專利名稱：液體樣本的攪拌器的制作方法
液體樣本的攪拌器本發(fā)明的主題是液體樣本的攪拌器，其可以用于通過使微粒分散在其中、加熱液體、形成噴霧或者施加足以實現(xiàn)諸如這些微粒的破壞(溶解)的特定機械作用的流體能量來使溶液均勻。采用微粒來表示諸如細胞、細菌的生物微粒、或者此外諸如功能化金屬納米殼(nanoshell)的其他微粒。傳統(tǒng)的方法包括使樣本受到超聲波。這具有多個缺點，其中一個缺點是關(guān)于難以將足夠的能量傳送至樣本。實際上，樣本封裝在容器(tank)中，該容器可以是細的毛細管，該毛細管設(shè)置在填充有聲傳輸液體的超聲容器中。由于難以建立其特征在于允許將能量令人滿意地傳輸至容器中的液體、特別是限制界面(容器的里面和外面)處的損失的聲波(橫穿傳輸液體的壓力波)而使得其中幾乎全部的能量都損失掉。除了前一缺點之外的另一個缺點在于，盡管如此傳送至容器中的液體的能量并不一定產(chǎn)生所尋求的作用，即加熱、混合、分散、霧化、溶解或者此外的旋轉(zhuǎn)或離心。因此必須在相當長的時期內(nèi)消耗大量的能量以實現(xiàn)令人滿意的攪拌。機械振動的盲目施加(例如，通過將容器定位在振動膜上)將具有 相同的結(jié)果。此外，目前的超聲攪拌機不能使攪拌集中在樣本的局部部分上。采用聚集來表示使振動應(yīng)力集中在空間上有限的區(qū)域上。同一發(fā)明人的文獻FR-A-2 879 885涉及一種板諧振器，其可以通過外圍換能器而經(jīng)受不同的振動模式，但是其首先被設(shè)想為用于將振動傳送至環(huán)境空氣的麥克風板。該板被制造成在其中心較薄，但是連續(xù)的，并且其不承受載荷，最重要的，也不是容器。可能施加在板上的彎曲模式本身不能攪拌鄰近的液體樣本。本發(fā)明的主要目的是提出一種具有令人滿意的效率的液體樣本的攪拌器，即，其將很大比例的所消耗的能量有效地傳送至容器中的液體，并且通過這種方式實現(xiàn)樣本的真正攪拌，引起樣本的適當移動或者壓力變化。在一般形式中，本發(fā)明涉及一種液體樣本的攪拌器，包括裝有樣本的容器和振動發(fā)生器，其中振動通過中間介質(zhì)傳遞至容器，其特征在于，中間介質(zhì)是環(huán)繞容器并與容器結(jié)合的固體環(huán)諧振器，并且其中，容器附接至環(huán)的中心，并且振動發(fā)生器包括至少一個壓電換能器，該壓電換能器安裝在環(huán)的外圍區(qū)域中并構(gòu)造為將環(huán)的徑向方向上的振動傳送至環(huán)并傳送至容器。因此使用固體傳遞介質(zhì)中的振動來實現(xiàn)攪拌。本發(fā)明的優(yōu)越性在于這樣的事實該振動是環(huán)的徑向方向(即平行于其主平面)上的大振幅的機械位移，其在20kHz下可以超過10微米。該振動特別適于產(chǎn)生所尋求的攪拌。通過環(huán)與用于攪拌的樣本之間的界面的這種振動波的傳輸可以最優(yōu)化至很高的效率，使得能量損失相對不是很大。特別地通過在20kHz與70kHz之間的優(yōu)選范圍內(nèi)調(diào)節(jié)諧振頻率,并且通過在這些頻率下激振(excite),易于將設(shè)備最優(yōu)化成產(chǎn)生理想的振動。最后，使用環(huán)繞容器的環(huán)使振動集中或聚集在容器上。采用主平面來表示垂直于環(huán)的對稱軸線的平面。容器通常將是具有這樣的軸線的管該軸線與垂直于環(huán)的環(huán)的對稱軸線大致平行，并且該軸線的一部分，例如中央部分，將被環(huán)環(huán)繞。將看到的是，特別地通過環(huán)的彎曲，導致管的彎曲，并且特別地管的被環(huán)環(huán)繞的部分的彎曲，該布置能夠產(chǎn)生充分的攪拌。盡管振動波僅到達容器和樣本的一小部分，但該攪拌可以遍及管的內(nèi)容物而延續(xù)。例如，如果管具有附接至屬于攪拌器的固定框架的相對端部，則獲得了這些特性。