CN1032366A - 超声波细胞粉碎器 - Google Patents

Abstract

一种超声波细胞粉碎器，用于对各种生物细胞进 行破碎处理。它包括有纵向夹心式的压电型半波振 子，具有纵向尺寸为奇数倍四分之一基波波长的变幅 杆。变幅杆可以分为多段，前级变幅杆为铝质，而末 级变幅杆以钛合金为材料。压电振子与变幅杆的连 接平面处于波节位置，变幅杆的输出端面处于波腹位 置。它能高效率、均匀地对各种不同的细胞进行粉碎 处理，一机能适配多个不同的探头，功率可调。

Description

本发明涉及生物细胞的破碎处理，是利用超声波空化效应对生物细胞进行破碎处理的装置。

以往，对生物细胞进行破碎处理所使用的方法有机械破碎法、冻融破碎法、和化学反应破碎法，但这些方法存在有破碎效果不均一，重复性差，在处理中会引起细胞自身发生变质和破碎率低等缺点。

随着生物工程、遗传工程和生命科学的日益进步，需要有更先进的手段来破碎生物细胞，提取细胞内的小器官（如DNA和RNA）。由于强超声波所产生的冲击波足以消除液体内极微小的气泡，所以，在对含有生物细胞的液体进行细胞粉碎处理时，其效应为其他方法所不及，有其独特的优点，能克服上述其它方法所存在的缺点。

本发明的目的是提供一种利用超声波在液体中的空化效应，对液体中的生物细胞进行破碎处理的超声波细胞破碎器。它能一机适配多个探头（变幅杆），调换探头时拆装方便，输出功率多档可调，在不同的多种工况下（如调换不同的处理槽、试液的粘度不同、液量的多少、使用不同的探头等等），能始终使工作处于谐振状态，工作中匹配良好。

本发明的技术解决方案：

本发明的超声波细胞破碎器由超声波振荡器、超声波“电一机”换能器和超声波振幅放大器这三个主要的组成部分所组成。超声波“电一机”换能器为纵向夹心式压电型半波振子，发振元件采用压电陶瓷片，也可采用压电单晶。压电元件从二面将电极夹持后构成一个半波振子，然后再在其后面盖上后盖板，在其前方是超声波振幅放大器，采用中央单螺钉的固定方式以一定的预应力将三者夹紧。以中央电极为中心包括二边的压电元件夹拢后其总体厚度（即纵向长度）应等于基波波长的一半。超声波振幅放大器为钛合金制成的变幅杆，它与压电半波振子的输出面直接相连接，它的作用是接受、传递由半波振子产生的超声波纵向振动。並且将超声波的振幅在传递过程中放大，它自输入面至输出面沿纵向渐渐变细（横截面逐渐变小），其纵向总长度等于奇数倍的四分之一基波波长。压电振子与变幅杆的连接平面处于波节位置，而变幅杆的末端（浸入液体试料中）平面则应处于波腹位置。如果变幅杆是由多节组成的，各个变幅杆与变幅杆之间的连接平面应处在波腹位置，各段变幅杆的纵向尺寸相加后其总长应等于奇数倍的四分之一基波波长。超声波振荡器中有自动频率跟踪电路，它保证了在种种可能引起固有频率发生漂移的工况下超声波细胞粉碎器能始终维持住其谐振的工作状态。由于上述各项措施，使整机在工作中匹配良好，超声波传输效率高。变幅杆采用单级时要求其整体采用钛合金，这样效果良好，但成本高。为了降低成本，可以采用多级的形式，例如，当变幅杆为二级时，前级（与压电振子直接相连）比较粗大，采用铝合金制造，而末级（直接浸入液体试料中）变幅杆比较细小，采用钛合金制造，这样可使制造成本降低。采用二级变幅杆还有一个好处，就是它能满足一机适配多个探头（末级变幅杆）的要求。末级变幅杆与前级变幅杆之间是采用中央式单螺钉的固定方式，所以，在调换不同探头时拆装方便。对于不同数量和不同种类的细胞进行破碎处理时不仅要求调换不同的探头，还要求不同的超声功率，振荡器中的功率调节电路块能满足这一要求。本发明的超声波细胞破碎器功率大、探头多，谐振状态好、“电一声”功率转换率高，在使用时还可配备试样处理槽致冷器（恒温器）、探头相对液面的高度调节器，以及将整机完全包封的一个隔音箱等辅助设备，从而解决了现有技术中的存在问题，实现了本发明的目的。

