CN108535504A - 一种微量液体定量取样装置及取样加样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微量液体定量取样装置及取样加样方法。所述微量液体定量取样装置包括基片；所述基片内设有依次连通的液体流入口、取样管道、定量取样腔、溢出腔和排气孔；所述定量取样腔与液体流出口连通；所述液体流出口的内壁设有纳米亲水材料层，使液体流出口兼作液体排出管路和控制阀。本发明的取样装置靠微结构来保证每次取样的准确性和重复性，且不用额外设置控制阀。

Description

一种微量液体定量取样装置及取样加样方法

技术领域

本发明涉及一种微量液体定量取样装置及取样加样方法，属于微量（10—50uL）液体定量取样领域。

背景技术

医学检验实验中经常需要定量汲取液体再加注液体，这一过程都是借助专用器具手动操作完成的。常用的专用微量定量采样器具有两种：一是微量移液枪。微量移液枪是移液器的一种，移液器有不同的规格，移液容量范围0.1ul—200ul，可以通过量程设定旋钮设定取样量，不同规格的移液枪配套使用不同大小的吸液头。二是微量毛细管。微量毛细管多为玻璃管，外管壁上标有刻度，配合使用橡胶气囊可定量吸取微量的液体，其取液容量范围0.1ml—50ml。上述两种微量液体取样器适合在实验室使用，操作专业性强，只适合专业人员使用。

在医疗检验仪器中，也要用到微量取样加样。其实现的技术思路基本都是源于微量移液枪，其结构可以归纳为：微型泵+控制阀。微型泵包括微型腔和活塞，活塞在微型腔里运动，假设活塞的行程为L，微型腔体的截面积为S,则取样液体的容量V为V=L*S。微型泵可以有很多种结构变化，但都离不开基于上述取样原理来实现取样，即通过控制活塞运动的行程来确定取样容量。控制阀用来控制取样液体的流向，常为三通阀，汲样时待取样液体与腔体连通，活塞运动形成负压，汲取液体。汲样动作结束后，控制阀动作，关断腔体与待取样液体之间的连接，打开腔体与排液管路之间的连接，活塞反向运动，排出液体，完成加样动作。在很多检验仪器中，为了减少交叉污染，不使用控制阀，将样品池与反应池独立设置，取样头从样品池汲样后，把汲样头移动到反应池位置，再排液。这种方法与手动取样加样的原理是相同的，只是用步进电机+驱动结构替代了手动的汲和排，用步进电机的步数替代了刻度。

此外，有些相关专利设计了若干款微量定量取样装置，经过研究，这些专利设计的装置都是通过结构设计保证了取样的准确性，降低了对操作者的要求，但都还是以人工手动操作为前提，仍然是手工微量取样装置。

目前能检索到的定量取样方面的专利都是基于上述的取样加样原理，取样的特征有两点：一是需要有运动部件来完成汲样，比如活塞；二是通过控制运动件的行程来控制取样的容量；加样的特征是：汲样位和加样位分离设置。要么是汲样后移到加样位再加样，要么就增加控制阀，通过控制阀改变液体的流动方向完成加样。

比如中国专利CN204043955U公开了一种定量取样装置，其包括定量取样腔、活塞和毛细管，定量取样腔不起定量作用。其定量取样原理是：通过人手推动活塞在活塞通道内移动，由于活塞通道与定量取样腔连通，致使定量取样腔形成负压。在负压的作用下，样本会通过毛细管吸入定量取样腔内。取样的剂量根据活塞的尺寸以及活塞移动的行程来确定，一旦活塞的尺寸确定，就通过控制活塞的行程来控制定量取样的容量。据此描述，其定量取样原理与前述的常规方法或者装置没有区别。

发明内容

本发明旨在提供一种微量液体定量取样装置及取样加样方法，该取样装置靠微结构来保证每次取样的准确性和重复性，且不用额外设置控制阀。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种微量液体定量取样装置，包括基片；其结构特点是，所述基片内设有依次连通的液体流入口、取样管道、定量取样腔、溢出腔和排气孔；所述定量取样腔与液体流出口连通；所述液体流出口的内壁设有纳米亲水材料层，使液体流出口兼作液体排出管路和控制阀；优选液体流出口的管道尺寸d小于500um。

当液体流入定量取样腔时，本发明的液体流出口管道的毛细作用和纳米亲水材料层产生的阻力使得液体滞留在定量取样腔内，相当于阀门关闭。当外部压力大于管道产生的阻力后（需要加样时），液体从定量取样腔流入管道，相当于阀门打开。

