DE19820466C2 - Vorrichtung und Verfahren zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe mit Schallwellen - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe, vorzugsweise biologisches Zellmaterial, mit Schallwellen, mit einem Probengefäß, in dem die biologische Probe in suspendierter Form vorliegt, sowie mit einer die Schallwellen erzeugenden elektroakustischen Wandlereinrichtung, die außerhalb des Probengefäßes angeordnet ist, so daß die Schallwelleneinkopplung in die Probe durch die Probengefäßwand hindurch erfolgt

Stand der Technik

Es sind eine Vielzahl von Anwendung akustischer Wellen in Form von Ultraschall- Leistungsschall zur Beeinflussung von Materialeigenschaften oder einer Materialstruktur bekannt. So werden zum Beispiel Ultraschall-Lithotriptoren zur Zertrümmerung von Nieren- und Gallensteinen mittels Ultraschall eingesetzt. Ferner wird Ultraschall zur Wundreinigung und zur Phacoemulsification verwendet. Im nicht­ medizinischen Bereich wird Ultraschall zum Beispiel zum Reinigen, Bohren, Fräsen und Schweißen eingesetzt.

Die Beaufschlagung biologischer Proben mit Ultraschall kann bestimmte biologische Effekte hervorrufen, wie zum Beispiel einen Zelltransport in Zellreaktoren, wobei die Vitalität der Zellen nicht beeinträchtigt wird, oder sogar die Zellen zerstören, wie es bei den oben genannten Lithotriptoren der Fall ist. Aufgrund der desintegrierenden Wirkung auf biologische Strukturen haben Ultraschallemulsifikatoren eine erhebliche Bedeutung beim Probenaufschluß erlangt.

Derartige Ultraschallemulsifikatoren, sogenannte Sonotroden, besitzen häufig Schnelle-Transformatoren, die an elektroakustische Wandler, wie zum Beispiel Langevinsche- oder Verbundschwinger, angeordnet sind. Die elektroakustischen Wandler weisen häufig eine Piezokeramik als aktives Material auf, wobei sie mit einer Amplitude von zum Beispiel 0,5 µm schwingen. Mit Hilfe der Transformatoren wird die zunächst sehr kleine Amplitude auf zum Beispiel über 500 µm vervielfacht.

Diese Ultraschallemulsifikatoren haben sich in der Praxis bewährt und werden häufig eingesetzt. Die Wirkung des von der Sonotrode auf die biologische Probe übertragenen Schalls hängt von der Schalldruckamplitude ab, die durch Interferenz mit an dem Probenbehälter reflektierten Schallwellen räumlich stark variieren kann. Da die Temperatur und die Lage der Sonotrodenspitze in der Probe Interferenzerscheinungen stark beeinflussen und bei einer Behandlung sich die Probe in der Regel erwärmt, ist es schwierig, Ultraschall zur gezielten Anregung biologischer Effekte exakt zu dosieren.

Ferner besteht durch das Eintauchen der Sonotrode in der Probe die Gefahr der Querkontamination, falls die Sonotrode beim Probenwechsel nicht mit der notwendigen Sorgfalt gereinigt wird.

Die herkömmliche Ausgestaltung der Beschallungseinrichtung verhindert nicht die Schaum- und Aerosolbildung, welche die Reproduzierbarkeit der Beschallung herabsetzen.

Da die Sonotroden aus elektroakustischen Gründen nicht beliebig klein gestaltet werden können, bestehen Grenzen in der Behandlung miniaturisierter Proben, wie sie z. B. beim Probenaufschluß für gentechnische Analysen gebraucht werden.

