CN115701914A - 细胞裂解系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种细胞裂解系统(1)包括驱动装置(2)和细胞裂解装置(3)，它们以可释放的方式相互连接。细胞裂解装置(3)包括超声换能器(12)和声波处理室(11)。驱动装置(2)驱动超声换能器(12)输出超声波，使细胞裂解装置(3)携带的样品容器(22)中的细胞裂解。

Description

细胞裂解系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求获得以下各项的优先权，并在此通过引用将以下各项的全部内容纳入本文：欧洲专利申请号2016245.7，于2020年4月6日提交；美国专利申请号16/889667，于2020年6月1日提交；美国专利申请号17/065992，于2020年10月8日提交；美国临时专利申请号63/111592，于2020年11月9日提交；及美国专利申请号17/122025，于2020年12月15日提交。
技术领域
本发明涉及细胞裂解系统和方法。具体而言，本发明涉及使用超声波裂解细胞的细胞裂解系统和方法。
背景技术
聚合酶链式反应(PCR)是一种利用DNA中的两条匹配链将目标DNA序列从少量样品扩增到数十亿份进行分析的过程。
PCR过程的最初步骤涉及细胞裂解，以打破或破裂样品中细胞的脂质双分子层，从而提供一个可以提取细胞成分的通道，包括DNA和/或RNA。细胞裂解通常以化学方式或机电方式，或两者结合的方式进行。
细胞裂解过程从液体溶液中提取细胞中的成分。之后对该溶液进行过滤，将核酸(DNA/RNA)与其他细胞成分分开。提取出的DNA/RNA可在PCR过程的其余步骤中进行扩增和分析。
传统的PCR设备在样品被输入到PCR设备时对样品进行细胞裂解。执行细胞裂解过程的部件通常集成在PCR设备中。这种传统的PCR设备的问题在于设备通常昂贵且笨重。此外，进行细胞裂解的集成部件通常只可在同一台PCR设备中使用。
独立的细胞裂解装置的构想曾被提出过，但与完整的PCR设备的细胞裂解功能相比，这些独立的装置可能存在效率和性能降低的问题。
因此，此领域存在改进现有细胞裂解系统和方法的需求，寻求至少解决上述问题中的一部分。
发明内容
根据一些布置，提出了一种细胞裂解系统，包括：驱动装置，驱动装置包括：在驱动装置和细胞裂解装置之间提供电连接，以驱动细胞裂解装置内的超声换能器的多个驱动器输出端子；交流驱动装置，其产生预定频率的交流驱动信号，并在驱动器输出端输出交流驱动信号，以驱动细胞裂解装置内的超声换能器；有功功率监测装置，当超声换能器由交流驱动信号驱动时监测超声换能器使用的有功功率，其中有功功率监测装置提供指示超声换能器使用的有功功率的监测信号；控制交流驱动器并从有功功率监测装置接收监测信号的处理器，以及存储指令的存储器，当处理器执行这些指令时，会使处理器：
A.控制交流驱动器以预定的扫描频率向超声换能器输出交流驱动信号；
B.根据监测信号，计算超声换能器使用的有功功率；
C.控制交流驱动器调制交流驱动信号，从而最大化超声换能器使用的有功功率；
D.在存储器中存储超声换能器使用的最大有功功率和交流驱动信号的扫描频率的记录；
E.重复步骤A-D进行预定次数的迭代，每次迭代扫描频率递增，这样，在发生预定次数的迭代后，扫描频率从起始扫描频率递增到结束扫描频率；
F.从存储在存储器中的记录中确定交流驱动信号的最佳频率，该频率是超声换能器使用最大有功功率的交流驱动信号的扫描频率；以及
G.控制交流驱动器以最佳频率向超声换能器输出交流驱动信号。
在一些布置中，有功功率监测装置包括：电流感应装置，用于感应驱动超声换能器的交流驱动信号的驱动电流，其中有功功率监测装置指示感应到的驱动电流的监测信号。
在一些布置中，存储器存储指令，当指令由处理器执行时，会使处理器：重复步骤A-D，扫描频率将从2800kHz的起始扫描频率增加到3200kHz的结束扫描频率。
在一些布置中，存储器存储指令，当指令由处理器执行时，会使处理器：在步骤G中，控制交流驱动器以在最佳频率的1-10％之间偏移的频率向超声换能器输出交流驱动信号。
在一些布置中，交流驱动器通过脉宽调制对交流驱动信号进行调制，以使超声换能器使用的有功功率最大化。
在一些布置中，存储器存储指令，当指令由处理器执行时，会使处理器：控制交流驱动器交替地在第一预定时长内以最佳频率向超声换能器输出交流驱动信号，并在第二预定时长内不向超声换能器输出交流驱动信号。
在一些布置中，存储器存储指令，当指令由处理器执行时，会使处理器：根据选自以下的运行模式，交替输出交流驱动信号和不输出交流驱动信号：
运行模式 第一预定时长(秒) 第二预定时长(秒)
1 4 2
2 3 2
3 2 2
4 1 2
5 1 1
6 2 1
7 3 1
8 4 1
9 4 3
10 3 3
11 2 3
12 1 3
。
