其中，形成区1802的内侧材料可以是高度聚焦材料。分段透镜1800由此包括高度聚焦材料和轻度聚焦材料。这可以是针对图18b的情况。这些不同焦点区可以使得用户能够仅通过利用一个单个源同时处理如混合和细胞溶解的不同功能。由于仅需要一个单个源，这可以缩减例如分子测试的时间，而且可以缩减成本和空间需求。另外，技术问题和维护成本可缩减。
由此，不同聚焦材料的分布可以适应希望处理、细胞溶解或分析应用。因而，本发明该示例性实施方式不排除混合透镜或分段透镜内的特定材料分布。
下列段落涉及模型化包括平坦换能器和弯曲透镜的组合，以验证混合透镜概念。可能的设置例如可以是：如例如铝的高阻抗材料，如用作透镜材料的聚丙烯的低阻抗材料，例如如8mm的透镜半径以及腔室的内径，并且聚丙烯被用作厚度为0.5mm的腔室壁部材料，流体高度为35mm，并且用于模型化的频率为1MHz，而规定压力压电为1.000Pa。模型化的结果公开了：沿中心对称轴的最大压力从完全高阻抗材料(铝)到如聚丙烯的低阻抗材料的不断增大的区段大小，保持非常恒定的高水平。换句话说，该压力保持在足够高以获取细胞溶解的的水平。其次，该结果显示，当聚丙烯区段大小足够大以产生混合时，在腔室中心轴外侧产生最小和最大压力状态。当高指数材料(例如，铝)典型地处于总透镜的1/5与1/2之间，并且低指数材料为低耗散(lowdissipation)塑料时，实现混合构造的有效工作。因而，混合透镜是用于从单个压电部件生成多焦点声能(尤其是多焦点HiFu)的选项。该解决方案可以被用于跨干式接触面的HiFu，并且被用于液体或水凝胶耦合和与流体直接接触。
图19示出了多焦点设置1700，其中，源105具有不同表面粗糙度区。1903示出了圆形源105的顶视图，该圆形源具有产生多焦源的第一表面粗糙度区1904和第二表面粗糙度区1905。可见，第一焦点区1900和第二焦点区1901彼此不同。这里，因为第二粗糙度区1905是产生环绕第二焦点区1901的环形焦点区1900和1902的环形表面，所以第三焦点区1902和第一焦点区1900相同。由于表面的不同粗糙度，给出了针对传送声能的材料的不同耦合。因此，不同粗糙度产生不同焦点区。
应当明确注意到，因不同表面粗糙度而造成的多焦源可以不与本发明的干式耦合特征一起使用，并且可以独立地应用在用于利用多聚焦声能照射样本来处理该样本的装置上。
例如，在1MHz至2MHz范围中，该效果对于10μm粗糙度来说是适度的，而对于50μm-80μm粗糙度来说可以显著更高。由此，具有粗糙和平滑区段的弯曲换能器是用于从单个压电部件生成多焦HiFu的选项。与利用多个透镜或多个源的不同解决方案相比，这个实施方式可以更简单。
图20示出了描述用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的方法的流程图，其中，包括下列步骤：提供仪器S1，提供盒S2，提供全固态耦合器S3，提供用于生成声能的源S4。此外，还包括：将盒插入到仪器中S5，其中，盒具有用于接纳样本的腔室，并且由于盒被插入到仪器中，在源与盒之间提供声能的完全干式耦合。而且，盒和仪器可分离。
图21示出了仪器装置的示意图，该仪器装置包括：换能器105、全固态耦合器104、具有用于要通过仪器102例如利用HiFu处理的样本的腔室110的盒103。盒的底部2100具有由箔制成的声窗。
图22示出了图2200，其中，例示了具有足够高的玻璃化转变温度Tg的全固态耦合器的优点。从图形2203-2207可以看出，具有较高玻璃化转变温度Tg的全固态耦合器提供在全固态耦合器内超声能的更少的衰减。下面，对这些结果进行详细描述。
