DE69937747T2 - Vorrichtung und verfahren zur kontrolle einer akustischen behandlung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur kontrolle einer akustischen behandlung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet gesteuerter Schallenergie-Abstrahlungsvorrichtungen zur Behandlung von Material und insbesondere von biologischem Material.
  • Ultraschall wird seit vielen Jahren für eine Vielzahl diagnostischer, therapeutischer und Forschungszwecke verwendet. Die akustische Physik des Ultraschalls ist gut verstanden, die biophysikalischen, chemischen und mechanischen Wirkungen sind jedoch im allgemeinen nur empirisch verstanden. Einige Verwendungen von Schallenergie oder akustischer Energie bei der Materialverarbeitung umfassen eine "Beschallung", wobei es sich um einen nicht verfeinerten Prozess zum mechanischen Auseinanderbrechen handelt, bei dem eine unfokussierte Ultraschallquelle, die Energie im Kilohertzbereich ("kHz-Bereich") abstrahlt, direkt in eine Fluidsuspension des behandelten Materials eingetaucht wird. Dementsprechend erreicht die Schallenergie ein Ziel häufig nicht in einer wirksamen Dosis, weil die Energie von dem Ziel gestreut oder absorbiert wird und/oder mit dem Ziel nicht richtig ausgerichtet ist. In dem US-Patent Nr. 4 571 087 ist eine Vorrichtung zum automatischen Beschallen von Mikrotiterschalen und anderen kleinen Behältern durch die Verwendung einer schrittweisen oder kontinuierlichen Bewegung zur Positionierung jedes Probenbehälters in einem Schallenergiebereich offenbart. In WO 98/58417 ist eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Proben offenbart, welche aufweist: eine Quelle zum Abstrahlen von Schallenergie mit einer Frequenz im Bereich von 100 kHz bis 350 kHz, wobei die Schallenergie als ein Wellenzug erzeugt wird, ein Medium zum Koppeln des Wellenzugs mit der Probe, ein Reaktionsgefäß zum Halten und Aufnehmen der Probe, wobei das Gefäß an einem vorbestimmten Ort in bezug auf die Energiequelle angeordnet ist, und einen Prozessor zum Steuern der Energiequelle. Es gibt auch spezifische klinische Beispiele der Verwendung therapeutischen Ultraschalls (beispielsweise Lithotripsie) und diagnostischen Ultraschalls (beispielsweise Fötusabbildung). Der Ultraschall wurde jedoch bisher nicht gesteuert, um einen automatisierten, präzisen Materialverarbeitungs- oder Reaktionssteuermechanismus mit einem breiten Bereich bereitzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum selektiven Aussetzen einer Probe gegenüber Schallenergie, so dass die Probe ausgesetzt wird, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen, wie beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung, Erwärmen der Probe, Kühlen der Probe, Fluidisieren der Probe, Mischen der Probe, Rühren der Probe, Auseinanderbrechen der Probe, Permeabilisieren einer Komponente der Probe, Verstärken einer Reaktion in der Probe und Sterilisieren der Probe. Beispielsweise kann das Ändern der Permeabilität oder Zugänglichkeit eines Materials, insbesondere labiler biologischer Materialien, in gesteuerter Weise eine Manipulation des Materials ermöglichen, während die Lebensfähigkeit und/oder biologische Aktivität des Materials bewahrt bleiben. In einem anderen Beispiel kann das Mischen von Materialien oder das Modulieren des Transports einer Komponente in Materialien oder aus Materialien heraus in einer reproduzierbaren, gleichmäßigen, automatisierten Weise vorteilhaft sein. Gemäß einer Ausführungsform des Systems weist die Probenverarbeitungssteuerung eine Rückkopplungsschleife zum Regeln mindestens einer der Gegebenheiten Schallenergieort, Impulsmuster, Impulsintensität und absorbierte Dosis des Ultraschalls auf. Das System kann automatisiert sein. Bei einer Ausführungsform liegt die Ultraschallenergie im Gegensatz zur klassischen Schallverarbeitung, bei der typischerweise Ultraschallenergie im Kilohertz-(kHz)-Frequenzbereich verwendet wird, im Megahertz-Frequenzbereich (MHz-Frequenzbereich).
  • Wenn Ultraschallenergie mit einem komplexen biologischen oder chemischen System wechselwirkt, wird das akustische Feld häufig verzerrt, reflektiert und defokussiert. Die Nettowirkung besteht darin, dass die Energieverteilung, verglichen mit der Eingabe, nicht gleichmäßig und/oder defokussiert wird. Nicht gleichmäßige Reaktionsbedingungen können Reaktionsanwendungen auf nicht kritische Prozesse, wie eine Volumenfluidbehandlung, einschränken, wo Temperaturgradienten innerhalb einer Probe folgenlos sind. Einige Ungleichmäßigkeitsaspekte sind jedoch für Proben sehr schädlich, wie extreme Temperaturgradienten, die die Probenintegrität beschädigen. Beispielsweise würde die hohe Temperatur in manchen Fällen Zielproteine irreversibel denaturieren. Als Folge davon sind viele mögliche Anwendungen von Ultraschall, insbesondere biologische Anwendungen, wegen der möglicherweise unerwünschten und unkontrollierbaren Aspekte von Ultraschall in komplexen Systemen auf spezifische, sehr spezialisierte Anwendungen, wie Lithotripsie und diagnostische Bildgebung, beschränkt.
  • Wenn Ultraschall auf eine biologische Volumenprobenlösung, beispielsweise für die Extraktion intrazellulärer Bestandteile aus Gewebe, angewendet wird, bewirkt die Behandlung typischerweise eine komplexe, heterogene Mischung von Teilereignissen, die im Laufe einer Behandlungsdosis variieren. Mit anderen Worten kann die Ultraschallenergie zwischen verschiedenen Zuständen aufgeteilt werden. Beispielsweise kann die Energie eine Probe direkt behandeln, oder die Energie kann eine Zielkomponente räumlich versetzen und das Ziel aus der optimalen Energiezone verschieben. Zusätzlich oder alternativ kann die Energie zu Interferenzen führen, wodurch die akustische Energie reflektiert wird. Beispielsweise tritt eine "Blasenabschirmung" auf, wenn eine Wellenfront von Schallenergie Kavitationsblasen erzeugt, die bestehen bleiben, bis die nächste Wellenfront ankommt, so dass die Energie der zweiten Wellenfront durch die Blasen zumindest teilweise blockiert und/oder reflektiert wird. Überdies können sich größere Teilchen in der Probe zu Knoten niedriger Energie bewegen, wodurch die kleineren Teilchen in der Probe mit einer längeren Verweilzeit in den Knoten hoher Energie bleiben. Zusätzlich können die Viskosität, Temperatur und Gleichmäßigkeit der Probe während des Ultraschallprozesses variieren, woraus sich Gradienten dieser Parameter während der Verarbeitung ergeben. Dementsprechend sind aktuelle Prozesse im allgemeinen zufällig und ungleichmäßig, insbesondere wenn sie auf In-vitro-Anwendungen, wie eine Membranpermeabilisierung, angewendet werden, wodurch die Verwendung von Ultraschall bei Anwendungen hohen Durchsatzes behindert wird, wo eine Behandlungsstandardisierung von einer Probe zur nächsten erforderlich ist.
  • Die Verarbeitung von Proben, die labiles Material, insbesondere biologisches Material, enthalten, ist noch in hohem Maße ein manueller Prozess und schlecht für eine Probenverarbeitung mit einem hohen Durchsatz angepasst, die für Anwendungen, wie pharmazeutische Anwendungen und landwirtschaftliche Gentechnologie, benötigt wird. Beispielsweise erfolgt das Einbringen einer Nukleinsäure in eine Probe für eine temporäre oder permanente Transformation, außer für isolierte oder freigelegte Zellen, noch im Wesentlichen von Hand. Die meisten Transformationstechniken wurden für eine kleine Untergruppe von Materialien entwikkelt, die typischerweise nur eine einzige Plasmamembran aufweisen, die ihr Inneres von der Umgebung trennt. Diese Membranen können unter Verwendung von Detergenzien, Salzen, eines osmotischen Schocks oder eines einfachen Gefrierauftauens permeabilisiert werden. Demgemäß können Materialien, wie Viren, kultivierte Zellen und Bakterien, und Protisten, wie Hefe, die behandelt wurden, um die Bildung von Zellwänden zu verhindern, durch beliebige einer Anzahl von Standardverfahren transfektiert werden. Beispielsweise kann die Transfektion mit Vektoren, einschließlich Viren, die an Plasmamembranen für einen direkten Transport binden, und in einer direkten Transfektion mit "bloßer" DNS, die häufig mit kationischen Lipiden oder Polymeren beschichtet ist oder bei der chemische oder biochemische membranpermeabilisierende Mittel vorhanden sind, vorgenommen werden.
  • Überdies haben viele biologische Materialien von Interesse Trag- bzw. Stützstrukturen, und es ist erheblich schwieriger, die Plasmamembran mit makromolekularen Mitteln oder Viren zu permeabilisieren oder auf andere Weise Zugang zu dieser zu erhalten. Die Tragstrukturen reichen von einfachen Zellwänden, wie bei Hefe, bis zu komplexen Protein- und Glykoproteinstrukturen, wie bei Tiergewebe, bis zu zähen und nur langsam abbaubaren Polysaccharidstrukturen, wie bei Pflanzen und Insekten, bis zu physikalisch haltbaren mineralisierten Trägern, wie bei Diatomen und Knochen. Bei all diesen "harten" Materialien ist es typischerweise notwendig, dass ein physikalisches Auseinanderbrechen der Trag- bzw. Stützmatrizen einer Transfektion oder anderen Nukleinsäureeinfügung vorhergeht oder diese begleitet, um ein zuverlässiges Einbringen extrazellulärer Komponenten zu ermöglichen.
  • Eine Beschallung wurde verwendet, um schwierige Materialien, wie Pflanzengewebe, aufzubrechen. Die typischerweise durch Vibration einer Sonde bei Frequenzen von 10.000 Hz oder darüber implementierte Beschallung erzeugt Scherkräfte innerhalb einer flüssigen Probe. Die resultierende Scherwirkung lässt sich jedoch nicht leicht steuern, so dass die Scherwirkung dazu neigt, zerbrechliche intrazelluläre Strukturen zu zerstören, wenn ausreichend Energie zum Auseinanderbrechen einer Stützmatrix zugeführt wird. Tatsächlich wird die Beschallung routinemäßig verwendet, um DNS in Lösung durch Scherwirkung in kleine Fragmente zu zerlegen. Diese Fragmentierung begrenzt die Nützlichkeit dieser Techniken für viele Zwecke und insbesondere für die Transfektion, die eine lebende Zelle benötigt, um erfolgreich zu sein.
  • Die vorliegende Erfindung adressiert diese Probleme und stellt Vorrichtungen und Verfahren für eine berührungsfreie Behandlung von Proben mit Ultraschallenergie unter Verwendung eines fokussierten Energiestrahls bereit. Die Frequenz des Strahls kann veränderlich sein und im Bereich von etwa 100 kHz bis 100 MHz und bevorzugter von 500 kHz bis 10 MHz liegen. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung Proben mit Ultraschallenergie behandeln, während die Temperatur der Probe gesteuert wird, indem computererzeugte komplexe Wellenzüge verwendet werden, die weiter durch die Verwendung einer Rückkopplung von einem Sensor gesteuert werden können. Das akustische Ausgangssignal oder der Wellenzug kann in der Frequenz, der Intensität, dem Arbeitszyklus, dem Burst-Muster oder der Impulsform oder in allen von diesen variieren. Gemäß einem anderen Beispiel kann die vorliegende Erfindung Proben mit Ultraschallenergie behandeln, wenn sich die Proben in einem Feld befinden, und individuelle Proben in dem Feld können unterschiedlich oder identisch behandelt werden. Ferner kann diese Behandlung automatisch unter Computersteuerung ausgeführt werden. Bei einem anderen Beispiel kann die vorliegende Erfindung Proben mit Ultraschallenergie gleichmäßig über die gesamte Probe durch die Relativbewegung der Probe und des Brennpunkts des Strahls in einer beliebigen oder allen von zwei oder drei Dimensionen behandeln.
  • Die Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung können durch ein Computerprogramm gesteuert werden. Bei einer Ausführungsform ist die von dem Computer ausgeführte Aktionssequenz vorbestimmt. Diese Ausführungsformen können bei einer schnellen Verarbeitung hohen Volumens nützlich sein. Bei einer anderen Ausführungsform werden die Prozesse mit einem Programm verbessert, das eine Rückkopplungssteuerung verwendet, um seine Aktionen zu modifizieren oder festzulegen, wobei Techniken, einschließlich einer algorithmischen Verarbeitung der Eingabe, der Verwendung von Nachschlagetabellen und ähnlicher Integrationsvorrichtungen und -prozesse, verwendet werden.
  • Ein Rückkopplungssteuermechanismus in Verbindung mit beliebigen der Gegebenheiten Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Verarbeitungsgeschwindigkeit, Temperatursteuerung, Bereitstellen einer gleichmäßigen Aussetzung gegenüber Schallimpulsen, Erfassen des Grads des Abschlusses der Verarbeitung, Überwachen der Kavitation und Steuerung von Strahleigenschaften (einschließlich Intensität, Frequenz, Fokussierungsgrad, Wellenzugmuster und Position) kann bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbessern. Eine Vielzahl von Sensoren oder gemessenen Eigenschaften kann geeignet sein, um eine Eingabe für die Rückkopplungssteuerung bereitzustellen. Diese Eigenschaften können Messen der Temperatur der Probe; Schallstrahlintensität; Druck; Badeigenschaften, einschließlich Temperatur, Salinität und Polarität; Probenposition; und optische oder visu elle Eigenschaften der Proben einschließen. Diese optischen Eigenschaften können die sichtbare Farbe, Emission, Absorption, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Streuung, Teilchengröße, Laser/Doppler-Fluid und Teilchengeschwindigkeiten sowie die effektive Viskosität einschließen. Die Probenintegrität oder -verkleinerung kann mit einer Musteranalyse eines optischen Signals erfasst werden. Jede gemessene Eigenschaft oder Kombination davon kann als Eingabe in ein Steuersystem dienen. Die Rückkopplung kann verwendet werden, um eine beliebige Ausgabe des Systems, beispielsweise Strahleigenschaften, Probenposition und Behandlungsdauer, zu steuern.
  • Die Proben können in jedem zweckmäßigen Gefäß oder Behälter behandelt werden. Gefäße können während der Dauer der Behandlung versiegelt werden, um eine Verunreinigung der Probe oder der Umgebung zu verhindern. Felder von Gefäßen können zur Verarbeitung großer Anzahlen von Proben verwendet werden. Diese Felder können in einer oder mehreren Konfigurationen hohen Durchsatzes angeordnet werden. Beispiele umfassen Mikrotiterplatten, typischerweise mit einer temporären Versiegelungsschicht zum Schließen der Wannen, Blasenverpackungen, ähnlich jenen, die zum Verpacken von Pharmazeutika, wie Pillen und Kapseln, verwendet werden, und Felder von Polymerblasen, ähnlich Blasenverpackungsmaterial, vorzugsweise mit einem ähnlichen Abstand wie typische Mikrotiterwannen. Die letztgenannten werden nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben.
  • Die Behandlung, die durch die Verwendung von Ultraschallwellenzügen verbessert ist, weist eine beliebige Einheitsoperation auf, die geeignet ist, durch Schallwellen oder -impulse implementiert zu werden oder dadurch verbessert wird. Insbesondere umfassen diese Ergebnisse ein Lysieren, Extrahieren, Permeabilisieren, Rühren oder Mischen, Ver kleinern, Erwärmen, Fluidisieren, Sterilisieren, Katalysieren und selektives Abbauen. Schallwellen können auch die Filtrierung, die Fluidströmung in Leitungen und die Fluidisierung von Suspensionen verbessern. Die Prozesse gemäß der Erfindung können synthetisch oder analytisch sein, oder einfach andere Prozesse, wie Rühren, erleichtern.
  • Jede Probe ist potenziell für eine Verarbeitung durch die Techniken und Vorrichtungen der Erfindung geeignet. Beispielsweise ist jedes Material, das biologische Organismen oder davon abgeleitetes Material enthält, geeignet. Viele Chemikalien können, insbesondere in Reaktionen oder Analysen in kleinem Maßstab oder kombinatorischen Reaktionen oder Analysen, mit den erfindungsgemäßen Prozessen, einschließlich eines fernen, berührungsfreien Mischens oder Rührens, wirksamer verarbeitet werden. Physikalische Objekte, wie Mineralproben, und Teilchen unter Einschluss von Sanden und Tönen können auch mit der vorliegenden Erfindung behandelt werden.
  • Mehrere Aspekte der Erfindung können die Reproduzierbarkeit und/oder Wirksamkeit von Teilchenbehandlungen unter Verwendung von Ultraschallenergie bei In-vitro-Anwendungen verbessern, wo Reproduzierbarkeit, Gleichmäßigkeit und präzise Steuerung erwünscht sind. Diese Aspekte umfassen die Verwendung einer Rückkopplung, präzisen Fokussierung der Ultraschallenergie, Überwachung und Regulierung der akustischen Wellenform (einschließlich Frequenz, Amplitude, Arbeitszyklus und Zyklen pro Burst), einer Positionierung des Reaktionsgefäßes in Bezug auf die Ultraschallenergie, so dass die Probe gleichmäßig behandelt wird, des Steuerns der Bewegung der Probe in bezug auf den Brennpunkt der Ultraschallenergie während eines Verarbeitungsschritts und/oder des Steuerns der Temperatur der behandelten Probe, entweder durch die Ultraschallenergieparameter oder durch die Ver wendung von Temperatursteuervorrichtungen in der Art eines Wasserbads. Ein Behandlungsprotokoll kann unter Verwendung einer oder einer Kombination der vorstehend erwähnten Variablen optimiert werden, um beispielsweise die Scherwirkung, Extraktion, Permeabilisierung, Verkleinerung, das Rühren oder andere Prozessschritte zu maximieren, während unerwünschte thermische Wirkungen minimiert werden.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird Ultraschallenergie hoher Intensität auf ein Reaktionsgefäß fokussiert, und "Echtzeit"-Rückkopplung in bezug auf eine oder mehrere Prozessvariablen wird verwendet, um den Prozess zu steuern. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Prozess automatisiert und in einem System hohen Durchsatzes in der Art einer 96-Wannen-Platte oder eines kontinuierlich fließenden Stroms zu behandelnden Materials, optional segmentiert, verwendet.
  • Das Minimieren unerwünschter Interferenzen mit dem Muster der angewendeten Ultraschallenergie ist ein weiteres Merkmal der Erfindung. Beispielsweise hat auf eine Probe in einem Reaktionsgefäß angewendete Ultraschallenergie das Potential, direkt mit der Zielprobe zu Wechselwirken oder von Blasen oder anderen Effekten von einem vorhergehenden Zyklus der Ultraschallanwendung reflektiert zu werden und nicht mit dem Ziel zu Wechselwirken oder das Ziel wegen einer räumlichen Trennung oder Fehlanpassung zu verpassen. Die Miniaturisierung von Interferenzen ist besonders vorteilhaft für die ferne, automatisierte, sterile Verarbeitung kleiner Mengen von Zielmaterial, beispielsweise 10 mg eines Biopsiegewebes. Durch Minimieren der Reflexionen und Optimieren der räumlichen Positionierung wird die Ultraschallenergie wirksamer verwendet und gesteuert. Der Prozess kann durch Vorgeben von Bedingungen, wie Wellenform und Positionierung, durch ein Rückkopplungssignal und eine rückkopplungsbasierte Steuerung, um vorgegebene Zielparameter für die Funktionsweise beizubehalten, oder durch eine Kombination dieser Verfahren standardisiert werden, um eine Reproduzierbarkeit zu erhalten.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Verarbeitungssystem aufweisen: einen Wandler hoher Intensität, der akustische Energie erzeugt, wenn er durch eine elektrische oder optische Energieeingabe angetrieben wird; eine Vorrichtung oder ein System zum Steuern der Anregung des Wandlers in der Art eines beliebigen Wellenformgenerators, eines HF-Verstärkers und eines Anpassungsnetzwerks zum Steuern von Parametern, wie Zeit, Intensität und Arbeitszyklus der Ultraschallenergie; ein Positionierungssystem in der Art eines zweidimensionalen (x, y) oder eines dreidimensionalen (x, y, z) Positionierungssystems, das durch einen Computer gesteuert werden kann, um die Automatisierung und Implementation einer Rückkopplung anhand der Überwachung zu ermöglichen; einen Temperatursensor; eine Vorrichtung zum Steuern der Temperatur; ein oder mehrere Reaktionsgefäße; und einen Sensor zum Erfassen beispielsweise optischer, strahlender und/oder akustischer Signaturen.
  • Gefäße, welche die Proben enthalten, können während der Verarbeitung versiegelt werden und können daher während oder nach der Prozedur steril sein. Überdies ermöglicht die Verwendung fokussierten Ultraschalls, dass die Proben in den Gefäßen verarbeitet werden, wobei dies eine Verarbeitung durch Rühren, ohne Berühren der Proben, einschließt, selbst wenn die Gefäße nicht versiegelt sind.
  • Die Prozesse haben eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich, jedoch ohne Einschränkung, Extraktion, Permeabilisierung, Mischen, Verkleinern, Sterilisation, Strö mungssteuerung und Reagieren. Beispielsweise kann das Mischen in einem Gefäß erreicht werden, wobei die Temperaturschwankung innerhalb von etwa plus oder minus ein Grad Celsius gesteuert wird. Eine genauere Steuerung ist möglich, falls dies erforderlich ist. Bei einem anderen Beispiel können labile biologische Materialien ohne Aktivitätsverlust oder ohne die Verwendung aggressiver Lösungsmittel aus Pflanzenmaterialien extrahiert werden. Bei anderen Anwendungen können komplexe Zellen permeabilisiert werden bzw. durchlässig gemacht werden, und Moleküle, wie Nukleotidmoleküle, können unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prozesses in die Zellen eingebracht werden. Andere Anwendungen umfassen das Modulieren von Bindereaktionen, die bei Trennungen, biologischen Analysen und Hybridisierungsreaktionen nützlich sind.
  • Ein Aspekt der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Verarbeiten einer Probe, indem Schallenergie verwendet wird, wobei die Vorrichtung aufweist:
    eine Schallenergiequelle zum Abstrahlen von Schallenergie, wobei die Energiequelle einen Wellenzug erzeugt, der im wesentlichen in einer Brennpunktzone konvergiert und eine Frequenz in dem Bereich von etwa 100 kHz bis 100 MHz hat,
    ein Medium zum Koppeln des Wellenzugs mit der Probe,
    ein Reaktionsgefäß zum Halten und Aufnehmen der Probe, wobei das Reaktionsgefäß in einer vorbestimmten Position relativ zu der Schallenergiequelle angeordnet ist,
    einen Prozessor zum Kontrollieren bzw. Steuern zumindest eines von der Schallenergiequelle und dem Ort des Gefäßes relativ zu der Brennpunktzone entsprechend einer vorbestimmten Methodik, so dass die Probe selektiv Schallenergie ausgesetzt ist, um ein erwünschtes Ergebnis zu erzielen. Das gewünschte Ergebnis kann das Erwärmen der Probe, das Kühlen der Probe, das Fluidisieren der Probe, das Mischen der Probe, das Rühren der Probe, das Auseinanderbrechen der Probe, das Erhöhen der Permeabilität einer Komponente der Probe, das Verbessern einer Reaktion innerhalb der Probe und/oder das Sterilisieren der Probe sein. Auch kann das gewünschte Ergebnis eine In-vitro- oder eine Ex-vivo-Behandlung sein.
  • Dieser und andere Aspekte der Erfindung können einige oder alle der folgenden Merkmale aufweisen. Die Vorrichtung kann ferner ein Rückkopplungssystem aufweisen, das mit dem Prozessor verbunden ist, um zumindest eine Bedingung bzw. einen Zustand zu überwachen, dem die Probe während der Behandlung ausgesetzt ist, so dass der Prozessor zumindest eines von der Schallenergiequelle und dem Ort der Probe in Reaktion auf die zumindest eine Bedingung bzw. den zumindest einen Zustand steuert. Das Rückkopplungssystem kann einen Sensor zum Überwachen der mindestens einen Bedingung bzw. des mindestens einen Zustands aufweisen. Die Vorrichtung kann ferner eine Temperatursteuereinheit zum Steuern der Temperatur der Probe aufweisen, und der Prozessor kann die Temperatursteuereinheit steuern. Die Vorrichtung kann ferner eine Drucksteuereinheit zum Steuern des Drucks, dem die Probe ausgesetzt ist, aufweisen, und der Prozessor steuert die Drucksteuereinheit. Die Schallenergiequelle kann einen Wandler aufweisen. Der Wandler kann die Schallenergie fokussieren und mindestens ein piezoelektrisches Element, ein Feld von piezoelektrischen Elementen, ein elektrohydraulisches Element, ein magnetostriktives Element, einen elektromagnetischen Wandler, ein chemisches explosionsfähiges Element und/oder ein laseraktiviertes Element aufweisen. Ein piezoelektrisches Element kann eine sphärische übertragende Oberfläche aufweisen, die so orien tiert ist, dass die Brennpunktachse vertikal oder in einer anderen vorbestimmten Richtung orientiert ist. Der Halter kann einen Probenbehälter zum Aufnehmen der Probe tragen. Der Probenbehälter kann ein Membranbeutel, eine Thermopolymerwanne, ein Polymerbeutel, eine hydrophobe Membran, eine Mikrotiterplatte, eine Mikrotiterwanne, eine Teströhre, eine Zentrifugenröhre, eine Mikrofugenröhre, eine Ampulle, eine Kapsel, eine Flasche, ein Becher, ein Glaskolben und/oder eine Kapillarröhre sein. Der Probenbehälter kann mehrere Fächer bilden und eine brechbare Membran zum Übertragen einer Fraktion der Probe aus dem Halter aufweisen. Die Vorrichtung kann ferner eine Vorrichtung zum Bewegen der Probe von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort in der Art eines Schrittmotors aufweisen. Die Vorrichtung kann auch ein zwischen der Schallenergiequelle und dem Halter angeordnetes akustisch transparentes Material aufweisen. Die Probe kann durch eine Leitung fließen. Die Schallenergiequelle kann Schallenergie bei zwei oder mehr verschiedenen Frequenzen, optional in Form eines seriellen Wellenzugs, erzeugen. Der Wellenzug kann eine erste Wellenkomponente und eine verschiedene zweite Wellenkomponente aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Wellenzug etwa 1000 Zyklen pro Burst bei einem Arbeitszyklus von etwa 10% bei einer Amplitude von etwa 500 mV aufweisen.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten einer Probe, indem Schallenergie verwendet wird, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
    Erzeugen eines Schallenergiewellenzugges, der im wesentlichen in einer Brennpunktzone konvergiert und eine Frequenz in dem Bereich von etwa 100 kHz bis 100 MHz hat,
    Aussetzen der Probe gegenüber dem Schallenergiewellenzug durch ein Medium, und
    Steuern zumindest eines von der Schallenergie und einem Ort der Probe relativ zu der Brennpunktzone entsprechend einer vorbestimmten Methodik, so dass die Probe selektiv Schallenergie ausgesetzt wird, um ein erwünschtes Ergebnis zu erzielen. Das gewünschte Ergebnis kann das Erwärmen der Probe, das Kühlen der Probe, das Fluidisieren der Probe, das Mischen der Probe, das Rühren der Probe, das Auseinanderbrechen der Probe, das Erhöhen der Permeabilität einer Komponente der Probe, das Verbessern einer Reaktion innerhalb der Probe und/oder das Sterilisieren der Probe sein. Auch kann das gewünschte Ergebnis eine In-vitro- oder eine Ex-vivo-Behandlung sein. Dieser oder irgendein anderer Aspekt der Erfindung kann beliebige oder alle der folgenden Merkmale aufweisen. Das Verfahren kann ferner die Schritte des Messens mindestens einer Bedingung bzw. eines Zustands, dem die Probe während der Verarbeitung ausgesetzt wird, und des Änderns zumindest eines von der Schallenergie und dem Ort der Probe in Reaktion auf die gemessene Bedingung bzw. den gemessenen Zustand aufweisen. Während des Messschritts kann die gemessene Bedingung bzw. der gemessene Zustand Temperatur, Druck, eine optische Eigenschaft, eine geänderte Chemikalie, ein akustisches Signal und/oder ein mechanisches Ereignis sein. Während des Änderungsschritts kann die Eigenschaft der Schallenergie, die geändert wird, die Wellenform, die Dauer der Anwendung, die Intensität und/oder der Arbeitszyklus sein. Das Verfahren kann ferner den Schritt des Steuerns der Temperatur der Probe und den Schritt des Steuerns des Drucks, dem die Probe ausgesetzt wird, aufweisen. Während des Schritts des Aussetzens der Probe gegenüber Schallenergie kann die Schallenergie durch Funkenentladungen über einen Spalt, Laserimpulse, piezoelektrische Impulse, elektromagnetische Schockwellen, elektrohydraulische Schockwellen, elektrische Entladungen in eine Flüssigkeit und/oder chemische Sprengstoffe erzeugt werden. Die Schallenergie kann auf die Probe fokussiert werden. Die Probe kann eine Zelle enthalten, und das Verfahren kann ferner den Schritt des Einbringens eines Materials in die Zelle aufweisen. Das Material kann ein Polymer, ein Aminosäuremonomer, eine Aminosäurekette, ein Protein, ein Enzym, ein Nukleinsäuremonomer, eine Nukleinsäurekette, ein Saccharid, ein Polysaccharid, ein organisches Molekül, ein anorganisches Molekül, ein Vektor, ein Plasmid und/oder ein Virus sein. Das Verfahren kann ferner den Schritt des Extrahierens einer Komponente der Probe aufweisen. Während des Steuerschritts wird mindestens eine Eigenschaft der Schallenergie gesteuert, wobei diese Eigenschaft die Wellenform, die Dauer der Anwendung, die Intensität oder der Arbeitszyklus ist. Das Verfahren kann ferner den Schritt des Strömens der Probe durch eine Leitung aufweisen. Die Schallenergie kann mindestens zwei verschiedene Frequenzen, optional in Form eines Wellenzugs, aufweisen. Der Wellenzug kann eine erste Wellenkomponente und eine verschiedene zweite Wellenkomponente aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Wellenzug etwa 1.000 Zyklen pro Burst bei einem Arbeitszyklus von 10% bei einer Amplitude von etwa 500 mV aufweisen.
  • Die Erfindung wird gemäß bevorzugten und als Beispiel dienenden Ausführungsformen zusammen mit weiteren Vorteilen eingehender in der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung beschrieben.
  • In der Zeichnung beziehen sich gleiche Bezugszahlen in den verschiedenen Ansichten im allgemeinen auf die gleichen Teile. Auch sind die Zeichnungsteile nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, wobei die Betonung stattdessen im allgemeinen auf dem Erläutern der Grundgedanken der Erfindung liegt.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Schallenergiesteuerung, worin Sinuswellen bei einer veränderlichen Amplitude und Frequenz dargestellt sind.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Intraproben-Positionierungs-(Zitter)-Profils, worin die Höhe, der Höhenschritt und der Radius dargestellt sind.
  • 4A zeigt eine schematische Darstellung eines Behandlungsgefäßes mit einer vertikalen Seite.
  • 4B zeigt eine schematische Darstellung eines konischen Behandlungsgefäßes.
  • 4C zeigt eine schematische Darstellung eines gekrümmten Behandlungsgefäßes.
  • Die 5A–5C zeigen schematische Darstellungen mehrerer Ausführungsformen eines Behandlungsgefäßes mit einer Kombination eines oberen und eines unteren Elements und von Proben in den Gefäßen vor der Behandlung.
  • 6A zeigt eine schematische Darstellung eines Behandlungsgefäßes, das über einem Sammelbehälter angeordnet ist, bevor der Inhalt des Gefäßes in den Behälter übertragen wird.
  • 6B zeigt eine schematische Darstellung eines Behandlungsgefäßes, das über einem Sammelbehälter angeordnet ist, nachdem ein Teil des Inhalts des Gefäßes in den Behälter übertragen wurde.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung eines In-line-Fluidbehandlungsverfahrens gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
  • 8 zeigt einen Graphen, der die Änderung der Probentemperatur als Funktion des Arbeitszyklus bei 500 mV und 750 mV bei einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Proben enthaltenden Mikrotiterplatte, so dass eine der Wannen der Mikrotiterplatte am Brennpunkt von Schallenergie positioniert ist.
  • 10 beschreibt bestimmte Merkmale und Spezifikationen, die sich auf die Funktionsweise, Verbrauchsmaterialien, die Behandlungsprozedur und mechanische Komponenten eines Systems gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung beziehen.
  • 11 beschreibt bestimmte Merkmale und Spezifikationen, die sich auf die Instrumentensteuerung, Benutzerschnittstelle, elektrische und zugeordnete Geräte eines Systems gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung beziehen.
  • 12 beschreibt bestimmte Eigenschaften und Funktionalitäten von Betriebssoftware, die sich auf allgemeine Funktionen, Anzeigefunktionen, die Schallenergiesteuerung und die Ziel-/Quellenpositionierung eines Systems gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung beziehen.
  • 13 beschreibt bestimmte zusätzliche Eigenschaften und Funktionalitäten von Betriebssoftware, die sich auf die Ziel-/Quellenpositionierung und Temperatursteuerung eines Systems gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung beziehen.
  • "Schallenergie" soll hier solche Begriffe, wie akustische Energie, akustische Wellen, akustische Impulse, Ultraschallenergie, Ultraschallwellen, Ultraschall, Schockwellen, Schallenergie, Schallwellen, Schallimpulse, Impulse, Wellen oder beliebige andere grammatische Formen dieser Begriffe sowie jeden anderen Energietyp, der ähnliche Eigenschaften wie Schallenergie aufweist, umfassen. "Brennpunktzone" oder "Brennpunkt" bedeutet hier einen Bereich, wo Schallenergie auf einem Ziel konvergiert und/oder auf dieses einfällt, wenngleich dieser Konvergenzbereich nicht notwendigerweise ein einziger fokussierter Punkt ist. Hier können die Begriffe "Mikroplatte", "Mikrotiterplatte", "Mikrowannenplatte" und andere grammatische Formen dieser Begriffe eine Platte bedeuten, die eine oder mehrere Wannen aufweist, in die Proben eingebracht werden können. Hier kann "nichtlineare Akustik" das Fehlen einer Proportionalität zwischen einer Eingabe und einer Ausgabe bedeuten. Beispielsweise verliert bei unserer Anwendung, wenn die auf den Wandler angewendete Amplitude ansteigt, die sinusförmige Ausgabe an Proportionalität, so dass schließlich der Spitzenüberdruck mit einer höheren Rate zunimmt als der Spitzenunterdruck. Auch wird Wasser bei hohen Intensitäten nichtlinear, und die Wellen werden in einem konvergierenden akustischen Feld stärker gestört, wenn die Intensität zum Brennpunkt hin zunimmt. Nichtlineare akustische Eigenschaften von Gewebe können bei diagnostischen und therapeutischen Anwendungen nützlich sein. Hier kann "akustische Stromerzeugung" die Erzeugung einer Fluidströmung durch akustische Wellen bedeuten. Der Effekt kann nichtlinear sein. Eine Volumenfluidströmung einer Flüssigkeit in Richtung des Schallfelds kann als Ergebnis eines vom akustischen Feld absorbierten Impulses erzeugt werden. Hier kann "akustische Mikrostromerzeugung" eine zeitunabhängige Zir kulation bedeuten, die nur in einem kleinen Bereich des Fluids um eine Quelle oder ein Hindernis, beispielsweise eine akustisch angetriebene Blase in einem Schallfeld, auftritt. Hier kann "akustische Absorption" eine Eigenschaft eines Materials bezeichnen, die sich auf die Fähigkeit des Materials bezieht, akustische Energie in thermische Energie umzuwandeln. Hier kann "akustische Impedanz" ein Verhältnis zwischen einem Schalldruck an einer Oberfläche und einem Schallfluss durch die Oberfläche bedeuten, wobei das Verhältnis eine Recktanz- und eine Widerstandskomponente aufweist. Hier kann "akustische Linse" ein System oder eine Vorrichtung zum Ausbreiten oder Konvergieren von Schallwellen bedeuten. Hier kann "akustische Streuung" eine unregelmäßige und mehrfach gerichtete Reflexion und Beugung von Schallwellen bedeuten, die von mehreren reflektierenden Oberflächen, deren Abmessungen, verglichen mit der Wellenlänge, klein sind, oder durch bestimmte Unstetigkeiten in dem Medium, durch das sich die Welle ausbreitet, erzeugt werden.
  • I. Vorrichtung und Verfahren für die Ultraschallbehandlung
  • Bei bestimmten Ausführungsformen weist die Vorrichtung eine Quelle von Schallenergie, einen Sensor zum Überwachen der Energie oder ihrer Wirkung und einen mit der Schallenergiequelle gekoppelten Rückkopplungsmechanismus zum Regulieren der Energie (beispielsweise Spannung, Frequenz, Muster) zur Übertragung von Ultraschallenergie auf ein Ziel auf. Vorrichtungen für die Übertragung können Erfassungs- und Rückkopplungsschaltungen zum Steuern von einem oder mehreren Verlusten von Energie an Grenzflächen und beim Übergang durch Reflexion, Dispersion, Beugung, Absorption, Dephasierung und Verstimmung umfassen. Beispielsweise können diese Vorrichtungen Energie entsprechend bekannten Verlustmu stern, beispielsweise durch Strahlteilung, steuern. Sensoren können die Wirkungen von Ultraschallenergie auf Ziele, beispielsweise durch Messen elektromagnetischer Emissionen, typischerweise im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Bereich, optional als Funktion der Wellenlänge, erfassen. Diese Wirkungen umfassen Energiedispersion, Streuung, Absorption und/oder Fluoreszenzemission. Andere messbare Variablen umfassen elektrostatische Eigenschaften, wie Leitfähigkeit, Impedanz, Induktanz und/oder die magnetischen Entsprechungen dieser Eigenschaften. Messbare Parameter umfassen auch die Beobachtung der physikalischen Gleichmäßigkeit, Musteranalyse und zeitliche Progressionsgleichmäßigkeit über eine Anordnung von Behandlungsgefäßen in der Art einer Mikrotiterplatte.
  • Wie in 1 dargestellt ist, führen ein oder mehrere Sensoren, die mit einer Rückkopplungssteuerung gekoppelt sind, zu einer stärker fokussierten, spezifischeren oder besser gesteuerten Behandlung als es unter Verwendung gegenwärtiger Verfahren, die auf dem Fachgebiet typisch sind, möglich wäre. Die Rückkopplungsmethodik kann feste elektronische Elemente, einen Prozessor, einen Computer und/oder ein Programm auf einem Computer aufweisen. Die elektronischen Elemente, der Prozessor, der Computer und/oder das Computerprogramm können wiederum beliebige einer Vielzahl einstellbarer Eigenschaften steuern, um eine Probe bei einer gegebenen Behandlung selektiv Schallenergie auszusetzen. Diese Eigenschaften können eine Modulation des Ultraschallstrahls ansprechend auf eine erfasste Wirkung einschließen. Modifizierbare Ultraschallwellen-Variablen können Intensität, Arbeitszyklus, Impulsmuster und räumlichen Ort einschließen. Typische Eingabeparameter, die eine Ausgabe auslösen können, können eine Änderung des Signalpegels, das Erreichen eines kritischen Pegels, eine Plateaubildung einer Wirkung und/oder eine Änderungsrate ein schließen. Typische Ausgabeaktionen können eine Schalleingabe in eine Probe, wie Frequenz, Intensität, Arbeitszyklus; Unterbrechen der Probenbewegung oder der Schallenergie; und/oder Bewegen eines Strahls innerhalb einer Probe oder zur nächsten Probe einschließen.