在一些布置中，该系统还包括：可释放地附接到驱动装置的细胞裂解装置，该细胞裂解装置包括：壳体；与多个驱动器输出端子电连接的多个电端子；设置在壳体内的声波处理室，声波处理室至少部分地填充有超声波传输介质，壳体包括被配置为接收样品容器的开口，以便样品容器的一部分伸入超声波传输介质；超声换能器，其在声波处理室中的超声波传输介质中产生超声波，其中当细胞包含在样品容器内时，超声波通过超声波传输介质从超声换能器传输到样品容器以裂解细胞。
在一些布置中，驱动装置包括第一干涉配合附件，且细胞裂解装置包括第二干涉配合附件，并且其中第一干涉配合附件可释放地附接到第二干涉配合附件上，从而可释放地将细胞裂解装置附接到驱动装置上。
根据一些布置，提出了一种细胞裂解装置，包括：壳体；设置在壳体内的声波处理室，该声波处理室至少部分地填充有超声波传输介质，其中壳体包括被配置为接收样品容器的开口，以便样品容器的一部分伸入到超声波传输介质中；超声换能器，该超声换能器在声波处理室内的超声波传输介质中产生超声波，其中当细胞包含在样品容器内时，超声波通过超声波传输介质从超声换能器传输到样品容器以裂解细胞。
在一些布置中，超声换能器至少部分地由包括铅、锆和钛的化合物制成。
在一些布置中，超声换能器为圆盘状，直径为16mm，厚度为0.7mm。
在一些布置中，超声换能器包括设置在超声换能器的相对侧上的第一电极和第二电极，其中第一电极和第二电极包括银，且第一电极和第二电极之间的电容为800pF至1300pF。
在一些布置中，第一电极至少部分地覆盖有玻璃涂层。
在一些布置中，超声换能器由硅橡胶制成的换能器支架承载。
在一些布置中，超声波传输介质包括植物甘油。
在一些布置中，样品容器是微型离心管。
根据一些布置，提出了一种裂解样品中细胞的方法，该方法包括：将含有待裂解细胞的液体样品置于样品容器中；通过细胞裂解装置壳体的开口定位样品容器，使样品容器的一部分伸入到壳体内的声波处理室中的超声波传输介质中；将细胞裂解装置附接到驱动装置，该驱动装置包括：交流驱动器，其产生预定频率的交流驱动信号，并在驱动器输出端输出交流驱动信号，以驱动细胞裂解装置内的超声换能器；有功功率监测装置，其在超声换能器由交流驱动信号驱动时监测超声换能器使用的有功功率，其中有功功率监测装置提供指示超声换能器使用的有功功率的监测信号，其中该方法还包括：
A.通过处理器控制交流驱动器以预定的扫描频率向超声换能器输出交流驱动信号；
B.由处理器根据监测信号计算超声换能器所使用的有功功率；
C.由处理器控制交流驱动器对交流驱动信号进行调制，以最大化超声换能器使用的有功功率；
D.将超声换能器使用的最大有功功率和交流驱动信号的扫描频率的记录存储在存储器中；
E.重复步骤A-D进行预定次数的迭代，每次迭代扫描频率递增，以便在发生预定次数的迭代后，扫描频率从起始扫描频率递增到结束扫描频率；
F.由处理器从存储在存储器中的记录中确定交流驱动信号的最佳频率，该频率是超声换能器使用最大有功功率时的交流驱动信号的扫描频率；以及
G.由处理器控制交流驱动器以最佳频率向超声换能器输出交流驱动信号。
在一些布置中，该方法还包括：重复步骤A-D，扫描频率从2800kHz的起始扫描频率递增到3200kHz的结束扫描频率。
在一些布置中，该方法还包括：由处理器控制交流驱动器交替地在第一预定时长内以最佳频率向超声换能器输出交流驱动信号，并在第二预定时长内不向超声换能器输出交流驱动信号。
附图说明
为了使本发明更容易理解，现在将参照附图，以举例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是一些布置的系统的图解透视图；
图2是一些布置的细胞裂解装置的图解透视图；
图3是图2的细胞裂解装置的剖面图；
图4是一些布置的驱动装置的图解透视图；
图5是图4的驱动装置的剖面图；
图6是显示了压电换能器被建模为RLC电路的示意图；
图7显示了RLC电路中阻抗随频率增加而发生的变化；
图8显示了压电换能器如何作为电容器或电感器；且
图9是显示了一些布置的系统的运行模式的时间的表格。
具体实施方式
当与附图一起阅读时，从下面的详细描述中可以最好地理解本公开的各方面。需要指出的是，根据行业的标准做法，各种特征没有按比例绘制。事实上，为了清楚地讨论，各种特征的尺寸可以任意增加或减少。
以下公开内容提供了许多不同的实施例或示例，用于实现所述主题的不同特征。为了简化本公开内容，下面描述了组成、浓度、应用和布置的具体示例。当然，这些只是示例，并不意味仅限于此类示例。例如，在接下来的描述中，第一特征和第二特征的连接可以包括第一特征和第二特征直接连接的实施例，也可以包括附加特征可以被置于第一特征和第二特征之间的实施例，这样第一特征和第二特征可以不直接连接。此外，本公开内容可能会在各示例中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简单明了，其本身并不决定所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
