培养基的声处理

摘要

通过在传感器与容器之间耦合的声导杆将声波从该传感器应用至该容器来提供在例如免疫测定中对培养基的声处理，该培养基被容纳于该容器中。该声导杆具有支撑该容器的凹进部分，该凹进部分由被狭缝分开的并配置于该凹进部分周围的声导杆的多个突出部分的刮削表面形成。通过与该容器干接触将该声导杆与该容器耦合，且在两者之间没有任何耦合层。这样的声导杆的应用提供了实现有效的具有相对低能量损失和低温度升高的声处理的优点。

说明书

本发明涉及培养基的声处理，尤其是在小型体外诊断实验室仪器， 例如免疫测定分析仪和临床化学分析仪中。

在本文中，术语“声”被用于指可听声和超声。声处理是声波的 应用。为进行反应而对培养基进行声处理是已知的。通常声处理被用 于解离聚集物。尤其受关注的使用声处理的领域是在测定中，在该测 定中，将样品中加入到能够检测出可能存在于该样品中被分析物的试 剂中。通常类型的测定为免疫测定。在免疫测定中使用声处理的实例 是为了混合或为了增强聚集体的生成，例如在颗粒辅助测定(particle assisted assays)中。在大多数实际应用中使用超声频率(至少20kHz)， 此时可使用术语超声处理。

最常用的声处理器是应用于待被声处理的培养基内的微尖声处理 器探针。或者还可使用大型声处理浴。只有当杆被液体包围时声处理 通常才被认为有效。这是基于传感器与反应器之间不经过任何声学耦 合材料的固相接触通常被认为不能有效地将声波传递至反应器内的液 体培养基中。

当声波基本为机械振动时，要求声波能够在培养基中传送或传播。 声源表面上的振动将声能传递进培养基。为了从声学上表征培养基， 最重要的参数是声阻抗Z。对于无损耗的培养基，Z＝ρc，其中ρ为培 养基的密度，且c为声音在培养基中的速度。当入射声波垂直于反射 界面时，即当入射角为0时，通过能量P₂与入射能量P₁的分数由下 式给出：

P₂/P₁＝(4Z₁Z₂)/(Z₁+Z₂)²

在诸如水及大多数液体等无弹性介质中，只要声波的振幅相对较 低，就会有连续跃迁(transition)。然而当振幅增加时，在稀薄区域负压 的大小最终变得足够大，引起液体因负压而破碎。这引起被称为空穴 现象的现象。通常低于100kHz时，产生蒸汽空穴现象所需的强度与 频率几乎无关。高于该频率时，产生蒸汽空穴现象所需的强度作为频 率的函数而上升。

可得到的现有技术文件公开了使用不同技术的为不同目的所应用 的声处理，例如如下所述。

US-4,523,122公开了超声传感器以及在超声波辐射表面上形成的 声阻抗匹配层的一层或两层结构。

US-4,571,087涉及用于免疫学、微生物学及临床化学的声处理仪 器。所述专利提供了用于对微量滴定盘的孔中的样品进行迅速自动化 声处理的仪器，其中声处理能量被引导沿着限定的传播路径通过能量 传送介质。

US-5,160,870还公开了复合层，该复合层用作位于传感器元件之 下的隔膜片以及用作微-策划(micro-machinated)超声传感阵列，所述阵 列具有多个压电传感器，每个压电传感器产生电信号。

US-5,853,994涉及通过使用至少一类微细的聚苯乙烯颗粒，用于 测定一种或多种类型被分析物的改进的颗粒凝集测定系统，每一类颗 粒具有预先确定的窄的颗粒直径范围。在颗粒与存在的被分析物之间 形成结合物(conjugate)之后，将混合物用超声的脉冲进行照射，尽管 其没有描述将超声传输到测定样品的部位的方法。

US-6,368,553和US-6,086,821(US-2002/0112541)公开了超声力的 使用，其中超声传感器置于反应器之外，其中超声通过传导介质进行 传输；或者置于浸没在反应器的液体中。该同族专利公开了当超声通 过微量滴定孔的厚壁或显微镜载玻片时其剧烈衰减。

US-4,615,984公开了将超声应用于在固相支持体上支持的配体-结 合物(ligand-binder)复合物，以解离该配体，该配体可用于固相测定。 通常用于超声波焊接类型的超声波发生器(sonic horn)(声导杆 (sonotrode))被用于将超声由传感器传输至含有在固相支持体上支持的 配体-结合物复合物的培养基中。该文件还建议将超声直接应用至固相 支持体以减少通过试管壁的能量损失并因此减少超声的作用时间和强 度。

