CN113840640A - 声边缘效应 - Google Patents

Abstract

可以提供具有大量多向梯度的声场的声波用于形成相对于声波的界面区域的边缘效应。界面区域可以阻挡具有与界面区域的特性相关的某些特性的材料。受界面区域的声特性影响较小的其他材料可以通过声波。该技术允许使用边缘效应和界面区域分离材料。

Description

声边缘效应

背景技术

已经在各种情况下应用过生物材料的分离。例如，在许多分析过程中使用了从其他生物材料中分离蛋白质的分离技术。

声泳是一种使用声波(比如超声波)将颗粒和/或二次流体与一次或主流体分离的技术。当密度和/或可压缩性存在差异时，声波可以在流体中的颗粒上施加力，这被称为声对比因子。声波中的压力分布含有波节处的局部最小压力振幅和波腹处的局部最大压力振幅的区域。根据它们的密度和可压缩性，颗粒可以被驱动到声波的波节或波腹处并被捕捉。通常，驻波的频率越高，则可以捕捉的颗粒越小。

发明内容

本公开描述了涉及用于材料的声分离的方法、系统和设备的技术。被分离的材料可以是生物材料。声波在流体中产生，在不同位置处形成压差。在流动的流体中，声波与流动流体相互作用的上游界面区域上可能产生压力升高。声波产生作用在悬浮在流体中的材料上的声辐射力。压力上升和声辐射力在界面区域形成可调谐屏障或滤波器。这种现象在本文中可互换地称为界面效应或边缘效应。界面效应的屏障或过滤器特性位于流体流的上游。可以修改声波的特性以改变或控制界面区域的特性和界面效应。例如，可以控制声波的频率以使具有特定声对比因子(acoustic contrast factor)的材料被声波阻挡或通过声波。作为另一个示例，可以修改声波的特性以阻挡或通过给定尺寸范围的材料，同时阻挡或通过另一个不同尺寸范围的材料。

在一些实施例中，被界面效应阻挡或保留的材料是可以被设计成与界面效应一起工作以实现某种结果的颗粒。如本文所用，术语“颗粒”是指与材料悬浮于其中的流体不同的任何类型的材料。颗粒可用作其他化合物或生物材料的载体结构。颗粒可以是珠粒，其可以包含刚性组分，比如玻璃、聚合物或顺磁性材料，或者可以包含柔性组分，比如液体或气体，包含油或脂质。官能化材料可以施加到对一种或多种待分离材料具有亲和力的载体结构上。支撑结构可以混合在含有材料的流体中。流体混合物可以例如通过流过流体腔室而被提供给利用声波形成的界面区域。由声波形成的界面区域可以相对于流体中的其他材料区分例如阻碍或通过支撑结构。

在一些实施例中，粘附到具有官能化材料的支撑结构的材料保留在柱中，而流体中的其他自由材料可穿过声波以提供材料的分离。支撑结构可以被实现为基于其密度、可压缩性、尺寸或其他特性而具有特定的声对比因子，其允许支撑结构与流体混合物中的其他材料相比对声学驻波更强烈地反应。

声换能器可用于产生可在一个或多个方向上产生压力的声波。在多个方向上，声驻波力可以具有相同的数量级。例如，沿波传播方向的力可以与沿不同方向产生的力具有相同的数量级。可以在声波的边界或边缘附近产生界面区域，这有助于防止支撑结构通过。可以使用多个换能器，一些用于以一种或多种模式产生声波，和/或其他的用于以另一种不同的模式产生声波。例如，声波可以是可以在一个维度或方向上或在多个维度或方向上产生压力的驻波。声波可以以形成界面区域的方式产生，以防止某些材料通过而允许其他材料通过。声波可以以捕捉和使特定材料成簇的模式产生，该材料的尺寸增大，直到在簇合物上的重力或浮力超过在簇合物上的其他力，比如流体力或声力，以便簇合物从声波中下降或上升。

颗粒可以包含生物材料，比如细胞，并且可以包含支撑结构/生物材料复合物。包含用于以超声频率振动的压电材料的声换能器可用于产生声波。声换能器可以以一种或多种模式操作以获得期望的效果和/或结果。例如，声换能器可以以优先捕捉或阻挡具有一定密度、尺寸、可压缩性和/或其他特性的颗粒的模式操作。可以使用以收集模式操作的声换能器来收集被捕捉或被阻挡的颗粒，其中颗粒由于成簇和尺寸增大而从声波上升或沉降出来，以增强作用在成簇的颗粒上的浮力或重力，使得增强的力超过声和/或流体曳力。可以有利地利用颗粒的上升或沉降来收集分离的颗粒并将它们从流体腔室中移除。通过声波的上升或沉降而捕捉用于分离的颗粒的模式可以伴随有阻碍或通过流体路径中的颗粒的模式。防止或允许通过的模式可以利用具有穿过流体路径的界面区域的声波来实现。

一种示例性设备可包含被配置为接收含有官能化材料的流体的流体腔室。流体腔室可以是柱的形式。声换能器相对于流体腔室布置，例如声耦合到流体腔室，以在激励时将声波或信号提供到流体腔室中。换能器在某些模式下的激励可以在流体腔室中的流体中产生多向声场，该多向声场包含声压振幅不同的多个空间位置。例如，与获得相对低的声压振幅的其他空间位置相比，一些空间位置可以具有相对高的声压振幅。