以下的公开内容描述了代表性布置或示例。每个示例可以被认为是一个实施例，并且在本公开内容中对“布置”或“示例”的任何引用可以改变为“实施例”。
首先参考附图的图1，一些布置中的细胞裂解系统1包括驱动装置2和细胞裂解装置3。驱动装置2包括第一干涉配合附件4，第一干涉配合附件4可释放地连接到设置在细胞裂解装置3上的第二干涉配合附件5。当细胞裂解装置3如图1中的箭头6大体指示的那样放置到驱动装置2上时，干涉配合附件4、5允许细胞裂解装置3可释放地连接到驱动装置2。
下面从细胞裂解装置3开始描述细胞裂解系统1的组成部分。
参照附图中的图2和图3，一些布置中的细胞裂解装置3包括壳体7。在该布置中，壳体7大体上是圆柱形的，有一个侧壁8，一端是大体上圆形的盖板9，另一端是大体上圆形的底座10。在这种布置中，细胞裂解装置3是一个一次性的、单次使用的小容器。
壳体7内设有声波处理室11。声波处理室11至少部分填充有超声波传输介质(未显示)。在一些布置中，声波处理室11被预先填充了超声波传输介质。在其他布置中，当细胞裂解装置准备使用时，声波处理室11被填充了超声波传输介质。
在一些布置中，超声波传输介质是一种声阻抗比水高的液体。在一些布置中，超声波传输介质是植物甘油，因为植物甘油的声阻抗比水高。
细胞裂解装置3包含有超声换能器12。超声换能器12的上表面13面向声波处理室11，使得超声换能器12产生的超声波指向声波处理室11。
在一些布置中，超声换能器12是圆盘形状。在这种布置中，超声换能器12直径大约16mm，厚度大约0.7mm。在这种布置中，超声换能器12被极化以在厚度模式下产生振动。
在这种布置中，超声换能器12由环状的换能器支架14承载，换能器支架14至少部分地环绕着超声换能器12。在这种布置中，换能器支架14由硅橡胶制成。除了将超声换能器12保持在适当位置之外，换能器支架14还确保了超声换能器12的振动的最小阻尼。此外，换能器支架14将液体超声波传输介质从细胞裂解装置3的底座10泄漏的风险降至最低。
在一些布置中，超声换能器12至少部分地由包括铅、锆和钛的化合物制成。选择超声换能器12的化合物从而让超声换能器12具有以2.8MHz至3.2MHz的频率振荡的特性。该频率范围是超声换能器12产生裂解或破裂细胞的超声波的优选频率范围。
在一些布置中，超声换能器12包括位于上侧13的第一电极和位于下侧15的第二电极，下侧15位于超声换能器12的相对侧。在一些布置中，第一电极和第二电极含有银，例如以银印漆的形式。在一些布置中，第一电极和第二电极之间的电容为800pF至1300pF。
在一些布置中，位于超声换能器12的上侧13的第一电极至少部分地覆盖有玻璃涂层。玻璃涂层能最小化或防止第一电极的材料可能对超声波传输介质造成的污染。玻璃涂层还能最小化或防止第一电极的银的腐蚀，例如由于在使用细胞裂解装置3时由超声波穿过超声波传输介质引起的空化气泡破裂。
超声换能器12的第一和第二电极分别电连接到设置在细胞裂解装置3的底座10的下表面的第一和第二电端子16、17。
多个突出部18、19(在图2中只有两个可见)从细胞裂解装置3的底座10的侧面向外延伸。突出部18、19是细胞裂解装置3的第二干涉配合附件5的一部分。在其他布置中，第二干涉配合附件5仅包括一个突出部，并且在另外的布置中，第二干涉配合附件5包括多于2个突出部。
盖板9设置在细胞裂解装置3的与底座10相对的端部。盖板9提供大致平坦的圆形表面并与壳体7的侧壁8形成一体。在这种布置中，斜边19在盖板9和侧壁8之间的交叉处围绕盖板9。
在盖板9中设置有开口20。在这种布置中，开口20是设置在盖板9的中心处的大致圆形孔。在其他布置中，开口20可以是不同的形状并且可以设置在盖板9的不同部位。
在这种布置中，圆柱形套环21与开口20对齐并从开口20延伸到声波处理室11中。开口20和套环21被设置为接收样品容器22，使得样品容器22的一部分伸入声波处理室11内的超声波传输介质中。
在一些布置中，样品容器22是微型离心管。在一些布置中，样品容器22是艾本德管(Eppendorf
Figure BDA0003934565490000081
)。在一些布置中，样品容器22是微型离心管或Eppendorf
Figure BDA0003934565490000082
其液体容量为0.5ml、1.5ml或2ml。
样品容器22包括与圆柱形主体部分24接合的锥形第一部分23。主体部分24的远端设有样品容器孔24，样品可以通过该孔引入样品容器22中。盖子25以可移动方式安装到主体部分24，盖子25构造成密封孔24以将样品保持在样品容器22内。
当样品容器22插入开口20中时，样品容器22关闭并密封开口20。细胞裂解装置3的壳体7因此被密封以将超声波传输介质保持在壳体7内。在一些布置中，声波处理室11最初是空的，并且在将样品容器22插入开口20之前不久，声波处理室11充满超声波传输介质。
现在参考附图的图4和5，驱动装置2包括壳体26，该壳体容纳驱动装置2的电气部件。在这种布置中，驱动装置2是便携式的、独立的装置。
