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CN113058834B - 一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器及其驱动方法 - Google Patents

一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器及其驱动方法 Download PDF

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CN113058834B CN202110306264.XA CN202110306264A CN113058834B CN 113058834 B CN113058834 B CN 113058834B CN 202110306264 A CN202110306264 A CN 202110306264A CN 113058834 B CN113058834 B CN 113058834B
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Abstract

本发明公开了一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器及其驱动方法，所述换能器包括压电块和背材，所述压电块的上顶面为凹球面，其下底面凸球面，所述上顶面和下底面对应的球心位置相同，所述背材贴合在所述压电块的下底面，所述背材能够吸收所述压电块产生的背向声波。本发明提供的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器及其驱动方法可以工作于两个工作频率，适应不同大小的处理目标的要求，扩大其使用范围。

Description

一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器及其驱动方法
技术领域
本发明涉及生物样品超声处理装置技术领域，尤其涉及一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器及其驱动方法。
背景技术
在进行生物样品(如生物组织、细胞、血液等)的分析与检测前，样品的预处理十分必要，通过一定的技术手段对生物样品进行裂解、分离，获得其混合提取液，才能对其有效成分或有效成分群体进行提取。利用超声波技术来强化提取分离过程，可有效提高提取分离率，缩短提取时间，节约成本，提高样品的质量和提取率。
超声生物样品处理技术基于声波具有的机械效应、空化效应、微流效应和热效应发挥作用，通过特定频率的声波作用于生物样品，使其发生自振动，同时增强介质分子间的相互作用，从而使得样品发生破碎、裂解，继而使目标成分得以释放或析出，便于进一步的提取。
常见的超声生物样品处理仪器有细胞破碎仪，其通过一个“压电堆栈+变幅杆”结构进行作用，具有功率高、效率高、处理量大等优势，在细胞裂解、超声乳化等方面得到了广泛的应用。但是，由于功率较高，处理样品时样品温度会出现较大的上升，导致样品的生物活性被破坏。且在进行生物特性分析时，由于获得的样品数量往往有限，其较大的体积无法胜任。
在实际应用中，生物样品目标成分相差较大，如质粒、RNA/DNA、细胞等，体积大小千差万别。由于不同频率的声波具有不同大小的波长，处理特定大小的目标成分时，使用相应的超声频率进行处理时效率最高。因此，不同的目标成分的处理往往需要不同的超声频率。现有商用超声聚焦技术往往为单一工作频率，覆盖频率范围小，无法适应多目标成分处理的要求。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器及其驱动方法，具体技术方案如下：
一方面，提供了一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器，包括压电块和背材，所述压电块的上顶面为凹球面，其下底面为凸球面，所述压电块的上顶面和下底面对应的球心位置相同，所述背材贴合在所述压电块的下底面，所述背材能够吸收所述压电块产生的背向声波。
进一步地，所述压电块的上顶面和下底面分别贴合有用于引入激励信号的金属膜。
进一步地，所述压电块采用PZT4压电陶瓷或PZT8压电陶瓷。
进一步地，所述压电块为圆柱结构，其直径为20mm。
进一步地，所述压电块的厚度为2mm。
进一步地，所述压电块上顶面的曲率半径为50mm，所述压电块下底面的曲率半径为52mm。
另一方面，提供了一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器的驱动方法，包括以下步骤：
S1、根据压电块的厚度，通过厚度谐振模态分析，得到其对应的第一谐振频率；
S2、将所述压电块的形状弯曲为球面状且保持厚度不变，引入薄球壳振动模态分析，以得到弯曲后的压电块对应的第二谐振频率；
