用于倾斜波颗粒偏转的声泳装置的制作方法

相关申请的引用

本申请要求2016年4月1日递交的美国临时专利申请no.62/316,933以及2015年4月29日递交的美国临时专利申请no.62/154,690的优先权，通过引用将其全部公开内容整体并入本文。

背景技术：

在医疗领域，经常期望不伤害细胞地从流体混合物中分离低浓度细胞、清洗细胞、浓缩流体混合物中的细胞、基于关键参数分化细胞或者甚至分级许多不同类型的细胞。这类工艺在许多普通疾病的可能疗法的发展中是关键的。还可以期望的是通过使用颗粒可以彼此分离的声场将尺寸、密度和/或声学反差因子不同的颗粒或者细胞分离。示例包括使活细胞与死细胞分离以及从未分化细胞中分离已分化细胞。本文中说明的方法提供了这种无标记的分离或分化方法。

在食品和饮料工业中，传统上使用过滤盒和过滤膜从液体中过滤颗粒。这种过滤器昂贵并且随着材料的处理而变得堵塞和不作用。与此相反，在其它可能的优点中，声泳(acoustophoresis)为过滤盒和过滤膜提供了固态、低成本的替代物，该替代物能够处理大量的例如负载酵母或其它悬浮颗粒的水或啤酒的基质介质。

在食品和饮料工业中，基质流体以比穿过传统的声泳装置的流率最多大十倍的流率流过过滤器。在这种较高的流率下，对基质流体中的颗粒的捕获降低，从而导致降低了的分离效率。因此，期望的是提供能够相较于传统的宏观尺度的声分离器从流率高得多或者浓度低得多的基质流体中分离第二流体或者粒子的系统和方法。

在油水工业中，从水中有效率地和经济地分离油和其它污染物已成为重要的工艺。水力压裂技术的出现导致许多沉降池和污水运输的高成本。这些沉降池对于环境是一个挑战并且需要更好的方法来更有效地澄清水力压裂水。在其它可能的优点中，声泳提供澄清水力压裂的固态的、有效的方法，但是与这种宏观尺度的声泳装置相关的流率仍太低而不可行。因此，期望的是提供能够从流率高得多的基质流体中分离第二流体、细胞或粒子的系统和方法。

技术实现要素：

本公开在各种实施方式中涉及用于声泳分离、分级、隔离、浓缩、清洗、检测或者甚至分化流体悬浮物中的细胞或颗粒的微观至宏观尺度的系统、装置和方法。装置和方法包括含有超声换能器和反射器的流室，超声换能器和反射器产生定向为相对于流过流室的平均流的方向成锐角的倾斜声驻波，其中流室包括穿过倾斜声驻波的颗粒路径。在较高的流率下，声驻波可以用于使颗粒在期望方向上偏转而不导致颗粒在驻波中被捕获。通过将声驻波以一定的角度应用于基质流体，能够实现所期望的颗粒偏转。

本文所公开的是声泳装置，其包括：流室，其中第二流体、细胞或粒子中的至少一者和基质流体的初始混合物从该流室流过，该流室限定了平均流的方向；至少一个超声换能器，该超声换能器位于流室的壁，换能器包括由电压信号驱动以在流室中产生倾斜声驻波的压电材料，倾斜声驻波定向为相对于穿过流室的平均流的方向成锐角；以及反射器，该反射器位于流室的与至少一个超声换能器相对的侧的壁，并且被设计和定位成产生沿着所述锐角方向的驻波。作为示例，换能器可以与室中的流体直接接触，该换能器可以粘合地附接至聚合物膜或者可以用于激发第二材料以产生声驻波。另外，换能器可以使用是诸如pzt-8等的陶瓷或者是诸如聚偏二氟乙烯(pvdf)等的聚合物的压电材料。

在装置的特别实施方式中，倾斜声驻波定向为相对于穿过流室的平均流的方向成大约20°至大约70°的角。多维声驻波可以是三维声驻波。倾斜声驻波还可以是平面声驻波，或者是平面声驻波和多维声驻波的组合。

在装置的特定实施方式中，声泳装置还包括在流室的第一端的入口以及在流室的与第一端相反的第二端的澄清流体出口。声泳装置还可以包括在流室的第二端的浓缩出口。在流室的第二端的至少一个浓缩出口可以引起诸如细胞清洗、细胞浓缩或细胞分级等的进一步处理，其中细胞是诸如t细胞、b细胞和nk细胞等的生物细胞。在特定的实施方式中，所分离的细胞是中国仓鼠卵巢(cho)细胞、ns0杂种细胞、幼仓鼠肾(bhk)细胞或者人类细胞。包括前述细胞类型的哺乳动物细胞培养的使用已被证明是生产/表达当今药物所需的重组蛋白和单克隆抗体的非常有效的方式。

在装置的特定实施方式中，声泳装置还包括在澄清流体出口的下方的偏转壁，该偏转壁实质上垂直于穿过流室的平均流的方向地延伸。声泳装置可以包括在偏转壁的下端的浓缩出口。倾斜声驻波可以是导致声辐射力的多维声驻波，该声辐射力具有使第二流体、细胞或粒子偏转到偏转壁的轴向分力。倾斜声驻波可以是三维声驻波。

在装置的特定实施方式中，声泳装置可以包括串联配置的多个超声换能器，各换能器包括由电压信号驱动以在流室中产生倾斜声驻波的压电材料，该倾斜声驻波定向为相对于穿过流室的平均流的方向成大约20°至大约70°的角。多个换能器中的各换能器均能够定向为相对于穿过流室的平均流的方向成相同的角度。

在特别的实施方式中，声泳装置还能够包括：上入口管道，第二流体、细胞或粒子中的至少一者和基质流体的初始混合物穿过该上入口管道流入声泳装置；下入口管道，细胞清洗流穿过该下入口管道流入声泳装置；上管道出口，初始混合物的基质流体穿过该上管道出口流出声泳装置；中管道出口，清洗流体通过该中管道出口流出声泳装置；以及下管道出口，第二流体、细胞或粒子在从穿过上入口管道的初始混合物的流穿过细胞清洗流之后在该下管道出口浓缩。

一个声室或多个声室还可以包括诸如由沿着倾斜波声学装置的中心线向下延伸的玻璃管产生的直线路径。在该示例中，声波穿过玻璃管的壁传送并且穿过声学装置的主流不被位于声学装置边缘的换能器和反射器的角部中断。

还公开的是使第二流体、细胞或粒子与基质流体分离的方法。该方法包括：使第二流体、细胞或粒子中的至少一者和基质流体的初始混合物流过声泳装置；发送电压信号来驱动至少一个超声换能器以在流室中产生倾斜驻波而使第二流体、细胞或粒子偏转；以及从声泳装置收集第二流体、细胞或粒子。声泳装置包括：流室，第二流体、细胞或粒子和基质流体的初始混合物穿过该流室流过，流室限定了平均流的方向；至少一个超声换能器，该超声换能器位于流室的壁，换能器包括由电压信号驱动以在流室中产生倾斜声驻波的压电材料，倾斜声驻波定向为相对于穿过流室的平均流的方向成锐角；以及反射器，该反射器位于流室的与至少一个超声换能器相对的侧的壁。在所述方法的特别实施方式中，倾斜驻波定向为相对于穿过流室的平均流的方向成大约20°至大约70°的角。倾斜声驻波可以是诸如三维声驻波等的多维声驻波。倾斜声驻波可以是三维声驻波。声泳装置的流室还可以包括：上入口管道，第二流体、细胞或粒子中的至少一者和基质流体的初始混合物穿过该上入口管道流入声泳装置；下入口管道，细胞清洗流穿过该下入口管道流入声泳装置；上管道出口，初始混合物的基质流体穿过该上管道出口流出声泳装置；中管道出口，清洗流体穿过该中管道出口流出声泳装置；以及下管道出口，第二流体、细胞或粒子在从穿过上入口管道的初始混合物的流穿过细胞清洗流之后在该下管道出口浓缩。