壳体26包括主壳体27和基部突出部28。主壳体27包括内室29，该内室可容纳电池30和印刷电路板(PCB)31的至少一部分。PCB 31承载电子元件，该电子元件用于提供驱动装置2的驱动功能。
在这种设置中，电池30是可再充电的。在一些布置中，电池30是锂聚合物(LiPo)电池。在一些布置中，电池30的容量提供足够的电力以使驱动装置2能够运行至少24小时。在这种布置中，驱动装置2包括充电接口(未示出)，其被配置为从外部电源接收电力以对电池30充电。
在一些布置中，电池30被省略而驱动装置2设有电源输入接口用于接收来自外部电源的电力。在一些布置中，外部电源是电源适配器，其将电源电压转换为适当的电压(例如5-12V)以给驱动装置2供电。
在该实施例中，与壳体26相比，基部突出部28的厚度减小。基部突出部28设置有凹部32，该凹部被配置为接收细胞裂解装置3的底座10。在这种布置中，凹部32一般是圆形的。凹部32设有凹槽33、34，凹槽33、34位于大体上为圆形的通道35上方，以形成驱动装置2的第一干涉配合附件4。凹槽33、34被定位成与细胞裂解装置3上的突出部18、19对齐。在其他实施例中，可以有不同数量的凹槽，它们与细胞裂解装置3上的不同数量的突出部相匹配。
两个驱动器输出端子36、37设置在凹部32的底部。在这种布置中，其中一个驱动器输出端子36设置在凹部32的中央，而另一个驱动器输出端子37设置在凹部32的侧面附近。在这种布置中，每一个驱动器输出端子36、37是从凹部32的底部向上突出的弹簧接触探针。驱动器输出端子36、37定位成与第一和第二电端子16、17接合并形成电连接，当细胞裂解装置3附接至驱动装置2时，第一和第二电端子16、17被设置在细胞裂解装置3的底座10的下表面处。在一些布置中，驱动器输出端子36、37和/或电端子16、17是黄铜材料，其镀有第一层3μm厚的镍和第二层0.05μm厚的金。
在一些布置中，驱动器输出端子36、37通过凹部32的底部延伸到PCB 31，驱动器输出端子36、37被焊接在PCB 31中以与PCB 31和设置在PCB 31上的电子元件形成电连接。
在这种设置中，细胞裂解装置3通过将细胞裂解装置3的底座10置于凹部32中而可释放地附接到驱动装置2，其中突出部18、19穿过凹槽33、34直到突出部18、19与通道35对齐。然后细胞裂解装置3在通道35内与突出部18、19一起旋转。接着将突出部18、19保持在通道35内以提供干涉配合附件，其将细胞裂解装置3可释放地附接到驱动装置2。
干涉配合附件4、5使用户能够通过推动和转动细胞裂解装置3以将细胞裂解装置3锁定到驱动装置上而将细胞裂解装置3可释放地附接到驱动装置2上。接着反向执行该过程以在裂解过程完成后将细胞裂解装置3从驱动装置2中移除。
随着细胞裂解装置3被推入凹部32中，驱动器输出端子36、37弹性变形并与细胞裂解装置3上的电端子16、17对齐。弹性变形的驱动器输出端子36、37压靠在电端子16、17上，形成电连接。当细胞裂解装置3以这种方式可释放地附接至驱动装置2时，细胞裂解装置3能够被驱动装置2驱动以裂解细胞裂解装置3内的细胞。
在PCB 31上提供交流驱动器38。交流驱动器38产生预定频率的交流驱动信号并在驱动器输出端子36、37输出交流驱动信号以驱动细胞裂解装置3内的超声换能器12。在一些布置中，交流驱动器38包括H桥电路。在一些布置中，H桥电路包括四个金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，它们被连接以将直流电转换成高频(例如，在2.8MHz到3.2MHz范围内的频率)的交流电。
在PCB 31上提供有功功率监测装置39。当超声换能器12由交流驱动信号驱动时，有功功率监测装置39监测超声换能器12使用的有功功率。有功功率监测装置39提供指示超声换能器12使用的有功功率的监控信号。在一些布置中，有功功率监控装置39包括电流感应装置，其感应驱动超声换能器12的交流驱动信号的驱动电流，并提供指示感应到的驱动电流的监测信号。
PCB 31设置有处理器40，其控制交流驱动器38并从有功功率监测装置39接收监测信号。PCB 31还设置有存储器41，以存储供处理器40执行的可执行指令。
在一些布置中，驱动装置2包括频率控制器，其被配置为控制超声换能器12运行的频率。频率控制器在存储在存储器41中的可执行代码中实现，当由处理器40执行时，可执行代码使处理器40执行频率控制器的至少一项功能。
存储器41存储可执行指令，当指令由处理器执行时，使处理器控制超声换能器12以预定扫描频率范围内的多个频率进行振荡，并为超声换能器12选择介于第一预定频率和第二预定频率之间的驱动频率，用于裂解样品容器22内的细胞。
在一些布置中，频率将由正在裂解的细胞类型决定，因为一些细胞可能由于它们的物理特性(大小、形状、细胞壁的存在等)而需要不同的频率。
裂解细胞有一个最佳频率或频率范围。最佳频率或频率范围至少取决于以下四个参数：
1.换能器制造工艺