x坐标2201描绘了向生成声能(例如，HiFu)的源105(未示出)提供的输入功率。y坐标描绘了所谓的截止(clipping)时间。这是接通生成例如HiFu的源与喷泉完全消失(截止)之间的时间。该喷泉产生上面已经进行了描述。其通过HiFu波产生，并且被用于缩减在样本中开始气穴的功率阈值。喷泉由样本材料(例如，液体)构成。由于生成这种喷泉取决于通过全固态耦合器向样本传送的声能，因而样本的消失意指所传送声能的缩减。在图22所示的测试结果内观察到具有不同玻璃化转变温度的不同材料。
换句话说，截止被采取为针对被观察的全固态耦合器材料的衰减或吸收随时间的发展的度量。针对各种材料和厚度的结果在图22和23中被呈现。
由此，图22示出了具有60℃玻璃化转变温度的3mm厚的硅601耦合器2203的结果。2204描绘了由具有大约60℃的玻璃化转变温度Tg的epotek301制成的3mm厚的全固态耦合器的结果。2205描绘了具有60℃玻璃化转变温度的6mm厚硅601耦合器的结果。2206描绘了1mm厚并且由具有大约-18℃的玻璃化转变温度Tg的聚丙烯(PP)制成的全固态耦合器的结果。2207描绘了由具有大约60℃玻璃化转变温度的5mm厚epotek301制成的全固态耦合器的结果。除PP以外，所有实施例都具有60℃的固化温度。
图22示出了PP即使在轻度强度下，也为非常差的执行者。环氧树脂和硅石两者的衰减如所预期地随着全固态耦合器的厚度增加。衰减对于硅石来说比对于环氧树脂来说更低。对于所有这些高Tg材料来说，针对连续输入功率＜6瓦特，观察到截止。该功率可能不足以用于样本处理。因而，对于分子诊断装置的广泛处理可能性来说，本发明提供足够高Tg的聚合物。
附加实验已经公开了：首先，观察到的现象不是因换能器的随着时间的变化而造成。其次，效果可以是可逆的(如果材料不被暴露至烧穿强度)。在大约1分钟之后，该材料返回至其初始状态，并且可以重复该实验。该观察暗示了温度-材料性质关系。
图23示出了图2300，其中，示出了用作全固态耦合器的基于聚合物的材料的固化温度的效果。x坐标2301描绘了输入功率，而y坐标2302描绘了到失效的时间，即，截止时间。2303至2306描绘了不同的全固态耦合器的图形。2303描绘了具有100℃固化温度TC的全固态耦合器的结果，2304描绘了TC为125℃，2305描绘了TC为60℃，而2306也描绘了具有60℃TC的耦合器的结果。换句话说，图23示出了效果衰减还取决于固化温度。随着固化温度的增加，截止时间显著增加。本发明示例性实施方式使用该优点。换句话说，通常较高的固化温度TC直接转变成较高的玻璃化转变温度Tg。
利用在60℃固化的材料的附加实验示出了：
首先，如果使用80℃或更高温度的水，则喷泉消失。其次，利用20％的占空度，针对0W与65W之间的峰值功率(平均功率13W)，截止时间移位至＞120秒。对于90W的峰值功率(平均功率16W)来说，截止时间已经缩减至10秒。
用于这些测试的可能示例性设备装置可以如下：PM5193可编程合成器/函数发生器0.1mhz-50MHz，放大器：ENI240L功率放大器50dB20kHz-10MHz或ARworldwideKAA204RF功率放大器50dB0.5-100MHz200W，TektronixTDS3014：四通道彩色数字荧光示波器；Agilent4395A：10Hz-500MHz/10Hz-500MHz/10kHz-500MHz网络/频谱/阻抗分析器和HiFu压电换能器：DongfangJinrong提供的JR20/60。
在权利要求书中，单词“包括”不排除其它部件或步骤，而不定冠词“一(a或an)”不排除多个。标号不应限制权利要求书的范围。