Aus der DE 32 09 841 C2 geht eine Vorrichtung zum Einbetten wenigstens einer Gewebeprobe in Paraffin hervor. Die Vorrichtung sieht ein Behältnis vor, in das verschiedene Koppelflüssigkeiten eingebracht werden können, in denen eine bestimmt zu behandelnde Gewebeprobe eingelegt wird. Um die Reaktionsfreudigkeit der Gewebeprobe mit den jeweiligen Flüssigkeiten innerhalb des Gefäßes zu erhöhen, sieht die Vorrichtung am Gefäßboden einen Ultraschallerzeuger 61 vor, der in den Innenraum des Arbeitsgefäßes Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 35 KHz einkoppelt. So ist es vor dem Einlegen von Gewebeproben in Paraffin erforderlich, die Gewebeproben einer bestimmten Vorbehandlung zu unterziehen, die üblicherweise in verschiedenen Verfahrensschritten zu erfolgen hat. So müssen Gewebeproben zunächst aus Gründen der Entwässerung in Isopropyl-Alkohol gereinigt werden, bevor sie anschließend mit flüssigem Paraffin getränkt werden können. Beide Verfahrensschritte laufen äußerst träge ab, d. h. eine gesamtheitliche Benetzung der Oberfläche der Gewebeprobe mit entsprechenden Flüssigkeiten benötigt sehr viel Zeit. Um diesen Vorgang gezielt zu beschleunigen werden die Gewebeproben gezielt einem Ultraschallfeld mit einer Frequenz von 35 KHz ausgesetzt. Überdies hat sich gezeigt, daß die Verwendung von Ultraschall mit der angegebenen Frequenz nicht zu einer mikroskopisch feststellbaren Beeinträchtigung feinster und sehr empfindlicher Strukturen der Gewebeproben führt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Beaufschlagung einer biologischen Probe, vorzugsweise biologisches Zellmaterial, mit Schallwellen zu schaffen, mit der zur gezielten Anregung biologischer Effekte eine exakte Dosierung der Schallwellen möglich ist.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit dem Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung erzeugt die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) Schallwellen mit einer Frequenz von zumindest 100 kHz und es sind Mittel zum Fokussieren der Schallwellen vorgesehen, die die Schallwellen auf ein Probenvolumen innerhalb des Probengefäßes von etwa 50 µl konzentrieren.

Da der Schall, nicht wie bei den herkömmlichen Ultraschallemulsifikatoren in der Probe von innen nach außen abgestrahlt wird, sondern von außen nach innen eingekoppelt wird, kann die Schallintensitätsverteilung auf den Bereich der Probe beschränkt werden, so daß in Verbindung mit einer höheren Mittenfrequenz die Einflüsse durch Interferenz der an den Probengefäßwandung reflektierten Schallwellen kontrolliert werden können. Dies erlaubt eine exakte Dosierung der Schallintensitäten und präzise Anregung von bestimmten biologischen Effekten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Schalleinkopplung durch den Probengefäßboden, so daß der überwiegende Teil der Schallwellen von unten nach oben fokussiert durch die Probe hindurchtritt und bei verminderter Reflexion an der Probengefäßwandung an der oberen Grenzschicht reflektiert wird. Dies ist eine überaus wirksame Anordnung zur Kontrolle störender Interferenzerscheinungen.

Zur Optimierung der Intensitätseinkopplung ist vorzugsweise ein planparalleler akustischer λ/4-Wellentransformator in der Probengefäßwandung vorgesehen.

Durch Einsetzen einer akustischen Linse in die Probengefäßwandung kann die Schallintensitätsverteilung auf einen vorbestimmten Bereich im Probengefäß konzentriert werden.

Vorzugsweise erfolgt die Schallwelleneinkopplung in das Probengefäß mittels Körperschall, indem ein weiches Polymerelement oder ein Fluid enthaltendes Koppelelement zwischen der elektroakustischen Wandlereinrichtung und dem Probengefäß vorgesehen ist und mit beiden in unmittelbaren Kontakt steht, oder einer Flüssigankopplung.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden Schallwellen mit hohen Frequenzen von mindestens 500 kHz bis höchstens 5 MHz verwendet, da derart hochfrequente Schallwellen auf kleinste Bereiche fokussiert werden können und deren räumliche Schallintensitätsverteilung exakt beeinflußbar ist. So ist es mit derart hochfrequenten Schallwellen möglich, den Bereich des maximalen Schalldruckes auf die Mitte des Probenvolumens zu fokussieren, wodurch ein Aufspritzen an der Oberfläche (Aerosolbildung) und damit eine Querkontamination zwischen benachbarten Proben vermieden wird.