在一些布置中，超声换能器12包括有压电陶瓷。压电陶瓷是通过混合化合物制成陶瓷面团而制造的，这种混合过程在整个生产过程中可能不一致。这种不一致性会导致固化压电陶瓷的不同谐振频率范围。
如果压电陶瓷的谐振频率与所需的工作频率不对应，则得不到最佳的裂解细胞过程。即使压电陶瓷的谐振频率发生轻微偏移，也足以影响裂解过程，这意味着系统不会以最佳方式运行。
2.换能器负载
在操作过程中，超声换能器12上负载的任何变化都会抑制超声换能器12振荡的整体位移。为了使超声换能器12的振荡达到最佳位移，必须调整驱动频率，为最大位移提供足够的功率。
可影响超声换能器12的效率的负载类型包括换能器上的液体量(即，声波处理室11内的液体量)。
3.温度
超声换能器12的超声振荡通过其在驱动装置2中的组件被部分衰减。振荡的这种衰减会导致超声换能器12上及其周围的局部温度升高。
由于超声换能器12的分子行为的变化，温度的升高会影响超声换能器12的振荡。温度的升高意味着传导到陶瓷分子的能量更多，这会暂时影响其晶体结构。尽管随着温度的降低，这种影响会逆转，但需要对提供的频率进行调整以保持最佳振荡。
温度升高还降低了声波处理室11内溶液的粘度，这可能需要改变驱动频率以优化声波处理室11内细胞的裂解。
4.电源的距离
超声换能器12的振荡频率可以根据超声换能器12和交流驱动器38之间的导线长度而改变。电子电路的频率与超声换能器49和控制器23之间的距离成反比。
虽然距离参数在这种布置中主要是固定的，但它可以在系统1的制造过程中发生变化。因此，需要修改超声换能器12的驱动频率以补偿变化并优化系统的效率。
压电换能器可以建模为电子电路中的RLC电路，如图6所示。上述四个参数可以建模为RLC电路的整体电感、电容和/或电阻的变化，从而改变提供给换能器的谐振频率范围。当电路的频率增加到换能器的谐振点附近，整个电路的对数阻抗下降到最小值，接着上升到最大值，之后稳定到中间范围。
图7解释了RLC电路中总阻抗如何随频率增加而变化。图8显示压电换能器如何在低于第一预定频率fs的频率的第一电容区域中和在高于第二预定频率fp的频率的第二电容区域中充当电容器。压电换能器在频率处于第一和第二预定频率fs、fp之间的感应区域内充当电感器。为了保持换能器的最佳振荡并因此保持最大效率，流过换能器的电流必须保持在感应区域内的频率。
一些布置的驱动装置2被配置为将压电换能器12的振荡频率维持在感应区域内，以使细胞裂解的效率最大化。
驱动装置2被配置为执行扫描操作，其中频率控制器驱动换能器的频率在预定的扫描频率范围内逐渐跟踪。换言之，驱动装置2在预定的扫描频率范围内以多个不同频率驱动换能器。例如，在从扫描频率范围的一端到扫描频率范围的另一端以预定的频率递增的频率上。
以下将更详细描述，一些布置的驱动装置2如何通过监测流过换能器12的电流来确定超声换能器12正在使用的有功功率。
超声波(压电)换能器的机械变形与施加在其上的交流电压幅度相关，为了保证系统的最佳运行和交付，必须始终为超声换能器提供最大变形。通过对施加到超声换能器的交流电压进行脉宽调制(PWM)，振动的机械振幅保持不变。在一些布置中，系统主动调整交流电压波形的占空比以使超声换能器的变形最大化，从而保证系统的最佳运行和交付。
一种方法涉及通过使用数模转换器(DAC)修改施加到超声换能器的交流电压。传输到超声换能器的能量会减少，但机械变形也会减少，因此不会产生最大变形。施加到超声换能器的RMS电压像电压调制一样，与有效占空比调制相同，但传输到超声换能器的有功功率会降低。相关公式如下：
显示给超声换能器的有功功率为：
Figure BDA0003934565490000131
其中：
Figure BDA0003934565490000132
是电流和电压之间的相位差
Irms是均方根电流
Vrms是均方根电压。
当考虑一次谐波时，Irms是施加到超声换能器的实际电压幅值的函数，因为脉宽调制改变了提供给超声换能器的电压持续时间，从而控制Irms。
在这种布置中存储器41存储指令，当指令由处理器40执行时，会使处理器40：
A.控制交流驱动器38以预定的扫描频率向超声换能器12输出交流驱动信号；
B.根据监测信号计算超声换能器12使用的有功功率；
C.控制交流驱动器38调制交流驱动信号，以最大化超声换能器12使用的有功功率；
D.在存储器41中存储超声换能器12使用的最大有功功率和交流驱动信号的扫描频率的记录；
E.重复步骤A-D进行预定次数的迭代，每次迭代扫描频率都递增，这样，在发生预定次数的迭代后，扫描频率已经从起始扫描频率递增到结束扫描频率；
F.从存储在存储器41中的记录中识别出交流驱动信号的最佳频率，该频率是超声换能器12使用最大有功功率的交流驱动信号的扫描频率；以及
G.控制交流驱动器38以最佳频率向超声换能器12输出交流驱动信号。
在一些布置中，起始扫描频率为2800kHz，结束扫描频率为3200kHz。在其他布置中，开始扫描频率和结束扫描频率是2800kHz至3200kHz频率范围内的较低频率和较高频率。