藉由上述结构，本发明的取样加样原理的新颖之处在于：

一是通过微结构的固定体积来定量取样，而不是通过运动行程来定量；

二是通过液体的流动来实现汲样，而不是通过运动件的运动来汲样；

三是通过微结构和工艺处理实现控制阀的功能，不需要移动，能实现汲样后就加样。

本发明基于流体力学原理设计取样加样管路，通过结构设计来实现定量取样，通过结构和工艺替代微型阀，解决了生物芯片定量取样的难题，使得生物芯片的诸多检测项目从定性或者半定量飞跃到定量检测。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述基片主要由一块底片和一块盖片经键合而成；所述盖片为一块平板，所述底片上加工有整个管路。

优选地，所述基片的尺寸如下：长L≤50mm、高度H≤20mm、厚的D≤8mm。

优选地，所述取样管道的直径小于1mm。

优选地，所述定量取样腔采用长方体结构，取样容量为10—50uL；优选定量取样腔的底部具有倒角。

优选地，所述定量取样腔的长度尺寸至少是定量取样腔的高度或厚度尺寸的5倍以上。

优选地，所述定量取样腔的内壁涂抹纳米疏水材料层。

优选地，所述定量取样腔内设有从基片的上端装入加样活塞，该加样活塞上装有密封圈，加样活塞用于通过活塞杆与外部驱动件相连。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的微量液体定量取样装置进行液体定量取样的方法，其包括如下步骤：

S1、液体自液体流入口加入取样管道、并沿取样管道流入定量取样腔；

S2、等定量取样腔灌满后，液体再溢出定量取样腔并沿管道流入溢出腔，管道内的空气被灌入的液体挤出，多余的液体存放在定量取样腔之后的管道和溢出腔内，控制液体加入总量V的范围，保证：定量取样腔的容量≤V≤定量取样腔的容量+溢出腔的容量。

本发明的取样方法尤其适用于诸如生物芯片这样的微小型器件，生物芯片就是一个微型生物实验室，生物反应过程集成在生物芯片内完成，生物芯片的外形三维尺寸一般都只有几个毫米，其内部的液体管路尺寸一般都在1000um以内。因此，常规的定量取样加样方法就完全不适用了，因为没有空间来集成常规的微型泵或者微型阀。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的微量液体定量取样装置进行液体定量加样的方法，需要加样时，通过驱动装在定量取样腔内的加样活塞向下移动，挤压充满定量取样腔的液体全部流入加样管道内，再从液体流出口流出，完成加样动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明适用于微量取样，取样量范围为10—50uL以内，取样精度3%。

2、靠微结构来保证每次取样的准确性和重复性；使用本发明设计的小尺寸装置就能实现微量定量取样，不仅取样准确，而且加工简单、工艺可行，可以作为一个重要部件广泛应用于生物芯片的设计制造。

3、利用流体力学计算设计合理的结构尺寸，再采用表面处理工艺，用结构来实现控制阀的功能，取代了常规取样装置中必不可少的控制阀，避免了在小尺寸装置安装阀门的难题。

附图说明

图1是现有一种取样装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的结构原理图；

图3是图2的A—A剖视图。

在图中

1-基片；2液体流入口；3-定量取样腔；4-液体流出口；5-溢出腔；6-排气孔；7-加样活塞；8-取样管道；101 -定量取样腔，102 -毛细管，103 -堵头，104 -活塞，105 -活塞杆，106-活塞通道。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种微量液体定量取样方法，利用定量腔体作为定量取样的量具；利用液体管路完成取样动作；利用巧妙的流体管路结构和工艺控制液体的流动；利用加样活塞完成加样动作。

基于这些技术思路设计出来的一种定量取样加样装置如图2和3所示，取样装置基片1是整个取样装置的承载基础，它由一块底片和一块盖片经键合而成，其外形尺寸：长L≤50mm、高度H≤20mm、厚的D≤8mm。盖片就是一块平板，底片上加工有整个管路，包括液体流入口2、定量取样腔3、液体流出口4、溢出腔5、排气孔6以及取样管道8。装置内的所有管道尺寸都小于1mm，取样装置的取样容量为10—50uL。

定量取样腔3采用长方体结构，定量取样腔的大小根据取样容积来确定，长度尺寸比高度和厚度尺寸大得多，长/高（厚）比大于5，且底部要倒角，定量取样腔的内壁涂抹纳米疏水材料。

