CN102802777A - 液体样本的搅拌器 - Google Patents

Abstract

一种通过振动的搅拌器，包括环形谐振器（12），通过压电换能器（15，16）将振动应力施加至该环形谐振器。优选的应力形状是环（12）的垂直于其平面的弯曲，从而以相对低的频率激振固有模式。固体环形传送件的使用使得能够令人满意地控制振动，以保持令人满意地传送至待搅拌的样本（7），并且将振动集中在样本上。激振频率是环或容器（6）所固有的频率。

Description

液体样本的搅拌器

本发明的主题是液体样本的搅拌器，其可以用于通过使微粒分散在其中、加热液体、形成喷雾或者施加足以实现诸如这些微粒的破坏（溶解）的特定机械作用的流体能量来使溶液均匀。采用微粒来表示诸如细胞、细菌的生物微粒、或者此外诸如功能化金属纳米壳（nanoshell）的其他微粒。

传统的方法包括使样本受到超声波。这具有多个缺点，其中一个缺点是关于难以将足够的能量传送至样本。实际上，样本封装在容器（tank）中，该容器可以是细的毛细管，该毛细管设置在填充有声传输液体的超声容器中。由于难以建立其特征在于允许将能量令人满意地传输至容器中的液体、特别是限制界面（容器的里面和外面）处的损失的声波（横穿传输液体的压力波）而使得其中几乎全部的能量都损失掉。除了前一缺点之外的另一个缺点在于，尽管如此传送至容器中的液体的能量并不一定产生所寻求的作用，即加热、混合、分散、雾化、溶解或者此外的旋转或离心。因此必须在相当长的时期内消耗大量的能量以实现令人满意的搅拌。机械振动的盲目施加（例如，通过将容器定位在振动膜上）将具有相同的结果。

此外，目前的超声搅拌机不能使搅拌集中在样本的局部部分上。采用聚集来表示使振动应力集中在空间上有限的区域上。

同一发明人的文献FR-A-2 879 885涉及一种板谐振器，其可以通过外围换能器而经受不同的振动模式，但是其首先被设想为用于将振动传送至环境空气的麦克风板。该板被制造成在其中心较薄，但是连续的，并且其不承受载荷，最重要的，也不是容器。可能施加在板上的弯曲模式本身不能搅拌邻近的液体样本。

本发明的主要目的是提出一种具有令人满意的效率的液体样本的搅拌器，即，其将很大比例的所消耗的能量有效地传送至容器中的液体，并且通过这种方式实现样本的真正搅拌，引起样本的适当移动或者压力变化。

在一般形式中，本发明涉及一种液体样本的搅拌器，包括装有样本的容器和振动发生器，其中振动通过中间介质传递至容器，其特征在于，中间介质是环绕容器并与容器结合的固体环谐振器，并且其中，容器附接至环的中心，并且振动发生器包括至少一个压电换能器，该压电换能器安装在环的外围区域中并构造为将环的径向方向上的振动传送至环并传送至容器。

因此使用固体传递介质中的振动来实现搅拌。本发明的优越性在于这样的事实：该振动是环的径向方向（即平行于其主平面）上的大振幅的机械位移，其在20kHz下可以超过10微米。该振动特别适于产生所寻求的搅拌。通过环与用于搅拌的样本之间的界面的这种振动波的传输可以最优化至很高的效率，使得能量损失相对不是很大。特别地通过在20kHz与70kHz之间的优选范围内调节谐振频率，并且通过在这些频率下激振（excite），易于将设备最优化成产生理想的振动。最后，使用环绕容器的环使振动集中或聚集在容器上。

采用主平面来表示垂直于环的对称轴线的平面。

容器通常将是具有这样的轴线的管：该轴线与垂直于环的环的对称轴线大致平行，并且该轴线的一部分，例如中央部分，将被环环绕。将看到的是，特别地通过环的弯曲，导致管的弯曲，并且特别地管的被环环绕的部分的弯曲，该布置能够产生充分的搅拌。尽管振动波仅到达容器和样本的一小部分，但该搅拌可以遍及管的内容物而延续。例如，如果管具有附接至属于搅拌器的固定框架的相对端部，则获得了这些特性。

