用于使用聚焦声制备纳米晶体组合物的系统和方法.pdf

使用聚焦声处理来引发和／或增强晶体生长的用于制备纳米晶体组合物的方法和系统。可以采用流通系统来将体积大于或小于30mL的样品材料暴露于聚焦声能同时以至少0.1mL／分钟的流量流过处理室。可以通过合适的聚焦声场以循环方式和／或基于样品被监测的特征调整处理参数(例如结晶度的水平)来处理样品材料。样品内的纳米晶体颗粒可以具有密集的颗粒大小分布，其中平均颗粒大小为10nm至1微米。可以使用聚焦声可重复地制备稳定的纳米晶体组合物，以使其具有可控的形态和大小。

权利要求书
1.  制备纳米晶体组合物的方法，其包括：
在容器中提供体积大于30mL的至少一部分样品；
使所述至少一部分样品以至少0.1mL／分钟的流量流经所述容器；
使具有约100千赫至约100兆赫之频率和具有小于约2厘米大小尺寸之聚焦区的聚焦声能传递通过所述容器的壁，从而使所述至少一部分样品置于所述聚焦区中；以及
通过将所述样品至少部分地暴露于所述聚焦区，在所述样品内通过晶体生长形成具有约10nm至约1微米之平均大小的多个晶体颗粒。

2.  权利要求1所述的方法，其中将所述样品暴露于所述聚焦区之后的小于1小时的持续时间内，所述多个晶体颗粒的平均大小不改变超过20％。

3.  权利要求1所述的方法，其中将所述样品暴露于所述聚焦区之后所述多个晶体颗粒的最终平均大小比所述样品暴露于所述聚焦区之前所述多个晶体颗粒的初始平均大小大至少100％的初始平均大小。

4.  权利要求1所述的方法，其中将所述样品暴露于所述聚焦区期间所述样品中所述多个晶体颗粒的平均大小不改变超过100％。

5.  权利要求1所述的方法，其中所述样品的体积大于100mL。

6.  权利要求1所述的方法，其中所述样品的体积大于1L。

7.  权利要求1所述的方法，其中所述样品暴露于所述聚焦区小于1小时。

8.  权利要求1所述的方法，其中所述样品中所述多个晶体颗粒的平均大小为约100nm至约700nm。

9.  权利要求1所述的方法，其中所述样品中所述多个晶体颗粒的多分散指数小于1.0。

10.  权利要求1所述的方法，其中所述样品中所述多个晶体颗粒包含所述样品中所有颗粒的超过90％。

11.  权利要求1所述的方法，其还包括使一部分样品流经所述容器的至少一个处理室，从而使所述样品在置于所述至少一个处理室中时暴露于 所述聚焦区。

12.  权利要求11所述的方法，其中所述至少一个处理室包含入口和出口。

13.  权利要求12所述的方法，其中使一部分样品流经所述至少一个处理室包括使该部分样品流经所述至少一个处理室的所述入口和所述出口，并将所述样品暴露于所述聚焦区多次。

14.  权利要求12所述的方法，其中所述至少一个处理室与至少一个储库流体连通。

15.  权利要求14所述的方法，其中所述至少一个处理室的入口与供应储库直接流体连通，并且所述至少一个处理室的出口与出口储库直接流体连通。

16.  权利要求11所述的方法，其中所述至少一个处理室包含第一处理室，所述第一处理室具有与第二处理室的入口直接流体连通的出口。

17.  权利要求11所述的方法，其中所述至少一个处理室的体积小于所述容器的体积。

18.  权利要求17所述的方法，其中所述样品的体积小于所述至少一个处理室的体积。

19.  权利要求11所述的方法，其中所述至少一个处理室的形状具有大于5的纵横比。

20.  权利要求1所述的方法，其中所述聚焦区具有大于5的纵横比。

21.  权利要求11所述的方法，其中所述至少一个处理室包含拱顶形或圆柱形的形状。

22.  权利要求11所述的方法，其中所述至少一个处理室是可弃型的。

23.  权利要求1所述的方法，其中使所述容器中的一部分样品流动包括使该部分样品以约0.5mL／分钟至约100mL/分钟的流量流经所述容器。

24.  权利要求1所述的方法，其中传递聚焦声能以使所述样品至少部分地置于所述聚焦区中包括传递大于100个周期／猝发的聚焦声能。

25.  权利要求24所述的方法，其中所传递的聚焦声能包含1000个周期／猝发至6000个周期／猝发。

26.  权利要求1所述的方法，其中所述样品包含生物活性剂。

27.  权利要求26所述的方法，其中所述样品还包含助形成物材料。

28.  权利要求1所述的方法，其中将所述样品暴露于所述聚焦声能以间歇的时间段发生。

29.  制备纳米晶体组合物的方法，其包括：
在容器中提供样品；
将1000个周期／猝发至6000个周期／猝发、频率为约100千赫至约100兆赫并且具有小于约2厘米之大小尺寸的聚焦区的聚焦声能传递通过所述容器的壁，从而使所述至少一部分样品置于所述聚焦区中；以及
通过将所述样品至少部分地暴露于所述聚焦区，在所述样品内通过晶体生长形成具有约10nm至约1微米之平均大小的多个晶体颗粒。

30.  权利要求29所述的方法，其中所述容器中的所述样品的体积大于30mL。

31.  权利要求29所述的方法，其还包括使至少一部分样品以至少0.1mL／分钟的流量流经所述容器。

32.  用于制备纳米晶体组合物的系统，其包含：
容器；
置于所述容器内的、体积大于1mL的样品，所述容器构造和设置成使得一部分样品以至少0.1mL／分钟的流量在所述容器内流动；
声能来源，其与所述容器隔开且在所述容器外部并且适于发射聚焦声能，所述聚焦声能具有约100kHz至约100MHz的频率和穿过所述容器之壁的具有小于约2cm之大小的聚焦区，从而使所述样品至少部分地置于所述聚焦区中，其中，在所述样品暴露于所述聚焦区一段时间之后，所述样品包含通过晶体生长形成的具有约10nm至约1微米之平均大小的多个晶体颗粒。