  • Insbesondere zeigt 1 eine elektronisch gesteuerte Ultraschallverarbeitungsvorrichtung 100, die ein Ultraschallbehandlungssystem und zugeordnete Elektronik 200, ein Positionierungssystem 300 für das behandelte Probenziel 800 und ein Steuersystem 400, welches das Ultraschallsignal steuert, erzeugt und moduliert und das Positionierungssystem 300 in einer vorbestimmten Weise steuert, die möglicherweise einen Rückkopplungsmechanismus aufweisen kann, aufweist. Die Schallenergiequelle 230 und das behandelte Ziel 800, beispielsweise eine Probe, mehrere Proben oder eine andere Vorrichtung, sind in einem Fluidbad 600, beispielsweise in Wasser, angeordnet, so dass die Schallenergiequelle 230 zum Ziel 800 orientiert ist. Das Ziel 800 kann in der Nähe der Oberfläche des Fluidbads 600, oberhalb der Schallenergiequelle 230, positioniert sein, wobei alle in einem Probenverarbeitungsgefäß 500 enthalten sind. Beliebige einer Vielzahl von Sensoren 700 zur Messung von Verarbeitungsparametern können in dem Fluidbad 600 oder in der Nähe von diesem angeordnet sein. Eine Temperatursteuereinheit 610 kann zum Steuern der Temperatur des Fluids in dem Fluidbad 610 verwendet werden. Ein Überdrucksystem 900 kann beispielsweise die Kavitation steuern, indem es einen Überdruck an dem Ziel 800 aufrechterhält, und es kann in einer vorbestimmten Weise eingestellt werden, welche möglicherweise eine Rückkopplungsverarbeitung durch eine Zieldrucksteuereinrichtung 910, die mit dem Steuersystem 400 verbunden ist, aufweist.
  • Ein akustisches Ultraschallfeld 240 kann durch die Schallenergiequelle 230, beispielsweise einen fokussierten piezoelektrischen Ultraschallwandler, in dem Fluidbad 600 erzeugt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann die Schallenergiequelle 230 ein sphärisch fokussierter Wandler mit einem Durchmesser von 70 mm, der eine Brennweite von 63 mm aufweist, sein, der eine ellipsoide Brennpunktzone mit einem Durchmesser von etwa 2 mm und einer Achsenlänge von etwa 6 mm erzeugt, wenn er bei einer Frequenz von etwa 1 MHz betrieben wird. Die Schallenergiequelle 230 ist so positioniert, dass die Brennpunktzone in der Nähe der Oberfläche des Fluidbads 600 liegt. Die Schallenergiequelle 230 kann durch ein elektrisches Wechselspannungssignal, das elektronisch durch das Steuersystem 400 erzeugt wird, getrieben werden.
  • Das Positionierungssystem 300 kann mindestens einen motorbetriebenen Lineartisch 330 aufweisen, der es ermöglicht, das Ziel entsprechend einem kartesischen Koordinatensystem zu positionieren. Das Positionierungssystem 300 kann das Ziel 800 in Bezug auf die Quelle 230 in drei Dimensionen (x, y, z) positionieren und bewegen und optional entweder das Ziel 800 oder die Schallenergiequelle 230 oder beide bewegen. Das Positionierungssystem 300 kann das Ziel 800 während und als Teil des Behandlungsprozesses und zwischen Prozessen bewegen, beispielsweise wenn mehrere Proben oder Vorrichtungen innerhalb des Ziels 800 in automatisierter Form oder in einer Form mit einem hohen Durchsatz zu verarbeiten sind. Das Positionierungssystem 300 kann das Ziel 800 in einer Ebene quer zur Brennachse der Schallenergiequelle 230 (x- und y-Achse) positionieren oder bewegen. Das Positionierungssystem 300 kann das Ziel 800 entlang der Brennachse der Schallenergiequelle 230 positionieren und bewegen und das Ziel 800 aus dem Fluidbad 600 anheben oder in das Fluidbad 600 absenken (z-Achse). Das Positionie rungssystem 300 kann auch die Schallenergiequelle 230 und irgendeinen Sensor oder alle Sensoren 700 in dem Fluidbad 600 entlang der Brennachse der Schallenergiequelle 230 positionieren, falls die Sensoren 700 nicht in dem Wasserbad 600 fixiert sind, sowie die Schallenergiequelle 230 anheben, absenken oder auf andere Weise bewegen. Das Positionierungssystem 300 kann auch verwendet werden, um andere Vorrichtungen und Geräte, wie Detektionsvorrichtungen und Wärmeaustauschvorrichtungen, aus dem Fluidbad 600 heraus oder in dieses hinein zu bewegen (z-Achse). Die Lineartische des Positionierungsmechanismus 330 können durch Schrittmotoren (nicht dargestellt), die durch vom Steuersystem 400 erzeugte elektrische Signale angetrieben und gesteuert werden, oder andere Vorrichtungen, die Fachleuten bekannt sind, betätigt werden.
  • Das Steuersystem 400 kann einen Computer 410 und eine Benutzereingabe-/ausgabevorrichtung oder Benutzereingabe-/ausgabevorrichtungen 420 in der Art einer Tastatur, eines Bildschirms, eines Druckers usw. aufweisen. Das Steuersystem ist mit dem Ultraschallbehandlungssystem 200 zum Ansteuern der Schallenergiequelle 230, mit dem Positionierungssystem 300 zum Ansteuern der vorstehend beschriebenen Schrittmotoren, mit einem oder mehreren Sensoren 700 zum Erfassen und Messen von Prozesszuständen und -parametern und mit einer oder mehreren Steuereinrichtungen in der Art der Zieldrucksteuereinrichtung 910 verbunden, um Zustände zu ändern, denen das Ziel 800 ausgesetzt ist. Eine Fluidbadsteuereinrichtung 610 könnte auch mit dem Steuersystem 400 verbunden sein, um die Temperatur des Fluidbads 600 zu regeln. Die Benutzerschnittstelle 420 ermöglicht es einem Bediener, einen Prozess zu entwickeln und zu spezifizieren, der an einer Probe auszuführen ist. In dieser Hinsicht kann das Ultraschallbehandlungssystem 200 einen beliebigen Wellenformgenerator 210 aufweisen, der einen HF-Verstärker 220 ansteuert, so dass die Schallenergiequelle 230 eine Eingabe empfängt. Das Ausgangssignal des HF-Verstärkers 220 kann durch ein Impedanzanpassungsnetz aufbereitet werden und in die Schallenergiequelle 230 eingegeben werden. Der Computer 410 steuert auch das Positionierungssystem 300 an, beispielsweise durch eine im Handel erhältliche Bewegungssteuerplatine 310 und eine Schrittmotor-Leistungsverstärkervorrichtung 320.
  • Das Steuersystem 400 kann eine Vielzahl verwendbarer Wechselspannungs-Wellenformen zum Ansteuern der Schallenergiequelle 230 erzeugen. Beispielsweise kann einem Hochleistungs-"Behandlungsintervall", das aus etwa 5 bis 1.000 Sinuswellen, beispielsweise bei 1,1 MHz, besteht, ein Niederleistungs-"Konvektionsmischintervall" folgen, das aus etwa 1.000 bis 1.000.000 Sinuswellen, beispielsweise bei derselben Frequenz, besteht. "Totzeiten" oder Ruheintervalle von etwa 100 Mikrosekunden bis 100 Millisekunden können beispielsweise so programmiert werden, dass sie zwischen den Behandlungs- und Konvektionsmischintervallen auftreten. Eine kombinierte Wellenform, die aus verketteten Behandlungsintervallen, Konvektionsmischintervallen und Totzeitintervallen besteht, kann vom Bediener definiert werden oder aus einem gespeicherten Satz vorprogrammierter Wellenformen ausgewählt werden. Die ausgewählte Wellenform kann mit einer spezifischen Häufigkeit wiederholt werden, um das gewünschte Behandlungsergebnis zu erreichen. Messbare oder unterscheidbare Prozessattribute, wie die Probentemperatur, die Wasserbadtemperatur, die Intensität der akustischen Kavitation oder ein sichtbarer Hinweis auf eine Mischung in dem Probenverarbeitungsgefäß 500, können vom Steuersystem 400 überwacht und in einer Rückkopplungsschleife verwendet werden, um automatisch die Behandlungswellenform während des Behandlungsprozesses zu modifizieren. Diese Modifikation der Behandlungswellenform kann eine proportionale Änderung zu einem oder mehreren der Wellenformparameter oder ein Ersetzen einer vorprogrammierten Wellenform durch eine andere sein. Falls die Probentemperatur beispielsweise während der Behandlung infolge der absorbierten akustischen Energie zu sehr von einer Sollpunkttemperatur abweicht, kann das Steuersystem 400 das Behandlungsintervall, ansprechend auf den Fehler zwischen der tatsächlichen Temperatur und der Zielprobentemperatur, proportional verkürzen und das Konvektionsmischintervall proportional verlängern. Alternativ kann das Steuersystem 400 die vorbestimmte Wellenform durch eine andere ersetzen. Das Steuersystem 400 kann programmiert werden, um einen Prozess zu beenden, wenn einer oder mehrere der Sensoren 700 signalisieren, dass das gewünschte Prozessergebnis erreicht wurde.
  • Das Steuersystem 400 steuert und treibt das Positionierungssystem 300 mit der Bewegungssteuerplatine 310, der Leistungsverstärkervorrichtung 320 und dem motorbetriebenen Tisch 330, so dass das Ziel 800 während der Behandlung in bezug auf die Quelle 230 positioniert oder bewegt werden kann, um das Ziel 800 selektiv Schallenergie auszusetzen, wie nachstehend vollständiger beschrieben wird.
  • Verschiedene Aspekte der Ausführungsform aus 1 und von Komponenten der in 1 dargestellten Ausführungsform sowie andere Ausführungsformen mit den gleichen, ähnlichen und/oder verschiedenen Komponenten werden nachstehend vollständiger beschrieben.
  • A. Wandler
  • Bei bestimmten Ausführungsformen erzeugt die Schallenergiequelle 230, beispielsweise ein Ultraschallwandler oder ein anderer Wandler, akustische Wellen im "Ultra schalt"-Frequenzbereich. Ultraschallwellen beginnen bei Frequenzen oberhalb jener, die hörbar sind, typischerweise bei etwa 20.000 Hz oder 20 kHz, und sie setzen sich in den Bereich von Megahertzwellen (MHz-Wellen) fort. Die Schallgeschwindigkeit in Wasser beträgt etwa 1.000 Meter pro Sekunde, so dass die Wellenlänge einer 1.000-Hz-Welle in Wasser etwa einen Meter beträgt, was typischerweise zu lang ist für eine spezifische Fokussierung auf individuelle Bereiche mit einem Durchmesser von weniger als einem Zentimeter, wenngleich dies in nicht fokussierten Feldsituationen verwendbar ist. Bei 20 kHz beträgt die Wellenlänge etwa 5 cm, was in verhältnismäßig kleinen Behandlungsgefäßen wirksam ist. Abhängig von der Probe und vom Gefäßvolumen können bevorzugte Frequenzen höher sein und beispielsweise etwa 100 kHz, etwa 1 MHz oder etwa 10 MHz mit jeweiligen Wellenlängen von etwa 1,0, 0,1 und 0,01 cm betragen. Dagegen liegen die Frequenzen für eine herkömmliche Schallbestrahlung, einschließlich des Schallschweißens, typischerweise bei einigen zehn kHz, und für die Bildgebung betragen die Frequenzen typischerweise etwa 1 MHz und bis zu 20 MHz. Bei der Lithotripsie sind die Impulswiederholungsraten verhältnismäßig gering und werden im Hertzbereich gemessen, die Schärfe der erzeugten Impulse ergibt jedoch eine effektive Impulswellenlänge oder in diesem Fall Impulsanstiegszeit mit einem Frequenzgehalt bis zu etwa 100 bis etwa 300 MHz oder 0,1–0,3 Gigahertz (GHz).
  • Die bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung verwendete Frequenz wird auch durch die Energieabsorptionseigenschaften der Probe oder des Behandlungsgefäßes für eine bestimmte Frequenz beeinflusst. In dem Maße, in dem eine bestimmte Frequenz von der Probe besser oder bevorzugt absorbiert wird, kann sie bevorzugt sein. Die Energie kann in Form kurzer Impulse oder als ein kontinuierliches Feld während einer definierten Zeitdauer abgegeben werden. Die Im pulse können gebündelt sein oder regelmäßig beabstandet sein.
  • Ein im wesentlichen vertikal orientierter fokussierter Ultraschallstrahl kann auf mehrere Arten erzeugt werden. Beispielsweise kann ein piezoelektrischer Wandler mit einem einzigen Element in der Art jener, die von Sonic Concepts, Woodinville, WA, geliefert werden, der ein fokussierter Einzelelementwandler mit 1,1 MHz sein kann, eine sphärische Sendefläche aufweisen, die so orientiert ist, dass die Brennachse vertikal ist. Eine andere Ausführungsform verwendet einen flachen nicht fokussierten Wandler und eine akustische Linse zum Fokussieren des Strahls. Eine weitere Ausführungsform verwendet einen Mehrelementwandler in der Art eines ringförmigen Felds in Zusammenhang mit einer Fokussierelektronik zum Erzeugen des fokussierten Strahls. Das ringförmige Feld kann möglicherweise akustische Seitenkeulen in der Nähe des Brennpunkts durch elektronische Apodisierung, d. h. durch Verringern der akustischen Energieintensität, entweder elektronisch oder mechanisch, am Außenbereich des Wandlers verringern. Dieses Ergebnis kann mechanisch durch teilweises Blockieren des Tons um die Kanten eines Wandlers oder durch Verringern der Leistung für die außen gelegenen Elemente eines Mehrelementwandlers erreicht werden. Hierdurch werden Seitenkeulen in der Nähe des Energiefokus verringert, und dies kann nützlich sein, um eine Erwärmung des Gefäßes zu verringern. Alternativ kann ein Feld kleiner Wandler zur Erzeugung eines konvergierenden Strahls synchronisiert werden. Eine weitere Ausführungsform kombiniert einen nicht fokussierten Wandler mit einem akustischen Fokussierspiegel, um den fokussierten Strahl zu erzeugen. Diese Ausführungsform kann bei niedrigeren Frequenzen vorteilhaft sein, wenn die Wellenlängen, in Bezug auf die Größe des Wandlers, verhältnismäßig groß sind. Die Achse des Wandlers gemäß dieser Ausführungsform kann hori zontal sein, und ein geformter akustischer Spiegel kann verwendet werden, um die akustische Energie vertikal zu reflektieren und die Energie in einen konvergierenden Strahl zu fokussieren.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Brennpunktzone in Bezug auf die Abmessungen des Behandlungsgefäßes klein sein, um eine Erwärmung des Behandlungsgefäßes zu vermeiden. Gemäß einer Ausführungsform hat die Brennpunktzone einen Radius von etwa 1 mm und das Behandlungsgefäß einen Radius von mindestens etwa 5 mm. Die Erwärmung des Behandlungsgefäßes kann durch Minimieren akustischer Seitenkeulen in der Nähe der Brennpunktzone verringert werden. Seitenkeulen sind Bereiche hoher akustischer Intensität um den durch konstruktive Interferenz aufeinander folgender Wellenfronten gebildeten Brennpunkt. Die Seitenkeulen können durch Apodisieren des Wandlers entweder elektronisch, durch Betreiben der äußeren Elemente eines Mehrelementwandlers bei einer niedrigen Leistung, oder mechanisch, durch teilweises Blockieren der akustischen Wellen um den Außenbereich eines Einzelelementwandlers, reduziert werden. Seitenkeulen können auch durch die Verwendung kurzer Bursts, beispielsweise im Bereich von etwa 3 bis 5 Zyklen im Behandlungsprotokoll, verkleinert werden.
  • Der Wandler kann aus einem piezoelektrischen Material in der Art einer piezoelektrischen Keramik gebildet werden. Die Keramik kann als ein "Dom" hergestellt werden, der dazu neigt, die Energie zu fokussieren. Eine Anwendung solcher Materialien ergibt sich bei der Tonwiedergabe, bei der hier gegebenen Verwendung ist die Frequenz jedoch im Allgemeinen viel höher, und das piezoelektrische Material würde typischerweise übersteuert werden, d. h. durch eine Spannung jenseits des linearen Bereichs der mechanischen Antwort auf eine Spannungsänderung, angesteuert werden, so dass die Im pulse verschärft werden. Typischerweise haben diese Dome eine größere Brennweite als jene, die in Lithotripsiesystemen vorgefunden werden, beispielsweise eine Brennweite von 20 cm gegenüber einer Brennweite von 10 cm. Keramikdome können gedämpft werden, um ein Nachklingen zu verhindern. Das Ansprechen ist linear, falls nicht übersteuert. Der Hochenergiefokus von einem dieser Dome ist typischerweise zigarrenförmig. Bei 1 MHz ist die Brennpunktzone etwa 6 cm lang und weist einen Durchmesser von etwa 2 cm auf, wenn ein 20-cm-Dom gegeben ist, oder sie ist etwa 15 mm lang und weist eine Breite von etwa 3 mm auf, wenn ein 10-cm-Dom gegeben ist. Der von solchen Systemen erhaltene Spitzenüberdruck beträgt etwa 1 MPa (Megapascal) bis etwa 10 MPa oder etwa 150 psi (pounds per square inch) bis etwa 1.500 psi, wobei dies von der Treiberspannung abhängt.
  • Die Wellenlänge oder die charakteristische Anstiegszeit, multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit für eine Schockwelle, liegt im gleichen allgemeinen Größenbereich wie eine Zelle, beispielsweise etwa 10 bis etwa 40 Mikrometer. Diese effektive Wellenlänge kann durch Auswahl der Impulszeit und -amplitude, durch den Grad der Fokussierung, der über die Grenzflächen zwischen der Quelle und dem zu behandelnden Material aufrechterhalten wird, und dergleichen geändert werden.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen ist der fokussierte Ultraschallstrahl vertikal in einem Wassertank orientiert, so dass die Probe an oder in der Nähe der freien Oberfläche angeordnet werden kann. Der Ultraschallstrahl erzeugt Schockwellen am Brennpunkt. Gemäß einer Ausführungsform für die Behandlung von Mikroplatten nach dem Industriestandard, welche mehrere Proben in einem Feld halten, ist eine als eine akustische Intensität innerhalb etwa 6 dB der akustischen Spitzenintensität aufweisend definierte Brennpunkt zone um den geometrischen Brennpunkt gebildet. Diese Brennpunktzone hat einen Durchmesser von etwa 2 mm und eine Achsenlänge von etwa 6 mm.
  • Keramikdome sind wegen ihrer geringen Größe für In-vitro-Anwendungen anpassbar. Überdies können Systeme, welche Keramikdome verwenden, zu vernünftigen Kosten hergestellt werden. Sie erleichtern auch das Scannen des Brennpunkts des Schallstrahls über ein Flüssigkeitsvolumen durch die Verwendung von Mikrostellgliedern, welche eine Halteplattform bewegen, an der ein Probenbehandlungsgefäß angebracht ist.
  • Eine andere Quelle fokussierter Druckwellen ist ein elektromagnetischer Wandler und ein Parabolkonzentrator, wie er in der Lithotripsie verwendet wird. Die Anregung ist gewöhnlich höher energetisch mit ähnlichen oder größeren Brennpunktbereichen. Starke Brennpunkt-Spitzenunterdrücke von etwa –16 MPa wurden beobachtet. Spitzenunterdrücke dieser Größe stellen eine Quelle von Kavitationsblasen in Wasser bereit, welche bei einem Extraktionsprozess wünschenswert sein können.
  • Die nachstehend beschriebenen Beispiele verwenden einen kommerziellen Ultraschalltreiber unter Verwendung einer piezoelektrischen Keramik, die durch Anlegen schwankender Spannungen an ihre Dicke stimuliert wird, so dass sie schwingt, um akustische Wellen zu erzeugen. Diese können, abhängig von der Größe und der Zusammensetzung des Treibers, in einem beliebigen Frequenzbereich liegen. Diese Treiber werden beispielsweise bei der Lithotripsie sowie in akustischen Lautsprechern und in Ultraschalldiagnosegeräten verwendet, wenn auch ohne die hier beschriebenen Steuersysteme.
  • Diese im Handel erhältlichen Treiber haben einen einzigen Brennpunkt. Daher ist es für eine Behandlung, beispielsweise zum Rühren einer gesamten Mikroplatte mit einer solchen Vorrichtung, typischerweise notwendig, jede Wanne am Brennpunkt des Treibers sequenziell zu positionieren oder schrittweise zu bewegen. Weil die Rührzeit kurz ist, kann das stufenweise Bewegen einer Platte mit 96 Wannen mit einfachen automatischen Steuerungen, wie nachstehend beschrieben wird, in etwa zwei Minuten oder weniger erreicht werden. Es wird angenommen, dass diese Zeit verkürzt werden kann.
  • Es ist auch möglich, Treiber mit mehreren Brennpunkten zu bilden, indem piezoelektrische Vorrichtungen mit komplexeren Formen hergestellt werden. Modulatoren des akustischen Felds, die an einem existierenden piezoelektrischen Treiber angebracht werden, können auch mehrere Brennpunkte erzeugen. Diese Vorrichtungen können wichtig sein, um einen schnellen Durchsatz von Mikroplatten in einem Format hoher Dichte, beispielsweise dem 1534-Wannen-Format, zu erhalten.
  • B. Treiberelektronik und Wellenformsteuerung
  • Ein Behandlungsprotokoll kann veränderliche akustische Wellenformen in Kombination mit einer Probenbewegung und -positionierung, um eine gewünschte Wirkung zu erreichen, aufweisen. Die akustische Wellenform des Wandlers hat viele Wirkungen, einschließlich: einer akustischen Mikrostromerzeugung in oder in der Nähe von Zellen infolge von Kavitation, d. h. einer beispielsweise durch das Kollabieren von Kavitationsblasen induzierten Strömung; Schockwellen infolge nichtlinearer Eigenschaften des Fluidbads; Schockwellen infolge von Kavitationsblasen; thermischer Wirkungen, die zur Erwärmung der Probe, zur Erwärmung des Probengefäßes und/oder zu einer konvektiven Wärmeübertragung infolge ei ner akustischen Stromerzeugung führen; Strömungswirkungen, die eine Ablenkung von Probenmaterial aus der Brennpunktzone infolge von Scherdruck und akustischem Druck sowie eine Mischung durch akustische Stromerzeugung, d. h. eine durch akustischen Druck induzierte Strömung, hervorrufen; und chemischer Wirkungen.
  • Das Behandlungsprotokoll kann optimiert werden, um die Energieübertragung zu maximieren, während thermische Wirkungen minimiert werden. Das Behandlungsprotokoll kann im Fall einer in einer Flüssigkeit suspendierten teilchenförmigen Probe auch wirksam die Inhalte des Behandlungsgefäßes mischen. Die Energieübertragung in die Probe kann durch Einstellen der Parameter der akustischen Welle, wie Frequenz, Amplitude und Zyklen pro Burst, gesteuert werden. Der Temperaturanstieg in der Probe kann durch Begrenzen des Arbeitszyklus der Behandlung und durch Optimieren der Wärmeübertragung zwischen dem Behandlungsgefäß und dem Wasserbad gesteuert werden. Die Wärmeübertragung kann erhöht werden, indem das Behandlungsgefäß mit dünnen Wänden aus einem verhältnismäßig stark wärmeleitenden Material hergestellt wird und/oder indem eine erzwungene Konvektion durch akustische Stromerzeugung in dem Behandlungsgefäß und in dem Fluidbad in der Nähe des Behandlungsgefäßes gefördert wird. Die Überwachung und Steuerung der Temperatur werden nachstehend in weiteren Einzelheiten erörtert.
  • Für eine Behandlung zum Auseinanderbrechen von Zellen und für eine Extraktionsbehandlung ist eine effektive Energiewellenform beispielsweise eine Sinuswelle hoher Amplitude mit etwa 1.000 Zyklen, gefolgt von einer Totzeit von etwa 9.000 Zyklen, was etwa ein Arbeitszyklus von 10% bei einer Frequenz von etwa 1,1 MHz ist. Die elektrische Sinuswelleneingabe in den Wandler führt typischerweise zu einer akustischen Sinuswellenausgabe vom Wandler. Wenn die fokus sierten Sinuswellen am Brennpunkt konvergieren, können sie infolge der nichtlinearen akustischen Eigenschaften des Wassers oder eines anderen Fluids in dem Bad zu einer Reihe von Schockwellen werden. Dieses Protokoll behandelt das Material in der Brennpunktzone wirksam während der "Einschaltzeit". Wenn das Material behandelt wird, wird es typischerweise durch akustische Scherwirkung und Stromerzeugung aus der Brennpunktzone ausgestoßen. Neues Material zirkuliert während der "Ausschaltzeit" in die Brennpunktzone. Dieses Protokoll kann beispielsweise für das Extrahieren der zellulären Inhalte von gemahlenem oder teilchenförmigem Blattgewebe wirksam sein, während ein minimaler Temperaturanstieg im Behandlungsgefäß hervorgerufen wird.
  • Ein weiterer Vorteil bei Auseinanderbrechprozessen und anderen Prozessen kann durch Erzeugen eines Hochleistungs-"Behandlungs"-Intervalls 10, abwechselnd mit einem Niederleistungs-"Misch"-Intervall 14 gewonnen werden, wie in 2 schematisch dargestellt ist. Insbesondere verwendet in diesem Beispiel das "Behandlungs"-Intervall 10 eine Sinuswelle, die eine Behandlungsfrequenz 18, einen Behandlungszyklen-pro-Burst-Zählwert 26 und eine Behandlungsspitze-zu-Spitze-Amplitude 22 aufweist. Das "Misch"-Intervall 14 hat eine Mischfrequenz 20, einen Mischzyklen-pro-Burst-Zählwert 28 und eine niedrigere Misch-Spitze-zu-Spitze-Amplitude 24. Jedem der Intervalle 10, 14 folgt eine Totzeit 12, 16. Natürlich sind diese Beziehungen lediglich ein Beispiel von vielen, wobei ein Intervall als ein Hochleistungsintervall angesehen wird und ein Intervall als ein Niederleistungsintervall angesehen wird und diese Variablen und andere geändert werden können, um mehr oder weniger energetische Situationen zu erzeugen. Zusätzlich könnten die Behandlungsfunktion oder das Behandlungsintervall und die Mischfunktion oder das Mischintervall von verschiedenen oder mehreren Wandlern in derselben Vorrichtung, die optional bei verschiedenen Frequenzen strahlen, abgestrahlt werden.
  • Hochleistungs/Niederleistungs-Intervallbehandlungen können es ermöglichen, dass mehrere Operationen ausgeführt werden, wie das Ändern der Permeabilität von Komponenten, wie Zellen, innerhalb der Probe, gefolgt von einem anschließenden Mischen der Probe. Das Behandlungsintervall kann die Kavitation und biologische Wirkungen maximieren, während das Mischintervall die Mischung innerhalb des Behandlungsgefäßes maximieren kann und/oder minimale Wärme erzeugen kann. Durch gelegentliches Hinzufügen eines längeren Hochleistungs-"Starkmisch"-Intervalls zum Aufrühren von Teilchen, die um den Rand des Behandlungsgefäßes eingefangen sind, können weitere Vorteile erzielt werden. Dieses "Starkmisch"-Intervall erzeugt zusätzliche Wärme und wird daher so programmiert, dass es während des Prozesses nur selten, beispielsweise alle paar Sekunden, behandelt. Zusätzlich können Totzeiten zwischen den Misch- und Behandlungsintervallen, während derer im wesentlichen keine Energie von der Schallenergiequelle abgestrahlt wird, ermöglichen, dass frisches Material in die Brennpunktzone des Ziels zirkuliert.
  • Wie nachstehend erörtert wird, kann der Prozess weiter verbessert werden, indem das Probengefäß während der Behandlung in bezug auf die Quelle bewegt wird, so dass sich die Brennpunktzone innerhalb des Behandlungsgefäßes bewegt. Beispielsweise kann durch die Bewegung des Ziels durch die Brennpunktzone Material in der Probe wieder suspendiert werden, das verklumpt sein kann oder um die Peripherie des Behandlungsgefäßes eingefangen wurde. Eine ähnliche Verbesserung kann durch Querbewegen oder "Zittern" des Behandlungsgefäßes in Bezug auf die Brennpunktzone erreicht wer den, wie nachstehend vollständiger in bezug auf 3 beschrieben wird. Das Zittern kann zunehmend vorteilhaft werden, wenn das Probenbehandlungsgefäß erheblich größer wird als die Brennpunktzone.
  • Die Wellenform fokussierter Schallwellen kann ein einziger Schockwellenimpuls, eine Reihe individueller Schockwellenimpulse, eine Reihe von Schockwellen-Bursts aus jeweils mehreren Zyklen oder eine kontinuierliche Wellenform sein. Einfallswellenformen können entweder durch ein einziges Element, wie einen fokussierten keramischen piezoelektrischen Ultraschallwandler, oder durch ein Feld von Elementen, deren Wege in einem Brennpunkt konvergieren, fokussiert werden. Alternativ können mehrere Brennpunkte erzeugt werden, um eine Ultraschallbehandlung für mehrere Behandlungszonen, -gefäße oder -wannen bereitzustellen.
  • Reflektierte Wellenformen können mit einem Parabolreflektor fokussiert werden, wie er in einem "elektromagnetischen" Schockwellengenerator oder einem Funkenspalt-Schockwellengenerator verwendet wird. Einfallende und reflektierte Wellenformen können mit einem Ellipsoidreflektor gerichtet und fokussiert werden, wie er in einem elektrohydraulischen Generator verwendet wird. Wellenformen können auch kanalisiert werden.
  • Die Wellenform der Schallwelle wird typischerweise für das jeweilige behandelte Material ausgewählt. Beispielsweise kann es zum Verstärken der Kavitation wünschenswert sein, den Spitzenunterdruck nach dem Spitzenüberdruck zu erhöhen. Für andere Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Kavitation durch Aufrechterhalten des Spitzenüberdrucks zu verringern. Dieses Ergebnis kann durch Ausführen des Prozesses in einer Druckkammer bei einem leichten Druck über dem Umgebungsdruck erreicht werden. Falls die erzeugte Wel lenform beispielsweise einen Spitzenunterdruck von etwa –5 MPa aufweist, kann die gesamte Kammer auf einen Druck von etwa 10 MPa gebracht werden, um das Auftreten von Kavitation während des Prozesses zu verhindern. Die zu behandelnde Flüssigkeit kann auf einer Stapelbasis oder einer kontinuierlichen Basis behandelt werden.
  • Es kann eine Vielzahl von Verfahren zum Erzeugen von Wellen verwendet werden. Bei der Lithotripsie werden beispielsweise "scharfe" Schockwellen hoher Intensität und kurzer Dauer erzeugt. Schockwellen können durch ein beliebiges Verfahren erzeugt werden, das auf einen kleinen Maßstab anwendbar ist. Solche Verfahren umfassen Funkenentladungen über einen bekannten Spalt; Laserimpulse, die auf eine absorbierende oder reflektierende Oberfläche fallen; piezoelektrische Impulse; elektromagnetische Schockwellen; elektrohydraulische Schockwellen, die durch elektrische Entladungen in einem flüssigen Medium erzeugt werden; und chemische Sprengstoffe. Im Fall von Sprengstoffen können Mikrosprengstoffe in Wannen in einem Halbleiterchip hergestellt werden, in dem die Wannen individuell adressierbar sind. Auch kann ein magnetostriktives Material einem Magnetfeld ausgesetzt werden, und es kann so ausgedehnt und/oder kontrahiert werden, dass die Materialausdehnung/-kontraktion Schallenergie erzeugt.
  • Kontinuierliche sinusförmige Schallwellen können durch einen beliebigen Prozess erzeugt werden, der für die Fokussierung in einem kleinen Maßstab geeignet ist. Beispielsweise können keramische piezoelektrische Elemente zu Domformen konstruiert werden, um die Schallwelle zu einer Punktquelle zu fokussieren. Zusätzlich können zwei oder mehr Schockwellen von derselben Quelle, wie in einer Mosaikform angeordnete piezoelektrische Elemente, oder von verschiedenen Quellen, wie eine in Kombination mit einer pie zoelektrischen Quelle verwendete elektromagnetische Quelle, kombiniert werden, um eine fokussierte Schockwelle bereitzustellen.
  • Typischerweise ist die Schockwelle durch eine schnelle Schockfront mit einem Spitzenüberdruck im Bereich von etwa 15 MPa und einem Spitzenunterdruck im Bereich von etwa –5 MPa gekennzeichnet. Diese Wellenform weist eine Dauer von einigen Mikrosekunden, beispielsweise etwa 5 Mikrosekunden, auf. Falls der negative Spitzenwert größer als etwa 1 MPa ist, können sich Kavitationsblasen bilden. Die Kavitationsblasenbildung hängt auch vom umgebenden Medium ab. Beispielsweise ist Glycerol ein die Kavitation hemmendes Medium, während flüssiges Wasser ein kavitationsförderndes Medium ist. Durch das Kollabieren von Kavitationsblasen werden "Mikrostrahlen" und Turbulenz gebildet, welche auf das umgebende Material treffen.
  • Die Wellen werden über ein Zwischenmedium auf die Proben angewendet. Dieses Medium kann Wasser oder ein anderes Fluid sein. Ein Zwischenmedium kann auch ein Festkörper in der Art eines Materials, das natürlicherweise fest ist oder eine gefrorene Lösung ist, sein. Wellen können auch durch einen Behälter in der Art einer Flasche, eines Beutels, eines Kastens, eines Glaszylinders oder eines Glasfläschchens angewendet werden.
  • Zur maximalen Kontrolle und insbesondere zur Mischung von Wanne zu Wanne ist ein fokussierter akustischer Impuls nützlich. Wenn ein Impuls von einer gekrümmten Quelle mit einem elliptischen Profil emittiert wird, werden die emittierten akustischen Wellen oder Impulse in einem kleinen Bereich maximaler Intensität fokussiert. Der Ort des Brennpunkts kann berechnet oder einfach experimentell bestimmt werden. Der Durchmesser der Brennpunktzone kann im Wesent lichen genau so groß oder kleiner sein als der Durchmesser des Behandlungsgefäßes. Dann kann jeder Wanne Mischenergie während einer wiederholbaren Zeitdauer zugeführt werden, wodurch ein gleichmäßiges Mischen jeder Probe bereitgestellt wird.
  • C. Kartesisches X-Y-Z-Positionierungssystem
  • Bei bestimmten Ausführungsformen wird die Probe nicht nur anfänglich durch den Wandler in Position bewegt, sondern während der Behandlung positioniert, um eine gleichmäßige Behandlung der Probe zu gewährleisten, wobei die Probe während der Behandlung gut suspendiert gehalten wird. Hier definieren die x-Achse und die y-Achse eine Ebene, die in Bezug auf den Boden und/oder eine Basis einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Wesentlichen horizontal ist, während die z-Achse in einer Ebene liegt, die in bezug auf den Boden und/oder die Basis einer Vorrichtung im Wesentlichen vertikal ist und zur x-y-Ebene senkrecht ist.
  • Ein Positionierungsschema wird als "Zittern" bezeichnet, das mit einer leichten Änderung der Position der Probe in Bezug auf die Quelle einhergeht, die durch Bewegen der Probe durch die Brennpunktzone in mehreren Wegen geschehen kann. Beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung, kann die Probe in einem Kreis oder einem Oval oder einem anderen gebogenen Weg mit einem bestimmten Radius 30 und in bestimmten Inkrementen oder Schritten 32 um einen bestimmten Abstand 34 bewegt werden, wie in 3 schematisch dargestellt ist. Diese Bewegungen können zwischen Behandlungszyklen oder während eines bestimmten Behandlungszyklus variieren und mehrere Wirkungen haben. Zuerst wird die Brennpunktzone durch Zittern der Probenposition durch das Volumen des Probenbehandlungsgefäßes oder der Probenbehandlungsvorrichtung bewegt, wodurch Material behandelt wird, das sich anfänglich nicht in der Brennpunktzone befindet. Zusätzlich neigt das Variieren des Orts des akustischen Brennpunkts innerhalb des Gefäßes dazu, die Behandlung und die sich ergebende Erwärmung innerhalb jeder Probe gleichmäßiger zu machen.
  • Bestimmte Ausführungsformen weisen Treiberelektronik und Vorrichtungen zum Positionieren der Probe bzw. der Proben auf. Bei einer Ausführungsform werden die Positionierungssequenz, die optional ein Zittern enthält, und der Behandlungsimpulszug, beispielsweise in einem Computer, vorprogrammiert und automatisch ausgeführt. Die Treiberelektronik und die Positionierungselemente können durch das Steuersystem mit Sensoren verbunden sein, so dass eine "Echtzeitrückkopplung" von Sensordaten zum Steuersystem während der Behandlung auftritt, um die Vorrichtung bzw. die Vorrichtungen zum Positionieren der Probe einzustellen und eine lokalisierte Erwärmung oder Kavitation zu verhindern. Die Treiberelektronik kann ein Wellenformgenerator-Anpassungsnetz, einen HF-Schalter oder ein HF-Relais sowie einen Funkfrequenzverstärker (HF-Verstärker) für ein Abschalten aus Sicherheitsgründen aufweisen.
  • Das Positionierungssystem kann ein dreiachsiges kartesisches Positionierungs- und Bewegungssteuersystem zum Positionieren des Probenbehandlungsgefäßes oder eines Felds von Probenbehandlungsgefäßen in Bezug auf den Ultraschallwandler aufweisen. Die "x"-Achse und die "y"-Achse des kartesischen Positionierungssystems ermöglichen es, dass jede Probe in einem Probenfeld in der Art einer Mikroplatte nach dem Industriestandard in die Brennpunktzone für die Behandlung gebracht wird. Alternative Konfigurationen können eine Kombination von Linearbewegungs- und Drehbewegungs-Steuerelementen verwenden, um die gleichen Fähigkeiten wie das dreiachsige kartesische System zu erreichen. Alternati ve Positionierungssysteme können aus in sich selbst abgeschlossenen motorgetriebenen Linear- oder Drehbewegungselementen aufgebaut sein, die aneinander und an einer Basisplatte angebracht sind, um eine zwei- oder dreidimensionale Bewegung zu erreichen.
  • Schrittmotoren, die in den Beispielen verwendet werden, wie jene, die von Eastern Air Devices, Dover, NH, verfügbar sind, treiben Linearbewegungselemente durch Stellschrauben an, um die Probe zu positionieren. Die Schrittmotoren werden durch LabVIEW-Software angetrieben und gesteuert, welche eine ValueMotion-Schrittmotor-Steuerplatine steuert, die von National Instruments, Austin, TX, verfügbar ist. Die Ausgangssignale von der Steuerplatine werden durch eine nuDrive-Mehrachsen-Leistungsverstärkerschnittstelle, die auch von National Instruments erhältlich ist, verstärkt, um die Schrittmotoren anzutreiben.
  • Das computergesteuerte Positionierungssystem kann programmiert werden, um ein definiertes Feld mehrerer Proben sequenziell in Ausrichtung mit der Brennpunktzone des Ultraschallwandlers zu bewegen. Falls ein Temperaturanstieg während einer Behandlung ein Problem ist, können die Proben in einem Mehrprobenfeld teilweise behandelt werden und abkühlen gelassen werden, während das Positionierungssystem die anderen Proben verarbeitet. Dies kann wiederholt werden, bis alle Proben vollständig behandelt wurden.