在一些布置中，处理器40控制交流驱动器38以在最佳频率的1-10％之间偏移的频率向超声换能器12输出交流驱动信号。在这些布置中，当以产生最大位移的最佳驱动频率连续驱动超声换能器12时，通过最小化对超声换能器12造成的潜在损害，使用频移来延长超声换能器12的寿命。
在一些布置中，交流驱动器38通过脉宽调制来调制交流驱动信号以最大化超声换能器12使用的有功功率。
在一些布置中，处理器40控制交流驱动器38交替地在第一预定时长内以最佳频率向超声换能器12输出交流驱动信号，且在第二预定时长内不向超声换能器12输出交流驱动信号。已经发现超声换能器12的这种交替激活和停用优化了在细胞裂解装置3内的样品中裂解细胞的过程。
在一些实施例中，为了确保超声换能器12的最佳操作，驱动装置2以循环模式操作。当驱动装置2以循环模式操作时，驱动装置2在系统运行期间周期性地运行步骤A-D中的频率扫描。
在一些布置中，当细胞裂解装置3附接到驱动装置2时，驱动装置2自动激活以开始裂解过程。在一些布置中，驱动装置2在预定时长之后自动停止裂解过程。一旦裂解过程完成，将细胞裂解装置3从驱动装置3中移除。
在一些布置中，处理器40根据运行模式控制交流驱动器38交替地输出交流驱动信号和不输出交流驱动信号。一些布置的十二种运行模式的时序在附图的图9中的表格中示出。
在一些布置中，当细胞裂解装置3附接到驱动装置2时，驱动装置2自动激活。在其他布置中，驱动装置2设置有开关或其他控制装置以使用户能够激活和停用驱动装置2。
一旦系统已经被激活并且已经执行了预先确定的持续时间的裂解过程，细胞裂解装置3就与驱动装置2分离。细胞裂解装置3内的液体，现在含有裂解的细胞，被取出用于另一个过程，如PCR过程。之后可以丢弃细胞裂解装置3。
虽然上述布置包括一个凹部32和一组驱动器输出端子36、37，但其他设置包括多个凹部和多组输出端子。在这些其他布置中，驱动装置2可以与多个细胞裂解装置同时使用。在这些布置中，驱动装置2控制多个细胞裂解装置中的每一个使其单独地进行细胞裂解。
上文阐述了几个示例或实施例的特征，以使本领域的普通技术人员可以更好地理解本公开的各个方面。本领域普通技术人员应当理解，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改用于执行相同目的和/或实现本文介绍的各种示例或实施例的相同优点的其他过程和结构的基础。本领域普通技术人员也应该意识到，这样的等价结构并不脱离本发明的精神和范围，并且可以在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下对本文进行各种改变、替换和变更。
尽管已经以特定的结构特征或方法行为的语言描述了主题，但应理解，所附权利要求的主题不必限于上述特定特征或行为。相反，上述特定特征和动作被公开为实施至少一些权利要求的示例形式。
本文提供了示例或实施例的各种操作。描述一些或所有操作的顺序不应被解释为暗示这些操作必须依赖于顺序。受益于本描述的替代排序应被理解。此外，应当理解，并非所有操作都必须存在于本文提供的每个实施例中。还应理解在一些示例或实施例中并非所有操作都是必需的。
此外，“示例性”在本文中用于表示用作示例、实例、说明等，而不一定是有利的。如在本申请中所使用的，“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。此外，本申请和所附权利要求中使用的“一个”(a和an)通常被解释为表示“一个或多个”，除非另有说明或从上下文中清楚地指向单数形式。此外，A和B中的至少一个和/或类似表述通常是指A或B或A和B两者。此外，在使用“包括”、“具有”、“有”、“带有”或其变体的情况下，这些术语和“含有”类似，都具有包容性。此外，除非另有说明，否则“第一”、“第二”等并不旨在暗示时间方面、空间方面、排序等。相反，这些术语仅用作特征、元素、项目等的标识符、名称等。例如，第一元素和第二元素通常对应于元素A和元素B或两个不同的元素或两个一致的或相同的元素。
此外，虽然已经针对一个或多个实施方式示出和描述了本公开，但是基于对本说明书和附图的阅读和理解，本领域的其他普通技术人员将想到等效的改变和修改。本公开包括所有这样的修改和改变并且仅由所附权利要求的范围限制。特别是关于上述特征(如元素、资源等)所执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类特征的术语旨在对应于执行所述特征的指定功能的任何特征(例如，在功能上等同)，即使在结构上不等同于所公开的结构。此外，虽然本公开的特定特征可能只公开了几个实施方案中的一个，但这种特征可以与其他实施方案中的一个或多个其他特征相结合，这可能是任何特定或特定应用所需要的和有利的。
本文描述的主题和功能操作的示例或实施例可以在数字电子电路中或在计算机软件、固件或硬件中实现，包括在本说明书中公开的结构及其结构等效物，或其中一种或多种的组合。
