与声发射有关的流体特性的声学评诂的制作方法

专利名称：与声发射有关的流体特性的声学评诂的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及使用声能来评估储蓄器及其所容纳的流体(尤其是与声发射有关的流体)的特性，还涉及使用评估的特性来更好地进行声发射。具体来说，本发明涉及用于声学评估多种储蓄器的内容物以提高由这些储蓄器分配流体的准确度和精确度的装置和方法。本发明特别适合于与使用包含大量不同流体储蓄器的生物分子库的高速组合合成和分析系统结合使用。
背景技术：
新型和有用物质的发现很大程度上取决于新合成物的制备和表征的能力。因此，近来关于具备有用的生物、化学和/或物理性能的新型物质的研究着眼于开发和实施新的方法和系统来合成和评定潜在有用的化学物质。具体来说，已经开发了高速组合方法来满足该领域中对于系统、有效且经济的物质合成技术以及对新物质的有用性能的分析和筛选方法的总体需求。
通常，在任何一个化学合成方法中初始原料的质量控制都是重要的。否则，合成过程的整体性和所得产物的品质就会受到损害。初始原料的质量控制在组合合成过程中特别重要。在该过程中，例如在用于肽药物发现的过程中，会从化合物库中以预定顺序分配许多种初始原料以合成一批具有特定肽序列的药物。如果任何一种初始原料含有不可接受程度的杂质或者显示不可接受程度的变性，那么所得化合物就会变得无用。事实上，用于该批合成的所有初始化合物就会被浪费。当初始化合物中的一种或多种是稀有或昂贵时，这个问题就特别突出。
类似地，组合试验技术可用于分析和测试方法。例如，可以将许多种具有药理活性的候选化合物组合赋予一测试样品以评估是否获得协同作用。然而，如果候选化合物中任何一种的品质有损失，那么评估的准确度和可靠性就会降低。因而可能需要进一步测试，这会大大增加组合试验过程的总时间和成本。
高速组合方法通常涉及使用阵列技术(array technologies)，该技术要求准确地对各自具有明确已知的化学组成、浓度、化学计算量、试剂比例和/或体积的流体进行分配。这一阵列技术可以用来进行多种合成方法和评估，特别是那些涉及少量流体的合成方法和评估。例如，阵列技术可使用许多种不同的流体来形成许多个储蓄器，当恰当地配置时产生组合库。因此，阵列技术由于其通常与速度和紧密度有关因而是值得做的。
为了实施组合技术，已经开发了多种流体分配技术，例如针点滴(pinspotting)、移液操作、喷墨印刷和声发射。然而，这些技术中许多都存在固有的缺点，这些缺点必须克服，克服之后才能够达到组合方法所需的流体分配准确度。例如，大量的流体分配系统的构造中使用了管道或其他流体传输容器的网络。具体来说，管道可能会夹带气泡，喷嘴可能会被卡住的颗粒物堵塞。结果，可能产生系统故障并导致虚假的结果。而且，由于流体传输操作之间管道和移液管尖端冲洗不充分会产生化合物库的储蓄器之间的交叉污染。交叉污染容易导致结果不准确和误导。
声发射相对于其他流体分配技术而言具有许多优点。与喷射装置相比，无喷嘴的流体发射装置不会遇到堵塞及其相关的缺点，如指向错误的流体或尺寸不恰当的液滴。此外，声学技术无需使用管道也不涉及侵入性机械动作，如与将移液管尖端引入储蓄器的流体中有关的操作。
声发射已经记述在许多专利中，例如授予Lovelady等的美国专利4,308,547描述了一种液滴发射器，它利用声学原理由液体主体发射液滴在一移动的文件上以在其上形成字符或条形码。使用了无喷嘴的喷射打印装置，通过位于油墨表面或该表面以下的曲面转换器(curved transducer)产生的声力推进经控制的墨水滴。类似地，授予Ellson等的美国专利申请公开号20020037579(现为美国专利6,666,541)描述了一种朝向基底表面上的离散位点声发射许多流体液滴以将其沉积在基底表面上的装置。该装置包括一声辐射发生器，它可用来从储蓄器发射流体小滴以及用来产生探测声波(detection acoustic wave)，该探测声波传输至储蓄器的流体表面变成反射的声波。然后可以分析反射的声辐射特性以评估声辐射发生器和流体表面之间的空间关系。
能够预先确定位于储蓄器的一种流体的小滴产生的阈值，就能让使用者更精确地控制小滴的尺寸，使流体浪费最小化，并能大大有效地控制用于从储蓄器输出流体的声能发生装置的功率输出。因为组合合成中所用的具有生物、化学和/或物理性能的物质可能是非常稀有和/或价格高得惊人的，因此在使用这些物质时需要有效地控制功率输出，从而有效地控制液滴体积。
其它一些专利和专利文献描述了使用声辐射进行发射和/或探测。例如授予Oeftering美国专利5,520,715中描述了使用声辐射的池深度反馈技术。此外，Williams的美国专利申请公开号20020094582描述了类似的声探测技术。因此，声发射具有的一个附加的优点是恰当地使用声辐射提供与声发射本身的过程相关的反馈。这种反馈又可以用来确保声辐射发生器保持与储蓄器中流体表面的恰当关系以便恰当聚焦。然而，不管所用的分配技术，库存和物料处理的限制通常支配着组合方法进行合成和分析样品物料的增加数量的能力。例如，在格式化(formatting)和分配过程中，可以解冻在各孔中含有许多种流体的微量滴定板，然后吸取选定孔中的内容物用于组合方法。当在吸取过程中使用移液系统时，该系统需要最小装载体积(loading volume)以恰当运作。类似地，其它的流体分配系统也需要一特定的最小储蓄器体积以恰当运作。因此，对于任何一个流体分配系统，重要的是监控储蓄器的内容物以确保能提供至少最小量的流体。这一内容物监控通常用作指示流体分配系统的综合性能，以及用来保持组合方法的整体性。
此外，在组合合成或分析过程中，环境影响对于储蓄器内容物的改变会起作用。例如，二甲基亚砜(DMSO)是一种用来溶解或悬浮药物库中常见化合物的常用有机溶剂。DMSO是高度吸湿的，往往会吸收与其接触的任何环境水，而吸收的水会稀释化合物的浓度，还会改变DMSO悬浮化合物的能力。而且，水的吸收会促进水敏性化合物的分解。
大量的专利描述了使用声能来评估容器的内容物。例如，授予Dam的美国专利5,507,178揭示了一种用来确定容器中液体存在和用来鉴别液体种类的传感器。超声传感器通过一超声液体存在传感装置来确定液体的存在，并通过一液体类型鉴别装置来鉴别液体类型，液体类型鉴别装置包括一对电极和一电脉冲产生装置。该传感器的缺点是它必须放置成与液体接触。
另一方面，授予Dam的美国专利5,880,364描述了一种用于测量多个容器内液体体积的非接触式超声系统。将超声波传感器面向容器顶部放置。窄射束的超声波辐射从该传感器传输至相对的容器的开放顶部，由该容器的气液界面反射回该传感器。通过利用辐射的往返程传送时间和待测定容器的尺寸可以计算容器内的液体的体积。该装置不能用来评估密封容器的内容物。此外，该装置缺乏精确度，原因是空气是声能的不良导体。因此，尽管该装置可以提供相对较大容器内液体体积的粗略估计，但它不适合用于对组合技术中常用的储蓄器内容物的详尽评估。尤其是，该装置无法确定容器底部的位置，原因是基本上所有发射的声能能够从液体表面反射而不穿透探测到底部。小体积储蓄器如标准孔板是规则阵列的流体容器，由于孔板的弓度，容器底部的位置会随容器的标称高度有显著的变化。因此，仅探测液体表面的位置会导致对常用容器中高度乃至体积的估计存在明显误差。
通常，应用于储蓄器内容物评估的声学技术包括使用单个声音发生器来依次询问储蓄器。如授予Ellson等的美国专利申请公开号20020037579和授予Williams等的美国专利申请公开号20020094582所述，将一用于发生聚焦声辐射(focused acoustic radiation)的发生器逐次放置得与各储蓄器形成声耦合关系以对其进行询问。因此，发生器或储蓄器或者这两者必须变换物理位置。当大量储蓄器需要询问时，“单点式”检查系统的实际使用受到局限，因为移动发生器和/或储蓄器需要时间太长。使用多个此类发生器将增加总成本和单点式声检查系统的复杂性。此外，该发生器需要额外的空间，难以包括在紧密型系统中。
声发射方法本身需要了解待发射流体的特性。所述特性包括例如在该流体中的声速。需要使用声辐射来确定那些便于声发射系统使用者的特性。
因此，本领域中需要能够高速监控许多个储蓄器的内容物的改进的方法和装置，能够特别适用于合成和分析方法以提高其中所用的组合技术的稳定性、效率和有效性。

发明内容
本发明的一个实施方案是一种测量流体中声速的改进方法，该方法通过将固态物体(solid object)浸入流体中并探测由该固态物体反射的声辐射。优选是，将固态物体放置于两个或多个精确的已知位置，由从位于两个或多个位置中各位置上的固态物体返回回波所耗时间计算声速。该方法优选是在声发射系统中进行，该系统通常包括提供能与储蓄器中的流体数量耦合的聚焦声辐射的转换器。
本发明的另一个实施方案是一种对用来发射所需尺寸液滴的单音脉冲(toneburst)的波形参数加以调节的方法。在该方法中，提供一盛装了流体的储蓄器，使用单音脉冲将一滴或数滴、优选是数百滴液滴发射到另一个储蓄器中。声辐射被用来检测发射之后和任选的发射之前在另一个储蓄器中的流体含量。优选是，将所述另一个储蓄器自动地移入相对于声辐射发生器的位置。另一个储蓄器中流体量的变化被用来确定液滴尺寸，调节波形参数以使液滴尺寸朝着所需尺寸的方向变化。
在本发明的另一个实施方案中，用来发射感兴趣流体的液滴的单音脉冲的波形参数是由预先贮存的实现其它流体的特定发射体积的单音脉冲的参数内插或外推得到。内插或外推如下进行测量感兴趣流体的特性，使用这些特性在预先贮存的参数之间进行内插或外推。
本发明的另一个实施方案是一种确定流体特性的方法，该方法包括以下步骤向流体表面附近发送聚焦声辐射的单音脉冲，在单音脉冲达到该表面附近之后数次测量流体表面的特征。将所述特征随时间变化作为输入数据，用计算机确定流体的特性。
在本发明的另一个实施方案中，通过将测试脉冲发送至有一定量的流体表面附近，以时域或频域检查来自表面的探测脉冲(probe pulse)的回波，由此确定适合于由流体发射液滴的能量水平。
在本发明的另一个实施方案中，对声发射系统编程，例如通过软件或微程序语言，来完成本发明的方法。这种声发射系统包括控制器、声能转换器、用于将转换器与储蓄器声耦合的耦合介质。
在本发明的另一个实施方案中，提供了一种由容纳在基底内或位于基底上的流体储蓄器声发射流体液滴的改进方法。所述含有流体的储蓄器与产生声辐射的声发射器进行声耦合。激发该声发射器，以有效地从储蓄器发射液滴的方式，产生声辐射脉冲透过基底，传送至储蓄器中流体表面处或表面附近。在该改进的方法中，在声发射流体液滴之前，确定欲在所述位点产生的声辐射的亚阈或扰动脉冲的波形，调整于所述位点产生的声辐射的扰动脉冲的振幅至足以发射流体液滴的声能输出水平。
在上一段实施方案的方法中，在一个位点形成液滴用脉冲的振幅可如下确定将声发射器与储蓄器进行声耦合，激发声发射器来产生扰动脉冲并将该扰动脉冲导向该位点以使得不发射流体液滴，然后发生扰动询问脉冲(perturbationinterrogation pulse)至该位点的流体表面。该扰动询问脉冲被流体表面反射。然后，用分析仪监测和处理反射的扰动询问脉冲。
对反射的扰动询问脉冲的处理可包括分析脉冲的时域波形或其频谱。频谱的分析包括使用基于频域的算法来确定反射的扰动询问脉冲的“回波”部分的两个最小值之间的频率间隔的差别。然后两个最小值之间的间隔被分析仪用来提高声发射器发出的扰动脉冲的声能水平至足以发射流体液滴的水平。在该改进方法的一个优选实施方案中，基于频域的算法使用快速傅里叶变换算法(FFT)来表征扰动询问脉冲响应的频率内容(frequency content)并提取最小值。
本发明的另一个实施方案涉及用来从储蓄器声发射流体液滴的装置，其中储蓄器容纳在基底内或位于基底上，在该储蓄器中有一定量的流体。该装置包括用来发生声辐射脉冲的声辐射发生器和用来将声辐射发生器与储蓄器声耦合的装置。
声辐射发生器可产生声辐射脉冲，该脉冲穿透基底传输至储蓄器内流体表面或该表面附近。该脉冲用来从与声辐射发生器声耦合的储蓄器发射液滴。
上述装置包括一分析仪，用来在从储蓄器声发射流体液滴之前确定欲在所述位点产生的声辐射的扰动脉冲的波形。然后，分析仪将扰动脉冲的振幅调节至足以发射流体液滴的声能输出水平。
另一个实施方案涉及由多个储蓄器的每一个声发射流体液滴的装置，该装置包括容纳在一个或多个基底内或位于一个或多个基底上的多个流体储蓄器，每个储蓄器中有一定量的流体。
在上述实施方案的装置中，声辐射发生器与各储蓄器依次声耦合，以使得声辐射发生器产生的声辐射脉冲以用于从各储蓄器发射液滴的方式，穿透基底传输进入各储蓄器中的流体至该流体的表面或其附近的位点。
在从储蓄器声发射流体液滴之前，用该实施方案的分析仪依次确定对于容纳在基底内或位于基底上的各储蓄器欲在各位点产生声辐射的扰动脉冲的波形。各扰动脉冲波形的确定通常是基于对于各储蓄器中流体组成形成所需液滴体积的液滴用脉冲的波形。然后，分析仪用一个或多个扰动询问脉冲跟随扰动脉冲，来调整各储蓄器内随后脉冲的振幅至足以发射流体液滴的声能输出水平。
在该实施方案的装置中，该分析仪如下确定在各位点形成液滴用脉冲所需的振幅通过将声发射器与各储蓄器依次声耦合，然后激发声发射器来产生扰动脉冲并将该扰动脉冲导向各储蓄器中的位点。扰动脉冲足以扰动该位点处的流体表面，但其声能水平不足以从该位点发射流体液滴。在扰动脉冲之后，该分析仪使发射器产生扰动询问脉冲至各位点的流体表面。通常，扰动询问脉冲被流体表面反射。然后，用分析仪监测和处理被反射的扰动询问脉冲。
用分析仪对反射的扰动询问脉冲的处理包括分析该脉冲内提供的回波数据。回波数据的分析可包括时域分析或频域分析，例如确定经过处理的回波数据的两个最小值之间的频率间隔的差别。
在一个具体的实施方案中，该分析仪利用两个最小值之间的间隔来确定声发射器产生形成液滴用脉冲所需的声能水平。在该装置的一个优选的实施方案中，被分析仪用来处理回波数据的基于频域的适应算法是基于FFT的算法。
本发明的另一个实施方案提供了一种对容纳在基底内或位于基底上的多个流体储蓄器进行声检查(acoustically auditing)的方法。将产生声辐射的声发射器与位于含流体的第一位点的第一储蓄器声耦合。
然后，激发声发射器，以产生声辐射的扰动脉冲透过基底进入流体，该扰动脉冲足以扰动位点处的流体表面但低于从该位点有效地发射液滴的声能水平。将储蓄器中的流体体积调整至与该位点处预定的扰动水平相符合，任选地，可以激发该发射器，以从第一储蓄器有效地发射液滴的方式产生声辐射脉冲透过基底进入流体。然后，对位于基底上的多个流体储蓄器的每一个依次重复上述方法。各位点处得到的体积调整值被用来对基底上位点间的变化按目录分类。任选地，与所用基底/储蓄器类型有关的数据，例如对于一给定类型的微量培养板，可以储存相关数据，当再次遇到相同的板类型时可以使用，以使液滴形成过程更便利。本发明还提供了一种声检查容纳在基底内或位于基底上的多个流体储蓄器的方法，该方法如下进行在各储蓄器中提供具有已知组成的可测定体积的流体，调节各储蓄器中的流体体积以使储蓄器与预定的发射阈值水平相符，将位于第一位点含有流体的第一储蓄器与产生声辐射的声发射器声耦合，然后激发该发射器以产生声辐射的亚阈值脉冲，透过基底进入流体至所述位点，脉冲的能量低于从第一储蓄器有效发射液滴的能量水平，分析亚阈值脉冲，以确定与发射阈值之间的差距。然后将该发射阈值与预定的发射阈值进行比较。接着对多个流体储蓄器的每一个依次重复该过程，然后将各位点发射阈值与预定发射阈值之间的差异用来对基底上位点间的变化按目录分类。
在另一个用于声发射一个或多个流体储蓄器中流体液滴的方法中，操作分析仪对传输的辐射的特性进行分析，以评估在选定储蓄器中的流体。任选地，声辐射发生器可以与剩余的各储蓄器依次声耦合，以使得能够对储蓄器中的流体进行评估。
本发明的方法包括使用上述任何一种技术来评估各储蓄器中多种流体的性能，优选是自动进行评估无需人为干预。容纳流体的储蓄器可以整体化成一个结构体，例如孔板。


图1A和1B，总称为图1，示出了本发明装置的一个优选实施例的简化剖面图，该装置既能够以反射模式对多个储蓄器的内容物进行声学评估，又能够从储蓄器发射流体液滴。如图所示，该装置包括第一储蓄器和第二储蓄器，组合的声学分析仪和发射器，以及发射器定位装置。图1A示出了与第一储蓄器声耦合的声发射器，激发该发射器以从该第一储蓄器内朝向基底表面上一个位点发射流体液滴以形成一个阵列。图1B示出了与第二储蓄器声耦合的声发射器。
图2示出了本发明装置的一个实施例的简化剖面图，该装置设计成能够以透射模式对多个储蓄器的内容物进行声学评估。
图3A-3C，总称为图3，示出了一种直线阵列的储蓄器，其形式是一具有三行两列孔的孔板。图3A示出了孔板的顶视图。图3B是该孔板沿虚线A的剖视图。图3C是该孔板的俯视图。
图4是本发明装置的一个优选实施例的侧视图，该装置使用了图3所示的孔板。
图5示出了其上具有用图4所示装置沉积的液滴阵列的基底。
图6A-6F，总称为图6，示出了处于运行中的图4所示的装置，该装置运行以发射流体液滴形成图5所示的液滴阵列。图6A-6D示出了该装置的侧视图。图6E至6F示出了该装置没有基底时的顶视图。
图7是测得的询问用声辐射的回波延迟时间与单音脉冲扰动流体表面之后的时间的关系曲线图。
图8是对于两种不同的流体测得的回波延迟时间与单音脉冲扰动流体表面之后的时间的关系曲线图。
图9A-9H示出了在施加了具有多个不同于发射阈值的功率水平的测试单音脉冲之后由一系列探测脉冲进入到收发器的声辐射。
图10示出了一个实验室自动化环境，该环境可适合于进行本发明的一些方法。
图11A-11C，总称为图11，是储蓄器中流体的扰动表面的一系列图像。图11A示出了对于低于阈值1dB的单音脉冲激励，DMSO浓度分别为70％和90％的DMSO/水混合物的右手和左手图像。图11B示出了对于低于阈值0.5dB的单音脉冲激励，DMSO浓度分别为70％和90％的DMSO/水混合物的右手和左手图像。图11C示出了对于处于发射阈值的单音脉冲激励，DMSO浓度分别为70％和90％的DMSO/水混合物的右手和左手图像。
图12是与图11A-11C相关的对于单音脉冲输入和DMSO浓度的两个最小值之间间距的图。
图13是本发明两个最小值之间间距的算法流程图。
图14A-14C，总称为图14，示出了使用图13的算法用分析仪处理的波形。图14A示出了扰动询问脉冲响应波形。图14B示出了扰动询问脉冲“回波”波形。图14C示出了由图14B的扰动询问脉冲“回波”波形的数据处理得到的快速傅里叶变换算法(FFT)。
发明的详细说明在详细说明本发明之前，应该理解本发明不限于具体的流体、生物分子或装置结构，这些都可以变化。还应理解，本发明所用术语只是用来说明具体实施方式

，并不用来限制本发明。
必须注意到，用于本说明书和权利要求书的单数形式“一”、“一个”和“这个”，除非上下文明确地另有表示之外，包括复数对象。因此例如，提及“一储蓄器”包括单个储蓄器以及多个储蓄器，提及“一流体”包括单种流体和多种流体，提及“一生物分子”包括单个生物分子和多个生物分子的组合，提及“一个发射器”包括单个发射器和多个发射器等。
在本发明的说明书和权利要求书中，以下术语按照下述定义来使用。