在所述方法的特定实施方式中，声泳装置还包括在流室的第一端的入口和在流室的与第一端相反的第二端的澄清流体出口。所公开的方法中使用的声泳装置还可以包括在流室的第二端的浓缩出口。

在又一实施方式中，可以有两个平行的入口，一个含有例如来自细胞培养的流体和细胞混合物，第二个含有清洗流体。装置还包括两个出口，一个用于细胞培养流体，另一个用于清洗流体。倾斜声驻波的作用是使所有的悬浮细胞从原始的细胞培养流体移入清洗流体从而完成清洗工艺。

在另一实施方式中，包含流体混合物的装置存在单个入口，该流体混合物含有例如微载体珠(cytodexbeads)的微载体和例如来自在细胞通过例如胰蛋白酶化(trypsinization)工艺从微载体中分离之后的粘附的细胞培养的悬浮细胞。倾斜声驻波的作用导致流体分为两股流，一股流体流包含所有的细胞，另一股流体流包含所有的微载体。

在所述方法的特定实施方式中，声泳装置可以包括多个平行的收集管道，该收集管道被设计为收集由倾斜声波力分级的、不同性质的细胞或粒子。

在所述方法的特定实施方式中，声泳装置可以包括与至少两个出口管道接合的操作模式，该出口管道用于收集由倾斜波根据性质差异分级的细胞或颗粒。

在所述方法的特定实施方式中，声泳装置还包括在澄清流体出口的下方的偏转壁，该偏转壁实质上垂直于穿过流室的平均流的方向地延伸。所公开的方法中使用的声泳装置可以包括在偏转壁的下端的浓缩出口。倾斜声驻波可以是导致了具有轴向分力的声辐射力的多维声驻波，该轴向分力使第二流体、细胞或粒子偏转到偏转壁。第二流体、细胞或粒子在偏转到偏转壁之后能够经由浓缩出口从声泳装置被收集。

在所述方法的特定实施方式中，声泳装置可以包括串联配置的多个超声换能器，各换能器包括由电压信号驱动以在流室中产生倾斜声驻波的压电材料，该倾斜声驻波定向为相对于穿过流室的平均流的方向成大约20°至70°的角。多个换能器中的各换能器均可以定向为相对于穿过流室的平均流的方向成相同的角度。

能够以大约200毫升/分钟至大约350毫升/分钟的提取速率(drawrate)从声泳装置中收集第二流体、细胞或粒子。第二流体、细胞或粒子中的至少一者和基质流体的混合物能够以大约400毫升/分钟至大约700毫升/分钟的流率流过声泳装置。发送至至少一个超声换能器的电压信号可以为从大约5v至大约200v，或者更优选地从大约5伏至大约50伏。超声换能器可以以从大约0.2mhz至大约200mhz的频率运转，或者更优选地以从大约0.5mhz至大约10hhz的频率运转。

在所述方法的特别实施方式中，倾斜声驻波导致了对第二流体、细胞或粒子的声辐射力；穿过声泳装置的第二流体、细胞或粒子中的至少一者和基质流体的混合物的流动导致了对第二流体、细胞或粒子的粘性曳力；并且声辐射力与粘性曳力的比例是大约0.1至大约0.9。在一些实施方式中，运转声泳装置使得声辐射力足够大以延缓第二流体、细胞或粒子穿过倾斜声驻波。在其它实施方式中，运转声泳装置使第二流体、细胞或粒子穿过倾斜声驻波。

在一些结构中，所述至少一个超声换能器包括串联配置并且相对于彼此转动一定的角度的多个超声换能器使得这些超声换能器的声驻波彼此不平行。例如，换能器可以彼此成90°角。各换能器均包括由电压信号驱动以在流室中产生倾斜三维声驻波的压电材料，以有益于第二流体、细胞或粒子的分化、分离、浓缩或分级，其中倾斜三维声驻波定向为相对于穿过流室的平均流的方向成大约20°至大约70°角。

以下更具体地说明这些和其它非限制性特征。

附图说明

以下是对附图的概要说明，其中附图以示出本文公开的示例性实施方式为目的而不以限制这些示例性实施方式为目的。

图1示意性地示出了在颗粒接近使颗粒在分速度vt的方向偏转的左行声驻波时的颗粒的流动分速度。

图2示意性地示出了在颗粒接近使颗粒在分速度vt的方向偏转的右行声驻波时的颗粒的流动分速度。

图3示意性地示出了在颗粒接近正交于颗粒的分速度的声驻波并且被从驻波轴向(即，vt)偏转时由颗粒的分速度增加和降低导致的颗粒偏转效果。

图4是示出在声辐射力比例固定为0.5的情况下不同波角度时的颗粒的净颗粒偏转角度的图表。

图5是示出在波角度固定为60°的情况下不同流速时的颗粒的净颗粒偏转角度的图表。

图6绘出了任何倾斜波声室的通用操作特征，其呈现出对于任何操作参数m的颗粒或细胞偏转相对波角度的关系。

图7绘出了给出对应固定波角度的偏转角度相对m的关系且限定这种系统的操作区域的根据图6的图。

图8示出了显示装置中的酵母颗粒的预测颗粒偏转相对颗粒尺寸的关系的颗粒轨迹计算结果，其中装置在声驻波定向为相对于平均流的方向成45°角的情况下在流速为18cm/分钟、频率为2mhz、声压幅值为1mpa的条件下运转。示出了三条线：最上的线代表颗粒尺寸为10μm，中间的线代表颗粒尺寸为7μm以及最下的线代表颗粒尺寸为5μm。右手侧的数字代表以(m²/s)为单位的颗粒的轴向加速度。

图9示出了显示装置中的7微米酵母颗粒的预测颗粒偏转相对流速的关系的颗粒轨迹的计算结果，其中装置在声驻波定向为相对于平均流的方向成45°角的情况下在流速为6cm/分钟、12cm/分钟、18cm/分钟和24cm/分钟、频率为2mhz、声压幅值为1mpa的条件下运转。

图10示出了显示装置中的中国仓鼠卵巢(cho)细胞的预测颗粒偏转相对颗粒尺寸的关系的颗粒轨迹的计算结果，其中装置在声驻波定向为相对于平均流的方向成45°角的情况下在流速为18cm/分钟、频率为2mhz、压力为1mpa的条件下运转。示出三条线：最上的线代表细胞尺寸为20μm，中间的线代表细胞尺寸为18μm以及最下的线代表细胞尺寸为16μm。右手侧的数字代表以(m²/s)为单位的颗粒轴向加速度。

图11示出了显示装置中具有不同反差因子的中国仓鼠卵巢(cho)细胞的预测颗粒偏转相对流速的关系的颗粒轨迹计算结果，其中装置在声驻波定向为相对于平均流的方向成45°角的情况下在流速为18cm/分钟、频率为2mhz、压力为1mpa的条件下运转。

