CN109562380A - 用于聚集流中的物体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于聚集流中的颗粒或细胞的聚集装置(100)。该聚集装置包括用于引导流的至少一个通道(110)和至少一个声学限制结构(120)，该通道(110)包括包含颗粒流边界(112)至少一个颗粒限制结构，该至少一个声学限制结构(120)包括被适配用于限制声场的声场边界(122)，其中，声场边界(122)不同于颗粒流边界(112)，并且其中，该至少一个声学限制结构(120)相对于通道(110)来布置以将声场至少部分地限制在通道(110)中。

Description

用于聚集流中的物体的方法和装置
发明领域
本发明涉及用于聚集流中的小物体(诸如颗粒或细胞)的聚集结构的领域。更具体而言，本发明涉及基于声辐射力的聚集装置。
发明背景
对于许多微流体应用，颗粒或细胞的流聚集(flow focusing)是样本浓缩或分离的必要步骤。这通常通过使用鞘液进行流体动力学聚集来将颗粒引导到通道的中心来实现。然而，为了对颗粒产生足够的聚集效果，鞘液流量有时必须比样本流体的流量大几个数量级。
在现有技术的驻波声电泳系统中，使用声辐射力来从液体中分离颗粒或细胞。在这种系统中，可以基于颗粒或细胞的大小和密度来分离颗粒或细胞。驻波声电泳中颗粒的迁移速度与颗粒半径的平方、声场的频率和压力幅度的平方成比例。
然而，实际上，频率和驱动力不能无限增加以增加聚集速度。
发明内容
本发明的各实施例的目的是提供一种用于聚集流中的颗粒或细胞的装置。
通过根据权利要求的方法和装置来实现以上目标。
在第一方面，本发明的各实施例涉及一种用于聚集流中的颗粒或细胞的聚集装置。该装置包括至少一个通道，以及至少一个声学限制结构，该至少一个声学限制结构包括被适配用于将声场至少部分地限制在通道中的声场边界。
通道包括至少一个颗粒限制结构，该至少一个颗粒限制结构包括颗粒流边界。颗粒的移动空间受到这些颗粒流边界的限制。颗粒流边界可以例如是通道的壁，或者它们可以例如包括通道内的一个或多个柱阵列，这些柱阵列允许限制颗粒的自由流动。
在本发明的各实施例中，声场边界不同于颗粒流边界。
本发明的各实施例的优点在于，可以改善聚集颗粒的效率。这是通过声场边界不同于颗粒流边界的聚集装置来实现的。
声学限制结构的设计可以例如使得满足谐振条件、和/或使得可以获得声学限制结构中的特定压力场。颗粒可以例如朝向流的中心被聚集。由此，可以获得颗粒在通道中的流中更好和/或更高效的聚集。对于这些设计，声场边界不同于颗粒流边界是有利的。
本发明的各实施例的优点在于，实现了在平行通道中聚集颗粒或细胞。此外优点在于，根据本发明的聚集装置关于通道数目是可缩放的。
在颗粒或细胞在平行通道中流动的情形中，通过声学限制结构的恰适设计来改善颗粒在流中的聚集。由此，取决于芯片上的位置来调谐声学限制结构的谐振条件。本发明的各实施例的优点在于，声学限制结构被设计成使得可以在不同通道中同步地对准颗粒。例如，可以在不同通道中具有相似或者甚至相同的声场分布。在本发明的各实施例中，还可以避免第一通道的声学限制结构的声场干扰第二通道中的颗粒的聚集。根据本发明的多通道聚集装置的优点在于，与仅使用一个通道的情况相比，可以实现更高的吞吐量。
在颗粒在一个通道中流过由连续声学限制结构产生的连续声场的情形中，通过根据颗粒在序列中的位置来设计声学限制结构来改善颗粒在流中的聚集。第一声学限制结构可以例如被设计成使得在操作中该结构中的声场迫使颗粒离开通道的侧壁。第二声学限制结构可以例如被设计成使得在操作中该结构中的声场迫使颗粒去往通道的中心。
在本发明的各实施例中，聚集装置包括两个通道，其中每个通道包括被适配用于将声场至少部分限制在该通道中的声学限制结构。
本发明的各实施例的优点在于，每个通道包括声学限制结构，并且声学限制结构被适配用于将声场限制在通道中。这允许根据声学限制结构在聚集装置中的位置来设计声学限制结构。声学限制结构的设计可以例如限定该声学限制结构内的声波的谐振条件。
在本发明的各实施例中，声学限制结构可以被设计成获得所产生的声场的特定幅度和相位。在本发明的各实施例中，在设计声学限制结构时补偿了跨通道干扰。在本发明的各实施例中，声学限制结构包括用于产生声场的发生器。在这些实施例中，聚集装置可被适配用于控制该发生器以相对于彼此控制声场。
