專利名稱：與聲發(fā)射有關(guān)的流體特性的聲學(xué)評詁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及使用聲能來評估儲蓄器及其所容納的流體(尤其是與聲發(fā)射有關(guān)的流體)的特性，還涉及使用評估的特性來更好地進(jìn)行聲發(fā)射。具體來說，本發(fā)明涉及用于聲學(xué)評估多種儲蓄器的內(nèi)容物以提高由這些儲蓄器分配流體的準(zhǔn)確度和精確度的裝置和方法。本發(fā)明特別適合于與使用包含大量不同流體儲蓄器的生物分子庫的高速組合合成和分析系統(tǒng)結(jié)合使用。
背景技術(shù)：
新型和有用物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)很大程度上取決于新合成物的制備和表征的能力。因此，近來關(guān)于具備有用的生物、化學(xué)和/或物理性能的新型物質(zhì)的研究著眼于開發(fā)和實(shí)施新的方法和系統(tǒng)來合成和評定潛在有用的化學(xué)物質(zhì)。具體來說，已經(jīng)開發(fā)了高速組合方法來滿足該領(lǐng)域中對于系統(tǒng)、有效且經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)合成技術(shù)以及對新物質(zhì)的有用性能的分析和篩選方法的總體需求。
通常，在任何一個化學(xué)合成方法中初始原料的質(zhì)量控制都是重要的。否則，合成過程的整體性和所得產(chǎn)物的品質(zhì)就會受到損害。初始原料的質(zhì)量控制在組合合成過程中特別重要。在該過程中，例如在用于肽藥物發(fā)現(xiàn)的過程中，會從化合物庫中以預(yù)定順序分配許多種初始原料以合成一批具有特定肽序列的藥物。如果任何一種初始原料含有不可接受程度的雜質(zhì)或者顯示不可接受程度的變性，那么所得化合物就會變得無用。事實(shí)上，用于該批合成的所有初始化合物就會被浪費(fèi)。當(dāng)初始化合物中的一種或多種是稀有或昂貴時，這個問題就特別突出。
類似地，組合試驗(yàn)技術(shù)可用于分析和測試方法。例如，可以將許多種具有藥理活性的候選化合物組合賦予一測試樣品以評估是否獲得協(xié)同作用。然而，如果候選化合物中任何一種的品質(zhì)有損失，那么評估的準(zhǔn)確度和可靠性就會降低。因而可能需要進(jìn)一步測試，這會大大增加組合試驗(yàn)過程的總時間和成本。
高速組合方法通常涉及使用陣列技術(shù)(array technologies)，該技術(shù)要求準(zhǔn)確地對各自具有明確已知的化學(xué)組成、濃度、化學(xué)計算量、試劑比例和/或體積的流體進(jìn)行分配。這一陣列技術(shù)可以用來進(jìn)行多種合成方法和評估，特別是那些涉及少量流體的合成方法和評估。例如，陣列技術(shù)可使用許多種不同的流體來形成許多個儲蓄器，當(dāng)恰當(dāng)?shù)嘏渲脮r產(chǎn)生組合庫。因此，陣列技術(shù)由于其通常與速度和緊密度有關(guān)因而是值得做的。
為了實(shí)施組合技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)了多種流體分配技術(shù)，例如針點(diǎn)滴(pinspotting)、移液操作、噴墨印刷和聲發(fā)射。然而，這些技術(shù)中許多都存在固有的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)必須克服，克服之后才能夠達(dá)到組合方法所需的流體分配準(zhǔn)確度。例如，大量的流體分配系統(tǒng)的構(gòu)造中使用了管道或其他流體傳輸容器的網(wǎng)絡(luò)。具體來說，管道可能會夾帶氣泡，噴嘴可能會被卡住的顆粒物堵塞。結(jié)果，可能產(chǎn)生系統(tǒng)故障并導(dǎo)致虛假的結(jié)果。而且，由于流體傳輸操作之間管道和移液管尖端沖洗不充分會產(chǎn)生化合物庫的儲蓄器之間的交叉污染。交叉污染容易導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確和誤導(dǎo)。
聲發(fā)射相對于其他流體分配技術(shù)而言具有許多優(yōu)點(diǎn)。與噴射裝置相比，無噴嘴的流體發(fā)射裝置不會遇到堵塞及其相關(guān)的缺點(diǎn)，如指向錯誤的流體或尺寸不恰當(dāng)?shù)囊旱巍４送?，聲學(xué)技術(shù)無需使用管道也不涉及侵入性機(jī)械動作，如與將移液管尖端引入儲蓄器的流體中有關(guān)的操作。
聲發(fā)射已經(jīng)記述在許多專利中，例如授予Lovelady等的美國專利4,308,547描述了一種液滴發(fā)射器，它利用聲學(xué)原理由液體主體發(fā)射液滴在一移動的文件上以在其上形成字符或條形碼。使用了無噴嘴的噴射打印裝置，通過位于油墨表面或該表面以下的曲面轉(zhuǎn)換器(curved transducer)產(chǎn)生的聲力推進(jìn)經(jīng)控制的墨水滴。類似地，授予Ellson等的美國專利申請公開號20020037579(現(xiàn)為美國專利6,666,541)描述了一種朝向基底表面上的離散位點(diǎn)聲發(fā)射許多流體液滴以將其沉積在基底表面上的裝置。該裝置包括一聲輻射發(fā)生器，它可用來從儲蓄器發(fā)射流體小滴以及用來產(chǎn)生探測聲波(detection acoustic wave)，該探測聲波傳輸至儲蓄器的流體表面變成反射的聲波。然后可以分析反射的聲輻射特性以評估聲輻射發(fā)生器和流體表面之間的空間關(guān)系。
能夠預(yù)先確定位于儲蓄器的一種流體的小滴產(chǎn)生的閾值，就能讓使用者更精確地控制小滴的尺寸，使流體浪費(fèi)最小化，并能大大有效地控制用于從儲蓄器輸出流體的聲能發(fā)生裝置的功率輸出。因?yàn)榻M合合成中所用的具有生物、化學(xué)和/或物理性能的物質(zhì)可能是非常稀有和/或價格高得驚人的，因此在使用這些物質(zhì)時需要有效地控制功率輸出，從而有效地控制液滴體積。
其它一些專利和專利文獻(xiàn)描述了使用聲輻射進(jìn)行發(fā)射和/或探測。例如授予Oeftering美國專利5,520,715中描述了使用聲輻射的池深度反饋技術(shù)。此外，Williams的美國專利申請公開號20020094582描述了類似的聲探測技術(shù)。因此，聲發(fā)射具有的一個附加的優(yōu)點(diǎn)是恰當(dāng)?shù)厥褂寐曒椛涮峁┡c聲發(fā)射本身的過程相關(guān)的反饋。這種反饋又可以用來確保聲輻射發(fā)生器保持與儲蓄器中流體表面的恰當(dāng)關(guān)系以便恰當(dāng)聚焦。然而，不管所用的分配技術(shù)，庫存和物料處理的限制通常支配著組合方法進(jìn)行合成和分析樣品物料的增加數(shù)量的能力。例如，在格式化(formatting)和分配過程中，可以解凍在各孔中含有許多種流體的微量滴定板，然后吸取選定孔中的內(nèi)容物用于組合方法。當(dāng)在吸取過程中使用移液系統(tǒng)時，該系統(tǒng)需要最小裝載體積(loading volume)以恰當(dāng)運(yùn)作。類似地，其它的流體分配系統(tǒng)也需要一特定的最小儲蓄器體積以恰當(dāng)運(yùn)作。因此，對于任何一個流體分配系統(tǒng)，重要的是監(jiān)控儲蓄器的內(nèi)容物以確保能提供至少最小量的流體。這一內(nèi)容物監(jiān)控通常用作指示流體分配系統(tǒng)的綜合性能，以及用來保持組合方法的整體性。
此外，在組合合成或分析過程中，環(huán)境影響對于儲蓄器內(nèi)容物的改變會起作用。例如，二甲基亞砜(DMSO)是一種用來溶解或懸浮藥物庫中常見化合物的常用有機(jī)溶劑。DMSO是高度吸濕的，往往會吸收與其接觸的任何環(huán)境水，而吸收的水會稀釋化合物的濃度，還會改變DMSO懸浮化合物的能力。而且，水的吸收會促進(jìn)水敏性化合物的分解。
大量的專利描述了使用聲能來評估容器的內(nèi)容物。例如，授予Dam的美國專利5,507,178揭示了一種用來確定容器中液體存在和用來鑒別液體種類的傳感器。超聲傳感器通過一超聲液體存在傳感裝置來確定液體的存在，并通過一液體類型鑒別裝置來鑒別液體類型，液體類型鑒別裝置包括一對電極和一電脈沖產(chǎn)生裝置。該傳感器的缺點(diǎn)是它必須放置成與液體接觸。
另一方面，授予Dam的美國專利5,880,364描述了一種用于測量多個容器內(nèi)液體體積的非接觸式超聲系統(tǒng)。將超聲波傳感器面向容器頂部放置。窄射束的超聲波輻射從該傳感器傳輸至相對的容器的開放頂部，由該容器的氣液界面反射回該傳感器。通過利用輻射的往返程傳送時間和待測定容器的尺寸可以計算容器內(nèi)的液體的體積。該裝置不能用來評估密封容器的內(nèi)容物。此外，該裝置缺乏精確度，原因是空氣是聲能的不良導(dǎo)體。因此，盡管該裝置可以提供相對較大容器內(nèi)液體體積的粗略估計，但它不適合用于對組合技術(shù)中常用的儲蓄器內(nèi)容物的詳盡評估。尤其是，該裝置無法確定容器底部的位置，原因是基本上所有發(fā)射的聲能能夠從液體表面反射而不穿透探測到底部。小體積儲蓄器如標(biāo)準(zhǔn)孔板是規(guī)則陣列的流體容器，由于孔板的弓度，容器底部的位置會隨容器的標(biāo)稱高度有顯著的變化。因此，僅探測液體表面的位置會導(dǎo)致對常用容器中高度乃至體積的估計存在明顯誤差。
通常，應(yīng)用于儲蓄器內(nèi)容物評估的聲學(xué)技術(shù)包括使用單個聲音發(fā)生器來依次詢問儲蓄器。如授予Ellson等的美國專利申請公開號20020037579和授予Williams等的美國專利申請公開號20020094582所述，將一用于發(fā)生聚焦聲輻射(focused acoustic radiation)的發(fā)生器逐次放置得與各儲蓄器形成聲耦合關(guān)系以對其進(jìn)行詢問。因此，發(fā)生器或儲蓄器或者這兩者必須變換物理位置。當(dāng)大量儲蓄器需要詢問時，“單點(diǎn)式”檢查系統(tǒng)的實(shí)際使用受到局限，因?yàn)橐苿影l(fā)生器和/或儲蓄器需要時間太長。使用多個此類發(fā)生器將增加總成本和單點(diǎn)式聲檢查系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，該發(fā)生器需要額外的空間，難以包括在緊密型系統(tǒng)中。
聲發(fā)射方法本身需要了解待發(fā)射流體的特性。所述特性包括例如在該流體中的聲速。需要使用聲輻射來確定那些便于聲發(fā)射系統(tǒng)使用者的特性。
因此，本領(lǐng)域中需要能夠高速監(jiān)控許多個儲蓄器的內(nèi)容物的改進(jìn)的方法和裝置，能夠特別適用于合成和分析方法以提高其中所用的組合技術(shù)的穩(wěn)定性、效率和有效性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實(shí)施方案是一種測量流體中聲速的改進(jìn)方法，該方法通過將固態(tài)物體(solid object)浸入流體中并探測由該固態(tài)物體反射的聲輻射。優(yōu)選是，將固態(tài)物體放置于兩個或多個精確的已知位置，由從位于兩個或多個位置中各位置上的固態(tài)物體返回回波所耗時間計算聲速。該方法優(yōu)選是在聲發(fā)射系統(tǒng)中進(jìn)行，該系統(tǒng)通常包括提供能與儲蓄器中的流體數(shù)量耦合的聚焦聲輻射的轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的另一個實(shí)施方案是一種對用來發(fā)射所需尺寸液滴的單音脈沖(toneburst)的波形參數(shù)加以調(diào)節(jié)的方法。在該方法中，提供一盛裝了流體的儲蓄器，使用單音脈沖將一滴或數(shù)滴、優(yōu)選是數(shù)百滴液滴發(fā)射到另一個儲蓄器中。聲輻射被用來檢測發(fā)射之后和任選的發(fā)射之前在另一個儲蓄器中的流體含量。優(yōu)選是，將所述另一個儲蓄器自動地移入相對于聲輻射發(fā)生器的位置。另一個儲蓄器中流體量的變化被用來確定液滴尺寸，調(diào)節(jié)波形參數(shù)以使液滴尺寸朝著所需尺寸的方向變化。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，用來發(fā)射感興趣流體的液滴的單音脈沖的波形參數(shù)是由預(yù)先貯存的實(shí)現(xiàn)其它流體的特定發(fā)射體積的單音脈沖的參數(shù)內(nèi)插或外推得到。內(nèi)插或外推如下進(jìn)行測量感興趣流體的特性，使用這些特性在預(yù)先貯存的參數(shù)之間進(jìn)行內(nèi)插或外推。
本發(fā)明的另一個實(shí)施方案是一種確定流體特性的方法，該方法包括以下步驟向流體表面附近發(fā)送聚焦聲輻射的單音脈沖，在單音脈沖達(dá)到該表面附近之后數(shù)次測量流體表面的特征。將所述特征隨時間變化作為輸入數(shù)據(jù)，用計算機(jī)確定流體的特性。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，通過將測試脈沖發(fā)送至有一定量的流體表面附近，以時域或頻域檢查來自表面的探測脈沖(probe pulse)的回波，由此確定適合于由流體發(fā)射液滴的能量水平。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，對聲發(fā)射系統(tǒng)編程，例如通過軟件或微程序語言，來完成本發(fā)明的方法。這種聲發(fā)射系統(tǒng)包括控制器、聲能轉(zhuǎn)換器、用于將轉(zhuǎn)換器與儲蓄器聲耦合的耦合介質(zhì)。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，提供了一種由容納在基底內(nèi)或位于基底上的流體儲蓄器聲發(fā)射流體液滴的改進(jìn)方法。所述含有流體的儲蓄器與產(chǎn)生聲輻射的聲發(fā)射器進(jìn)行聲耦合。激發(fā)該聲發(fā)射器，以有效地從儲蓄器發(fā)射液滴的方式，產(chǎn)生聲輻射脈沖透過基底，傳送至儲蓄器中流體表面處或表面附近。在該改進(jìn)的方法中，在聲發(fā)射流體液滴之前，確定欲在所述位點(diǎn)產(chǎn)生的聲輻射的亞閾或擾動脈沖的波形，調(diào)整于所述位點(diǎn)產(chǎn)生的聲輻射的擾動脈沖的振幅至足以發(fā)射流體液滴的聲能輸出水平。
在上一段實(shí)施方案的方法中，在一個位點(diǎn)形成液滴用脈沖的振幅可如下確定將聲發(fā)射器與儲蓄器進(jìn)行聲耦合，激發(fā)聲發(fā)射器來產(chǎn)生擾動脈沖并將該擾動脈沖導(dǎo)向該位點(diǎn)以使得不發(fā)射流體液滴，然后發(fā)生擾動詢問脈沖(perturbationinterrogation pulse)至該位點(diǎn)的流體表面。該擾動詢問脈沖被流體表面反射。然后，用分析儀監(jiān)測和處理反射的擾動詢問脈沖。
對反射的擾動詢問脈沖的處理可包括分析脈沖的時域波形或其頻譜。頻譜的分析包括使用基于頻域的算法來確定反射的擾動詢問脈沖的“回波”部分的兩個最小值之間的頻率間隔的差別。然后兩個最小值之間的間隔被分析儀用來提高聲發(fā)射器發(fā)出的擾動脈沖的聲能水平至足以發(fā)射流體液滴的水平。在該改進(jìn)方法的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，基于頻域的算法使用快速傅里葉變換算法(FFT)來表征擾動詢問脈沖響應(yīng)的頻率內(nèi)容(frequency content)并提取最小值。
本發(fā)明的另一個實(shí)施方案涉及用來從儲蓄器聲發(fā)射流體液滴的裝置，其中儲蓄器容納在基底內(nèi)或位于基底上，在該儲蓄器中有一定量的流體。該裝置包括用來發(fā)生聲輻射脈沖的聲輻射發(fā)生器和用來將聲輻射發(fā)生器與儲蓄器聲耦合的裝置。
聲輻射發(fā)生器可產(chǎn)生聲輻射脈沖，該脈沖穿透基底傳輸至儲蓄器內(nèi)流體表面或該表面附近。該脈沖用來從與聲輻射發(fā)生器聲耦合的儲蓄器發(fā)射液滴。
上述裝置包括一分析儀，用來在從儲蓄器聲發(fā)射流體液滴之前確定欲在所述位點(diǎn)產(chǎn)生的聲輻射的擾動脈沖的波形。然后，分析儀將擾動脈沖的振幅調(diào)節(jié)至足以發(fā)射流體液滴的聲能輸出水平。
另一個實(shí)施方案涉及由多個儲蓄器的每一個聲發(fā)射流體液滴的裝置，該裝置包括容納在一個或多個基底內(nèi)或位于一個或多個基底上的多個流體儲蓄器，每個儲蓄器中有一定量的流體。
在上述實(shí)施方案的裝置中，聲輻射發(fā)生器與各儲蓄器依次聲耦合，以使得聲輻射發(fā)生器產(chǎn)生的聲輻射脈沖以用于從各儲蓄器發(fā)射液滴的方式，穿透基底傳輸進(jìn)入各儲蓄器中的流體至該流體的表面或其附近的位點(diǎn)。
在從儲蓄器聲發(fā)射流體液滴之前，用該實(shí)施方案的分析儀依次確定對于容納在基底內(nèi)或位于基底上的各儲蓄器欲在各位點(diǎn)產(chǎn)生聲輻射的擾動脈沖的波形。各擾動脈沖波形的確定通常是基于對于各儲蓄器中流體組成形成所需液滴體積的液滴用脈沖的波形。然后，分析儀用一個或多個擾動詢問脈沖跟隨擾動脈沖，來調(diào)整各儲蓄器內(nèi)隨后脈沖的振幅至足以發(fā)射流體液滴的聲能輸出水平。
在該實(shí)施方案的裝置中，該分析儀如下確定在各位點(diǎn)形成液滴用脈沖所需的振幅通過將聲發(fā)射器與各儲蓄器依次聲耦合，然后激發(fā)聲發(fā)射器來產(chǎn)生擾動脈沖并將該擾動脈沖導(dǎo)向各儲蓄器中的位點(diǎn)。擾動脈沖足以擾動該位點(diǎn)處的流體表面，但其聲能水平不足以從該位點(diǎn)發(fā)射流體液滴。在擾動脈沖之后，該分析儀使發(fā)射器產(chǎn)生擾動詢問脈沖至各位點(diǎn)的流體表面。通常，擾動詢問脈沖被流體表面反射。然后，用分析儀監(jiān)測和處理被反射的擾動詢問脈沖。
用分析儀對反射的擾動詢問脈沖的處理包括分析該脈沖內(nèi)提供的回波數(shù)據(jù)。回波數(shù)據(jù)的分析可包括時域分析或頻域分析，例如確定經(jīng)過處理的回波數(shù)據(jù)的兩個最小值之間的頻率間隔的差別。
在一個具體的實(shí)施方案中，該分析儀利用兩個最小值之間的間隔來確定聲發(fā)射器產(chǎn)生形成液滴用脈沖所需的聲能水平。在該裝置的一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，被分析儀用來處理回波數(shù)據(jù)的基于頻域的適應(yīng)算法是基于FFT的算法。
本發(fā)明的另一個實(shí)施方案提供了一種對容納在基底內(nèi)或位于基底上的多個流體儲蓄器進(jìn)行聲檢查(acoustically auditing)的方法。將產(chǎn)生聲輻射的聲發(fā)射器與位于含流體的第一位點(diǎn)的第一儲蓄器聲耦合。
然后，激發(fā)聲發(fā)射器，以產(chǎn)生聲輻射的擾動脈沖透過基底進(jìn)入流體，該擾動脈沖足以擾動位點(diǎn)處的流體表面但低于從該位點(diǎn)有效地發(fā)射液滴的聲能水平。將儲蓄器中的流體體積調(diào)整至與該位點(diǎn)處預(yù)定的擾動水平相符合，任選地，可以激發(fā)該發(fā)射器，以從第一儲蓄器有效地發(fā)射液滴的方式產(chǎn)生聲輻射脈沖透過基底進(jìn)入流體。然后，對位于基底上的多個流體儲蓄器的每一個依次重復(fù)上述方法。各位點(diǎn)處得到的體積調(diào)整值被用來對基底上位點(diǎn)間的變化按目錄分類。任選地，與所用基底/儲蓄器類型有關(guān)的數(shù)據(jù)，例如對于一給定類型的微量培養(yǎng)板，可以儲存相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)再次遇到相同的板類型時可以使用，以使液滴形成過程更便利。本發(fā)明還提供了一種聲檢查容納在基底內(nèi)或位于基底上的多個流體儲蓄器的方法，該方法如下進(jìn)行在各儲蓄器中提供具有已知組成的可測定體積的流體，調(diào)節(jié)各儲蓄器中的流體體積以使儲蓄器與預(yù)定的發(fā)射閾值水平相符，將位于第一位點(diǎn)含有流體的第一儲蓄器與產(chǎn)生聲輻射的聲發(fā)射器聲耦合，然后激發(fā)該發(fā)射器以產(chǎn)生聲輻射的亞閾值脈沖，透過基底進(jìn)入流體至所述位點(diǎn)，脈沖的能量低于從第一儲蓄器有效發(fā)射液滴的能量水平，分析亞閾值脈沖，以確定與發(fā)射閾值之間的差距。然后將該發(fā)射閾值與預(yù)定的發(fā)射閾值進(jìn)行比較。接著對多個流體儲蓄器的每一個依次重復(fù)該過程，然后將各位點(diǎn)發(fā)射閾值與預(yù)定發(fā)射閾值之間的差異用來對基底上位點(diǎn)間的變化按目錄分類。
在另一個用于聲發(fā)射一個或多個流體儲蓄器中流體液滴的方法中，操作分析儀對傳輸?shù)妮椛涞奶匦赃M(jìn)行分析，以評估在選定儲蓄器中的流體。任選地，聲輻射發(fā)生器可以與剩余的各儲蓄器依次聲耦合，以使得能夠?qū)π钇髦械牧黧w進(jìn)行評估。
本發(fā)明的方法包括使用上述任何一種技術(shù)來評估各儲蓄器中多種流體的性能，優(yōu)選是自動進(jìn)行評估無需人為干預(yù)。容納流體的儲蓄器可以整體化成一個結(jié)構(gòu)體，例如孔板。


圖1A和1B，總稱為圖1，示出了本發(fā)明裝置的一個優(yōu)選實(shí)施例的簡化剖面圖，該裝置既能夠以反射模式對多個儲蓄器的內(nèi)容物進(jìn)行聲學(xué)評估，又能夠從儲蓄器發(fā)射流體液滴。如圖所示，該裝置包括第一儲蓄器和第二儲蓄器，組合的聲學(xué)分析儀和發(fā)射器，以及發(fā)射器定位裝置。圖1A示出了與第一儲蓄器聲耦合的聲發(fā)射器，激發(fā)該發(fā)射器以從該第一儲蓄器內(nèi)朝向基底表面上一個位點(diǎn)發(fā)射流體液滴以形成一個陣列。圖1B示出了與第二儲蓄器聲耦合的聲發(fā)射器。
圖2示出了本發(fā)明裝置的一個實(shí)施例的簡化剖面圖，該裝置設(shè)計成能夠以透射模式對多個儲蓄器的內(nèi)容物進(jìn)行聲學(xué)評估。
圖3A-3C，總稱為圖3，示出了一種直線陣列的儲蓄器，其形式是一具有三行兩列孔的孔板。圖3A示出了孔板的頂視圖。圖3B是該孔板沿虛線A的剖視圖。圖3C是該孔板的俯視圖。
圖4是本發(fā)明裝置的一個優(yōu)選實(shí)施例的側(cè)視圖，該裝置使用了圖3所示的孔板。
圖5示出了其上具有用圖4所示裝置沉積的液滴陣列的基底。
圖6A-6F，總稱為圖6，示出了處于運(yùn)行中的圖4所示的裝置，該裝置運(yùn)行以發(fā)射流體液滴形成圖5所示的液滴陣列。圖6A-6D示出了該裝置的側(cè)視圖。圖6E至6F示出了該裝置沒有基底時的頂視圖。
圖7是測得的詢問用聲輻射的回波延遲時間與單音脈沖擾動流體表面之后的時間的關(guān)系曲線圖。
圖8是對于兩種不同的流體測得的回波延遲時間與單音脈沖擾動流體表面之后的時間的關(guān)系曲線圖。
圖9A-9H示出了在施加了具有多個不同于發(fā)射閾值的功率水平的測試單音脈沖之后由一系列探測脈沖進(jìn)入到收發(fā)器的聲輻射。
圖10示出了一個實(shí)驗(yàn)室自動化環(huán)境，該環(huán)境可適合于進(jìn)行本發(fā)明的一些方法。
圖11A-11C，總稱為圖11，是儲蓄器中流體的擾動表面的一系列圖像。圖11A示出了對于低于閾值1dB的單音脈沖激勵，DMSO濃度分別為70％和90％的DMSO/水混合物的右手和左手圖像。圖11B示出了對于低于閾值0.5dB的單音脈沖激勵，DMSO濃度分別為70％和90％的DMSO/水混合物的右手和左手圖像。圖11C示出了對于處于發(fā)射閾值的單音脈沖激勵，DMSO濃度分別為70％和90％的DMSO/水混合物的右手和左手圖像。
圖12是與圖11A-11C相關(guān)的對于單音脈沖輸入和DMSO濃度的兩個最小值之間間距的圖。
圖13是本發(fā)明兩個最小值之間間距的算法流程圖。
圖14A-14C，總稱為圖14，示出了使用圖13的算法用分析儀處理的波形。圖14A示出了擾動詢問脈沖響應(yīng)波形。圖14B示出了擾動詢問脈沖“回波”波形。圖14C示出了由圖14B的擾動詢問脈沖“回波”波形的數(shù)據(jù)處理得到的快速傅里葉變換算法(FFT)。