在一些示例性模式中，颗粒可以被驱动到多向声场的一些空间位置并被保持在该空间位置。在一些示例性模式中，可以通过界面效应阻止颗粒进入或穿过由声波产生的声场。在一些示例性模式中，颗粒可以通过由于流体曳力、浮力和/或重力而由声波产生的声场。该流体腔室可以被配置为用于在不同定向上操作。例如，在流体腔室操作中使用浮力或重力的情况下，流体腔室可以定向的。流体腔室可以被布置为与垂直方向成角度。这种成角度的布置可以为流体动力学管理或界面效应的部署提供优点。垂直流动可以是向上或向下的。声换能器可以耦合到流体腔室的一端，以允许在流体腔室中形成流化床或膨胀床。在这种布置中，颗粒流体混合物可以流入流体腔室，并且由声换能器产生的声波可以防止目标颗粒随着流体流离开流体腔室，从而在流体腔室中形成膨胀或流化床。

在一些实施例中，超声换能器耦合到设置在流体腔室中的流动路径。超声换能器被激励以在流动路径中产生声波。就过滤而言，通过和离开声波的流体和材料被称为滤液或渗透物，而被声波阻碍或保留的材料被称为浓缩物或保留物。声波可以是驻波或行波、可以是平面的或多向的，或这些波的组合。声换能器可以在高阶模式下以产生多向声波，或者可以以“活塞”模式操作以产生单向或线性声波。当以高阶模式操作时，在声换能器的有源元件的表面上感应出波形，从而在多个方向上发射声波。在活塞模式中，有源元件的表面以均匀的前后运动移动，从而在单个方向上发射声波。在一些实施例中，超声换能器被配置为产生具有声辐射力的多向声波，该声辐射力具有相同数量级的轴向力分量和横向力分量。

在声驻波的情况下，声能反射器可以位于声换能器的对面。反射器可以设置成跨过来自声换能器的流体腔室或流动路径。反射器可以是平面的，并以与入射角相同的反射角反射声能。反射器可以由多个以不同角度布置或远离反射器延伸不同距离的元件组成。这种复合反射器可以根据入射声波所入射的反射器的元件以不同的反射角反射声能。可以设计和实现复杂的反射器以获得特定的响应，例如形成特定形状或定位的界面区域，或增强或减小界面效应。另外，或可选地，多个超声换能器可用于在流体腔室或流动路径中产生声波。例如，超声换能器可以位于与另一超声换能器相对的位置，以有助于在其间产生声驻波。这种第二超声换能器可以是无源的以反射声能，或者可以是有源的以有助于产生和/或控制声驻波。另外，或可选地，多个超声换能器可以沿着流体腔室或流动路径定位，以允许在不同位置产生多个声波。

本文还公开了用于形成界面区域和界面效应的方法。例如，界面区域可以通过在收集模式下操作超声换能器以克服流体曳力在流体流中捕获和保持颗粒而形成。所收集的颗粒可用于形成压差声换能器，一种使用声辐射力在界面区上游建立压力升高的方法。

在一个示例性实现方式中，提供了分离装置，这些分离装置被适配成(i)接收包含主流体和声敏材料的混合物；以及(ii)当混合物呈现给声驻波时，使用声驻波来阻挡声敏材料，从而改变流体中材料的浓度。浓度变化在声驻波的上游界面区域上产生压力上升，以有助于形成界面区域。作用在进入的悬浮材料上的声辐射力进一步有助于形成界面区域。形成界面区域的界面效应充当对悬浮材料的屏障。

可以使用各种操作参数来调制和控制界面区域的位置。例如，可以通过各种柱设计技术控制混合物的流体动力学，控制流体速度和/或控制流体混合物的特性。另外，或者可替代地，可以控制声波的实现方式以影响界面区域的各种特性。例如，可以实现控制以使界面区域形成在超声换能器的位置的上游，或者形成为与超声换能器的位置重叠。可以修改声波的频率，使得不同的对比因子材料可以被截留或允许通过声波，或者使得一个给定尺寸范围的颗粒被保留并且允许第二给定范围的颗粒流过声波。产生界面效应以形成界面区域的声波也可以被调制，以便在操作期间使选择性材料在不同时间或以不同速度通过。

本文讨论的示例性实现方式包含分离装置，其具有用于接收流体、目标材料和非目标材料的混合物的至少一个入口、产生超声波并使用压力上升和声辐射力来产生界面区域以从混合物分离目标材料的超声换能器。示例性分离装置包含用于在分离期间输出非目标材料以及用于在收获阶段输出目标材料的出口端口。流体混合物可以包括颗粒，比如哺乳动物细胞、细菌、细胞碎片、粉末、蛋白质、外来体、囊泡、病毒、植物细胞和昆虫细胞。

在一些示例性实现方式中，分离装置包含再循环路径以允许目标材料在流体腔室或流动路径中的额外停留时间。该分离装置可以以几种模式操作，包含装载流体和颗粒的混合物的初始装载模式、将生物材料引入分离装置的样品装载模式、增强目标材料的捕获的再循环模式和收获捕获的目标材料的洗脱模式。

