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EP1075507A2 - Vorrichtung und verfahren zur gezielten beaufschlagung einer biologischen probe mit schallwellen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur gezielten beaufschlagung einer biologischen probe mit schallwellen

Info

Publication number
EP1075507A2
EP1075507A2 EP99927719A EP99927719A EP1075507A2 EP 1075507 A2 EP1075507 A2 EP 1075507A2 EP 99927719 A EP99927719 A EP 99927719A EP 99927719 A EP99927719 A EP 99927719A EP 1075507 A2 EP1075507 A2 EP 1075507A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sample
sample vessel
sound waves
sound
electroacoustic transducer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99927719A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Hahn
Bernhard Kleffner
Hans Ruf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1075507A2 publication Critical patent/EP1075507A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N13/00—Treatment of microorganisms or enzymes with electrical or wave energy, e.g. magnetism, sonic waves
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/06—Hydrolysis; Cell lysis; Extraction of intracellular or cell wall material

Definitions

  • the invention relates to a device for the targeted application of a biological sample, preferably biological cell material or tissue samples, with sound waves with a sample vessel in which the biological sample is in suspended form, and with an electroacoustic transducer device which generates the sound waves and which is arranged outside the sample vessel is so that the sound wave is coupled into the sample through the sample vessel wall.
  • a biological sample preferably biological cell material or tissue samples
  • an electroacoustic transducer device which generates the sound waves and which is arranged outside the sample vessel is so that the sound wave is coupled into the sample through the sample vessel wall.
  • ultrasound lithotriptors are used to smash kidney and gallstones using ultrasound.
  • Ultrasound is also used for wound cleaning and phacoemulsification.
  • ultrasound is used, for example, for cleaning, drilling, milling and welding.
  • ultrasound emulsifiers Due to the disintegrating effect on biological structures, ultrasound emulsifiers have gained considerable importance in sample digestion. Ultrasonic emulsifiers of this type, so-called sonotrodes, often have rapid transformers which are arranged on electroacoustic transducers, such as, for example, Langevinsche or compound transducers. The electroacoustic transducers often have a piezoceramic as the active material, and they vibrate with an amplitude of, for example, 0.5 ⁇ m. With the help of the transformers, the initially very small amplitude is multiplied to, for example, over 500 ⁇ m.
  • the conventional design of the sound system does not prevent foam and aerosol formation, which reduce the reproducibility of the sound system.
  • DE 32 09 841 C2 shows an arrangement for embedding at least one tissue sample in paraffin.
  • the device provides a container into which different coupling fluids can be introduced, in which a tissue sample to be treated is inserted.
  • the device provides an ultrasound generator 61 on the bottom of the vessel, which couples ultrasound waves with a frequency of 35 kHz into the interior of the working vessel. With the selected frequencies, however, it is not possible to concentrate ultrasonic energy on the smallest sample volumes.
  • the known device also provides an arrangement of the ultrasound-generating unit both outside and inside the sample vessel, which is why it can be assumed that the problem of cross-contamination does not exist in this case.
  • the invention has for its object to provide a device for subjecting a biological sample, preferably biological cell material, to sound waves, with which an exact intensity dosage of the sound waves is possible for targeted excitation of biological effects. Measures are also to be taken to increase the energy input based on the limited sample volume. In addition to the above requirements, it should in particular be possible to miniaturize the size of the device in order to be able to carry out a large number of sample examinations.
  • the device according to the invention for the targeted application of a biological sample, preferably biological cell material, with sound waves, with a sample vessel in which the biological sample is in suspended form, and with an electroacoustic transducer device which generates the sound waves and is arranged outside the sample vessel, so that the Sound wave coupling into the sample through the sample vessel wall is further developed such that the electroacoustic transducer device generates sound waves with a frequency of at least 100 kHz, preferably from 500 kHz to 5 MHz, and that means are provided for focusing the sound waves that the sound waves onto concentrate a sample volume within the sample vessel of approximately 50 ⁇ l.
  • a biological sample preferably biological cell material
  • the electroacoustic transducer device is operatively connected to the sample vessel in such a way that the sound wave is coupled into the sample through the sample vessel wall and the electroacoustic transducer device is arranged outside the sample vessel. Since the sound is not radiated from the inside to the outside, as is the case with conventional ultrasonic emulsifiers in the sample, but is coupled in from the outside in, the sound intensity distribution can be restricted to the area of the sample, so that in conjunction with a higher center frequency, Loading range from more than 100 kHz, the influences can be controlled by interference of the sound waves reflected on the sample vessel wall. This allows an exact dosing of the sound intensities and precise excitation of certain biological effects in sample volumes down to 50 ⁇ l and below. Typical sample volumes in which biological effects are to be produced are approximately 100 ⁇ l.
  • the sound is coupled in through the bottom of the sample vessel, so that the majority of the sound waves pass through the sample in a focused manner from below and are reflected at the upper boundary layer with reduced reflection on the wall of the sample vessel.
  • a plane-parallel acoustic ⁇ / 4-wave transformer is preferably provided in the sample vessel wall.
  • the acoustic lens is preferably designed as a spherical acoustic lens and can be inserted into the sample vessel base or forms it completely.
  • the sound wave is preferably coupled into the sample vessel by means of structure-borne noise, in that a soft polymer element or a fluid-containing coupling element is provided between the electroacoustic transducer device and the sample vessel and is in direct contact with both or a fluid coupling.
  • such high-frequency sound waves can be focused on the smallest areas, their spatial Sound intensity distribution can be influenced exactly. It is possible with such high-frequency sound waves to focus the area of the maximum sound pressure on the center of the sample volume, thereby avoiding spraying on the surface (aerosol formation) and thus cross-contamination between neighboring samples.