液体流出口4的管道尺寸d除了是液体排出管路外，还有控制阀的功能。管道尺寸d要小于500um。在定量取样腔的底部的液体流出口处，需要涂抹亲水材料。当液体流入定量取样腔时，管道尺寸d和表面纳米亲水材料共同产生的阻力，使得液体滞留在定量取样腔内，相当于阀门关闭。当外部压力大于管道产生的阻力后，液体从定量取样腔流入液体流出口4，相当于阀门打开。

加样活塞7从基片的上端装入，活塞上装有密封圈，密封连接，外部驱动件作用于加样活塞杆的顶部即可驱动活塞。

取样方法如下：

液体自液体流入口2加入取样管道8，液体可以是手动加入也可以由前环节结构注入。液体进入装置后，沿取样通道先流入定量取样腔3。等定量取样腔灌满后，液体再溢出定量取样腔沿管路流入溢出腔5。由于预留有空气排出孔6，管道内的空气被灌入的液体挤出管道，液体能灌满定量取样腔3。当液体灌满定量取样腔后，多余的液体就沿取样管道继续往前流动，并灌入溢出腔5。多余的液体将存放在定量取样腔之后的取样管道和溢出腔内。控制液体加入总量V的范围，合适的总量V应是：定量取样腔容量≤V≤定量取样腔容量+溢出腔容量。取样过程中，加样活塞处于初始位置固定不动，活塞的初始位置通过定位位置确定。

加样方法如下：

取样过程中，液体首先充满定量取样腔，多余液体再流入溢出腔。在整个取样过程中，定量取样腔内始终充满液体。需要加样时，外力驱动活塞往下运动，挤压定量取样腔内的液体全部流入加样管道，再从液体流出口4流出，完成加样动作。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种微量液体定量取样装置，包括基片（1）；其特征在于，所述基片（1）内设有依次连通的液体流入口（2）、取样管道（8）、定量取样腔（3）、溢出腔（5）和排气孔（6）；所述定量取样腔（3）与液体流出口（4）连通；所述液体流出口（4）的内壁设有纳米亲水材料层，使液体流出口（4）兼作液体排出管路和控制阀；优选液体流出口（4）的管道尺寸d小于500um。

2.根据权利要求1所述的微量液体定量取样装置，其特征在于，所述基片（1）主要由一块底片和一块盖片经键合而成；所述盖片为一块平板，所述底片上加工有整个管路。

3.根据权利要求1所述的微量液体定量取样装置，其特征在于，所述基片（1）的尺寸如下：长L≤50mm、高度H≤20mm、厚的D≤8mm。

4.根据权利要求1所述的微量液体定量取样装置，其特征在于，所述取样管道（8）的直径小于1mm。

5.根据权利要求1所述的微量液体定量取样装置，其特征在于，所述定量取样腔（3）采用长方体结构，取样容量为10—50uL；优选定量取样腔（3）的底部具有倒角。

6.根据权利要求1所述的微量液体定量取样装置，其特征在于，所述定量取样腔（3）的长度尺寸至少是定量取样腔的高度或厚度尺寸的5倍以上。

7.根据权利要求1所述的微量液体定量取样装置，其特征在于，所述定量取样腔（3）的内壁涂抹纳米疏水材料层。

8.根据权利要求1所述的微量液体定量取样装置，其特征在于，所述定量取样腔（3）内设有从基片（1）的上端装入加样活塞（7），该加样活塞（7）上装有密封圈，加样活塞（7）用于通过活塞杆与外部驱动件相连。

9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的微量液体定量取样装置进行液体定量取样的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、液体自液体流入口（2）加入取样管道（8）、并沿取样管道（8）流入定量取样腔（3）；

S2、等定量取样腔（3）灌满后，液体再溢出定量取样腔（3）并沿管道流入溢出腔（5），管道内的空气被灌入的液体挤出，多余的液体存放在定量取样腔（5）之后的管道和溢出腔（5）内，控制液体加入总量V的范围，保证：定量取样腔的容量≤V≤定量取样腔的容量+溢出腔的容量。

10.一种利用权利要求1-8中任一项所述的微量液体定量取样装置进行液体定量加样的方法，其特征在于，需要加样时，通过驱动装在定量取样腔（3）内的加样活塞（7）向下移动，挤压充满定量取样腔（3）的液体全部流入加样管道内，再从液体流出口（4）流出，完成加样动作。