CN109791123B - 驱动螺杆装置、送液机构以及送液方法 - Google Patents

Abstract

本发明的驱动螺杆装置具备：驱动螺杆；使上述驱动螺杆旋转的驱动部；通过上述驱动螺杆的旋转而沿上述驱动螺杆移动的滑块；以及设于上述驱动螺杆且对上述驱动螺杆施加旋转负荷的外部负荷。由此能够提供即使摩擦力变动、压力变动也较少的驱动螺杆装置。

Description

驱动螺杆装置、送液机构以及送液方法

技术领域

本发明涉及毛细管电泳装置以及适于该电泳装置的送液机构。尤其是，涉及向毛细管或者毛细管阵列填充凝胶或者流动性聚合物溶液的电泳装置以及适于电泳装置的泵机构，其中，上述凝胶或者流动性聚合物溶液是成为分离介质的电泳介质。

背景技术

在专利文献1和专利文献2中，公开了使用由16根毛细管构成的毛细管阵列的电泳装置。毛细管是内径几十～几百微米的细管，主要材料是石英，用厚度几十微米左右的聚酰亚胺对石英的外侧进行涂层，来赋予机械强度。电泳时，向毛细管填充成为试料分离介质的成分来使用。

作为电泳分离介质，有时也使用非流动性交联型聚合物，但近年来，在生产率、性能稳定性的方面优异的非交联型流动性聚合物溶液为主流。专利文献1中，公开一种用于向毛细管填充作为试料分离介质的凝胶或者聚合物的泵机构。作为泵机构，公开了玻璃注射器，但除玻璃注射器以外，还存在具备驱动柱塞的泵机构的电泳装置。

在电泳装置中，为了向内径几十～几百微米的毛细管填充一般具有较高的粘性的流动性聚合物，以高压力进行填充。这是因为，若压力较低，则聚合物填充需要花费时间，从而装置的处理能力劣化。并且，为了防止性能的差异、劣化，每次测定时进行聚合物填充。为了缩短分析时间且提高装置的处理能力，需要能够稳定地产生高压力的泵机构。

专利文献3中，作为产生用于填充聚合物的压力的装置，公开了利用弹簧的方法。利用以弹簧被压缩时的伸长力进行送液这一弹簧的特性。

专利文献2中，作为产生用于填充聚合物的压力的装置，公开了利用马达的停转转矩的方法。是利用转速随着负荷转矩变大而下降、最终停止这一DC马达的特性的方法。

具体地，反复进行以下的步骤来控制压力。(1)当注射器内的压力上升至所希望的压力后，负荷转矩变大，DC马达停止。(2)聚合物在毛细管内行进，当注射器内的压力下降后，马达开始旋转。在该情况下，以使马达在所希望的压力时停止的方式调整流向马达的电流值，从而控制转矩特性。所希望的压力通常设定为不使流路系统产生泄漏、损伤的程度。并且，还存在利用步进马达来实现与上述相同的方式的电泳装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-281221号公报

专利文献2：日本特开2001-324473号公报

专利文献3：日本特开2008-298670号公报

发明内容

发明所要解决的课题

本发明的课题在于提供一种当向毛细管阵列填充泳动介质时使压力稳定来减少送液量的差异的装置以及方法。

用于解决课题的方案

本发明的驱动螺杆装置具备：驱动螺杆；驱动部，其使上述驱动螺杆旋转；滑块，其通过上述驱动螺杆的旋转而沿上述驱动螺杆移动；以及外部负荷，其设于上述驱动螺杆，对上述驱动螺杆施加旋转负荷。

发明的效果如下。

当向毛细管阵列填充泳动介质时，能够使压力稳定来减少送液量的差异。

附图说明

图1是示出具备泳动介质注入机构的电泳装置的基本结构的立体图。

图2是示出具备泳动介质注入机构的电泳装置的基本结构的俯视图。

图3是示出具备泳动介质注入机构的电泳装置的基本结构的剖视图。

图4是毛细管阵列的基本结构图。

图5是泳动介质容器的详图。

图6是示出柱塞驱动机构的实施例1的结构图。

图7是泳动介质送液动作的详图(初始状态)。

图8是泳动介质送液动作的详图(泳动介质注入开始)。

图9是泳动介质送液动作的详图(泳动介质注入结束)。

图10是示出实施例1中的压力以及柱塞位置的时间变化的简图。

具体实施方式

在电泳装置中，为了向内径几十～几百微米的毛细管填充一般具有较高的粘性的流动性泳动介质，以高压力进行填充。这是因为，若压力较低，则泳动介质的填充需要花费时间，从而装置的处理能力劣化。并且，为了防止性能的差异、劣化，每次测定时进行泳动介质的填充。为了缩短分析时间且提高装置的处理能力，需要能够稳定地产生高压力的泵机构。

