CN101060898B - 用于分离粒子的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用超声驻波来分离粒子的方法和装置，其中，该超声驻波在两个不同频率之间切换。二阶调谐驻波和基本驻波一起使用。如果粒子受基本驻波作用，则力起作用而将粒子收集在中部。如果粒子受二阶调谐驻波作用，则力起作用而将粒子收集在侧边的两个压力节点处。通过在二阶调谐驻波和基本驻波之间切换频率，具有不同性质的粒子将经历不同的加速度而被分成两个流束。

Description

用于分离粒子的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于分离粒子(颗粒)的方法和装置，更具体地说，利用超声驻波来分离粒子(颗粒)，该超声驻波在两个不同频率之间切换。由于声辐射压，具有不同性质的粒子(颗粒)将经受不同的加速度，并被分成两个流束(steam)。

背景技术

在超声驻波中，对于力作用在介质中所悬浮的粒子上的有关理论已经知晓一段时间了。如果将驻波引入其中悬浮有小粒子的介质中，则该粒子将受到声辐射力的作用。作用于粒子上的力是通道中的相对于压力节点(pressurenode)的位置的函数。通过将该事实和微通道中的层流结合，则粒子可被收集在该压力节点处并与之分离。如下文参照图1A、1B和2A、2B所讨论的，在基本驻波(fundamentals tanding wave)(一阶共振频率)中，力作用于中部，在这里具有最小压力。这样的驻波可形成在具有平行侧壁的通道中。这种现象在以前已被用于微流系统中的粒子分离。可参考例如WO02/072235。在以前的方法中，利用了这样的事实：对于不同粒子，力F具有不同的正负号，即方向。这里，部分粒子被收集在压力节点处而其它粒子与该压力节点分离。正负号的不同主要取决于粒子是否比周围介质具有更高或更低的密度。然而，利用这种方法，不可能分离经受相同方向作用力的粒子，即使该力具有不同的大小。

发明内容

在本发明中，将二阶调谐驻波(second order harmonic standingwave)和基本驻波(fundamental standing wave)一起使用。如果粒子受二阶调谐驻波的作用，则力作用于侧壁处的两个压力节点。通过在二阶调谐驻波和基本驻波之间切换频率，可以在不同组的压力节点处分离和收集粒子。

在第一方面，本发明提供了一种用于分离悬浮在介质中的粒子混合物的粒子的方法，包括以下步骤：

使容纳所述介质的腔室(chamber)经受超声波，其中该超声波产生具有第一压力节点的在第一频率的第一超声驻波；

将粒子混合物置于腔室中，使一定浓度的粒子混合物被置于在所述第一频率的超声驻波的第一压力节点处或附近，或者在第一压力节点和该腔室壁之间的任何地方；

将该超声驻波的频率切换为第二频率，产生具有至少一个第二压力节点的第二超声驻波，使得粒子混合物的第一组粒子经历朝向所述第二压力节点的较小加速度，并且粒子混合物的第二组粒子经受朝向所述第二压力节点的较大加速度；

在持续时间t2期间保持该第二频率并维持振幅a2，使粒子混合物的第一组粒子可以行进较小距离，并且使粒子混合物的第二组粒子可以行进较大距离；

切换回第一频率；

其中，所述第一距离如此小以致粒子混合物的第一组粒子经历朝向第一压力节点的较大加速度，而第二距离如此大以致粒子混合物的第二组粒子经历朝向第一压力节点的较小加速度；

在持续时间t1期间保持第一频率并维持振幅a1，使粒子混合物的第一组粒子可以朝向第一压力节点往回行进，而使粒子混合物的第二组粒子不会行进显著的距离；

在第一和第二频率之间以一个工作周期重复切换超声驻波，其中该工作周期涉及它们各自的持续时间t1和t2以及振幅a1和a2，使得粒子混合物的第一组粒子的大部分被收集在第一压力节点处，而粒子混合物的第二组粒子的大部分被收集在第二压力节点处。

