基于环形阵列超声换能器的超声移液方法及其系统与流程

1.本发明涉及超声应用领域，具体而言，涉及一种基于环形阵列超声换能器的超声移液方法及其系统。


背景技术：

2.合成生物学被誉为是应对挑战的世界三大颠覆性技术之一。移液是合成生物实验室最为普遍的操作任务之一，选择正确的移液器是精准完成实验的关键一步。根据移液过程中是否接触溶液，可将移液手段分为接触式移液和非接触式移液。
3.接触式移液，比如移液枪。移液器在移液过程中，样品会粘连在移液头上，使得转移的液体量不准确，有可能会产生巨大的假阴性结果。并且梯度稀释时误差会累积，一些样品在使用梯度稀释时，显示了多达三次方的生物活性的损失。另外，由于移液头是一次性耗材，为避免交叉感染，每一次使用后都需要特殊处理或者更换，因此会需要大量的耗材来支撑实验，大规模使用时费用较为昂贵。
4.现有接触式的超声移液装置需要通过移液环来移动液体，待移液的液体种类受到限制，从而使得该技术的实际应用受到限制。
5.现有非接触式的超声移液装置，虽然能够安全地实现液体移动，但系统复杂度高、设备成本高。现有技术中存在一种方案，基于相控阵技术，通过引入小型化阵列化超声换能器，以电学驱动自聚焦的形式从喷射液滴。该方案使用了大量微机械超声换能器组成阵列超声换能器，不仅成本较高，而且结构极其复杂，难以准确操作阵列超声换能器实现移液。
6.因此，需要一种成本较低、结构简单、操作简易的非接触式移液方案，能够解决上述问题。


技术实现要素：

7.基于现有技术存在的问题，本发明提供了基于环形阵列超声换能器的超声移液方法及其系统。具体方案如下：
8.一种基于环形阵列超声换能器的超声移液方法，包括多次测量操作和至少一次移液操作；
9.每次测量操作包括：
10.以预设激励波形激励环形阵列超声换能器中的中心阵元，或激励环形阵列超声换能器中的中心阵元和至少一个非中心阵元，产生短脉冲形式的第一发射超声波；
11.所述第一发射超声波到达源载液平台的液面后，产生第一反射超声波；
12.所述环形阵列超声换能器中的各个阵元接收所述第一反射超声波，并进行动态波束合成，得到一条超声波束；
13.分析所述超声波束，获取源载液平台的液体参数；
14.每次移液操作具体包括：
15.根据源载液平台的液体参数调整移液操作的激励参数；
16.基于调整后的激励参数，以预设激励波形激励所述环形阵列超声换能器中的中心阵元和至少一个非中心阵元，产生长脉冲形式的第二发射超声波；
17.所述第二发射超声波聚焦于源载液平台中的液面上，在超声波作用下，将所述源载液平台中的溶液以液滴形式移动到预设目标载液平台。
18.在一个具体实施例中，所述中心阵元为圆形阵元，所述非中心阵元为围绕中心阵元的环形阵元；
19.所述环形阵列超声换能器包括一个圆形阵元和至少一个环形阵元，且所述环形阵元之间依次嵌套排布，所述圆形阵元嵌于某个环形阵元中。
20.在一个具体实施例中，所述激励波形包括方波、台阶型准正弦波和正弦波。
21.在一个具体实施例中，所述动态波束合成具体包括：
22.各个阵元接收第一反射超声波，依据其超声波传播方向的深度值和换能器物理尺寸计算获取超声波双向传播的时间参数，基于所述时间参数进行多个信号的延迟叠加。
23.在一个具体实施例中，所述液体参数包括源载液平台的液面高度、液体密度以及超声波在液体中的传播速度。
24.在一个具体实施例中，“根据源载液平台的液体参数调整激励参数”包括：
25.基于所述液面高度对移液操作的激励波形进行波形调整，以控制所述移液操作在进行激励时的超声能量；
26.所述波形调整包括激励波形的振幅、周期数量以及激励波形之间的相对相位延迟。
27.在一个具体实施例中，若液面位置较高，则减小环形阵列超声换能器各个阵元的激励波形以减少相对相位延迟，提高超声波焦点位置；同时提高激励波形的振幅或周期数量；
28.若液面位置较低，则增大各个阵元的激励波形相对相位延迟；同时降低激励波形的振幅或周期数量。
29.在一个具体实施例中，所述第一发射超声波为平面波声束；
30.和/或，所述第二发射超声波为聚焦波声束。
31.一种基于环形阵列超声换能器的超声移液系统，包括，
32.源载液平台，用于存储待移取溶液；
33.目标载液平台，用于储存移液后的待移取溶液；