上文讨论的现有技术的教导是，没有任何声耦合材料的传感器不 能将产生的声能有效传递至反应器内的液体培养基中。通常为此目的 使用单独的声耦合材料，如液体或凝胶样材料。因此，所述应用需要 在传感器与声处理器探针和待进行声处理的材料之间有有效的声耦 合。还尤其开发了橡胶样材料以用于非破坏性测试(NDT)领域。来自 R/D Tech的Aqualene^TM是弹性耦合剂的一个实例，其尤其适用于NDT 目的。医药应用大多数将具有非常高含水量的用于传感器的声耦合的 凝胶样化合物应用至人体。

其中传感器与容器具有固定耦合的大型声处理浴也是已知的。可 使用耦合材料。环氧或丙烯酸胶经常被用于此目的。WO-88/06927公 布了配置为静音操作的这样的大型声处理浴，且其中传感器的锥形部 分与浴容器耦合。

US-2003/0066915公开了通过将细胞和病毒放置在圆顶状壁的凸 凹处来破坏所述细胞和病毒的声处理仪器。所述壁足够有弹性以允许 回应来自声导杆的振动而产生的变形(deflection)。与传感器耦合的声 导杆在足以压迫所述壁的预载力下与所述壁接触。对所述壁的弹性常 数和预载力进行选择以将所述壁的固有频率调节为等于传感器的操作 频率。

US-4,198,461公开了通过在声处理仪器中从溶液中沉降而制备聚 合纤维和聚合团。将溶液放置在安装于轴上的固定器内的容器中，所 述轴由频率为80Hz至2000Hz的振动器头驱动

US-6,686,195和EP-1,466,966公开了对生物样品进行声处理以裂 解样品中的细胞的声处理仪器。将样品放置在圆底试管中。将声导杆 在传感器与试管之间进行耦合。所述声导杆具有形状为与该试管的圆 底相配合的凹进部分，与将试管置于声导杆顶端的仪器相比，该仪器 通过与试管的较大面积接触而改善效率。

虽然某些已知的声处理仪器对培养基有效地进行声处理，仍然期 望以低能量损失和低温度升高实现培养基的声处理。

按照本发明的第一方面，提供了用于声处理培养基的仪器，其包 含：

用于容纳培养基的容器；

可操作的以产生声波的传感器；以及

与该传感器耦合的声导杆，所述声导杆包含多个由狭缝分开的突 出部分，所述多个突出部分配置为机械支撑所述容器。

按照本发明的第二方面，提供了使用这样的仪器对培养基进行声 处理的方法。

因此，通过在传感器和容器之间耦合的声导杆将声波从该传感器 应用至该容器以提供对培养基的声处理。已发现所述声导杆的特殊设 计在以相对低的能量损失和相对低的温度升高对培养基进行声处理方 面是有效的。其被理解为通过如下所述来实现。所述声导杆具有多个 由狭缝所分开的支撑所述容器的突出部分。例如在最简单的设计中， 存在由单一狭缝分开的两个突出部分。在该设计中，每一突出部分以 挠曲方式振动并将振动传输至所述容器，非常类似于音叉的振动。因 此声导杆的设计可有效地将振动传输至容器。例如，容器与声导杆的 组合可引起共振。结果所述振动引起整个容器以大的弯曲振幅振动， 因此有效地将振动传输至该容器中的培养基。这可被认为是从仅仅接 触面积增加能量传输面积。

所述声导杆的设计当被用于期望发生培养基的空穴现象的声处理 应用时具有特殊的优点。在这种情况下，所述声导杆的设计允许很容 易地控制空穴现象的水平。

另外，本发明可被相对便宜地应用，因此允许其广泛应用。一应 用领域是在小型体外诊断实验室仪器中，例如在免疫测定分析仪或临 床化学分析仪中。在这种情况下，所述培养基通常含有能够检测被分 析物的测定试剂。可以将本发明与现有的分析仪技术或与未来技术联 合应用，所述未来技术例如未来的能够使用超声和实时动力学测量而 不干扰测试容器内热生成的低成本体外诊断平台。