说明书用于使用聚焦声制备纳米晶体组合物的系统和方法
背景
1.技术领域
本文中描述的一些方面涉及使用聚焦声能(focused acoustic energy)来制备纳米晶体组合物。在一些情况下，本文中讨论的纳米晶体组合物和相关的系统和方法可用于与递送生物活性剂相关的领域。
2.相关领域
声处理系统(acoustic treatment system)可用于使样品暴露于声场(acoustic field)。可进行声处理的样品包括遗传物质(例如，DNA、RNA)、组织材料(例如，骨、结缔组织、血管组织)、植物材料(例如，叶、种子)、细胞以及其他物质。声处理系统可用于处理生物和／或非生物物品。在一些设置中，声能(acoustic energy)可相对强烈，引起样品材料被破碎、裂解或以其他方式破坏。例如，可将含有多个细胞的样品暴露于声处理，以致细胞膜和其他组分被破坏或以其他方式降解，从而使DNA或其他遗传物质释放到液体中。然后可收集所述遗传物质并将其用于多种类型的分析。声处理系统使用声换能器(acoustic transducer)来为这些过程产生合适的声场。所述声场可以被聚焦或以其他方式设置，从而引起对样品材料的期望作用。此类系统的实例在美国专利No.6,948,843；6,719,449；7,521,023；和7,687,026中描述。
发明概述
本文中描述的一些方面涉及用于使用聚焦超声声处理(focused ultrasonic acoustic processing)制备纳米晶体组合物的系统和方法。特别是，以诱导样品中晶体生长的方式对通常具有较大体积(例如，大于通常被置于试管中的样品的体积或者大于30mL)的样品施加聚焦超声声能，并产生多个具有亚微米特征的稳定纳米晶体颗粒。在一些实施方案中，纳米晶体颗粒可以作为颗粒在液体溶液中的悬液来形成。在某些情况下，尽管不是必需的，纳米晶体颗粒可以作为用于生物活性剂(例如药物和/或 其他治疗性化合物)之递送系统中的试剂来提供。
大体积纳米晶体组合物的制备并不是本公开内容所要求的。因此，在一些实施方案中，可采用使用聚焦声的系统和方法来处理小体积(例如，可以在试管或微孔板中进行处理的样品的体积，或小于30mL的体积)，从而产生合适的纳米晶体组合物。例如，已发现与控制某些处理参数(例如每次猝发(burst)的周期数、占空比(duty cycle)、聚焦声处理的持续时间、聚焦声场的功率水平)相关的一些方面在产生本文中所述的合适纳米晶体组合物中有效。
在纳米晶体组合物的制备中，例如可将具有通常较大体积的样品可以置于和／或引入具有处理区(processing region)或处理室(processing chamber)的容器中，并且至少一部分样品可暴露于小于2厘米之大小尺寸的声能聚焦区(focal zone)。聚焦声场可由声能来源(acoustic energy source)产生，所述来源在合适的功率水平、适当的条件下运作一定的时间，从而在所述混合物充分暴露于声场聚焦区之后，可产生含有多个平均大小为约10nm至约1微米之颗粒的稳定纳米晶体组合物。例如，声能来源可以脉冲的形式产生聚焦声场，并可产生大的周期数／猝发(例如高至5000个周期/猝发)。
在一些情况中，聚焦声场可使样品内的位点成核，引起在成核位点发生纳米颗粒的晶体生长。聚焦声场还可以增强纳米颗粒的晶体生长，使得晶体在样品中的生长速率快于样品没有经进一步聚焦声场处理的纳米颗粒的晶体生长速率。在一些实施方案中，聚焦声场不仅使样品内的位点成核，在所述位点可随后出现晶体生长，所述聚焦声场还可以使样品内已经生长的晶体材料的一部分中断。尽管适当的聚焦声场可以使样品内某些位置的晶体材料片中断，但是在某些情况下，在断裂发生的晶体区域，可以生长亚晶体。在一些情况中，亚晶体可以从其他的晶体部分生长，或在一些情况中，亚晶体可以从已经从主晶体中断的晶体部分生长。
可以通过聚焦声对高体积的样品进行处理以通过晶体生长形成纳米晶体颗粒，例如样品大于50mL、大于100mL、大于1L、或甚至更大。在一些实施方案中，可以使用流通系统(flow through system)对具有高体积的样品进行声处理。例如样品可以以这样的方式流经容器的处理室，从而使当样品置于所述处理室中时暴露于聚焦声场的聚焦区。在多种实施方案中，本文中描述的纳米晶体组合物的合适制备不需要流通系统。例如，可以在没有入口或出口的处理室(例如试管、移液管、多孔板)中使用聚 焦声处理样品以形成纳米晶体组合物，
在一些情况中，处理室可具有小于样品总体积的体积。例如，可以使一部分样品通过处理室，并经受聚焦声处理。所述经聚焦声处理的这部分样品可以随后被移动至该系统内或之外的另一位置。
不同部分的样品可以进行一次或多次的声处理。例如，样品可以在处理室与储库之间循环流动。或者，样品可以流经具有多个处理室的系统，并且在每个处理室中进行声处理。在一些实施方案中，处理室可以是长的导管，并且聚焦声场的聚焦区也可以被拉长，从而当样品流经处理室时对其进行声处理。经过容器(例如经过处理室)的至少部分样品的流量可以是至少0.1mL/分钟，或约0.5mL/分钟至约100mL／分钟。采用流通设置，对可以进行声处理之样品材料的体积没有限制。
聚焦声场的某些参数(例如每次猝发的周期数)在合适地产生纳米晶体组合物中发挥作用。在一些情况中，在适当地调整聚焦声场的每次猝发的周期数之后，晶体生长的位点成核和／或晶体生长本身可被增强。在一些实施方案中，可以在100个周期/猝发至6000个周期／猝发的范围内运行聚焦声场。例如，用于制备纳米晶体组合物的聚焦声场可以在大于100个周期／猝发、大于1000个周期/猝发、大于2000个周期/猝发、大于3000个周期／猝发、大于4000个周期/猝发、大于5000个周期/猝发、或大于6000个周期／猝发的情况下运行。在某些情况下，当样品经具有适当周期数／猝发(例如，5000个周期／猝发)的聚焦声场时，可以产生具有密集颗粒大小分布的稳定的纳米晶体组合物。
在一个举例说明性的实施方案中，提供了制备纳米晶体组合物的方法。所述方法包括在容器中提供体积大于30mL的至少一部分样品；使所述至少一部分样品以至少0.1mL／分钟的流量流经容器；使具有约100千赫至约100兆赫之频率和具有小于约2厘米大小尺寸之聚焦区的聚焦声能传送穿过所述容器的壁，从而使所述样品至少部分地置于所述聚焦区中；以及通过至少部分地将样品暴露于聚焦区，在样品内通过晶体生长形成多个平均大小为约10nm至约1微米晶体颗粒。
在另一个举例说明性的实施方案中，提供了制备纳米晶体组合物的方法。所述方法包括在容器中提供样品；使1000个周期／猝发至6000个周期／猝发的、具有约100千赫至约100兆赫之频率和具有小于约2厘米大小尺寸之聚焦区的聚焦声能传送穿过所述容器的壁，从而使至少一部分样品置于所述聚焦区中；以及通过至少部分地将样品暴露于聚焦区，在样品 中通过晶体生长形成多个平均大小为约10nm至约1微米的晶体颗粒。
在另一个举例说明性的实施方案中，提供了用于制备纳米晶体组合物的系统。所述系统包含容器；置于所述容器中的体积大于1mL的样品，所述容器的构造和设置使部分样品以至少0.1mL／分钟的流量在容器内流动；以及声能来源，其与所述容器隔开且在其外部并且适于发射聚焦声能，所述聚焦声能具有约100kHz至约100MHz的频率和穿过所述容器壁的具有小于约2cm大小的聚焦区，从而使所述样品至少部分地置于所述聚焦区中，其中，在所述样品暴露于聚焦区一段时间之后，所述样品包含通过晶体生长而形成的多个晶体颗粒，其平均大小为约10nm至约1微米。
本发明的多个实施方案提供了某些优点。本发明的所有实施方案并不共有同样的优点，并且共有同样优点的那些实施方案并不是在所有情况下都共有所述同样的优点。
下文中参照附图详细地描述了本发明的另一些特征和优点以及本发明多个实施方案的结构。
附图简述
参照附图通过举例的方式来描述本发明的一些非限制性实施方案，所述附图是示意性的且并不旨在按比例绘制。在图中，图示的每个相同或几乎相同的组件通常由同一数字表示。为了清楚的目的，并不是在每幅图中对每个组件都进行标记，当图示对于本领域普通技术人员理解本发明来说并不必需时，也并不示出本发明每个实施方案的每个组件。图中：
图1示出了根据一个举例说明性实施方案之声处理系统的示意图；
图2图示了根据一个举例说明性实施方案之另一声处理系统的示意图；
图3描述了根据一个举例说明性实施方案之另一声处理系统的示意图；
图4示出了根据一个举例说明性实施方案之不同声处理系统的示意图；
图5图示了根据一个举例说明性实施方案之另一声处理系统的示意图；
图6图示了根据一个举例说明性实施方案之声处理系统的处理室的 示意图；
图7描述了根据一个实施例的样品的颗粒大小分布；
图8描述了根据另一个实施例的样品的颗粒大小分布；
图9图示了图8的样品在一段时间之后的颗粒大小分布；
图10描述了根据一个不同实施例的样品的颗粒大小分布；
图11图示了图10的样品在一段时间之后的颗粒大小分布；
图12描述了根据另一个实施例的样品的颗粒大小分布；
图13图示了图12的样品在一段时间之后的颗粒大小分布；
图14描述了根据另一个实施例的样品的颗粒大小分布；
图15图示了图14的样品在一段时间之后的颗粒大小分布；
图16为一个实施方案中的声处理系统的分解透视图(exploded perspective view)，其包含位于容器内的室；
图17为图16实施方案在组装条件下的横截面图；
图18为具有夹套热交换系统(jacketed heat exchanging system)的声处理室的横截面图；
图19为在一个举例说明性实施方案中具有插入元件的声处理室的横截面图；
图20为在一个举例说明性实施方案中具有插入元件的声处理室的横截面图，所述插入元件包含悬杆(suspended rod)和球形元件；
图21为包含具有搅拌器之储库的声处理系统的一个举例说明性实施方案；
图22为设置用于材料之振荡流动的声处理系统的一个举例说明性实施方案；
图23为设置用于使用多个处理室对材料进行连续处理的声处理系统的一个举例说明性实施方案；
图24示出了一个实施方案中声处理系统的示意图；
图25为在另一个举例说明性实施方案中声处理室的横截面图；
图26为图24的声处理室的透视图；
图27为具有锥形拱顶(dome)的声处理室的横截面图；
图28为具有圆柱形拱顶的声处理室的横截面图；以及
图29为具有拱顶的声处理室的横截面图，所述拱顶具有锥形和圆柱形部分。
发明详述
本公开内容涉及使用聚焦声迅速且高效地制备大体积纳米晶体组合物的系统和方法。本文中描述的过程可重复、可控、快速产生结果、避免样品材料的交叉污染和/或可以是等温的(即，声处理时避免样品过热)。纳米晶体组合物和以简单、方便的方式产生它们的大体积或小体积的能力可用于增进治疗性递送的现有方法，以及用于治疗性递送的制备系统。在一些实施方案中，样品可以以引发样品内晶体生长的方式暴露于聚焦声场，从而形成纳米晶体组合物。例如，大体积的样品例如大于约30mL的体积(例如大于通常见于试管或多孔板中之样品的体积)可以用聚焦声进行处理，从而导致样品中晶体生长。更少的样品体积(例如小于约30mL或可以盛装在试管或多孔板中之样品的体积)也可以使用聚焦声进行合适地处理，以得到纳米晶体组合物。所述纳米晶体颗粒通常具有10nm至1微米的平均颗粒大小和窄的颗粒大小分布(例如，低的多分散指数，例如小于0.1)。
在一些实施方案中，在聚焦声处理期间，至少一部分样品以至少0.1mL／分钟的流量流经容器(例如通过处理室)。不包含流通系统的其他设置可用于用聚焦声场处理样品。在一些实施方案中，可以生成聚焦声场以处理样品从而在没有入口或出口的处理室内形成纳米晶体组合物，所述处理室例如试管、移液管、多孔板或其他合适的设置(例如，封闭的室、混合容器等)。
本文中使用的“声能(sonic energy)”旨在涵盖例如以下的术语：声能(acoustic energy)、音波、声脉冲、超声能、超声波、超声、冲击波(shock wave)、声能(sound energy)、声波、声脉冲(sonic pulse)、脉冲、波或这些术语的其他任何语法形式，以及具有与声能(sonic energy)类似性质的任何其他形式的能量。本文中使用的“聚焦区(focal zone)”或“聚焦点(focal point)”意指声能会聚和/或冲击(impinge)目标的区域，然而聚集的区域并不必然为单个的聚焦点，但可以包含不同大小和形状的体 积。本文中使用的术语“处理室”或“处理区”意指声能会聚并且存在样品材料供处理的容器或区域。本文中使用的“非线性声”可意指输入和输出之间不相称。例如，当施加于声换能器上的振幅提高时，正弦输出失去相称性，从而最终峰正压(peak positive pressure)以高于峰负压(peak negative pressure)的速率提高。同样，水在高声能强度下变成非线性，在会聚的声场中，当强度提高至焦点，波变得更加紊乱。组织的非线性声性能可以用于诊断和治疗应用。本文中使用的“声流(acoustic streaming)”意指通过声波产生流体流动。该效应可以是非线性的。由于从声场吸收的动量，可以使液体沿着声场方向发生总体液体流动。本文中使用的“声微流(acoustic micro-streaming)”意指仅仅发生在来源或障碍物周围的流体小区域内的不依赖于时间的环流，例如声场中声驱动的气泡。本文中使用的“声吸收(acoustic absorption)”可指与材料将声能转化为热能之能力相关的材料特征。本文中使用的“声阻抗(acoustic impedance)”可意指表面上的声压与通过该表面的声通量(sound flux)的比值，该比值具有电抗(reactance)和阻抗(resistance)部分。本文中使用的“声窗(acoustic window)”可意指允许声能通过处理室或处理区内样品的系统或装置。本文中使用的“声透镜(acoustic lens)”可意指用于传播、会聚或以其他方式引导声波的系统或装置。本文中使用的“声散射(acoustic scattering)”可意指声波的不规则和多方向的反射和衍射，所述声波由多个反射面(与波长相比所述反射面的尺寸较小)产生，或者由波在其中传播之介质中的某些不连续性产生。
虽然超声已用于多种诊断、治疗和研究目的，但是生物物理学、化学和机械效应通常仅被经验性地理解。在材料处理中对声能的一些应用包括“声处理(sonication)”，其是机械破坏的非精制处理，涉及将发射低千赫(kHz)范围(例如，15kHz)能量的未聚焦超声来源直接浸入到被处理材料的流体悬液中。因此，声能由于声波的未聚焦和随机性而产生不一致的结果，并且易于诱导样品过热，这是因为能量被分散、吸收和／或未与靶标适当地对齐。
与声能的一些现有应用相反，在制备纳米晶体组合物中使用本文所述的“聚焦声”具有显著的益处，包括以下列出的那些。聚焦声提供的显著优点在于，其允许稳定且可重复地制备具有期望颗粒大小分布(例如，具有窄分布的合适颗粒大小范围)的纳米晶体组合物。在声处理过程中，聚焦声还在处理和制备纳米晶体组合物时极少或不对样品提供不利的加热(例如，提供具有等温地对样品进行声处理的能力)。组合物可以在被包 含的环境(即封闭系统)中处理，从而能够进行无菌非接触操作，没有污染的风险。聚焦声处理是可高度地扩展至体积大于通常盛装在单次使用容器(例如试管、移液管头或多孔板)内之典型样品体积的样品大小。另外，本文中所述的聚焦声方法可涉及简单的处理操作，与常规的声波处理或向样品材料施加声能的方法相比，所述操作需要较少的人力、通常较低的操作技能。可根据Covaris，Inc，Woburn，MA提供的适应性聚焦声(adaptive focused acoustics，AFA)法来使用聚焦声。
可以采用聚焦声场在样品内生成成核位点，其中允许在成核位点发生纳米颗粒的晶体生长。在一些情况下，成核发生在恰好超过了样品饱和的水平，在该水平，结晶效应和晶体沉淀超出了结晶化合物重新溶解入溶液中的趋势。一旦形成成核位点，可以出现晶体生长，不论是否进一步暴露于或不暴露于聚焦声能。然而，进一步暴露于聚焦声能可以增强纳米颗粒的晶体生长速率。但是，在某些情况下，除了初始成核之外，在进一步暴露于聚焦声能时，晶体生长速率保持不受影响。尽管成核和晶体生长可以同时发生，但是，根据聚焦声处理的不同情况，成核或晶体生长的其中之一可以被调整以压倒另一个，由此以可重复的方式可控地生产具有多种形状和大小的纳米晶体材料。
当纳米晶体颗粒经过晶体生长和凝聚，聚焦声场可以以其中纳米晶体颗粒和／或凝聚的一部分被分解为两个或更多个片的方式破坏颗粒的凝聚。在一些实施方案中，纳米晶体颗粒断裂的区域可以继而充当样品内亚晶体发生进一步晶体生长的成核位点。因此，聚焦声可以促使并传播晶体在样品内生长的动态过程，尽管晶体仍然被破坏／断裂，但是产生了成核位点，其中在成核位点发生进一步的晶体生长。这样的晶体生长以及样品内微粉化的过程可以产生稳定的、具有密集颗粒大小分布的制剂，其具有亚微米平均颗粒大小。
在形成具有优选特性的纳米晶体组合物中，可能有大量因素在起作用，例如，样品进行声处理的时间；样品没有经受聚焦声的时间；在进行声处理之前、期间或之后样品中是否向样品添加其他材料(例如，助形成物(co-former)、晶种／种子材料等)；样品材料本身的性质(例如材料发生晶体生长的倾向性)；样品内待结晶的组合物浓度；样品的温度(例如，不管处理是否等温地发生，或温度逐渐下降)；声换能器产生聚焦声场的功率输出；聚焦声输出的模式(例如，脉冲声、每次猝发的周期数等)；样品通过处理室的流量；样品用聚焦声场处理的次数；或其他影响因素。
在一些实施方案中，聚焦声场可以施加于样品以生成成核位点，然后可以关闭声换能器，从而在没有聚焦声能的存在下晶体生长。在某些情况下，与持续暴露于聚焦声能所得到的样品相比，这样的设置由于缺乏破坏力会形成更大的晶体。
聚焦声能还可以施加于样品以根据任何适当的方案引发结晶。在一些例子中，聚焦声能以脉冲方式提供，其提供了具有压缩和扩张力的循环效应。在某些情况下，脉冲聚焦声所创造的环境使晶体位点成核，接下来给予晶体空间和能量以可预测地生长。在一些实施方案中，样品以间歇的时间间隔暴露于聚焦声能。例如，样品经聚焦声场处理第一时段(例如小于1分钟)，然后样本在不经受聚焦声场下保持一段时间(例如小于1分钟)。接下来以产生具有期望颗粒大小分布和形态之稳定纳米晶体组合物的方式以重复的方式再次处理样品。因此，根据聚焦声处理的方案，纳米晶体颗粒的颗粒大小分布是合适地受控的。
在聚焦声处理之前，样品可以表现为任何适当的制剂。在一些实施方案中，在暴露于聚焦声场之前，样品可以是其中不包含任何颗粒的溶液形式。因此，当样品暴露于聚焦声能时，小颗粒从容器中沉淀出来，作为成核位点用于在在颗粒上发生晶体生长。在一些实施方案中，在样品暴露于聚焦声场之前，样品为悬液或乳液形式，其中样品中已经包含了小颗粒或不溶性组分。同样地，聚焦声场可以在悬液的颗粒上形成成核位点，和／或增强样品内颗粒的晶体在生长。