图12示出了颗粒在负向力区域的开始处进入声驻波的初始或发展长度区域。

图13示出了颗粒在正向力区域的开始处进入声驻波的初始或发展长度区域。

图14示出了显示在声驻波中悬浮的颗粒受到的力的自由体受力图，其中声驻波定向为相对于穿过流室的平均流的方向成一定角度。

图15示出了根据本公开的第一实施方式的示例性声泳装置。

图16示出了根据本公开的第二实施方式的示例性声泳装置。

图17示出了根据本公开的第三实施方式的示例性声泳装置。

图18示出了根据本公开的第四实施方式的示例性声泳装置。

图19示出了根据本公开的第五实施方式的示例性声泳装置。

图20示出了所产生的流动分布，其中倾斜声驻波底部的流率高于倾斜声驻波顶部的流率。

图21是传统超声换能器的截面图。

图22是本公开的超声换能器的截面图。在该换能器内存在空气间隙并且不存在衬垫层或者耐磨板。

图23是本公开的超声换能器的截面图。在该换能器内存在空气间隙并且存在衬垫层和耐磨板。

具体实施方式

通过参照以下对本公开包括的期望的实施方式和示例的详细说明可以更容易地理解本公开。在以下说明书和所附权利要求中，将涉及定义为具有以下含义的多个术语。

尽管在以下说明中为了清楚起见使用了具体的术语，但是这些术语仅旨在指代附图中的选择说明的实施方式的特定结构，而并不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和以下说明中，需要理解的是相同的附图标记指代具有相同功能的部件。

除非上下文另有清楚的指示，未被数量词限制的名称和被“所述”限制的名称包括一个和多个。

在本文中使用的术语“包括”要求所述部件的存在并且允许其它部件的存在。术语“包括”应当被解释为包括术语“由…组成”，“由…组成”仅允许所述部件的存在，连同所述部件的制造中可能导致的任何杂质。

数值应当被理解为包括减小至相同有效数位时相同的数值以及与所述值的差小于本申请中所述类型的用以确定该值的传统测量技术的实验误差的数值。

本文中公开的所有范围包括提及的端点并且可以独立地组合(例如，“从2克到10克”的范围包括端点2克和10克以及中间的所有值)。范围的端点以及本文中公开的任何值不限于精确的范围或值；这些端点和值不足够精确以包括接近这些范围和/或值的值。

与数量关联使用的修饰语“大约”包括所述值并具有上下文中指示的含义。当在范围的上下文中使用时，修饰语“大约”也应被认为是公开了由两个端点的绝对值限定的范围。例如，“从大约2至大约10”的范围也公开“从2至10”的范围。术语“大约”可以指代所指示数加或减10％。例如，“大约10％”可以指示9％至11％的范围，“大约1”可以意味着从0.9至1.1。

应当注意的是，本文中使用的一些术语可能是相对术语。例如，术语“上”和“下”在位置上是彼此相对的，即，在给定方向上，上部件位于比下部件高的高度，但是如果装置翻转，这些术语可以改变。术语“入口”和“出口”是关于给定结构相对于流过“入口”和“出口”的流体而言的，例如，流体从入口流入结构并从出口流出该结构。术语“上游”和“下游”是相对于流体流过各种部件的方向而言的，即，流体在流过下游部件之前先流过上游部件。应当注意的是，在环路中，第一部件能够被同时描述成第二部件的上游和下游。

使用术语“水平”和“竖直”来指示相对于绝对基准(即，地平面)的方向。然而，不应将这些术语解释为要求结构彼此绝对平行或绝对垂直。例如，第一竖直结构和第二竖直结构不是必须彼此平行。使用术语“顶”和“底”或“基”来表示表面，其中相对于绝对基准(即，地球表面)顶总是高于底/基。术语“向上”和“向下”也是相对于绝对基准的，向上总是克服地球的重力。需要理解的是，重力或者重力的影响在本文所述的倾斜波偏转过程中是可忽略的，这是由于该过程对单独的颗粒起作用，而非对如其它系统中所使用的大得多的颗粒簇起作用。

应当将术语“平行”解释为两个平面维持两个平面之间大致恒定的距离的铺放意义，并且不是严格数学意义上的该平面延伸至无穷远时也将永不相交。

本申请可能涉及“相同数量级”。如果两个数字中较大的数字除以较小的数字的商是1以上且小于10的值，则该两个数字是相同的数量级。

如之前所解释的，在传统的声泳装置(acoustophoresisdevice)中，声驻波导致基质流体(hostfluid)中的颗粒在声驻波的波节(node)或波腹(anti-node)处(取决于相对于基质流体的颗粒的声学反差因子(acousticconstrastfactor))收集(collect)、团聚(agglomerate)、聚集(aggregate)、成丛(clump)、成簇(cluster)或合并(coalesce)，形成归因于簇(例如通过合并、成簇或团聚)成长至足够大的尺寸而增大的重力超过驻波的保持力而最终掉落出驻波的簇。对于比基质流体(例如，细胞)密度更大的流体/颗粒，簇下沉至装置的底部并且能被单独地从澄清的基质流体中收集。对于密度小于基质流体的流体/细胞/颗粒，浮游的簇上浮至装置的顶部并且能够从顶部被收集。在传统的声泳装置中，产生于其中的声驻波在轴向(即，驻波的方向)上和横向(即，与驻波的方向垂直)上生成声辐射力(acousticradiationforce)。在这些装置中，轴向力典型地垂直于流动方向并且随着混合物流过流室(flowchamber)，悬浮的颗粒在驻波的方向上受到强轴向分力。因为该声力与流动方向以及曳力垂直，所以该声力使颗粒快速地移动以压波节面或波腹面(取决于颗粒的反差因子)。由于横向辐射力导致颗粒的簇快速地形成，然后归因于增加的重力而掉出混合物。

本公开涉及声泳装置，其采用相对于通过装置的平均流的方向成一定角度的多维超声驻波、平面声驻波或平面与多维声驻波的组合(在本文中共同称为倾斜声驻波)。穿过室的平均流的方向应当理解为包括流过装置中生成的倾斜声驻波的第二流体、细胞或粒子行进的路径。这些倾斜声驻波使基质流体流中的颗粒偏转而不是将颗粒捕获以团聚。这是与许多现有的声泳装置的重要区别。本文中公开的这些装置能够以高流率运转并且能够用于在各种工业中替换昂贵且容易堵塞的过滤盒和过滤膜。本公开的装置和方法主要依赖于轴向分力以使颗粒偏转出声场，而不是依赖于捕获、团聚、重力和浮力。本文提出的装置和方法能够独立于重力(即，在任何方向上)运转并且不依赖于重力沉降(gravitationalsettling)。以该方式，相对于流动方向成一定角度的倾斜声驻波的轴向力能够有利地使装置中1英寸×1英寸的截面内的高达大约400ml/分钟、更优选地高达大约600ml/分钟或者大约700ml/分钟的高流率的流体流中的颗粒偏转。

因此，相对于流过装置的流动方向倾斜的主体(bulk)声驻波能够用于偏转、收集、分化或分级流过装置的流体中的颗粒或细胞。倾斜声驻波能够用于通过尺寸、密度、声速或形状使流体中的颗粒分离或分级。倾斜声驻波可以是三维声驻波。声驻波还可以是使压电材料以活塞形式激发的平面波或者声驻波可以是平面声驻波与多维声驻波的组合。基于本公开的目的，将横向力与轴向力不在相同数量级的驻波认为是“平面声驻波”。这可以用于从死亡细胞中分离活细胞、从健康细胞中分离损坏的细胞，或者从未分化细胞中分离已分化的细胞。驻波对颗粒的偏转还可以通过声场强度、声场角度、流体性质、驻波的三维度、驻波的频率、声室的形状和混合物的流速来控制和放大。