發(fā)明的詳細(xì)說明在詳細(xì)說明本發(fā)明之前，應(yīng)該理解本發(fā)明不限于具體的流體、生物分子或裝置結(jié)構(gòu)，這些都可以變化。還應(yīng)理解，本發(fā)明所用術(shù)語只是用來說明具體實(shí)施方式

，并不用來限制本發(fā)明。
必須注意到，用于本說明書和權(quán)利要求書的單數(shù)形式“一”、“一個”和“這個”，除非上下文明確地另有表示之外，包括復(fù)數(shù)對象。因此例如，提及“一儲蓄器”包括單個儲蓄器以及多個儲蓄器，提及“一流體”包括單種流體和多種流體，提及“一生物分子”包括單個生物分子和多個生物分子的組合，提及“一個發(fā)射器”包括單個發(fā)射器和多個發(fā)射器等。
在本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書中，以下術(shù)語按照下述定義來使用。
本文所用的術(shù)語“聲耦合”和“聲耦合的”是指一個物體放置成與另一個物體直接或間接接觸，以使得聲輻射在兩個物體之間傳遞而聲能不會明顯損失的狀態(tài)。當(dāng)兩個實(shí)體間接聲耦合時，需要一“聲耦合介質(zhì)”提供聲輻射可以通過其傳輸?shù)拿浇?。因此，發(fā)射器可以例如通過將其浸入流體中來與流體聲耦合，或者可以例如通過在發(fā)射器和流體之間放置聲耦合介質(zhì)來與流體聲耦合，以將發(fā)射器產(chǎn)生的聲輻射透過聲耦合介質(zhì)傳輸至流體。
術(shù)語“連接(attached)”，例如具有連接在其上一組成部分(moiety)的基底中所用的“連接”，包括共價和非共價的結(jié)合、吸附和物理固定。術(shù)語“結(jié)合”的意義與術(shù)語“連接”相同。
本文所用的術(shù)語“陣列”是指特征物的兩維排列，例如儲蓄器(如孔板中的孔)的排列，或者不同組成部分包括離子、金屬或共價晶體(如分子晶體)、復(fù)合物或陶瓷、玻璃紙、無定形、流體或分子材料在基底表面上的排列(例如以低聚核苷酸或肽的陣列)。陣列通常包括規(guī)則有序的特征物，例如以直線柵格、平行條紋、螺旋形等形式，但是還可以有利地使用非有序的陣列。具體來說，本文所用的術(shù)語“直線陣列”是指具有成行和成列特征物的陣列，其中行和列通常但不必定成90度角相互交叉。陣列與更常用的一個術(shù)語“圖形”相區(qū)別，區(qū)別在于圖形不必含有規(guī)則有序的特征物。
本文中術(shù)語“生物分子(biomolecule)”和“生物分子(biological molecule)”可互換使用，指過去、現(xiàn)在或?qū)沓蔀榛钚陨矬w一部分的任何有機(jī)分子，不論該分子是全部或部分自然形成的、重組制備的，還是化學(xué)合成的。該術(shù)語包括例如核苷酸、氨基酸和單糖，以及低聚物和聚合物，如低聚核苷酸和多核苷酸，肽分子如低聚肽、多肽和蛋白質(zhì)，糖類如二糖、低聚糖、多糖、粘多糖或肽聚糖(肽-多糖)等。該術(shù)語還包括核糖體、酶輔因子、藥物活性劑等。有關(guān)術(shù)語“生物分子”的其它信息可參見授予Ellson等的美國專利申請公開號20020037579。
本文所用術(shù)語“流體”指非固態(tài)、或者至少部分氣態(tài)和/或液態(tài)但不完全是氣態(tài)的物質(zhì)。流體可包含最低限度地、部分地或完全地溶劑化、分散或懸浮的固體。流體的例子包括但不限于水性流體(包括水本身和鹽水)和非水性流體(如有機(jī)溶劑等)。本文所用的術(shù)語“流體”與術(shù)語“墨水”不同義，原因是墨水必須含有著色劑且不可以是氣態(tài)的。
術(shù)語“聚焦裝置”和“聲聚焦裝置”是指使聲波會聚于一焦點(diǎn)的裝置，這可以通過與聲能源分開的用作光學(xué)透鏡的裝置來實(shí)現(xiàn)，也可以通過空間上安排聲能源通過建設(shè)性和破壞性干涉使聲能會聚于一焦點(diǎn)。聚焦裝置可以簡單到是一種具有曲面的固體部分，或者可包括復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如出現(xiàn)在Fresnel透鏡中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，它使用衍射以導(dǎo)向聲輻射。合適的聚焦裝置還包括定相的陣列方法，該方法是本領(lǐng)域熟知的，例如描述于授予Nakayasu等的美國專利5,798,779和Amemiya等(1997)1997的Proceedings of the 1997 IS & T NIP13 InternationalConference on Digital Printing Technologies(1997 IS & T NIP13數(shù)字印刷技術(shù)國際會議論文集)，第698-702頁。
術(shù)語“像場”是指由聲輻射發(fā)生器產(chǎn)生的聲輻射詢問的區(qū)域，該發(fā)射器和該區(qū)域之間沒有相對移動。例如，當(dāng)用聲輻射發(fā)生器產(chǎn)生聲輻射用來在直線儲蓄器陣列中一次詢問整排儲蓄器時，像場包括處于詢問之下的整排儲蓄器。因此，與聲輻射發(fā)生器有關(guān)的像場取決于所采用的特定發(fā)射器以及發(fā)射器和像場之間的空間關(guān)系。例如，具有電子束導(dǎo)向和/或聚焦的聲輻射發(fā)生器可以與依據(jù)所用的特定的導(dǎo)向和/或聚焦可變像場聯(lián)系起來，像場根據(jù)所用的特定的導(dǎo)向和/或聚焦可變。與此不同，與一物體的區(qū)域固定對齊的單個不可調(diào)節(jié)的聚焦聲能轉(zhuǎn)換器與不可變像場聯(lián)系起來。
本文中，術(shù)語“庫”和“組合庫”可互換使用，是指許多個化學(xué)或生物的組成部分以圖形或陣列形式排列以使該組成部分是單獨(dú)一個一個可訪問的。在一些例子中，許多個化學(xué)或生物的組成部分位于一基底表面上，在另一些例子中，許多個組成部分代表多個儲蓄器的內(nèi)容物。優(yōu)選但必需地，每個組成部分與其它組成部分中的每一個均不相同。該組成部分可以例如是肽分子和/或低聚核苷酸。
術(shù)語“組成部分”是指物質(zhì)的任何特定組成，例如分子片段、完整的分子(包括單體分子、低聚物分子和聚合物)、或者材料混合物(如合金或?qū)雍衔?。
“(可)任選的”或“(可)任選地”是指其隨后描述的情形可能發(fā)生，也可能不發(fā)生，因此該表述包括發(fā)生所述情形的實(shí)例和不發(fā)生所述情形的實(shí)例。
本文所用術(shù)語“病原體”和“病原的”是指能夠?qū)е聜€體疾病和/或毒性反應(yīng)的任何試劑。個體可以是人體、動物(哺乳動物或其它動物)，或有時是植物。通常，本文所稱的病原體是細(xì)菌或病毒，但也可以是有機(jī)毒素如馬錢子堿或肉毒桿菌，或者無機(jī)毒素如砷或氰化鈉。因此，術(shù)語“含病原體的流體”是指完全或部分是病原性質(zhì)的非固態(tài)物質(zhì)。這類流體例如可以包括含有最低限度地、部分地或完全地溶劑化、分散或懸浮于其中的病原體的液體。含病原體流體的例子包括但不限于含有細(xì)菌或病毒傳染劑的培養(yǎng)基。類似地，術(shù)語“非病原的”指不是病原的物質(zhì)，即不可能導(dǎo)致疾病或毒性反應(yīng)的試劑。非病原的粒子例如包括但不限于有益細(xì)胞物質(zhì)，如乳酸菌素、酵母、上皮細(xì)胞、珠狀物(beads)等。非病原的流體包括例如滅菌鹽水、葡萄糖溶液等。與術(shù)語“病原體”、“含病原體的流體”、“非病原的”等相關(guān)的其它信息可以參見發(fā)明人為Mutz和Ellson(轉(zhuǎn)讓給Picoliter Inc.，Sunnyvale，CA)、申請日為2002年7月18日、發(fā)明名稱為“Acoustic Radiation for Ejecting and Monitoring Pathogenic Fluids”(用于發(fā)射和監(jiān)測病原體流體的聲輻射)的美國專利申請序列號10/199,907。
術(shù)語“輻射”以其普通的意義使用，指能量以波形擾動傳輸通過一媒介的形式的發(fā)射和傳播，以使得能量由該媒介的一個粒子傳送到另一個粒子而不會使媒介本身發(fā)生任何永久位移。因此，輻射可以指例如電磁波形和聲振動。
因此，本文中術(shù)語“聲輻射”和“聲能”可互換使用，指聲波形式的能量的發(fā)射和傳播。對于其它波形，可以使用聚焦裝置對聲輻射聚焦，如下文所述。盡管聲輻射可具有單一頻率及相關(guān)的波長，聲輻射也可以采用包括多個頻率的形式，例如線性調(diào)頻(linear chirp)。因此，術(shù)語“特征波長”被用來描述具有多個頻率的聲輻射的平均波長。
本文所用的術(shù)語“儲蓄器”指用于容納流體的容器或室。在一些例子中，儲蓄器中包含的流體必定會具有一自由表面，例如令聲輻射從其反射的表面，或者是從其聲發(fā)射液滴的表面。儲蓄器還可以位于基底表面上，其內(nèi)部盛裝流體。
本文所用術(shù)語“基底”指具有其上可以沉積一種或多種流體的表面的材料。該基底可以構(gòu)造成許多種形式，包括例如晶片、載玻片、孔板或膜。此外，基底可以根據(jù)沉積特定流體的要求是多孔或無孔的。合適的基底材料包括但不限于常用于固相化學(xué)合成的載體，例如聚合物材料(如聚苯乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯和基于二乙烯基苯和苯乙烯的聚合物)，瓊脂糖(如Sepharose)，葡聚糖(如Sephadex)，纖維素聚合物和其它多糖、二氧化硅、二氧化硅基材料、玻璃(特別控制的多孔玻璃，即″CPG″)和功能化的玻璃、陶瓷，這些基底用表面涂層進(jìn)行處理，例如用微孔聚合物(具體是纖維素聚合物，如硝基纖維素)、微孔金屬化合物(具體是微孔鋁)、抗體結(jié)合型蛋白質(zhì)(購自Pierce Chemical Co.，Rockford IL)，雙酚A聚碳酸酯等。關(guān)于術(shù)語“基底”的其它信息可參見Ellson等的美國專利申請公開號200200377579。
本文中的術(shù)語“轉(zhuǎn)換器組件”和“聲能轉(zhuǎn)換器組件”可互換使用，指聲輻射發(fā)生元件(如壓電元件)的總稱，它們可以單獨(dú)或一起被激發(fā)，產(chǎn)生具有各種束特征如形狀、方向性、指向性、相和/或聚焦的聲輻射。通常，但不必需是，轉(zhuǎn)換器組件的聲輻射產(chǎn)生元件排列成緊密間隔的陣列。
術(shù)語“單音脈沖”用來描述由聲能發(fā)生器如汽笛、電子揚(yáng)聲器或超聲換能器產(chǎn)生的聲能脈沖群。該脈沖群可包含其間沒有聲能產(chǎn)生的一個或多個能隙(gap)。如果發(fā)生器在一段時間間隔[Ts，Tf]內(nèi)產(chǎn)生可能的多個能隙的聲能，那么在任何時間間隔[T1，T2][Ts，Tf]期間產(chǎn)生的聲能也可以稱作單音脈沖。
所用的術(shù)語“脈沖”與單音脈沖同義。在本領(lǐng)域技術(shù)人員中，單音脈沖往往意味著較長的聲能脈沖群，而脈沖往往意味著較短的脈沖群。由于兩個術(shù)語之間并無嚴(yán)格的界線，因此本申請中兩個術(shù)語被當(dāng)作相同意義對待。
術(shù)語“擾動脈沖”指傳送至流體中一位點(diǎn)以在表面中產(chǎn)生響應(yīng)的聲能。通常，該能量具有與形成液滴用脈沖相類似的持續(xù)時間和類似的頻譜，只是該脈沖的振幅低于形成液滴用脈沖。換而言之，該脈沖一般設(shè)計成將基本上是比形成液滴用脈沖的更小振幅(按比例減小)版的脈沖傳送至位點(diǎn)，以引起與形成液滴用脈沖相同的能量傳輸特征。聲發(fā)生器產(chǎn)生的聲換能和從聲發(fā)生器傳輸至位點(diǎn)的聲能傳輸對于所有的頻率并不一致，因此優(yōu)選是擾動脈沖具有與在形成液滴用脈沖中相同的頻率內(nèi)容。此外，給定頻率的能量到達(dá)位點(diǎn)的時間會影響擾動的動力學(xué)。因此，優(yōu)選是，在擾動脈沖和形成液滴用脈沖中，各頻率能量到達(dá)的相應(yīng)時間類似。
術(shù)語“擾動詢問脈沖”指傳送至流體中一位點(diǎn)以確定流體對擾動脈沖的響應(yīng)的聲能。該脈沖在距擾動脈沖之后一定時間間隔產(chǎn)生，使表面能夠響應(yīng)擾動脈沖。
術(shù)語“低頻前同步信號”指擾動詢問脈沖回波在時域上的前驅(qū)片段。如果存在低頻前同步信號的話，較好是從擾動詢問脈沖回波的頻率內(nèi)容分析中消除低頻前同步信號。這可以通過只包括與擾動詢問脈沖的頻率內(nèi)容匹配的擾動詢問脈沖回波部分來完成。去除了低頻前同步信號的擾動詢問脈沖回波的時域信號的FFT才可以被用來確定兩個最小值之間的間距。從輸入FFT的時間序列中刪除低頻前同步信號防止了最低頻率最小值的位移，由此提高了信號處理的穩(wěn)定性。
據(jù)此，本發(fā)明涉及對多個流體儲蓄器的內(nèi)容物進(jìn)行聲學(xué)評估的裝置和方法。本發(fā)明裝置包括多個儲蓄器，各儲蓄器均適合于容納流體，和用于產(chǎn)生聲輻射的聲輻射發(fā)生器。本發(fā)明的裝置還包括以與各儲蓄器形成聲耦合關(guān)系，對聲輻射發(fā)生器定位，以使聲輻射發(fā)生器產(chǎn)生的聲輻射傳輸透過各儲蓄器的至少一部分的裝置。放置一個用于分析聲輻射特性的分析儀來接收傳輸?shù)穆曒椛洹?br> 該裝置可構(gòu)造成所包括的儲蓄器是與該裝置形成一整體的組成部分或者是永久連接在該裝置上的組成部分。然而，為了使組成部分具有可調(diào)制性和可替換性，該裝置優(yōu)選是具有可拆卸的儲蓄器。通常，儲蓄器以一定的圖形或陣列排列，以使得各儲蓄器具有單獨(dú)的系統(tǒng)可訪問性。此外，盡管各儲蓄器可以是離散或獨(dú)立的單位體，在需要大量儲蓄器的情況下，優(yōu)選是儲蓄器互相連接或者形成一單獨(dú)的儲蓄器單元的整體部分。例如，儲蓄器可以是孔板中的各個孔。適用于本發(fā)明裝置的許多孔板可以從市場上購得，例如每個孔板可包括96、384、1536或3456個孔，具有全裙邊(skirt)、半裙邊或無裙邊。這類孔板的各孔通常形成直線陣列。所用裝置中使用的合適孔板的制造商包括Corning，Inc.(Corning，New York)和Greiner America，Inc.(Lake Mary，F(xiàn)lorida)。然而，這類可市售購得的孔板的易得性并不排除制造和使用那些至少含約10,000個孔或者多達(dá)100,000至500,000個孔或者更多孔的定制孔板。這些定制孔板的各孔可以形成直線陣列或其它類型的陣列。隨著孔板已經(jīng)成為常用的實(shí)驗(yàn)室用品，Society for Biomolecular Screening(Danbury，Connecticut)(生物分子篩選學(xué)會)已經(jīng)成立了微量培養(yǎng)板標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展委員會，代表美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(AmericanNational Standards Institute)并被其認(rèn)可，對便于微量孔板自動化處理的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行推薦和維護(hù)。
此外，構(gòu)成儲蓄器所用的材料必須與所容納的流體相容。因此，如果儲蓄器或孔是用來盛裝有機(jī)溶劑(如乙腈)的話，會在乙腈中溶解或溶脹的聚合物就不合適用來形成儲蓄器或孔板。類似地，用來盛裝DMSO的儲蓄器或孔必須與DMSO相容。對于水基流體，許多種材料適合于構(gòu)造儲蓄器，包括但不限于陶瓷如二氧化硅和氧化鋁、金屬如不銹鋼和鉑、以及聚合物如聚酯和聚四氟乙烯。對于光敏性的流體，儲蓄器可以由光學(xué)不透明的材料構(gòu)成，該材料具有足夠的透聲性以使該裝置的功能基本上不受影響。
此外，為了減少操作中將聲輻射發(fā)生器與各儲蓄器或儲蓄器孔對準(zhǔn)所需的移動量和時間，如下文所述，優(yōu)選是各儲蓄器中央的位置距離相鄰儲蓄器中央不超過約1厘米、更優(yōu)選是不超過約1.5毫米，再優(yōu)選是不超過約1毫米，最好是不超過約0.5毫米。這些尺寸往往會將儲蓄器的尺寸限制在一最大體積之內(nèi)。儲蓄器構(gòu)造成容納通常不超過約1mL，優(yōu)選是不超過約1μL，最好是不超過約1nL的流體。為了便于對多個儲蓄器進(jìn)行處理，還優(yōu)選是儲蓄器在聲學(xué)上是基本上不可分辨的。
當(dāng)提供陣列時，各儲蓄器可以是被單獨(dú)地、有效地和系統(tǒng)地進(jìn)行訪問。盡管任何類型的陣列均可使用，但優(yōu)選是包括數(shù)排間距均勻的平行的儲蓄器的陣列。通常但不是必需地，各排含有相同數(shù)目的儲蓄器。最優(yōu)選地，本發(fā)明使用包含X排和Y列儲蓄器的直線陣列，其中X和Y各自至少為2。在一些例子中，X可以大于、等于或小于Y。此外，還可使用非直線陣列以及其它幾何形狀。例如，可以使用六邊形、螺旋形和其它類型的陣列。在一些例子中，本發(fā)明可用來聲學(xué)評估不規(guī)則圖形排列的儲蓄器，例如在平坦基底表面如與CD-ROM格式相關(guān)的基底表面上無規(guī)分布的液滴。此外，本發(fā)明還可用來對與微流體裝置相關(guān)的儲蓄器進(jìn)行聲學(xué)評估。
通常使用單個聲輻射發(fā)生器，盡管也可以使用多個聲輻射發(fā)生器。所有的聲輻射發(fā)生器使用振動元件或轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生聲輻射。通常，使用壓電元件將電能轉(zhuǎn)換成與聲輻射相關(guān)的機(jī)械能。當(dāng)使用單個聲輻射發(fā)生器時，定位裝置應(yīng)使得聲輻射發(fā)生器能夠以可控的方式從一個儲蓄器快速地移動至另一個儲蓄器，由此使得能夠?qū)π钇鞯膬?nèi)容物進(jìn)行快速和受控的掃描。為了確保最佳性能，重要的是記住有兩種基本類型的動作脈沖和連續(xù)的。脈沖運(yùn)動包括下述不連續(xù)的步驟移動聲輻射發(fā)生器就位，在其發(fā)射聲能時保持其靜止，再次將該發(fā)射器移動至下一個位置，使用高性能定位裝置實(shí)現(xiàn)在小于0.1秒內(nèi)與各儲蓄器進(jìn)行可重復(fù)且受控的聲耦合。通常，脈沖寬度非常短，可以允許10Hz以上的儲蓄器轉(zhuǎn)換，甚至1000Hz以上的儲蓄器轉(zhuǎn)換(transitions)。另一方面，連續(xù)的動作設(shè)計能連續(xù)移動聲輻射發(fā)生器和儲蓄器，但移動的速度不相同。
在一些例子中，分析儀被定位在或處于與聲輻射發(fā)生器固定對準(zhǔn)的位置。此外，提供類似于上述的裝置用來改變分析儀和儲蓄器的相對位置。分析儀和聲輻射發(fā)生器的相對位置取決于裝置的特定結(jié)構(gòu)。在一些例子中，該裝置可以構(gòu)造成以透射模式操作，以使得產(chǎn)生的輻射透過整個具有待評估內(nèi)容物的儲蓄器。在該例中，儲蓄器可以放置在聲輻射發(fā)生器和聲分析儀之間。
然而，更典型的是，該裝置可以構(gòu)造成以反射模式操作，以使得聲輻射僅透過儲蓄器中具有待評估內(nèi)容物的部分。在用反射模式同時詢問多于一個的儲蓄器時，聲輻射可以透過處于詢問之下的儲蓄器，并向著分析儀反射回去。因此，分析儀可以以適合于該結(jié)構(gòu)的方式放置，例如為了接收經(jīng)反射的聲輻射。在任何情況下，聲輻射發(fā)生器的定位方式應(yīng)能使產(chǎn)生的聲輻射傳輸透過各儲蓄器最有可能含有流體的部分，以獲得最佳性能。這減少了分析儀錯誤判定儲蓄器為空的可能性。例如，在流體正常地流至容器底部或者被離心作用抽到底部的情況下，聲輻射發(fā)生器的定位應(yīng)使得產(chǎn)生的聲輻射透過儲蓄器的底部。
如下文詳述，在一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，分析儀的定位是為了接收從各儲蓄器所容納的流體的自由表面反射的聲輻射。根據(jù)反射角，聲輻射發(fā)生器和分析儀可形成一整體化的單元。在該結(jié)構(gòu)中，聲輻射發(fā)生器可包含與分析儀共同的組成部分。聲輻射發(fā)生器與分析儀共同的組成部分可以是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量的振動元件，例如將聲能/機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的壓電元件。
分析儀可以構(gòu)造成實(shí)現(xiàn)多種功能。例如，分析儀可以適用于分析聲輻射以確定各儲蓄器中的流體體積。附加地，或替換地，該分析儀可適用于分析聲輻射以確定各儲蓄器中流體的性能。聲學(xué)分析的其它方面將在下文中討論。
如上所述，儲蓄器可以構(gòu)造成減少操作中將聲輻射發(fā)生器與各儲蓄器或儲蓄器孔對準(zhǔn)所需的移動量和時間。綜合考慮便利性和效率，較好是在較短的時間內(nèi)(如約1分鐘，或更好約10秒鐘)對不同組成部分的整個庫進(jìn)行分析。因此，本發(fā)明的方法通常能夠以至少約96個儲蓄器/分鐘的速度對儲蓄器的內(nèi)容物進(jìn)行分析。使用現(xiàn)代技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)更快的分析速度，如每分鐘至少約384、1536和3456個儲蓄器。因此，本發(fā)明可以對目前市售的大多數(shù)(如果不是全部)的孔板的每個孔的內(nèi)容物進(jìn)行分析。恰當(dāng)?shù)貙?shí)施本發(fā)明方法將得到每分鐘至少約10,000個儲蓄器的儲蓄器分析速度。目前市售的定位技術(shù)使得聲輻射發(fā)生器能夠從一個儲蓄器移動至另一個，與各儲蓄器形成可重復(fù)且受控的聲耦合，對于高性能定位裝置而言時間小于約0.1秒，對于普通的定位裝置而言時間小于約1秒。定制的系統(tǒng)可以使得聲輻射發(fā)生器在小于約0.001秒的時間內(nèi)從一個儲蓄器移動至另一個，形成可重復(fù)且受控的聲耦合。
通過對已經(jīng)透過選定儲蓄器的至少一部分的聲輻射進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確地確定選定的儲蓄器的內(nèi)容物。例如，評估可包括確定儲蓄器中的流體體積，或者確定儲蓄器中流體的性質(zhì)。如上所述，可以測定的流體性質(zhì)包括但不限于粘度、表面張力、聲阻抗、固含量和雜質(zhì)含量。在一些例子中，評估可包括測量聲輻射透過儲蓄器的傳播時間。附加地，或替換地，評估可包括確定透過儲蓄器之前和之后的聲輻射的差異。對于與溫度有關(guān)的性能，本領(lǐng)域已知的溫度測量裝置(如熱電偶)可以與該分析結(jié)合使用。任選地，可以儲存用聲學(xué)分析儀進(jìn)行的聲學(xué)分析結(jié)果。因此，本發(fā)明的裝置還可包括例如儲存裝置，該裝置包括可再寫和/或永久的數(shù)據(jù)儲存介質(zhì)用于儲存分析儀進(jìn)行的聲學(xué)分析的結(jié)果。
如上所述的聲學(xué)評估可用來改進(jìn)從多個適合于容納流體的儲蓄器的每一個中的流體分配。因此，本發(fā)明的另一個實(shí)施方案涉及用從多個適合于容納流體的儲蓄器的每一個中分配流體的裝置。該裝置可包括許多種已知的分配流體技術(shù)的任一種，這些技術(shù)包括接觸式流體分配，如針點(diǎn)滴、移液操作和噴墨印刷，或者非接觸式流體分配，如聲發(fā)射。然而，本發(fā)明的裝置通過使用對儲蓄器內(nèi)容物進(jìn)行聲學(xué)評估的裝置提高了流體分配的準(zhǔn)確性和精確度，由此顯示了對本領(lǐng)域已知的流體分配裝置的新穎性和非顯而易見的進(jìn)步。對儲蓄器內(nèi)容物進(jìn)行聲學(xué)評估的裝置類似于先前描述的用于評估多個流體儲蓄器內(nèi)容物的裝置，類似之處在于該裝置也包括用于產(chǎn)生聲輻射的聲輻射發(fā)生器和用于分析聲輻射特征的分析儀。使用一個定位聲輻射發(fā)生器與各儲蓄器形成聲耦合關(guān)系的裝置以確保聲輻射發(fā)生器產(chǎn)生的聲輻射被傳輸透過各儲蓄器的至少一部分。此外，放置該分析儀來接收傳輸?shù)穆曒椛洹?br> 因此，在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的裝置使用聲輻射發(fā)生器，該輻射器產(chǎn)生像場大小足以一次詢問多個選定儲蓄器的聲輻射。提供該聲輻射發(fā)生器的定位裝置，以使得該聲輻射發(fā)生器放置得與選定儲蓄器為聲耦合關(guān)系。這樣，聲輻射發(fā)生器所產(chǎn)生的聲輻射被傳輸透過多個選定儲蓄器的外表面。該裝置還包括分析儀，其位置與聲輻射發(fā)生器形成輻射接收關(guān)系。分析儀適用于分析透射的聲輻射的特征以評估各選定儲蓄器的內(nèi)容物。