采用大致平行來表示在10度以內(nèi)平行。諧振器可以附接至框架，特別地，根據(jù)優(yōu)選的可能性，通過彈性結(jié)構(gòu)從框架懸置，或者僅從管懸置而與框架無關(guān)。有利的設(shè)備在于通過將它們支撐在橡膠盤(隔膜)上將管的端部附接至框架?？梢詫⒖苫Q的管連續(xù)地安裝在攪拌器中并安裝在環(huán)的中心孔中。即使管的端部打開，也保持不透水性。該框架可以包括露出(reveal)橡膠盤的孔，這些使得能夠使用通過陷入橡膠盤中的中空注射針(needle)來注入并然后移除樣本。該布置允許方便地結(jié)合在用于液體樣本的處理(制備、分析)裝置中，并且特別是結(jié)合在通常被叫做術(shù)語信標(beacon)的漂浮(roaming)裝置中。
應(yīng)該指出的是，管可以與環(huán)形成單個件，或者與環(huán)分離。管可以在使用一次之后丟棄，這在第一種情形中是方便的，或者在接收第二樣本之前清洗，這在第二種情形中是優(yōu)選的。如果管具有帶有螺旋扭曲的內(nèi)表面，通過使用特定的振動形式，那么可以通過形成與管中的流體的旋轉(zhuǎn)運動結(jié)合的平移運動來改進攪拌。如果環(huán)從外圍至容器逐漸變細，那么實現(xiàn)了另一個改進，以將振動能量集中在少量的樣本中，并且在液體的整體運動擴散到容器的剩余部分中之前首先地對液體施加期望的攪拌。根據(jù)另一個改進，除了環(huán)之外，諧振器包括中心套管，該中心套管的軸線垂直于其中安裝有液體容器的環(huán)。采用垂直于環(huán)的軸線來表示與環(huán)的對稱軸線大致平行的軸線。如果容器是管狀的，那么其形狀可以制造成錐形的，以方便緊固。該套管本身導致將振動令人滿意地傳輸至容器的內(nèi)容物，并且有利于對于攪拌有用的攪拌波的應(yīng)用。在一個優(yōu)選的實施方式中，套管從連接的位置朝著環(huán)逐漸變細，直到至少一個端部，并且，更有利地，套管具有大致相等的厚度，在其連接至環(huán)的地方，套管的厚度為環(huán)的厚度的一半，或者套管的厚度為該厚度，取決于其是否通過兩個自由端或者單個這樣的端部將振動傳送至容器，并且在所述端部處為零厚度。本發(fā)明的另一個方面對適于攪拌的振動的選擇?？梢钥吹降氖?，具有幾種類型的有利的振動。由于通過單獨地控制的多個分離的諧振器來控制這些振動的選擇，因此通過環(huán)產(chǎn)生這些振動不會有任何困難。盡管是這樣，主要設(shè)想產(chǎn)生并施加至樣本的振動從環(huán)的彎曲獲得，即，環(huán)的上層擴張，而下層收縮，并且反之亦然，導致在與容器連接的位置處在環(huán)的平面外部形成充分的運動，轉(zhuǎn)變成充分的壓縮運動，并且因此轉(zhuǎn)變成使容器在套管的端部處的壁彎曲的運動。這些彎曲振動具有的優(yōu)點在于，它們具有相對低的諧振頻率，典型地具有幾kHz到幾十kHz的數(shù)量級，這是有利的，因為它們伴隨著更充分的運動。這些彎曲振動可以簡單地通過作為圓形物安裝在環(huán)的表面(上表面或下表面)的外圍上的至少一個換能器獲得。這些彎曲振動還可以通過將面向彼此的這種換能器定位在兩個表面上來獲得，并且以相反的相位控制。這些彎曲振動有效地傳送至樣本并且引起具有充分的機械效果的大振幅壓力波。
換能器可以傳送不同頻率的振動。這些換能器可以定位在環(huán)的兩個相對的表面上，以實現(xiàn)幾個同時的振動控制。當換能器遵循環(huán)的軸向?qū)ΨQ時，例如完全覆蓋環(huán)的表面，套管端部振動，施加容器緊固運動，這產(chǎn)生隨著其在樣本內(nèi)部移動而增大的壓縮波，在該樣本的中心軸線的區(qū)域中達到最大。這些換能器還可以成組地定位在環(huán)的外圍區(qū)域上的弧的相應(yīng)部分中，傳送相位偏移與所述圓的部分之間的角度偏移相同的相同頻率的振動。