本说明书中描述的主题的一种或多种实现方式的细节在附图和以下描述中阐述。

附图说明

提供附图是为了说明本文公开的实施例，而不是为了限制本文公开的实施例。

图1是实现声边缘效应的材料分离装置的图示。

图2是用全氟己烷悬浮液引发声边缘效应的材料分离装置的图示。

图3是声压分布的实现方式的两个并排的图像，左侧是物理实现方式的图像，右侧是模拟实现方式的图像。

图4是有助于声边缘效应的模拟声压梯度的图像。

图5是用于建立声边缘效应的声压和辐射力的图示。

图6是声接口的分析图。

图7是正声对比颗粒的声波横向力的模拟模型。

图8是负声对比颗粒的声波横向力的模拟模型。

图9是图示了施加在声界面区的声辐射力的曲线图。

图10是声场中物体的力图示。

图11是全氟己烷悬浮液的界面力与体积分数的关系图。

图12是聚苯乙烯悬浮液的界面力与体积分数的关系图。

图13是不同尺寸颗粒的穿透曲线图。

图14是不同颗粒浓度的穿透曲线图。

图15是不同颗粒浓度和不同尺寸颗粒的穿透曲线图。

图16是琼脂糖珠粒的穿透曲线的图。

图17是示出声边缘效应的操作声分离装置的局部前视图。

图18是多面反射器的等距视图。

图19、20、21和22是示出不同声接口区域位置的操作声分离装置的局部前视图。

图23是对密度大于水的颗粒实现声边缘效应的声分离装置的图示。

图24是对密度小于水的颗粒实现声边缘效应的声分离装置的图示。

图25是在没有流体流的情况下实现声边缘效应的声分离装置的图示。

图26是利用流体流实现声边缘效应的声分离装置的图示。

图27是具有不同几何形状和流体动力学的声分离装置的图示。

图28是图示了声界面区域处的涡流的声分离装置的图示。

图29是具有多个界面区域的声分离装置的局部前视图。

图30是用于启动声边缘效应的过程的流程图。

图31是被配置用于细胞材料的亲和分离的声分离装置的图示。

图32是用于用全氟己烷液滴亲和分离细胞材料的声分离装置和方法的图示。

图33是TCR细胞材料的纯度和回收率图示。

具体实施方式

通过参考以下对所需实施例和其中包含的实施例的详细描述，可以更容易地理解本公开。在下面的说明书和随后的权利要求中，将参考许多术语，这些术语将被定义为具有下面的含义。

虽然为了清楚起见，在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语旨在仅指代在附图中为了说明而选择的实施例的特定结构，并且不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和下面的描述中，应当理解，相同的数字标号表示相同功能的部件。

单数形式“一个”、“一种”和“该”包含复数指示物，除非上下文另有明确规定。

术语“包含”在本文中用于要求存在指定的组分并允许存在其他组分。术语“包含”应解释为包含术语“由……组成”，其允许仅存在指定组分以及可能由指定组分的制造产生的任何杂质。

数值应理解为包含当减少至相同数目的有效数字时相同的数值和与该值相差小于本申请中该类型的常规测量技术的实验误差以确定该值的数值。

本文公开的所有范围包括所述端点并且可独立地组合(例如，“2克至10克”的范围包括端点2克和10克，以及所有中间值)。本文公开的范围的端点和任何值不限于精确的范围或值；它们足够不精确以包含接近这些范围和/或值的值。

与数量结合使用的修饰语“约”包含所述值，并且具有上下文所规定的含义。当在范围的上下文中使用时，修饰语“约”也应被认为公开了由两个端点的绝对值定义的范围。例如，“约2至约10”的范围也公开了“2至10”的范围。术语“约”可指所指示数字的正负10％。例如，“约10％”可表示9％至11％的范围，并且“约1”可意指0.9至1.1。

应当注意，本文使用的许多术语是相对术语。例如，术语“上”和“下”在位置上彼此相对，即，在给定的定向中，上部件位于比下部件更高的高度处，但是如果装置被翻转，则这些术语可以改变。术语“入口”和“出口”是相对于给定结构流过它们的流体而言的，例如流体流过入口进入结构并流过出口离开结构。术语“上游”和“下游”是相对于流体流过各种部件的方向，即，流体在流过下游部件之前流过上游部件。应当注意，在环路中，第一部件可以被描述为第二部件的上游和下游。

术语“水平”和“垂直”用于表示相对于绝对基准(即地平面)的方向。然而，这些术语不应被解释为要求结构彼此绝对平行或绝对垂直。例如，第一垂直结构和第二垂直结构不必彼此平行。术语“顶部”和“底部”或“基部”用于指顶部相对于绝对基准总是高于底部/基部的表面，即地球表面。术语“向上”和“向下”也是相对于绝对参考；向上总是逆着地球的重力。

本申请涉及“相同数量级”。如果较大数字除以较小数字的商为至少1且小于10的值，则两个数字具有相同的数量级。

简而言之，本公开涉及能够从一个或多个压电换能器产生声边缘效应的声分离装置。在一些实施例中，换能器被电激励成振动的多模式位移模式，以产生多向声波。可替代地或另外，声换能器可以以活塞模式激励以产生平面或单向声波。可以产生声波的组合，比如平面和多向声波的组合。声波可用于产生界面效应或边缘效应，这些术语在本文中可互换使用。界面效应导致形成具有阻止材料通过声波和伴随的声场的声力场的界面区域。界面效应可以被配置为靶向某些类型的材料，比如通过阻挡具有特定范围内的密度、可压缩性和/或尺寸特性的材料。界面效应可以被配置为通过某些类型的材料，比如通过被配置为影响这种材料到比要被阻挡的其他特定材料小得多的程度。要通过的材料受到来自声波和声场的影响程度小得多，使得其他力占优势，比如重力、浮力或流体曳力。