在根据本发明的各实施例中，聚集装置包括声学屏障，其中该声学屏障被呈现为声学限制结构。
本发明的各实施例的优点在于，聚集装置包括声学屏障，以避免一个声学限制结构的声场干扰另一声学限制结构的声场。声学屏障可以防止第一声学限制结构内的声场干扰第二通道中的颗粒的聚集，反之亦然。由此减少了跨通道干扰。
在根据本发明的各实施例中，至少一个声学限制结构包括被适配成反射行进声波的声学屏障。
在本发明的各实施例中，声学限制结构的声学屏障允许限定该声学限制结构内的声波的谐振条件。在本发明的各实施例中，可以通过由于声学屏障(声学屏障将减少与芯片的其余部分的耦合或者甚至使该耦合可忽略不计)而增强一个个体通道的谐振来改善声场的均匀性。
在本发明的各实施例中，至少一个通道包括两个连续声学限制结构。
本发明的各实施例的优点在于，通过相对于彼此来控制声学限制结构，可以改善颗粒在流中的聚集。第一声场可以例如控制聚集通道的入口。
在本发明的各实施例中，聚集装置包括被适配用于约束通道中的颗粒流的颗粒限制结构。颗粒限制结构包括颗粒流边界，该颗粒流边界可以或者可以不与通道壁不同。在本发明的各实施例中，声场边界不同于颗粒流边界。
本发明的各实施例的优点在于，通道中的颗粒流受到约束。这可以例如使颗粒移离通道的侧壁。通过使颗粒移离侧壁，它们可以通过声学限制结构在通道的稍后阶段中更好地聚集。本发明的各实施例的优点在于，可以通过缩短迁移路径和增加施加在颗粒上的力来加速颗粒的聚集。
在根据本发明的各实施例中，颗粒限制结构包括柱阵列。
本发明的各实施例的优点在于，柱阵列不会干扰声场或液体流，并且柱阵列可以约束颗粒流。
在本发明的各实施例中，颗粒限制结构包括声学透明层。
本发明的各实施例的优点在于，颗粒流受到约束并且声场不会被声学透明层干扰。在根据本发明的各实施例中，通道壁可以是聚合物壁，并且声学限制结构可以包括声场边界，以修改声波的谐振条件并改善对颗粒的聚集效果。
在第二方面，本发明的各实施例涉及一种诊断设备，该诊断设备包括：
-根据本发明的各实施例的聚集装置，该聚集装置用于聚集流中的细胞或生物颗粒，
该诊断设备可例如包括用于确定被聚集生物颗粒或细胞的质量和/或数量以及用于基于该质量和/或数量来提供输出的模块，其中诊断可以基于该输出。
在第三方面，本发明的各实施例涉及一种用于监视包括细胞或颗粒的液体流的工业检查设备。该工业检查设备包括：
-根据本发明的各实施例的聚集装置，该聚集装置用于聚集流中的细胞或颗粒。
该工业检查设备可例如包括用于以下的模块：用于确定被聚集颗粒或细胞的质量和/或数量以及用于基于该质量和/或数量来提供用于表征液体流的输出。
在第四方面，本发明的各实施例涉及一种用于聚集流中的颗粒或细胞的方法。该方法包括：使用颗粒流边界来限制颗粒的移动从而得到受限制的颗粒流，使用包括声场边界的声学限制结构来将颗粒聚集在受限制的颗粒流中，其中，声场边界不同于颗粒流边界。
在根据本发明的各实施例中，第一通道中的颗粒通过施加第一声场被聚集，并且其中，第二通道中的颗粒使用第二声场被聚集。
本发明的各实施例的优点在于，可以聚集平行通道中的颗粒。
在根据本发明的各实施例中，该方法包括用于通过连续声场将颗粒连续地聚集在通道中的两个步骤，其中，在第一步骤中，颗粒通过第一声场移离通道壁，并且其中，在第二步骤中，颗粒通过第二声场被聚集在通道中。在根据本发明的各实施例中，颗粒可以例如朝向通道的中心被移动。
在根据本发明的各实施例中，该方法包括：用于在使用声场来聚集颗粒之前使用与通道边界不同的颗粒流边界来限制颗粒流的步骤。
在根据本发明的各实施例中，颗粒流是使用柱阵列或使用声学透明层来限制的。
本发明的特定和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。从属权利要求中的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的。
本发明的这些以及其他方面从下文所描述的(诸)实施例中将变得显而易见并且将参考这些实施例来进行阐明。
附图简述
图1示出了根据本发明的各实施例的包括平行通道的聚集装置的示意图。