34.环形阵列超声换能器，包括一个圆形阵元和至少一个环形阵元；用于执行部分测量操作和部分移液操作；
35.执行的测量操作包括：
36.使一个中心阵元被激励，或中心阵元和至少一个非中心阵元被激励后产生短脉冲的第一发射超声波；所述第一发射超声波到达一个源载液平台的液面后，产生第一反射超声波；各个阵元接收所述第一反射超声波，并进行动态波束合成，得到一条超声波束；
37.执行的移液操作包括：
38.中心阵元和至少一个非中心阵元被激励后产生长脉冲的第二发射超声波；所述第二发射超声波聚焦于源载液平台中的液面上，在超声波的聚焦作用下，将所述源载液平台中的溶液以液滴形式移动到所述目标载液平台；
39.控制单元，用于激励所述环形阵列超声换能器；分析所述超声波束，获取源载液平台的液体参数，以实现对源载液平台液体参数的测量；在移液操作开始时，根据源载液平台的液体参数调整移液操作的激励参数。
40.在一个具体实施例中，所述中心阵元为圆形阵元，所述非中心阵元为围绕中心阵元的环形阵元；
41.所述环形阵列超声换能器包括一个圆形阵元和至少一个环形阵元，且所述环形阵元之间依次嵌套排布，所述圆形阵元嵌于某个环形阵元中。
42.有益效果：
43.本发明提供了一种基于环形阵列超声换能器的超声移液方法及其系统，基于环形阵列超声换能器实现液体参数检测和非接触式超声移液，不仅具备非接触式移液安全、准确的特点，而且系统复杂度低，设备成本低，操作简单。环形阵列超声换能器可以在阵元数大幅度少于线阵和面阵换能器阵元数的情况下形成高分辨率的聚焦声场，实现精确的焦距调整，制作工艺简单，且成本低。
44.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
46.图1是本发明实施例的超声移液方法流程图；
47.图2是本发明实施例的环形阵列超声换能器阵元结构示意图；
48.图3是本发明实施例的环形阵列超声换能器组成结构示意图；
49.图4是本发明实施例的测量模式原理示意图；
50.图5是本发明实施例的移液模式原理示意图；
51.图6是本发明实施例的超声移液系统结构示意图。
52.附图标记：1-控制单元；2-环形阵列超声换能器；3-耦合介质；4-壳体；5-源载液平台；6-目标载液平台；21-匹配层；22-压电层；23-柔性板。
具体实施方式
53.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.实施例1
55.本实施例提出了一种基于环形阵列超声换能器的超声移液方法，能够实现液体参数检测和非接触式超声移液，不仅具备非接触式移液安全、准确的特点，而且系统复杂度低，设备成本低，操作简单。基于环形阵列超声换能器的超声移液方法流程图如说明书附图
1所示，具体方案如下:
56.一种基于环形阵列超声换能器的超声移液方法，包括多次测量操作和至少一次移液操作。多次测量操作能够准确获取液体参数，进而调整合适的参数进行移液操作。移液操作的次数可根据实际应用进行设定。
57.每次测量操作包括：
58.101、以预设激励波形激励环形阵列超声换能器中的中心阵元，或激励环形阵列超声换能器中的中心阵元和至少一个非中心阵元，产生短脉冲形式的第一发射超声波；
59.102、第一发射超声波到达源载液平台的液面后，产生第一反射超声波；
60.103、环形阵列超声换能器中的各个阵元接收第一反射超声波，并进行动态波束合成，得到一条超声波束；
61.104、分析超声波束，获取源载液平台的液体参数；
62.每次移液操作具体包括：
63.201、根据源载液平台的液体参数调整移液操作的激励参数；
64.202、基于调整后的激励参数，以预设激励波形激励环形阵列超声换能器中的中心阵元和至少一个非中心阵元，产生长脉冲形式的第二发射超声波；
65.203、第二发射超声波聚焦于源载液平台中的液面上，在超声波作用下，将源载液平台中的溶液以液滴形式移动到预设目标载液平台。
66.本实施例的超声移液方法，适用于包括源载液平台、目标载液平台、环形阵列超声换能器的超声移液系统中，基于一种简易的环形阵列超声换能器，通过激励环形阵列环能器输出超声波声束实现非接触式移液和液体参数测量。本实施例的环形阵列超声换能器，相较于传统的阵列化超声换能器，阵元数少，不仅整体系统的复杂度低，而且移液操作和测量操作都较为简单，无需复杂的操作手段。