  • the sound coupling to the sample vessel wall by means of structure-borne noise is also essentially loss-free, so that even small transducer devices are sufficient to generate sound. Since they are arranged outside the sample vessel, they can also be of a very simple design in order to be able to provide the sound frequency required for the ultrasound treatment of biological samples.
  • the ultrasound device according to the invention can therefore be miniaturized and can be used together with microtiter plate systems.
  • the sound wave coupling into the sample through the sample vessel wall is not subject to changing parameters, which makes it exactly reproducible. Precise reproducibility of the sound wave coupling is a prerequisite for precise dosing and automated sample processing, in which the sample vessel is automatically replaced or the biological sample in a sample vessel is automatically exchanged.
  • FIG. 1 shows an ultrasound device according to the invention in a perspective view together with a microtiter plate shown in the manner of an exploded view above the ultrasound device
  • FIG. 2 shows an electroacoustic transducer device which is used in the ultrasound device in FIG. 1, together with a section through a sample vessel of the microtiter plate from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an ultrasound device according to the invention with a piezoelectric composite, an electronic control device and a microtiter plate having several sample vessels,
  • 4a and 4b show an SEM image of a piezoelectric composite and a schematic perspective illustration of the composite
  • Figure 5a to 5e the manufacturing steps for producing a piezoelectric composite.
  • FIG. 1 A first exemplary embodiment of a device for the targeted exposure of a biological sample, preferably biological cell material, to sound waves is shown in FIG. 1.
  • This device has a flat base plate 1, which is provided with a rail 2 on each of two opposite side edges.
  • a crossmember 4 is mounted on the rails 2 and can be displaced in the longitudinal direction of the rail 2 (double arrow 5) and is driven by an electric motor (not shown) for displacement along the rail 2.
  • An electroacoustic transducer device 7 is displaceably arranged on the cross member 4 and can be moved back and forth along the longitudinal direction on the cross member 4 (double arrow 8) by a further electric motor (not shown).
  • the micro Titer plate 12 is a plastic plate with several recesses arranged in a regular grid, each of which forms a sample vessel 13 for receiving chemical and biological and in particular microbiological samples.
  • the microtiter plate 12 is placed on the device according to the invention, wherein it is carried by the side walls 10.
  • the electroacoustic transducer device 7 can be moved in the plane of the base plate in the x and y directions, so that the electromagnetic transducer device 7 can be arranged under all sample vessels 13 of the microtiter plate 12. This electroacoustic transducer device 7 is shown in side view in FIG.
  • the electroacoustic transducer 15 is preferably made of a piezoelectric, magnetostrictive and / or electrostrictive material that can convert electromagnetic waves into sound waves.
  • the body 14 enclosing the electroacoustic transducer 15 is slidably attached to the cross member 4 by means of a holder 17.
  • An acoustic lens 19 with a spherical surface 20 is arranged on the upward-facing end face of the body 14. With the aid of this acoustic lens 19, the sound waves emitted by the electroacoustic transducer 15 are bundled, as a result of which a sharply focused ultrasound beam is obtained.
  • a coupling element 22 for coupling the ultrasound beam into the sample vessel 13 is provided approximately in the center on the spherical surface 20 of the acoustic lens 19.
  • the coupling element 22 consists, for example, of a soft, loss-free polymer or can consist of a thin-walled plastic vessel filled with a fluid suitable for sound transmission.
  • Fluid suitable for sound waves is, for example, water or preferably degassed water.
  • the crossmember 4 is preferably provided with a tilting device (not shown) with which the electroacoustic transducer 15 with the coupling element 22 can be raised and pressed against the sample vessel 13, the coupling element 22 being in direct contact with the vessel bottom 24.
  • the microtiter plates are preferably formed from polymer materials which transmit sound well, such as polystyrene, polypropylene or polyethylene, the contact areas of the vessels 13 with the electroacoustic transducer device 7 - in the illustrated embodiment these being the vessel bottoms 24 - preferably being membrane-like, or in particular plane-parallel acoustic ⁇ / 4 - Form shaft transformers.
  • the vessel bottom 24 of the sample vessel 13 as an acoustic lens with a spherical surface instead of the acoustic lens 19 arranged in the electroacoustic transducer device 7.
  • the sound wave coupling into the sample contained in the sample vessel 13 takes place through the sample vessel wall, so that the sound is coupled in by means of structure-borne noise in exactly defined conditions.
  • This coupling by means of structure-borne noise has low losses, so that the sound intensity required for the treatment of the sample materials can be provided even with small electroacoustic transducers.
  • the electroacoustic transducer device 7 according to the invention does not come into direct contact with the sample material, so that it can be moved quickly between individual sample vessels 13 of a microtiter plate 12 without the risk of contamination.
  • the electro- acoustic transducer 15 can be miniaturized. Since the transducer does not come into contact with the sample material during coupling and can therefore be moved quickly between individual sample vessels 13 without an additional cleaning process, the ultrasound device according to the invention is ideally suited for automated ultrasound treatment of a large number of samples.
  • High-frequency ultrasound with a frequency of at least more than 100 kHz and in particular 500 kHz to 5 MHz is used as the ultrasound, since high-frequency sound can be focused on the smallest volumes, so that even sample volumes of approximately 50 ⁇ l can be sonicated separately.
  • the maximum sound pressure can be focused in the middle of the sample volume, as a result of which spraying on the surface (aerosol formation) and thus cross-contamination between sample materials of adjacent sample vessels 13 are avoided.
  • FIGS. 3 to 5e A further exemplary embodiment according to the invention of an ultrasound device for the targeted exposure of a biological sample to sound waves is shown schematically in FIGS. 3 to 5e.
  • this ultrasound device has a so-called piezoelectric 1-3 composite.
  • a multiplicity of individual sound transducers 30, which are each formed from a piezoelectric rod 35, are arranged in a regular, for example, square grid, their longitudinal extension being oriented perpendicular to the grid plane.