本文所用的术语“声耦合”和“声耦合的”是指一个物体放置成与另一个物体直接或间接接触，以使得声辐射在两个物体之间传递而声能不会明显损失的状态。当两个实体间接声耦合时，需要一“声耦合介质”提供声辐射可以通过其传输的媒介。因此，发射器可以例如通过将其浸入流体中来与流体声耦合，或者可以例如通过在发射器和流体之间放置声耦合介质来与流体声耦合，以将发射器产生的声辐射透过声耦合介质传输至流体。
术语“连接(attached)”，例如具有连接在其上一组成部分(moiety)的基底中所用的“连接”，包括共价和非共价的结合、吸附和物理固定。术语“结合”的意义与术语“连接”相同。
本文所用的术语“阵列”是指特征物的两维排列，例如储蓄器(如孔板中的孔)的排列，或者不同组成部分包括离子、金属或共价晶体(如分子晶体)、复合物或陶瓷、玻璃纸、无定形、流体或分子材料在基底表面上的排列(例如以低聚核苷酸或肽的阵列)。阵列通常包括规则有序的特征物，例如以直线栅格、平行条纹、螺旋形等形式，但是还可以有利地使用非有序的阵列。具体来说，本文所用的术语“直线阵列”是指具有成行和成列特征物的阵列，其中行和列通常但不必定成90度角相互交叉。阵列与更常用的一个术语“图形”相区别，区别在于图形不必含有规则有序的特征物。
本文中术语“生物分子(biomolecule)”和“生物分子(biological molecule)”可互换使用，指过去、现在或将来成为活性生物体一部分的任何有机分子，不论该分子是全部或部分自然形成的、重组制备的，还是化学合成的。该术语包括例如核苷酸、氨基酸和单糖，以及低聚物和聚合物，如低聚核苷酸和多核苷酸，肽分子如低聚肽、多肽和蛋白质，糖类如二糖、低聚糖、多糖、粘多糖或肽聚糖(肽-多糖)等。该术语还包括核糖体、酶辅因子、药物活性剂等。有关术语“生物分子”的其它信息可参见授予Ellson等的美国专利申请公开号20020037579。
本文所用术语“流体”指非固态、或者至少部分气态和/或液态但不完全是气态的物质。流体可包含最低限度地、部分地或完全地溶剂化、分散或悬浮的固体。流体的例子包括但不限于水性流体(包括水本身和盐水)和非水性流体(如有机溶剂等)。本文所用的术语“流体”与术语“墨水”不同义，原因是墨水必须含有着色剂且不可以是气态的。
术语“聚焦装置”和“声聚焦装置”是指使声波会聚于一焦点的装置，这可以通过与声能源分开的用作光学透镜的装置来实现，也可以通过空间上安排声能源通过建设性和破坏性干涉使声能会聚于一焦点。聚焦装置可以简单到是一种具有曲面的固体部分，或者可包括复杂的结构，如出现在Fresnel透镜中的复杂结构，它使用衍射以导向声辐射。合适的聚焦装置还包括定相的阵列方法，该方法是本领域熟知的，例如描述于授予Nakayasu等的美国专利5,798,779和Amemiya等(1997)1997的Proceedings of the 1997 IS & T NIP13 InternationalConference on Digital Printing Technologies(1997 IS & T NIP13数字印刷技术国际会议论文集)，第698-702页。
术语“像场”是指由声辐射发生器产生的声辐射询问的区域，该发射器和该区域之间没有相对移动。例如，当用声辐射发生器产生声辐射用来在直线储蓄器阵列中一次询问整排储蓄器时，像场包括处于询问之下的整排储蓄器。因此，与声辐射发生器有关的像场取决于所采用的特定发射器以及发射器和像场之间的空间关系。例如，具有电子束导向和/或聚焦的声辐射发生器可以与依据所用的特定的导向和/或聚焦可变像场联系起来，像场根据所用的特定的导向和/或聚焦可变。与此不同，与一物体的区域固定对齐的单个不可调节的聚焦声能转换器与不可变像场联系起来。
本文中，术语“库”和“组合库”可互换使用，是指许多个化学或生物的组成部分以图形或阵列形式排列以使该组成部分是单独一个一个可访问的。在一些例子中，许多个化学或生物的组成部分位于一基底表面上，在另一些例子中，许多个组成部分代表多个储蓄器的内容物。优选但必需地，每个组成部分与其它组成部分中的每一个均不相同。该组成部分可以例如是肽分子和/或低聚核苷酸。
术语“组成部分”是指物质的任何特定组成，例如分子片段、完整的分子(包括单体分子、低聚物分子和聚合物)、或者材料混合物(如合金或层合物)。
“(可)任选的”或“(可)任选地”是指其随后描述的情形可能发生，也可能不发生，因此该表述包括发生所述情形的实例和不发生所述情形的实例。
本文所用术语“病原体”和“病原的”是指能够导致个体疾病和/或毒性反应的任何试剂。个体可以是人体、动物(哺乳动物或其它动物)，或有时是植物。通常，本文所称的病原体是细菌或病毒，但也可以是有机毒素如马钱子碱或肉毒杆菌，或者无机毒素如砷或氰化钠。因此，术语“含病原体的流体”是指完全或部分是病原性质的非固态物质。这类流体例如可以包括含有最低限度地、部分地或完全地溶剂化、分散或悬浮于其中的病原体的液体。含病原体流体的例子包括但不限于含有细菌或病毒传染剂的培养基。类似地，术语“非病原的”指不是病原的物质，即不可能导致疾病或毒性反应的试剂。非病原的粒子例如包括但不限于有益细胞物质，如乳酸菌素、酵母、上皮细胞、珠状物(beads)等。非病原的流体包括例如灭菌盐水、葡萄糖溶液等。与术语“病原体”、“含病原体的流体”、“非病原的”等相关的其它信息可以参见发明人为Mutz和Ellson(转让给Picoliter Inc.，Sunnyvale，CA)、申请日为2002年7月18日、发明名称为“Acoustic Radiation for Ejecting and Monitoring Pathogenic Fluids”(用于发射和监测病原体流体的声辐射)的美国专利申请序列号10/199,907。
术语“辐射”以其普通的意义使用，指能量以波形扰动传输通过一媒介的形式的发射和传播，以使得能量由该媒介的一个粒子传送到另一个粒子而不会使媒介本身发生任何永久位移。因此，辐射可以指例如电磁波形和声振动。
因此，本文中术语“声辐射”和“声能”可互换使用，指声波形式的能量的发射和传播。对于其它波形，可以使用聚焦装置对声辐射聚焦，如下文所述。尽管声辐射可具有单一频率及相关的波长，声辐射也可以采用包括多个频率的形式，例如线性调频(linear chirp)。因此，术语“特征波长”被用来描述具有多个频率的声辐射的平均波长。
本文所用的术语“储蓄器”指用于容纳流体的容器或室。在一些例子中，储蓄器中包含的流体必定会具有一自由表面，例如令声辐射从其反射的表面，或者是从其声发射液滴的表面。储蓄器还可以位于基底表面上，其内部盛装流体。
本文所用术语“基底”指具有其上可以沉积一种或多种流体的表面的材料。该基底可以构造成许多种形式，包括例如晶片、载玻片、孔板或膜。此外，基底可以根据沉积特定流体的要求是多孔或无孔的。合适的基底材料包括但不限于常用于固相化学合成的载体，例如聚合物材料(如聚苯乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯和基于二乙烯基苯和苯乙烯的聚合物)，琼脂糖(如Sepharose)，葡聚糖(如Sephadex)，纤维素聚合物和其它多糖、二氧化硅、二氧化硅基材料、玻璃(特别控制的多孔玻璃，即″CPG″)和功能化的玻璃、陶瓷，这些基底用表面涂层进行处理，例如用微孔聚合物(具体是纤维素聚合物，如硝基纤维素)、微孔金属化合物(具体是微孔铝)、抗体结合型蛋白质(购自Pierce Chemical Co.，Rockford IL)，双酚A聚碳酸酯等。关于术语“基底”的其它信息可参见Ellson等的美国专利申请公开号200200377579。
本文中的术语“转换器组件”和“声能转换器组件”可互换使用，指声辐射发生元件(如压电元件)的总称，它们可以单独或一起被激发，产生具有各种束特征如形状、方向性、指向性、相和/或聚焦的声辐射。通常，但不必需是，转换器组件的声辐射产生元件排列成紧密间隔的阵列。
术语“单音脉冲”用来描述由声能发生器如汽笛、电子扬声器或超声换能器产生的声能脉冲群。该脉冲群可包含其间没有声能产生的一个或多个能隙(gap)。如果发生器在一段时间间隔[Ts，Tf]内产生可能的多个能隙的声能，那么在任何时间间隔[T1，T2][Ts，Tf]期间产生的声能也可以称作单音脉冲。
所用的术语“脉冲”与单音脉冲同义。在本领域技术人员中，单音脉冲往往意味着较长的声能脉冲群，而脉冲往往意味着较短的脉冲群。由于两个术语之间并无严格的界线，因此本申请中两个术语被当作相同意义对待。
术语“扰动脉冲”指传送至流体中一位点以在表面中产生响应的声能。通常，该能量具有与形成液滴用脉冲相类似的持续时间和类似的频谱，只是该脉冲的振幅低于形成液滴用脉冲。换而言之，该脉冲一般设计成将基本上是比形成液滴用脉冲的更小振幅(按比例减小)版的脉冲传送至位点，以引起与形成液滴用脉冲相同的能量传输特征。声发生器产生的声换能和从声发生器传输至位点的声能传输对于所有的频率并不一致，因此优选是扰动脉冲具有与在形成液滴用脉冲中相同的频率内容。此外，给定频率的能量到达位点的时间会影响扰动的动力学。因此，优选是，在扰动脉冲和形成液滴用脉冲中，各频率能量到达的相应时间类似。
术语“扰动询问脉冲”指传送至流体中一位点以确定流体对扰动脉冲的响应的声能。该脉冲在距扰动脉冲之后一定时间间隔产生，使表面能够响应扰动脉冲。
术语“低频前同步信号”指扰动询问脉冲回波在时域上的前驱片段。如果存在低频前同步信号的话，较好是从扰动询问脉冲回波的频率内容分析中消除低频前同步信号。这可以通过只包括与扰动询问脉冲的频率内容匹配的扰动询问脉冲回波部分来完成。去除了低频前同步信号的扰动询问脉冲回波的时域信号的FFT才可以被用来确定两个最小值之间的间距。从输入FFT的时间序列中删除低频前同步信号防止了最低频率最小值的位移，由此提高了信号处理的稳定性。
据此，本发明涉及对多个流体储蓄器的内容物进行声学评估的装置和方法。本发明装置包括多个储蓄器，各储蓄器均适合于容纳流体，和用于产生声辐射的声辐射发生器。本发明的装置还包括以与各储蓄器形成声耦合关系，对声辐射发生器定位，以使声辐射发生器产生的声辐射传输透过各储蓄器的至少一部分的装置。放置一个用于分析声辐射特性的分析仪来接收传输的声辐射。
该装置可构造成所包括的储蓄器是与该装置形成一整体的组成部分或者是永久连接在该装置上的组成部分。然而，为了使组成部分具有可调制性和可替换性，该装置优选是具有可拆卸的储蓄器。通常，储蓄器以一定的图形或阵列排列，以使得各储蓄器具有单独的系统可访问性。此外，尽管各储蓄器可以是离散或独立的单位体，在需要大量储蓄器的情况下，优选是储蓄器互相连接或者形成一单独的储蓄器单元的整体部分。例如，储蓄器可以是孔板中的各个孔。适用于本发明装置的许多孔板可以从市场上购得，例如每个孔板可包括96、384、1536或3456个孔，具有全裙边(skirt)、半裙边或无裙边。这类孔板的各孔通常形成直线阵列。所用装置中使用的合适孔板的制造商包括Corning，Inc.(Corning，New York)和Greiner America，Inc.(Lake Mary，Florida)。然而，这类可市售购得的孔板的易得性并不排除制造和使用那些至少含约10,000个孔或者多达100,000至500,000个孔或者更多孔的定制孔板。这些定制孔板的各孔可以形成直线阵列或其它类型的阵列。随着孔板已经成为常用的实验室用品，Society for Biomolecular Screening(Danbury，Connecticut)(生物分子筛选学会)已经成立了微量培养板标准发展委员会，代表美国国家标准学会(AmericanNational Standards Institute)并被其认可，对便于微量孔板自动化处理的标准进行推荐和维护。
此外，构成储蓄器所用的材料必须与所容纳的流体相容。因此，如果储蓄器或孔是用来盛装有机溶剂(如乙腈)的话，会在乙腈中溶解或溶胀的聚合物就不合适用来形成储蓄器或孔板。类似地，用来盛装DMSO的储蓄器或孔必须与DMSO相容。对于水基流体，许多种材料适合于构造储蓄器，包括但不限于陶瓷如二氧化硅和氧化铝、金属如不锈钢和铂、以及聚合物如聚酯和聚四氟乙烯。对于光敏性的流体，储蓄器可以由光学不透明的材料构成，该材料具有足够的透声性以使该装置的功能基本上不受影响。
此外，为了减少操作中将声辐射发生器与各储蓄器或储蓄器孔对准所需的移动量和时间，如下文所述，优选是各储蓄器中央的位置距离相邻储蓄器中央不超过约1厘米、更优选是不超过约1.5毫米，再优选是不超过约1毫米，最好是不超过约0.5毫米。这些尺寸往往会将储蓄器的尺寸限制在一最大体积之内。储蓄器构造成容纳通常不超过约1mL，优选是不超过约1μL，最好是不超过约1nL的流体。为了便于对多个储蓄器进行处理，还优选是储蓄器在声学上是基本上不可分辨的。
当提供阵列时，各储蓄器可以是被单独地、有效地和系统地进行访问。尽管任何类型的阵列均可使用，但优选是包括数排间距均匀的平行的储蓄器的阵列。通常但不是必需地，各排含有相同数目的储蓄器。最优选地，本发明使用包含X排和Y列储蓄器的直线阵列，其中X和Y各自至少为2。在一些例子中，X可以大于、等于或小于Y。此外，还可使用非直线阵列以及其它几何形状。例如，可以使用六边形、螺旋形和其它类型的阵列。在一些例子中，本发明可用来声学评估不规则图形排列的储蓄器，例如在平坦基底表面如与CD-ROM格式相关的基底表面上无规分布的液滴。此外，本发明还可用来对与微流体装置相关的储蓄器进行声学评估。
通常使用单个声辐射发生器，尽管也可以使用多个声辐射发生器。所有的声辐射发生器使用振动元件或转换器来产生声辐射。通常，使用压电元件将电能转换成与声辐射相关的机械能。当使用单个声辐射发生器时，定位装置应使得声辐射发生器能够以可控的方式从一个储蓄器快速地移动至另一个储蓄器，由此使得能够对储蓄器的内容物进行快速和受控的扫描。为了确保最佳性能，重要的是记住有两种基本类型的动作脉冲和连续的。脉冲运动包括下述不连续的步骤移动声辐射发生器就位，在其发射声能时保持其静止，再次将该发射器移动至下一个位置，使用高性能定位装置实现在小于0.1秒内与各储蓄器进行可重复且受控的声耦合。通常，脉冲宽度非常短，可以允许10Hz以上的储蓄器转换，甚至1000Hz以上的储蓄器转换(transitions)。另一方面，连续的动作设计能连续移动声辐射发生器和储蓄器，但移动的速度不相同。
在一些例子中，分析仪被定位在或处于与声辐射发生器固定对准的位置。此外，提供类似于上述的装置用来改变分析仪和储蓄器的相对位置。分析仪和声辐射发生器的相对位置取决于装置的特定结构。在一些例子中，该装置可以构造成以透射模式操作，以使得产生的辐射透过整个具有待评估内容物的储蓄器。在该例中，储蓄器可以放置在声辐射发生器和声分析仪之间。
然而，更典型的是，该装置可以构造成以反射模式操作，以使得声辐射仅透过储蓄器中具有待评估内容物的部分。在用反射模式同时询问多于一个的储蓄器时，声辐射可以透过处于询问之下的储蓄器，并向着分析仪反射回去。因此，分析仪可以以适合于该结构的方式放置，例如为了接收经反射的声辐射。在任何情况下，声辐射发生器的定位方式应能使产生的声辐射传输透过各储蓄器最有可能含有流体的部分，以获得最佳性能。这减少了分析仪错误判定储蓄器为空的可能性。例如，在流体正常地流至容器底部或者被离心作用抽到底部的情况下，声辐射发生器的定位应使得产生的声辐射透过储蓄器的底部。
如下文详述，在一种优选的结构中，分析仪的定位是为了接收从各储蓄器所容纳的流体的自由表面反射的声辐射。根据反射角，声辐射发生器和分析仪可形成一整体化的单元。在该结构中，声辐射发生器可包含与分析仪共同的组成部分。声辐射发生器与分析仪共同的组成部分可以是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的振动元件，例如将声能/机械能转换为电能的压电元件。
分析仪可以构造成实现多种功能。例如，分析仪可以适用于分析声辐射以确定各储蓄器中的流体体积。附加地，或替换地，该分析仪可适用于分析声辐射以确定各储蓄器中流体的性能。声学分析的其它方面将在下文中讨论。
如上所述，储蓄器可以构造成减少操作中将声辐射发生器与各储蓄器或储蓄器孔对准所需的移动量和时间。综合考虑便利性和效率，较好是在较短的时间内(如约1分钟，或更好约10秒钟)对不同组成部分的整个库进行分析。因此，本发明的方法通常能够以至少约96个储蓄器/分钟的速度对储蓄器的内容物进行分析。使用现代技术也可以实现更快的分析速度，如每分钟至少约384、1536和3456个储蓄器。因此，本发明可以对目前市售的大多数(如果不是全部)的孔板的每个孔的内容物进行分析。恰当地实施本发明方法将得到每分钟至少约10,000个储蓄器的储蓄器分析速度。目前市售的定位技术使得声辐射发生器能够从一个储蓄器移动至另一个，与各储蓄器形成可重复且受控的声耦合，对于高性能定位装置而言时间小于约0.1秒，对于普通的定位装置而言时间小于约1秒。定制的系统可以使得声辐射发生器在小于约0.001秒的时间内从一个储蓄器移动至另一个，形成可重复且受控的声耦合。
通过对已经透过选定储蓄器的至少一部分的声辐射进行分析，可以准确地确定选定的储蓄器的内容物。例如，评估可包括确定储蓄器中的流体体积，或者确定储蓄器中流体的性质。如上所述，可以测定的流体性质包括但不限于粘度、表面张力、声阻抗、固含量和杂质含量。在一些例子中，评估可包括测量声辐射透过储蓄器的传播时间。附加地，或替换地，评估可包括确定透过储蓄器之前和之后的声辐射的差异。对于与温度有关的性能，本领域已知的温度测量装置(如热电偶)可以与该分析结合使用。任选地，可以储存用声学分析仪进行的声学分析结果。因此，本发明的装置还可包括例如储存装置，该装置包括可再写和/或永久的数据储存介质用于储存分析仪进行的声学分析的结果。
如上所述的声学评估可用来改进从多个适合于容纳流体的储蓄器的每一个中的流体分配。因此，本发明的另一个实施方案涉及用从多个适合于容纳流体的储蓄器的每一个中分配流体的装置。该装置可包括许多种已知的分配流体技术的任一种，这些技术包括接触式流体分配，如针点滴、移液操作和喷墨印刷，或者非接触式流体分配，如声发射。然而，本发明的装置通过使用对储蓄器内容物进行声学评估的装置提高了流体分配的准确性和精确度，由此显示了对本领域已知的流体分配装置的新颖性和非显而易见的进步。对储蓄器内容物进行声学评估的装置类似于先前描述的用于评估多个流体储蓄器内容物的装置，类似之处在于该装置也包括用于产生声辐射的声辐射发生器和用于分析声辐射特征的分析仪。使用一个定位声辐射发生器与各储蓄器形成声耦合关系的装置以确保声辐射发生器产生的声辐射被传输透过各储蓄器的至少一部分。此外，放置该分析仪来接收传输的声辐射。
因此，在一个优选的实施方案中，本发明的装置使用声辐射发生器，该辐射器产生像场大小足以一次询问多个选定储蓄器的声辐射。提供该声辐射发生器的定位装置，以使得该声辐射发生器放置得与选定储蓄器为声耦合关系。这样，声辐射发生器所产生的声辐射被传输透过多个选定储蓄器的外表面。该装置还包括分析仪，其位置与声辐射发生器形成辐射接收关系。分析仪适用于分析透射的声辐射的特征以评估各选定储蓄器的内容物。
组合使用声发生器和分析仪来评估各选定储蓄器的内容物。一般来说，可以使用任何声辐射发生器，只要所产生的有效的声辐射束足以一次询问多个选定储蓄器。所有的声辐射发生器使用一个或多个振动元件或转换器来产生声辐射。通常，使用压电技术将电能转换成与声辐射有关的机械能。由单元件转换器产生的声辐射往往会形成发散的声辐射束。因此，可以将单元件声发生器与聚焦装置结合使用，如下文所述，用来产生具有合适大小和焦点的像场的声辐射。