采用大致平行来表示在10度以内平行。

谐振器可以附接至框架，特别地，根据优选的可能性，通过弹性结构从框架悬置，或者仅从管悬置而与框架无关。

有利的设备在于通过将它们支撑在橡胶盘（隔膜）上将管的端部附接至框架。可以将可互换的管连续地安装在搅拌器中并安装在环的中心孔中。即使管的端部打开，也保持不透水性。该框架可以包括露出（reveal）橡胶盘的孔，这些使得能够使用通过陷入橡胶盘中的中空注射针（needle）来注入并然后移除样本。该布置允许方便地结合在用于液体样本的处理（制备、分析）装置中，并且特别是结合在通常被叫做术语信标（beacon）的漂浮（roaming）装置中。

应该指出的是，管可以与环形成单个件，或者与环分离。管可以在使用一次之后丢弃，这在第一种情形中是方便的，或者在接收第二样本之前清洗，这在第二种情形中是优选的。

如果管具有带有螺旋扭曲的内表面，通过使用特定的振动形式，那么可以通过形成与管中的流体的旋转运动结合的平移运动来改进搅拌。

如果环从外围至容器逐渐变细，那么实现了另一个改进，以将振动能量集中在少量的样本中，并且在液体的整体运动扩散到容器的剩余部分中之前首先地对液体施加期望的搅拌。

根据另一个改进，除了环之外，谐振器包括中心套管，该中心套管的轴线垂直于其中安装有液体容器的环。采用垂直于环的轴线来表示与环的对称轴线大致平行的轴线。如果容器是管状的，那么其形状可以制造成锥形的，以方便紧固。该套管本身导致将振动令人满意地传输至容器的内容物，并且有利于对于搅拌有用的搅拌波的应用。在一个优选的实施方式中，套管从连接的位置朝着环逐渐变细，直到至少一个端部，并且，更有利地，套管具有大致相等的厚度，在其连接至环的地方，套管的厚度为环的厚度的一半，或者套管的厚度为该厚度，取决于其是否通过两个自由端或者单个这样的端部将振动传送至容器，并且在所述端部处为零厚度。

本发明的另一个方面对适于搅拌的振动的选择。可以看到的是，具有几种类型的有利的振动。由于通过单独地控制的多个分离的谐振器来控制这些振动的选择，因此通过环产生这些振动不会有任何困难。尽管是这样，主要设想产生并施加至样本的振动从环的弯曲获得，即，环的上层扩张，而下层收缩，并且反之亦然，导致在与容器连接的位置处在环的平面外部形成充分的运动，转变成充分的压缩运动，并且因此转变成使容器在套管的端部处的壁弯曲的运动。这些弯曲振动具有的优点在于，它们具有相对低的谐振频率，典型地具有几kHz到几十kHz的数量级，这是有利的，因为它们伴随着更充分的运动。这些弯曲振动可以简单地通过作为圆形物安装在环的表面（上表面或下表面）的外围上的至少一个换能器获得。这些弯曲振动还可以通过将面向彼此的这种换能器定位在两个表面上来获得，并且以相反的相位控制。这些弯曲振动有效地传送至样本并且引起具有充分的机械效果的大振幅压力波。

换能器可以传送不同频率的振动。这些换能器可以定位在环的两个相对的表面上，以实现几个同时的振动控制。当换能器遵循环的轴向对称时，例如完全覆盖环的表面，套管端部振动，施加容器紧固运动，这产生随着其在样本内部移动而增大的压缩波，在该样本的中心轴线的区域中达到最大。

这些换能器还可以成组地定位在环的外围区域上的弧的相应部分中，传送相位偏移与所述圆的部分之间的角度偏移相同的相同频率的振动。由于套管的旋转倾斜作用，这有利于流体的混合并且，可能地，有利于整个样本中的振动的另一作用的扩散，该布置用于形成流体的整体旋转运动。

一个特别受重视的实施方式首先包括位于环的一个表面上的完整圆形换能器，以形成不对称振动模式，该不对称振动模式为具有轴向对称的弯曲的形式，在样本中产生压力波，在样本中产生涉及第一类型的搅拌的机械作用；其次包括位于环的相对表面上的上述压电换能器的组，以形成非轴对称弯曲模式，并且在流体上施加涉及第二类型的搅拌的圆周运动。

