CN103394380B - 一种高通量微量液体样品分配装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高通量微量液体样品分配装置，所述装置包含一组并行排列的毛细管阵列、一个毛细管阵列固定架和一个与毛细管阵列对应的储液器，所述的装置通过毛细作用同时实现多个液体样品的自动高通量微量吸取，然后通过使毛细管下端接触具有强毛细作用的基片或者压缩毛细管上端空气或者对毛细管下端实施负压抽吸，将各毛细管中液体转移至液样接受基片、微孔板或微流体芯片中，完成液体样品的高通量分配。其中所分配液体样品的体积由毛细管内径和长度决定。所述方法和装置可实现极微量样品高通量、精确、快速分配，可应用于化学或生物大批量检测和筛选实验，大大节省人力和时间，提高实验效率。

Description

一种高通量微量液体样品分配装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种高通量微量液体样品分配装置，可应用于化学和生化高通量分析和筛选等领域。

背景技术

众所周知，化学和生命科学的研究都是以液体操作为主。随着现代化学和生物学的深入发展，出现了一个明显趋势，就是越来越多地涉及到大量试验，比如组合化学、先导合成化学、蛋白质组学研究、DNA测序和分析、药物合成和筛选等，所有这些过程都会涉及大量液体样品的取样和分配等操作。随着试验数量的增加，液体定量吸取和转移的工作量也是与日俱增。目前，在大规模的高通量分析和筛选工作中，主要采取两种方式进行液样分配：一种采用多道移液器通过手工方式进行大量液样的吸取、分配，但是由于多道移液器一般只有8道、12道和16道几种形式，每次操作吸取转移的通量有限，对于高通量分析和筛选实验来说，操作人员的工作量仍然较大，效率较低；另一种是采用移液工作站，通过机械手方式实现大量液样的自动化吸取、分配，但是移液工作站价格昂贵，普通实验室往往难以承受，且移液工作站需要专门的技术人员进行操作，也增加了其应用的难度和人力成本。此外，上述两种方式受移液器吸头的大小限制，最终所分配形成的液样阵列密度不可能很高，因此无法在目前新兴的微流体芯片（往往小面积、高密度）高通量分析、筛选中得到较好应用。为了推动现代化学和生物学在高通量分析和筛选方面的深入发展，迫切需要发展一种操作简便、低成本、高密度、快速、精准的高通量液体分配方法和装置，为普通实验室的高通量分析和筛选实验提供技术支撑。

发明内容

本发明的目的是提供一种高通量微量液体样品分配装置，所提供的装置可快速、精确地实现微量液体样品的高通量、高密度分配，具有操作简便、成本低廉的特点，可望应用于化学和生物学的高通量分析和筛选研究。

本发明提供的一种高通量微量液体样品分配装置，其特征在于：所述装置包含一组平行排列的毛细管阵列、一个毛细管阵列固定架和一个与毛细管阵列对应的储液器。其中，毛细管阵列的每根毛细管上端均固定于毛细管阵列固定架上，限定毛细管间的相对位置；储液器用于实现毛细管阵列中所有毛细管同时取样。毛细管阵列的所有毛细管长度和内径相等，以实现毛细管阵列的高通量等量取样和分配。所述装置分配不同液样时，所用储液器为一个与毛细管阵列对应的储液微孔阵列板，储液微孔阵列的排布和数量与毛细管阵列一致，每个微孔对应一根毛细管，且微孔开口大于毛细管外径；所述装置分配单一同种液样时，所用储液器可以为上述储液微孔阵列板，也可以为一个俯视形状和面积均大于毛细管阵列的单一储液腔。所述装置的固定架可以包含一个用于挤出毛细管中液样的驱动部件，该部件由压缩活塞和形变薄膜构成，通过推动活塞，压缩活塞与形变薄膜之间空气，使形变薄膜发生形变，从而挤出毛细管中液样。所述毛细管内表面具有亲水性，内径范围为10微米～500微米。