图2示出了根据本发明的各实施例的包括匹配的壁和屏障的聚集装置的一个声学限制结构的示意图。
图3示出了根据本发明的各实施例的因变于聚集装置的声学限制结构中的位置的压力场。
图4示出了根据本发明的各实施例的包括两个平行通道的聚集装置的示意横截面。
图5示出了根据本发明的各实施例的包括三个连续局部声学限制结构的聚集装置的示意图。
图6示出了根据本发明的各实施例的包括柱阵列的通道。
图7示出了根据本发明的各实施例的包括声学透明层的通道的横截面。
图8示出了根据本发明的各实施例的包括声学透明层的通道的俯视图。
图9示出了通道中的层流速度。
图10示出了通道中的声压场。
图11示出了通道中的声辐射力。
图12示出了根据本发明的各实施例的包括微柱的通道中的层流速度。
图13示出了根据本发明的各实施例的包括微柱的通道中的声压场。
图14示出了根据本发明的各实施例的包括微柱的通道中的声辐射力。
图15示出了根据本发明的各实施例的具有或不具有微柱的通道中的瞬时颗粒轨迹的分析仿真。
图16示出了常规的通道，其中通道的壁用作声学限制结构并用作颗粒限制结构。
图17示出了图16的通道中的压力场和声辐射力。
图18示出了常规的五通道芯片中的压力场的有限元分析(COMSOL仿真)。
图19示出了根据本发明的各实施例的微加工超声换能器的横截面，该微加工超声换能器被设计成通过聚集装置来发射横向声波。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。在不同的附图中，相同的参考标记指代相同或相似的元件。
解说性实施例的详细描述
本发明将针对特定实施例且参考一些附图进行描述，但是本发明不限于此，而是只通过权利要求限定。所描述的附图只是示意性的并且是非限制性的。在附图中，一些元件的尺寸可放大并且出于解说性的目的不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明实践的实际缩减。
说明书和权利要求书中的术语第一、第二等被用于区分相似元件，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或其它方式上的顺序。应该理解，如此使用的这些术语在合适环境下可以互换，并且本文描述的本发明的各实施例能够以除了本文描述或解说的之外的其他顺序来操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶部、下方及类似术语用于描述性的目的并且不一定用于描述相对位置。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的各实施例能够以除了本文描述或解说的之外的其他取向来操作。
要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语被解释为指定所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件，或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备或布置”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备或布置。这意味着对于本发明，该设备或布置的仅有的相关组件是A和B。
贯穿本说明书引述的“一个实施例”或“一实施例”意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性是包含在本发明的至少一个实施例中的。由此，短语“一个实施例中”或“一实施例中”在贯穿本说明书的各个地方的出现并非必要地全部引述同一实施例，但是可能引述同一实施例。进一步，在一个或多个实施例中，如本领域普通技术人员会从本公开中显而易见的，特定特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于流线化本公开的目的，并且辅助各个创造性方面的一者或多者的理解，本发明的各个特征有时在单个实施例、附图或其描述中被编组在一起。然而，这种公开方法并不被解读为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求反映的，各发明方面可以存在比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体描述之后所附的权利要求因此被明确纳入该具体描述中，其中每一项权利要求独自作为本发明单独的实施例。