在第二方面，本发明提供了一种用于分离悬浮在介质中的粒子混合物的粒子的装置，包括：

腔室，用于容纳所述介质；

超声波发射器，用于在所述腔室中产生超声驻波；

其中，超声波发射器被设置为在具有第一压力节点的第一频率和具有至少一个第二压力节点的第二频率之间重复切换该超声驻波的频率；在第一频率的超声驻波具有持续时间t1和振幅a1，而在第二频率的超声驻波具有持续时间t2和振幅a2。

在权利要求1和11中对本发明进行了限定，而在从属权利要求中提出了优选的具体实施方式。

附图说明

以下将参照附图详细描述本发明，附图中：

图1A和1B分别为腔室中的压力节点的示图，其中该腔室具有基本频率(基频)和二阶谐振频率(谐频)上的声学驻波；

图2A和2B分别为腔室中的声辐射力的示图，其中该腔室具有基本频率和二阶谐波频率的声学驻波；

图3A-3D为具有处于不同分离步骤中的粒子的腔室的示图；

图4为根据本发明第一具体实施方式的分离装置的顶视图；

图5为图4的分离装置的侧视图；

图6为一种分离过程的示意性顶视图，其中，不同粒子被分离并被引向不同出口；

图7为根据本发明第二具体实施方式的分离装置的侧视图；

图8为图7的分离装置的透视图；以及

图9为预分离装置(preseparation device)的透视图。

具体实施方式

如在介绍部分所提及的，本发明涉及用于分离悬浮于流体中具有不同尺寸、可压缩性、密度或通常不同性质的粒子的方法和装置。该方法利用在基本共振频率和二阶谐频上的超声驻波，优选结合微通道的层流性质。悬浮在介质中的具有不同性质(例如密度)的粒子，通过侧边进口进入通道，而没有粒子的介质通过中部进口进入，形成三个层流(laminated stream)。通过顺序地在基本驻波和二阶调谐驻波之间进行切换，可使较高密度的粒子位于基本驻波的压力节点附近，而使较低密度的粒子位于二阶调谐驻波的压力节点附近。该通道被分成三个出口通道，分离高密度和低密度的粒子流。

如果将驻波引入悬浮有较小粒子的介质，则根据由YosiokaK.和Kawasima Y.；Acustica5，pp167-173，(1955)提出的理论，该粒子将受到声辐射力的作用。

$F_r=-\left(\frac{{\mathrm{\πP}}_0^2{V}_c{\mathrm{\β}}_w}{2\mathrm{\λ}}\right)\·(\frac{{5\mathrm{\ρ}}_c-{2\mathrm{\ρ}}_w}{{2\mathrm{\ρ}}_c-{\mathrm{\ρ}}_w}-\frac{{\mathrm{\β}}_c}{{\mathrm{\β}}_w})\sin \left(\frac{4\mathrm{\πZ}}{\mathrm{\λ}}\right)\left(1\right)$

V_c是粒子的体积。P₀是压幅。Z是粒子位置。介质和粒子的密度分别表示为ρ_w和ρ_c，并且相应的可压缩性为β_w和β_c。根据这个表达式和基本物理公式(F＝m_c·a)(其中m_c是粒子的质量)，可以计算粒子的加速度。当粒子运动时，还存在减速力，其取决于介质的粘度、速度、以及粒子的体积和形状。

已经清楚，较小粒子的加速度以及由此的横向速度和运动是许多变量的函数，在这些变量中，最重要的是粒子的体积、密度、和可压缩性。

图1A和1B分别示出了在腔室或通道中的基本驻波和二阶调谐驻波。X-轴表示通道中的空间位置。Y-轴表示驻波压力。

图2A和2B也示出了基本驻波和二阶调谐驻波，但是Y-轴表示作用于悬浮粒子上的力。粒子聚集在压力节点处，假定正向力是指作用在粒子上的力在图中指向左边。

如同通过研究图1A和2A可以推断的，在基本驻波中，该力用来将粒子收集在位于中部的压力节点处。然而，如图1B和2B所示，在二阶调谐驻波中，有两个压力节点。该力用来将粒子收集在每个压力节点附近并使其更靠近压力节点的壁，但力在腔室中部处是最小的。因此，只有很弱的力用来将粒子从中部分离并使它们加速至侧边压力节点。这在本发明中被利用。通过在基本驻波和二阶调谐驻波之间进行切换，运动较快的粒子可移动离开侧边压力节点，并被收集在中部，而运动较慢的粒子无法逃脱用来将粒子收集在侧边压力节点处的力的束缚。