本发明所述的高通量微量液体分配装置的使用方法如下：首先，将毛细管固定板与对应储液器对准，并垂直下移，使所有毛细管下端浸入储液器对应微孔的储存液体中，通过毛细作用，液体样品迅速充满毛细管；待液样充满后，然后将充满液样的毛细管阵列转移至液样接受基片上方，并使毛细管阵列下端与基片直接接触，利用基片强的毛细作用力将毛细管中液体转移至基片上；或者将充满液样的毛细管阵列转移至液样接受基片或微孔阵列上方，压下驱动部件活塞，通过脉冲压力喷出毛细管中液体，完成分配；或者将毛细管阵列下端与微流控芯片进样微孔阵列对准，并插入其中，然后通过负压抽吸完成液样的分配。其中液样接受基片为表面平整的薄片，材料可以为玻璃、硅片、纤维膜、尼龙膜、凝胶、PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）、PS（polystyrene，聚苯乙烯）、PC（Polycarbonate，聚碳酸酯）、COC（Cyclicolefincopolymer，环烯烃共聚物）、PMMA（Polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯）、PI（Polyimide，聚酰亚胺）、SU-8中的任意一种。具体而言，当所用高通量微量液体样品分配装置中的毛细管阵列固定架无集成驱动单元时，液样接受基片可以为具有强毛细作用的多孔型介质，如纤维膜（如硝酸纤维素膜）、尼龙膜、凝胶等，或者集成负压抽吸功能的PDMS微流控芯片；当所用高通量微量液体样品分配装置中的毛细管阵列固定架包含集成驱动单元时，液样接受基片既可以为具有强毛细作用的多孔型介质，如纤维膜、尼龙膜、凝胶等；也可以为其他非多孔型光面介质，如玻璃、硅片、PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）、PS（polystyrene，聚苯乙烯）、PC（Polycarbonate，聚碳酸酯）、COC（Cyclicolefincopolymer，环烯烃共聚物）、PMMA（Polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯）、PI（Polyimide，聚酰亚胺）、SU-8等。

总之，本发明所述的装置通过毛细作用同时实现多个液体样品的自动高通量微量吸取，然后通过使毛细管下端接触具有强毛细作用的基片或者压缩毛细管上端空气或者对毛细管下端实施负压抽吸，将各毛细管中液体转移至液样接受基片、微孔板或微流体芯片中，完成液体样品的高通量分配。

相对于现有的手动时或电动式多通道移液器，本发明所提供的高通量微量液体样品分配装置可提供更高通量和更高密度的微量样品分配；而相比于基于机械手的高通量移液设备，本发明所提供的高通量微量液体样品分配装置具有操作简便、成本低廉的优势，因为该设备无需昂贵、复杂的精密控制仪器，也无需专门的技术培训，可望应用于普通实验室化学和生物学的高通量分析和筛选研究。

附图说明

图1为本发明实施例1高通量微量液体样品分配装置应用于低密度微阵列芯片制作过程中取样操作示意图。

图2为本发明实施例1高通量微量液体样品分配装置应用于低密度微阵列芯片制作过程中点样操作示意图。

图3为本发明实施例2高通量微量液体样品分配装置应用于蛋白质结晶条件筛选实验中吸取结晶试剂操作示意图，（a）为鸟瞰图，（b）为剖面图。

图4为本发明实施例2高通量微量液体样品分配装置应用于蛋白质结晶条件筛选实验中结晶试剂定量分配示意图，（a）为鸟瞰图，（b）为剖面图。

图5为本发明实施例2高通量微量液体样品分配装置应用于蛋白质结晶条件筛选实验中吸取蛋白质溶液的操作示意图。

图6为本发明实施例2高通量微量液体样品分配装置应用于蛋白质结晶条件筛选实验中分配蛋白质溶液与结晶试剂等量混合操作示意图。

图7为本发明实施例3高通量微量液体样品分配装置应用于筛选药物对细菌作用实验中吸取药物溶液操作示意图。

图8为本发明实施例3高通量微量液体样品分配装置结合微流控芯片应用于筛选药物对细菌作用实验中定量分配药物溶液操作示意图。

图9为本发明实施例3高通量微量液体样品分配装置结合微流控芯片定量分配和混合药物溶液与细菌后效果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1

将嵌有毛细管阵列（1）的固定板（2）与包含有不同核酸探针或蛋白质溶液的储液微孔阵列板（3）对准，并垂直下移，使所有毛细管下端均浸入储液器对应微孔的储存液体中，待液体样品通过毛细作用充满毛细管后（如图1所示），将充满液样的毛细管阵列转移至硝酸纤维素膜（4）表面上方，并使毛细管阵列下端与硝酸纤维素膜表面直接接触，利用纤维素膜更强的毛细作用力将毛细管中液体转移至基片上，制作低密度基因微阵列芯片或蛋白微阵列芯片（如图2所示）。