組合使用聲發(fā)生器和分析儀來評估各選定儲蓄器的內(nèi)容物。一般來說，可以使用任何聲輻射發(fā)生器，只要所產(chǎn)生的有效的聲輻射束足以一次詢問多個選定儲蓄器。所有的聲輻射發(fā)生器使用一個或多個振動元件或轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生聲輻射。通常，使用壓電技術(shù)將電能轉(zhuǎn)換成與聲輻射有關(guān)的機(jī)械能。由單元件轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的聲輻射往往會形成發(fā)散的聲輻射束。因此，可以將單元件聲發(fā)生器與聚焦裝置結(jié)合使用，如下文所述，用來產(chǎn)生具有合適大小和焦點(diǎn)的像場的聲輻射。
多元件聲輻射發(fā)生器如轉(zhuǎn)換器組件有利于提高分辨率和分析性能。一般來說，轉(zhuǎn)換器組件包括多個可單獨(dú)激發(fā)或成組激發(fā)產(chǎn)生超聲波束的元件。各元件產(chǎn)生的聲波可以在所需方向互相增強(qiáng)，在不需要的方向互相抵消。此外，轉(zhuǎn)換器組件可用來監(jiān)測分析用的回波信號。在該例中，對于由其產(chǎn)生回波的各反射器，由各元件監(jiān)測的多個回波信號可以在合并成一個信號之前獨(dú)立放大。轉(zhuǎn)換器組件是有利的，因?yàn)樗鼈冊试S電子束導(dǎo)向、電子聚焦和束形成。
存在四大類的轉(zhuǎn)換器組件。線型聲陣列(linear acoustic arrays)由并肩排列的壓電元件形成，所述陣列通常為矩形，數(shù)量約為120至250?？梢酝ㄟ^激發(fā)一組該元件產(chǎn)生一沿垂直于轉(zhuǎn)換器組件面的射束線傳播的脈沖，由此產(chǎn)生各聲輻射束。由于線型聲陣列的面通常是平坦的，可產(chǎn)生矩形像場。曲線聲陣列(curvilinear acoustic arrays)具有相同的整體結(jié)構(gòu)，不同的是其面是弓形的。結(jié)果，曲線聲陣列往往會產(chǎn)生梯形像場。環(huán)形聲陣列(annular acoustic arrays)由同心排列的元件形成，這些元件以與線型聲陣列和曲線聲陣列相似的方式操作。定相的聲陣列(phased acoustic arrays)，與線型聲陣列類似，由并肩排列的壓電元件形成，通常具有約128個單獨(dú)元件。但是，定相的聲陣列元件通常比直線聲基陣的元件更窄。當(dāng)定相聲陣列中所有元件被激發(fā)時，產(chǎn)生各聲波脈沖，沿可以被電子導(dǎo)向不同方向的射束線進(jìn)行傳播。電子導(dǎo)向(electronic steering)通常使用本領(lǐng)域中已知的時間延遲方法來獲得。
在上述轉(zhuǎn)換器組件中，最好的是定相轉(zhuǎn)換器組件。當(dāng)定相轉(zhuǎn)換器組件與線型陣列的儲蓄器結(jié)合使用時，定相轉(zhuǎn)換器組件優(yōu)選產(chǎn)生大小足以一次詢問至少一排儲蓄器的像場。在一些例子中，定相轉(zhuǎn)換器組件可以同時詢問一排中的所有儲蓄器。在另一些例子中，由轉(zhuǎn)換器組件產(chǎn)生的聲輻射的電子導(dǎo)向用來依次掃描像場內(nèi)的儲蓄器。當(dāng)像場的大小不足以一次詢問整個儲蓄器陣列時，使用聲輻射發(fā)生器的定位裝置來提供聲輻射發(fā)生器和儲蓄器陣列之間的相對運(yùn)動，以使聲輻射傳輸透過儲蓄器陣列中的各儲蓄器。這種相對運(yùn)動優(yōu)選產(chǎn)生聲輻射發(fā)生器沿列方向的位移，而不產(chǎn)生輻射發(fā)生器沿列以外方向的位移。因此，例如，當(dāng)儲蓄器是具有X排和Y列儲蓄器的線型陣列時(其中X和Y各自至少為2)，聲輻射發(fā)生器可用來沿Y列方向依次詢問各排的儲蓄器。
當(dāng)多元件聲輻射發(fā)生器與儲蓄器陣列組合使用時，優(yōu)選是各元件顯示與陣列的幾何對應(yīng)性。例如，當(dāng)使用孔板時，優(yōu)選是孔之間的間距對應(yīng)于振動元件之間的間距。在該例中，聲發(fā)生器的元件可以與孔具有相同間隔。為了提高成象分辨率，元件的線密度可以是儲蓄器線密度的倍數(shù)，優(yōu)選是正整數(shù)倍數(shù)。類似地，元件的尺寸可以依照儲蓄器。在一些例子中，振動元件可以與儲蓄器具有大致相同的尺寸。
類似地，優(yōu)選是根據(jù)儲蓄器陣列對整個聲輻射發(fā)生器定尺寸。對于典型的排長度約72mm的孔板，使用能產(chǎn)生長度至少為72mm的像場的定相的聲陣列。為了確保該定相聲陣列不超出孔板的邊緣，定相聲陣列的長度優(yōu)選小于約85mm。一種具有間距為0.9mm的84個元件且正常的操作頻率為7.5MHz的定相聲陣列可以從Toray Techno of Shinga-ken Japan獲得。其它適合用于本發(fā)明的聲輻射發(fā)生器也可以從市場上購得。
因此，本發(fā)明還提供了一種對一個或多個儲蓄器中內(nèi)容物進(jìn)行聲學(xué)評估的方法。該方法包括提供多個儲蓄器，各儲蓄器均適合于容納流體，和定位聲輻射發(fā)生器使與選定的儲蓄器成聲耦合關(guān)系。一旦定位，激發(fā)聲輻射發(fā)生器以產(chǎn)生聲輻射，透過選定儲蓄器的至少一部分傳輸至分析儀。然后，用分析儀分析傳輸透過選定儲蓄器至少一部分的聲輻射，由此評估選定的儲蓄器的內(nèi)容物?？扇芜x地，聲輻射發(fā)生器可以再定位，使得還能夠?qū)ζ溆嗟膬π钇鞯膬?nèi)容物進(jìn)行評估。當(dāng)所產(chǎn)生的聲輻射具有尺寸足以一次詢問多個選定儲蓄器的像場時，聲輻射傳輸透過選定儲蓄器的外表面和選定的儲蓄器。
本發(fā)明方法可以只使用上述裝置的一些組件來進(jìn)行，或者可以使用整個裝置來進(jìn)行。例如，當(dāng)將轉(zhuǎn)換器組件用作聲發(fā)生器時，可以利用電子束導(dǎo)向和/或電子聚焦來產(chǎn)生聲輻射。此外，透射聲學(xué)技術(shù)和反射聲學(xué)技術(shù)可用來評估儲蓄器的內(nèi)容物。而且，當(dāng)使用包含多行和多列儲蓄器的線型陣列時，所產(chǎn)生的聲輻射的像場通常具有足以詢問至少一排儲蓄器的尺寸。因此，本發(fā)明的方法可用來評估每個儲蓄器的內(nèi)容物或者一排儲蓄器的內(nèi)容物?？扇芜x地，可以對另一不同排的儲蓄器重復(fù)上述的評估。通過對相鄰排的儲蓄器依次重復(fù)上述評估，可評估儲蓄器陣列中所有儲蓄器的內(nèi)容物。
通過分析經(jīng)透射的聲輻射，可以準(zhǔn)確地確定選定的儲蓄器中的內(nèi)容物。如上所述，評估可包括確定儲蓄器中的流體體積，或者確定儲蓄器中流體的性質(zhì)?？梢詼y定的流體性質(zhì)包括但不限于粘度、表面張力、聲阻抗、密度、固含量、雜質(zhì)含量、聲衰減和病原體含量。在一些例子中，評估可包括測量聲輻射透過儲蓄器的傳播時間。附加地，或替換地，評估可包括確定透過儲蓄器之前和之后的聲輻射的差異。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會理解，可使用常規(guī)和改進(jìn)的聲納技術(shù)。例如反射的聲輻射可以轉(zhuǎn)換成電能用于分析。該分析可以例如被用來揭示儲蓄器是否含有任何流體。如果有流體存在于儲蓄器中，那么可測定儲蓄器內(nèi)自由流體表面的位置和取向，以及流體的總體積。可以分析反射的聲輻射的特征以評估聲輻射發(fā)生器與流體表面之間的空間關(guān)系，儲蓄器固態(tài)表面與流體表面之間的空間關(guān)系。
根據(jù)要進(jìn)行的評估類型，可以將各種本領(lǐng)域已知的技術(shù)用于本發(fā)明。一般來說，使用接觸角測量來常規(guī)地進(jìn)行界面能量測定。本發(fā)明可適合于進(jìn)行接觸角測量。此外，許多種其它的聲學(xué)評估技術(shù)在本領(lǐng)域是已知的。例如，授予Trinh的美國專利4,391,129描述了一種用于監(jiān)測流體物理特征的系統(tǒng)?？梢杂闪黧w界面張力的聲學(xué)評估來高準(zhǔn)確度地測量一物理特征。授予Hemmes的美國專利4,558,589描述了一種超聲波血液凝固監(jiān)測器。授予Dymling等的美國專利5,056,357描述了通過多普勒頻移測定流體中性能的聲學(xué)方法?？梢钥蛇m用于本發(fā)明的聲學(xué)評估技術(shù)描述于例如美國專利4,901,245；5,255,564；5,410,518；5,471,872；5,533,402；5,594,165；5,623,095；5,739,432；5,767,407；5,793,705；5,804,698；6,119,510；6,227,040和6,298,726。
附加地或替換地，本發(fā)明還可使用導(dǎo)向和/或聚焦的聲輻射以增強(qiáng)對儲蓄器內(nèi)容物的評估。例如，可使用聲輻射來擾動流體表面，并監(jiān)測該擾動。這一擾動技術(shù)非常適合用于測定流體的表面張力和粘度，或者測定影響。該技術(shù)通常能足夠準(zhǔn)確和精確地測量少量添加劑(如藥物組合物、生物分子樣品等)對于流體的表面張力或粘度的影響。值得注意的是，這類擾動技術(shù)應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充常規(guī)的聲阻抗測量。
在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種監(jiān)測培養(yǎng)液中生物體含量和/或濃度變化的方法。也就是說，用聲輻射來監(jiān)控儲蓄器中生物體的含量和/或濃度的變化。例如，可將一細(xì)菌培養(yǎng)物放入儲蓄器中，使其經(jīng)歷溫度變化，選擇該溫度變化以促使儲蓄器中細(xì)菌的含量和/或濃度增加或減少。聲輻射可以來監(jiān)控儲蓄器中的細(xì)菌成長。這類監(jiān)控技術(shù)還可用于其它生物學(xué)或化學(xué)系統(tǒng)，例如用于PCR的系統(tǒng)，其中任一組成部分(如核苷酸生物分子)是復(fù)制的。然而，應(yīng)該注意，本發(fā)明可用來監(jiān)控任何生物體或組成部分的含量，不管該生物體是否是病原體。這一監(jiān)控技術(shù)，如應(yīng)用于病原體流體，描述于發(fā)明人為Mutz和Ellson(轉(zhuǎn)讓為Picoliter Inc.，Sunnyvale，CA)、申請日為2002年7月18日、發(fā)明名稱為“Acoustic Radiation for Ejecting and Monitoring Pathogenic Fluids”(用于發(fā)射和監(jiān)測病原體流體的聲輻射)的美國專利申請序列號10/199,907。
如上所述，儲蓄器可以構(gòu)造成減少操作中將聲輻射發(fā)生器與各儲蓄器或儲蓄器孔對準(zhǔn)所需的移動量和時間。綜合考慮便利性和效率，較好是在較短的時間內(nèi)(如約1分鐘內(nèi))對不同組成部分的整個庫進(jìn)行分析。
因此，本發(fā)明的方法通常能夠以至少約96個儲蓄器/分鐘的速度對儲蓄器的內(nèi)容物進(jìn)行分析。使用現(xiàn)代技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)更快的分析速度，如每分鐘至少約384、1536和3456個儲蓄器。因此，本發(fā)明可以對目前市售的大多數(shù)(如果不是全部)的孔板的每個孔的內(nèi)容物進(jìn)行分析。一般來說，較好是以至少約5個儲蓄器/秒的速度進(jìn)行儲蓄器的聲學(xué)評估。優(yōu)選是，評估以至少約10個儲蓄器/秒的速度進(jìn)行。更優(yōu)選是，評估以至少約25個儲蓄器/秒的速度進(jìn)行。可預(yù)計，最佳地實(shí)施本發(fā)明方法應(yīng)得到每分鐘至少約10,000個儲蓄器的儲蓄器評估速度。因此，根據(jù)評估速度和儲蓄器數(shù)目，所有儲蓄器的內(nèi)容物可以在不超過5分鐘內(nèi)進(jìn)行評估，優(yōu)選是在1分鐘內(nèi)或更短。
如上所述的聲學(xué)評估可用來改進(jìn)從多個適合于容納流體的儲蓄器的每一個的流體分配。因此，本發(fā)明可以與多種已知的流體分配技術(shù)結(jié)合使用，這些技術(shù)包括接觸式流體分配，如針點(diǎn)滴、移液操作和噴墨印刷，或者非接觸式流體分配，如聲發(fā)射。由于聲發(fā)射相對于其它流體分配技術(shù)而言具有許多優(yōu)點(diǎn)，因此本發(fā)明的裝置還包括發(fā)射器和用于定位發(fā)射器以從任一儲蓄器中發(fā)射流體的裝置。一般來說，聲發(fā)射器使用聚焦的聲輻射來實(shí)現(xiàn)流體發(fā)射，發(fā)射器的定位裝置適合于將發(fā)射器與各儲蓄器定位成聲耦合關(guān)系。如授予Ellson等的美國專利申請公開號20020037579中所述，聲發(fā)射器可包括用于產(chǎn)生聲輻射的聲輻射發(fā)生器和用于將產(chǎn)生的聲輻射聚焦在多個儲蓄器中每一個的流體表面內(nèi)和足夠靠近流體表面的焦點(diǎn)的聚焦裝置，以從其發(fā)射液滴的聲輻射。因此，本發(fā)明還提供了進(jìn)行聲輻射和評估的裝置。
在本發(fā)明中，可使用各種聚焦裝置的任一種來聚焦聲輻射，以從儲蓄器發(fā)射液滴。例如，可使用一個或多個曲面將聲輻射導(dǎo)向流體表面附近的焦點(diǎn)。一種此類技術(shù)描述于授予Lovelady等的美國專利4,308,547。具有曲面的聚焦裝置可并入市售購得的聲能轉(zhuǎn)換器(如由Panametrics Inc.(Waltham，MA)制造的轉(zhuǎn)換器)的結(jié)構(gòu)中。此外，菲涅耳透鏡是本領(lǐng)域已知的用于以距離物體面預(yù)定的焦距導(dǎo)向聲能。參見授予Quate等的美國專利5,041,849。菲涅耳透鏡可具有放射狀的相輪廓(radial phase profile)，將大部分聲能以相對于透鏡呈放射狀變化的衍射角衍射成預(yù)定的衍射級。應(yīng)選擇這些衍射角以將該衍射級內(nèi)的聲能聚焦在所需的物體平面上。最好地，該裝置適合于根據(jù)分析儀進(jìn)行聲學(xué)分析的結(jié)果從儲蓄器發(fā)射流體。
優(yōu)選單個發(fā)射器，盡管本發(fā)明的裝置可包括多個發(fā)射器。當(dāng)使用單個發(fā)射器時，定位裝置應(yīng)能使發(fā)射器以可控的方式從一個儲蓄器快速地移動至另一個儲蓄器，由此使得能夠?qū)τ善溥M(jìn)行液滴發(fā)射的儲蓄器進(jìn)行快速和受控的掃描。在一些例子中，可使用同一個聲輻射發(fā)生器來進(jìn)行聲學(xué)評估和發(fā)射。聲學(xué)評估和發(fā)射也可以使用不同的聲發(fā)生器來進(jìn)行。
發(fā)射器的定位裝置可適合于根據(jù)分析儀進(jìn)行的儲蓄器內(nèi)容物評估提供發(fā)射器與儲蓄器之間的相對運(yùn)動。在該例中，發(fā)射器可以保持在距聲輻射發(fā)生器恒定的距離。因此，當(dāng)提供多排儲蓄器時，聲輻射發(fā)生器與儲蓄器之間的相對運(yùn)動會造成聲輻射發(fā)生器沿行方向的位移?；蛘?，發(fā)射器的定位裝置適合于提供發(fā)射器與儲蓄器陣列之間的相對運(yùn)動，獨(dú)立于分析儀進(jìn)行的儲蓄器內(nèi)容物評估。在任何情況下，當(dāng)提供線型陣列的儲蓄器時，發(fā)射器可以是沿行方向和/或沿垂直于行和列的方向移動。
當(dāng)使用發(fā)射器時，本發(fā)明可用來從儲蓄器發(fā)射流體至基底上。例如，授予Ellson等的美國專利申請公開號20020037579描述了該聲發(fā)射技術(shù)被用來形成生物分子陣列。類似地，聲發(fā)射技術(shù)可用來布局多種流體，例如將流體從超常規(guī)尺寸的大容器轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)化孔板的孔中，或者將流體從一個孔板轉(zhuǎn)移至另一個孔板。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到，該聲發(fā)射技術(shù)可適合于多種用途。在這些用途中，用于定位基底的裝置可用來提供基底和儲蓄器之間的相對運(yùn)動。
如上所述，相對運(yùn)動可分類為脈沖型或連續(xù)型。為了確保最佳性能，任一種類型的設(shè)計均可用來提供發(fā)射器和用于流體發(fā)射的儲蓄器之間的相對運(yùn)動。類似地，任一種類型的運(yùn)動會導(dǎo)致聲發(fā)生器和儲蓄器之間的相對位移，以及基底和儲蓄器之間的相對位移。因此，上述聲發(fā)生器的定位技術(shù)可用來移動單獨(dú)的聲學(xué)分析儀和/或聲發(fā)射器。
在一些例子中，可使用高速的機(jī)器人系統(tǒng)來處理儲蓄器、聲發(fā)生器和/或發(fā)射器。在一些例子中，會根據(jù)聲學(xué)分析儀的結(jié)果作出是否從儲蓄器分配流體和/或如何分配流體的決定。例如，當(dāng)使用一聲發(fā)射器時，可通過使用由上述關(guān)于儲蓄器體積的評估獲得的數(shù)據(jù)或流體性能數(shù)據(jù)以及儲蓄器的幾何數(shù)據(jù)來確定涉及發(fā)射器的操作參數(shù)。此外，這些數(shù)據(jù)會顯示重新定位發(fā)射器的需求，在需要時，相對于流體表面重新定位聲輻射發(fā)生器，以確保發(fā)射的聲波的焦點(diǎn)位于流體表面附近。例如，如果分析揭示聲輻射發(fā)生器的定位使得發(fā)射聲波不能聚焦在流體表面附近，那就利用垂直、平行和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來重新定位聲輻射發(fā)生器，以使得發(fā)射聲波恰當(dāng)?shù)鼐劢埂?br> 在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的裝置還包括從一個或多個不與聲輻射發(fā)生器進(jìn)行聲耦合的儲蓄器的外表面除去流體聲耦合介質(zhì)的裝置。該裝置通常使用真空技術(shù)。例如，可使用抽氣機(jī)將耦合介質(zhì)拉到收集容器中，或者加速耦合介質(zhì)的蒸發(fā)作用。此外，用于除去流體聲耦合介質(zhì)的裝置使用適順于一個或多個儲蓄器的外表面的刀片。該刀片可以由彈性體材料組成，其工作原理與擋風(fēng)玻璃刮水器或雨刷滑過表面從上面除去水的原理相同。此外，可使用吸收材料通過擦拭或吸取作用除去耦合介質(zhì)。類似地，可使用真空技術(shù)從儲蓄器表面除去流體聲耦合介質(zhì)。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到還可以將其它流體除去技術(shù)與本發(fā)明結(jié)合使用。任選地，當(dāng)使用多個儲蓄器時，流體耦合介質(zhì)的除去可以與聲學(xué)評估同時進(jìn)行，只要聲耦合的除去不會妨礙聲學(xué)評估。也就是說，只要存在足夠的聲耦合介質(zhì)用于評估，可以在別處進(jìn)行聲學(xué)評估的同時將表面上存在的任何過量的聲耦合流體除去。
應(yīng)注意到，聲耦合介質(zhì)的除去是本發(fā)明一個重要方面，因?yàn)槁曬詈辖橘|(zhì)可能是污染源。例如，如上所述的DMSO是高度吸濕的，很容易吸收與其接觸的任何環(huán)境水并被其稀釋。如果當(dāng)一個或多個儲蓄器含有DMSO時水或水性流體被用作聲耦合介質(zhì)，最好是限制儲蓄器暴露于聲耦合介質(zhì)。因此，在大多數(shù)例子中，不再需要聲耦合介質(zhì)時應(yīng)迅速將其去除。具體來說，當(dāng)使用高速處理系統(tǒng)時，留在儲蓄器表面上的任何流體耦合介質(zhì)會受到與大加速度和減速度有關(guān)的力。結(jié)果，這些殘留的流體耦合介質(zhì)會不受控制地從表面拋擲出去。如果流體耦合介質(zhì)落到儲蓄器中，那么該儲蓄器所含的內(nèi)容物就發(fā)生了改變。
本發(fā)明還使用或提供一些附加的性能增強(qiáng)的功能。因此，本發(fā)明可使用包括可再寫和/或永久的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)的儲存裝置，用于儲存分析儀進(jìn)行的聲學(xué)分析的結(jié)果。該數(shù)據(jù)可以被立即使用，例如增強(qiáng)流體發(fā)射，和/或儲存該數(shù)據(jù)以備將來使用。在一些例子中，本發(fā)明可用來確定儲蓄器單元內(nèi)一個或多個儲蓄器的位置和/或幾何形狀。
此外，對于顯示與溫度有關(guān)性能的流體，本領(lǐng)域已知的溫度測量裝置(如熱電偶)可以與該分析結(jié)合使用。還可以使用控溫裝置來提高測量的準(zhǔn)確度，控溫裝置的使用與該裝置是否具有流體分配功能無關(guān)。在水性流體的情況下，控溫裝置應(yīng)當(dāng)具有將儲蓄器保持在約0℃以上的能力。此外，控溫裝置可適合于降低儲蓄器中的溫度。這一降溫是需要的，因?yàn)閷⒙暷芊磸?fù)地施加于流體儲蓄器會加熱流體。該加熱會導(dǎo)致流體性能(如粘度、表面張力和密度)產(chǎn)生不希望的變化。該控溫裝置的設(shè)計和結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，可包括的組件例如是加熱元件、冷卻元件或其組合。
對于許多生物分子的應(yīng)用，流體儲蓄器可以冷凍保存，解凍使用。在使用過程中，通常要求含生物分子的流體保持于恒定的溫度，溫度偏差不超過約1℃或2℃。此外，對于特別熱敏的生物分子流體，優(yōu)選是將流體保持在不超過高于流體熔點(diǎn)約10℃的溫度，優(yōu)選是保持在不超過高于流體熔點(diǎn)約5℃的溫度。因此，例如，當(dāng)含生物分子的流體是水性流體時，最好是在發(fā)射過程中將該流體保持在約4℃。
此外，本發(fā)明還適合于評估和/或分配事實(shí)上是任何類型和所需量的流體。該流體可以是水性和/或非水性的。流體的例子包括但不限于水性流體，包括水本身和水溶劑化的離子和非離子溶液，有機(jī)溶劑，脂類液體，不混溶流體的懸浮液，以及固體在液體中的懸浮體或漿液。因?yàn)楸景l(fā)明容易適合于與高溫使用，所以可使用諸如液態(tài)金屬、陶瓷材料和玻璃的流體參見授予Ellson等的美國專利申請公開號2002007375和2002155231。此外，鑒于使用本發(fā)明技術(shù)可能的精確性，本發(fā)明可用來從適合于容納不超過約100nL流體、優(yōu)選是不超過約10nL流體的儲蓄器發(fā)射液滴。在一些情況下，發(fā)射器可適合于從適于容納約1-100nL流體的儲蓄器發(fā)射液滴。當(dāng)要發(fā)射的流體含有稀有或昂貴的生物分子時，本發(fā)明特別有用，其中，需要發(fā)射體積約為等于或小于1皮升的液滴，例如體積在約0.025-1pL的范圍內(nèi)。
應(yīng)注意到，有許多種不同的方法將聲學(xué)評估與流體分配結(jié)合起來，這取決于結(jié)合的預(yù)期目的。如上所述，在聲學(xué)評估了儲蓄器的內(nèi)容物之后可以從儲蓄器分配流體。這使得操作者能夠根據(jù)儲蓄器內(nèi)容物的狀況精調(diào)分配。此外，可以在聲學(xué)評估儲蓄器內(nèi)容物之前從儲蓄器分配流體。在該例中，聲學(xué)評估可用來確認(rèn)流體分配的質(zhì)量以及用來確保分配過程沒有出乎意料地改變儲蓄器的內(nèi)容物。例如，操作者通過評估從儲蓄器分配流體之后該儲蓄器中剩余的流體體積，可以確定從儲蓄器中實(shí)際移走的流體量。在一些例子中，聲學(xué)評估和流體分配可同時進(jìn)行。