多元件声辐射发生器如转换器组件有利于提高分辨率和分析性能。一般来说，转换器组件包括多个可单独激发或成组激发产生超声波束的元件。各元件产生的声波可以在所需方向互相增强，在不需要的方向互相抵消。此外，转换器组件可用来监测分析用的回波信号。在该例中，对于由其产生回波的各反射器，由各元件监测的多个回波信号可以在合并成一个信号之前独立放大。转换器组件是有利的，因为它们允许电子束导向、电子聚焦和束形成。
存在四大类的转换器组件。线型声阵列(linear acoustic arrays)由并肩排列的压电元件形成，所述阵列通常为矩形，数量约为120至250。可以通过激发一组该元件产生一沿垂直于转换器组件面的射束线传播的脉冲，由此产生各声辐射束。由于线型声阵列的面通常是平坦的，可产生矩形像场。曲线声阵列(curvilinear acoustic arrays)具有相同的整体结构，不同的是其面是弓形的。结果，曲线声阵列往往会产生梯形像场。环形声阵列(annular acoustic arrays)由同心排列的元件形成，这些元件以与线型声阵列和曲线声阵列相似的方式操作。定相的声阵列(phased acoustic arrays)，与线型声阵列类似，由并肩排列的压电元件形成，通常具有约128个单独元件。但是，定相的声阵列元件通常比直线声基阵的元件更窄。当定相声阵列中所有元件被激发时，产生各声波脉冲，沿可以被电子导向不同方向的射束线进行传播。电子导向(electronic steering)通常使用本领域中已知的时间延迟方法来获得。
在上述转换器组件中，最好的是定相转换器组件。当定相转换器组件与线型阵列的储蓄器结合使用时，定相转换器组件优选产生大小足以一次询问至少一排储蓄器的像场。在一些例子中，定相转换器组件可以同时询问一排中的所有储蓄器。在另一些例子中，由转换器组件产生的声辐射的电子导向用来依次扫描像场内的储蓄器。当像场的大小不足以一次询问整个储蓄器阵列时，使用声辐射发生器的定位装置来提供声辐射发生器和储蓄器阵列之间的相对运动，以使声辐射传输透过储蓄器阵列中的各储蓄器。这种相对运动优选产生声辐射发生器沿列方向的位移，而不产生辐射发生器沿列以外方向的位移。因此，例如，当储蓄器是具有X排和Y列储蓄器的线型阵列时(其中X和Y各自至少为2)，声辐射发生器可用来沿Y列方向依次询问各排的储蓄器。
当多元件声辐射发生器与储蓄器阵列组合使用时，优选是各元件显示与阵列的几何对应性。例如，当使用孔板时，优选是孔之间的间距对应于振动元件之间的间距。在该例中，声发生器的元件可以与孔具有相同间隔。为了提高成象分辨率，元件的线密度可以是储蓄器线密度的倍数，优选是正整数倍数。类似地，元件的尺寸可以依照储蓄器。在一些例子中，振动元件可以与储蓄器具有大致相同的尺寸。
类似地，优选是根据储蓄器阵列对整个声辐射发生器定尺寸。对于典型的排长度约72mm的孔板，使用能产生长度至少为72mm的像场的定相的声阵列。为了确保该定相声阵列不超出孔板的边缘，定相声阵列的长度优选小于约85mm。一种具有间距为0.9mm的84个元件且正常的操作频率为7.5MHz的定相声阵列可以从Toray Techno of Shinga-ken Japan获得。其它适合用于本发明的声辐射发生器也可以从市场上购得。
因此，本发明还提供了一种对一个或多个储蓄器中内容物进行声学评估的方法。该方法包括提供多个储蓄器，各储蓄器均适合于容纳流体，和定位声辐射发生器使与选定的储蓄器成声耦合关系。一旦定位，激发声辐射发生器以产生声辐射，透过选定储蓄器的至少一部分传输至分析仪。然后，用分析仪分析传输透过选定储蓄器至少一部分的声辐射，由此评估选定的储蓄器的内容物。可任选地，声辐射发生器可以再定位，使得还能够对其余的储蓄器的内容物进行评估。当所产生的声辐射具有尺寸足以一次询问多个选定储蓄器的像场时，声辐射传输透过选定储蓄器的外表面和选定的储蓄器。
本发明方法可以只使用上述装置的一些组件来进行，或者可以使用整个装置来进行。例如，当将转换器组件用作声发生器时，可以利用电子束导向和/或电子聚焦来产生声辐射。此外，透射声学技术和反射声学技术可用来评估储蓄器的内容物。而且，当使用包含多行和多列储蓄器的线型阵列时，所产生的声辐射的像场通常具有足以询问至少一排储蓄器的尺寸。因此，本发明的方法可用来评估每个储蓄器的内容物或者一排储蓄器的内容物。可任选地，可以对另一不同排的储蓄器重复上述的评估。通过对相邻排的储蓄器依次重复上述评估，可评估储蓄器阵列中所有储蓄器的内容物。
通过分析经透射的声辐射，可以准确地确定选定的储蓄器中的内容物。如上所述，评估可包括确定储蓄器中的流体体积，或者确定储蓄器中流体的性质。可以测定的流体性质包括但不限于粘度、表面张力、声阻抗、密度、固含量、杂质含量、声衰减和病原体含量。在一些例子中，评估可包括测量声辐射透过储蓄器的传播时间。附加地，或替换地，评估可包括确定透过储蓄器之前和之后的声辐射的差异。
本领域的普通技术人员会理解，可使用常规和改进的声纳技术。例如反射的声辐射可以转换成电能用于分析。该分析可以例如被用来揭示储蓄器是否含有任何流体。如果有流体存在于储蓄器中，那么可测定储蓄器内自由流体表面的位置和取向，以及流体的总体积。可以分析反射的声辐射的特征以评估声辐射发生器与流体表面之间的空间关系，储蓄器固态表面与流体表面之间的空间关系。
根据要进行的评估类型，可以将各种本领域已知的技术用于本发明。一般来说，使用接触角测量来常规地进行界面能量测定。本发明可适合于进行接触角测量。此外，许多种其它的声学评估技术在本领域是已知的。例如，授予Trinh的美国专利4,391,129描述了一种用于监测流体物理特征的系统。可以由流体界面张力的声学评估来高准确度地测量一物理特征。授予Hemmes的美国专利4,558,589描述了一种超声波血液凝固监测器。授予Dymling等的美国专利5,056,357描述了通过多普勒频移测定流体中性能的声学方法。可以可适用于本发明的声学评估技术描述于例如美国专利4,901,245；5,255,564；5,410,518；5,471,872；5,533,402；5,594,165；5,623,095；5,739,432；5,767,407；5,793,705；5,804,698；6,119,510；6,227,040和6,298,726。
附加地或替换地，本发明还可使用导向和/或聚焦的声辐射以增强对储蓄器内容物的评估。例如，可使用声辐射来扰动流体表面，并监测该扰动。这一扰动技术非常适合用于测定流体的表面张力和粘度，或者测定影响。该技术通常能足够准确和精确地测量少量添加剂(如药物组合物、生物分子样品等)对于流体的表面张力或粘度的影响。值得注意的是，这类扰动技术应当补充常规的声阻抗测量。
在一些实施方案中，本发明提供了一种监测培养液中生物体含量和/或浓度变化的方法。也就是说，用声辐射来监控储蓄器中生物体的含量和/或浓度的变化。例如，可将一细菌培养物放入储蓄器中，使其经历温度变化，选择该温度变化以促使储蓄器中细菌的含量和/或浓度增加或减少。声辐射可以来监控储蓄器中的细菌成长。这类监控技术还可用于其它生物学或化学系统，例如用于PCR的系统，其中任一组成部分(如核苷酸生物分子)是复制的。然而，应该注意，本发明可用来监控任何生物体或组成部分的含量，不管该生物体是否是病原体。这一监控技术，如应用于病原体流体，描述于发明人为Mutz和Ellson(转让为Picoliter Inc.，Sunnyvale，CA)、申请日为2002年7月18日、发明名称为“Acoustic Radiation for Ejecting and Monitoring Pathogenic Fluids”(用于发射和监测病原体流体的声辐射)的美国专利申请序列号10/199,907。
如上所述，储蓄器可以构造成减少操作中将声辐射发生器与各储蓄器或储蓄器孔对准所需的移动量和时间。综合考虑便利性和效率，较好是在较短的时间内(如约1分钟内)对不同组成部分的整个库进行分析。
因此，本发明的方法通常能够以至少约96个储蓄器/分钟的速度对储蓄器的内容物进行分析。使用现代技术也可以实现更快的分析速度，如每分钟至少约384、1536和3456个储蓄器。因此，本发明可以对目前市售的大多数(如果不是全部)的孔板的每个孔的内容物进行分析。一般来说，较好是以至少约5个储蓄器/秒的速度进行储蓄器的声学评估。优选是，评估以至少约10个储蓄器/秒的速度进行。更优选是，评估以至少约25个储蓄器/秒的速度进行。可预计，最佳地实施本发明方法应得到每分钟至少约10,000个储蓄器的储蓄器评估速度。因此，根据评估速度和储蓄器数目，所有储蓄器的内容物可以在不超过5分钟内进行评估，优选是在1分钟内或更短。
如上所述的声学评估可用来改进从多个适合于容纳流体的储蓄器的每一个的流体分配。因此，本发明可以与多种已知的流体分配技术结合使用，这些技术包括接触式流体分配，如针点滴、移液操作和喷墨印刷，或者非接触式流体分配，如声发射。由于声发射相对于其它流体分配技术而言具有许多优点，因此本发明的装置还包括发射器和用于定位发射器以从任一储蓄器中发射流体的装置。一般来说，声发射器使用聚焦的声辐射来实现流体发射，发射器的定位装置适合于将发射器与各储蓄器定位成声耦合关系。如授予Ellson等的美国专利申请公开号20020037579中所述，声发射器可包括用于产生声辐射的声辐射发生器和用于将产生的声辐射聚焦在多个储蓄器中每一个的流体表面内和足够靠近流体表面的焦点的聚焦装置，以从其发射液滴的声辐射。因此，本发明还提供了进行声辐射和评估的装置。
在本发明中，可使用各种聚焦装置的任一种来聚焦声辐射，以从储蓄器发射液滴。例如，可使用一个或多个曲面将声辐射导向流体表面附近的焦点。一种此类技术描述于授予Lovelady等的美国专利4,308,547。具有曲面的聚焦装置可并入市售购得的声能转换器(如由Panametrics Inc.(Waltham，MA)制造的转换器)的结构中。此外，菲涅耳透镜是本领域已知的用于以距离物体面预定的焦距导向声能。参见授予Quate等的美国专利5,041,849。菲涅耳透镜可具有放射状的相轮廓(radial phase profile)，将大部分声能以相对于透镜呈放射状变化的衍射角衍射成预定的衍射级。应选择这些衍射角以将该衍射级内的声能聚焦在所需的物体平面上。最好地，该装置适合于根据分析仪进行声学分析的结果从储蓄器发射流体。
优选单个发射器，尽管本发明的装置可包括多个发射器。当使用单个发射器时，定位装置应能使发射器以可控的方式从一个储蓄器快速地移动至另一个储蓄器，由此使得能够对由其进行液滴发射的储蓄器进行快速和受控的扫描。在一些例子中，可使用同一个声辐射发生器来进行声学评估和发射。声学评估和发射也可以使用不同的声发生器来进行。
发射器的定位装置可适合于根据分析仪进行的储蓄器内容物评估提供发射器与储蓄器之间的相对运动。在该例中，发射器可以保持在距声辐射发生器恒定的距离。因此，当提供多排储蓄器时，声辐射发生器与储蓄器之间的相对运动会造成声辐射发生器沿行方向的位移。或者，发射器的定位装置适合于提供发射器与储蓄器阵列之间的相对运动，独立于分析仪进行的储蓄器内容物评估。在任何情况下，当提供线型阵列的储蓄器时，发射器可以是沿行方向和/或沿垂直于行和列的方向移动。
当使用发射器时，本发明可用来从储蓄器发射流体至基底上。例如，授予Ellson等的美国专利申请公开号20020037579描述了该声发射技术被用来形成生物分子阵列。类似地，声发射技术可用来布局多种流体，例如将流体从超常规尺寸的大容器转移到标准化孔板的孔中，或者将流体从一个孔板转移至另一个孔板。本领域技术人员会认识到，该声发射技术可适合于多种用途。在这些用途中，用于定位基底的装置可用来提供基底和储蓄器之间的相对运动。
如上所述，相对运动可分类为脉冲型或连续型。为了确保最佳性能，任一种类型的设计均可用来提供发射器和用于流体发射的储蓄器之间的相对运动。类似地，任一种类型的运动会导致声发生器和储蓄器之间的相对位移，以及基底和储蓄器之间的相对位移。因此，上述声发生器的定位技术可用来移动单独的声学分析仪和/或声发射器。
在一些例子中，可使用高速的机器人系统来处理储蓄器、声发生器和/或发射器。在一些例子中，会根据声学分析仪的结果作出是否从储蓄器分配流体和/或如何分配流体的决定。例如，当使用一声发射器时，可通过使用由上述关于储蓄器体积的评估获得的数据或流体性能数据以及储蓄器的几何数据来确定涉及发射器的操作参数。此外，这些数据会显示重新定位发射器的需求，在需要时，相对于流体表面重新定位声辐射发生器，以确保发射的声波的焦点位于流体表面附近。例如，如果分析揭示声辐射发生器的定位使得发射声波不能聚焦在流体表面附近，那就利用垂直、平行和/或旋转运动来重新定位声辐射发生器，以使得发射声波恰当地聚焦。
在一些实施方案中，本发明的装置还包括从一个或多个不与声辐射发生器进行声耦合的储蓄器的外表面除去流体声耦合介质的装置。该装置通常使用真空技术。例如，可使用抽气机将耦合介质拉到收集容器中，或者加速耦合介质的蒸发作用。此外，用于除去流体声耦合介质的装置使用适顺于一个或多个储蓄器的外表面的刀片。该刀片可以由弹性体材料组成，其工作原理与挡风玻璃刮水器或雨刷滑过表面从上面除去水的原理相同。此外，可使用吸收材料通过擦拭或吸取作用除去耦合介质。类似地，可使用真空技术从储蓄器表面除去流体声耦合介质。本领域技术人员会认识到还可以将其它流体除去技术与本发明结合使用。任选地，当使用多个储蓄器时，流体耦合介质的除去可以与声学评估同时进行，只要声耦合的除去不会妨碍声学评估。也就是说，只要存在足够的声耦合介质用于评估，可以在别处进行声学评估的同时将表面上存在的任何过量的声耦合流体除去。
应注意到，声耦合介质的除去是本发明一个重要方面，因为声耦合介质可能是污染源。例如，如上所述的DMSO是高度吸湿的，很容易吸收与其接触的任何环境水并被其稀释。如果当一个或多个储蓄器含有DMSO时水或水性流体被用作声耦合介质，最好是限制储蓄器暴露于声耦合介质。因此，在大多数例子中，不再需要声耦合介质时应迅速将其去除。具体来说，当使用高速处理系统时，留在储蓄器表面上的任何流体耦合介质会受到与大加速度和减速度有关的力。结果，这些残留的流体耦合介质会不受控制地从表面抛掷出去。如果流体耦合介质落到储蓄器中，那么该储蓄器所含的内容物就发生了改变。
本发明还使用或提供一些附加的性能增强的功能。因此，本发明可使用包括可再写和/或永久的数据存储介质的储存装置，用于储存分析仪进行的声学分析的结果。该数据可以被立即使用，例如增强流体发射，和/或储存该数据以备将来使用。在一些例子中，本发明可用来确定储蓄器单元内一个或多个储蓄器的位置和/或几何形状。
此外，对于显示与温度有关性能的流体，本领域已知的温度测量装置(如热电偶)可以与该分析结合使用。还可以使用控温装置来提高测量的准确度，控温装置的使用与该装置是否具有流体分配功能无关。在水性流体的情况下，控温装置应当具有将储蓄器保持在约0℃以上的能力。此外，控温装置可适合于降低储蓄器中的温度。这一降温是需要的，因为将声能反复地施加于流体储蓄器会加热流体。该加热会导致流体性能(如粘度、表面张力和密度)产生不希望的变化。该控温装置的设计和结构是本领域技术人员已知的，可包括的组件例如是加热元件、冷却元件或其组合。
对于许多生物分子的应用，流体储蓄器可以冷冻保存，解冻使用。在使用过程中，通常要求含生物分子的流体保持于恒定的温度，温度偏差不超过约1℃或2℃。此外，对于特别热敏的生物分子流体，优选是将流体保持在不超过高于流体熔点约10℃的温度，优选是保持在不超过高于流体熔点约5℃的温度。因此，例如，当含生物分子的流体是水性流体时，最好是在发射过程中将该流体保持在约4℃。
此外，本发明还适合于评估和/或分配事实上是任何类型和所需量的流体。该流体可以是水性和/或非水性的。流体的例子包括但不限于水性流体，包括水本身和水溶剂化的离子和非离子溶液，有机溶剂，脂类液体，不混溶流体的悬浮液，以及固体在液体中的悬浮体或浆液。因为本发明容易适合于与高温使用，所以可使用诸如液态金属、陶瓷材料和玻璃的流体参见授予Ellson等的美国专利申请公开号2002007375和2002155231。此外，鉴于使用本发明技术可能的精确性，本发明可用来从适合于容纳不超过约100nL流体、优选是不超过约10nL流体的储蓄器发射液滴。在一些情况下，发射器可适合于从适于容纳约1-100nL流体的储蓄器发射液滴。当要发射的流体含有稀有或昂贵的生物分子时，本发明特别有用，其中，需要发射体积约为等于或小于1皮升的液滴，例如体积在约0.025-1pL的范围内。
应注意到，有许多种不同的方法将声学评估与流体分配结合起来，这取决于结合的预期目的。如上所述，在声学评估了储蓄器的内容物之后可以从储蓄器分配流体。这使得操作者能够根据储蓄器内容物的状况精调分配。此外，可以在声学评估储蓄器内容物之前从储蓄器分配流体。在该例中，声学评估可用来确认流体分配的质量以及用来确保分配过程没有出乎意料地改变储蓄器的内容物。例如，操作者通过评估从储蓄器分配流体之后该储蓄器中剩余的流体体积，可以确定从储蓄器中实际移走的流体量。在一些例子中，声学评估和流体分配可同时进行。
因此，本发明的另一个实施方案涉及一种从一个或多个储蓄器分配流体的方法。一旦定位声辐射发生器与从多个储蓄器中选取的一个储蓄器形成声耦合关系，由声辐射发生器产生的声辐射可传输透过选定储蓄器的至少一部分。然后分析该声辐射以评估储蓄器的内容物，并根据评估结果从选定的储蓄器中分配流体。通常，流体通过声发射进行分配，尽管本发明方法可使用接触式流体分配作为非接触式流体分配的替代或补充。任选地，对于其它储蓄器重复上述方法。
应注意到，有许多种不同的方法将声学评估与流体分配结合起来，这取决于结合的预期目的。如上所述，在声学评估了储蓄器的内容物之后可以从储蓄器分配流体。这使得操作者能够根据储蓄器内容物的状况精调分配。此外，可以在声学评估储蓄器内容物之前从储蓄器分配流体。在该例中，声学评估可用来确认流体分配的质量以及用来确保分配过程没有出乎意料地改变储蓄器的内容物。例如，操作者通过评估从储蓄器分配流体之后该储蓄器中剩余的流体体积，可以确定从储蓄器中实际移走的流体量。在一些例子中，声学评估和流体分配可同时进行。
图1示出了本发明装置的一个优选实施方案的简化剖面图。在该实施方案中，本发明装置能够对多个储蓄器的内容物进行声学评估，还能够从储蓄器声发射流体的液滴。图示的本发明装置是处于形成结合于一基底的生物分子阵列的操作中。本文所有的附图中，相同的部分用相同的附图编号来表示。图1不是按比例绘制的，为了表示清楚，一些尺寸被夸大了。装置11包括多个储蓄器，即至少两个储蓄器，第一储蓄器表示为13，第二储蓄器表示为15。每个储蓄器适合于容纳具有流体表面的流体。如图所示，第一储蓄器13含有第一流体14，第二储蓄器15含有第二流体16。流体14和流体16各自具有流体表面，分别表示为14S和16S。流体14和流体16可以相同或不同。如图所示，储蓄器可具有大致相同的结构，以使得基本上在声学上是不可分辨的，但相同的结构不是一个必要条件。如图所示，储蓄器是单独的可拆卸部分，但是储蓄器可以如上所述固定在基板或其它基底内。例如，多个储蓄器可包括位于孔板中的各孔，这些孔最好是但不必需是排列成阵列。储蓄器13和15各自优选是轴向对称的(如图所示)，具有垂直壁13W和15W，分别从圆形的储蓄器底部13B和15B向上延伸并终止于开口13O和15O处，尽管可以采用其它的储蓄器形状。各储蓄器底部的材料和厚度应使得声辐射可以透过并传输到储蓄器内的流体中。
