采用成角度的声波的分离专利检索-曳力装置钓鱼与渔业专利检索查询-专利查询网

采用成角度的 声波的分离

阅读：549发布：2020-05-11

专利汇可以提供采用成角度的声波的分离专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及采用声泳装置从主流体分离材料的方法和系统。这些方法和系统可以使材料(例如，第二流体、细胞、珠粒或其它粒子、外来体、病毒、油滴)在所述主流体流中以高流速偏转。，下面是采用成角度的声波的分离专利的具体信息内容。

权利要求

1.用于从主流体分离材料的系统，所述系统包括：
限定平均流动方向的流动室；
超声换能器，所述超声换能器包括压电材料，所述压电材料被配置为待激发以在所述流动室中生成具有波长和声辐射力并且相对于通过所述流动室的平均流动方向成锐角取向的成角度的体声驻波，其中所述流动室具有为所述成角度的声驻波的波长的至少10倍的最小内部尺寸；
与所述至少一个超声换能器相对的反射器；
流体连接到所述流动室的第一入口；
流体连接到所述流动室的第二入口；
流体连接到所述流动室的第一出口；和
流体连接到所述流动室的第二出口。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一入口距所述成角度的体声驻波至少0.1英寸。
3.根据权利要求1所述的系统，其还包括在所述第一入口处终止的第一通道，其中所述第一通道具有从所述第一入口延伸至少0.1英寸的基本上直的段。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述超声换能器与所述反射器之间的空间包括所述流动室内的第一部分和所述流动室外的第二部分。
5.根据权利要求4所述的系统，其还包括将所述第一部分与所述第二部分分开的透声材料。
6.根据权利要求4所述的系统，其还包括与所述第二部分流体连接的冷却水系统。
7.根据权利要求4所述的系统，其中所述第二部分填充有固体材料，所述固体材料的声阻抗等于所述主流体的声阻抗。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括多个超声换能器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一入口和所述第二入口是同轴的。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一出口和所述第二出口是同轴的。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一入口具有矩形横截面。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一入口的矩形横截面的面积为至少0.01平方英寸。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一入口具有至少5的纵横比。
14.根据权利要求1所述的系统，其还包括第三出口，其中，所述第二出口设置在所述第一出口与所述第三出口之间，并且所述第三出口的横截面面积小于所述第二出口的横截面面积。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第二出口具有矩形横截面，并且所述第三出口具有矩形横截面。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述第二出口的宽度与所述第三出口的宽度相同。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第二出口的高度为所述第三出口的高度的至少2倍。
18.根据权利要求1所述的系统，其还包括多个第三出口，所述多个第三出口各自在所述成角度的声波的偏转方向上偏离所述第二出口的轴线。
19.根据权利要求1所述的系统，其还包括在所述第一入口处终止的第一通道，其中所述第一通道具有从所述第一入口延伸至少0.1英寸并且相对于垂直于所述成角度的声驻波的平面成第一锐角的基本上直的段。
20.根据权利要求19所述的系统，其还包括在所述第二入口处终止的第二通道，其中所述第二通道具有从所述第二入口延伸至少0.1英寸并且相对于垂直于所述成角度的声驻波的平面成第二锐角的基本上直的段。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述第一锐角和所述第二锐角相等。
22.根据权利要求19所述的系统，其还包括在所述第一出口处终止的第三通道，其中所述第三通道具有从所述第一出口延伸并且相对于垂直于所述成角度的声驻波的平面成第三锐角的基本上直的段。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述第一锐角和所述第三锐角相等。
24.根据权利要求22所述的系统，其还包括在所述第二出口处终止的第四通道，其中所述第一出口位于所述成角度的声波相对于所述第二出口的偏转方向上，其中所述第四通道具有第一横截面面积，所述第三通道具有具有所述第一横截面面积的第一部分和具有小于所述第一横截面面积的第二横截面面积的第二部分，并且所述第三通道的第二部分位于第一出口与所述第三通道的第一部分之间。
25.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，所述第三通道具有从所述第一出口以第三锐角延伸的基本上直的段。
26.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第一锐角为80度至90度。
27.根据权利要求1所述的系统，其中在所述成角度的声波的偏转方向上邻近所述第一出口的所述流动室的壁相对于垂直于所述成角度的声驻波的平面成锐角延伸。
28.根据权利要求27所述的系统，其中所述锐角为1度至20度。
29.用于从主流体分离材料的系统，所述系统包括：在第一端与第二端之间延伸的流动室；
位于所述流动室的第一端处的入口；
位于所述流动室的第一端与所述流动室的第二端之间的第一出口，所述入口和所述第一出口限定通过所述流动室的平均流动方向；
超声换能器，所述超声换能器包括压电材料，所述压电材料被配置为待激发以在所述入口与所述第一出口之间产生成角度的声驻波，所述成角度的声驻波在所述流动室中具有波长和声辐射力并且相对于通过所述流动室的平均流动方向成锐角取向；和与所述至少一个超声换能器相对的反射器；
其中所述第一出口与所述流动室的第二端隔开。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述流动室具有为所述成角度声驻波的波长的至少10倍的最小内部尺寸。
31.根据权利要求29所述的系统，其中所述第一出口距所述流动室的第二端至少0.5英寸。
32.根据权利要求29所述的系统，其中，所述流动室在所述第一端与所述第二端之间具有距离，并且所述第一出口距所述第二端为所述距离的至少30％。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述第一出口距所述第二端为所述距离的至多
70％。
34.根据权利要求29所述的系统，其还包括位于所述室的第二端处的第二出口。
35.从主流体中分离材料的方法，其包括：
使所述主流体和所述材料的初始混合物以一定流速经由入口流入声泳装置，所述声泳装置包括：
与所述入口连通的隔音室；
超声换能器，所述超声换能器耦合到所述隔音室且布置为待激发以产生与所述初始混合物的平均流动方向成角度的声波；
控制由所述超声换能器产生的声辐射力与所述初始混合物的粘滞曳力之比，以使穿过所述声波的第一子组的所述材料以不同于第二子组的所述材料的角度偏转，从而允许将所述第一子组与所述第二子组分离。
36.根据权利要求35所述的方法，其还包括通过控制所述角度、所述流速、所述超声换能器的激发频率或供应至所述超声换能器的功率中的一种或多种来控制所述比率。
37.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，其还包括基于一个或多个子组的特性来控制所述比率。
38.根据权利要求37所述的方法，其还包括基于材料尺寸、密度、可压缩性或声学对比因子中的一种或多种来控制所述比率。
39.根据权利要求35所述的方法，其还包括控制所述比率以使所述材料中的至少一些以所述声波的角度偏转。
40.根据权利要求35所述的方法，其中所述材料还包含不同于所述第一子组和所述第二子组的第三子组，并且所述控制所述比率还包括使所述第三子组以不同于所述第一子组或所述第二子组的角度偏转。
41.如权利要求36所述的方法，其特征在于，其还包括将所述比率控制在由待分离的混合物中的材料的子组的特性确定的范围内。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述范围是由待分离的所述子组中的所述材料的相对尺寸确定的。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述范围跨越至少一个数量级。
44.根据权利要求35所述的方法，其还包括在与所述隔音室连通的收集管道中收集所述第一子组或所述第二子组。
45.根据权利要求35所述的方法，其中所述材料包括具有不同特性的至少两个子组的颗粒、细胞或流体。

说明书全文

采用成角度的 声波的分离

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请是15/613,790的部分继续申请，15/613,790是15/143,481的分案申请，15/143,481要求了2016年4月1日提交的美国临时专利申请号62/316,933和2015年4月29日提交的美国临时专利申请号62/154,690的优先权。本申请还要求了2017年3月30日提交的美国临时专利申请号62/479,309和2017年4月13日提交的美国临时专利申请号62/485,229的优先权。所有这些申请均通过引用的方式并如本文。

背景技术

[0003] 在医疗领域中，通常期望将低浓度细胞从流体混合物中分离而不伤害流体混合物中的细胞、洗涤细胞、浓缩细胞，基于关键参数对细胞进行区分，或者甚至对许多不同类型的细胞分级分离(fractionate)。这样的方法对于开发许多常见疾病的可能治愈是关键。还期望采用声场来分离大小、密度和/或声学对比因子不同的粒子或细胞，其中粒子也可彼此分离。实例包括活细胞与死细胞的分离和分化细胞与未分化细胞的分离。本文所述的方法提供无标记的这种分离或分级分离方法。

[0004] 在食品和饮料工业中，过滤筒(filter cartridge)和过滤膜通常用来从液体过滤粒子。这样的过滤器是昂贵的并且随着处理材料而变得堵塞和不起作用。与之相对地，在其它可能的优点中，声泳提供了能够处理大量的载有酵母或其它悬浮粒子的主介质(host medium，例如水或啤酒)的过滤筒和过滤膜的低成本固态替代物。

[0005] 在食品和饮料工业中，使主流体以比通过常规声泳装置的流速高至多十倍的流速流过过滤器。在这些较高的流速下，减少了粒子在主流体中的截留，从而导致分离效率降低。因此，期望提供能够以比传统的宏观尺度声分离器高得多的流速或以更低的浓度从主流体中分离第二流体或粒子的系统和方法。

[0006] 在石油和水工业中，高效且经济地将油和其它污染物与水分离已经成为重要的工艺。压裂技术的产生已经导致许多沉降池和用于运输被污染的水的高成本。这些沉淀池是对环境的挑战，需要更好的手段来更有效地使压裂水变澄清。在其它可能的优点中，声泳提供了使压裂水变澄清的有效固态手段，但是与这种宏观尺度声泳装置相关的流速仍然太低因而不能可行。因此，期望提供能够以高得多的流速从主流体分离第二流体、细胞或颗粒的系统和方法。发明内容

[0007] 本公开描述了用于声泳分离、分级分离、分开、浓缩、洗涤、检测或甚至区分流体悬浮液中的细胞或粒子的微观尺度至宏观的系统、装置和方法的各种实施方案。所述装置和方法包括流动室和超声换能器和反射器，它们设置相对于通过所述流动室的平均流动方向成锐角取向的成角度的声驻波，所述流动室包括通过所述成角度的声驻波的粒子路径。在更高的流速下，声驻波可以用于使颗粒在期望的方向上偏转，而不使颗粒被捕获在驻波中。通过以一定角度向主流体施加声驻波，可以实现颗粒的期望偏转。