因此，本发明的声处理仪器能够被用作免疫学或临床化学分析仪 的集成基本部件，用于崩解样品材料(如用于破坏聚集物之间的结合及 用于细胞破碎、溶血、均质化)、用于将样品材料与特定分析所需的其 它试剂混合以及用于提高反应动力学。作为分析系统的集成部分(如聚 光装置(optical block))，所述声处理仪器能够进行精确动力学测定。另 外，由于超声能量有效地从传感器传送至测量容器或比色杯中的液体 内，该系统允许极低的功耗，这使得其适用于电池供电装置。

类似地，本发明适用于作为就地检测型(POC)和使用点(POU)型应 用的体外诊断测试。另外，声处理系统中不具有任何声学耦合剂时测 试容器的插入和取出很容易并且是可重复的，并且能被直接与为该声 处理系统特别设计的机械结构和电子器件耦合。

另外，该系统能够适应所述容器内液体的不同体积和物理-化学特 性(如密度、温度、悬浮液、分散液、物理环境变化)。其能够是光学 比色杯室构造的一部分，能够实现同时混合、崩解、分离和富集功能 以及对发生在该容器内部的反应和温度变化进行实时光学跟踪。控制 实时混合与温度能够对分析仪的测量容器比色杯内的动力学反应进行 非常精确定时。在声处理之后和之前的这类精确动力学定时在以前市 场上可获得的分析仪中，如在颗粒辅助免疫测定中是不可能的。

通常，声处理可具有任何目的，其包括但不限于样品和试剂处理； 解离；蒸汽空穴现象；质量传递；崩解；混合；反应加强；试剂或被 分析物的富集或分离；反应定时控制；反应温度控制；反应动力学能 量控制；以及使用典型声化学反应的反应控制。与本申请同时提交的 题目为“结合物质与被分析物的结合速率的测量”、且要求了英国专 利申请第0509419.8号的优先权的国际专利申请中公开的技术中为声 处理的一个特别有利的应用。本发明的进一步益处为其允许多种免疫 测定组分与样品的整合，导致均相测定以实现结合物(bindings)和聚集 物的破坏，并将其混合，因此能够实现结合反应初始速率的测量。

取决于应用，所述培养基可为任何类型。现在给出一些实例但其 并非限制性的。所述培养基可为溶液或悬浮液，例如包含在流体中的 颗粒、配体或抗配体。所述方法可被用于测量单一的或多种被分析物 及其动力学。用在测定中的颗粒可具有不同的大小和组成(为聚合物材 料、硅石、胶体金和磁性的等等)。另外也能够使用脂质体、细胞、微 生物等等。另外，所述发明能够使用例如光度法、荧光测定法及测磁 法对多种被分析物进行同时测量，其中每一个体组的聚集物大小可通 过所述聚集物的形成中所涉及的颗粒的大小和特征来确认。

使用本发明能够分析临床和非临床的样品，例如卫生学样品。可 使用来自不同体液的样品，如全血、血清、血浆、脑脊液、腹水、尿、 唾液、精液，以及用于卫生监控的样品，如食品、乳、来自表面的无 菌控制swipes或水。

通常将来自样品的被分析物进行测定，而不进行任何另外处理， 然而，如果需要，可在测定前预处理样品，如离心、溶血或富集。

所述容器可为任何类型，例如试管、比色杯或小瓶。所述容器是 可移出的，这对于培养基的处理和仪器的再使用是有利的。可供选择 的方法是将所述容器固定在声导杆上。

按照声处理的目的，可使用任何声处理频率、振幅和时间。

所述频率通常为至少1kHz，，但更优选至少20kHz，在这种情况下 频率可被称为超声处理。当频率为至少35kHz时具有特殊的优势。通 常，所述频率为至多10MHz，更通常至多1000kHz或至多100kHz或 至多50kHz，但所述频率不限于此。对于通常的应用，共振频率在20kHz 至100kHz的范围。

所述方法和仪器特别适于相对低的能量，例如其中提供给培养基 8的声波功率为10W或更少、8W或更少、或5W或更少，但所述功 率不限于此，并且可以超过10W。这些功率应用于例如0.1ml至2ml 体积的培养基8。对其它体积，可按比例调节功率。

培养基中振动的振幅取决于所吸收的声波的能量。所述方法和仪 器特别适用于培养基中振动的振幅为至多100μm、至多75μm或更少、 或至多50μm。通常培养基中振动的振幅为至少10μm、至少25μm或 至少50μm。