以下，结合实施例、按照附图，对本发明进行详述。

附图说明：

图1是超声波细胞粉碎器的换能器和振幅放大器总成，反映纵向夹心式压电振子和由二级变幅杆所组成的振幅放大器的结构。

图2是阶梯形外廓曲面的探头。

图3是双曲悬链线外廓曲面的探头。

图4是图1中的A-A向示图。

图5是超声波细胞粉碎器的整机外形图。

图1中显示，本机的超声波“电一机”换能器采用的是纵向夹心式压电振子，压电元件采用压电陶片（4）和（6），这二片压电陶瓷向着中央电极（5）面对面地将它夹住，压电陶瓷与中央电极（5）相接触的平面连同中央电极（5）一起作为正极，而相反的二个侧面为负极，所以负极分别与后盖板（2）以及第一级变幅杆（7）的输入面（10）相接触。整个压电振子的厚度等于基波的半波长。采用中央式单螺钉（1）将压电振子夹持在后盖板（2）和第一级变幅杆的法兰面（即输入面）（10）之间以一定的力矩紧固，有一个环形的绝缘弹性隔套（3）将压电振子的正电极与紧固螺钉（1）隔开，隔套（3）还使被夹紧后的压电振子增加了弹性，它可以采用性能优良的有机硅橡胶制成。在装配压电振子时，应在压电陶瓷片（4）和（6）的每个侧面上涂上导电胶。变幅杆是作为超声波振幅放大器被直接与压电振子的输出面相连接，本实施例中的振幅放大器采用二级变幅杆，第一级（7）形状粗大，以铝合金为材料，主要起聚能作用，第二级（亦称探头）（9）形状细小，以钛合金为材料，主要起振幅放大作用，这二级变幅杆之间采用中央单螺钉（8）的连接方式，所以拆装方便。采用二级变幅杆，主要是为了节省钛合金的用量，降低成本。采用二级变幅杆时应和采用一级变幅杆时相同其变幅杆的总体纵向长度应等于奇数倍的基波四分之一的波长。第一变幅杆（7）的纵向尺寸为四分之三的基波波长，第二级变幅杆（探头）（9）的纵向尺寸为半个基波波长。本实施例中几个连接平面是很重要的，首先，压电振子与第一级变幅杆（2）的连接平面（即法兰端面）（10）必须位于波节位置，而第一级与第二级变幅杆之间的连接平面（11）必须位于波腹位置，这样，末级变幅杆（9）的输出端面（13）就正好处于波腹位置;其次，在这二个连接面（10）、（11）上都涂有锡和镍等软金属。上述安排能保证在整个超声波产生和传递的过程中，压电陶瓷片（4）、（6）自身所受的振动最小，而使超声波得到最大的传输效率，最终能在探头的末端输出面（13）上获得最大的纵向振幅。以下的一项措施也是为了同样的目的而采取的：为了阻止超声波从相反的方向传递出去，在压电振子的背部的后盖板（2）选用比重比第一级变幅杆（7）大若干倍的钢材（以45号钢为佳）制造，这样能使从前方传出的超声波在声功率上获得增益，本实施例中，一机可适配多个外廓曲面不一、末端直径不同的末级变幅杆（探头）（9），外廓曲面（12）有阶梯形和双曲悬链线二种。图2显示的是阶梯形的外廓曲面，位于粗细二段之间的过渡园弧应符合： $\mathrm{R(X)}\sqrt{L^2\mathrm{-(X-L)}{}^2}\mathrm{-L}$ 的园函数公式，在此，L为过渡园弧面的纵向尺寸，L₀和L₁分别为粗端和细端的纵向尺寸，L/N为园弧段任一截出小片的厚度，R_λ和R_λ+1分别是这截出小片的、小端面的半径，R₁和R₂则是变幅杆的输入和输出面的半径。图3显示的双曲悬链线外廓曲面，该曲面应符合以下函数式：R（X）＝R₂Chβ（L-X），而β又等于 (l)/(L) ch^-1R₁/R₂，在此，l₀为均匀大端的纵向长度，L为变截面端的纵向长度，L/N为变截面部分任意位置的截出小片的厚度，R₁和R₂表示变幅杆超声波的输入面和输出面的半径。变幅杆的振幅放大效果是取决于S₂/S₁之比值，在此，S₂和S₁分别是其输入端面和输出面的截面积。本机功率为250瓦，基波频率为24KHz，阶梯形变幅杆小端直径为φ10以上各档，双曲悬链线外廓的变幅杆的小端（13）直径有φ3和φ6二档。根据细胞的种类不同、待处理的液量不同，以及处理槽的形状尺寸的不同，在进行细胞破碎处理时，常常需配换各档不同的探头。本机采用中央单螺钉（8）的连接方式来完成变幅杆相互之间的连接，这样，使探头的拆装变得方便。还有一种可以相互取代的连接方式是，用1只长螺钉（末显示）来代替紧固螺钉（1）和（8），它贯穿后盖板（2）、压电振子、第一级变幅杆（7），最后把探头（9）也连接起来成为一个整体。为了提供较好的散热条件，在压电振子的后面设有一个轴流冷却风扇（图1中未显示），在第一级变幅杆（7）的法兰面（10）的周缘上加工出齿形（见图4），相邻齿之间的空隙（14）为轴流风却党龅?风提供了排风孔。为了进一步为变幅杆散热，在第一级铝质的变幅杆（7）的外表面上作氧化发黑处理，使之带有一定的黑度。在整机装配完毕后，再往整机的外表面上涂上绝缘导热胶也是为了增强散热能力。