磁体可以邻近管并且在特定应用中邻近环，例如以吸附磁性粒子，例如金属纳米壳。磁体于是使磁粉集中在环附近，在此磁粉受到振动能量。

为了显现其多个特征方面、以及所获得的效果，现在将详细地描述本发明的几个实施方式。将参照下面仅作为例证给出的附图：

-图1、图2、图3、图4、图5分别示出了本发明的五个特定实施方式；以及

-图6、图7、图8、图9和图10给出了关于实施方式的细节或操作细节。

图1中描绘了本发明的第一实施方式。搅拌器包括框架1，该框架包括两个平行的板2和3以及介于板2和3之间的圆形壁4。该构造通过紧固螺钉5保持在位并且形成室。具有液体样本7的锥形管6的形状的容器在室中在板2和3之间延伸，其具有附图中的竖直轴线。容器被支撑在两个橡胶盘（隔膜）8和9上，这些橡胶盘本身被支撑在板2和3上。孔10和11穿透板2和3，露出橡胶盘8和9。中空注射针可以横穿圆盘8和9以注入样本7或者移除样本。于是在两个连续样本7的处理之间无需拆除搅拌器。然而，可能的是使用一个接一个安装的闭合的管。谐振器11包括在板2和3之间在中间延伸的水平环12，该水平环的外围通过进入圆形壁中的刚性台肩13附接至圆形壁4，并且该水平环的厚度从外围至中心减小。环12在中心被穿孔。谐振器11还包括中心套管14，该中心套管的轴线垂直于环12延伸，该中心套管界定环12的穿孔，并且管6安装在该中心套管中，通过紧固装配在该位置中。中心套管14的轴线与管6的轴线合并，并且还与环12的对称轴线合并。包括环12和中心套管14的谐振器11相对于与管6的轴线合并的轴线具有旋转对称性。谐振器11通过布置为在外围区域中在其上表面上和在其下表面下的环的换能器15和16而激振。出于特定操作，诸如磁粉的集中，可以为装置增加磁体17，这些磁粉然后必须分散在样本7中。这些可以是用在生物学中作为用于细胞的载体（support）的铁粉。

换能器15和16的激振使谐振器11变形并且将振动传送至管6并传送至样本7。振动模式是通过以反相控制换能器15和16而获得的环12的弯曲，当相对换能器16收缩时，换能器15在水平方向（环12的径向）上扩张。由于其下层和上层的平行且相对的运动所导致的环12的剪切引起中心的弯曲移动，造成套管14的端部的压缩/扩张运动，该运动被有效地传送至液体样本。已观察到的是，经受弯曲的环的激振提供相对低的谐振频率，这些谐振频率可能在几千赫兹到几十千赫兹之间，这些谐振频率具有的优点在于它们伴随有较大的振幅和较小的阻尼：因此需要较少的电能来激振换能器15和16。使用套管14在垂直于管6的壁的径向方向上（即，垂直于谐振器的对称轴线）施加振动允许通过由管6组成的界面将振动能量令人满意地传送至样本7。当管由诸如聚丙烯的塑料制成时，可以获得能量的40%被传送（而能量的60%被反射）的效率。如果没有套管14，管6将受到沿着其轴线的大致竖直振动，这将产生样本7的仅是非常小的搅拌，特别地由于这些振动将在管的界面处几乎完全被反射。如果小心地制造，换能器15和16与环12之间的能量传输效率也是大约40%。由到达样本7的能量产生的搅拌是充分的，因为通过套管14的管6的紧固变化改变其直径并且以产生在这样的方法中所寻求的机械作用的压力波形式传送至样本7：这些方法用于微粒的破坏或者破碎，以及可能地延伸至液体的雾化或气蚀现象，并且涉及样本7的充分搅动，并且因此其部分的混合。此外，振动能量在套管14与管6的接合区域中的消耗可以使样本7能够被加热，或者由于由加热产生的对液体进行除气而方便搅动。

如果使用管6的非常充分的运动来获得气蚀，那么更具体地证实了这些作用。环12朝向其中心的变薄使得其在该位置处更具柔性，增加了振动的振幅（由于移动的量的守恒）并且使能量的施加集中同时降低了固有频率。