该装置还包括声发射器33，声发射器33包括产生声辐射的声辐射发生器35和聚焦装置37，聚焦装置37用于将声辐射聚焦在欲由其发射液滴的流体内位于流体表面附近的焦点。该声辐射发生器含有与分析仪共享的转换器36，如压电元件。如图所示，提供一组合单元38，该单元既用作控制器又用作分析仪的一个组件。组合单元38作为控制器工作时，该组合单元38赋予压电元件36电能，该电能被转换成机械能和声能。组合单元38作为分析仪的一个组件工作时，该组合单元接收并分析来自转换器的电信号。该电信号由转换器吸收并转换机械能和声能而产生。
如图1所示，聚焦装置37可包括单个实心块(solid piece)，它具有凹面39用于聚焦声辐射，但是该聚焦装置可以是如下所述的其它方式构造的。这样，声发射器33适合于产生声辐射并聚焦，使得在与储蓄器13和15进而与流体14和16分别声耦合时，从各流体表面17和19发射流体液滴。声辐射发生器35和聚焦装置37可用作单个单元，受单个控制器控制，或者它们可以独立地进行控制，这取决于所需的装置性能。一般来说，单个发射器设计优于多个发射器设计，因为用单个发射器更容易获得液滴布局的准确性以及液滴尺寸和速度的一致性。
还有许多种方法将发射器33与各单独的储蓄器进而与其中的流体声耦合。一种方法是通过直接接触，例如描述于授予Lovelady等的美国专利4,308,547中，其中，将具有分段电极的半球晶体构成的聚焦装置浸入待发射的流体中。上述专利还揭示，聚焦装置可位于流体表面或表面以下。然而，当发射器被用来发射在多个容器或储蓄器中的不同流体时，上述将聚焦装置与流体的声耦合的方法是不符合要求的，因为需要反复地清洁聚焦装置以避免交叉污染。清洁过程必定延长了各液滴发射事件之间的过渡时间。此外，在该方法中，当从各容器中取出发射器时流体会粘附其上，浪费了可能是昂贵的或稀有的材料。
因此，一种优选方法是使发射器与储蓄器以及储蓄器流体声耦合而不使发射器的任何部分(如聚焦装置)与任何待发射流体接触。为此，本发明提供了一个发射器定位装置，用于可控且可重复地将发射器定位与储蓄器中各流体声耦合，由所述流体发射液滴，而可以不将发射器浸入流体中。这通常包括发射器和各储蓄器外表面之间的直接接触或间接接触。当使用直接接触来将发射器与各储蓄器声耦合时，优选的直接接触是形状完全相似的，以确保有效的声能传递。也就是说，发射器与储蓄器应具有适合于配合接触的对应表面。因此，如果在发射器和储蓄器之间通过聚焦装置实现声耦合，要求储蓄器具有与聚焦装置的表面轮廓相对应的外表面。缺乏保形接触会使得声能传递的效率和准确度降低。此外，由于许多聚焦装置具有曲面，因此直接接触法必需使用具有专门形成的反相表面的储蓄器。
最好是，在发射器和各储蓄器之间通过间接接触实现声耦合，如图1A所示。在该图中，声耦合介质25位于发射器和储蓄器13的底部13B之间，发射器和储蓄器互相之间间隔预定的距离。声耦合介质可以是声耦合流体，优选是与声聚焦装置37和各储蓄器均保形接触的声学上均质的材料。此外，重要的是确保流体介质基本上不含其声学性能不同于流体介质本身的物质。此外，优选是声耦合介质包括其声学性能能促进有助于声压和声强无明显衰减的声辐射传输的物质。此外，耦合介质的声阻抗应能促使能量从耦合介质传送至容器。如图所示，第一储蓄器13与声聚焦装置37声耦合，使声辐射发生器产生声波，并被聚焦装置37导向声耦合介质25，该介质再将声辐射传输至储蓄器13。
操作中，储蓄器13和15各自分别装有第一流体和第二流体14和16，如图1所示。声发射器33是通过发射器定位装置61(图示位于储蓄器13下方)定位的，以通过声耦合介质25在发射器和储蓄器之间实现声耦合。一旦发射器、储蓄器和基底处于恰当的对准关系，声辐射发生器35被激发产生声辐射，该声辐射被导向第一储蓄器的自由流体表面14S。然后，声辐射将在大致朝上的方向朝自由流体表面14S传送。声辐射会在不同的情形下被反射。一般来说，当声辐射传输通过的介质的声学性能发生改变时会发生反射。已经发现，朝上传输的声辐射的一部分会被储蓄器底部13B和15B以及储蓄器13和15中所含流体的自由表面14S和16S所反射。
如上所述，声辐射可用作分析工具，还可以用来从储蓄器发射液滴。在一种分析模式中，通常激发声辐射发生器，以产生其能量不足以从流体表面发射液滴的低能量声辐射。这通常通过使用相对于液滴发射所需(微秒级)而言非常短的脉冲(数十纳秒级)来进行。测定声辐射被流体表面反射回到声辐射发生器所耗费的时间，然后将该时间与流体中的声速相关联起来，可以计算得到距离，并由此得出流体高度。当然，必需注意以确保考虑到被储蓄器底部和流体之间的界面所反射的声辐射并将其扣除，以使得只基于流体内部声辐射的传输时间进行声学评估。
因此，本发明相对于已知的声学评估多个储蓄器内容物的技术而言具有显著的进步。如上所述，对流体储蓄器内容物的声学评估通常包括放置传感器与液体直接接触。这意味着传感器必需在每次使用之间进行清洁以避免储蓄器内容物的交叉污染。与此相反，本发明能够对多个容器的内容物进行评估而无需与这些容器的内容物直接接触。
尽管本领域中已知其它一些非接触式声学系统，这些系统仅提供对储蓄器内容物间接且粗略的评估。例如，授予Dam的美国专利5,880,364所述的声学系统使用了这样一种方法从传感器传送声辐射，透过容器的含空气部分，然后从容器的气液界面反射回到传感器。将这一往返的传播时间用来确定容器含空气部分的体积。通过将整个容器的体积减去容器中不被液体所占的体积，确定容器中的液体体积。该方法的一个缺点是在不准确地知道容器体积时无法准确地评估容器内的液体体积。当使用小型储蓄器，如组合技术中常用的储蓄器时，上述问题尤为严重。鉴于这类储蓄器的体积小，容器的尺寸可变性就相对较大。此外，当完全不知道容器的体积或者该体积可变时，不能使用上述方法。最后，由于声辐射从来不会穿透液体，因此反射的辐射充其量只能够提供与液体表面相关的信息，而无法提供与液体本体有关的信息。
与此不同，由于本发明包括传输声辐射透过适合于容纳流体的各储蓄器的一部分，因此所透射的声辐射可提供与体积有关的信息以及与储蓄器中流体性能有关的信息。例如，本发明提供了多个储蓄器，其中各储蓄器的一部分适合于容纳流体。储蓄器中所容纳的流体必须正常接触该储蓄器的固态表面。当本发明以反射模式使用时，产生的声辐射的一部分可以被流体和固态表面之间的界面反射，而其余部分透过储蓄器所容纳的流体。然后，该透射的辐射被储蓄器中所容纳的流体的另一个表面如自由表面所反射。测定上述两部分声辐射之间往返传播时间的差别，由此可以准确地确定储蓄器中流体的体积。此外，声辐射透射过该流体还使得声辐射的特性被流体改变。因此，可以通过分析经透射的声辐射的特性来推导出流体性能的有关信息。
此外，空气与其它气体一样，具有低声阻抗，声辐射在气态物质中往往比在液态或固态物质中衰减得更多。例如，对于空气而言在1MHz的声辐射衰减约为10dB/cm，而对于水而言，该衰减为0.002dB/cm。由于授予Dam的美国专利5,880,364中所述的声学系统要求声辐射传输通过空气，因此该系统需要更加多的能量来运行。因此，本发明是一种能量上更经济的技术，可用来提供对多个流体储蓄器的内容物进行更准确和详尽的评估。一些额外的准确性可通过使用更高频率的声波(因而波长更短)来获得，因为这些声波可有效地透过液体但会在空气中非常迅速地衰减。
为了用本发明装置在基底上形成生物分子阵列，将基底53放置在邻近第一储蓄器13的上方，以使得基底的一面(图1中示出的是下侧表面51)面对储蓄器，并与储蓄器中流体14的表面14S大致平行。一旦发射器、储蓄器和基底形成合适的对准关系后，激发声辐射发生器35以产生声辐射，用聚焦装置37将该声辐射导向至靠近第一储蓄器的流体表面14S的焦点14P。也就是说，产生其焦点位于流体表面附近的发射声波，以发射至少一滴流体液滴。
使用上文所述的分析，可任选地与附加的数据相结合，确定该发射声波的最佳强度和方向性。也就是说，可使用任何上述的常规或改进的声纳技术。通常选择“最佳”的强度和方向性来产生尺寸和速度一致的液滴。例如，可以使用由上述评估得到的与储蓄器体积或流体性能数据相关的数据以及储蓄器的几何形状数据来确定发射声波的所需强度和方向性。此外，这些数据会显示重新定位发射器的需求，在需要时，相对于流体表面重新定位声辐射发生器，以确保发射器声波的焦点位于流体表面附近。例如，如果分析揭示声辐射发生器的定位使得发射声波不能聚焦在流体表面附近，那就利用垂直、平行和/或旋转运动来重新定位声辐射发生器，以使得发射声波恰当地聚焦。
结果，液滴14D从流体表面14S发射到基底下侧表面51的指定位点上。该发射的液滴可通过与基底表面接触后的固化作用保留在基底表面上；在该实施方案中，需要将基底保持在低温，即使液滴在接触后发生固化的温度。替换地或附加地，液滴内的分子部分在接触后通过吸附、物理固定或共价键合连接在基底表面上。
然后，如图1B所示，基底定位装置65将基底53重新定位到储蓄器15上方以在第二指定位点接收来自储蓄器15的液滴。图1B还示出了用发射器定位装置61将发射器33重新定位到储蓄器15下方，通过声耦合介质25与储蓄器15形成声耦合关系。一旦形成恰当的对准关系，激发发射器33的声辐射发生器35，以产生低能辐射，用来评估储蓄器15的内容物和用来确定是否从该储蓄器发射流体和/或如何发射流体。还可使用与该发射顺序有关的历史液滴发射数据。再者，可能存在重新定位发射器的需要，在需要时，相对于流体表面重新定位声辐射发生器，以确保发射器声波的焦点位于流体表面附近。如果评估的结果显示可以从储蓄器分配流体，那么使用聚焦装置37将较高能量的声辐射导向至流体16内靠近流体表面16S的焦点16P，由此将液滴16D发射到基底53上。
应该理解，装置的各组成部分可以要求单独控制或者同步化以在基底上形成阵列。例如，发射器定位装置可以适合于以与欲在基底表面上得到的阵列相关的预定顺序从各储蓄器发射液滴。类似地，用于相对于发射器定位基底表面的基底定位装置可以适合于定位基底表面以接收液滴在其上形成图形或阵列形式。两个定位装置，即发射器定位装置和基底定位装置中的任一个或两者可以由例如马达、控制杆、滑轮、传动装置、上述部件的组合、或者本领域普通技术人员已知的其它机电或机械装置构成。优选是确保在基底的运动、发射器的运动和发射器的激发之间存在一定的对应性，以确保恰当地形成阵列。
因此，本发明涉及评估多个储蓄器的内容物以及涉及从储蓄器分配多种流体，例如为了在基底表面51上形成图形或阵列。然而，存在许多种不同的方法，其中内容物评估和流体分配可互相联系起来。也就是说，可使用多个不同的顺序来评估储蓄器内容物和从储蓄器中分配流体。在一些例子中，可以在由任何一个储蓄器分配流体之前评估多个储蓄器的内容物。在另一些例子中，可以在由每个储蓄器即将分配流体之前评估该储蓄器的内容物。所用的顺序通常取决于采用的具体流体分配技术以及该顺序的预期目的。
图2示出了本发明装置的一个例子，该装置用来以透射模式而非反射模式评估多个储蓄器的内容物。该装置的设计和结构的考虑事项类似于上文所述的内容。因此，装置11包括第一储蓄器13和第二储蓄器15，各储蓄器适合于容纳流体，分别以14和16表示，各储蓄器具有大致相同的结构。第一储蓄器13图示为敞开状态，而第二储蓄器图示为密封状态。将声辐射发生器35定位在储蓄器下方，分析仪38定位在储蓄器上方与声辐射发生器35呈相对关系的位置。
操作中，在使用移液管60从各储蓄器分配流体之前，对各储蓄器的内容物进行声学评价。如图所示，第一储蓄器13的内容物14已经进行过声学评估。由于评估揭示第一储蓄器13至少含有最小可接受量的流体14，因此将第一储蓄器13打开，准备用移液管60由其分配流体。如图2所示，第二储蓄器15的内容物16正在进行声学评估，第二储蓄器15放置在声辐射发生器35和分析仪38之间。声辐射发生器35和分析仪38分别通过耦合介质25A和25B与第二储蓄器声耦合。一旦声辐射发生器35、第二储蓄器15和分析仪38处于合适的对准关系，激发声辐射发生器35以产生声辐射，该声辐射向着分析仪38透射过储蓄器15及其内容物16。用如上所述的分析仪38对接收的声辐射如进行分析。
图3示出了可用于本发明的线型阵列的储蓄器的一个实例。该线型储蓄器阵列的形式是具有三行两列孔的孔板11。如图3A和3C所示，孔板的第一、第二和第三行的孔分别表示为13A和13B，15A和15B，以及17A和17B。每个孔均适合于容纳具有流体表面的流体。如图3B所示，例如储蓄器13A、15A和17A分别装有流体14A、16A和18A。各流体的流体表面表示为14AS、16AS和18AS。如图所示，储蓄器具有基本上相同的结构，以使得它们基本上在声学上是不可辨认的，但是结构相同不是一个必要条件。每个图示的储蓄器是轴向对称的，具有垂直壁，从圆形的储蓄器底部(用13AB、13BB、15AB、15BB、17AB和17BB表示)向上延伸并终止于相应的开口处(开口由13AO、13BO、15AO、15BO、17AO和17BO表示)。储蓄器的底部形成一共同的外底面19，该面基本上是平坦的。尽管可使用从孔板底面的所有边缘向外延伸的全孔板裙边(图中未示出)，但图中示出了部分孔板裙边21，它从底面19的相对的较长纵边向下延伸。储蓄器底部的材料和厚度应使得声辐射能够透射透过底部被传输至储蓄器内容纳的流体。
图4示出了使用图3所示孔板的本发明装置的一个优选实施方案的侧视图。图4示出的装置1能够对多个储蓄器的内容物进行声学评估，并且能从储蓄器声发射流体液滴以使生物分子连接在基底表面上。除了包括孔板11之外，该装置还包括转换器组件形式的声发生器。更具体来说，转换器组件是定相的声阵列23，它被用作声辐射发生器和分析仪。如图6所示，定相声阵列23具有大致为矩形的表面，声辐射从该表面发射。如图所示，矩形表面的长度与孔板的行对准。为了确保在孔板11和定相的声阵列23(下文将讨论)之间形成恰当的声耦合，优选是定相的声阵列23超出孔板中数行孔的行长度但不大于沿孔板11列方向边缘的裙边21部分之间的距离。也就是说，定相的声阵列的长度约为孔板的宽度(或者，如果孔板的行长大于列长则约为孔板的长度)。
如图所示，定相的声阵列23与孔板11声耦合，而不接触孔板11的孔内的任何流体。这通常包括发射器和孔板11的外底面19之间的直接接触或间接接触。当使用直接接触将定相的声阵列23与孔板11声耦合时，优选的直接接触是形状完全相似的，以确保有效的声能传递。也就是说，定相的声阵列发射声辐射的表面和孔板的底面应具有适合于配合接触的相应表面。缺乏保形接触会使得声能传递的效率和准确度降低。
如图4所示，在定相的声阵列23和孔板11之间通过间接接触实现声耦合以增强声辐射的传递。在该图中，将流体声耦合介质25经由孔板的外底面19放置在定相的声阵列23和孔板储蓄器的底部之间，定相的声阵列23和孔板11互相之间相距预定的间距。在一些例子中，可以将声耦合介质涂敷在孔板的整个底面。然而，如图4所示，耦合介质25通过分配器29从耦合介质源27引入，有选择地涂敷在有需要的底面19上。由于定相的声阵列适合于沿箭头X所示方向相对于孔板底面19位移，因此分配器29在图4中位于邻近定相声阵列23的前沿面。又如图4所示，可使用任选的收集器31来收集可能从底面19上滴下的耦合介质。图示的收集器31含有耦合介质源27，显然耦合介质可以循环使用。还可以使用其它用于引入和/或放置耦合介质的装置。
声耦合流体优选是与定相的声阵列23和孔板的外底面19均保形接触的声学上均质的材料。此外，重要的是确保流体介质基本上不含其声学性能不同于流体介质本身的物质。此外，优选是声耦合介质包括其声学性能能促进在声压和声强无明显衰减下的声辐射传输的物质。此外，耦合介质的声阻抗应促使能量从耦合介质传送至容器。
该装置还包括声发射器33，声发射器33包括单个产生声辐射的声辐射发生器35和聚焦装置37，用于将声辐射聚焦在欲由其发射液滴的流体内位于流体表面附近的焦点上。如图4所示，聚焦装置37包括单个实心块，它具有凹面39用于聚焦声发生器35产生的声辐射，但是该聚焦装置可以是如上所述的其它方式构造的。这样，声发射器33适合于产声辐射并聚焦，使得在与孔13A、15A和17A进而与流体14A、16A和18A分别声耦合时，例如从各流体表面14AS、16AS和18AS发射流体液滴。声辐射发生器35和聚焦装置37通常用作单个单元，受单个控制器控制，或者它们可以独立地进行控制，这取决于所需的装置性能。一般来说，单个发射器设计优于多个发射器设计，因为用单个发射器更容易获得液滴布局的准确性以及液滴尺寸和速度的一致性。
如图所示，发射器33通过声耦合介质与孔板间接接触，以建立声发射所需的声耦合关系。本领域技术人员会认识到，如上在声学评估部分所述的间接接触技术可容易地适合于声发射。例如，如图4所示，发射器33和定相的声阵列23可以通过相同的流体声耦合介质25与孔板11声耦合。在该例中，发射器33和定相的声阵列23互相之间保持基本上相同的间距。或者，发射器和定相的声阵列可以与孔板单独耦合(图中未示出)。
又如图4所示，提供一可任选的刀片41，该刀片适顺于孔板的外底面19。该刀片的工作原理与挡风玻璃刮水器或雨刷滑过表面通过施加合适的压力从上面除去水的原理相同。此外，可使用吸收材料通过擦拭或吸取作用除去耦合介质。此外，如图4所示，可使用真空干燥器43从孔板的外底面19上除去耦合介质。如图所示，该真空干燥器包括真空台45，真空台45与真空泵47流体相通。一旦对孔板进行了声学分析和任选的发射，该孔板就可以放在真空台上以从上面除去任何残留的耦合介质。本领域技术人员会认识到，还可以使用其它流体除去技术与本发明结合。
图4所示的装置可用来在基底上沉积液滴阵列。图5示出了可以用本发明装置形成的液滴阵列的实例。如图所示，液滴阵列由六个液滴特征物(由14AD，14BD，16AD，16BD，18AD和18BD表示)形成于基底53的基本上平坦的表面51上。液滴特征物14AD，14BD，16AD，16BD，18AD和18BD分别由储蓄器13A，13B，15A，15B，17A和17B中的流体发射。
图6示出了图4所示装置处于以发射流体液滴形成图5所示的液滴阵列的操作中。如图6A-6C所示，提供了一种组合定位装置61，用来对定相的声阵列23定位为孔板底面19成声耦合关系。该组合定位装置61还用来沿箭头X所示方向移动定相的声阵列23、发射器33和刀片41。此外，如图6E和6F所示，发射器33可以通过发射器定位装置63沿箭头Y所示方向进行移动。如图6A-6C所示，定相的声阵列23、发射器33和刀片41通常保持互相之间相同的间距。在图6A中，定相的声阵列23处于评估储蓄器13A和13B的内容物的位置。声辐射会在不同的情形下被反射。一般来说，当通过其传输声辐射的介质的声学性能发生改变时会发生反射。已经发现，向上传输的一部分声辐射会被储蓄器底部13AB和13BB以及储蓄器13A和13B中所含流体的自由表面所反射。因此，例如可以用定相的声阵列23产生低能量声辐射，以评估储蓄器13A和13B中所含流体的体积。测定声辐射被流体表面反射回到定相的声阵列23所耗用的时间，然后将该时间与流体中的声速相关联起来，藉此可以计算得到距离，并由此得出流体高度和流体体积。当然，必需注意以确保扣除被储蓄器底部和流体之间的界面所反射的声辐射。