如上所述，可以证实，当受相同驻波作用时，具有不同尺寸、密度、可压缩性、或基于其物理性质的其它变量的粒子受不同加速度所影响。这也与力方程式(1)一致。因此，不同粒子将以不同速度横向平移。例如，如果两个粒子具有相同的密度，则较大粒子经历较大加速度。如果两个粒子具有相同体积，则具有较高密度的粒子将经历较大加速度。通过在基本驻波和二阶调谐驻波之间快速切换，例如，高密度和低密度粒子可以被横向地分离。

将通过参考通道中的层流所携带的高密度和低密度粒子来解释说明本发明。一般地，高密度粒子是指较快运动的粒子，而低密度粒子是指较慢运动的粒子。当分离开始时，情形如图3A所示。最初，粒子沿着通道的侧壁被注入。第一频率产生二阶调谐驻波。所有粒子位于压力节点附近或靠近其壁。T₁-T₄表示在切换过程中的时间瞬间(时刻)。大圆圈表示较大或较高密度(快速运动)的粒子。通过在分离区上游的分离预分离通道中使通道经受具有侧边压力节点的二阶调谐驻波作用并达到足够的持续时间，使得该粒子可以集中到这些位置。

在图3B中，将频率切换为产生基本驻波的第二频率。当施加该基本驻波时，迫使粒子移向通道中部。然而，较高密度的粒子较快地向中部移动。第二频率的驻波被施加，持续时间t2，并具有振幅a2。该持续时间和振幅足以使该较高密度粒子到达分离通道的中部附近。在较低密度粒子到达中部之前，切断该基本驻波。

在图3C中，将频率切换回第一频率。从而，施加二阶调谐驻波。这里，较高密度粒子未被强烈影响，这是由于它们更靠近二阶调谐驻波的中部中的最小力(参考图2B)。然而，在基本驻波周期期间从未到达通道中部的粒子在这时将处于这样的位置：在该位置中，它们受重大力的作用，使它们移动远离通道的中部并再次回到侧边压力节点。在第一频率的驻波被施加达持续时间t1并具有振幅a1。该持续时间和振幅足以使较低密度粒子到达侧边压力节点。另一方面，该持续时间足够短，使得二阶调谐驻波在较高密度粒子到达侧边压力节点之前被切断。

在图3D中，通过切换为产生基本驻波的第二频率而重复该过程。这时，较高密度粒子从稍微更靠近通道中部的位置开始，而较低密度粒子从更靠近侧边的位置开始。然后，更多部分的高密度粒子将到达通道的中部。由于这是重复进行的，所以将达到平衡。较高和较低密度粒子被分成两个流束，它们分别靠近基本驻波和二阶调谐驻波的压力节点。