声边缘效应导致声辐射力，该声辐射力可以克服在某些流速下流体曳力和浮力或重力的组合效应。结果，辐射力用作防止目标颗粒(例如，生物细胞或声响应性珠粒)穿过驻波的过滤器。由声波产生的若干力可以对声边缘效应和所产生的界面区域产生影响。例如，多向声波可以产生作用在呈现给声波的流体流中的材料上的横向力。当声波产生的声场撞击到材料上时，声场离开材料中颗粒的散射效应产生三维声辐射力。声辐射力在颗粒上产生净力效应。非零净力可能导致颗粒在声场中移动，而接近零净力可能导致颗粒被捕捉在声场中。当颗粒相对于波长较小时，声辐射力与颗粒体积(例如，半径的立方)成比例。声辐射力与材料的频率和声对比因子成比例。声辐射力与声能(例如声压幅度的平方)成比例。对于谐波激励，力的正弦空间变化是将颗粒驱动到声波，特别是声驻波内的稳定位置的力。当施加在颗粒上的声辐射力大于流体曳力和颗粒上的浮力/重力的组合效应时，可发生颗粒捕捉。在一些操作模式中，由声波产生的横向和轴向声力作用在被捕捉的颗粒上，通过颗粒的集中、成簇、凝集、凝聚和/或聚结导致形成紧密填充的簇合物，当达到临界尺寸时，对于比主流体重的颗粒，该颗粒通过增强的重力连续地沉降，或者对于比主流体轻的颗粒，该颗粒通过增强的浮力上升。另外，二次颗粒间力，比如Bjerkness力，有助于颗粒团聚。颗粒的成簇可以有助于界面区域的形成并增强声边缘效应。

在本公开的装置中，在启动期间，通过捕捉尺寸增大的成簇的颗粒的过程来澄清由声驻波所声束缚的流体，直到重力或浮力支配声和/或流体曳力。在这一点上，颗粒簇合物被驱出声波。声驻波是三维声场，在由矩形换能器激励的情况下，其可以被描述为占据大致矩形棱柱或长方体体积的流体。通常，两个相对面是换能器和反射器，相邻的一对相对面是装置的壁，最后的一对相对面是立方体的上游和下游面，通过它们提供流体流。相对于声驻波场，界面区域通常更位于上游区域。该位置也被称为上游界面区域。通过声波的净化流体在界面区域的下游。操作参数的各种组合，比如流速、施加到换能器的电功率、流体浓度或声波的配置，仅举几个例子，可以影响界面区域的位置和特性。

换能器设计会影响系统的性能。典型的换能器是具有结合到背衬层和耐磨板的陶瓷压电元件的分层结构。因为换能器被加载了由驻波呈现的高机械阻抗，所以用于耐磨板的传统设计准则，例如，用于驻波应用的半波长厚度或用于辐射应用的四分之一波长厚度，以及制造方法可能是不合适的。相反，在本公开的一些示例性实施例中，换能器没有耐磨板或背衬，从而允许压电元件以高Q因子在其本征模式之一中振动，或者在几个本征模式的组合中振动。振动陶瓷压电元件/盘可以直接暴露于流过分离装置的流体。

除去背衬(例如，使压电元件为空气背衬)还允许陶瓷压电元件以具有很小阻尼的高阶振动模式(例如，高阶模态位移)振动。在具有带背衬的压电元件的换能器中，压电元件象活塞一样以更均匀的位移振动。移除背衬允许压电元件以非均匀位移模式振动。

压电材料的尺寸、形状和厚度决定了换能器在不同激励频率下的位移。在一些示例性实现方式中，换能器以接近厚度谐振频率(半波长)的频率工作。以高阶模式工作的换能器可以产生更多数量的声力梯度。高阶模态位移在声场中在多个方向上产生具有强梯度的声波，从而在多个方向上产生声辐射力。

与压电材料(例如压电晶体)作为具有均匀位移的活塞有效地移动的振动形式相反，由换能器产生的声辐射力的横向力可以通过以较高阶模式形状驱动换能器来增加。声压与换能器的驱动电压成比例。电功率与电压的平方成比例。换能器通常是薄压电板，电场在z轴上，而主要位移在z轴上。换能器通常在一侧通过空气(即，换能器内的气隙)耦合，而在另一侧通过流体混合物耦合。在板中产生的波的类型被称为合成波。压电板中的复合波的子集类似于泄漏对称(也称为压缩或拉伸)Lamb波。板的压电特性通常导致对称Lamb波的激励。这些波是泄漏的，因为它们辐射到流体层中，这导致在流体层中产生声波。兰姆波存在于无限范围的薄板中，在其表面上具有无应力条件。因为本实施例的换能器本质上是有限的，所以实际的模态位移更复杂。

横过板的厚度的面内位移(x位移)和面外位移(y位移)，横过板的厚度的面内位移是偶函数，而面外位移是奇函数。由于板的有限尺寸，位移分量在板的宽度和长度上变化。通常，(m,n)模式是换能器的位移模式，其中在宽度方向上的换能器位移中存在m个波动并且在长度方向上存在n个波动。m和n的最大数目是压电材料(例如压电晶体)的尺寸和激励频率的函数。存在不是(m,n)形式的附加三维模式。

驱动换能器，使得压电元件以通式(m,n)的高阶模式振动，其中m和n独立地为1或更大。高阶模式在多个方向上产生声波，导致更大数量的节点和波腹位置，其特征是声场中的强梯度。