本发明人已经认识并领会到，用市场上现有的大量药物，通过制药工业生产的大量化学组合物是亲脂性(可溶性差)化合物。由于如此差的溶解度，药用剂趋于表现出短的生物半衰期、差的生物利用度、明显的不良作用和整体降低的稳定性。然后在临床前阶段评价此类组合物，所述组合物经常作为水基混悬剂而经口服用。与服用溶液制剂相比，服用水基混悬剂不利的一面是可出现不利的体内结果，例如降低的生物利用度和更高的对象间可变性。生物利用度是指药物施用量中通过身体吸收和／或代谢到达体循环的百分比。相反地，使用常规方法但却不用无毒水平的赋形剂和／或不消耗相当大的资源就不易获得溶液制剂，从而使大量化合物的早期评价无法实现。生产具有相对小的平均颗粒大小、保持稳定的纳米晶体组合物的制剂(例如混悬剂)有助于缓和上述问题中的一些。
尽管通过机械工艺例如研磨可以制备小的颗粒，但是所述工艺会破坏被研磨的颗粒的材料性质(例如形态)或对其产生不良影响。在一些治疗 应用中，例如药物吸入或经口施用时，颗粒的形状可影响颗粒如何被身体所吸收。因此，聚焦声处理可以用于重复产生具有优选形态和颗粒大小分布的纳米晶体组合物。
本文所述的纳米晶体组合物的颗粒大小分布可以用任何合适的方法进行测量。在一些实施方案中，颗粒大小分布使用动态激光光散射法(dynamic laser light scattering)(还称为光子相关光谱法(photon correlation spectroscopy))来测量(例如，使用Malvern Zetasizer-S，Zetasizer Nano ZS-90或Mastersizer2000仪器；Malvern Instruments Inc.；Southborough MA)。使用Malvern Zetasizer-S仪器，在波长633nm运作的4mW He-Ne激光和雪崩光电二极管探测器(avalanche photodiode detector，APD)来评估平均颗粒大小。可作为平均水动力大小(hydrodynamic size)来评估纳米组合物中颗粒的平均大小。颗粒大小分布可根据多分散指数(polydispersity index，PDI)来评估，其在本领域中被认作是分布密集性的量度。本文中讨论的纳米晶体组合物的颗粒平均大小和PDI根据动态光散射国际标准(International Standard on dynamic light scattering)(ISO13321)来计算。
纳米晶体组合物的颗粒可具有任何三维形状，例如立方体、平行六面体、六面体、多面体等。应领会的是，本文中所用的术语“颗粒大小”，可指通过本领域已知方法评估的经估计的颗粒大小。尽管通过所描述的系统和方法产生的晶体材料通常是天然分成块面的(faceted)，但是颗粒大小通常是指根据上述光散射测定方法假设具有大致为球形之颗粒的估计的直径。或者，颗粒大小可指多面体的估计的宽、长或其他尺寸，所述多面体例如立方体或平行六面体。在一些情况下，可以使用高分辨率显微镜，例如电子显微镜(例如，SEM、TEM等)或原子显微镜，来估计颗粒大小。
根据应用以及结晶的材料，通过本文所描述的聚焦声系统和方法制备的纳米晶体组合物的平均颗粒大小可以适当地发生变化。在一些实施方案中，已经过聚焦声处理的纳米晶体颗粒的平均颗粒大小为10nm至1微米，100nm至900nm，500nm至900nm，500nm至700nm，100nm至500nm，100nm至300nm。
根据本文提供的系统和方法，聚焦声处理工艺可以扩大规模，以对任何适当体积的样品材料进行声处理。在一些实施方案中，处理容器可以具有一个或更多个合适的入口和／或出口，其允许样品材料流入和流出容器 或容器的处理室。一旦合适地置于容器或处理室中，样品材料就在一组适当的条件下经受聚焦声处理。足够程度的聚焦声处理之后，样品材料可从容器或处理室中排出，以允许之前未被处理的更多样品经受聚焦声处理。对于本文中描述的多个实施方案，处理容器被认为与处理室等同。
在一些实施方案中，声处理系统可以包括储库(reservoir)和处理室(process chamber)，各自具有入口和出口，其彼此之间流体连通；即，允许流体通过合适的导管在储库与处理室之间移动(travel)。因此，样品材料可从储库移动至处理室，用于在合适的条件下进行聚焦声处理，随后可使其返回至储库。结果，样品材料可周期式地被声处理，其中一部分样品材料可接受多次聚焦声处理。
在一些实施方案中，样品材料可从供给储库移动至处理室以进行聚焦声处理。经处理的样品材料可随后从处理室移动至与供给储库隔开的不同容器。同样，样品材料可以经受单次声处理。
在一些实施方案中，样品材料可从供给储库移动通过多个处理室以进行不同水平的处理，例如不同条件的聚焦声。还可提供额外的导管用于样品材料的添加/移除，其可以用于增强结晶或可以提高／降低晶体生长的速率。在一个实例中，将额外的材料通过导管引入样品，一旦与样品材料组合，可增强晶体成核、沉积和/或生长。
在一些实施方案中，处理室为一导管，样品材料流经该导管。同样地，样品可以接收来自多个换能器的聚焦声处理，和／或样品可以接收产生聚焦区的换能器的聚焦声处理，所述聚焦区的形状横贯处理室导管的实际距离。
图1图示了根据美国专利No.6,948,843；6,719,449和7,521,023描述的系统的聚焦声处理系统1010。所述系统利用压电式换能器1020产生朝向被容纳在处理容器1040所限定空间内的样品1042的声能波1022。处理容器40位于流体浴容器1030内，声耦合介质(acoustic coupling medium)1032(例如，水)位于其中并与处理容器的外表面相接触。声能波1022从换能器1020传送通过介质1032，穿过处理容器1040的壁并在位于处理容器内或其壁附近的聚焦区1024会聚。声波的频率可具有任何合适的范围，例如约100千赫至约100兆赫，或约500千赫至约10兆赫。聚焦区1024与样品1042紧密相邻，从而向样品1042施加非接触式等温机械能。聚焦区可具有任何合适的形状和大小，例如具有小于2cm或小于1mm的大小尺寸(例如，宽度、直径)。
如上所述，本发明人已认识并领会到，用聚焦声系统对样品材料的处理工艺扩大规模以处理更大体积的材料是有利的。虽然图1的系统可结合允许换能器与处理容器之间相对运动的机械和/或电机构(mechanism)，但样品材料通常容纳在容器1040所限定的空间内。同样，为处理随后的样品材料，换能器和／或处理容器相互之间应当发生位移。作为实例，一旦试管(即处理容器)中容纳的样品材料被完全处理，该试管将远离换能器，从而可以将之后的含有不同样品材料的处理容器移动至适当位置以进行聚焦声处理。或者，当微孔板的一个孔中的样品材料被充分处理时，微孔板将相对于换能器发生移动，从而使含有不同样品材料的邻近孔位于适当的位置以进行处理。
图2描述了允许样品材料流入和流出的声处理系统1010，而无需移动换能器1020或处理室1050(或处理容器)。图2的系统与图1所示系统总体上相似，其包含样品材料1052置于其中的处理室1050；但是，系统还包含样品来源1060和样品排出装置(drain)1070。处理室1050包含与导管1064流体连通的入口1062，以允许来自来源1060的样品材料的流入，沿着箭头A的方向穿过导管1064进入处理室1050。处理室还包含出口1072，其允许来自处理室的样品材料流出，并沿着箭头B的方向进入导管1074，这提供样品材料至排出装置1070的流体流动。
因此，图2的系统提供了将未处理样品材料移动通过系统容器、进入处理室、被聚焦声能处理并随后移动出处理室的能力。所述系统允许大体积的样品材料被聚焦声处理，而不需要处理室或换能器彼此相对运动。如先前所述，可以在所述系统中进行处理的样品材料量是不受限制的，其原因在于，样品材料可以连续流动通过处理室，由此经聚焦声处理。来源1060可以是有限的储库，其中含有有限体积的待处理样品材料，或者，来源可以从样品材料的连续供应吸取样品，例如储库不断被补充。类似地，排出装置1070可以是容纳有限体积的经处理的样品材料的容器，或者例如，该排出装置可以流入更大体积或从经处理样品材料的储库连续不断吸取，以用于适当的目的／应用。
使用本文所述的系统和方法可以处理任意可构想体积的样品材料。在一些实施方案中，大体积和／或小体积的样品可以经聚焦声处理并经过晶体生长形成纳米晶体颗粒，例如样品大于1mL、大于5mL、大于20mL、大于30mL、大于50mL、大于100mL、大于1L、或甚至更大。也可以对小于30mL的适当样品体积进行处理以形成纳米晶体组合物。
图3描述了聚焦声处理系统100的另一个举例说明性实施方案，其使得使用聚焦声处理样品材料的规模扩大方法成为可能。该系统提供了多次处理样品材料的能力。系统包含用于容纳样品材料供给的储库120和提供使样品材料经受声处理之空间的处理室110。储库120包含允许样品材料流入至储库和从储库流出的储库出口122和储库入口124。相似地，处理室110包含允许样品材料流入至处理室和从处理室流出的室入口112和室出口114。储库出口122允许样品材料沿着箭头C的方向从储库进入导管130，并进一步通过室入口112进入处理室。在样品材料经充分声处理后，适当量的样品材料可通过室出口114从处理室离开，进入导管140，从而沿着箭头D的方向通过储库入口124回到储库120中。
因此，与处理室的空间所限定的体积相比，在整个系统中，可以对更大量的样品材料进行声处理。多少体积的样品材料可以被所述容器处理的唯一限制取决于储库的大小，其可以是任何适当的体积。此外，样品材料可被多次声处理，这是因为，从处理室运送回储库的已处理材料可最终从储库移动回到处理室以供进一步的声处理。
如本文中所描述的，可提供任何合适的结构作为入口和／或出口。例如，合适的入口和出口可包括喷嘴(nozzle)、孔、管、导管等。在一些情况下，入口和／或出口可包括装有阀的结构，当期望时其开放和关闭以控制材料的流入和流出。此外，处理室和储库不限制入口／出口的数目和位置。例如，处理室和／或储库可具有额外的入口或出口，用于使样品材料流动至在导管130、140旁的其他合适位置。
可提供任何合适的动力以使样品材料在储库与处理室之间移动(例如，穿过导管130、140和各自的入口／出口)。在一些实施方案中，提供泵150以对样品材料加压，使样品材料从储库移动到处理室并返回。可使用任何合适的泵装置。在一些情况下，泵与导管偶联，例如图3所示在导管140与泵150之间的偶联。可在系统的任何合适位置提供一个或更多个合适的泵。在一些实施方案中，无需泵装置，在系统的多个区域之间提供压差梯度。例如，可沿着导管130保持压力梯度，从而引起样品材料从储库通过储库出口122并通过室入口122进入处理室的流动。相似地，还可沿着导管140保持压力梯度，其引起样品材料从处理室通过室出口114，通过导管140并通过储库入口124进入储库的流动。
图4示出了聚焦声处理系统200的另一个举例说明性实施方案，其使样品材料的大规模聚焦声处理成为可能。该系统提供样品材料单次通过处 理室。所述系统包含：容纳待处理样品材料之供应的第一储库220、提供用于样品材料经受声处理之空间的处理室210和用于接收已处理之样品材料的第二储库230。第一储库220包含储库出口222，以允许样品材料从储库沿着箭头E的方向流出储库进入导管240。处理室210包含室入口212，其允许样品材料流入处理室。处理期间，声换能器202产生声波204以形成合适的聚焦区206，样品材料暴露于其中。当样品材料被充分处理后，合适量的样品材料可通过室出口214离开处理室，并进入导管250，从而沿着箭头F的方向移动并通过储库入口232进入第二储库230。如图3所提供的，虽然与处理室之体积所限定的样品材料量相比，更大量的样品材料可在该系统中被声处理，但是样品材料的流动实际上不是循环的。同样地，除了储库220，230的体积之外，可以通过流经处理室210而处理的样品材料的量没有限制。如上所述，储库220可以作为待处理样品材料的连续来源，储库230可以作为已经被处理的样品材料的连续排出装置。
与参照图3的如上所述相似，可提供任何合适的动力以使样品材料从第一储库220移动至处理室210，并从处理室移动至第二储库230。在一些实施方案中，提供泵260以迫使样品材料移动通过聚焦声处理系统。如图4所示，非限制性地，泵260可与导管，例如和非限制性地，导管250相偶联并被适当操作。
图5描述了聚焦声处理系统300的一个举例说明性实施方案，其提供了对样品材料的大规模聚焦声处理，在其中采用了多个处理室。所示的系统允许样品材料通过每个处理室，在其中样品材料可经受相似或不同的聚焦声处理条件。此外，如所期望的，可在处理室之间添加或移除部分样品材料。
储库330将待处理的样品材料供应容纳在第一处理室310和第二处理室320中，每个处理室均为样品材料提供了进行聚焦声处理的空间。储库330包含储库出口332，其允许样品材料从储库的流出，并沿着箭头G的方向进入导管340。处理室310包含室入口312，其允许样品材料的流入处理室。声处理期间，换能器302提供声波304以形成合适的聚焦区306，样品材料暴露于其中。一旦样品材料被充分声处理，合适量的样品材料可从处理室离开，通过室出口314并进入导管350。样品材料可沿着箭头I的方向移动并通过室入口322最终进入第二处理室320。样品材料可在与第一处理室310相同或不同的条件下在第二处理室320所限定的空间中经 受进一步声处理。换能器303产生声波305，形成合适的聚焦区307，其可用于样品材料的声处理。合适的声处理后，样品材料可通过室出口324流出第二处理室320，并沿着箭头K的方向运动进入导管360，用于在排出装置362处收集(例如具有有限体积的储库，连续排出收集经处理的样品材料等)。
在一些实施方案中，如图5所示，提供泵380以提供动力来引起样品材料移动通过聚焦声处理系统。虽然泵380被描述为与导管340偶联，可领会的是，可在任何合适的位置将任何合适的泵与聚焦声处理系统相偶联。
可在系统中合适的位置提供导管370、372，从而允许按需求添加和／或移除样品材料。例如，由于样品材料沿着导管340朝向第一处理室310流动，导管370可提供添加成分(例如，药物、载体表面活性剂、助形成物、增溶剂、稳定剂等)，其与样品材料一起在处理室310中被声处理。相似地，导管372还可移出和/或提供额外的成分，其可在处理室320中与样品材料一起被声处理。箭头方向H、J用以显示导管370、372可适当地用于添加或移出材料。可以领会的是，任何聚焦声处理系统可视情况而提供某些位置，在其中样品材料可用额外的成分补充或在其中可从处理系统中移出部分样品材料。
在一些实施方案中，本文中描述的聚焦声处理系统可并入合适的反馈控制系统，用于感知声样品处理的性质并根据所感知的性质来调整系统的参数。例如，可监测样品材料的某些特点，例如，样品材料内的结晶水平、样品材料的颗粒大小分布、样品材料中的平均颗粒大小、在沿处理系统之多个位置处的样品材料体积、样品材料移动通过系统的流量或任何其他合适的性质。
例如，通过两个处理室中的第一个进行声处理后，系统可能感知到样品材料内的结晶水平并不足以产生稳定的产量输出。因此，可以据此调整第二处理室中样品材料的声处理(例如，处理可被延长，可以调整聚焦声的每次猝发的周期数，可以提高换能器的功率输出，可以调整下一个处理室的温度，等)。在另一个实例中，期望的是样品材料内的颗粒晶体生长速率应当高于某一量，并且在处理期间，样品材料的颗粒晶体生长速率被确定(例如通过计算机或用户监测样品内的晶体生长速率)低于该点的优选速率。因此，可以据此调整处理参数，以使样品材料经受提高的功率／脉冲输出或延长的处理时间，从而使得样品材料内的纳米晶体颗粒的晶体 生长速率总体提高。或者，可以确定样品材料内的助形成物或晶种材料的量不足，从而不能适当地形成优选的纳米晶体组合物。同样地，可以将其他的助形成物注入样品材料(例如通过导管370、372)，或者可以包含其他预处理步骤，从而适当地形成纳米晶体。还可以监测样品材料的其他特征，从而对处理参数进行适当地调整。
在一些实施方案中，使用聚焦声制备纳米晶体组合物的系统和方法可以包括产生线形聚焦区的换能器。图6描述了具有细长处理室710的系统的一个举例说明性实施方案的示意图，当样品流经处理室时，处理室710的位置使得样品材料730可以适当地暴露于线形聚焦区。在一些实施方案中，处理室710可以为导管，样品可以经其从系统容器的一个区域流动至另一区域。例如，细长处理室的纵横比(aspect ratio)可以大于2，大于5，或大于10。
线形聚焦区可以具有大的纵横比。例如，线形聚焦区沿着该聚焦区的最短大小尺寸的宽度可以小于2cm，小于1cm，或小于1mm。尽管，线形聚焦区沿着该聚焦区的最长大小尺寸的长度可以大于2cm，例如，大于5cm，大于10cm，大于20cm等。在一些实施方案中，线形聚焦区的纵横比大于2，大于5，或大于10。适于产生本文所述线形聚焦区实例的声系统包括Covaris，Inc.生产的L-系列(L8，LE220)声系统。
因此，当样品从细长处理室的一端流向另一端时，样品材料730暴露于换能器710所产生的聚焦声场。在一些实施方案中，在高流量流经处理室的情况下，细长的处理室和适于产生线形聚焦区的声换能器是优选的。因而，尽管其快速通过细长处理室导管，样品仍然可以持续暴露于聚焦区。因此，细长处理室和线形聚焦区可以任何适当的方向设置，例如垂直或水平，其取决于样品流动的优选方向。
样品可以任何适当的流量流经系统。在一些实施方案中，样品至少以0.1mL/分钟、约0.5mL／分钟至约100mL／分钟、或约1mL／分钟至约10mL／分钟的流量通过包含一个或更多个处理室的系统的任何部分。
本文所述的样品材料可以包含大量的组合物，例如纳米晶体组合物的前体形式，或样品材料本身可以为纳米晶体组合物。在一些情况下，样品或纳米晶体组合物中的一个或更多个材料可以是任何适当的药物、营养品、化妆品或其组合。在一个实施方案中，样品材料预处理可以包括形成溶解的无定形药物，其可以包含或不包含药物助形成物，例如使药物结晶的种子材料。在一些实施方案中，助形成物可以与活性剂一起被包含以形 成更大的化合物或设置，其中当暴露于适当量的聚焦声场时，药物与助形成物一起结晶。
在一些实施方案中，可以通过形成包含待结晶材料的饱和溶液的样品，任选地调整样品的温度从而使溶液变得过饱和，并使样品经受合适的聚焦声能处理，来制备足够纯以用于药物应用的晶体材料。
药物可以作为样品中的生物活性组合物，可以包括但不限于：选择性雌激素受体调节剂(selective estrogen receptor modulator，SERM)(例如，他莫昔芬)、烷化剂(例如，取代的咪唑化合物，例如达卡巴嗪)、紫杉烷化合物(例如，紫杉醇)、核苷类似物(例如，吉西他滨)、他汀类(例如，洛伐他丁、阿托伐他汀、辛伐他汀，等)、嘧啶类似物(例如，5-氟尿嘧啶)、核酸分子(例如，DNA、RNA、mRNA、siRNA、RNA干扰分子、质粒，等)、药物／药品(例如，布洛芬、桂利嗪、吲哚美辛、灰黄霉素、非洛地平、槲皮素，皮脂类固醇、抗胆碱能类、可吸入肽／化合物、胰岛素、干扰素、降钙素、激素、镇痛剂、可待因、芬太尼、吗啡、抗过敏药、抗生素、抗组胺药、抗炎性药、支气管扩张剂、肾上腺素等)等。如果合适，包含活性主成分或药物的药品可以盐(例如碱金属或胺盐或酸加成盐)或酯(例如，低级烷酯)或溶剂合物(例如，水合物)的形式使用，以优化药品的活性和／或稳定性。任何适当的药物都可以并入本文所述的纳米晶体组合物中。