67.在本实施例中，由于环能阵列超声换能器能够完成液体参数测量和无接触式移液两种功能，不再具有单一的功能属性，因此通过专门的控制单元激励环形阵列超声换能器输出特定信号，并定义了测量模式和移液模式两种工作状态。测量模式下，控制单元激励环形阵列超声换能器发射平面波作用于源载液平台，用于测量载液平台的液体参数。移液模式下，控制单元激励环形阵列换器能发射聚焦波作用于源载液平台液面位置，实现非接触移液操作。
68.优选地，测量操作需要产生至少一个周期的第一发射超声波，且第一发射超声波为短脉冲；移液操作需要产生至少100个周期的第二发射超声波，且第二发射超声波为长脉冲，以更好控制移液时的超声能量。
69.其中，环形阵列超声换能器包括一个中心阵元和至少一个非中心阵元。其中，中心阵元为圆形阵元，非中心阵元为围绕中心阵元的环形阵元。多个环形阵元依次嵌套排布，且其中一个环形阵元中嵌套有圆形阵元。在实际应用中，移液前需要调整阵列超声换能器和源载液平台在x轴、y轴和z轴上的位置，z轴即代表阵列超声换能器和源载液平台之间的距离。本实施例通过至少两个阵元即可实现阵列超声换能器的调焦作用，无需移动阵列超声换能器和源载液平台之间的距离即可实现在z轴方向的位置调节。
70.优选地，圆形阵元嵌套在环形阵元内侧，即环形阵元和圆心阵元共同构成同心圆结构。说明书附图2提供了一种环形阵列超声换能器的阵元截面示意图，图2中包括圆形阵
元e1、环形阵元e2和环形阵元e3，环形阵元e2、e3和圆形阵元e1具有相同的圆心。
71.进一步优选地，环形阵列超声换能器包括匹配层，压电层和柔性板，具体结构如说明书附图3所示。压电层用于发出超声波束，匹配层用于使压电层与外部物体之间的声阻抗匹配，柔性板用于实现压电层与外部电路的电气互连，相对于传统的引线工艺，采用柔性板实现电气互连能够简化阵列超声换能器的引线工艺。本实施例的环形阵列超声换能器只需较少阵元就能实现动态精确的焦距调整，在阵元数大幅度少于线阵和面阵换能器阵元数的情况下形成高分辨率的聚焦声场，制作工艺简单、成本低，操作简单。
72.在进行超声移液之前，需要确定源载液平台和目标载液平台，尤其要确认源载液平台中溶液的液体参数。源载液平台用于存储待移取溶液，目标载液平台即为溶液转移后的位置，移液的过程就是将待移取溶液逐滴从源载液平台转移到目标载液平台。
73.在本实施例中，液体参数包括源载液平台的液面高度、液体密度以及超声波在液体中的传播速度。基于超声波在液体中的传播速度以及液体密度调整激励信号的能量和电机的相关参数。液面具体为源载液平台中液体与空气接触的界面。液面高度即为液面与源载液平台中容纳液体的腔体的底部之间的距离，不同的源载液平台可能具有不同液面高度的液体。需要获取准确液面高度，以调整移液操作中激励波形的相关参数，进而实现精准移液。在本实施例中，通过分析反射超声波的频率、相位和幅度信息，可以得出液体的相关参数。
74.现有技术中，需要借助专门的设备进行液面位置的确定，不仅需要额外的设备成本，且操作复杂，不能及时、准确的判断液面位置。在大批量移液时，液面位置的确定更是极为耗费时间，严重影响移液效率。
75.根据源载液平台的液体参数调整激励参数包括：基于液面高度对移液操作的激励波形进行波形调整，以控制移液操作在进行激励时的超声能量。液面高度不同，移液所需波形也不同。本实施例通过对激励波形进行调整，以实现完美匹配移液所需的超声能量。波形调整包括激励波形的振幅、周期数量以及激励波形之间的相对相位延迟。若液面位置较高，则减小环形阵列超声换能器各个阵元的激励波形以减少相对相位延迟，提高超声波焦点位置；同时提高激励波形的振幅或周期数量；若液面位置较低，则增大各个阵元的激励波形相对相位延迟；同时降低激励波形的振幅或周期数量。
76.针对源载液平台中液面位置难以确定的问题，本实施例的超声移液方法借助环形阵列超声换能器，通过测量步骤可确定源载液平台中溶液的液面位置。测距的流程具体包括：激励环形阵列超声换能器发射第一发射超声波；第一发射超声波到达源载液平台中的溶液与空气之间的界面后，产生回波信号，回波信号即为第一反射超声波；通过环形阵列超声换能器中的各个阵元接收第一反射超声波，并进行动态波束合成，合成一条超声波束。通过分析超声波束能够获取液体参数。