在一些示例性实现方式中，超声换能器由电信号驱动，该电信号可以基于电压、电流、相位角、功率、频率或任何其他电信号特性来控制。特别地，用于换能器的驱动信号可以基于电压、电流、磁、电磁、电容或换能器响应的任何其他类型的信号。在实施例中，驱动换能器的信号可以具有正弦、方形、锯齿、脉冲或三角波形；并且具有500kHz至10MHz的频率。

参考图1，图示了实现声边缘效应的声分离装置的图示。声边缘效应：声辐射力在一侧的颗粒和流体的混合物与另一侧的清洁流体之间形成界面。流动方向上的辐射力由多维场的横向驻波场分量产生；换能器的衍射波和穿过界面的非平面反射器的散射波导致颗粒上的附加辐射力。声辐射力在颗粒上施加向下的力，该力大于颗粒上的流体拖曳力，可能由重力辅助，从而保持稳定的界面。声力阻挡颗粒移动到声场中。可以使用相对低浓度的颗粒来建立该效果(例如，～1-2％)。可以使用一个或多个换能器和一个或多个反射器。声场可以成角度。在声装置开启的情况下，流动被开启，声边缘将颗粒保持回来并允许清澈流体通过，这与过滤类似。声边缘也可以在换能器下面或在声场中。

影响界面区域的形成和稳定性的一些参数包括颗粒的浓度、声压/功率、流速、材料的声对比因子、材料中颗粒的尺寸、换能器频率和介质的特性。

图2图示了声分离装置与全氟己烷(PFH)悬浮液形成界面区的操作。在左手侧的图示中，声换能器T未被激励并且流体无阻挡地流过装置。在右手侧的图示中，声换能器被激励以形成具有声边缘效应的界面区域。界面区域产生对PFH颗粒高度响应的声力。PFH颗粒在界面区域的阻碍有助于增加声边缘效应以稳定界面区域。

图3图示了用于产生边缘效应的实验和模拟数据的一致性。实验和模拟数据证实在声波的垂直方向或横向于轴向方向上形成显著的梯度。用于实验的声谐振器中的压力由以下等式描述。

图4图示了示出预测的声压梯度的模拟，包含颗粒上的横向辐射力以有助于形成界面区域。横向压力梯度和横向波强度在驻波中大得多。轴向驻波力可以影响并增加横向波强度。从声驻波发出的横向波的强度降低。因此，由于横向波力减小，界面区域可以形成有位于驻波下边缘的边缘。

图5图示了在声分离装置中产生梯度以形成界面区域的声力。由于换能器安装限制，梯度在底部簇合物下方较弱。移动的横向波将颗粒边缘推向较低的轴向声波边缘。

图6示出了声边缘效应的分析模型的图示。在界面处产生的力用以下等式确定。

ρ和c取决于界面处PFH的体积分数

该力的贡献与两种流体之间的特性差异有关，并且与颗粒的尺寸无关。通过实验，已经表明粒度对边缘效应具有显著影响。对于某些混合物(例如聚苯乙烯颗粒-混合物)，该力将加到横向辐射力上，对于其他混合物(例如PFH液滴)，该力将是减去的，这意味着该力与横向辐射力相反。与驻波一起，存在穿过界面的行波。这种现象在界面上产生力，该力来自于在清洁流体和混合物之间的界面处的辐射压力。

典型矩形换能器的驻波中的压力由以下等式给出，

P＝A cos(k_xx)cos(k_yy)cos(k_zz)e^jwt

在上述等式中，dx＝X方向上的长度，dy＝Y方向上的长度，L＝驻波的路径长度，k_x、k_y、k_z是那些方向上的波数，n、m、L是取0、1、2、3的值的模式数，例如对于3×3模式，n＝m＝3。

横向辐射力阻挡颗粒移动到声场中。这些颗粒停留在形成界面的声边缘之下，因为仅允许清洁流体通过。当流动从底部引入更多的颗粒时，颗粒形成“自净通道”，顶部的颗粒由于重力作用下落，导致混合。这些颗粒不会在声边缘处堵塞或停滞并且被连续清除。可以周期性地关闭声装置和流动以允许颗粒沉降以“强制”清除声边缘。换能器也可以是非矩形的，例如圆形、六边形、八边形、分形几何形状，它可以是任何形状，并且可以进行类似的计算以确定所有方向上的辐射力。

图7示出了正声对比颗粒的横向力场分量的图示。图8示出了负声对比颗粒的横向力场分量的图示。因此，颗粒找到稳定位置的位置对于横向平面中的正对比度颗粒和负对比度颗粒是不同的。

图9是在界面区域施加在颗粒上的辐射力作为频率的函数的曲线图。假设沿着界面的单个颗粒近似和积分，计算界面上的力。该力在x方向上是负的，意味着它与流体曳力相反，并且阻挡颗粒进入声场，从而确认界面效应的存在。被实现以确定在2.16MHz频率的界面区域的力的示例性模拟验证了在声场边缘处的压力释放边界条件的假设。

图10是在声场中作用在颗粒上的力的图示。驻波场在轴向和横向方向上在颗粒上产生声辐射力。在流动方向上的横向辐射力负责在声场中的颗粒的声捕捉。横向辐射力来自PZT/晶体/换能器在横向方向上的振动。增强横向辐射力的换能器、反射器组件的任何组合都可以适用于声学边缘效应，包含在现场包含散射体、非平面反射器、聚焦换能器和聚焦反射器。下面的等式描述了对声边缘效应有贡献的力。