通过避免太充分的集中，要求施加径向组成部分的套管14也使得该能量能够分配在充足体积的样本7上，以使其作用更加显著。例如，已观察到，通过使用外径为2.5mm的玻璃管，至少为3mm²的接合表面（套管与管接触的表面）允许几十mm³的样品体积的令人满意的搅拌。

谐振器11可以由铝或者玻璃制成，特别地热模制，或者由塑料（聚丙烯、聚碳酸酯等）制成，换能器15和16可以由陶瓷制成，并且管6由金属、玻璃或塑料制成。换能器15和16可以由锆钛酸铅或者诸如钛酸钡的其他压电材料、或者聚偏氟乙烯（PVDF）制成。与再次描绘了图1的实施方式的图10相关的表I给出了装置的一些可能尺寸；但是它们不是必需的。

表I

选择多种设置，以获得几十千赫兹的相对低的谐振频率，从而获得更大的移动振幅以及低阻尼，典型在套管接合至管的区域中，点对点振幅在1微米到20微米之间。将优选地避免声频，并且这就是为什么将优选地选择高于20kHz的谐振频率的原因。将寻求的谐振频率是环12的谐振频率，或者由环和管构成的单元的谐振频率。在许多情形中可以优化该构造，因为这些固有频率中的一个对于环12以及对于管6是常规的。两个相对的换能器15和16使环能够利用应力对称性更好地弯曲，但是单独一个换能器可能是足够的。这些换能器可以以单个电频率来控制，或者通过重置（同时施加几个频率）或者并置（在预定的时间间隔期间（例如对于每个频率组成部分为一微秒的数量级）连续地施加不同频率的信号）的信号来控制，其中这些频率通常从谐振频率中选择。这些换能器可以因此被选择成处于相同的频率，或者相反地，激振频率可以在换能器15与16之间分配，因为通过换能器15和16的相对激振不是必要的。环12或者由环12和管6组成的单元每个都具有几个谐振频率，其与相同数量的分离的固有模式相对应，但是第一固有模式（环的简单弯曲，具有从外围朝向中心的不变挠曲，以及管6在端部的两个振动节点处以及与套管14的连接处的单个振动腹点处的弯曲，这些模式在图1中以虚线示出）下的激振通常是优选的，因为它们的频率较低；但是对于这两个元件中的一个或另一个或者两者来说，几个固有模式的同时激振是可以想象的。

现在将通过图2来描述另一个实施方式。这些是与前一实施方式相比可以注意到的区别。现在是111的谐振器没有用于附接至圆形壁104的台肩，但是通过柔性梁113从圆形壁悬置，该柔性梁的数量可以是四个，分配在围绕装置的周向的四分之一圆中。因为通过框架101实现了更好的分离，谐振器111具有更少的谐振模式，并且这些谐振模式的谐振振幅更大，改进了品质因数。下换能器116在环112的整个下表面下方延伸，并且可以单独地促成弯曲振动的建立，而相对于前一实施方式没有改变以及因此具有较小的面积和较小的功率的上换能器115提供了额外的功率，例如处于另一个频率或者处于相同的频率，或者再次形成另一种类型的振动，如将结合图6和图8描述的。选择不对称的换能器、选择以不同的频率控制的换能器、或者选择相对于中间平面不对称的环（环的一个表面的倾斜不同于另一个表面的倾斜，这是图1和图2中的情形，其中环12或112的下表面是平的）使得纯弯曲模式下的激振（意味着谐振器以及其激振的完全对称）更困难，但是这并非一定是不利的。换句话说，谐振器包括具有对称平面、或中间平面的环12将是优选的，因为这允许改进谐振器的品质系数，并且因此改进了对于给定的激振能量的振动的振幅。将想起的是，品质系数是量化谐振峰值的灵敏度的指标。

在图3中描述了另一个实施方式。其与前面的实施方式的不同之处在于，容器现在结合在谐振器中，即，谐振器211包括环212和从环的中心延伸直至橡胶盘208和209（与前面的实施方式的那些类似）的套管214。因此样本7直接包含在套管214中。在这种情形中，环212具有恒定的厚度，并且其外围区域仍然装配有位于其相对的表面上的换能器215和216，这些换能器的面积是相同的。这些换能器以反相控制，并且仍然可以根据图3中的虚线在套管214上施加弯曲，然而其中，在第一特定实施方式中，套管具有位于与环212的连接区域中的第三振动节点、以及位于该节点与支撑在橡胶盘208和209上的端部之间的两个腹点，其中这些端部于是构成第一和第二振动节点。因此所有的其他东西都是等同的，但是容器（套管214）的谐振频率将与前面的实施方式中的管6的谐振频率不同。