  • These individual sound transducers 30 are embedded in a polymer matrix 31 for mutual isolation and for transmission of the sound generated (FIGS. 4a, 4b).
  • Composites of this type are produced by the dice and fill process, with plane-parallel disks 33 being first cut out from a cuboid block of piezoelectric material on a base area 34 (FIG. 5b), and disks 33 in the next working step in the transverse direction to the first cutting direction can be cut into rods 35 standing on the base 34. These rods 35 are cast together with the base 34 into the polymer matrix 31 (FIG. 5d). Finally, the base 34 is worked off, for example by grinding. processes so that only the rods 35 remain as individual sound transducers 30 in the polymer matrix 31 and are connected to corresponding contact elements for the application of an electrical frequency signal. It is also possible to structure this electrode in the form of individual elements (ultrasound array).
  • An electrical control device for controlling the individual sound transducers 30 has a frequency generator 40, a phase shifter device 41 and a phase control device 42.
  • the frequency generator 40 generates an electrical frequency signal with a frequency of at least 100 kHz and in particular 500 kHz to 5 MHz.
  • This frequency signal is fed into the phase shifter device 41, which has a multiplicity of individual phase shifters, with which the phase of the incoming frequency signal can be changed, the phase shifter device 41 having a separate output for each individual sound transducer 30, so that one for each individual sound transducer 30 the other individual sound transducers 30 independent phase signal can be output.
  • the individual phase shifters are controlled by a phase control device 42.
  • a thin, disk-shaped coupling element 22 made of a soft, loss-free polymer or a plastic body filled with a fluid is preferably arranged on the electroacoustic transducer device 7. If the individual sound transducers 30 embedded in a polymer matrix 31 are used, the polymer matrix 31 itself can be used as a coupling element, that is to say that the individual sample vessels 13 are placed directly on the electroacoustic transducer device 7 designed as a composite.
  • a fluid as a coupling layer is also possible.
  • the electronic control of the individual sound transducers 30 arranged in a two-dimensional array permits both sequential and parallel sonication of the individual sample vessels 13.
  • This array arrangement of the individual sound transducers 30 also enables a further miniaturization of the ultrasound device with ideal, arbitrarily adjustable and rapidly changing intensity distributions , so that even complicated methods for applying samples to ultrasonic waves can be carried out simply, quickly and, above all, automatically.
  • the piezoelectric composites are particularly advantageous for the device according to the invention, since they allow effective, broadband sound generation and coupling, simple further processing and extensive adjustment of the electroacoustic properties.
  • array arrangements can also be produced in a conventional manner from piezoceramic elements or lead zirconate titanate elements, the electronics for controlling them being essentially the same.
  • a major advantage of the array arrangement is that a large number of samples, which are located in the sample vessels of a microtiter plate or another cartridge system, can be used with ultrasound sequentially or in parallel or in any other order without a relative movement between the sample vessels and the electroacoustic transducer device can be sonicated. Since no relative movement is necessary, the sample vessels do not have to be moved when treating multiple samples, which avoids cross-contamination, and it is not necessary to mechanically couple the electroacoustic transducer device to a sample vessel each time anew, which must be done very carefully to ensure that the to obtain the desired, reproducible coupling states.
  • the invention allows an exact, reproducible coupling of the sound waves into sample vessels, whereby the in the field intensities generated in the sample vessels can be precisely adjusted and metered. This allows specific chemical, biological or microbiological effects in the samples to be specifically stimulated. In addition, interference effects can be reduced or completely avoided by focusing on the smallest sample volumes.
  • Double arrow electroacoustic transducer device Double arrow electroacoustic transducer device

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe, vorzugsweise biologisches Zellmaterial, mit Schallwellen, mit einem Probengefäß, in dem die biologische Probe in suspendierter Form vorliegt, sowie mit einer die Schallwellen erzeugenden elektroakustischen Wandlereinrichtung, die außerhalb des Probengefäßes angeordnet ist, so daß die Schallwelleneinkopplung in die Probe durch die Probengefäßwand hindurch erfolgt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung Schallwellen mit einer Frequenz von zumindest 100 kHz, vorzugsweise von 500 kHz bis 5 MHz, erzeugt, und daß Mittel zum Fokussieren der Schallwellen vorgesehen sind, die die Schallwellen auf ein Probenvolumen innerhalb des Probengefäßes von etwa 50 νl konzentrieren.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe mit Schallwellen
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe, vorzugsweise biologisches Zellmaterial oder Gewebeproben, mit Schallwellen mit einem Probengefäß, in dem die biologische Probe in suspendierter Form vorliegt, sowie mit einer die Schallwellen erzeugenden elektroakustischen Wandlereinrichtung, die außerhalb des Probengefaßes angeordnet ist, so daO die Schallwelleneinkopplung in die Probe durch die Probengefäßwand hindurch erfolgt.
Stand der Technik
Es sind eine Vielzahl von Anwendung akustischer Wellen in Form von Ultraschall- Leistungsschall zur Beeinflussung von Materialeigenschaften oder einer Materialstruktur bekannt. So werden zum Beispiel Ultraschall-Lithotriptoren zur Zertrümmerung von Nieren- und Gallensteinen mittels Ultraschall eingesetzt. Ferner wird Ultraschall zur Wundreinigung und zur Phacoemulsification verwendet. Im nichtmedizinischen Bereich wird Ultraschall zum Beispiel zum Reinigen, Bohren, Fräsen und Schweißen eingesetzt.