S3、将生物样品放在所述压电块的聚焦区域；
S4、输入所述第一谐振频率和/或所述第二谐振频率对应的激励信号至所述压电块，以对所述生物样品进行裂解分离。
进一步地，在步骤S4中，当输入所述第一谐振频率和所述第二谐振频率对应的激励信号时，需要在外部进行混频预处理。
进一步地，在步骤S1中，当采用2mm厚度的压电块时，通过厚度谐振模态分析，得到其对应的第一谐振频率为1MHz。
进一步地，在步骤S2中，当弯曲为球面状的压电块的凹球面对应的曲率半径为50mm时，通过薄球壳振动模态分析，得到所述压电块的第二谐振频率为3.5MHz。
本发明具有下列优点：
a.通过优化相应的激励与驱动方法，最大程度地减少其功耗，降低样品温度，保证样品活度；
b.通过优化换能器的振型，使其可以工作于两个工作频率，适应不同大小的处理目标的要求，扩大了使用范围；
c.适应多目标成分处理的要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器纵截面示意图；
图3是本发明实施例提供的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器的导纳曲线示意图；
图4是本发明实施例提供的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器的激励信号为1MHz时聚焦声场示意图；
图5是本发明实施例提供的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器的激励信号为3.5MHz时聚焦声场示意图；
图6是本发明实施例提供的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器的单频激励示意图；
图7是本发明实施例提供的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器的混频激励示意图。
其中，附图标记包括：1-压电块，2-背材，3-凹球面。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器，如图1所示，包括压电块1和背材2，所述压电块1的上顶面为凹球面3，其下底面为凸球面，所述压电块的上顶面和下底面对应的球心位置相同，所述背材2贴合在所述压电块1的下底面，所述背材2能够吸收所述压电块1产生的背向声波，从而使所述换能器的声波辐射方向为向前发射。
其中，所述压电块1带匹配层，采用PZT4或PZT8等高Q值压电陶瓷，所述压电块1的上顶面和下底面分别贴合有用于引入激励信号的金属膜，具体地，参见图2，位于上顶面的金属膜作为正极，位于下底面的金属膜作为负极，分别导出引线，以进行相应激励信号的引入，需要注意的是所述金属膜可延伸贴合至所述压电块1的侧面，便于引线，且两个金属膜不互相接触。
在本发明的一个实施例中，所述背材2也为圆柱结构，其直径为20mm，其厚度为4mm，所述压电块1为圆柱结构，其直径为20mm，其厚度为2mm，压电块1上顶面为凹球面3，其曲率半径为50mm，其下底面为凸球面，其曲率半径为52mm，所述凹球面3和所述凸球面共球心，且两者的水平投影形成的圆的直径为20mm，所述换能器的双频特性主要通过压电块1的振型进行确定，对于厚度为2mm的压电块1，其第一谐振频率恰好在1MHz附近，主要振型为厚度谐振模态，若将其形状弯曲为球面且保持厚度不变，则可以将薄球壳的振动模态引入，这种参数的薄球壳振型对应的第二谐振频率在3.5MHz附近，同时，弯曲的球面还能够实现声场的聚焦。参见图3，在上述尺寸设置的状态下，所述换能器的导纳曲线的两个波峰表明该所述换能器具有双频特性，此时压电块1形状弯曲后的尺寸参数能够实现双频和聚焦的双重效果。
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器的驱动方法，包括以下步骤：
S1、根据压电块的厚度，通过厚度谐振模态分析，得到其对应的第一谐振频率；
S2、将所述压电块的形状弯曲为球面状且保持厚度不变，引入薄球壳振动模态分析，以得到弯曲后的压电块对应的第二谐振频率；
S3、将生物样品放在所述压电块的聚焦区域；
S4、输入所述第一谐振频率和/或所述第二谐振频率对应的激励信号至所述压电块，以对所述生物样品进行裂解分离。
具体地，当采用2mm厚度的压电块时，通过厚度谐振模态分析，得到其对应的第一谐振频率为1MHz，在此设置基础上，当弯曲为球面状的压电块的凹球面对应的曲率半径为50mm时，通过薄球壳振动模态分析，得到所述压电块的第二谐振频率为3.5MHz；将生物样品放在所述压电块的聚焦区域，并置于水浴环境下，此时聚焦区域处于压电块凹球面的球心位置处，即距离凹球面中央位置前面的50mm处；