一般地，通过重复这样的过程，当粒子经历不同加速度时，粒子可基于其物理性质而沿不同流线被分离。

分离装置的第一具体实施方式示于分别为顶视图和侧视图的图4和图5中。应当理解，即使该装置被示出为具有水平流，但是该装置可以具有相对于重力的任何取向，因为重力对悬浮微粒具有非常小的影响。在整个本说明书中，术语水平、顶部和底部等只是参照附图使用的。分离装置1包括在具有覆盖物10(合适地为透明玻璃盖以便可视地观察分离过程)的基板11中形成的分离室或通道2。借助于超声发射器(合适地为一对安装在该结构顶部的上发射器元件3a和安装在底部的下发射器元件3b)来产生超声驻波。如已知的，该超声驻波依赖于现有的共振条件而在侧壁之间产生，横穿流动方向，即使发射器位于顶部和底部。将分离通道2的末端和开始端分成三个进口和三个出口通道。在中部进口通道15中，使没有粒子的介质从进口5进入。该介质可以例如是水或盐水，这取决于应用需要。在侧面进口通道14中(混合粒子进口)，具有高密度和低密度的粒子混合物的流体从公共进口4进入。在分离通道2中，分离的各种粒子流逐渐形成。图3A-D表示分离通道中处于连续位置的横截面。在中部出口通道17中，具有分离的较大粒子的介质通过出口7发送。在侧面出口通道16中，具有分离的较小粒子的介质通过公共出口6发送。流动连接器(未示出)安装在该结构的底面上。

在可替换具体实施方式中，将三个进口通道用一个公共进口(未示出)代替，该公共进口接纳具有位于侧壁处的两个混合粒子流束以及位于中部的无粒子流的液流，大致对应于图3A中的情形。通过使预分离室经历连续的二阶调谐驻波而可以将粒子形成两个流束。这样的预分离室在涉及本发明的第二具体实施方式中参照图9加以论述。

图6示出了根据本发明的具有分离通道2的装置。将液流如箭头所示进行导向。具有高密度和低密度粒子的混合物的流体进入侧边进口通道14中。当经历多个切换周期时，该粒子混合物在分离通道2中被分成两组。由于流动是层流的，所以较大的高密度粒子被引向中部出口通道17，而较小的低密度粒子被引向侧边出口通道16。通过选择合适的工作周期(即调整持续时间t1和t2)，不同组的粒子可以被引向不同的出口通道16和17。在一些应用中，通过可视地观察被引向出口通道16和17的不同流束同时尝试不同持续时间t1和t2直至实现希望的分离，可以选择合适的工作周期。可以通过调节与超声发射器的驱动电路相关的控制面板(未示出)来设置t1和t2。可选替换地，将工作周期固定，例如t1＝t2，而替换地调节由发射器以各自频率发射的超声波的振幅a1和a2，以产生相应的平移运动，从而引起希望的分离。

分离装置21的第二具体实施方式示意性地示于图7和图8(其分别为侧视图和透视图)中。原则上，该具体实施方式与第一具体实施方式等效，但流束已被延长至更大的高度/宽度，迫使超声发射器以及进口和出口布置必须进行变更。示出了流动通道22、上和下超声发射器23a和23b、进口24和25、以及出口26a、26b和27。在该具体实施方式中，超声驻波在顶壁和底壁之间产生，横穿流动方向。在基本频率上，超声驻波具有沿在各侧壁之间的水平中线的压力节点，如图7左边所示。在二阶调谐频率上，该超声驻波具有两个水平压力节点，如图7右边所示。工作原理与第一具体实施方式相同，但具有不同的流动布置。

由于流动的层流性质，进口可以一个接一个地沿箭头方向布置。在底部设置连续进口。具有粒子混合物的流体通过一对进口24进入，而纯介质通过中部进口25进入。

类似于第一具体实施方式，不同组的粒子被收集在相应压力节点处，但这里是沿上部和下部的水平流动面(flow sheet)(假定为装置的水平位置)和一个中部水平流动面而进行的。上部和下部水平流动面对应于第一具体实施方式的侧边流动通道。同样，出口可以一个接一个地沿箭头方向布置。在底部设置连续的出口。第一出口26a收集来自下部水平流动面的第一组粒子，第二出口27收集来自中部水平流动面的第二组粒子，并且第三出口26b收集来自上部水平流动面的第一组粒子。

该进口和出口还可布置在腔室的前后垂直壁上。

图9示出了预分离装置31，其中，通过使该预分离室经历具有侧边压力节点的连续二阶调谐驻波，将粒子形成为两个流束37。具有粒子混合物的流体通过进口34进入。该粒子混合物逐渐形成两个流束37，其都含有相同粒子混合物。该两个流束37通过公共出口36被输送至例如分离室22的公共进口28(如图8所示)。流体混合物包含足够量的流体，以在分离室22中部形成无粒子流体的中部流束。注意，对预分离室32的尺寸加以选择以便预分离室32的共振频率与共振分离室22的共振频率不相同，因为这可能对功能有损害。