标号列表：
100装置
101样本
102仪器
103盒
104全固态耦合器
105源
106传播路径
107声窗
108柔性材料
109透镜
110腔室
111检测单元
112用于协调处理协议的处理器
113数据处理器
114显示器
115底部部分
900吸热器
901外壳环
902附加环
903箔夹
1000用于产生干式耦合的组合可能性的概图
1001固态凝胶耦合器构造
1002金属透镜聚合物耦合器构造
1003聚合物耦合器构造
1004仅压电构造(其中，压电具有薄聚合物层以修改粗糙度表面)
1005金属透镜构造
1100用于产生干式耦合的组合可能性的详细概图
1101描述全固态耦合器是盒的一部分的行
1102描述全固态耦合器是仪器的一部分的行
1103组合透镜和源(弯曲表面)的功能的组件
1104描述全固态耦合器是物理分离的组件的行
1500被用于生成聚焦声能的电子装置
1600用于通过一个单个源在一个单个腔室中应用预处理、培育和细胞溶解的可能处理协议
1601协议的预处理部分
1602协议的细胞溶解部分
1603HiFu预处理
1604混合
1605培育
1606HiFu细胞溶解
1607过滤
1608具有要检测目标材料的样本
1609第一预处理反应物
1610第二预处理反应物
1611第三预处理反应物
1612第一细胞溶解反应物
1613萃取反应物
1700多焦源设置
1701样本上方的空气容积
1702第一焦点区
1703第二焦点区
1800混合透镜
1801混合透镜的第一发射区
1802混合透镜的第二发射区
1803混合透镜的第三发射区
1900第一焦点区
1901第二焦点区
1902第三焦点区
1903具有不同粗糙度区的源105的顶视图
1904源的第一粗糙度区
1905源的第二粗糙度区
S1提供仪器
S2提供盒
S3提供全固态耦合器
S4提供用于生成声能的源
S5将盒插入到仪器中
Claims (14)
1.一种用于利用聚焦声能照射样本(101)来处理该样本的装置(100)，该装置包括：
仪器(102)；
盒(103)；
全固态耦合器(104)；
用于生成声能的单个源(105)；
其中，所述盒具有用于接纳所述样本的腔室(110)；
其中，所述全固态耦合器在所述源与所述盒之间提供所述声能的完全干式耦合；
其中，所述仪器和所述盒适于将所述盒插入到所述仪器中；
其中，所述盒和所述仪器可分离；
其中，所述聚焦声能是高强度聚焦超声，所述高强度聚焦超声能够生成喷泉；
其中，在所述盒的一个单个腔室中，通过所述聚焦声能向所述样本应用预处理和细胞溶解；
其中，预处理是从下面组中选定的一种方法，所述组包括：与反应物混合，循环，释放来自拭子的细胞、病原体和母体，释放来自刷子的细胞、病原体和母体，液化，在室温或高温下培育具有反应物的样本，摇动，混合；搅拌，萃取，核酸萃取，流生成，样本均质，通过离心法分离，及其任何组合；
其中，细胞溶解是从下面组中选定的一种方法，所述组包括：与反应物混合，循环，微生物细胞溶解，在室温或高温下培育具有反应物的样本，及其任何组合，
其中，所述装置按这样的方式被适配成使得其在单个腔室中的样本处生成至少两个不同的焦点区，并且
其中所述至少两个不同的焦点区通过从下面组中选定的部件生成，所述组包括：
一个单个源和混合透镜，
具有不同粗糙度区的一个单个源，
在源的不同位置处被不同地激发的一个单个源，以及
其任何组合。
2.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述仪器和所述盒按这样的方式组合布置，即，通过将所述盒插入到所述仪器中，形成了用于从所述源向所述样本传送声能的传播路径(106)；并且