实施例2

将嵌有毛细管阵列（1）并集成驱动功能的固定板（5）与包含有不同蛋白质结晶试剂的储液微孔阵列板（3）对准，并垂直下移，使所有毛细管下端均浸入储液器对应微孔的蛋白质结晶试剂中，待液体样品通过毛细作用充满毛细管后（如图3所示），将充满液样的毛细管阵列转移至液样接受微孔阵列板（6）上方，并通过注射头或空心橡胶球压缩毛细管阵列上端空气，通过脉冲压力使毛细管中液体从其下端喷出，完成不同结晶试剂在微孔阵列板中的分配（如图4所示）；然后，利用另一集成驱动功能的毛细管固定板与包含有蛋白质溶液的单腔储液器（7）对准，并垂直下移，使所有毛细管下端均浸入储液器的蛋白质溶液中，待蛋白质溶液通过毛细作用充满毛细管后（如图5所示），将充满蛋白质溶液的毛细管阵列转移至上述已分配有蛋白质结晶试剂的微孔阵列板上方，同样通过注射头压缩毛细管阵列上端空气，通过脉冲压力使毛细管中蛋白质溶液从其下端喷出，分配至微孔阵列板各孔中，完成与不同结晶试剂在微孔阵列板中的等量混合（如图6所示），最后将混合后的微孔阵列板以胶带密封置于4℃冰箱中，并间隔一定时间后进行观察，实行蛋白质结晶条件的筛选判定。

实施例3

将嵌有毛细管阵列（1）的固定板（2）与包含有不同药物溶液的储液微孔阵列板（3）对准，并垂直下移，使所有毛细管下端均浸入储液器对应微孔的药物溶液中，待药物溶液通过毛细作用充满毛细管后（如图7所示），将充满液样的毛细管阵列转移至液样接受微流控芯片（8）上方，并将毛细管阵列下端与微流控芯片进样微孔阵列对准，插入其中；另外，在微流控芯片中心进样口再通过移液器滴加细菌溶液（如图8所示）；之后，由于微流控芯片各出样口贴附了真空脱气的PDMS微泵（9），该泵吸收芯片中微管道内空气，产生负压，将毛细管阵列中药物溶液和中心进样口细菌溶液吸入芯片中，实现液样的分配和混合（如图9所示）；然后将混合后的芯片以胶带密封置于37℃培养箱中，并间隔一定时间后进行观察，分析判定各种药物对细菌的作用。

Claims (7)

1.一种高通量微量液体样品分配装置，所述装置包含一组并行排列的毛细管阵列、一个毛细管阵列固定架和一个与毛细管阵列对应的储液器，其特征在于

①毛细管阵列的每根毛细管上端均固定于毛细管阵列固定架上，限定毛细管间的相对位置；储液器用于实现毛细管阵列中所有毛细管同时取样；

②毛细管阵列的所有毛细管长度和内径相等，以实现毛细管阵列的高通量等量取样和分配；

③所述装置分配不同液样时，所用储液器为一个与毛细管阵列对应的储液微孔阵列板，储液微孔阵列的排布和数量与毛细管阵列一致，每个微孔对应一根毛细管，且微孔开口大于毛细管外径。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置分配单一同种液样时，所用储液器为所述储液微孔阵列板，或为一个俯视形状和面积均大于毛细管阵列的单一储液腔。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置的固定架或包含一个用于挤出毛细管中液样的驱动部件，该部件由压缩活塞和形变薄膜构成，通过推动活塞压缩活塞与形变薄膜之间空气，使形变薄膜发生形变，从而挤出毛细管中液样。