一旦储蓄器13A和13B的内容物已经进行了评估，如图6B所示，组合定位装置将定相的声阵列23移动到位，对储蓄器15A和15B的内容物进行评估。同时，定位发射器33使其与储蓄器13A和13B对准。结果，发射器33可从储蓄器13A和13B的任何一个或两个发射流体液滴，这取决于图6A中使用定相的声阵列23进行的评估结果。在一些例子中，还可使用与发射顺序有关的历史液滴发射数据来确定是否从任一储蓄器发射流体和/或应如何发射流体。
为了形成如图5所示的液滴阵列，液滴应从每个储蓄器发射。为了从储蓄器13A发射流体液滴，发射器定位装置63，如图6B和6E所示，可以将发射器33直接定位在储蓄器13A下方，通过声耦合介质25与储蓄器形成声耦合关系。此外，基底定位装置65对基底53进行定位，以使得基底表面51与储蓄器13A形成恰当的液滴接收关系。一旦发射器、储蓄器和基底形成恰当的对准关系，激发声辐射发生器35以产生声辐射，该声辐射被导向至储蓄器13A的自由流体表面14AS。然后，该声辐射会以大致向上的方向向着自由流体表面14S传送。结果，液滴14AD从流体表面14AS发射到基底53的下侧表面51的指定位置上。该发射液滴可通过与基底表面接触后的固化作用保留在基底表面上；在该实施方案中，需要将基底保持在低温，即接触后能使液滴固化的温度。替换地或附加地，液滴内的分子部分在接触后通过吸附、物理固定或共价键合连接在基底表面上。
然后，用基底定位装置65将基底53重新定位在储蓄器13B上方，以在第二指定位点接收来自储蓄器13B的液滴。图6F示出了用发射器定位装置63将发射器33重新定位到储蓄器13B下方。一旦形成恰当的对准关系，再次激发发射器33的声辐射发生器35，以从储蓄器13B发射流体。
在图6C中，液滴67已经沉积在基底表面53上成为液滴特征物，用组合定位装置61将定相的声阵列23定位至评估储蓄器17A和17B的内容物的位置。类似地，发射器33被定位在与储蓄器15A和15B对齐的位置。又如图6C所示，从储蓄器15A发射流体液滴16AD。由于不再需要直接在储蓄器13A和13B下方的声耦合介质25，用组合定位装置61来移动刀片41，以将声耦合介质从孔板表面19导向至收集器31。一旦在基底表面512上完成了液滴阵列，将孔板11放在真空台45上以确保从孔板11除去所有的声耦合介质，如图6D所示。应该理解，装置的各组成部分可以要求单独控制或者同步化以在基底上形成液滴阵列。例如，发射器定位装置可以适合于以与欲在基底表面上得到的液滴阵列相关的预定顺序从各储蓄器发射液滴。类似地，用于相对于发射器定位基底表面的基底定位装置可以适合于定位基底表面，以接收液滴在其上形成图形或阵列形式。两个定位装置，即发射器定位装置和基底定位装置中的任一个或两者可以由例如马达、控制杆、滑轮、传动装置、上述部件的组合、或者本领域普通技术人员已知的其它机电或机械装置构成。优选确保在基底的运动、发射器的运动和发射器的激发之间存在一定的对应性，以确保恰当地形成阵列。
因此，本发明涉及评估多个储蓄器的内容物以及涉及从储蓄器分配多种流体，例如为了在基底表面51上形成图形或阵列。然而，存在许多种不同的方法，其中内容物评估和流体分配可互相联系起来。也就是说，可使用多个不同的顺序来评估储蓄器内容物和从储蓄器中分配流体。在一些例子中，可以在由任何一个储蓄器分配流体之前评估多个储蓄器的内容物。在另一些例子中，可以在由每个储蓄器即将分配流体之前评估该储蓄器的内容物。所用的顺序通常取决于采用的具体流体分配技术以及该顺序的预期目的。
如授予Ellon等的美国专利申请公开号20020037579所述，聚焦的声辐射可用来向着基底表面上的离散位点发射流体液滴，以将其液滴沉积在基底表面上，以及用来将流体从一套容器转移至另一套容器。对于特定的诊断应用或诊断用材料的准备，优选是使用同一声学评估装置来评估由其分配流体的储蓄器的内容物，并用来确定是否在基底上恰当地接收了液滴。因此，显然地，当本发明用来在表面上沉积液滴时，本发明还可用来询问基底以评估基底表面上液滴的内容物和/或位置。
因此，本发明相对于已知的声学评估多个储蓄器内容物的技术而言具有显著的进步。与先前已知的要求传感器与待评估的储蓄器内流体直接接触的声学评估技术不同，本发明无需与这些容器的内容物直接接触就能够对多个容器的内容物进行评估。此外，与授予Dam的美国专利5,880,364所述的非接触式声学系统不同，本发明进行直接测量，可提供与储蓄器中流体的体积和性能有关的信息。使用流体声耦合介质克服了与依靠气态材料进行声耦合的技术相关的低声阻抗问题。因此，本发明是一种能量上更经济的技术，可用来提供对多个流体储蓄器的内容物进行更准确和详尽的评估。一些额外的准确性可通过使用更高频率的声波(因而波长更短)来获得，因为这些声波可有效地透过液体但会在空气中非常迅速地衰减。
此外，声学评估通常是一项非侵入性技术，不论储蓄器是否密封或敞开均可进行。也就是说，声学评估不需要提取用于分析的样品，或者有其它可能导致样品交叉污染的机械接触。此外，与光学探测技术不同，光学上半透明或透明的储蓄器不是必需的。当然这使得用于储蓄器结构的材料的可选择范围较宽。此外，在储蓄器构造成含有光敏性流体的例子中，使用不透明材料是特别有利的。
作为另一个例子，本发明可以在无需打开储蓄器条件下检测密封储蓄器的内容物是否是至少部分冻结。当知道储蓄器含有一种在一定温度范围内能作为流体流出的物质，但不清楚该储蓄器的温度历史(例如是否存在冻结解冻循环)的情况时，本发明将是有用的。例如，水在约0-100℃的温度范围内能够作为流体流出。如果不清楚储蓄器的外部温度是否能预示储蓄器的内部温度，但知道储蓄器含有液态水，那么本发明的方法非常适合于确定储蓄器的任何内容物或所有内容物是否是流体。
此外，本发明装置可构造成与用于物质发现的现有基本设施和用于物质处理的现有自动化系统高度相容。例如，本发明可适合于用作基于光学探测的内容物评估装置的替代手段或补充手段。在一些例子中，储蓄器中可具有声学标记物(sonic marker)以确定储蓄器的内容物。因此，本发明在许多情形下可用作识别与控制的装置，包括但不限于生物、生物化学和化学发现和分析的装置。具体来说，本发明特别适用于对含有药物溶液的储蓄器的内容物进行评估。
在本发明的再一个实施方案中，声辐射被用来测定与声发射性能有关的流体参数。优选是，该测定使用的装置与声发射本身使用的装置为同一设备。
所述与声发射有关的参数包括流体中的声速和流体粘度。
我们先来讨论声速的测量，因为该测量的结果是其它用途(如确定储蓄器中流体体积)所需的。为了测量所涉及的流体中的声速，第一种方法是(i)测量已知量的流体装入一储蓄器(为了便于说明，假设该储蓄器朝上取向)，(ii)确定储蓄器中流体顶部相对于流体底部的位置，(iii)由位于储蓄器下方的转换器向上透过流体朝其顶部发送声辐射的单音脉冲，(iv)测量单音脉冲回波从流体顶部返回到转换器所耗的时间。
更具体地说，声波在一种材料中的传输时间是声辐射传输经过该材料的距离除以该材料中的声速。刚才描述的用于测量声速的单音脉冲具有从转换器传输经过许多种材料至储蓄器中流体顶部的能力。在一个示例的声发射系统中，单音脉冲能够传输通过用于聚集声辐射的透镜、用于将该辐射与储蓄器耦合的耦合装置、储蓄器本身，然后是储蓄器中的流体。
如果储蓄器中流体的深度是已知的话，一种测量声速的简单方法是当声辐射的单音脉冲被向上发送到流体时，在转换器处检测来自储蓄器-流体界面的回波和来自流体顶部的回波。两个回波的时间差是声辐射经过流体的单程传输时间的两倍。用流体的深度除以单程传输时间，计算得到声速。
在刚才所述的方法的一种变化形式中，代之以检测自储蓄器-流体界面的回波，进行以下步骤(i)由材料的已知的尺寸和性能，计算声辐射单音脉冲在进入流体之前传输经过材料的传输时间T′，(ii)从单音脉冲自转换器至流体顶部的传输时间T(由检测来自流体顶部的单音脉冲回波来测定)中减去计算得到的传输时间T′。
直接测量储蓄器中流体的深度是费时或笨拙的。第二种测量未知流体中声速的较佳方法如下，该方法无需直接测量流体深度(i)将一个固态物体浸入流体中，该固态物体浸入到离储蓄器底部已知距离的位置，(ii)由位于储蓄器下方的转换器发送声辐射的单音脉冲，向上透过流体射向浸入的固态物体，(iii)测量单音脉冲的回波自浸入的固态物体回到转换器所耗的时间T。从该时间T中减去在转换器与储蓄器内流体底部之间的传输时间T′，由此得到在流体底部和浸入物体之间的传输时间。如果流体底部和浸入物体之间的距离是已知的，那么就可以容易地得到声速。T′可以如上所述来确定。
声发射系统通常具备将物体相对于流体储蓄器在垂直方向(为方便起见，称作z方向)进行精确定位的装置。如果足够精确地已知储蓄器底部的z位置，可利用该精确定位来将上述固态物体自动地放置在离储蓄器底部已知距离的位置。该精确定位的能力避免了直接测量流体本身深度的需要。
用于测量流体中声速的另一种优选技术是(i)将一个固态物体放置在储蓄器的流体内位于两个z位置，这两个位置之间隔开已知的间距d，(ii)检测单音脉冲自在上述两个位置的所述固态物体的回波。如果这两个回波在发生单音脉冲之后的时间T1和T2时产生，则可以推断声波以1/2(T1-T2)的时间穿过流体中的距离d，因此声速为2d/(T1-T2)。上述方法使得在无需知道储蓄器流体底部的确切z位置的情况下仍能对声速进行估算。该间距d优选是几毫米。
声速的测定优选是使用聚集声辐射，这是一种通常可从用于声发射的转换器得到的辐射。在这种情况下，优选是考虑辐射的聚焦对声速计算进行校正。在G.S.Kino，Acoustic wavesDevices，imaging and analog signal processing(Prentice Hall 1987)中有对该类型校正的总体讨论。
在刚才所述的方法的实施过程中，可使用多种浸入的固态物体。然而，优选是，浸入的固态物体具有的声阻抗充分地不同于流体的声阻抗，以使得反射的回波信号足够强，从而能容易地将背景与其它回波区别开来。用于此目的的一种有用的固态物体可以是流体转移应用中常用的一次性针具(disposable pintool)，如VP248(V&P Scientific，San Diego，California)，该针具具有长度为12mm的针，其顶端直径为1.0mm，由聚丙烯制得。在声发射系统中，通常在源储蓄器(source reservoirs)上方具有一个靶位即目标位置，这种类型的一次性针具可以装入其中。然后，通过上述方法z定位储蓄器或一次性针具，完成所需的浸入。
刚才所述的方法还可以用沿非垂直方向导向的声辐射来进行。这样做的话，能够有益地沿对声辐射导向的方向精确地定位浸入的物体。
可以使用超声波来实验测定粘度。一种可用的方法是沿z方向朝流体表面发送单音脉冲，其能量足以使流体表面产生明显的振动。在该单音脉冲之后，向流体表面发送一系列的多个单音脉冲，优选是能量较小和持续时间短暂的单音脉冲，以询问流体表面的位置。优选是，再发送100个或更多个所述单音脉冲。对于每一个所述再发送的单音脉冲，测定回波延迟。由测得的一系列回波延迟得到回波延迟对时间的曲线，拟合指数阻尼正弦曲线或其它指数阻尼曲线。然后，将拟合的指数阻尼曲线的指数式衰减时间与对已知粘度的流体的相同实验中观测得到的衰减时间进行比较。将已知的粘度乘以待测定流体的指数式衰减时间除以已知流体的指数式衰减时间得到的比值，得到待测定流体的粘度。
前述方法的各步骤可以编程到典型的声发射系统的控制器中，但将含流体的储蓄器和可浸入的固态物体插入到声发射系统的步骤可能除外。这类控制器可包括基于计算机或类似微处理器的系统，该系统执行软件或微程序语言，可以由一台或多台专门设计用来进行数字信号处理(DSP)算法的或具有进行该算法的特别优势的微处理器来协助。该控制器还可包括通信硬件，如网络界面及相应的软件来与其它实验室自动化装置和通用计算机进行通信。还应理解，某些声发射系统可以具有还能插入含流体的储蓄器和可浸入的固态物体的自动化处理装置，或者与该装置相连，所述装置在电子控制器或类似系统的控制之下，所述系统可执行包含为进行上述方法设计的编码的软件或微程序语言。图10是实施本发明方法的整个实验室自动化环境的一个例子的示意图。
当准备对一种新的流体进行声发射时，通常使用那些在先前对其它流体的工作中被研究过的声辐射波形并对其进行调整。本领域中已经研究过多种此类波形。公开出版物包括授予Lovelady等的美国专利号4,308,547，授予Elrod等的U.S.5,122,818，授予Stearns的U.S.5,808,636，以及授予Takayam等的U.S.5,912,679。此类波形可以例如由一个或多个具有特定持续时间和相对间距的纯正音调(pure tone)组成，由一个或多个具有特定持续时间和相对间距的白噪声脉冲(任选地带宽受限的)组成，或者由一个或多个具有特定的启动和结束频率以及持续时间和相对间距的线性调频脉冲组成。合适的一大类用于发射的单音脉冲波形由两个或三个线性调频脉冲组成，这些线性调频脉冲不具有相同的频率特征，隔开的间隔时间优选为数十或数百微秒，取决于发射过程观测的特征。
为了依赖先前已经对其它流体进行的工作，对于多种此类流体的每一种，均记录产生特定液滴体积的波形和声能水平，以及这些流体的物理参数。然后，通过一套物理参数(例如粘度和声速)来表征新流体，以及使用这些物理参数加上所需液滴体积来内插或外推波形参数，由那些已经确定的波形参数来发射已知体积的液滴。
可使用本领域中已知的不同模式的内插或外推。例如，可以通过具有先前所研究流体的信息的声发射系统的控制器中执行的软件或微程序语言来进行内插或外推。内插或外推给出实验调整参数的起点，以最终获得发射所需的液滴尺寸。
可能会发生这样一种情况新流体与先前研究过的流体相似，其中，新流体与一种先前研究过的流体混合物相似但各组分的组成百分比不同。在这种情况下，优选是，基于各组分的百分比进行内插或外推，而不是基于流体的物理性质进行内插或外推。同样地，新流体可以与先前研究过的流体相似，其中，新流体是与一种先前研究过的流体具有相同的溶剂和溶质的溶液，但溶质的浓度不同。在这种情况下，溶质的浓度是比流体的物理性质更好的内插或外推的基础。
使用先有知识来调整先前用来发射液滴的波形的方法特别适合于在声发射系统的控制器的控制之下自动地进行，尽管该方法也可以用人工于预来进行。所述控制器优选可包含例如通过软件或微程序语言进行程序编制，指挥声发射系统的操作。
在探索发射一种新流体的液滴时，一个重要的考虑因素是用来发射的声能水平。增加振幅会增强传送到自由表面附近的声能。声能提供将液滴自流体本体分离的能量，克服阻止这一分离的力，如表面张力和重力。声能还提供液滴以动能。
寻找适合于发射一种流体的液滴的声能水平的一种方法是使用一种单音脉冲波形和能量水平，视觉观察是否有液滴射出。如果没有液滴射出，则递加单音脉冲能量直至产生发射。视觉观察可通过照相机进行，照相机产生图像，可通过人或自动化对图像进行分析以确定是否发生了发射。这种方法的一个缺点是需要使用照相机，该装置在声发射系统中没有其它的用途。
或者，可以使用Stearns的美国专利申请序号10/956,616中所述的技术，对适合于从一种新流体发射所需体积的液滴的单音脉冲波形的声能进行实验调节。上述专利申请还讨论了实验确定转换器的最佳位置，以从容纳在特定储蓄器中的特定体积的流体进行发射。
在实验确定对一种新流体合适的声能水平的过程中，通常在一个已知特性的储蓄器中放置一定量新流体，将该储蓄器与超声波发射系统连接。查看流体的水平面应是可发射的。例如，如果水平面太深以至于无法聚焦在流体顶部附近，则水平面通常太高以至于不能发射。如果水平面低得使发射的液滴所含流体多于位于储蓄器内的流体，则水平面太低。优选是，为了试验的目的，流体在储蓄器的水平面远远低于声发射系统能够聚焦声能的最高点，并含有预期或所需液滴体积的许多倍的流体。应该注意到，尽管有这些限制，仍可用少量的新流体进行本文建议的方法步骤来确定声能水平，例如用50μL或10μL或5μL或者甚至更少的新流体，因为这些方法不涉及多少流体的实际发射，还因为在任何情形下，对于频率在5-10MHz范围的典型波形，发射的液滴往往非常小，为数十纳升(nanoliters)的数量级。对于频率在30MHz以上的波形，发射的液滴的体积显著地小于纳升，甚至可以是皮升或更小。
根据申请序号10/956,616的专利申请，对波形的恰当能含量进行实验标定时，可进行如下步骤。将如上所述内插或外推得到的波形依比例缩回到一个较低的能量水平，操作者基于内插或外推能合理地确信该水平是不足以发射液滴的水平。然后，用合适的控制器和超声波转换器产生上述依比例缩回的波形，将其发送至位于流体顶表面下方一至五个波长处的焦点。此后过了一段时间，例如数百微秒，发送探测脉冲至流体表面。优选是该探测脉冲是短暂的，例如一个或两个周期，优选是在转换器的中心频率。同样地，优选是，探测脉冲的能量足够低，使得不会明显地进一步扰动流体表面。
可任选地，将来自探测脉冲的回波通过滤波或其它方式与收发器传感到的其它输入信号相分离。然后，对该回波进行傅里叶型变换算法，例如快速傅里叶变换算法(FFT)。傅里叶型变换算法是能够达到通过下述技术计算的结果的任何算法，所述技术包括一个用离散变量或连续变量的复指数函数执行或逼近样品数据的离散卷积或连续卷积的步骤。该算法例如包括离散傅里叶变换(DFT)。
正如申请序号为10/956,616的专利申请中所讨论的，经验确定如下关系式ET＝A×ln(min_spacing)+B，其中，ET是单音脉冲能量和发射阈值之差，“min_spacing(最小间隔)”是经FFT变换的回波波形的两个最小值之差，以MHz为单位(或者某一其它的方便的频率单位)。值A和B随流体稍有变化。给定其中min_spacing以MHz表达的以分贝为单位的ET，对于70％DMSO和30％水的混合物，测得A和B的示例值为0.44和0.49min_spacing。
如果对新流体测定了min_spacing，那么可使用所述关系式来确定该流体的近似发射阈值。该近似发射阈值可用来确定适合于发射该新流体液滴的单音脉冲的能量。单音脉冲的能量可以例如是高出近似发射阈值0.5dB、1.0dB或1.5dB。用来确定近似发射阈值的A值和B值应该是具有相似的粘度、表面张力和/或声速的流体的上述值，或者可以基于新流体的粘度、表面张力和/或声速值，从多种此类流体的A值和B值内插或外推。
一旦确定了用于发射新流体的液滴的试验单音脉冲的能量和内插或外推波形，就可以将该试验单音脉冲施加到流体上。在这样做时，便利的是使用申请序号10/956,616的专利申请中所述的位置优化技术。简要来说，该项技术包括对于固定的单音脉冲波形和能量和对许多个该单音脉冲射向的焦点位置测定如上所述的最小间距，在这些测定值的基础上选择一个产生最小的最小间距的焦点位置。