因此，本發(fā)明的另一個實(shí)施方案涉及一種從一個或多個儲蓄器分配流體的方法。一旦定位聲輻射發(fā)生器與從多個儲蓄器中選取的一個儲蓄器形成聲耦合關(guān)系，由聲輻射發(fā)生器產(chǎn)生的聲輻射可傳輸透過選定儲蓄器的至少一部分。然后分析該聲輻射以評估儲蓄器的內(nèi)容物，并根據(jù)評估結(jié)果從選定的儲蓄器中分配流體。通常，流體通過聲發(fā)射進(jìn)行分配，盡管本發(fā)明方法可使用接觸式流體分配作為非接觸式流體分配的替代或補(bǔ)充。任選地，對于其它儲蓄器重復(fù)上述方法。
應(yīng)注意到，有許多種不同的方法將聲學(xué)評估與流體分配結(jié)合起來，這取決于結(jié)合的預(yù)期目的。如上所述，在聲學(xué)評估了儲蓄器的內(nèi)容物之后可以從儲蓄器分配流體。這使得操作者能夠根據(jù)儲蓄器內(nèi)容物的狀況精調(diào)分配。此外，可以在聲學(xué)評估儲蓄器內(nèi)容物之前從儲蓄器分配流體。在該例中，聲學(xué)評估可用來確認(rèn)流體分配的質(zhì)量以及用來確保分配過程沒有出乎意料地改變儲蓄器的內(nèi)容物。例如，操作者通過評估從儲蓄器分配流體之后該儲蓄器中剩余的流體體積，可以確定從儲蓄器中實(shí)際移走的流體量。在一些例子中，聲學(xué)評估和流體分配可同時進(jìn)行。
圖1示出了本發(fā)明裝置的一個優(yōu)選實(shí)施方案的簡化剖面圖。在該實(shí)施方案中，本發(fā)明裝置能夠?qū)Χ鄠€儲蓄器的內(nèi)容物進(jìn)行聲學(xué)評估，還能夠從儲蓄器聲發(fā)射流體的液滴。圖示的本發(fā)明裝置是處于形成結(jié)合于一基底的生物分子陣列的操作中。本文所有的附圖中，相同的部分用相同的附圖編號來表示。圖1不是按比例繪制的，為了表示清楚，一些尺寸被夸大了。裝置11包括多個儲蓄器，即至少兩個儲蓄器，第一儲蓄器表示為13，第二儲蓄器表示為15。每個儲蓄器適合于容納具有流體表面的流體。如圖所示，第一儲蓄器13含有第一流體14，第二儲蓄器15含有第二流體16。流體14和流體16各自具有流體表面，分別表示為14S和16S。流體14和流體16可以相同或不同。如圖所示，儲蓄器可具有大致相同的結(jié)構(gòu)，以使得基本上在聲學(xué)上是不可分辨的，但相同的結(jié)構(gòu)不是一個必要條件。如圖所示，儲蓄器是單獨(dú)的可拆卸部分，但是儲蓄器可以如上所述固定在基板或其它基底內(nèi)。例如，多個儲蓄器可包括位于孔板中的各孔，這些孔最好是但不必需是排列成陣列。儲蓄器13和15各自優(yōu)選是軸向?qū)ΨQ的(如圖所示)，具有垂直壁13W和15W，分別從圓形的儲蓄器底部13B和15B向上延伸并終止于開口13O和15O處，盡管可以采用其它的儲蓄器形狀。各儲蓄器底部的材料和厚度應(yīng)使得聲輻射可以透過并傳輸?shù)絻π钇鲀?nèi)的流體中。
該裝置還包括聲發(fā)射器33，聲發(fā)射器33包括產(chǎn)生聲輻射的聲輻射發(fā)生器35和聚焦裝置37，聚焦裝置37用于將聲輻射聚焦在欲由其發(fā)射液滴的流體內(nèi)位于流體表面附近的焦點(diǎn)。該聲輻射發(fā)生器含有與分析儀共享的轉(zhuǎn)換器36，如壓電元件。如圖所示，提供一組合單元38，該單元既用作控制器又用作分析儀的一個組件。組合單元38作為控制器工作時，該組合單元38賦予壓電元件36電能，該電能被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能和聲能。組合單元38作為分析儀的一個組件工作時，該組合單元接收并分析來自轉(zhuǎn)換器的電信號。該電信號由轉(zhuǎn)換器吸收并轉(zhuǎn)換機(jī)械能和聲能而產(chǎn)生。
如圖1所示，聚焦裝置37可包括單個實(shí)心塊(solid piece)，它具有凹面39用于聚焦聲輻射，但是該聚焦裝置可以是如下所述的其它方式構(gòu)造的。這樣，聲發(fā)射器33適合于產(chǎn)生聲輻射并聚焦，使得在與儲蓄器13和15進(jìn)而與流體14和16分別聲耦合時，從各流體表面17和19發(fā)射流體液滴。聲輻射發(fā)生器35和聚焦裝置37可用作單個單元，受單個控制器控制，或者它們可以獨(dú)立地進(jìn)行控制，這取決于所需的裝置性能。一般來說，單個發(fā)射器設(shè)計優(yōu)于多個發(fā)射器設(shè)計，因?yàn)橛脝蝹€發(fā)射器更容易獲得液滴布局的準(zhǔn)確性以及液滴尺寸和速度的一致性。
還有許多種方法將發(fā)射器33與各單獨(dú)的儲蓄器進(jìn)而與其中的流體聲耦合。一種方法是通過直接接觸，例如描述于授予Lovelady等的美國專利4,308,547中，其中，將具有分段電極的半球晶體構(gòu)成的聚焦裝置浸入待發(fā)射的流體中。上述專利還揭示，聚焦裝置可位于流體表面或表面以下。然而，當(dāng)發(fā)射器被用來發(fā)射在多個容器或儲蓄器中的不同流體時，上述將聚焦裝置與流體的聲耦合的方法是不符合要求的，因?yàn)樾枰磸?fù)地清潔聚焦裝置以避免交叉污染。清潔過程必定延長了各液滴發(fā)射事件之間的過渡時間。此外，在該方法中，當(dāng)從各容器中取出發(fā)射器時流體會粘附其上，浪費(fèi)了可能是昂貴的或稀有的材料。
因此，一種優(yōu)選方法是使發(fā)射器與儲蓄器以及儲蓄器流體聲耦合而不使發(fā)射器的任何部分(如聚焦裝置)與任何待發(fā)射流體接觸。為此，本發(fā)明提供了一個發(fā)射器定位裝置，用于可控且可重復(fù)地將發(fā)射器定位與儲蓄器中各流體聲耦合，由所述流體發(fā)射液滴，而可以不將發(fā)射器浸入流體中。這通常包括發(fā)射器和各儲蓄器外表面之間的直接接觸或間接接觸。當(dāng)使用直接接觸來將發(fā)射器與各儲蓄器聲耦合時，優(yōu)選的直接接觸是形狀完全相似的，以確保有效的聲能傳遞。也就是說，發(fā)射器與儲蓄器應(yīng)具有適合于配合接觸的對應(yīng)表面。因此，如果在發(fā)射器和儲蓄器之間通過聚焦裝置實(shí)現(xiàn)聲耦合，要求儲蓄器具有與聚焦裝置的表面輪廓相對應(yīng)的外表面。缺乏保形接觸會使得聲能傳遞的效率和準(zhǔn)確度降低。此外，由于許多聚焦裝置具有曲面，因此直接接觸法必需使用具有專門形成的反相表面的儲蓄器。
最好是，在發(fā)射器和各儲蓄器之間通過間接接觸實(shí)現(xiàn)聲耦合，如圖1A所示。在該圖中，聲耦合介質(zhì)25位于發(fā)射器和儲蓄器13的底部13B之間，發(fā)射器和儲蓄器互相之間間隔預(yù)定的距離。聲耦合介質(zhì)可以是聲耦合流體，優(yōu)選是與聲聚焦裝置37和各儲蓄器均保形接觸的聲學(xué)上均質(zhì)的材料。此外，重要的是確保流體介質(zhì)基本上不含其聲學(xué)性能不同于流體介質(zhì)本身的物質(zhì)。此外，優(yōu)選是聲耦合介質(zhì)包括其聲學(xué)性能能促進(jìn)有助于聲壓和聲強(qiáng)無明顯衰減的聲輻射傳輸?shù)奈镔|(zhì)。此外，耦合介質(zhì)的聲阻抗應(yīng)能促使能量從耦合介質(zhì)傳送至容器。如圖所示，第一儲蓄器13與聲聚焦裝置37聲耦合，使聲輻射發(fā)生器產(chǎn)生聲波，并被聚焦裝置37導(dǎo)向聲耦合介質(zhì)25，該介質(zhì)再將聲輻射傳輸至儲蓄器13。
操作中，儲蓄器13和15各自分別裝有第一流體和第二流體14和16，如圖1所示。聲發(fā)射器33是通過發(fā)射器定位裝置61(圖示位于儲蓄器13下方)定位的，以通過聲耦合介質(zhì)25在發(fā)射器和儲蓄器之間實(shí)現(xiàn)聲耦合。一旦發(fā)射器、儲蓄器和基底處于恰當(dāng)?shù)膶?zhǔn)關(guān)系，聲輻射發(fā)生器35被激發(fā)產(chǎn)生聲輻射，該聲輻射被導(dǎo)向第一儲蓄器的自由流體表面14S。然后，聲輻射將在大致朝上的方向朝自由流體表面14S傳送。聲輻射會在不同的情形下被反射。一般來說，當(dāng)聲輻射傳輸通過的介質(zhì)的聲學(xué)性能發(fā)生改變時會發(fā)生反射。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，朝上傳輸?shù)穆曒椛涞囊徊糠謺粌π钇鞯撞?3B和15B以及儲蓄器13和15中所含流體的自由表面14S和16S所反射。
如上所述，聲輻射可用作分析工具，還可以用來從儲蓄器發(fā)射液滴。在一種分析模式中，通常激發(fā)聲輻射發(fā)生器，以產(chǎn)生其能量不足以從流體表面發(fā)射液滴的低能量聲輻射。這通常通過使用相對于液滴發(fā)射所需(微秒級)而言非常短的脈沖(數(shù)十納秒級)來進(jìn)行。測定聲輻射被流體表面反射回到聲輻射發(fā)生器所耗費(fèi)的時間，然后將該時間與流體中的聲速相關(guān)聯(lián)起來，可以計算得到距離，并由此得出流體高度。當(dāng)然，必需注意以確?？紤]到被儲蓄器底部和流體之間的界面所反射的聲輻射并將其扣除，以使得只基于流體內(nèi)部聲輻射的傳輸時間進(jìn)行聲學(xué)評估。
因此，本發(fā)明相對于已知的聲學(xué)評估多個儲蓄器內(nèi)容物的技術(shù)而言具有顯著的進(jìn)步。如上所述，對流體儲蓄器內(nèi)容物的聲學(xué)評估通常包括放置傳感器與液體直接接觸。這意味著傳感器必需在每次使用之間進(jìn)行清潔以避免儲蓄器內(nèi)容物的交叉污染。與此相反，本發(fā)明能夠?qū)Χ鄠€容器的內(nèi)容物進(jìn)行評估而無需與這些容器的內(nèi)容物直接接觸。
盡管本領(lǐng)域中已知其它一些非接觸式聲學(xué)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)僅提供對儲蓄器內(nèi)容物間接且粗略的評估。例如，授予Dam的美國專利5,880,364所述的聲學(xué)系統(tǒng)使用了這樣一種方法從傳感器傳送聲輻射，透過容器的含空氣部分，然后從容器的氣液界面反射回到傳感器。將這一往返的傳播時間用來確定容器含空氣部分的體積。通過將整個容器的體積減去容器中不被液體所占的體積，確定容器中的液體體積。該方法的一個缺點(diǎn)是在不準(zhǔn)確地知道容器體積時無法準(zhǔn)確地評估容器內(nèi)的液體體積。當(dāng)使用小型儲蓄器，如組合技術(shù)中常用的儲蓄器時，上述問題尤為嚴(yán)重。鑒于這類儲蓄器的體積小，容器的尺寸可變性就相對較大。此外，當(dāng)完全不知道容器的體積或者該體積可變時，不能使用上述方法。最后，由于聲輻射從來不會穿透液體，因此反射的輻射充其量只能夠提供與液體表面相關(guān)的信息，而無法提供與液體本體有關(guān)的信息。
與此不同，由于本發(fā)明包括傳輸聲輻射透過適合于容納流體的各儲蓄器的一部分，因此所透射的聲輻射可提供與體積有關(guān)的信息以及與儲蓄器中流體性能有關(guān)的信息。例如，本發(fā)明提供了多個儲蓄器，其中各儲蓄器的一部分適合于容納流體。儲蓄器中所容納的流體必須正常接觸該儲蓄器的固態(tài)表面。當(dāng)本發(fā)明以反射模式使用時，產(chǎn)生的聲輻射的一部分可以被流體和固態(tài)表面之間的界面反射，而其余部分透過儲蓄器所容納的流體。然后，該透射的輻射被儲蓄器中所容納的流體的另一個表面如自由表面所反射。測定上述兩部分聲輻射之間往返傳播時間的差別，由此可以準(zhǔn)確地確定儲蓄器中流體的體積。此外，聲輻射透射過該流體還使得聲輻射的特性被流體改變。因此，可以通過分析經(jīng)透射的聲輻射的特性來推導(dǎo)出流體性能的有關(guān)信息。
此外，空氣與其它氣體一樣，具有低聲阻抗，聲輻射在氣態(tài)物質(zhì)中往往比在液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)中衰減得更多。例如，對于空氣而言在1MHz的聲輻射衰減約為10dB/cm，而對于水而言，該衰減為0.002dB/cm。由于授予Dam的美國專利5,880,364中所述的聲學(xué)系統(tǒng)要求聲輻射傳輸通過空氣，因此該系統(tǒng)需要更加多的能量來運(yùn)行。因此，本發(fā)明是一種能量上更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，可用來提供對多個流體儲蓄器的內(nèi)容物進(jìn)行更準(zhǔn)確和詳盡的評估。一些額外的準(zhǔn)確性可通過使用更高頻率的聲波(因而波長更短)來獲得，因?yàn)檫@些聲波可有效地透過液體但會在空氣中非常迅速地衰減。
為了用本發(fā)明裝置在基底上形成生物分子陣列，將基底53放置在鄰近第一儲蓄器13的上方，以使得基底的一面(圖1中示出的是下側(cè)表面51)面對儲蓄器，并與儲蓄器中流體14的表面14S大致平行。一旦發(fā)射器、儲蓄器和基底形成合適的對準(zhǔn)關(guān)系后，激發(fā)聲輻射發(fā)生器35以產(chǎn)生聲輻射，用聚焦裝置37將該聲輻射導(dǎo)向至靠近第一儲蓄器的流體表面14S的焦點(diǎn)14P。也就是說，產(chǎn)生其焦點(diǎn)位于流體表面附近的發(fā)射聲波，以發(fā)射至少一滴流體液滴。
使用上文所述的分析，可任選地與附加的數(shù)據(jù)相結(jié)合，確定該發(fā)射聲波的最佳強(qiáng)度和方向性。也就是說，可使用任何上述的常規(guī)或改進(jìn)的聲納技術(shù)。通常選擇“最佳”的強(qiáng)度和方向性來產(chǎn)生尺寸和速度一致的液滴。例如，可以使用由上述評估得到的與儲蓄器體積或流體性能數(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)以及儲蓄器的幾何形狀數(shù)據(jù)來確定發(fā)射聲波的所需強(qiáng)度和方向性。此外，這些數(shù)據(jù)會顯示重新定位發(fā)射器的需求，在需要時，相對于流體表面重新定位聲輻射發(fā)生器，以確保發(fā)射器聲波的焦點(diǎn)位于流體表面附近。例如，如果分析揭示聲輻射發(fā)生器的定位使得發(fā)射聲波不能聚焦在流體表面附近，那就利用垂直、平行和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來重新定位聲輻射發(fā)生器，以使得發(fā)射聲波恰當(dāng)?shù)鼐劢埂?br> 結(jié)果，液滴14D從流體表面14S發(fā)射到基底下側(cè)表面51的指定位點(diǎn)上。該發(fā)射的液滴可通過與基底表面接觸后的固化作用保留在基底表面上；在該實(shí)施方案中，需要將基底保持在低溫，即使液滴在接觸后發(fā)生固化的溫度。替換地或附加地，液滴內(nèi)的分子部分在接觸后通過吸附、物理固定或共價鍵合連接在基底表面上。
然后，如圖1B所示，基底定位裝置65將基底53重新定位到儲蓄器15上方以在第二指定位點(diǎn)接收來自儲蓄器15的液滴。圖1B還示出了用發(fā)射器定位裝置61將發(fā)射器33重新定位到儲蓄器15下方，通過聲耦合介質(zhì)25與儲蓄器15形成聲耦合關(guān)系。一旦形成恰當(dāng)?shù)膶?zhǔn)關(guān)系，激發(fā)發(fā)射器33的聲輻射發(fā)生器35，以產(chǎn)生低能輻射，用來評估儲蓄器15的內(nèi)容物和用來確定是否從該儲蓄器發(fā)射流體和/或如何發(fā)射流體。還可使用與該發(fā)射順序有關(guān)的歷史液滴發(fā)射數(shù)據(jù)。再者，可能存在重新定位發(fā)射器的需要，在需要時，相對于流體表面重新定位聲輻射發(fā)生器，以確保發(fā)射器聲波的焦點(diǎn)位于流體表面附近。如果評估的結(jié)果顯示可以從儲蓄器分配流體，那么使用聚焦裝置37將較高能量的聲輻射導(dǎo)向至流體16內(nèi)靠近流體表面16S的焦點(diǎn)16P，由此將液滴16D發(fā)射到基底53上。
應(yīng)該理解，裝置的各組成部分可以要求單獨(dú)控制或者同步化以在基底上形成陣列。例如，發(fā)射器定位裝置可以適合于以與欲在基底表面上得到的陣列相關(guān)的預(yù)定順序從各儲蓄器發(fā)射液滴。類似地，用于相對于發(fā)射器定位基底表面的基底定位裝置可以適合于定位基底表面以接收液滴在其上形成圖形或陣列形式。兩個定位裝置，即發(fā)射器定位裝置和基底定位裝置中的任一個或兩者可以由例如馬達(dá)、控制桿、滑輪、傳動裝置、上述部件的組合、或者本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的其它機(jī)電或機(jī)械裝置構(gòu)成。優(yōu)選是確保在基底的運(yùn)動、發(fā)射器的運(yùn)動和發(fā)射器的激發(fā)之間存在一定的對應(yīng)性，以確保恰當(dāng)?shù)匦纬申嚵小?br> 因此，本發(fā)明涉及評估多個儲蓄器的內(nèi)容物以及涉及從儲蓄器分配多種流體，例如為了在基底表面51上形成圖形或陣列。然而，存在許多種不同的方法，其中內(nèi)容物評估和流體分配可互相聯(lián)系起來。也就是說，可使用多個不同的順序來評估儲蓄器內(nèi)容物和從儲蓄器中分配流體。在一些例子中，可以在由任何一個儲蓄器分配流體之前評估多個儲蓄器的內(nèi)容物。在另一些例子中，可以在由每個儲蓄器即將分配流體之前評估該儲蓄器的內(nèi)容物。所用的順序通常取決于采用的具體流體分配技術(shù)以及該順序的預(yù)期目的。
圖2示出了本發(fā)明裝置的一個例子，該裝置用來以透射模式而非反射模式評估多個儲蓄器的內(nèi)容物。該裝置的設(shè)計和結(jié)構(gòu)的考慮事項(xiàng)類似于上文所述的內(nèi)容。因此，裝置11包括第一儲蓄器13和第二儲蓄器15，各儲蓄器適合于容納流體，分別以14和16表示，各儲蓄器具有大致相同的結(jié)構(gòu)。第一儲蓄器13圖示為敞開狀態(tài)，而第二儲蓄器圖示為密封狀態(tài)。將聲輻射發(fā)生器35定位在儲蓄器下方，分析儀38定位在儲蓄器上方與聲輻射發(fā)生器35呈相對關(guān)系的位置。
操作中，在使用移液管60從各儲蓄器分配流體之前，對各儲蓄器的內(nèi)容物進(jìn)行聲學(xué)評價。如圖所示，第一儲蓄器13的內(nèi)容物14已經(jīng)進(jìn)行過聲學(xué)評估。由于評估揭示第一儲蓄器13至少含有最小可接受量的流體14，因此將第一儲蓄器13打開，準(zhǔn)備用移液管60由其分配流體。如圖2所示，第二儲蓄器15的內(nèi)容物16正在進(jìn)行聲學(xué)評估，第二儲蓄器15放置在聲輻射發(fā)生器35和分析儀38之間。聲輻射發(fā)生器35和分析儀38分別通過耦合介質(zhì)25A和25B與第二儲蓄器聲耦合。一旦聲輻射發(fā)生器35、第二儲蓄器15和分析儀38處于合適的對準(zhǔn)關(guān)系，激發(fā)聲輻射發(fā)生器35以產(chǎn)生聲輻射，該聲輻射向著分析儀38透射過儲蓄器15及其內(nèi)容物16。用如上所述的分析儀38對接收的聲輻射如進(jìn)行分析。
圖3示出了可用于本發(fā)明的線型陣列的儲蓄器的一個實(shí)例。該線型儲蓄器陣列的形式是具有三行兩列孔的孔板11。如圖3A和3C所示，孔板的第一、第二和第三行的孔分別表示為13A和13B，15A和15B，以及17A和17B。每個孔均適合于容納具有流體表面的流體。如圖3B所示，例如儲蓄器13A、15A和17A分別裝有流體14A、16A和18A。各流體的流體表面表示為14AS、16AS和18AS。如圖所示，儲蓄器具有基本上相同的結(jié)構(gòu)，以使得它們基本上在聲學(xué)上是不可辨認(rèn)的，但是結(jié)構(gòu)相同不是一個必要條件。每個圖示的儲蓄器是軸向?qū)ΨQ的，具有垂直壁，從圓形的儲蓄器底部(用13AB、13BB、15AB、15BB、17AB和17BB表示)向上延伸并終止于相應(yīng)的開口處(開口由13AO、13BO、15AO、15BO、17AO和17BO表示)。儲蓄器的底部形成一共同的外底面19，該面基本上是平坦的。盡管可使用從孔板底面的所有邊緣向外延伸的全孔板裙邊(圖中未示出)，但圖中示出了部分孔板裙邊21，它從底面19的相對的較長縱邊向下延伸。儲蓄器底部的材料和厚度應(yīng)使得聲輻射能夠透射透過底部被傳輸至儲蓄器內(nèi)容納的流體。
圖4示出了使用圖3所示孔板的本發(fā)明裝置的一個優(yōu)選實(shí)施方案的側(cè)視圖。圖4示出的裝置1能夠?qū)Χ鄠€儲蓄器的內(nèi)容物進(jìn)行聲學(xué)評估，并且能從儲蓄器聲發(fā)射流體液滴以使生物分子連接在基底表面上。除了包括孔板11之外，該裝置還包括轉(zhuǎn)換器組件形式的聲發(fā)生器。更具體來說，轉(zhuǎn)換器組件是定相的聲陣列23，它被用作聲輻射發(fā)生器和分析儀。如圖6所示，定相聲陣列23具有大致為矩形的表面，聲輻射從該表面發(fā)射。如圖所示，矩形表面的長度與孔板的行對準(zhǔn)。為了確保在孔板11和定相的聲陣列23(下文將討論)之間形成恰當(dāng)?shù)穆曬詈?，?yōu)選是定相的聲陣列23超出孔板中數(shù)行孔的行長度但不大于沿孔板11列方向邊緣的裙邊21部分之間的距離。也就是說，定相的聲陣列的長度約為孔板的寬度(或者，如果孔板的行長大于列長則約為孔板的長度)。
如圖所示，定相的聲陣列23與孔板11聲耦合，而不接觸孔板11的孔內(nèi)的任何流體。這通常包括發(fā)射器和孔板11的外底面19之間的直接接觸或間接接觸。當(dāng)使用直接接觸將定相的聲陣列23與孔板11聲耦合時，優(yōu)選的直接接觸是形狀完全相似的，以確保有效的聲能傳遞。也就是說，定相的聲陣列發(fā)射聲輻射的表面和孔板的底面應(yīng)具有適合于配合接觸的相應(yīng)表面。缺乏保形接觸會使得聲能傳遞的效率和準(zhǔn)確度降低。
如圖4所示，在定相的聲陣列23和孔板11之間通過間接接觸實(shí)現(xiàn)聲耦合以增強(qiáng)聲輻射的傳遞。在該圖中，將流體聲耦合介質(zhì)25經(jīng)由孔板的外底面19放置在定相的聲陣列23和孔板儲蓄器的底部之間，定相的聲陣列23和孔板11互相之間相距預(yù)定的間距。在一些例子中，可以將聲耦合介質(zhì)涂敷在孔板的整個底面。然而，如圖4所示，耦合介質(zhì)25通過分配器29從耦合介質(zhì)源27引入，有選擇地涂敷在有需要的底面19上。由于定相的聲陣列適合于沿箭頭X所示方向相對于孔板底面19位移，因此分配器29在圖4中位于鄰近定相聲陣列23的前沿面。又如圖4所示，可使用任選的收集器31來收集可能從底面19上滴下的耦合介質(zhì)。圖示的收集器31含有耦合介質(zhì)源27，顯然耦合介質(zhì)可以循環(huán)使用。還可以使用其它用于引入和/或放置耦合介質(zhì)的裝置。
聲耦合流體優(yōu)選是與定相的聲陣列23和孔板的外底面19均保形接觸的聲學(xué)上均質(zhì)的材料。此外，重要的是確保流體介質(zhì)基本上不含其聲學(xué)性能不同于流體介質(zhì)本身的物質(zhì)。此外，優(yōu)選是聲耦合介質(zhì)包括其聲學(xué)性能能促進(jìn)在聲壓和聲強(qiáng)無明顯衰減下的聲輻射傳輸?shù)奈镔|(zhì)。此外，耦合介質(zhì)的聲阻抗應(yīng)促使能量從耦合介質(zhì)傳送至容器。
該裝置還包括聲發(fā)射器33，聲發(fā)射器33包括單個產(chǎn)生聲輻射的聲輻射發(fā)生器35和聚焦裝置37，用于將聲輻射聚焦在欲由其發(fā)射液滴的流體內(nèi)位于流體表面附近的焦點(diǎn)上。如圖4所示，聚焦裝置37包括單個實(shí)心塊，它具有凹面39用于聚焦聲發(fā)生器35產(chǎn)生的聲輻射，但是該聚焦裝置可以是如上所述的其它方式構(gòu)造的。這樣，聲發(fā)射器33適合于產(chǎn)聲輻射并聚焦，使得在與孔13A、15A和17A進(jìn)而與流體14A、16A和18A分別聲耦合時，例如從各流體表面14AS、16AS和18AS發(fā)射流體液滴。聲輻射發(fā)生器35和聚焦裝置37通常用作單個單元，受單個控制器控制，或者它們可以獨(dú)立地進(jìn)行控制，這取決于所需的裝置性能。一般來說，單個發(fā)射器設(shè)計優(yōu)于多個發(fā)射器設(shè)計，因?yàn)橛脝蝹€發(fā)射器更容易獲得液滴布局的準(zhǔn)確性以及液滴尺寸和速度的一致性。
如圖所示，發(fā)射器33通過聲耦合介質(zhì)與孔板間接接觸，以建立聲發(fā)射所需的聲耦合關(guān)系。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到，如上在聲學(xué)評估部分所述的間接接觸技術(shù)可容易地適合于聲發(fā)射。例如，如圖4所示，發(fā)射器33和定相的聲陣列23可以通過相同的流體聲耦合介質(zhì)25與孔板11聲耦合。在該例中，發(fā)射器33和定相的聲陣列23互相之間保持基本上相同的間距。或者，發(fā)射器和定相的聲陣列可以與孔板單獨(dú)耦合(圖中未示出)。