[0008] 这些系统和方法可以使用相对于流体速度成角度γ取向的体超声驻波来分离、分类和区分各种粒子。该方法提供了与颗粒的尺寸和声学对比度相关的敏感的分离能力。

[0009] 在一个方面，用于从主流体分离材料的系统包括：限定平均流动方向的流动室；超声换能器，所述超声换能器包括压电材料，所述压电材料被配置为待激发以在所述流动室中生成具有波长和声辐射力并且相对于通过所述流动室的平均流动方向成锐角取向的成角度的体声驻波，其中所述流动室具有为所述成角度的声驻波的波长的至少10倍的最小内部尺寸；与所述至少一个超声换能器相对的反射器；流体连接到所述流动室的第一入口；流体连接到所述流动室的第二入口；流体连接到所述流动室的第一出口；以及流体连接到所述流动室的第二出口。这些系统的实施例可以包括以下特征中的一个或多个。

[0010] 在一些实施方案中，第一入口距成角度的体声驻波至少0.1英寸(例如，0.2英寸、0.3英寸、0.4英寸、0.5英寸或1英寸)。

[0011] 在一些实施方案中，所述系统还包括在第一入口处终止的第一通道，其中第一通道具有从第一入口延伸至少0.1英寸(例如，0.25、0.5、0.75或1英寸)的基本上直的区段。

[0012] 在一些实施方案中，超声换能器与反射器之间的空间包括流动室内的第一部分和流动室外的第二部分。在一些情况下，所述系统还包括将第一部分与第二部分分开的透声材料。在一些情况下，所述系统还包括与第二部分流体连接的冷却水系统。在一些情况下，第二部分填充有固体材料，所述固体材料的声阻抗等于所述主流体的声阻抗。

[0013] 在一些实施方案中，实施例系统包括多个超声换能器。

[0014] 在一些实施方案中，第一入口和第二入口是同轴的。在一些情况下，第一出口和第二出口是同轴的。在一些情况下，第一入口具有矩形横截面。在一些情况下，第一入口的矩形横截面的面积为至少0.05平方英寸(例如，0.1、0.25、0.5、0.75或1英寸)。

[0015] 在一些实施方案中，第一入口具有至少5(例如，10、15、20、25或50)的纵横比。

[0016] 在一些实施方案中，所述系统还包括第三出口，其中第二出口设置在第一出口与第三出口之间，并且第三出口的横截面面积小于第二出口的横截面面积。在一些情况下，第二出口具有矩形横截面，并且第三出口具有矩形横截面。在一些情况下，第二出口的宽度与第三出口的宽度相同。在一些情况下，第二出口的高度是第三出口的高度的至少2倍。

[0017] 在一些实施方案中，所述系统还包括多个第三出口，多个第三出口各自在成角度的声波的偏转方向上偏离第二出口的轴线。

[0018] 在一些实施方案中，所述系统还包括在第一入口处终止的第一通道，其中第一通道具有从所述第一入口延伸至少0.1英寸(例如，0.25、0.5、0.75或1英寸)并且相对于垂直于所述成角度的声驻波的平面成第一锐角的基本上直的段。在一些情况下，第二通道终止于第二入口，其中第二通道具有从所述第二入口延伸至少0.1英寸(例如，0.25、0.5、0.75或1英寸)并且相对于垂直于所述成角度的声驻波的平面成第二锐角的基本上直的段。在一些情况下，第一锐角和第二锐角相等。在一些情况下，所述系统还包括在第一出口处终止的第三通道，其中第三通道具有从所述第一出口延伸并且相对于垂直于所述成角度的声驻波的平面成第三锐角的基本上直的段。在一些情况下，第一锐角和第三锐角相等。在一些情况下，所述系统还包括在第二出口处终止的第四通道，其中第一出口位于成角度的声波相对于第二出口的偏转方向上，其中第四通道具有第一横截面面积，第三通道具有具有第一横截面面积的第一部分和具有小于第一横截面面积的第二横截面面积的第二部分，并且第三通道的第二部分位于第一出口与第三通道的第一部分之间。在一些情况下，第三通道具有从第一出口以第三锐角延伸的基本上直的段。在一些情况下，第一锐角为80度至90度。

[0019] 在一些实施方案中，在成角度的声波的偏转方向上邻近第一出口的流动室的壁相对于垂直于成角度的声驻波的平面成锐角延伸。在一些情况下，锐角为1度至20度(例如，大于2度、大于3度、大于5度、大于10度、小于15度、小于10度、小于7.5度、小于5度)。

[0020] 在一个方面，用于从主流体分离材料的系统包括：在第一端和第二端之间延伸的流动室；位于所述流动室的所述第一端处的入口；位于所述流动室的第一端与所述流动室的所述第二端之间的第一出口，所述入口和所述第一出口限定通过所述流动室的平均流动方向；超声换能器，所述超声换能器包括压电材料，所述压电材料被配置为待激发以在所述入口与所述第一出口之间产生成角度的声驻波，所述成角度的声驻波在所述流动室中具有波长和声辐射力并且相对于通过所述流动室的平均流动方向成锐角取向；和与所述至少一个超声换能器相对的反射器；其中所述第一出口与所述流动室的所述第二端间隔开。

[0021] 在一些实施方案中，流动室具有为所述成角度声驻波的波长的至少10倍的最小内部尺寸。

[0022] 在一些实施方案中，第一出口距流动室的第二端至少0.5英寸。

[0023] 在一些实施方案中，流动室在所述第一端与所述第二端之间具有距离，并且第一出口距第二端为所述距离的至少30％。在一些情况下，第一出口距第二端为所述距离的至多70％。

[0024] 在一些实施方案中，所述系统还包括位于所述室的第二端处的第二出口。

[0025] 在一个方面，从主流体分离材料的方法包括：使所述主流体和所述材料的初始混合物以一定流速经由入口流入声泳装置，所述声泳装置包括：与所述入口连通的隔音室；超声波换能器，其耦合到所述隔音室且布置为待激发以产生与所述初始混合物的平均流动方向成角度的声波；控制由所述超声换能器产生的声辐射力与所述初始混合物的粘滞曳力之比，以使穿过所述声波的第一子组的所述材料以不同于第二子组的所述材料的角度偏转，从而允许将所述第一子组与所述第二子组分离。这些方法的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个。

[0026] 在一些实施方案中，所述方法还包括通过控制角度、流速、超声换能器的激发频率或供应至超声换能器的功率中的一种或多种来控制所述比率。

[0027] 在一些实施方案中，所述方法还包括基于一个或多个子组的特性来控制所述比率。在一些情况下，所述方法还包括基于材料大小、密度、可压缩性或声学对比因子中的一种或多种来控制所述比率。

[0028] 在一些实施方案中，所述方法还包括控制比率以使材料中的至少一些以所述声波的角度偏转。

[0029] 在一些实施方案中，所述材料还包括与所述第一子组和所述第二子组不同的第三子组，并且所述控制所述比率还包括使所述第三子组以不同于所述第一子组或所述第二子组的角度偏转。

[0030] 在一些实施方案中，所述方法还包括将所述比率控制在由待分离的混合物中的材料的子组的特性确定的范围内。在一些情况下，所述范围由待分离的子组中的材料的相对尺寸确定。在一些情况下，所述范围跨越至少一个数量级。

[0031] 在一些实施方案中，所述方法还包括在与隔音室连通的收集管道中收集第一子组或第二子组。

[0032] 在一些实施方案中，所述材料包括具有不同特性的至少两个子组的颗粒、细胞或流体。

[0033] 这些系统和方法可以使用相对于流体速度成角度γ取向的体超声驻波来分离、分类和区分各种粒子。该方法提供了与颗粒的尺寸和声学对比度相关的敏感的分离能力。

[0034] “体声驻波”可以指示通过一定体积的介质诸如水的传播而几乎没有衰减的声波。与之相对地，“表面声驻波”是沿着呈现弹性的材料的表面行进的声波，其具有通常随着进入衬底中的深度以指数方式衰减的振幅。表面声波不穿透到介质(例如水)的体积中非常远，例如从衬底至多到水体积中几毫米。

[0035] 除非上下文另有明确说明，单数形式“一”、“一种”、和“所述”包括复数指示物。

[0036] 数值应被理解为包括当减少到相同数量的有效数字时相同的数值，和与所述值相差小于本申请中描述的类型的用于确定该值的常规测量技术的实验误差的数值。

[0037] 本文公开的所有范围包括所述端点并且可独立地组合(例如，“2克至10克”的范围包括端点2克和10克，以及所有中间值)。本文所公开的范围的端点和任何值不限于精确的范围或值；它们足够地不精确以包括接近这些范围和/或值的值。

[0038] 与数量结合使用的修饰语“约”包括所述值，并且具有上下文所规定的含义。当在范围的上下文中使用时，修饰语“约”还应当被认为公开了由两个端点的绝对值限定的范围。例如，“约2至约10”的范围还公开了“2至10”的范围，术语“约”可以指所指的数加减10％。例如，“约10％”可以指示9％至11％的范围，并且“约1”可以表示0.9–1.1。

[0039] 应注意，本文中所使用的术语中的一些可为相对术语。例如，术语“上”和“下”在位置上彼此相对，即，在给定的取向中，上部组件位于比给定定向中的下部组件更高的高度处，但是如果将装置翻转，则这些术语可以改变。术语“入口”和“出口”与给定的结构相关并且相对于流动通过它们的流体，例如流体通过入口进入结构并通过出口流出结构。术语“上游”和“下游”相对于流体流过各个部件的方向，即，流体在流过下游部件之前流过上游部件。应当注意，在环路(loop)中，第一部件可以被描述为既在第二部件的上游又在第二部件的下游。

[0040] 术语“水平”和“竖直”用于指示相对于绝对参照(即，地平面)的方向。然而，这些术语不应被解释为要求结构彼此绝对平行或绝对垂直。例如，第一垂直结构和第二垂直结构不一定彼此平行。术语“顶部”和“底部”或“基底(base)”用于指相对于绝对参照(即，地球的表面)顶部总是比底部/基底高的表面。术语“向上”和“向下”也相对于绝对参照；向上总是与地球引力相对。应当理解，重力或重力的影响在本文所述的成角度的波的偏转过程中是可忽略的，因为该过程影响单独的粒子，而不是影响如在其他系统中使用的大得多的粒子簇。

[0041] 术语“平行”应当以在两个表面之间保持大致恒定的距离的直白意义(in its lay sense)来解释，而不是在这些表面在无限延伸时不相交的严格的数学意义上解释。