与前面的实施方式的另一个不同之处在于，环212与框架201分离并且仅从套管214悬置。这种在环212与框架201之间缺少连接是有利的，甚至比图2的实施方式更好，因为这防止了对谐振器211的振动特性的任何影响，这因此具有更好限定的以及更多选择的固有模式（即更灵敏并且彼此更间隔开）。

套管优选地具有足够的高度以便呈现振动节点。在设计时，套管的振动剖面将例如通过激光测振仪（vibrometry）观察到，并且套管的高度将调整成使得两个端部构成振动节点。高度的调整还可以通过模拟来实现。

通过图4限定了第四实施方式。套管314保持结合在谐振器311的环312中，并且该套管类似地支撑在封装样本7的橡胶盘308和309上，但是环312不再通过中部而是通过一端与该套管连接：因此环邻近框架的板中的一个，并且位于上板302上。因为单个换能器足以产生期望的激振，所以能够仅使用下换能器316，因为环312闭合于上板302。环是振动节点。

振动的第一固有模式包括单个中心腹点以及位于端部的两个节点，如图1和图2的实施方式中的。后者示出了不需要将谐振器连接至套管的中心，或者不需要通常地从容器连接至样本。

与第一和第二实施方式相比，第三和第四实施方式使能够防止套管与管之间的摩擦和粘性阻尼。这导致将振动能量更有效地传输至样本的结果，以及样本的较少加热。

现在我们通过图5和图6来呈现所描述的本发明的第五实施方式。谐振器411包括分成覆盖约70°的角度且每个都在框架401的一对紧固螺钉405之间延伸且于是位于紧固螺钉外部的四个部分的环412。部分420例如通过以与图2中的这些相似的柔性梁413从驱动框架401的心轴421悬置。该构造被证明是有效的，由于需要增加注入到流体中的声功率，这在一些应用中可以是有用的，例如当期望溶解生物微粒时。于是目的是增加换能器的有效表面，同时通过使环延长来减小环的谐振频率，同时框架的尺寸可以由于其他原因而受影响，例如，结合或者连接至装置的相关件。环412在中心穿孔并且连接至中心套管414，如在其他的实施方式中的；套管414夹持（grip）作为用于样本7的容器的管406，管406是圆柱形的，使得套管414在其整个内周向上支撑在管上。在管406与套管414之间具有略微紧固的调整，以在不妨碍管406的替换的前提下提供牢固的接触。可以在握持区域中在套管414与管406之间的界面处可以使用聚合物凝胶类型的接合剂，以改进振动的传输。管406可以在其内表面中包括螺旋孔422。管也支撑在橡胶盘408和409上。在这种情形中，环412相对于中间厚度平面对称，并且其厚度在比前面的实施方式中的更广阔的外围区域上恒定；但是环412的中心区域也朝向套管414逐渐变细。下换能器和上换能器415和416是相同的并且在环412的大部分表面上延伸，并且如环一样被分为部分423。

在这种情形中，由于必须避免的紧固螺钉405而导致换能器的分割是必要的，但是必须强调的是，该分割带来了显著的优势：其使得振动控制以相位偏移施加，引起样本7的旋转运动。图7示出了通过以四分之一相控制部分421a至421d而获得的效果：当部分420a在一瞬间推动管406时，反相的相对部分420c从管移开，而中间部分420b和420d在中性点处。管406因此在该瞬间移动至图7的右侧；显然，通过以相同的频率控制部分420，存在于管406的与套管414接触的部分中的样本7将采用由虚线箭头指示的圆周运动。已观察到，首先通过使管的变形集中并且在每个瞬间在角形部分上施加压力波，协助样本的移动，并且特别地在所讨论的位置处将微粒与管406的壁剥离，并且然后通过引起有利于样本的混合的全部样本7的圆周运动，产生存在于管406中的样本7的圆周运动的这种激振非常有益于协助样本7的搅动并且因此获得均匀的混合。通过协助样本在管406的轴线的方向上的移动，孔422加强了混合，并且在其圆周运动过程中，接近管406的液体采用该圆周运动。