此外，尽管本文所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如将由本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
在本文所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，本发明的各实施例在没有这些具体细节的情况下也可实践。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出以免模糊本描述的理解。
在本发明的各实施例中，在引用流聚集的情况下，引用的是通道或微通道中的流动颗粒或细胞的2D或3D限制。流聚集是许多微流体技术(例如细胞分离、浓缩或分选)的必要元素。
在第一方面，本发明的各实施例涉及一种用于聚集流中的颗粒或细胞(也称为流聚集)的聚集装置。因此，该装置包括至少一个通道以及至少一个声学限制结构，该至少一个声学限制结构包括被适配用于将声场至少部分地限制在通道中的声场边界。通道包括至少一个颗粒限制结构，该至少一个颗粒限制结构包括颗粒流边界，其中，颗粒流边界不同于声场边界。在根据本发明的各实施例中，通道是微流体通道。
该聚集装置可以是微流体芯片，并且该至少一个通道可以是微通道。该通道可以是芯片中的通道。通道可具有任何类型的横截面(例如，矩形横截面)。
在本发明的各实施例中，声学限制结构被适配用于将声场限制在特定位置中。根据本发明的聚集装置可包括用于产生声场的换能器。该产生的声场可被限制在声学限制结构中。在本发明的各实施例中，由一个频率驱动的一个换能器足以在聚集装置的声学限制结构内产生声场。由此可以在不同通道中获得期望的驻波分布。原因由此在于，通道具有用于限制声场的个体声学限制结构，从而得到每通道的个体声场分布。驻波分布可以例如在不同通道中相同。在本发明的各实施例中，声学限制结构的声场相对于彼此受控。换能器可以是用作聚集装置的声源的压电式芯片。
在本发明的各实施例中，聚集装置可具有平面结构，其中通道被布置在该平面结构中。因此，聚集效果的主要方向是横向方向。
在本发明的各实施例中，换能器可抵靠平面聚集装置的表面来被放置。在该情形中，声波将主要垂直于聚集装置的表面来发射。只有那些在其他方向上传播的波可在声学限制结构中产生与该声学限制结构的本征模式相对应的声波。
在本发明的各实施例中，换能器可被放置在平面聚集装置的侧面。由此，换能器可以产生横向声波；然而，侧面面积远小于底部面积，并且因此通过侧面来传递声波能量的效率较低。
因此，在本发明的各实施例中，换能器可以是位于微通道内部的微加工超声换能器(例如，电容式微加工超声换能器或压电式微加工超声换能器)。在该情形中，在所制造的微加工超声换能器的顶上形成微通道。与换能器被放置在微通道外部的常规配置相比，该配置应当能够使微通道具有更高的声能传递效率。微加工超声换能器被设计成通过聚集装置以更可控的方式来发射横向声波。图19示出了这种电容式微加工超声换能器或压电式微加工超声换能器1910的可能配置的横截面，其中在换能器1910的顶上形成微通道1930，并且其中，声学硬边界1920(例如，玻璃)被呈现为微通道1930的壁。使用这种换能器，可以在微通道中产生横向驻波声场。可以在硅或玻璃基板1940的表面上制造微加工换能器，在该微加工换能器的顶上放置微通道1930。
所产生的场可以是体声波(BAW)。一旦声学振动的频率与该至少一个通道的谐振条件匹配，就可以在每个微流体通道中横向地产生驻波。
声学限制结构可以是全局的或局部的。在局部声学限制结构的情形中，对于相同的通道可以存在一个以上这种结构、和/或在一个以上通道的情形中，每个通道可以具有不同的声学限制结构。
根据本发明的聚集装置可包括多个通道。聚集装置由此被构造成使得可以在每个通道中实现聚集效果。