当输入所述第一谐振频率或所述第二谐振频率对应的激励信号时，即通过单一频率(1MHz或3.5MHz)的信号进行激励，激励信号分别为1MHz和3.5MHz时所述换能器的聚焦声场的情况,参见图4和图5，发现激励信号为1MHz时聚焦声场的范围更大。
而且单频激励时，参见图6，基波是频率为1MHz或3.5MHz的正弦波或方波，N个周期(N＝1,2,3,4…)的基波组成一个脉冲，PRF为脉冲重复周期，N和PRF皆可外部设置。特殊情况下，进行的是连续波激励。使用不同频率对应的激励信号便于对生物样品不同的部位进行针对性裂解分离。
当同时输入所述第一谐振频率和所述第二谐振频率对应的激励信号时，即使用双频(1MHz和3.5MHz)信号进行激励，可以在外部进行混频预处理。
当混频激励时，参见图7，基波是混频信号，通过频率为1MHz和3.5MHz的正弦波或方波经混频器调制得到，N个周期(N＝1,2,3,4…)的基波组成一个脉冲，PRF为脉冲重复周期，N和PRF皆可外部设置，特殊情况下，进行的是连续波激励。使用混合激励信号便于对生物样品多个的部位同时进行裂解分离，以提高效率。
本发明提供的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器及其驱动方法将超声聚焦方法用于生物样品的处理，可以适应不同的处理要求，将样品置于水浴之中，利用超声聚焦换能器将声波聚焦于样品所在位置，可以实现多种样品的处理。由于为聚焦换能器，通过较低的激励功率即可在焦点位置获得较高的声压强度，降低了系统的能耗。且由于实际功率较低，样品被水浴包围，样品的温度将不会出现较高的提升，使其生物活性得以保证。此外，通过对激励信号的设计，还可以进一步降低其发热。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据压电块的厚度，通过厚度谐振模态分析，得到其对应的第一谐振频率；
S2、将所述压电块的形状弯曲为球面状且保持厚度不变，引入薄球壳振动模态分析，以得到弯曲后的压电块对应的第二谐振频率；
S3、将生物样品放在所述压电块的聚焦区域；
S4、输入所述第一谐振频率和/或所述第二谐振频率对应的激励信号至所述压电块，以对所述生物样品进行裂解分离。
2.根据权利要求1所述的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器的驱动方法，其特征在于，在步骤S4中，当输入所述第一谐振频率和所述第二谐振频率对应的激励信号时，需要在外部进行混频预处理。
3.根据权利要求1所述的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器的驱动方法，其特征在于，在步骤S1中，当采用2mm厚度的压电块时，通过厚度谐振模态分析，得到其对应的第一谐振频率为1MHz。
4.根据权利要求3所述的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器的驱动方法，其特征在于，在步骤S2中，当弯曲为球面状的压电块的凹球面对应的曲率半径为50mm时，通过薄球壳振动模态分析，得到所述压电块的第二谐振频率为3.5MHz。
5.一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器，其特征在于，包括压电块(1)和背材(2)，所述压电块(1)的上顶面为凹球面(3)，其下底面为凸球面，所述压电块(1)的上顶面和下底面对应的球心位置相同，所述背材(2)贴合在所述压电块(1)的下底面，所述背材(2)能够吸收所述压电块(1)产生的背向声波；
所述双频聚焦换能器采用如权利要求1-4中任一项所述的双频聚焦换能器的驱动方法进行驱动。
6.根据权利要求5所述的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器，其特征在于，所述压电块(1)的上顶面和下底面分别贴合有用于引入激励信号的金属膜。
7.根据权利要求5所述的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器，其特征在于，所述压电块(1)采用PZT4压电陶瓷或PZT8压电陶瓷。
8.根据权利要求5所述的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器，其特征在于，所述压电块(1)为圆柱结构，其直径为20mm。
9.根据权利要求8所述的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器，其特征在于，所述压电块(1)的厚度为2mm。
10.根据权利要求9所述的用于生物样品预处理的双频聚焦换能器，其特征在于，所述压电块(1)上顶面的曲率半径为50mm，所述压电块(1)下底面的曲率半径为52mm。
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