又如圖4所示，提供一可任選的刀片41，該刀片適順于孔板的外底面19。該刀片的工作原理與擋風(fēng)玻璃刮水器或雨刷滑過表面通過施加合適的壓力從上面除去水的原理相同。此外，可使用吸收材料通過擦拭或吸取作用除去耦合介質(zhì)。此外，如圖4所示，可使用真空干燥器43從孔板的外底面19上除去耦合介質(zhì)。如圖所示，該真空干燥器包括真空臺45，真空臺45與真空泵47流體相通。一旦對孔板進(jìn)行了聲學(xué)分析和任選的發(fā)射，該孔板就可以放在真空臺上以從上面除去任何殘留的耦合介質(zhì)。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到，還可以使用其它流體除去技術(shù)與本發(fā)明結(jié)合。
圖4所示的裝置可用來在基底上沉積液滴陣列。圖5示出了可以用本發(fā)明裝置形成的液滴陣列的實(shí)例。如圖所示，液滴陣列由六個液滴特征物(由14AD，14BD，16AD，16BD，18AD和18BD表示)形成于基底53的基本上平坦的表面51上。液滴特征物14AD，14BD，16AD，16BD，18AD和18BD分別由儲蓄器13A，13B，15A，15B，17A和17B中的流體發(fā)射。
圖6示出了圖4所示裝置處于以發(fā)射流體液滴形成圖5所示的液滴陣列的操作中。如圖6A-6C所示，提供了一種組合定位裝置61，用來對定相的聲陣列23定位為孔板底面19成聲耦合關(guān)系。該組合定位裝置61還用來沿箭頭X所示方向移動定相的聲陣列23、發(fā)射器33和刀片41。此外，如圖6E和6F所示，發(fā)射器33可以通過發(fā)射器定位裝置63沿箭頭Y所示方向進(jìn)行移動。如圖6A-6C所示，定相的聲陣列23、發(fā)射器33和刀片41通常保持互相之間相同的間距。在圖6A中，定相的聲陣列23處于評估儲蓄器13A和13B的內(nèi)容物的位置。聲輻射會在不同的情形下被反射。一般來說，當(dāng)通過其傳輸聲輻射的介質(zhì)的聲學(xué)性能發(fā)生改變時會發(fā)生反射。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，向上傳輸?shù)囊徊糠致曒椛鋾粌π钇鞯撞?3AB和13BB以及儲蓄器13A和13B中所含流體的自由表面所反射。因此，例如可以用定相的聲陣列23產(chǎn)生低能量聲輻射，以評估儲蓄器13A和13B中所含流體的體積。測定聲輻射被流體表面反射回到定相的聲陣列23所耗用的時間，然后將該時間與流體中的聲速相關(guān)聯(lián)起來，藉此可以計算得到距離，并由此得出流體高度和流體體積。當(dāng)然，必需注意以確?？鄢粌π钇鞯撞亢土黧w之間的界面所反射的聲輻射。
一旦儲蓄器13A和13B的內(nèi)容物已經(jīng)進(jìn)行了評估，如圖6B所示，組合定位裝置將定相的聲陣列23移動到位，對儲蓄器15A和15B的內(nèi)容物進(jìn)行評估。同時，定位發(fā)射器33使其與儲蓄器13A和13B對準(zhǔn)。結(jié)果，發(fā)射器33可從儲蓄器13A和13B的任何一個或兩個發(fā)射流體液滴，這取決于圖6A中使用定相的聲陣列23進(jìn)行的評估結(jié)果。在一些例子中，還可使用與發(fā)射順序有關(guān)的歷史液滴發(fā)射數(shù)據(jù)來確定是否從任一儲蓄器發(fā)射流體和/或應(yīng)如何發(fā)射流體。
為了形成如圖5所示的液滴陣列，液滴應(yīng)從每個儲蓄器發(fā)射。為了從儲蓄器13A發(fā)射流體液滴，發(fā)射器定位裝置63，如圖6B和6E所示，可以將發(fā)射器33直接定位在儲蓄器13A下方，通過聲耦合介質(zhì)25與儲蓄器形成聲耦合關(guān)系。此外，基底定位裝置65對基底53進(jìn)行定位，以使得基底表面51與儲蓄器13A形成恰當(dāng)?shù)囊旱谓邮贞P(guān)系。一旦發(fā)射器、儲蓄器和基底形成恰當(dāng)?shù)膶?zhǔn)關(guān)系，激發(fā)聲輻射發(fā)生器35以產(chǎn)生聲輻射，該聲輻射被導(dǎo)向至儲蓄器13A的自由流體表面14AS。然后，該聲輻射會以大致向上的方向向著自由流體表面14S傳送。結(jié)果，液滴14AD從流體表面14AS發(fā)射到基底53的下側(cè)表面51的指定位置上。該發(fā)射液滴可通過與基底表面接觸后的固化作用保留在基底表面上；在該實(shí)施方案中，需要將基底保持在低溫，即接觸后能使液滴固化的溫度。替換地或附加地，液滴內(nèi)的分子部分在接觸后通過吸附、物理固定或共價鍵合連接在基底表面上。
然后，用基底定位裝置65將基底53重新定位在儲蓄器13B上方，以在第二指定位點(diǎn)接收來自儲蓄器13B的液滴。圖6F示出了用發(fā)射器定位裝置63將發(fā)射器33重新定位到儲蓄器13B下方。一旦形成恰當(dāng)?shù)膶?zhǔn)關(guān)系，再次激發(fā)發(fā)射器33的聲輻射發(fā)生器35，以從儲蓄器13B發(fā)射流體。
在圖6C中，液滴67已經(jīng)沉積在基底表面53上成為液滴特征物，用組合定位裝置61將定相的聲陣列23定位至評估儲蓄器17A和17B的內(nèi)容物的位置。類似地，發(fā)射器33被定位在與儲蓄器15A和15B對齊的位置。又如圖6C所示，從儲蓄器15A發(fā)射流體液滴16AD。由于不再需要直接在儲蓄器13A和13B下方的聲耦合介質(zhì)25，用組合定位裝置61來移動刀片41，以將聲耦合介質(zhì)從孔板表面19導(dǎo)向至收集器31。一旦在基底表面512上完成了液滴陣列，將孔板11放在真空臺45上以確保從孔板11除去所有的聲耦合介質(zhì)，如圖6D所示。應(yīng)該理解，裝置的各組成部分可以要求單獨(dú)控制或者同步化以在基底上形成液滴陣列。例如，發(fā)射器定位裝置可以適合于以與欲在基底表面上得到的液滴陣列相關(guān)的預(yù)定順序從各儲蓄器發(fā)射液滴。類似地，用于相對于發(fā)射器定位基底表面的基底定位裝置可以適合于定位基底表面，以接收液滴在其上形成圖形或陣列形式。兩個定位裝置，即發(fā)射器定位裝置和基底定位裝置中的任一個或兩者可以由例如馬達(dá)、控制桿、滑輪、傳動裝置、上述部件的組合、或者本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的其它機(jī)電或機(jī)械裝置構(gòu)成。優(yōu)選確保在基底的運(yùn)動、發(fā)射器的運(yùn)動和發(fā)射器的激發(fā)之間存在一定的對應(yīng)性，以確保恰當(dāng)?shù)匦纬申嚵小?br> 因此，本發(fā)明涉及評估多個儲蓄器的內(nèi)容物以及涉及從儲蓄器分配多種流體，例如為了在基底表面51上形成圖形或陣列。然而，存在許多種不同的方法，其中內(nèi)容物評估和流體分配可互相聯(lián)系起來。也就是說，可使用多個不同的順序來評估儲蓄器內(nèi)容物和從儲蓄器中分配流體。在一些例子中，可以在由任何一個儲蓄器分配流體之前評估多個儲蓄器的內(nèi)容物。在另一些例子中，可以在由每個儲蓄器即將分配流體之前評估該儲蓄器的內(nèi)容物。所用的順序通常取決于采用的具體流體分配技術(shù)以及該順序的預(yù)期目的。
如授予Ellon等的美國專利申請公開號20020037579所述，聚焦的聲輻射可用來向著基底表面上的離散位點(diǎn)發(fā)射流體液滴，以將其液滴沉積在基底表面上，以及用來將流體從一套容器轉(zhuǎn)移至另一套容器。對于特定的診斷應(yīng)用或診斷用材料的準(zhǔn)備，優(yōu)選是使用同一聲學(xué)評估裝置來評估由其分配流體的儲蓄器的內(nèi)容物，并用來確定是否在基底上恰當(dāng)?shù)亟邮樟艘旱巍Ｒ虼?，顯然地，當(dāng)本發(fā)明用來在表面上沉積液滴時，本發(fā)明還可用來詢問基底以評估基底表面上液滴的內(nèi)容物和/或位置。
因此，本發(fā)明相對于已知的聲學(xué)評估多個儲蓄器內(nèi)容物的技術(shù)而言具有顯著的進(jìn)步。與先前已知的要求傳感器與待評估的儲蓄器內(nèi)流體直接接觸的聲學(xué)評估技術(shù)不同，本發(fā)明無需與這些容器的內(nèi)容物直接接觸就能夠?qū)Χ鄠€容器的內(nèi)容物進(jìn)行評估。此外，與授予Dam的美國專利5,880,364所述的非接觸式聲學(xué)系統(tǒng)不同，本發(fā)明進(jìn)行直接測量，可提供與儲蓄器中流體的體積和性能有關(guān)的信息。使用流體聲耦合介質(zhì)克服了與依靠氣態(tài)材料進(jìn)行聲耦合的技術(shù)相關(guān)的低聲阻抗問題。因此，本發(fā)明是一種能量上更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，可用來提供對多個流體儲蓄器的內(nèi)容物進(jìn)行更準(zhǔn)確和詳盡的評估。一些額外的準(zhǔn)確性可通過使用更高頻率的聲波(因而波長更短)來獲得，因?yàn)檫@些聲波可有效地透過液體但會在空氣中非常迅速地衰減。
此外，聲學(xué)評估通常是一項(xiàng)非侵入性技術(shù)，不論儲蓄器是否密封或敞開均可進(jìn)行。也就是說，聲學(xué)評估不需要提取用于分析的樣品，或者有其它可能導(dǎo)致樣品交叉污染的機(jī)械接觸。此外，與光學(xué)探測技術(shù)不同，光學(xué)上半透明或透明的儲蓄器不是必需的。當(dāng)然這使得用于儲蓄器結(jié)構(gòu)的材料的可選擇范圍較寬。此外，在儲蓄器構(gòu)造成含有光敏性流體的例子中，使用不透明材料是特別有利的。
作為另一個例子，本發(fā)明可以在無需打開儲蓄器條件下檢測密封儲蓄器的內(nèi)容物是否是至少部分凍結(jié)。當(dāng)知道儲蓄器含有一種在一定溫度范圍內(nèi)能作為流體流出的物質(zhì)，但不清楚該儲蓄器的溫度歷史(例如是否存在凍結(jié)解凍循環(huán))的情況時，本發(fā)明將是有用的。例如，水在約0-100℃的溫度范圍內(nèi)能夠作為流體流出。如果不清楚儲蓄器的外部溫度是否能預(yù)示儲蓄器的內(nèi)部溫度，但知道儲蓄器含有液態(tài)水，那么本發(fā)明的方法非常適合于確定儲蓄器的任何內(nèi)容物或所有內(nèi)容物是否是流體。
此外，本發(fā)明裝置可構(gòu)造成與用于物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)有基本設(shè)施和用于物質(zhì)處理的現(xiàn)有自動化系統(tǒng)高度相容。例如，本發(fā)明可適合于用作基于光學(xué)探測的內(nèi)容物評估裝置的替代手段或補(bǔ)充手段。在一些例子中，儲蓄器中可具有聲學(xué)標(biāo)記物(sonic marker)以確定儲蓄器的內(nèi)容物。因此，本發(fā)明在許多情形下可用作識別與控制的裝置，包括但不限于生物、生物化學(xué)和化學(xué)發(fā)現(xiàn)和分析的裝置。具體來說，本發(fā)明特別適用于對含有藥物溶液的儲蓄器的內(nèi)容物進(jìn)行評估。
在本發(fā)明的再一個實(shí)施方案中，聲輻射被用來測定與聲發(fā)射性能有關(guān)的流體參數(shù)。優(yōu)選是，該測定使用的裝置與聲發(fā)射本身使用的裝置為同一設(shè)備。
所述與聲發(fā)射有關(guān)的參數(shù)包括流體中的聲速和流體粘度。
我們先來討論聲速的測量，因?yàn)樵摐y量的結(jié)果是其它用途(如確定儲蓄器中流體體積)所需的。為了測量所涉及的流體中的聲速，第一種方法是(i)測量已知量的流體裝入一儲蓄器(為了便于說明，假設(shè)該儲蓄器朝上取向)，(ii)確定儲蓄器中流體頂部相對于流體底部的位置，(iii)由位于儲蓄器下方的轉(zhuǎn)換器向上透過流體朝其頂部發(fā)送聲輻射的單音脈沖，(iv)測量單音脈沖回波從流體頂部返回到轉(zhuǎn)換器所耗的時間。
更具體地說，聲波在一種材料中的傳輸時間是聲輻射傳輸經(jīng)過該材料的距離除以該材料中的聲速。剛才描述的用于測量聲速的單音脈沖具有從轉(zhuǎn)換器傳輸經(jīng)過許多種材料至儲蓄器中流體頂部的能力。在一個示例的聲發(fā)射系統(tǒng)中，單音脈沖能夠傳輸通過用于聚集聲輻射的透鏡、用于將該輻射與儲蓄器耦合的耦合裝置、儲蓄器本身，然后是儲蓄器中的流體。
如果儲蓄器中流體的深度是已知的話，一種測量聲速的簡單方法是當(dāng)聲輻射的單音脈沖被向上發(fā)送到流體時，在轉(zhuǎn)換器處檢測來自儲蓄器-流體界面的回波和來自流體頂部的回波。兩個回波的時間差是聲輻射經(jīng)過流體的單程傳輸時間的兩倍。用流體的深度除以單程傳輸時間，計算得到聲速。
在剛才所述的方法的一種變化形式中，代之以檢測自儲蓄器-流體界面的回波，進(jìn)行以下步驟(i)由材料的已知的尺寸和性能，計算聲輻射單音脈沖在進(jìn)入流體之前傳輸經(jīng)過材料的傳輸時間T′，(ii)從單音脈沖自轉(zhuǎn)換器至流體頂部的傳輸時間T(由檢測來自流體頂部的單音脈沖回波來測定)中減去計算得到的傳輸時間T′。
直接測量儲蓄器中流體的深度是費(fèi)時或笨拙的。第二種測量未知流體中聲速的較佳方法如下，該方法無需直接測量流體深度(i)將一個固態(tài)物體浸入流體中，該固態(tài)物體浸入到離儲蓄器底部已知距離的位置，(ii)由位于儲蓄器下方的轉(zhuǎn)換器發(fā)送聲輻射的單音脈沖，向上透過流體射向浸入的固態(tài)物體，(iii)測量單音脈沖的回波自浸入的固態(tài)物體回到轉(zhuǎn)換器所耗的時間T。從該時間T中減去在轉(zhuǎn)換器與儲蓄器內(nèi)流體底部之間的傳輸時間T′，由此得到在流體底部和浸入物體之間的傳輸時間。如果流體底部和浸入物體之間的距離是已知的，那么就可以容易地得到聲速。T′可以如上所述來確定。
聲發(fā)射系統(tǒng)通常具備將物體相對于流體儲蓄器在垂直方向(為方便起見，稱作z方向)進(jìn)行精確定位的裝置。如果足夠精確地已知儲蓄器底部的z位置，可利用該精確定位來將上述固態(tài)物體自動地放置在離儲蓄器底部已知距離的位置。該精確定位的能力避免了直接測量流體本身深度的需要。
用于測量流體中聲速的另一種優(yōu)選技術(shù)是(i)將一個固態(tài)物體放置在儲蓄器的流體內(nèi)位于兩個z位置，這兩個位置之間隔開已知的間距d，(ii)檢測單音脈沖自在上述兩個位置的所述固態(tài)物體的回波。如果這兩個回波在發(fā)生單音脈沖之后的時間T1和T2時產(chǎn)生，則可以推斷聲波以1/2(T1-T2)的時間穿過流體中的距離d，因此聲速為2d/(T1-T2)。上述方法使得在無需知道儲蓄器流體底部的確切z位置的情況下仍能對聲速進(jìn)行估算。該間距d優(yōu)選是幾毫米。
聲速的測定優(yōu)選是使用聚集聲輻射，這是一種通常可從用于聲發(fā)射的轉(zhuǎn)換器得到的輻射。在這種情況下，優(yōu)選是考慮輻射的聚焦對聲速計算進(jìn)行校正。在G.S.Kino，Acoustic wavesDevices，imaging and analog signal processing(Prentice Hall 1987)中有對該類型校正的總體討論。
在剛才所述的方法的實(shí)施過程中，可使用多種浸入的固態(tài)物體。然而，優(yōu)選是，浸入的固態(tài)物體具有的聲阻抗充分地不同于流體的聲阻抗，以使得反射的回波信號足夠強(qiáng)，從而能容易地將背景與其它回波區(qū)別開來。用于此目的的一種有用的固態(tài)物體可以是流體轉(zhuǎn)移應(yīng)用中常用的一次性針具(disposable pintool)，如VP248(V&P Scientific，San Diego，California)，該針具具有長度為12mm的針，其頂端直徑為1.0mm，由聚丙烯制得。在聲發(fā)射系統(tǒng)中，通常在源儲蓄器(source reservoirs)上方具有一個靶位即目標(biāo)位置，這種類型的一次性針具可以裝入其中。然后，通過上述方法z定位儲蓄器或一次性針具，完成所需的浸入。
剛才所述的方法還可以用沿非垂直方向?qū)虻穆曒椛鋪磉M(jìn)行。這樣做的話，能夠有益地沿對聲輻射導(dǎo)向的方向精確地定位浸入的物體。
可以使用超聲波來實(shí)驗(yàn)測定粘度。一種可用的方法是沿z方向朝流體表面發(fā)送單音脈沖，其能量足以使流體表面產(chǎn)生明顯的振動。在該單音脈沖之后，向流體表面發(fā)送一系列的多個單音脈沖，優(yōu)選是能量較小和持續(xù)時間短暫的單音脈沖，以詢問流體表面的位置。優(yōu)選是，再發(fā)送100個或更多個所述單音脈沖。對于每一個所述再發(fā)送的單音脈沖，測定回波延遲。由測得的一系列回波延遲得到回波延遲對時間的曲線，擬合指數(shù)阻尼正弦曲線或其它指數(shù)阻尼曲線。然后，將擬合的指數(shù)阻尼曲線的指數(shù)式衰減時間與對已知粘度的流體的相同實(shí)驗(yàn)中觀測得到的衰減時間進(jìn)行比較。將已知的粘度乘以待測定流體的指數(shù)式衰減時間除以已知流體的指數(shù)式衰減時間得到的比值，得到待測定流體的粘度。
前述方法的各步驟可以編程到典型的聲發(fā)射系統(tǒng)的控制器中，但將含流體的儲蓄器和可浸入的固態(tài)物體插入到聲發(fā)射系統(tǒng)的步驟可能除外。這類控制器可包括基于計算機(jī)或類似微處理器的系統(tǒng)，該系統(tǒng)執(zhí)行軟件或微程序語言，可以由一臺或多臺專門設(shè)計用來進(jìn)行數(shù)字信號處理(DSP)算法的或具有進(jìn)行該算法的特別優(yōu)勢的微處理器來協(xié)助。該控制器還可包括通信硬件，如網(wǎng)絡(luò)界面及相應(yīng)的軟件來與其它實(shí)驗(yàn)室自動化裝置和通用計算機(jī)進(jìn)行通信。還應(yīng)理解，某些聲發(fā)射系統(tǒng)可以具有還能插入含流體的儲蓄器和可浸入的固態(tài)物體的自動化處理裝置，或者與該裝置相連，所述裝置在電子控制器或類似系統(tǒng)的控制之下，所述系統(tǒng)可執(zhí)行包含為進(jìn)行上述方法設(shè)計的編碼的軟件或微程序語言。圖10是實(shí)施本發(fā)明方法的整個實(shí)驗(yàn)室自動化環(huán)境的一個例子的示意圖。
當(dāng)準(zhǔn)備對一種新的流體進(jìn)行聲發(fā)射時，通常使用那些在先前對其它流體的工作中被研究過的聲輻射波形并對其進(jìn)行調(diào)整。本領(lǐng)域中已經(jīng)研究過多種此類波形。公開出版物包括授予Lovelady等的美國專利號4,308,547，授予Elrod等的U.S.5,122,818，授予Stearns的U.S.5,808,636，以及授予Takayam等的U.S.5,912,679。此類波形可以例如由一個或多個具有特定持續(xù)時間和相對間距的純正音調(diào)(pure tone)組成，由一個或多個具有特定持續(xù)時間和相對間距的白噪聲脈沖(任選地帶寬受限的)組成，或者由一個或多個具有特定的啟動和結(jié)束頻率以及持續(xù)時間和相對間距的線性調(diào)頻脈沖組成。合適的一大類用于發(fā)射的單音脈沖波形由兩個或三個線性調(diào)頻脈沖組成，這些線性調(diào)頻脈沖不具有相同的頻率特征，隔開的間隔時間優(yōu)選為數(shù)十或數(shù)百微秒，取決于發(fā)射過程觀測的特征。
為了依賴先前已經(jīng)對其它流體進(jìn)行的工作，對于多種此類流體的每一種，均記錄產(chǎn)生特定液滴體積的波形和聲能水平，以及這些流體的物理參數(shù)。然后，通過一套物理參數(shù)(例如粘度和聲速)來表征新流體，以及使用這些物理參數(shù)加上所需液滴體積來內(nèi)插或外推波形參數(shù)，由那些已經(jīng)確定的波形參數(shù)來發(fā)射已知體積的液滴。
可使用本領(lǐng)域中已知的不同模式的內(nèi)插或外推。例如，可以通過具有先前所研究流體的信息的聲發(fā)射系統(tǒng)的控制器中執(zhí)行的軟件或微程序語言來進(jìn)行內(nèi)插或外推。內(nèi)插或外推給出實(shí)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)的起點(diǎn)，以最終獲得發(fā)射所需的液滴尺寸。
可能會發(fā)生這樣一種情況新流體與先前研究過的流體相似，其中，新流體與一種先前研究過的流體混合物相似但各組分的組成百分比不同。在這種情況下，優(yōu)選是，基于各組分的百分比進(jìn)行內(nèi)插或外推，而不是基于流體的物理性質(zhì)進(jìn)行內(nèi)插或外推。同樣地，新流體可以與先前研究過的流體相似，其中，新流體是與一種先前研究過的流體具有相同的溶劑和溶質(zhì)的溶液，但溶質(zhì)的濃度不同。在這種情況下，溶質(zhì)的濃度是比流體的物理性質(zhì)更好的內(nèi)插或外推的基礎(chǔ)。
使用先有知識來調(diào)整先前用來發(fā)射液滴的波形的方法特別適合于在聲發(fā)射系統(tǒng)的控制器的控制之下自動地進(jìn)行，盡管該方法也可以用人工于預(yù)來進(jìn)行。所述控制器優(yōu)選可包含例如通過軟件或微程序語言進(jìn)行程序編制，指揮聲發(fā)射系統(tǒng)的操作。
在探索發(fā)射一種新流體的液滴時，一個重要的考慮因素是用來發(fā)射的聲能水平。增加振幅會增強(qiáng)傳送到自由表面附近的聲能。聲能提供將液滴自流體本體分離的能量，克服阻止這一分離的力，如表面張力和重力。聲能還提供液滴以動能。
尋找適合于發(fā)射一種流體的液滴的聲能水平的一種方法是使用一種單音脈沖波形和能量水平，視覺觀察是否有液滴射出。如果沒有液滴射出，則遞加單音脈沖能量直至產(chǎn)生發(fā)射。視覺觀察可通過照相機(jī)進(jìn)行，照相機(jī)產(chǎn)生圖像，可通過人或自動化對圖像進(jìn)行分析以確定是否發(fā)生了發(fā)射。這種方法的一個缺點(diǎn)是需要使用照相機(jī)，該裝置在聲發(fā)射系統(tǒng)中沒有其它的用途。
或者，可以使用Stearns的美國專利申請序號10/956,616中所述的技術(shù)，對適合于從一種新流體發(fā)射所需體積的液滴的單音脈沖波形的聲能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)。上述專利申請還討論了實(shí)驗(yàn)確定轉(zhuǎn)換器的最佳位置，以從容納在特定儲蓄器中的特定體積的流體進(jìn)行發(fā)射。
在實(shí)驗(yàn)確定對一種新流體合適的聲能水平的過程中，通常在一個已知特性的儲蓄器中放置一定量新流體，將該儲蓄器與超聲波發(fā)射系統(tǒng)連接。查看流體的水平面應(yīng)是可發(fā)射的。例如，如果水平面太深以至于無法聚焦在流體頂部附近，則水平面通常太高以至于不能發(fā)射。如果水平面低得使發(fā)射的液滴所含流體多于位于儲蓄器內(nèi)的流體，則水平面太低。優(yōu)選是，為了試驗(yàn)的目的，流體在儲蓄器的水平面遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聲發(fā)射系統(tǒng)能夠聚焦聲能的最高點(diǎn)，并含有預(yù)期或所需液滴體積的許多倍的流體。應(yīng)該注意到，盡管有這些限制，仍可用少量的新流體進(jìn)行本文建議的方法步驟來確定聲能水平，例如用50μL或10μL或5μL或者甚至更少的新流體，因?yàn)檫@些方法不涉及多少流體的實(shí)際發(fā)射，還因?yàn)樵谌魏吻樾蜗?，對于頻率在5-10MHz范圍的典型波形，發(fā)射的液滴往往非常小，為數(shù)十納升(nanoliters)的數(shù)量級。對于頻率在30MHz以上的波形，發(fā)射的液滴的體積顯著地小于納升，甚至可以是皮升或更小。
根據(jù)申請序號10/956,616的專利申請，對波形的恰當(dāng)能含量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定時，可進(jìn)行如下步驟。將如上所述內(nèi)插或外推得到的波形依比例縮回到一個較低的能量水平，操作者基于內(nèi)插或外推能合理地確信該水平是不足以發(fā)射液滴的水平。然后，用合適的控制器和超聲波轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生上述依比例縮回的波形，將其發(fā)送至位于流體頂表面下方一至五個波長處的焦點(diǎn)。此后過了一段時間，例如數(shù)百微秒，發(fā)送探測脈沖至流體表面。優(yōu)選是該探測脈沖是短暫的，例如一個或兩個周期，優(yōu)選是在轉(zhuǎn)換器的中心頻率。同樣地，優(yōu)選是，探測脈沖的能量足夠低，使得不會明顯地進(jìn)一步擾動流體表面。