由此，本发明的各实施例的优点在于，即使通道位于芯片的不同位置，也可以获得足够的驻波，以通过一个工作频率在每个通道中聚集。由于有多个声学限制结构，因此这是可能的。本发明的各实施例的优点在于，可以获得相同的驻波，并且因此在每个通道中获得相同的聚集效果。
图1示出了根据本发明的各实施例的聚集装置100。颗粒或细胞140在液体流150中流过通道110。在本发明的该示例性实施例中，聚集装置100包括三个平行通道110。
在该示例中，颗粒流边界112是通道110的对应壁。如可以从该图中看出，声场边界122不同于颗粒流边界112。
在具有平行通道的这种实施例中，一个声学限制结构120的声场可能干扰其他声学限制结构120的声场。由此，本发明的各实施例的优点在于，可以消除或者至少抑制声波脱离声学限制结构。因此，可以减少具有多个声学限制结构的多通道系统中的耦合效果。由此，作用于所有三个通道中的颗粒的一致聚集效果是可能的。
在根据本发明的各实施例中，声学屏障130存在于各通道之间。这种声学屏障可以是低声阻抗屏障(相应地是软声场边界)或高声阻抗屏障(硬声场边界)。这些声学屏障使得不同通道之间的串扰被抑制。
图16示出了常规通道110，其中通道110的壁230用作声场边界并用作颗粒流边界。在该现有技术示例中，颗粒流边界和声场边界相同。通道的壁可以例如由与水具有大的阻抗失配的硅或玻璃制成。
图17中示出了常规通道中的压力场1730和声辐射力1740。
而在图16中所解说的常规通道中，颗粒限制结构和声学限制结构相同，均由通道110界定，在根据本发明的各实施例中，颗粒流边界不同于声场边界。
颗粒限制结构可以例如对于声场而言是透明的。在图2中所解说的实施例中，这种透明层210被用作壁的材料。透明层210形成颗粒流边界112。这种层可例如由聚二甲基硅氧烷(PDMS)或光可图案化粘合剂(PA材料)制成。在该情形中，大部分声能将被消散到壁，这是由于这些壁具有与水的声阻抗接近的声阻抗。在根据本发明的各实施例中，可添加声学屏障130以形成声场边界112。图2中解说了这种聚集装置的示例性实施例。图2示意性地示出了根据本发明的各实施例的聚集装置的一个声学限制结构120。在图2中所解说的实施例中，声学屏障130被用于限制声波并且由此被包括在声学限制结构120中。
在根据本发明的各实施例中，声学限制结构包括声场反射器、吸收器或隔离器。
这种反射器可以是声学屏障。该声学屏障可被放置在毗邻于通道或在通道附近或者可以是被用于反射行进声波的腔。
声学通道或腔110可例如通过蚀刻一片硅晶片或玻璃230、并且随后在其顶上粘结覆盖物220(诸如薄玻璃层)来形成。该通道或腔可以由粘结聚合物(诸如PDMS或PA材料)的薄层制成。这些聚合物具有与水类似的声阻抗。
声学屏障130可以是软屏障(在该情形中，声阻抗远小于匹配的壁)或硬屏障(在该情形中，声阻抗远大于匹配的壁)。例如，PDMS可以被认为是匹配的壁210并且气隙可以被用作软屏障130。由于空气与PDMS之间显著的声阻抗失配，因此大部分声能将被空气/PDMS界面122反射，并且形成压力节点。可以在特定频率下在两个气隙之间产生驻波，相应地，在腔中获得部分驻波。
本发明的各实施例的优点在于，声能在声场边界122处在屏障130上被反射。由此，声能保持在通道110中，因为波不会继续进入芯片，在芯片中它们将被消散并衰减。因此，本发明的各实施例的优点在于，通过添加屏障130增加了腔内的谐振功率。
这在图3中解说。图3示出了根据本发明的各实施例的因变于聚集装置的声学限制结构中的位置的压力场。结果基于COMSOL(这是有限元分析求解器和仿真软件包)中的特征频率研究。Y轴的单位是Pascale，然而，压力场的分布比其绝对值更重要。在根据本发明的各实施例中，可以根据气隙的位置和PDMS层的宽度(即，通过声场边界122的位置)来调整驻波的波形。如稍后将解释的，根据本发明的各实施例，当在通道中使用连续声学限制结构并且由此相对于彼此来控制声学限制结构的声场时，可以使用这种结构。