Die erfindungsgemäße Schalleinkopplung an der Probengefäßwand mittels Körperschall ist zudem im wesentlichen verlustfrei, so daß bereits kleine Wandlereinrichtungen zur Schallerzeugung genügen. Da sie außerhalb des Probengefäßes angeordnet sind, können sie auch sehr einfach ausgebildet sein, um die für die Ultraschallbehandlung von biologischen Proben erforderliche Schallfrequenz bereitstellen zu können. Die erfindungsgemäße Ultraschallvorrichtung ist daher miniaturisierbar und kann zusammen mit Mikrotiterplattensystemen verwendet werden.

Die Schallwelleneinkopplung in die Probe durch die Probengefäßwand hindurch unterliegt keinen sich verändernden Parametern, wodurch sie exakt reproduzierbar ist. Eine exakte Reproduzierbarkeit der Schallwelleneinkopplung ist Voraussetzung für ein genaues Dosieren und eine automatisierte Probenabarbeitung, bei der das Probengefäß automatisch ausgewechselt beziehungsweise die in einem Probengefäß befindliche biologische Probe automatisch ausgetauscht wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ultraschallvorrichtung in perspektivischer Ansicht zusammen mit einer in der Art einer Explosionsdarstellung oberhalb der Ultraschallvorrichtung gezeigten Mikrotiterplatte,

Fig. 2 eine elektroakustische Wandlereinrichtung, die bei der Ultraschallvorrichtung in Fig. 1 eingesetzt ist, zusammen mit einen Schnitt durch ein Probengefäß der Mikrotiterplatte aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Ultraschallvorrichtung mit einem piezoelektrischen Composite, einer elektronischen Steuereinrichtung und einer mehrere Probengefäße aufweisenden Mikrotiterplatte,

Fig. 4a und 4b eine REM-Aufnahme eines piezoelektrischen Composites und eine schematische perspektivische Darstellung des Composites, und

Fig. 5a bis 5e die Herstellungsschritte zur Herstellung eines piezoelektrischen Composites.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe, bspw. biologisches Zellmaterial, mit Schallwellen, ist in Fig. 1 gezeigt.

Diese Vorrichtung weist eine ebenflächige Grundplatte 1 auf, die an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten jeweils mit einer Schiene 2 versehen ist. Auf den Schienen 2 ist eine Traverse 4 gelagert, die in Längsrichtung der Schiene 2 (Doppelpfeil 5) verschiebbar ist und von einem Elektromotor (nicht dargestellt) zum Verschieben entlang der Schiene 2 angetrieben wird.

An der Traverse 4 ist eine elektroakustische Wandlereinrichtung 7 verschieblich angeordnet, die von einem weiteren Elektromotor (nicht dargestellt) entlang der Längsrichtung auf der Traverse 4 (Doppelpfeil 8) hin und her verfahren werden kann.

An dem parallel zur Traverse 4 verlaufenden Seitenkanten der Grundplatte 1 sind Seitenwandungen 10 zur Aufnahme einer Mikrotiterplatte 12 vorgesehen. Die Mikrotiterplatte 12 ist eine Kunststoffplatte mit mehreren in einem regelmäßigen Raster angeordneten Ausnehmungen, die jeweils ein Probengefäß 13 zur Aufnahme chemischer und biologischer und insbesondere mikrobiologischer Proben bildet. Die Mikrotiterplatte 12 wird auf die Vorrichtung aufgesetzt, wobei sie von den Seitenwandungen 10 getragen wird. Die elektroakustische Wandlereinrichtung 7 ist in der Ebene der Grundplatte in x- und y-Richtung verfahrbar, so daß die elektromagnetische Wandlereinrichtung 7 unter allen Probengefäßen 13 der Mikrotiterplatte 12 angeordnet werden kann. Diese elektroakustische Wandlereinrichtung 7 ist in Fig. 2 in der Seitenansicht dargestellt und weist einen etwa zylinderförmigen Körper 14 aus einem Schall gut übertragenden Material, wie zum Beispiel einem Polymer, auf, in dem ein elektroakustischer Wandler 15 eingebettet ist. Der elektroakustische Wandler 15 besteht aus einem piezoelektrischen, magnetostriktiven und/oder elektrostriktiven Material, das elektromagnetische Wellen in Schallwellen wandeln kann.