当声驻波在液体中传播时，快速振动可以在悬浮于液体中的颗粒上或者在液体之间的界面上产生非振动力。该力被称为声辐射力。该力源自传播的波的非线性。作为非线性的结果，波随着传播而偏转并且时间平均不为零。通过级数展开(根据扰动理论)，第一个非零项将是代表声辐射力的二阶项。流体悬浮物中的颗粒或细胞上的声辐射力是颗粒或细胞的两侧的辐射压力差的函数。除了非刚性颗粒以不同于周围介质的速度振动(从而辐射波)的效果，对辐射力的物理描述是入射波和散射波的叠加。以下方程是驻波中的流体悬浮物中的颗粒或细胞上的声辐射力的解析式。

其中βm是流体介质中的声速，ρ是密度，是声学反差因子，vp是颗粒体积，λ是波长，κ是2π/λ，p0是声压，x是沿着驻波的轴向距离(即，垂直于波阵面)，并且

其中ρp是颗粒密度，ρm是流体介质密度，βp是颗粒的压缩系数而βm是流体介质的压缩系数。

对于多维驻波，声辐射力是三维力场，计算该力的一种方法是gor’kov’s方法，其中初级声辐射力fr定义为场势u的函数，其中场势u定义为

并且f1和f2是单极和双极贡献，定义为

其中

其中ρ是声压，u是流体颗粒速度，λ是细胞密度ρp与流体密度ρf的比例，σ是细胞声速cp与流体声速cf的比例，v0是细胞的体积，并且<>指的是波的周期上的时间平均。

gor’kov’s模型用于驻波中的单颗粒并且限于如下的颗粒尺寸：与流体和颗粒中的声场的波长相比，该颗粒尺寸小。也不考虑流体的粘度和颗粒对辐射力的影响。作为结果，由于颗粒簇可以长得相当大，所以该模型不能被用于本文中讨论的宏观尺度的超声分离器。因此，使用了不受限于颗粒尺寸的、用于声辐射力的更复杂和完整的模型。所实施的模型是基于aip会议论文集(卷1471-1，页码255-258，2012年)中描述的yuriiilinskii和evgeniazabolotskaya的理论工作。这些模型也包括流体和颗粒的粘度的影响，并且因此是对声辐射力的更精确的计算。

颗粒上的声辐射力被视作具有以二分之一的声波长为周期的对称函数。这意味着颗粒将同样被辐射力严格地加速和减速。图1示意性地示出在驻波定向为相对于平均流的方向成一定角度时流过驻波的混合物。倾斜声驻波可以是三维声驻波。声驻波也可以是压电材料以活塞形式激发的平面波或者声驻波可以是平面声驻波与多维声驻波的组合。

在图1中，v是颗粒或粒子与基质流体的初始混合物的速度。颗粒朝向波阵面偏转或者如所示出的远离波的轴向偏转。图1绘示出左行波(即，当沿流体流的方向观察时波向左移动)。如图1所示，流体速度能够分解成与左行波平行的分速度vt和与波正交的分速度vn。在该情况下，悬浮的颗粒将沿着vt方向偏转。将穿过室的平均流的方向理解为沿着流过装置中产生的倾斜声驻波的主体混合物行进的路径。就这点而言，注意到当vt沿向上的方向(诸如图1中的情况)时，锐角λ在声驻波的较低的下游部。

颗粒沿着切向分速度的方向偏转。图2绘示出右行波(即，当沿流体流的方向观察时波向右移动)。在该情况下，悬浮的任何颗粒将再次沿着vt方向偏转。再次将穿过室的平均流的方向理解为沿着流过装置中产生的倾斜声驻波的主体混合物行进的路径。就这点而言，注意到当vt沿向下的方向(诸如图2中的情况)时，锐角λ保持在声驻波的较低的下游部。换言之，角度λ(即，声驻波的相对于平均流的方向的角度)总是从声驻波的较低的下游部沿vt方向测量。

诸如图1和图2中示出的那些倾斜声驻波通常能够通过使用伽利略变换(galileantransformation)进行更简单的分析。当沿着波(即，平行于波)以速度vt行进时，该变换相当于看待同一个问题。因此，分速度vt加上(沿着平均流的方向的)v等价于(正交于波、与波的角度无关的)分速度vn。换言之，经过该变换问题的物理本质不改变，其因此相当于求解流动方向与波垂直或沿着波的轴向的穿过驻波的流动。在该方向上，如方程式(1)表示的，声辐射力变化将导致在正交的流动方向上的对称的一系列速度增加和降低。使用v作为在混合物流过正交的声驻波时颗粒上的声辐射力导致的颗粒扰动速度，能够产生以下控制方程式(即，根据牛顿第二定律、方程式1和斯托克斯曳力定律)：

同样地，v实际上是δvn或者正交于声驻波的颗粒速度的改变，该改变由声驻波产生的、作用于颗粒上的声辐射力的影响导致。粘度影响对抗扰动速度并作用于朝向平均速度的方向上。作为结果，粘度使颗粒扰动速度以δvn为振幅围绕平均流速波动。通过假设方程式2中的惯性项小而进一步验证了该效应。该假设推断悬浮的颗粒足够小而对粘性和辐射力立即作出反应。在该假设的情况下，将方程式2左侧的第一项消掉从而能够使其简化为：

v＝csin(2kx)(3)

其中

其中c是声压的函数，r是颗粒半径，是颗粒反差因子，μ是流体粘度，λ是声波长。利用该假设，颗粒速度立即调节为由辐射力产生的斯托克斯速度(stokesvelocity)。

现在转向图3，示出在声驻波与流动成45度角时由正交于声驻波的分速度的降低和增加所导致的颗粒偏转效果。如同根据伽利略变换所推断的，当正交于声驻波的分速度关于平均正交速度对称地变化时，切向分速度必须保持恒定。没有与波相切的力。因此，切向分速度必须保持恒定。

如同通过图3中绘示的流动三角形观察到的，通过交替的正交速度变化，导致了颗粒偏转上的可见差异。颗粒将具有远离驻波轴向的净偏转角度。忽略重力的影响，这对左行波和右行波都将是正确的。利用该现象和图3中作为结果的几何形状，产生用于颗粒流动角度的变化δθ(从进入驻波的混合物流的速度方向测量)的以下表达式作为颗粒的正交速度的变化的函数：

方程式4中的表达式用于产生图3中所示出的最大向上偏转(+δθ＝11.3°)和最大向下偏转(-δθ＝18.4°)。如图3示出的，可以将这两个偏转组合以生成净偏转(δθ＝7.1°)。

使用相同的表达式产生在不同的波角度时的颗粒净偏转角度。这些结果示于图4的图表中。向上或向下转动驻波的角度能够产生该效果。图4示出，对于所分析的条件，在波角度为大约50°至75°之间时发生最大颗粒偏转。当角度为90°时，因为切向分速度vt是零，所以没有偏转发生。

通过固定波角度并改变正交速度变化占平均流体分速度的比例进行了类似的研究。增加流动速度而固定声学特性或者改变颗粒上的声辐射力而固定流动速度都能够产生该效果。图5示出了利用这些参数产生的图表。如同在图5的图表中观察到的，颗粒偏转随着δvn/vn的增加而增加并且在δvn/vn＝1.0时达到最大。

当δvn/vn＝1.0时，驻波中的正交速度达到零并且颗粒沿着波行进。为了进一步的说明，混合物以恒定速度接近相对于混合物的平均流的方向成60°角地定向的声驻波，在正交方向上被驻波辐射力停止的任何颗粒以向上60°的角度偏转或者与波阵面平行地行进。仅因驻波减速的颗粒将以远离驻波的正交方向或轴向的恒定角度偏转。

