一种齿形结构的超声破碎仪

摘要

本发明公开了一种齿形结构的超声破碎仪，所述超声破碎仪包括超声换能器(1)、齿形聚能器(2)和样品处理槽(3)，其中，所述超声换能器(1)设置在样品处理槽3的下部，齿形聚能器(2)设置在样品处理槽(3)的内部，以对声能进行聚集。所述齿形聚能器(2)包括板状部和齿状部，板状部的底面与样品处理槽(3)的内部底面固定连接，齿状部的齿数为两个或所述齿状部为两个以上的齿组成的齿形阵列，齿的截面形状为三角形、矩形或梯形，在齿上设置倒角或圆角结构。本发明提供的齿形结构的超声破碎仪，利用声波在试管支架(或液面)和齿形聚能器之间的反射与齿形结构的聚能效果，提高齿槽位置的局部声强，减少了声能的浪费，提高了利用率。

权利要求

1.一种齿形结构的超声破碎仪，其特征在于，所述超声破碎仪包括超声换能器(1)、齿形聚能器(2)和样品处理槽(3)，其中，所述超声换能器(1)设置在样品处理槽3的下部，齿形聚能器(2)设置在样品处理槽(3)的内部，以对声能进行聚集；

所述齿形聚能器(2)包括板状部和齿状部，所述板状部的底面与样品处理槽(3)的内部底面固定连接，所述齿状部的齿数为多个；

在所述齿形聚能器(2)的上部、样品处理槽(3)的内部，还设置有试管支架(4)，以固定样品盛装管(5)和对齿形聚能器(2)上表面发射的超声波进行反射；

所述试管支架(4)包括竖直板和水平板，均具有声反射能力；

在所述水平板上设置有开孔，以放置样品盛装管(5)；

所述超声换能器(1)为一个或多个，其辐射面与样品处理槽(3 )的底面固定连接。

2.根据权利要求1所述的齿形结构的超声破碎仪，其特征在于，所述齿状部的齿数为两个或所述齿状部为两个以上的齿组成的齿形阵列。

3.根据权利要求1所述的齿形结构的超声破碎仪，其特征在于，所述齿状部的齿的截面形状为三角形、矩形或梯形，在齿上设置倒角或圆角结构。

4.根据权利要求2所述的齿形结构的超声破碎仪，其特征在于，当齿状部为两个以上的齿组成的齿形阵列结构时，多个齿的截面形状相同。

5.根据权利要求1所述的齿形结构的超声破碎仪，其特征在于，所述样品盛装管(5)底部与齿槽底部具有间隙。

6.根据权利要求1所述的齿形结构的超声破碎仪，其特征在于，样品盛装管(5)内的样品为液体，液面的高度不高于齿槽的竖直高度。

说明书

一种齿形结构的超声破碎仪

技术领域

[0001] 本发明涉及生物样品处理装置技术领域，具体涉及一种非接触式的齿形结构超声破碎仪。

背景技术

[0002] 在常温常压下，超声换能器发射的超声波在液体中传播，当声波幅度大于空化阈值的时候，会在液体中形成负压，从而激发声空化。声空化发生时，大量气泡在液体中发生
震荡和溃灭：空化泡震荡时在周围产生微流和机械摩擦，空化泡溃灭的时候产生微射流、冲
击波等效应，这些效应对于生物颗粒有一定的破坏效果，从而可以用于对生物样本的破碎。

[0003] 超声破碎的常用手段有两种：一种是接触式超声破碎，把带变幅杆的超声波换能器伸入样本容器中进行破碎工作。另一中是非接触式超声破碎：在水槽底部布置超声波换
能器，把盛有样品的试管放在超声水槽中进行样品破碎。非接触式超声破碎的优势在于可
以同时处理多份样品，且在处理过程中可以封闭试管，避免样本的污染。