谐振器的这种分割成部分或者至少换能器分割成部分以施加相移激振从而获得管的圆周运动是如此有利以致设想将其用在本发明的其他实施方式中，特别是前面已描述的这些。应该规定的是，根据本实施方式，谐振器可以保持整体式并且包括位于相同的表面上的多个换能器，但是优选的是，环还应该分割成部分，环的部分优选地具有与换能器相同的角度开口。此外，容器管优选地被迫插入到套管中以使振动横穿该管，并且不会致使是该管而非样本旋转。因为谐振器完全在框架的轮廓外，因此当具有四个这样的部分时，这些部分可以具有90°的角度范围，并且这些部分通过细的狭缝分开。于是可以选择不同数量的部分和相位，只要它们的数量至少三个，以形成圆周运动。换能器415和416的部分423可以如结合图7所建议的通过相同的压电偏振和四个电相位来控制，或者如图8所建议的通过使偏振方向相反和仅两个电相位来控制，这能够简化电控制设备。然而，容器随着样本的旋转激振不能施加除了影响液体的移动和搅动之外的充分机械作用，因为容器的截面没有充分地变形。因此当试图雾化、或样本7的混合、或微粒的分散时，这是足够的，但是例如，对于微粒的碎裂，这是不够的：于是轴对称振动模式将是优选的，这产生容器的截面的周期性的收缩、以及更强的压力波。通常将有利的是，通过以几个频率施加控制将两种激振族（excitation family）与分割成部分（此时所有的部分以频率的相同相位来控制以形成振动的轴对称部分）的给定换能器相结合，或者将两种激振族与相对的换能器相结合，由于这些换能器可以单独地控制；与轴对称振动相关的换能器于是可以在整个周期上都是连续的。

现在将描述本发明的另一个方面：套管相对于环的尺寸的有利设计。通过这种方式，图5的实施方式是特别有利的，因为（图9）套管414包括从与环412的连接426的位置在相反的方向上延伸的两个唇状件（lip）424和425，并且每个唇状件以这样的方式朝向它们的自由端渐缩：使得它们的厚度从连接426的位置处的最大厚度“e”逐渐地变化至自由端处的零厚度。在连接426的位置处，套管414的最大厚度“e”等于环412所具有的厚度“2e”的一半。厚度“e”可以是1mm，并且唇状件424和425中每个的长度“l”大致为5mm；然而这些尺寸是必要的。这些尺寸设计规则首先允许将振动能量从环412传送至唇状件424和425，并且于是允许将振动能量传送至管406，由于唇状件424和425在它们的自由端处的柔性，这些自由端经受大尺度的位移。

对于其他实施方式，可以提出类似的尺寸设计规则。在图3的尺寸设计规则中，因此能够考虑套管214也具有两个唇状件：于是在它们连接的位置处，环212的厚度等于套管214的厚度的两倍。在图1和图4的实施方式中，其中套管14或314在环12或312的单个侧面上延伸，在它们连接的位置处，套管的厚度等于环12的厚度。

显而易见的是，可以从已描述的实施方式中容易地构思出其他的实施方式，包括通过替换或者通过从不同的实施方式取出的元件的组合。

搅拌器可以形成用于液体（例如这种生物液体）样本的处理的更完整设备的一部分。容器可以是通常用在生物实验室中的管，例如Eppendorf或Falcon品牌的传统管。

在整个说明书中，已示出了根据本发明的装置如何能够使微粒分散在液体中。当然，这种装置还允许多种液体混合，例如不混溶的或不太混溶的液体。

类似地，在该说明书中，已描述了压电换能器。在一些情形中，本发明可以使用其他磁致伸缩换能器。这种换能器是机电或磁力换能器。

然而，压电换能器，并且更具体地铁电陶瓷，是优选的换能器。

现在我们将描述将根据本发明的搅拌器用于诸如孢子、细菌和病毒的生物物种的溶解的实例。

已知的是，当球状物被搅拌时，搅拌溶液中的微球可以使得存在于溶液中的这种生物物种溶解。溶解是由于球状物在生物物种上的磨蚀作用所引起的。微球表示直径小于1mm、典型地为几十μm到几百μm的球状物。