[0042] 如果较大数字除以较小数字的商是至少1且小于10的值，那么两个数字具有相同数量级。

[0043] 在附图和以下描述中说明了这些系统、装置和方法的一个或多个实施方案的细节。根据说明书和附图以及权利要求书，其他特征、目的和优点会变得显而易见。

附图说明

[0044] 图1是通过相对于流速V成角度γ定向的成角度的声驻波的声辐射力引起的颗粒偏转的示意图。

[0045] 图2A和2B是左行声驻波(图2A)和右行声驻波(图2B)的法向和切向速度分量的示意图。

[0046] 图3是伽利略变换的示意图，该变换将成角度的声驻波系统分解成两个方程式的系统，即垂直于波阵面和切向于波阵面。

[0047] 图4是在沿波阵面的法线方向传播一半波长之后由切向速度分量引起的净颗粒偏转的示意图。

[0048] 图5是对于0至1的M参数值，颗粒偏转角ΔθM相对于波角γ的曲线图。

[0049] 图6是对于30°、45°和60°的声驻波角，颗粒偏转角ΔθM相对于M参数的曲线图。

[0050] 图7A是颗粒偏转角ΔθM相对于M参数曲线的曲线图，其中高亮两个颗粒偏转的可能区域。图7B是在小于波角γ的角度处的颗粒偏转角ΔθM的示意图，图7C是颗粒偏转角ΔθM等于波角γ的示意图。

[0051] 图8A和8B所示为对于2MHz的频率、1MPa的声压振幅、18μm的粒径及0.03的声学对比因数，(a)M/sinλ值小于1及(b)M/sinλ值大于1的CHO细胞的数值颗粒偏转轨迹。

[0052] 图9A所示为直径为16、18和20μm且声学对比因数为0.03的CHO细胞的数值颗粒偏转轨迹。图9B所示为直径为20μm且声学对比因数为0.03、0.035、0.04、0.045和0.05的CHO细胞的数值颗粒偏转轨迹。频率为2MHz，声压振幅为1MPa，速度振幅为6cm/min。

[0053] 图10所示为作为通过通道的流体的速度大小的函数的CHO细胞的数值颗粒轨迹。

[0054] 图11A是颗粒偏转的通用分析预测与数值颗粒轨迹在M值的宽的范围上进行比较的图表。图11B和11C是颗粒偏转的通用分析预测与数值颗粒轨迹在M值的宽的范围上进行比较的图表。

[0055] 图12A–12G所示为具有成45°角度的驻波的成角度的波装置(AWD)系统。图12A是AWD系统的照片，其在右侧具有多个流入口，在左侧具有多个流出口。图12B是显示换能器、反射器和流动通道的位置的设置的示意图。图12C是显示AWD的一种可能的操作模式的示意图，其中虚线表示驻波的节面位置。图12D是AWD内的流量分布的示意图。图12E是AWD的横截面，图12F和12G是AWD的交替管道布置的横截面。

[0056] 图13是实验中使用的聚苯乙烯珠粒的粒度分布。

[0057] 图14A–14F是聚苯乙烯珠粒偏转作为向在45°处建立声驻波的1MHz换能器的电功率的函数的照片。

[0058] 图15A和15B所示为配置以通过降低混合物管道并收缩下部缓冲流来浓缩颗粒或细胞的AWD系统。

[0059] 图16是配置用于颗粒分级分离的AWD系统的示意图。

[0060] 图17A、17B和17C是显示成角度的流体装置(AFD)系统的各个方面的示意图。图17A所示为系统的几何形状和流动特性。图17B所示为流体之间的颗粒转移。图17C示意性地描绘了该系统的流体流动方向。

[0061] 图18A是AFD的照片，图18B是显示来自CFD预测的流体流线的设置的示意图。

[0062] 图19A和19B是AFD系统的声学室窗口的照片，其显示了在不使用声学(图19A)和使用声学(图19B)的情况下颗粒通过AFD系统的运动。

[0063] 图20A和20B分别是系统的横截面和示意图，其中使用流动构造来增加使用该系统分离的颗粒混合物的浓度。

[0064] 图21是设计用于颗粒分级分离的AFD系统的示意图。

[0065] 图22A、22B和22C分别是设计用于收集颗粒的AFD系统的示意图、模型化的流速的曲线图以及横截面。

[0066] 图23A和23B分别是低角度AFD系统的横截面和示意图。

[0067] 图24A–24C所示为使用AWD系统以从35um珠粒分级分离T细胞的结果。图24A和24B是显示预期的从珠粒分离T细胞的示意图。图24C是结果的图表。

[0068] 图25A–25C所示为使用AWD系统以分级分离珠粒的混合群的结果。图25A是显示预期的从较小珠粒分离较大珠粒的示意图。图25B和25C是结果的图表。

[0069] 图26A–26C所示为使用AWD系统以分级分离PMMA珠粒群的结果。图26A、26B和26C所示为在不采用声学、施加1W的功率和施加1.2W的功率时珠粒在中心出口与缓冲出口之间的分布。

[0070] 图27所示为10度AWD系统，其具有中心通道及其周围的缓冲通道。

[0071] 图28所示为一种AWD系统，其具有一个在一侧的小入口、在其顶部的缓冲流和5个出口，其中来自混合物群的不同级分将结束。

[0072] 图29所示为AWD系统，其中观看的流动是由2个玻璃窗成为可能。

[0073] 在各个附图中相似的参考符号指示相似的元件。

具体实施方式

[0074] 本公开涉及一种声泳装置，其采用以相对于穿过所述装置的平均流动方向成角度定向的多维超声驻波、平面声驻波或平面和多维声驻波的组合(在本文中统称为成角度的声驻波)。穿过腔室的平均流动方向应理解为包括流过在所述装置中产生的成角度的声驻波的第二流体、细胞或颗粒所行进的路径。这些成角度的声驻波使主流体流中的颗粒偏转，而不是捕获颗粒以进行团聚。这与许多目前的声泳装置相比是一个重要的区别。所描述的这些装置可以高流速运行，并且可以用于替换各种行业中昂贵且易堵塞的滤筒和滤膜。本公开的装置和方法主要依赖于轴向力分量以将颗粒偏转出声场，而不是依赖于捕获、团聚以及重力和浮力。本文提出的装置和方法能够独立于重力(即在任何方向上)操作，并且不依赖于重力沉降。以此方式，在横截面为1英寸×1英寸的装置中在主流体流中以最高约400mL/min，更优选最高约600mL/min或约700mL/min的高流速，相对于流动方向成角度定向的成角度的声驻波的轴向力能够有利地使材料(例如，第二流体、细胞、珠粒或其他颗粒、外来体、病毒、油滴)偏转。还生产了具有0.5英寸×0.5英寸总流道的装置，其中心入口为0.1英寸×0.1英寸。对于这些装置，体积流速约为0至100ml/min，典型的缓冲液流速为20至
100ml/min，中心流速为1至10ml/min。这对应于大约1至100mm/s的线速度，与装置的尺寸无关。

[0075] 因此，相对于通过装置的流动方向成角度的体声驻波可用于使流过该装置的流体偏转、收集、区分或分离颗粒或细胞。倾斜的声驻波可用于通过大小、密度、声速或形状分离或分离流体中的颗粒。倾斜的声驻波可以是三维声驻波。声驻波也可以是平面波，其中以活塞方式激励压电材料，或者声驻波可以是平面声驻波和多维声驻波的组合。为了本公开的目的，侧向力比轴向力的大小小至少一个数量级的驻波被认为是“平面声驻波”。但是，不是平面声驻波的驻波。也可以与本公开中描述的方法一起使用。可用于将活细胞与死细胞分离，将受损细胞与健康细胞分离，或与未分化细胞分化。驻波对颗粒的偏转还可以通过声场的强度、声场的角度、流体的性质、驻波的三维、驻波的频率来控制或放大，声学室的形状和混合物的流速。

[0076] 当声驻波在液体中传播时，快速振荡可能会对悬浮在液体中的颗粒或液体之间的界面产生非振动力。该力称为声辐射力。该力源自传播波的非线性。由于非线性，波在传播时会失真，并且时间平均值不为零。通过级数展开(根据扰动理论)，第一个非零项将是第二项，这将说明声辐射力。流体悬浮液中的颗粒或细胞上的声辐射力是颗粒或细胞两侧的辐射压力差的函数。辐射力的物理描述是入射波和散射波的叠加，除了非刚性颗粒与周围介质相比以不同速度振荡从而辐射出波的效果。以下方程式表示驻波中流体悬浮液中颗粒或细胞上的声辐射力FR的解析表达式。

[0077]

[0078] 其中，βm是流体介质中的声速，ρ是密度，X是声学对比因数，VP是颗粒体积，λ是波长，k是2π/λ，P0是声压振幅，x是沿驻波的轴向距离(即垂直于波阵面)，及

[0079]

[0080] 其中，ρρ是颗粒密度，ρf是流体介质密度，βρ是颗粒的可压缩性，βf是流体介质的可压缩性。

[0081] 颗粒上的声辐射力被认为是周期为声波波长一半的对称函数。这意味着辐射力分布每半个波长重复一次。这也意味着颗粒将通过由方程式(1)表示的辐射力而加速和减速。

[0082] 图1示意性地显示了颗粒偏转，当混合物以角度γ流过驻波时，将产生这种力变化。V是流体和颗粒的混合物的速度。图中的正负号表示辐射力的方向。正号表示辐射力在流动方向上并增加了颗粒速度，而负号表示辐射力使颗粒变慢了。如图所示，颗粒将始终向波阵面偏转或远离波轴向。图1是左向运行的波，或者当沿流体混合物流动的方向看时，该波向左倾斜。

[0083] 图2A和2B是左行声驻波(图2A)和右行声驻波(图2B)的法向和切向速度分量的示意图。如在图2A和2B中所示，可以将图1中的流体速度(V)分解成垂直于行波的速度分量(VN)和平行于波的分量(VT)。颗粒总是在切向速度分量的方向上偏转。当法向速度分量被轴向辐射力减慢或加速时，是切线方向上的流体运动以恒定速度承载或拖动颗粒。在此情况下，悬浮液中的任何颗粒都会再次在VT方向上偏转。

[0084] 如图3中所示，通过利用伽利略变换，通常可以更简单地分析如图2中所示的成角度的流动问题。这一变换相当于在以波速VT沿着波行进时看待相同的问题。从理论上讲，该问题的物理学不会随着这一变换而发生改变。如图3中所示，这相当于求解流动通过流动方向垂直于波阵面或者在波的轴向方向上的驻波。在这一方向上，声辐射力的变化如方程式(1)所示，将会导致一系列对称的速度沿法向流动方向的增加和减少。当混合物流过法向声驻波时，使用v作为由颗粒上的声辐射力导致的颗粒扰动速度，可以生成以下控制性方程来描述颗粒轨迹(即根据牛顿第二定律、方程式(1)和Stokes阻力)，其中rp是颗粒半径：