[0004] 一般来说，超声破碎的能力和声强均与频率有关，提高超声的声强可以直接提高超声波破碎的效果。但是对于传统的超声破碎仪来说，声波能量大部分都分布在整个容器
当中，如果增大破碎位置的局部声强，需要提高整个容器中的声强，从而造成声能的浪费，
也增加了器材的损耗。

[0005] 因此，有必要提供一种能够对声波进行有效汇聚、提高声能利用效率、超声破碎效果好的超声破碎仪。

发明内容

[0006] 为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种齿形结构的超声破碎仪，该超声破碎仪利用超声波在试管支架和齿形结构之间的反射与齿形结构的聚能效果，
提高样品位置的局部声强，实现了高声能利用率下的超声破碎，从而完成了本发明。

[0007] 具体来说，本发明的目的在于提供一种齿形结构的超声破碎仪，其中，所述超声破碎仪包括超声换能器1、齿形聚能器2和样品处理槽3，

[0008] 其中，所述超声换能器1设置在样品处理槽3的下部，

[0009] 齿形聚能器2设置在样品处理槽3的内部，以对声能进行聚集。

[0010] 其中，所述超声换能器1为一个或多个，其辐射面与样品处理槽2的底面固定连接。

[0011] 其中，所述齿形聚能器2包括板状部和齿状部，

[0012] 所述板状部的底面与样品处理槽3的内部底面固定连接，所述齿状部的齿数为多个。

[0013] 其中，所述齿状部的齿数为两个或所述齿状部为两个以上的齿组成的齿形阵列。

[0014] 其中，所述齿状部的齿的截面形状为三角形、矩形或梯形，在齿上设置倒角或圆角结构。

[0015] 其中，当齿状部为两个以上的齿组成的齿形阵列结构时，多个齿的截面形状相同。

[0016] 其中，在所述齿形聚能器2的上部、样品处理槽3的内部，还设置有试管支架4，以固定样品盛装管5和对齿形聚能器2上表面发射的超声波进行反射。

[0017] 其中，所述试管支架4包括竖直板和水平板，均具有声反射能力；

[0018] 在所述水平板上设置有开孔，以放置样品盛装管5。

[0019] 其中，所述样品盛装管5底部与齿槽底部具有间隙。

[0020] 其中，样品盛装管5内的样品为液体，液面的高度不高于齿槽的竖直高度。

[0021] 本发明所具有的有益效果包括：

[0022] (1)本发明提供的齿形结构的超声破碎仪，操作简单，适用范围广，通用性强；

[0023] (2)本发明提供的齿形结构的超声破碎仪，利用声波在试管支架和齿形聚能器之间的反射与齿形结构的聚能效果，提高齿槽位置的局部声强，减少了声能的浪费，提高了利
用率；

[0024] (3)本发明提供的齿形结构的超声破碎仪，在齿槽的上部区域产生的声流可以对样品盛装管中的液体起到搅拌效果，提高样品破碎的均匀程度。

附图说明

[0025] 图1示出根据本发明一种优选实施方式的齿形结构的超声破碎仪的整体结构示意图；

[0026] 图2示出根据本发明一种优选实施方式的齿形结构的超声破碎仪的剖面结构示意图。

[0027] 附图标号说明：

[0028] 1‑超声换能器；

[0029] 2‑齿形聚能器；

[0030] 3‑样品处理槽；

[0031] 4‑试管支架；

[0032] 5‑样品盛装管。

具体实施方式

[0033] 下面通过附图和实施方式对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。其中，尽管在附图中示出了实施方式的各种方面，但是除非
特别指出，不必按比例绘制附图。

[0034] 本发明人研究发现，齿形结构有较好的聚能作用，能有效减少声波的损耗，为此，本发明提供了一种齿形结构的超声破碎仪，所述超声破碎仪包括超声换能器1、齿形聚能器
2和样品处理槽3，