由于套管的旋轉(zhuǎn)傾斜作用，這有利于流體的混合并且，可能地，有利于整個樣本中的振動的另一作用的擴散，該布置用于形成流體的整體旋轉(zhuǎn)運動。一個特別受重視的實施方式首先包括位于環(huán)的一個表面上的完整圓形換能器，以形成不對稱振動模式，該不對稱振動模式為具有軸向?qū)ΨQ的彎曲的形式，在樣本中產(chǎn)生壓力波，在樣本中產(chǎn)生涉及第一類型的攪拌的機械作用；其次包括位于環(huán)的相對表面上的上述壓電換能器的組，以形成非軸對稱彎曲模式，并且在流體上施加涉及第二類型的攪拌的圓周運動。 磁體可以鄰近管并且在特定應(yīng)用中鄰近環(huán)，例如以吸附磁性粒子，例如金屬納米殼。磁體于是使磁粉集中在環(huán)附近，在此磁粉受到振動能量。為了顯現(xiàn)其多個特征方面、以及所獲得的效果，現(xiàn)在將詳細地描述本發(fā)明的幾個實施方式。將參照下面僅作為例證給出的附圖-圖I、圖2、圖3、圖4、圖5分別示出了本發(fā)明的五個特定實施方式；以及-圖6、圖7、圖8、圖9和

圖10給出了關(guān)于實施方式的細節(jié)或操作細節(jié)。圖I中描繪了本發(fā)明的第一實施方式。攪拌器包括框架1，該框架包括兩個平行的板2和3以及介于板2和3之間的圓形壁4。該構(gòu)造通過緊固螺釘5保持在位并且形成室。具有液體樣本7的錐形管6的形狀的容器在室中在板2和3之間延伸，其具有附圖中的豎直軸線。容器被支撐在兩個橡膠盤(隔膜)8和9上，這些橡膠盤本身被支撐在板2和3上?？?0和11穿透板2和3，露出橡膠盤8和9。中空注射針可以橫穿圓盤8和9以注入樣本7或者移除樣本。于是在兩個連續(xù)樣本7的處理之間無需拆除攪拌器。然而，可能的是使用一個接一個安裝的閉合的管。諧振器11包括在板2和3之間在中間延伸的水平環(huán)12，該水平環(huán)的外圍通過進入圓形壁中的剛性臺肩13附接至圓形壁4，并且該水平環(huán)的厚度從外圍至中心減小。環(huán)12在中心被穿孔。諧振器11還包括中心套管14，該中心套管的軸線垂直于環(huán)12延伸，該中心套管界定環(huán)12的穿孔，并且管6安裝在該中心套管中，通過緊固裝配在該位置中。中心套管14的軸線與管6的軸線合并，并且還與環(huán)12的對稱軸線合并。包括環(huán)12和中心套管14的諧振器11相對于與管6的軸線合并的軸線具有旋轉(zhuǎn)對稱性。諧振器11通過布置為在外圍區(qū)域中在其上表面上和在其下表面下的環(huán)的換能器15和16而激振。出于特定操作，諸如磁粉的集中，可以為裝置增加磁體17，這些磁粉然后必須分散在樣本7中。這些可以是用在生物學中作為用于細胞的載體(support)的鐵粉。換能器15和16的激振使諧振器11變形并且將振動傳送至管6并傳送至樣本7。振動模式是通過以反相控制換能器15和16而獲得的環(huán)12的彎曲，當相對換能器16收縮時，換能器15在水平方向(環(huán)12的徑向)上擴張。由于其下層和上層的平行且相對的運動所導致的環(huán)12的剪切引起中心的彎曲移動，造成套管14的端部的壓縮/擴張運動，該運動被有效地傳送至液體樣本。已觀察到的是，經(jīng)受彎曲的環(huán)的激振提供相對低的諧振頻率，這些諧振頻率可能在幾千赫茲到幾十千赫茲之間，這些諧振頻率具有的優(yōu)點在于它們伴隨有較大的振幅和較小的阻尼因此需要較少的電能來激振換能器15和16。使用套管14在垂直于管6的壁的徑向方向上(即，垂直于諧振器的對稱軸線)施加振動允許通過由管6組成的界面將振動能量令人滿意地傳送至樣本7。當管由諸如聚丙烯的塑料制成時，可以獲得能量的40%被傳送(而能量的60%被反射)的效率。如果沒有套管14，管6將受到沿著其軸線的大致豎直振動，這將產(chǎn)生樣本7的僅是非常小的攪拌，特別地由于這些振動將在管的界面處幾乎完全被反射。如果小心地制造，換能器15和16與環(huán)12之間的能量傳輸效率也是大約40%。