图5显示了本机的整体结构，当超声波振荡器（15）接通电源后，它就产生24KHz的振荡频率，电信号通过电线（16）使“电一机”超声波换能器的压电振子产生超声频的纵向机械振动，然后，超声波在通过变幅杆（7）、（9）时被聚能和放大振幅，最后通过探头（9）的输出面（13）使处理槽（18）内含有待破碎细胞的液体中产生强烈的冲击波（即空化效应），从而实现超声波细胞粉碎处理。探头（9）***液体的深度在作业时如需要作调节，可以通过操作按装在支架（19）上的高度调节旋钮（20）来调节。处理槽（18）内的液温过高，会使细胞变质，在处理时应把处理槽（18）置于一个致冷槽（未显示）内，致冷槽可以使处理槽（18）内的液体温度维持在一个恒定的值上。另外，机器在工作时会发生噪音，在需要减噪时，可以用一只隔音箱（未显示）将整机包封起来，机器在隔音箱内进行细胞粉碎处理，既可减少噪音，还可以起到防尘和与外界隔离的效果。超声波振荡器中设有功率调节和自动频率跟踪电路。对不同细胞进行破碎处理，常常要求不同的功率。机器在工作中（由于调换不同的探头、由于处理槽的形状尺寸不同、被处理的液量有多有少）常会引起机器的固有频率发生变化，所以需要频率跟踪措施，以使机器始终处于谐振的工作状态。

Claims (10)

1、一种超声波细胞粉碎器，它包括一个超声波“电一机”换能器、一个超声波振幅放大器和一个超声波振荡器，其特征是：

a、所述的“电一机”换能器是一个纵向夹心式压电振子，其纵向长度(即厚度)为基波波长的一半，

b、所述的振幅放大器是沿其纵向自输入面至输出面截面积由大变小的钛合金变幅杆，它具有奇数个四分之一基波长的纵向尺寸，

c、纵向夹心式压电振子与变幅杆的连接平面处于波节位置，变幅杆的输出端面处于波腹位置。

2、如权利要求1所述的超声波细胞粉碎器，其特征是，所述的纵向夹心式压电振子包含一对压电陶瓷片和夹在这二块压电陶瓷片中间的中央电极。

3、如权利要求2所述的超声波细胞粉碎器，其特征是，所述的压电振子被夹在钢质的后盖板和变幅杆之间以中央单螺钉紧固。

4、如权利要求1述的超声波细胞粉碎器，其特征是，所述的振幅放大器由多级变幅杆组成，末级变幅杆由钛合金制成，而其余各级变幅杆是由铝合金制成。

5、如权利要求4所述的超声波细胞粉碎器，其特征是，所述的除末级以外的变幅杆的外表面为黑色。

6、如权利要求4或5所述的超声波细胞粉碎器，其特征是，各段变幅杆相互之间的连接平面处于波腹位置，各段变幅杆的纵向尺寸的总和等于奇数个四分之一基波波长。

7、如权利要求1或4所述的超声波细胞粉碎器，其特征是，所述的末级变幅杆具有双曲悬链线或阶梯形的外廓曲面。

8、如权利要求1或4所述的超声波细胞粉碎器，其特征是，从压电振子至末级变幅杆，各连接平面上涂有软金属涂层。

9、如权利要求2所述的超声波细胞粉碎器，其特征是，每片压电陶瓷片的二侧面上涂有导电胶。

10、如权利要求1或4所述的超声波细胞粉碎器其特征是，“电一机”换能器和振幅放大器的外表面上涂有绝缘导热胶。

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