类似地，为了声处理的目的，可形成合适的声波。例如声波可为 连续的或可以一个或多个脉冲形式提供。将所述声处理应用足够长的 时间以实现预期目的，这通常在秒的数量级。

优选地，对声导杆的设计和声波频率的选择是相互依赖的，以使 得该声波引起该声导杆与容器联合共振。这样的共振帮助声波对培养 基的有效应用。因此对于有效的声处理，当声处理频率改变时，声导 杆的设计和机械尺寸也改变。

另外，所述接触可为干的并不具有任何耦合层，因此在声导杆与 容器之间不存在额外的用作声学耦合剂的传导介质。

为了更好地理解，现参考附图，通过非限定性实例描述本发明的 实施方案，其中：

图1声处理仪器的俯视图；

图2是所述声处理仪器沿图1中II-II线的剖面图；

图3是所述声处理仪器沿图1中III-III线的剖面图；

图4显示所述声处理仪器中共振现象的计算机模拟(ANSYS)；

图5是具有第一可选构造的所述声处理仪器沿图1中II-II线的剖 面图；

图6是具有第二可选构造的所述声处理仪器沿图1中II-II线的剖 面图；

图7是所述声处理仪器的传感器和驱动电路的示意图；

图8是所述驱动电路的电路图；

图9是所述驱动电路中锁相环路(PLL)实现的示意图；

图10是所述声处理仪器的环路响应图；

图11是通过传感器的电流图；以及

图12是跨过传感器的电压图。

声处理仪器15的机械构造示于图1至3。

声处理仪器15具有可操作以产生声波的压电传感器1。传感器1 与声导杆2直接耦合，声导杆是由单件材料形成，所述材料优选有成 本效益且容易制造的铝。因此通过声导杆2传递由传感器1产生的声 波。

声导杆2具有与音叉类似的总体布置的构造。特别地，声导杆2 包含基础部分3，其与传感器1耦合并且两个突出部分4从该基础部 分在传感器2的对侧上突出，通常使用其最高侧。突出部分4被狭缝 5分开。该设计中的突出部分是相同的，并因此具有相同的振动方式。 突出部分4具有的长度为当传感器1产生的声波在突出部分4的材料 中传播时，该长度为正常操作中由传感器1产生的声波波长的四分之 一数量级，或更优选地等于传感器1产生的声波波长的四分之一。因 此，突出部分4的振动以接近于驱动它的声波的频率共振。

声导杆2在突出部4之间支撑比色杯6(在图2和3中以虚线显示)。 这通过具有在突出部分4之间形成的凹进部分7的突出部分4来实现， 即通过面向每一突出部分4的表面形成凹进部分7。使凹进部分7成 形为与比色杯6相适应。在这种情况下比色杯6具有圆形横截面，因 此凹进部分7也具有圆形横截面，但通常比色杯6和凹进部分7可以 具有不同形状，使得面向每一突出部分4的表面形成的凹进部分7具 有相应的不同形状。因此凹进部分7通过摩擦机械支撑比色杯。

为了增加摩擦力，可将凹进部分7设计为具有比比色杯6的外部 尺寸略小的尺寸。在这种情况下，在将比色杯6插入凹进部分7的过 程中，突出部分4可被强制向外并随后释放。

虽然在该实施例中，声导杆2通过摩擦机械支撑比色杯6，可等 同地提供其它类型的机械耦合，例如螺旋接头(screw fitting)。

声导杆2与比色杯6之间的接触是干的并不具有任何耦合层或用 作声学耦合剂的其它介质。避免耦合剂的能力是仪器1的特殊优势， 虽然理论上可以使用这样的耦合剂。

比色杯6是声导杆2的基本的和可互换的部件。在使用中比色杯 6和声导杆2以联合的共振频率共同振动。比色杯6和声导杆2设计 为具有适于声处理的预期应用的共振频率。例如，实际的用其进行测 量的声处理仪器15具有40kHz的共振频率并在37kHz被驱动。声处 理仪器可选择地设置为具有更高的共振频率，例如60kHz。使用更高 的共振频率具有降低噪音并提供更小的机械尺寸的优点。

在操作中，由传感器2产生的声波通过声导杆2传递至比色杯6。 在使用中，比色杯6容纳培养基8，并且声波通过比色杯6传递至培 养基8。例如，图4显示声处理仪器15中声导杆2和比色杯6的操作 的计算机模拟(ANSYS)。显然，比色杯6以与声导杆2联合的基本共 振部件起作用。44kHz的超声能量从声导杆2通过并沿比色杯6移动 进入比色杯6内部的培养基8，因此引起培养基8的声处理。