[0035] 其中，所述超声换能器1设置在样品处理槽3的下部，

[0036] 齿形聚能器2设置在样品处理槽3的内部，以对声能进行聚集，如图1所示。

[0037] 在本发明中，所述齿形结构的超声破碎仪适用于生物样品的处理，例如细胞、生物组织、核苷酸片段等。

[0038] 根据本发明一种优选的实施方式，所述超声换能器1的辐射面与样品处理槽2的底面固定连接，所述固定连接可以采用现有技术中常用的连接方式，如粘接。

[0039] 在本发明中，所述超声换能器用于将输入的电功率转换成机械功率，即超声波，再传递出去。可以选择现有技术中常用的超声换能器，如：夹心式压电换能器。

[0040] 其中，将超声换能器的辐射面与样品处理槽的底面固定连接，使得超声换能器的振动激励样品处理槽内齿形聚能器的振动。

[0041] 在进一步优选的实施方式中，所述超声换能器1可以为一个或多个，型号可以相同或不同。

[0042] 其中，超声换能器的数量与其工作功率正相关，数量越多，工作功率越高。本发明中根据超声换能器处理目标不同，设置不同的工作功率。

[0043] 在更进一步优选的实施方式中，所述超声换能器的工作频率为16kHz～10MHz。

[0044] 在本发明中，所述超声换能器的工作频率可以根据需求进行选择，例如，可以选择20kHz～3MHz的频率。

[0045] 根据本发明一种优选的实施方式，所述齿形聚能器2包括板状部和齿状部，如图2所示，

[0046] 所述板状部的底面与样品处理槽3的内部底面固定连接，所述连接可以采用现有技术中常用的连接方式，如粘接。

[0047] 在进一步优选的实施方式中，所述齿状部的齿数为多个，优选地，所述齿数为两个，或

[0048] 所述齿状部为两个以上的齿组成的齿形阵列。

[0049] 在本发明中，所述齿状部的齿数可以根据需求进行调整，多个齿之间形成齿槽。

[0050] 在更进一步优选的实施方式中，所述齿状部中齿的截面形状为三角形、矩形或梯形。

[0051] 优选地，在齿上设置倒角或圆角结构。

[0052] 根据本发明一种优选的实施方式，当齿状部为两个以上的齿组成的齿形阵列结构时，多个齿的截面形状相同。

[0053] 在进一步优选的实施方式中，当齿状部为两个以上的齿组成的齿形阵列结构时，相邻齿之间的间距相同。

[0054] 其中，所述相邻齿之间的间距指的是相邻齿的齿顶之间的距离。

[0055] 在本发明中，超声换能器的振动激励齿形聚能器的振动，使得超声波从聚能器的上表面发射。为了保证超声波的发射效果，优选将齿形聚能器设置在超声换能器的正上方。

[0056] 优选地，当超声换能器为1个时，其与齿形换能器同轴设置；

[0057] 当超声换能器为多个时，其均匀分布在齿形换能器的下部。

[0058] 在本发明中，齿形聚能器的长度(板状部的长度)、齿的数目和尺寸可以根据实际需求进行调整，超声换能器的数目、大小、排布方式和工作频率等也可以根据实际需求进行
选择。

[0059] 例如：图1和2中，齿形聚能器设置四个齿，形成三个齿槽，可以同时处理三排样品，下方设置有两个同型号换能器进行励振。

[0060] 根据本发明一种优选的实施方式，在所述齿形聚能器2的上部、样品处理槽3的内部，还设置有试管支架4，以固定样品盛装管5和对齿形聚能器2上表面发射的超声波进行反
射。

[0061] 其中，所述试管支架可以活动或固定设置在样品处理槽内。

[0062] 在进一步优选的实施方式中，所述试管支架4包括竖直板和水平板，均具有声反射能力；

[0063] 优选包括两个相对设置的竖直板和连接在两个竖直板之间的水平板，

[0064] 其中，竖直板设置在齿形聚能器2的两侧，沿齿数增多方向设置；

[0065] 水平板设置在齿状部的上方，如图2所示。

[0066] 其中，所述竖直板与齿形聚能器之间具有间隙。

[0067] 在更进一步优选的实施方式中，在所述水平板上设置有开孔，以放置样品盛装管5；

[0068] 优选地，所述水平板上开孔的排布与齿槽的设置相配合，使得试管5垂直置于齿槽中，每个齿槽上方对应的开孔可以为一个或多个，优选成直列式分布。

[0069] 在本发明中，超声波从聚能器上表面发射并被试管支架的水平板和竖直板反射，从而在齿槽中产生较大的局部驻波声场，提高了声能的利用率，同时利用大声压产生的空
化效应对生物样品进行破碎。