在将该试验单音脉冲施加到流体上之后，可以视觉观察是否有液体射出。或者，对于更加自动化的操作，可以用数字照相机来捕捉发射过程的数字图像，并人工或自动化分析这些数字图像，确定发生了发射。或者，可以反复地使流体经受试验单音脉冲，观察在储蓄器内流体的水平面(level)上是否具有比例效应。或者可以进行如下步骤(a)将试验单音脉冲发送到一个将发射的所有液滴捕获到另一个储蓄器中的装置，该储蓄器可以是空的或者填充至一已知的水平。在发送试验单音脉冲很多次(例如200至1000次)以后，可进行(b)，(b)使用声能来确定所述另一个储蓄器中流体的水平面，并且(c)查看该流体的水平面是否与试验单音脉冲的次数成比例。如果这些试验显示未发生发射，则可以逐渐提高试验单音脉冲的能量并参看对于选定的波形转换器能够产生的一些能量是否最终会产生发射。
声学确定用一试验单音脉冲是否发射出液滴的另一种方法是使用探测脉冲来确定是否已经发生了发射。该方法相对于前述方法的优点包括反复的发射耗费较少的时间，不消耗显著量的新流体，在可得到少量的流体或者流体昂贵时更为适合。
在寻求声学检测发生发射的过程中，检测试验单音脉冲之后的多个探测脉冲的回波，例如间隔200μs的50个探测脉冲。随着试验单音脉冲的功率从低于发射阈值到高于发射阈值按比例放大，探测脉冲的回波图形如图9A-9H所示发生变化。在这些图中，图形的纵轴是时间，单位是纳秒(ns)，时间值沿向下方向增加。横轴示出了探测脉冲的次数，在作出该图形的实验中这些探测脉冲间隔200μs且非常短暂(约为一个周期)。该图形内的灰度级强度表示转换器接收的声信号的值。相对于发射阈值测定功率，因此例如0.0dB表示试验单音脉冲处于发射阈值。可以看到，随着试验单音脉冲的功率按比例放大，存在来自每一个探测脉冲的短的主回波以及一系列的附加回波(further echoes)，其振幅大于主回波。由图可见，当功率低于发射阈值时附加回波相对迅速地消失，当功率高于发射阈值时附加回波持续的时间明显更长。因此，在逐步增加功率时，附加回波的持续时间被用来区分发生发射和未发生这两种状况。
区分功率区域在发射阈值之上和之下的另一种方法也可参见图9A-9H。在低于发射阈值的区域内，附加回波呈浅U形，随时间推进重新结合到主回波中。在大于发射阈值的区域，附加回波通常不会重新结合到主回波中，而是简单地逐渐消失。在图9A-9H中可见，重新结合和/或逐渐消失发生在大约15个探测脉冲进入该过程的时候，即在试验单音脉冲之后约3ms时。
在对9A-9H所示的回波图形进行解释时，记住以下这些内容将是有用的。试验单音脉冲通常会使得流体表面产生高于焦点的堆(mound)。在这个堆之上，如果声能足够，会形成一个非常粗略的声波长的直径的凸出物(projection)。具有足够的能量，液滴会从该凸出物上收缩(pinch off)并向上前进，因此被发射出去。凸出物和堆的形迹(vestige)会随后(时标为毫秒或数十毫秒)下沉回至流体本体的水平面。浅U形的附加回波和主回波的重新结合对应于堆的下沉。附加回波的逐渐消失对应于液滴从该凸出物的收缩。位于较高的功率水平时，收缩之后可以是来自凸出物所剩余的浅U形。
在实施刚才所述的方法来声学确定是否由试验单音脉冲发射了液滴的过程中，可以使用一种图像-图形匹配算法(image-pattern matching algorithm)，该算法将来自于一个事件的回波图像与已知发射事件的图像“库”进行比较。该图形匹配方法还可以配有适当的库，以用来确定试验单音脉冲的能量与发射阈值能量之间的差别、是否形成多个液滴，或者是否液滴是否后退回到储蓄器中。
在所用的试验单音脉冲波形具有隔开一时间间隔的多个离散片段(例如音调(tones)或线性调频脉冲)的情况下，回波的图形会受到存在单独片段的影响。回波图形可能在回波的中央不精确地遵循图9A-9H的图形。然而，回波图形中附加回波重新结合到主回波的那部分通常应具有图9A-9H中图形的形式。
确定对于一给定波形的合适的能量水平的方法不会花费大量时间来进行。如在本文其它部分所述，发射可以以至少每秒10次的速率进行，可能地甚至是每秒100次。在对同一个储蓄器进行发射而且不涉及声辐射发生器的机械运动的情况下，可以更为迅速地进行发射。此处的试验单音脉冲所耗时间与实际发射相类似。可以预计，用不超过35次的试验单音脉冲能够确定合适的能量水平(a)两次测定声速，(b)三次测定流体的高达三个的额外特征(如粘度)以用于内插或外推，(c)10次确定将最小间距与能量关联起来的″A″系数的值，(d)10次确定产生最小的最小间距的焦点位置，(e)如果使用公式ET＝A×ln(最小间距)+B预测的能量不能立即实现发射，那么再有10次向上提升能量直至实现发射。在每秒10次试验单音脉冲的情况下，声能的确定仅耗时3.5秒钟加上额外的在(b)部分的各单音脉冲之后的100ms，该时间允许一些额外的时间用于良好地测定衰减系数，总共为3.8秒。如果单音脉冲能够以每秒钟100次的速率发送，在各单音脉冲的部分(b)之后还有额外的100ms，整个时间应为650ms。
在本发明的另一个实施方案中，一旦对于一具体流体确定了能够发射液滴的声波形，就能够测量发射的液滴的尺寸，具体是通过查看用该声辐射波形发射一个或多个液滴对于液滴发射进入的另一个储蓄器中流体的水平面的影响。为了进行此类测量，优选是该所述另一个储蓄器的尺寸是已知的，尤其是其垂直于垂直方向的横截面。优选是，所述另一个储蓄器是圆柱形的。优选是使用比较大数目的液滴，例如200个至1,000个，使在所述另一个储蓄器的流体水平面上具有容易测量的效果。所述液滴数目可以更多或更少，取决于液滴与储蓄器的横截面面积的相对尺寸比例。优选是通过声辐射测量所述另一个储蓄器的流体水平面。将横截面与水平面信息一起用来计算所述另一个储蓄器中流体的量。可能地，在所述另一个储蓄器内的不同位置测量流体的水平面，以考虑到任何有可能的弯液面效应。所述另一个储蓄器中流体水平面的测定可如下进行在一个单独的声发射系统中，重新定位所述另一个储蓄器，使该储蓄器处于声辐射发生器将声辐射发送入其中的合适位置。如果声发射系统具有源孔板和目标孔板的位置，则含有所述另一个储蓄器的孔板最初处于目标孔板的位置，接收发射的液滴。然后移开位于源位置的孔板放置于他处，而具有所述另一个储蓄器的孔板将被移动至源位置，以通过声学测量来确定其流体水平面。
一旦确定了由处于实验确定的能量水平内插或外推波形而实际得到的液滴尺寸，可以进一步改变该波形，可能的是迭代地改变，以更接近地逼近所需的液滴尺寸。例如，可以降低传送声能的频率，以增加液滴传送的流体量。如果发现对于波形参数修正m得到的液滴体积变化ΔV是获得所需最终液滴体积所需要的体积变化的x倍，那么较好是在下一次迭代中代之以对参数施加修正值m/x，以更加接近所需体积。
如在他处更详细地描述的，本发明的声发射系统可具有接收含多个储蓄器(如孔板)的组件的能力，并具有将聚焦的声能导向任一储蓄器中流体的能力，优选是通过声能发生器的恰当运动。本文中所述的用于测定流体特性的方法，用于在其它流体的信息基础上测定适合于从该流体发射的单音脉冲的波形的方法，用于确定适合于从该流体发射的能量水平的方法，以及用于确定由单音脉冲发射的流体的量的方法，如果在声发射系统中操作一种以上的流体，例如位于孔板不同孔中的不同流体，上述方法可以对于多于一种的流体自动地进行。例如，可以对384孔板的每个孔内的不同流体进行上述分析。可以对于许多孔更有效地完成上述过程中的一些步骤，然后进行到下一个步骤。例如，可以对于所有的孔测定声速，然后对于至少一个孔测定液滴发射的能量水平。
具体来说，用于测定液滴尺寸的过程会要求将所述另一个储蓄器相对于声辐射发生器进行相对较费时的重新定位，该过程会受益于在孔板的许多个孔上平行地进行多个液滴发射，然后再进行重新定位步骤以测量所述另一个储蓄器中流体的水平面。对于位于单个储蓄器中的单个流体，可能需要10个周期的500个发射来达到适当的体积。周期的发射部分会耗时例如每个1分钟，要是发射以10次/秒的速率进行的话。根据可得的自动化处理装置，可能还需要另外2分钟进行接收发射液滴的所述另一个储蓄器相对于声辐射发生器的重新定位以及用于测定所述另一个储蓄器中的流体水平面(该操作本身需要1秒钟或更短)。因此，对于一种单一的流体，水平面测定后的10个周期的发射将耗时每个3分钟，或者如果需要10个周期的话，总共半小时以达到合适的接近于所需的液滴体积。另一方面，对位于孔板上的10种不同的流体平行进行分析，发射所有10种流体的500个液滴耗时10分钟，孔板的重新定位仍需2分钟，测定10个孔中流体深度的时间仍非常有限，远远低于0.5分钟。因此，10个周期耗时10×12.5分钟＝125分钟，即每种流体12.5分钟，与之相对，如果流体被单独处理的话需耗时半小时。应该理解，所需的周期数可以变化，以至于可以仅用两个周期的500个发射来进行液滴标定，只要液滴体积和被改变的波形参数之间存在良好的线性关系，或者用三个或四个或五个所述周期。还应该理解，500个发射数是示例性的，因此发射的液滴数可以变化，例如为200个或1000个。
一旦进行了测定声速和其它流体特性的过程、通过内插或外推测定单音脉冲波形的过程、测定用于发射的声能的过程、和修正波形以获得所需液滴尺寸的过程，优选将在这些过程中收集的数据添加到数据收集库中以备随后的内插或外推。所述数据可以储存在声发射系统控制器本身，或者储存在任一具有数据通信能力的实验室自动化装置或通用计算机中，所有这些都处于合适的软件或微程序语言的控制之下。以这种方式收集的数据可以外部储存在一个数据库中，例如以平面文件的形式，或者，如果一台或多台计算机或控制器配有数据库管理系统，则可储存在一个数据库中。
以下更详细地讨论以上概述的声能的调节技术。进行测量以确定将储蓄器中的流体表面回波截止(echoing off)在亚阈水平的效用，作为设定发射功率的一种有意义的手段。使用持续时间为100μsec的扰动脉冲来产生表面扰动或涟漪。然后在初始脉冲之后每隔50μsec用具有与初始波形相同波形的单音脉冲来激发一系列50个扰动询问脉冲。单音脉冲的中心频率为10MHz。
由数据形成回波“图像”。在图11A-11C中，沿水平轴方向，图像中的每一列对应于一个扰动询问脉冲响应信号，用对应于其相对振幅的灰度级强度显示。第一个扰动询问脉冲是在初始单音脉冲激发后的200μsec发射的。应注意到，选择脉冲的持续时间以接近形成液滴用脉冲的持续时间。一般来说，较小的液滴需要较短的持续时间，可以是0.5μsec或更短。较大的液滴会需要1000μsec或更长的持续时间。
将来自该扰动询问脉冲的响应绘制在图像中最左边的一栏，图像中的下一栏是来自第二个扰动询问脉冲的扰动询问脉冲响应，第二个扰动询问脉冲在第一个扰动询问脉冲之后的50μse发射，等等。沿图像的垂直方向，由顶部往下，第一个2000纳秒的每个扰动询问脉冲响应被量化成像素并合成形成灰度级图像。
回波“图像”适合于不同的DMSO浓度。在图11A-11C中示出了对于低于发射阈值水平1dB(图11A)、0.5dB(图11B)和0dB(图11C)的单音脉冲激发，70％DMSO和90％DMSO的回波图像。
从这些图中可见，两种DMSO浓度之间图像非常相似。不同DMSO浓度的单音脉冲激发水平总是相对于这些浓度的发射阈值来引用，但70％和90％DMSO之间的绝对发射阈值非常不同(1.0dB的数量级)。这主要与70％和90％DMSO之间粘度显著不同相关。
因此，虽然在每对图像之间绝对功率设定点非常不同，但图像显得非常相似。当相对于发射阈值考虑时回波图像的“普适性”意味着应该可以使用回波图像作为一种在无需知道DMSO浓度下即可确定发射阈值功率的手段。(假设能够使用回波通过查看在较长时标的流体表面扰动然后提取流体的粘度来测定DMSO浓度，但是这一测量在一些应用中有时是缓慢的。)关于测量储蓄器中流体的DMSO含量的方法以及测量该流体性能如粘度和表面张力的方法的更详尽的讨论，可参见转让给本申请受让人的美国专利申请号为10/310,638、名称为“多个储蓄器中流体的声学评估(Acoustic Assessment of Fluids in aPlurality of Reservoirs)”、被授予美国专利6,938,995的专利文献中的详细讨论，该文献在本文中引为参考。
使用如图11A-11C所示的图像，可以确定一种未知流体的液滴发射阈值水平，具体如下进行从使用扰动脉冲或单音脉冲制得的一个或两个回波图像中提取类似的特征，以捕获对应于一个给定脉冲的两个回波之间“间隙(gap)”的值，在沿图像水平轴方向0至15的范围内这两个回波分开(沿垂直方向)。这一间隙值大概对应于由来自声能的流体表面扰动产生的流体波纹大小，该间隙可用来量化图像中的信息。
图12示出了对于图11A至图11C的单音脉冲功率和DMSO浓度，分开的回波之间的最大“间隙”的图表。尽管图6的曲线提供了由与特定扰动单音脉冲相关的回波图像预测液滴发射阈值能量的另一种方法，该方法是劳动密集型的，会明显地增加处理时间。
例如，如果使用其能量低于液滴发射阈值0.71dB的单音脉冲，并处理所得回波图像得到分开的回波之间的最大“间隙”为2536ns，当图5的二次曲线被转换时，则所得曲线对应于功率低于阈值0.68dB的单音脉冲。因此，可以由此处所用的回波图像来预测发射阈值能量，精确至0.03dB内。
利用一种使用了快速傅里叶变换算法(FFT)的数据处理方法，可以对单个回波进行收集和处理，以类似地评估以发射阈值产生液滴所需的额外声能。这一方法明显优越于前述方法，对于图11A-11C所示图像提供更好的特征提取算法(feature extraction algorithm)。用FFT方法处理回波测量值明显地提高了许多液滴发射应用的流体配送效率。从时域到频域是使得能用回波脉冲(而不是许多测得的反射)来良好地预测还需要多少更多的能量来达到阈值的一个关键特征。尽管数据分析的FFT方法以频域运行且可能是更有效的，但这仅仅是分析声学数据的一种方法，其它方法也是可以且有用的，例如在时域的数据分析方法如下文所述。
图13示出了用于分析声“回波”数据的方法。为了确定将扰动脉冲增加至形成液滴用脉冲水平所需的声能量，算法200包括以下步骤。
在初始可任选的第一步201A，可使用一测距脉冲来确定孔中的流体高度，以使得转换器与流体表面的耦合足以使扰动脉冲聚焦在位点。该信息还提供时间区域上由流体表面反射的声能可能预计回到转换器的数据，这可以减少数据采样量，加速脉冲回波的分析。
在初始可任选的第二步201B，可使用背景噪声脉冲来确定由流体表面的声反射产生的背景噪声的大小。然后，该背景噪声结果被用来从由流体表面反射的其它反射声脉冲中提取背景噪声。例如，关于反射信号背景噪声特征的知识可用来改进扰动询问脉冲回波的信号处理(即信噪比)。这一技术为本领域技术人员所熟悉。
可任选地，测距脉冲和背景噪声脉冲可以是同一个脉冲201。可以对该“复合”脉冲的反射能量进行处理，以提取测距信息和背景噪声特征。
在下一步203中，发送扰动脉冲至流体位点，以扰动流体表面，该扰动脉冲优选不是形成液滴用脉冲，而是具有较低能量水平的类似波形的脉冲。
在下一步205中，发送一个或多个扰动询问脉冲至流体位点，由正在被扰动的流体表面反射。
可任选地，步骤203和205的脉冲可以复合成单个波形207。
在步骤209中，来自于步骤205的一个或多个扰动询问脉冲的反射声能形成扰动询问脉冲回波，被转换器收集用于分析。
在步骤211中，对数据进行处理，以估算扰动脉冲中功率与形成液滴用脉冲所需功率之间的间隙。这一步骤可以通过多种在他处详细描述的装置来完成，可任选地包括测距脉冲、背景噪声脉冲以及一个或多个扰动询问脉冲的分析结果。该分析可以包括时域的处理或频域的处理。
在步骤213中，记录液滴形成功率的间隙的结果。该数据和其它相关信息可储存于一数据库或其它相等同的形式以备稍后用于板检查(plate auditing)。该数据收集装置可以是具有分析器的任何介质，例如磁带、CD-ROM或其它介质形式。
算法200的一个例子，假设无需测距脉冲和背景噪声脉冲的信息。将长度约为275微秒的扰动脉冲发送至流体位点。在间隔约为300微秒之后，发送长度约575微秒的单个扰动询问脉冲作为复合波形。反射的脉冲或扰动询问脉冲响应具有相似的长度(约为600微秒)。扰动询问脉冲响应中用FFT进行处理以确定两个最小值之间的间距的部分(扰动询问脉冲“回波”)只有约2微秒长，在扰动询问脉冲响应中发生约550至600微秒。FFT处理的时域数据的选择是以测距脉冲回波时间、背景噪声数据和低频前同步信号的位置作为基础是。
图14A是基本上等同于图11中一栏的时间轨迹。图14C中最小值之间的间距与图11中分开回波之间的“间隙”成相反的关系。尽管将FFT用作算法更有效，理论上可以沿图11中一给定的列测量间隙，以获得可比较的性能绘制所示图表。可以将FFT中最小间距绘制成一低于发射阈值的特定能量，仅仅因为存在一个将间距与阈值能量联系起来的模型，即相对于发射阈值的能量＝A*ln(间距)+B。对于不同的流体、不同的声频率以及其它参数，上述关系式均能良好地保持。在给定的板上进行该测量之前离线测定A参数和B参数。A参数和B参数有时会随声频率、流体组成和相关参数变化。与DMSO的浓度相比，A和B对频率更加敏感。
如果在时域中发现分开的回波之间的“间隙”，则存在类似于图14的关系，例如相对于发射阈值的能量＝A*ln(1/间隙)+B。图13的流程图只是最佳的方法。通过使用先进的数据处理技术，可以处理扰动询问脉冲回波以得到可比较的数据，处理速度只受所用分析仪的处理功率的限制。
扰动询问脉冲响应是整个获得的信号，该信号响应于先前的扰动脉冲，在扰动询问脉冲自流体表面反射时回来。在该信号中，包含来自扰动询问脉冲的回波数据的信号部分通常晚于扰动单音脉冲200-300μs。我们随后在该时域的数据的FFT上进行操作。
低频前同步信号是低频噪声或干涉，可受到反射信号的干涉，必须除去低频前同步信号之后才能对扰动询问脉冲的反射进行分析。
对于图13的算法还有两种其它可能的应用，可以预见，这些应用反复地调用图13所示的一连串步骤201-213。一种这样的应用是通过使用图13的算法在孔与孔之间移动(一次，或者可能多次以平均任何噪声)并将返回的min_spacing(以MHz为单位)映射到低于液滴发射阈值的能量(以dB为单位)来产生板“能量签名”(plate“energy signature”)。当横跨板移动时保持每一个事物恒定(例如扰动脉冲的大小)且所有事物相等(例如各储蓄器中流体的体积和组成)，则低于液滴发射阈值的能量的变化提供了关于在液滴发射过程中需要补偿的能量变化(作为孔位置的函数)的一种良好的量度。该变化归因于板对于声能的传输特性的差别。可以保存孔和孔之间的能量差别的映射关系以供日后用来对于据信具有类似能量签名的孔板的孔确定形成液滴用脉冲的水平。该映射方法无需任何新的测量算法，因为孔板中每个储蓄器的液滴发射阈值的测量与上述用于找出形成液滴用脉冲的合适能量水平的应用相同。
第二种应用是使用液滴发射阈值来校准声辐射发生器的功率系统。该方法基于在一个已知结构和组成的孔中使用已知体积的已知组成的流体。如可能在对储蓄器的检查或受控装载中完成的先前的测试会提供液滴发射的已知的阈值水平，例如8.0dB。如果发射器被放置成与孔形成声耦合关系，并增加发射器的功率输入直至达到阈值水平，则可以假定发射器的功率输入水平在8.0dB。然而，如果以已知的增量降低功率水平，且在假定为已知的较低水平处执行图13的算法，并且测得的扰动脉冲与发射阈值之间的功率间隙加上该亚阈功率设定值不等于8.0dB，则发射器的功率设定可能是错误的。然而，使用类似图13算法的算法进行一系列的此类增量亚阈测量能够对声发射器系统进行功率校准。该校准可以使发射所需的预期功率与发射的实际功率一致。应注意，由于声功率系统的响应随脉冲的频率内容而变化，因此该校准最好是对于其频率内容与所述已知流体组合物的形成液滴用脉冲所需的频率内容相匹配的脉冲来进行。因此，如果在单个基底上存在多种流体组合物，最好是对于每一种流体组合物使用与用于该流体组合物的形成液滴用脉冲相关的合适的波形来进行功率系统校准。