利用新开发的、无量纲参数m产生了由倾斜声波引起的颗粒或细胞偏转的通用解决方案。对m作如下定义：

其中c是根据方程式3的最大正交速度扰动(δvn)而v是流体自由流速度。该无量纲参数m非常重要，因为m代表了颗粒上的声辐射力与颗粒上的粘性曳力的比例。m是倾斜驻波引起的颗粒偏转的关键参数。在表达式中，声力和颗粒尺寸都被平方。这意味着声力和颗粒尺寸对于决定颗粒偏转是最主要的因素。对于倾斜波中的任何颗粒偏转的用m来表示的精确表达式能够通过利用严格的正交波求解颗粒移动、然后将结果变换成倾斜波流场来获得。

图7中示出的是所计算的颗粒偏转角度相对波角度和无量纲的偏转参数m的关系。如图6所示，所有可能的颗粒偏转角度都落到或者位于45度线下方的曲线上。45度线代表对于任何倾斜声波的最大颗粒偏转。最大偏转代表颗粒偏转角度与声波角度相等并且总是落到45度线上。图6中的各m曲线被视作在最大偏转值附近具有非连续性，在该处颗粒偏转从图3中示出的上和下偏转区域之间的差跳到仅下偏转。该陡峭的梯度代表在偏转过程中物理模式的变化。这在向下偏转区域中的辐射力达到足够大的值而通过波停止颗粒运动时发生，这些在本文中更详细地说明。结果示出，如果波角度足够小，则在流体悬浮物中流动的颗粒能够被任何强度的声驻波向下偏转。图6中的不同的m曲线能够代表：当颗粒尺寸、流体压缩系数、声波长、流体粘度和流体速度全部在基线条件保持恒定时，力对颗粒偏转的效果相对波角度的关系。图7中的基线条件指m＝0.8，其代表：混合物自由流速度，v＝7.75×10^-4m/秒；声驻波波长，λ＝7.4×10^-4m；混合物粘度，μ＝1.0×10^-3pa-秒；反差因子，x＝0.12；混合物压缩率，β＝4.06×10^-10m²/n；颗粒半径，r＝3×10^-6m；以及声压幅值，po＝1.0mpa。

图6中示出的m＝0.8时的颗粒偏转曲线是针对所有波角度的。波角度从0到90度变化。在任何恒定m值时的颗粒偏转随着波角度增加变得与波角度相等。此时，颗粒由于正交辐射力从穿过波的移动中停止并且沿着波阵面方向移动。对于m＝0.8时的颗粒偏转在波角度为53.1°时达到53.1°的最大值。在m＝0.8时，当波角度为55°时，颗粒偏转角度落到28°。在m＝0.8时，当波角度为60°时颗粒偏转是23°。

图7示出波角度为53.1°时颗粒偏转随着m的变化。在图7中m从0变化至1。偏转曲线在最大偏转附近的非连续性在曲线中是明显的。非连续性的大小随着m的增加而增加。因为非连续性能够允许归因于细微的性质差异的颗粒的分离，所以该非连续性非常有用。该差异可以代表活细胞相对死细胞、有标记的细胞相对未标记的细胞、突变细胞相对原始细胞或者甚至是健康细胞相对非健康细胞的关系。图7中示出的区域1是声辐射力足够大而使颗粒从穿过波的移动中停止的区域。颗粒被视作与波阵面平行地移动并且在区域1中δθm＝γ。理论上，在区域1中，所有的颗粒将顺着第一波中的波阵面向下偏转。在区域2中，颗粒穿过所有波并且向下偏转(针对所示出的右行波)恒定角度δθm，其中δθm明显小于γ。在区域2中的颗粒净偏转是向下偏转(颗粒被辐射力减速)与向上偏转区域(颗粒被辐射力加速)之间的差。区域1和区域2代表两个不同的操作模式。因为非连续性可以允许将尺寸、刚度或密度差异非常小的颗粒分离，所以该非连续性非常有用。

图8至图11呈现了酵母颗粒和cho细胞的颗粒轨迹计算结果，该结果示出了不同的颗粒/细胞尺寸和变化的流率对颗粒偏转的影响。在图8至图11中，阴影和划线区域代表倾斜声驻波。就这点而言，图8至图11中从右向左的流动以及所有的颗粒/细胞在右行波的左侧的相同点进入倾斜声驻波。然后，线代表不同尺寸的细胞/颗粒和/或以变化的流率流动的细胞/颗粒的偏转轨迹。

图8示出颗粒轨迹计算结果以进一步验证倾斜声驻波的物理本质以及所示出的预测。这些结果通过完整地以及包括惯性效应地对方程式2进行数值求解而获得。粘度改变惯性效应，以产生关于平均正交分速度对称的扰动速度而获得如图8所示的恒定偏转。

图8示出不同尺寸的酵母颗粒的颗粒轨迹计算偏转结果(即，cfd预测颗粒偏转相对颗粒尺寸的关系)。因为作用于较小的颗粒上的辐射力较小，所以较小的颗粒偏转较少。除了改变颗粒的尺寸，如同本领域技术人员将理解的，较低的辐射力能够以许多不同的方式产生。作为结果，能够使用倾斜驻波来通过尺寸、密度、声速和形状分离或分级悬浮液中的颗粒。该技术可以允许活细胞与死细胞分离、甚至受损细胞与健康细胞分离。驻波对颗粒的偏转还可以被声场强度、声场角度、流体性质、驻波的三维度、驻波的频率、声室形状和混合物的流速控制和放大。如同从图8的左侧开始能够观察到的，在最初几个波长内的颗粒偏转能够根据颗粒进入驻波的确切位置而变化(称为长度效应)。粘度使该初始长度效应快速地减弱。如以上所提出的，cfd结果验证了穿过大量波的偏转的恒定角度。基于提出的理论，颗粒的偏转将是无量纲偏转参数m的函数。

现在转向示出颗粒轨迹计算结果的图9，该结果验证了正交速度变化对由混合物以45度的角度流入声驻波导致的颗粒偏转的影响(即，预测了颗粒偏转相对流速的关系)。随着流速增加，δvn/vn减小并且颗粒偏转角度示为减小。该影响提供了另外的方法以基于该过程来增强检测颗粒性质上的微小差异的能力。随着流速增加(在图9中，从大约0cm/分钟至大约24cm/分钟)，δvn/vn降低并且颗粒偏转角度示为减小。该影响提供了另外的方法以使用根据本公开的方法和装置来检测颗粒性质上的微小差异的能力。

颗粒轨迹计算结果验证了流过声驻波的流体中的颗粒将从流体流动方向偏转恒定的角度，其中声驻波定向为相对于具有恒定速度的流体流动成一定角度。期望的是，该成角度的偏转现象将具有短的(几个波)、初始发展区域，在该区域粘性耗散将迫使任何非对称扰动速度分布关于流体平均流对称，其中所述非对称扰动速度分布由惯性效应或者颗粒进入驻波的位置产生。在该初始区域流动角度偏转能够变化，但是该区域过短，使得结果对于诸如本文中具体公开的系统的宏观尺度系统的总体颗粒偏转是不明显的。

以上讨论的计算框架能够容易地扩展至三维。对于小细胞或者乳液，曳力fv可以表达为：

其中uf和up是流体和细胞速度，rp是颗粒半径，μf和μp是流体和细胞的动态粘度，是动态粘度的比例。重力/浮力fb表达为：

对于小颗粒，该力能够被典型地忽略，因为该力比其它分力小几个数量级，使本公开实质上与重力无关。主要的声辐射力fa在之前已被定义。

然后，通用的颗粒轨迹模型变为：

其中mp是颗粒的质量，fv是流体对颗粒的曳力，fr是声辐射力，并且fb是能够典型地忽略的重力/浮力。然后，能够将这些方程式整合以针对给定的流体流动、颗粒和初始条件找到颗粒轨迹。