除了生物活性组分之外，样品可以包含任何合适的组合物。例如，样品可以包含适当的有机或无机溶剂、稳定剂等。样品内待结晶的生物活性组分的浓度是适当可变化的。在一些实施方案中，样品内待结晶的生物活性组分的浓度大于0.5％(体积比)，或约1％至约10％(体积比)。
在一些实施方案中，将样品暴露于聚焦区以诱发纳米结晶可以包括在等温环境下处理样品。施加于样品的聚焦声能不具有显著程度的随机散射能(即以热的形式)，从而样品材料的温度通常保持在适当的变化程度内。例如，样品的温度可保持在起始温度的约5℃内、约2℃内或约1℃内的温度。
根据本文中所描述方法制备的纳米晶体组合物可具有任何合适的颗粒大小分布。在一些实施方案中，虽然不是必需的，但是所描述的涉及使用聚焦声能来制备纳米晶体组合物的系统和方法导致了单峰的颗粒大小分布。例如，颗粒大小分布可与高斯分布(Gaussian distribution)相似。但是，在另一些情况下，合适的纳米晶体组合物的颗粒大小分布是多峰的。 在一些实施方案中，经声处理的纳米晶体组合物的颗粒大小分布的PDI小于0.5，小于0.3，小于0.1，小于0.08或小于0.06。例如，经合适声处理的纳米晶体组合物的颗粒大小分布的PDI可以是约0.03至约0.1、约0.05至约0.09，或约0.06至约0.08。在一些实施方案中，经声处理的纳米晶体组合物的颗粒大小分布的相对标准偏差可以小于纳米晶体组合物平均颗粒大小的1％、0.5％，或为其0.1％至0.8％。
通过使用本文所述的聚焦声的系统和方法制备的纳米晶体组合物可表现出相对长的保质期，而无样品降解(即保持功能)。在一些实施方案中，经处理的材料可几乎全是晶体(即，很少或没有无定形颗粒)。作为纳米晶体组合物结晶的指示，经过一段特定时间后(例如1小时后)，纳米晶体组合物的颗粒大小分布通常是稳定的。也就是说，纳米晶体组合物的小晶体颗粒存在尽可能小的随时间合并成更大颗粒的趋势。相反，无定形颗粒可表现出合并在一起成为大尺寸颗粒的更大趋势。
在一些实施方案中，在允许优选的纳米晶体组合物静置12小时、24小时、2天、5天、1周、1个月、1年或更长后，所述纳米制剂的实施方案的平均颗粒大小和／或多分散指数的波动不超过2％、5％或小于10％。在一些实施方案中，纳米晶体组合物中形成的颗粒的期望大小分布(例如，100nm、1微米、10微米、50微米等，具有低PDI，等)可保存很长时间，例如，1天至24个月、2周至12个月、或2个月至5个月。
聚焦声可被用于提高效率并给纳米晶体组合物的制备带来很大程度的方便。在一些实施方案中，用以产生合适纳米晶体组合物的、样品暴露于聚焦声场的时间较短。例如，可将样品暴露于聚焦声场小于5小时、小于1小时、小于30分钟、小于10分钟或小于5分钟的时间，以形成合适的纳米晶体组合物。
根据本文中一些方面的使用聚焦声以促进纳米晶体形成的系统和方法可以涉及适当地改变聚焦声场每次猝发的周期数，或是每次猝发所包含的声振荡的次数。在一些实施方案中，每次猝发的周期可以在100个周期／猝发至6000个周期／猝发之间改变。例如，在一些情况下，一旦增长每次猝发的周期数，样品的成核和晶体生长速率可提高。在一个实施方案中，以200个周期／猝发进行样品结晶的处理时间可以是约50分钟；但是，当每次猝发的周期数提高至5000时，处理时间将降低至5分钟。在多个实施方案中，操作声换能器以产生大于1000个周期／猝发、大于2000个周期／猝发、大于3000个周期／猝发、大于4000个周期／猝发、大于5000个 周期／猝发、或大于6000个周期／猝发的聚焦声场。在一些情况下，每次猝发具有更多数量的周期数所产生的聚焦声场可以提供用于生产出具有密集颗粒大小分布的稳定纳米晶体组合物。在一些实施方案中，每次猝发的周期数的改变不会对待稳定结晶之样品的整体处理时间产生实质影响。
聚焦声系统可以以任何适当功率制备具有优选特性的纳米晶体组合物。在一些实施方案中，聚焦声场在50瓦至300瓦、100瓦至250瓦、50瓦至150瓦、或200瓦至300瓦的功率下操作。
实施例
以下实施例旨在举例说明本发明的某些实施方案，但不被解释为限制并且不例示本发明的全部范围。
实施例1
使用2mL样品形成晶体纳米颗粒，所述样品初始含有1份DMA、99份PVP／SDS稳定剂和非洛地平。使用Covaris S220机器对样品进行处理，使用温度为18℃的水浴、50％的占空比、75瓦峰入射功率(peak incident power，PIP)、1000个周期／猝发，总处理时间为20分钟。
该处理导致晶体纳米颗粒的形成(生长)，其中100％颗粒为单峰分布的一部分，其平均大小为约154.6nm，其众数(mode)为153.2。产生了窄的颗粒大小范围，PDI经测量为0.136。图7描述了纳米晶体组合物的颗粒大小分布400。
实施例2
对18mL样品制备晶体纳米颗粒，其初始含有1份DMA、99份PVP／SDS稳定剂和非洛地平。使用Covaris S220机器对样品进行处理，使用温度为15℃的水浴，总处理时间为5分钟。聚焦声系统以5000个周期／猝发运作。在聚焦声系统以200个周期／猝发运作的比较例中，完全晶体形成的总处理时间为50分钟；与之相反，在目前的实施例中，以5000个周期／猝发处理5分钟就发生了完全晶体形成。
该实施例使得晶体纳米颗粒的晶体生长形成具有双峰分布，其具有优势峰，处理之后的即刻平均颗粒大小为257.3。图8显示了处理之后即刻 的颗粒大小分布410，94.4％颗粒的众数为244.4nm，并且5.6％颗粒的众数为1,083nm。PDI经测量为0.138。
随后使经处理的样品静置4小时。图9描述了该时间期限之后的颗粒大小分布412。所得到的平均颗粒大小为246.3nm，100％颗粒的众数为257.1nm。PDI经测量为0.090。
实施例3
使用与实施例1和2相似的样品混合物对100mL样品制备晶体纳米颗粒。然而，实施类似于图3所示的多次通过系统(multi-pass system)，从而可以循环地处理大体积样品10分钟。流量为10mL／分钟。
上述处理使得晶体纳米颗粒的晶体生长形成具有双峰分布，其具有优势峰，处理之后的即刻平均颗粒大小为306.0。图10显示了处理之后即刻的颗粒大小分布420，97.1％颗粒的众数为327.7nm，2.9％颗粒的众数为125.1nm。PDI经测量为0.087。
随后将经处理的样品静置4小时。图11描述了该时间期限之后的颗粒大小分布422。所得到的平均颗粒大小为301.5nm，95.3％颗粒的众数为257.1nm，4.7％颗粒的众数为115.2。PDI经测量为0.129。
实施例4
采用与实施例3相似的样品混合物和多次通过系统对100mL样品制备晶体纳米颗粒。使所述多次通过系统循环地处理大体积样品20分钟。流量为5mL／分钟。
上述处理使得晶体纳米颗粒的晶体生长形成具有单峰分布，处理之后约2小时的平均颗粒大小为441.0。图12显示了颗粒大小分布430，100.0％颗粒的众数为439.7nm。PDI经测量为0.048。
随后使经处理的样品静置72小时的保质期。图13描述了处理之后72小时的颗粒大小分布432。所得到的平均颗粒大小为433.2nm。100.0％颗粒的众数为432.9nm。PDI经测量为0.097。
实施例5
使用与上述实施例相似的样品混合物对100mL样品制备晶体纳米颗粒。使用类似于图4所示的单次通过系统，从而允许循环地处理大体积的样品10分钟。流量为5mL／分钟。
该处理使得晶体纳米颗粒的晶体生长形成具有单峰分布，处理之后的即刻平均颗粒大小为592.3。图14描述了颗粒大小分布440，100.0％颗粒的众数为577.0nm。PDI经测量为0.123。
随后使经处理的样品静置2小时。图15描述了处理之后2小时的颗粒大小分布442。所得到的平均颗粒大小为546.4nm。100.0％颗粒的众数为510.8nm。PDI经测量为0.158。
另一些实施方式
下文描述的另一些实施方案涉及使用聚焦声用于处理流过或流经聚焦区的材料，其可以与包含本文所述的通过晶体生长可重复形成大体积纳米晶体颗粒的一些方面合适地组合。
系统和方法涉及对使用聚焦声能对更大体积批次的处理和连续工艺流程扩大规模，从而可以对更大样品体积获得所期望的声处理结果。通过使用超声波列(wavetrain)来实现或增强的所期望的声处理结果可以导致(没有限制)样品中晶体生长(即生成成核位点和/或增强晶体生长)，加热样品，冷却样品，使样品流化，使样品微粉化，混合样品，搅拌样品，破碎样品，使样品中的组分透过，形成纳米乳液或纳米制剂，增强样品中的反应，增溶，对样品进行灭菌，裂解，提取，粉碎(comminuting)，催化，以及选择性地降解至少部分样品。声波还可以增强过滤、导管内流体流动、以及悬液的流化。本公开内容的工艺可以是合成的、分析的或者是其他工艺(例如搅拌)的简单改进。
例如，以受控的方式改变材料的渗透性或可接近性，可以对材料进行操控，同时保留材料的活力和/或生物活性。在另一实例中，以可重复的、均一的和自动化方式混合材料或者调节组分转移进入材料或离开材料将是有利的。根据系统的一个实施方案，样品处理控制包括反馈环路，从而调节声能位置、脉冲模式、脉冲强度、持续时间和超声被吸收剂量中的至少一个，以实现所期望的声处理结果。在一个实施方案中，超声能处于兆赫(MHz)频率范围，其与传统的、通常利用千赫(kHz)频率范围内的超声能的经典声处理不同。
在先前系统中，当没有聚焦时，未受控超声能与复杂的生物或化学系统相互作用，声场通常发生变形、反射和散焦。其净效应是与输入相比，能量分布不均匀和／或散焦。非均匀反应条件可以将反应应用限制于不关键的工艺，例如大体积流体处理，其中样品内的温度梯度不重要。然而，某些不均匀的方面对样品是高度有害的，例如破坏样品完整性的极端温度梯度。例如，在一些实例中，所产生的高温将不可逆地使目标蛋白变性。作为另一个实例，当将经不当控制的超声施加至大体积的生物样品溶液时，例如用于从组织提取细胞间成分，所述处理导致在处理剂量中发生变化的子事件复杂地、异质地混合在一起。例如，能量可在空间上移动目标部分，使所述目标移出优化的能量区。作为替代或补充，能量可能导致反射声能的干扰。例如，当声能的波前产生将持续至第二个波前到达的空泡时，此时产生“气泡护盾(bubble shield)”，从而第二波前的能量至少部分地被气泡阻断和／或反射。另外，样品中的更大颗粒可能移动至低能量节点，由此使样品中的更小颗粒在高能量节点中停留更长的时间。此外，在超声处理过程中，样品粘度、温度和均匀性可能发生变化，导致处理过程中这些参数形成梯度。因此，当前的处理通常是随机、不均匀的，尤其是在体外应用中，例如膜渗透，其阻碍了超声在高通量应用中的使用，在所述高通量应用中，要求对样品之间的处理标准化。因此，超声的许多有潜力的应用(尤其是生物应用)局限于特定的、高特殊化的应用，例如碎石术(lithotripsy)和诊断成像，其原因在于超声在复杂系统中存在潜在的不希望和不受控制的方面。
如美国专利7,521,023(其通过引用整体并入本文)等中所述，聚焦声能的使用可以克服这些限制，并且公开了在封闭的容器中对样品进行声处理的方法。通过将材料传递进入和离开聚焦声“处理区”或“反应室”，可以对大于单个容器体积的样品材料体积进行处理。所述材料可以停留在处理区，直至实现期望的结果(单次通过)，然后传递至下游处理步骤，或作为终产品而捕获。
本发明的一些方面解决了扩大聚焦声能的应用以处理更大体积材料的问题，包括连续处理以及批量处理，提供了使用聚焦能量束用超声能对样品进行非接触处理的设备和方法。所述束的频率是可变的，可以是约100kHz至100MHz，更优选500kHz至10MHz，并且可以聚焦于约10mm至20mm的处理区(随着能量的提高，尺寸可以更大)，样品材料通过该区以实现期望的效应。例如，本发明的一些实施方案通过利用计算机产生的复杂波列，可以用超声能处理样品，同时控制样品的温度，所述波 列可以通过使用来自传感器的反馈来进一步地进行控制。声输出信号或波列可以在频率、强度、占空比、猝发模式和脉冲形状中的任一个或所有方面中发生变化。而且，该处理可以在计算机控制下自动进行，还可以与来自主体(bulk)或输出流的操作和测量反馈联系在一起。在另一个实例中，本发明的一些实施方案可以用超声能通过样品和束焦点之间(在两维或三维中的任一种或全部)相对移动来处理样品，从而保证其在处理区内完全并充分地混合。
在一些实施方案中，材料可以在密封室内处理，所述室具有一个或更多个入口和出口，用于有效地将大体积流体材料传递经过所述室。所述室在处理期间可以是密封的，以防止样品材料或环境的污染。在一些实施方案中，可以使用室阵列以平行处理多个样品流，其中需要非常大的样品体积，例如在生产工艺流中。在一些实施方案中，接触被处理材料的室和／或其他部分可以以可弃型的形式(disposable form)制造，例如在处理材料中使用一次，之后丢弃。
样品容器可以是包含一个或更多个部件的室，并且可以包含声能量通过的声“窗”。该窗可以由不同材料支持以使期望的效果最佳化，并且可以包含玻璃、例如聚酰亚胺的薄膜聚合物、其他可塑性聚合物、石英、蓝宝石(sapphire)和其他材料。室可以具有一个或更多个入口和一个或更多个出口，用于将材料传递进入或离开所述室。材料被传递经过室的流量可以通过泵系统进行主动控制，例如蠕动泵、齿轮或其他泵，或者可以通过重力给料方法进行被动控制，例如改变高度或通过沿其轴线的振荡使室倾斜。所述设备还可以包含位于声能来源和支架之间的可透过声的材料。声能来源可以两个或更多个不同频率产生声能，任选地以系列波列的形式。所述波列可以包含第一波组分和不同的第二波组分。作为替代或补充，所述波列可以包含每次猝发约1000个周期、约10％占空比、约500mV波幅。
在一个举例说明性实施方案中，用声能处理材料的系统包含限定了内部体积和具有通向内部体积之开口的室。设置了入口以提供材料向内部体积的流入，设置了出口以从内部体积排出材料的流出物。在一些设置中，入口和／或出口可以具有止回阀(check valve)或者以其他方式被设置成有助于影响内部体积内的流动，例如有助于确保从入口至出口的流动方向，虽然其有可能是间歇的。可以在所述室的开口设置窗以密封地关闭开口，并将聚焦声能传送进入室以处理内部体积中的材料。所述窗通常可以 透过频率为约100kHz至100MHz的声能。这样，所述窗可以将声能传递进入内部体积的阻碍最小化。在一些设置中，所述窗可有助于指引声能，例如窗具有对声能进行聚焦或透镜效应的凸面或其他设置。声能来源(例如一个或更多个压电换能器)可以与窗隔开，并设置成发出频率为约100kHz至100MHz的声能，从而在内部体积中形成声能聚焦区。所述系统可以设置为对室内的样品进行长时间的连续声处理，例如1小时或更长，强度相对较高，例如200瓦或更高的声换能器输出，而没有产生过多的热累积或其他问题。(在连续声处理中，可引起材料以连续的方式在室中流动，或者以间歇方式流动。而且，声能来源可以在变化的功率水平操作，但是在时间平均的基础上，其在相对较高的功率输出水平下操作，例如200瓦或更高)这与先前的声处理设置相反，在以前的声处理设置中，出于多种不同的原因，例如过多热累积、声源故障、样品材料的损坏等，不能进行1小时或更长时间的连续声处理。
在一些设置中，内部体积可以具有合适的大小，或者以其他方式被设置成有助于将内部体积中的材料暴露于声能。例如，内部体积可以包含位于内部室的声聚焦区边界附近的壁，以有助于确保在处理期间材料位于聚焦区内或附近。在另一些设置中，内部体积可以包含提供用于产生空洞的成核点或其他声引发效应的元件。可以设置耦合介质，其可以是液体或固体，以将声能从声能来源传递至窗。例如，可以在声能来源和室的窗之间设置水浴。在一些设置中，室可以部分地或完全地浸入液体耦合介质(例如水)中。
在一个举例说明性实施方案中，室和窗可以设置为在内部体积中保持加压环境。在内部体积中提供合适的压力可以有助于提高反应速率，可以有助于减少空洞，或者提供声处理中所期望的其他作用。室可以包含第二窗，例如在与上述窗相对的室的上表面，其允许对内部室进行观察。例如，传感器(例如摄像机或其他光传感器)可以在处理期间捕获内部体积的图像。图像数据可以用于控制系统的操作，例如材料流量、声能特性等，以实现期望的结果。例如，可以对图像数据使用图像分析技术以检测处理的性质，例如空泡的存在或大小、材料流量、混合速率等，和/或材料性质，例如颗粒大小、均质程度、流体化等，这些用于控制系统的声来源或另一些方面。
在一个实施方案中，室可以包含设置在外表面的热交换器，以与耦合介质交换热。例如，热交换器可以包含多个放射状散热片(radial fin)、 杆、凹槽、空洞或其他特征从而有助于相对于室的内部体积进行热传递。在一些设置中，通过热交换器，至少部分地，热可以传递至内部体积，然而在另一些设置中，热可以从内部体积中传递出去。可以控制耦合介质的温度，不论是声耦合介质还是其他热耦合介质，从而影响期望的热传递。如果期望，可以为室提供电阻加热器或其他热发生器以提供额外的热源。在另一个实施方案中，热交换器可以包含与至少一部分室相连的加热或冷却套(jacket)，以将加热／冷却流体递送至室的壁。所述套可以使热耦合介质与室接触，同时还保持热耦合介质与声耦合介质分离。该设置可以是有用的，例如，当特定类型的材料(例如水)最适合用于声耦合时，而另一不同材料(例如抗冻溶液)最适合用于热耦合。
在一个举例说明性实施方案中，室为桶形，其入口和出口可以各自包含从室沿着桶形的纵轴延伸的导管。这样，在某种意义上，室可悬于入口和出口处或者以其他方式位于入口和出口导管的下方。室可以与具有内部体积和开口的容器一起使用，所述室可以通过所述开口定位于容器内。声能来源还可以与耦合介质一起位于容器内。可以设置一个帽以封闭容器的开口，例如将室封闭在容器内。入口和出口可以各自包含从室延伸并通过所述帽的导管，从而材料可以被引入室，即使容器以其他方式与外部环境完全封闭。
在另一举例说明性实施方案中，室可以包含插入元件，其至少部分地限定了内部体积的形状和大小。该插入元件可以包含两个或更多个分开的部分或单个的部件，可以位于室内从而具有几个功能中的任意一个，例如提供多个成核位点以形成空洞、提供催化剂或其他位点以增强反应、限定内部体积以具有特定的形状、大小或其他构造、有助于将热传递进入或离开内部体积等。例如，插入元件可以限定内部体积，使其具有与室内的声能聚焦区紧密匹配或以其他方式相互作用的大小和形状。该插入元件可以由任何合适的材料(例如陶瓷材料)组成，可以包含任何合适大小或形状的构件，例如多个杆部件，或具有其他期望的特征。