图18示出了常规的五通道芯片中的压力场的有限元分析(COMSOL仿真)。这指示当芯片利用横向谐振模式时，压力场由整个芯片的谐振确定。当微通道的壁由聚合物制成时，这是非常明显的。个体通道中的压力场分布高度依赖于该通道在芯片中的位置，这使得难以通过使用一个频率来将他们一起驱动，同时还将颗粒聚集在每个通道的中心。因此，在常规的五通道芯片中仅通过一个本征模式难以实现相同的驻波分布。如果中心通道在其谐振模式下工作，则侧通道在从其自身谐振频率偏移的频率(驱动频率)下操作。实际上，由于每个模式具有特定的带宽，因此可以通过一个频率来实现所有通道中的聚集。但这也意味着，在不同通道中，声辐射力和对应的聚集效果将会不同。
在根据本发明的各实施例中，这种不同通过增加个体通道的谐振来减小。这是通过提供被设计成调谐不同通道的谐振并因此使整个芯片的耦合可忽略不计的声学限制结构来完成的。
因此，本发明的各实施例的优点在于，聚集装置包括其中声场边界不同于颗粒流边界的声学限制结构。图4示出了根据本发明的各实施例的包括两个平行通道110的聚集装置100的示意横截面。图4示出声学屏障130可以被用于抑制不同通道110之间的声学耦合。声学屏障130切断在壁210的薄层中行进的声波。每个通道110具有局部谐振，并且谐振频率主要由屏障130的声场边界122之间的空间确定。在本发明的该示例性实施例中，仅预期不同位置处不同通道110的轻微频率变化。这允许通过一个工作频率来聚集多个通道。在根据本发明的各实施例中，该频率变化可以例如小于5％。同样在该示例中，声场边界122不同于颗粒流边界112。
在本发明的各实施例中，所需要的工作频率受通道的尺寸或受声学限制结构支配。该谐振频率取决于通道内的位置。如果壁由聚合物制成，则横向方向上的谐振非常弱。之后，当通道与整个芯片耦合时，谐振频率会显著偏移。谐振频率偏移取决于通道在芯片中的位置。然而，在声学限制结构包括屏障以增强谐振的本发明实施例中，谐振频率受各屏障之间的空间支配。原因由此在于，与通道的壁的匹配材料相比，屏障与流体(即，水)具有更大的阻抗失配。因此，对于个体通道将存在更强的谐振。
在具有多个通道的聚集装置中，在不同通道的谐振之间可能存在不均匀性，这可以使用根据本发明的各实施例的声学限制结构来解决。
这可以使用以下示例来解说。
考虑聚集装置，其中第一通道的实际谐振频率是f0+f1，其中f0是由该位置处的声学限制结构确定的标称频率，并且其中，f1是由通道在芯片中的位置确定的经偏移频率(该偏移源自声学限制结构内的区域与整个芯片的其余部分之间的耦合，这是耦合模式理论所预期的)。第二通道的实际谐振频率为f0'+f2，第三通道的实际谐振频率为f0”+f3，依此类推。其中频移f1、f2、f3取决于通道的位置。因此，在本发明的各实施例中，声学限制结构的尺寸被设置为使得实际的谐振频率被适配。实际上，对于声学限制结构的声场边界之间的等同空间，f0、f0'和f0”近似相等；在本发明的各实施例中，可以增强通道的谐振，从而减小与谐振效果相比的耦合效果(即，与f0、f0'和f0”相比，f1、f2和f3可忽略不计)。
因此，本发明的各实施例的优点在于，可以改善每个通道中的声场的均匀性。这可以通过设计声场边界来实现，并且由于声场边界不同于颗粒流边界而是可能的。
在根据本发明的各实施例中，驻波在特定位置的频率由通道周围的屏障确定，并且因此所需要的工作频率由通道周围的屏障确定(即，由声场边界的位置确定)。通过增加屏障距离，将降低所需要的工作频率。
声场边界与颗粒流边界相一致的聚集装置可能面临声场在通道壁附近的颗粒上的力有限的问题。这是由通道壁附近的声场的弱谐振造成的。靠近通道壁，颗粒上的力甚至可能近似零力。这是如图17中所解说的现有技术聚集装置的情形，图17示出了压力场1730和声辐射力1740。
图5示出了根据本发明的各实施例的包括连续声学限制结构的通道110。初始地，颗粒随机分布在通道中。在区域1中，包括屏障130(限定声场边界122)的声学限制结构120被设计成使得声辐射力在通道的壁处最大。在区域2中，声学限制结构120被设计成使得声辐射力迫使已经居中的颗粒更靠近中心。因此，屏障130可以被放置成比区域1中的屏障更靠近中心，以使得最大声辐射力更靠近中心。在区域3中，声学限制结构120被配置成使得声学限制场将颗粒聚集到甚至更靠近中心。因此，一组屏障130可以被放置成比区域2中的屏障更靠近中心。因此，这三个不同区域中的声场相对于彼此受控，以使得颗粒被迫使去往通道的中心。在该示例中，颗粒限制结构的颗粒流边界112对应于通道110的壁。