为了提高本方法的性能，大量分离可以通过串联连接的多个通道或包括串联连接的分离装置来实施，使得在一个步骤中分离的一组粒子经历至少一个进一步分离。该进一步分离可以利用相同或不同工作周期(即持续时间t1和t2)，和/或不同的振幅a1和a2来实施。例如，一组粒子可以经历进一步的相同分离。这将导致产生更高的纯度。同样，一组粒子可以经历进一步的不同分离，以便将该组粒子分成进一步精细分离的粒子组。

相同的分离可以在没有液流的腔室中实现。然后，粒子混合物的供应和分离后粒子的移出通过位于腔室中合适位置处的进口和出口或通过移液来实施。

实施例

利用各向异性湿法蚀刻将分离通道(385μm宽和250μm深)蚀刻入<100>硅片中。通过阳极粘接使得该通道被玻璃盖密封，并且将硅胶管胶接到背面上的进口和出口上。通过利用超声波胶来连接两个压电陶瓷晶体(一个从背面而一个从前面)，以实现超声波激发(2Mhz和4Mhz)。利用三个注射泵将流动控制成在水进口处为26μl/min，在中部出口为15μl/min而在侧面出口为75μl/min。64μl/min的粒子溶液的平衡流动从开口杯自吸。粒子溶液由悬浮在H₂O中的3μm聚苯乙烯珠(其密度为1.05g/cm³)和8μm的聚甲基丙烯酸甲酯珠(其密度为1.19g/cm³)构成。为了达到适当的分离，必须正确地切换变换参数。这通过系统地调节该参数直至实现足够的可视分离而完成。通常的操作周期为2MHz达800μs和4MHz达200μs。

本发明使得有可能利用这种声学谐波变换来分离彼此具有不同物理性质的悬浮粒子。其一种应用可以是用来分离类型彼此不同的细胞或细菌。其它可能的应用包括不同血液组分的分离。

Claims (15)

1.一种用于分离悬浮在介质中的粒子混合物的粒子的方法，包括以下步骤：

使容纳所述介质的腔室(2；22)经受产生具有第一压力节点的在第一频率的第一超声驻波的超声波的作用，；

将所述粒子混合物置于所述腔室(2；22)中，使得一定浓度的所述粒子混合物被置于在所述第一频率的所述超声驻波的第一压力节点处或附近，或在所述第一压力节点和所述腔室(2；22)的壁之间的任何地方，其中使所述介质和所述悬浮粒子混合物以层流形式流动通过包括所述腔室的通道，并且所述超声驻波横穿所述流动方向；

将所述超声驻波的频率切换为第二频率，产生具有至少一个第二压力节点的第二超声驻波，使得所述粒子混合物的第一组粒子经历朝向所述第二压力节点的较小加速度，而所述粒子混合物的第二组粒子经历朝向所述第二压力节点的较大加速度；

在持续时间t2期间保持所述第二频率和振幅a2，使所述粒子混合物的所述第一组粒子行进较小的第一距离，而所述粒子混合物的所述第二组粒子行进较大的第二距离；

切换回所述第一频率；

其中，所述较小的第一距离如此小使得所述粒子混合物的所述第一组粒子经历朝向所述第一压力节点的较大加速度，而所述较大的第二距离如此大使得所述粒子混合物的所述第二组粒子经历朝向所述第一压力节点的较小加速度；

在持续时间t1期间保持所述第一频率和振幅a1，使所述粒子混合物的所述第一组粒子朝向所述第一压力节点行进返回，同时不允许所述粒子混合物的所述第二组粒子行进显著距离；以及