[0085]

[0086] 因此，v实际上是ΔVN，或者是垂直于驻波的颗粒速度的变化，这是由驻波相对于法向流体流速产生的声辐射力对颗粒的影响所引起的。粘度效应始终与扰动速度相反，并在朝着平均速度的方向上起作用。因此，粘度总是驱使颗粒扰动速度围绕平均流速以振幅ΔVN波动。假设悬浮液中的颗粒足够小，从而立即对粘度和辐射力做出反应。利用这一假设，左侧的第一项消失，方程式3可以简化为：

[0087] v＝C sin(2kx) (4)

[0088] 其中， C是法线方向上的最大扰动速度，并且被视为声压振幅、颗粒半径、声学对比因数、流体粘度和声波长的函数。利用这一假设，颗粒速度立即调整为由辐射力产生的Stokes速度。

[0089] 图4示意性地显示了当驻波与流成角度γ时，由垂直于声驻波的速度分量的减小和增大引起的颗粒偏转效应。如通过伽利略变换所推定，切向速度分量必须保持恒定，因为垂直于声驻波的速度分量围绕平均法向速度对称地变化。

[0090] 在图4中还显示了相对于颗粒的平均轨迹的流体轨迹。P1P2是在一个时间段Δt0的流体轨迹。P1P3是平均颗粒轨迹。VN是垂直于波的速度分量，VT是沿波阵面的速度切向分量，V是进入的混合物的速度，t是时间，ΔθM是相对于流体方向的颗粒偏转。P1是混合物进入驻波的一半波长的位置。假定为平面驻波。辐射力不会使流体偏转，而是在流体速度的方向上在与P1水平对齐的P2处离开一半波长。另一方面，如图所示，流体速度的切向分量使颗粒由波阵面转向下，并偏转到P3。术语“成角度的声波的偏转方向”用来指这一偏转的方向。

[0091] 感兴趣的问题是确定在不同流动和声学条件下具有声波角的颗粒偏转。ΔVN是最大法向速度扰动，C与作用于颗粒上的正弦声辐射力相关联，如在方程式(4)中所示。

[0092] 颗粒或细胞的偏转可以表示为ΔVN/V，其是无量纲的参数，在以下解析方程解中定义为M：

[0093]

[0094] 可以展开成为

[0095]

[0096] 其中，C是来自方程式(4)的最大法向速度扰动(ΔVN)，V是流体自由流动速度。这个无量纲的参数M很重要，因为它代表颗粒上的声辐射力与颗粒上的粘度阻力之比。M是通过成角度的驻波使颗粒偏转的关键参数。声压和颗粒大小均在表达式中平方。这意味着它们是确定颗粒偏转的最主要的因素。通过用法向波求解颗粒运动，然后将结果变换成为成角度的波流动场(即使用图3中所示的伽利略变换)，可以得到以M表示的成角度的波中的颗粒偏转的精确表达式。伽利略变换对时间没有影响。因此，在半波长(重复)之间的传播时间在法向波平面以及变换后的成角度的波平面中是相同的。

[0097] 方程式7代表ΔtM的表达式，其是颗粒在悬浮液中在通过声学轴向辐射力加速和减速时通过法向驻波的一半波长(即过程重复每半个波长)所花费的时间。方程式8是Δto的表达式，其是流体通过法线波的一半波长所花费的时间。这两个时间值与伽利略变换无关，并与图4结合，可用于从流体流动方向获得颗粒偏转。

[0098]

[0099]

[0100] 这些时间的比例定义为

[0101]

[0102] 方程式10和11结合波角γ使用ε，以产生在成角度的波场中颗粒偏转的表达式。

[0103]

[0104]

[0105] 图4有助于解释方程式(10)和(11)。图4中成角度的波代表通过将VT加到所有速度来变换法向波的结果。P1是流动混合物进入驻波的点。驻波相对于流动方向成角度γ。虚波线表示颗粒上的辐射力为零的在驻波中的区域。当跨越图4中所示的虚线时，辐射力的方向反转。P2和P3是在零力线上相对于P1的距离为λ/2的点。颗粒在悬浮液中流动通过P1时，由于声波发生偏转，并经过P3，如图4中所示。P2是在没有声辐射力的情况下通过的点，其代表流体流动方向。连接P1和P3的虚线表示颗粒通过一个声辐射力循环的平均轨迹。θM是相同的线与波的法线方向所成的总角度。因此，ΔθM是由声波产生的相对于流动方向(即连接P1和P2的虚线)测量的颗粒偏转角。与切向速度变换一起，使用由法线波分析计算出的颗粒传播时间，得到颗粒在波阵面方向上的位移。在没有辐射力的情况下通过变换产生的颗粒波阵面距离是ΔtoVT，由伽利略变换和声辐射力对运动的综合效应两者共同产生的颗粒波阵面距离是ΔtMVT。差值(ΔtoVT-ΔtMVT)是由作用在颗粒上的正弦声辐射力产生的沿波阵面方向的颗粒偏转。对于要以不同的波角和不同的偏转参数M计算的ΔθM或颗粒偏转角，必须在方程式(11)中求解epsilon的积分表达式。

[0106] 利用代入变量，得到对于颗粒偏转的一个解析解，作为波角和无量纲参数M的函数，其由流过声驻波的混合物上的声辐射力和粘度力之比定义。允许针对M和γ的所有值预测颗粒偏转角的这一解析解在方程式(12)中显示。

[0107]

[0108] 图5显示了从方程式(12)计算出的颗粒偏转角，作为波角γ和无量纲偏转参数M的函数。图5中不同的M曲线可以表示功率对颗粒偏转相对于波角的影响，而粒径、流体压缩系数、声波波长、流体粘度和流体速度在基线条件下均保持恒定。波角变化从零到九十度。在任何恒定的M值下，颗粒偏转以零开始，其中波角为零并且沿着45°线向上移动，直到达到最大值。在M固定时，增加波角会增加辐射力的分量，使颗粒变慢。在一些波角条件下，由法向辐射力使颗粒停止运动通过波，并被流体强迫沿波阵面方向移动。在这一点上，颗粒偏转达到对于该M值的最大值(即例如，M＝0.667，波角为42度)。

[0109] 在图5中所示的45°线下方的三角形解区域表示在混合物相对于体声驻波成一定角度流动的情况下所有可能的颗粒偏转。它可以应用于任何流体、驻波、颗粒或声压。它表示所有波角处的颗粒偏转，作为无量纲参数M的函数，其是声辐射力与颗粒上粘滞阻力的比值。如图5中所示，看到偏转角落在或位于45°线以下。45度线代表偏转角ΔθM和声波角γ相等的情况。这对于任何成角度的声波是最大的颗粒偏转，在M/sinγ≥1时发生，即声辐射力等于或超过粘滞阻力时。这一解析解使得能够设计和控制成角度的波系统，以提供获得所期望的结果所需的M值，如在本公开中稍后更详细地讨论。

[0110] 看到图5中的每个M曲线在最大偏转值附近具有陡峭的梯度，在此颗粒偏转从图1中所示的对于左行波的上下偏转区域之间的差异转变成仅向上偏转。该陡峭的梯度表示偏转过程的物理模式的变化，并反映在本公开内容稍后提出的实验结果中。这在向上偏转区域中的辐射力达到足够大以阻止颗粒运动通过波的值时发生。结果表明，如果波角足够小，则在流体悬浮液中流动的颗粒可以沿任何强度的声驻波偏转。图5中不同的M曲线可以表示声压对颗粒偏转相对于波角的影响，而粒径、流体压缩系数、声波波长、流体粘度和流体速度在基线条件下均保持恒定。

[0111] 例如，图中的M＝0.8曲线可以表示许多不同的应用。M＝0.8的一个示例性应用具-4 -4 -有流体混合物速度V＝7.75×10 m/s，声驻波波长λ＝7.4×10 m，混合物粘度μ＝1.0×10
3Pa.s，对比因数X＝0.12，混合物可压缩性βf＝4.06×10-10m2/N，颗粒半径rp＝3×10-6m，声压振幅P0＝1.0MPa，作为讨论点。图5中所示的对于各种M参数的颗粒偏转曲线是针对所有波角。作为波角观察这一曲线，从零到九十度变化，有助于解释物理学。颗粒偏转最初在45°线向上移动。沿着这条线，颗粒在波之间停止，并沿波阵面切线移动。这一效应随着波角的增加而持续，直到轴向辐射力不再阻止颗粒的法向速度分量。在这一点上，颗粒移动通过多个波，并被其所通过的每个波偏转。对于M＝0.8，在53°的波角处，颗粒偏转为最大53°。在M＝0.8的55°波角处，颗粒偏转角降至38°；在M＝0.8的60°波角处，颗粒偏转为26.5°。

[0112] 图6显示了通过以成30°、45°和60°角的波发生的随M的颗粒偏转变化。在图6中M从0到1变化。颗粒偏转角ΔθM随M值的增加而增加。颗粒偏转角的增加率也随M值的增加而增加。对于所有曲线在最大偏转角附近观察到偏转曲线的陡峭梯度。看到梯度的大小随着波角γ的增加而增加。这种陡峭的梯度提供一种分离声学特性仅有微小差异的颗粒的机制。

[0113] 图7A、7B和7C所示为对于仅为45°的声波角，相对于M的颗粒偏转曲线。在区域1中，颗粒穿过所有的波，并以恒定角度向下偏转(对于所示的右行波)，ΔθM小于γ，如图7B所示。区域1中的颗粒净偏转是向下偏转(由于辐射力而减慢的颗粒)与向上偏转(由于辐射力而加速的颗粒)之间的差。图7A中的曲线显示了当区域1过渡成区域2时发生的大的梯度。在该过渡的附近，M的小的变化产生颗粒偏转角ΔθM的大的变化。可以在该过渡区域中实现具有微小的尺寸、刚度或密度差的颗粒的分离。区域2表示声辐射力足够大从而可以阻止颗粒移动通过波的操作参数空间。在区域2中，颗粒平行于波阵面移动，并且ΔθM＝γ。理论上，在区域2中，所有颗粒将在第一波中沿波阵面向下偏转，如图7C所示。