77.动态波束合成具体包括：各个阵元接收第一反射超声波，依据其超声波传播方向的深度值和换能器物理尺寸计算获取超声波双向传播的时间参数，基于所述时间参数进行多个信号的延迟叠加。
78.示例性的，超声波束中存在不同的信号点，超声波经过源载液平台中的不同介质时，会表现出不同的幅值变化，这些幅值变化的点即为信号点。信号点能够准确反映出源载液平台的不同介质结构。确定第一反射超声波中的幅值变化的信号点，从信号点中便能确
定源载液平台中溶液的液面位置。
79.优选地，第一发射超声波为平面波声束。平面波声束经过不同的介质会发生幅值的变化，并表现在反射的第一反射超声波中。例如，第一反射超声波会在液面位置处有明显幅值变化的信号点。同样的，平面波声束作用于源载液平台的不同位置时，也会产生相应的信号点。在源载液平台已知的情况下，本实施基于这些信号点来确定液面位置。
80.说明书附图4提供了测量液面距离的原理示意图。在图4，第一反射超声波中各个幅值变化的点即为信号点，即l1、l2和l3上的某些点，信号点的位置对应源载液平台的各个位置。线l1对应源载液平台的顶部a1处，线l3对应源载液平台的底部a3处，线l2对应源载液平台中的液面位置a2处。在已知a1和a3的情况下，可根据l1、l2和l3各自线上的信号点，确定液面位置。
81.液面参数检测具体包括：一个环形阵列超声换能器发射第一发射超声波；第一发射超声波同时作用于多个载液平台，分别产生相应的第一反射超声波；通过环形阵列超声换能器接收多个载液平台的第一反射超声波；确定第一反射超声波中的幅值变化的信号点，从信号点中确定多个源载液平台中溶液的液面位置。进一步优选地，通过扩展环形阵元的数量，以增大第一发射超声波的输出范围，以此实现更多载液平台的液面位置检测。
82.优选地，在移液时激励中心阵元和至少一个非中心阵元，既确保了移液的精度，又保证了移液的质量。
83.在移液时，控制单元激励环形阵列超声换能器的中心阵元和至少一个非中心阵元，以发射第一超声波束，第一超声波束聚焦在源载液平台中溶液的液面位置，在超声辐射力的作用下，将液滴从源载液平台转移到目标载液平台，以实现非接触移液。移液的原理示意图如说明书附图5所示。控制单元追踪所有液滴的位置和状态，能根据需要实现从任意源位置至目标位置的液滴转移，转移精度高，能够快速、安全、精准地实现液体移动。本实施例的超声移液方法无需接触待移取溶液，通过聚焦点位置的高精度调整，不仅能够满足微量试剂的转移的精度需求，还能实现批量试剂的高重复性要求。
84.优选地，第二发射超声波为高强度的聚焦波声束。控制单元激励环形阵列超声换能器发射聚焦波声束，高强度的聚焦波声束聚焦于源载液平台液面位置，实现液滴从源载液平台到目标载液平台地非接触式移动。本实施例通过环形阵列超声换能器精确调整焦距，以追踪源载液平台液面位置进行移液操作，不仅检测成本低，而且灵活实用。
85.本实施例提出了一种基于环形阵列超声换能器的超声移液方法，基于环形阵列超声换能器实现液体参数检测和非接触式超声移液，不仅具备非接触式移液安全、准确的特点，而且系统复杂度低，设备成本低，操作简单。环形阵列超声换能器可以在阵元数大幅度少于线阵和面阵换能器阵元数的情况下形成高分辨率的聚焦声场，实现精确的焦距调整，制作工艺简单，且成本低。
86.实施例2
87.本实施例提供了一种基于环形阵列超声换能器的超声移液系统，将实施例1的方法系统化，系统的结构示意图如说明书附图6所示，具体方案如下：
88.一种基于环形阵列超声换能器2的超声移液系统，包括，
89.控制单元1，连接环形阵列超声换能器2，用于激励环形阵列超声换能器2发射超声信号。通过激励环形阵列超声换能器2发射不同的超声信号，以控制超声移液系统实现移液
模式和测量模式两种工作状态切换，衔接顺畅，能够大幅度缩短移液操作所需的时间。
90.环形阵列超声换能器2，包括一个圆形阵元和至少一个环形阵元；用于执行部分测量操作和部分移液操作；
91.执行的测量操作包括：
92.使一个中心阵元被激励，或中心阵元和至少一个非中心阵元被激励后产生短脉冲的第一发射超声波；第一发射超声波到达一个源载液平台的液面后，产生第一反射超声波；各个阵元接收第一反射超声波，并进行动态波束合成，得到一条超声波束；