在突出部分4之间具有狭缝5的声导杆2的形状在建立和控制声 导杆2的共振振动并因此将声波传输至比色杯6方面是有利的。为方 便于此，凹进部分7延伸至比狭缝5较小的深度，因此仅由突出部分 4支撑比色杯6，尽管这不是必须的，并且如果凹进部分7延伸至比狭 缝5较大的深度也可达到类似的效果。

狭缝5还具有可允许光通过的优点，这对于期望光学监测比色杯 6内反应的许多应用是有用的。

声导杆2的几何学也能够实现其它有用的声学模式。

尽管声导杆2的设计使用了两个突出部分4，通常声导杆能够使 用任意多个配置在凹进部分7周围的突出部分4，并且操作的原理是 相同的。

声处理仪器15具有如下所述的支座布置。传感器1由支承块9 支持。支承块9为由传感器1产生的声波提供反应，并且简单地由一 块诸如铝的材料形成，但通常可具有更复杂的构造。为有效传递声波， 声导杆2和支撑块9之间的螺栓11提供传感器1对声导杆2的压力。

支撑块9由减振器(damper)10支持，以便将传感器1与其所放置 的表面分离。减振器10可简单地由一块诸如橡胶的材料形成，但同样 也可具有更复杂的构造。

现将描述声处理仪器15的某些可选构造，其应用不同的布置以便 机械支撑声导杆2上的比色杯6。

声处理仪器15的第一可选构造于图5中所示，其为类似于图3 的剖面图。在该可选构造中，通过另外提供负载装置40而改进声处理 仪器，该负载装置将比色杯6装载到声导杆2。特别地，负载装置40 包含框架41，其容纳可移动板42以及将板42偏离框架41的弹簧43。 负载装置40安装有与比色杯6的上端连接的板42，并且安装有相对 于声处理仪器15的其余部分是固定的框架，在该实施例中，通过多个 从框架41延伸至减振器10、或者可选择地延伸至声处理仪器15的其 它部分的臂44(显示其中一个)进行安装。代替臂44，负载装置40可 以任何其它方式相对于声处理仪器15固定，例如通过将声处理仪器 15和负载装置40布置在盒子中，当盒子关闭时将其固定在一起。

因此偏动弹簧43的作用将比色杯6装载到声导杆2。设置负载装 置40以最小化其任何振动，尤其使其不与比色杯6共振。

负载装置40的优点是改善了振动从声导杆2到比色杯6的传输。 其还减少了所需的直接应用于声导杆2和比色杯6之间的耦合力，例 如要求凹进部分7提供较少的紧密配合。

选择偏动弹簧43的负载力以在声导杆2和比色杯6之间提供足够 程度的耦合，实现适当的振动传导。该力通常在1N至40N的范围， 例如约20N。

将负载装置40有利地布置为在比色杯6的最小弯曲振动点处将负 载力传输至比色杯6，即在振动的节点处传输。这可通过对比色杯6 的长度与比色杯6和声导杆2的联合的共振频率的相对值进行设计而 实现。沿比色杯6可存在多个最小弯曲振动点，并且将负载可选地在 任何或所有的这些点上应用。在比色杯6的最小弯曲振动点处传输负 载力至比色杯6的优点是对比色杯6的振动提供最小阻尼效应。

负载装置40是如何将比色杯6装载至声导杆2的一个实例。可以 其它方式实现这样的装载。另外，可在比色杯6上提供突起，将负载 施加于其上。负载不一定施加在比色杯6的端面上，并且可选地施加 在比色杯6的侧面上。可在多于一个位置上施加负载。可通过弹簧以 外的其它技术施加负载。多个可选技术之一是声处理仪器15布置在具 有紧密配合盖子的盒中，其将比色杯6装载至声导杆2。

声处理仪器15的第二可选构造于图6所示，其为类似于图3和5 的剖面图。在该可选构造中，与第一可选构造相比，如下所述改进声 处理仪器15。形成声导杆2的不具有凹进部分7的突出部分4。相反， 突出部分4布置为在其外端45上机械支撑容器。使外端45成形为与 比色杯6的下表面相适应，并且通过负载装置将比色杯6装载至外端 45。外端45具有凹面形状，因此用于将比色杯6置于突出部分4的中 央，但外端45可选地为平面。