Der den elektroakustischen Wandler 15 umschließende Körper 14 ist mittels einer Halterung 17 an der Traverse 4 verschieblich befestigt.

Es ist auch möglich, die gesamte Vorrichtung mit Flüssigkeit zu füllen und dann auf Koppelkissen zu verzichten.

An der nach oben weisenden Stirnfläche des Körpers 14 ist eine akustische Linse 19 mit einer sphärischen Oberfläche 20 angeordnet. Mit Hilfe dieser akustischen Linse 19 werden die vom elektroakustischen Wandler 15 abgegebenen Schallwellen gebündelt, wodurch ein scharf fokussierter Ultraschallstrahl erhalten wird.

Etwa mittig auf der sphärischen Oberfläche 20 der akustischen Linse 19 ist ein Koppelelement 22 zum Einkoppeln des Ultraschallstrahls in das Probengefäß 13 vorgesehen. Das Koppelelement 22 besteht zum Beispiel aus einem weichen verlustfreien Polymer oder kann aus einem dünnwandigen mit einem zur Schallübertragung geeigneten Fluid gefüllten Kunststoffgefäß bestehen. Ein für die Übertragung von Schallwellen geeignetes Fluid ist zum Beispiel entgastes Wasser.

Die Traverse 4 ist mit einer Kippeinrichtung (nicht dargestellt) versehen, mit welcher der elektroakustische Wandler 15 mit dem Koppelelement 22 angehoben und gegen das Probengefäß 13 gedrückt werden kann, wobei das Koppelelement 22 unmittelbar am Gefäßboden 24 anliegt.

Die Mikrotiterplatten sind aus Schall gut übertragenden Polymermaterialien, wie Polystyrol, Polypropylen oder Polyethylen, ausgebildet, wobei die Kontaktbereiche der Gefäße 13 zur elektroakustischen Wandlereinrichtung 7 - im dargestellten Ausführungsbeispiel sind dies die Gefäßböden 24 - membranartig ausgebildet sind oder planparallele akustische λ/4-Wellentransformatoren bilden. Es ist jedoch auch im Rahmen der Erfindung möglich, anstelle der in der elektroakustischen Wandlereinrichtung 7 angeordneten akustischen Linse 19 den Gefäßboden 24 des Probengefäßes 13 als akustische Linse mit sphärischer Oberfläche auszubilden.

Für die Erfindung ist wesentlich, daß die Schallwelleneinkopplung in die im Probengefäß 13 enthaltene Probe durch die Probengefäßwand hindurch erfolgt, so daß der Schall mittels Körperschall bei exakt definierten Zuständen eingekoppelt wird. Diese Einkopplung mittels Körperschall weist geringe Verluste auf, so daß bereits mit kleinen elektroakustischen Wandlern die zur Behandlung der Probenmaterialien notwendige Schallintensität bereitgestellt werden kann. Durch die Fokussierung mittels der akustischen Linse 19 werden die Schallwellen auf das Probenmaterial konzentriert, wodurch eine sehr effektive Ausnützung der Schallwellenenergie erfolgt. Zudem kommt die elektroakustische Wandlereinrichtung 7 nicht mit dem Probenmaterial direkt in Kontakt, so daß sie schnell zwischen einzelnen Probengefäßen 13 einer Mikrotiterplatte 12 verfahren werden kann, ohne daß hierbei die Gefahr einer Kontamination besteht. Da wegen der sehr wirksamen Einkopplung, die vom Wandler 15 erzeugten Intensitäten relativ klein sein können, kann der elektroakustische Wandler 15 miniaturisiert werden. Da der Wandler beim Einkoppeln nicht mit dem Probenmaterial in Kontakt kommt und deshalb ohne zusätzlichen Reinigungsvorgang schnell zwischen einzelnen Probengefäßen 13 verfahren werden kann, ist die Ultraschallvorrichtung ideal für eine automatisierte Ultraschallbehandlung von einer Vielzahl von Proben geeignet.