Die Beaufschlagung biologischer Proben mit Ultraschall kann bestimmte biologische Effekte hervorrufen, wie zum Beispiel einen Zelltransport in Zellreaktoren, wobei die Vitalität der Zellen nicht beeinträchtigt wird, oder sogar die Zellen zerstören, wie es bei den oben genannten Lithotriptoren der Fall ist. Aufgrund der desintegrierenden Wirkung auf biologischer Strukturen haben Ultraschallemulsifikatoren eine erhebliche Bedeutung beim Probenaufschluß erlangt. Derartige Ultraschallemulsifikatoren, sogenannte Sonotroden besitzen häufig Schnelle-Transformatoren, die an elektroakustische Wandler, wie zum Beispiel Lan- gevinsche- oder Verbundschwinger, angeordnet sind. Die elektroakustischen Wandler weisen häufig eine Piezokeramik als aktives Material auf, wobei sie mit einer Amplitude von zum Beispiel 0,5 μm schwingen. Mit Hilfe der Transformatoren wird die zunächst sehr kleine Amplitude auf zum Beispiel über 500 μm vervielfacht.
Diese Ultraschallemulsifikatoren haben sich in der Praxis bewährt und werden häufig eingesetzt. Die Wirkung des von der Sonotrode auf die biologische Probe übertragenen Schalls hängt von der Schalldruckamplitude ab, die durch Interferenz mit an den Probenbehälter reflektierten Schallwellen räumlich stark variieren kann. Da die Temperatur und die Lage der Sonotrodenspitze in der Probe Interferenzerscheinungen stark beeinflussen und bei einer Behandlung sich die Probe in der Regel erwärmt, ist es schwierig, Ultraschall zur gezielten Anregung biologischer Effekte exakt zu dosieren.
Ferner besteht durch das Eintauchen der Sonotrode in der Probe die Gefahr der Querkontamination, falls die Sonotrode beim Probenwechsel nicht mit der notwendigen Sorgfalt gereinigt wird.
Die herkömmliche Ausgestaltung der Beschallungseinrichtung verhindert nicht die Schaum- und Aerosolbildung, welche die Reproduzierbarkeit der Beschallung herabsetzen.
Da die Sonotroden aus elektroakustischen Gründen nicht beliebig klein gestaltet werden können, bestehen Grenzen in der Behandlung miniaturisierter Proben, wie sie z.B. beim Probenaufschluß für gentechnische Analysen gebraucht werden.
Aus der DE 32 09 841 C2 geht eine Anordnung zum Einbetten wenigstens einer Gewebeprobe in Paraffin hervor. Die Vorrichtung sieht ein Behältnis vor, in das ver- schiedene Koppelflüssigkeiten eingebracht werden können, in denen eine bestimmt zu behandelnde Gewebeprobe eingelegt wird. Um die Reaktionsfreudigkeit der Gewebeprobe mit den jeweiligen Flüssigkeiten innerhalb des Gefäßes zu beschleunigen, sieht die Vorrichtung am Gefäßboden einen Ultraschallerzeuger 61 vor, der in den Innenraum des Arbeitsgefäßes Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 35 KHz einkoppelt. Mit den gewählten Frequenzen ist es jedoch nicht möglich Ultraschallenergie auf kleinste Probenvolumina zu konzentrieren. Auch sieht die bekannte Vorrichtung eine Anordnung der Ultraschallerezeugenden Einheit sowohl außerhalb wie auch innerhalb des Probengefaßes vor, weshalb davon ausgegangen werden kann, daß die Problemaktik einer Querkontamination in diesem Falle nicht besteht.
Der Wunsch nach einem konzentrierten Eintrag von Ultraschallwellen in bspw biologisches Material wird getragen von dem Bestreben innerhalb des Zellmaterials gewünschte Prozesse bzw. Reaktionen hervorzurufen. Ein typisches Beispiel derartiger Prozesse ist der Zellaufschluß, um das Innere der Zellen in weiteren Detektionsver- fahren zu untersuchen.
Für den Zellaufschluß bedient man sich wie vorstehend erwähnt unter anderem dem Einsatz von Ultraschallwellen, die aufgrund der innerhalb einer Suspension vorliegenden biologischen Zellen Scherkräfte verursachen, wodurch die Zellwände aufgebrochen werden. Um den Effekt des Zellaufbruchs zu verbessern, sind Wege beschriften worden, um die Scherkräfte innerhalb der Suspension zu erhöhen. Beispielsweise werden zusätzlich in die Suspension makroskopische Partikel, vorzugsweise in Form kleiner Glasperlen, eingebracht, um die auf die einzelnen Zellen einwirkenden Scherkräfte, die für einen Zellaufbruch verantwortlich sind, zu erhöhen.
Neben dem Wunsch der Steigerung der auf die Zellen einwirkenden Scherkräfte besteht darüberhinaus das Erfordernis der Miniaturisierung derartiger Vorrichtungen, das dem Wunsch nach Erhöhung von Scherkräften zuwiderlaufen scheint. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Beaufschlagung einer biologischen Probe, vorzugsweise biologisches Zellmaterial, mit Schallwellen zu schaffen, mit der zur gezielten Anregung biologischer Effekte eine exakte Intensitäts- Dosierung der Schallwellen möglich ist. Ferner sollen Maßnahmen getroffen werden, um den Energieintrag bezogen auf begrenztes Probenvolumen zu erhöhen. Neben den vorstehenden Forderungen soll es insbesondere möglich sein die Größe der Vorrichtung zu miniaturisieren, um eine große Anzahl von Probenuntersuchungen durchführen zu können.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit dem Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe, vorzugsweise biologisches Zellmaterial, mit Schallwellen, mit einem Probengefäß, in dem die biologische Probe in suspendierter Form vorliegt, sowie mit einer die Schallwellen erzeugenden elektroakustischen Wandlereinrichtung, die außerhalb des Probengefaßes angeordnet ist, so daß die Schallwelleneinkopplung in die Probe durch die Probengefäßwand hindurch erfolgt, ist derart weiterbegildet, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung Schallwellen mit einer Frequenz von zumindest 100 kHz, vorzugsweise von 500 kHz bis 5MHz, erzeugt, und daß Mittel zum Fokussieren der Schallwellen vorgesehen sind, die die Schallwellen auf ein Probenvolumen innerhalb des Probengefaßes von etwa 50 μl konzentrieren.