  • Das Positionierungssystem kann auch das Probenbehandlungsgefäß während der Behandlung in bezug auf den Brennpunkt bewegen, um die Behandlung zu verbessern oder eine Probe zu behandeln, die in Bezug auf die Brennpunktzone groß ist. Durch langsames Bewegen der Probe in einer kreisförmigen oder anderen Bewegung während der Behandlung können Materialklumpen um den Rand des Behandlungsgefäßes aufgebrochen werden, was vorteilhaft ist. Zusätzlich kann eine x-y-Zitterbewegung die Bildung eines "Blasenschildes" und ein Blockieren der Kavitation in dem Probenbehandlungsgefäß verhindern. Die x-y-Zitterbewegung kann auch die Behandlung von Probensuspensionen verbessern, die eine hohe Viskosität aufweisen oder während der Behandlung viskoser werden und sich nicht gut mischen. Die Probenposition kann auch einer vertikalen Zitterbewegung entlang der Z-Achse unterzogen werden. Dies kann bei einem tiefen Behandlungsgefäß, bei dem die Tiefe erheblich größer ist als die axiale Abmessung der Brennpunktzone, vorteilhaft sein, um den gesamten Inhalt des Behandlungsgefäßes zu behandeln oder größere Probenfragmente, die auf den Boden des Gefäßes gesunken sind, wieder in Suspension zu bringen. Eine Zitterbewegung in allen drei Dimensionen kann auch verwendet werden, wie in 3 dargestellt ist.
  • Für eine verhältnismäßig flache Probe in der Art des Gewebes eines ganzen Blatts, einer histologischen Probe oder einer Probe mit einem dünnen Querschnitt, wo die Fläche der Probe in bezug auf die Querschnittsfläche der Brennpunktzone groß ist, kann das x-y-Positionierungssystem bewirken, dass die Brennpunktzone die Probe durchquert, um die gesamte Oberfläche der Probe zu behandeln. Diese Prozedur kann mit einer optischen Analyse oder anderen Sensoren kombiniert werden, um das Ausmaß der Behandlung für jeden Abschnitt der Probe, der in die Brennpunktzone gebracht ist, zu bestimmen.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Probe oder das Probenfeld in bezug auf den Wandler und die anderen Teile der Vorrichtung bewegt werden. Bei alternativen Ausführungsformen wird der Wandler bewegt, während der Probenhalter in Bezug auf die anderen Teile der Vorrichtung fest bleibt. Alternativ kann eine Bewegung entlang zweien der Achsen, beispielsweise entlang der x- und der y-Achse, dem Probenhalter zugewiesen werden, und eine Bewegung entlang der dritten Achse, in diesem Fall der z-Achse, kann dem Wandler zugewiesen werden.
  • Das dreiachsige Positionierungssystem ermöglicht eine automatische Energiebrennpunkteinstellung in der z-Achse, wenn es in Zusammenhang mit einem Sensor zum Messen der Ultraschallintensität verwendet wird. Bei einer Ausführungsform kann ein Nadelhydrophon in einer Befestigungsvorrichtung am Probenpositionierungssystem angebracht werden. Das Hydrophon kann in drei Dimensionen durch den Brennpunktbereich geführt werden, um die akustische Intensität als Funktion der Position aufzuzeichnen und dadurch die Brennpunktzone zu kartographieren. Bei einer anderen Ausführungsform kann eine Anzahl von Positionen auf einem Blatt Aluminiumfolie, das in dem Probenhalter gehalten wird, in einer Sequenz von z-Achsen-Einstellungen behandelt werden. Die Folie kann dann untersucht werden, um die Fleckgröße der Beschädigung an jeder Position zu bestimmen. Der Durchmesser des Flecks entspricht im Allgemeinen dem Durchmesser der Brennpunktzone an dieser z-Achsen-Einstellung. Ansonsten können auch vollautomatische Ausführungsformen eines Fokussierungssystems konstruiert werden.
  • Das dreiachsige Positionierungssystem ermöglicht es auch, dass die Vorrichtung in ein größeres Laborautomatisierungsschema integriert wird. Ein Positionierungssystem mit einer erweiterten Arbeitsumgebung kann Mikroplatten oder andere Probengefäße in die Vorrichtung und aus dieser heraus übertragen. Dies ermöglicht es, dass die Vorrichtung automatisch mit stromaufwärts gelegenen und stromabwärts gelegenen Prozessen wechselwirkt.
  • D. Sensoren
  • Visuelle Überwachung der Probe
  • Eine optische oder Videodetektion und -analyse kann verwendet werden, um die Behandlung der Probe zu optimieren. Beispielsweise kann in einer Suspension biologischen Gewebes die Viskosität der Mischung während der Behandlung infolge der Verringerung der Teilchen durch die Behandlung und/oder durch Freisetzen von Makromolekülen in die Lösung zunehmen. Eine Videoanalyse der Probe während der Behandlung ermöglicht eine automatisierte Beurteilung der durch das Behandlungsprotokoll hervorgerufenen Mischung. Das Protokoll kann während der Behandlung modifiziert werden, um als Ergebnis dieser Beurteilung eine größere Mischung zu fördern. Die Videodaten können durch das Computersteuersystem, welches den Behandlungsprozess steuert, erfasst und analysiert werden. Andere optische Messungen, wie eine spektrale Anregung, Absorption, Fluoreszenz, Emission und Spektralanalyse, können auch verwendet werden, um die Behandlung der Probe zu überwachen. Ein Laserstrahl kann beispielsweise für die Justierung und zum Angeben der aktuellen Probenposition verwendet werden.
  • Überwachung der Temperatur
  • Eine Erwärmung individueller Wannen kann durch eine Infrarottemperatur-Messsonde bestimmt werden, die so kollimiert ist, dass nur die mit der Ultraschallenergie behandelte Wanne gesehen wird. Beispielsweise kann eine Infrarotwärmemessvorrichtung auf die obere nicht befeuchtete Seite des Behandlungsgefäßes gerichtet werden. Dies stellt ein kontaktfreies Mittel zur Analyse bereit, das bei herkömmlichen Ultraschallbehandlungskonfigurationen nicht einfach zur Verfügung steht. Die thermischen Informationen können als eine thermische Aufzeichnung des Probentemperaturprofils während der Behandlung aufgezeichnet werden.
  • Eine aktive Temperaturüberwachung kann als ein Rückkopplungsmechanismus verwendet werden, um das Behandlungsprotokoll während des Behandlungsprozesses zu modifizieren, um die Probentemperatur innerhalb spezifizierter Grenzen zu halten. Beispielsweise kann ein auf das Probenbehandlungsgefäß gerichteter Infrarotsensor Temperaturmesswerte in den Computer eingeben. Der Computer kann entsprechend einem Steuerprogramm eine Ausgabe erzeugen, die zu der Schaltung übertragen wird, welche den Ultraschallwandler aktiviert, wodurch wiederum die Hochleistungs-Behandlungsintervalle verringert werden können und die Niederleistungs-Mischintervalle erhöht werden können, falls sich die Probentemperatur beispielsweise einer spezifizierten maximalen Temperatur nähert.
  • Überwachung der Kavitation
  • Es kann eine Vielzahl von Verfahren für das Erfassen von Kavitation verwendet werden. Beispielsweise können akustische Emissionen, eine optische Streuung, eine Hochgeschwindigkeitsphotographie, eine mechanische Beschädigung und Sonochemikalien verwendet werden. Wie vorstehend für das Überwachen der Temperatur beschrieben wurde, können Informationen zur Kavitationserfassung von dem System verwendet werden, um eine Ausgabe zu erzeugen, welche das Aussetzen einer Probe gegenüber Schallenergie, ansprechend auf die Informationen, selektiv steuert. Jedes dieser Verfahren zum Überwachen der Kavitation wird nachstehend vollständiger beschrieben.
  • Akustische Emissionen: Blasen sind wirksame Streukörper für Ultraschall. Der Pulsierungsmodus einer Blase wird als Mo nopolquelle bezeichnet, wobei es sich um eine wirksame akustische Quelle handelt. Für kleine, im allgemeinen lineare Oszillationen, streut die Blase einfach den einfallenden akustischen Impuls. Wenn das Ansprechen jedoch stärker nichtlinear wird, beginnt sie auch, Signale bei höheren Harmonischen auszusenden. Wenn sie härter angesteuert werden, beginnen die Blasen, auch Subharmonische zu erzeugen. Wenn das Ansprechen schließlich aperiodisch oder chaotisch wird, tendiert das gestreute Feld gegen weißes Rauschen. In dem Szenario, in dem Trägheitskollapse auftreten, werden kurze akustische Druckimpulse abgestrahlt. Ein akustischer Wandler kann konfiguriert werden, um diese Emissionen zu erfassen. Es gibt eine detektierbare Korrelation zwischen dem Einsetzen der Emissionen und dem Auseinanderbrechen von Zellen.
  • Optische Streuung: Blasen streuen auch Licht. Wenn Blasen vorhanden sind, wird Licht gestreut. Licht kann unter Verwendung faseroptischer Lichtquellen normal in das System eingebracht werden, so dass die Kavitation in Echtzeit erfasst werden kann und daher durch elektronische und Computersysteme gesteuert werden kann.
  • Hochgeschwindigkeitsphotographie: Blasen können photographiert werden. Dieses Verfahren erfordert typischerweise Hochgeschwindigkeitskameras und eine Beleuchtung hoher Intensität, weil die Blasen auf den Zeitrahmen der Akustik ansprechen. Dafür ist auch ein guter optischer Zugang zu der untersuchten Probe erforderlich. Dieses Verfahren kann detaillierte und genaue Daten liefern und eine Erwägung wert sein, wenn Systeme gemäß der Erfindung entwickelt werden. Stroboskopische Systeme, die Bilder viel weniger häufig aufnehmen, können eine ähnliche qualitative Funktionsweise viel kostengünstiger und einfacher als die Hochgeschwindigkeitsphotographie liefern.
  • Mechanische Beschädigung: Es ist bekannt, dass Kavitation eine Beschädigung mechanischer Systeme erzeugt. Eine Grubenbildung in Metallfolien ist eine besonders übliche Wirkung und ein besonders übliches Detektionsverfahren. Es gibt eine Korrelation zwischen der für das Erzeugen von Gruben in Folien benötigten Kavitation und der für das Auseinanderbrechen von Zellen benötigten Kavitation.
  • Sonochemikalien: Es ist bekannt, dass eine Anzahl von Chemikalien ansprechend auf die Kavitation erzeugt wird. Die Ausbeute dieser Chemikalien kann als ein Maß für die Kavitationsaktivität verwendet werden. Eine übliche Technik besteht darin, die Lichterzeugung von Chemikalien, wie Luminol, zu überwachen, die Licht erzeugen, wenn sie Kavitation ausgesetzt werden. Die sonochemische Ausbeute kann gewönhlich nicht während Zellexperimenten erfolgen, sondern unter identischen Bedingungen unabhängig ausgeführt werden und dadurch einen kalibrierten Standard bereitstellen.
  • E. Temperatur-, Kavitations- und Druckverwaltung und -steuerung
  • Temperatursteuerung
  • Bestimmte Anwendungen machen es notwendig, dass die Temperatur der verarbeiteten Probe während der Verarbeitung verwaltet und gesteuert wird. Beispielsweise sollten viele biologische Proben während der Behandlung nicht über 4°C erwärmt werden. Andere Anwendungen machen es notwendig, dass die Proben während der Behandlung bei einer bestimmten erhöhten Temperatur gehalten werden. Das Ultraschallbehandlungsprotokoll beeinflusst die Probentemperatur auf mehrere Arten: Die Probe absorbiert akustische Energie und wandelt sie in Wärme um, das Probenbehandlungsgefäß absor biert akustische Energie und wandelt sie in Wärme um, welche wiederum die Probe erwärmen kann, und die akustische Stromerzeugung entwickelt sich innerhalb des Probenbehandlungsgefäßes und des Wasserbads, wodurch eine konvektive Wärmeübertragung zwischen dem Probenbehandlungsgefäß und dem Wasserbad erzwungen wird. Im Fall eines verhältnismäßig kühlen Wasserbads wird die Probe hierdurch gekühlt.
  • Die akustischen Wellen oder Impulse können verwendet werden, um die Temperatur der Lösungen im Behandlungsgefäß zu regeln. Bei einer niedrigen Leistung erzeugt die akustische Energie ein langsames Rühren ohne ein erhebliches Erwärmen. Wenngleich Energie absorbiert wird, um das Rühren einzuleiten, geht Wärme schnell durch die Seiten des Behandlungsgefäßes verloren, was zu einer vernachlässigbaren Gleichgewichtstemperaturerhöhung in der Probe führt. Bei höheren Energien wird mehr Energie absorbiert, und die Temperatur steigt an. Der Erhöhungsgrad je Energieeinheitseingabe kann durch mehrere Eigenschaften, einschließlich des Grads der Wärmeabsorption durch die Probe oder das Behandlungsgefäß und der Rate der Wärmeübertragung von dem Behandlungsgefäß auf die Umgebung, beeinflusst und/oder gesteuert werden. Zusätzlich kann das Behandlungsprotokoll ein Hochleistungs-Behandlungsintervall, in dem die gewünschten Wirkungen erhalten werden, mit einem Niederleistungs-Mischintervall, in dem die akustische Stromerzeugung und Konvektion ohne eine erhebliche Wärmeerzeugung erreicht werden, abwechseln. Diese Konvektion kann verwendet werden, um einen wirksamen Wärmeaustausch oder eine wirksame Kühlung zu fördern.
  • Die thermischen Informationen können auch verwendet werden, um die Behandlung zu modifizieren oder zu steuern, um den Anstieg der Probentemperatur unterhalb eines maximal zulässigen Werts zu halten. Die Behandlung kann unterbrochen werden, um die Probe abkühlen zu lassen. Bei bestimmten Ausführungsformen wird die Ausgabe der Wärmemessvorrichtung oder des Wärmemesssystems in das Computersteuersystem eingegeben, um sie aufzuzeichnen, auf einer Steuerkonsole darzustellen und/oder das Aussetzen der Probe gegenüber Schallenergie durch eine Rückkopplungsschleife, beispielsweise durch Ändern des Arbeitszyklus, zu steuern.
  • Der Temperaturanstieg während des Aussetzens gegenüber kontinuierlichen Ultraschallwellen kann, falls erforderlich, durch Abkühlen einer Flüssigkeit oder einer anderen Probe vor, während oder nach dem Durchgang durch eine Schallenergiezone gesteuert werden, falls in einem kontinuierlichen Durchflussmodus verarbeitet wird. Bei im Wesentlichen stationären diskreten Probenverarbeitungsmodi kann eine Probe durch Luft, durch Kontakt mit einem Flüssigkeitsbad oder durch eine Kombination von Luft und einer Flüssigkeit gekühlt werden. Die Temperatur wird innerhalb des Gefäßes durch die von den akustischen Wellen induzierte Rührwirkung schnell ins Gleichgewicht gebracht. Dadurch und insbesondere in kleinen Gefäßen oder anderen kleinen Fluidproben kann die Rate der Temperaturerhöhung und der anschließenden Kühlung sehr schnell sein. Die Rate der Abgabe von Ultraschallenergie an das Material kann auch gesteuert werden, wenngleich die Verarbeitungszeit hierdurch verlängert werden kann.
  • Flüssigkeiten innerhalb der Probe können bei einer beliebigen Temperatur bereitgestellt werden, die mit dem Prozess kompatibel ist. Die Flüssigkeit kann für die Verarbeitung gefroren oder teilweise gefroren sein. Wenn ein biologisches Material beispielsweise Gefriertemperaturen unterhalb von etwa –5°C ausgesetzt wird, befindet sich der größte Teil des Wassers, jedoch nicht alles, in der festen Phase. Bei bestimmten biologischen Geweben verbleiben jedoch aus mehreren Gründen, wie natürlichen "Antigefriermolekülen" oder Bereichen einer höheren Salzkonzentration, noch Mikrodomänen flüssigen Wassers. Daher kann die Probentemperatur während der Prozedur geändert werden. Es wird eine Temperatur ausgewählt, bei der Mikrodomänen flüssigen Wassers in der Lage sind, eine Schockwellen-induzierte Kavitation durch Blasenbildung und -kollaps zu bilden, wodurch sich Scherspannungen ergeben, die auf umgebende Gewebe einwirken. Tatsächlich kann ein allmähliches Ändern der Probentemperatur wünschenswert sein, weil dadurch fokussierte Domänen flüssigen Wassers zur Aufnahme von Schallenergie, um auf das umgebende Material einzuwirken, bereitgestellt werden.
  • Behandlungsbäder können verhältnismäßig einfach sein und ein Wasserbad oder ein anderes Fluidbad einschließen, das verwendet wird, um die akustischen Wellen vom Wandler zum Probenbehandlungsgefäß zu leiten, wo die Flüssigkeit temperaturgesteuert ist. Bei bestimmten Ausführungsformen wird das gesamte Bad durch einen externen Heizer oder Kühler in der Art eines Neslab RTE-210-Kühlers, der von Neslab Instruments, Inc., Newington, NH, verfügbar ist, und in das Bad eingetauchte Wärmeaustauscherspulen bei einer spezifischen Temperatur gehalten. Die Seiten und der Boden des das Bad enthaltenden Tanks können ausreichende Isoliereigenschaften aufweisen, um zu ermöglichen, dass das Bad im Wesentlichen gleichmäßig bei einer spezifischen Temperatur gehalten wird. Eine andere Ausführungsform, wie jene, die in 9 dargestellt ist, verwendet einen inneren Schalen- oder Probentank 76 aus einem isolierenden Material, wie starrem Polystyrenschaum, der in ein größeres Wasserbad 84 in einem Wandlertank 82 eingesetzt ist. Die innere Schale 76 weist Wärmeaustauscherrohre oder andere Heiz- oder Kühlvorrichtungen (nicht dargestellt) auf, um zu ermöglichen, dass ein Fluid 78, wie Ethylenglycol oder Propylenglycol, in der inneren Schale 76 über einen Wert hinaus er wärmt oder gekühlt wird, der für das Fluid 84, wie Wasser, in dem äußeren Bad im Wandlertank 82 praktisch sein kann. Die innere Schale 76 weist im Boden ein akustisches Fenster 88 auf. Das akustische Fenster 88 besteht aus einem Dünnfilmmaterial mit einer geringen akustischen Absorption und einer Wasser ähnlichen akustischen Impedanz. Diese innere Schale 76 ist so eingerichtet, dass das akustische Fenster 88 mit dem Wandler 86 ausgerichtet ist, der sich außerhalb der Schale 76 befindet und durch einen Träger 80 im Wasser 84 getragen wird. Eine Probe 74 befindet sich innerhalb einer Mikrotiterplatte oder eines anderen Probenbehandlungsgefäßes 72 innerhalb der Schale 76 und unterliegt dem thermischen Einfluss des inneren Behandlungsbads 78. Das Behandlungsgefäß 70 kann mit einem Positionierungssystem 70 in bezug auf den Wandler 86 beweglich sein. Auch wird Schallenergie durch das akustische Fenster 88 auf die Probe 74 fokussiert. Diese Einrichtung ermöglicht die Verwendung getrennter Fluide und einer im Wesentlichen unabhängigen Steuerung der Temperatur des inneren Behandlungsbads 76 und des äußeren Behandlungsbads 84. Das kleinere Volumen der inneren Schale 76 erleichtert die Verwendung von Antigefriermischungen in der Art einer Mischung von Propylenglycol und Wasser bei Temperaturen unterhalb der Gefriertemperatur von Wasser. Dies wiederum ermöglicht es, dass die Proben 74 bei Temperaturen unterhalb der Gefriertemperatur von Wasser verarbeitet und behandelt werden. Diese Ausführungsform ist für Behandlungsanwendungen nützlich, bei denen es notwendig ist, dass die Probenmaterialien 74 bei Temperaturen in der Nähe des Gefrierpunkts von Wasser oder darunter gehalten werden. Dies ermöglicht das Einschließen von Behandlungsbadfluiden 78, wie Antigefrierlösungen, die möglicherweise nicht mit dem Wandler 86 und anderen Systemkomponenten verträglich sind. Dies ermöglicht auch, dass der Wandler 86 bei einer von jener der Proben 74 verschiedenen Temperatur gehalten wird. Diese Ausführungs form kann auch mit beliebigen der anderen in 1 beschriebenen Komponenten verbunden werden und ist für eine Verwendung in einem System mit einer Rückkopplungsschleifensteuerung oder ohne diese geeignet.
  • Es kann erforderlich sein, dass die Probentemperatur während einer Behandlungsprozedur innerhalb eines gegebenen Temperaturbereichs bleibt. Die Temperatur kann aus der Ferne, beispielsweise durch einen Infrarotsensor, überwacht werden. Temperatursonden, wie Thermoelemente, können nicht für alle Anwendungen besonders gut geeignet sein, weil der Schallstrahl mit dem Thermoelement Wechselwirken kann und in der Nähe der Sonde eine künstlich hohe Temperatur erzeugen kann. Die Temperatur kann durch denselben Computer überwacht werden, der die akustische Wellenform steuert. Die Steuerung reagiert auf ein Fehlersignal, das die Differenz zwischen der gemessenen tatsächlichen Temperatur der Probe und der Zieltemperatur der Probe ist. Der Steueralgorithmus kann eine hysteritische Bang-Bang-Steuereinrichtung sein, wie sie in Küchenöfen verwendet wird, wobei als Ausgabe des Steuersystems die akustische Energie ausgeschaltet wird, wenn die tatsächliche Temperatur eine erste Zieltemperatur überschreitet, und eingeschaltet wenn, wenn die tatsächliche Temperatur unter eine zweite Zieltemperatur fällt, die niedriger ist als die erste Zieltemperatur. Es können auch kompliziertere Steuereinrichtungen implementiert werden. Beispielsweise könnte das akustische Signal, statt es einfach ein- und auszuschalten, kontinuierlich proportional zum Fehlersignal moduliert werden, beispielsweise durch Ändern der Amplitude oder des Arbeitszyklus, um eine feinere Temperaturregulierung bereitzustellen.
  • Bei der Anwendung eines Bang-Bang-Steueralgorithmus für ein Mehrprobenformat ist, sobald der maximale Temperaturwert überschritten wurde und die Schallenergie für eine bestimmte Probe ausgeschaltet wurde, eine Alternative für das Warten auf das Abkühlen der Probe unter eine ausgewählte Temperatur, bevor die Schallenergie wieder eingeschaltet wird, das Weiterbewegen zur nächsten Probe. Insbesondere können einige der Proben zumindest teilweise in einer Sequenz mit Schallenergie behandelt werden, und das System kann dann zu den zuvor teilweise behandelten Proben zurückkehren, um einen Sensormesswert zu nehmen, um festzustellen, ob die Proben unter die ausgewählte Temperatur abgekühlt sind, und um die Behandlung wiedereinzuleiten, falls dies der Fall ist. Diese Prozedur behandelt die Proben in einer wirksamen Weise und verringert die Gesamtbehandlungszeit für die Behandlung mehrerer Proben. Eine andere Alternative besteht darin, zu einer vordefinierten "Kühlwellenform" umzuschalten, welche die Konvektion fördert, ohne eine bestimmte Probe erheblich zu erwärmen, statt zur nächsten Probe weiterzubewegen und zu einer späteren Zeit zur ersten Probe zurückzukehren.
  • Falls die Gleichmäßigkeit der Temperatur über die Probe wichtig ist, können Steuertechniken verwendet werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten. Ein Feld von Infrarotsensoren kann verwendet werden, um die Verteilung der Temperatur innerhalb der Probe zu bestimmen. Falls Bereiche erhöhter Temperatur in bezug auf den Rest der Probe auftreten, kann ein Wandler von einem Hochleistungs-"Behandlungs"-Modus zu einem Niederleistungs"Misch"-Modus umgeschaltet werden. Im Niederleistungs"Misch"-Modus wird die Probe akustisch gerührt, bis die Temperatur der Probe im Wesentlichen gleichmäßig ist. Sobald eine Gleichmäßigkeit der Temperatur erreicht wurde, wird der Hochleistungs-"Behandlungs"-Modus wiedereingeleitet. Ein Steuersystem kann die Temperatur überwachen und ansprechend darauf die verschiedenen Modi ein- oder ausschalten. Wenn durch einen Computer gesteuert wird, können die Intervalle, während derer diese Modi verwendet werden, sehr kurz sein und beispielsweise Bruchteile einer Sekunde einnehmen, wodurch die Behandlungszeiten nicht erheblich verlängert werden. Die Schrittzeiten zwischen Wannen oder anderen Probenbehältern können auch bei einem geeigneten Entwurf kürzer als eine Sekunde sein.
  • Kavitationssteuerung
  • Bei manchen Anwendungen ist es bevorzugt, die Probe mit so viel Energie wie möglich zu behandeln, ohne Kavitation hervorzurufen. Dieses Ergebnis kann durch Unterdrücken der Kavitation erreicht werden. Die Kavitation kann unterdrückt werden, indem das Behandlungsgefäß bis zu dem Punkt, an dem sich während der Ausdünnungsphase der akustischen Welle kein Unterdruck entwickelt, über den Umgebungsdruck unter Druck gesetzt wird, was häufig als "Überdruck" bezeichnet wird. Diese Kavitationsunterdrückung ist bei Anwendungen in der Art einer Zelltransformation vorteilhaft, wo die gewünschte Wirkung darin besteht, Zellmembranen zu öffnen, während lebensfähige Zellen erhalten bleiben. Bei anderen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Kavitation zu verstärken. Bei diesen Anwendungen kann ein "negativer" Überdruck oder ein Vakuum auf den Bereich der Brennpunktzone angewendet werden.
  • Die Steuerung bzw. Kontrolle der Kavitation in der Probe kann auch während akustischer Behandlungsprozesse wichtig sein. Bei manchen Szenarien kann das Vorhandensein kleiner Kavitationsausmaße wünschenswert sein, um biochemische Prozesse zu verbessern, wenn jedoch große Anzahlen von Kavitationsblasen auftreten, können sie Schall streuen, bevor er das Ziel erreicht, wodurch die Probe im Wesentlichen abgeschirmt wird.
  • Die Kavitation kann durch eine Vielzahl von Verfahren, einschließlich akustischer und optischer Verfahren, erfasst werden. Ein Beispiel einer akustischen Erfassung ist ein passiver Kavitationsdetektor (PCD), der einen externen Wandler aufweist, welcher akustische Emissionen von Kavitationsblasen erfasst. Das Signal von dem PCD kann, beispielsweise unter Verwendung eines Spitzendetektors, gefolgt von einem Tiefpassfilter, gefiltert werden und dann als ein Maß der Kavitationsaktivität an einen Steuercomputer ausgegeben werden. Das akustische Signal könnte in ähnlichen Weisen wie jenen eingestellt werden, die in dem Temperatursteuerbeispiel beschrieben wurden, um die Kavitationsaktivität auf einem gewünschten Niveau zu halten.
  • Überdruck: Das Erhöhen des Umgebungsdrucks ist eine Technik zum Steuern der Kavitation. Ein Überdruck neigt dazu, Kavitationskeime zu beseitigen. Kleine Teilchen in dem Fluid werden durch einen Überdruck stark beeinflusst, so dass die Kavitation in einem freien Fluid häufig, selbst durch Hinzufügen eines Überdrucks von einer Atmosphäre, stark verringert wird. Keimbildungsstellen an Behälterwänden sind gewöhnlich widerstandsfähiger gegenüber einem Überdruck, die Kavitation wird jedoch gewöhnlich auf diese Stellen beschränkt, und jegliche Gasblasen, die frei in das freie Fluid treiben, werden schnell aufgelöst. Daher werden Zellen in dem Hauptfluid typischerweise nicht durch Kavitationsstellen, die auf die Behälterwände beschränkt sind, beeinflusst. Ein Überdruck kann auf das Behandlungsgefäß, das Feld von Behandlungsgefäßen, das Behandlungsbad und den Behandlungstank oder die ganze Vorrichtung angewendet werden, um in dem Bereich der Brennpunktzone einen Druck oberhalb einer Atmosphäre zu erreichen.
  • Entgasung: Die Verringerung des Gasgehalts des Fluids neigt dazu, die Kavitation zu verringern, wiederum indem Kavitationskeime verringert werden und es schwieriger gemacht wird, die Kavitation einzuleiten. Ein weiteres Verfahren zum Steuern der Kavitation oder der Wirkungen der Kavitation besteht darin, die Gase zu steuern, die in dem Probenfluid gelöst sind. Beispielsweise bewirkt die Kavitation eine geringere mechanische Beschädigung in einem Fluid, das mit Heliumgas gesättigt ist, als in einem Fluid, das mit Argongas gesättigt ist.
  • Filterung: Bei reineren Fluiden lässt sich gewöhnlich schwerer Kavitation erzeugen.
  • Verschiedene Fluide: Bei bestimmten Fluiden lässt sich Kavitation viel schwerer erzeugen. Rizinusöl und Mineralöl sind nahezu kavitationsfrei. Zwei mögliche Gründe bestehen darin, dass die Fluide eine solche Natur aufweisen, dass sie Risse aufzufüllen neigen und dass ihre Viskosität sie auch beständiger gegen Kavitation macht. Die Fluide sind jedoch mit Zellpräparationen nicht besonders verträglich.
  • Wellenform: Das Kavitationsfeld reagiert auf den akustischen Ansteuerimpuls. Es ist möglich, die Kavitationsreaktion in gewissem Maße zu steuern, indem der akustische Ansteuerdruck gesteuert wird. Die Kavitation kann auch verringert oder beseitigt werden, indem die Anzahl der Zyklen in jedem Burst akustischer Energie verringert wird. Die Kavitationsblasen wachsen über mehrere Zyklen und kollabieren dann, wodurch Kavitationswirkungen erzeugt werden. Durch Begrenzen der Anzahl der Zyklen in jedem Burst können ein Wachsen und ein Kollabieren von Blasen im Wesentlichen vermieden werden.
  • F. Behandlungs- oder Reaktionsgefäß
  • Behandlungsgefäße weisen eine geeignete Größe und Form für das zu behandelnde Material auf. Sie können beliebige von einer Vielzahl von Formen aufweisen. Wie beispielsweise in den 4A–4C dargestellt ist, können die Behandlungsgefäße 502, 504, 506 vertikale Wände, eine konische Form bzw. eine gekrümmte Form aufweisen. Wie in den 5A–5C dargestellt ist, haben bestimmte Behandlungsgefäße 502, 506 vor der Behandlung mit Schallenergie ein oberes Element 530 und ein unteres Element 550, welche gemeinsam einen Innenbereich bilden, der das zu behandelnde Material 540 enthält. Bei bestimmten Ausführungsformen projiziert der Ultraschallwandler einen fokussierten Ultraschallstrahl nach oben. Der Ultraschallstrahl durchdringt das untere Element 550 der Behandlungsgefäße 502, 506, so dass er auf den Inhalt 540 der Behandlungsgefäße 502, 506 einwirkt. Das obere Element 530 dient dazu, den Inhalt 540 der Behandlungsgefäße 502, 506 aufzunehmen.
  • Das untere Element 550 des Behandlungsgefäßes 502, 506 ist konfiguriert, um die maximale Menge an Ultraschallenergie zum Inhalt 540 der Gefäße 502, 506 durchzulassen, die Absorption von Ultraschallenergie innerhalb der Wände der Gefäße 502, 506 zu minimieren und die Wärmeübertragung zwischen dem Inhalt 540 der Behandlungsgefäße 502, 506 und beispielsweise einem externen Wasserbad zu maximieren. Bei einer bestimmten Ausführungsform der Vorbehandlungsanordnung ist das Behandlungsgefäß aus einem Dünnfilm in einer Halbkugelform thermisch gebildet. Der Film sollte eine akustische Impedanz ähnlich derer von Wasser und eine geringe akustische Absorption aufweisen. Ein bevorzugtes Material ist Polyethylen niedriger Dichte. Alternative Materialien umfassen Polypropylen, Polystyren, Poly(ethylenteraphthalat) ("PET") und andere steife und flexible Poly mere. Der Film kann ein Laminat sein, um ein thermisches Bonden, beispielsweise unter Verwendung einer Wärmeversiegelung, zu erleichtern. Dickere, steifere Materialien können auch verwendet werden. In Industriestandardformaten, wie 96-Wannen-Formaten und 24-Wannen-Formaten, verfügbare Mehrwannenplatten können mit oder ohne Modifikation verwendet werden. Dickwandige Mehrwannenplatten nach dem Industriestandard mit Dünnfilmböden können auch verwendet werden. Diese können besonders vorteilhaft funktionieren, wenn die Größe der Brennpunktzone des Ultraschallstrahls kleiner als eine Wanne ist. In diesem Fall wird wenig Energie von den Seiten des Behandlungsgefäßes absorbiert und daher verhältnismäßig wenig Energie in Wärme umgewandelt.
  • Das obere Element des Behandlungsgefäßes schließt den Inhalt während der Behandlung ein und kann als eine Dichtung gegen die Umgebung wirken. Das obere Element des Behandlungsgefäßes kann flach oder domförmig sein, um das Innere des Behandlungsgefäßes einzuschließen. Das obere Element des Behandlungsgefäßes kann aus einem starren oder einem flexiblen Material bestehen. Vorzugsweise weist das Material eine geringe akustische Absorption und gute Wärmeübertragungseigenschaften auf. Bei bestimmten Ausführungsformen der Vorbehandlungsanordnung ist das obere Element des Behandlungsgefäßes ein Dünnfilm, der mit dem unteren Element verbunden werden kann, und das untere oder das obere Element kann für die Nachbehandlungsübertragung des behandelten Materials leicht brechbar sein.
  • Das obere und das untere Element des Behandlungsgefäßes können durch thermisches Bonden, Klebstoffbonden oder externes Klemmen miteinander verbunden werden. Dieses Verbinden des oberen und des unteren Elements kann dazu dienen, den Inhalt des Gefäßes gegen Verunreinigungen in der äußeren Umgebung abzuschließen und in einem Feld von Gefäßen eine gegenseitige Verunreinigung zwischen Gefäßen zu verhindern. Falls die Bindung durch thermisches Bonden zu erreichen ist, können die oberen und die unteren Elemente der Behandlungsgefäße aus Filmlaminaten bestehen, die wärmeverbindbare äußere Schichten und wärmebeständige innere Schichten aufweisen.
  • Das Behandlungsgefäß kann als eine einzige Einheit, als mehrere Gefäße in einem Feld oder als eine einzige Einheit mit verschiedenen Fächern konfiguriert sein. Das obere und das untere Element des Gefäßes oder des Felds von Gefäßen können einmal oder wiederholt verwendet werden. Es kann auch einen getrennten Rahmen oder eine getrennte Struktur (nicht dargestellt) geben, wodurch das obere und das untere Element des Gefäßes bzw. der Gefäße getragen und/oder versteift werden. Dieser Rahmen oder diese Struktur kann mit den Gefäßen integriert ausgebildet sein, oder es kann sich um ein getrenntes Element handeln. Ein Feld von Behandlungsgefäßen kann konfiguriert sein, um zu Mehrwannenplatten nach dem Industriestandard zu passen. Gemäß einer Ausführungsform ist das Behandlungsgefäß in einem Feld konfiguriert, das zu Standard-96-Wannen- oder 24-Wannen-Mehrwannenplatten passt. Der Rahmen oder die Tragstruktur, welche das Feld von Behandlungsgefäßen hält, kann die gleiche Konfiguration und die gleichen Abmessungen haben wie Standard-Mehrwannenplatten.
  • Wie in den 6A und 6B dargestellt ist, kann ein Behandlungsgefäß 508 einen Trichter 592 aufweisen, um die Übertragung des Inhalts 540 aus dem Behandlungsgefäß 508 in ein getrenntes Gefäß 598 nach der Behandlung zu erleichtern. Der Trichter 592 kann eine konische Form aufweisen und am schmalen Ende eine Öffnung aufweisen. Der Trichter 592 kann in bezug auf das obere Element 530 und das untere Element 550 des Behandlungsgefäßes 508 starr sein. Das gro ße Ende des Trichters 592 liegt in der Nähe des oberen Elements 550 des Behandlungsgefäßes 508 und ist mit dem Behandlungsgefäß 508 ausgerichtet. Das Volumen des Trichters 592 kann etwas kleiner sein als das Volumen des Behandlungsgefäßes 508.
  • Ein Verfahren zum Übertragen des Inhalts 540 des Behandlungsgefäßes 508 in ein anderes Nachbehandlungsgefäß 598 weist die folgenden Schritte auf. Das obere Element 530 des Behandlungsgefäßes 508 kann mit einem scharfen Instrument durchstochen oder zerbrochen werden, wenn ein Vakuum angewendet wird. Um das Brechen zu erleichtern, kann das Element 530 aus einem dünnen zerbrechlichen Material hergestellt oder durch Ätzen eines Strukturmerkmals in die Oberfläche gebildet werden. Dann wird das Behandlungsgefäß 508 über dem Nachbehandlungsgefäß 598 in einer Vakuumspannvorrichtung umgekehrt. Ein Filter 594 kann zwischen dem Behandlungsgefäß 508 und dem Nachbehandlungsgefäß 598 angeordnet werden, um Festkörper 596 von der Flüssigkeit 542, die aus dem Behandlungsgefäß 508 entfernt wird, zu trennen. Alternativ kann der Filter 594 in den Ausgang des Trichters 592 aufgenommen werden. Diese Anordnung des Behandlungsgefäßes 508 und des Trichters 592 kann als eine einzige Einheit oder als ein Feld von Einheiten konfiguriert sein. Dieses Feld kann mit einem Industriestandard übereinstimmen. Das Behandlungsgefäß 508 sollte eine Vakuumdichtung mit einer Vakuumspannvorrichtung (nicht dargestellt) bilden, so dass eine Druckdifferenz zwischen der Probe in dem Behandlungsgefäß und dem zugeführten Vakuum gebildet werden kann. Sobald das Vakuum auf die Spannvorrichtung angewendet wird, bewirkt die Druckdifferenz an dem oberen Element 530, dass das obere Element 530 des Behandlungsgefäßes 508 reißt und das untere Element 550 in den Trichter 592 hinein kollabiert. Das untere Element 550 sollte eine ausreichende Festigkeit aufweisen, so dass es nicht reißt, wo es die Öffnung im kleinen Ende des Trichters 592 überbrückt. Die Druckdifferenz bewirkt, dass der feste Inhalt 596 des Behandlungsgefäßes zwischen dem flexiblen unteren Element 550 des Behandlungsgefäßes 508 und dem verhältnismäßig steifen Trichter 592 gequetscht wird. Dies bewirkt, dass das Fluid 542 aus den festen Materialien 596 ausgestoßen und im Nachbehandlungsgefäß 598 gesammelt wird.
  • Bei bestimmten anderen Ausführungsformen kann ein Behandlungsgefäß eine Ampulle, ein Glasfläschchen, ein Beutel, eine Tasche oder eine Umhüllung sein. Diese und andere Behandlungsgefäße können aus solchen Materialien, wie Polyethylen, Polypropylen, Poly(ethylenteraphthalat) (PET), Polystyren, Acetal, Silikon, Polyvinylchlorid (PVC), Phenol, Glasen und anderen anorganischen Materialien, Metallen, wie Aluminium und Magnesium, und Laminaten, wie Polyethylen/Aluminium und Polyethylen/Polyester, hergestellt werden. Auch können bestimmte Ausführungsformen eines Behandlungsgefäßes durch Vakuumformen, Spritzgießen, Gießen und andere thermische und nicht thermische Prozesse hergestellt werden. Bei Ausführungsformen, bei denen Proben durch die Schallenergie fließen, können Kapillarröhren, geätzte Kanäle und Leitungen der Probenhalter während der Behandlung sein, während die Probe durch eine Struktur fließt. Zusätzlich können frei fallende Tröpfchen, Ströme, sich nicht bewegende freie Volumina in der Art jener mit einer Schwerkraft weniger als ein g oder eine Schicht in einem Dichtegradient direkt behandelt werden.