Ger'kov配方¹

图11是图示当PFH珠粒的体积分数改变时悬浮在水中的PFH珠粒在界面处的力的图示。PFH珠粒的密度小于水，并且具有负的声对比因子。

图12是图示当聚苯乙烯珠粒的体积分数改变时，悬浮在水中的聚苯乙烯珠粒在界面处的力的图示。聚苯乙烯珠粒的密度小于水并且具有正的声对比因子。

图13是示出在相同浓度下不同珠粒尺寸的穿透曲线的图示。当颗粒尺寸增加时，对于相同的流速，声界面区域在较低的功率下是稳定的。这一结果如下：颗粒上的声学力与颗粒尺寸成比例(R²)。

图14是示出尺寸为8.5μm但在不同浓度下的珠粒的穿透曲线的图示。对于与液滴浓度降低相同的流速，声界面区在较低功率下是稳定的。由于更高浓度的颗粒对流体流的更大的阻挡，速度的增加导致稳定性。颗粒进入界面区的通量率随着颗粒浓度的增加而增加，这意味着更大的声力场强度以保持声边缘效应。

图15是示出具有不同珠粒尺寸和不同浓度的穿透曲线的组合的图示。较低浓度和较大颗粒尺寸的组合意味着用于建立和保持声边缘效应的功率较小。如图15所示，基于流体混合物中使用的珠粒尺寸和珠粒浓度，功率与流速的比率可用作声分离装置的导向组操作参数。

图16是示出琼脂糖珠粒的穿透曲线的图示。琼脂糖珠粒的密度小于水并且具有正的声对比因子。琼脂糖珠粒是生物可消化的，这可以为细胞和基因治疗提供优势，其中使用琼脂糖珠粒收集的生物材料被引入患者作为治疗剂。

图17是示出声边缘效应的操作声分离装置的局部前视图。通过透明反射器进行观察。

图18是多面反射器的等距视图。多面反射器反射来自换能器的声波以在流体腔室或流动路径中产生声驻波。多面反射器可以有助于增加由声驻波产生的声场中的梯度。平的或多面的反射器可用于建立声边缘效应。多面反射器可以保持多个平行的驻波、增加波的衍射，这增加了声场中的梯度，从而增加了特别是在横向方向上的辐射力。来自模拟的压力分布示出随频率变化的波场的散射图案。压力散射引起更大的压力梯度，导致更高的辐射力，尤其是在横向方向上。

在示例性实验中，柱装载有15％的5μm液滴并建立边缘效应。Jurkat细胞流入，测量冲洗部分以确定它们的洗出。在该实验中没有进行结合。在相同的低功率与流速比下，与平面反射器相比，多面反射器示出更有效的细胞清除。利用多面反射器，细胞被捕捉在声场中，而对于使用平面反射器的相同功率，在声场中没有被捕捉细胞的可见证据，表明细胞被更有效地冲洗通过声场。对于具有多面反射器的结构，需要5个柱体积(CV)来获得单元冲洗的渐近值，且对于平坦反射器，需要至少13个CV来达到相同的冲洗。多面反射器示出在比平面反射器更低的功率与流速比下工作的能力。

图19、20、21和22是操作声分离装置的局部前视图，示出了利用不同示例实验获得的不同声接口区域位置。实验用平面反射器和1.5″×1.5″换能器进行。在较低功率下，界面形成在声边缘处或稍高于声边缘，如图19所示。当功率增加时，界面被向下推动并形成在声场下，如图20所示。随着功率的增加，距形成界面的声边缘的距离增加，如图21进一步所示。在较低的功率与流速比和较高的流速下，界面形成在靠近声的中间部分上升的声场内部，如图22所示。在图19至22中，换能器在左侧、反射器在右侧。界面可以形成为从换能器到反射器的角度，如在图22中清楚看到的。

图23是对密度大于水的颗粒实现声边缘效应的声分离装置的图示。图24是对密度小于水的颗粒实现声边缘效应的声分离装置的图示。使用图23和图24的配置进行许多示例性实验。柱几何形状对于柱的声流控行为是重要的。在柱顶部的扩散器允许颗粒更容易地沉降，有助于“自清除”机制，使得声边缘不会饱和。扩散器高度、扩散器角度、柱直径等参数在柱操作中起作用。柱也可以以没有扩散器的直段运行。在界面区域中，存在颗粒流的净零平衡；当新颗粒通过流场流入界面区域时，存在相等且相反的颗粒通量。对于这种相反的颗粒流存在多种机制。例如，在流化塔顶部的扩散器允许含有向下流动的再循环流动。声流可以建立含有向下流动的反向旋转涡流。流化床内另外的倾斜表面产生增强的重力沉降，因为颗粒可以沿着这些表面滑落。

例如，颗粒可以是固体、液滴或气泡。如果颗粒比流体更重或更致密，则系统以垂直向上的配置操作。如果颗粒比流体轻或密度小，则系统以垂直向下的配置操作。在这两种情况下，颗粒上的重力有助于界面区域的形成。固体颗粒的示例包含微载体、PROMEGA珠粒和聚合物颗粒。液体颗粒的示例包含PFH液滴和PFP液滴。气泡的示例包含微泡、Akadeum珠粒、中空玻璃珠粒。如本文所用，颗粒是指用于形成珠粒的所有类型的材料，包含固体、液体、中空材料、密度小于水且比水更不致密的材料，以及可形成为可夹带在流体流中的离散部分的任何类型的材料。