在另一实施方式中，倾斜声驻波场能够定向为使其具有相对于流体流动的极角和方位角，这随后将导致颗粒偏转至流体通道的角。

图12和图13示意性地示出了在不同位置进入驻波的颗粒的初始或者发展长度区域。根据方程式1，加号和减号代表声辐射力的方向，分别地使颗粒减速和加速。零辐射力在所示出的每条竖直的虚线处发生。力以这些虚线之间的正弦波变化。图12代表在负向力区域的开始处进入波系统的颗粒。交错的实线代表归因于颗粒惯性而产生的残余扰动速度。如图12所示，当在第二竖直虚线处辐射力接近零时，归因于惯性颗粒仍然向下移动。该效应被放大以解释存在的物理本质。在大多数情况下，惯性效应能够从宏观意义上忽略。类似的效应在图13中示出，但是是以相反的方向。图13代表在正向力区域的开始处进入波系统的颗粒。交错的实线再次代表归因于颗粒惯性而产生的残余扰动速度。这些惯性效应产生不同的力区域，在该力区域粘性力和辐射力如fr+fv和fr-fv所示出的相加或相减。以这种方式，图12和图13中的这些示意图示出了这些不同的流动区域如何迫使扰动速度关于平均流动速度重复和对称。该关于平均速度的对称扰动导致了颗粒的恒定角度偏转。该效应使本文所公开的宏观装置和系统与之前的微电子机械系统(mems)工作区分，mems工作在发展区域运转并且能够使相同的颗粒具有许多不同的偏转。此外，本文所公开的工艺和装置使用主体声驻波，而不是之前在其它工作中使用的表面波。

预期的是具体的速度分布可以用于增强颗粒衍射。例如，流动速度可以随着高度而减小(即，流率在流室的顶部比在底部渐进地低)。因为流入的速度分布导致的正交速度变化的百分比随着高度而显著地增加，所以由倾斜声驻波所导致的颗粒偏转将因此被放大。如本领域技术人员将理解的，速度分布与驻波角度的耦合能够被调谐为任何具体的、期望的分级输出。就这点而言，流入混合物的速度分布可以由包括筛网、管道、腔室(plenum)或者扩散器的任何合适的部件产生。

作为解释许多上述的相同概念的其它方法，图14提供了示出声驻波中悬浮的颗粒受到的力的自由体受力图，其中声驻波定向为相对于穿过流室的平均流的方向成一定角度。在图14中，fv代表沿着平均流的方向的曳力，fb代表归因于浮力的、通常可忽略的力，fr代表沿着声驻波方向的、具有x方向和y方向的分力的声力。需要理解的是，对于使用根据本公开的装置和方法的有效分离而言，对用于沉降或上升的重力或浮力的依赖不是必须的。

传统的宏观尺度超声分离器使用声驻波来产生连续地从流动的流体混合物中掉落出的悬浮流体或粒子的紧密堆积的簇。这种传统的宏观尺度分离器通常以小于50的流动雷诺数(reynoldsnumbers)、高达20％的颗粒浓度、超声驻波场频率为1mhz至3mhz以及声压幅值大约为1mpa进行运转。尽管这些系统是有效的，但是这些系统的流率受到横向声辐射力的强度的限制。因此，这种系统对于需要高流率的应用是不期望的。例如，如同以上所解释的，在食品和饮料工业中的应用需要的流率比这些传统的分离器能够支持的流率要快高达10倍。

本公开涉及采用相对于流方向倾斜的倾斜超声声驻波的声泳装置并且作为结果使基质流体流中的细胞、粒子或第二流体偏转。本文中公开的声泳装置和方法使用多维声驻波的轴向辐射力。驻波中的轴向辐射力可以显著地高于横向力，尽管轴向辐射力与横向力在同一数量级内。因此，能够通过使用轴向而非横向的辐射力来收集流体悬浮物中的颗粒或细胞来产生显著的性能改善。

图15示出了总体上标示为100的这种轴向力、宏观尺度的声泳装置的第一示例性实施方式。声泳装置100通常以使用来自倾斜声驻波的轴向辐射力的方式运转，其中倾斜声驻波定向为相对于穿过装置100的平均流的方向成一定角度。绘示于图15中的声泳装置100包括流室110、超声换能器120和反射器130。

流室110是装置100的区域，第二流体或者粒子与基质流体的初始混合物通过该区域流过并且限定了穿过该处的平均流的方向。平均流的方向总体上标示为图15中的116。在特别的实施方式中，第二流体或者粒子的至少一种与基质流体的初始混合物以大约400ml/分钟至大约700ml/分钟的流率流过装置100。流室由侧壁形成并且具有1英寸×1英寸的截面。

在特定的实施方式中，基质流体与第二流体或者粒子的初始混合物穿过入口140进入流室110。如图15所示，入口140通常位于流室110的第一端112(即，超声换能器120和反射器130的上游)。

在诸如图13所示出的特别的实施方式中，装置100还包括澄清的流体出口150，该流体出口150通常位于流室110的第二端114。如同在图15中观察到的，流室110的第二端114与流室110的第一端112相反(即，第二端114在超声换能器120和反射器130的下游)。以这种方式，入口140允许流体流入装置100并且澄清的流体出口150允许流体从装置100中流出。

装置100还包括至少一个超声换能器120。超声换能器120通常可以位于流室110的侧壁内或者侧壁上，并且，侧壁成形为保持换能器相对于平均流的方向116成锐角。在图15中，装置100包括四个超声换能器120。就这点而言，需要理解的是装置100包括至少一个超声换能器，但是不同的是可以包括特别的应用所期望的很多或者很少的换能器。每个超声换能器120均由电压信号驱动以产生在超声换能器120与反射器130之间的流室110中的倾斜声驻波122，其中反射器130位于流室110的与换能器120相对的一侧的侧壁上。在特别的实施方式中，发送至超声换能器120的电压信号从大约25v至大约50v。超声换能器120通常在大约2mhz至大约3mhz的频率之间运转。由超声换能器120产生的倾斜声驻波122导致了具有轴向分力的声辐射力(即，沿着驻波的方向、在换能器与反射器之间以及相对于流动方向倾斜)。需要理解的是，本文使用的倾斜声驻波可以在诸如图15中绘示出的第一、最左声室中的超声换能器120与反射器130之间产生，或者可以在诸如图15中绘示出的最后、最右的声室中的处于彼此相对位置的超声换能器之间(例如换能器121与换能器123之间)产生。

归因于超声换能器110的相对于流室110的方向，由超声换能器110产生的倾斜声驻波122定向为相对于穿过流室110的平均流的方向116成角度a。如图13所示，倾斜声驻波122相对于穿过流室110的平均流的方向116所成的角度a通常是锐角(即，小于90度)。在特定的实施方式中，倾斜声驻波122相对于穿过流室110的平均流的方向116所成的角度a为大约20°至大约70°。特别地，已经发现在基质流体中夹带的粒子的最大偏转发生的角度为大约60°至大约70°。

如之前所解释的，在特定的实施方式中，装置100包括多个超声换能器。在图15中示出的实施方式中，所有的四个换能器120相对于穿过流室110的平均流的方向116具有相同的角度。还预期的是，当设置多个换能器时，换能器能够产生定向为相对于穿过流室110的平均流的方向116成不同角度的倾斜声驻波。例如，每个换能器均可以在流室100中产生倾斜声驻波，倾斜声驻波定向为相对于穿过流室110的平均流的方向116成大约20°至大约70°的角，该角度可以与装置100中出现的其它换能器的角度相同或不同。另外，能够操作各换能器以在流室中(例如，以不同频率)产生不同的驻波。