其中，所述传播路径仅由非流体物质构成。
3.根据权利要求1或2所述的装置，
其中，所述全固态耦合器包括从下面组中选定的材料，所述组包括：固态凝胶、橡胶、弹性箔、基于聚合物的材料、金属、半导体、陶瓷以及由这些材料构成的叠层，其中所述基于聚合物的材料包括热塑性聚合物、具有低声衰减特性的聚合物和聚丙烯，所述金属包括铝。
4.根据权利要求1或2所述的装置，
其中，所述盒包括声窗(107)；
其中，所述声窗由柔性材料(108)制成；
其中，所述全固态耦合器通过将所述盒插入到所述仪器中而与所述声窗物理地接触。
5.根据权利要求4所述的装置，
其中，所述全固态耦合器具有用于接触所述声窗(107)的第一接触表面；
其中，所述盒具有用于接触所述声窗的第二接触表面；并且
其中，所述第一接触表面、所述第二接触表面以及所述声窗中的至少一个具有从下面组中选定的表面粗糙度值，所述组包括：小于0.5微米的值、小于1微米的值、以及小于2微米的值。
6.根据权利要求2所述的装置，
其中，所述传播路径具有声阻抗的梯度；
其中，所述梯度沿从所述源至所述样本的方向单调地减小。
7.根据权利要求1或2所述的装置，所述装置还包括：
透镜(109)，用于将所生成的所述声能聚焦到所述样本上；
其中，所述透镜从下面组中选定，所述组包括：作为放置在所述源与所述盒之间的物理分离的组件的透镜、作为所述源的一部分的透镜、作为所述透镜的具有聚焦形状的源、作为所述盒的一部分的透镜、由具有低声衰减特性的聚合物制成的透镜、金属透镜、陶瓷透镜、聚丙烯透镜、混合透镜、及其任何组合，其中所述金属透镜包括铝透镜。
8.根据权利要求1或2所述的装置，所述装置还包括下列中的至少一个：
萃取单元；核酸扩增单元；反应物存储单元；检测单元(111)，用于在所述样本上应用测量，其中，所述检测单元用于向所述样本应用从下面组中选定的至少一种测量，所述组包括：光学测量、磁测量、热测量、电测量、化学测量、声测量，及其任何组合，
其中，利用所述聚焦声能照射所述样本导致对所述样本的处理。
9.根据权利要求1或2所述的装置，
其中，所述全固态耦合器由基于聚合物的材料制成；并且
其中，所述基于聚合物的材料具有从下面组中选定的玻璃化转变温度Tg，所述组包括：Tg≥-30℃；Tg≥-10℃；Tg≥-5℃；Tg≥20℃；Tg≥40℃；Tg≥60℃；Tg≥80℃；Tg≥100℃；Tg≥120℃；Tg≥130℃；Tg≥140℃；Tg≥150℃；以及Tg≥160℃。
10.一种用于利用聚焦声能照射样本(101)来处理该样本的仪器(102)，该仪器包括：
单个源(105)，用于生成所述声能；
全固态耦合器(104)；
其中，所述仪器适于接纳包含所述样本并且可与所述仪器分离的盒(103)；
其中，当将所述盒插入所述仪器中时，所述全固态耦合器在所述源与所述盒之间提供所述声能的完全干式耦合；
其中，所述聚焦声能是高强度聚焦超声，所述高强度聚焦超声能够生成喷泉；
其中，在所述盒的一个单个腔室中，通过所述聚焦声能向所述样本应用预处理和细胞溶解；
其中，预处理是从下面组中选定的一种方法，所述组包括：与反应物混合，循环，释放来自拭子的细胞、病原体和母体，释放来自刷子的细胞、病原体和母体，液化，在室温或高温下培育具有反应物的样本，摇动，混合；搅拌，萃取，核酸萃取，流生成，样本均质，通过离心法分离，及其任何组合；
其中，细胞溶解是从下面组中选定的一种方法，所述组包括：与反应物混合，循环，微生物细胞溶解，在室温或高温下培育具有反应物的样本，及其任何组合，
其中，所述仪器按这样的方式被适配成使得其在单个腔室中的样本处生成至少两个不同的焦点区，以及