Als Ultraschall wird hochfrequenter Ultraschall mit einer Frequenz von zumindest mehr als 100 kHz verwendet, da hochfrequenter Schall auf kleinste Volumina fokussierbar ist, so daß selbst Probenvolumina von etwa 50 µl separat beschallt werden können. Der maximale Schalldruck kann in die Mitte des Probenvolumens fokussiert werden, wodurch ein Aufspritzen an der Oberfläche (Aerosolbildung) und damit eine Querkontamination zwischen Probenmaterialien benachbarter Probengefäße 13 vermieden wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ultraschallvorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe mit Schallwellen ist schematisch in den Fig. 3 bis 5e gezeigt. Diese Ultraschallvorrichtung weist als elektroakustische Wandlereinrichtung 7 ein sogenanntes piezoelektrisches 1-3-Composite auf. Bei einem derartigen piezoelektrischen 1-3-Composite sind eine Vielzahl von Einzelschallwandlern 30, die jeweils aus einem piezoelektrischen Stäbchen 35 ausgebildet sind, in einen regelmäßigen z. B. quadratischen Raster angeordnet, wobei ihre Längserstreckung senkrecht zur Rasterebene ausgerichtet ist. Diese Einzelschallwandler 30 sind zur gegenseitigen Isolation und zur Übertragung des erzeugten Schalles in einer Polymermatrix 31 eingebettet (Fig. 4a, 4b). Derartige Composites werden nach dem Dice und Fill-Verfahren hergestellt, wobei aus einem quaderförmigen Block aus piezoelektrischem Material zunächst planparallele Scheiben 33 auf einer Grundfläche 34 freigeschnitten werden (Fig. 5b), und in einem nächsten Arbeitsschritt die Scheiben 33 in Querrichtung zur ersten Schnittrichtung zu auf der Grundfläche 34 stehenden Stäbchen 35 geschnitten werden. Diese Stäbchen 35 werden zusammen mit der Grundfläche 34 in die Polymermatrix 31 eingegossen (Fig. 5d). Schließlich wird die Grundfläche 34 beispielsweise durch Schleifen abgearbeitet, so daß lediglich die Stäbchen 35 als Einzelschallwandler 30 in der Polymermatrix 31 verbleiben und mit entsprechenden Kontaktelementen zur Beaufschlagung mit einem elektrischen Frequenzsignal verbunden werden. Es ist auch möglich, diese Elektrode in Form von Einzelelementen zu strukturieren (Ultraschallarray).

Eine elektrische Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Einzelschallwandler 30 weist einen Frequenzgenerator 40, eine Phasenschiebereinrichtung 41 und eine Phasensteuereinrichtung 42 auf. Der Frequenzgenerator 40 erzeugt ein elektrisches Frequenzsignal mit einer Frequenz von zumindest 100 kHz und vorzugsweise 500 kHz bis 5 MHz. Diese Frequenzsignal wird in die Phasenschiebereinrichtung 41 eingespeist, die eine Vielzahl von einzelnen Phasenschiebern aufweist, mit welchen die Phase des einkommenden Frequenzsignales verändert werden kann, wobei die Phasenschiebereinrichtung 41 für einen jeden Einzelschallwandler 30 einen separaten Ausgang aufweist, so daß für jeden Einzelschallwandler 30 ein von den anderen Einzelschallwandlern 30 unabhängiges Phasensignal ausgegeben werden kann. Die einzelnen Phasenschieber werden von einer Phasensteuereinrichtung 42 gesteuert.