在本发明的另一方面中，对材料进行声处理的系统包含限定了内部体积的室，该室具有供材料流入内部体积的入口和将材料排出内部体积的出口。声能来源与室分隔开，并设置成发出频率为约100kHz至100MHz的声能，从而在内部体积中形成声能聚焦区，例如用于处理内部体积中的材料。耦合介质，可以是液体或固体，其设置成将声能从声能来源传递至室。储库可以容纳被室内的声能进行处理的材料。在储库和室入口之间流 体连通的供应导管可以将材料从储库传递至室，在储库和室出口之间流体连通的返回导管可以将材料返回至储库。在一些实施方案中，可以设置泵使材料流经供应和返回导管，而且可提供第二储库从而可任选地接收来自返回导管的材料。例如，返回导管可以包含三通阀或其他设置，从而使材料被引导至第二储库，而不是返回至第一储库。
在本发明的另一方面，对材料进行声处理的系统包含限定了内部体积的室，该室具有供材料流入内部体积的入口和将材料排出内部体积的出口。声能来源与室分隔开，并且设置成发出频率为约100kHz至100MHz的声能，从而在内部体积中形成声能聚焦区，例如用于处理室中的材料。可以设置耦合介质以将声能从声能来源传递至室。第一导管可以与室的入口流体连通，第二导管可以与室的出口流体连通，从而导管内的材料沿着第一方向从第一导管流经内部体积进入第二导管，接下来沿着第二方向从第二导管流经内部体积进入第一导管。可以通过泵、重力或其他驱动力促使材料流动，第一和／或第二导管可以与各自的储库连接从而必要时容纳材料。
在本发明的另一方面，对材料进行声处理的系统可包含串联设置的第一和第二声处理组件。也就是说，材料可以在第一室中处理，然后递送至第二室进行随后的处理。处理组件的每一个可以包含限定内部体积的室，所述室具有使材料流入内部体积的入口和使材料流出内部体积的出口，声能来源与室分隔开，并设置成发出频率为约100kHz至100MHz的声能从而在内部体积中形成声能聚焦区的声能来源，以及将声能从声能来源传递至室的耦合介质。可以设置储库以容纳在第一和第二声处理组件的室内经声能处理的材料，并且供应导管可在储库与第一处理组件之入口之间流体相连。传递导管可以在第一处理组件的出口与第二处理组件的入口之间流体相连，例如将材料从第一室传递至第二室。
超声处理的设备和方法
图16和17描述了处理室10的一个实施方案，其中声能来源2产生的聚焦声能通过室的声窗11进入室10的容纳样品材料的内部体积12。如下文详细描述的，声处理系统1可以包含接收控制信息(从一个或更多个传感器、用户输入装置等)并相应地控制声能来源2和/或其他系统部件之操作的控制器20(例如，包含适当编程的通用目的计算机或其他数据处理装置)。样品材料通过入口13进入内部体积12，并通过出口14离 开体积12。入口和出口可以多种方式设置，在该实施方案中，入口13和出口14各自包含与室10连接的导管。在一些实施方案中，入口和/或出口可以包含止回阀、单向阀、电控阀或其他设置，其有助于确保以期望的方式流动，例如材料总是从入口流向出口，即便流动可以是间歇的。内部体积12的大小和形状可以适合于待处理的材料，例如如果相对小体积材料在相对小的体积中进行处理会更加有效地进行一些声处理应用(例如灭菌)，而在另一些应用(例如混合)中，对内部体积12使用更大体积可产生更好的结果。内部体积12可以具有不同的形状或其他构造特征，例如内部体积12可以由垂直的壁限定，可以为锥形、曲线形等。而且，室10可以由多种组件构成，例如一起限定了含有待处理材料的内部体积的上部部件、下部声透射部件和本体。或者，室10可以作为单个整片或以其他方式制成。
室10的一个或更多个壁可以充当热传递机构或热交换器，或者以其他方式与之相连，从而使内部体积512中产生的热消散和/或接收从室10外传送进入内部体积12的热。可以从图16中看出，室10可以包含多个放射状片形式的热交换器515。当然，热交换器515可以以其他方式形成，例如包括使用电能将热从一个位置传递至另一位置的Peltier装置，电阻加热器，热传导杆，管或其他结构，用于将热从一个位置传递至另一位置的相变材料等。热交换器515可以与任何合适的热耦合介质一起工作，例如空气或其他气体，水或其他液体，或固体材料。例如，如图17所示，室10可以完全地或部分地浸入相对于热交换器515传递热的液体。水或其他外部热耦合介质与内部体积12之间的紧密热耦合可以在声处理期间有助于控制内部体积12内的材料温度。耦合介质4的温度控制可以有助于控制内部体积12内的温度。例如，耦合介质4可以通过冷却器、加热器或其他装置再循环以调整耦合介质4的温度。由此，通过仔细考虑室10的设计，室10内的样品材料可以与耦合介质4的温度热连接(thermally linked)。由于内壁表面的高度混合、涡流、和／或活动，产生了高度的对流热交换，室10的内壁和样品材料之间的热耦合可以紧密连接在一起。在与耦合介质4的整体温度连接之前，热可以通过室10的一个或更多个端部(例如在窗11和16处)或容器的侧壁。要注意的是，根据耦合介质与样品材料温度之间的相对差、维持样品在目标温度下以实现所期望效果的期望目标，热可以沿任意方向流动。室10内壁和耦合介质之间的传递可以通过经壁向外表面的简单传导来实现，或者通过使用散热片或其他高热传递作用(例如具有泵送流体的加套容器)来提高外表面积。例如，图 18显示了一种举例说明性设置，其中套19位于至少部分室10的周围，热传递介质50在套19和室10外壁之间的空间中循环。此外，通过使用在室10的入口或出口的增强的热表面，入口和/或出口导管也可以与耦合介质温度和/或热传递介质耦合。例如，尽管图18中未显示，入口13和／或出口14可以通过套19与室10之间的空间，从而相对于热传递介质50传递热。或者，入口和／或出口介质导管可以包含热交换器特征，其允许热相对于声耦合介质4传递。
在某些实施方案中，声能来源2可以包含超声换能器，其向室10的窗11投射聚焦超声束或波前。可以用于密封封闭室10之开口的窗11可以是适当地声透射的，或者以其他方式传递声能，从而超声束穿过窗11在内部体积12内形成聚焦区，以作用于室10内的材料。窗11可以构造为将最大量的超声能量传递至室10内的材料，将超声能在室10的壁内的吸收降至最低，和/或使内部体积12与例如外部水浴或其他耦合介质之间的热传递最大化。在某些实施方案中，窗11为玻璃、蓝宝石、石英或例如薄膜聚合物的聚合物。窗可以具有任何适当的形状或其他构造，例如可以是扁平的(或对于冲击声能具有相对平的表面)，或可以是曲线形从而具有半球或其他凸的形状。在某些实施方案中，通过窗11的物理形状所引发的“透镜”效应(例如凹入或凸出形状引发的效应)，窗11的形状以优选方式相对于内部体积12引导声能，例如使声能聚焦或散焦。在一些实施方案中，窗11具有类似于水的声阻抗和相对低的声吸收。一个优选材料为低密度聚乙烯，但是也可以使用其他聚合物，例如聚丙烯、聚苯乙烯、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(“PET”)、聚酰亚胺、以及其他刚性和柔性聚合物。如果窗11由薄膜材料形成，所述薄膜可以为层状的，以有助于热粘合至室10。例如，使用热密封，窗11可以密封地连接于室10。更厚、刚性更强的材料也可以用于窗11。
室10的上部可以包含观察窗16，其可以为平的或拱顶形的或其他方式以封闭内部体积12，同时还可以通过可见光观察内部体积12。这样的观察可以由人、或适当设置的传感器21例如摄像机、光电检测器、IR检测器等来进行。传感器21所检测的内部体积12内的材料的性质可以被控制器20使用以控制声能来源2或系统1的其他组件。例如，如果传感器21检测到存在具有特定大小和/或数量的空泡，为了避免过多的空洞，控制器20可以调整聚焦区的声能。传感器21还可以检测其他特征，例如当声处理旨在破坏样品材料内颗粒的大小时，其可以检测室10内颗粒的大小、密度或其他特征。因此，传感器21可以检测声处理是否如所期望地 进行以及处理是否完全，例如导致额外样品材料引入室10中。类似于窗11，观察窗16可以由任何适当材料形成，例如玻璃、蓝宝石、石英、和／或聚合物材料。
室10的本体可以由适于在处理期间将材料容纳在内部体积12中的任意材料或材料组合制成，从而作为环境密封件，和／或提供热传递机构。在一些实施方案中，室10可以由刚性或柔性材料制成，例如热传导金属或聚合物、或所述材料的组合。优选地，用于室10的材料具有低的声吸收和可接受的热传递性质以用于所期望的应用。在某些实施方案中，室10的上部(例如包含观察窗16)可以设置为将声能反射回内部体积12，其提供了额外的处理效率。如果室10由多个部分制成，例如由上部部件和下部部件制成，所述部件可以通过热粘接(thermal bonding)、粘合剂粘接(adhesive bonding)、外部夹钳(external clamping)、与O形圈或其他垫圈(gasket)一起在部件之间形成密封的机械紧固件(例如图16所示的螺栓)、焊接等连接在一起。如果通过热粘接实现连接，上部和下部部件可以由具有可热粘接的外层和耐热内层的膜片层(film laminate)制成，或者包含所述膜片层。
从图17中可以看出，声处理系统1可以包含容器503(所述容器503含有声能来源2)、室10和耦合介质4。容器503可以具有任何适当的大小、形状或其他构造，并且可以由任何适当的材料或材料的组合(例如金属、塑料、复合物等)制成。在该举例说明性实施方案中，容器503具有坛或罐样构造，其具有供进入容器503之内部体积的开口31。声能来源2和耦合介质4(例如水或其他液体，或可选择地为固体材料)可以位于容器503内，例如声能来源2位于容器503的底部附近。(如果耦合材料4为固体，容器503和耦合介质4可以基本相互形成一体，其中耦合剂4基本作为声耦合剂以及声源2与室10物理连接)。可以设置开口31从而室10可以向下进入容器503，例如，从而室10部分地或完全地浸入耦合介质4中。耦合介质4可以作为同时作为例如将声能从声能来源2传递至窗11的声耦合介质，以及例如接收来自室10之热能的热耦合介质。在另一些实施方案中，热和声耦合介质可以是分开的，例如其中室10具有类似于图18所示的冷却套19。
在该举例说明性实施方案中，开口31的大小和形状用于接收室10，在该实施方案中，该室为桶形，具有基本沿着桶形室10的纵轴延伸的入口13和出口14。帽517与入口13和出口14导管结合，该设置使得室10 可以悬于在耦合介质4内，由入口和出口导管以及帽517支持。室10可以放置于容器503内，从而声能来源2产生的声能聚焦区适当地位于室10的内部体积12内。这样，系统1的组成将被简化，其原因在于，可以通过帽517与容器503的开口31的简单结合来实现室10相对于声能来源2的适当定位。不需要对室10在容器503中的位置进行调整，只要室相对于帽517适当定位，以及帽517恰当地与容器503结合即可。帽517可以与容器503的开口31结合，从而不仅帽517／室10被容器503支持，而且容器开口31被帽517密封或以其他方式封闭，例如，有助于防止耦合介质4的污染。入口和出口导管可以穿过帽517，例如用于与运送室10内的待处理材料的供应和/或返回管线或其他导管流体相连。
应当理解的是，可以任何适当的方式设置室10，并用于多种不同的应用。例如，在图17所示的实施方案中，入口13和出口14在体积12的相对侧面与内部体积12相连通，并且位于同一垂直水平。然而，入口13和出口14可以其他方式与内部体积12相连通，例如，入口13可以与内部体积12流体相连，其连接位置高于或低于出口与内部体积相连的位置。具有在不同高度连接的入口和出口根据其特定应用具有优势。例如，在一些应用中，具有位置高于出口的入口可有助于控制内部体积12内材料的温度，例如更冷的流体进入入口可以与内部体积12顶部附近的相对温暖的流体混合。在另一些应用中，具有低于出口的入口可有助于确保具有所需大小或密度的材料被促使从出口流出，例如更大、更密实的颗粒可以留在低于出口的内部体积12内，直至颗粒被声处理破坏至所期望的大小／密度范围。在具有水套的室内，将入口和出口设置在室的相对端部可以进行对流热交换操作，其热交换和样品的温度控制得到提高。
根据本发明的另一方面，室10可以包含一个或更多个插入元件，其可以位于内部体积12中，以至少部分限定内部体积的形状和大小。例如，如图19所示，可以在内部体积12中提供具有套筒(sleeve)设置的插入元件518，所述套筒具有外部圆柱形和内部锥形或截头圆锥形(frustoconical shape)，以限定在其中将进行声处理的内部体积12的大小和形状。在该实施方案中，插入元件518所限定的内部空间作为内部体积12，材料在其中进行声处理。根据其应用或其他所期望的功能，插入元件518可以以多种不同形状、大小和材料制造。例如，插入元件518可以包含多个成核位点，例如由插入元件518的陶瓷材料表面所提供的，其作为空洞的初始位点。其他位于内部体积12内、用于提供成核位点的设置也是可能的，包含陶瓷杆、珠或由其他材料制成的元件，以帮助传递 或者以其他方式分散室10内的热，提供反应位点或者以其他方式催化或辅助体积12内的化学或其他反应，以及其他作用。通过物理支持和/或通过混合或通过由声能或其他材料流动所引起的内部体积中其他流体移动，将杆、珠或其他结构悬于内部体积12中，例如如图20所示。
根据本发明的一个方面，例如如图16和17所示以及下文所述的其他实施方案，系统1可以设置为在室10或多个室10中对材料进行长时间的连续声处理，例如1小时或更长，强度相对较高，例如200瓦或更高的声换能器输出，而没有产生过多的热累积或其他问题。在一个实施方案中，在部分声能来源2处工作的压电换能器可以约等于286瓦的强度水平在平衡状态下操作几个小时，即材料在室10中进行声处理而不产生过多热累积、换能器耗尽或故障、或其他可能需要中断声处理的状态。这与以前的声处理设置相反，在以前的声处理设置中，出于多种不同的原因，例如过多热累积、声源故障(例如由于换能器过热以及随后的耗尽)、样品材料的损坏等，不能进行1小时或更长的连续声处理。
换能器
在某些实施方案中，声能来源2可以包含例如超声换能器或其他换能器，其产生“超声”频率范围的声波。超声波开始的频率高于可以听见的频率，典型地为约20,000Hz或20kHz，持续进入兆赫(MHz)波的范围。声在水中的速度为约每秒1000米，因此，1000Hz波在水中的波长约为1米，对于直径小于1厘米的单个区域的特定聚焦，其通常过长，但是在非聚焦场情况下可以使用。在20kHz处，波长为约5cm，其在相对小的处理容器中是有效的。根据样品和容器体积，优选的频率可以更高，例如约100kHz、约1MHz、或约10MHz，其波长分别为约1.0、0.1和0.01cm。相反，对于常规超声处理(包括声焊接)，频率通常为约几十kHz，对于成像，其频率更通常为约1MHz，最高达约20MHz。在碎石术中，脉冲的重复率相对较低，经测量在赫兹范围内，但是所产生的脉冲锐度(sharpness)产生有效的脉冲波长，或者在该情况下，脉冲上升时间(pulse rise time)，以及高至约100至约300MHz、或0.1-0.3千兆赫(gigahertz，GHz)的频率组成(frequency content)。
在本发明某些实施方案中使用的频率，对于特定频率，还可以受到样品或室10的能量吸收特征的影响。对于特定频率被样品材料更好地吸收或优先吸收的程度，这是优选的。能量可以短脉冲的形式或者作为连续场 在限定时长内被递送。脉冲可以成束或有规律地间隔。
通过声能来源2可以通过数种方式产生通常垂直方向的聚焦超声束。例如，单元件压电换能器，例如Sonic Concepts，Woodinville，Wash提供的那些，可以为1.1MHz的聚焦单元件换能器，其可以具有球形或其他曲面传递表面，所述表面的定向使得聚焦轴是垂直的。另一个实施方案使用平的非聚焦换能器和声透镜(例如，窗11或其他元件)来聚焦所述束。另一个实施方案使用多元件换能器，例如与聚焦电子元件结合的环形阵列以得到聚焦束。环形阵列通过电子变迹可以潜在地降低焦点附近的声旁瓣(acoustic sidelobe)，这是通过不论是电子地或机械地降低换能器外周的声能强度来实现。通过部分阻断换能器周围的声或者降低多元件换能器的外部元件的功率，可以机械地实现该结果。其降低了能量焦点附近的旁瓣，并且可有助于降低对室10的加热。或者，小换能器的阵列可以被同步化以得到会聚束。另一个实施方案将未聚焦的换能器与聚焦声镜组合以得到聚焦束。该实施方案在较低频率下可以是有利的，此时波长相对于换能器的尺寸较大。该实施方案中的换能器的轴线可以是水平的，使用具有一定形状的声镜以垂直反射声能，并将能量聚焦成会聚束。
在某些实施方案中，相对于处理室10的尺寸，聚焦区较小，从而避免了处理室10的发热。在一个实施方案中，聚焦区的宽度为约1mm。处理室10的发热可以通过将聚焦区附近的声旁瓣最小化而降低。旁瓣是由连续波前的相长干扰所形成的环绕焦点的高声强区域。通过将换能器电子变迹(apodizing)、在更低功率下运行多元件换能器的外部元件、或机械地部分阻断环绕单元件换能器外周的声波，可以降低旁瓣。旁瓣还可以通过使用短猝发来降低，例如处理方案中使用约3个至约5个周期。
换能器可以由压电材料形成，例如压电陶瓷。陶瓷可以作为“拱顶”来制造，其趋于聚焦能量。所述材料的一个应用是声音复制；然而，本文中使用的频率通常高得多，压电材料通常将负担过重，其由超出对电压改变的机械响应的线性区域的电压所驱动，将使脉冲尖锐。通常地，这些拱顶比见于碎石系统中的焦距更长，例如约为20cm对10cm焦距。陶瓷拱顶可以被阻尼(damped)以防止回响(ringing)。如果没有负担过重，其响应为线性的。这些拱顶之一的高能聚焦区通常为雪茄形。在1MHz处，对于20cm的拱顶，聚焦区为约6cm长和约2cm宽，或对于10cm的拱顶，约15mm长和约3mm宽。从所述系统获得的峰正压为约1MPa(兆帕斯卡)至约10MPa的压力，或约150PSI(磅／平方英寸)至约1500PSI， 取决于驱动电压。在几何焦点周围形成聚焦区，其具有约6dB峰声强之内的声强。
波长，或特征性上升时间乘以冲击波声速的总体大小范围与生物细胞相同，例如约10至约40微米。通过选择脉冲时间和振幅，通过聚焦通过声源和待处理材料之间界面维持的程度等，可以改变该有效波长。
聚焦声压波的另一来源是电磁换能器和抛物面聚集器，如碎石术中所使用的。所述装置的激发趋向更有能量，具有类似的或更大的聚焦区。可以观察到约-16MPa的强聚焦峰负压。该强度的峰负压提供了水中的空泡来源，其在提取过程中是期望出现的。
驱动电子设备和波形控制