校准系统的一种手段如下所述。在提供的例子中，将两种过程连接在一起，两种过程在以下(a)和(b)两点中都是以图13的算法为基础(a)扰动询问脉冲的振幅增量增加直至达到液滴发射阈值，(b)进行z-扫描，即以相等的增量迭代地转化成转换器高度或z位置和在每个位置调用图13算法的过程。整个过程由以下步骤1-3所示。
1.增量地增加扰动询问脉冲的振幅，并在每个振幅设定值处运行图13的算法。对于每个振幅设定值，将最小间距转换成低于液滴发射阈值的能量。一旦达到液滴发射阈值(即低于液滴发射阈值的能量约为0dB)，即执行线性回归，并将扰动询问脉冲的振幅设定为计算得到的液滴发射阈值。
2.通过执行z扫描，随后对比基于两个最小值之间的间距的函数将一二次函数拟合到所得的转换器z位置上，即y＝f(z)，来确定处于该振幅设定值的最佳转换器z位置。由二次函数的最小值得到位于步骤(1)的功率设定值的两个最小值之间的最小间距出现时的z位置。该转换器z位置是处于步骤(1)中发现的功率设定值的发射液滴的最佳位置。
3.在步骤(2)发现的最佳z位置处再执行步骤(1)，以进一步精调扰动询问脉冲的精确振幅设定值。
一旦通过进行上述步骤1-3测定了最佳转换器z位置和最佳功率设定值，在步骤(3)发现的功率设定值和步骤(2)发现的z位置产生少量的扰动询问脉冲，测量传送到转换器的能量。该能量水平(用本发明的系统测得，单位是dB)随后被用来标定装置中的功率系统。
本发明的各种变化对于本领域普通技术人员而言是显而易见的。例如，尽管图1示出了本发明装置处于形成连接于基底的生物分子阵列的操作中，该装置也可以类似的方式操作，以格式化多种流体，例如将流体从超常规尺寸的大容器转移到标准化孔板的孔中。类似地，尽管图2示出了声辐射发生器和检测器处于垂直的相对关系，但也可以采用其它的空间排列和/或几何排列，只要产生的声辐射传送经过储蓄器的至少一部分至检测器。
应该理解，尽管本发明结合优选的具体实施方案进行描述，以上描述只是用来说明的，并不限定本发明范围。其它方面、优点和改进对于本发明所涉领域的技术人员而言是显而易见的。
本文中引用的所有专利、专利申请、杂志文章和其它参考文献均参考结合于本文中。
提出以下实施例，向本领域技术人员提供如何完成本发明的完整的揭示和说明，这些实施例并非用来限制发明人所认为的发明的范围。
实施例1进行测量以确定声回波在现场测量流体性能方面的用途。将约45μL流体移液到含384个孔的聚丙烯孔板的孔中，所述流体包括含70％DMSO和30％水的溶液。在所述孔中该流体显示凹液面的流体表面。将转换器与孔的中央处大致对齐，使转换器高度对于发射最优化。向流体施加一单音脉冲以扰动流体表面，得到亚阈发射锥(a subthreshold ejection cone)。然后，向转换器施加单音脉冲(10MHz，F#2)，其中心频率为10MHz，能量约为低于发射阈值1.5dB。产生的初始锥含有许多空间频率，以表面张力波向外传播射向孔壁。然后，该波通过孔的中央被孔壁部分反射，射向相对的孔壁，再次反射，诸如此类。换而言之，表面张力波在孔的内部发生放射状混响(reverberated radially)。尽管表面张力波由于是以不同速度传播的不同波长的波而通常被认为是分散的，所述混响略微不同于对应于分散膜的情况，但是仍与该情况合理地相似。
在施加单音脉冲之后，产生一系列的回波脉冲以监测流体表面的扰动。每200微秒产生一个回波脉冲，总共产生300个脉冲。在每个脉冲之后的25-40微秒的时间窗口记录反射的声信号。由此能够对由于表面张力波被孔壁混响产生的流体表面“环”进行声监测。监测并记录在孔中央的流体表面的上下运动。在施加单音脉冲之后大约60毫秒，得到300个痕迹，每个痕迹含有来自于流体表面的回波信号。通过回波相关性分析，对每个回波信号得到一时间延迟值。
图7是所测得的回波延迟值(脉冲从转换器至孔流体表面的往返程时间)与单音脉冲之后的时间的关系图。示出了两个连续测量的数据，表明该测量的可重复性。由图7所含数据发现，在单音脉冲激发之后的最初的1.5毫秒中测得的脉冲回波信号与一个“正常”的表面回波相差太大以至于无法产生有意义的表面高度信息。在大约2毫秒之后，流体表面的曲率足够低，使脉冲回波形状看上去更象“正常”的表面反射。
从图7所包含的数据可以确定，回波延迟时间变化0.1微秒对应于流体高度变化大约80微米。因此，由图7所包含的数据可知，在施加了单音脉冲之后，存在最初的表面弛豫，接着是流体表面的混响。看来是时间越短(例如10毫秒)，存在空间频率越高的表面张力波，它产生流体表面运动中的谐波含量。然而，看来在大约25毫秒之后，基本混响模式占优。通过使用图7的数据可以测定流体的性能，如表面张力和粘度。一般来说，表面张力支配图7中的信号的周期性，而粘度确定了流体表面混响的衰减。可以使用各种分析技术，这与感兴趣的时间条件有关。
实施例2进行与实施例1中所述类似的测量，不同的是使用含100％DMSO的流体来代替含70％DMSO和30％水的流体。图8是对于该流体以及含有DMSO和水的混合物的溶液测得的回波延迟时间与单音脉冲之后时间的关系图。由于这两种流体的最佳延迟时间稍有不同，因此，混合物的数据沿垂直方向以任意的偏移量进行绘制，以便于视觉比较。
在单音脉冲之后的25毫秒＜t＜60毫秒的时间段内，将两种流体的数据拟合成按指数规律延迟的正弦波形。含有DMSO和水的混合物的流体的表面振动期和按指数规律的延迟时间分别为8.11毫秒和27.4毫秒。含100％DMSO的流体的表面振动期和按指数规律的延迟时间分别为8.98毫秒和50.6毫秒。
因为按指数规律的衰减时间随流体粘度通常呈反向变化，所以这两种流体的数据意味着DMSO和水的溶液的粘度是比100％DMSO流体的粘度大1.82倍。这与所报道的1.85的比值存在良好的一致性。类似地，由于表面振动时间通常与表面张力的负二次方根成比例，因此DMSO和水的溶液的表面张力应比100％DMSO流体的表面张力大1.23倍。这与报道的100％DMSO的表面张力(44达因/厘米)和报道的水的表面张力(72达因/厘米)存在良好的一致性。
实施例3将一种流体装填在一孔板的孔中。将转换器与孔中央处大致对齐，使转换器高度对于发射最优化。向流体施加单音脉冲以扰动流体表面并产生超阈值发射锥体。结果，形成液滴并与该发射锥体分离。
在形成发射锥体之前、期间和之后，产生一系列的回波脉冲，以监测流体表面的扰动。结果，通过一系列的该回波事件监测液滴的形成。
实施例4将一种流体装填在一孔板的孔中。将转换器与孔中央大致对齐，使转换器高度对于发射最优化。向流体施加一系列的单音脉冲以扰动流体表面并产生一发射锥体。在即将形成发射锥体之前、形成发射锥体期间和之后，产生一系列的回波脉冲，以监测流体表面的扰动，作为每个单音脉冲的结果。由此确定发射的阈值。
实施例5向384孔的聚丙烯(PP)平底孔板(Labcyte P/N P-05525-CV1)的孔中加入50μL水。将该孔板放置在LabcyteEchoTM550组合多孔板(compoundreformatter)中。对型号为VP248的一次性384聚丙烯针具(V&P Scientific，Inc，San Diego，CA)改进，使适合于容纳在型号为Echo 550的目标板夹具中，以使得装置的z轴可以被用于精确的针具移动。针具以上-下-上-下上-下循环移动，得到6个移动时间的测量值。基于每个孔的6个值，使用1mm的针具运动并对转换器的焦点作补偿，发现声速为文献值的0.3％内(在水中F数为2)。在每个孔中容纳60μL的70％DMSO/30％水，制得另一块微量培养板。使用1.5mm的针具行进，经处理的数据显示相同的一致性，偏差系数(CV)是0.2％。
权利要求
1.一种从容纳在基底内或位于基底上的储蓄器声发射流体液滴的改进方法，该方法通过以下步骤进行(a)将所述含有流体的储蓄器与产生声辐射的声发射器进行声耦合，(b)激发所述声发射器，产生至少一个声辐射脉冲，该声辐射以有效地从储蓄器中的流体发射液滴的方式，透过基底传送至在所述储蓄器中的流体表面或其附近的位点，其中所述改进包括在声发射流体液滴之前，确定传送至步骤(b)中所述位点的形成液滴用的声辐射的脉冲的波形，调整所述形成液滴用的声辐射的脉冲的振幅，获得足以发射流体液滴的声能输出水平。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，位于所述位点的所述形成液滴用脉冲的振幅由以下确定(i)激发所述声发射器，产生传送至所述位点的声辐射扰动脉冲，该脉冲不会导致流体液滴的发射，(ii)产生扰动询问脉冲，该脉冲传送至流体表面接近所述位点的区域，(iii)检测扰动询问脉冲自流体表面的反射；和(iv)对步骤(iii)中检测到的反射进行处理。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(iv)中的处理包括对步骤(iii)中检测到的反射的频谱进行分析。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(iv)中的处理包括使用基于频域的算法来确定步骤(iii)中检测到的反射的频谱的两个最小值之间的频率差值。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(iv)中的处理包括使用基于时域的算法来确定发射液滴所需的扰动脉冲振幅的增加值。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(iv)还包括从步骤(iii)中检测到的反射中分离回波部分的步骤。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(iv)中的处理还包括使用两个最小值之间的频率差值来计算由声发射器发送到所述位点的脉冲足以发射流体液滴的声能水平。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于频域的算法包括基于快速傅里叶变换的算法。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扰动脉冲和步骤(b)中产生的所述形成液滴用脉冲具有相似的频谱。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扰动脉冲和步骤(b)中产生的所述形成液滴用脉冲各自含有类似的线性调频脉冲的频率。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扰动脉冲和步骤(b)中产生的所述形成液滴用脉冲彼此的频率集中在100MHz以内。
12.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扰动脉冲和所述形成液滴用脉冲的频率集中在1-200MHz之间。
13.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在产生扰动脉冲之后1毫秒以内，在步骤(b)中产生至少一个形成液滴用脉冲。
14.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在产生扰动脉冲之后1秒以内，在步骤(b)中产生至少一个形成液滴用脉冲。
15.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在产生扰动脉冲之后1小时以内，在步骤(b)中产生至少一个形成液滴用脉冲。
16.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扰动脉冲和所述扰动询问脉冲之间的时间不超过10毫秒。
17.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扰动脉冲的持续时间在0.5微秒至1000微秒之间。
18.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扰动脉冲的声能水平是步骤(b)中产生的至少一个形成液滴用脉冲的声能水平的80-120％。
19.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(b)中产生的至少一个形成液滴用脉冲的持续时间在0.5微秒至1000微秒之间。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将流体组成作为输入信息用来调整步骤(b)中产生的至少一个形成液滴用脉冲的能量。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，至少一个储蓄器中的流体是DMSO和H2O的混合物。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述DMSO和H2O的混合物具有大于40重量％的DMSO。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述DMSO和H2O的混合物具有大于40重量％的水。
24.如权利要求1所述的方法，该方法包括步骤(c)，该步骤中，对于多个流体储蓄器的每一个接连重复步骤(a)和(b)。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，对于第一个储蓄器和第二个储蓄器，在不长于约2秒的间隔内进行波形确定步骤和振幅调整步骤。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，对于第一个储蓄器和第二个储蓄器，在不长于约0.25秒的间隔内进行波形确定步骤和振幅调整步骤。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，对于第一个储蓄器和第二个储蓄器，在不长于约0.02秒的间隔内进行波形确定步骤和振幅调整步骤。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，对于第一个储蓄器和第二个储蓄器，在不长于约0.005秒的间隔内进行波形确定步骤和振幅调整步骤。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，对于第一个储蓄器和第二个储蓄器，在不长于约0.001秒的间隔内进行波形确定步骤和振幅调整步骤。
30.一种从储蓄器声发射流体液滴的装置，该装置包括容纳在基底内或位于基底上的储蓄器，位于储蓄器内的大量流体，声辐射发生器，用于产生至少一个声辐射脉冲，将声辐射发生器与储蓄器声耦合的装置，以使在声辐射发生器产生的声辐射脉冲具有合适的波形和声能水平时，该脉冲以有效地从与声辐射发生器声耦合的储蓄器中发射液滴的方式，传输透过基底至所述储蓄器中的流体表面或其附近的位点，分析仪，用来在从储蓄器中声发射流体液滴之前，确定所产生的声辐射脉冲的波形，并调整所述脉冲的振幅至足以发射流体液滴的声能水平。
31.一种从多个储蓄器的每一个中声发射流体液滴的装置，该装置包括容纳在基底内或位于基底上的多个流体储蓄器，位于各储蓄器内的大量流体，声辐射发生器，用于产生至少一个声辐射脉冲，将声辐射发生器依次与各储蓄器声耦合的装置，以使在声辐射发生器产生的至少一个声辐射脉冲以有效地从与声辐射发生器声耦合的各储蓄器中发射液滴的方式，传输透过基底到各储蓄器的流体中至流体表面或其附近的位点，分析仪，用来在从储蓄器中声发射流体液滴之前，确定所产生的声辐射的形成液滴用脉冲的波形，所述分析仪还确定足以发射流体液滴的形成液滴用脉冲的振幅。
32.如权利要求31所述的装置，其特征在于，通过以下方法确定对于储蓄器的形成液滴用脉冲的振幅，该方法包括(i)将声发射器与储蓄器声耦合，(ii)激发声发射器，产生扰动脉冲并导向到第一储蓄器，以使流体表面被扰动但不发射流体液滴，(iii)产生射向该流体表面的扰动询问脉冲，(iv)检测扰动询问脉冲自该流体表面的反射，(iv)对步骤(iv)中检测到的反射进行处理，和(v)在每个所述位点重复步骤(i)至(v)。
33.如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述步骤(v)的处理包括对所述步骤(iv)中检测到的反射的一部分的频谱进行分析。
34.如权利要求33所述的装置，其特征在于，所述处理包括使用基于频域的算法来确定步骤(iv)中检测到的反射的频谱的两个最小值之间的频率差值。
35.如权利要求34所述的装置，其特征在于，识别所述步骤(iv)中检测到的反射的回波部分。
36.如权利要求35所述的装置，其特征在于，所述回波部分占步骤(iv)中检测到的反射的小于1％。
37.如权利要求34所述的装置，其特征在于，所述基于频域的算法包括基于快速傅里叶变换的算法。
38.如权利要求34所述的装置，其特征在于，所述扰动脉冲和所述形成液滴用脉冲具有相似的频谱。
39.如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述扰动脉冲和所述形成液滴用脉冲彼此的频率集中在100MHz以内。
40.如权利要求36所述的装置，其特征在于，所述扰动脉冲和所述形成液滴用脉冲的频率集中在1-200MHz之间。
41.如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述扰动询问脉冲和所述形成液滴用脉冲之间经历的时间不超过1毫秒。
42.如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述扰动询问脉冲和所述形成液滴用脉冲之间经历的时间不超过1秒。
43.如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述扰动询问脉冲和所述形成液滴用脉冲之间经历的时间不超过1小时。
44.如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述扰动脉冲和所述扰动询问脉冲之间经历的时间不超过10毫秒。
45.如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述扰动脉冲的持续时间在0.5微秒至1000微秒之间。
46.如权利要求39所述的装置，其特征在于，所述扰动询问脉冲的声能是所述形成液滴用脉冲的声能的80-120％。
47.如权利要求39所述的装置，其特征在于，所述形成液滴用脉冲的持续时间在0.5微秒至1000微秒之间。
48.如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述扰动脉冲的功率低于所述形成液滴用脉冲至少0.5dB。
49.如权利要求31所述的装置，该装置包括单个声辐射发生器。
50.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述储蓄器和所述储蓄器内所述大量流体可以从所述装置的其余部分上拆卸下来。