Bei der erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung steht die elektroakustische Wandlereinrichtung derart mit dem Probengefäß in Wirkverbindung, daß die Schallwelleneinkopplung in die Probe durch die Probengefäßwand hindurch erfolgt und die elektroakustische Wandlereinrichtung außerhalb des Probengefaßes angeordnet ist. Da der Schall, nicht wie bei den herkömmlichen Ultraschallemulsifikatoren in der Probe von innen nach außen abgestrahlt wird, sondern von außen nach innen eingekoppelt wird, kann die Schallintensitätsverteilung auf den Bereich der Probe beschränkt werden, so daß in Verbindung mit einer höheren Mittenfrequenz, die in Be- reichen von mehr als 100 kHz liegen, die Einflüsse durch Interferenz der an den Probengefäßwandung reflektierten Schallwellen kontrolliert werden können. Dies erlaubt eine exakte Dosierung der Schallintensitäten und präzise Anregung von bestimmten biologischen Effekten in Probenvolumina bis hinab zu 50 μl un darunter. Typische Probenvolumina, in denen gezielt biologische Effekte hervorgerufen werden sollen, betragen etwa 100 μl.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Schalleinkopplung durch den Probengefäßboden, so daß der überwiegende Teil der Schallwellen von unten nach oben fokussiert durch die Probe hindurchtritt und bei verminderter Reflexion an der Probengefäßwandung an der oberen Grenzschicht reflektiert wird. Dies ist eine überaus wirksame Anordnung zur Kontrolle störender Interferenzerscheinungen.
Zur Optimierung der Intensitätseinkopplung ist vorzugsweise ein planparalleler akustischer λ/4-Wellentransformator in der Probengefäßwandung vorgesehen.
Durch Einsetzen einer akustischen Linse in die Probengefäßwandung kann die Schallintensitätsverteilung auf einen vorbestimmten kleinen Volumen-Bereich im Probengefäß konzentriert werden. Die akustische Linse ist vorzugsweise als sphärische akustische Linse ausgebildet und ist in den Probengefäßboden einsetzbar oder bildet diesen vollständig aus.
Vorzugsweise erfolgt die Schallwelleneinkopplung in das Probengefäß mittels Körperschall, indem ein weiches Polymerelement oder ein Fluid enthaltendes Koppelelement zwischen der elektroakustischen Wandlereinrichtung und dem Probengefäß vorgesehen ist und mit beiden in unmittelbaren Kontakt steht oder einer Flüssigan- kopplung.
Durch die erfindungsgemäße Wahl der eingesetzen Ultraschallfrequenzen von zumindest 100 kHz, vorzugsweise 500 kHz bis 5 MHz, können derart hochfrequente Schallwellen auf kleinste Bereiche fokussiert werden, wobei deren räumliche Schallintensitätsverteilung exakt beeinflußbar ist. So ist es mit derart hochfrequenten Schallwellen möglich, den Bereich des maximalen Schalldruckes auf die Mitte des Probenvolumens zu fokussieren, wodurch ein Aufspritzen an der Oberfläche (Aerosolbildung) und damit eine Querkontamination zwischen benachbarten Proben vermieden wird.
Die Schalleinkopplung an der Probengefäßwand mittels Körperschall ist zudem im wesentlichen verlustfrei, so daß bereits kleine Wandlereinrichtungen zur Schallerzeugung genügen. Da sie außerhalb des Probengefaßes angeordnet sind, können sie auch sehr einfach ausgebildet sein, um die für die Ultraschallbehandlung von biologischen Proben erforderliche Schallfrequenz bereitstellen zu können. Die erfindungsgemäße Ultraschallvorrichtung ist daher miniaturisierbar und kann zusammen mit Mikrotiterplattensystemen verwendet werden.
Die Schallwelleneinkopplung in die Probe durch die Probengefäßwand hindurch unterliegt keinen sich verändernden Parametern, wodurch sie exakt reproduzierbar ist. Eine exakte Reproduzierbarkeit der Schallwelleneinkopplung ist Voraussetzung für ein genaues Dosieren und eine automatisierte Probenabarbeitung, bei der das Probengefäß automatisch ausgewechselt beziehungsweise die in einem Probengefäß befindliche biologische Probe automatisch ausgetauscht wird.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Ultraschallvorrichtung in perspektivischer Ansicht zusammen mit einer in der Art einer Explosionsdarstellung oberhalb der Ultraschallvorrichtung gezeigten Mikrotiterplatte, Figur 2 eine elektroakustische Wandlereinrichtung, die bei der Ultraschallvorrichtung in Figur 1 eingesetzt ist, zusammen mit einen Schnitt durch ein Probengefäß der Mikrotiterplatte aus Figur 1 ,
Figur 3 eine erfindungsgemäße Ultraschallvorrichtung mit einem piezoelektrischen Composite, einer elektronischen Steuereinrichtung und einer mehrere Probengefäße aufweisenden Mikrotiterplatte,
Figur 4a und 4b eine REM-Aufnahme eines piezoelektrischen Composites und eine schematische perspektivische Darstellung des Composites, und
Figur 5a bis 5e die Herstellungsschritte zur Herstellung eines piezoelektrischen Composites.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe, vorzugsweise biologisches Zellmaterial, mit Schallwellen, ist in Figur 1 gezeigt.
Diese Vorrichtung weist eine ebenflächige Grundplatte 1 auf, die an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten jeweils mit einer Schiene 2 versehen ist. Auf den Schienen 2 ist eine Traverse 4 gelagert, die in Längsrichtung der Schiene 2 (Doppelpfeil 5) verschiebbar ist und von einem Elektromotor (nicht dargestellt) zum Verschieben entlang der Schiene 2 angetrieben wird.