一些示例或实施例是使用编码在计算机可读介质上的计算机程序指令的一个或多个模块来实现的，以便由数据处理装置执行或控制其操作。计算机可读介质可以是制成品，例如计算机系统或嵌入式系统中的硬盘驱动器。计算机可读介质可以被单独获取并且随后用计算机程序指令的一个或多个模块编码，例如通过在有线或无线网络上传送计算机程序指令的一个或多个模块。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、存储设备或它们中的一个或多个的组合。
术语“计算设备”和“数据处理设备”涵盖用于处理数据的所有装置、设备和机器，例如，包括可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，该装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、运行时环境或其中一种或多种的组合的代码。此外，该装置可以采用各种不同的计算模型基础设施，例如网络服务、分布式计算和网格计算基础设施。
本说明书中描述的过程和逻辑流可以由一个或多个可编程处理器执行一个或多个计算机程序来完成，通过对输入数据进行操作和产生输出来实现功能。
适合于执行计算机程序的处理器包括，例如，通用和专用微处理器，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和一个或多个用于存储指令和数据的存储设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备，例如，磁盘、磁光盘或光盘，或可操作地耦合以从一个或多个大容量存储设备接收数据或向其传输数据或两者。然而，计算机不需要有这样的设备。适用于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储设备。
在本说明书中，“包括(comprise/comprising)”是指“包括或由……组成”。
在上述说明、或以下权利要求书、或附图中披露的特征，以其具体形式或以执行所公开的功能的手段、或实现所公开的结果的方法或过程表示，视情况而定，可分别或以此类特征的任何组合，用于实现本发明的不同形式。

Claims (20)

1.一种细胞裂解系统，包括：
驱动装置，其包括：
多个驱动器输出端子，其提供所述驱动装置和细胞裂解装置之间的电连接以驱动所述细胞裂解装置内的超声换能器；
交流驱动器，其产生预定频率的交流驱动信号，并在所述驱动器输出端输出所述交流驱动信号，以驱动所述细胞裂解装置内的所述超声换能器；
有功功率监测装置，当所述超声换能器由所述交流驱动信号驱动时，所述有功功率监测装置监测所述超声换能器使用的有功功率，其中所述有功功率监测装置提供指示所述超声换能器使用的有功功率的监测信号；
处理器，其控制所述交流驱动器并从所述有功功率监测装置接收监测信号；和
存储指令的存储器，当所述处理器执行这些指令时，会使所述处理器：
A.控制所述交流驱动器以预定的扫描频率向所述超声换能器输出交流驱动信号；
B.根据监测信号，计算所述超声换能器使用的有功功率；
C.控制所述交流驱动器调制交流驱动信号，从而最大化所述超声换能器使用的有功功率；
D.在所述存储器中存储所述超声换能器使用的最大有功功率和交流驱动信号的扫描频率的记录；
E.重复步骤A-D进行预定次数的迭代，每次迭代扫描频率递增，这样，在发生预定次数的迭代后，扫描频率从起始扫描频率递增到结束扫描频率；
F.从存储在所述存储器中的记录中确定交流驱动信号的最佳频率，该频率是所述超声换能器使用最大有功功率的交流驱动信号的扫描频率；以及
G.控制所述交流驱动器以最佳频率向所述超声换能器输出交流驱动信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述有功功率监测装置包括：
电流感应装置，其感应驱动所述超声换能器的交流驱动信号的驱动电流，其中，所述有功功率监测装置提供指示感应到的驱动电流的监测信号。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，存储器存储指令，当指令由处理器执行时，会使处理器：
重复步骤A-D，扫描频率从2800kHz的起始扫描频率增加到3200kHz的结束扫描频率。
4.根据上述任一项权利要求所述的系统，其中，存储器存储指令，当指令由处理器执行时，会使处理器：
在步骤G中，控制所述交流驱动器以在最佳频率的1-10％之间偏移的频率向所述超声换能器输出交流驱动信号。
5.根据上述任一项权利要求所述的系统，其中，所述交流驱动器通过脉宽调制来调制交流驱动信号，以使所述超声换能器使用的有功功率最大化。
6.根据上述任一项权利要求所述的系统，其中，存储器存储指令，当指令由处理器执行时，会使处理器：
控制所述交流驱动器交替地在第一预定时长内以最佳频率向所述超声换能器输出交流驱动信号，且在第二预定时长内不向所述超声换能器输出交流驱动信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，存储器存储指令，当指令由处理器执行时，会使处理器：