  • II. Materialien für die Behandlung
  • A. Biologische Materialien
  • Viele biologische Materialien können gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt werden. Beispielsweise umfassen solche Materialien für die Behandlung ohne Einschränkung wachsendes Pflanzengewebe, wie Wurzelspitzen, Meristem und Kallus, Knochen, Hefe und andere Mikroorganismen mit zähen Zellwänden, Bakterienzellen und/oder Kulturen auf Agarplatten oder in Wachstumsmedien, Stamm- oder Blutzellen, Hybridome und andere Zellen von immortalisierten Zelllinien und Embryos. Zusätzlich können andere biologische Materialien, wie Serum- und Proteinpräparationen, mit den erfindungsgemäßen Prozessen, einschließlich Sterilisation, behandelt werden.
  • B. Bindematerialien
  • Viele Bindereaktionen können mit erfindungsgemäßen Behandlungen verstärkt werden. Bindereaktionen schließen das Verbinden zweier oder mehrerer Moleküle, beispielsweise zweier Nukleinsäuremoleküle, durch Hybridisierung oder eine andere nicht kovalente Bindung, ein. Bindereaktionen werden beispielsweise in einer Probe zum Feststellen einer Bindung in der Art einer spezifischen Färbereaktion, in einer Reaktion in der Art der Polymerasekettenreaktion, bei der ein Nukleotidmolekül ein Primer ist und das andere ein zu replizierendes Substratmolekül ist, oder in einer Bindewechselwirkung in Bezug auf einen Antikörper und das Molekül, an das er bindet, in der Art einer Immunprobe, vorgefunden. Reaktionen können auch die Bindung eines Substrats und eines Liganden betreffen. Beispielsweise kann ein Substrat in der Art eines Antikörpers oder eines Rezeptors auf einer tragenden Oberfläche immobilisiert werden, was bei Reinigungs- oder Trenntechniken von Epitopen, Liganden und anderen Molekülen nützlich ist.
  • C. Chemische und mineralische Materialien
  • Organische und anorganische Materialien können durch die erfindungsgemäßen Verfahren mit gesteuerten akustischen Im pulsen behandelt werden. Die Schallimpulse können verwendet werden, um ein festes Material, insbesondere unter einem Rückkopplungssteuerregime oder in Feldern mehrerer Proben, zu verkleinern. Wie bei biologischen Proben können individuelle organische und anorganische Proben in einem Feld im wesentlichen von der Laborumgebung isoliert behandelt werden. Abgesehen von der Änderung ihrer physikalischen Integrität können Materialien in lösenden Fluiden, wie Flüssigkeiten und Gasen, gelöst werden oder mit Lösungsmitteln extrahiert werden. Beispielsweise kann das Lösen von Polymeren in Lösungsmitteln ohne ein Rühren sehr langsam ablaufen, das Rühren mehrerer Proben mit gegenwärtigen Verfahren ist jedoch schwierig und erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Querverunreinigung zwischen Proben. Das Rühren mehrerer Proben ohne eine Querverunreinigung zwischen Proben kann jedoch durch die Vorrichtungen und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
  • III. Behandlungsanwendungen
  • A. Ändern der Zugänglichkeit von Zellen
  • Beschallungsanlagen können Zellen unter Verwendung von Frequenzen um 20 kHz zerreißen. Es wird im Allgemeinen angenommen, dass es zwei Wege gibt, in denen Ultraschall Zellen beeinflussen kann, nämlich durch Erwärmung und durch Kavitation, wobei es sich um die Wechselwirkung der Schallwelle mit kleinen Gasblasen in der Probe handelt. Die Erwärmung geschieht in erster Linie infolge der Absorption der Schallenergie durch das Medium oder durch den Behälter. Für verdünnte wässrige Systeme ist die Absorption durch den Behälter die Hauptquelle für die Erwärmung. Eine Erwärmung ist bei manchen Behandlungsanwendungen nicht erwünscht, wie hier beschrieben wurde. Die mit der Kompression und dem Abkühlen in Zusammenhang mit der Verflüchtigung einer Schall welle verbundene Erwärmung ist verhältnismäßig gering, selbst bei intensivem Schall.
  • Gemäß der Erfindung werden gesteuerte Schallimpulse in einem Medium verwendet, um eine ein biologisches Material enthaltende Probe zu behandeln. Die Impulse können spezifisch angepasst werden, damit sie bevorzugt mit Trägermatrizen in einem biologischen Material, wie Pflanzenzellwänden, oder extrazellulären Matrizen, wie Knochen oder Kollagen, zusammenwirken, wodurch eine Barrierefunktion solcher Matrizen verkleinert oder entfernt wird und das Einfügen extrazellulärer Komponenten in eine Zelle erleichtert wird. Bei dieser Anwendung wird die Zelle minimal geändert, und die Lebensfähigkeit der Zelle wird bewahrt. Diese Impulse können durch Schockwellen oder durch Schallwellen hervorgerufen werden. Die Wellen können außerhalb der Probe oder direkt in der Probe über angewendete mechanische Vorrichtungen erzeugt werden. In Experimenten, bei denen thermische Wirkungen vernachlässigbar sind, gibt es typischerweise keine Lyse, es sei denn, dass Kavitation vorhanden ist. Andere Modi von Schallenergie können andere Wirkungen als das Auseinanderbrechen einer Matrix aufweisen und entweder mit einer Vorbehandlung, mit auseinander brechender Schallenergie oder für sich verwendet werden. Beispielsweise können die Bedingungen für das Auseinanderbrechen einer Matrix von jenen für das Durchlässigmachen einer Zellmembran verschieden sein.
  • Es kann viele mögliche Mechanismen geben, durch die die Kavitation Zellen beeinflussen kann, und es gibt keinen Konsens in bezug darauf, welche Mechanismen, falls überhaupt, dominieren. Es wird angenommen, dass die wesentlichen Mechanismen Scherkräfte, Mikrostrahlen, Schockwellen, Sonochemie und andere Mechanismen einschließen, wie nachstehend vollständiger erörtert wird.
  • Scherkräfte: Erhebliche Scherkräfte sind mit dem heftigen Kollaps von Blasen verbunden. Weil die Zellmembranen empfindlich für Scherkräfte sind, wird angenommen, dass die Kavitation Zellmembranen durchlässig machen kann. In manchen Fällen ist die Membran anscheinend während einer kurzen Zeit durchlässig, während derer Moleküle in die Zelle und aus dieser heraus übertragen werden können. In anderen Fällen kann die Zelle lysiert sein.
  • Mikrostrahlen: Blasen, die einen heftigen Kollaps durchmachen, insbesondere in der Nähe einer Grenze in der Art einer Behälterwand, kollabieren typischerweise asymmetrisch und erzeugen einen Flüssigkeitsstrahl aus Fluid, der sich durch die Blase und in die Grenze hinein bewegt. Die Geschwindigkeit dieses Strahls wurde als hunderte von Metern pro Sekunde gemessen und weist eine große zerstörerische Kraft auf. Er kann eine wesentliche Rolle bei der Zerstörung von Nierensteinen durch akustische Schockwellen spielen und ein möglicher Weg sein, Blutgerinnsel zu zerstören.
  • Schockwelle: Ein sphärischer Kollaps einer Blase kann eine intensive Schockwelle erzeugen. Dieser Druck kann in der Umgebung der Blase tausende von Atmosphären betragen. Die Druckbelastung der Schockwelle kann stark genug sein, um ein Versagen von Zellenmaterial hervorzurufen.
  • Sonochemie: Der Druck und die Temperaturen in der Blase während eines Trägheitskollapses können außerordentlich hoch sein. In Extrembeispielen kann das Gas ausreichend angeregt werden, um Licht zu erzeugen, was als Sonolumineszenz bezeichnet wird. Wenngleich das Volumen klein ist und die Zeitdauer kurz ist, wurde dieses Phänomen ausgenutzt, um chemische Reaktionsraten zu erhöhen. Die Erzeugung freier Radikaler und anderer Sonochemikalien kann Zel len auch beeinflussen.
  • Andere: Andere Faktoren können auch beteiligt sein. Gefäßwände können Kavitationskeime beitragen. Ein Kunststoffgefäß mit einem wässrigen Fluid kann infolge interner Reflexionen als Ergebnis von Impedanzfehlanpassungen zwischen dem Fluid und den Gefäßwänden zu einem stehenden Wellenfeld führen. Beispiele sonolumineszenter Materialien sind dünne Latex- und Dialyseschläuche. Schlauchdrehuntersuchungen, die an einer Dauerstrichdosierung mit unfokussiertem Ultraschall vorgenommen wurden, weisen darauf hin, dass eine Drehung eine erhebliche Wirkung auf die Hämolyse hat. Wenn Zellinhalte während der Beschallung mechanisch bewegt wurden, wurde die Zelllyse erhöht. Diese Wirkungen können auf innerhalb des unfokussierten Ultraschallfelds erzeugte Viskositätsgradienten, die die Energieübertragung blockieren, zurückzuführen sein.
  • Die Zelllyse kann auch durch Hinzufügen von Ultraschall-Kontrastmitteln in der Art luftbasierter Kontrastmittel oder Perfluorkohlenstoff-basierter Kontrastmittel unterstützt werden. Ein Beispiel eines luftbasierten Kontrastmittels ist ein denaturierter Albuminmantel mit Luft, wie Albunex, von Mallinckrodt, St. Louis, MO erhältlich, und ein Beispiel eines Perfluorkohlenstoff-basierten Kontrastmittels ist eine Phospholipidbeschichtung mit Perfluorpropangas, wie MRX-130, von ImaRx Pharmaceutical Corp., Tucson, AZ, erhältlich.
  • Luftblasen können die Energieübertragung blockieren oder reflektieren. Grenzflächen zwischen Luft und Wasser führen zu einer wirksamen Reflexion eines einfallenden Ultraschallfelds.
  • Die Behandlungsdosis ist eine komplexe Wellenform. Abschnitte oder Komponenten der Wellenformen können verschiedene Funktionen aufweisen. Beispielsweise kann die Wellenform drei Komponenten aufweisen, die mit der Probenmischung, der Probenlyse/dem Auseinanderbrechen von Proben und dem Kühlen von Proben verbunden sind.
  • Bei anderen gegenwärtigen Verfahren nimmt die sonolytische Erzeugungsaktivität mit zunehmenden Zellkonzentrationen in In-vitro-Systemen ab, die mit Dauerstrich-Ultraschallwellen behandelt werden. Dagegen brechen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung Gewebestrukturen mit einer komplexen Wellenform fokussierten Ultraschalls hoher Intensität auseinander, um dieses Problem zu vermeiden.
  • Das Mischen kann wichtig sein, weil es erlaubt, dass Blasen, die durch Strahlungskräfte zu den Rändern der Gefäßkammer getrieben worden sein können, in Kontakt mit den Zell- oder Gewebemembranen gebracht werden. Durch dieses Mischen wird eine transiente akustische Trägheitskavitation in der Nähe der Zellwände gefördert, was zu einer Zelllyse führt.
  • Die von einer Probe empfangene akustische Dosis kann mit einer von einer Probe empfangenen Strahlungsdosis verglichen werden. In jedem Fall wird eine kumulative Wirkung der absorbierten Energiedosis beobachtet. Ein computergesteuertes Positionierungssystem kann die kumulative Energiedosis steuern, die jede Probe empfängt. Beispielsweise kann ein Softwareprogramm in dem Computer die kumulative Energiedosis aktiv steuern, indem es die Probe behandelt, bis das System einen bestimmten Einstellpunkt erreicht, die Anwendung von Energie pausieren oder auf andere Weise ermöglichen, dass die Probe wieder ins Gleichgewicht kommt, und die Energieanwendung wieder einleiten, um zu ermöglichen, dass eine Probe eine höhere kumulative Dosis empfängt, während semi-isotherme Bedingungen, wie eine Temperaturerhöhung um 1 bis 2 Grad Celsius während des Einwirkens, aufrechterhalten werden, als dies andernfalls durch eine kontinuierliche Schallenergieanwendung möglich wäre. Dieser Systemtyp ermöglicht es, dass hohe Energie in eine Probe eingebracht wird, während die thermische Steuerung des Prozesses aufrechterhalten wird.
  • B. Extraktion
  • Bei einer Variation des Verfahrens können zum Ändern der vorstehend beschriebenen Zellzugänglichkeit gesteuerte Impulse in einem Medium verwendet werden, um eine Probe zu behandeln, die biologisches Material enthält, um eine Fraktion oder Fraktionen des biologischen Materials zu extrahieren. Die Impulse werden spezifisch angepasst, so dass sie bevorzugt mit Stützmatrizen, wie Pflanzenzellwänden oder extrazellulären Matrizen, wie Knochen oder Kollagen, oder mit Materialien, die in einem biologischen Material Unterschiede in der Steifigkeit oder der Permeabilität aufweisen, Wechselwirken, wodurch eine Barrierefunktion solcher Matrizen oder Materialien entfernt wird. Diese Impulse können durch Schockwellen oder durch Schallwellen hervorgerufen werden. Die Wellen können außerhalb der Probe oder direkt in der Probe durch angewendete mechanische Mittel erzeugt werden.
  • Die Verwendung von Schallenergie, im Gegensatz zu Laser- oder anderer Lichtenergie für das Auseinanderbrechen eines biologischen Objekts, kann nützlich sein. Schall ist eine direkte Druckschwankung an der Probe. Druck ist eine physikalische Größe und das Maß der als Kraft pro Flächeneinheit definierten gleichmäßigen Belastung. Die auf ein Material einwirkende Belastung induziert eine Beanspruchung, welche die Abmessungen des Materials ändert. Die zwei Hauptbelastungstypen sind eine direkte Zugspannung oder eine Druckbelastung und eine Scherbelastung. Im Allgemeinen ist die auseinander brechende Wirkung einer abrupten lokalen Erhöhung einer ansonsten gleichmäßigen Belastung umso größer, je brüchiger das Material ist. Eine solche lokale Belastung kann durch eine geometrische Änderung an einer Oberfläche oder innerhalb des Körpers der Probe erzeugt werden. Beispielsweise kann bei –70°C gefrorenes biologisches Gewebe anfälliger für einen Belastungsbruch sein als Gewebe bei 4°C. Zusätzlich wird durch eine schärfere Änderung geometrischer Eigenschaften oder von Materialeigenschaften eine größere Beanspruchungskonzentration hervorgerufen, wodurch wiederum ein stärkeres Auseinanderbrechen hervorgerufen werden kann. Schallwellen können fokussiert werden. Dagegen ist die von einer Lichtquelle, wie einem Laser, auf eine Probe übertragene Energie elektromagnetische Strahlung, die nicht ionisierende molekulare Schwingungen induziert und chemische Bindungen durch Ionisierung bricht. Mechanische Belastungen an Objekten, die größer als Moleküle sind, können im Allgemeinen nicht leicht durch elektromagnetische Wellen hervorgerufen werden, abgesehen durch destruktives lokales Erwärmen.
  • Die Stützmatrix einer biologischen Probe kann ohne Auseinanderbrechen einer oder mehrerer ausgewählter interner Strukturen der in der Matrix enthaltenen Zellen auseinander gebrochen werden. Repräsentative Beispiele solcher Proben sind: i) Knochen, in denen eine starre Matrix interessierende lebende Zellen enthält, ii) Säugetiergewebeproben, die in eine Matrix elastischen Bindegewebes und "Glycocalyx" oder eine interzelluläre Matrix eingebettete lebende Zellen enthalten, und iii) Pflanzengewebe, wie Blätter, die Zellen in einer Zellulosematrix enthalten, welche häufig mit anderen Materialien moderater Steifigkeit vernetzt sind. Praktisch alle lebenden Zellen weisen eine gelatineartige Struktur auf, und sie können in gewissem Maße ohne Brüche oder interne Beschädigungen verformt werden. Matrizen sind dagegen dafür ausgelegt, Zellen zu unterstützen und zu schützen und auch andere biologische Funktionen zu erreichen. In den drei vorstehend erwähnten Beispielen sind die Matrizen von Knochen und Blättern dafür ausgelegt, der Struktur Steifigkeit zu verleihen, während die Unterstützung der meisten kollagenen Matrizen einen stärker elastischen Charakter hat. Demgemäß können verschiedene Protokolle, beispielsweise Amplitude, Dauer, Anzahl der Impulse und Temperatur der Probe, verwendet werden, um verschiedene Matrizen durch mechanische Mittel auseinander zu brechen, ohne das Zellmaterial zu beschädigen.
  • Eine Knochenmatrix ist steifer und dichter als die Zellen, die sie enthält. Knochen sind durch Schockwellen verwundbar, weil die kalzifizierte Matrix die Wellen wirksamer absorbiert als die Zellen und weil die kalzifizierte Matrix unter Dehnungsbeanspruchungen schwach ist und daher bei Belastungen brechen kann, die die weicheren Zellen nicht beschädigen. Ähnliche Überlegungen gelten für eine Blattmatrix, wenngleich der Kontrast in der Dichte und im Elastizitätsmodul geringer ist. In jedem Fall wird ein Impuls, vorzugsweise eine Schockwelle, bei einer Amplitude angewendet, die ausreicht, um die Matrixkomponenten zu ermüden, während sie unter der Amplitude bleibt, die erforderlich ist, um die Zellen zu beschädigen. Die Intensität wird durch minimales routinemäßiges Experimentieren leicht für einen bestimmten Probentyp bestimmt. Bei solchen Experimenten wird die Amplitude jedes auf die Probe angewendeten Impulses, einzeln oder in einem Impulszug, geändert, um die maximale Abbaurate der Matrix, die mit dem Aufrechterhalten der Lebensfähigkeit der Zellen innerhalb der Matrix verträglich ist, zu erhalten. Diese Parameter können leicht gemessen werden. Beispielsweise kann der Matrixabbau durch die Änderung des Kompressionsmoduls der Probe gemessen werden, während die Zellintegrität durch Farbstoffexklusion aus Zellen, die aus der Matrix extrahiert wurden, gemessen wird, wobei beispielsweise für Knochen eine Demineralisierung und eine Behandlung mit Kollagenase vorgenommen werden. Im Fall eines stärker elastischen Gewebes, wie Bindegewebe, das vernetzt ist aber eine hohe Bruchdehnung aufweist, werden die Impulse ausgewählt, um vorzugsweise Vibrationsmodi in der Matrix im Gegensatz zu den Zellen anzuregen. Dies kann durch Auswählen von einer oder mehreren Frequenzen von Schallwellen geschehen, bei denen die relativen Absorptionsgrade der Matrix und der Zellen maximal verschieden sind. Diese Frequenzen lassen sich leicht durch routinemäßiges Experimentieren bestimmen. Eine Impulsfolge kann erforderlich sein, um die Matrix differenziell zu ermüden. Die Länge der Impulse und des Intervalls zwischen ihnen werden so eingestellt, dass der Erwärmungsgrad der Probe keinen Verlust der Integrität der Zellen und insbesondere der kritischen Komponenten, die zu isolieren sind, hervorruft.
  • Drei Bereiche für das Optimieren zur Extraktion sind die Behandlungswellenform, die Mischwellenform und die Positionierung oder das Zittern. Ein Verfahren zum Bestimmen der geeigneten Behandlungs- und Positionierungsparameter für eine Zielprobe für Extraktionszwecke wird nachstehend beschrieben.
  • Zuerst wird eine feste Probe in ein Flüssigkeitsvolumen in einem Verhältnis von etwa 1:1 (Gewicht/Volumen) in einem Behandlungsgefäß gegeben. Beispielsweise werden 0,25 ml Methanol zu 0,25 gm Blattgewebe in einem 0,5-ml-Behandlungsgefäß hinzugefügt. Eine einzige Probe wird in die Brennpunktzone der Schallvorrichtung eingebracht. Ohne die Verwendung des Behandlungsprotokolls wird die Mischwellenform eingestellt, um ein "Rühren" der Probe bei der niedrigsten Amplitude, den wenigsten Zyklen pro Burst und dem kleinsten Arbeitszyklus bereitzustellen. Nachdem das Mischwellenformprotokoll definiert wurde, wird die Auseinanderbrechbehandlungs-Wellenform durch Immobilisieren der Zielprobe in der Brennpunktzone eingestellt, so dass keine Mischung und keine Probenbewegung in der Art einer Zitterbewegung auftreten. Unter Verwendung einer Schallenergiequelle in der Art eines piezoelektrischen Wandlers wird die Probe einer minimalen Anzahl von Zyklen pro Burst, beispielsweise drei Zyklen pro Burst, ausgesetzt. Für Extraktionszwecke wird die Amplitude zunächst mit einer nominellen Einstellung von 500 mV verwendet. Ein Teil der Probe wird behandelt und unter einem Mikroskop auf Zeichen eines Reißens von Membranen untersucht. Diese Untersuchung kann in Zusammenhang mit Farbstoffen geschehen, die intrazelluläre Organellen färben. Die Anzahl der Zyklen pro Burst wird dann erhöht, bis ein bestimmtes gewünschtes Gewebeauseinanderbrechniveau in dem immobilisierten Teil des Gewebes erreicht wird. Mit einer frischen Probe und einem 1:1-Verhältnis von Gewebe zu Flüssigkeit wird die Temperatur der Probe während einer Gesamtbehandlung mit einer Million Zyklen mit einem Infrarotsensor, der auf den oberen Teil eines das Probengefäß abdeckenden dünnen Polyethylenfilms gerichtet ist, überwacht. Der Arbeitszyklus wird eingestellt, um die Temperatur innerhalb vordefinierter Bereiche, wie 4°C +/– 2°C, zu halten.
  • Sobald diese Behandlungsparameter für eine bestimmte Probe diskriminiert wurden, kann eine Steuereinheit mit diesen Daten programmiert werden, um die Behandlung anderer Proben des gleichen oder eines ähnlichen biologischen Typs zu steuern. Alternativ können diese Informationen in die Steuereinheit vorprogrammiert werden, und ein Benutzer der Vor richtung kann durch eine Benutzereingabeschnittstelle den Typ des zu behandelnden biologischen Materials festlegen, so dass die Steuereinrichtung dann durch den vorbestimmten Behandlungszyklus geht. Andere Informationen können für eine optimale Behandlung eines bestimmten biologischen Materials in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben empirisch bestimmt werden. Beispielsweise können Parameter, wie Behandlungswellenformen, Mischwellenformen und die Probenpositionierung, festgelegt werden. Diese Parameter können, abhängig von dem bestimmten biologischen Material, der bestimmten Flüssigkeit, welche die Probe umgibt, und/oder dem während der Behandlung verwendeten bestimmten Behandlungsgefäß, variieren.
  • C. Einbringen eines Moleküls in eine Zelle oder Entfernen eines Moleküls aus einer Zelle
  • Sobald eine Probe, die eine Matrix aufweist, ausreichend abgeschwächt oder ausgedünnt wurde, jedoch nicht bis zu dem Punkt, an dem eine erhebliche Anzahl innerhalb der Matrix enthaltener Zellen getötet oder lysiert wird, wird eine freigelegte Zielzelle oder werden freigelegte Zielzellen einem Einbringen exogener Moleküle durch Techniken, wie Transfektion oder Transformation, zugänglich. Bei manchen Matrizen kann es zweckmäßig sein, die Zellen von den Matrizen zu isolieren und die Zellen dann durch Transfektion zu behandeln. In anderen Fällen, insbesondere in einem automatisierten System, ist es bevorzugt, die Transfektion direkt an der behandelten Gewebeprobe, unter Verwendung von Lösungen und Bedingungen, die von bekannten Techniken abgeleitet und angepasst wurden, auszuführen. Alternativ kann in Situationen, in denen sich eine zu behandelnde Zelle nicht innerhalb einer Matrix befindet, die Zelle direkt entsprechend einem nachstehend angegebenen Prozess behandelt werden, ohne die Matrix vorbehandeln zu müssen. Wenngleich die nachstehende Behandlung hauptsächlich für die Transfektion beschrieben wird, sind Verfahren und Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung gleichermaßen auf einen Transformationsprozess oder andere Prozesse für das Einbringen eines exogenen Materials in eine durchlässig gemachte Zellmembran anwendbar.
  • Im allgemeinen neigen kühle Temperaturen von weniger als 25°C, vorzugsweise von weniger als 15°C und bevorzugter von 4°C oder weniger dazu, die Abbauwirkungen von Enzymen in der Probe zu minimieren und dadurch die Integrität zu isolierender biologischer Komponenten zu bewahren. Zellen, insbesondere Säugetierzellen, können ihre Lebensfähigkeit jedoch besser bei höheren Temperaturen, wie 30 bis 37°C, erhalten. Diese Temperaturen ermöglichen auch, dass Enzyme hinzugefügt werden, um die selektive Zerstörung der Matrix zu unterstützen.
  • Alternativ kann die Probentemperatur unterhalb von 0°C liegen. Außer unter speziellen Bedingungen wird die Probe hierdurch gefroren oder in einem gefrorenen Zustand gehalten. Das Gefrieren kann vorteilhaft sein, falls dadurch das Auseinanderbrechen der Matrix verbessert wird, während ermöglicht wird, dass die Zelle verhältnismäßig intakt bleibt. Beispielsweise können beim Gefrieren gebildete Eiskristalle außerhalb der Zellen selektiv größer sein. Weil diese Kristalle dazu neigen können, akustische Energie besser zu absorbieren als Wasser, kann die Zerstörung der Matrix verstärkt werden. Wenngleich das Überleben und die Integrität von Zellen verringert werden, könnte eine solche Prozedur die Einfachheit der Transfektion mit einem exogenen Material nach dem Auftauen der Probe erhöhen.
  • Die für das Ändern der Durchlässigkeit einer Zelle verwendeten Wellenformen werden abhängig von der jeweiligen An wendung verfeinert. Typischerweise ist die Schockwelle durch eine schnelle Schockfront mit einem Spitzenüberdruck, beispielsweise etwa 100 MPa, und einem Spitzenunterdruck, beispielsweise etwa –10 MPa, gekennzeichnet. Diese Wellenform weist eine Dauer von einigen Mikrosekunden, in der Größenordnung von etwa 5 Mikrosekunden, auf. Falls die negative Spitze größer als etwa 1 MPa ist, können sich Kavitationsblasen bilden. Die Kavitationsblasenbildung hängt auch vom umgebenden Medium ab. Beispielsweise ist Glycerol ein die Kavitation hemmendes Medium, während flüssiges Wasser ein die Kavitation förderndes Medium ist. Durch das Kollabieren von Kavitationsblasen werden "Mikrostrahlen" und Turbulenzen gebildet, die auf das umgebende Material treffen.
  • Schallwellen, nämlich akustische Wellen bei Intensitäten unterhalb der Schockschwelle, stellen ein alternatives Mittel für das Auseinanderbrechen der Matrix bereit, um Zugang zu den Plasmamembranen der Zellen zu ermöglichen, um eine Transformation zu ermöglichen. Solche Schallwellen können durch einen beliebigen bekannten Prozess erzeugt werden. Wenn biologisches Material Temperaturen unter null Grad ausgesetzt wird, beispielsweise einer Temperatur von etwa – 5°C, befindet sich der größte Teil des Wassers, jedoch nicht alles, in der festen Phase. Bei gewissen biologischen Geweben verbleiben jedoch aus mehreren Gründen, wie natürlichen "Antigefrier"-Molekülen oder Bereichen höherer Salzkonzentrationen, noch Mikrodomänen flüssigen Wassers. Wenn daher eine Probentemperatur während der Behandlung mit Schall- oder Schockwellen geändert wird, können Mikrodomänen flüssigen Wassers Schockwellen bilden und die Bildung und das Kollabieren von Kavitationsblasen induzieren, wodurch sich Scherspannungen ergeben, die auf umgebende Gewebe einwirken. Tatsächlich kann eine allmähliche Änderung der Probentemperatur wünschenswert sein, weil dadurch fo kussierte Domänen flüssigen Wassers zum Auftreffen auf das umgebende Material bereitgestellt werden. Die Wellen können entweder direkt, als piezoelektrische Impulse, oder durch ein vermittelndes Medium auf die Proben angewendet werden. Dieses Medium kann Wasser, ein Puffer, ein stabilisierendes Medium für das zu isolierende Zielgewebe oder ein Extraktionsmedium für das Ziel sein. Ein vermittelndes Medium kann auch ein Festkörper sein, der aus einem Material besteht, das natürlicherweise fest ist, oder aus einer gefrorenen Lösung besteht. Wellen können auch durch einen Behälter in der Art einer Mikrotiterplatte angewendet werden.
  • Die Techniken, die zum Aufbrechen einer Matrixstruktur verwendbar sind, können angepasst werden, und die verbesserten Techniken können verwendet werden, um das Einbringen exogenen Materials in Zellen zu erleichtern. Das exogene Material kann DNS, RNS, andere Nukleinsäurekonstrukte, Nukleinsäuremonomere, Plasmide, Vektoren, Viren, Saccharide, Polysaccharide, Aminosäuren, Aminosäureketten, Enzyme, Polymere, organische Moleküle, anorganische Moleküle, Proteine, Cofaktoren und/oder Visualisierungsreagenzien, wie Fluoreszenzproben, sein. In dieser Anmeldung werden Schockwellen oder Schallwellen verwendet, um die Matrix zu lösen, wie im wesentlichen vorstehend beschrieben wurde. Die Anwendungsintensität akustischer Energie wird jedoch ausreichend kurz oder unterhalb einer kritischen Energieschwelle gehalten, so dass die Zellintegrität vollständig beibehalten wird, wie durch ein Verfahren, wie eine Farbstoffexklusion, geprüft wird.
  • An diesem Punkt oder optional zuvor wird eine Lösung oder eine Suspension, die das in die Zellen aufzunehmende Material enthält, zu der Probe hinzugefügt. Bei einer Ausführungsform wird das exogene Material in einer herkömmlichen Weise in die Zellen eingebracht, wie auf dem Fachgebiet für Zellen mit freigelegten Plasmamembranen bekannt ist. Bei einer anderen Ausführungsform wird akustische Energie verwendet, um eine Plasmamembran transient durchlässig zu machen, um das Einbringen exogener Materialien in die Zellen zu erleichtern. Das exogene Material kann während der Abschwächung der Matrix durch akustische Energie in der Probe vorhanden sein. Selbst wenn die Zellen intakt bleiben, wie durch Farbstoffexklusion oder andere Lebensfähigkeitsmessungen bestimmt wird, werden durch den Prozess des Schwächens der Zellmatrix durch akustische Energie die Plasmamembranen transient destabilisiert, wodurch die Aufnahme exogener Makromoleküle und exogener Strukturen erhöht wird. Falls eine weitere Erhöhung der Aufnahmerate erforderlich ist, wird die Intensität oder die Zeit der Anwendung akustischer Energie leicht erhöht, bis die Zellmembran transient durchlässig wird. Beispielsweise wird ein leichter Impuls oder eine leichte Welle mit einer vorbestimmten Amplitude auf die Mischung angewendet. Diese Amplitude kann in einer ähnlichen empirischen Weise wie in den vorstehend beschriebenen Schritten zum Bestimmen einer geeigneten Behandlung für das Auseinanderbrechen einer Matrix in getrennten Experimenten an Proben desselben Typs leicht bestimmt werden, um eine Plasmamembran eines Zelltyps transient porös zu machen. Während des transienten porösen Zustands diffundieren exogene Materialien in die Zelle, und die Materialien werden dort eingefangen, sobald der Schall- oder Schockimpuls entfernt wurde.
  • Ein Hauptvorteil dieser Verfahren für die Transfektion oder ein anderes Aufnehmen exogenen Materials in lebende Zellen besteht darin, dass die Verfahren leicht für eine Vergrößerung des Maßstabs, für eine Automatisierung und für eine erhebliche Verringerung der Probengröße und des Reagensvolumens anpassbar sind. Die Wannen von Mikroplatten können für eine Schallbehandlung, eine Transfektion und eine Nach transfektionsdemonstration einer erfolgreichen Aufnahme hinzugefügten Materials verwendet werden. Beispielsweise kann ein extrazelluläres nicht aufgenommenes Reagens, beispielsweise ein fluoreszierendes Material, durch ein Material inaktiviert werden, das nicht durch die Zellmembran hindurchtritt, wie ein Enzym oder bestimmte hydrophile oder amphiphile kleinmolekulare Reagenzien. Dann kann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des benötigten Materials direkt in der Probe, beispielsweise durch Spektroskopie, bestimmt werden. Demgemäß sind die Verfahren, zum großen Teil, weil sie keine Isolation der Zellen von ihrer Matrix benötigen, an eine Automatisierung großen Maßstabs anpassbar. Zusätzlich sind diese Verfahren für einen kontinuierlichen Strömungsprozess in der Art desjenigen, der nachstehend für die Sterilisation beschrieben wird, geeignet. Beispielsweise kann die Schallenergiebehandlung für die Permeabilisierung von jener für die Sterilisation verschieden sein, die zu behandelnde Probe kann jedoch in ähnlicher Weise wie für die in 7 beschriebene Sterilisation durch eine Vorrichtung strömen.
  • Die durchlässig gemachten Zellen können unter Verwendung Fachleuten bekannter Techniken transformiert oder einer Transfektion unterzogen werden, beispielsweise durch Elektroporation, Vakuumtransfektion oder unter Verwendung viraler Vektoren, Agrobakterien, Liposomen oder anderer Überführungsvehikel, Plasmide oder bloße Nukleinsäuren. Die Pufferbedingungen können während des Prozesses geändert werden. Beispielsweise kann eine anfängliche Permeabilisierung mit Chemikalien geschehen, um die äußere Zellwand selektiv zu ändern, während in dem Schritt des Durchlässigmachens der Kernwand andere Chemikalien oder Biochemikalien hinzugefügt werden können, um eine selektive Aufnahme herbeizuführen.
  • Zusätzlich können mit dem Prozess der Permeabilisierung und mit dem Mischprofil andere Techniken für den Gentransfer verbessert werden. Beispiele umfassen Calciumphosphatcopräzipitation, Elektroporation und Rezeptor-abhängige Prozesse.
  • D. Sterilisierung
  • Die Begriffe "Sterilisieren", "Desinfizieren", "Konservieren", "Dekontaminieren", "Deaktivierung", "Desinfizieren" und "Abtöten" werden hier austauschbar verwendet, es sei denn, dass es der Kontext anders erfordert. "Sterilisation", nämlich Abtöten aller Organismen, kann bei bestimmten Operationen nicht synonym mit "Dekontamination" sein, wenn der Kontaminant beispielsweise nicht lebendig ist, wie ein Protein oder ein Prion. Diese Begriffe bedeuten typischerweise im Wesentlichen die Beseitigung jeder Aktivität eines bestimmten Organismus und/oder Teilchens oder das erhebliche Stören davon.
  • Verfahren zur Permeabilisation bzw. Durchlässigmachung und Extraktion, die vorstehend beschrieben wurden, können modifiziert werden, um eine Probe zu sterilisieren. Die Vorrichtungen und Verfahren zum Sterilisieren können für eine wirksame Sterilisation bestimmter Materialien in bestimmten Volumina und Behältern optimiert werden. Für ein bestimmtes zu sterilisierendes Material wird ein anfänglicher Satz von Bedingungen ausgewählt. Solche Bedingungen können einen Typ eines Schallimpulsgenerators, die Intensität der Schallenergie, die Frequenz der Schallenergie, wo relevant, und/oder vergleichbare Variablen einschließen. Die Bedingungen können auch Volumen, Transportmodus und/oder Aussetzen der zu sterilisierenden Materialien einschließen. Dann werden die Anfangsbedingungen und nahe Varianten auf die Probe angewendet, und der Prozentsatz der abgetöteten Zel len oder Viren wird durch Standardanalysebedingungen bestimmt. Weitere Variablen werden zur Änderung ausgewählt. Dementsprechend wird eine Zone maximalen Abtötens des Testorganismus gefunden. Schließlich werden andere Variablen, wie die Strömungsrate und/oder die Länge und/oder die Intensität der Schallexposition, optimiert, um eine technische Lösung und auch eine kommerziell verwendbare Lösung für das Problem des Sterilisierens eines bestimmten Materials bereitzustellen. Beliebige dieser empirisch bestimmten Werte können in ein Steuersystem einer zur Sterilisation verwendeten Vorrichtung programmiert werden, um die Sterilisation aktiv zu steuern, oder die Vorrichtung kann diese Werte zuvor bestimmt haben, so dass ein Benutzer nur einen bestimmten Sterilisationsmodus an der Vorrichtung auszuwählen braucht.
  • Für viele Flüssigkeiten wird eine angemessene Sterilisation durch Zerstören der Zellwände von Bakterien, Pilzen und anderen lebenden Zellen bereitgestellt. Dieses Ergebnis wird durch die Verwendung von Frequenzen und Wellenlängen von Schall erreicht, welche die Membranen der Zellen bevorzugt anregen, während die Lösung minimal erwärmt wird, bis die Zellen lysiert sind. Bei den meisten Zellenorganismen wird der Organismus beim Öffnen der Membran und Zulassen, dass sich der Inhalt mit einem extrazellulären Fluid mischt, abgetötet.
  • Viren können der Lösung durch eine ähnliche Verarbeitung geöffnet werden. Im Fall von Viren kann es nicht angemessen sein, ihre innere Nukleinsäure der Lösung auszusetzen, um sie vollständig zu deaktivieren, weil die bloße DNS oder RNS auch infektiös sein kann. Hilfsmittel, wie Iod oder Nukleinsäure verdauende Enzyme in der Lösung, können bereitgestellt werden, um die Deaktivierung der Viren abzuschließen.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 50 zum Sterilisieren eines kontinuierlich fließenden Fluids. Beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung, kann die Vorrichtung für das Sterilisieren von Blut oder anderen einem Patienten zugeführten Fluiden verwendet werden. Gemäß dieser Ausführungsform fließt Fluid durch das Lumen einer Leitung 54 zwischen einem ersten Verbindungselement 62 und einem zweiten Verbindungselement 56. Die Verbindungselemente 56, 62 können Luer-Verbindungen sein, und die Verbindungselemente können mit anderen Schläuchen und/oder Vorrichtungen (nicht dargestellt) verbunden sein, die das Fluid bereitstellen oder empfangen. Das Fluid bewegt sich zwischen den Verbindungselementen 56, 62 in eine durch einen Pfeil 58 angegebene Richtung. Eine Schallenergiequelle 60 in der Art eines fokussierten Ultraschallwandlers hoher Intensität befindet sich neben der Leitung 54, und die Schallenergie wird an eine Brennpunktzone abgestrahlt, die sich zumindest teilweise innerhalb der Leitung 54 befindet. Viele verschiedene Anordnungen einer Schallenergiequelle oder von Schallenergiequellen sind möglich, so dass Schallenergie zu einer Brennpunktzone in das innerhalb der Leitung enthaltene Fluid abgestrahlt wird. Die Temperatur des durch die Leitung 54 fließenden Fluids kann mit einem Sensor (nicht dargestellt) überwacht werden, der beispielsweise Infrarotenergie von dem Fluid empfängt, während es durch die Leitung 54 fließt. Alternativ kann die Leitung mindestens ein Fenster oder einen dünnen Membranabschnitt aufweisen, das oder der es ermöglicht, dass Infrarotstrahlung zu dem Sensor hindurchtritt. Ein Computer mit einer adaptiven Steuerung kann eine präzise und genaue Steuerung der Temperatur des medizinischen Fluids während der Behandlung in einer ähnlichen Weise wie vorstehend beschrieben wurde bereitstellen. Auch kann während der Ultraschallbehandlung eine Rückkopplungssteuerung die Temperatur, in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben wurde, bei einem gewünschten Wert stabilisieren, um die Integrität und/oder Lebensfähigkeit zerbrechlicher Komponenten innerhalb des Fluids beizubehalten. Falls das Fluid beispielsweise Blut ist, kann eine zerbrechliche Komponente, die beibehalten wird, der Faktor VIII sein. Zusätzlich wird durch Strömenlassen des Fluids am Brennpunkt vorbei eine "blasenfreie" Brennpunktzone beibehalten. Wenngleich Blut aus einem Patienten entfernt werden könnte, gemäß der Erfindung außerhalb des Patienten, der ex vivo behandelt wird, behandelt werden könnte und zum Patienten zurückgeführt werden könnte, sind auch andere Behandlungssituationen möglich. Beispielsweise kann das Blut einer Person gemäß der Erfindung entnommen und behandelt werden und dann einer zweiten Person während einer Transfusion gegeben werden. Zusätzlich wird angenommen, dass die sterilisierenden Qualitäten von Behandlungen gemäß der Erfindung immer dann nützlich sind, wenn ein Fluid sterilisiert werden muss.