93.执行的移液操作包括：
94.中心阵元和至少一个非中心阵元被激励后产生长脉冲的第二发射超声波；第二发射超声波聚焦于源载液平台中的液面上，在超声波的聚焦作用下，将源载液平台5中的溶液以液滴形式移动到目标载液平台；
95.控制单元，用于激励环形阵列超声换能器2；分析超声波束，获取源载液平台5的液体参数，以实现对源载液平台5液体参数的测量；在移液操作开始时，根据源载液平台5的液体参数调整移液操作的激励参数。
96.源载液平台5，用于存储待移取溶液；
97.目标载液平台6，用于储存移液后的溶液；
98.耦合介质3，分别接触环形阵列超声换能器2和源载液平台5，用于提供从环形阵列超声换能器2到源载液平台5的有效能量传递。
99.其中，耦合介质3和环形阵列超声换能器2位于壳体4内，壳体4能够保护系统的安全。
100.在进行超声移液之前，需要确定源载液平台5和目标载液平台6，尤其要确认源载液平台5中溶液的液面位置。源载液平台5用于存储待移取溶液，目标载液平台6即为溶液转移后的位置，移液的过程就是将待移取溶液逐滴从源载液平台5转移到目标载液平台6。
101.在测量模式下，系统能够同时对多个源载液平台5中溶液的液体参数进行检测。液体参数包括源载液平台的液面高度、液体密度以及超声波在液体中的传播速度。基于超声波在液体中的传播速度以及液体密度调整激励信号的能量和电机的相关参数。液面具体为源载液平台中液体与空气接触的界面。液面高度即为液面与源载液平台中容纳液体的腔体的底部之间的距离，不同的源载液平台可能具有不同液面高度的液体。需要获取准确液面高度，以调整移液操作中激励波形的相关参数，进而实现精准移液。在本实施例中，通过分析反射超声波的频率、相位和幅度信息，可以得出液体的相关参数。
102.优选地，圆形阵元嵌套在环形阵元内侧，即环形阵元和圆心阵元共同构成同心圆结构。说明书附图2提供了一种环形阵列超声换能器2的阵元截面示意图，图2中包括圆形阵元e1、环形阵元e2和环形阵元e3，环形阵元e2、e3和圆形阵元e1具有相同的圆心。
103.进一步优选地，环形阵列超声换能器2包括匹配层21、压电层22和柔性板23，具体结构如说明书附图3所示。压电层22用于发出超声波束，声学匹配层21用于使压电层22与外部物体之间的声阻抗匹配，柔性板23用于实现压电层22与外部电路的电气互连，相对于传统的引线工艺，采用柔性板23实现电气互连能够简化阵列超声换能器的引线工艺。本实施例的环形阵列超声换能器2只需较少阵元就能实现动态精确的调整焦距，在阵元数大幅度少于线阵和面阵换能器阵元数的情况下形成高分辨率的聚焦声场，制作工艺简单、成本低，
操作简单。
104.本实施例的环形阵列超声换能器可以在阵元数大幅度少于线阵和面阵换能器阵元数的情况下形成高分辨率的聚焦声场，环形阵列超声换能器结构简单，大大降低了系统复杂度，提升了移液系统的灵活性和实用性。
105.本实施例提供了一种基于环形阵列超声换能器的超声移液系统，将实施例1的方法系统化，使其更具实用性。
106.本发明提供了一种基于环形阵列超声换能器的超声移液方法及其系统，基于环形阵列超声换能器实现液体参数检测和非接触式超声移液，不仅具备非接触式移液安全、准确的特点，而且系统复杂度低，设备成本低，操作简单。环形阵列超声换能器可以在阵元数大幅度少于线阵和面阵换能器阵元数的情况下形成高分辨率的聚焦声场，实现精确的焦距调整，制作工艺简单，且成本低。
107.本领域普通技术人员应该明白，上述的本发明的各模块可以用通用的计算系统来实现，它们可以集中在单个计算系统上，或者分布在多个计算系统所组成的网络上，可选地，他们可以用计算机系统可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储系统中由计算系统来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
108.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
109.以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。