本发明人试图使用推进器形式的移动搅拌器，以引起孢子的充分磨蚀。它们遇到这种搅拌器的可靠性的问题。此外，浸没在溶液中的移动部件的存在是麻烦的，例如它们在两次使用之间必须清洗。此外这种部件可能机械地磨损。

通过使用根据本发明的搅拌装置，在没有浸没在待搅拌的介质中的移动部件的情况下，可以夹带微球。这还使得能够结合在信标中。

下面给出了一个实例装置：致动器包括在其中心限定直径为2.4mm的开口的大直径为50mm厚度为2.65mm的环512形式的铝谐振器。

在环的每个表面（下表面和上表面）上，4个相同的锆钛酸铅型陶瓷换能器520（由Ferroperm制造-参考PT 26）布置在同心环的四个相邻部分中。每个换能器具有25mm的大半径、10mm的小半径，并且为0.5mm厚。环512的特定表面上的每个换能器520相对于相邻部分具有π/4的相移。通过该布置，环512的一个表面上的每个换能器面向环的另一表面上的换能器，两个相邻换能器以相反的相位起动。

每个换能器520通过峰峰RMS电压为50V和RMS强度为2.5mA、以及谐振频率为20kHz的AC信号被激振。该装置的消耗量等于500mW，这对应于每单位体积的待搅动的液体样本（约50μl）的功率等于10W/cm³。

将液体样本浸没到34mm高、300μm厚的聚丙烯管506中，该管具有锥形截面，最小外径为2.4mm，并且最大直径为5mm。将直径为100μm的二氧化锆（氧化锆）球状物放置在样本中。它们的质量典型地在15mg与75mg之间。

聚丙烯管506通过共轴的铝套管514保持在位。套管514固定至环512并且与该环共轴。套管的长度是3.8mm。套管514的内表面与管506的外表面相匹配。管506保持为使得其底部距离套管514为1.4cm。可以将硅脂设置在管的与套管接触的外表面上，以便于声信号的传输。

含有孢子的液体可以是水或者盐水缓冲液。其可以有利地含有提高溶解的效率的溶解缓冲液，但这不是必要的。

换能器520的起动产生旋转弯曲波，将微球夹带到处于旋转运动中的样本中。微球然后引起组成样本的孢子的磨蚀。旋转波与微球的旋转的结合作用将旋转运动施加至液体样本，并且在管506中施加平移运动。因此，大部分或者甚至所有的样本都受到由于微球的磨蚀影响。

样本所含有的孢子是枯草芽孢杆菌和/或芽孢杆菌型孢子，并且样本中的孢子的浓度是20μl中10⁶个孢子。

搅拌时间是2分钟，这足以获得含有溶解的生物物种的DNA的样本，孢子的溶解产量几乎为100%。这种产生可以通过具有移动部件并且更昂贵的更复杂的商业上可购得的装置获得。该装置还是可容易地清洗的。该产量已通过定量PCR型分析由净化的DNA的量化来确定。

该装置可以结合在实现与外部的电和机械密封的聚碳酸酯外壳中。该外壳的尺寸包含在5cm*5cm*5cm的体积内。于是结果是可以建立在信标中并消耗少量的能量的耐用的自由（nomad）装置。

优选地，该装置包括用于传送液体样本的第一注射针551，该第一注射针例如在其顶端处通向管506中。该装置还可以包括优选地通向管506的底部的第二注射针552，并且该第二注射针将用于抽吸容纳在管中的液体样本。第一注射针和第二注射针551和552可以由金属（例如不锈钢）制成，并且可以具有450μm的外径和350μm的内径。

优选地，第二注射针552在管506中居中。换句话说，该第二注射针与管506的纵向轴线对准。因此，球状物容易围绕注射针552转动。第二注射针552的一个端部的直径小于球状物的直径，以使球状物不能被吸入。