由到達樣本7的能量產(chǎn)生的攪拌是充分的，因為通過套管14的管6的緊固變化改變其直徑并且以產(chǎn)生在這樣的方法中所尋求的機械作用的壓力波形式傳送至樣本7 :這些方法用于微粒的破壞或者破碎，以及可能地延伸至液體的霧化或氣蝕現(xiàn)象，并且涉及樣本7的充分攪動，并且因此其·部分的混合。此外，振動能量在套管14與管6的接合區(qū)域中的消耗可以使樣本7能夠被加熱，或者由于由加熱產(chǎn)生的對液體進行除氣而方便攪動。如果使用管6的非常充分的運動來獲得氣蝕，那么更具體地證實了這些作用。環(huán)12朝向其中心的變薄使得其在該位置處更具柔性，增加了振動的振幅(由于移動的量的守恒)并且使能量的施加集中同時降低了固有頻率。通過避免太充分的集中，要求施加徑向組成部分的套管14也使得該能量能夠分配在充足體積的樣本7上，以使其作用更加顯著。例如，已觀察到，通過使用外徑為2. 5mm的玻璃管，至少為3_2的接合表面(套管與管接觸的表面)允許幾十mm3的樣品體積的令人滿意的攪拌。諧振器11可以由鋁或者玻璃制成，特別地熱模制，或者由塑料(聚丙烯、聚碳酸酯等)制成，換能器15和16可以由陶瓷制成，并且管6由金屬、玻璃或塑料制成。換能器15和16可以由鋯鈦酸鉛或者諸如鈦酸鋇的其他壓電材料、或者聚偏氟乙烯(PVDF)制成。與再次描繪了圖I的實施方式的圖10相關(guān)的表I給出了裝置的一些可能尺寸；但是它們不是必需的。轟I
權(quán)利要求
1.ー種液體樣本的攪拌器(6，214)，包括裝有所述樣本的容器(7)和振動發(fā)生器，其中，振動通過中間介質(zhì)傳遞至所述容器，其特征在于，所述中間介質(zhì)是環(huán)繞所述容器并與所述容器結(jié)合的固體環(huán)諧振器(12，112，212，312，412)，并且其中，所述容器附接至所述環(huán)的中心，并且所述振動發(fā)生器包括至少ー個壓電換能器，所述壓電換能器安裝在所述環(huán)的外圍區(qū)域中并構(gòu)造為將所述環(huán)的徑向方向上的振動傳送至所述環(huán)并傳送至所述容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述容器是管(6)，所述管的軸線垂直于所述環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述管具有附接至固定的框架的相對端部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述諧振器在所述環(huán)的外圍處附接至所述框架。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液體樣本的攪拌器，其特征在干，所述諧振器通過彈性結(jié)構(gòu)從所述框架懸置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述諧振器從所述管懸置而獨立于所述框架。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述管的所述端部附接至所述框架，并支撐在橡膠盤(8，9)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述框架包括露出所述橡膠盤的孔，并且所述管的所述端部打開。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述管(406)具有帶有螺旋孔(422)的內(nèi)表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述環(huán)從所述外圍朝向所述容器逐漸變細。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述諧振器包括軸線垂直于所述環(huán)的中心套管，并且所述容器被夾持在所述套管中。