对于具有不同特性的颗粒，声边缘的行为是不同的。四象限分类用于识别不同的属性和声边缘效应行为。在第一象限中，X>0、

表示具有大于水的密度和正声对比因子的珠粒。这些小珠粒包含Promega小珠粒和微载体。第二象限包含具有X>0、

的特性的颗粒，其中珠粒具有负对比因子并且密度小于水。第三象限包含具有X<0、

特性的颗粒，其中珠粒具有负的声对比因子并且密度小于水。这些珠粒包含PFH液滴。第四象限具有X<0、

特性的颗粒，其中珠粒的密度小于水，并具有正的声对比因子。这些珠粒包含Akadeum珠粒和中空玻璃球。

在所有四个象限中的每种情况下，可以形成声边缘界面。流动方向与重力/浮力的方向相反。对于不同的对比因子颗粒，声边缘的位置可以不同。

图25是在没有流体流的情况下实现声边缘效应的声分离装置的图示。图26是利用流体流实现声边缘效应的声分离装置的图示。在柱的一端实现多向声场。图示了换能器的给定频率操作的横向驻波力场和波传播。示出了流体柱中悬浮液中固定数量的颗粒。颗粒可以是固体、液体或气体。本文假定颗粒比流体重。重力垂直向下作用。如下建立声边缘效应。当流动开始向上通过颗粒混合物时，声辐射力在颗粒混合物和一侧上的流体与另一侧上的清洁流体之间形成界面。在流动方向上的辐射力由多向场的横向驻波场分量产生。声辐射力在颗粒上施加向下的力，该力大于颗粒上的流体拖曳力，可能由重力辅助，从而保持稳定的界面。声边缘可以形成在声驻波的下边缘处，并且也可以在声场中。如图26所示，靠近声边缘的密集颗粒浓度用于过滤任何流动的流体或流动的流体混合物。

声边缘附近的高柱状颗粒密度充当滤波器。可以改变颗粒尺寸、密度、系统声功率和流速以产生极端过滤。非稳定声波反射产生颗粒运动和自清洁。可以使用对比度因子、尺寸或密度因子来改变柱中的过滤颗粒。较小的柱状颗粒可以过滤较小的目标颗粒，并且多尺寸的柱状颗粒可以进一步加强过滤。根据颗粒的特性，柱可以在流动方向上具有浓度梯度，但是对于声边缘的操作不是必需的。具有适当对比因子和密度的多尺寸柱颗粒可用于进行极端过滤。有多个控制变量来过滤几乎任何尺寸的颗粒。这种极端过滤可以潜在地用于过滤外来体和病毒。例如，可以选择较小的颗粒以具有较低的声对比因子，使得它们比较大的颗粒或具有较大声对比因子的颗粒更容易保持在界面区。通过在界面区保持较小的颗粒，可以减小颗粒之间的间隙，以提供非常小的孔极端物理过滤。

如上所述，可以根据各种有影响的参数来修改界面区域的位置。例如，类似于图29所示，可以实现成角度的界面区域。在这种实现方式中，由于主力的分量垂直于界面作用，因此可以增强横向辐射力。对于大多数频率，界面上的横向力被认为是负的，这意味着界面将被阻止并且颗粒将被阻止在流动方向(其在正方向)上移动。

图27是具有不同几何形状和流体动力学的声分离装置的图示。声边缘处的流速在所有三种配置中保持恒定。柱面积汇聚增加流速并增加颗粒垂直梯度。这种汇聚可以改善过滤。随着柱区域汇聚增加，在声边缘附近出现颗粒循环。颗粒循环可改善“自清洁”并有助于颗粒混合。

图28是图示了声界面区域处的涡流的声分离装置的图示。由反射离开颗粒界面的横向波和/或颗粒上的声辐射力变化建立的搅拌涡流导致自清洁的声过滤器界面。声流是由雷诺应力和声波吸收驱动的流体中的稳定流。高功率可以在声波在传播介质中被吸收的流体中移动时引起波衰减。这导致流体上的体力驱动腔室内的流体运动。波衰减越多，流动越强。如果颗粒足够小，则它们将与大量流动流体一起移动。在单元中已经观察到这种行为，尤其是当颗粒混合物在具有较小路径长度的声场中上升时。声流还可以通过保持界面不上升的反向旋转涡流的作用来帮助产生声边缘。声流在行波设置中更强且当颗粒在声场中上升时边缘不稳定。只要声流是稳定和可控的，其还可以为颗粒提供额外的混合和自清除机制。

图29是具有多个界面区域的声分离装置的局部前视图。可以在同一系统中建立多个边缘效应。图29证实了对6％VF白细胞和15％VF微滴的混合物的边缘效应。由于液滴具有较强的声响应，所以边缘设置在声场的底部，并且所有液滴保持在其下方。与液滴相比，像RBC液滴相比具有较弱的声响应，并且它们在声场中上升。由于换能器通常在中心提供较高的压力，因此可以在声场内的中途建立具有单元的边缘。这样，对于不同特性的颗粒，可以在同一系统中产生多个边缘效应。这可以是使用边缘效应来分离具有不同声响应的颗粒的方式，并且已经示出将白细胞中的血小板减少70％，具有70％的WBC回收率。

可以仅对一种颗粒类型建立边缘效应。这样，具有较低声响应的颗粒可以从柱中流过或冲出。随着形成声边缘的颗粒浓度的增加，颗粒开始像流体动力过滤器一样起作用。这样，较大的颗粒可以被保留，而较小的颗粒如病毒或血小板可以通过。

