Kerntechnologie von Ultraschallprozessoren

Der grundlegende Mechanismus eines Ultraschallprozessors ist der Ultraschallkavitationseffekt. Der Betrieb beginnt damit, dass die Haupteinheit elektrische Energie in ein hochfrequentes elektrisches Signal (typischerweise etwa 20 kHz) umwandelt. Dieses Signal treibt die piezoelektrischen Keramikelemente im Wandler an und wandelt die elektrische Energie in mechanische Schwingungen mit derselben Frequenz um. Diese mechanischen Schwingungen werden durch eine Sonde (Horn) verstärkt und auf die Spitze übertragen, die in die Probenlösung eintaucht.

Wenn sich hochintensive Ultraschallwellen durch ein flüssiges Medium ausbreiten, werden abwechselnde Kompressions- und Verdünnungsphasen erzeugt. Während der Verdünnungsphase (Niederdruckzone) sinkt der lokale Flüssigkeitsdruck unter seinen Dampfdruck, wodurch die Flüssigkeit „zerrissen“ wird und sich zahlreiche Kavitationsblasen in Mikrometergröße bilden. Beim Eintreffen der anschließenden Kompressionsphase (Hochdruckzone) kollabieren diese Kavitationsblasen schnell und implodieren. Sobald eine Kavitationsblase kollabiert, wird innerhalb eines winzigen Raums Energie freigesetzt, die Stoßwellen mit lokalen Drücken von bis zu 1.000 Atmosphären und Mikrojets mit Geschwindigkeiten von über 400 km/h erzeugt. Diese starken mechanischen Kräfte wirken direkt auf die Zellmembranen oder Zellwände innerhalb der Probe und verursachen Ermüdung und Bruch, wodurch intrazelluläre Inhalte freigesetzt werden. Der Hauptvorteil eines Mehrkanaldesigns liegt in der Integration mehrerer Ultraschallsonden (Hörner), um die gleichzeitige, parallele Verarbeitung mehrerer Proben zu ermöglichen und Vorteile wie hohen Durchsatz, hervorragende Reproduzierbarkeit und automatisierten Betrieb zu bieten.