An der Traverse 4 ist eine elektroakustische Wandlereinrichtung 7 verschieblich angeordnet, die von einem weiteren Elektromotor (nicht dargestellt) entlang der Längsrichtung auf der Traverse 4 (Doppelpfeil 8) hin und her verfahren werden kann.
An dem parallel zur Traverse 4 verlaufenden Seitenkanten der Grundplatte 1 sind Seitenwandungen 10 zur Aufnahme einer Mikrotiterplatte 12 vorgesehen. Die Mikro- titerplatte 12 ist eine Kunststoffplatte mit mehreren in einem regelmäßigen Raster angeordneten Ausnehmungen, die jeweils ein Probengefäß 13 zur Aufnahme chemischer und biologischer und insbesondere mikrobiologischer Proben bildet. Die Mikrotiterplatte 12 wird auf die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgesetzt, wobei sie von den Seitenwandungen 10 getragen wird. Die elektroakustische Wandlereinrichtung 7 ist in der Ebene der Grundplatte in x- und y-Richtung verfahrbar, so daß die elektromagnetische Wandlereinrichtung 7 unter allen Probengefäßen 13 der Mikrotiterplatte 12 angeordnet werden kann. Diese elektroakustische Wandlereinrichtung 7 ist in Figur 2 in der Seitenansicht dargestellt und weist einen etwa zylinderförmigen Körper 14 aus einem Schall gut übertragenden Material, wie zum Beispiel einem Polymer, auf, in dem ein elektroakustischer Wandler 15 eingebettet ist. Der elektroakustische Wandler 15 besteht vorzugsweise aus einem piezoelektrischen, magnetostriktiven und/oder elektrostriktiven Material, das elektromagnetische Wellen in Schallwellen wandeln kann.
Der den elektroakustischen Wandler 15 umschließende Körper 14 ist mittels einer Halterung 17 an der Traverse 4 verschieblich befestigt.
Es ist auch möglich die gesamte Vorrichtung mit Flüssigkeit zu füllen und dann auf Koppelkissen zu verzichten.
An der nach oben weisenden Stirnfläche des Körpers 14 ist eine akustische Linse 19 mit einer sphärischen Oberfläche 20 angeordnet. Mit Hilfe dieser akustischen Linse 19 werden die vom elektroakustischen Wandler 15 abgegebenen Schallwellen gebündelt, wodurch ein scharf fokussierter Ultraschallstrahl erhalten wird.
Etwa mittig auf der sphärischen Oberfläche 20 der akustischen Linse 19 ist ein Koppelelement 22 zum Einkoppeln des Ultraschallstrahls in das Probengefäß 13 vorgesehen. Das Koppelelement 22 besteht zum Beispiel aus einem weichen verlustfreien Polymer oder kann aus einem dünnwandigen mit einem zur Schallübertragung geeigneten Fluid gefüllten Kunststoffgefäß bestehen. Ein für die Übertragung von Schallwellen geeignetes Fluid ist zum Beispiel Wasser oder bevorzugt entgastes Wasser.
Die Traverse 4 ist vorzugsweise mit einer Kippeinrichtung (nicht dargestellt) versehen, mit welcher der elektroakustische Wandler 15 mit dem Koppelelement 22 angehoben und gegen das Probengefäß 13 gedrückt werden kann, wobei das Koppelelement 22 unmittelbar am Gefäßboden 24 anliegt.
Die Mikrotiterplatten sind vorzugsweise aus Schall gut übertragenden Polymermaterialien, wie Polystyrol, Polypropylen oder Polyethylen ausgebildet, wobei die Kontaktbereiche der Gefäße 13 zur elektroakustischen Wandlereinrichtung 7 - im dargestellten Ausführungsbeispiel sind dies die Gefäßböden 24 - vorzugsweise membranartig ausgebildet sind, oder insbesondere planparallele akustische λ/4- Wellentransformatoren bilden. Es ist jedoch auch im Rahmen der Erfindung möglich, anstelle der in der elektroakustischen Wandlereinrichtung 7 angeordneten akustischen Linse 19 den Gefäßboden 24 des Probengefaßes 13 als akustische Linse mit sphärischer Oberfläche auszubilden.
Für die Erfindung ist wesentlich, daß die Schallwelleneinkopplung in die im Probengefäß 13 enthaltene Probe durch die Probengefäßwand hindurch erfolgt, so daß der Schall mittels Körperschall bei exakt definierten Zuständen eingekoppelt wird. Diese Einkopplung mittels Körperschall weist geringe Verluste auf, so daß bereits mit kleinen elektroakustischen Wandlern die zur Behandlung der Probenmaterialien notwendige Schallintensität bereitgestellt werden kann. Durch die Fokussierung mittels der akustischen Linse 19 werden die Schallwellen auf das Probenmaterial konzentriert, wodurch eine sehr effektive Ausnützung der Schallwellenenergie erfolgt. Zudem kommt die erfindungsgemäße elektroakustische Wandlereinrichtung 7 nicht mit dem Probenmaterial direkt in Kontakt, so daß sie schnell zwischen einzelnen Probengefäßen 13 einer Mikrotiterplatte 12 verfahren werden kann, ohne daß hierbei die Gefahr einer Kontamination besteht. Da wegen der sehr wirksamen Einkopplung, die vom Wandler 15 erzeugten Intensitäten relativ klein sein können, kann der elektroa- kustische Wandler 15 miniaturisiert werden. Da der Wandler beim Einkoppeln nicht mit dem Probenmaterial in Kontakt kommt und deshalb ohne zusätzlichen Reinigungsvorgang schnell zwischen einzelnen Probengefäßen 13 verfahren werden kann, ist die erfindungsgemäße Ultraschallvorrichtung ideal für eine automatisierte Ultraschallbehandlung von einer Vielzahl von Proben geeignet.