4.根据权利要求1所述的高通量微量液体样品分配装置，其特征在于：所述毛细管内表面具有亲水性，内径范围为10微米～500微米。

5.使用权利要求1所述的高通量微量液体分配装置的方法，其特征在于所述的装置通过毛细作用同时实现多个液体样品的自动高通量微量吸取，然后通过使毛细管下端接触具有强毛细作用的基片或者压缩毛细管上端空气或者对毛细管下端实施负压抽吸，将各毛细管中液体转移至液样接受基片、微孔板或微流体芯片中，完成液体样品的高通量分配；具体步骤是：

a)将毛细管固定板与对应储液器对准，并垂直下移，使所有毛细管下端浸入储液器对应微孔的储存液体中，通过毛细作用，液体样品迅速充满毛细管；

b)液样充满后，将充满液样的毛细管阵列转移至液样接受基片上方，并使毛细管阵列下端与基片直接接触，利用基片强的毛细作用力将毛细管中液体转移至基片上，完成分配；或者将充满液样的毛细管阵列转移至液样接受基片或微孔阵列上方，压下驱动部件活塞，通过脉冲压力喷出毛细管中液体，完成分配；或者将毛细管阵列下端与微流控芯片进样微孔阵列对准，并插入其中，然后通过负压抽吸实现液样的分配。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

①所述液样接受基片为表面平整的薄片，材料为玻璃、硅片、纤维膜、尼龙膜、凝胶、或集成负压抽吸功能的PDMS微流控芯片；

②当毛细管阵列固定架包含集成驱动单元时，液样接受基片为纤维膜、尼龙膜或凝胶具有强毛细作用的多孔型介质；或为多孔型光面介质，玻璃、硅片、PS、PC、COC、PMMA、PI或SU-8非多孔型光面介质。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

①低密度基因微阵列芯片或微阵列芯片制作是

将嵌有毛细管阵列(1)的固定板(2)与包含有不同核酸探针或蛋白质溶液的储液微孔阵列板(3)对准，并垂直下移，使所有毛细管下端均浸入储液器对应微孔的储存液体中，待液体样品通过毛细作用充满毛细管后，将充满液样的毛细管阵列转移至硝酸纤维素膜(4)表面上方，并使毛细管阵列下端与硝酸纤维素膜表面直接接触，利用纤维素膜更强的毛细作用力将毛细管中液体转移至基片上；

②蛋白质结晶体条件的筛选判定

将嵌有毛细管阵列(1)并集成驱动功能的固定板(5)与包含有不同蛋白质结晶试剂的储液微孔阵列板(3)对准，并垂直下移，使所有毛细管下端均浸入储液器对应微孔的蛋白质结晶试剂中，待液体样品通过毛细作用充满毛细管后，将充满液样的毛细管阵列转移至液样接受微孔阵列板(6)上方，并通过注射头或空心橡胶球压缩毛细管阵列上端空气，通过脉冲压力使毛细管中液体从其下端喷出，完成不同结晶试剂在微孔阵列板中的分配；然后，利用另一集成驱动功能的毛细管固定板与包含有蛋白质溶液的单腔储液器(7)对准，并垂直下移，使所有毛细管下端均浸入储液器的蛋白质溶液中，待蛋白质溶液通过毛细作用充满毛细管后，将充满蛋白质溶液的毛细管阵列转移至上述已分配有蛋白质结晶试剂的微孔阵列板上方，同样通过注射头压缩毛细管阵列上端空气，通过脉冲压力使毛细管中蛋白质溶液从其下端喷出，分配至微孔阵列板各孔中，完成与不同结晶试剂在微孔阵列板中的等量混合，最后将混合后的微孔阵列板以胶带密封置于4℃冰箱中，并间隔一定时间后进行观察；

③判定各种药物对细菌的作用

将嵌有毛细管阵列(1)的固定板(2)与包含有不同药物溶液的储液微孔阵列板(3)对准，并垂直下移，使所有毛细管下端均浸入储液器对应微孔的药物溶液中，待药物溶液通过毛细作用充满毛细管后，将充满液样的毛细管阵列转移至液样接受微流控芯片(8)上方，并将毛细管阵列下端与微流控芯片进样微孔阵列对准，插入其中；另外，在微流控芯片中心进样口再通过移液器滴加细菌溶液；之后，由于微流控芯片各出样口贴附了真空脱气的PDMS微泵(9)，该泵吸收芯片中微管道内空气，产生负压，将毛细管阵列中药物溶液和中心进样口细菌溶液吸入芯片中，实现液样的分配和混合；然后将混合后的芯片以胶带密封置于37℃培养箱中，并间隔一定时间后进行观察，分析判定各种药物对细菌的作用。