可任選地，將來自探測脈沖的回波通過濾波或其它方式與收發(fā)器傳感到的其它輸入信號相分離。然后，對該回波進(jìn)行傅里葉型變換算法，例如快速傅里葉變換算法(FFT)。傅里葉型變換算法是能夠達(dá)到通過下述技術(shù)計算的結(jié)果的任何算法，所述技術(shù)包括一個用離散變量或連續(xù)變量的復(fù)指數(shù)函數(shù)執(zhí)行或逼近樣品數(shù)據(jù)的離散卷積或連續(xù)卷積的步驟。該算法例如包括離散傅里葉變換(DFT)。
正如申請序號為10/956,616的專利申請中所討論的，經(jīng)驗(yàn)確定如下關(guān)系式ET＝A×ln(min_spacing)+B，其中，ET是單音脈沖能量和發(fā)射閾值之差，“min_spacing(最小間隔)”是經(jīng)FFT變換的回波波形的兩個最小值之差，以MHz為單位(或者某一其它的方便的頻率單位)。值A(chǔ)和B隨流體稍有變化。給定其中min_spacing以MHz表達(dá)的以分貝為單位的ET，對于70％DMSO和30％水的混合物，測得A和B的示例值為0.44和0.49min_spacing。
如果對新流體測定了min_spacing，那么可使用所述關(guān)系式來確定該流體的近似發(fā)射閾值。該近似發(fā)射閾值可用來確定適合于發(fā)射該新流體液滴的單音脈沖的能量。單音脈沖的能量可以例如是高出近似發(fā)射閾值0.5dB、1.0dB或1.5dB。用來確定近似發(fā)射閾值的A值和B值應(yīng)該是具有相似的粘度、表面張力和/或聲速的流體的上述值，或者可以基于新流體的粘度、表面張力和/或聲速值，從多種此類流體的A值和B值內(nèi)插或外推。
一旦確定了用于發(fā)射新流體的液滴的試驗(yàn)單音脈沖的能量和內(nèi)插或外推波形，就可以將該試驗(yàn)單音脈沖施加到流體上。在這樣做時，便利的是使用申請序號10/956,616的專利申請中所述的位置優(yōu)化技術(shù)。簡要來說，該項(xiàng)技術(shù)包括對于固定的單音脈沖波形和能量和對許多個該單音脈沖射向的焦點(diǎn)位置測定如上所述的最小間距，在這些測定值的基礎(chǔ)上選擇一個產(chǎn)生最小的最小間距的焦點(diǎn)位置。
在將該試驗(yàn)單音脈沖施加到流體上之后，可以視覺觀察是否有液體射出?；蛘?，對于更加自動化的操作，可以用數(shù)字照相機(jī)來捕捉發(fā)射過程的數(shù)字圖像，并人工或自動化分析這些數(shù)字圖像，確定發(fā)生了發(fā)射?；蛘撸梢苑磸?fù)地使流體經(jīng)受試驗(yàn)單音脈沖，觀察在儲蓄器內(nèi)流體的水平面(level)上是否具有比例效應(yīng)?；蛘呖梢赃M(jìn)行如下步驟(a)將試驗(yàn)單音脈沖發(fā)送到一個將發(fā)射的所有液滴捕獲到另一個儲蓄器中的裝置，該儲蓄器可以是空的或者填充至一已知的水平。在發(fā)送試驗(yàn)單音脈沖很多次(例如200至1000次)以后，可進(jìn)行(b)，(b)使用聲能來確定所述另一個儲蓄器中流體的水平面，并且(c)查看該流體的水平面是否與試驗(yàn)單音脈沖的次數(shù)成比例。如果這些試驗(yàn)顯示未發(fā)生發(fā)射，則可以逐漸提高試驗(yàn)單音脈沖的能量并參看對于選定的波形轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生的一些能量是否最終會產(chǎn)生發(fā)射。
聲學(xué)確定用一試驗(yàn)單音脈沖是否發(fā)射出液滴的另一種方法是使用探測脈沖來確定是否已經(jīng)發(fā)生了發(fā)射。該方法相對于前述方法的優(yōu)點(diǎn)包括反復(fù)的發(fā)射耗費(fèi)較少的時間，不消耗顯著量的新流體，在可得到少量的流體或者流體昂貴時更為適合。
在尋求聲學(xué)檢測發(fā)生發(fā)射的過程中，檢測試驗(yàn)單音脈沖之后的多個探測脈沖的回波，例如間隔200μs的50個探測脈沖。隨著試驗(yàn)單音脈沖的功率從低于發(fā)射閾值到高于發(fā)射閾值按比例放大，探測脈沖的回波圖形如圖9A-9H所示發(fā)生變化。在這些圖中，圖形的縱軸是時間，單位是納秒(ns)，時間值沿向下方向增加。橫軸示出了探測脈沖的次數(shù)，在作出該圖形的實(shí)驗(yàn)中這些探測脈沖間隔200μs且非常短暫(約為一個周期)。該圖形內(nèi)的灰度級強(qiáng)度表示轉(zhuǎn)換器接收的聲信號的值。相對于發(fā)射閾值測定功率，因此例如0.0dB表示試驗(yàn)單音脈沖處于發(fā)射閾值。可以看到，隨著試驗(yàn)單音脈沖的功率按比例放大，存在來自每一個探測脈沖的短的主回波以及一系列的附加回波(further echoes)，其振幅大于主回波。由圖可見，當(dāng)功率低于發(fā)射閾值時附加回波相對迅速地消失，當(dāng)功率高于發(fā)射閾值時附加回波持續(xù)的時間明顯更長。因此，在逐步增加功率時，附加回波的持續(xù)時間被用來區(qū)分發(fā)生發(fā)射和未發(fā)生這兩種狀況。
區(qū)分功率區(qū)域在發(fā)射閾值之上和之下的另一種方法也可參見圖9A-9H。在低于發(fā)射閾值的區(qū)域內(nèi)，附加回波呈淺U形，隨時間推進(jìn)重新結(jié)合到主回波中。在大于發(fā)射閾值的區(qū)域，附加回波通常不會重新結(jié)合到主回波中，而是簡單地逐漸消失。在圖9A-9H中可見，重新結(jié)合和/或逐漸消失發(fā)生在大約15個探測脈沖進(jìn)入該過程的時候，即在試驗(yàn)單音脈沖之后約3ms時。
在對9A-9H所示的回波圖形進(jìn)行解釋時，記住以下這些內(nèi)容將是有用的。試驗(yàn)單音脈沖通常會使得流體表面產(chǎn)生高于焦點(diǎn)的堆(mound)。在這個堆之上，如果聲能足夠，會形成一個非常粗略的聲波長的直徑的凸出物(projection)。具有足夠的能量，液滴會從該凸出物上收縮(pinch off)并向上前進(jìn)，因此被發(fā)射出去。凸出物和堆的形跡(vestige)會隨后(時標(biāo)為毫秒或數(shù)十毫秒)下沉回至流體本體的水平面。淺U形的附加回波和主回波的重新結(jié)合對應(yīng)于堆的下沉。附加回波的逐漸消失對應(yīng)于液滴從該凸出物的收縮。位于較高的功率水平時，收縮之后可以是來自凸出物所剩余的淺U形。
在實(shí)施剛才所述的方法來聲學(xué)確定是否由試驗(yàn)單音脈沖發(fā)射了液滴的過程中，可以使用一種圖像-圖形匹配算法(image-pattern matching algorithm)，該算法將來自于一個事件的回波圖像與已知發(fā)射事件的圖像“庫”進(jìn)行比較。該圖形匹配方法還可以配有適當(dāng)?shù)膸欤杂脕泶_定試驗(yàn)單音脈沖的能量與發(fā)射閾值能量之間的差別、是否形成多個液滴，或者是否液滴是否后退回到儲蓄器中。
在所用的試驗(yàn)單音脈沖波形具有隔開一時間間隔的多個離散片段(例如音調(diào)(tones)或線性調(diào)頻脈沖)的情況下，回波的圖形會受到存在單獨(dú)片段的影響?；夭▓D形可能在回波的中央不精確地遵循圖9A-9H的圖形。然而，回波圖形中附加回波重新結(jié)合到主回波的那部分通常應(yīng)具有圖9A-9H中圖形的形式。
確定對于一給定波形的合適的能量水平的方法不會花費(fèi)大量時間來進(jìn)行。如在本文其它部分所述，發(fā)射可以以至少每秒10次的速率進(jìn)行，可能地甚至是每秒100次。在對同一個儲蓄器進(jìn)行發(fā)射而且不涉及聲輻射發(fā)生器的機(jī)械運(yùn)動的情況下，可以更為迅速地進(jìn)行發(fā)射。此處的試驗(yàn)單音脈沖所耗時間與實(shí)際發(fā)射相類似。可以預(yù)計，用不超過35次的試驗(yàn)單音脈沖能夠確定合適的能量水平(a)兩次測定聲速，(b)三次測定流體的高達(dá)三個的額外特征(如粘度)以用于內(nèi)插或外推，(c)10次確定將最小間距與能量關(guān)聯(lián)起來的″A″系數(shù)的值，(d)10次確定產(chǎn)生最小的最小間距的焦點(diǎn)位置，(e)如果使用公式ET＝A×ln(最小間距)+B預(yù)測的能量不能立即實(shí)現(xiàn)發(fā)射，那么再有10次向上提升能量直至實(shí)現(xiàn)發(fā)射。在每秒10次試驗(yàn)單音脈沖的情況下，聲能的確定僅耗時3.5秒鐘加上額外的在(b)部分的各單音脈沖之后的100ms，該時間允許一些額外的時間用于良好地測定衰減系數(shù)，總共為3.8秒。如果單音脈沖能夠以每秒鐘100次的速率發(fā)送，在各單音脈沖的部分(b)之后還有額外的100ms，整個時間應(yīng)為650ms。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，一旦對于一具體流體確定了能夠發(fā)射液滴的聲波形，就能夠測量發(fā)射的液滴的尺寸，具體是通過查看用該聲輻射波形發(fā)射一個或多個液滴對于液滴發(fā)射進(jìn)入的另一個儲蓄器中流體的水平面的影響。為了進(jìn)行此類測量，優(yōu)選是該所述另一個儲蓄器的尺寸是已知的，尤其是其垂直于垂直方向的橫截面。優(yōu)選是，所述另一個儲蓄器是圓柱形的。優(yōu)選是使用比較大數(shù)目的液滴，例如200個至1,000個，使在所述另一個儲蓄器的流體水平面上具有容易測量的效果。所述液滴數(shù)目可以更多或更少，取決于液滴與儲蓄器的橫截面面積的相對尺寸比例。優(yōu)選是通過聲輻射測量所述另一個儲蓄器的流體水平面。將橫截面與水平面信息一起用來計算所述另一個儲蓄器中流體的量?？赡艿兀谒隽硪粋€儲蓄器內(nèi)的不同位置測量流體的水平面，以考慮到任何有可能的彎液面效應(yīng)。所述另一個儲蓄器中流體水平面的測定可如下進(jìn)行在一個單獨(dú)的聲發(fā)射系統(tǒng)中，重新定位所述另一個儲蓄器，使該儲蓄器處于聲輻射發(fā)生器將聲輻射發(fā)送入其中的合適位置。如果聲發(fā)射系統(tǒng)具有源孔板和目標(biāo)孔板的位置，則含有所述另一個儲蓄器的孔板最初處于目標(biāo)孔板的位置，接收發(fā)射的液滴。然后移開位于源位置的孔板放置于他處，而具有所述另一個儲蓄器的孔板將被移動至源位置，以通過聲學(xué)測量來確定其流體水平面。
一旦確定了由處于實(shí)驗(yàn)確定的能量水平內(nèi)插或外推波形而實(shí)際得到的液滴尺寸，可以進(jìn)一步改變該波形，可能的是迭代地改變，以更接近地逼近所需的液滴尺寸。例如，可以降低傳送聲能的頻率，以增加液滴傳送的流體量。如果發(fā)現(xiàn)對于波形參數(shù)修正m得到的液滴體積變化ΔV是獲得所需最終液滴體積所需要的體積變化的x倍，那么較好是在下一次迭代中代之以對參數(shù)施加修正值m/x，以更加接近所需體積。
如在他處更詳細(xì)地描述的，本發(fā)明的聲發(fā)射系統(tǒng)可具有接收含多個儲蓄器(如孔板)的組件的能力，并具有將聚焦的聲能導(dǎo)向任一儲蓄器中流體的能力，優(yōu)選是通過聲能發(fā)生器的恰當(dāng)運(yùn)動。本文中所述的用于測定流體特性的方法，用于在其它流體的信息基礎(chǔ)上測定適合于從該流體發(fā)射的單音脈沖的波形的方法，用于確定適合于從該流體發(fā)射的能量水平的方法，以及用于確定由單音脈沖發(fā)射的流體的量的方法，如果在聲發(fā)射系統(tǒng)中操作一種以上的流體，例如位于孔板不同孔中的不同流體，上述方法可以對于多于一種的流體自動地進(jìn)行。例如，可以對384孔板的每個孔內(nèi)的不同流體進(jìn)行上述分析?？梢詫τ谠S多孔更有效地完成上述過程中的一些步驟，然后進(jìn)行到下一個步驟。例如，可以對于所有的孔測定聲速，然后對于至少一個孔測定液滴發(fā)射的能量水平。
具體來說，用于測定液滴尺寸的過程會要求將所述另一個儲蓄器相對于聲輻射發(fā)生器進(jìn)行相對較費(fèi)時的重新定位，該過程會受益于在孔板的許多個孔上平行地進(jìn)行多個液滴發(fā)射，然后再進(jìn)行重新定位步驟以測量所述另一個儲蓄器中流體的水平面。對于位于單個儲蓄器中的單個流體，可能需要10個周期的500個發(fā)射來達(dá)到適當(dāng)?shù)捏w積。周期的發(fā)射部分會耗時例如每個1分鐘，要是發(fā)射以10次/秒的速率進(jìn)行的話。根據(jù)可得的自動化處理裝置，可能還需要另外2分鐘進(jìn)行接收發(fā)射液滴的所述另一個儲蓄器相對于聲輻射發(fā)生器的重新定位以及用于測定所述另一個儲蓄器中的流體水平面(該操作本身需要1秒鐘或更短)。因此，對于一種單一的流體，水平面測定后的10個周期的發(fā)射將耗時每個3分鐘，或者如果需要10個周期的話，總共半小時以達(dá)到合適的接近于所需的液滴體積。另一方面，對位于孔板上的10種不同的流體平行進(jìn)行分析，發(fā)射所有10種流體的500個液滴耗時10分鐘，孔板的重新定位仍需2分鐘，測定10個孔中流體深度的時間仍非常有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.5分鐘。因此，10個周期耗時10×12.5分鐘＝125分鐘，即每種流體12.5分鐘，與之相對，如果流體被單獨(dú)處理的話需耗時半小時。應(yīng)該理解，所需的周期數(shù)可以變化，以至于可以僅用兩個周期的500個發(fā)射來進(jìn)行液滴標(biāo)定，只要液滴體積和被改變的波形參數(shù)之間存在良好的線性關(guān)系，或者用三個或四個或五個所述周期。還應(yīng)該理解，500個發(fā)射數(shù)是示例性的，因此發(fā)射的液滴數(shù)可以變化，例如為200個或1000個。
一旦進(jìn)行了測定聲速和其它流體特性的過程、通過內(nèi)插或外推測定單音脈沖波形的過程、測定用于發(fā)射的聲能的過程、和修正波形以獲得所需液滴尺寸的過程，優(yōu)選將在這些過程中收集的數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)收集庫中以備隨后的內(nèi)插或外推。所述數(shù)據(jù)可以儲存在聲發(fā)射系統(tǒng)控制器本身，或者儲存在任一具有數(shù)據(jù)通信能力的實(shí)驗(yàn)室自動化裝置或通用計算機(jī)中，所有這些都處于合適的軟件或微程序語言的控制之下。以這種方式收集的數(shù)據(jù)可以外部儲存在一個數(shù)據(jù)庫中，例如以平面文件的形式，或者，如果一臺或多臺計算機(jī)或控制器配有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，則可儲存在一個數(shù)據(jù)庫中。
以下更詳細(xì)地討論以上概述的聲能的調(diào)節(jié)技術(shù)。進(jìn)行測量以確定將儲蓄器中的流體表面回波截止(echoing off)在亞閾水平的效用，作為設(shè)定發(fā)射功率的一種有意義的手段。使用持續(xù)時間為100μsec的擾動脈沖來產(chǎn)生表面擾動或漣漪。然后在初始脈沖之后每隔50μsec用具有與初始波形相同波形的單音脈沖來激發(fā)一系列50個擾動詢問脈沖。單音脈沖的中心頻率為10MHz。
由數(shù)據(jù)形成回波“圖像”。在圖11A-11C中，沿水平軸方向，圖像中的每一列對應(yīng)于一個擾動詢問脈沖響應(yīng)信號，用對應(yīng)于其相對振幅的灰度級強(qiáng)度顯示。第一個擾動詢問脈沖是在初始單音脈沖激發(fā)后的200μsec發(fā)射的。應(yīng)注意到，選擇脈沖的持續(xù)時間以接近形成液滴用脈沖的持續(xù)時間。一般來說，較小的液滴需要較短的持續(xù)時間，可以是0.5μsec或更短。較大的液滴會需要1000μsec或更長的持續(xù)時間。
將來自該擾動詢問脈沖的響應(yīng)繪制在圖像中最左邊的一欄，圖像中的下一欄是來自第二個擾動詢問脈沖的擾動詢問脈沖響應(yīng)，第二個擾動詢問脈沖在第一個擾動詢問脈沖之后的50μse發(fā)射，等等。沿圖像的垂直方向，由頂部往下，第一個2000納秒的每個擾動詢問脈沖響應(yīng)被量化成像素并合成形成灰度級圖像。
回波“圖像”適合于不同的DMSO濃度。在圖11A-11C中示出了對于低于發(fā)射閾值水平1dB(圖11A)、0.5dB(圖11B)和0dB(圖11C)的單音脈沖激發(fā)，70％DMSO和90％DMSO的回波圖像。
從這些圖中可見，兩種DMSO濃度之間圖像非常相似。不同DMSO濃度的單音脈沖激發(fā)水平總是相對于這些濃度的發(fā)射閾值來引用，但70％和90％DMSO之間的絕對發(fā)射閾值非常不同(1.0dB的數(shù)量級)。這主要與70％和90％DMSO之間粘度顯著不同相關(guān)。
因此，雖然在每對圖像之間絕對功率設(shè)定點(diǎn)非常不同，但圖像顯得非常相似。當(dāng)相對于發(fā)射閾值考慮時回波圖像的“普適性”意味著應(yīng)該可以使用回波圖像作為一種在無需知道DMSO濃度下即可確定發(fā)射閾值功率的手段。(假設(shè)能夠使用回波通過查看在較長時標(biāo)的流體表面擾動然后提取流體的粘度來測定DMSO濃度，但是這一測量在一些應(yīng)用中有時是緩慢的。)關(guān)于測量儲蓄器中流體的DMSO含量的方法以及測量該流體性能如粘度和表面張力的方法的更詳盡的討論，可參見轉(zhuǎn)讓給本申請受讓人的美國專利申請?zhí)枮?0/310,638、名稱為“多個儲蓄器中流體的聲學(xué)評估(Acoustic Assessment of Fluids in aPlurality of Reservoirs)”、被授予美國專利6,938,995的專利文獻(xiàn)中的詳細(xì)討論，該文獻(xiàn)在本文中引為參考。
使用如圖11A-11C所示的圖像，可以確定一種未知流體的液滴發(fā)射閾值水平，具體如下進(jìn)行從使用擾動脈沖或單音脈沖制得的一個或兩個回波圖像中提取類似的特征，以捕獲對應(yīng)于一個給定脈沖的兩個回波之間“間隙(gap)”的值，在沿圖像水平軸方向0至15的范圍內(nèi)這兩個回波分開(沿垂直方向)。這一間隙值大概對應(yīng)于由來自聲能的流體表面擾動產(chǎn)生的流體波紋大小，該間隙可用來量化圖像中的信息。
圖12示出了對于圖11A至圖11C的單音脈沖功率和DMSO濃度，分開的回波之間的最大“間隙”的圖表。盡管圖6的曲線提供了由與特定擾動單音脈沖相關(guān)的回波圖像預(yù)測液滴發(fā)射閾值能量的另一種方法，該方法是勞動密集型的，會明顯地增加處理時間。
例如，如果使用其能量低于液滴發(fā)射閾值0.71dB的單音脈沖，并處理所得回波圖像得到分開的回波之間的最大“間隙”為2536ns，當(dāng)圖5的二次曲線被轉(zhuǎn)換時，則所得曲線對應(yīng)于功率低于閾值0.68dB的單音脈沖。因此，可以由此處所用的回波圖像來預(yù)測發(fā)射閾值能量，精確至0.03dB內(nèi)。
利用一種使用了快速傅里葉變換算法(FFT)的數(shù)據(jù)處理方法，可以對單個回波進(jìn)行收集和處理，以類似地評估以發(fā)射閾值產(chǎn)生液滴所需的額外聲能。這一方法明顯優(yōu)越于前述方法，對于圖11A-11C所示圖像提供更好的特征提取算法(feature extraction algorithm)。用FFT方法處理回波測量值明顯地提高了許多液滴發(fā)射應(yīng)用的流體配送效率。從時域到頻域是使得能用回波脈沖(而不是許多測得的反射)來良好地預(yù)測還需要多少更多的能量來達(dá)到閾值的一個關(guān)鍵特征。盡管數(shù)據(jù)分析的FFT方法以頻域運(yùn)行且可能是更有效的，但這僅僅是分析聲學(xué)數(shù)據(jù)的一種方法，其它方法也是可以且有用的，例如在時域的數(shù)據(jù)分析方法如下文所述。
圖13示出了用于分析聲“回波”數(shù)據(jù)的方法。為了確定將擾動脈沖增加至形成液滴用脈沖水平所需的聲能量，算法200包括以下步驟。
在初始可任選的第一步201A，可使用一測距脈沖來確定孔中的流體高度，以使得轉(zhuǎn)換器與流體表面的耦合足以使擾動脈沖聚焦在位點(diǎn)。該信息還提供時間區(qū)域上由流體表面反射的聲能可能預(yù)計回到轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，這可以減少數(shù)據(jù)采樣量，加速脈沖回波的分析。
在初始可任選的第二步201B，可使用背景噪聲脈沖來確定由流體表面的聲反射產(chǎn)生的背景噪聲的大小。然后，該背景噪聲結(jié)果被用來從由流體表面反射的其它反射聲脈沖中提取背景噪聲。例如，關(guān)于反射信號背景噪聲特征的知識可用來改進(jìn)擾動詢問脈沖回波的信號處理(即信噪比)。這一技術(shù)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉。
可任選地，測距脈沖和背景噪聲脈沖可以是同一個脈沖201?？梢詫υ摗皬?fù)合”脈沖的反射能量進(jìn)行處理，以提取測距信息和背景噪聲特征。
在下一步203中，發(fā)送擾動脈沖至流體位點(diǎn)，以擾動流體表面，該擾動脈沖優(yōu)選不是形成液滴用脈沖，而是具有較低能量水平的類似波形的脈沖。
在下一步205中，發(fā)送一個或多個擾動詢問脈沖至流體位點(diǎn)，由正在被擾動的流體表面反射。
可任選地，步驟203和205的脈沖可以復(fù)合成單個波形207。
在步驟209中，來自于步驟205的一個或多個擾動詢問脈沖的反射聲能形成擾動詢問脈沖回波，被轉(zhuǎn)換器收集用于分析。
在步驟211中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以估算擾動脈沖中功率與形成液滴用脈沖所需功率之間的間隙。這一步驟可以通過多種在他處詳細(xì)描述的裝置來完成，可任選地包括測距脈沖、背景噪聲脈沖以及一個或多個擾動詢問脈沖的分析結(jié)果。該分析可以包括時域的處理或頻域的處理。
在步驟213中，記錄液滴形成功率的間隙的結(jié)果。該數(shù)據(jù)和其它相關(guān)信息可儲存于一數(shù)據(jù)庫或其它相等同的形式以備稍后用于板檢查(plate auditing)。該數(shù)據(jù)收集裝置可以是具有分析器的任何介質(zhì)，例如磁帶、CD-ROM或其它介質(zhì)形式。
算法200的一個例子，假設(shè)無需測距脈沖和背景噪聲脈沖的信息。將長度約為275微秒的擾動脈沖發(fā)送至流體位點(diǎn)。在間隔約為300微秒之后，發(fā)送長度約575微秒的單個擾動詢問脈沖作為復(fù)合波形。反射的脈沖或擾動詢問脈沖響應(yīng)具有相似的長度(約為600微秒)。擾動詢問脈沖響應(yīng)中用FFT進(jìn)行處理以確定兩個最小值之間的間距的部分(擾動詢問脈沖“回波”)只有約2微秒長，在擾動詢問脈沖響應(yīng)中發(fā)生約550至600微秒。FFT處理的時域數(shù)據(jù)的選擇是以測距脈沖回波時間、背景噪聲數(shù)據(jù)和低頻前同步信號的位置作為基礎(chǔ)是。
圖14A是基本上等同于圖11中一欄的時間軌跡。圖14C中最小值之間的間距與圖11中分開回波之間的“間隙”成相反的關(guān)系。盡管將FFT用作算法更有效，理論上可以沿圖11中一給定的列測量間隙，以獲得可比較的性能繪制所示圖表?？梢詫FT中最小間距繪制成一低于發(fā)射閾值的特定能量，僅僅因?yàn)榇嬖谝粋€將間距與閾值能量聯(lián)系起來的模型，即相對于發(fā)射閾值的能量＝A*ln(間距)+B。對于不同的流體、不同的聲頻率以及其它參數(shù)，上述關(guān)系式均能良好地保持。在給定的板上進(jìn)行該測量之前離線測定A參數(shù)和B參數(shù)。A參數(shù)和B參數(shù)有時會隨聲頻率、流體組成和相關(guān)參數(shù)變化。與DMSO的濃度相比，A和B對頻率更加敏感。
如果在時域中發(fā)現(xiàn)分開的回波之間的“間隙”，則存在類似于圖14的關(guān)系，例如相對于發(fā)射閾值的能量＝A*ln(1/間隙)+B。圖13的流程圖只是最佳的方法。通過使用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以處理擾動詢問脈沖回波以得到可比較的數(shù)據(jù)，處理速度只受所用分析儀的處理功率的限制。