因此，根据本发明的装置可以用于待溶解的生物种类的溶解。该装置包括：

-谐振器512，该谐振器具有圆柱形几何形状以及环形截面，包括位于其一个平面上的多个相邻换能器520，使得特定表面上的不同的换能器彼此异相；

-管506，在该管中具有含有待溶解的物种的液体；

-谐振器512固定至管506。

优选地，考虑到在相同的旋转方向上，每个换能器之间的相移具有相同的标记。当考虑谐振器的相同表面上的n个换能器时，n≥2，两个相邻换能器之间的相移可以是2π/N。

优选地，谐振器包括与环512的中心共轴的伸出套管514，该套管能够将包含待溶解的样本的管506保持在位。

优选地，该装置包括内径在10μm与几100μm之间的第一注射针形式的将液体样本传送至管中的装置551。第一注射针可以通向管的上部。

该装置还可以包括端部直径小于球状物的直径的第二注射针形式的用于吸入包含在管中的液体样本的装置552。

使用根据本发明的装置的溶解工艺于是包括以下步骤：

-将含有生物物种的液体装在含有球状物的管506中；

-通过起动根据本发明的换能器520开始球状物的移动，使得球状物开始旋转移动，该球状物的移动于是引起所述生物物种的溶解；

-吸入装在管中的包含溶解的生物物种的液体，抽吸装置552将球状物与液体和溶解的物种区别开，使得仅吸入液体和溶解的生物物种。

Claims (24)

1.一种液体样本的搅拌器（6，214），包括装有所述样本的容器（7）和振动发生器，其中，振动通过中间介质传递至所述容器，其特征在于，所述中间介质是环绕所述容器并与所述容器结合的固体环谐振器（12，112，212，312，412），并且其中，所述容器附接至所述环的中心，并且所述振动发生器包括至少一个压电换能器，所述压电换能器安装在所述环的外围区域中并构造为将所述环的径向方向上的振动传送至所述环并传送至所述容器。

2.根据权利要求1所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述容器是管（6），所述管的轴线垂直于所述环。

3.根据权利要求2所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述管具有附接至固定的框架的相对端部。

4.根据权利要求3所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述谐振器在所述环的外围处附接至所述框架。

5.根据权利要求3所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述谐振器通过弹性结构从所述框架悬置。

6.根据权利要求3所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述谐振器从所述管悬置而独立于所述框架。

7.根据权利要求3所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述管的所述端部附接至所述框架，并支撑在橡胶盘（8，9）上。

8.根据权利要求7所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述框架包括露出所述橡胶盘的孔，并且所述管的所述端部打开。

9.根据权利要求2所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述管（406）具有带有螺旋孔（422）的内表面。

10.根据权利要求1所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述环从所述外围朝向所述容器逐渐变细。

11.根据权利要求1所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述谐振器包括轴线垂直于所述环的中心套管，并且所述容器被夹持在所述套管中。

12.根据权利要求2和11所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述管是锥形的。

13.根据权利要求1所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述振动发生器包括单独控制的多个换能器。

14.根据权利要求1所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述换能器传送不同频率的振动。

15.根据权利要求13所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，换能器的组在所述环的所述外围区域的弧的相应部分上延伸，并传送相位偏移与弧的所述部分之间的角度偏移相同的相同频率的振动。

16.根据权利要求13所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述换能器定位在所述环的两个相对表面上。

17.根据权利要求11和16所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，通过定位在所述环的相对表面上的所述换能器传送的振动具有反相的组成部分，并且由此产生所述环的弯曲。

18.根据权利要求1所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述振动发生器包括传送产生所述容器的振动压缩的对称振动的完整圆形换能器。

19.根据权利要求15、16和18所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述搅拌器包括位于所述表面中的一个上的所述换能器的组以及位于相对表面上的所述完整圆形换能器。

20.根据权利要求11所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述套管从与所述环连接的位置逐渐变细，直到至少一个端部。

21.根据权利要求20所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述套管具有的厚度等于所述环的厚度的一半，或者所述套管具有的厚度等于所述环的厚度，取决于所述套管是具有两个所述端部，还是具有一个这样的端部，并且在另一个端部处是零厚度。

22.根据权利要求15所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述组中的换能器的数量是四个，这些换能器的振动移位四分之一相位，并且这些换能器在70°的角形部分上延伸。

23.根据权利要求2所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述搅拌器包括邻近所述管并邻近所述环的磁体。

24.根据权利要求1所述的液体样本的搅拌器，其特征在于，所述换能器是压电的。

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