  • Bei einem anderen Sterilisierungsbehandlungsmodus und einer anderen Sterilisierungsbehandlungsvorrichtung und insbesondere für Anwendungen großen Volumens kann eine breite, flache Zone sterilisierender Schallenergie durch Gegenüberstellen eines Paars von Platten, um eine sterilisierende Zelle zu bilden, erzeugt werden. Mindestens eine der Platten ist ein Emitter von Schallenergie. Die sterilisierende Zelle wird geeignet versiegelt, so dass die Zelle ein versiegeltes Innenvolumen aufweist, wobei Verbindungen für eine Fluidströmung in die Zelle und aus dieser heraus vorhanden sind. Die Fluidströmung durch die Zelle kann unter diesen Umständen im Wesentlichen laminar sein, wodurch eine geeignete Strömungsratenauswahl erleichtert wird, um ein ausreichendes Aussetzen des Fluids gegenüber Schallenergie, um eine Sterilisation zu erzeugen, bereitzustellen.
  • Bei einem alternativen Sterilisierungsbehandlungsmodus und einer alternativen Sterilisierungsbehandlungsvorrichtung wird Fluid durch eine Zone sterilisierender Schallenergie befördert, indem es in einer Leitung durch die Zone gepumpt wird. Die Leitung selbst kann in eine Flüssigkeit oder ein festes Material eingetaucht sein, die oder das dafür ausgelegt ist, die Wirksamkeit zu verbessern, mit der Schallenergie von dem Schallenergieemitter dem beförderten Fluid zugeführt wird. Die Leitung kann auch direkt mit einer Schallenergiequelle in der Art einer röhrenförmigen piezoelektrischen Wellenquelle verbunden sein. Falls die chemische Verträglichkeit angemessen ist, kann ein Teil der Leitung selbst aus einem Material bestehen, das Schallwellen erzeugen kann, beispielsweise aus einer piezoelektrischen Keramik. Alternativ können beliebige dieser Behandlungsprozesse ein Herstellungsstapelprozess für intravenöse Produkte sein.
  • E. Mischen, Rühren und Erwärmen
  • Bei Fluidproben, einschließlich pulverförmiger und körniger Medien und Gase, wird die Probenmischung herkömmlicherweise durch Verwirbeln oder Rühren, oder durch andere Verfahren, wie Umdrehen einer einen Luftraum enthaltenden Probe und Schütteln, ausgeführt. Das Verwirbeln wird im wesentlichen durch mechanische Bewegung des gesamten Gefäßes erreicht, während das Rühren einen mechanischen Kontakt einer angetriebenen Vorrichtung mit einem Fluid beinhaltet. Das Rühren wird mit einer Vielzahl von Vorrichtungen, beispielsweise mit Propellern, Impellern, Paddeln und magnetischen Rührstäben, erreicht. Ein bei diesen Verfahren auftretendes Problem besteht darin, dass es schwierig ist, ihren Maßstab zu vergrößern, um Dutzende oder Hunderte von Probengefäßen auf einmal zu behandeln. Ein anderes Problem bei diesen Verfahren ist die Schwierigkeit des Mischens mehrerer Pro ben, während jede der Proben im Wesentlichen frei von Verunreinigungen gehalten wird. Wie nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben wird, können erfindungsgemäße Verfahren Schallenergie zum Mischen einer Probe verwenden, während Probleme mit Verunreinigungen vermieden werden. Faktoren, wie die Fokussierung der Schallenergie sowie ein auf andere Weise geschehendes Steuern der akustischen Wellenform der Schallenergie, können verwendet werden, um eine Probe selektiv zu mischen, beispielsweise durch akustische Stromerzeugung und/oder Mikrostromerzeugung.
  • Eine Fluidprobe kann unter Verwendung des hier beschriebenen Systems kontrolliert bzw. gesteuert gemischt werden. Es ist kein direkter Kontakt zwischen dem zu mischenden Material und der Schallenergiequelle erforderlich. Wenn sich das zu mischende Material in einem Behandlungsgefäß in der Art einer Mikroplatte befindet, wird das Behandlungsgefäß selbst nicht notwendigerweise von der Quelle berührt und ist typischerweise durch ein Fluidbad mit der Quelle gekoppelt.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen kann ein Behandlungsprozess für das Mischen einer Probe in einem Behandlungsgefäß folgendermaßen zusammengefasst werden. Erstens wird eine Probe bei einer verhältnismäßig hohen ersten Behandlungsleistung mit Schallenergie behandelt, um die Probe durch Absorption akustischer Energie zu erwärmen. Zweitens wird die Probe bei einer zweiten Schallenergieleistung, die kleiner oder gleich der ersten Behandlungsleistung sein kann, gemischt, um die Probe durch erzwungene Konvektion durch Material in dem Behandlungsgefäß, das mit einem Bad fester Temperatur oder einem Reservoir fester Temperatur in Kontakt stehen kann, auf ihre ursprüngliche Temperatur zurückzukühlen.
  • Bei manchen Ausführungsformen wird eine Quelle fokussierter Ultraschallwellen verwendet. Die Quelle wird in einem Wasserbad oder einer Entsprechung, wodurch eine Temperatursteuerung bereitgestellt werden kann, angebracht. Die Mikroplatte mit Proben in den Wannen wird so positioniert, dass der Brennpunkt des Strahls innerhalb der Wanne liegt. Die Platte wird so positioniert, dass die Böden der Wannen in Kontakt mit dem Wasser oder einem anderen Fluid in dem Bad stehen oder darin eingetaucht sind. Dann wird ein Ultraschallenergieburst auf die Wanne angewendet. Dieser Burst bewirkt ein Rühren in der Wanne durch die Bildung einer Konvektionszelle. Das Rühren lässt sich durch Hinzufügen teilchenförmigen Materials zu den Wannen oder durch Hinzufügen eines Farbstoffs in einer dichteren oder leichteren Lösung leicht sichtbar machen.
  • Es ist möglich, ein Schallfeld auszuwählen, das alle Wannen einer Platte zu einer Zeit rührt. Bei einer Ausführungsform wird ein im Wesentlichen gleichmäßiges Feld durch eine Quelle, die vorzugsweise die Böden der Wannen anregt, auf die Platte projiziert. Diese Anregung treibt wiederum eine konvektive Strömung in jeder der Wannen an.
  • Bei jeder Ausführungsform kann es nützlich sein, das Probenbehandlungsgefäß, beispielsweise durch "Zittern" der Platte oder Wanne, die behandelt wird, in Bezug auf die Quelle, zu bewegen. Das Zittern, wie es in der Optik und beim Laserdrucken verwendet wird, ist eine schnelle zwei- oder dreidimensionale Bewegung der Energiequelle und/oder des Ziels von Seite zu Seite. Die Zitterbewegung oder andere Bewegungstypen können Variationen der Quellenintensität durch Variationen der abgestrahlten Schallenergie oder des Orts der Probe in bezug auf die Quelle ausgleichen. Die Zitterbewegung kann auch verhindern, dass sich Teilchen an den Wänden der Wanne ansammeln.
  • F. Verbessern von Reaktionen und Trennungen
  • Bei bestimmten Ausführungsformen können die Temperatur, das Mischen oder beide mit Ultraschallenergie gesteuert werden, um die chemische Reaktion zu verbessern bzw. zu verstärken. Beispielsweise kann die Assoziationsrate zwischen einem in einer zu behandelnden Probe vorhandenen Liganden und einem exogen zugeführten Bindungspartner beschleunigt werden. In einem anderen Beispiel wird eine Analyse ausgeführt, wobei die Temperatur aufrechterhalten wird und das Mischen verstärkt wird, um die Assoziation von zwei oder mehr Molekülen, verglichen mit Umgebungsbedingungen, zu verbessern. Es ist möglich, die verschiedenen Aspekte des hier beschriebenen Prozesses zu kombinieren, indem eine Mischung zuerst Wärme ausgesetzt wird und gemischt wird, um einen Liganden oder Analyten in der Mischung von endogenen Bindungspartnern in der Mischung zu trennen. Die Temperatur, das Mischen oder beide werden von der Anfangsbedingung zum Verstärken der Ligandenkomplexbildung mit einem exogen zugeführten Bindungspartner in Bezug auf eine Bildung eines Komplexes aus einem Liganden und einem endogenen Bindungspartner bei einer Umgebungstemperatur und einem Mischen geändert. Im allgemeinen liegen die zweiten Temperatur- und/oder Mischbedingungen zwischen Umgebungsbedingungen und den Bedingungen, die im vorstehend erwähnten ersten Trennschritt verwendet werden. Bei der zweiten Temperatur- und Mischbedingung wird der getrennte Ligand mit dem exogen zugeführten Bindungspartner zur Reaktion gebracht.
  • Thermische Zyklusbildung bei der Polymerasekettenreaktion ("PCR")
  • Einer der Engpässe der PCR-Technik ist die Kühlzeit. Der Erwärmungszyklus verläuft schnell, das Abkühlen ist jedoch durch Konvektion begrenzt. Selbst bei Biochipformaten, bei denen DNS oder ein anderes Zielmolekül in einem Feld auf einer Mikrovorrichtung immobilisiert ist, gibt es keinen "aktiven" Kühlprozess. Es können jedoch bestimmte Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, um diesen Flaschenhals zu überwinden.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen kann ein Behandlungsprozess verwendet werden, um die Probe mit einem geringen Überschießen von einer Grundlinientemperatur, bei der der Primer und das zu verstärkende Ziel wärmebehandelt werden, sowohl zu erwärmen als auch zu kühlen. Der Prozess kann folgendermaßen zusammengefasst werden. Eine Probe wird mit Schallenergie verhältnismäßig hoher Leistung behandelt, so dass die Probe Schallenergie absorbiert und erwärmt wird. Dann wird die Probe bei niedriger Leistung gemischt, um sie durch erzwungene Konvektion zu kühlen, was in Zusammenhang mit einem Kühlwasserbad erreicht werden kann. Bei manchen Ausführungsformen der Vorrichtung ist das System ein "Drytop-System", d. h. ein System, bei dem eine Mikroplatte, deren Oberteil typischerweise vorübergehend durch einen Kunststofffilm versiegelt ist, auf einem Bad mit einer geregelten Temperatur treibt oder teilweise darin eingetaucht ist. Bei dieser Anordnung kann die PCR-Reaktion beispielsweise unter Verwendung einer Infrarot-Detektionssonde in Echtzeit auf die Temperatur überwacht werden und durch Untersuchen der Aufnahme mit einem fluoreszierenden Farbstoff markierter Nukleinsäureproben in das PCR-Produkt in Echtzeit auf Reaktionsprodukte überwacht werden. Dieses "Drytop-System" ermöglicht eine Echtzeitanalyse und -steuerung des Prozesses. Informationen vom Temperatursensor können in einer Rückkopplungsschleife verwendet werden, um den Arbeitszyklus der akustischen Eingabe, wie die Anzahl der Bursts pro Sekunde, zu steuern oder andernfalls das Ausmaß der Erwärmung zu steuern. Auch kann die Fluoreszenz von ei ner eingelagerten Probe einem Computer Informationen darüber liefern, welche Wannen einen bestimmten Punkt in der Reaktion erreicht haben, beispielsweise wenn ein bestimmtes Fluoreszenzniveau gemessen wird, wodurch beispielsweise ermöglicht wird, dass der Computer die Anwendung von Schallenergie oder den Probenort steuert, so dass bestimmte Wannen in dem Verarbeitungszyklus übersprungen werden, bis andere Wannen denselben Punkt in der Reaktion erreicht haben oder diese bestimmten Wannen nicht weiter verarbeitet werden.
  • G. Reinigung, Trennung und Reaktionssteuerung
  • Fokussierte Schallfelder können verwendet werden, um Trennungen zu verbessern. Wie an anderer Stelle erwähnt wurde, können Schallbrennpunkte verwendet werden, um Wandeffekte in der Fluidströmung zu vermindern oder zu beseitigen, wobei es sich um ein wichtiges Element vieler Trennprozesse, wie Chromatographie, einschließlich Gaschromatographie, Größenausschlusschromatographie, Ionenaustauschchromatographie und andere bekannte Formen, einschließlich Feldflussfraktionierung, handelt. Die Fähigkeit, die Geschwindigkeits- und Konzentrationsgradienten eines fließenden Stroms aus der Ferne zu modulieren und/oder zu verringern oder zu beseitigen, ist in einer großen Vielzahl von Situationen anwendbar.
  • Schallfelder können auch verwendet werden, um die Konzentrationspolarisation in Membranprozessen, einschließlich Teilchenklassifikation, Filtrierung feiner Teilchen und Kolloide, Ultrafiltrierung, umgekehrter Osmose und ähnlicher Prozesse, zu minimieren. Die Konzentrationspolarisation ist das Ergebnis der Tendenz gefilterten Materials, in einer Schicht auf dem Filter in hoher Konzentration vorhanden zu sein. Diese Schicht hat eine geringe Flu idkonzentration und vermindert demgemäß die Filtrierungsrate, wenn die gefilterte Lösung konzentrierter wird, oder wenn sich die Schicht verdickt. Diese Schicht kann durch fokussierte Schallenergie geringer oder moderater Intensität aus der Ferne gerührt werden. Die Strömungsrate kann demgemäß ohne erhebliche Kosten in bezug auf die Energie oder die Membranlebensdauer erhöht werden.
  • Solche Schallenergiefelder können verwendet werden, um die Reaktionsraten in einem viskosen Medium zu erhöhen, indem ein fernes Rühren in einem mikroskopischen Maßstab bei einer minimalen Erwärmung und/oder Probenbeschädigung bereitgestellt wird. Beispielsweise beruhen einige Gehaltsbestimmungen auf der Absorption von Analyten durch Reagenzien, wie Antikörper, die an makroskopische Teilchen gebunden sind. In einem zu analysierenden viskosen Fluid, wie Sputum oder homogenisierter Stuhl, kann die Fähigkeit, eine solche Probe fern, aseptisch und im wesentlichen isotherm zu rühren, die zeit erheblich verkürzen, die erforderlich ist, um ein Gleichgewicht des Analyten mit den Reagenzien auf dem Teilchen zu erhalten.
  • Ebenso kann jede bimolekulare Reaktion (Reaktion zweiter Ordnung), bei der die Recktanten nicht auf einer molekularen Skala gemischt sind, wobei beide homogen in der gleichen Phase gelöst sind, möglicherweise durch Rühren mit Schall beschleunigt werden. Bei größeren Skalen als einigen Nanometern können durch Konvektion oder Rühren möglicherweise lokale Konzentrationsgradienten minimiert werden und dadurch die Reaktionsrate erhöht werden. Dieser Effekt kann wichtig sein, wenn beide Recktanten Makromoleküle, wie ein Antikörper und ein großes Ziel für den Antikörper, wie eine Zelle, sind, weil ihre Diffusionsraten verhältnismäßig gering sind und ihre Desorptionsraten nicht signifikant sein können.
  • Diese Vorteile können kostengünstig an mehreren Proben in einem Feld in der Art einer Mikrotiterplatte verwirklicht werden. Die Verwendung eines fernen Schallmischens stellt eine im wesentlichen momentane Startzeit für eine Reaktion bereit, wenn die Probe und analytische Reagenzien verschiedene Dichten aufweisen, weil in kleinen Gefäßen, wie Wannen einer 96- oder 384-Wannen-Platte, eine geringe Mischung auftritt, wenn eine Probe normaler Dichte (etwa 1 g/cm3) schichtförmig über einer Reagenzmischung höherer Dichte liegt. Ein fernes Schallmischen kann die Reaktion zu einer definierten Zeit einleiten und ihre Rate steuern, wenn dies erforderlich ist. Die Funktionen der schrittweisen Bewegung und des Versetzens in eine Zitterbewegung ermöglichen es, dass mehrere Ablesungen des Fortschritts der Reaktion vorgenommen werden. Der Modus für das Erfassen von Reaktionsbedingungen kann, falls erforderlich, zwischen Proben geändert werden. Tatsächlich können Beobachtungen durch mehrere Überwachungstechniken, beispielsweise durch die Verwendung verschiedener optischer Techniken, bei jedem Durchgang durch einen oder mehrere Detektionsbereiche an derselben Probe verwendet werden.
  • H. Weitere Verwendungen für eine fern betätigte und gesteuerte Lösungsmischung mit Schallenergie
  • Die Steuerung der Schallenergieemission, der Schallenergieeigenschaften und/oder des Orts eines Ziels in bezug auf Schallenergie kann auch zum Pumpen und Steuern der Strömungsrate von Flüssigkeiten, insbesondere in Kapillaren, zum Verstärken chemischer Reaktionen in der Art des Verstärkens von Reaktionsraten zweiter Ordnung, zum Erhöhen der effektiven Reynolds-Zahl in einer Fluidströmung und zum Steuern der Dispersion halbfester Substanzen verwendet werden.
  • Durch Fokussieren von Schallenergie und Positionieren in der Nähe einer Wand eines Gefäßes, einer Wand eines Rohrs oder einer anderen Diskontinuität in einem Fluidweg können viele lokale Differenzen in der Verteilung von Materialien innerhalb einer Probe und/oder räumlich abgeleitete Reaktionsbarrieren, insbesondere in reaktiven und strömenden Systemen, auf die minimalen Verzögerungen verringert werden, die für eine mikroskopische Diffusion benötigt werden. Anders ausgedrückt, kann ein verbessertes Mischen in Situationen erhalten werden, in denen eine nicht vollkommene Mischung üblich ist. Der Bereich dieser Situationen wird nachstehend erläutert.
  • Steuerung von Strömungsraten von Fluiden
  • Die Miniaturisierung analytischer Verfahren, wie die Analyse auf einem Chip, erfordert gleichzeitig Abmessungen für Fluidströmungswege in der Größe von Miniaturkapillaren. Die Schallanregung stellt eine zweckmäßige, einfache und sterile Art bereit, die Strömung in Kapillaren zu beschleunigen. Während der Anregung ist das Fluid lokal turbulent und strömt daher leichter. Durch selektive oder zeitlich festgelegte lokale Schallanregung, die optional mit einer Rückkopplungsschleife gesteuert wird, kann die Strömungsrate durch komplexe Mikrofluidwege in einer gesteuerten Weise fern manipuliert werden.
  • Erhöhung der effektiven Reynolds-Zahl in einer Fluidströmung
  • Bei kleinen Reynolds-Zahlen ist das Geschwindigkeitsprofil einer laminaren Fluidströmung in einem Rohr oder einer an deren Leitung in etwa parabolisch. Fluid in der Mitte des Rohrs strömt erheblich schneller als Fluid in der Nähe der Wand. Daher erfolgt eine Konvertierung von in dem Rohr mitgeführtem Fluid von einem Fluid zu einem anderen recht langsam und im Prinzip unendlich langsam.
  • Dieser Effekt verschwindet im wesentlichen bei höheren Reynolds-Zahlen, weil Turbulenz das Fluid in der Mitte mit Fluid am Rand sehr schnell mischt, so dass Zusammensetzungsdifferenzen schnell beseitigt werden. Es gibt jedoch erhebliche Nachteile für das Betreiben einer Fluidleitung unter turbulenten Bedingungen, einschließlich eines hohen Staudrucks und eines entsprechend hohen Energieaufwands.
  • Falls Schallenergie in, an oder in der Nähe der Wand des Rohrs fokussiert wird, kann in der Nähe der Fluid/Wand-Grenze lokale Turbulenz ohne eine hohe Rate an Volumenfluidströmung erhalten werden. Die Anregung des Fluids in der Nähe der Wand in einem kontinuierlichen, gescannten oder Burst-Modus kann zu einer schnellen Homogenisierung der Fluidzusammensetzung gleich stromabwärts der Erregungszone führen. Hierdurch wird die Front zwischen irgendwelchen zwei Fluiden, die nacheinander durch ein Rohr hindurchtreten, verschärft.
  • Dieser Effekt ist auf mehreren Gebieten nützlich, einschließlich Chromatographie, Fluidströmung in analytischen Vorrichtungen, wie klinischen Analysatoren der chemischen Zusammensetzung, und der Konvertierung des Fluids in einer Pipeline von einem Grad oder Typ zu einem anderen. Weil der größte Teil des Effekts in einer schmalen Zone auftritt, braucht typischerweise nur eine schmale Zone der Leitung durch Schall angeregt zu werden. Beispielsweise kann bei manchen Anwendungen die Brennpunktzone der Schallenergie der Bereich sein, der einem Ventil oder einer anderen Vor richtung am nächsten liegt, wodurch das Umschalten der Zusammensetzung eingeleitet wird. Bei beliebigen dieser Anwendungen kann eine Rückkopplungssteuerung auf einer lokalen Temperaturerhöhung in dem Fluid an einem Punkt in der Nähe des Erregungsbereichs oder stromabwärts von diesem beruhen.
  • Erhöhung der Reaktionsraten zweiter Ordnung
  • Eine Mikrobeschallung kann verwendet werden, um die Rate chemischer Reaktionen in einem viskosen Medium zu beschleunigen oder zu homogenisieren. Die Strömung einzelner Moleküle und von Wärme erfolgt in einem viskoseren Medium im allgemeinen langsamer. Beispielsweise ist es schwieriger, Sirupe mit Wasser zu mischen als Essig mit Wasser zu mischen. Ähnlich wird es in einer wässrigen Lösung zunehmend schwierig, die Rate aufrechtzuerhalten, mit der lösliche Monomere eine Polymerisationsreaktion unter Bildung eines löslichen Polymers durchmachen, wenn das Molekulargewicht des Polymers mit jedem hinzugefügten Monomer zunimmt, weil die Viskosität der Lösung zunimmt.
  • Das Mischen von Sirupen und Wasser mit einem Rührer ist einfach, jedoch nicht auf einfache Weise steril auszuführen, und ein Polymer kann durch Scherwirkungen beschädigt werden, die durch Rühren mit einem Rührer hervorgerufen werden. Durch eine fokussierte Beschallung können vorsterilisierte Flüssigkeiten leicht verunreinigungsfrei fern gemischt werden. Fokussierte Schallenergie kann auch polymerisierende Materialien ohne Anwendung makroskopischer Scherkräfte mischen und so die Scherbeschädigung des gebildeten Polymers minimieren. Ähnlich kann eine Polymerasekettenreaktion durch kurze Impulse von Schallenergie oder durch längere Impulse, die auch die gewünschten Temperaturerhöhungen bereitstellen, beschleunigt werden, um die Ver zögerung der Reaktion infolge einer lokalen Verarmung der Nukleotidtriphosphatmonomere zu verhindern.
  • Gesteuerte Dispersion halbfester Substanzen
  • Hochviskose Flüssigkeiten, einschließlich Materialien, die im wesentlichen als Feststoffe oder nahezu Feststoffe wirken, können mit einer erhöhten Rate strömen, wenn sie durch eine ferne oder lokale Schallquelle angeregt werden. Diese Anregung kann unter Rückkopplungssteuerung erfolgen. Dieser Effekt kann durch lokale Verringerung der Impedanz für die Strömung durch Wände einer Leitung, wie vorstehend beschrieben wurde, und durch lokale Erwärmung von einer Schallenergieeingabe hervorgerufen werden. Als ein einfaches Beispiel kann die effektive Viskosität der Tinte eines Tintenstrahls und damit ihre Abgaberate durch fokussierte, lokalisierte Schallenergieabgabe gesteuert werden. Analoge Verwendungen sind möglich, wo immer die Viskosität eines Fluids, einschließlich eines Halbfestkörpers oder eines schmelzbaren Festkörpers, signifikant ist. Ebenso kann das Auftreten einer Strömung teilchenförmiger Materialien in einem Fluid, in dem die Teilchen unlöslich sind, durch fokussierte, gesteuerte Schallwellenformen selektiv stimuliert oder beschleunigt werden.
  • Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden nicht einschränkenden Beispiele besser verständlich werden.
  • IV. Beispiele
  • Beispiel 1: Isolation intrazellulärer Komponenten von Zellen
  • Um das Verständnis dieser Erfindung weiter zu erleichtern, wird eine Prozedur für die Isolation intrazellulärer Komponenten von in eine Matrix eingebetteten Zellen beschrieben. Eine Probe mit einem Volumen von etwa 100 mm3 wird in jede Wanne einer Mehrwannenplatte in der Art einer 96-Wannen-Platte mit einer Kapazität von etwa 200 Mikroliter (200 mm3) eingebracht. Die gesamte Platte wird dann gefroren und auf etwa –40°C abgesenkt. Dann werden etwa 100 Mikroliter einer auf 4°C vorgekühlten Extraktionslösung zu jeder Wanne hinzugefügt, während die Platte bei –40°C gehalten wird. Hierdurch wird die Probentemperatur bei –20°C oder darunter gehalten, während in der Wanne eine glatte Oberfläche für die Kopplung mit der Wellenquelle bereitgestellt wird. Eine Schicht flexibler Kunststofffolie wird optional an der Platte befestigt, um eine Querverunreinigung zwischen den Inhalten der Wannen oder zwischen den Wannen und der Wellenquelle zu verhindern. Eine Quelle piezoelektrischer Wellen wird bereitgestellt und auf der Platte positioniert. Die Quelle weist 96 Stifte in dem geeigneten Feld auf, und jeder Stift ist, vorzugsweise entfernbar, mit einem piezoelektrischen Treiber verbunden, der in einem gemeinsamen Halter für die Stifte, die Treiber und zugeordnete Schaltungsanordnung getragen wird. Dann wird eine Reihe elektrischer Impulse auf die Treiber angewendet, um Schockwellen in den Proben zu erzeugen. Die Anwendung der Impulsreihe wird vorzugsweise durch eine automatische Steuereinrichtung in der Art eines eigens ausgelegten Chips oder ei nes programmierten Computers getrieben. Die Wellenquelle wird, vorzugsweise robotergesteuert, entfernt, und die Platte wird schnell auf 4°C erwärmt. Die 96 Lösungen in den Wannen der Platte werden durch eine leichte Schallvibration bei einer Intensität bewegt, die zu niedrig ist, um die Zielmoleküle mechanisch zu beschädigen. Nach einer definierten Inkubationsperiode von beispielsweise 30 Sekunden wird die Platte, die noch die Kunststofffolie trägt, zu einer Zentrifuge entfernt, um Rückstände zu Pellets zu formen, und die oberen 50 Mikroliter jeder Probe werden zur weiteren Analyse entfernt.
  • Beispiel 2: Regelung der Gleichgewichtszustandstemperatur mit einer gesteuerten Wellenformerzeugung zum gleichmäßigen Mischen einer Probe
  • In diesem Beispiel wurde der Arbeitszyklus einer Ultraschallbehandlung, verglichen mit einem 100-%-Dauerstrich-Arbeitszyklus, geändert, um die Erhöhung der Gleichgewichtszustandstemperatur innerhalb einer Probe zu verringern.
  • Ein 1,1-MHz-Hochleistungswandler wurde auf ein Probenbehandlungsgefäß angewendet. Das Probenbehandlungsgefäß bestand aus zwei Schichten eines Dünnfilms. Der Boden bestand aus einer kugelförmigen "Blase" mit einem Durchmesser von 3/8 Zoll (9,5 mm) aus Blasenverpackungsmaterial, wobei die flache Seite abgeschnitten war, um eine Halbkugel mit einem Durchmesser von 3/8 Zoll aus dünnem Kunststoff zu erzeugen. Die obere Schicht bestand aus einem 0,001 Zoll (0,025 mm) dicken Saranfilm, wobei es sich wiederum um einen dünnen Kunststoff handelt. Das Gefäß mit einem Gesamtvolumen von etwa 300 μl enthielt eine flüssige Probe aus 50% Methanollösung, d. h. 1:1 Methanolvolumen zu Wasservolumen. Das Probenbehandlungsgefäß wurde in einen Rahmen eingebracht, der es ermöglichte, dass die Blase in die Brennpunktzone des Wandlers in einem Wasserbad vorstand. Das Gefäß wurde dann in ein Wasserbad bei 3,5°C eingebracht. Die Oberseite des Saranfilms war der Luft ausgesetzt. Die Temperatur der internen Flüssigkeit wurde mit einem Thermoelement vom J-Typ am Rand des Behandlungsgefäßes und einem Thermoelement-Messgerät vom Modell #DP116-JC2 von Omega gemessen. Ein Eingangssignal von 500-mV-Sinuswellen bei einer Frequenz von 1,1 MHz, das durch einen beliebigen Wellenformgenerator erzeugt wurde und in einen 55-dB-HF-Verstärker eingegeben wurde, wurde an den Wandler angelegt, so dass sich ein Spitzenüberdruck von etwa 15 MPa und ein Spitzenunterdruck von etwa –6 MPa in der Brennpunktzone des sich ergebenden akustischen Felds ergaben. Der Wandler wurde auf das die Methanollösung enthaltende Probengefäß fokussiert, so dass die Schallenergie durch den Bodenfilm aus dem Blasenwickelmaterial in das Gefäß eintrat und innerhalb des Gefäßes konvergierte. Die von der Probe empfangene akustische Dosis betrug 1.000 Zyklen pro Burst bei 10000 Bursts pro Dosis für eine Gesamtdosis von 10.000.000 Zyklen. Die gleiche Probe wurde mit Arbeitszyklen von 1%, 5%, 10% und 20% behandelt.
  • Ein Gleichgewichtszustand wurde nach einer anfänglichen transienten Temperaturänderung erhalten. In allen Fällen geschah die transiente Temperaturänderung innerhalb der ersten 30 Sekunden, und die Temperatur wurde für den Rest der Dosis bis zu einigen Minuten, abhängig vom Arbeitszyklus, stabil. Die Daten sind in der nachstehenden Tabelle 1 vorgestellt. Tabelle 1. Temperaturanstieg in Grad Celsius als Funktion des Arbeitszyklus und der Amplitude
    Arbeitszyklus Temperaturanstieg bei 500 mV Temperaturanstieg bei 750 mV
    1% 0,6 1,1
    5% 1,1 2,7
    10% 2,0 4,9
    20% 2,7 6,4
  • Dieses Beispiel zeigt, dass fokussierte Ultraschallenergie hoher Intensität ohne eine schädliche Wärmeerzeugung auf eine In-vitro-Probe fokussiert werden kann. Das hier beschriebene Probenbehandlungsgefäß ist für eine wirksame Wärmeübertragung und akustische Transparenz optimiert. Durch Bereitstellen eines zuverlässigen Wegs für die Überwachung des Zustands der Probe, beispielsweise durch eine Infrarotmesstemperatursonde, und durch Steuern der in den Ultraschallwandler eingegebenen elektrischen Wellenform kann das Ultraschallsignal optimiert werden, um die Energieübertragung zu maximieren, während der Temperaturanstieg oder andere schädliche Wirkungen minimiert werden.
  • Beispiel 3: Erhöhung der Extraktionsausbeute durch die Verwendung einer Infrarottemperaturrückkopplung, um den Arbeitszyklus und/oder die Spannung zu ändern
  • Ein 1,1-MHz-Hochleistungswandler wurde konfiguriert, um eine Probe in einem Behandlungsgefäß zu behandeln, das in einer in Beispiel 2 beschriebenen Weise aufgebaut war. Die von der Probe in einer Methanollösung suspendierten Blattgewebes in dem Gefäß empfangene akustische Dosis betrug 500 Zyklen pro Burst, 2.000 Bursts pro Dosis bei einem veränderlichen Arbeitszyklus. Die Anfangstemperatur des Gefäßes war kleiner als 1°C.
  • Nach Einleitung der Behandlung stabilisierte sich die Temperatur innerhalb des Gefäßes innerhalb von 10 Sekunden und blieb während des Dosisintervalls von bis zu zehn Minuten stabil. Der Arbeitszyklus wurde eingestellt, um die Temperaturerhöhung zu steuern. Die Wirkung der Dosis war visuell ähnlich, unabhängig davon, ob die Dosis von der Probe als ein langer Burst in einer kontinuierlichen Welle ("CW") empfangen wurde oder als eine Ansammlung kürzerer Bursts mit einem Arbeitszyklus von weniger als 100% empfangen wurde.
  • Die Ergebnisse sind in 8 graphisch dargestellt. Bei einer 500-mV-Wellenamplitude stieg die Temperatur der behandelten Probe um etwa 0,5°C, 1,9°C, 2,8°C bzw. 3,0°C gegenüber einer Anfangstemperatur von etwa 0,0°C bei Arbeitszyklen von 1%, 5%, 10% bzw. 20% an. Bei einer 750-mV-Wellenamplitude stieg die Temperatur der behandelten Probe um etwa 1,1°C, 2,7°C, 4,9°C bzw. 6,4°C gegenüber einer Anfangstemperatur von etwa 0,0°C bei Arbeitszyklen von 1%, 5%, 10% bzw. 20% an. Diese Daten sind nützlich, um ein Schallenergie-Steuersystem, entweder mit einer Rückkopplungsschleife oder ohne diese, zu konstruieren.
  • Beispiel 4: Probenmischung und Auseinanderbrechen mit einer synchronisierten Brennpunktzonenpositionierung innerhalb der Probe
  • Dieses Beispiel weist darauf hin, dass die Bewegung einer Probe durch das Schallenergiefeld vorteilhafte Wirkungen hat. Wenn eine fokussierte Ultraschalldosis mit nicht optimierten Mischwellenformen auf eine Blattgewebeprobe angewendet wurde, die eine heterogene Mischung von Blattlaminae, -stielen, -adern und Pflanzenerde enthielt, wurde ein kleiner Teil der Probe auseinander gebrochen. Mit einer Ultraschalldosis und einer stationären Brennpunktzone wurden die größeren Teilchen von Blattklumpen, Rückständen usw. sichtbar zu den Außenkanten "gedrückt", während die kleineren Teilchen innerhalb oder in der Nähe der Brennpunktzone verblieben. Wenn die Brennpunktzone langsam in einer kreisförmigen Bewegung während der Behandlung über die Probe bewegt wurde, wurden Materialklumpen um den Rand des Behandlungsgefäßes in die Brennpunktzone befördert und sichtbar aufgebrochen. Ein manuelles Bewegen der Probe über die Brennpunktzone mit einem xy-Positioniertisch der Reihe 462 von Newport führte zu besseren Ergebnissen als sie mit einer stationären Brennpunktzone erreicht wurden. Wenngleich das manuelle Bewegen der Probe für Behandlungszwecke vorteilhaft war, waren die Ergebnisse des manuellen Bewegens jedoch nicht so genau wiederholbar wie sie es mit einem computergesteuerten Positionierungssystem sein können, wie jenem, das im nachstehenden Beispiel 5 verwendet wurde.
  • Ein Vorteil der automatisierten Bewegung der Probe in bezug auf den Wandler, die auch als xy-Zitterbewegung bekannt ist, kann darin bestehen, dass verhindert wird, dass sich eine Blasenabschirmung bildet und die Kavitation innerhalb des Probenbehandlungsgefäßes dadurch blockiert wird. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass durch die xy-Zitterbewegung auch die Behandlung von Probensuspensionen verbessert werden kann, die eine hohe Viskosität haben und sich nicht gut mischen. Die Zitterbewegung wird zunehmend vorteilhaft, wenn das Probenbehandlungsgefäß erheblich größer wird als die Brennpunktzone.
  • Die automatisierte Bewegung der Probe in bezug auf die Ultraschallbehandlung kann bei einem unfokussierten Wandler in der Art einer 20-kHz-Ultraschallsonde zum Auseinanderbrechen von Zellen vorteilhaft sein, weil beispielsweise durch die Relativbewegung zwischen der Probe und der Ultraschallquelle während der Behandlung verhindert wird, dass sich die suspendierten Teilchen in der Probe vorzugsweise an den Knoten niedriger Intensität des akustischen Felds sammeln.
  • Beispiel 5: Extraktion von Aminosäuren aus Pflanzenblattgewebe mit Ultraschall und Positionszittern
  • Proben von etwa 100 mg A. thaliana-Blattgewebe wurden gesammelt und in flüssigem Stickstoff schockgefroren. Das gefrorene Material wurde bei –75°C in 2-ml-Glasfläschchen bis zum Tag des Experiments gelagert. Die Proben wurden dann in Trockeneis überführt und in individuelle Gefäße für die Behandlung gegeben. Die Behandlungsgefäße bestanden aus halbkugelförmigen "Blasen" mit einem Durchmesser von 3/8 Zoll (9,5 mm) aus Blasenverpackungsmaterial, wie in Beispiel 2 beschrieben wurde. Die Gewebeproben wurden in die Probenbehandlungsgefäße mit etwa 200 Mikrolitern auf 4°C vorgekühltem 90-%igem Methanol:Wasser (9:1, v/v) eingebracht. Die Proben wurden dann für die Behandlung auf etwa 4°C erwärmt.
  • Die Vorrichtung enthielt einen Wandler in einem Wasserbad bei Zimmertemperatur, etwa 24°C, wobei das Behandlungsgefäß schließlich in einem anderen inneren Wasserbad positioniert wurde, das einen akustisch transparenten Film aufwies, der sich in dem Weg der konvergierenden akustischen Wellen befand. Das innere Wasserbad wurde mit Kupferspulen auf etwa 4–6°C gekühlt. Die Probenbehandlungsgefäße wurden in ein computergesteuertes xyz-Positionierungssystem eingebracht. Die Proben wurden dann unter Verwendung vorbestimmter Positionen in der Brennpunktzone des Wandlers ausgerichtet, wobei der Anfang der Konvergenz der Brennpunktzone etwa 2 mm innerhalb des Behandlungsgefäßes lag.
  • Vier Bedingungen wurden während des Experiments getestet. Erstens wurde eine experimentelle Bedingung (Typ eins) getestet, bei der eine Blattgewebeprobe in einer Methanol lösung angeordnet wurde, Schallenergie ausgesetzt wurde und zentrifugiert wurde und wobei der Überstand entfernt wurde. Dieser Überstand wurde auf Vorhandensein von Aminosäuren, Peptiden, Proteinen und anderen Primäraminen ("Aminosäuren") getestet. Das Pellet wurde in Methanol wieder suspendiert, verwirbelt, zentrifugiert, und der Überstand wurde entfernt. Dieser zweite Überstand wurde auf das Vorhandensein von Aminosäuren getestet. Die Menge der vom ersten "Extraktionsschritt" gewonnenen Aminosäuren wurde durch die Gesamtaminosäuren geteilt, die während beider Extraktionen extrahiert wurden, um den Bruchteil der während der ersten Extraktion gewonnenen Aminosäuren von der Gesamtzahl vorhandener Aminosäuren zu bestimmen. Zweitens wurde eine experimentelle Bedingung (Typ zwei), ähnlich der ersten experimentellen Bedingung, getestet, wobei jedoch während des Einwirkens von Schallenergie die Probe in Zittern versetzt wurde, indem sie in bezug auf die Schallenergiequelle bewegt wurde.