作为另外的选择，可通过省略负载装置，并代之以通过机械耦合 将比色杯6机械支撑在突出部分4的外端上而对图6的第二可选构造 进行改变。

传感器1的构造和声处理仪器15的电子元件于图7所示。

传感器1具有常规的双压电晶片弯曲构造，其由一堆与电极13 交替的两层压电材料12组成。通常传感器可具有任何能够产生预期声 波的构造，但典型的实例是Ferroperm公司生产的产品。通常压电材 料层12会是盘状的，并且传感器可具有30mm的直径和2mm的厚度。 压电材料可为陶瓷，如PZT，例如PZT 26，其具有2.70E+07kg/(m²/s) 的声阻Z。

驱动电路14提供驱动信号以使传感器1活动。驱动信号应用于电 极13。选择驱动信号的极性和压电材料层12的极性使得压电材料层 12的长度经历微分变化(differential change)，一层伸展而另一层收缩。 长度的该微分变化引起传感器的弯曲，产生声波。对类似的效果可使 用其它形式的传感器。

基于将声波从传感器1传输至培养基8的考虑，对比色杯6和声 导杆2的材料以及声导杆2的整体设计进行选择。为实现从传感器1 至比色杯6的有效的窄带传输，期望声导杆2的声阻Z₂等于传感器1 的声阻Z₁和比色杯6的声阻Z₃的“几何平均值”$(Z_2=\sqrt{\left(Z_1{Z}_3\right)})$，或与 其接近(如在几何平均值的50％范围内)。材料的一个有利组合是对于 由PZT 26制成的传感器1具有为2.70E+07kg/(m²/s)的声阻Z₁，由铝 制成的声导杆2具有为1.70E+07kg/(m²/s)的声阻Z₂并且由Ticona Topas 8007制成的比色杯6具有为1.65E+06kg/(m²/s)的声阻Z₃。作 为对比，水的Z值为1.50E+06kg/(m²/s)并且空气的Z值为4.10E+02 kg/(m²/s)。

另一个考虑是由具有声阻并在声导杆2和培养基8之间提供声匹 配的材料形成比色杯6。上文提到的材料组合符合该要求，特别提供 了至少0.4倍最佳匹配的匹配，这对于电池供电的装置来说是足够的 匹配。因此在窄带中，实现至比色杯6的有效传声。考虑了用于比色 杯6的其它材料，但Ticona Topas 8007在被考虑的材料中具有最佳 的声阻和机械特性。因此，从传感器1到培养基8存在极好的声波传 输。

另外，Ticona Topas 8007由于内摩擦而具有可提供低能量损失的 优点。由于比色杯6与声导杆2联合共振，这改善了声处理仪器15 的操作效率。

用其它无定形结构的热塑性烯烃聚合物可实现类似的优点，其中 Ticona Topas 8007是一个实例。例如，比色杯6的材料可为环状烯烃 共聚物(COC)。该聚合物为乙烯与环结构烯烃的共聚物，所述环结构 烯烃通常衍生自二环戊二烯。引入的环结构赋予COCs硬度，而其大 小防止所述分子变得足够有序而结晶。这些聚合物的性质是完全无定 形的，导致部件具有低收缩和低扭曲。这些特征使得COC材料尤其适 用于超声应用，例如用于体外诊断仪器中的容器或比色杯。

然而，通常比色杯6可由诸如聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯和聚 苯乙烯等其它塑料材料制成，尽管这些材料对于将声能传输至反应小 瓶中不一定如本发明中所用的材料那么合适和有效。类似地，任何其 它材料，例如塑料、玻璃、石英、硅和金属，是合适的，只要其提供 足够好的匹配阻抗和共振器性质。

驱动电路14在图8中进行示例性说明，现对其进行描述。

驱动电路14相当简单，并且发现适当的操作频率，而不考虑比色 杯6中培养基8的体积。驱动电路14由电池20供以动力，并且由三 个电路块构成，即：

控制块21，包括混合时间控制、振幅控制、相位调节电路和检测 电路，其以正确的形式产生驱动信号；

放大器块22，其放大来自控制块21的驱动信号并通过BNC连接 器将其提供给传感器；以及

DC电源块，其对来自电池的电压执行DC/DC转换并且为控制块 21和放大器块22提供能源。

控制块21如下所述包含跟踪电子器件、声处理时间和振幅控制。

检测放大器25测量流经传感器1的电流。

振幅控制块26根据检测放大器25的输出，控制与声处理功率有 关的振动振幅。振幅控制块26可由振幅电位计27设定。

定时电路28接收振幅控制块26的输出并且关闭反馈回路，因此 能够实现自由振动。由能够实现反馈电路的FET-开关控制混合时间。 定时电路28的回路关闭时间由定时器电位计29或由混合时间调节连 接器30的输入设定。