用声能在室10中处理材料的一个处理方案可以包括与样品的移动和定位组合的可变声波形，以实现所期望的效果。换能器的声波形具有很多效应，包括：由于空洞而位于细胞内和其周围的声微流，其通过例如空泡的瓦解而诱导的流动；由于流体浴的非线性特性而导致的冲击波；由于空泡而产生的冲击波；热效应，其导致样品加热，样品容器加热，和／或由于声流产生的对流热传导；流动效应，其由于剪切力和声压而引起样品材料从聚焦区的偏离，以及由于声流而导致的混合，所述声流是由声压诱导的流动；以及化学效应。聚焦声波的波形可以为单个冲击波脉冲、一系列单个冲击波脉冲、一系列冲击波猝发(每次猝发具有若干个周期)、或连续波形。可以通过单个元件，例如聚焦陶瓷压电超声换能器，或其路径会聚到焦点的元件阵列，来直接聚焦入射波形。或者，可以产生多个焦点以对多个处理区、容器或孔进行超声处理。另外，样品材料流入或流出处理室10可以与声效应相互作用，并且声流可以被修饰以增强该样品以所需方式流动。
可以对处理方案进行优化从而使能量传递最大化，同时将热和流动效应降至最低。在悬浮于液体的颗粒样品的情况下，所述处理方案还可以有效地混合处理室10中的内容物。通过调整声波的参数例如频率、振幅、和每次猝发的周期数，可以控制进入样品的能量传递。通过限制处理的占空比并优化处理室10与耦合介质4之间的热传递，可以控制样品的温度上升。通过使处理室10具有薄的壁、使其由具有相对高热传导性的材料构成、和/或通过处理室10内以及处理室10附近的流体浴内的声流促进 被动对流，可以增强热传递。另外，室10可以被改进，通过改善的表面处理，例如面积增大(例如散热片)、主动泵送的水套、和/或高传导率容器材料，从而增强样品与外部环境之间的热耦合。温度的监测和控制在下文中详细讨论。
例如，对于细胞破裂和提取处理，有效能量波形的一个实例是约1000个周期的高振幅正弦波之后有约9000个周期的死时间，即其为约10％的占空比，其频率为约1.1MHz。向换能器的正弦波电输入通常从换能器产生正弦波声输出。当聚焦的正弦波在焦点会聚，由于水或耦合介质4中的其他流体的非线性声性质，它们可以变成一系列的冲击波。在“打开(on)”时间，该方案有效地在聚焦区处理材料。当材料被处理时，其从聚焦区排出，新的材料循环进入聚焦区。声“打开”和“关闭(off)”时间可以是周期性的，从而在提取经研磨的或颗粒状叶片组织的细胞内容物中可以是有效的，同时使处理容器中的温度上升尽可能小。
通过高功率“处理”间隔与低功率“混合”间隔的交替进行，可以获得破碎和其他处理的其他优点。更特别地，在该实例中，“处理”间隔使用了具有处理频率、每次猝发的处理周期数、以及处理峰与峰之间的振幅的正弦波。“混合”间隔具有混合频率、每次猝发的混合周期数和较低的混合峰与峰之间的振幅。在每次间隔之后为死时间。当然，这些关系仅仅是众多实例中的一个，其中一个间隔被认为是高功率的，一个间隔被认为是低功率的，可以改变这些变量和其他变量以产生或多或少的高能情况。另外，处理功能或间隔和混合功能或间隔可以来自同一设备中的不同或多个换能器，任选地以不同的频率发射。
高功率／低功率间隔处理可以允许实施多个操作，例如，改变样品内组分(例如细胞)的渗透性，随后混合样品。处理间隔可以使空洞和生物效应最大化，同时混合间隔可以使处理容器内的混合最大化和／或产生最小的热。偶尔添加更长的、高功率“超混合(super-mix)”间隔以搅拌位于室10外周的被捕获颗粒可以提供另一些益处。该“超混合”间隔产生了额外的热，从而其可以被安排用于在处理过程中进行偶尔的处理，例如每隔几秒。另外，混合和处理间隔之间的死时间可以允许新鲜材料循环进入目标的能量聚焦区，在此期间声能来源几乎不发射能量。
通常对于被处理的特定材料选择声波波形。例如，为了提高空洞，可期望提高峰正压之后的峰负压。对于另一些应用，可期望降低空洞，但是维持峰正压。通过在加压室10中以略高于环境的压力进行所述处理，可 以实现该结果。例如，如果所产生的波形的峰负压为约-5MPa，那么整个室将被加压至约10MPa，以消除处理期间产生的空洞。待处理的材料可以在室10的内部体积12内分批或连续加压。也就是说，可以使一定体积的材料递送到内部体积12中，进行声处理，同时终止材料的流动，然后一旦初始体积的处理完成，新体积的材料可被递送到内部体积12中。
典型地，冲击波的特征在于迅速的冲击前沿，其正峰压在约15MPa范围内，负峰压在约-5Mpa范围内。该波形持续约几微秒的时间，例如约5微秒。如果负压大于约1MPa，可以形成空泡。空泡的形成还取决于周围的介质。例如，甘油为空洞抑制介质，而液态水为空洞促进介质。空泡的瓦解形成冲击周围材料的“微喷射流(microjet)”和紊流(turbulence)。
通过控制器20使用反馈控制机制可以对声能来源2进行控制，从而精确性、重复性、处理速度、温度控制、提供均匀暴露于声脉冲、感测处理完成的程度、监测空洞、和控制束性质(包括强度、频率、聚焦程度、波列模式和位置)中的任一种可以增强处理系统1的性能。控制器20可以使用多个传感器或多个经感测的性质，以提供反馈控制的输入。这些性质可以包括感测样品材料的温度；声束强度；压力；耦合介质性质，包括温度、盐度和极性；样品材料的位置；传导率、阻抗、电感和／或这些性质的磁等同物，样品材料的光学或视觉性质。可以被传感器21检测的通常位于可见光、IR和UV范围内的这些光学性质可以包括表观颜色、发射、吸收、荧光、磷光、散射、颗粒大小、激光／多普勒流体和颗粒速度、以及有效粘度。可以使用来自传感器21的光信号模式分析，感测样品完整性或粉碎性(comminution)。颗粒大小、溶解度水平、物理均匀性和颗粒形式均可使用仪器测量，所述仪器可以完全独立于流体采样和反馈信号的提供，或者经测量交界点例如光学窗与聚焦声系统直接整合在一起。任何经感测的性质或其组合可以作为控制系统的输入。可以使用反馈以控制该系统的任何输出，例如束性质，室10内的样品位置或流动，处理持续时间，通过反射、分散、衍射、吸收、移相(dephasing)和解谐(detuning)在边界和传送中的能量损失。
根据本发明的某些实施方案，在期望可重复性、均匀性和精确控制的体外应用中使用超声能，处理系统1的若干方面可以提高颗粒物处理的可重复性和／或有效性。这些方面包含使用反馈、超声能的精确聚焦、监测和调节声波形(包括频率、振幅、占空比、和每次猝发的周期数)、相对于超声能定位室10从而样品材料被均匀处理、在处理步骤期间控制样品 相对于聚焦能焦点的移动或流动、和／或通过超声能参数或使用温度控制装置(例如水浴)来控制被处理样品的温度。使用上述变量中的一个或其组合，处理方案可以被优化，从而使例如剪切、提取、渗透、粉碎、搅拌或其他处理步骤最大化，同时将不期望出现的热效应降至最低。
在本发明的一个实施方案中，高强度超声能被聚焦在室10，使用与一个或更多个处理变量相关的“实时”反馈来控制所述处理。在另一个实施方案中，所述处理是自动进行的，其在高通量系统中进行，例如持续流动的待处理材料流，其任选地被分段。
在某些实施方案中，所述处理系统可以包含高强度换能器，所述换能器被电或光能输入驱动时产生声能；用于控制换能器的发射的装置或系统(例如任意波形发生器，RF放大器)，控制例如超声能的时间、强度和占空比的匹配网络；主动或被动地将材料传递进入和离开处理区的系统或方法，其允许自动化和执行来自监测的反馈；温度传感器；控制温度的装置；一个或更多个反应室10；检测例如光、放射性和/或声信号的检测器。反馈信号还可以来自外部或所整合的测量方法所提供的信号，例如颗粒大小、溶解性和形状因子(form factor)。
本发明的另一些方面涉及用于对材料进行声处理的材料流环路的设置。例如，在一些实施方案中，使用直接泵送法或被动重力驱动法，样品材料可以经被动装置或主动装置被传递至处理室或从处理室传递出。
在图22中示意性地显示的一个举例说明性实施方案中，声处理系统1可以包含一个或更多个与储库30流体连接的处理室10，所述储库30容纳在室10中待处理的材料。在该举例说明性实施方案中，室10的入口13与供应导管31流体连接，室10的出口14与返回导管32流体连接。这样，储库30内的材料可以以任意流量、压力、时间或其他参数循环通过室10，从而材料在室10内被声能适当处理。材料的流动可以由重力、声流(例如室10内)、泵33(例如注射泵、蠕动泵、齿轮泵等)、或其他动力引起。在一些实施方案中，可通过施加加压气体、泵或其他组件从而在期望的位置产生期望的压力来维持室10内(和/或储库30内)的压力。如上文所讨论的，对室10和/或其他地方中的材料进行加压有助于降低空洞、提高反应速率、和/或具有其他期望的效果。
在本发明的一个方面，储库30可以包含搅拌器34，例如混合叶片、搅拌器、匀浆器或通过机械搅拌、剪切或以其他方式引起材料在储库30中移动的其他装置。材料的移动可具有所期望的效果，例如在声处理之前 对材料进行预处理、维持材料组分在整个储库体积内期望的分布等。如图21所示的设置可以允许系统1将材料重复暴露于声处理，从而当处理完成时，材料具有所期望的性质。室10内的声处理条件在整个处理中可以保持恒定，或接近恒定，或者条件可以随着时间而改变。例如，初始时，材料可以包含待分解成更小颗粒并最终溶解于载体液体中的相对大颗粒物质。初始声处理条件(以及搅拌器34的操作)可以有利于将大颗粒破碎为更小的颗粒。经过一些初始处理之后，大颗粒可以被破碎，可以对声处理条件(以及搅拌器34的操作)进行调整以提高小颗粒组分进入溶液的速度和效率。对处理条件的调整可以基于任何合适的基准进行，例如所感测到的材料性质(例如颗粒大小、密度等)、逝去的时间、用户输入等。系统1任选地包含第二储库35，当材料的处理被确定已完成时(再次，基于所检测到的材料性质、逝去的时间等，进行确定)，其用于接收材料。在该实施方案中，返回导管32包含三通阀36(或其他适当的设置)，其允许控制器20如所期望地将材料引导至第二储库35。当然，可以使用其他流动控制设置，可以基于所感测到的参数控制材料向第二储库35的流动，例如逝去的处理时间、所检测到的颗粒大小或密度、材料颜色或其他光学性质、或样品材料的其他特性。
图22显示了声处理系统1的另一举例说明性实施方案，其包含经供应导管31与室10流体连接的第一储库30，经返回导管32与室10流体连接的第二储库35。在该实施方案中，第一储库30内的材料可以流经室10进行声处理，之后储存于第二储库35内。在期望进行之后的声处理的情况下，所述材料可以再次流经室10，尽管方向相反，经过第二处理之后，流入第一储库30。可以适当的方式促使材料流动，例如通过泵33、室10内的声流、重力(例如使一个储库内材料的水平高于另一个，从而形成虹吸导致流动)等。室10和/或导管31、32可以包含一个或更多个窗、传感器或其他适于检测样品材料性质的组件。这些检测出的特征可以用于控制系统1的不同参数，例如流量、压力、声处理特性等。
在另一个举例说明性实施方案中，声处理系统1可以包含以串联方式设置的两个或更多个处理室10。例如，图23显示的实施方案中具有相互之间流体连通的两个室10和一个储库30。第一室10a可以用于对样品材料进行“预处理”或其他第一处理，而第二室10b对材料进行“终(finishing)”处理或其他第二处理。可以对每个室10独立设置和控制声能和其他处理参数，以使总体处理目标最优化。例如，样品材料可以首先在第一室10a中经过“粗加工(roughing)”阶段从而将样品材料内的大 块／团破坏(例如，其中处理条件对样品进行总的高度混合和均质化)，之后材料通过下一阶段(例如，“终”阶段)以进行另外的声处理从而改善材料的最终性质，例如通过提取期望的材料、使材料内的组分增溶等。需要时，可以如图23所示，在系统1中使用多阶段(即室10)以实现期望的结果。
本发明的一些方面还涉及使用上述的多种系统1对材料进行声处理的方法。例如，根据本发明的一个方法涉及使用如图21所示的系统来处理材料，其中材料通过搅拌器在储库内被搅拌，使材料从储库流入室10，材料在室10的内部体积中暴露于聚焦声能(其中，聚焦区的声能具有本文所述的性能)，以及使材料流回至储库。任选地，材料的处理状态可以被检测出，例如当材料位于室10或返回导管内时，如果材料经过适当的处理，可使材料流向另一个储库。相对大体积的材料(例如1加仑、10加仑、100加仑、1000加仑或更多的材料)可以被容纳在储库内，并以循环的方式连续流经一个或更多个室10。这样，可以连续实施该处理方法1小时或更长，其中声能来源在等于200瓦或更高的功率输出下连续工作。
根据本发明的另一方法涉及使用如图22中所示的系统或类似系统处理材料。例如，材料可以沿第一方向流入室10，材料暴露于室10的内部体积中的聚焦声能(其中聚焦区的声能具有本文中描述的性质)，并使材料流出室10。之后，使材料沿着与第一方向相反的第二方向流入室10，其中材料经过再次声处理，沿着第二方向流出室10。可以通过一个或更多个泵、声流、重力和／或其他动力引起流动。而且，可以连续的方式实施长时间(1小时以上)的声处理，声能来源2在200瓦或更高的功率输出下工作。与本发明的其他方法一样，可以将不同方面组合在一起，例如包含声窗的室、包含热交换器特性的室等。
根据本发明的另一方法涉及使用如图23所示的系统或类似系统处理材料。例如，使材料流入第一室10，材料暴露于第一室10的内部体积中的聚焦声能(其中聚焦区的声能具有本文中描述的性能)，并使材料流出第一室10并流入第二室10，其中材料经过再次声处理。可以使用三个或更多个室对材料重复进行系列处理，不同室10内的处理条件可以相同或不同。可以连续的方式实施长时间(超过1小时)的声处理，声能来源2在200瓦或更高的功率输出下工作。与本发明的另一些方法一样，可以将不同方面组合在一起，例如包含声窗的室、包含热交换器特征的室等。 温度、空洞、颗粒大小、溶解性以及压力管理和控制
对样品的视觉监测
可以采用光学或视频检测和分析优化样品的处理。例如，在生物组织的悬液中，在处理期间由于所述处理导致颗粒减小和／或大分子释放到溶液中，混合物的粘度可提高。在处理期间对样品的视频分析可以对由所述处理方案引起的混合进行自动评估。作为该评估的结果，处理期间可对所述方案进行改进，以促进更大的混合。通过控制处理过程的计算机控制系统(即控制器20的一部分)可以获得和分析视频数据。还可以使用其他光学测量例如光谱激发、吸收、荧光、发射、和光谱分析对样品的处理进行监测，不论是在室10内或位于室10上游或下游的流路内。例如，激光束可以用于对齐并指示当前样品位置。在某些实施方案中，可以通过反应室内的窗进行视觉或光学检测。该窗可以是室10的上部或下部窗、其自身整合到容器侧面的观察窗、或可以是整合到传送管或样品储库的窗。
温度控制
某些应用要求在处理期间管理和控制被处理样品的温度。例如，在处理期间，许多生物样品不应加热超过4℃。另一些应用要求在处理期间样品维持在特定的高温下。超声处理方案以若干方式影响样品温度：样品吸收声能并将其转化为热；样品处理室吸收声能并将其转化为热，其继而加热样品；以及在样品处理室和耦合介质中产生声流，促使样品处理室与耦合介质之间发生对流热传递。
可以使用声波或脉冲来调节处理室中溶液的温度。在低功率下，声能产生缓慢的搅动，而没有显著的产热。尽管能量被吸收以产生搅动，但是通过处理室的侧面，热量可以迅速丧失，导致样品内发生可忽略的均衡温度提高。处于更高能量时，更多的能量被吸收，温度上升。每单位能量输入所导致的上升程度可以受若干特性的影响和／或控制，包含样品或处理室的热吸收程度以及热从处理室向其周围环境(例如耦合介质)的传递速率。另外，处理方案可以在获得期望效果的高功率处理间隔与实现声流动和对流而没有显著热生成的低功率混合间隔之间交替进行。该对流可用于促进高效的热交换或冷却。
在处理过程中，样品温度可能需要保持在给定的温度范围内。可以通过例如红外传感器远程监测温度。温度探头(例如热电偶)可能并不特别 适用于所有应用，这是因为，声束可以与热电偶相互作用并在探头附近产生人为高温。温度可以被控制声波形的同一计算机监测。所述控制响应于错误信号，该错误信号为经测量的样品实际温度与样品目标温度之间的差值。控制算法可以是滞后开关控制器(hysteritic bang-bang controller)，例如厨房炉具中所的那些，其作为控制系统的输出，当实际温度超出第一目标温度时关闭声能，当实际温度降至低于第一目标温度的第二目标温度时打开声能。可以使用更加复杂的控制器。例如，不是简单地打开和关闭声信号，例如通过改变振幅或占空比，声信号可被持续地、与错误信号成比例地调整，以提供更精细的温度调节。
在应用用于多个样品模式的开关控制算法中，一旦超出了最大温度值，对于特定样品将关闭声能，在再次打开声能之前，除了等待样品冷却至选定温度以下之外，还有一个替代方案是移动至下一个样品，或提高新样品流入处理室的流量。另一替代方案是转换至预定的“冷却”波形，其促进对流而不会对特定样品添加显著的热，并将该周期与将新样品材料引入室中同步化。
更多实施方式
涉及通过晶体生长而可重复地形成大体积纳米晶体颗粒的本公开内容的一些方面可以与下文的其他描述组合使用，下文的其他描述涉及用声能处理材料，包含样品材料被容纳在其中或流经室的处理区的系统。
在一些实施方案中，本文所描述的流通处理(flow through processing)使得一些类型的声处理和/或使在非流通技术中不可能的处理效率成为可能。在一些实施方案中，声处理样品材料的方法包含在处理室中产生一个或更多个第二聚焦区，使用这些第二聚焦区有助于对室内材料进行声处理。例如，声能来源可以通过将声换能器发出的能量聚焦至含有样品材料的处理室中的一个位置来产生声能聚焦区。被散射或者以其他方式从聚焦区发出的声能可以被反射或者以其他方式被操纵(例如通过室壁所限定的几何形状)以产生第二聚焦区，或者反射回处理室，从而建立非接触性的、压力下降的环境，该环境有助于混合。这些第二聚焦区有助于声处理，例如通过引发混合、分子键的破坏、样品材料在期望方向中流动等。因此，声处理效率更高，其部分是由于可以其他方式从处理室发射出的声能可以用于室内的声处理。
在一些实施方案中，这些被反射的能量被向内引导，产生“处理区”，能量被引导至处理区。可以改变室的几何形状以在该处理区内承受一定范围的压力。对于某些材料(例如生物样品)，这是可期望的，更大、更均匀的处理区产生了全面的、更加有效的处理，其原因是穿过更大的整合材料体积的声能高于特定的阈值。
在一个实施方案中，声处理方法包括向具有壁的室的内部体积引入待声处理的样品，所述壁具有内侧面。样品可以包含任意合适的材料，例如液体、固体、混合物、悬液或其他液体与固体的组合等。室可以具有任何合适的大小、形状或其他设置，例如可以是单个分离的容器或者允许材料流经空间的设置。频率为约100kHz至100MHz的声能可以从与室分隔开的声能来源发出。例如，包含一个或更多个压电元件的声换能器可以用于发射具有适当设置的声波，以形成至少部分位于室内的聚焦区。该声能可以通过耦合介质(例如液体和／或固体)进入内部体积。还可以其他方式离开室的声能可以被反射以形成位于室内的第二聚焦区。例如，室可以包含薄壁，其基本可透过声辐射，并且被空气或其他气体环绕，从而提供气体／室壁界面。在该实施方案中，气体／室壁界面可以提供相对于样品材料的声阻抗或其他声性能的适当差异，从而声能在气体／室壁界面被反射并回到室的内部体积中。该反射的能量可以被聚焦或者以其他方式被引导从而形成位于室内的一个或更多个第二聚焦区。在一个替换实施方案中，室壁材料本身可以由高阻抗材料制成，从而直接反射回处理区。