Als Ultraschall wird hochfrequenter Ultraschall mit einer Frequenz von zumindest mehr als 100 kHz und insbesondere 500 kHz bis 5 MHz verwendet, da hochfrequenter Schall auf kleinste Volumina fokussierbar ist, so daß selbst Probenvolumina von etwa 50 μl separat beschallt werden können. Der maximale Schalldruck kann in die Mitte des Probenvolumens fokussiert werden, wodurch ein Aufspritzen an der Oberfläche (Aerosolbildung) und damit eine Querkontamination zwischen Probenmaterialien benachbarter Probengefäße 13 vermieden wird.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Ultraschallvorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe mit Schallwellen ist schematisch in den Figuren 3 bis 5e gezeigt. Diese Ultraschallvorrichtung weist als elektroakustische Wandlereinrichtung 7 ein sogenanntes piezoelektrisches 1-3-Composite auf. Bei einem derartigen piezoelektrischen 1-3-Composite sind eine Vielzahl von Einzelschallwandler 30, die jeweils aus einem piezoelektrischen Stäbchen 35 ausgebildet sind, in einen regelmäßigen z.B. quadratischen Raster angeordnet, wobei ihre Längserstreckung senkrecht zur Rasterebene ausgerichtet ist. Diese Einzelschallwandler 30 sind zur gegenseitigen Isolation und zur Übertragung des erzeugten Schalles in einer Polymermatrix 31 eingebettet (Figur 4a, 4b). Derartige Composites werden nach dem Dice und Fill-Verfahren hergestellt, wobei aus einem quaderförmi- gen Block aus piezoelektrischem Material zunächst planparallele Scheiben 33 auf einer Grundfläche 34 freigeschnitten werden (Figur 5b), und in einem nächsten Arbeitsschritt die Scheiben 33 in Querrichtung zur ersten Schnittrichtung zu auf der Grundfläche 34 stehenden Stäbchen 35 geschnitten werden. Diese Stäbchen 35 werden zusammen mit der Grundfläche 34 in die Polymermatrix 31 eingegossen (Figur 5d). Schließlich wird die Grundfläche 34 beispielsweise durch Schleifen abgear- beitet, so daß lediglich die Stäbchen 35 als Einzelschallwandler 30 in der Polymermatrix 31 verbleiben und mit entsprechenden Kontaktelementen zur Beaufschlagung mit einem elektrischen Frequenzsignal verbunden werden. Es ist auch möglich, diese Elektrode in Form von Einzelelementen zu strukturieren (Ultraschallarray).
Eine elektrische Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Einzelschallwandler 30 weist einen Frequenzgenerator 40 eine Phasenschiebereinrichtung 41 und eine Phasensteuereinrichtung 42 auf. Der Frequenzgenerator 40 erzeugt ein elektrisches Frequenzsignal mit einer Frequenz von zumindest 100 kHz und insbesondere 500 kHz bis 5 MHz. Diese Frequenzsignal wird in die Phasenschiebereinrichtung 41 eingespeist, die eine Vielzahl von einzelnen Phasenschiebern aufweist, mit welchen die Phase des einkommenden Frequenzsignales verändert werden kann, wobei die Phasenschiebereinrichtung 41 für einen jeden Einzelschallwandler 30 einen separaten Ausgang aufweist, so daß für jeden Einzelschallwandler 30 ein von den anderen Einzelschallwandlern 30 unabhängiges Phasensignal ausgegeben werden kann. Die einzelnen Phasenschieber werden von einer Phasensteuereinrichtung 42 gesteuert.
Durch die vorbestimmten Phasendifferenzen der einzelnen Einzelschallwandler 30 ergeben sich steuerbare konstruktive und destruktive Interferenzen der erzeugten Schallwellen, wodurch eine exakte Fokussierung ohne zusätzliche mechanische Fo- kussiermittel erzielt und eine sehr präzise dreidimensionale Intensitätsverteilung erhalten wird. Die Fokussierung kann zudem quasi beliebig schnell verändert werden. Vorzugsweise ist auf der elektroakustischen Wandlereinrichtung 7 ein dünnes, scheibchenförmiges Koppelelement 22 aus einem weichen verlustfreien Polymer oder einem mit einem Fluid gefüllten Kunststoffkörper angeordnet. Bei Verwendung der in eine Polymermatrix 31 eingebetteten Einzelschallwandler 30 kann die Polymermatrix 31 selbst als Koppelelement verwendet werden, das heißt, daß die einzelnen Probengefäße 13 unmittelbar auf die als Composite ausgebildete elektroakustische Wandlereinrichtung 7 aufgesetzt werden. Auch ein Fluid als Koppelschicht ist möglich. Die elektronische Ansteuerung der in einem zweidimensionalen Array angeordneten Einzelschallwandler 30 erlaubt sowohl eine sequentielle als auch eine parallele Beschallung der einzelnen Probengefäße 13. Diese Array-Anordnung der Einzelschallwandler 30 ermöglicht auch eine weitergehende Miniaturisierung der Ultraschallvorrichtung mit idealen, beliebig einstellbar und schnell veränderlichen Intesitätsvertei- lungen, so daß selbst komplizierte Verfahren zur Beaufschlagung von Proben mit Ultraschallwellen einfach, schnell und vor allem automatisch ausgeführt werden können.