[0114] 如图5所示，分析模型的结果预测，如果波角足够小，则悬浮液中的粒子可以被任何强度的声驻波向下偏转。随着波角γ减小，垂直于波的流体和粒子速度降低。在一些点，声辐射力将克服迎面而来的粒子法向速度分量，结果，粒子将停止移动通过波并沿着波前传播。当波角足够低而导致垂直于波的所得粒子速度分量达到零时，将发生此过程。图5中的四十五度线代表了这些点的轨迹。分析预测，对于任何M值，最大偏转始终落在此45度轨迹线上。由于声功率参数M等于C/V，其中C表示由声辐射力产生的最大粒子法向速度扰动，因此它也可以被解释为ΔVN/V，其中V是迎面而来的流体和粒子速度。当ΔVN＝V sin(γ)时，声扰动速度等于波的流体法向速度分量。因此，在任何功率或声驻波的声压下，驻波都将存在一个角度，在该角度处辐射力可使垂直于该波的粒子速度停止。下面方程式定义了该点，该点代表最大的粒子偏转以及给定M值的偏转曲线与图5中的45度线相交的位置：

[0115] Δθmax＝sin-1(M)＝γ (13)

[0116] 方程式13定义了可能的最大偏转角，以及使用成角度的声驻波作为无量纲参数M的函数的最大粒子偏转所需的波角γ。

[0117] M参数还可用于确定所需的操作特性，例如，用于偏转悬浮液中的极小粒子。粒径越小，M因子越低。假设为了系统的可行性将流速降低到尽可能低，并且将功率增加到尽可能大，则M操作曲线规定系统应在尽可能低的波角下操作，因为对于低M值在较低的波角下粒子偏转达到最大。这表明与小粒子或纳米粒子一起使用的系统应以极小的角度(例如<5°、<4°、<3°、<2°、<1°)操作。

[0118] 上面给出的预测是基于对理想驻波和流速场的分析程序，并被用作更精确的数值粒子轨迹研究和实验验证测试的指南，表明了使用声驻波将粒子或细胞的一个群体从可能包含多种不同类型粒子的混合物(即，大小和/或材料特性例如密度或可压缩性不同)中偏转、收集、区分、分离、纯化或分级。

[0119] 给定粒子的一些初始条件，可以通过对粒子的运动方程，即方程式(3)，进行数值积分来求解粒子轨迹。该方程式通过具有自动时间步长的四阶Runge Kutta方法求解。在以下结果中，使用一英寸宽的流道的流体均匀速度分布。计算中使用的典型条件是频率为2MHz且声压幅值为1MPa的声驻波。声驻波具有一英寸宽度和45°角度。

[0120] 图8A和8B给出了具有类似于中国仓鼠卵巢(CHO)细胞特性的粒子的偏转结果。CHO细胞是人们感兴趣的，因为它们广泛用于重组蛋白和单克隆抗体的生产。典型的CHO细胞直径为18μm且声学对比因子为0.03。

[0121] 图8A和8B分别示出CHO细胞对于M/sinγ值小于1和M/sinγ值大于1的数值粒子偏转轨迹。使用的模拟为：频率为2MHz，声压幅值为1MPa，CHO细胞直径为18μm，CHO细胞的声学对比因子为0.03。数值粒子轨迹的结果进一步验证了成角度的驻波的物理性质以及对于M/sinγ<1和M/sinγ≥1两种情况的分析预测。这些结果包括惯性效应。粘度改变惯性效应，以围绕平均法向速度分量生成对称的扰动速度，从而产生如图8A和8B所示的净恒定偏转。因此，前半个波长中的粒子偏转可以根据粒子相对于驻波的确切位置而变化，如图8所示，其中两个粒子的初始粒子位置在y方向上相差四分之一波长。粘度会很快减弱这种初始长度的影响。结果证实了当粒子穿过驻波的每个半波长时偏转的恒定角度。当M/sinγ≥1(即图8B中的条件)时，粒子偏转角度等于驻波角度。在粒子运动的初始瞬态之后，粒子偏转沿波角。

[0122] 图9A示出了对于直径为16μm、18μm和20μm的CHO细胞和声学对比因子为0.03的数值粒子轨迹。图9B显示了对于直径为20μm的CHO细胞和声学对比因子为0.03、0.035、0.04、0.045和0.05的数值粒子轨迹。模拟使用的频率为2MHz，声压幅值为1MPa，速度幅值为6cm/min。

[0123] 图9A示出了三种略微不同的尺寸(16μm、18μm和20μm，表示尺寸变化为约±10％)的CHO粒子偏转。最小的粒子偏转是M/sinγ值小于1的粒子的偏转。18μm粒子根据M/sinγ值小于1但大于16μm粒子的M/sinγ值偏转，导致较大的偏转。20μm的粒子偏转是M/sinγ≥1型轨迹的偏转。这些小的尺寸差异导致粒子轨迹的较大差异。图9B示出了相似的结果，但是作为声学对比因子的微小变化(即，0.03、0.035、0.04、0.045和0.05的值)的函数。这些结果表明，成角度的驻波可用于按大小、声学对比因子、即，密度和可压缩性、以及形状分离或分级悬浮液中的粒子。该技术可以使活细胞与死细胞分离，甚至使受损细胞与健康细胞分离。例如，表1列出了几种类型细胞的声学对比因子。

[0124] 表1

[0125]细胞类型密度(g/cc) 声音速度(m/s) 声学对比因子
Jurkat T细胞 1.06 1615 0.079
原代T细胞 1.04 1560 0.049
酵母 1.1 1700 0.12
CHO 1.03 1550 0.03

[0126] 图10示出了作为通过通道的流体的速度大小的函数的CHO细胞的数值粒子轨迹。这些粒子轨迹验证了法向速度变化对粒子偏转的影响，该偏转是由于混合物以45°角流入声驻波中而产生的。随着流速的增加，ΔVN/V减小且粒子偏转成角度。这种效果提供了一种通过操纵流体速度来提高检测粒子性质微小差异的能力的手段。驻波对粒子的偏转还可以通过声场的强度、声场的角度、流体的性质、驻波的三维度、驻波的频率、声腔形状和混合物流速来控制和/或放大。

[0127] 图11A将粒子偏转的通用分析预测与M值的宽范围内的数值粒子轨迹进行了比较。图中不同的线表示图5的分析预测。各符号表示CFD的数值数据。图11中的每种线或符号类型代表不同的M值。分析预测和数值结果之间的一致性很好。认为在0°和90°的波角附近的狭窄区域中看到的误差是在这两个极端情况下发生异常的结果。结果证明了偏转参数M的重要性、最大偏转的位置以及在最大偏转点附近存在陡峭的梯度区域。

[0128] 图11B和11C显示了使用成角度的波装置的实验，该成角度的波装置具有与中央通道相邻的两个外部通道和45度的波角。该装置以如下条件操作：2.1MHz的频率，中央通道的流速为2ml/min，外部通道的流速为40ml/min。外部通道包含澄清或缓冲流体，中央通道提供有包含给定尺寸的珠粒的流体。对于四个不同组的珠粒的每一个，改变功率并且测量珠粒相对于功率的偏转角并在图11B中作图。另外，对于四个不同组的珠粒的每一个，随着功率的变化，测量了珠粒相对于M因子的偏转角并在图11C中作图。四个不同组的珠粒中的每一个的珠粒尺寸都落在对于每组珠粒而言不同的尺寸范围内。图中用圆圈形表示的组的尺寸在10–20微米之间。图中用三角形表示的组的尺寸范围为27–32微米。图中用菱形表示的组的尺寸在32–38微米范围内。图中以正方形表示的组的尺寸在45–53微米的范围内。如图11B所示，珠粒的偏转角随功率的变化而变化。如图11C所示，所有珠粒的M因子与实心黑色方块显示的分析结果非常吻合。

[0129] 可以容易地修改数值粒子轨迹模型，以考虑更现实的声场和流动场。可以进行计算流体动力学模拟来确定实际流体通道几何形状中的流体速度。类似地，用于由压电换能器产生的声场的数值求解器可用于预测声场的更精确解。然后，粒子轨迹模型可以利用数值预测的声场和流体速度场来获得更现实的预测。另一个扩展是包括作用在粒子上的重力和浮力。

[0130] 制备并测试两种大型的、超声的、成角度的波分离器构造。使用两种不同的方法来生成所需的流体/声学相互作用。第一个概念是成角度的波装置(AWD)的概念，其中成角度的声驻波传播通过在直管中流动的一个或多个平行流体流。第二个是成角度的流体装置(AFD)，其中注入窄的流体流并控制它们以与驻波成一定角度流过声驻波腔。与常规的声学分离器相比，这些大型超声分离器显示出具有在显著更高的流速和/或显著更低的粒子浓度下有效运行的潜力。例如，尽管较早的声学分离器通常以小于1mm/s的线速度运行，但是本公开中描述的系统可以以高达100mm/s的线速度运行。测试结果验证了分析预测，并证明了使用成角度的声驻波按大小、密度和声速分离或分级悬浮液中粒子的潜力。

[0131] 图12A、12B和12C示出了具有45°成角度的驻波的AWD系统100。图12A是AWD系统100的照片，其在右侧具有多个流入口110、112，并在左侧具有多个流出口114、116。图12B是系统100的示意图，示出了换能器118、反射器120和流体通道的位置。图12C是示出了AWD系统100的一种可能的操作模式的示意图，其中虚线表示驻波的波节面位置。图12D是AWD系统
100内的流动分布的示意图。图12E是AWD系统100的横截面，图12F和12G是用于AWD系统的交替管道布置的横截面。

[0132] AWD系统100可以在水平和垂直方向上操作。右侧示出了多个入口110、112，而左侧示出了多个出口114、116。入口100和入口112是具有轴线107的同轴矩形管道。在所示的方向上，流体从右向左水平通过流动腔室109，在这种情况下为矩形管道。通常，AWD系统包括压电材料，该压电材料被配置为被激发以在流动腔室内产生具有一定波长和声辐射力的成角度的声驻波，其相对于通过流动腔室的平均流动方向成锐角，并且流动腔室的最小内部尺寸为成角度的声驻波的波长的至少10倍(例如，至少50倍，至少100倍或至少1000倍)。在AWD系统100中，由PZT-8、1MHz，1英寸乘1英寸的换能器和不锈钢反射器以与流动方向成45°产生成角度的驻波。任选地，一些系统包括多个换能器/反射器对。该系统的流动腔室109的最小内部尺寸是流动腔室的高度108，其为约0.75英寸。在下面更详细描述的测试中，AWD系统100垂直地运行，向下流动，以消除粒子偏转的重力作用。将聚苯乙烯珠粒和水的混合物以155厘米/分钟的速度向下泵送通过0.2英寸的中间入口通道。在AWD系统100中，中间入口通道(入口110)具有大约0.15平方英寸的横截面积。通常，AWD系统的混合物入口的横截面积在0.01和2平方英寸之间(例如0.05、0.1、0.25、0.5、0.75或1平方英寸)。