其中所述至少两个不同的焦点区通过从下面组中选定的部件生成，所述组包括：
一个单个源和混合透镜，
具有不同粗糙度区的一个单个源，
在源的不同位置处被不同地激发的一个单个源，以及
其任何组合。
11.根据权利要求10所述的仪器，其中，所述仪器接纳了包含所述样本并且可与所述仪器分离的盒(103)；并且所述仪器和被接纳的盒形成根据权利要求1至9中的任一项所述的装置(100)。
12.一种用于仪器(102)的盒(103)，该仪器用于利用通过单个源(105)生成的聚焦声能照射样本(101)以处理该样本，该盒包括：
腔室(110)，用于接纳所述样本；
全固态耦合器(104)；
其中，所述盒适于插入所述仪器中并且适于与所述仪器分离；
其中，当将所述盒插入所述仪器中时，所述全固态耦合器在所述源与所述盒之间提供所述声能的完全干式耦合；
其中，所述聚焦声能是高强度聚焦超声，所述高强度聚焦超声能够生成喷泉；
其中，在所述盒的一个单个腔室中，通过所述聚焦声能向所述样本应用预处理和细胞溶解；
其中，预处理是从下面组中选定的一种方法，所述组包括：与反应物混合，循环，释放来自拭子的细胞、病原体和母体，释放来自刷子的细胞、病原体和母体，液化，在室温或高温下培育具有反应物的样本，摇动，混合；搅拌，萃取，核酸萃取，流生成，样本均质，通过离心法分离，及其任何组合；
其中，细胞溶解是从下面组中选定的一种方法，所述组包括：与反应物混合，循环，微生物细胞溶解，在室温或高温下培育具有反应物的样本，及其任何组合，
其中，所述仪器按这样的方式被适配成使得其在单个腔室中的样本处生成至少两个不同的焦点区，以及
其中所述至少两个不同的焦点区通过从下面组中选定的部件生成，所述组包括：
一个单个源和混合透镜，
具有不同粗糙度区的一个单个源，
在源的不同位置处被不同地激发的一个单个源，以及
其任何组合。
13.根据权利要求12所述的用于仪器的盒，其中，所述盒被插入所述仪器中，并且所述仪器和被接纳的盒形成根据权利要求1至9中的任一项所述的装置(100)。
14.一种用于利用聚焦声能照射样本来处理该样本的方法，该方法包括以下步骤：
提供仪器(S1)；
提供盒(S2)；
提供全固态耦合器(S3)；
提供用于生成所述声能的单个源(S4)；
将所述盒插入到所述仪器中(S5)；
其中，所述盒具有用于接纳所述样本的腔室；
其中，由于将所述盒插入到所述仪器中，因而在所述源与所述盒之间提供所述声能的完全干式耦合；
其中，所述盒和所述仪器可分离；
其中，所述聚焦声能是高强度聚焦超声，所述高强度聚焦超声能够生成喷泉；
其中，在所述盒的一个单个腔室中，通过所述聚焦声能向所述样本应用预处理和细胞溶解；
其中，预处理是从下面组中选定的一种方法，所述组包括：与反应物混合，循环，释放来自拭子的细胞、病原体和母体，释放来自刷子的细胞、病原体和母体，液化，在室温或高温下培育具有反应物的样本，摇动，混合；搅拌，萃取，核酸萃取，流生成，样本均质，通过离心法分离，及其任何组合；
其中，细胞溶解是从下面组中选定的一种方法，所述组包括：与反应物混合，循环，微生物细胞溶解，在室温或高温下培育具有反应物的样本，及其任何组合，
其中，所述仪器按这样的方式被适配成使得其在单个腔室中的样本处生成至少两个不同的焦点区，并且
其中所述至少两个不同的焦点区通过从下面组中选定的部件生成，所述组包括：
一个单个源和混合透镜，
具有不同粗糙度区的一个单个源，
在源的不同位置处被不同地激发的一个单个源，以及
其任何组合。
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