根据从以下选择的运行模式交替输出交流驱动信号和不输出交流驱动信号：
运行模式 第一预定时长(秒) 第二预定时长(秒) 1 4 2 2 3 2 3 2 2 4 1 2 5 1 1 6 2 1 7 3 1 8 4 1 9 4 3 10 3 3 11 2 3 12 1 3
。
8.根据上述任一项权利要求所述的系统，其中，所述系统还包括：
细胞裂解装置，其可释放地附接到所述驱动装置，所述细胞裂解装置包括：
壳体；
多个电端子，其电连接至多个驱动器输出端子；
设置在所述壳体内的声波处理室，所述声波处理室至少部分地填充有超声波传输介质，其中所述壳体包括开口，所述开口被配置为接收样品容器，使得所述样品容器的一部分伸入到超声波传输介质中；
超声换能器，所述超声换能器在所述声波处理室内的超声波传输介质中产生超声波，其中当细胞包含在所述样品容器内时，超声波通过超声波传输介质从所述超声换能器传输到所述样品容器以裂解细胞。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述驱动装置包括第一干涉配合附件，并且所述细胞裂解装置包括第二干涉配合附件，其中所述第一干涉配合附件可释放地附接到所述第二干涉配合附件以可释放地附接所述细胞裂解装置到所述驱动装置。
10.一种细胞裂解装置，包括：
壳体；
设置在所述壳体内的声波处理室，所述声波处理室至少部分地填充有超声波传输介质，其中所述壳体包括开口，所述开口被配置为接收样品容器，使得所述样品容器的一部分伸入到超声波传输介质中；
超声换能器，所述超声换能器在所述声波处理室内的超声波传输介质中产生超声波，其中当细胞包含在所述样品容器内时，超声波通过超声波传输介质从所述超声换能器传输到所述样品容器以裂解细胞。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述超声换能器至少部分地由包括铅、锆和钛的化合物制成。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其中，所述超声换能器为圆盘状，直径为16mm，厚度为0.7mm。
13.根据权利要求10-12任一项所述的装置，其中，所述超声换能器包括设置在所述超声换能器的相对侧上的第一电极和第二电极，其中所述第一电极和所述第二电极包括银，并且所述第一电极和所述第二电极之间的电容为800pF至1300pF。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第一电极至少部分地覆盖有玻璃涂层。
15.根据权利要求10-14任一项所述的装置，其中，所述超声换能器由硅橡胶制成的换能器支架承载。
16.根据权利要求10-15任一项所述的装置，其中，所述超声波传输介质包括植物甘油。
17.根据权利要求10-16任一项所述的装置，其中，所述样品容器是微型离心管。
18.一种裂解样品中细胞的方法，所述方法包括：
将含有待裂解细胞的液体样品置于样品容器中；
通过细胞裂解装置壳体中的开口定位所述样品容器，使得所述样品容器的一部分伸入设置在所述壳体内的声波处理室中的超声波传输介质中；和
将所述细胞裂解装置附接到驱动装置，所述驱动装置包括：
交流驱动器，其产生预定频率的交流驱动信号，并在所述驱动器输出端输出所述交流驱动信号，以驱动所述细胞裂解装置内的超声换能器；
有功功率监测装置，其在所述超声换能器由所述交流驱动信号驱动时监测所述超声换能器使用的有功功率，其中所述有功功率监测装置提供指示所述超声换能器使用的有功功率的监测信号，
其中所述方法还包括：
A.通过处理器控制所述交流驱动器以预定的扫描频率向所述超声换能器输出交流驱动信号；
B.由所述处理器根据监测信号计算所述超声换能器所使用的有功功率；
C.由处理器控制所述交流驱动器调制交流驱动信号，以最大化所述超声换能器使用的有功功率；
D.将超声换能器使用的最大有功功率和交流驱动信号的扫描频率的记录存储在存储器中；
E.重复步骤A-D进行预定次数的迭代，每次迭代扫描频率递增，以便在发生预定次数的迭代后，扫描频率从起始扫描频率递增到结束扫描频率；
F.由处理器从存储在存储器中的记录中确定交流驱动信号的最佳频率，该频率是所述超声换能器使用最大有功功率时的交流驱动信号的扫描频率；以及
G.由处理器控制交流驱动器以最佳频率向超声换能器输出交流驱动信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述方法还包括：
重复步骤A-D，扫描频率从2800kHz的起始扫描频率递增到3200kHz的结束扫描频率。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述方法还包括：
由所述处理器控制所述交流驱动器交替地在第一预定时长内以最佳频率向所述超声换能器输出交流驱动信号，并在第二预定时长内不向所述超声换能器输出交流驱动信号。
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