[0133] 超声换能器和反射器之间的空间具有在流动腔室内的第一部分和在流动腔室外的第二部分。在AWD系统100的声学腔室中，使用薄的透声膜122以将混合物流与由成角度的换能器和反射器所建立的棱柱形空隙区域(即，流动腔室外的第二部分)分开。任选地，该系统可以包括与棱柱形空隙区域流体连接的冷却水系统。例如，泵可以使水循环通过这些区域以保持恒定的流体温度。在一些系统中，这些棱柱形空隙区域填充有具有等效于主流体的声阻抗的固体材料。已经发现这种方法消除了与三角形区域相关的流动问题，同时允许成角度的波以最小的反射通过。

[0134] 如图12E所示，直的矩形管道包括内部管道(入口110)和外部管道(入口112)，所述内部管道(入口110)流过粒子和主流体的混合物，所述外部管道(入口112)流过缓冲流。缓冲流管道(入口110)完全围绕混合物流管道(入口112)。混合物流管道在声驻波以与流动方向成一定角度通过系统的声学区域之前停止。然后，在声驻波之后，混合物流管道(出口114)在矩形管道系统中继续。结果，成角度的声驻波穿过混合物流和缓冲流两者，如图12C所示。该系统有两个入口流进入声驻波和两个出口流离开驻波。入口和出口管道对齐。声驻波与管道中的流向成一定角度。

[0135] 流速被设置为在腔室中产生层流，并基于等效管道直径在200雷诺数以下操作。低的雷诺数导致剪切力主导的流动，没有湍流。流速在四个流中的三个中设置。设置两个入口流速以推动流动，并且可以设置任一个出口流管道以拉动流动。这种推和拉操作确保了流动流体保持层流和直线，并且还提供了一种为期望的粒子分离而修改流动分布的方法。可以将平均缓冲流速设置为高于或低于混合物流的平均流速。当混合物流通过成角度的声驻波时，悬浮液中的粒子将沿着波前向下偏转，如图所示。从水平方向的粒子偏转可以从零到波方向变化。偏转是M因子的一个因子。如果M因子大到足以阻止流通过波，则粒子将沿波角传播。粒子将由平行于波的流体速度分量承载。主流体方向将不受声学影响，并将水平行进至所示的混合物出口管道。

[0136] 在图12D中示出了通过AWD系统100的声学部分的典型速度分布。流动处于极低的雷诺数下，这在管道中迅速产生剪切流。流体要在多个层中流动或层流流动。这就是为什么在低雷诺数下，圆柱体具有比球体低的阻力系数。应避免以管道形状的三维区域。内部混合流动管道应具有高的长宽比(例如，为至少5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、50:1、100:1)使得混合物管道提供用于稳定的近似二维的流动。在AWD系统100中，长宽比为约7:1。

[0137] 如图12E所示，在侧边缘处围绕管道的缓冲流预期限制壁边界流动效应。由于低雷诺数时的粘性耗散，将不存在涡流。结果，如图所示，充分发展的二维层流分布将在管道中迅速发展，并进入混合物管道和缓冲管道二者中的声学区域附近。设置缓冲流速，以使各流之间的剪切层快速加强，从而在流过成角度的驻波的混合物流中提供接近恒定的速度。如图12D所示，混合物流管道在声学区域之前就终止，以消除各流之间的剪切层。通常，各入口和在超声换能器与反射器120之间的空间(其中形成有成角度的波)之间的距离d1在0.025英寸与2英寸之间(例如0.5、0.05、0.25、0.5、0.75或1英寸)。在AWD系统100中，各入口和在超声换能器118与反射器120之间的空间(其中形成有成角度的波)之间的距离d1为约0.5英寸。

[0138] 图13是用于测试AWD系统100的聚苯乙烯珠粒的粒度分布。所用珠粒的平均直径为约150μm，并且尺寸小至20μm且大至220μm。混合物每升水含两克珠粒。这使得可以目视观察混合物流动。将水缓冲流以23cm/min的速度泵送至围绕并平行于混合物。换能器的电功率从零到3.2瓦(W)变化，并记录了粒子偏转。粒径的宽范围导致M参数的更大变化。可以预期的是，对于一定的功率和流体速度，较大的粒子将在45°的波角处偏转，而较小的粒子将根本不会偏转或以小角度偏转。

[0139] 图14A–14F是在测试过程中流经AWD系统100的聚苯乙烯珠粒122的照片，以显示珠粒偏转与输入以45度建立声驻波的1MHz换能器的电功率的关系。这些图表明，珠粒偏转随功率的增加而增加(图14A中的0W，图14B中的0.8W，图14C中的1.5W，图14D中的1.8W，图14E中的2.4W和图14F中的3.2W)。在这些照片中，混合物流从右到左，重力从右到左，并且声驻波轴向在所示的模型窗口方向上是从左上到右下。图14A显示了没有声音的混合物流。在没有声力的情况下，珠粒122与流体一起水平流动，并且没有观察到粒子偏转，所有珠粒都流向出口区域123。

[0140] M因子和粒子偏转直接随提供给换能器的电力而增加。对于达到1.5W的功率，随着混合物流从右向左移动通过成角度的波，可以看到混合物流以小于波角的角度向下偏转(见图14B)。在1.5W时，较大的珠粒开始沿成角度的波前偏转，而较小的粒子直接穿过声场，从而表现出分级现象(图14C)。当功率增加到1.5W以上时，中型尺寸和较小尺寸的珠粒以45°的波角偏转(图14D和图14E)，直到功率为3.2W，所有可见的珠粒都沿驻波偏转(图14F)。
此外，随着功率增加，未沿着驻波偏转的较小的珠粒的出口区域123开始表现出逐渐增加的偏转。

[0141] 使用M因子，基于从沿波前的首次注意到的珠粒偏转到所有珠粒偏转测量的功率变化，计算珠粒直径变化。在功率为1.5W时，分析计算表明，200μm的大粒子沿波前偏转，而在功率为3.2W时，所有大于130μm的粒子的大部分都沿波前偏转。分析预测的是，粒径和声能(其与功率成正比)的平方的乘积的相同值产生相同的粒子偏转。结果与所记录的珠粒尺寸分布和观察到的珠粒行为非常吻合。这些测试结果验证了分析模型，并证明了使用成角度的波技术选择和区分尺寸或材料特性的能力。

[0142] 一些AWD系统具有第三出口，该第三出口被配置为浓缩被偏转的材料。例如，这些系统可具有设置在第一出口和第三出口之间的第二出口，其中第三出口的横截面面积小于第二出口的横截面面积。

[0143] 图15A和15B示出了具有这种管道配置的AWD系统200。AWD系统200被配置用于通过降低混合物管道110并压缩下部缓冲流来浓缩粒子或细胞。在流动通过声波之后，出口混合物管道114连接在侧壁上，以提供更高浓度的粒子收集。在流动通过声场之后进行该混合物管道的附接，从而使得缓冲流在声波之前围绕入口混合物管道110，并因此提供良好的流动分布和粒子浓度。可以通过如上所述的推/拉机制来改变管道流速，以帮助获得期望的分离和浓度。混合物管道壁附件将出口管道124与缓冲流管道(出口116)隔离。D是出口混合物管道114的高度。h是缓冲流管道116在混合器管道114上方的高度。d小得多，并且是第三出口管道124的高度。在AWD系统200中，导管的宽度是相同的。如果两个管道中的速度相同，则浓缩率理想地应为D/d。D/d可以相应地变化。在具有这种配置的AWD系统中，出口混合物管道114的高度D通常为第三出口壁缓冲管道124的高度d的2倍至100倍之间(例如，3倍，5倍，10倍，25倍，50倍，75倍)。如果两个管道中的速度相同，则混合物与较低缓冲流的流速之比理想地应为D/d。在AWD系统200中，混合物管道114的高度D为第三出口124的高度d的约3倍。缓冲液入口112和缓冲液出口116的高度h可以比图中所示的小得多，并被选择与CFD用于特定应用。

[0144] 一些AWD系统具有多个第三出口，多个第三出口中的每个在成角度的声波的偏转方向上偏离第二出口的轴线。

[0145] 图16是配置用于粒子分级的AWD系统300的示意图。在图16的方向上，成角度的声波的偏转方向是向下的，并且在混合管道(出口114)下方提供了多个收集管道124a–124e，以收集不同尺寸的粒子。AWD系统300具有五个收集管道124a–124e，但一些配置为分级的AWD系统具有更多的收集管道(例如10个收集管道，15个收集管道或20个收集管道)或更少的收集管道(例如4个收集管道，3个收集管道或2个收集管道)。M因子在区域1中设置，与推/拉流速设置一起，提供随不同粒径发生不同偏转的操作。一个示例配置具有一英寸的总系统高度，具有五个收集通道，总间距为0.4英寸的典型距离。该系统可根据需要规模变大或变小，以适应较小或较大的流速。分级系统可用于例如从leukopack中富集细胞(例如，分级不同的细胞，例如红细胞，单核细胞，粒细胞和淋巴细胞)；用于根据大小将T细胞的初始群体分级；用于从未结合的游离细胞中将亲和珠粒/细胞复合物分级；或用于分级游离细胞、亲和珠粒/细胞复合物A和亲和珠粒/细胞复合物B的群体。使用M因子可有助于声学分离系统的设计和操作。

[0146] 在一个示例中，需要在45°成角度的波装置中将相同材料的两种粒子(一个大小为5微米，一个大小为10微米)的混合群体分离。选择操作参数(例如流速、功率和频率)，以使较大粒子的M因子为M10＝0.8。对于45°成角度的波装置，对于十微米的粒子，此M因子导致45度的粒子偏转。由于M与粒子半径的平方成比例，因此较小粒子的M因子为M5＝0.8/4＝0.2。
该粒子的偏转角为约2度。因此，具有45°的波角的适当的成角度的波设置能够将这两个群体分级。