Durch die vorbestimmten Phasendifferenzen der einzelnen Einzelschallwandler 30 ergeben sich steuerbare konstruktive und destruktive Interferenzen der erzeugten Schallwellen, wodurch eine exakte Fokussierung ohne zusätzliche mechanische Fokussiermittel erzielt und eine sehr präzise dreidimensionale Intensitätsverteilung erhalten wird. Die Fokussierung kann zudem quasi beliebig schnell verändert werden. Auf der elektroakustischen Wandlereinrichtung 7 ist ein dünnes, scheibchenförmiges Koppelelement 22 aus einem weichen verlustfreien Polymer oder einem mit einem Fluid gefüllten Kunststoffkörper angeordnet. Bei Verwendung der in eine Polymermatrix 31 eingebetteten Einzelschallwandler 30 kann die Polymermatrix 31 selbst als Koppelelement verwendet werden, das heißt, daß die einzelnen Probengefäße 13 unmittelbar auf die als Composite ausgebildete elektroakustische Wandlereinrichtung 7 aufgesetzt werden. Auch ein Fluid als Koppelschicht ist möglich.

Die elektronische Ansteuerung der in einem zweidimensionalen Array angeordneten Einzelschallwandler 30 erlaubt sowohl eine sequentielle als auch eine parallele Beschallung der einzelnen Probengefäße 13. Diese Array-Anordnung der Einzelschallwandler 30 ermöglicht auch eine weitergehende Miniaturisierung der Ultraschallvorrichtung mit idealen, beliebig einstellbar und schnell veränderlichen Intesitätsverteilungen, so daß selbst komplizierte Verfahren zur Beaufschlagung von Proben mit Ultraschallwellen einfach, schnell und vor allem automatisch ausgeführt werden können.

Die piezoelektrischen Composites sind besonders vorteilhaft, da sie eine effektive, breitbandige Schallerzeugung und Einkopplung, eine einfache Weiterverarbeitung und eine weitreichende Einstellbarkeit der elektroakustischen Eigenschaften erlauben. Derartige Array-Anordnungen können jedoch auch in herkömmlicher Weise aus Piezokeramikelementen beziehungsweise Bleizirkonattitanatelementen hergestellt werden, wobei die Elektronik zu deren Ansteuerung im wesentlichen die gleiche ist.

Ein wesentlicher Vorteil der Array-Anordnung liegt darin, daß eine Vielzahl von Proben, die sich in den Probengefäßen einer Mikrotiterplatte oder eines anderen Kartuschensystems befinden, ohne eine Relativbewegung zwischen den Probengefäßen und der elektroakustischen Wandlereinrichtung gezielt mit Ultraschall sequentiell oder parallel oder in einer beliebigen anderen Reihenfolge beschallt werden können. Da keine Relativbewegung notwendig ist, müssen bei Behandlung mehrerer Proben die Probengefäße nicht bewegt werden, wodurch eine Querkontamination vermieden wird und es nicht notwendig ist, die elektroakustische Wandlereinrichtung jedesmal von neuem mechanisch an ein Probengefäß anzukoppeln, was jeweils sehr sorgfältig erfolgen muß, um die gewünschten, reproduzierbaren Einkoppelzustände zu erhalten.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß die Erfindung ein exaktes, reproduzierbares Einkoppeln der Schallwellen in Probengefäße erlaubt, wodurch die in den Probengefäßen erzeugten Feldintensitäten exakt einstellbar und dosierbar sind. Hierdurch können spezielle chemische, biologische oder mikrobiologische Effekte in den Proben gezielt angeregt werden. Zudem können durch die gezielte Fokussierung auf kleinste Probenvolumina Interferenzeffekte verringert beziehungsweise vollständig vermieden werden.