12.根據(jù)權(quán)利要求2和11所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述管是錐形的。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述振動發(fā)生器包括単獨控制的多個換能器。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述換能器傳送不同頻率的振動。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，換能器的組在所述環(huán)的所述外圍區(qū)域的弧的相應(yīng)部分上延伸，并傳送相位偏移與弧的所述部分之間的角度偏移相同的相同頻率的振動。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述換能器定位在所述環(huán)的兩個相對表面上。
17.根據(jù)權(quán)利要求11和16所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，通過定位在所述環(huán)的相對表面上的所述換能器傳送的振動具有反相的組成部分，并且由此產(chǎn)生所述環(huán)的彎曲。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述振動發(fā)生器包括傳送產(chǎn)生所述容器的振動壓縮的對稱振動的完整圓形換能器。
19.根據(jù)權(quán)利要求15、16和18所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述攪拌器包括位于所述表面中的一個上的所述換能器的組以及位于相對表面上的所述完整圓形換能器。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述套管從與所述環(huán)連接的位置逐漸變細，直到至少ー個端部。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述套管具有的厚度等于所述環(huán)的厚度的一半，或者所述套管具有的厚度等于所述環(huán)的厚度，取決于所述套管是具有兩個所述端部，還是具有一個這樣的端部，并且在另ー個端部處是零厚度。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述組中的換能器的數(shù)量是四個，這些換能器的振動移位四分之一相位，并且這些換能器在70°的角形部分上延伸。
23.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述攪拌器包括鄰近所述管并鄰近所述環(huán)的磁體。
24.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體樣本的攪拌器，其特征在于，所述換能器是壓電的。
全文摘要
一種通過振動的攪拌器，包括環(huán)形諧振器(12)，通過壓電換能器(15，16)將振動應(yīng)力施加至該環(huán)形諧振器。優(yōu)選的應(yīng)力形狀是環(huán)(12)的垂直于其平面的彎曲，從而以相對低的頻率激振固有模式。固體環(huán)形傳送件的使用使得能夠令人滿意地控制振動，以保持令人滿意地傳送至待攪拌的樣本(7)，并且將振動集中在樣本上。激振頻率是環(huán)或容器(6)所固有的頻率。
文檔編號B01F11/02GK102802777SQ201180014850
公開日2012年11月28日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者讓-皮埃爾·尼科洛夫斯基, 西里爾·德拉特雷 申請人:法國原子能及替代能源委員會