在特别的实施方式中，声泳装置还包括浓缩出口160。浓缩出口160也位于流室110的第二端114，与澄清流体出口150相邻但间隔开。浓缩出口160与澄清流体出口150具有以相对浅的锐角彼此成角度地隔开的流动路径。在运转中，换能器120使期望的颗粒偏转至浓缩出口160中，允许澄清流体穿过澄清流体出口150流出。与穿过入口140进入的流体相比，澄清流体具有相对低的颗粒浓度。请注意，尽管这里示出的浓缩出口160在澄清流体出口150的上方，但是如果需要可以交换两者的位置。

在图13的装置中，可以设置运转点m用于使装置在对应于图7的所说明的区域1中运转。作为结果，颗粒、细胞或第二流体顺着所示出的波角度向下偏转。一些颗粒可能撞击和/或穿过数个波，但是最终大多数颗粒将朝向下室壁向下偏转。以这种方式，浓缩出口160将收集浓缩的混合物，同时，澄清流体出口150将收集澄清流体。以这种方式，图13绘示出的装置将提供混合物的高速分离、澄清或浓缩。

在诸如图16示出的其它特定的实施方式中，装置100包括在澄清流体出口150下方的偏转壁170。在这种实施方式中，浓缩出口160通常位于偏转壁170的下端172。在图14示出的实施方式中，偏转壁实质上垂直于穿过流室100的平均流的方向116延伸。在其它实施方式中，偏转壁140可以相对于流体流动的平均方向成角度或者倾斜。在图16绘示出的装置100的实施方式中，偏转壁170还作为流室110的第二端114，与通常由入口140限定的、流室110的第一端112相反。

如以上所解释的，倾斜声驻波122导致了具有轴向分力(即，沿着驻波的方向、在换能器与反射器之间并且相对于流动方向倾斜)的声辐射力。如本文中十分详细地解释的，轴向分力使第二流体或者粒子偏转至偏转壁中。一旦被偏转，就能够随后从装置100收集第二流体或者粒子。如同本领域技术人员将理解的，第二流体或者粒子可以在偏转至偏转壁170之后通过诸如浓缩出口160的任何合适的方式从装置中收集。在特别的实施方式中，以大约200ml/分钟至大约300ml/分钟的提取速率经由浓缩出口160从装置100中收集第二流体或者粒子。虽然将换能器120绘示在流室110的顶端(即，在反射器130的上方)，但是应当理解的是换能器120与反射器130的位置可以互换，使得反射器130位于换能器120的上方。特别预期的是例如可以使图16中的装置倒置，使得反射器130位于装置的上端而换能器120位于装置的下端。然后，可以操作装置使流过装置的基质流体中的颗粒沿着倾斜声驻波的方向向上(即，向上朝向反射器130)偏转至浓缩出口160，该浓缩出口160可以位于装置的上端(例如，图16中澄清流体出口150的位置)。因此，澄清流体出口150可以位于装置的下端(例如，图16中浓缩出口160的位置)并且为了实现所期望的偏转可以使偏转壁170重新定位。

在诸如图17中示出的其它特定的实施方式中，根据本公开的装置1700可以包括一个或多个入口管道以及来自流室的一个或多个出口管道。如能够观察到的，装置1700与图15的装置100大致相同，除了在这里解释的。例如，图17中的装置1700包括两个入口管道和三个出口管道。第二流体、细胞或颗粒中的至少一者和基质流体的初始混合物穿过上入口管道1701流入倾斜波。细胞清洗流经由下入口管道1702流入装置。倾斜波设计成以产生参照图7的上述区域1过程的m值运转。作为结果，颗粒/细胞沿着所示的波角度偏转。细胞/颗粒从混合物流通过清洗流并在下出口管道1703浓缩。混合物的基质流体主要穿过上出口管道1704离开室。清洗流体主要穿过中出口管道1705离开室。以这种方式，能够将混合物中的颗粒/细胞在单个过程中隔离、清洗和浓缩。还预期的是，这些步骤中的任何步骤也可以通过不同的倾斜波过程单独地完成，其中设置运转点m用于使系统在参照图7的上述区域1中运转。

在特定的其它实施方式中，第二流体、细胞或颗粒中的至少一者和基质流体的初始混合物能够流过根据本公开的装置，其中m设置为使装置在参照图7的上述区域2中或者陡峭的梯度区域中运转。如果在区域2中运转，可能需要诸如图15中的装置100中示出的串联配置的多个倾斜的换能器-反射器对，同时具有多个出口。在该模式中，不同的颗粒以不同的角度被偏转并且装置基于性质的差异将许多颗粒分级。相同的装置可以在具有至少两个出口和使得该装置处于参照图7的上述区域1与区域2之间的陡峭的梯度区域的m的情况下运转。在该运转模式中，非常小的差异将导致颗粒进入不同的出口，并且，装置可以诸如通过在活细胞与死细胞之间进行区分而作为性质区分器运转。

如之前解释的，能够将根据本公开的声泳装置用于包括细胞清洗、细胞浓缩或细胞分级的各种目的。图18绘示出根据本公开的、包括至少两个入口和至少两个出口的装置的一个这种实施方式的截面图。图18中的装置绘示有两个入口1801、1802以及四个出口1803、1804、1805、1806。第一入口1801可以是任何合适的尺寸和形状并且通常用作入口，第二流体、细胞或颗粒中的至少一者和基质流体的混合物穿过该入口被引入装置。如图18中示出的，第二入口1802类似地可以是任何合适的尺寸和形状并且可以具有比第一入口1801的截面宽度大的截面宽度。第一入口1801位于第二入口1802的上方。第二入口1802通常用作这样的入口：通过该入口能够将清洗流体引入装置中。可选地，能够使用第二入口1802来运送包含细胞或颗粒的另一基质流体，该另一基质流体可以与第一基质流体相同或不同，而细胞或颗粒具有彼此相同或不同的性质。

装置还包括腔1810、1820，换能器/反射器能够定位于腔1810、1820中。如本文中所解释的，装置可以包括一个换能器和一个反射器或者两个相对的换能器以产生倾斜声驻波。例如，腔1810可以保持换能器而腔1820可以保持反射器，腔1810可以保持反射器而腔1820可以保持换能器，或者腔1810和腔1820都可以保持换能器。如还能够从图18中观察到的，腔1810、1820能够分别通过第二室1812和1822与流室分离。以这种方式，第二室1812使腔1810与流室1850分离，第二室1822使腔1820与流室分离。第二室1812、1822通常充填有透声的流体(例如，水)或者胶体，使得位于腔1810和1820中的换能器(一个或多个换能器)和/或反射器能够在它们之间产生倾斜声驻波。

装置包括出口1803、1804、1805和1806。最上的出口1803通常用作澄清流体出口，通过该出口细胞或颗粒已经被澄清的基质流体从装置中流出。中出口1805和1806能够用于回收装置中使用的清洗流体。可选地，应当理解，清洗流体可以经由与基质流体相同的、诸如出口1803、1805和1806中的任何出口移除。最后，最下的出口1804能够用于使第二流体、细胞或颗粒被倾斜声驻波朝向出口1804偏转之后从装置中移除。最上的出口1803在中出口1805、1806的上方并且最下的出口1804在中出口1805、1806的下方。如同本领域技术人员将理解的，任何出口均能够用于从中移除任何流体或材料。例如，取决于装置的特别应用和定向，任何出口都能够用于从装置中移除基质流体、清洗流体或者第二流体、细胞或粒子。换言之，任何出口都能够用作任何期望的输出。