Bezugszeichenliste

1

Grundplatte

2

Schiene

4

Traverse

5

Doppelpfeil

7

elektroakustische Wandlereinrichtung

8

Doppelpfeil

10

Seitenwandung

12

Mikrotiterplatte

13

Probengefäß

14

Körper

15

elektroakustischer Wandler

17

Halterung

19

akustische Linse

20

sphärische Oberfläche

22

Koppelelement

24

Gefäßboden

30

Einzelschallwandler

31

Polymermatrix

33

Scheiben

34

Grundfläche

35

Stäbchen

40

Frequenzgenerator

41

Phasenschiebereinrichtung

42

Phasensteuereinrichtung

Claims (21)

1. Vorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe, vorzugsweise biologisches Zellmaterial, mit Schallwellen, mit einem Probengefäß (13), in dem die biologische Probe in suspendierter Form vorliegt, sowie mit einer die Schallwellen erzeugenden elektroakustischen Wandlereinrichtung (7), die außerhalb des Probengefäßes (13) angeordnet ist, so daß die Schallwelleneinkopplung in die Probe durch die Probengefäßwand hindurch erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) Schallwellen mit einer Frequenz von zumindest 100 kHz erzeugt und daß Mittel zum Fokussieren der Schallwellen vorgesehen sind, die die Schallwellen auf ein Probenvolumen innerhalb des Probengefäßes von etwa 50 µl konzentrieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) unterhalb des Probengefäßbodens (24) vorgesehen ist und die Schallwelleneinkopplung durch den Probengefäßboden (24) erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Probengefäßboden (24) aus akustisch geeigneten Materialien, wie Polystyrol, Polypropylen oder Polyethylen, besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Probengefäßboden (24) membranartig ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schallwelleneinkopplung ein planparalleler akustischer λ/4-Wellentransformator in der Probengefäßwandung vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Fokussieren der Schallwellen eine sphärische akustische Linse ist, die in die Probengefäßwandung eingesetzt ist.

7. Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schallwelleneinkopplung an das Probengefäß (13) ein weiches Polymerelement an der elektroakustischen Wandlereinrichtung (7) ansetzbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schallwelleneinkopplung an das Probengefäß (13) ein Fluid enthaltendes Koppelelement (22) an der elektroakustischen Wandlereinrichtung (7) ansetzbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid des Koppelelements (22) entgastes Wasser oder eine andere Flüssigkeit, die Schall überträgt, ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) einen aus einem piezoelektrischen, magnetostriktiven und/oder elektrostriktiven Material ausgebildeten elektroakustischen Wandler (15; 30) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Fokussieren derart ausgebildet sind, daß das Probenvolumen, in das die Schallwellen fokussierbar sind, innerhalb des Probengefäßes (13) mit einem Abstand zu einer mittleren Füllstandshöhe justierbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) mehrere elektroakustische Wandlerelemente (30) aufweist, wobei als Mittel zur Fokussierung eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, daß die Wandlerelemente (30) mit vorbestimmten Phasendifferenzen angesteuert werden, so daß sich aufgrund von konstruktiver und destruktiver Interferenzen der erzeugten Schallwellen eine vorbestimmte Fokussierung ergibt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (30) in einer 2-dimensionalen Anordnung regelmäßig verteilt angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung (7) aus einem Piezokomposite (30, 31) ausgebildet ist, das als Wandlerelemente (30) mehrere in einer Polymermatrix (31) eingebettete Piezoelemente (30) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (30) stäbchenförmig ausgebildet und in einem regelmäßigen Raster in der Matrix (31) angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (30) matrixartig angeordnet sind, wobei die stäbchenförmigen Piezoelemente (30) mit ihren Längsachsen senkrecht zur Gitterebene ausgerichtet sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) zur automatischen Behandlung mehrerer Proben an einem X-Y-Schlitten angeordnet ist, der in einer Ebene verfahrbar ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Probengefäß (13) Bestandteil einer Mikrotiterplatte mit einer Vielzahl von Probengefäßen (13) ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalleinkopplung vom Wandler durch ein Fluid in die Probengefäßwand erfolgt.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) Schallwellen mit einer Frequenz von mindestens 500 kHz bis höchstens 5 MHz erzeugt.

21. Verfahren zur Behandlung biologischer Proben mittels Schallwellen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12 mit ihrer elektroakustischen Wandlereinrichtung an eine Probengefäßanordnung mit mehreren Probengefäßen gekoppelt wird, und die in den Probengefäßen befindlichen Proben automatisch und ohne eine Relativbewegung zwischen der Probengefäßanordnung und der Wandlereinrichtung seriell oder parallel beschallt werden.