[0147] 在第二实施例中，目标在于分级分离三种不同的细胞(即，淋巴细胞、单核细胞和中性粒细胞)，其为白细胞群中存在的细胞。淋巴细胞的典型尺寸为6微米。单核细胞和中性粒细胞为约10微米。此外，淋巴细胞的声学对比系数(acoustic contrast factor)小于单核细胞的声学对比系数。可对45°角度倾斜的波装置(45°degree angled wave device)进行调整，从而使得单核细胞的M因子(M-factor)为0.75。具有相同尺寸和稍微较小的声学对比系数的中性粒细胞具有约0.725的稍微较小的M因子。较小的淋巴细胞M因子作为单核细胞M因子的(6/10)2＝0.36，或者36％定比例，导致0.27的M因子。45°波角的偏转曲线表明单核细胞和中性粒细胞以45°偏转，而淋巴细胞以约5°偏转。具有适当设计的出口的系统能够在一个通道中独立地收获单核细胞和中性粒细胞，并在单独的出口中收获淋巴细胞，从而分离并富集淋巴细胞。

[0148] 在第三实施例中，目标在于分级分离亲和细胞选择处理的输出物。使用25微米亲和珠粒用于TCR+T细胞阴性细胞选择处理。将TCR+T细胞结合至亲和珠粒并形成亲和珠粒与附着至该珠粒的多个TCR+T细胞的复合物。TCR+T细胞不被结合，从而继续存在于溶液中作为自由的未结合细胞。然后将倾斜的波装置用以分级分离这两个群，来自亲和珠粒/TCR+细胞复合物的自由的未结合TCR细胞。T细胞的半径为约6微米。因此，M因子的比率为(25/6)2＝17。选择系统参数从而使得亲和性/细胞复合物具有1的M因子，这导致了所述复合物以波角偏转。未结合的自由细胞然后具有1/17＝0.06的M因子，这意味着自由细胞以小于1°的角度偏转，从而完成了亲和性珠粒/细胞复合物与自由细胞的分级分离处理。

[0149] 在第四实施例中，目标在于分级分离由尺寸相近但声学对比系数不同的细胞组成的混合细胞群，其中细胞A具有0.03的对比系数且细胞B具有0.06的对比系数。使用45°倾斜的波系统来将细胞A与细胞B分离。对系统进行调整使得细胞B的M因子为0.75，从而使得细胞B以45°的角度偏转。因为M因子用对比系数定比例，所以细胞A的M因子为0.75/2＝0.375，从而导致细胞A以约5°偏转。适当设计的系统应当可以将以5°偏转的细胞A与以45°偏转的细胞B分离。

[0150] 图17A、17B和17C为示例AFD系统400的方面的示意图。图17A示出了系统几何形状和流动特性。图17B示出了流体之间的颗粒转移。

[0151] 图17A示出了具有声室的AFD系统400，其中所述声室具有位于一侧的超声波换能器118、位于所述室相对侧的反射器120、以及多个流入口110、112和流出口114、116。超声波换能器118和室被设计成产生在所述室内水平移动的体超声波驻波，如图17A中所示。该图中所示的垂直阴影线表示了驻波的节平面位置。两个入口110、112示于室的右顶部，两个出口114、116示于室的左底部。第一通道110′在第一入口110处终止，第二通道112′在第一入口112处终止。通道110′、112′与垂直于倾斜的声学驻波的平面(在水平方向的情况下)成60°的α角。在AFD系统400中，第一通道110′和第二通道112′均具有基本上直的部分，所述部分从其各自的入口110、112延伸至少0.5英寸。

[0152] 两个下出口导管与水平线成70°的β角。在一些系统中，角度α和β是相同的。在一些系统中，四个导管以不同的角度均进入声室。但是，这些角度在0度和90度之间变化。在一些系统中，α角为30°至88°(例如，大于35°、大于40°、大于45°、大于50°、大于55°、大于60°、小于80°、小于75°、小于70°、小于65°、小于60°、小于55°、小于50°)。在一些系统中，α角为30°至88°(例如，大于35°、大于40°、大于45°、大于50°、大于55°、大于60°、小于80°、小于75°、小于70°、小于65°、小于60°、小于55°、小于50°)。

[0153] 流体通过入口导管进入声室，并通过出口导管离开所述室。典型的导管尺寸为0.5至1英寸的通道深度和0.1至0.4英寸的通道宽度。对流速进行设置以在室内产生层流并基于导管直径在低于200的雷诺数下运行。低的雷诺数导致了剪切主导的流，而不具有湍流。在图17A中的附接到声室的四根导管中的三根中设置流速。对流既进行推又进行拉。对两个入口流速进行设置以推所述流，对携带颗粒的出口流进行设置以拉所述流。这个推拉操作确保了流(flow streams)可以流向需要的地方。可以将出口混合物流设置在进入入口导管之一的流速之上或之下。典型的流动分布(flow profile)示于图17A的室中。充分发展的层流分布进入到所示的声室内。室入口之间的壁剪切层快速混匀。相当均匀的流在接近两个注入流的界面处发展一会儿，如图17A中所示。在转角处对流体的流剪切力造成了流旋转，并且将如所示的产生大规模漩涡。这种流旋转将会是慢的实体式旋转，因为其雷诺数较低。
控制入口和出口两处的流速。在大多数操作中，具体指定两个入口导管流速并具体指定出口流导管之一。这种类型的操作被称为推/拉。声学驻波可以为平面的(planer)或三维的。
平面驻波是优选的。在倾斜的声波的偏转方向上与第一出口相邻的流室的壁可以相对于与倾斜的声学驻波垂直的平面成锐角延伸。在AFD系统400中，室的下壁向下倾斜所示的γ角度。对该壁倾斜角进行设计以帮助收集因声辐射力而偏转的颗粒。一些AFD系统的壁倾斜角为1至20°(例如大于2°、大于3°、大于5°、大于10°、小于15°、小于10°、小于7.5°、小于5°)。

[0154] 图17B呈现了用流体混合物运行的AFD系统400，其中所述流体混合物具有通过入口110进入的悬浮颗粒和在入口112中进入室内的澄清流体。认为颗粒具有正的声学对比系数，这意味着它们会如所示的向节平面表面偏转。以这种方式，所有颗粒均在向下的方向上被偏转。在室底部的倾斜壁使得颗粒从声场中落下而不会被截留在壁剪切层中，或因声边缘效应而被保持。

[0155] 图17C示意性地描绘了AWD系统400的流体流动方向。将流体速度分解为与声学驻波节平面正交的分量和与声学驻波节平面正切的分量。法向方向代表驻波的轴向。对于平面波，这是作用于混合物中的颗粒上的辐射力的方向。因此，辐射力减缓了以及加速了颗粒相对于流体法向速度的法向速度分量。颗粒的切向速度分量仍然与流体一样。作为这个效果的结果，颗粒被以一个角度朝向向下方向偏转至流体。如果辐射力足够大，则颗粒的法向速度接近零，颗粒在流体继续朝向出口导管流动经过室时将竖直地向下移动。重要的是认识到这些颗粒偏转使用了流体速度，更具体地流体速度在向下方向上的分量。流体携带了颗粒向下。这个效果是与重力完全分开的。这个过程是重力独立的。

[0156] 图18A为所测试的AFD系统400的原型的照片，图18B为示出了来自CFD预测的流体流线型的布置的示意图。在图18B中，红色表示混合物流，蓝色表示缓冲液流。CFD结果示出流是规则的且均匀的，在所述流之间没有任何混合。在AFD系统400中存在两个流入口110、112和两个流出口114、116。顶部入口相对于水平方向成60°的角。出口成70°。使用泵以控制通过入口进入声室的流的量和离开出口的流的量(推拉控制)。使用以1W运行的1MHz声学驻波测试AFD装置。两个流使得在声室内用驻波成约30°角度。

[0157] 图19A和19B为AFD系统的声室窗户的照片，其示出了通过不具有声学效果的AFD系统的颗粒运动(图19A)和通过具有声学效果的AFD系统的颗粒运动(图19B)。以200ml/min流动通过所有入口和出口进行测试。这产生了约160cm/min的混合物流动速度。聚苯乙烯珠粒122和水的混合物流很容易看到。混合物为每升水2克珠粒122。珠粒122为结合图13描述的那些。

[0158] 在图19A(声学效果关闭)中，看到混合物流从左上入口110直接流入到左下出口116，如用CFD所预测的。第二流为水，其在照片中不可见。图19B(声学效果打开)示出了倾斜的驻波对珠粒122的运动的效果。测试的M/sin(γ)参数大于1.0。珠粒122在它们进入声室时几乎立即沿着倾斜的波前(wave front)偏转。这导致了所有可见的珠粒122从混合物流垂直运动到缓冲液流、向下运动到室底并进入右下的出口114。这个结果以所有缓冲液流速发生，示出了这个系统用于颗粒洗涤、或者当与常规的超声波分离系统相比时用于以高流速进行颗粒分离和/或收集的能力。AFD系统400不限于两个流，可以被改造以包括多个不同的角度变化。AFD系统400具有用各种流体/颗粒混合物工作的潜力，其中悬浮物质可以为珠粒、细胞、外来体(exosome)、病毒、油滴或者具有与主流体不同的密度、可压缩性或对比系数的任何材料。该系统可以用纳米颗粒工作，因为声辐射力效应通过流用声波所产生的角度而被放大。

[0159] 对一些系统进行构造配置以通过提供为接收被偏转的材料而定位的出口通道内的收缩而提供分级分离。例如，在第二出口处终止的第四通道可以具有第一横截面面积。在第一出口处终止的第三通道可以含有具有第一横截面面积的第一部分以及具有第二横截面面积的第二部分，其中所述第二横截面面积小于第一横截面面积，第三通道的第二部分位于第一出口和第三通道的第一部分之间。

[0160] 图20A和20B示例了这种提高用AFD系统抽取的颗粒混合物的浓度的方法。在AFD系统500中，使下出口导管114在接近声室处收缩。该收缩示于颗粒出口中，所述颗粒出口例如通过泵被拉至所需流速。因为流速通过拉速率(pull rate)设定，所以任何面积收缩均导致了速度提高。出口导管收缩d/D通过图20A和20B中所示的两根三维导管的D/d而提高了流动速度。图20B呈现了适度收缩的近似流动分布，其中拉流速使得声室中的峰速度在接近出口导管收缩区域的区域中出现。接近出口导管114、116的入口处和接近将两个流分开的分离流线型处存在的较高的速度将为较少的移动回混合物流的颗粒提供更好的分离。较高的速度意味着较高的携带颗粒(例如，珠粒122)向下的切向速度分量。例如，如果将所有四根导管中的流速通过推拉模式而设定为相同的并且收缩为导管面积的90％，则接近Q4出口导管入口的速度当与第二出口导管流速Q3相比时或相对于两根导管(Q1和Q2)的入口流速提高10倍。这个效果为图20B中所示的反射流分布。速度分布的示意图中所示的收缩区域的长度提供了朝向收缩通道的速度方向。这意味着颗粒再次进入原始混合物流的几率更小以及更好的分离效率。在相同的构造中，以及仍然采用90％收缩的情况下，如果对流速进行设定从而使得Q4出口导管具有进入入口导管的流速的十分之一，则节流速度与Q3中的非节流出口导管速度几乎或完全相同，因此仍然提供分离颗粒所需的向下的速度分量，同时使少得多的流体以出口导管流速Q4流动。这个布置导致了以通过AFD分离器的每程实现可能10倍的混合物浓度。