擾動詢問脈沖響應(yīng)是整個獲得的信號，該信號響應(yīng)于先前的擾動脈沖，在擾動詢問脈沖自流體表面反射時回來。在該信號中，包含來自擾動詢問脈沖的回波數(shù)據(jù)的信號部分通常晚于擾動單音脈沖200-300μs。我們隨后在該時域的數(shù)據(jù)的FFT上進(jìn)行操作。
低頻前同步信號是低頻噪聲或干涉，可受到反射信號的干涉，必須除去低頻前同步信號之后才能對擾動詢問脈沖的反射進(jìn)行分析。
對于圖13的算法還有兩種其它可能的應(yīng)用，可以預(yù)見，這些應(yīng)用反復(fù)地調(diào)用圖13所示的一連串步驟201-213。一種這樣的應(yīng)用是通過使用圖13的算法在孔與孔之間移動(一次，或者可能多次以平均任何噪聲)并將返回的min_spacing(以MHz為單位)映射到低于液滴發(fā)射閾值的能量(以dB為單位)來產(chǎn)生板“能量簽名”(plate“energy signature”)。當(dāng)橫跨板移動時保持每一個事物恒定(例如擾動脈沖的大小)且所有事物相等(例如各儲蓄器中流體的體積和組成)，則低于液滴發(fā)射閾值的能量的變化提供了關(guān)于在液滴發(fā)射過程中需要補(bǔ)償?shù)哪芰孔兓?作為孔位置的函數(shù))的一種良好的量度。該變化歸因于板對于聲能的傳輸特性的差別?？梢员４婵缀涂字g的能量差別的映射關(guān)系以供日后用來對于據(jù)信具有類似能量簽名的孔板的孔確定形成液滴用脈沖的水平。該映射方法無需任何新的測量算法，因?yàn)榭装逯忻總€儲蓄器的液滴發(fā)射閾值的測量與上述用于找出形成液滴用脈沖的合適能量水平的應(yīng)用相同。
第二種應(yīng)用是使用液滴發(fā)射閾值來校準(zhǔn)聲輻射發(fā)生器的功率系統(tǒng)。該方法基于在一個已知結(jié)構(gòu)和組成的孔中使用已知體積的已知組成的流體。如可能在對儲蓄器的檢查或受控裝載中完成的先前的測試會提供液滴發(fā)射的已知的閾值水平，例如8.0dB。如果發(fā)射器被放置成與孔形成聲耦合關(guān)系，并增加發(fā)射器的功率輸入直至達(dá)到閾值水平，則可以假定發(fā)射器的功率輸入水平在8.0dB。然而，如果以已知的增量降低功率水平，且在假定為已知的較低水平處執(zhí)行圖13的算法，并且測得的擾動脈沖與發(fā)射閾值之間的功率間隙加上該亞閾功率設(shè)定值不等于8.0dB，則發(fā)射器的功率設(shè)定可能是錯誤的。然而，使用類似圖13算法的算法進(jìn)行一系列的此類增量亞閾測量能夠?qū)β暟l(fā)射器系統(tǒng)進(jìn)行功率校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)可以使發(fā)射所需的預(yù)期功率與發(fā)射的實(shí)際功率一致。應(yīng)注意，由于聲功率系統(tǒng)的響應(yīng)隨脈沖的頻率內(nèi)容而變化，因此該校準(zhǔn)最好是對于其頻率內(nèi)容與所述已知流體組合物的形成液滴用脈沖所需的頻率內(nèi)容相匹配的脈沖來進(jìn)行。因此，如果在單個基底上存在多種流體組合物，最好是對于每一種流體組合物使用與用于該流體組合物的形成液滴用脈沖相關(guān)的合適的波形來進(jìn)行功率系統(tǒng)校準(zhǔn)。
校準(zhǔn)系統(tǒng)的一種手段如下所述。在提供的例子中，將兩種過程連接在一起，兩種過程在以下(a)和(b)兩點(diǎn)中都是以圖13的算法為基礎(chǔ)(a)擾動詢問脈沖的振幅增量增加直至達(dá)到液滴發(fā)射閾值，(b)進(jìn)行z-掃描，即以相等的增量迭代地轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)換器高度或z位置和在每個位置調(diào)用圖13算法的過程。整個過程由以下步驟1-3所示。
1.增量地增加擾動詢問脈沖的振幅，并在每個振幅設(shè)定值處運(yùn)行圖13的算法。對于每個振幅設(shè)定值，將最小間距轉(zhuǎn)換成低于液滴發(fā)射閾值的能量。一旦達(dá)到液滴發(fā)射閾值(即低于液滴發(fā)射閾值的能量約為0dB)，即執(zhí)行線性回歸，并將擾動詢問脈沖的振幅設(shè)定為計算得到的液滴發(fā)射閾值。
2.通過執(zhí)行z掃描，隨后對比基于兩個最小值之間的間距的函數(shù)將一二次函數(shù)擬合到所得的轉(zhuǎn)換器z位置上，即y＝f(z)，來確定處于該振幅設(shè)定值的最佳轉(zhuǎn)換器z位置。由二次函數(shù)的最小值得到位于步驟(1)的功率設(shè)定值的兩個最小值之間的最小間距出現(xiàn)時的z位置。該轉(zhuǎn)換器z位置是處于步驟(1)中發(fā)現(xiàn)的功率設(shè)定值的發(fā)射液滴的最佳位置。
3.在步驟(2)發(fā)現(xiàn)的最佳z位置處再執(zhí)行步驟(1)，以進(jìn)一步精調(diào)擾動詢問脈沖的精確振幅設(shè)定值。
一旦通過進(jìn)行上述步驟1-3測定了最佳轉(zhuǎn)換器z位置和最佳功率設(shè)定值，在步驟(3)發(fā)現(xiàn)的功率設(shè)定值和步驟(2)發(fā)現(xiàn)的z位置產(chǎn)生少量的擾動詢問脈沖，測量傳送到轉(zhuǎn)換器的能量。該能量水平(用本發(fā)明的系統(tǒng)測得，單位是dB)隨后被用來標(biāo)定裝置中的功率系統(tǒng)。
本發(fā)明的各種變化對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。例如，盡管圖1示出了本發(fā)明裝置處于形成連接于基底的生物分子陣列的操作中，該裝置也可以類似的方式操作，以格式化多種流體，例如將流體從超常規(guī)尺寸的大容器轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)化孔板的孔中。類似地，盡管圖2示出了聲輻射發(fā)生器和檢測器處于垂直的相對關(guān)系，但也可以采用其它的空間排列和/或幾何排列，只要產(chǎn)生的聲輻射傳送經(jīng)過儲蓄器的至少一部分至檢測器。
應(yīng)該理解，盡管本發(fā)明結(jié)合優(yōu)選的具體實(shí)施方案進(jìn)行描述，以上描述只是用來說明的，并不限定本發(fā)明范圍。其它方面、優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)對于本發(fā)明所涉領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的。
本文中引用的所有專利、專利申請、雜志文章和其它參考文獻(xiàn)均參考結(jié)合于本文中。
提出以下實(shí)施例，向本領(lǐng)域技術(shù)人員提供如何完成本發(fā)明的完整的揭示和說明，這些實(shí)施例并非用來限制發(fā)明人所認(rèn)為的發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1進(jìn)行測量以確定聲回波在現(xiàn)場測量流體性能方面的用途。將約45μL流體移液到含384個孔的聚丙烯孔板的孔中，所述流體包括含70％DMSO和30％水的溶液。在所述孔中該流體顯示凹液面的流體表面。將轉(zhuǎn)換器與孔的中央處大致對齊，使轉(zhuǎn)換器高度對于發(fā)射最優(yōu)化。向流體施加一單音脈沖以擾動流體表面，得到亞閾發(fā)射錐(a subthreshold ejection cone)。然后，向轉(zhuǎn)換器施加單音脈沖(10MHz，F(xiàn)#2)，其中心頻率為10MHz，能量約為低于發(fā)射閾值1.5dB。產(chǎn)生的初始錐含有許多空間頻率，以表面張力波向外傳播射向孔壁。然后，該波通過孔的中央被孔壁部分反射，射向相對的孔壁，再次反射，諸如此類。換而言之，表面張力波在孔的內(nèi)部發(fā)生放射狀混響(reverberated radially)。盡管表面張力波由于是以不同速度傳播的不同波長的波而通常被認(rèn)為是分散的，所述混響略微不同于對應(yīng)于分散膜的情況，但是仍與該情況合理地相似。
在施加單音脈沖之后，產(chǎn)生一系列的回波脈沖以監(jiān)測流體表面的擾動。每200微秒產(chǎn)生一個回波脈沖，總共產(chǎn)生300個脈沖。在每個脈沖之后的25-40微秒的時間窗口記錄反射的聲信號。由此能夠?qū)τ捎诒砻鎻埩Σū豢妆诨祉懏a(chǎn)生的流體表面“環(huán)”進(jìn)行聲監(jiān)測。監(jiān)測并記錄在孔中央的流體表面的上下運(yùn)動。在施加單音脈沖之后大約60毫秒，得到300個痕跡，每個痕跡含有來自于流體表面的回波信號。通過回波相關(guān)性分析，對每個回波信號得到一時間延遲值。
圖7是所測得的回波延遲值(脈沖從轉(zhuǎn)換器至孔流體表面的往返程時間)與單音脈沖之后的時間的關(guān)系圖。示出了兩個連續(xù)測量的數(shù)據(jù)，表明該測量的可重復(fù)性。由圖7所含數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在單音脈沖激發(fā)之后的最初的1.5毫秒中測得的脈沖回波信號與一個“正常”的表面回波相差太大以至于無法產(chǎn)生有意義的表面高度信息。在大約2毫秒之后，流體表面的曲率足夠低，使脈沖回波形狀看上去更象“正?！钡谋砻娣瓷洹?br> 從圖7所包含的數(shù)據(jù)可以確定，回波延遲時間變化0.1微秒對應(yīng)于流體高度變化大約80微米。因此，由圖7所包含的數(shù)據(jù)可知，在施加了單音脈沖之后，存在最初的表面弛豫，接著是流體表面的混響?？磥硎菚r間越短(例如10毫秒)，存在空間頻率越高的表面張力波，它產(chǎn)生流體表面運(yùn)動中的諧波含量。然而，看來在大約25毫秒之后，基本混響模式占優(yōu)。通過使用圖7的數(shù)據(jù)可以測定流體的性能，如表面張力和粘度。一般來說，表面張力支配圖7中的信號的周期性，而粘度確定了流體表面混響的衰減?？梢允褂酶鞣N分析技術(shù)，這與感興趣的時間條件有關(guān)。
實(shí)施例2進(jìn)行與實(shí)施例1中所述類似的測量，不同的是使用含100％DMSO的流體來代替含70％DMSO和30％水的流體。圖8是對于該流體以及含有DMSO和水的混合物的溶液測得的回波延遲時間與單音脈沖之后時間的關(guān)系圖。由于這兩種流體的最佳延遲時間稍有不同，因此，混合物的數(shù)據(jù)沿垂直方向以任意的偏移量進(jìn)行繪制，以便于視覺比較。
在單音脈沖之后的25毫秒＜t＜60毫秒的時間段內(nèi)，將兩種流體的數(shù)據(jù)擬合成按指數(shù)規(guī)律延遲的正弦波形。含有DMSO和水的混合物的流體的表面振動期和按指數(shù)規(guī)律的延遲時間分別為8.11毫秒和27.4毫秒。含100％DMSO的流體的表面振動期和按指數(shù)規(guī)律的延遲時間分別為8.98毫秒和50.6毫秒。
因?yàn)榘粗笖?shù)規(guī)律的衰減時間隨流體粘度通常呈反向變化，所以這兩種流體的數(shù)據(jù)意味著DMSO和水的溶液的粘度是比100％DMSO流體的粘度大1.82倍。這與所報道的1.85的比值存在良好的一致性。類似地，由于表面振動時間通常與表面張力的負(fù)二次方根成比例，因此DMSO和水的溶液的表面張力應(yīng)比100％DMSO流體的表面張力大1.23倍。這與報道的100％DMSO的表面張力(44達(dá)因/厘米)和報道的水的表面張力(72達(dá)因/厘米)存在良好的一致性。
實(shí)施例3將一種流體裝填在一孔板的孔中。將轉(zhuǎn)換器與孔中央處大致對齊，使轉(zhuǎn)換器高度對于發(fā)射最優(yōu)化。向流體施加單音脈沖以擾動流體表面并產(chǎn)生超閾值發(fā)射錐體。結(jié)果，形成液滴并與該發(fā)射錐體分離。
在形成發(fā)射錐體之前、期間和之后，產(chǎn)生一系列的回波脈沖，以監(jiān)測流體表面的擾動。結(jié)果，通過一系列的該回波事件監(jiān)測液滴的形成。
實(shí)施例4將一種流體裝填在一孔板的孔中。將轉(zhuǎn)換器與孔中央大致對齊，使轉(zhuǎn)換器高度對于發(fā)射最優(yōu)化。向流體施加一系列的單音脈沖以擾動流體表面并產(chǎn)生一發(fā)射錐體。在即將形成發(fā)射錐體之前、形成發(fā)射錐體期間和之后，產(chǎn)生一系列的回波脈沖，以監(jiān)測流體表面的擾動，作為每個單音脈沖的結(jié)果。由此確定發(fā)射的閾值。
實(shí)施例5向384孔的聚丙烯(PP)平底孔板(Labcyte P/N P-05525-CV1)的孔中加入50μL水。將該孔板放置在LabcyteEchoTM550組合多孔板(compoundreformatter)中。對型號為VP248的一次性384聚丙烯針具(V&P Scientific，Inc，San Diego，CA)改進(jìn)，使適合于容納在型號為Echo 550的目標(biāo)板夾具中，以使得裝置的z軸可以被用于精確的針具移動。針具以上-下-上-下上-下循環(huán)移動，得到6個移動時間的測量值?；诿總€孔的6個值，使用1mm的針具運(yùn)動并對轉(zhuǎn)換器的焦點(diǎn)作補(bǔ)償，發(fā)現(xiàn)聲速為文獻(xiàn)值的0.3％內(nèi)(在水中F數(shù)為2)。在每個孔中容納60μL的70％DMSO/30％水，制得另一塊微量培養(yǎng)板。使用1.5mm的針具行進(jìn)，經(jīng)處理的數(shù)據(jù)顯示相同的一致性，偏差系數(shù)(CV)是0.2％。
權(quán)利要求
1.一種從容納在基底內(nèi)或位于基底上的儲蓄器聲發(fā)射流體液滴的改進(jìn)方法，該方法通過以下步驟進(jìn)行(a)將所述含有流體的儲蓄器與產(chǎn)生聲輻射的聲發(fā)射器進(jìn)行聲耦合，(b)激發(fā)所述聲發(fā)射器，產(chǎn)生至少一個聲輻射脈沖，該聲輻射以有效地從儲蓄器中的流體發(fā)射液滴的方式，透過基底傳送至在所述儲蓄器中的流體表面或其附近的位點(diǎn)，其中所述改進(jìn)包括在聲發(fā)射流體液滴之前，確定傳送至步驟(b)中所述位點(diǎn)的形成液滴用的聲輻射的脈沖的波形，調(diào)整所述形成液滴用的聲輻射的脈沖的振幅，獲得足以發(fā)射流體液滴的聲能輸出水平。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，位于所述位點(diǎn)的所述形成液滴用脈沖的振幅由以下確定(i)激發(fā)所述聲發(fā)射器，產(chǎn)生傳送至所述位點(diǎn)的聲輻射擾動脈沖，該脈沖不會導(dǎo)致流體液滴的發(fā)射，(ii)產(chǎn)生擾動詢問脈沖，該脈沖傳送至流體表面接近所述位點(diǎn)的區(qū)域，(iii)檢測擾動詢問脈沖自流體表面的反射；和(iv)對步驟(iii)中檢測到的反射進(jìn)行處理。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟(iv)中的處理包括對步驟(iii)中檢測到的反射的頻譜進(jìn)行分析。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟(iv)中的處理包括使用基于頻域的算法來確定步驟(iii)中檢測到的反射的頻譜的兩個最小值之間的頻率差值。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟(iv)中的處理包括使用基于時域的算法來確定發(fā)射液滴所需的擾動脈沖振幅的增加值。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟(iv)還包括從步驟(iii)中檢測到的反射中分離回波部分的步驟。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟(iv)中的處理還包括使用兩個最小值之間的頻率差值來計算由聲發(fā)射器發(fā)送到所述位點(diǎn)的脈沖足以發(fā)射流體液滴的聲能水平。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于頻域的算法包括基于快速傅里葉變換的算法。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述擾動脈沖和步驟(b)中產(chǎn)生的所述形成液滴用脈沖具有相似的頻譜。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述擾動脈沖和步驟(b)中產(chǎn)生的所述形成液滴用脈沖各自含有類似的線性調(diào)頻脈沖的頻率。
11.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述擾動脈沖和步驟(b)中產(chǎn)生的所述形成液滴用脈沖彼此的頻率集中在100MHz以內(nèi)。
12.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述擾動脈沖和所述形成液滴用脈沖的頻率集中在1-200MHz之間。
13.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在產(chǎn)生擾動脈沖之后1毫秒以內(nèi)，在步驟(b)中產(chǎn)生至少一個形成液滴用脈沖。
14.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在產(chǎn)生擾動脈沖之后1秒以內(nèi)，在步驟(b)中產(chǎn)生至少一個形成液滴用脈沖。
15.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在產(chǎn)生擾動脈沖之后1小時以內(nèi)，在步驟(b)中產(chǎn)生至少一個形成液滴用脈沖。
16.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述擾動脈沖和所述擾動詢問脈沖之間的時間不超過10毫秒。
17.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述擾動脈沖的持續(xù)時間在0.5微秒至1000微秒之間。
18.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述擾動脈沖的聲能水平是步驟(b)中產(chǎn)生的至少一個形成液滴用脈沖的聲能水平的80-120％。
19.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(b)中產(chǎn)生的至少一個形成液滴用脈沖的持續(xù)時間在0.5微秒至1000微秒之間。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將流體組成作為輸入信息用來調(diào)整步驟(b)中產(chǎn)生的至少一個形成液滴用脈沖的能量。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，至少一個儲蓄器中的流體是DMSO和H2O的混合物。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述DMSO和H2O的混合物具有大于40重量％的DMSO。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述DMSO和H2O的混合物具有大于40重量％的水。
24.如權(quán)利要求1所述的方法，該方法包括步驟(c)，該步驟中，對于多個流體儲蓄器的每一個接連重復(fù)步驟(a)和(b)。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，對于第一個儲蓄器和第二個儲蓄器，在不長于約2秒的間隔內(nèi)進(jìn)行波形確定步驟和振幅調(diào)整步驟。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，對于第一個儲蓄器和第二個儲蓄器，在不長于約0.25秒的間隔內(nèi)進(jìn)行波形確定步驟和振幅調(diào)整步驟。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，對于第一個儲蓄器和第二個儲蓄器，在不長于約0.02秒的間隔內(nèi)進(jìn)行波形確定步驟和振幅調(diào)整步驟。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，對于第一個儲蓄器和第二個儲蓄器，在不長于約0.005秒的間隔內(nèi)進(jìn)行波形確定步驟和振幅調(diào)整步驟。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，對于第一個儲蓄器和第二個儲蓄器，在不長于約0.001秒的間隔內(nèi)進(jìn)行波形確定步驟和振幅調(diào)整步驟。
30.一種從儲蓄器聲發(fā)射流體液滴的裝置，該裝置包括容納在基底內(nèi)或位于基底上的儲蓄器，位于儲蓄器內(nèi)的大量流體，聲輻射發(fā)生器，用于產(chǎn)生至少一個聲輻射脈沖，將聲輻射發(fā)生器與儲蓄器聲耦合的裝置，以使在聲輻射發(fā)生器產(chǎn)生的聲輻射脈沖具有合適的波形和聲能水平時，該脈沖以有效地從與聲輻射發(fā)生器聲耦合的儲蓄器中發(fā)射液滴的方式，傳輸透過基底至所述儲蓄器中的流體表面或其附近的位點(diǎn)，分析儀，用來在從儲蓄器中聲發(fā)射流體液滴之前，確定所產(chǎn)生的聲輻射脈沖的波形，并調(diào)整所述脈沖的振幅至足以發(fā)射流體液滴的聲能水平。
31.一種從多個儲蓄器的每一個中聲發(fā)射流體液滴的裝置，該裝置包括容納在基底內(nèi)或位于基底上的多個流體儲蓄器，位于各儲蓄器內(nèi)的大量流體，聲輻射發(fā)生器，用于產(chǎn)生至少一個聲輻射脈沖，將聲輻射發(fā)生器依次與各儲蓄器聲耦合的裝置，以使在聲輻射發(fā)生器產(chǎn)生的至少一個聲輻射脈沖以有效地從與聲輻射發(fā)生器聲耦合的各儲蓄器中發(fā)射液滴的方式，傳輸透過基底到各儲蓄器的流體中至流體表面或其附近的位點(diǎn)，分析儀，用來在從儲蓄器中聲發(fā)射流體液滴之前，確定所產(chǎn)生的聲輻射的形成液滴用脈沖的波形，所述分析儀還確定足以發(fā)射流體液滴的形成液滴用脈沖的振幅。
32.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，通過以下方法確定對于儲蓄器的形成液滴用脈沖的振幅，該方法包括(i)將聲發(fā)射器與儲蓄器聲耦合，(ii)激發(fā)聲發(fā)射器，產(chǎn)生擾動脈沖并導(dǎo)向到第一儲蓄器，以使流體表面被擾動但不發(fā)射流體液滴，(iii)產(chǎn)生射向該流體表面的擾動詢問脈沖，(iv)檢測擾動詢問脈沖自該流體表面的反射，(iv)對步驟(iv)中檢測到的反射進(jìn)行處理，和(v)在每個所述位點(diǎn)重復(fù)步驟(i)至(v)。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述步驟(v)的處理包括對所述步驟(iv)中檢測到的反射的一部分的頻譜進(jìn)行分析。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，所述處理包括使用基于頻域的算法來確定步驟(iv)中檢測到的反射的頻譜的兩個最小值之間的頻率差值。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，識別所述步驟(iv)中檢測到的反射的回波部分。
36.如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，所述回波部分占步驟(iv)中檢測到的反射的小于1％。
37.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，所述基于頻域的算法包括基于快速傅里葉變換的算法。
38.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，所述擾動脈沖和所述形成液滴用脈沖具有相似的頻譜。