在根据本发明的各实施例中，声学限制结构的压力节点的位置(这是驻波中的最小(零)幅度点)不一定位于通道的中心，这对于颗粒和细胞的局部捕获、观察和分析可能是有利的。
根据本发明的各实施例可以包括被适配用于约束通道中的颗粒流的颗粒限制结构。在这些实施例中，颗粒限制结构包括与通道壁不同的颗粒流边界112。颗粒限制结构可以例如使颗粒移离通道壁。在本发明的各实施例中，颗粒限制结构可包括通道壁或通道壁的一部分。在本发明的各实施例中，可以存在一个以上通道，并且在本发明的各实施例中，可以存在微结构，在微结构中可以引导流体。这些微结构也可以包括被适配用于约束颗粒流的颗粒限制结构。颗粒限制结构可包括壁。它还可以包括限制颗粒流的柱阵列。这种柱阵列可以限制颗粒流但不限制液体流。在该情形中，流体仍然可以沿着壁流动但是颗粒不能沿着壁流动。
图6示出了根据本发明的各实施例的包括这种柱阵列610的通道110。图6示出了声压场630(即，驻波)和声辐射力640。在图6中，颗粒上的声辐射力640在侧壁处为零，但是当离开侧壁时已经不同于零。由此优点在于，通过引入微柱可以加速声学聚集。当微柱的尺寸远小于声学波长时，微柱几乎对声场不可见，并且可以保持期望的驻波场。因此，柱应当显着小于声场的波长。柱优选地尽可能小。这受到制造时柱的最小尺寸的限制。例如，当使用PA材料时，PA柱的半径可以小至5-10μm。在根据本发明的各实施例中，两个柱之间的空间(或间隙)在2至100μm之间，或优选地在5至50μm之间。
在本发明的各实施例中，柱阵列被设计成使得颗粒将不能穿过微柱阵列。这些微柱可以被用于限制和引导颗粒的移动区域。
在本发明的各实施例中，通道可以是常规的硬壁通道(例如，由硅或玻璃制成)。在这些实施例中，通道可以部分地填充有声学透明层，该声学透明层用作颗粒限制结构。图7和图8示出了包括这种声学透明层810的通道。通过引入声学透明层810，声场边界122不同于颗粒流边界112。声学透明层由此用作颗粒限制结构。图7中虚线内的区域是常规通道。通道的硬壁是声学限制结构。
在根据本发明的各实施例中，声学限制结构与颗粒限制结构组合。本发明的各实施例的优点在于，通过组合分开的声学限制结构和颗粒限制结构，可以增强颗粒聚集。
图8示出了压力场830和声辐射力840。在图8中，颗粒上的声辐射力在声场边界122处为零，但在颗粒流边界112处已经不同于零。由此优点在于，通过引入声学透明层810可以加速声学聚集。在本发明的该示例性实施例中，聚集装置100被配置成使得声场边界122之间的宽度是声场的波长的一半，并且使得抵靠侧壁的声学透明层具有宽度λ/8，并且在颗粒流边界112之间的通道110的剩余中心具有四分之一波长的宽度。
根据本发明的聚集装置可包括与颗粒限制结构组合的声学限制结构。由此优点在于，可以独立地调整流体和声学条件以改善颗粒聚集性能。声学限制结构可包括用于限定声场的材料。这些可以是声学反射材料。在本发明的各实施例中，不同的谐振器作为声学限制元件存在于通道的不同位置。在这些实施例中，颗粒限制结构可以是流体通道壁。在该情形中，流体通道壁限定液体和颗粒流。另外可以添加柱来限制颗粒流。
本发明的各实施例的优点在于，在第一部分中，颗粒被推离通道壁前往通道的中心。
图9示出了通道中的层流速度(以m/s计)。该附图以及下面的附图用于说明常规通道中的流速、声压和声辐射力的分布相比于根据本发明的各实施例的通道中的那些流速、声压和声辐射力的分布(绝对值不重要)。最高速度用+++指示，并在通道入口处达成。之后在通道中获得较低速度(++,+)，并且在通道的侧壁处获得零速度(0)。由于层流，颗粒将跨通道的宽度随机分布。根据声辐射力理论，非常靠近壁的那些颗粒将接收零辐射力，这将大大降低聚集速度。
图10示出了通道中的声压场(由++、0、--指示)(以Pa计)。
图11示出了加在通道侧壁的辐射力(以N计)，该辐射力为零。
图12示出了根据本发明的各实施例的包括微柱610的通道110中的层流速度(以m/s计)。
图13示出了根据本发明的各实施例的包括微柱的通道中的声压场(以Pa计)。可以看出，具有或不具有柱的声压场是相同的(图10相比于图13)。