重复地以一个工作周期在所述第一和第二频率之间切换所述超声驻波，其中所述工作周期涉及它们各自的持续时间t1和t2以及振幅a1和a2，以使所述粒子混合物的所述第一组粒子的大部分被收集在所述第一压力节点处，而所述粒子混合物的所述第二组粒子的大部分被收集在所述第二压力节点处。

2.根据权利要求1所述的分离方法，其中，所述第一频率是所述腔室的二阶谐频，而所述第二频率是所述腔室的基频。

3.根据权利要求1所述的分离方法，其中，所述第一和第二频率的振幅a1和a2保持固定，而所述第一和第二频率的持续时间t1和t2发生变化。

4.根据权利要求1所述的分离方法，其中，所述第一和第二频率的持续时间t1和t2保持固定，而所述第一和第二频率的振幅a1和a2发生变化。

5.根据权利要求1、3或4所述的分离方法，其中，所述浓度的粒子混合物在所述通道(2；22)的两侧提供，而纯的介质在所述通道的中部(15；25)提供，并且所述第一组粒子被收集在两个侧边通道出口(16；26a，26b)处，而所述第二组粒子被收集在中部通道出口(17；27)处。

6.根据权利要求5所述的分离方法，其中，对于385μm宽和250μm深的分离通道，所述第一频率为4MHz而所述第二频率为2MHz，所述第一频率的持续时间t1为200μs而所述第二频率的持续时间t2为800μs。

7.根据权利要求1、3或4所述的分离方法，其中，所述第一和第二组粒子被收集在所述通道(22)底部中的连续出口(26a，26b)处。

8.根据权利要求1、3或4所述的分离方法，其中，多次分离通过多个串联连接的通道(2；22)来完成，使得在一个步骤中分离的一组粒子经历至少一次进一步的分离。

9.根据权利要求8所述的分离方法，其中，所述进一步的分离利用不同的持续时间t1和t2和/或振幅a1和a2来完成。

10.一种用于分离悬浮在介质中的粒子混合物的粒子的装置(1；21)，包括：

腔室(2；22)，用于容纳所述介质，所述腔室包括在用于层流的通道中；

超声波发射器(3a，3b；23a，23b)，用于在所述腔室(2；22)中产生其方向为横穿流动方向的超声驻波；

其中，所述通道在所述通道的两侧设置有用于提供一定浓度的粒子混合物的粒子混合物进口(14；24)，而在所述通道的中部设置有用于提供纯介质的介质进口(15；25)，并且所述通道设置有用于收集所述第一组粒子的第一粒子出口(16；26a，26b)，而在中部位置设置有用于收集所述第二组粒子的第二粒子出口(17；27)；

所述超声波发射器被布置为在具有第一压力节点的第一频率和具有至少一个第二压力节点的第二频率之间重复切换所述超声驻波的频率；以及

在所述第一频率的所述超声驻波具有持续时间t1和振幅a1，而在所述第二频率的所述超声驻波具有持续时间t2和振幅a2。

11.根据权利要求10所述的分离装置，其中，所述第一频率是所述腔室(2；22)的二阶谐频，而所述第二频率是所述腔室(2；22)的基频。

12.根据权利要求10所述的分离装置，其中，所述通道在所述通道的两侧设置有用于提供所述浓度的粒子混合物的粒子混合物进口(14)，而在所述通道的中部设置有用于提供纯介质的介质进口(15)，并且所述通道在两侧边位置设置有用于收集所述第一组粒子的第一粒子出口(16)，而在中部位置设置有用于收集所述第二组粒子的第二粒子出口(17)。

13.根据权利要求10所述的分离装置，其中所述粒子混合物进口和所述介质进口被所述通道底部的连续进口代替。

14.根据权利要求10所述的分离装置，其中，所述粒子混合物进口(14；24)和所述介质进口(15；25)被用于包含两个混合粒子流束(37)的液流的一个公共进口(28)代替。

15.一种用于分离悬浮在介质中的粒子混合物的粒子的系统，包括多个串联连接的根据权利要求10至14任一项所述的分离装置(1；21)。

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