在诸如图19中示出的声泳装置的实施方式的一个实施方式中，倾斜波场可以是两个以上倾斜波场的组合，该倾斜波场设计为产生相对于流体方向的、颗粒的三维位移。这种场能够通过将两个换能器串联配置并且使换能器倾斜而产生，使得由每个单独的换能器产生的倾斜声驻波彼此不平行。这种配置绘示于图19中，其中换能器t1与换能器t2串联配置并且配置成彼此倾斜90°。系统将以区域2运转所需的m运转。同样地，作为第一倾斜波系统的结果，在侧视图中所有较大的颗粒将更多地移动至管道的顶部。作为串联的第二倾斜波的结果，所有的颗粒将移动至管道的右侧，并且，两个串联的波系统的净结果示于从出口平面观察的作为图19的右侧的3d颗粒收集的视图中。

在诸如示于图20的特定的其它实施方式中，在声室入口处，倾斜波场分离效果可以与产生的流动分布组合，具体地设计为增强颗粒分离或分级。如图20示出，随高度的速度降低(即，在倾斜声驻波的顶部的速度低于在倾斜声驻波的底部的速度)将使m随高度增加以及使颗粒的偏转变化随高度增加。这种流动分布能够使用管道壁轮廓、筛网、障碍物、阀或其它流动控制获得。

本公开的装置、系统和方法中使用的超声换能器的一些进一步解释也可以有帮助。就这点而言，换能器使用通常由pzt-8(锆钛酸铅)制成的压电晶体。这种晶体可以具有1英寸的直径以及标称2mhz的谐振频率，并且也可以为较大的尺寸。每个超声换能器模块可以具有仅一个晶体，或者能够具有多个晶体，其中多个晶体用作单独的超声换能器并且受到一个或多个放大器控制。晶体可以是方形、矩形、不规则多边形或者通常为任意的形状。换能器用于在驻波方向(轴向)产生压力场，即，使基质流体中的颗粒偏转出压力场的轴向力。

图21是传统超声换能器的截面图。该换能器具有在底端的耐磨板50、环氧层52、陶瓷晶体54(由例如pzt制成)、环氧层56和衬垫层58。在陶瓷晶体的两侧均存在电极：正电极61和负电极63。环氧层56将衬垫层58附接至晶体54。整个组件包含在可能由例如铝制成的壳体60中。电适配器62为电线提供连接以穿过壳体并连接至附接至晶体54的引线(未示出)。典型地，将衬垫层设计为增加阻尼并创建具有遍及宽广频率范围的均匀位移的宽带换能器，并且，将衬垫层设计为抑制在特定振动本征模态下的激发。通常将耐磨板设计为阻抗变换器以更好地匹配介质的特征阻抗，其中换能器辐射进入所述介质。

图22是本公开的超声换能器81的截面图。使换能器81成形为盘或板并且具有铝壳体82。压电晶体是大量的钙钛矿陶瓷晶体，每个晶体由小的、通常是钛或锆的四价金属离子组成并且在较大的、通常是铅或钡的二价金属离子和o2离子的晶格中。例如，pzt(锆钛酸铅)晶体86限定了换能器的底端并且暴露于壳体的外部。由例如硅树脂或类似材料的小的弹性层98支撑晶体的周缘，该弹性层98位于晶体与壳体之间。换言之，不存在耐磨层。在特别的实施方式中，晶体是不规则的多边形，并且在另外的实施方式中是非对称的不规则多边形。

螺杆88经由螺纹使壳体的铝顶板82a附接至壳体的主体82b。顶板包括用于为换能器供电的连接件84。pzt晶体86的顶面连接至由绝缘材料94分离的正电极90和负电极92。电极可以由诸如银或者镍的任何导电材料制成。通过晶体上的电极将电力提供给pzt晶体86。注意，晶体86不具有衬垫层或环氧层。换言之，在换能器中、铝顶板82a与晶体86之间存在空气间隙87(即，空气间隙是完全空的)。如同在图23中观察到的，在一些实施方式中，可以设置最小的衬垫58和/或耐磨板50。

换能器的设计可以影响系统的性能。典型的换能器是陶瓷晶体与衬垫层和耐磨板接合的层状结构。因为换能器加载有驻波赋予的高机械阻抗，所以制造方法和用于耐磨板的传统设计指导原则(例如，用于驻波应用的半波长厚度或者用于辐射应用的四分之一波长厚度)可能不适用。相反地，在本公开的换能器的一个实施方式中，不存在耐磨板或衬垫，允许晶体在其一个本征模态(即，靠近本征频率)下以高的品质因子(q-factor)振动。振动的陶瓷晶体/盘直接暴露于流过流室的流体。

移除衬垫(例如，使晶体以空气为后衬)还允许陶瓷晶体以小阻尼在较高阶振动模态下振动(例如，较高阶模态位移)。在具有有衬垫的晶体的换能器中，晶体像活塞一样以更均匀的位移振动。移除衬垫允许晶体在不均匀的位移模态振动。晶体的模态形状越高阶，晶体就具有越多的节点线。尽管捕获线与波节不是必须一一对应的，但是晶体的较高阶的模态位移产生了更多的捕获线(trappingline)，从而以较高频率驱动晶体将不必产生更多捕获线。

在一些实施方式中，晶体可以具有最小地影响晶体的品质因子(例如，少于5％)的衬垫。衬垫可以由诸如巴沙木、泡沫、软木等的实质上透声的材料制成，该衬垫允许晶体以较高阶模态形状振动并且在仍为晶体提供一些机械支撑的同时维持高品质因子。衬垫层可以是固体或者可以是具有穿过层的孔的格栅，使得格栅在特别的较高阶振动模态中跟随振动晶体的波节，在允许晶体的其余部分自由地振动的同时在波节位置提供支撑。栅格结构或者透声材料的目标是在不降低晶体的品质因子或者不妨碍特定的模态形状的激发的情况下提供支撑。

通过避免环氧层和耐磨板的抑制和能量吸收效应，晶体放置为与流体直接接触也对高品质因子有贡献。其它实施方式可以具有耐磨板或耐磨面以防止含有铅的pzt与基质流体接触。这在必须避免基质流体的污染的例如诸如分离血液的生物应用或者食品和饮料工业中可以是期望的。这种应用可以使用诸如铬、电解镍或者化学镀镍(electrolessnickel)等的耐磨层。还可以使用化学气相沉积来涂布一层聚(对二甲苯)(例如，帕利灵)或者其它聚合物或聚合物膜。诸如硅树脂或聚氨酯等的有机和生物相容性涂层也可以作为耐磨面使用。

用于本文公开的声泳装置和方法的一个具体应用是处理诸如啤酒中的酵母等的夹带在饮料中的第二流体或者粒子。通过使用声泳装置，在需要高流率的宏观尺度的系统中可以实现粒子的偏转、分级和分离。这是对在需要高流率时通常变得堵塞和污染的现有过滤工艺(过滤盒、深层过滤等)的改善。还需要理解的是，本文公开的声泳装置和工艺，通过使用倾斜声驻波也可以与诸如饮料片、过滤盒、深层过滤、切向流过滤(tff)或者其它物理或机械过滤工艺等的标准过滤工艺在上游或下游相结合。

期望地，穿过本公开的装置的流率可以最小为每cm²声室截面面积400ml/分钟。甚至更期望地，流率的范围可以高达600ml/分钟/cm²至700ml/分钟/cm²或者甚至更高。

参照示例性的实施方式说明了本公开。显然地，他人在阅读和理解了前述详细的说明之后将作出变型和更改。旨在将本发明解释为包括所有这种变型和更改，只要这种变型和更改落入所附权利要求或等同物的范围内。