Die piezoelektrischen Composites sind besonders vorteilhaft für die erfindungsgemäße Vorrichtung, da sie eine effektive, breitbandige Schallerzeugung und Einkopplung, eine einfache Weiterverarbeitung und eine weitreichende Einstelibarkeit der elektroakustischen Eigenschaften erlauben. Derartige Array-Anordnungen können jedoch auch in herkömmlicher Weise aus Piezokeramikelementen beziehungsweise Bleizirkonattitanatelementen hergestellt werden, wobei die Elektronik zu deren Ansteuerung im wesentlichen die gleiche ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Array-Anordnung liegt darin, daß eine Vielzahl von Proben, die sich in den Probengefäßen einer Mikrotiterplatte oder eines anderen Kartuschensystems befinden ohne einer Relativbewegung zwischen den Probengefäßen und der elektroakustischen Wandlereinrichtung gezielt mit Ultraschall sequentiell oder parallel oder in einer beliebigen anderen Reihenfolge beschallt werden können. Da keine Relativbewegung notwendig ist, müssen bei Behandlung mehrerer Proben die Probengefäße nicht bewegt werden, wodurch eine Querkontamination vermieden wird, und es nicht notwendig ist, die elektroakustische Wandlereinrichtung jedesmal von neuem mechanisch an ein Probengefäß anzukoppeln, was jeweils sehr sorgfältig erfolgen muß, um die gewünschten, reproduzierbaren Einkoppelzustände zu erhalten.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß die Erfindung ein exaktes, reproduzierbares Einkoppeln der Schallwellen in Probengefäße erlaubt, wodurch die in den Probengefäßen erzeugten Feldintensitäten exakt einstellbar und dosierbar sind. Hierdurch können spezielle chemische, biologische oder mikrobiologische Effekte in den Proben gezielt angeregt werden. Zudem können durch die gezielte Fokussierung auf kleinste Probenvolumina Interferenzeffekte verringert beziehungsweise vollständig vermieden werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
Grundplatte
Schiene
Traverse
Doppelpfeil elektroakustische Wandlereinrichtung
Doppelpfeil
Seitenwandung
Mikrotiterplatte
Probengefäß
Körper elektroakustischer Wandler
Halterung akustische Linse sphärische Oberfläche
Koppelelement
Gefäßboden
Einzelschallwandler
Polymermatrix
Scheiben
Grundfläche
Stäbchen
Frequenzgenerator
Phasenschiebereinrichtung
Phasensteuereinrichtung

Claims

P ate nta n s p rü ch e
1. Vorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer biologischen Probe, vorzugsweise biologisches Zellmaterial, mit Schallwellen, mit einem Probengefäß (13), in dem die biologische Probe in suspendierter Form vorliegt, sowie mit einer die Schallwellen erzeugenden elektroakustischen Wandlereinrichtung (7), die außerhalb des Probengefaßes (13) angeordnet ist, so daß die Schallwelleneinkopplung in die Probe durch die Probengefäßwand hindurch erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) Schallwellen mit einer Frequenz von zumindest 100 kHz, vorzugsweise von 500 kHz bis 5MHz, erzeugt, und daß Mittel zum Fokussieren der Schallwellen vorgesehen sind, die die Schallwellen auf ein Probenvolumen innerhalb des Probengefaßes von etwa 50 μl konzentrieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) unterhalb des Probengefäßbodens (24) vorgesehen ist und die Schallwelleneinkopplung durch den Probengefäßboden (24) erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Probengefäßboden (24) aus akustisch geeigneten Materialien, wie Polystyrol, Polypropylen oder Polyethylen, besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Probengefäßboden (24) membranartig ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schallwelleneinkopplung ein planparalleler aku- stischer λ/4-Wellentransformator in der Probengefäßwandung vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Fokussieren der Schallwellen eine sphärische akustische Linse ist, die in die Probengefäßwandung eingesetzt ist.
7. Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schallwelleneinkopplung an das Probengefäß (13) ein weiches Polymerelement an der elektroakustischen Wandlereinrichtung (7) ansetzbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schallwelleneinkopplung an das Probengefäß (13) ein Fluid enthaltendes Koppelelement (22) an der elektroakustischen Wandlereinrichtung (7) ansetzbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid des Koppelelements (22) entgastes Wasser oder eine andere Flüssigkeit, die Schall überträgt, ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) einen aus einem piezoelektrischen, magnetostriktiven und/oder elektrostriktiven Material ausgebildeten elektroakustischen Wandler (15; 30) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Fokussieren derart ausgebildet sind, daß das Probenvolumen, in das die Schallwellen fokussierbar sind, innerhalb des Probengefaßes (13) mit einem Abstand zu einer mittleren Füllstandshöhe justierbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) mehrere elektroakustische Wandlerelemente (30) aufweist, wobei als Mittel zur Fokussierung eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, daß die Wandlerelemente (30) mit vorbestimmten Phasendifferenzen angesteuert werden, so daß sich aufgrund von konstruktiver und destruktiver Interferenzen der erzeugten Schallwellen eine vorbestimmte Fokussierung ergibt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (30) in einer 2-dimensionalen Anordnung regelmäßig verteilt angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung (7) aus einem Piezokompo- site (30, 31) ausgebildet ist, das als Wand lerelemente (30) mehrere in einer Polymermatrix (31) eingebettete Piezoelemente (30) aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (30) stäbchenförmig ausgebildet und in einem regelmäßigen Raster in der Matrix (31) angeordnet sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (30) matrixartig angeordnet sind, wobei die stäbchenförmigen Piezoelemente (30) mit ihren Längsachsen senkrecht zur Gitterebene ausgerichtet sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Wandlereinrichtung (7) zur automatischen Behandlung mehrerer Proben an einem X-Y-Schlitten angeordnet ist, der in einer Ebene verfahrbar ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Probengefäß (13) Bestandteil einer Mikrotiterplatte mit einer Vielzahl von Probengefäßen (13) ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalleinkopplung vom Wandler durch ein Fluid in die Probengefäßwand erfolgt.
20. Verfahren zur Behandlung biologischer Proben mittels Schallwellen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Proben automatisch beschallt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12 mit ihrer elektroakustischen Wandlereinrichtung an eine Probengefäßanordnung mit mehreren Probengefäßen gekoppelt wird, und die in den Probengefäßen befindlichen Proben ohne eine Relativbewegung zwischen der Probengefäßanordnung und der Wandlereinrichtung seriell oder parallel beschallt werden.
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