39.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述擾動脈沖和所述形成液滴用脈沖彼此的頻率集中在100MHz以內(nèi)。
40.如權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于，所述擾動脈沖和所述形成液滴用脈沖的頻率集中在1-200MHz之間。
41.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述擾動詢問脈沖和所述形成液滴用脈沖之間經(jīng)歷的時間不超過1毫秒。
42.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述擾動詢問脈沖和所述形成液滴用脈沖之間經(jīng)歷的時間不超過1秒。
43.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述擾動詢問脈沖和所述形成液滴用脈沖之間經(jīng)歷的時間不超過1小時。
44.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述擾動脈沖和所述擾動詢問脈沖之間經(jīng)歷的時間不超過10毫秒。
45.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述擾動脈沖的持續(xù)時間在0.5微秒至1000微秒之間。
46.如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于，所述擾動詢問脈沖的聲能是所述形成液滴用脈沖的聲能的80-120％。
47.如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于，所述形成液滴用脈沖的持續(xù)時間在0.5微秒至1000微秒之間。
48.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述擾動脈沖的功率低于所述形成液滴用脈沖至少0.5dB。
49.如權(quán)利要求31所述的裝置，該裝置包括單個聲輻射發(fā)生器。
50.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述儲蓄器和所述儲蓄器內(nèi)所述大量流體可以從所述裝置的其余部分上拆卸下來。
51.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述儲蓄器是在一個或多個孔板中的各孔。
52.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述儲蓄器是基本上聲學(xué)不可分辨的。
53.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述儲蓄器是光學(xué)上不透明的。
54.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述儲蓄器是密封的。
55.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括96個儲蓄器。
56.如權(quán)利要求55所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括384個儲蓄器。
57.如權(quán)利要求56所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括1536個儲蓄器。
58.如權(quán)利要求57所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括3456個儲蓄器。
59.如權(quán)利要求58所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括10,000個儲蓄器。
60.如權(quán)利要求59所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括100,000個儲蓄器。
61.如權(quán)利要求60所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括多于500,000個儲蓄器。
62.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，至少一個儲蓄器構(gòu)造成含有不超過約1mL流體。
63.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，至少一個儲蓄器構(gòu)造成含有不超過約1μL流體。
64.如權(quán)利要求63所述的裝置，其特征在于，至少一個儲蓄器構(gòu)造成含有不超過約1nL流體。
65.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述儲蓄器中的流體是水性流體。
66.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述儲蓄器中的流體是非水性流體。
67.如權(quán)利要求66所述的裝置，其特征在于，所述非水性流體包括有機(jī)溶劑。
68.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述流體含有生物分子。
69.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述流體是至少部分凍結(jié)的。
70.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，至少一個儲蓄器含有在約0-100℃的溫度能夠以流體形式存在的物質(zhì)。
71.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括用于改變所述分析儀相對于儲蓄器的相對位置的裝置。
72.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述分析儀被定位于與聲輻射發(fā)生器固定地對齊的位置。
73.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述聲輻射發(fā)生器包括與所述分析儀共用的組成部分。
74.如權(quán)利要求74所述的裝置，其特征在于，聲輻射發(fā)生器與分析儀共用的組成部分是壓電元件。
75.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述分析儀適合于對接收的聲輻射的特征進(jìn)行分析，以確定各儲蓄器中的流體性能。
76.如權(quán)利要求75所述的裝置，其特征在于，所述性能是聲阻抗。
77.如權(quán)利要求75所述的裝置，其特征在于，所述性能是聲衰減。
78.如權(quán)利要求75所述的裝置，其特征在于，所述特征是聲輻射的強(qiáng)度。
79.如權(quán)利要求76所述的裝置，其特征在于，所述特征是聲輻射的波長。
80.如權(quán)利要求73所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括一聚焦裝置，用來聚焦所述聲輻射發(fā)生器產(chǎn)生的聲輻射。
81.如權(quán)利要求80所述的裝置，其特征在于，所述聚焦裝置適合于根據(jù)分析儀進(jìn)行分析的結(jié)果來聚焦所述聲輻射。
82.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括溫度控制裝置，用于控制儲蓄器溫度。
83.一種容納在基底內(nèi)或位于基底上的多個流體儲蓄器的表征方法，該方法通過以下步驟進(jìn)行(a)在各儲蓄器中提供一種具有已知組成的可測定體積的流體，調(diào)整各儲蓄器中的流體體積，以使儲蓄器符合預(yù)定的發(fā)射閾值水平，(b)將第一儲蓄器與產(chǎn)生聲輻射的聲發(fā)射器聲耦合，(c)激發(fā)該發(fā)射器以產(chǎn)生聲輻射的亞閾脈沖透過基底至流體中，其中亞閾脈沖的聲能低于從所述第一個儲蓄器有效地發(fā)射液滴的水平，(d)分析亞閾脈沖的效應(yīng)，以確定與發(fā)射閾值的間隙，(e)將發(fā)射閾值與預(yù)定的發(fā)射閾值進(jìn)行比較，(f)對多個流體儲蓄器的每一個依次重復(fù)步驟(a)、(b)、(c)、(d)和(e)，(g)使用每個位點(diǎn)處發(fā)射閾值與預(yù)定發(fā)射閾值之間的差值來表征基底上儲蓄器與儲蓄器之間的變化。
84.一種分析聲學(xué)數(shù)據(jù)以確定將擾動脈沖增強(qiáng)至液滴發(fā)射脈沖水平所需的聲能量的方法，該方法包括以下步驟(a)向位于一孔中的未經(jīng)擾動的流體表面發(fā)送一擾動脈沖，以確定(1)流體高度和/或(2)由聲檢測器傳感到的背景噪聲的大小，(b)向流體表面發(fā)送一擾動詢問脈沖，(c)處理來自于擾動詢問脈沖的反射聲能，(d)從經(jīng)步驟(c)處理的信號中除去低頻噪聲，如有必要對該信號再次處理，(e)確定步驟(d)中信號輸出的頻譜中所有的最小值，(f)基于經(jīng)處理信號的頻率內(nèi)容，選擇感興趣的兩個最小值，并確定這兩個最小值之間的間距。
85.如權(quán)利要求84所述的方法，其特征在于，步驟(c)包括使用流體高度來確定尋找來自擾動詢問脈沖的反射聲能的回波部分的位置，以及低頻噪聲所處的位置。
86.如權(quán)利要求84所述的方法，其特征在于，步驟(c)包括使用背景噪聲的大小以提取來自擾動詢問脈沖的反射聲能的回波部分。
87.如權(quán)利要求86所述的方法，其特征在于，用分析儀進(jìn)行所述提取回波部分的步驟。
88.如權(quán)利要求87所述的方法，其特征在于，所述步驟(c)中的處理包括計算所提取的回波部分的快速傅里葉變換。
89.如權(quán)利要求88所述的方法，其特征在于，用所述分析儀尋找是否存在低頻前同步信號，如果發(fā)現(xiàn)將其從時域信號中去除，然后再次計算快速傅里葉變換。
90.一種分析聲學(xué)數(shù)據(jù)以確定將一脈沖增強(qiáng)至足以進(jìn)行液滴發(fā)射的聲能水平所需的聲能量的方法，該方法包括以下步驟(a)向位于一孔中的未經(jīng)擾動的流體表面發(fā)送擾動脈沖，以確定(1)流體高度和/或(2)背景噪聲的大小，(b)向流體表面發(fā)送擾動詢問脈沖，(c)用分析儀計算所述擾動詢問脈沖自流體表面的反射的快速傅里葉變換，(d)用所述分析儀尋找在所述擾動詢問脈沖的反射中是否存在低頻前同步信號，如果發(fā)現(xiàn)低頻前同步信號，將其從反射中去除，計算除去了低頻前同步信號的反射的快速傅里葉變換，(e)確定步驟(c)或(d)中計算出的快速傅里葉變換中所有的最小值，(f)選擇感興趣的兩個最小值，將擾動脈沖的頻率內(nèi)容作為輸入值，確定所選擇的兩個最小值之間的間距。
91.如權(quán)利要求90所述的方法，其特征在于，將聲發(fā)生器與孔板中的多個孔進(jìn)行聲耦合，其中，對于聲發(fā)生器與之耦合的每塊孔板計算兩個最小值之間的間距，所述兩個最小值之間的間距被轉(zhuǎn)化成對聲發(fā)生器與之耦合的每塊孔板而言低于閾值的能量，由此提供能量隨孔位置而變化的量度并產(chǎn)生板能量信號，所述量度是在液滴發(fā)射期間補(bǔ)償孔與孔之間的變化所需的。
92.如權(quán)利要求91所述的方法，其特征在于，對于孔板的至少一個孔，多次測定所述兩個最小值之間的間距，由此得到多個間距值，可以對這些值取平均值以減少噪聲。
93.如權(quán)利要求91所述的方法，其特征在于，步驟(a)中發(fā)送的所述擾動脈沖對于計算兩個最小值之間的間距所針對的每塊孔板具有基本上相同的能量。
94.一種分析聲學(xué)數(shù)據(jù)以確定對于含流體的孔中的流體表面將一脈沖改變成形成液滴用脈沖水平所需的附加聲能的量的方法，該方法包括以下步驟(a)使用測距脈沖來確定孔中的流體高度，(b)將擾動脈沖發(fā)送至接近流體表面的流體位點(diǎn)，以擾動流體表面，(c)向所述流體位點(diǎn)發(fā)送至少再一個脈沖，以從該擾動的流體表面反射，(d)使用來自步驟(c)的所述至少再一個脈沖的反射聲能，以確定分析用波形，(e)使用分析儀來處理該波形，以估算所述擾動脈沖的功率和形成液滴用脈沖所需的功率之間的間隙。
95.如權(quán)利要求94所述的方法，其特征在于，該方法還包括步驟(a′)，該步驟使用背景噪聲脈沖來確定來自于由流體表面的聲反射的背景噪聲的大小。
96.如權(quán)利要求95所述的方法，其特征在于，該方法還包括使用來自背景噪聲脈沖的反射來從其它由流體表面反射的聲脈沖中除去背景噪聲的步驟，由此改進(jìn)對自再一個脈沖的反射的處理。
97.如權(quán)利要求95所述的方法，其特征在于，所述測距脈沖和所述背景噪聲脈沖是同一個脈沖。
98.如權(quán)利要求94所述的方法，其特征在于，所述步驟(e)的處理是在時域中進(jìn)行的。
99.如權(quán)利要求94所述的方法，其特征在于，所述步驟(e)的處理是在頻域中進(jìn)行的。
100.如權(quán)利要求94所述的方法，其特征在于，所述步驟(e)中估算的間隙值記錄在數(shù)據(jù)收集格式中。
101.如權(quán)利要求100所述的方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)收集格式是數(shù)據(jù)庫。
102.如權(quán)利要求94所述的方法，其特征在于，所述步驟(a)-(e)被反復(fù)調(diào)用，通過確定步驟(e)對孔板中多個孔的每一個孔的所述間隙來產(chǎn)生板能量簽名。
103.如權(quán)利要求102所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行步驟(a)至(e)時對每個孔的擾動脈沖的大小是基本上相同的，每個孔中流體的體積和組成是基本上相同的。
104.如權(quán)利要求102所述的方法，其特征在于，該方法還包括儲存板能量簽名以備進(jìn)一步使用的步驟。
105.如權(quán)利要求94所述的方法，其特征在于，用低于液滴發(fā)射閾值的漸增能量的多個擾動脈沖反復(fù)地進(jìn)行步驟(a)至(e)，以及對產(chǎn)生脈沖的轉(zhuǎn)換器的不同位置反復(fù)地進(jìn)行步驟(a)至(e)。
106.一種確定流體中聲速的方法，該方法包括以下步驟(a)將一固態(tài)物體浸入容納在儲蓄器中的大量流體中，(b)檢測由所述固態(tài)物體反射的聲能。
107.如權(quán)利要求106所述的方法，其特征在于，該方法還包括以下步驟(c)移動固態(tài)物體，和(d)檢測所述固態(tài)物體在移動后的位置處反射的聲能。
108.如權(quán)利要求107所述的方法，其特征在于，將所述固態(tài)物體在被移動之前和之后的位置之間的距離作為輸入值，計算流體中的聲速。
109.如權(quán)利要求106所述的方法，其特征在于，將所述固態(tài)物體與儲蓄器中最靠近聲能源的流體部分之間的距離作為輸入值，計算流體中的聲速。
110.如權(quán)利要求106所述的方法，其特征在于，所述聲能源是聚焦的。
111.如權(quán)利要求110所述的方法，其特征在于，所述聚焦的能量具有的F數(shù)約為2或更大。
112.如權(quán)利要求109所述的方法，其特征在于，使用聚焦聲能的F數(shù)作為輸入值，計算流體中的聲速。
113.如權(quán)利要求106所述的方法，其特征在于，由能夠從儲蓄器發(fā)射流體液滴的聲發(fā)射系統(tǒng)提供所述聲能。
114.如權(quán)利要求113所述的方法，其特征在于，通過使用一定位系統(tǒng)將所述固態(tài)物體浸入流體中，該定位系統(tǒng)還被聲發(fā)射系統(tǒng)所使用，用作其它用途。
115.如權(quán)利要求106所述的方法，其特征在于，所述固態(tài)物體是針具。
116.如權(quán)利要求106所述的方法，其特征在于，聲能是沿垂直方向射向固態(tài)物體的。
117.如權(quán)利要求106所述的方法，其特征在于，對各自在其自己的儲蓄器中的多種流體的每一種進(jìn)行所述方法。
118.如權(quán)利要求117所述的方法，其特征在于，進(jìn)行所述方法的多種流體的儲蓄器形成孔板的一部分。
119.一種在聲發(fā)射系統(tǒng)中調(diào)整聲輻射脈沖的形式以從大量流體發(fā)射預(yù)定體積的液滴的方法，該方法包括以下步驟(a)提供在儲蓄器中的大量流體，(b)使用聲輻射脈沖以液滴到達(dá)第二個儲蓄器的方式從所述流體發(fā)射一個或多個液滴，(c)在步驟(b)發(fā)射所述一個或多個液滴之后，確定所述第二個儲蓄器中流體的高度，和(d)將步驟(c)中確定的所述第二個儲蓄器中的流體高度作為輸入值，改變所述聲輻射脈沖的一個或多個參數(shù)。
120.如權(quán)利要求119所述的方法，其特征在于，所述步驟(d)包括改變所述聲輻射脈沖的頻率。
121.如權(quán)利要求119所述的方法，其特征在于，步驟(d)包括改變產(chǎn)生所述聲輻射脈沖的轉(zhuǎn)換器的位置。
122.如權(quán)利要求119所述的方法，其特征在于，對于各自在其自己的儲蓄器中的多種流體的每一個進(jìn)行所述方法。
123.如權(quán)利要求122所述的方法，其特征在于，進(jìn)行所述方法的多種流體的儲蓄器形成孔板的一部分。
124.如權(quán)利要求119所述的方法，其特征在于，從進(jìn)行所述方法過程中聲輻射第一次射向所述一定量流體的時間起算，進(jìn)行所述方法總共消耗的時間不超過30分鐘。
125.一種由具有特定參數(shù)的聲輻射脈沖發(fā)射的有關(guān)其它流體的液滴尺寸的信息來推斷用于發(fā)射感興趣流體具有所需尺寸的液滴的聲輻射脈沖的參數(shù)的方法，該方法包括以下步驟(a)獲取多種其它流體的每一種的一個或多個特征的信息，(b)確定感興趣流體的一個或多個特征，(c)使用所需的液滴尺寸和感興趣流體的一個或多個特征，由其它流體的液滴尺寸的信息來內(nèi)插或外推聲輻射脈沖的參數(shù)。
126.如權(quán)利要求125所述的方法，其特征在于，步驟(b)中確定的流體的特征包括粘度。
127.如權(quán)利要求125所述的方法，其特征在于，步驟(b)中確定的流體的特征包括聲速。
128.如權(quán)利要求125所述的方法，其特征在于，步驟(b)中確定的流體的特征包括表面張力。
129.如權(quán)利要求125所述的方法，其特征在于，所述流體是混合物，步驟(b)中確定的流體的參數(shù)包括混合物中組分的百分含量。
130.如權(quán)利要求125所述的方法，其特征在于，所述流體是溶液，步驟(b)中確定的流體的參數(shù)包括所述流體中溶質(zhì)的濃度。
131.如權(quán)利要求125所述的方法，其特征在于，使用聲輻射進(jìn)行至少一個特征的確定。
132.一種確定流體特征的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供在儲蓄器中的大量流體，所述流體具有一自由表面，(b)將聚焦聲輻射的單音脈沖發(fā)送至流體表面附近的一位置，所述單音脈沖具有足以使流體表面明顯振動的能量，(c)在聚焦的聲輻射到達(dá)流體表面附近之后的多個時間點(diǎn)，確定流體表面的特性，(d)對于步驟(c)測得的特性隨時間的變化擬合曲線，(e)考慮擬合曲線的參數(shù)，確定流體的特征。
133.如權(quán)利要求132所述的方法，其特征在于，所述特征是粘度。
134.如權(quán)利要求132所述的方法，其特征在于，所述特征是表面張力。
135.如權(quán)利要求132所述的方法，其特征在于，通過聲輻射進(jìn)行所述步驟(c)。
136.如權(quán)利要求132所述的方法，其特征在于，所述擬合曲線是阻尼正弦曲線。
137.一種確定由聲發(fā)射器發(fā)射的液滴的體積的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供在儲蓄器中的大量流體，(b)選擇足以從流體發(fā)射液滴的聲輻射脈沖，(c)使用步驟(b)中選定的聲輻射脈沖，由所述流體發(fā)射一個或多個液滴，以使這些液滴到達(dá)第二儲蓄器，(d)在步驟(c)發(fā)射一個或多個液滴之后，測定第二儲蓄器中流體的高度，和(e)將步驟(d)中測得的所述第二儲蓄器中流體的高度作為輸入值，確定液滴的體積。
138.一種聲發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制器、聲能轉(zhuǎn)換器和用來將所述轉(zhuǎn)換器與儲蓄器聲耦合的耦合介質(zhì)，系統(tǒng)的改進(jìn)包括在控制器中編制有能使所述聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)利要求106所述方法的程序。
139.一種聲發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制器、聲能轉(zhuǎn)換器和用來將所述轉(zhuǎn)換器與儲蓄器聲耦合的耦合介質(zhì)，系統(tǒng)的改進(jìn)包括在控制器中編制有能使所述聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)利要求125所述方法的程序。
140.一種確定適合于用特定單音脈沖波形發(fā)射流體液滴的能量水平的方法，所述方法包括以下步驟(a)將所述特定波形的聚焦聲輻射發(fā)送至所述大量流體表面附近的一個位置，(b)發(fā)送一個或多個探測脈沖射向所述流體表面，(c)檢測來自多個探測脈沖的回波，(d)基于步驟(c)檢測到的回波，測定是否產(chǎn)生發(fā)射。
141.如權(quán)利要求140所述的方法，其特征在于，所述步驟(d)包括以下步驟(d1)將來自一個或多個探測脈沖的回波區(qū)分為主回波和附加回波，(d2)將所述附加回波的暫時持續(xù)時間(temporal duration)作為輸入值以確定是否產(chǎn)生發(fā)射。
142.如權(quán)利要求140所述的方法，其特征在于，所述步驟(d)包括以下步驟(d1)將來自一個或多個探測脈沖的回波區(qū)分為主回波和附加回波，(d2)將檢測到的主回波與附加回波之間的暫時區(qū)別是否隨進(jìn)行步驟(a)之后的時間增加而消失作為輸入值以確定是否產(chǎn)生發(fā)射。
143.如權(quán)利要求140所述的方法，其特征在于，步驟(a)中所用的流體量小于50μL。
144.如權(quán)利要求140所述的方法，其特征在于，步驟(a)中所用的流體量小于10μL。
145.如權(quán)利要求140所述的方法，其特征在于，從進(jìn)行所述方法過程中聲輻射第一次射向所述一定量流體的時間起算，進(jìn)行所述方法總共消耗的時間不超過1分鐘。
146.如權(quán)利要求145所述的方法，其特征在于，從進(jìn)行所述方法過程中聲輻射第一次射向所述一定量流體的時間起算，進(jìn)行所述方法總共消耗的時間不超過3.8秒。
147.如權(quán)利要求140所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟(d1)將步驟(c)檢測到的探測脈沖回波作為輸入值，進(jìn)行快速傅里葉變換算法，(d2)將步驟(d1)中進(jìn)行快速傅里葉變換算法的輸出值作為輸入值，計算發(fā)射閾值的估計值。
148.如權(quán)利要求147所述的方法，其特征在于，所述步驟(d2)包括確定步驟(d1)中進(jìn)行快速傅里葉變換算法的輸出值的最小值的步驟。
全文摘要
提供了在聲發(fā)射系統(tǒng)中分析流體特征的方法。聲發(fā)射系統(tǒng)包括控制器、聲輻射發(fā)生器和將輻射與儲蓄器容納的流體相耦合的耦合介質(zhì)。該方法可使用聲輻射來擾動儲蓄器中的流體表面，并用聲輻射來分析擾動的效應(yīng)。該方法可以使用先前流體的信息。本發(fā)明的方法能夠確定物理性能，例如聲速和粘度。該方法還包括確定適合于發(fā)射液滴的聲能水平的方法。優(yōu)選是該方法在聲發(fā)射系統(tǒng)的控制器的編程控制下自動化執(zhí)行。
文檔編號B41J2/14GK101035681SQ200580033633
公開日2007年9月12日 申請日期2005年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月1日
發(fā)明者R·N·埃利森, M·W·慕茲, S·A·夸爾斯, R·G·斯特恩斯 申請人:拉伯賽特股份有限公司