  • Die bei allen Behandlungen in diesem Beispiel verwendete Wellenform hatte eine Amplitude von 500 mV, eine Frequenz von 1,1 MHz, Bursts von 1.000 Zyklen und einen Arbeitszyklus von 10%. Es wurde zuvor herausgefunden, dass die Wellenform die Probe ohne übermäßige Wärmeerzeugung wirksam behandelt und mischt, wie vorstehend beschrieben wurde. Alle Proben empfingen 10000 dieser Bursts.
  • Die Probe wurde während der Behandlung kontinuierlich gemischt. Die vordefinierten Behandlungsparameter gewährleisteten, dass sowohl die Auseinanderbrechphase als auch die Mischphase bei einer konstanten Temperatur auftraten. Von anderen Experimenten ist bekannt, dass die Temperatur im Wesentlichen konstant blieb und mit dem inneren Bad im Wesentlichen isotherm war. Die Temperatur des inneren Bads reichte von 4–6°C, und die Probentemperatur reichte wäh rend des Prozesses auch von 4–6°C.
  • Unmittelbar nach der experimentellen Behandlung wurde so viel wie möglich von der Probe in 0,5-ml-Polypropylenglasfläschchen übertragen. Die typische Wiedergewinnung der Flüssigkeit und der festen übertragenen Probe war größer als 75 Die Proben wurden dann 10 Sekunden lang leicht verwirbelt und 2 Minuten lang bei 5.000 U/min mit einer kleinen Mikrozentrifuge zentrifugiert. Der Überstand wurde sofort in ein anderes Mikrozentrifugenröhrchen übertragen und bis zur Analyse in einer Gefriereinrichtung bei –80°C angeordnet.
  • Es gab zwei Kontrollen. Zuerst wurde eine Scheinkontrolle verwendet, die mit der ersten experimentellen Bedingung identisch war, jedoch ohne die Behandlung mit Ultraschallenergie. Der HF-Verstärker wurde nicht eingeschaltet. Zweitens wurde ein Methanoldoppelextraktions-Kontrollprozess in der Art eines Prozesses, der zur Extraktion ohne Behandlung einer Probe mit Schallenergie verwendet werden könnte, eingesetzt, um mit dem Ultraschallbehandlungsprozess zu vergleichen. Der Kontrollprozess bestand darin, eine 90-%ige Methanollösung zu dem Pflanzengewebe hinzuzufügen, die Mischung 2 Stunden lang bei Zimmertemperatur stehen zu lassen, die Mischung eine Minute lang zu verwirbeln, die Mischung 5 Minuten lang zu zentrifugieren, den Überstand bei einer ersten Extraktion zu entfernen und eine Aminosäureanalyse auszuführen. Die Methanolextraktion wurde an dem Pellet wiederholt, das verblieb, nachdem der Überstand während des ersten Extraktionsschritts entfernt worden war. Wiederum wurden die Überstände von der ersten und der zweiten Extraktion bei allen Kontrollen auf dem Aminosäuregehalt getestet, und der Aminosäuregehalt wurde als Bruchteil der Gesamtmenge der während der ersten und der zweiten Extraktion in Kombination gesammelten Aminosäuren ausge drückt. Alle Kontrollproben wurden einem Gefrier/Auftau-Zyklus unterzogen, ebenso wie es bei den beiden experimentellen Bedingungen der Fall war, und es gab folglich eine Gewebelyse und eine Aminosäurefreigabe infolge der mechanischen Gefrier/Auftau-Wirkungen. Demgemäß wird diese Gefrier/Auftau-Wirkung in den Ergebnissen kontrolliert.
  • Typischerweise wurden bei jeder der zwei experimentellen Bedingungen etwa 10 μmol Aminosäuren je Nassgramm Gewebe von der ersten Extraktion und etwa zusätzlich 3–5 μmol Aminosäuren je Nassgrammgewicht Gewebe von der zweiten Extraktion wiedergewonnen. Alle Extraktionen wurden zweifach oder dreifach ausgeführt.
  • Die extrahierten Proben, nämlich der während beider Extraktionen und während beider experimenteller Bedingungen und beider Kontrollbedingungen entfernte Überstand, wurden auf den Gesamtgehalt an Aminosäuren mit einer Fluorescaminanalyse untersucht. Das Fluorescamin reagiert unter Bildung stabiler fluoreszierender Substanzen mit Aminosäuren, Peptiden, Proteinen und anderen Primäraminen unter milden Reaktionsbedingungen. Fluorescamin (0,07 ml, 14,5 mM) wurde zu 0,08 ml Triethylamin/Acetat (pH-Wert 8,6) hinzugefügt, und diese Mischung wurde zu 20–50 μl gleicher Anteile der extrahierten Probe hinzugefügt und anschließend mit 100% Methanol in einer Mikrotiterplatte auf ein Gesamtvolumen von 200 μl gebracht. Die Mischung wurde 30 Minuten lang bei 25°C inkubiert. Die Mikrotiterplatte wurde dann bei 395 nm angeregt, und die Emission wurde bei 460 nm in einer Standard-Fluoreszenzplatten-Messeinrichtung erfasst. Standardkurven umfassten eine Mischung von Phenylalanin, Alanin und Leucin in 10% Acetonitril im Bereich von 0,1 bis 10 mM, so dass die Fluoreszenzsignatur der extrahierten Proben mit einem Standard verglichen werden konnte, um die Molkonzentration von Aminosäuren in den Proben zu bestimmen.
  • Die Ergebnisse werden als Mikromol von Aminosäuren pro Gramm Nassgewebe sowohl für die erste als auch für die zweite Extraktion ausgedrückt. Die Wirksamkeit der Behandlung wird wie bei der ersten Extraktion als ein Prozentsatz der in beiden Extraktionen insgesamt extrahierten Aminosäuren ausgedrückt.
  • Die experimentellen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 dargestellt, und diese Ergebnisse wurden zum Vergleich gemittelt, wie in Tabelle 3 dargestellt ist. Die Ergebnisse geben an, dass: (1) die Kontrollprozessproben mit einer 90-%igen Methanollösung extrahierten frischen gefrorenen Gewebes, die nicht mit fokussierten Schallimpulsen behandelt, jedoch wie bei den experimentellen Proben verwirbelt, zentrifugiert und analysiert wurden, dazu führten, dass in der ersten Extraktion etwa 82% der Gesamtaminosäuren vorhanden waren, (2) die Scheinkontrollproben, die in das Behandlungsgefäß eingebracht wurden, bei 4°C acht Minuten lang (gleich dem längsten Behandlungsintervall) inkubiert werden, verwirbelt wurden und zentrifugiert wurden, dazu führten, dass sich etwa 85% der Gesamtaminosäuren in der ersten Extraktion befanden, (3) experimentelle Proben (Typ eins), die einer Ultraschalldosis von 500 mV, 1.000 Zyklen/Burst, 10.000 Bursts und einer kumulativen Dosis von 10 Millionen Zyklen ohne Zittern ausgesetzt wurden, zu einer Wiedergewinnung von etwa 94% der Gesamtaminosäuren bei der ersten Extraktion bei einem Variationskoeffizienten von weniger als 2% führten, und (4) experimentelle Proben (Typ zwei), die mit einer ähnlichen Dosis wie beim Typ eins behandelt wurden, wobei ein Positionszittern der Probe in bezug auf die Ultraschallquelle während des Behandlungspro zesses hinzugefügt wurde, zu einer Wiedergewinnung von mehr als 99% der Gesamtaminosäuren bei der ersten Extraktion bei einem Variationskoeffizienten von weniger als 1 führten. Die experimentellen Proben (Typ eins und zwei) erschienen nach der Behandlung grün und wolkig, wie "Erbsensuppe", während die Scheinkontrollen klar und mit Chlorophyll grün gefärbt waren.
  • Bei den experimentell verarbeiteten Proben schienen Stängel nicht durch den Prozess beeinflusst zu werden, Blattgewebe wurde jedoch als Ergebnis der Behandlung sichtbar auseinander gebrochen. Der Prozess war schnell, reproduzierbar und benötigte weniger manuelle Behandlungszeit als der Kontrollprozess. Typischerweise wären zum Erhalten der gleichen Materialmenge aus dem Gewebe wie beim experimentellen Prozess ohne die Verwendung der Schallverarbeitung drei oder mehr wiederholte Methanolextraktionen unter Verwendung des Kontrollprozesses erforderlich. Weil sich die Probe während dieses Prozesses häufig bei der Zimmertemperatur befindet, können labile Zellbestandteile abgebaut werden. Tabelle 2. Probendaten für verschiedene Behandlungen
    Probennummer (zufällig zugewiesen) Behandlungsbeschreibung Bei der ersten Extraktian extrahierte Aminosäuren als Prozentsatz der Gesamtmenge der extrahierten Aminosäuren
    4 Kontrollprozess 86,5
    10 Kontrollprozess 75,9
    34 Kontrollprozess 82,7
    11 Scheinkontrolle 83,1
    22 Scheinkontrolle 92,4
    31 Scheinkontrolle 78,2
    9 Mischung, Typ eins 90,7
    49 Mischung, Typ eins 96,8
    16 Mischung/Zitter-bewegung, Typ zwei 99,2
    46 Mischung/Zitter-bewegung, Typ zwei 99,9
    Tabelle 3. Gemittelte Ergebnisse von Tabelle 2
    Behandlung Bei der ersten Extraktion extra-hierte durchschnittliche Aminosäuren als Prozentsatz der Gesamtmenge der extrahierten Aminosäuren (als Durchschnitt der Ergebnisse für jede der in Tabelle 2 dargestellten Behandlungen) Variationskoeffizient
    Kontroll-Prozess (3 Proben) 81,7% 6,6%
    Scheinkontrolle (3 Proben) 84,6% 8,5%
    Mischung, Typ eins (2 Proben) 93,8% 4,6%
    Mischung/ Zitterbewegung, Typ zwei (2 Proben) 99,6% 0,5%
  • Beispiel 6: Gesteuerte Probenmischung mit einer Steuerung sowohl der Kühlung als auch der Erwärmung
  • Dieses Beispiel erläutert die erzwungene konvektive Kühlung flüssiger Proben durch Ultraschall. Die in diesem Beispiel verwendete experimentelle Vorrichtung ähnelte der vor stehend in Beispiel 5 verwendeten. Die in den Wandler eingegebene Wellenform bestand aus 10.000 1,1-MHz-Frequenzbursts mit 1.000 Zyklen pro Burst und einem Arbeitszyklus von 10 Die Amplitude betrug 500 mV (in einen 55-dB-RF-Verstärker). Die kumulative Dosis betrug 10 Millionen Zyklen. Diese Wellenform wurde durch LabVIEW-Software erzeugt, die zwei in Reihe arbeitende Funktionsgeneratoren trieb. Hierbei handelt es sich um die im vorstehend erwähnten Beispiel 5 verwendete "Mischung-und-Behandlung"-Wellenform. Das Probengefäß war ein Polypropylen-Glasfläschchen, dessen Enden durch einen Polyethylenfilm ersetzt waren und das durch eine Spannvorrichtung in der Brennpunktzone gehalten wurde. Die verwendeten Lösungsmittel waren entweder Wasser oder eine 90-%ige Methanollösung. Das Probengefäß wurde gefüllt, um den freien oberen Raum zu minimieren. Die Temperatur wurde mit einem Infrarotsensor vom Modell 39670-00 von ColePalmer mit einer Fleckgröße von 0,17" (4,3 mm) bei einem Abstand von 0,0 Zoll und einer Fleckgröße von 1,0" (2,5 cm) bei einem Abstand von 5 Zoll (12,7 cm) überwacht. Der Sensor war mit einer Temperaturanzeige vom Modell DP116-JC2 von Omega verbunden. Der Sensor mit einer Ansprechzeit von weniger als 450 Millisekunden befand sich in unmittelbarer Nähe zum Oberteil der Probe.
  • Behandlungsgefäße wurden in ein Wasserbad mit 3,5°C eingebracht. Vor der Behandlung wurde zugelassen, dass die Proben bei einer Temperatur zwischen der Badtemperatur und der Umgebungslufttemperatur ins Gleichgewicht kamen. Nach dem Einleiten der Ultraschallbehandlung fiel die Temperatur der Proben von ihrer Anfangstemperatur auf eine Temperatur in der Nähe jener des Wasserbads ab und stieg dann über die Anfangstemperatur an. Diese Beobachtung weist darauf hin, dass für die ersten paar Sekunden der Behandlung eine Nettokühlwirkung durch Erzwingen einer konvektiven Wärme übertragung mit Ultraschallenergie erreicht wurde. Die Daten sind in der nachstehenden Tabelle 4 dargestellt. Im Fall der Methanollösung wurde die Temperatur während der ersten 40 Sekunden bis unter die Anfangsgleichgewichtsposition abgesenkt. Im Fall von Wasser wurde die Temperatur während der ersten 10 Sekunden abgesenkt. Tabelle 4. Probentemperatur während der Behandlung (Grad Celsius) als Funktion des Fluids im Probenbehandlungsgefäß und der Behandlungszeit. Die Temperatur des Bads, in dem sich die Behandlungsgefäße befinden, beträgt 3,5 Grad Celsius.
    Behandlungszeit (Sekunden) Temperatur der Probe in Grad Celsius (90% Methanol) Temperatur der Probe in Grad Celsius (Wasser)
    0 6,5 6,5
    5 4,6 4,5
    10 3,8 5,3
    15 3,9 6,8
    20 4,4 7,8
    25 5,0 8,2
    30 5,6 8,4
    35 5,9 8,5
    40 6,4 9,1
    45 7,2 9,8
    50 7,4 9,8
    55 7,8 10,0
    60 8,5 10,2
    65 9,4 10,5
  • Diese Proben wurden mit einer kräftigen Behandlungswellenform behandelt, die entwickelt wurde, um Gewebeproben auseinander zu brechen. Die Wellenform kann wahrscheinlich modifiziert werden, um bevorzugt die Kühlwirkung zu verstärken, so dass die Probentemperatur so lange wie notwendig unter die Gleichgewichtstemperatur abgesenkt werden würde. Andere Wellenformen können für die Erwärmung und für die Behandlung der Probe optimiert werden. Auf diese Weise könnte die Probe sequenziell erwärmt, gekühlt und/oder behandelt werden. Sowohl die Erwärmungs- als auch die Kühlwellenformen fördern eine Mischung. Dies ermöglicht die Beschleunigung und Steuerung von Reaktionen, die andernfalls durch Diffusion ratenbegrenzt wären. Beispielsweise kann eine in einer kalten Lösung, beispielsweise einer Lösung bei 4°C, auftretende enzymatische Reaktion durch Anwendung einer Erwärmungswellenform aktiviert werden. Nach Ende der Erwärmungswellenform wird die Probe schnell durch eine Kühlwellenform abgekühlt, um die Reaktion zu unterbinden. Dieses schnelle Durchlaufen von Temperaturzyklen ist für Temperaturzyklus-basierte Protokolle, wie eine Polymerasekettenreaktion (PCR), nützlich.
  • Beispiel 7: Passive Kavitationserfassung (PCD) zur Überwachung der Wirksamkeit der Ultraschalldosis
  • Es kann eine Vorrichtung aufgebaut werden, um die durch eine Ultraschallwelle induzierte Kavitation zu messen. Eine mögliche Konfiguration verwendet einen 10-MHz-Wandler A315R-SU von Panametrics, optional einen Kron-hite-23-Bandpassfilter, einen 20-MHz-40-dB-Vorverstärker vom Modell 5676 von Panametrics, einen geschalteten Spitzendetektor vom Modell 5607 von Panametrics und eine 5-MHz-Zweikanal-Analogerfassungskarten-Digitalisiererplatine vom Modell PCI-6111E von National Instruments. LabVIEW-Instrumentensteuersoftware wird konfiguriert, um das von dem geschalteten Spitzendetektor erzeugte Signal zu analysieren. Dies wird als "passive" Kavitationserfassung angesehen, weil dadurch akustische Signale erfasst werden, die direkt durch die Bewegung und das Kollabieren von Kavitationsblasen erzeugt werden. Andere nützliche aktive Kavitationserfassungssysteme beruhen auf der Streuung oder der Modulation von Laserlicht durch Kavitationsblasen.
  • Das Kollabieren von Kavitationsblasen erzeugt ein Breitbandrauschen. Blasen sind sehr wirksame Streukörper für Ultraschall. Der Pulsierungsmodus einer Blase wird als Monopolquelle bezeichnet, die eine sehr wirksame akustische Quelle ist. Für kleine im Wesentlichen lineare Oszillationen streut die Blase einfach den einfallenden akustischen Impuls. Wenn das Ansprechen jedoch stärker nichtlinear wird, beginnt sie auch, Signale bei höheren Harmonischen abzustrahlen. Wenn sie stärker angetrieben werden, beginnen die Blasen, auch Subharmonische zu erzeugen. Wenn das Ansprechen schließlich aperiodisch oder chaotisch wird, neigt das gestreute Feld zu weißem Rauschen. In dem Szenario, in dem Trägheitskollapse auftreten, wird ein kurzer akustischer Druckimpuls abgestrahlt. Ein akustischer Wandler kann konfiguriert werden, um diese Emissionen zu erfassen. Es gibt eine starke Korrelation zwischen dem Einsetzen der Emissionen und der Zelllyse.
  • Die PCD wird normalerweise so eingerichtet, dass sie mit einem Hochleistungswandler konfokal ist, so dass sie Kavitationssignale vom Brennpunkt des Hochleistungsstrahls sammelt. Das Signal von der PCD wird verstärkt und durch ein 2-MHz-Hochpassfilter geführt. Das Hochpassfilter entfernt das 1-MHz-Signal infolge der Streuung des Grundimpulses und jeglicher anderer Streukörper. Das Ausmaß der Kavitation, dem die Probe ausgesetzt wurde, kann durch Integrieren des von der PCD empfangenen Rauschsignals geschätzt werden.
  • Das vom Kavitationserfassungssystem erzeugte Signal kann als ein Rückkopplungssteuerelement in einem automatisierten System verwendet werden. Das automatisierte System steuert die Kavitation entweder durch Manipulieren der Probenposition durch Zittern oder durch eine andere Bewegung, um die Position von Kavitationskeimbildungsstellen zu beeinflussen, das Ultraschallsignal zu modulieren oder zu steuern, den Überdruck (wie in Beispiel 8) zu modulieren oder zu steuern und/oder die Zusammensetzung gelöster Gase in dem Behandlungsgefäß zu steuern.
  • Beispiel 8: Anwendung von Überdruck zum Begrenzen oder Steuern der Kavitation
  • Ein Behandlungsgefäß wurde vor dem Versiegeln des Gefäßes mit Fluid überfüllt. Die innere Fluidkammer lag bei einem leichten Überdruck in bezug auf den Atmosphärendruck und den Druck des Wasserbads. Dieser Überdruck hemmte Kavitationswirkungen, wie ein Auseinanderbrechen von Gewebe innerhalb des Probengefäßes. Wenn eine Probe aus Blattgewebe in diese Anordnung gegeben und mit der zuvor beschriebenen experimentellen Vorrichtung mit einer Wellenform behandelt wurde, die aus einer Eingabe mit einer Amplitude von 500 mV, 500 Zyklen pro Burst, 1.000 Bursts und einem Arbeitszyklus von 10% in einen 55-dB-Verstärker bestand, gab es nur eine leichte Gewebeauseinanderbrechwirkung. Wenn die Spannung mit denselben Dosisparametern auf 700 mV erhöht wurde, gab es keine erhebliche Änderung des Auseinanderbrechens von Gewebe.
  • Wenn das Probengefäß geöffnet wurde, um den Überdruck abzulassen, und die Probe mit einer Dosis von 500 mV versehen wurde, wurde das Gewebe auseinander gebrochen. Der Überdruck hemmte anscheinend die Kavitationsblasenbildung und das Kollabieren von Kavitationsblasen, das mit dem Auseinanderbrechen von Gewebe in Verbindung steht und dieses hervorrufen kann. Dieses Ergebnis zeigt, dass Überdruck ver wendet werden kann, um die Kavitation zu steuern oder zu begrenzen. Der Überdruck kann wirksam mit einem vorbestimmten Muster des Einwirkenlassens von Schallenergie, sowohl durch Ändern der Schallenergie als auch des Orts der Schallenergie in Bezug auf die Schallenergie-Brennpunktzone, integriert werden, so dass die Auseinanderbrechwirkungen des Einwirkens von Schallenergie durch Kavitation durch Drucksteuerung selektiv unterbunden werden können. Zusätzlich könnte ein gesteuerter Überdruck in Zusammenhang mit einem Kavitationssensor, der einem Steuersystem durch eine Rückkopplungs-Steuerschleife Informationen zuführt, verwendet werden, um biologisches oder anderes Material zu behandeln, wobei es wünschenswert ist, die Intensität der Kavitation zu steuern, wie beim gesteuerten Auseinanderreißen oder Durchlässigmachen biologischer Membranen.
  • Beispiel 9: Auslegung des Behandlungsgefäßes – Form, Wanddicke und Materialauswahl
  • Mehrere Faktoren können bei der Auslegung eines Behandlungsgefäßes relevant sein. Die in 5A dargestellte geometrische Auslegung des Behandlungsgefäßes zeigt eine Vorrichtung mit einer Domform, die in der Lage ist, die vom Ultraschallprozess erzeugte Wärme von der Probenmischung auf das umgebende Wasserbad zu übertragen. Das vorstehende Beispiel 2 zeigt die Verwendung dieser domförmigen Vorrichtung und die Wichtigkeit einer guten Wärmeübertragung und guter akustischer Transparenzeigenschaften. Typischerweise sollte das Material, aus dem ein Behandlungsgefäß hergestellt wird, akustische Schallenergie verhältnismäßig wenig absorbieren und Schallenergie auf einem Niveau dämpfen, das der Schallenergieimpedanz von Wasser ähnelt. Die Dicke des Materials sollte auch verhältnismäßig gering sein, um die Ultraschallübertragung zu maximieren, die Wärmeübertragung zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Gefäßes zu maximieren und die Überwachung des Behandlungsgefäßes und seines Inhalts beispielsweise durch Infrarottemperatursensoren, Kavitationsdetektionssensoren und/oder Video- oder optische Überwachungseinrichtungen zu erleichtern.
  • Standard-Polystyren- oder Polypropylen-Mikrowannenplatten, wie 96-Wannen-Platten, haben eine Wand- und Bodendicke von etwa 1 mm. Tests mit einer Mikrowannenplatte, die in einer horizontalen Ebene orientiert ist, die Schallenergie von einem Nadelspitzenwandler-Hydrophon ausgesetzt wird, dessen akustischer Weg vollkommen untergetaucht ist, führten zu einer Transmission von etwa 70% durch Polystyren. Die sich ergebende Absorption ist bei einer Hochleistungsdosis erheblich. Beispielsweise erzeugt eine 1,1-MHz-Dauerstrich-Probendosis von 500 mV, die in einen 55-dB-RF-Verstärker eingegeben wird und 30 Sekunden lang auf eine Polypropylen-Mikrowannenplatte angewendet wird, genug Wärme, um 300 Mikroliter Eis innerhalb von Sekunden zum Sieden zu bringen.
  • Der Temperaturanstieg wurde in zwei verschiedenen Gefäßen, nämlich dem in Beispiel 2 beschriebenen "Blasenverpackungs"-Gefäß und einem Polypropylen-Glasfläschchen, unter Verwendung einer Misch-Behandlungs-Wellenform mit einem Arbeitszyklus von 10%, 10.000 Bursts, 1.000 Zyklen pro Burst bei 500 mV, wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben wurde, gemessen. Verschiedene Volumen/Volumen-Verhältnisse von Methanol in Wasser wurden beurteilt, einschließlich 0% Methanol, 50% Methanol, 90% Methanol und 100% Methanol. In jedem Fall lag die Anfangstemperatur in der Nähe von 1°C. Die in Tabelle 5 dargestellten Ergebnisse sind die Beträge des Temperaturanstiegs nach einer Dosisabgabe. Die Temperatur wurde mit dem Infrarotsensor und dem Messgerät gemessen, wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben ist. Tabelle 5. Temperaturanstieg in Grad Celsius als Funktion der Methanolkonzentration und des Probengefäßtyps
    Methanol-lösung (Methanolvolumen/ Wasser-volumen) Temperaturanstieg der Methanollösung im "Blasenverpackungsgefäß" (Grad Celsius) Temperaturanstieg der Methanollösung im PolypropylenGlasfläschchen (Grad Celsius)
    0% 0,0 4,4
    50% 2,2 6,3
    90% 5,4 7,2
    100% nicht bestimmt 10,5
  • Diese Ergebnisse zeigen, dass das Blasenverpackungsgefäß aus Beispiel 2 besser als ein Polypropylen-Glasfläschchen für Proben geeignet ist, die während der Behandlung im wesentlichen isotherm bleiben sollten.
  • Beispiel 10: Optimierung der Schallenergie
  • Es wurde eine Reihe von Experimenten unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ausgeführt, um das Einwirkenlassen von Schallenergie auf eine Probe zu optimieren. Zuerst wurde ein Wellenzug sowohl für die Behandlung als auch für das Mischen optimiert. Kurz gesagt und wie in 2 vollständiger beschrieben ist, wurde ein Probenbehandlungsgefäß aus einer halbkugelförmigen "Blase" mit einem Durchmesser von 3/8 Zoll (9,5 mm), die aus einem Blasenverpackungsmaterial entnommen wurde, hergestellt. Die flache Seite der Blase wurde mit einem Heißmesser aufgeschnitten, um Zugang zum Inneren zu erhalten. Das Probenbehandlungsgefäß wurde in einer Metallbefestigung gehalten, so dass sich die Brennpunktzone des akustischen Felds in nerhalb des Gefäßes befand. Das Probenbehandlungsgefäß hatte ein Volumen von etwa 300 Mikrolitern.
  • A. thaliana-Blattgewebe wurde durch Gefrieren, Lyophilieren und Schleifen präpariert. Etwa 25 Milligramm (Trockengewicht) Gewebe wurden in das Probenbehandlungsgefäß gegeben. Dieses Gewebe wurde mit 200 Mikroliter einer 50-%igen MeOH-Lösung rehydriert. Eine Schicht eines Kunststoffsaranfilms mit einer Dicke von 0,001 Zoll (0,025 mm) wurde auf der flachen Seite des Behandlungsgefäßes angeordnet, und das Ganze wurde in einer Metallbefestigung geklemmt.
  • Mehrere verschiedene akustische Wellenzüge wurden auf die Probe angewendet. Die Mischwirkung wurde visuell beurteilt.
  • Der Temperaturanstieg wurde mit einem J-Thermoelement am Rand des Behandlungsgefäßes unter Verwendung eines Omega-DP116-JC2-Messgeräts gemessen. Die variierten Parameter umfassen die Anzahl der Zyklen pro Burst und den Arbeitszyklus. Feste Parameter umfassten die Frequenz von 1,1 MHz der Zyklen und die auf einen 55-dB-RF-Verstärker und danach auf den Wandler angewendete Amplitude von 500 mV. Die Ergebnisse des Variierens der Parameter sind in der nachstehenden Tabelle 6 dargestellt. Tabelle 6. Ergebnisse des Variierens der Anzahl der Zyklen pro Burst und des Arbeitszyklus auf das Erwärmen der Probe und das Mischen der Probe
    Zyklen pro Burst Arbeitszyklus Temperaturanstieg der Probe in Grad Celsius Mischwirkung in der Probe
    5 1 1,5 keine
    500 10 3,5 keine
    10000 20 6,0 leichtes Rühren
    10000 10% 4,0 etwas Rühren
    1000 10% 3,2 gutes Rühren
  • Wiederholte Versuche der endgültigen Kombination, 1.000 Zyklen pro Burst und 10% Arbeitszyklus, zeigten, dass diese Kombination beim Mischen des Probenmaterials im Probenbehandlungsgefäß wirksam ist. Diese Kombination von Parametern erzeugt einen Kompromisswellenzug, der die Probe sowohl mischt als auch behandelt.
  • Weitere Experimente verifizierten die Fähigkeit, die Erwärmungs- und die Mischfunktion zu trennen, so dass jede Funktion unabhängig von der anderen optimiert werden kann und die Vorrichtungen und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen diesen beiden Funktionen wechseln können.
  • Insbesondere wurde ein Behandlungswellenzug mit einem Mischwellenzug gewechselt. In dieser Experimentreihe bestand die Probe aus etwa 200 Mikrogramm von frisch gefrorenem A. Thaliana in 600 Mikrolitern Wasser. Das Probenbehandlungsgefäß war ein Polypropylenzylinder mit einem Innendurchmesser von 0,5 Zoll (1,3 cm) und einer Länge von 1,7 Zoll (4,3 cm). Das offene Ende dieses Zylinders wurde mit einem 0,001 Zoll (0,025 mm) dicken Polyethylenfilm als ein akustisches Fenster bedeckt. Das Behandlungsgefäß wurde so positioniert, dass sich die Brennpunktzone der Schallenergie innerhalb des Behandlungsgefäßes befand und der größte Teil der akustischen Energie durch das Polyethylenfilmfenster hindurchtrat.
  • Der Behandlungswellenzug bestand aus 5 Zyklen pro Burst, einem Arbeitszyklus von 1%, 500.000 Gesamtzyklen und einer Amplitude von 500 mV, die in den RF-Verstärker und anschließend in den Wandler eingegeben wurde. Der Mischwellenzug bestand aus Dauerstrich-Ultraschall bei 100 mV während 500.000 Zyklen. Dem Behandlungswellenzug folgte der Mischwellenzug. Jeder Wellenzug benötigt bis zum Abschluss etwa 0,5 Sekunden. Der Behandlungswellenzug, gefolgt von dem Mischwellenzug, wurde 5 Mal wiederholt. Das Mischen wurde durch Untersuchen der Probe während der Behandlung bestimmt, um Gewebeteilchen sichtbar zu machen, die sich in dem Behandlungsgefäß bewegten. Die Behandlung wurde durch Untersuchen der Gewebeproben unter einem Stereomikroskop zur Erzeugung kleiner Gewebeteilchen und/oder zum Zerkleinern größerer Gewebeteilchen bestimmt.
  • Der Mischwellenzug war wirksam, und eine gute Mischung der Probe war sichtbar. Der Behandlungswellenzug war teilweise wirksam, die kleineren Gewebefragmente wurden behandelt, die größeren wurden jedoch nicht in erheblichem Maße behandelt. Dieses Experiment zeigt, dass ein Behandlungswellenzug mit einem Mischwellenzug abgewechselt werden kann, um sowohl eine Behandlung als auch eine Mischung zu erreichen. Das Wechseln von Behandlungs- und Mischwellenzügen ermöglicht, dass jede für ihre spezifische Funktion optimiert wird.
  • Beispiel 11: Sonolyse von Pflanzenblattgewebe
  • Ein Dom eines fokussierten keramischen piezoelektrischen Wandlers mit einem Durchmesser von 70 mm wurde in einen Wassertank eingebracht, und der Brennpunktbereich wurde so definiert, dass er etwa 62 cm von der Oberfläche des Doms entfernt lag. Eine kontinuierliche Sinuswellenform mit einer Frequenz von 1 MHz und 0,2 Volt vom Vorverstärker mit einem sich ergebenden Überdruck von 5 MPa vom fokussierten piezoelektrischen Wandler wurde für kurze Zeitdauern von 1 und 10 Sekunden erzeugt. Die Zone fokussierter Energie wies einen Durchmesser von etwa 3 mm und eine Länge von 6 mm auf. Etwa 100 mg Arabidopsis thaliana-Blattgewebe wurde gesammelt und sofort in Flüssigstickstoff gefroren und bis zur Verwendung bei –70°C gelagert. Gewebeproben wurden in 0,325 ml CTAB-Puffer (1M TRIS pH-Wert 7,5, 200 ml, CTAB (Hexadecyltrimethylammoniumbromid) 20 g, NaCl 81,76 g, 0,5 M EDTA pH-Wert 7,5 40 ml, H2O 1500 ml) in einer standardmäßigen Polystyren-96-Wannen-Mikrotiterplatte mit einem flachen Boden (Immulon 1B, cat. 3355, Dynex Technologies, Chantilly, VA) eingebracht. Bei manchen anderen Protokollen werden vor der Verwendung 10 μl 2-Mercaptoethanol/ml CTAB-Puffer hinzugefügt. Für dieses Experiment wurde er fortgelassen.
  • Nachdem das Gewebe und der Puffer aufgebracht wurden, wurde ein 0,010" (0,25 mm) dicker Film aus Acetatdichtungsband für Mikrotiterplatten (Katalognummer 001-010-3501, Dynatech Laboratories, Chantilly, VA) mit Klebstoff aufgebracht, um die Proben zu bedecken. Die Platte wurde bis zur Verwendung auf Trockeneis gehalten. Die Platte wurde auf eine xyz-Positioniereinrichtung geladen, die durch LabView-Software gesteuert wurde. Die Platte wurde in den mit destilliertem Wasser bei Zimmertemperatur, etwa 22°C, gefüllten Immersionstank abgesenkt. Die Platte wurde so positioniert, dass eine Wanne im Brennpunkt des keramischen piezoelektrischen Doms lag. Die Dosis wurde durch den Film und nicht durch den Boden der Wanne angewendet. Die Dauer und die Amplitude wurden für den Einwirkzeitraum geändert.
  • Eine Materialanalyse nach dem Einwirken zeigte, dass die Überstände der ausgesetzten Blattgewebeprobe grün waren, während Überstände der Kontrollprobe nur leicht grün waren, was wahrscheinlich auf ein Austreten von Chlorophyll aus den Schnittenden des Gewebes zurückzuführen ist. Das behandelte Gewebe erschien, wenn es unter einem Schnittmikroskop betrachtet wurde, dünner und durchscheinender, wobei kleine "Blasen" unter den anfänglichen Oberflächenschichten auftraten. Proben, die bei Vorhandensein von Glaskügelchen ausgesetzt wurden (Sigma, 212–300 Mikrometer, nicht gewaschenes G-9143, Losnummer 75H0617), wurden auf der Grundlage der Beobachtung, dass sowohl die Pufferlösung klarer war als auch die mikroskopische Struktur des Blattgewebes verschieden war, nicht so sehr beeinflusst. Das Blattgewebe sah dicker aus und war mit größeren und zahlreicheren "Blasen" unter den Außenflächenschichten gefüllt. Die Glaskügelchen können einen Teil der auf die Probe angewendeten Energie absorbiert oder reflektiert haben. Falls die Proben zusätzlich so orientiert wurden, dass der Boden der Polystyrenplatte zwischen dem Dom und der Probe lag, wurden sie nicht merklich beeinflusst, bei 0,5 V während 20 Sekunden trat jedoch ein Schmelzen des Polystyrenbodens auf. Das Polystyrenmaterial kann die Energie in einer Dauer der kontinuierlichen Welle von 20 Sekunden absorbiert haben.
  • Beispiel 12: Fokussierte Sonolyse mit automatischer Extraktion
  • Biologisches Material wird in ein Mikroröhrchensystem eingebracht, wobei der Boden des Röhrchens aus einem halbdurchlässigen Material in der Art einer hydrophoben Membran besteht. Unter Atmosphärendruck enthält die Membran Volumenwasser, und unter einem Unterdruck wird ermöglicht, dass flüssiges Wasser und Zellbestandteile hindurchtreten. Idealerweise ist das Material für akustische Energie transparent oder hat zumindest ähnliche akustische Eigenschaften wie das Fluid, durch das die Schallenergie übertragen wird. Eine Blattgewebeprobe wird wie in Beispiel 1 in einem Röhrchen mit 0,35 ml CTAB-Puffer angeordnet und gefroren. Die gefrorene Probe wird in den Brennpunkt eines domförmigen Ultraschallwandlers eingebracht. Die Probe wird Schallenergie ausgesetzt, die durch ein in einen 55-dB-RF-Verstärker bei 1 MHz für 2 Sekunden eingegebenes 0,5-V-Signal erzeugt wird. Die Probe wird aus der Einwirkkammer entfernt und bis zu 4°C auftauen gelassen. Die Probe wird dann 10 Sekunden lang verwirbelt, und das Filtrat wird durch Einbringen des Röhrchens in einen Halter und Zentrifugieren der Probe während 10 Minuten bei 10000 × g entfernt. Ein Waschen mit 0,5 ml CTAB-Puffer wird auf die zuvor geschleuderte Probe angewendet, das Blattgewebe wird wieder in dem Puffer suspendiert, verwirbelt und geschleudert, wie vorstehend beschrieben wurde. Der Extrakt wird auf den DNS-Gehalt analysiert.
  • Beispiel 13: Fokussierte Schallwellen auf gefrorenem Gewebe mit Echtzeittemperatursteuerung
  • 100 μg Blattgewebe werden in Flüssigstickstoff gefroren. Das gefrorene Material wird direkt in ein Mikroröhrchen eingebracht, wie in Beispiel 2 beschrieben wurde, und in einem Bad von auf etwa –15°C gekühltem Ethylenglycol suspendiert. Sofort darauf werden 0,25 ml Puffer, der auf etwa 4°C gekühlt wurde, in das Röhrchen mit dem Gewebe eingebracht. Der Probenpuffer wird auf unter 0°C gekühlt. Das Mikroröhrchen wurde im Brennpunkt des piezoelektrischen Wandlers angeordnet. Während die Probe abkühlt, werden fokussierte Schallwellen auf die Probe angewendet. Die Wellenlänge, Dauer und Amplitude werden vorab an den Testproben moduliert, um die auf das System angewendete Gesamtenergie anzunähern. Das System kann auch einen geschlossenen Rückkopplungsmechanismus mit einer externen Temperatursonde zum Überwachen des Temperaturanstiegs in der Probe verwenden. Die Probe sollte mit Schallwellen behandelt werden, um ein Auseinanderbrechen zu induzieren, die Temperatur sollte jedoch vorzugsweise nicht über etwa 0°C erhöht werden.
  • Beispiel 14: Akustische Transmissionseigenschaften von Polymermaterialien
  • Die akustische Transparenz von Materialien kann gemessen werden, um optimale und reproduzierbare Schockbehandlungsprotokolle zu entwickeln. Zum Testen der akustischen Transparenz verschiedener Polymermaterialien wurde ein in ein Wasserbad eingetauchter Ultraschallwandler auf eine eingetauchte Mikrotiterplatte des Typs fokussiert, der am Boden offene Wannen aufwies. Ein Ultraschall-Nadelspitzenhydrophon wurde hinter der Platte angeordnet, um die Transmission durch die Mikrotiterplatte zu messen. Der Boden der Platte wurde mit verschiedenen Materialien blockiert, die bei den vorgeschlagenen Extraktionstechniken möglicherweise verwendbar sind. Der Wandler wurde in ein Modul zur Erzeugung von kontinuierlichen Wellen bei niedriger Spannung eingesetzt. Wie die Daten in der nachstehenden Tabelle 7 zeigen, bewirkte Polyethylenterephthalat-(PET)-Material von diesen Materialien die geringste Abschwächung der akustischen Intensität. Gleichwertig oder besser funktionierende Materialien können unter Verwendung routinemäßiger Experimente in Übereinstimmung der hier erläuterten leicht identifiziert werden. Tabelle 7. Relative Schallenergietransmission durch verschiedene Materialien
    Material Dicke des Materials Relative Transmission von Schallenergie (0,05V bei 1 MHz für 10 Sekunden)
    Keine Platte 100%
    Acetat 0,005 Zoll (0,127 mm) 80%
    Latex 0,004 Zoll (0,102 mm) 50%
    PET (Mylar) 0,005 Zoll (0,127 mm) 90%
    Silikon 0,005 Zoll (0,127 mm) 95%
    PET (Mylar) 0,002 Zoll (0,051 mm) > 95%
  • Beispiel 15: Auseinanderbrechen von Blattgewebe durch fokussierten Ultraschall hoher Intensität
  • Ein Arabidopsis-thaliana-Blatt wurde aufgenommen und sofort in Flüssigstickstoff eingetaucht. Proben wurden dann bis zur Verwendung in einer Gefriereinrichtung bei –80°C gelagert. Blattproben wurden in vorgekühlte Mikrotiterplatten eingebracht, die mit etwa 300 ml vorgekühltem CTAB-Lysepuffer gefüllt waren, wie in Beispiel 1 beschrieben ist.