图14示出了根据本发明的各实施例的包括微柱的通道中的辐射力(以N计)。可以看出，具有或不具有柱的辐射力的分布是类似的(图11相比于图14)。
图15示出了具有或不具有微柱610的通道中的瞬时颗粒轨迹的分析仿真。虚线水平线1510对应于通道的中心线。曲线1520对应于在从微柱开始的情况下因变于时间的颗粒轨迹。微柱的位置由线1540指示。曲线1530对应于在从通道的侧壁开始的情况下因变于时间的颗粒轨迹。x轴是以秒计的时间，而y轴是距通道的一个侧壁的距离。示出了一个10μm直径的聚苯乙烯颗粒的瞬时轨迹。起始位置分别在通道110的边界处和微柱的边界处。仿真显示，在存在柱阵列的情况下，颗粒迁移到通道中心所花费的时间要短得多。在该示例性实施例中，在从柱阵列开始的情况下，颗粒迁移到中心需要约0.02s。在从侧壁开始的情况下，这将是约0.05s。

Claims (15)

1.-一种用于聚集流中的颗粒或细胞的聚集装置(100)，所述装置包括：
用于引导所述流的至少一个通道(110)，所述通道(110)包括至少一个颗粒限制结构，所述至少一个颗粒限制结构包括颗粒流边界(112)，
以及至少一个声学限制结构(120)，所述至少一个声学限制结构(120)包括被适配用于限制声场的声场边界(122)，
其中，所述声场边界(122)不同于所述颗粒流边界(122)，并且其中，所述至少一个声学限制结构(120)相对于所述通道(110)来布置以将声场至少部分地限制在所述通道(110)中。
2.-如权利要求1所述的聚集装置(100)，其特征在于，所述装置包括两个通道(110)，其中，每个通道包括被适配用于将声场至少部分地限制在该通道中的声学限制结构(120)。
3.-如权利要求2所述的聚集装置(100)，其特征在于，所述聚集装置包括声学屏障(130)，其中，所述声学屏障(130)存在于所述声学限制结构(120)之间。
4.-如前述权利要求中任一项所述的聚集装置(100)，其特征在于，至少一个声学限制结构(120)包括被适配成反射行进声波的声学屏障(130)。
5.-如前述权利要求中任一项所述的聚集装置(100)，其特征在于，至少一个通道(110)包括两个连续声学限制结构(120)。
6.-如前述权利要求中任一项所述的聚集装置(100)，其特征在于，所述颗粒限制结构包括柱阵列(610)。
7.-如权利要求1至5中任一项所述的聚集装置(100)，其特征在于，所述颗粒限制结构包括声学透明层(810)。
8.-如前述权利要求中任一项所述的聚集装置(100)，其特征在于，所述装置包括换能器，所述换能器被适配用于在所述至少一个声学限制结构(120)的声场边界(122)之间产生声波。
9.-一种诊断设备，包括：
-如前述权利要求中任一项所述的聚集装置，所述聚集装置用于聚集流中的细胞或生物颗粒。
10.-一种用于监视包括细胞或颗粒的液体流的工业检查设备，所述工业检查设备包括：
-如权利要求1至8中任一项所述的聚集装置，所述聚集装置用于聚集流中的细胞或颗粒。
11.-一种用于聚集流中的颗粒或细胞的方法，所述方法包括：使用颗粒流边界来限制颗粒的移动从而得到受限制的颗粒流，使用包括声场边界的声学限制结构来将颗粒聚集在所述受限制的颗粒流中，其中，所述声场边界不同于所述颗粒流边界。
12.-如权利要求11所述的方法，其特征在于，第一通道中的颗粒通过施加第一声场被聚集，并且其中，第二通道中的颗粒使用第二声场被聚集。
13.-如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述方法包括用于通过连续声场将颗粒连续地聚集在通道中的两个步骤，其中，在第一步骤中，颗粒通过第一声场被移离所述颗粒流边界，并且其中，在第二步骤中，颗粒通过第二声场被聚集在通道中。
14.-如权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括用于在使用声场来聚集颗粒之前约束通道中的颗粒流的步骤。
15.-如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述颗粒流是使用柱阵列或使用声学透明层来被约束的。
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