进行实验以对在流化床中运行的没有任何亲和颗粒的未稀释的白细胞组(5ml体积)进行分离。在实验中操作不同的功率和流速条件。结果表明，建立了RBC和WBC的边缘。较小的血小板(3μm)通过到达出口。进行六至八次柱冲洗，观察到WBC的80％回收，血小板减少68％。观察到血小板的一些声保留。可以通过调整功率和流速来调整数字以获得期望的恢复和/或消耗。类似的想法可用于其他颗粒，如外来体、病毒、细胞碎片等。

图30是用于启动声边缘效应的过程的流程图。最初用颗粒混合物填充声场。进行频率扫描并选择接近零电抗或最大电阻的反谐振点来操作实验。停止流动、打开声装置，并在多维驻波场中操作。通过周期性地打开和关闭声装置，声场中的颗粒被捕捉、成簇并沉积在声边缘之下。一旦大多数颗粒离开声场，则流被缓慢地开启并斜坡上升到稳定状态。一旦建立了接口，并且只要保持了适当的功率与流速比，系统就能够以稳定的方式操作。

图31是被配置用于细胞材料的亲和分离的声分离装置的图示。通过在界面区域处产生的声场来保持珠粒。

图32是用于用全氟己烷液滴亲和分离细胞材料的声分离装置和方法的图示。

图33是TCR细胞材料的纯度和回收率图示。可使用本文所述的声分离技术来实现TCR耗尽。在一个实验中，该系统负载15％体积的官能化液滴，TCR抗体用于捕获CD3+细胞。流入稀释的和未稀释的白细胞，并分析不同细胞类型的冲洗级分，其中非靶WBC是CD3-。该系统在冲洗RBC和血小板方面非常有效(>90％冲洗)。该系统示出非靶WBC如单核细胞、粒细胞、B细胞或NK细胞的一些保留。这些细胞中的一些比如单核细胞比靶T细胞大，并且可以被声捕捉。一些较大的孔也可以被捕捉在流化床内。随着稀释，较高百分比的非靶细胞被冲洗掉。这可能是因为由于稀释的进料而可获得更宽的流体通道。实验数据表明，只要在不同组分之间存在足够的声差异，声流化床可以保留感兴趣的颗粒/细胞，但冲洗掉不感兴趣的颗粒/细胞。

以上讨论的方法、系统和装置是示例。各种配置可以适当地省略、替换或添加各种过程或部件。举例来说，在可替代配置中，可以不同于所描述的次序来执行方法，且可添加、省略或组合各种步骤。另外，关于某些配置描述的特征可组合在各种其他配置中。可以以类似的方式组合配置的不同方面和元件。另外，技术发展，且因此许多元件是示例且不限制本发明或权利要求书的范围。

在说明书中给出了具体细节以提供对示例性配置(包含实现方式)的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实现配置。例如，在没有不必要的细节的情况下示出了公知的过程、结构和技术，以避免混淆配置。本说明书仅提供示例性配置，而不限制权利要求的范围、适用性或配置。相反，配置的前述描述提供了用于实现所述技术的描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

另外，配置可被描述为被描绘为流程图或框图的过程。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或同时执行。另外，可以重新布置操作的顺序。过程可以具有图中未包含的附加阶段或功能。

已描述了若干示例性配置，可使用各种修改、替代配置和等效物，而不脱离本发明的范围。例如，上述元件可以是更大系统的组件，其中其他结构或过程可以优先于或以其他方式修改本发明的应用。而且，可以在考虑上述元件之前、期间或之后进行多个操作。因此，以上描述不限制权利要求的范围。

值超过(或大于)第一阈值的声明等同于该值满足或超过略大于第一阈值的第二阈值的声明，例如，在相关系统的分辨率中，第二阈值比第一阈值高一个值。值小于(或在其内)第一阈值的表述等同于该值小于或等于略低于第一阈值的第二阈值的表述，例如，在相关系统的分辨率中，第二阈值比第一阈值低一个值。

Claims (10)

1.用于从流体混合物中分离材料的方法，所述方法包括：

使含有所述材料的流体混合物流入腔室中；

利用在所述腔室的一端处的声换能器产生声波；

在所述声波附近建立界面区域；及

使用在所述界面区域产生的声场阻止所述材料与所述流体一起流动。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料被多向声驻波捕捉。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述界面区域产生所述材料上的压力升高和声辐射力。

4.根据权利要求所述的方法，其还包括使通过所述声波的流体再循环回至所述腔室。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多向声驻波产生具有相同数量级的轴向力分量和横向力分量的声辐射力。

6.声分离装置，其包括：

超声换能器，其被耦合到适于容纳流体流的腔室的末端；

控制器，其被耦合到所述超声换能器并且被配置为用于致使所述超声换能器在所述腔室的末端处产生声波，使得所述声波具有在多个方向上具有梯度的声场；

流体泵，其被配置为用于在所述腔室中产生流体流；

所述流体流中的材料与所述梯度相互作用以形成阻挡所述材料通过所述声波的声界面区域。

7.根据权利要求6所述的装置，其还包括用于反射所述声波以产生声驻波的反射器。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述反射器还包括小平面。

9.根据权利要求7所述的装置，其中所述声驻波是多向声驻波。

10.根据权利要求6所述的装置，其中所述声换能器被配置为以更高阶模式被激励。

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