51.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述储蓄器是在一个或多个孔板中的各孔。
52.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述储蓄器是基本上声学不可分辨的。
53.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述储蓄器是光学上不透明的。
54.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述储蓄器是密封的。
55.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述装置包括96个储蓄器。
56.如权利要求55所述的装置，其特征在于，所述装置包括384个储蓄器。
57.如权利要求56所述的装置，其特征在于，所述装置包括1536个储蓄器。
58.如权利要求57所述的装置，其特征在于，所述装置包括3456个储蓄器。
59.如权利要求58所述的装置，其特征在于，所述装置包括10,000个储蓄器。
60.如权利要求59所述的装置，其特征在于，所述装置包括100,000个储蓄器。
61.如权利要求60所述的装置，其特征在于，所述装置包括多于500,000个储蓄器。
62.如权利要求31所述的装置，其特征在于，至少一个储蓄器构造成含有不超过约1mL流体。
63.如权利要求31所述的装置，其特征在于，至少一个储蓄器构造成含有不超过约1μL流体。
64.如权利要求63所述的装置，其特征在于，至少一个储蓄器构造成含有不超过约1nL流体。
65.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述储蓄器中的流体是水性流体。
66.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述储蓄器中的流体是非水性流体。
67.如权利要求66所述的装置，其特征在于，所述非水性流体包括有机溶剂。
68.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述流体含有生物分子。
69.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述流体是至少部分冻结的。
70.如权利要求31所述的装置，其特征在于，至少一个储蓄器含有在约0-100℃的温度能够以流体形式存在的物质。
71.如权利要求31所述的装置，其特征在于，该装置还包括用于改变所述分析仪相对于储蓄器的相对位置的装置。
72.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述分析仪被定位于与声辐射发生器固定地对齐的位置。
73.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述声辐射发生器包括与所述分析仪共用的组成部分。
74.如权利要求74所述的装置，其特征在于，声辐射发生器与分析仪共用的组成部分是压电元件。
75.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述分析仪适合于对接收的声辐射的特征进行分析，以确定各储蓄器中的流体性能。
76.如权利要求75所述的装置，其特征在于，所述性能是声阻抗。
77.如权利要求75所述的装置，其特征在于，所述性能是声衰减。
78.如权利要求75所述的装置，其特征在于，所述特征是声辐射的强度。
79.如权利要求76所述的装置，其特征在于，所述特征是声辐射的波长。
80.如权利要求73所述的装置，其特征在于，该装置还包括一聚焦装置，用来聚焦所述声辐射发生器产生的声辐射。
81.如权利要求80所述的装置，其特征在于，所述聚焦装置适合于根据分析仪进行分析的结果来聚焦所述声辐射。
82.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述装置还包括温度控制装置，用于控制储蓄器温度。
83.一种容纳在基底内或位于基底上的多个流体储蓄器的表征方法，该方法通过以下步骤进行(a)在各储蓄器中提供一种具有已知组成的可测定体积的流体，调整各储蓄器中的流体体积，以使储蓄器符合预定的发射阈值水平，(b)将第一储蓄器与产生声辐射的声发射器声耦合，(c)激发该发射器以产生声辐射的亚阈脉冲透过基底至流体中，其中亚阈脉冲的声能低于从所述第一个储蓄器有效地发射液滴的水平，(d)分析亚阈脉冲的效应，以确定与发射阈值的间隙，(e)将发射阈值与预定的发射阈值进行比较，(f)对多个流体储蓄器的每一个依次重复步骤(a)、(b)、(c)、(d)和(e)，(g)使用每个位点处发射阈值与预定发射阈值之间的差值来表征基底上储蓄器与储蓄器之间的变化。
84.一种分析声学数据以确定将扰动脉冲增强至液滴发射脉冲水平所需的声能量的方法，该方法包括以下步骤(a)向位于一孔中的未经扰动的流体表面发送一扰动脉冲，以确定(1)流体高度和/或(2)由声检测器传感到的背景噪声的大小，(b)向流体表面发送一扰动询问脉冲，(c)处理来自于扰动询问脉冲的反射声能，(d)从经步骤(c)处理的信号中除去低频噪声，如有必要对该信号再次处理，(e)确定步骤(d)中信号输出的频谱中所有的最小值，(f)基于经处理信号的频率内容，选择感兴趣的两个最小值，并确定这两个最小值之间的间距。
85.如权利要求84所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括使用流体高度来确定寻找来自扰动询问脉冲的反射声能的回波部分的位置，以及低频噪声所处的位置。
86.如权利要求84所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括使用背景噪声的大小以提取来自扰动询问脉冲的反射声能的回波部分。
87.如权利要求86所述的方法，其特征在于，用分析仪进行所述提取回波部分的步骤。
88.如权利要求87所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)中的处理包括计算所提取的回波部分的快速傅里叶变换。
89.如权利要求88所述的方法，其特征在于，用所述分析仪寻找是否存在低频前同步信号，如果发现将其从时域信号中去除，然后再次计算快速傅里叶变换。
90.一种分析声学数据以确定将一脉冲增强至足以进行液滴发射的声能水平所需的声能量的方法，该方法包括以下步骤(a)向位于一孔中的未经扰动的流体表面发送扰动脉冲，以确定(1)流体高度和/或(2)背景噪声的大小，(b)向流体表面发送扰动询问脉冲，(c)用分析仪计算所述扰动询问脉冲自流体表面的反射的快速傅里叶变换，(d)用所述分析仪寻找在所述扰动询问脉冲的反射中是否存在低频前同步信号，如果发现低频前同步信号，将其从反射中去除，计算除去了低频前同步信号的反射的快速傅里叶变换，(e)确定步骤(c)或(d)中计算出的快速傅里叶变换中所有的最小值，(f)选择感兴趣的两个最小值，将扰动脉冲的频率内容作为输入值，确定所选择的两个最小值之间的间距。
91.如权利要求90所述的方法，其特征在于，将声发生器与孔板中的多个孔进行声耦合，其中，对于声发生器与之耦合的每块孔板计算两个最小值之间的间距，所述两个最小值之间的间距被转化成对声发生器与之耦合的每块孔板而言低于阈值的能量，由此提供能量随孔位置而变化的量度并产生板能量信号，所述量度是在液滴发射期间补偿孔与孔之间的变化所需的。
92.如权利要求91所述的方法，其特征在于，对于孔板的至少一个孔，多次测定所述两个最小值之间的间距，由此得到多个间距值，可以对这些值取平均值以减少噪声。
93.如权利要求91所述的方法，其特征在于，步骤(a)中发送的所述扰动脉冲对于计算两个最小值之间的间距所针对的每块孔板具有基本上相同的能量。
94.一种分析声学数据以确定对于含流体的孔中的流体表面将一脉冲改变成形成液滴用脉冲水平所需的附加声能的量的方法，该方法包括以下步骤(a)使用测距脉冲来确定孔中的流体高度，(b)将扰动脉冲发送至接近流体表面的流体位点，以扰动流体表面，(c)向所述流体位点发送至少再一个脉冲，以从该扰动的流体表面反射，(d)使用来自步骤(c)的所述至少再一个脉冲的反射声能，以确定分析用波形，(e)使用分析仪来处理该波形，以估算所述扰动脉冲的功率和形成液滴用脉冲所需的功率之间的间隙。
95.如权利要求94所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤(a′)，该步骤使用背景噪声脉冲来确定来自于由流体表面的声反射的背景噪声的大小。
96.如权利要求95所述的方法，其特征在于，该方法还包括使用来自背景噪声脉冲的反射来从其它由流体表面反射的声脉冲中除去背景噪声的步骤，由此改进对自再一个脉冲的反射的处理。
97.如权利要求95所述的方法，其特征在于，所述测距脉冲和所述背景噪声脉冲是同一个脉冲。
98.如权利要求94所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)的处理是在时域中进行的。
99.如权利要求94所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)的处理是在频域中进行的。
100.如权利要求94所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)中估算的间隙值记录在数据收集格式中。
101.如权利要求100所述的方法，其特征在于，所述数据收集格式是数据库。
102.如权利要求94所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)-(e)被反复调用，通过确定步骤(e)对孔板中多个孔的每一个孔的所述间隙来产生板能量签名。
103.如权利要求102所述的方法，其特征在于，在进行步骤(a)至(e)时对每个孔的扰动脉冲的大小是基本上相同的，每个孔中流体的体积和组成是基本上相同的。
104.如权利要求102所述的方法，其特征在于，该方法还包括储存板能量签名以备进一步使用的步骤。
105.如权利要求94所述的方法，其特征在于，用低于液滴发射阈值的渐增能量的多个扰动脉冲反复地进行步骤(a)至(e)，以及对产生脉冲的转换器的不同位置反复地进行步骤(a)至(e)。
106.一种确定流体中声速的方法，该方法包括以下步骤(a)将一固态物体浸入容纳在储蓄器中的大量流体中，(b)检测由所述固态物体反射的声能。
107.如权利要求106所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤(c)移动固态物体，和(d)检测所述固态物体在移动后的位置处反射的声能。
108.如权利要求107所述的方法，其特征在于，将所述固态物体在被移动之前和之后的位置之间的距离作为输入值，计算流体中的声速。
109.如权利要求106所述的方法，其特征在于，将所述固态物体与储蓄器中最靠近声能源的流体部分之间的距离作为输入值，计算流体中的声速。
110.如权利要求106所述的方法，其特征在于，所述声能源是聚焦的。
111.如权利要求110所述的方法，其特征在于，所述聚焦的能量具有的F数约为2或更大。
112.如权利要求109所述的方法，其特征在于，使用聚焦声能的F数作为输入值，计算流体中的声速。
113.如权利要求106所述的方法，其特征在于，由能够从储蓄器发射流体液滴的声发射系统提供所述声能。
114.如权利要求113所述的方法，其特征在于，通过使用一定位系统将所述固态物体浸入流体中，该定位系统还被声发射系统所使用，用作其它用途。
115.如权利要求106所述的方法，其特征在于，所述固态物体是针具。
116.如权利要求106所述的方法，其特征在于，声能是沿垂直方向射向固态物体的。
117.如权利要求106所述的方法，其特征在于，对各自在其自己的储蓄器中的多种流体的每一种进行所述方法。
118.如权利要求117所述的方法，其特征在于，进行所述方法的多种流体的储蓄器形成孔板的一部分。
119.一种在声发射系统中调整声辐射脉冲的形式以从大量流体发射预定体积的液滴的方法，该方法包括以下步骤(a)提供在储蓄器中的大量流体，(b)使用声辐射脉冲以液滴到达第二个储蓄器的方式从所述流体发射一个或多个液滴，(c)在步骤(b)发射所述一个或多个液滴之后，确定所述第二个储蓄器中流体的高度，和(d)将步骤(c)中确定的所述第二个储蓄器中的流体高度作为输入值，改变所述声辐射脉冲的一个或多个参数。
120.如权利要求119所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括改变所述声辐射脉冲的频率。
121.如权利要求119所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括改变产生所述声辐射脉冲的转换器的位置。
122.如权利要求119所述的方法，其特征在于，对于各自在其自己的储蓄器中的多种流体的每一个进行所述方法。
123.如权利要求122所述的方法，其特征在于，进行所述方法的多种流体的储蓄器形成孔板的一部分。
124.如权利要求119所述的方法，其特征在于，从进行所述方法过程中声辐射第一次射向所述一定量流体的时间起算，进行所述方法总共消耗的时间不超过30分钟。
125.一种由具有特定参数的声辐射脉冲发射的有关其它流体的液滴尺寸的信息来推断用于发射感兴趣流体具有所需尺寸的液滴的声辐射脉冲的参数的方法，该方法包括以下步骤(a)获取多种其它流体的每一种的一个或多个特征的信息，(b)确定感兴趣流体的一个或多个特征，(c)使用所需的液滴尺寸和感兴趣流体的一个或多个特征，由其它流体的液滴尺寸的信息来内插或外推声辐射脉冲的参数。
126.如权利要求125所述的方法，其特征在于，步骤(b)中确定的流体的特征包括粘度。
127.如权利要求125所述的方法，其特征在于，步骤(b)中确定的流体的特征包括声速。
128.如权利要求125所述的方法，其特征在于，步骤(b)中确定的流体的特征包括表面张力。
129.如权利要求125所述的方法，其特征在于，所述流体是混合物，步骤(b)中确定的流体的参数包括混合物中组分的百分含量。
130.如权利要求125所述的方法，其特征在于，所述流体是溶液，步骤(b)中确定的流体的参数包括所述流体中溶质的浓度。
131.如权利要求125所述的方法，其特征在于，使用声辐射进行至少一个特征的确定。
132.一种确定流体特征的方法，所述方法包括以下步骤(a)提供在储蓄器中的大量流体，所述流体具有一自由表面，(b)将聚焦声辐射的单音脉冲发送至流体表面附近的一位置，所述单音脉冲具有足以使流体表面明显振动的能量，(c)在聚焦的声辐射到达流体表面附近之后的多个时间点，确定流体表面的特性，(d)对于步骤(c)测得的特性随时间的变化拟合曲线，(e)考虑拟合曲线的参数，确定流体的特征。
133.如权利要求132所述的方法，其特征在于，所述特征是粘度。
134.如权利要求132所述的方法，其特征在于，所述特征是表面张力。
135.如权利要求132所述的方法，其特征在于，通过声辐射进行所述步骤(c)。
136.如权利要求132所述的方法，其特征在于，所述拟合曲线是阻尼正弦曲线。
137.一种确定由声发射器发射的液滴的体积的方法，所述方法包括以下步骤(a)提供在储蓄器中的大量流体，(b)选择足以从流体发射液滴的声辐射脉冲，(c)使用步骤(b)中选定的声辐射脉冲，由所述流体发射一个或多个液滴，以使这些液滴到达第二储蓄器，(d)在步骤(c)发射一个或多个液滴之后，测定第二储蓄器中流体的高度，和(e)将步骤(d)中测得的所述第二储蓄器中流体的高度作为输入值，确定液滴的体积。
138.一种声发射系统，该系统包括控制器、声能转换器和用来将所述转换器与储蓄器声耦合的耦合介质，系统的改进包括在控制器中编制有能使所述声发射系统进行权利要求106所述方法的程序。
139.一种声发射系统，该系统包括控制器、声能转换器和用来将所述转换器与储蓄器声耦合的耦合介质，系统的改进包括在控制器中编制有能使所述声发射系统进行权利要求125所述方法的程序。
140.一种确定适合于用特定单音脉冲波形发射流体液滴的能量水平的方法，所述方法包括以下步骤(a)将所述特定波形的聚焦声辐射发送至所述大量流体表面附近的一个位置，(b)发送一个或多个探测脉冲射向所述流体表面，(c)检测来自多个探测脉冲的回波，(d)基于步骤(c)检测到的回波，测定是否产生发射。
141.如权利要求140所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括以下步骤(d1)将来自一个或多个探测脉冲的回波区分为主回波和附加回波，(d2)将所述附加回波的暂时持续时间(temporal duration)作为输入值以确定是否产生发射。
142.如权利要求140所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括以下步骤(d1)将来自一个或多个探测脉冲的回波区分为主回波和附加回波，(d2)将检测到的主回波与附加回波之间的暂时区别是否随进行步骤(a)之后的时间增加而消失作为输入值以确定是否产生发射。
143.如权利要求140所述的方法，其特征在于，步骤(a)中所用的流体量小于50μL。
144.如权利要求140所述的方法，其特征在于，步骤(a)中所用的流体量小于10μL。
145.如权利要求140所述的方法，其特征在于，从进行所述方法过程中声辐射第一次射向所述一定量流体的时间起算，进行所述方法总共消耗的时间不超过1分钟。
146.如权利要求145所述的方法，其特征在于，从进行所述方法过程中声辐射第一次射向所述一定量流体的时间起算，进行所述方法总共消耗的时间不超过3.8秒。
147.如权利要求140所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤(d1)将步骤(c)检测到的探测脉冲回波作为输入值，进行快速傅里叶变换算法，(d2)将步骤(d1)中进行快速傅里叶变换算法的输出值作为输入值，计算发射阈值的估计值。
148.如权利要求147所述的方法，其特征在于，所述步骤(d2)包括确定步骤(d1)中进行快速傅里叶变换算法的输出值的最小值的步骤。
全文摘要
提供了在声发射系统中分析流体特征的方法。声发射系统包括控制器、声辐射发生器和将辐射与储蓄器容纳的流体相耦合的耦合介质。该方法可使用声辐射来扰动储蓄器中的流体表面，并用声辐射来分析扰动的效应。该方法可以使用先前流体的信息。本发明的方法能够确定物理性能，例如声速和粘度。该方法还包括确定适合于发射液滴的声能水平的方法。优选是该方法在声发射系统的控制器的编程控制下自动化执行。
文档编号B41J2/14GK101035681SQ200580033633
公开日2007年9月12日 申请日期2005年10月3日 优先权日2004年10月1日
发明者R·N·埃利森, M·W·慕兹, S·A·夸尔斯, R·G·斯特恩斯 申请人:拉伯赛特股份有限公司