将定时电路28的输出提供给放大器31，其设定正确的增益并缓 冲反馈信号。

将放大器31的输出提供给相位调节电路32，其为反馈信号设定 正确的相位。

传感器1和声处理仪器15的其余部分的操作是基于自由振动。在 自由振动中，支承块9、传感器1、声导杆2和比色杯6的组合被用作 确定系统振动频率的“并联谐振回路(tank circuit)”

放大器块22使用功率放大器和铁氧体磁心变压器产生高电压。来 自功率放大器的最大输出电压为+10V至-10V，并且来自变压器的最大 输出电压400Vpp(峰间值)。将高电压驱动至传感器1内，并测量电 流。检测放大器25的输出电压与流经“并联谐振回路”的电流有关。 该电压反馈回上述放大器块22的功率放大器。如果该反馈电压和驱动 电压在相同相位，并且系统的开环增益≥1，则电路开始以满足这些边 界条件的频率振动。从TP1至TP2(定时电路28的输入和输出)测量的 开环响应以绘图形式显示于图10。通过将随机噪声传输至TP1并测量 来自TP2的响应来测量该响应。增益和相位满足自由振动边界条件。 在控制电子器件中，使用LC-带通滤波器以实现对相位响应的正确形 状类型并限制带宽。LC-过滤器的中心频率必须与声处理仪器15的共 振频率近似相同。可通过例如使用可调节的二极管限幅器限制检测放 大器25的检测振幅来调节电路的功率。

作为对自由振动的选择，可使用强制振动。在该选择中，如图9 中示意性显示，使用锁相回路(PLL)以自动发现正确的操作频率。特别 地，在共振时，通过传感器1的动作AC-电流的相位改变。在PLL中， 通过相位检测器33测量动作电流的相位。与相位有关的电压被导入电 压控制的振荡器(VCO)34，其产生振动驱动信号，通过放大器35提供 给传感器1。如果声处理仪器15的共振频率发生变化，相位检测器33 的输出电压也发生变化。该电压以此方式控制VCO 34的振动频率， 即使相位检测器34输出电压保持在预定值。以这样的方式，该频率跟 踪新的共振。如果声处理仪器15的共振频率发生变化，相位检测器 33的输出电压也发生变化。

任选的特征是声处理仪器15的手动或自动调谐，以发现最佳的、 能够将能量由声导杆2有效传递至比色杯6的振幅和相位，而不管为 测定所选定的比色杯6的材料。

声处理器另外的选择是可以手动地或自动地从高能声处理状态转 换至低能声处理状态。考虑不同的几何要求，还可能开发驻波型声处 理。

与通常使用约20至25kHz频率的可用方法相比，声处理仪器15 能够以约40kHz的频率产生用于优良超声处理的更低的能量、温度和 可听噪声。为了举例说明，图11和12分别显示传感器1随时间变化 其电流和电压的变化。图11显示通过传感器1的电的量为100至300 mApp，其功率控制位于最小位置，即约最大功率的70％。图12显示 声处理过程中通过压电元件的电压量为120至160Vpp。因此混合部 件在最小功率时的瞬时功耗为约14W(平均7W)。

提供给培养基8的声波功率估计为1.0ml的培养基约4W。驱动电 路14的功耗估计为约25W。基于这些估计，效率为约16％。

开发了声处理仪器15以用于对培养基进行声处理，作为与本申请 同时提交的题目为“结合物质与被分析物的结合速率的测量”并且要 求英国专利申请第0509419.8号优先权的国际专利申请中公开的技术 的一部分。然而，声处理仪器15可在如上文所总结的范围广泛的其它 应用中被同等地应用于声处理培养基8。在每一情况下，待进行声处 理的培养基8被置于比色杯6中，并且如上所述操作声处理仪器15。 同样，如上文所总结的，可在广泛的频率范围内操作声处理仪器15。 操作频率的变化可要求声处理仪器15的设计的变化，如，改变声导杆 2的突出部分4的长度，或改变所用的材料，但基本操作保持相同。