[0161] 图21呈现了设计用于颗粒分级分离的AFD系统600。示出了四根入口导管110、111、112、113和四根出口导管114、115、116、118。不同的阴影表示CFD预测，其示出了能够维持四个倾斜的流通过声室的能力。再者，推/拉操作使得在声室内可以具有独特的限定。一些AWD系统包含很多更多的流。所有四个流与声学驻波成一定角度流过室。如果顶部的或蓝色流为流体混合物与多个粒径的悬浮颗粒的混合物，则可以将颗粒通过使用倾斜的波偏转方法分级分离进入图21中所示的下部三根收集导管。所述系统可以以这样的M系数运行，所述M系数使得不同的颗粒可以被偏转用于所示的收集构造。图21中所示的相同的AFD系统可以扩展以具有五根或更多根入口导管和五根或更多根出口导管。然后引入的混合物和缓冲液流可以流动通过许多不同的相邻导管对。以推/拉技术运行，这会使得颗粒分离以多种不同的波角进行。以相同的方式，可以使用不同的导管流来设定不同的速度分布用于不同的颗粒分布要求。

[0162] 图22A、22B和22C各自为模拟的流速度的示意图、曲线图以及设计用于颗粒收集的AFD系统700的横截面。图22A示出了通过系统的流。系统含有附接至声室的一根入口导管110和一根出口导管116。在如所示的以与驻波成一定角度流动经过声室的流以下示出收集区域130。这种收集通过图22A中所示的大规模收集旋涡而增强。这种收集旋涡受到流动经过所述室的流驱动，并且提供与节平面平行的切向速度分量，所述切向速度分量可以从混合物流中携带颗粒向下进入收集区域。收集旋涡可以通过经由位于系统底部的收集出口
114抽取流体而进一步增强。以合适的方式开关声学效果以使得颗粒落下至收集底部也可以提高性能。

[0163] 图23A和23B分别为低角度AFD系统700的横截面和示意图。可以使用M参数来确定用于使悬浮的极小颗粒(例如，100nm至1000nm、或10nm至100nm、或1至10nm的纳米颗粒；细菌；病毒，例如慢病毒(lenti viruses)或逆转病毒(retro viruse)、腺相关病毒、外来体、微囊泡(microvesicles)；和其它纳米大小的颗粒)偏转所需的操作特征。颗粒尺寸越小，M系数越低。在为了系统可行性而流动速度尽可能低地降低的系统中，将功率尽可能大地提高，然后M操作曲线明确说明了该系统应该以尽可能低的波角运行。用于这些系统的典型操作参数为接近0至15度之间的角度，2至50MHz的频率，1至20MPa的声压振幅；而且线速度为大约10mm/s、1mm/s或0.1mm/s。对于低M值，偏转峰位于较低的波角。对AFD系统700进行构型配置用于以纳米颗粒使用。两根入口流导管110、112流入声室，使用两根出口流导管114、116以使流离开。入口角和出口角均为约5°。在其它ASWD系统中，入口角和出口角为不同的角度(例如，2°至10°、大于3°、大于4°、小于9°、小于8°、小于7°、小于6°)。再者，可以使用推/拉技术以控制流来产生所需的颗粒分级分离。

[0164] 本公开中所描述的系统和方法可以提供大型超声波分离器，所述大型超声波分离器使用与流体混合物流场的方向成角度的体声学驻波以产生颗粒偏转，所述颗粒偏转可以用以从可含有多个不同类型的颗粒的混合物中收集、分化、分离、纯化或分级分离一个颗粒或细胞群。颗粒轨迹方程提供了关键的物理性质。针对所有波角的颗粒偏转而开发的作为通过作用于颗粒上的声辐射力与粘滞力之比定义的无量纲参数M的函数的通用预测曲线可以用于系统设计和操作中。由流体流动方向测量的颗粒偏转从零连续变化到等于波角γ(其为驻波用流动方向产生的角度)的最大值。分析结果与轨迹数值计算和模型试验结果十分吻合。示出了声压振幅、颗粒直径和波角以对颗粒偏转具有最大影响。

[0165] 结果也示出，对于驻波的任何声压振幅，在辐射力停止与波正交的颗粒速度处存在驻波的波角；因此，颗粒开始沿着波前移动。这一点由无量纲参数M定义，波角γ和接近该点的操作产生了大的颗粒偏转，其中具有小的可控参数(例如，声功率或流动速度)变化。这个操作点是十分有用的，因为其可以使得具有微小的尺寸、刚性或密度差异的颗粒可以分离。

[0166] 这些系统和方法中的一些使用与流动通道成一定角度的驻波或者以一定角度注入通过固定的声室的窄流。示出了，当与常规的超声波分离器相比时，这两个系统有效地将聚苯乙烯珠粒与高速流动的混合物分离。也示出了，与常规的超声波分离器相比，大规模的超声波分离器以高得多的流速或以低得多的颗粒浓度有效地运行。模型测试结果与理论十分好地吻合，并且证实了开发的预测系统。倾斜的波系统可以用流体/物质混合物工作，其中在所述流体/物质混合物中悬浮的物质可以为微载体珠粒、细胞、外来体、病毒、油或者具有与主流不同的密度、可压缩性或对比系数的任何材料。分析模型预测了系统甚至用纳米颗粒也可以在理论上工作，因为声辐射力效应通过流用声波所产生的角度放大。

[0167] 图24A–24C呈现了使用与图12A–12E中所示的系统类似的AWD系统以将T细胞与35μm珠粒分级分离的结果。系统具有30°波角并且以2.1MHz的频率以及通过中心入口的T细胞/珠粒混合物的5ml/min的流速和通过缓冲液入口的缓冲液的30ml/min的流速运行。图24A和24B为示例了T细胞与珠粒的预期分离的示意图。图24C呈现了结果。当系统在不使用声学效果的情况下运行时，98％的T细胞和95％的珠粒流动通过中心出口。当施加2.3W的功率时，
92％的T细胞流动通过中心出口并且100％的珠粒被偏转进入缓冲液出口。

[0168] 图25A–25C呈现了使用相同的AWD系统以分级分离尺寸主要为10μm–29μm和32μm–42μm的珠粒的混合群的结果。系统具有30°波角并且以2.1MHz的频率以及通过中心入口的珠粒混合物的2ml/min的流速和通过缓冲液入口的缓冲液的40ml/min的流速运行。所得的线流动速度为48cm/min。图25A为示例了较大的珠粒与较小的珠粒的预期分离的示意图。图
25B和25C呈现了结果。当系统在不使用声学效果的情况下运行时，大部分的两种尺寸的珠粒流动通过中心出口。当施加1.5W的功率时，大部分的较小的珠粒仍然流动通过中心出口但是大部分的较大的珠粒被偏转进入缓冲液出口。

[0169] 图26A–26C呈现了使用相同的AWD系统以分级分离尺寸为5μm–20μm的PMMA珠粒的群的结果。系统具有30°波角并且以2.1MHz的频率以及通过中心入口的珠粒混合物的2ml/min的流速和通过缓冲液入口的缓冲液的40ml/min的流速运行。所得的线流动速度为48cm/min。图26A、26B和26C示出了在以下三种情况下中心出口和缓冲液出口之间的珠粒的分布：不使用声学效果的情况、施加了1W的功率的情况、以及施加了1.2W的功率的情况。当系统在不使用声学效果的情况下运行时，大部分的珠粒流动通过中心出口。当施加1W的功率时，较大的珠粒开始优先地被转向进入到缓冲液出口中。当施加1.2W的功率时，大部分的大于12μm的珠粒被偏转进入到缓冲液出口中。这些结果示例说明了选择性分级分离具有极小差异的材料的能力。

[0170] 已经描述了本发明的大量实施方案。然而，应理解的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。

[0171] 例如，图27示出了具有中心通道和其附近的缓冲液通道的10°AWD系统900。中心通道横截面可以为圆形的或矩形的。系统的典型横截面可以为0.1″×0.1″至1″×1″通道，其中心通道宽度为通道横截面的1/2至1/10。应用包括细胞分级分离、珠粒-细胞分级分离。

[0172] 在另一实施例中，图28示出了AWD系统930，其具有在一侧的小入口和在其顶部上的缓冲液流，并且具有5个出口，其中在所述出口处混合物群的不同部分结束。通道的典型尺寸可以为0.25″×0.25″至1″×1″，相对侧进口宽度可以从通道宽度的1/2变化至通道宽度的1/10。应用包括例如leukopack分级分离、T细胞。

[0173] 在另一实施例中，图29示出了AWD系统960，其中可以通过2个玻璃窗查看流。包含附件，从而使得可以在金属棒的帮助下使系统垂直悬浮。倾斜的波系统960与10°AWD系统900相同。可以对该系统以5至85度的波角进行构造配置。

[0174] 相应地，其它实施方案在所附权利要求的范围内。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种基于动力学模型的电梯曳引减振系统、装置及方法	2020-05-11	968
一种导管内径自适应花瓣式胀缩装置和使用方法	2020-05-12	497
一种水下充油拖缆拖曳调节装置	2020-05-13	658
上游石油和天然气工业的改进技术	2020-05-12	775
基于变截面微通道和粘弹性流体耦合的微纳米颗粒富集装置	2020-05-13	426
一种借助拖曳链测量行车路面摩擦状况的方法	2020-05-08	461
一种飞机模型俯仰角可控调节的气动升阻力试验装置	2020-05-08	824
一种电梯轿厢用防冲顶保护装置	2020-05-12	257
经济型的曳引机底座	2020-05-12	897
家用升降平台装置	2020-05-11	839

采用成角度的声波的分离

采用成角度的声波的分离

背景技术

附图说明

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：