在另一举例说明性实施方案中，用声能处理材料的系统包含具有壁的室，所述壁具有限定了内部体积的内侧面，并设置成使室内的声能反射从而在室内形成第二聚焦区。声能来源可以与室间隔设置，发出频率为约100kHz至100MHz的声能，以产生位于内部体积内的声能聚焦区。耦合介质(例如包括液体和／或固体)可以将来自声能来源的声能传递至内部体积。该室可以具有通向内部体积的开口(例如位于室的底部)，接收材料流入内部体积的入口和将材料从内部体积排出的出口。在一个实施方案中，室壁基本上可以透过频率为约100kHz至100MHz的声能。可以在室的开口处设置窗，并设置成密封地封闭开口，并将聚焦的声能传递进入室，以在内部体积中处理材料。该窗可以与室壁一体形成、整合形成或以其他方式与室壁一起形成，其通常可以透过频率为约100kHz至100MHz的声能。外壳可以连接至室和窗，从而所述窗暴露在外壳的下端，并且室位于外壳的内部空间内。该设置可允许外壳在窗上方的区域内保持室壁外侧与气体的接触，例如，在所述区域内，外壳的下端和窗浸入液体 耦合介质。室壁和气体的界面对内部体积中的声能可具有聚焦效应以在内部体积中形成一个或更多个第二声能聚焦区。例如，从由声能来源形成的聚焦区散射或以其他方式发射的声能可以被界面反射回内部体积，以产生第二聚焦区。室可以具有拱顶形状，例如包括半球形部分、圆柱部分、圆锥部分或另一些合适的形状以有助于聚焦或以其他方式引导声能。在一个实施方案中，将材料从内部体积排出的出口可以位于室的最上部，例如有助于将气体从内部体积中排出，所述气体在声处理期间被释放。这可有助于防止室内的气体干扰声能。另外，这可以确保更大／更重的颗粒保留在处理区，直至它们足够小到能够浮起来并与向外流出的样品一起移动。
在一个实施方案中，室的入口可以从室顶部横贯，但是具有在室内部延伸直至底部区域的入口管，由此确保材料必须在其通向出口的路径上通过处理区。该设置在低流量和/或低声能处理条件的情况下更加重要。
在本发明的另一方面中，用声能处理材料的系统可包含具有壁的室，所述壁具有限定了内部体积的内侧面和与内侧面相对、基本被气体包围的外侧。气体与室壁外侧的界面可以有助于反射或以其他方式引导声能离开室和／或形成一个或更多个第二聚焦区。被反射的声能形成的第二聚焦区可以补充由声能来源形成的聚焦区，例如有助于对样品材料进行声处理。在一个举例说明性实施方案中，室具有拱顶形，例如拱顶的上部设置在室的顶部，并离声能来源最远。室的拱顶形状可以设置成用于聚焦或以其他方式引导声能形成第二聚焦区。室可以具有通向内部体积的开口、接收材料流入内部体积的入口和将材料从内部体积排出的出口。在一个实施方案中，室壁基本上可以透过频率为约100kHz至100MHz的声能，其厚度为约0.010英寸，可以由聚乙烯、PET、特氟龙(Teflon)／基于FEP、TPX(聚甲基戊烯)、或其他适合透过声的材料制成。窗可以位于室的开口处，并且设置成用于密封封闭开口，并将聚焦的声能传递进入室，以在内部体积中处理材料。该窗通常可透过频率为约100kHz至100MHz的声能，例如有助于防止声能的损失、加热窗等。声能来源与窗和室分隔开，并设置成发出频率为约100kHz至100MHz的声能，以在内部体积中形成声能聚焦区。耦合介质(例如包括液体和／或固体)可设置成将声能来源发出的声能传递至窗。在一个实施方案中，窗可以与耦合介质接触，例如窗和室的其他下端部分可以浸入水浴中。外壳可以连接至室和窗，从而所述窗暴露在外壳的下端，室位于外壳的内部空间内。该设置可允许部分外壳浸入液体耦合介质中，使窗与耦合介质接触。然而，外壳可以保持气体与室壁的接触，即使部分室壁位于耦合介质的顶部水平以下。室和窗可以设 置为保持内部体积的加压环境，例如有助于减少空洞，或抽真空以降低内部体积中的气体含量。
在一些实施方案中，室可以是密封的，具有一个或更多个通向室的入口和出口，从而有效地将大体积流体材料传递通过室。在处理期间，室可以是密封的，以防止样品材料或环境的污染。在一些实施方案中，可以使用室阵列以平行处理多个样品流，其中需要非常大量的样品体积，例如在生产工艺流中。在一些实施方案中，室和／或其他与被处理材料接触的部件可以以可弃型的形式制造，例如在处理材料中一次使用之后丢弃。入口和出口可以位于室顶部附近，由此，室的内部体积在某种意义上来说是悬于入口和出口的，或者以其他方式位于至少出口的下方。入口和出口可以各自包含从室延伸的导管，从而材料可以被引入室内，即使室通过其他方式与外界环境完全密封。材料的流动可以由泵、重力或其他动力引起，第一和/或第二导管可以连接各自的储库，从而在必要时容纳材料。
超声处理的设备和方法
图24显示声处理系统1的一个实施方案，其中声能来源2产生的聚焦声能通过耦合介质4(其可以包括固体和／或液体，例如水)到达室10的声窗11并进入室10的内部体积12中，样品材料位于内部体积中。声处理系统1可以包含控制器20(例如包括适当编程的通用目的计算机或其他数据处理装置)，其接收控制信息(例如从一个或更多个传感器、用户输入装置等)，并相应地控制声能来源2和/或其他系统组件的操作。样品材料通过入口13被提供进入内部体积12，在内部体积12中声处理，然后通过出口14离开体积12。
声能来源2可以包含向室10的窗11投射聚焦超声束或波前的超声换能器。窗11可以密封地封闭室10的开口，可以适当地透过或其其他方式传播声能，从而超声束穿过窗11在内部体积12内形成聚焦区617，其作用于室10中的样品材料。窗11可以设置为将最大量的超声能传递至室10中的材料，和/或控制内部体积12和例如外部水浴或其他耦合介质4之间的热传递。在某些实施方案中，窗11为玻璃、蓝宝石、石英或例如聚酰亚胺或聚甲基戊烯的聚合物。窗可以具有任何适当的形状或构造，例如可以是平的(或者以其他方式具有相对平的表面供声能的冲击)，或可以是曲线形的从而具有半球形或其他凸形，由此允许声能以约90度的角度从会聚声场通过。在某些实施方案中，通过窗11的物理形状的“透镜” 效应(例如凹形或凸形或其他透镜构造所引起的效应)，窗11的形状允许以优选的方式相对于内部体积12引导声能，例如聚焦或散焦声能。在一些实施方案中，窗11具有类似于水(或其他耦合介质4)的声阻抗，以及相对低的声吸收。一种优选的材料是低密度聚甲基戊烯，但是也可以使用其他聚合物，例如聚丙烯、聚苯乙烯、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(“PET”)、聚酰亚胺，以及其他刚性和柔性聚合物。如果窗11由薄膜材料制成，所述薄膜可以是层状以有利于热粘接至室10，和/或厚度可以是约0.25mm。例如，使用热密封、粘合剂、机械钳、或其他紧固件、或其他设置，窗11可以密封地连接于室10，或者可以用普通的垫圈或O型环进行密封。更厚、刚性更强的材料也可以用于窗11。
室10可以包含其内表面限定了内部体积12的壁。在本发明的一个方面，壁可以具有基本被气体(例如空气)或其声阻抗与室壁和／或样品材料显著不同的另一材料包围的外表面。室壁可以制成相对较薄，例如厚度为约0.010英寸，可以是基本上声透过的。因此，室壁外表面周围的气体(或其他材料)与室壁之间的界面可以将声能反射回内部体积12。在一个实施方案中，内部体积12中的声能可以被室壁／气体界面反射，从而产生声能的第二聚焦区618。该第二聚焦区618可以与聚焦区617重合，或者与聚焦区6117的位置不同。而且，第二聚焦区618的尺寸可以小于、大于或者等于聚焦区617，室壁可以被设置成产生两个或更多个第二聚焦区618。或者，第二聚焦区可以被构造成作用于更大体积的材料，由此产生横贯材料区域的更高的整合压力。如果聚焦，第二聚焦区618的声能强度可以高于(或低于)聚焦区617的声能强度。例如，如果聚焦区617的峰正压为约1MPa(兆帕斯卡)至约10MPa的压力，或约1150PSI(每平方英寸的磅数)至约1500PSI，则第二聚焦区618的峰正压可以比其大20％。(聚焦区为声强在约6dB峰声强之内的区域。)在该举例说明性实施方案中，室壁包含拱顶形状，其位于室10顶部附近，例如距离声能来源2最远的部分。该设置已经被发现适于反射并聚焦声能，以形成位于聚焦区617上方的单个第二聚焦区618，例如通过诱导室10内的混合或者通过其他效应，可有助于确保样品材料适当地暴露于声能。
为了帮助室10与声能来源2之间的声偶联，窗11可以与耦合介质4接触，不论耦合介质4是液体或固体。当耦合介质4为液体时，可以进行调整，通过防止耦合介质4与室10的高于窗11之部分的接触，有助于维持气体／室壁的界面。在该举例说明性实施方案中，室10可以容纳在外壳615内，例如圆柱形的套筒，从而窗可在外壳615的下端暴露，但是室10 的其他部分位于外壳615的内部空间内。例如，窗11可以粘接或其他方式连接于外壳615，从而形成液密结合(1iquid-tight joint)，防止液体耦合介质4流入室壁与外壳615之间的空间。这有助于维持室壁周围的空气或其他气体，即使窗11和/或部分外壳615浸没在耦合介质4的最高水平之下。也就是说，至少部分室壁，例如整个室10，可以位于液体耦合介质4的顶面以下，同时维持气体／室壁的界面。在图24中，仅室10的下部位于耦合介质4的顶面以下，但是应当理解的是，耦合介质4的顶部水平可以任何适当的方式相对于室10定位。
当然，图24中的设置仅仅是一个举例说明性实施方案，室10和外壳615也可以是其他构造。例如，图25显示了其中室10的构造类似于图24(室具有拱顶样形状的壁)的一种设置。然而，该实施方案中的外壳615的形状总体上与室10一致，然而室10与外壳615之间基本上保持了空气或其他气体间隙。空气间隙不需要特别大，尽管该间隙的厚度可变，但是在一些实施方案中其可以薄至约1mm。注意，外壳615和室10可以相互接触，或者有效地连接，例如在出口13和出口14附近的区域，然而仍然保持室壁基本被空气或其他气体环绕的情况。
入口13和出口14可以多种方式设置，在该实施方案中，入口13和出口14各自包含一个与室10连接的导管(例如柔性管道)。入口13和／或出口14可以具有配件(fitting)(例如快速连接配件、luer-型配件)或其他适当的设置从而与样品材料供应源或接收容器之间流密连接(fluid-tight connection)。样品材料供应可以包含例如，样品材料储库、导管、泵、过滤器、和／或任何其他适当的组件。例如，在一个实施方案中，入口13和/或出口14可以包含能够与蠕动泵相互作用导致样品材料流过室10的柔性管道。在一些实施方案中，入口和/或出口可以包含止回阀、单向阀、电子控制阀或其他设置，其以有助于确保按所期望的方式流动，例如材料总是从入口流向出口，即使流动是间歇的。在一些情况下，样品材料的声处理可以导致气体从样品材料中释放，这可干扰声处理。在该实施方案中，出口14位于室10的最上部，从而内部体积12中的任何气体可以随着样品材料流出内部体积12并进入出口14。但是，可以使用其他设置，例如气阱(gas trap)、通气口、气体净化器、或其他构造，以降低内部体积12中的气体存在。入口13和/或出口14(以及包含室10、窗11和外壳615的其他组件)可以进行消毒(例如通过环氧乙烷、γ辐射、高压灭菌、化学处理等)，从而可以向用户保证样品材料没有被污染。而且，这样的组件可以被制作和应用供单次使用，随后丢弃或整修 (refurbish)。
室10的一部分，例如室10的上部，可以包含观察窗或其他设置，其允许对内部体积12进行可见光观察。所述观察可以通过人、或适当设置的传感器21(见图24)进行，所述传感器例如摄像机、光检测器、IR检测器等。被传感器21检测的内部体积12中材料的性质可以被控制器20使用，以控制声能来源2或系统1的其他组件。例如，如果传感器21检测到存在特定大小和/或数量的空泡，为了避免过多的空洞，控制器20可以调整聚焦区617的声能。在声处理旨在破坏样品材料内颗粒大小的情况下，传感器21可以检测其他特征，例如室10内颗粒的大小、密度或其他特征。这样，传感器21可以检测声处理是否如所期望地进行，处理是否完成，例如以启动将另外的样品材料引入室10中。类似于窗11，观察窗可以由任何适当的材料形成，例如玻璃、蓝宝石、石英、和／或聚合物材料、和/或可以为室壁的一部分。而且，传感器21可以成为外壳615的一部分(例如连接至外壳615的壁上)，从而当外壳615和室10工作时，传感器21可以适当地被设置以检测内部体积12内的情况，而不需要进行任何调整或对传感器进行其他配置。传感器21与控制器20之间的通信和／或电源连接可以是无线的、或通过线路实现，例如当外壳615安装在支架(holder)上时，通过外壳615上的电连接头与配对的连接头接触。也就是说，包含声能来源2、耦合介质4的容器3、控制器20等的声处理器(例如Woburn，MA的Covaris，Inc.提供的Model S2或Model S220声处理器)还可以包含支架或其他安装设备与外壳615物理连接，并使室10相对于耦合介质4和/或声能来源2处于合适的位置。在一个实施方案中，支架可以包含接收外壳615的圆柱形部分的圆柱形开口，在期望的位置支持外壳615。支架和外壳615可以使用夹钳、固定螺丝、摩擦配合或其他适当的设置来相互固定。
室10的本体可以由适于在处理期间容纳内部体积12中的样品的任何材料或材料组合制成，以作为环境密封件，和／或提供声反射功能。在一些实施方案中，室10可以由刚性或柔性材料制成，例如热传导金属或聚合物，或所述材料的组合。优选地，用于室10的材料具有低的声吸收。在某些实施方案中，室10的上部(例如包含观察窗)可以将声能反射回内部体积12中(例如与气体界面一起作用)，提供了额外的处理效率。如果室10由多个部分制成，例如由上部部件和下部部件制成，所述部件可以通过热粘接、粘合剂粘接、外部夹钳、与O形圈或其他垫圈一起在部件之间形成密封的机械紧固件、焊接等连接在一起。如果通过热粘接实现 连接，上部和下部部件可以由具有可热粘接的外层和耐热内层的膜片层制成，或者包含所述膜片层。
内部体积12的大小和形状适合于待处理的样品材料，例如如果相对小体积材料在相对小的体积中进行处理，一些声处理应用(例如灭菌)会更加有效地起作用，而在另一些应用(例如混合)中，对内部体积12使用更大体积会产生更好的结果。内部体积12可以具有不同的形状或其他构造特征，例如内部体积12可以由垂直的壁限定，可以为锥形、曲线形等。而且，室10可以由多个组件构成，例如共同限定含有待处理材料的内部体积的上部部件、下部声透射部件(例如，窗11)和本体。或者，室10和窗11可以由单个整片或其他方式制成。
图26显示了图24实施方案的拱顶形室10的透视图。尽管已经发现，具有半球形上部的弯曲拱顶形可以用于产生第二聚焦区，但是也可以使用其他拱顶形。例如，图27显示了具有基本上锥形的室10的横截面图。这样的设置可以用于例如聚焦室10顶部附近的声能。图28显示了另一举例说明性实施方案，其中室10具有近似圆柱形的形状。该设置可以用于产生多个第二聚焦区，例如在室10的上部周围附近。图29显示了另一举例说明性实施方案，其中室10具有锥形的下部和圆柱形的上部。该设置有助于在室10顶部附近的相对局限的区域中产生第二聚焦区。当然，可以其他方式对图27-29的拱顶形状进行改进，例如包括四面体形、卵圆形、网格球拱顶(geodesic dome)形、和其他规则和不规则设置。尽管这些实施方案中没有显示窗11或其他类似设置，但是可以在室10的下端开口处设置窗11，例如通过将窗11粘结至室10的下端的凸缘(flange)。
如上文所讨论以及如图24所示，声处理系统1可以包含含有声能来源2、室10、耦合介质4和/或其他组件的容器603。容器603可以具有任何适当的大小、形状或其他构造，可以由任何适当的材料或材料的组合(例如金属、塑料、复合物等)制成。尽管在该举例说明性实施方案中，容器603具有罐样构造，其具有开放的顶部允许进入容器603，但是容器603可以设置成具有盖或其他封闭物。例如，室10、外壳615等可以被用于封闭容器603的盖中的孔接收，从而室10适当地至少部分位于容器603内。如果耦合材料4为固体，容器603和耦合介质4相互之间基本为一体，耦合介质4基本上作为声耦合剂以及声源2与室10或室10的支架之间的物理连接。
空洞控制
在一些应用中，优选地是用尽可能多的能量处理样品而不产生空洞。该结果可以通过抑制空洞来实现。可以将处理室加压超过环境(通常称为“超压(overpressure)”)直至在声波的稀薄相(rarefaction phase)不产生负压，由此可抑制空洞。该空洞的抑制在例如细胞转化的应用中是有利的，其中所希望的效果是打开细胞膜，同时保持细胞的活力。在另一些应用中，可以期望提高空洞。在这些应用中，可以向聚焦区的区域施加“负”超压或真空。
样品中空洞的控制在声处理过程中也可以是重要的。在一些情况下，小量空洞的存在是增强生物化学过程所期望的；然而，当大量的空泡存在时，在声到达标靶之前，空泡将使声散射，从而有效地屏蔽了样品。
可以通过多种方法检测空洞，包括声学和光学方法。声检测的一个实例是被动空洞检测器(passive cavitation detector，PCD)，其包含检测从空泡所发出声的外部换能器。(即，PCD可位于室10的外部，例如PCD可以在耦合介质4中。)PCD的信号可以被过滤，例如使用峰检测器，之后经低通过滤波器，然后输入控制计算机(控制器20的一部分)，作为空洞活动的量度。可使用类似于温度控制例中所描述的方式调节声信号，以将空洞活动维持在期望的水平。
超压：室10中提高的压力为控制空洞的一种技术。超压倾向于除掉空洞核并提高产生空洞所需的能量水平。流体中的微粒(mote)受到超压的强烈影响，甚至通过添加一个大气压的超压，其通常显著降低游离液体中的空洞。室10壁上的成核位点倾向于更耐超压；然而，空洞趋于局限在这些位点上，自由漂流进入游离流体中的任何气泡迅速被溶解。通过提高系统中的环境压力，气泡成核与瓦解所需的压力提高了，由此提高了空泡瓦解所给予的力。该关系大致为线性，即系统的环境压力加倍，则气泡瓦解所产生的力也加倍。用于容纳更高整体压力的周密系统设计成可以通过很多因素使其放大。超压可以施加在处理室、处理室阵列、处理耦合介质和容器上，或施加在整个系统上，从而在聚焦区的区域中实现高于大气压的压力。
脱气：再次通过降低空洞核并使其更难启动空洞，降低材料流体中的气体含量倾向于降低空洞。控制空洞或空洞效应的另一方法是控制溶解于样品流体中的气体。例如，空洞导致用氦气饱和的流体引起比用氩气饱和的流体更少的机械损伤。
监测空洞
可采用多种方法来检测空洞。例如，可以使用声发射、光散射、高速照相、机械损伤、以及声化学物质。如上监测温度中所述，来自空洞检测的信息可被系统使用，从而响应于该信息，产生选择性地控制样品暴露于声能的输出。以下将更加全面地描述这些方法中的每一种。