  • Der Blattprobenstängel wurde mit einem Einzelschneiden-Rasiermesser auf einer vorgekühlten Oberfläche in der Art eines mit Trockeneis gekühlten Schneidblocks entfernt. Das restliche gefrorene Gewebe wurde in die Mikrowanne eingebracht, und das Blatt in dem Lysepuffer wurde bis zur Verwendung entweder gefroren oder bei 4–8°C gehalten. Die Mikrowannenplatte wurde an einem xyz-Positionierungssystem befestigt, um die Proben vor der Dosisanwendung automatisch auszurichten. Die Probenplatte wurde zuvor in einem mit Ethylenglycol gefüllten isolierten Badgefäß, das am Boden ein akustisch transparentes Fenster aufwies, ausgerichtet. Das Energiesystem ermöglicht es, dass ein in ein Wasserbad unterhalb des Probenbadgefäßes eingetauchter Wandler eine fokussierte Schallwelle durch das wässrige Wandlerbad und dann durch das akustische Fenster in das Probenbad und durch die Ethylenglycolflüssigkeit in dem Probenbad zum Boden der Mikrowanne überträgt.
  • Der Impuls trat dann in den CTAB-Lysepuffer innerhalb der Probenwanne ein und wurde auf das Blattgewebe fokussiert. In diesem Beispiel wurde der Brennpunkt des Systems durch Anwenden einer kontinuierlichen Niederspannungs-Ultraschallwelle und durch Überwachen der Blasenbildung an der Oberfläche ausgerichtet. Der Spitzenbrennpunkt wurde als 2 mm × 4 mm getestet und mit einem im Handel erhältlichen Nadelpunkthydrophon, das in die Mikrowannen passt, gemessen.
  • Unter Verwendung eines geeigneten eintauchbaren Wandlers wurde Energie von der Quelle als eine kontinuierliche Welle angewendet, die über einen Spitzenüberdruck von etwa 1 MPa und einen Spitzenunterdruck von etwa –1 MPa bei einer Modulationsamplitude von 50 mV und einer Frequenz von 1 MHz erzeugt wurde. Bei dieser Spannung näherte sich die Wellenform einer symmetrischen Harmonischen. Wenn die Spannung zunahm, nahm jedoch der Spitzenüberdruck zu, während der Spitzenunterdruck weniger ausgeprägt wurde. Bei 700 mV bei 1 MHz betrug der Spitzenüberdruck beispielsweise mehr als 22 MPa (~ 3.100 psi), und der Spitzenunterdruck betrug nur –9 MPa (~ –1.300 psi). Die wiederholte komplexe Wellenform hatte infolge des nichtlinearen Verhaltens des Fluidmediums (Wasser) scharfe Überdruckspitzen und stumpfe Unterdruckspitzen. Es wird angenommen, dass die Unterdrücke zur Kavitation beitragen.
  • Unter Verwendung der vorstehend erwähnten Vorrichtung und Abstimmung wurden drei Sätze veränderlicher Dosen auf das Blattgewebe in Mikrotiterplatten übertragen. In der Reihe A wurden Impulse kontinuierlich für 2 Millionen Zyklen über einen Zeitraum von etwa 2 Sekunden angewendet. Bei 50 mV gab es keine wahrnehmbare Wirkung auf die Probe. Bei 100 und 200 mV gab es auch keine Wirkung, bei einer Amplitude von 500 mV war die Probe jedoch voll von Blasen und schau mig, und der Extraktionspuffer wurde mit dem extrahierten Material grün. Wenn die Amplitude auf 700 mV erhöht wurde, begann der Boden der Polystyrenplatte zu schmelzen. Demgemäß ist ein bestimmter Bereich der Energieintensität in der Reihe A wirksam.
  • In der Reihe B wurde ein Burst, der drei Zyklen lang war, auf die Proben angewendet. Bei allen verwendeten Spannungsniveaus, einschließlich 700 mV, wurde keine Extraktion von Material aus der Blattscheibe beobachtet. Demgemäß war eine minimale Energiemenge erforderlich. Drei Zyklen bei diesen Energieniveaus scheinen nicht ausreichend zu sein.
  • In der Reihe C wurde ein 3-Zyklen-Burst 100 Mal angewendet. Bei 50, 100 und 200 mV trat keine Wirkung auf. Bei 500 mV wurde die Lösung leicht grün, was auf den Beginn der Extraktion hinweist. Bei 700 mV wurde die Lösung deutlich grün, was auf eine im Wesentlichen vollständige Extraktion hinweist. Es traten weder eine erhebliche Blasenbildung noch ein Schmelzen auf. Demgemäß ist es einfach, geeignete Betriebsbedingungen für die Verwendung des erfindungsgemäßen Extraktionssystems an einem bestimmten Material in einer bestimmten Anordnung zu bestimmen.
  • Beispiel 16: Temperaturwirkungen
  • Unter Verwendung der Vorrichtung aus den Beispielen 14 und 15 wurde in einer anderen Experimentreihe eine leicht oberhalb des Gefrierpunkts liegende Extraktionstemperatur (6°C +/– 2°C) mit einer leicht unterhalb der Gefriertemperatur liegenden Temperatur (–4°C +/– 1°C) verglichen. Für alle Experimente betrugen die Dosen 100 mV, 200 mV, 500 mV und 0 mV (Kontrolle), wobei die Dosen 0 mV, 200 mV und 500 mV doppelt auftraten. Die Anzahl der Bursts wurde variiert. Der Gewebezustand wurde in diesem Experiment, im Gegensatz zum Aussehen des Extraktionspuffers, wie im vorhergehenden Beispiel, beobachtet.
  • Reihe A – oberhalb der Nulltemperatur
  • 500 Bursts – Die Kontrollblattgewebeproben (0 mV, keine zugeführte Leistung) waren hellgrün bei einem vollständigen Aussehen. Es gab keinen erheblichen Unterschied in den experimentellen Proben, abgesehen davon, dass sie etwas transparenter waren. In der Nähe der Spitze, der Probenquelle am nächsten, schienen sich Blasen zu befinden, die in Strängen verbunden waren.
  • 1.000 Bursts – Die Kontrollprobe war hellgrün mit einem vollständigen Aussehen des Gewebes. Unter den experimentellen Proben wurden keine erheblichen Unterschiede festgestellt. Wiederum erschienen leichte Blasenkanäle, die etwas häufiger an den Spitzen von Blättern auftraten.
  • 5.000 Bursts – Nur die experimentelle 100-mV-Probe erschien nahe der Kontrollprobe. Alle anderen Proben hatten Mikrokanäle verbundener Blasen. Die Proben, die die höchste Dosis aufwiesen, hatten weniger Mikrokanäle als die Proben, die niedrigere Dosen bei 5.000 Bursts empfingen, was darauf hinweist, dass akustische Interferenz mit Blasenbildung ein Problem darstellen kann, wenn Bedingungen für das Auseinanderbrechen einer bestimmten Probe gewählt werden.
  • Reihe B – unterhalb der Nulltemperatur
  • 500 Bursts – Die Kontrollprobe war intaktes Gewebe ohne Zeichen von Mikrokanälen. Bei der niedrigen Dosis von 100 mV traten einige unabhängige Blasen auf, und bei der 200-mV-Probe traten viele unabhängige Blasen (keine Mikrokanäle verbundener Blasen) auf. Proben in den 500-mV-Wannen wiesen auch unabhängige, diskrete Blasen auf.
  • 1.000 Bursts – Die Kontrollprobe und die Probe bei 500 mV wiesen leichte Blasen auf. Alle anderen Proben wiesen mehr diskrete, unabhängige Blasen auf.
  • 5.000 Bursts – Die Kontrollprobe wies eine leichte Blasenbildung auf, es traten jedoch nicht so viele Blasen auf wie bei der 1.000-Burst-Reihe. Das restliche Gewebe erschien dünn und transparent und wies einen anscheinenden Verlust an Zellstruktur auf. Die Blasen in der Kontrollprobe wiesen wahrscheinlich auf ein Übersprechen von Energie von der benachbarten Wanne hin, die auch der höchsten Energie ausgesetzt wurde. Diese Beobachtung legt nahe, dass eine Mikrotiterplatte aus einem solchen Material hergestellt werden kann, dass die Wände der Wannen in der Lage sind, akustische Energie zu absorbieren.
  • Nach drei Tagen Lagerung zwischen zwei Mikroskopglasträgern bei Zimmertemperatur mit bei Temperaturen unterhalb von null Grad präpariertem isoliertem Blattgewebe sah das gesamte Kontrollgewebe grün aus, während die experimentellen Gewebe, die Dosen von 100 und 200 mV aufwiesen, praktisch transparent aussahen, insbesondere die 100-mV-Proben. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein erhebliches Auseinanderbrechen des Pflanzenblattgewebes infolge der Dosis auftrat, wenn der Prozess bei Temperaturen unterhalb von null Grad ausgeführt wurde und der Impulsarbeitszyklus die Probenerwärmung minimierte.
  • Merkmale, Spezifikationen und Funktionalitäten der Hardware, der Betriebssoftware, des Schallenergieprofils und des Positionierungsprofils bestimmter Ausführungsformen eines Systems gemäß der Erfindung sind in den 10–13 beschrieben. Wie erwähnt, können einige dieser Ausführungs formen wirksam für die Behandlung einer Probe zur Extraktion oder Transformation oder allgemeinen Forschung verwendet werden, diese Ausführungsformen werden jedoch als beispielhaft angesehen und sollen die Erfindung nicht einschränken.
  • Wenngleich hier als Beispiel dienende und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, werden Fachleuten anhand der hier dargelegten Lehren andere Modifikationen und Alternativen der Erfindung einfallen. All diese Modifikationen und Alternativen werden als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegend angesehen.
  • Durch die Patenturkunde soll demgemäß die in den folgenden Ansprüchen und Entsprechungen davon definierte und dargelegte Erfindung gesichert werden.

Claims (57)

  1. Vorrichtung (100) zum Verarbeiten einer Probe (800), indem Schallenergie verwendet wird, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Schallenergiequelle (230) zum Abstrahlen von Schallenergie, wobei die Energiequelle einen Wellenzug erzeugt, der im wesentlichen in einer Brennpunktzone konvergiert und eine Frequenz in dem Bereich von etwa 100 kHz bis 100 MHz hat, ein Medium (600) zum Koppeln des Wellenzugs mit der Probe, ein Reaktionsgefäß (502, 504, 506) zum Halten und Aufnehmen der Probe, wobei das Reaktionsgefäß in einer vorbestimmten Position relativ zu der Schallenergiequelle angeordnet ist, einen Prozessor zum Kontrollieren bzw. Steuern zumindest eines von der Schallenergiequelle und dem Ort des Gefäßes relativ zu der Brennpunktzone entsprechend einer vorbestimmten Methodik, so dass die Probe selektiv Schallenergie ausgesetzt ist, um ein erwünschtes Ergebnis zu erzielen.
  2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der der Prozessor sowohl die Schallenergiequelle als auch den Ort des Gefäßes steuert.
  3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, die weiterhin ein Rückkopplungssystem aufweist, das mit dem Prozessor verbunden ist, um zumindest einen Zustand zu überwachen, dem die Probe (800) während der Verarbeitung ausgesetzt ist, so dass der Prozessor zumindest eines von der Schallenergiequelle (230) und dem Ort der Probe in Reaktion auf den zumindest einen Zustand steuert.
  4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, bei der das Rückkopplungssystem einen Sensor aufweist, um zumindest einen Zustand zu überwachen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Sensor ein mechanisches Auftreten bzw. Ereignis überwacht.
  6. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das erwünschte Ergebnis aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem Erwärmen der Probe, dem Kühlen der Probe, dem Fluidisieren der Probe, dem Mischen der Probe, dem Rühren bzw. Bewegen der Probe, dem Brechen bzw. Auseinanderbrechen der Probe, dem Erhöhen der Permeabilität einer Komponente der Probe, dem Verstärken einer Reaktion innerhalb der Probe und dem Sterilisieren der Probe besteht.
  7. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiterhin eine Temperatursteuereinheit aufweist, um die Temperatur der Probe zu steuern.
  8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, bei der der Prozessor die Temperatursteuereinheit steuert.
  9. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiterhin eine Drucksteuereinheit aufweist, um den Druck zu steuern, dem die Probe ausgesetzt ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Prozessor die Drucksteuereinheit steuert.
  11. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Schallenergiequelle (230) einen Wandler aufweist.
  12. Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, bei der der Wandler die Schallenergie fokussiert.
  13. Vorrichtung (100) nach Anspruch 11 oder 12, bei der der Wandler aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus zumindest einem piezoelektrischen Element, einem Feld von piezoelektrischen Elementen, einem elektrohydraulischen Element, einem magnetostriktiven Element, einem elektromagnetischen Wandler, einem chemischen explosionsfähigen Element, einem laseraktivierten Element und Kombinationen davon besteht.
  14. Vorrichtung (100) nach Anspruch 13, bei der zumindest ein piezoelektrisches Element eine übertragende Oberfläche aufweist, die derart orientiert ist, dass die Brennpunktachse vertikal ist.
  15. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Reaktionsgefäß (502, 504, 506) einen Probenbehälter aufweist.
  16. Vorrichtung (100) nach Anspruch 15, bei der der Probenbehälter aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Membranbeutel, einer thermopolymeren Wanne, einem polymeren Beutel, einer hydrophoben Membran, einer Mikrotiterplatte, einer Mikrotiterwanne, einer Teströhre, einer Zentrifugenröhre, einer Mikrofugenröhre, einer Ampulle, einer Kapsel, einer Flasche, einem Becher, einem Glaskolben und einer kapillaren Röhre besteht.
  17. Vorrichtung (100) nach Anspruch 15 oder 16, bei der der Probenbehälter mehrfache Fächer bildet.
  18. Vorrichtung (100) nach Anspruch 15, 16 oder 17, bei der der Probenbehälter eine brechbare Membran aufweist, um einen Bruch der Probe weg von dem Gefäß (502, 504, 506) zu übertragen.
  19. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiterhin eine Einrichtung (300) aufweist, um die Probe von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort zu bewegen.
  20. Vorrichtung (100) nach Anspruch 19, bei der die Einrichtung (300), um die Probe zu bewegen, einen Schrittmotor aufweist.
  21. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiterhin ein akustisch-transparentes Material (88) aufweist, das zwischen der Schallenergiequelle (230) und dem Gefäß (502, 504, 506) angeordnet ist.
  22. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das erwünschte Ergebnis eine in-vitro-Behandlung umfasst.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei der das erwünschte Ergebnis eine ex-vivo-Behandlung umfasst.
  24. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Schallenergiequelle Schallenergie bei zumindest zwei verschiedenen Frequenzen erzeugt.
  25. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Wellenzug zumindest eine erste Welle und eine verschiedene zweite Welle umfasst.
  26. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Wellenzug etwa 1.000 Zyklen pro Burst bei etwa 10% Arbeitszyklus bei etwa 15 MPa umfasst.
  27. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der bei einer Frequenz von 1 MHz die Brennpunktzone einen Durchmesser von etwa 3 mm und eine axiale Länge von etwa 15 mm für einen Dom von 10 cm hat.
  28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, bei der die Brennpunktzone einen Durchmesser von etwa 2 mm und eine axiale Länge von etwa 6 mm hat.
  29. Verfahren zum Verarbeiten einer Probe, indem Schallenergie verwendet wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erzeugen eines Schallenergiewellenzuges, der im wesentlichen in einer Brennpunktzone konvergiert und eine Frequenz in dem Bereich von etwa 100 kHz bis 100 MHz hat, Aussetzen der Probe (800) gegenüber dem Schallenergiewellenzug durch ein Medium (600), und Steuern zumindest eines von der Schallenergie und einem Ort der Probe relativ zu der Brennpunktzone entsprechend einer vorbestimmten Methodik, so dass die Probe selektiv Schallenergie ausgesetzt wird, um ein erwünschtes Ergebnis zu erzielen.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, das weiterhin den Schritt des Erfassens zumindest eines Zustands umfasst, dem die Probe (800) ausgesetzt wird, während der Verarbeitung und des Anderns zumindest eines von der Schallenergie und dem Ort der Probe in Reaktion auf den zumindest einen Zustand.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, bei dem während des Erfassungsschritts der zumindest eine Zustand aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Temperatur, Druck, einer optischen Größe, einer geänderten Chemikalie, einem akustischen Signal und einem mechanischen Ereignis besteht.
  32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, bei dem während des Schritts des Änderns zumindest eine Eigenschaft der Schallenergie geändert wird, wobei die zumindest eine Eigenschaft aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Signal- bzw. Wellenform, Dauer der Anwendung, Intensität und Arbeitszyklus besteht.
  33. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, bei dem das erwünschte Ergebnis aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Erwärmen der Probe (800), Kühlen der Probe, Fluidisieren der Probe, Mischen der Probe, Rühren der Probe, Auseinanderbrechen der Probe, Erhöhen der Permeabilität einer Komponente der Probe, Verstärken einer Reaktion innerhalb der Probe, Sterilisieren der Probe und Kombinationen davon besteht.
  34. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 33, das weiterhin den Schritt des Steuerns einer Temperatur der Probe (800) umfasst.
  35. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 34, das weiterhin den Schritt des Steuerns des Drucks umfasst, dem die Probe (800) ausgesetzt wird.
  36. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 35, bei dem während des Schritts des Aussetzens der Probe (800) gegen über Schallenergie die Schallenergie durch zumindest einen Prozess erzeugt wird, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Funkentladungen über einem Spalt, Laserimpulsen, piezoelektrischen Impulsen, elektromagnetischen Schockwellen, elektrohydraulischen Schockwellen, elektrische Entladungen in eine Flüssigkeit und chemische Sprengstoffe besteht.
  37. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 36, bei dem die Schallenergie auf die Probe (800) fokussiert wird.
  38. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 37, bei dem die Probe eine Zelle enthält, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt des Einführens eines Materials in die Zelle umfasst.
  39. Verfahren nach Anspruch 38, bei dem das Material aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Polymer, einem Aminosäuremonomer, einer Aminosäurekette, einem Protein, einem Enzym, einem Nukleinsäuremonomer, einer Nukleinsäurekette, einem Saccharid, einem Polysaccharid, einem organischen Molekül, einem anorganischen Molekül, einem Vektor, einem Plasmid, einem Virus und Kombinationen davon besteht.
  40. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 39, das weiterhin den Schritt des Extrahierens einer Komponente aus der Probe (800) umfasst.
  41. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 40, bei dem während des Schritts des Steuerns zumindest eine Eigenschaft der Schallenergie gesteuert wird, wobei die zumindest eine Eigenschaft aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wellenform, Dauer der Anwendung, Intensität und Arbeitszyklus besteht.
  42. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 41, bei dem das erwünschte Ergebnis eine in-vitro-Behandlung umfasst.
  43. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 41, bei dem das erwünschte Ergebnis eine ex-vivo-Behandlung umfasst.
  44. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 43, das weiterhin den Schritt des Fließens bzw. Strömens der Probe (800) durch einen Kanal umfasst.
  45. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 44, bei dem die Schallenergie zumindest zwei verschiedene Frequenzen umfasst.
  46. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 47, bei dem der Wellenzug eine erste und eine verschiedene zweite Welle umfasst.
  47. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 46, bei dem der Wellenzug etwa 1.000 Zyklen pro Burst bei etwa 10% Arbeitszyklus bei etwa 15 MPa umfasst.
  48. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 47, bei dem bei einer Frequenz von 1 MHz die Brennpunktzone einen Durchmesser von etwa 3 mm und eine axiale Länge von etwa 50 mm für einen Dom von 10 cm hat.
  49. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 47, bei dem die Brennpunktzone einen Durchmesser von etwa 2 mm und eine axiale Länge von etwa 6 mm hat.
  50. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Schallenergie einen Wellenzug erzeugt, der im wesentlichen in einer Brennpunktzone konvergiert und eine Frequenz in dem Bereich von 500 kHz bis 10 MHz hat.
  51. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Frequenz etwa 1 MHz beträgt.
  52. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Brennpunktzone klein im Verhältnis zu den Dimensionen des Reaktionsgefäßes ist.
  53. Vorrichtung nach Anspruch 52, bei der die Brennpunktzone einen Radius von näherungsweise 1 mm hat und das Reaktionsgefäß einen Radius von zumindest 5 mm hat.
  54. Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die Energiequelle einen Wellenzug erzeugt, der im wesentlichen in einer Brennpunktzone konvergiert und eine Frequenz in dem Bereich von 500 kHz bis 10 MHz hat.
  55. Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die Frequenz etwa 1 MHz beträgt.
  56. Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die Brennpunktzone verhältnismäßig klein zu den Dimensionen des Reaktionsgefäßes ist.
  57. Verfahren nach Anspruch 56, bei dem die Brennpunktzone einen Radius von näherungsweise 1 mm hat und das Reaktionsgefäß einen Radius von etwa 5 mm hat.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009019497A1 (de) * 2009-05-04 2010-11-11 Wittenstein Ag Verfahren zur Untersuchung eines Mediums
DE102009058838A1 (de) 2009-12-18 2011-06-22 BARTEC BENKE GmbH, 21465 Messanordnung für eine Flüssigkeit, insbesondere zur Verwendung in einer Milchannahmeanordnung, und Verfahren zum Betrieb einer Milchannahmeanordnung

Families Citing this family (294)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8075695B2 (en) * 1996-08-05 2011-12-13 Puskas William L Apparatus, circuitry, signals, probes and methods for cleaning and/or processing with sound
US7336019B1 (en) * 2005-07-01 2008-02-26 Puskas William L Apparatus, circuitry, signals, probes and methods for cleaning and/or processing with sound
US20060086604A1 (en) * 1996-09-24 2006-04-27 Puskas William L Organism inactivation method and system
US20080047575A1 (en) * 1996-09-24 2008-02-28 Puskas William L Apparatus, circuitry, signals and methods for cleaning and processing with sound
US6050943A (en) 1997-10-14 2000-04-18 Guided Therapy Systems, Inc. Imaging, therapy, and temperature monitoring ultrasonic system
WO2000025125A1 (en) * 1998-10-28 2000-05-04 Covaris, Inc. Apparatus and methods for controlling sonic treatment
US6948843B2 (en) * 1998-10-28 2005-09-27 Covaris, Inc. Method and apparatus for acoustically controlling liquid solutions in microfluidic devices
US7687039B2 (en) 1998-10-28 2010-03-30 Covaris, Inc. Methods and systems for modulating acoustic energy delivery
US7981368B2 (en) 1998-10-28 2011-07-19 Covaris, Inc. Method and apparatus for acoustically controlling liquid solutions in microfluidic devices
IL129564A (en) * 1999-04-23 2004-06-20 Atlantium Lasers Ltd A method for disinfecting and purifying liquids and gases and a device for its use
US8298485B2 (en) * 1999-07-08 2012-10-30 Lee H. Angros In situ heat induced antigen recovery and staining apparatus and method
US7951612B2 (en) * 1999-07-08 2011-05-31 Lee H. Angros In situ heat induced antigen recovery and staining apparatus and method
US7897106B2 (en) * 1999-07-08 2011-03-01 Lee Angros Situ heat induced antigen recovery and staining apparatus and method
EP1128185B8 (de) * 2000-02-25 2009-08-19 Hitachi, Ltd. Mischvorrichtung für Analysenautomat
WO2001070381A2 (en) * 2000-03-21 2001-09-27 Covaris, Inc. Method and apparatus for acoustically controlling liquid solutions in microfluidic devices
GB0027300D0 (en) * 2000-11-08 2000-12-27 Hybaid Ltd Chip hybridisation unit
US7914453B2 (en) 2000-12-28 2011-03-29 Ardent Sound, Inc. Visual imaging system for ultrasonic probe
DE10117772C2 (de) * 2001-04-09 2003-04-03 Advalytix Ag Mischvorrichtung und Mischverfahren für die Durchmischung kleiner Flüssigkeitsmengen
US6931144B2 (en) * 2001-06-01 2005-08-16 Gregory Perrier Automated rip tide detection system
US20050271266A1 (en) * 2001-06-01 2005-12-08 Gregory Perrier Automated rip current detection system
DE10130639A1 (de) * 2001-06-26 2003-01-30 Hmt Ag Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Stoßwellen für medizinische Anwendungen
US7344894B2 (en) * 2001-10-16 2008-03-18 Agilent Technologies, Inc. Thermal regulation of fluidic samples within a diagnostic cartridge
US20030175947A1 (en) * 2001-11-05 2003-09-18 Liu Robin Hui Enhanced mixing in microfluidic devices
US20030085952A1 (en) * 2001-11-05 2003-05-08 Williams Roger O Apparatus and method for controlling the free surface of liquid in a well plate
US7258674B2 (en) * 2002-02-20 2007-08-21 Liposonix, Inc. Ultrasonic treatment and imaging of adipose tissue
IL148299A (en) * 2002-02-21 2014-04-30 Technion Res & Dev Foundation Ultrasonic to the heart
DE10232085A1 (de) * 2002-03-15 2003-10-02 Ulrich Thoma Messkammer, Messgerät und Messverfahren zur Ermittlung des Fremdstoffgehaltes einer Flüssigkeit
US20040028552A1 (en) * 2002-03-20 2004-02-12 Bhardwaj Mahesh C. Gas contact ultrasound germicide and therapeutic treatment
US7405072B2 (en) * 2002-07-18 2008-07-29 Picoliter Inc. Acoustic radiation for ejecting and monitoring pathogenic fluids
DE10234144A1 (de) 2002-07-26 2004-02-05 Dornier Medtech Gmbh Lithotripter
JP3772306B2 (ja) * 2002-07-30 2006-05-10 株式会社小松製作所 土質改良装置
US6910797B2 (en) * 2002-08-14 2005-06-28 Hewlett-Packard Development, L.P. Mixing device having sequentially activatable circulators
US7118540B2 (en) * 2002-09-06 2006-10-10 Kelling Albert L Method for use in orthodontics for accelerating tooth movement when treating patients for malocclusion
US20040066703A1 (en) * 2002-10-03 2004-04-08 Protasis Corporation Fluid-handling apparatus and methods
JP3808419B2 (ja) * 2002-10-08 2006-08-09 松下電器産業株式会社 超音波診断装置
US7267654B2 (en) * 2002-10-08 2007-09-11 University Of Washington Focused shock-wave devices with direct wave cavitation suppressor
DE502004004027D1 (de) * 2003-02-27 2007-07-19 Advalytix Ag Verfahren und vorrichtung zur durchmischung kleiner flüssigkeitsmengen in mikrokavitäten
DE10325313B3 (de) 2003-02-27 2004-07-29 Advalytix Ag Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Bewegung in einem dünnen Flüssigkeitsfilm
US7018546B2 (en) * 2003-03-06 2006-03-28 Hitachi, Ltd. Water treatment method and water treatment device
US7393323B2 (en) * 2003-10-01 2008-07-01 Robert Vago Method and device for subaqueous ultrasonic irradiation of living tissue
US7377905B2 (en) * 2003-10-01 2008-05-27 Robert Vago Method and device for subaqueous ultrasonic irradiation of living tissue
US7328628B2 (en) 2003-12-08 2008-02-12 Covaris, Inc. Apparatus and methods for sample preparation
US7662114B2 (en) 2004-03-02 2010-02-16 Focus Surgery, Inc. Ultrasound phased arrays
US8235909B2 (en) 2004-05-12 2012-08-07 Guided Therapy Systems, L.L.C. Method and system for controlled scanning, imaging and/or therapy
US7695436B2 (en) * 2004-05-21 2010-04-13 Ethicon Endo-Surgery, Inc. Transmit apodization of an ultrasound transducer array
US20060075514A1 (en) * 2004-05-21 2006-04-06 Flotte Thomas J Transport across nuclear membranes by impulse transients
WO2006028565A2 (en) * 2004-06-30 2006-03-16 Whitehead Institute For Biomedical Research Novel methods for high-throughput genome-wide location analysis
US20080003689A1 (en) * 2004-07-13 2008-01-03 U.S. Genomics, Inc. Systems and methods for sample modification using fluidic chambers
US7413552B2 (en) * 2004-08-05 2008-08-19 Robert Vago Method for subaqueous ultrasonic catastrophic irradiation of living tissue
US7393325B2 (en) 2004-09-16 2008-07-01 Guided Therapy Systems, L.L.C. Method and system for ultrasound treatment with a multi-directional transducer
US9011336B2 (en) 2004-09-16 2015-04-21 Guided Therapy Systems, Llc Method and system for combined energy therapy profile
US7824348B2 (en) 2004-09-16 2010-11-02 Guided Therapy Systems, L.L.C. System and method for variable depth ultrasound treatment
US7443079B2 (en) * 2004-09-17 2008-10-28 Product Systems Incorporated Method and apparatus for cavitation threshold characterization and control
US8535228B2 (en) 2004-10-06 2013-09-17 Guided Therapy Systems, Llc Method and system for noninvasive face lifts and deep tissue tightening
US10864385B2 (en) 2004-09-24 2020-12-15 Guided Therapy Systems, Llc Rejuvenating skin by heating tissue for cosmetic treatment of the face and body
US8444562B2 (en) 2004-10-06 2013-05-21 Guided Therapy Systems, Llc System and method for treating muscle, tendon, ligament and cartilage tissue
KR101732144B1 (ko) 2004-10-06 2017-05-02 가이디드 테라피 시스템스, 엘.엘.씨. 초음파 치료 시스템
US20060111744A1 (en) 2004-10-13 2006-05-25 Guided Therapy Systems, L.L.C. Method and system for treatment of sweat glands
US9694212B2 (en) 2004-10-06 2017-07-04 Guided Therapy Systems, Llc Method and system for ultrasound treatment of skin
US11235179B2 (en) 2004-10-06 2022-02-01 Guided Therapy Systems, Llc Energy based skin gland treatment
US7758524B2 (en) 2004-10-06 2010-07-20 Guided Therapy Systems, L.L.C. Method and system for ultra-high frequency ultrasound treatment
US8690778B2 (en) 2004-10-06 2014-04-08 Guided Therapy Systems, Llc Energy-based tissue tightening
EP2279696A3 (de) 2004-10-06 2014-02-26 Guided Therapy Systems, L.L.C. Verfahren und System für die nicht invasive Mastopexie
US9827449B2 (en) 2004-10-06 2017-11-28 Guided Therapy Systems, L.L.C. Systems for treating skin laxity
US11883688B2 (en) 2004-10-06 2024-01-30 Guided Therapy Systems, Llc Energy based fat reduction
US8133180B2 (en) 2004-10-06 2012-03-13 Guided Therapy Systems, L.L.C. Method and system for treating cellulite
US11724133B2 (en) 2004-10-07 2023-08-15 Guided Therapy Systems, Llc Ultrasound probe for treatment of skin
US11207548B2 (en) 2004-10-07 2021-12-28 Guided Therapy Systems, L.L.C. Ultrasound probe for treating skin laxity
US7426866B2 (en) * 2004-12-22 2008-09-23 Edc Biosystems, Inc. Acoustic liquid dispensing apparatus
US7624703B2 (en) * 2005-01-25 2009-12-01 Robert Edward Vago Method and device for removal of ammonia and other contaminants from recirculating aquaculture tanks
US8858805B2 (en) * 2005-01-25 2014-10-14 Robert Edward Vago Method and device for removal of ammonia and related contaminants from water
ITRM20050068A1 (it) * 2005-02-17 2006-08-18 Istituto Naz Per Le Malattie I Metodo per la rivelazione di acidi nucleici di agenti patogeni batterici o di parassiti nelle urine.