[0070] 根据本发明一种优选的实施方式，所述样品盛装管5可以为试管、离心管等，其底部与齿槽底部具有间隙，间隙大小为0mm～10mm，但不包括0mm。

[0071] 本发明人发现，间隙过大会减弱超声破碎效果，因此将样品盛装管与齿槽底部之间的距离设置为上述范围。

[0072] 其中，样品盛装管的上部固定在试管支架上，通过试管支架设置适当的高度来实现样品盛装管底部与齿槽底部的间隙配合。样品盛装管与试管支架的配合可以采用本领域
常用技术实现，例如，样品盛装管采用离心管。

[0073] 优选地，所述样品盛装管的外壁与相邻齿之间的距离为2mm～10mm。

[0074] 在进一步优选的实施方式中，样品盛装管5位于齿槽的中心面上，所述齿槽的中心面为垂直于齿数增多方向的中心面。

[0075] 在更进一步优选的实施方式中，样品盛装管5内的样品为液体，液面的高度不高于齿槽的竖直高度。

[0076] 根据本发明一种优选的实施方式，所述样品处理槽3还设置有进水端与排水端，以供冷却水流入和排出；

[0077] 其中，冷却水用于对待处理的生物样品进行冷却。

[0078] 本发明所述的齿形结构的超声破碎仪，利用齿形聚能器对声波的汇聚效果，在齿槽位置产生较大的声压，提高了声能的利用效率，同时在齿槽的上部区域产生的声流可以
对试管中的液体起到搅拌效果，提高样品破碎的均匀程度。

[0079] 本发明所述的齿形结构的超声破碎仪的工作过程为：根据实际需求设置超声换能器的数量、排布方式、工作频率、功率等，以及齿形聚能器的齿的数量、尺寸、形状等；然后将
适量待处理的生物样品置于样品盛装管内，固定于试管支架中，使得样品位于凹槽内，开启
超声换能器，进行超声破碎工作，超声换能器的振动激励齿形聚能器的振动，超声波从聚能
器上表面发射并被试管支架反射，从而在试管支架和聚能器之间形成驻波，在齿槽区域能
产生较大的声压，利用大声压产生的空化效应对生物样品进行破碎；在工作过程中，用水泵
从样品处理槽的一端通入冷却水，另一端排出冷却水，以对处理的生物样品进行冷却。

[0080] 实施例

[0081] 以下通过具体实例进一步描述本发明，不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。

[0082] 实施例1

[0083] 本实施例中，齿形聚能器的齿的截面形状为三角形，齿高为20mm，齿宽为10mm，齿间距为15mm，齿形聚能器的长度为60mm，共有4个齿，可以同时破碎1到9份样品，超声换能器
数目为1个，型号是苏州海纳科技有限公司的HNC‑4SS‑3833，换能器的出厂谐振频率为
33kHz和67kHz，最大功率为60W，实际工作时，换能器的有功电功率为10W，工作频率约
65.27kHz。

[0084] 采用上述结构的齿形聚能器对DNA样本(10.4kbp，珠海艾博罗生物技术股份有限公司提供)进行破碎，破碎工作总时间20min，ON/OFF＝30s/30s，用PCR电泳跑胶法检测DNA
样品的长度分布，得到DNA片段大约有70％分布在200bp‑300bp的目标长度之间，结果表明
本发明所述的齿形结构的超声破碎仪可有效粉碎DNA样片。

[0085] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描
述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，
因此不能理解为对本发明的限制。

[0086] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是
电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对
于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0087] 以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本
发明的保护范围内。