声发射：气泡对超声是有效的散射体。气泡的脉动模式被称为单极子源(monopole source)，其是一种有效的声源。对于通常为线性的小振荡，气泡简单地将入射的声脉冲散射。然而，当响应变得更加非线性时，其开始发出更高谐波的信号。当驱动更加强大时，气泡也开始产生分谐波(subharmonics)。最后当响应变成周期性或混乱的时侯，散射场趋向于白噪音(white noise)。在此情况下，发生惯性瓦解，发出短声压脉冲。声换能器可以用于检测这些发射。在发射开始和细胞破裂之间具有可检测的关联。
光散射：气泡也散射光。当存在气泡时，光被散射。通常使用纤维光源将光引入系统，从而可以实时检测空洞，并通过电子和计算机系统来控制。
高速照相：气泡可以被照相。该方法通常需要高速相机和高强度光照，其原因是，气泡响应于声的时帧。其还要求能够良好地光接近被研究的样品。该方法可以给出详细和准确的数据，当根据本发明设计系统时，其可以作为一个考虑。成像远不及其频繁的频闪观测系统(stroboscopic system)通常可以给出与高速照相类似的定量性能，但是其更加便宜和简单。
机械损伤：已知空洞会造成对机械系统的损伤。点蚀(pitting)金属箔片是特别常见的效应和检测方法。点蚀箔片需要的空洞与破裂细胞所需的空洞之间存在关联。
声化学物质：已知响应于空洞而产生大量的化学物质。这些化学物质的产生可以作为空洞活动的量度。常用的技术是监测来自化学物质(例如鲁米诺)的光生成，所述化学物质暴露于空洞时产生光。在细胞实验过程中通常不研究声化学物质的产生，但是在相同条件下可以独立进行，由此提供经校正的标准。
供处理的材料
A.生物材料
许多生物材料可以根据本发明被处理。例如，所述供处理的材料包括但不限于：例如根尖、分生组织和愈伤组织(callus)的生长植物组织、骨、酵母和其他具有坚硬细胞壁的微生物、细菌细胞和／或琼脂板上或培养基中的培养物、干细胞或血细胞、杂交瘤细胞和其他来自永生化细胞系的细胞、以及胚胎。另外，其他生物材料，例如血清和蛋白制品可以用本发明的工艺进行处理，包含灭菌。
B.结合材料
使用根据本发明的处理可以增强许多结合反应。结合反应涉及两个或更多个分子(例如两个核酸分子)通过杂交或其他非共价结合而结合在一起。结合反应见于例如检测结合的测定(例如特定染色反应)中，例如聚合酶链式反应的反应(其中一种核苷酸分子为引物而另一种为待复制的底物分子)中，或涉及抗体及与其结合之分子的结合交互作用(例如免疫测定)中。所述反应还可以涉及底物与配体的结合。例如，例如抗体或受体的底物可以被固定在支持物表面上，用于表位、配体和另一些分子的纯化或分离技术。
C.化学材料和矿物材料
可根据本发明方法用受控声脉冲对有机和无机材料进行处理。所述声脉冲可以用于粉碎固体材料，特别是在反馈控制方案下进行，或者用于多样品阵列。与生物样品一样，在基本独立于实验环境的情况下，对阵列中的单个有机和无机样品进行处理。除了改变它们的物理完整性，材料还可以被溶解于溶剂流体(例如液体和气体)中，或者用溶剂提取。例如，聚合物在溶剂中的溶解如果不搅拌的话会非常慢，但是用先有方法对多个样品进行搅拌是非常困难的，而且有可能引起样品之间的交叉污染。然而，用本发明的设备和方法可以对多个样品进行搅拌，而且样品之间不存在交叉污染。
处理应用
A.改变细胞的易接近性(accessibility)
超声发生器使用约20kHz的频率可以破坏细胞。通常认为超声有两种方式可以影响细胞，即通过加热和空洞，所述空洞是声波与样品中的小气泡之间的相互作用。加热主要是由于声能被介质或容器所吸收而产生 的。对于稀的水溶液系统，容器吸收是加热的主要来源。如本文中所述，加热在一些处理应用中并不是所期望的。即使是强声，与压缩相关的加热和与声波的稀薄有关的冷却相对较小。
根据本发明，介质中受控声脉冲用于处理含有生物材料的样品。所述脉冲可以特别适于优先与生物材料中的支持基质相互作用，例如植物细胞壁或细胞外基质，例如骨或胶原，由此降低或除去了所述介质的屏障功能，并有利于胞外组份插入到细胞中。在该应用中，细胞的改变最小，而且保持了细胞的活力。这些脉冲可以由冲击波或声波产生。通过应用的机械装置，这些波可以在样品外或者直接在细胞内产生。在热效应可以忽略的实验中，典型地没有裂解，除非存在空洞。声能的其他模式可以具有与破碎基质不同的效应，可以与预处理一起使用、与破碎声能一起使用、或者仅用其本身。例如，破碎基质的条件与使细胞膜渗透的条件不同。
空洞可影响细胞存在多种可能机制，即使有，对于哪个机制占居主导没有一致意见。认为主要的机制包含剪切、微喷射、冲击波、声化学以及其他机制。
B.提取
在改变上述细胞易接近性的方法的一个变型中，介质中受控脉冲可用于处理含有生物材料的样品，以提取生物材料的级分。这些脉冲特别适于优先与支持基质相互作用，例如植物细胞壁或细胞外基质，例如骨或胶原，或生物材料中具有不同刚性或渗透性的材料，由此降低或除去了所述基质或材料的屏障功能。这些脉冲可以由冲击波或声波产生。通过应用的机械装置，这些波可以在样品外或者直接在细胞内产生。
生物材料的支持基质可以被破坏，但是不会破坏基质内所含细胞的一种或更多种选定的内部结构。此类样品的代表性示例有：i)骨，其中刚性基质中含有目的活细胞；ii)哺乳动物组织样品，其含有包埋在弹性结缔组织基质和“糖萼(glycocalyx)”或胞间基质中的活细胞；以及iii)植物组织，例如叶，其含有位于纤维素基质中的细胞，通常与其他材料交联，具有中等刚性。实际上，所有的活细胞质地上都是凝胶状，可以一定程度的变形而不会破裂或发生内部损伤。相反，基质设计成用于支持和保护细胞，以及实现其他的生物功能。在上述三个实例中，骨和叶的基质设计成为结构提供刚性，而大多数胶原基质的支持物具有强弹性。因此，不同的方案，例如振幅、持续时间、脉冲数和样品温度，可用于通过机械手段来破坏不同的基质，而不会损伤细胞材料。
对提取进行优化的三个领域是处理波形、混合波形、和定位或高频振动(dithering)。出于提取的目的，对目标样品确定适当的处理和定位参数的方法描述如下。
第一，将固体样品以约1∶1比例(重量／体积)放于处理室内的液体体积中。例如，在0.5mi处理室中，将0.25ml甲醇添加至0.25g叶组织中。将单个样品放置于声设备的聚焦区内。不使用处理方案，混合波形被调整至以最低振幅、最少周期／猝发、和最低占空比提供样品的“搅拌”。限定了混合波形的方案后，将靶样品固定在聚焦区来调整破碎处理波形，从而其中没有混合以及没有样品移动，例如高频振动。使用声能来源，例如压电换能器，样品经受每次猝发最小的周期数，例如三个。出于提取目的，振幅初始使用额定的500mV设置。在显微镜下处理并观察一部分样品的膜破坏的迹象。所述观察可以与对胞内细胞器染色的染料结合起来。然后提高周期数／猝发，直至在组织的固定部分实现特定的、所期望的组织破坏。对于新鲜样品，组织与液体的比例为1∶1，在总体处理的百万个周期中使用红外传感器监测样品的温度，所述红外传感器指向覆盖样品容器的聚乙烯薄膜顶部。调整占空比，使温度维持在预定范围内，例如4℃+／-2℃。如上所讨论，可以用串联设置的不同处理室(如图23)或用同一室(例如，材料以振荡方式通过室10)进行不同相的提取。可以调整不同的室或处理条件以对过程中的每个阶段实现所期望的结果。
C.将分子引入细胞或从细胞中移出
一旦具有基质的样品已经被充分弱化或减弱，但是仍没有达到基质内的大量细胞被杀死或溶解的程度，暴露的单个或多个靶细胞变得易于通过例如转染或转化的技术插入外源性分子。对于一些基质，从基质中分离细胞很方便，之后转染细胞。在另一些情况下，特别是在自动系统中，使用根据已知技术调整的溶液和条件，对经处理的组织样品直接进行转染是优选的。或者，在待处理细胞没有位于基质内的情况下，根据以下过程可以直接对细胞进行处理，而不需要对基质进行预处理。尽管下文所描述的处理主要用于转染，但是根据本发明的方法和设备同样适用于转化过程或另一些处理，从而将外源性材料引入经通透的细胞膜。
根据特定应用，对改变细胞通透性的波形进行改进。通常地，冲击波的特征在于具有例如约100MPa的正峰压和例如约-10MPa的负峰压的快速冲击前沿。该波形具有几微秒的持续时间，约为5微秒。如果负峰大于约1MPa，可以形成空泡。空泡形成还可以取决于周围介质。例如，甘 油为空洞抑制介质；然而，液体水是空洞促进介质。空泡的瓦解形成冲击周围材料的“微喷射流”和紊流。
声波，即强度低于冲击波阈值的音波，提供了一种使基质破坏以允许接近细胞的质膜从而允许转化的替代方法。所述声波可以通过任何已知方法产生。当生物材料在零下温度时，例如约-5℃，大部分但不是全部的水为固相。然而，在某些生物组织中，出于若干原因，仍然存在有液态水的微区域，例如自然“抗冻”分子或高盐浓度的区域。因此，当在用声波或冲击波处理样品期间改变样品温度时，液态水的微区域能够形成冲击波，并诱导空泡形成和瓦解，并产生撞击周围组织的剪切应力。实际上，逐渐改变样品温度可以是期望的，因为其提供了撞击周围材料的液态水聚集区。这些波可以直接施加于样品，例如压电脉冲，或通过干扰介质施加于样品。该介质可以是水、缓冲液、使待分离的目标材料稳定的介质、或针对靶标的提取介质。干扰介质还可以是固体，由其本质上是固体的材料形成、或由冷冻的溶液形成。
此时，或任选地，在之前，将含有待并入细胞的材料的溶液或悬液添加至样品中。在一个实施方案中，外源性材料以常规方式并入细胞，这是本领域针对具有暴露质膜的细胞所已知的。在另一实施方案中，使用声能使胞膜瞬时可渗透，从而有利于将外源性物质引入细胞内。在通过声能弱化基质的过程中，所述外源性物质可以存在于样品中。甚至当细胞保持完整，通过染料排斥(dye exclusion)或其他活力测量所检测的，通过声能弱化细胞基质的过程瞬时使胞膜不稳定，提高了对外源性大分子和结构的摄取。如果需要进一步提高并入率，则施加的声能的强度或时间略微提高直至细胞膜变得瞬时可渗透。例如，向混合物施加温和的脉冲或波，其具有预定振幅。该振幅可以在对同种类型的样品的单独实验中很容易地确定，其使细胞类型的质膜瞬时成多孔状，其经验方式类似于上述确定合适的处理以破坏基质的步骤。在瞬时多孔状态期间，外源性物质扩散进入细胞内，一旦除去声脉冲或冲击脉冲，所述材料将被捕获。
这些进行转染的方法、或将外源性物质并入活细胞内的其他方法的一个主要优势是，这些方法易于扩大规模、自动化，而且可以显著降低样品大小和试剂体积。因此，这些方法适于大规模自动化，其大部分原因在于，它们不需要将细胞从基质中分离。另外，这些方法易于进行连续流动处理，例如本文中所述的那些。例如，用于渗透化的声能处理可以不同于用于消毒的声能处理，但是待处理的样品可以流经类似于图21所描述的设备。
每ml介质中的细胞数对于细胞应用来说同样是重要的因素。为了有效地利用声能，细胞的浓度不应太低(因为所产生和利用的能量依赖于细胞浓度)或太高(粘度较高)。另外，使用渗透化处理和混合模式(mixing profile)，基因转移的另一些技术可被增强。实例包含磷酸钙共沉积、电穿孔、和依赖受体的处理。
D.灭菌
术语“灭菌(sterilize)”、“消毒(disinfect)”、“防腐(preserve)”、“净化(decontaminate)”、“灭活(inactivation)”和“杀灭(kill)”在本文中可以互换使用，除非其上下文另有要求。“灭菌(sterilization)”，即杀灭所有生物体，在某些操作中与“净化(decontamination)”并不同义，例如，当污染物并不是活着的，例如蛋白质或朊病毒(prion)。这些术语通常意指基本上消除特定生物体和/或颗粒的任何活性或其干扰。
上述渗透化和提取的方法可以被改进以对样品灭菌。用于灭菌的设备和方法可以被优化从而在特定体积和容器中对特定材料进行高效率灭菌。对于待灭菌的特定材料，选择一组初始条件。所述条件可以包括选择相关的声脉冲发生器的类型、声能强度、声能频率，和／或类似变量。这些条件还可以包括待灭菌材料的体积、运送模式、和／或暴露。之后，将初始条件和相近的变化形式(near variant)施加于样品，通过标准测定条件确定细胞或病毒被杀死的百分数。可以选择改变其他变量。据此，发现测试生物的最大杀灭区域。最后，优化其他变量(例如流量和/或长度和/或声暴露的强度)以提供技术方案和商业上可用的方案以解决对特定材料进行灭菌的问题。任何通过经验确定的值可以被编程入用于灭菌之设备的控制系统以主动控制灭菌，或者所述设备可以具有先前已经被确定的这些值，从而用户仅需要选择设备中预定的灭菌模式。
对很多液体，通过破坏细菌、真菌和其他活细胞的细胞壁可以进行充分的灭菌。使用优先激发细胞膜同时又最小程度加热溶液直至细胞裂解的声频率和波长，从而得到上述结果。在大多数细胞生物体中，膜的打开并允许内容物与胞外流体混合将杀死生物体。
可以通过类似的处理使病毒向溶液打开。对于病毒，内部核酸暴露于溶液可并不足以完全使它们灭活，因为裸露DNA或RNA也可以具有感染性。可以提供诸如碘或溶液中核酸消化酶的助剂，以完成病毒的灭活。
E.混合、搅拌和加热
在包含粉末状和颗粒状介质和气体的流体样品中，常规通过涡流或搅拌或其他方法进行样品的混合，所述其他方法例如将含有气隙的样品倒置并振摇。涡流基本通过整个容器的机械运动而产生，而搅拌涉及被驱动装置与流体的机械接触。搅拌可由多种装置实现，例如螺旋桨(propeller)、叶轮(impeller)、浆(paddle)和磁搅拌棒。这些方法存在的一个问题是其规模很难扩大至一次处理几十或几百个样品容器。这些方法的另一问题是很难对多个样品进行混合的同时保持每个样品基本不被污染。如下文中更详细的描述，根据本发明的方法可以使用声能来混合样品，同时避免了污染的问题，例如聚焦声能和以其他方式控制声能的声波形等因素可以用于选择性地混合样品，例如通过声流和/或微流。
使用本文所述的系统可以可控地混合流体样品。要求待混合的材料与声能来源非直接接触。当待混合的样品位于处理室时，处理室自身并不必然与所述来源接触，其通常通过耦合介质与所述来源偶合。
F.增强反应和分离
在某些实施方案中，温度、混合或两者均可以用超声能控制以增强化学反应。例如，可以加快待处理样品中存在的配体和外源性供给的结合配偶子(binding partner)之间的缔合速率(association rate)。在另一实例中，当保持温度并加强混合从而相对于环境条件促进两个或更多个分子的结合，此时进行测定。首先将混合物加热并混合以将混合物中的配体或分析物与混合物中的内源性结合配偶子分离，这样就可以将本文所述的不同方面组合起来。相对于在环境温度和混合下形成的配体／内源性结合配偶子复合物，改变初始条件的温度、混合、或两者可以增强配体与外源性供给的结合配偶子形成复合物。通常，第二温度和／或混合条件直接位于环境条件与上述第一分离步骤中使用的条件之间。在第二温度和混合条件下，被分离的配体与外源性供给的结合配偶体反应。
聚合酶链式反应(“PCR”)热循环
PCR技术的一个瓶颈是冷却时间。加热周期是快速的；然而，冷却受到对流的限制。甚至在DNA或其他靶分子被固定在微装置的阵列上的生物芯片中，其中没有“主动的”冷却过程。然而，本发明的某些实施方案可以克服该瓶颈。
在某些实施方案中，可以使用处理过程以快速加热和冷却样品，同时几乎不偏离引物和待扩增的靶标发生退火的基线温度。该过程可总结如 下。样品用相对较高功率的声能处理，从而样品吸收声能并被加热。之后，样品在低功率下混合从而通过迫使对流以冷却样品，其可以与冷水浴结合完成。加热和冷却步骤可以在同一室10内进行，或者在单独的室10内进行，例如在类似图23的系统中。可以通过对例如泵的传递机构进行计时来对材料进行控制，从而在排出材料并引入新材料之前允许在“室中”出现不连续的处理时间。这可为例如处理、混合、冷却等处理步骤提供时间，从而在向室内引入新的未经处理的样品之前，使上述步骤完全进行。
G.纯化、分离和反应控制
聚焦声场可用于增强分离。如别处所述，声焦点可用于使流体流中的壁效应减小或使之消失，这在许多分离过程中是重要的因素，例如包括气相色谱、尺寸排阻色谱、离子交换色谱和其他已知形式的色谱，包括场流分级(filed-flow fractionation)。远程调节流动流的速率和浓度梯度和/或使其减小或消失的能力适用于很多种情况下。
声场还可用于使膜处理中的浓度极化降至最低，包括颗粒分类、细颗粒和胶体的过滤、超滤、反向渗透和类似处理。浓度极化是被过滤材料趋于高浓度存在于过滤器的层中的结果。该层具有低的流体浓度，因此，当被过滤的溶液浓度升高或该层变厚时，其过滤速率降低。该层可以由低至中等强度的聚焦声能远程搅动。因此，可以提高流量，同时能量或膜寿命没有显著损失。
H.用声能远程启动和控制溶液混合的其他应用
声能发射、声能特征和／或靶标相对于声能之位置的控制还可以用于泵送和控制液体的流量，尤其是在毛细管中；增强化学反应，例如增强二级反应速率；提高流体流的有效雷诺数(Reynolds number)；以及控制半固体物质的分配。
通过将声能聚焦并定位于室壁或流路的另一个断点附近，样品内材料分布的许多局部差异和／或空间衍生的反应屏障(特别是在反应和流动系统中)可以被降低至微观扩散所需的最小迟滞。换句话说，在不完全混合很普遍的情况下，可以增强混合。
控制器20可以包含任何合适的组件，以实现期望的控制、通信和／或上文所述的其他功能。例如，控制器20可以包含例如执行数据处理功能的一个或更多个通用目的的计算机、计算机网络、一个或更多个微处理器等，用于存储数据和／或操作指令的一个或更多个存储器(例如包括易 失和／或非易失存储器，例如光盘和盘驱动器、半导体存储器、磁带或盘存储器等)，用于进行有线或无线通信的通信总线或其他通信装置(例如包括不同的线、开关、连接器、以太网通信装置(Ethernet communication device)、WLAN通信装置等)，软件或其他计算机可执行指令(例如包括用于执行功能的指令，所述功能涉及控制如上所述的声能来源2、泵33等和其他组件)，电源或其他动力源(例如与插座匹配的插头、电池、变电器等)、继电器和/或其他开关装置，机械连接，一个或更多个传感器或数据输入装置(例如检测室10内材料的温度和/或存在的传感器、捕获和分析与室10或其他组件有关的图像信息的摄像机或其他成像装置、指示声换能器2和/或容器10的位置的位置传感器等)，用户数据输入装置(例如按钮、拨盘、旋钮、键盘、触摸屏等)，信息显示装置(例如LCD显示器、指示灯、打印机等)，和/或提供所期望输入/输出和控制功能的其他组件。
应当理解的是，本发明的应用不限制于在下文中描述或在附图中显示的构造和组件设置的细节。可实施本发明的其他实施方案和方式。本文中使用的措辞和术语用于描述的目的，并且不应被认为是限制。“包括”、“包含”或“具有”及其变化形式的使用旨在包括其后所列出的项目及其等同形式以及另外的项目。因此，已描述了多种举例说明性的实施方案及其一些方面，修改和改变对本领域技术人员来说可以是显而易见的。这样的修改和改变旨在包括在本公开内容中，其仅是用于举例说明的目的，并不旨在限制。本发明的范围应由对所附权利要求的适当解释及其等价形式来确定。