CN101218510A (zh) * 2005-04-20 2008-07-09 得克萨斯系统大学评议会 通过自动化的蛋白质错折叠循环扩增超灵敏检测朊病毒
US7571336B2 (en) 2005-04-25 2009-08-04 Guided Therapy Systems, L.L.C. Method and system for enhancing safety with medical peripheral device by monitoring if host computer is AC powered
US7504219B2 (en) * 2005-05-13 2009-03-17 Dxna Llc Methods and apparatus for amplification of DNA using sonic energy
US20060259205A1 (en) * 2005-05-13 2006-11-16 Robert Bosch Gmbh Controlling systems through user tapping
SE529036C2 (sv) * 2005-05-23 2007-04-17 Atlas Copco Rock Drills Ab Metod och anordning
BRPI0609898A2 (pt) 2005-05-24 2011-10-11 Lee H Angros aparelho de recuperação e manchamento de antìgeno in situ, módulo de reação, método para tratar uma lámina de microscópio, e, tira de dispensação de reagente reconfigurável
US8038631B1 (en) 2005-06-01 2011-10-18 Sanghvi Narendra T Laparoscopic HIFU probe
US20060281040A1 (en) * 2005-06-10 2006-12-14 Kelling Albert L Method for use in orthodontics for treating patients with malocclusion
US20070010805A1 (en) 2005-07-08 2007-01-11 Fedewa Russell J Method and apparatus for the treatment of tissue
US7757561B2 (en) 2005-08-01 2010-07-20 Covaris, Inc. Methods and systems for processing samples using acoustic energy
EP1912072A1 (de) * 2005-08-03 2008-04-16 Olympus Corporation Mischvorrichtung und analysevorrichtung mit der mischvorrichtung
DE102005037043C5 (de) 2005-08-05 2017-12-14 Dornier Medtech Systems Gmbh Stoßwellentherapiegerät mit Bildgewinnung
JP2007057318A (ja) * 2005-08-23 2007-03-08 Olympus Corp 分析装置、供給装置、攪拌装置及び攪拌方法
US10548659B2 (en) 2006-01-17 2020-02-04 Ulthera, Inc. High pressure pre-burst for improved fluid delivery
US8518069B2 (en) 2005-09-07 2013-08-27 Cabochon Aesthetics, Inc. Dissection handpiece and method for reducing the appearance of cellulite
US9011473B2 (en) 2005-09-07 2015-04-21 Ulthera, Inc. Dissection handpiece and method for reducing the appearance of cellulite
US9486274B2 (en) 2005-09-07 2016-11-08 Ulthera, Inc. Dissection handpiece and method for reducing the appearance of cellulite
US9358033B2 (en) 2005-09-07 2016-06-07 Ulthera, Inc. Fluid-jet dissection system and method for reducing the appearance of cellulite
US7967763B2 (en) * 2005-09-07 2011-06-28 Cabochon Aesthetics, Inc. Method for treating subcutaneous tissues
DE102005043034A1 (de) * 2005-09-09 2007-03-15 Siemens Ag Vorrichtung und Verfahren zur Bewegung einer Flüssigkeit
US10219815B2 (en) 2005-09-22 2019-03-05 The Regents Of The University Of Michigan Histotripsy for thrombolysis
US20070083120A1 (en) * 2005-09-22 2007-04-12 Cain Charles A Pulsed cavitational ultrasound therapy
US8057408B2 (en) * 2005-09-22 2011-11-15 The Regents Of The University Of Michigan Pulsed cavitational ultrasound therapy
US8083710B2 (en) * 2006-03-09 2011-12-27 The Invention Science Fund I, Llc Acoustically controlled substance delivery device
US8992511B2 (en) * 2005-11-09 2015-03-31 The Invention Science Fund I, Llc Acoustically controlled substance delivery device
US8273071B2 (en) * 2006-01-18 2012-09-25 The Invention Science Fund I, Llc Remote controller for substance delivery system
US8998886B2 (en) * 2005-12-13 2015-04-07 The Invention Science Fund I, Llc Remote control of osmotic pump device
US7817030B2 (en) * 2005-11-09 2010-10-19 Invention Science Fund 1, Llc Remote controller for in situ reaction device
US9067047B2 (en) * 2005-11-09 2015-06-30 The Invention Science Fund I, Llc Injectable controlled release fluid delivery system
US7942867B2 (en) * 2005-11-09 2011-05-17 The Invention Science Fund I, Llc Remotely controlled substance delivery device
US20070106277A1 (en) * 2005-11-09 2007-05-10 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Remote controller for substance delivery system
US8936590B2 (en) * 2005-11-09 2015-01-20 The Invention Science Fund I, Llc Acoustically controlled reaction device
US7885793B2 (en) 2007-05-22 2011-02-08 International Business Machines Corporation Method and system for developing a conceptual model to facilitate generating a business-aligned information technology solution
US9248317B2 (en) 2005-12-02 2016-02-02 Ulthera, Inc. Devices and methods for selectively lysing cells
EP1959256A1 (de) * 2005-12-08 2008-08-20 Olympus Corporation Reaktionsgefäss und analysegerät
US20070167778A1 (en) * 2005-12-23 2007-07-19 Crowley Robert J Acoustic interrogation system and method of operation
US20080033296A1 (en) * 2006-02-17 2008-02-07 Florida Gulf Coast University Methods for delivering materials into biological systems using sonic energy
US20080140057A1 (en) * 2006-03-09 2008-06-12 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of State Of The Delaware Injectable controlled release fluid delivery system
EP1995597A1 (de) * 2006-03-15 2008-11-26 Olympus Corporation Rührvorrichtung und analysegerät
JP2007248252A (ja) * 2006-03-15 2007-09-27 Olympus Corp 攪拌装置及び分析装置
CN100374194C (zh) * 2006-07-19 2008-03-12 北京工业大学 无机氧化物或金属纳米粒子的制备方法及设备
WO2008016691A2 (en) * 2006-08-01 2008-02-07 Covaris, Inc. Methods and apparatus for treating samples with acoustic energy
RU2460489C2 (ru) * 2006-08-11 2012-09-10 Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. Основанная на анализе изображений обратная связь для регулирования мощности для формирования оптимального ультразвукового изображения радиочастотного удаления тканей
US9566454B2 (en) 2006-09-18 2017-02-14 Guided Therapy Systems, Llc Method and sysem for non-ablative acne treatment and prevention
WO2008062342A2 (en) * 2006-11-20 2008-05-29 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Control and display of ultrasonic microbubble cavitation
EP1925359A1 (de) 2006-11-22 2008-05-28 Covaris, Inc. Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung von Proben mit akustischer Energie zur Bildung von Partikeln
JP4939910B2 (ja) * 2006-11-29 2012-05-30 株式会社東芝 マイクロ化学分析システム及びマイクロ化学分析装置
US7767159B2 (en) * 2007-03-29 2010-08-03 Victor Nikolaevich Glotov Continuous flow sonic reactor and method
DE102007017450A1 (de) * 2007-04-02 2008-10-09 Niro-Plan Ag Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Caffe Latte Macchiato
US9174189B2 (en) 2007-04-17 2015-11-03 The Research Foundation For The State University Of New York Apparatus and method for ultrasound treatment for ballast water management
US7799233B2 (en) * 2007-04-17 2010-09-21 The Research Foundation Of State University Of New York Apparatus and method for ultrasound treatment of aquatic organisms
DK2152167T3 (en) 2007-05-07 2018-12-10 Guided Therapy Systems Llc Methods and systems for coupling and focusing acoustic energy using a coupling element
TWI526233B (zh) 2007-05-07 2016-03-21 指導治療系統股份有限公司 利用聲波能量調製藥劑輸送及效能之系統
US20150174388A1 (en) 2007-05-07 2015-06-25 Guided Therapy Systems, Llc Methods and Systems for Ultrasound Assisted Delivery of a Medicant to Tissue
US8420016B2 (en) * 2007-05-16 2013-04-16 American Sterilizer Company Microbial deactivation apparatus having integrated ultrasonic drying system
GB2452239B (en) * 2007-06-01 2012-08-29 Kratos Analytical Ltd Method and apparatus useful for imaging
CN101755213B (zh) * 2007-07-18 2013-05-08 贝克曼考尔特公司 分析装置及其异常处理方法
JP5222848B2 (ja) * 2007-07-18 2013-06-26 ベックマン コールター， インコーポレイテッド 撹拌判定装置、撹拌判定方法及び分析装置
US8778414B2 (en) 2007-08-09 2014-07-15 General Patent, Llc Apparatus and method for cellular extract enhancement
US7661289B1 (en) 2007-08-31 2010-02-16 Edc Biosystems, Inc. Method for calibrating an acoustic droplet dispensing apparatus
US8235902B2 (en) 2007-09-11 2012-08-07 Focus Surgery, Inc. System and method for tissue change monitoring during HIFU treatment
JP2009082862A (ja) * 2007-10-02 2009-04-23 Elekon Kagaku Kk 三交差変超波真空破砕装置
US8439940B2 (en) 2010-12-22 2013-05-14 Cabochon Aesthetics, Inc. Dissection handpiece with aspiration means for reducing the appearance of cellulite
BRPI0818818A2 (pt) * 2007-10-25 2015-04-22 Novartis Ag Condicionamento de pó
JP5219461B2 (ja) * 2007-11-02 2013-06-26 ベックマン コールター， インコーポレイテッド 攪拌判定方法及び分析装置
JP5095380B2 (ja) * 2007-12-26 2012-12-12 ジーイー・メディカル・システムズ・グローバル・テクノロジー・カンパニー・エルエルシー 超音波撮像装置
EP2250286A1 (de) 2008-02-15 2010-11-17 Life Technologies Corporation Verfahren und zusammensetzungen zum scheren von polymeren mittels ultraschallbehandlung
DE102008021000A1 (de) 2008-04-25 2009-10-29 Qiagen Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Aufschluss von biologischem Material
US8515553B2 (en) * 2008-04-28 2013-08-20 Thermage, Inc. Methods and apparatus for predictively controlling the temperature of a coolant delivered to a treatment device
US8979776B2 (en) * 2008-05-02 2015-03-17 Daniel Gelbart Lithotripsy system with automatic 3D tracking
DK2282675T3 (en) 2008-06-06 2016-05-17 Ulthera Inc Cosmetic treatment and imaging system
US8285392B2 (en) * 2008-06-19 2012-10-09 Thermage, Inc. Leakage-resistant tissue treatment apparatus and methods of using such tissue treatment apparatus
US8999704B2 (en) 2008-06-24 2015-04-07 Covaris, Inc. Method and apparatus for headspace control in acoustic processing of samples
JP5530081B2 (ja) * 2008-07-16 2014-06-25 オリンパス株式会社 超音波ダイセクション装置および超音波ダイセクション方法
WO2010017177A1 (en) * 2008-08-06 2010-02-11 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Ultrasonically induced release from polymer vesicles
US8192075B2 (en) * 2008-08-19 2012-06-05 Ge Inspection Technologies, Lp Method for performing ultrasonic testing
GB2477648B (en) 2008-08-29 2013-02-20 Lee H Angros In situ heat induced antigen recovery and staining apparatus and method
US20100133447A1 (en) * 2008-09-10 2010-06-03 Impulse Devices, Inc. Acousto-Optical Test and Analysis Cavitation Chamber
US9086396B2 (en) 2008-11-28 2015-07-21 Roche Molecular Systems, Inc. System and method for the automated processing of fluids, method for determining the matching of objects
CA2748362A1 (en) 2008-12-24 2010-07-01 Michael H. Slayton Methods and systems for fat reduction and/or cellulite treatment
US8331196B2 (en) 2009-04-14 2012-12-11 Covaris, Inc. System and method for controlling an acoustic transducer
RU2549443C2 (ru) * 2009-04-14 2015-04-27 Биокартис Нв Индуцированная высокоинтенсивным фокусированным ультразвуком кавитация с уменьшенным порогом мощности
WO2010126614A2 (en) 2009-04-30 2010-11-04 Good Start Genetics, Inc. Methods and compositions for evaluating genetic markers
DE102009035231B4 (de) * 2009-07-29 2013-08-08 Gsi Helmholtzzentrum Für Schwerionenforschung Gmbh Phantom zur experimentellen in-vitro-Validierung von Bestrahlungen unter Bewegungseinfluss unter Berücksichtigung der biologisch effektiven Dosis
US9358064B2 (en) 2009-08-07 2016-06-07 Ulthera, Inc. Handpiece and methods for performing subcutaneous surgery
US11096708B2 (en) 2009-08-07 2021-08-24 Ulthera, Inc. Devices and methods for performing subcutaneous surgery
AU2010284313B2 (en) * 2009-08-17 2016-01-28 Histosonics, Inc. Disposable acoustic coupling medium container
US8465196B2 (en) * 2009-08-20 2013-06-18 Tecres S.P.A. Bone cement mixer
WO2011028603A2 (en) 2009-08-26 2011-03-10 The Regents Of The University Of Michigan Micromanipulator control arm for therapeutic and imaging ultrasound transducers
JP5726191B2 (ja) * 2009-08-26 2015-05-27 リージェンツ オブ ザ ユニバーシティー オブ ミシガン 尿管結石の破砕の際に気泡混濁空洞現象の制御を使用する装置および方法
US8582393B2 (en) * 2009-09-18 2013-11-12 Airmar Technology Corporation Method and apparatus for controlling temperature of an acoustic transducer
EP2480333A2 (de) * 2009-09-21 2012-08-01 University Of Dundee Vorrichtung und verfahren zur manipulation von objekten mit ultraschall
GB0916635D0 (en) * 2009-09-22 2009-11-04 Isis Innovation Ultrasound systems
GB0916634D0 (en) * 2009-09-22 2009-11-04 Isis Innovation Ultrasound systems
US8539813B2 (en) 2009-09-22 2013-09-24 The Regents Of The University Of Michigan Gel phantoms for testing cavitational ultrasound (histotripsy) transducers
US20110149678A1 (en) * 2009-10-09 2011-06-23 Southwick Kenneth J Methods of and Systems for Improving the Operation of Electric Motor Driven Equipment
EP2504682A1 (de) 2009-11-23 2012-10-03 Lars Olof A Hansson Verfahren für ein system zur verarbeitung von stuhlproben von menschen oder tieren sowie probenverarbeitungssystem
US8715186B2 (en) 2009-11-24 2014-05-06 Guided Therapy Systems, Llc Methods and systems for generating thermal bubbles for improved ultrasound imaging and therapy
WO2011091020A2 (en) * 2010-01-19 2011-07-28 The Board Of Regents Of The University Of Texas System Apparatuses and systems for generating high-frequency shockwaves, and methods of use
US20110177576A1 (en) * 2010-01-21 2011-07-21 Tissue Regenerationtechnologies, Llc. Shock wave cell treatment device and method to enhance cell replication
US8695156B2 (en) * 2010-02-10 2014-04-15 Jeffrey S. Marshall Aeroacoustic duster
US20170270809A1 (en) * 2010-03-04 2017-09-21 Knowing Science LLC Method and apparatus for teaching science concepts
RU2589614C2 (ru) 2010-05-27 2016-07-10 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Ультразвуковой преобразователь для избирательной генерации ультразвуковых волн и тепла
EP2588222B1 (de) 2010-07-01 2016-09-07 Covaris, Inc. Verfahren zur herstellung von nanoformulierungen mithilfe fokussierter akustik
EP2404672A1 (de) * 2010-07-06 2012-01-11 Universiteit Twente Multiwell-System mit hohem Durchsatz zum Kultivieren von in-vitro oder in-vivo 3D-Gewebekonstrukten, Verfahren zum Herstellen des Multiwell-Systems und Verfahren zur Herstellung von 3D-Gewebekonstrukten aus Zellen, die das Multiwell-System verwenden
KR20200004466A (ko) 2010-08-02 2020-01-13 가이디드 테라피 시스템스, 엘.엘.씨. 초음파 치료 시스템 및 방법
US9504446B2 (en) 2010-08-02 2016-11-29 Guided Therapy Systems, Llc Systems and methods for coupling an ultrasound source to tissue
US9322784B2 (en) * 2010-09-08 2016-04-26 Tecan Trading Ag Microplate-reader with a controlled gas atmosphere, corresponding method and use of same
US8459121B2 (en) 2010-10-28 2013-06-11 Covaris, Inc. Method and system for acoustically treating material
US8857438B2 (en) 2010-11-08 2014-10-14 Ulthera, Inc. Devices and methods for acoustic shielding
DE102010053723A1 (de) * 2010-11-30 2012-05-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur zerstörungsfreien Überwachung oder den Nachweis der Durchführung einer Behandlung sowie ein System zur Durchführung des Verfahrens
GB201020249D0 (en) * 2010-11-30 2011-01-12 Airbus Uk Ltd Ultrasonic array focussing apparatus and method
US9163281B2 (en) 2010-12-23 2015-10-20 Good Start Genetics, Inc. Methods for maintaining the integrity and identification of a nucleic acid template in a multiplex sequencing reaction
US8709359B2 (en) 2011-01-05 2014-04-29 Covaris, Inc. Sample holder and method for treating sample material
EP2489427A1 (de) 2011-02-16 2012-08-22 Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung GmbH Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung und Analyse von Prionen
EP2686094A4 (de) * 2011-03-17 2014-12-17 Covaris Inc Schallbehandlungsgefäss und schallbehandlungsverfahren
US9108338B2 (en) 2011-04-13 2015-08-18 Align Technology, Inc. Methods and systems for thermal forming an object
EP2511380B1 (de) 2011-04-15 2013-12-25 Diagenode S.A. Verfahren und Vorrichtung zum Fragmentieren von DNA-Sequenzen
WO2012148648A2 (en) 2011-04-27 2012-11-01 Becton Dickinson & Co. Devices and methods for separating magnetically labeled moieties in a sample
US9452302B2 (en) 2011-07-10 2016-09-27 Guided Therapy Systems, Llc Systems and methods for accelerating healing of implanted material and/or native tissue
KR20140047709A (ko) 2011-07-11 2014-04-22 가이디드 테라피 시스템스, 엘.엘.씨. 조직에 초음파원을 연결하는 시스템 및 방법
EP2732078B1 (de) * 2011-07-14 2017-03-15 Covaris, Inc. Verfahren zur herstellung nanokristalliner zusammensetzungen mittels fokussierter akustik
AR087170A1 (es) * 2011-07-15 2014-02-26 Univ Texas Aparato para generar ondas de choque terapeuticas y sus aplicaciones
US9144694B2 (en) 2011-08-10 2015-09-29 The Regents Of The University Of Michigan Lesion generation through bone using histotripsy therapy without aberration correction
US9228233B2 (en) 2011-10-17 2016-01-05 Good Start Genetics, Inc. Analysis methods
US20130330707A1 (en) * 2011-10-17 2013-12-12 Afs Biooil Co. Method and apparatus for dosing and supply of nutrients derived from dewatering processes
US9103755B2 (en) 2011-11-22 2015-08-11 Covaris, Inc. Sample holder and method for fragmenting sample material
US9950282B2 (en) 2012-03-15 2018-04-24 Flodesign Sonics, Inc. Electronic configuration and control for acoustic standing wave generation
US8209130B1 (en) 2012-04-04 2012-06-26 Good Start Genetics, Inc. Sequence assembly
US8812422B2 (en) 2012-04-09 2014-08-19 Good Start Genetics, Inc. Variant database
US9049783B2 (en) 2012-04-13 2015-06-02 Histosonics, Inc. Systems and methods for obtaining large creepage isolation on printed circuit boards
US9263663B2 (en) 2012-04-13 2016-02-16 Ardent Sound, Inc. Method of making thick film transducer arrays
US10227635B2 (en) 2012-04-16 2019-03-12 Molecular Loop Biosolutions, Llc Capture reactions
EP2844343B1 (de) 2012-04-30 2018-11-21 The Regents Of The University Of Michigan Ultraschallwandlerherstellung mittels dung rapid-prototyping-verfahren
US9491548B2 (en) * 2012-08-24 2016-11-08 Convey Technology, Inc. Parametric system for generating a sound halo, and methods of use thereof
US9376676B2 (en) * 2012-09-07 2016-06-28 Agency For Science, Technology And Research Method of breaking down biological material
EP2893973B1 (de) * 2012-09-10 2019-01-09 Thinky Corporation Schleudermaschine
US9510802B2 (en) 2012-09-21 2016-12-06 Guided Therapy Systems, Llc Reflective ultrasound technology for dermatological treatments
US20140100459A1 (en) 2012-10-05 2014-04-10 The Regents Of The University Of Michigan Bubble-induced color doppler feedback during histotripsy
US9873921B2 (en) * 2012-10-22 2018-01-23 Qiagen Gaithersburg, Inc. Ultrasonic biological sample analysis apparatus and methods
CN110595987A (zh) 2012-10-26 2019-12-20 贝克顿·迪金森公司 用于操纵流体样品中的组分的装置和方法
US9080167B2 (en) 2012-11-16 2015-07-14 Covaris, Inc. System and method for processing paraffin embedded samples
US9228099B2 (en) 2012-12-21 2016-01-05 Xerox Corporation Phase change ink composition and process for preparing same
CA2897919C (en) 2013-01-11 2021-01-26 Douglas Scientific, LLC Biological sample analytical instrument
CN105188559B (zh) * 2013-02-28 2017-09-22 爱飞纽医疗机械贸易有限公司 检测空化的方法及超声医疗设备
US10835767B2 (en) 2013-03-08 2020-11-17 Board Of Regents, The University Of Texas System Rapid pulse electrohydraulic (EH) shockwave generator apparatus and methods for medical and cosmetic treatments
CN204637350U (zh) 2013-03-08 2015-09-16 奥赛拉公司 美学成像与处理系统、多焦点处理系统和执行美容过程的系统
EP2971159B1 (de) 2013-03-14 2019-05-08 Molecular Loop Biosolutions, LLC Verfahren zur analyse von nukleinsäuren
US10561862B2 (en) 2013-03-15 2020-02-18 Guided Therapy Systems, Llc Ultrasound treatment device and methods of use
WO2014144607A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Turner Designs Hydrocarbon Instruments, Inc. Multi-axis optical measurement of fluid streams with sonic cleaning and homogenization
ES2751454T3 (es) * 2013-05-17 2020-03-31 Siemens Healthcare Diagnostics Inc Liberación y recogida de partículas
US10341764B2 (en) * 2013-05-23 2019-07-02 Derek Barrentine Structures for dynamically tuned audio in a media device
US8847799B1 (en) 2013-06-03 2014-09-30 Good Start Genetics, Inc. Methods and systems for storing sequence read data
US11432900B2 (en) 2013-07-03 2022-09-06 Histosonics, Inc. Articulating arm limiter for cavitational ultrasound therapy system
JP6600304B2 (ja) 2013-07-03 2019-10-30 ヒストソニックス，インコーポレーテッド 衝撃散乱を使用した気泡雲形成のために最適化されたヒストトリプシ励起シーケンス
US20150037808A1 (en) * 2013-08-01 2015-02-05 Michael Donaty System and Method for Ultrasonic Sample Preparation
US11092521B2 (en) 2013-08-21 2021-08-17 Covaris, Inc. Method and system for acoustically treating material
WO2015027164A1 (en) 2013-08-22 2015-02-26 The Regents Of The University Of Michigan Histotripsy using very short ultrasound pulses
US9320995B2 (en) 2013-09-17 2016-04-26 Covaris, Inc. Method and apparatus for processing sample material
US10398843B2 (en) 2013-10-15 2019-09-03 Covaris, Inc. Apparatus and method for acoustic treatment and delivery of samples for medical treatment
WO2015057565A1 (en) 2013-10-18 2015-04-23 Good Start Genetics, Inc. Methods for assessing a genomic region of a subject
US10851414B2 (en) 2013-10-18 2020-12-01 Good Start Genetics, Inc. Methods for determining carrier status
US9775336B2 (en) 2013-12-06 2017-10-03 Airmar Technology Corporation Acoustic projector with source level monitoring and control
US9786266B2 (en) 2013-12-10 2017-10-10 Covaris, Inc. Method and system for acoustically treating material
WO2015100028A1 (en) * 2013-12-23 2015-07-02 Becton, Dickinson And Company Devices and methods for processing a biological sample
TWI572403B (zh) * 2014-01-27 2017-03-01 東京威力科創股份有限公司 用於光阻配送系統之主動過濾器技術
SG11201608691YA (en) 2014-04-18 2016-11-29 Ulthera Inc Band transducer ultrasound therapy
KR102450509B1 (ko) * 2014-05-08 2022-10-04 프로디자인 소닉스, 인크. 압전 트랜듀서 어레이를 구비한 음파영동 장치
WO2015175530A1 (en) 2014-05-12 2015-11-19 Gore Athurva Methods for detecting aneuploidy
EP3151967A2 (de) 2014-06-09 2017-04-12 Ascent Bio-Nano Technologies, Inc. System zur manipulation und sortierung von partikeln
US20170205318A1 (en) * 2014-07-17 2017-07-20 University Of Washington Ultrasound system for shearing cellular material
US9606031B2 (en) 2014-07-23 2017-03-28 Covaris, Inc. Systems and methods for transfer and processing of biological samples
US10058860B2 (en) 2014-08-05 2018-08-28 Covaris, Inc. Methods and apparatuses for acoustic treatment of samples
US10535332B2 (en) * 2014-09-05 2020-01-14 University Of Washington Confinement or movement of an object using focused ultrasound waves to generate an ultrasound intensity well
WO2016040446A1 (en) 2014-09-10 2016-03-17 Good Start Genetics, Inc. Methods for selectively suppressing non-target sequences
US10429399B2 (en) 2014-09-24 2019-10-01 Good Start Genetics, Inc. Process control for increased robustness of genetic assays
US10093955B2 (en) 2014-10-14 2018-10-09 Covaris, Inc. Acoustic energy mediation of genetic fragmentation
US10000799B2 (en) 2014-11-04 2018-06-19 Boreal Genomics, Inc. Methods of sequencing with linked fragments
TWI564554B (zh) * 2014-12-12 2017-01-01 國立勤益科技大學 用於ｘｘｙ平台即時故障之檢測方法
US10280395B2 (en) 2014-12-24 2019-05-07 Covaris, Inc. Acoustic energy treatment using phase change couplant
EP4095261A1 (de) 2015-01-06 2022-11-30 Molecular Loop Biosciences, Inc. Abtasten auf strukturelle varianten
US11179581B2 (en) 2015-03-09 2021-11-23 The Research Foundation For The State University Of New York Systems and methods for promoting cellular activities for tissue maintenance, repair, and regeneration
WO2016176131A1 (en) * 2015-04-28 2016-11-03 Covaris, Inc. Methods and apparatuses for processing blood
AU2016261936B2 (en) 2015-05-12 2020-12-17 Soliton, Inc. Methods of treating cellulite and subcutaneous adipose tissue
JP6979882B2 (ja) 2015-06-24 2021-12-15 ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァシティ オブ ミシガン 脳組織の治療のための組織破砕療法システムおよび方法
CN105316472B (zh) * 2015-08-13 2017-11-17 江苏大学 一种提高激光诱导冲击波压力的方法及装置
WO2017035559A1 (en) * 2015-09-04 2017-03-09 Monash University Membrane and method for micromixing
US10473566B2 (en) 2015-10-08 2019-11-12 Covaris, Inc. Blood sampling, storage and treatment apparatus
KR102615327B1 (ko) 2016-01-18 2023-12-18 얼테라, 인크 환형 초음파 어레이가 가요성 인쇄 회로 기판에 지엽적으로 전기적으로 연결된 컴팩트한 초음파 디바이스 및 그 조립 방법
US10961573B2 (en) 2016-03-28 2021-03-30 Boreal Genomics, Inc. Linked duplex target capture
EP3436607B1 (de) 2016-03-28 2023-06-14 Ncan Genomics, Inc. Verknüpfte duplexzielerfassung
WO2017173039A1 (en) 2016-03-30 2017-10-05 Covaris, Inc. Extraction of cfdna from biological samples
TWI742110B (zh) 2016-07-21 2021-10-11 美商席利通公司 具備改良電極壽命之快速脈波電動液壓脈衝產生裝置及使用該裝置生成壓縮聲波之方法
KR102593310B1 (ko) 2016-08-16 2023-10-25 얼테라, 인크 이미징 오정렬을 감소시키도록 구성된 초음파 이미징 시스템, 초음파 이미징 모듈 및 이미징 오정렬을 감소시키는 방법
US11801374B2 (en) 2016-09-02 2023-10-31 The General Hospital Corporation Methods and systems for non-contact construction of an internal structure
US11268137B2 (en) 2016-12-09 2022-03-08 Boreal Genomics, Inc. Linked ligation
US10809166B2 (en) 2017-01-20 2020-10-20 Matchstick Technologies, Inc. Ultrasound system for shearing cellular material in a microplate
KR20230144665A (ko) 2017-02-19 2023-10-16 솔리톤, 인코포레이티드 생물학적 매체 내의 선택적 레이저 유도 광학 파괴
EP3369468A1 (de) 2017-02-23 2018-09-05 Covaris, Inc. Akustische energiebasierte steuerung der partikelanzahl bei der kristallisation
US10858691B2 (en) 2017-04-18 2020-12-08 Covaris, Inc. Differential shearing of nucleic acids
US10960370B2 (en) 2017-06-07 2021-03-30 Omni International, Inc. Ultrasonic homogenization device with closed-loop amplitude control
US11944849B2 (en) 2018-02-20 2024-04-02 Ulthera, Inc. Systems and methods for combined cosmetic treatment of cellulite with ultrasound
WO2019183130A1 (en) * 2018-03-19 2019-09-26 Trustees Of Boston University Systems, devices, and methods for ultrasonic agitation mediated kinetic release testing of compounds
JP6558841B1 (ja) * 2018-03-22 2019-08-14 株式会社写真化学 状態監視システム及びそれを用いた撹拌・脱泡処理方法
US20210231538A1 (en) * 2018-07-24 2021-07-29 Andrew Simon Goldsborough Dissociation of biological samples
TWI686226B (zh) * 2018-11-22 2020-03-01 國立臺灣大學 超音波細胞刺激裝置
US11813484B2 (en) 2018-11-28 2023-11-14 Histosonics, Inc. Histotripsy systems and methods
US20200199521A1 (en) 2018-12-19 2020-06-25 Covaris, Inc. Acoustic energy based cell lysis and nucleic acid fragmentation
WO2020141464A1 (en) 2019-01-03 2020-07-09 Boreal Genomics, Inc. Linked target capture
US11346755B2 (en) 2019-01-10 2022-05-31 Travera, Inc. Calibration of a functional biomarker instrument
US11883047B2 (en) * 2019-09-02 2024-01-30 Moshe Ein-Gal Electromagnetic shockwave transducer
EP4096782A4 (de) 2020-01-28 2024-02-14 Univ Michigan Regents Systeme und verfahren zur histotripsie-immunsensibilisierung
RU2759428C2 (ru) * 2020-04-03 2021-11-12 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук Лабораторный реактор для ультразвуковой обработки с регистрацией люминесценции в растворах и суспензиях
US11732927B2 (en) * 2020-04-09 2023-08-22 Rheem Manufacturing Company Systems and methods for preventing and removing chemical deposits in a fluid heating device
WO2021226401A1 (en) * 2020-05-06 2021-11-11 Sanuwave Inc. Reprocessing of medical devices that are contaminated with bacteria, viruses, other pathogens, and biofilms with shockwaves, pressure waves or ultrasound systems
CN112245257B (zh) * 2020-09-22 2023-08-22 重庆大学 基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置
RU2754138C1 (ru) * 2020-12-21 2021-08-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Башкирский государственный университет" Способ оценки характера насыщенности нефтяного пласта
CN112924544B (zh) * 2021-01-25 2023-06-09 江西志浩电子科技有限公司 一种超声波处理效果检测装置及电路板生产方法
WO2022197780A1 (en) 2021-03-19 2022-09-22 Covaris, Llc Protein and metabolite enrichment using focused acoustic energy
DE102021107594A1 (de) * 2021-03-25 2022-09-29 Endress+Hauser Group Services Ag Sensor zur Bestimmung einer Messgröße und Verfahren zur einer Messgröße mit einem Sensor
WO2023281159A1 (en) * 2021-07-06 2023-01-12 Helsingin Yliopisto System and method for sampling
CN114088507B (zh) * 2021-10-19 2024-04-02 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 用于石蜡包埋组织的高强度聚焦超声脱蜡系统、脱蜡装置

Family Cites Families (103)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1779A (en) * 1840-09-10 Improvement in cultivators
GB153693A (en) 1919-08-19 1920-11-18 Geoffry Tattersall A machine for popping corn by electric heat
US1734975A (en) * 1927-09-02 1929-11-12 Alfred L Loomis Method and apparatus for forming emulsions and the like
DE738286C (de) 1940-11-16 1943-08-10 Walter Guenther Dipl Ing Verfahren zur Feinstzerkleinerung
US2447061A (en) * 1945-07-18 1948-08-17 Cambridge Thermionic Corp Piezoelectric system
US2578505A (en) * 1948-03-02 1951-12-11 Sperry Prod Inc Supersonic agitation
US2585103A (en) * 1948-03-08 1952-02-12 Otis A Brown Apparatus for ultrasonic treatment of liquids
US2565159A (en) 1949-04-21 1951-08-21 Brush Dev Co Focused electromechanical device
US2632634A (en) * 1950-09-23 1953-03-24 Brush Dev Co Electroacoustic device
US2738172A (en) * 1952-11-28 1956-03-13 Nat Dairy Res Lab Inc Apparatus for treatment of products with ultrasonic energy
US2916265A (en) * 1954-11-22 1959-12-08 Ultrasonic Dev Inc Ultrasonic apparatus
US2864592A (en) * 1955-03-07 1958-12-16 Bendix Aviat Corp Liquid-vibrating apparatus
US2855526A (en) 1955-10-24 1958-10-07 Aeroprojects Inc Apparatus for generating ultrasonic energy of high intensity
US2950725A (en) 1958-03-26 1960-08-30 Detrex Chem Ind Ultrasonic cleaning apparatus
US3066686A (en) 1960-05-10 1962-12-04 Bendix Corp Sonic treating apparatus
US3194640A (en) 1961-02-10 1965-07-13 Nesh Florence Use of ultrasound to induce crystal rearrangements and phase transitions
FR1532203A (fr) 1961-10-31 1968-07-12 Procédé de traitement des corps par les sons ou ultra-sons et dispositif pour sa mise en oeuvre
GB1105962A (en) 1964-06-29 1968-03-13 Ilford Ltd Colour photographic materials and processes
US3292910A (en) 1964-11-10 1966-12-20 Stanford Research Inst Ultrasonic concentrator
US3396286A (en) 1965-01-21 1968-08-06 Linden Lab Inc Transducer assembly for producing ultrasonic vibrations
US3481186A (en) * 1965-03-17 1969-12-02 Int Harvester Co Methods of and systems for effecting the nondestructive analysis of materials
US3614069A (en) 1969-09-22 1971-10-19 Fibra Sonics Multiple frequency ultrasonic method and apparatus for improved cavitation, emulsification and mixing
US3604270A (en) * 1970-01-05 1971-09-14 Richard A Falk Sampling lance with metal tube
US3837805A (en) 1971-01-15 1974-09-24 Wave Energy Systems Apparatus for continuous sterilization at low temperature
US3743523A (en) * 1971-08-04 1973-07-03 A Bodine Method for the sonic treating of food material
US3807704A (en) 1972-11-13 1974-04-30 Phillips Petroleum Co Dispersing and mixing apparatus
US3876980A (en) * 1973-11-05 1975-04-08 Products Of Information Techno Vehicle location systems
US4028933A (en) 1974-02-15 1977-06-14 The Board Of Trustees Of Leland Stanford Junior University Acoustic microscope
US3876890A (en) 1974-04-24 1975-04-08 Saratoga Systems Low reflected energy transmission structure transducer head
US3919558A (en) * 1974-11-04 1975-11-11 Gen Electric Hot sub-stage for a scanning electron microscope
DE2557668A1 (de) 1975-12-20 1977-06-30 Innotec Oy Vorrichtung zur behandlung von proben, insbesondere fluessigkeitsproben mit ultraschall
JPS51112792A (en) 1976-03-16 1976-10-05 Elliott Herbert J Method of pelletizing sulfur
USRE31779E (en) 1976-03-26 1984-12-25 Alcide Corporation Germ-killing composition and method
US4307964A (en) * 1981-02-25 1981-12-29 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior System for maintaining high resonance during sonic agglomeration
US4488816A (en) 1982-12-27 1984-12-18 Vota Mario F Apparatus for the generation and the automatic control of ultrasonic waves in the treatment of fluids
US4571087A (en) * 1983-03-22 1986-02-18 Board Of Regents, University Of Texas System Array sonicator apparatus for automated sample preparation
US4541281A (en) 1983-04-03 1985-09-17 Noriyoshi Chubachi Ultrasonic microscope system
FR2574548B1 (fr) 1984-12-10 1987-07-31 Alsthom Atlantique Dispoitif de mesure de la teneur d'un liquide en germes de cavitation
US4926871A (en) * 1985-05-08 1990-05-22 International Biomedics, Inc. Apparatus and method for non-invasively and automatically measuring the volume of urine in a human bladder
GB8529446D0 (en) * 1985-11-29 1986-01-08 Univ Aberdeen Divergent ultrasound arrays
DE3545381C2 (de) * 1985-12-20 1994-02-24 Siemens Ag Ultraschallwandler zur Messung der Schalleistung eines fokussierten Ultraschallfeldes
US4983189A (en) * 1986-02-21 1991-01-08 Technical Research Associates, Inc. Methods and apparatus for moving and separating materials exhibiting different physical properties
US4862060A (en) 1986-11-18 1989-08-29 Atlantic Richfield Company Microwave apparatus for measuring fluid mixtures
US4834124A (en) 1987-01-09 1989-05-30 Honda Electronics Co., Ltd. Ultrasonic cleaning device
SU1462155A1 (ru) 1987-02-23 1989-02-28 Lodus Evgenij V Установка дл ударных испытаний образцов материалов
US5037481B1 (en) 1987-04-29 1993-05-11 Verteq, Inc. Megasonic cleaning method
GB8718756D0 (en) * 1987-08-07 1987-09-16 Unilever Plc Supporting means
US5026167A (en) 1989-10-19 1991-06-25 Heat Systems Incorporated Ultrasonic fluid processing system
DE69214672T2 (de) * 1991-12-20 1997-04-03 Technomed Medical Systems Schallwellen aussendende,thermische effekte und kavitationseffekte erzeugende vorrichtung fur die ultraschalltherapie
JPH07113596B2 (ja) 1992-01-16 1995-12-06 島久薬品株式会社 破砕分散用袋
DE4207463C2 (de) * 1992-03-10 1996-03-28 Siemens Ag Anordnung zur Therapie von Gewebe mit Ultraschall
US5348002A (en) * 1992-04-23 1994-09-20 Sirraya, Inc. Method and apparatus for material analysis
DE4228618A1 (de) * 1992-08-28 1994-03-03 Hoechst Ag Reaktor zum Durchführen von chemischen Reaktionen
US5639423A (en) 1992-08-31 1997-06-17 The Regents Of The University Of Calfornia Microfabricated reactor
EP0619104B1 (de) * 1992-09-16 2002-03-13 Hitachi, Ltd. Ultraschallbestrahlungsgeraet
US5391197A (en) * 1992-11-13 1995-02-21 Dornier Medical Systems, Inc. Ultrasound thermotherapy probe
JP3338520B2 (ja) 1993-07-14 2002-10-28 島久フードテック株式会社 破砕分散用袋
US5395592A (en) * 1993-10-04 1995-03-07 Bolleman; Brent Acoustic liquid processing device
US5409594A (en) * 1993-11-23 1995-04-25 Dynamotive Corporation Ultrasonic agitator
US5368054A (en) * 1993-12-17 1994-11-29 International Business Machines Corporation Ultrasonic jet semiconductor wafer cleaning apparatus
US5736100A (en) * 1994-09-20 1998-04-07 Hitachi, Ltd. Chemical analyzer non-invasive stirrer
TW275594B (en) * 1994-11-14 1996-05-11 Yoshino Denki Kk Ultrasonic cleaning device
WO1996022844A1 (en) * 1995-01-27 1996-08-01 Trustees Of Boston University Acoustic coaxing methods and apparatus
US5623095A (en) 1995-11-24 1997-04-22 The United States Of America As Represented By The Department Of Energy Method for chemically analyzing a solution by acoustic means
US5779985A (en) * 1995-12-18 1998-07-14 Solid Phase Sciences Corporation Reaction plenum
US6277332B1 (en) * 1995-12-18 2001-08-21 Solid Phase Sciences Corporation Reaction plenum with magnetic separation and/or ultrasonic agitation
US6010316A (en) 1996-01-16 2000-01-04 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Acoustic micropump
JP2700058B2 (ja) * 1996-01-23 1998-01-19 工業技術院長 超音波を用いた非接触マイクロマニピュレーション方法
US5688406A (en) * 1996-02-28 1997-11-18 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Method and apparatus for separating particulate from a flowing fluid
US5631425A (en) * 1996-03-07 1997-05-20 Integrated Device Technology, Inc. Method for identifying molding compound using an acoustic microscope
DE19617924A1 (de) 1996-05-05 1997-11-13 Brace Gmbh Chemie Plastics Dat Verfahren und Vorrichtung zur Schwingungsanregung von flüssigen Medien bei der Herstellung von sphärischen Granulaten
US7211927B2 (en) * 1996-09-24 2007-05-01 William Puskas Multi-generator system for an ultrasonic processing tank
WO1998037397A1 (en) 1997-02-21 1998-08-27 University Of Washington Piezo-ceramic actuator-driven mixing device
AU7967198A (en) 1997-06-16 1999-01-04 William L. Puskas Systems for ultrasonically processing delicate parts
US6003388A (en) * 1997-09-17 1999-12-21 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration System for manipulating drops and bubbles using acoustic radiation pressure
US6413783B1 (en) * 1997-09-18 2002-07-02 Meso Scale Technologies, Llc Assay sonication apparatus and methodology
CA2301557A1 (en) 1997-09-19 1999-04-01 Aclara Biosciences, Inc. Apparatus and method for transferring liquids
US6039309A (en) * 1997-12-05 2000-03-21 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Method and apparatus for producing gas bubbles in a liquid medium
DE19756874A1 (de) * 1997-12-19 1999-06-24 Basf Ag Vorrichtung zum Herstellen von dispersen Stoffgemischen mittels Ultraschall und Verwendung einer derartigen Vorrichtung
AU758407B2 (en) * 1997-12-24 2003-03-20 Cepheid Integrated fluid manipulation cartridge
US5993671A (en) * 1998-03-18 1999-11-30 Peltzer; Charles T. Method for manufacturing a system for treating reclaimed water to provide treated water
US6224778B1 (en) * 1998-03-18 2001-05-01 Charles T. Peltzer Method for manufacturing a system for mixing fluids
DE19820466C2 (de) 1998-05-07 2002-06-13 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung und Verfahren zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe mit Schallwellen
CA2238951A1 (fr) * 1998-05-26 1999-11-26 Les Technologies Sonomax Inc. Reacteur a cavitation acoustique pour le traitement des materiaux
JPH11347392A (ja) 1998-06-11 1999-12-21 Hitachi Ltd 攪拌装置
US6042556A (en) * 1998-09-04 2000-03-28 University Of Washington Method for determining phase advancement of transducer elements in high intensity focused ultrasound
WO2000025125A1 (en) 1998-10-28 2000-05-04 Covaris, Inc. Apparatus and methods for controlling sonic treatment
US6948843B2 (en) * 1998-10-28 2005-09-27 Covaris, Inc. Method and apparatus for acoustically controlling liquid solutions in microfluidic devices
US7687039B2 (en) * 1998-10-28 2010-03-30 Covaris, Inc. Methods and systems for modulating acoustic energy delivery
US6100084A (en) 1998-11-05 2000-08-08 The Regents Of The University Of California Micro-sonicator for spore lysis
US6086821A (en) * 1999-03-29 2000-07-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Ultrasonic force differentiation assay
US6210128B1 (en) * 1999-04-16 2001-04-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Fluidic drive for miniature acoustic fluidic pumps and mixers
US6291180B1 (en) 1999-09-29 2001-09-18 American Registry Of Pathology Ultrasound-mediated high-speed biological reaction and tissue processing
EP1128185B8 (de) 2000-02-25 2009-08-19 Hitachi, Ltd. Mischvorrichtung für Analysenautomat
US7144729B2 (en) * 2000-09-01 2006-12-05 Dfb Pharmaceuticals, Inc. Methods and compositions for tissue regeneration
US20040054286A1 (en) * 2001-11-05 2004-03-18 Audain Vaughn A Ultrasonic transducing probe with liquid flow-through capability and related automated workstation and methods of using same
US6852463B2 (en) 2002-03-07 2005-02-08 Seiko Epson Corporation Apparatus for producing toner, method for producing toner, and toner
DE10325307B3 (de) 2003-02-27 2004-07-15 Advalytix Ag Verfahren und Vorrichtung zur Durchmischung kleiner Flüssigkeitsmengen in Mikrokavitäten
US20050142664A1 (en) * 2003-12-18 2005-06-30 Affymetrix, Inc. System, method, and product for mixing fluids in a chamber
US20050235740A1 (en) * 2004-04-27 2005-10-27 Guido Desie Method to improve the quality of dispersion formulations
JP4469928B2 (ja) 2004-09-22 2010-06-02 ベックマン・コールター・インコーポレーテッド 攪拌容器
US7757561B2 (en) * 2005-08-01 2010-07-20 Covaris, Inc. Methods and systems for processing samples using acoustic energy
WO2008016691A2 (en) * 2006-08-01 2008-02-07 Covaris, Inc. Methods and apparatus for treating samples with acoustic energy

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009019497A1 (de) * 2009-05-04 2010-11-11 Wittenstein Ag Verfahren zur Untersuchung eines Mediums
US8272269B2 (en) 2009-05-04 2012-09-25 Wittenstein Ag Method for examining a medium
DE102009019497B4 (de) * 2009-05-04 2014-07-17 Wittenstein Ag Verfahren zur Untersuchung eines Mediums
DE102009058838A1 (de) 2009-12-18 2011-06-22 BARTEC BENKE GmbH, 21465 Messanordnung für eine Flüssigkeit, insbesondere zur Verwendung in einer Milchannahmeanordnung, und Verfahren zum Betrieb einer Milchannahmeanordnung
WO2011072874A2 (de) 2009-12-18 2011-06-23 Bartec Benke Gmbh Messanordnung für eine flüssigkeit, insbesondere zur verwendung in einer milchannahmeanordnung, und verfahren zum betrieb einer milchannahmeanordnung

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