并且，由于一般填充昂贵的流动性聚合物，所以为了抑制运行成本，必需使泳动介质送液量变得稳定并抑制消耗量。因此需要送液压力的稳定化。

在至今的电泳装置的柱塞促动器中，由驱动螺杆将马达产生的转矩变换成推力，利用推力使泳动介质容器产生压力，来进行送液。在将产生的转矩变换成推力的过程中，驱动螺杆固有的摩擦力越大，摩擦力的变动给予产生的推力的影响越大，但利用该摩擦力，能够保持送液反作用力。

在注入几μL的泳动介质的装置中，由于注射器型泳动介质容器的密封直径较小，所以产生的推力的变动给予产生的压力的影响越大。由于产生的压力的变动与泳动介质的送液量差异相关，所以在送液量稳定化的方面，摩擦力的管理也是重要的。

并且，若继续使用，则驱动螺杆的摩擦力变动。由于摩擦力受表面状态影响，所以为了管理表面状态，进行不变更机床等的对策，从而有生产成本增加、没有代替的生产方法、以及需要定期的压力调整维护等问题。

因此，本发明的课题在于提供一种当向毛细管阵列填充泳动介质时获得稳定的压力来减少送液量差异、从而抑制了运行成本的电泳装置，并且提供一种能够稳定地产生较高的排出压力的送液机构。

实施例1

图1示出应用了本发明的毛细管电泳装置的装置结构图。本装置能够大概分为位于装置下部的自动取样器单元117、和位于装置上部的照射检测/恒温槽单元118这两个单元。

在自动取样器单元117且在取样器基座108上搭载有Y轴驱动体109，能够在Y轴上进行驱动。在Y轴驱动体109搭载有Z轴驱动体110，能够在Z轴上进行驱动。在Z轴驱动体110上搭载有样本托盘112，用户将泳动介质容器102、阳极侧缓冲液容器103、阴极侧缓冲液容器104、样本容器105放置在样本托盘112上。样本容器105被放置在搭载于样本托盘112上的X轴驱动体111上，从而在样本托盘112上，仅样本容器105能够在X轴上驱动。在Z轴驱动体110还搭载有送液机构106。该送液机构106配置于泳动介质容器102的下方。

照射检测/恒温槽单元118具有恒温槽单元113和恒温槽门115，能够将内部保持为恒定的温度。在恒温槽单元113的后方搭载有照射检测单元116，能够进行电泳时的检测。用户将毛细管阵列101放置在恒温槽单元113中，在恒温槽单元113内一边使毛细管阵列101保持恒温一边进行电泳，从而由照射检测单元113进行检测。并且，在恒温槽单元113还搭载有在施加电泳用的高电压时用于使电压降低至GND的电极114。

如上所述，毛细管阵列101固定于恒温槽单元113。泳动介质容器102、阳极侧缓冲液容器103、阴极侧缓冲液容器104、样本容器105能够利用自动取样器单元117而在YZ轴上驱动，仅样本容器105还能够在X轴上驱动。泳动介质容器102、阳极侧缓冲液容器103、阴极侧缓冲液容器104、样本容器105能够利用自动取样器单元118的运动而在任意位置处自动地与固定的毛细管阵列101连接。

图2示出从上面观察毛细管电泳装置的图。放置在样本托盘112上的阳极侧缓冲液容器103具有阳极侧清洗层201、阳极侧电泳用缓冲液层202以及样本导入用缓冲液层203。并且，阴极侧缓冲液容器104具有废液层204、阴极侧清洗层205以及阴极侧电泳用缓冲液层206。

泳动介质容器102、阳极侧缓冲液容器103、阴极侧缓冲液容器104、样本容器105配置成图示的位置关系。由此，与毛细管阵列101连接时的阳极侧－阴极侧的位置关系为“泳动介质容器102－废液层204”、“阳极侧清洗层201－阳极侧清洗层205”、“阳极侧电泳用缓冲液层202－阴极侧电泳用缓冲液层206”、“样本导入用缓冲液层203－样本容器105”。

图3示出图2中的A-A剖视图。泳动介质容器102插入并放置在埋入于样本托盘112的导向件301内。并且，送液机构106以使内置于送液机构106的柱塞601位于泳动介质容器102的下方的方式配置。

电泳时，毛细管阵列101的在图3中的右侧成为阴极侧，左侧成为阳极侧。自动取样器单元117移动至“阳极侧电泳用缓冲液层202－阴极侧电泳用缓冲液层206”的位置，对阴极侧的毛细管阵列101施加高电压，由电极114经由阴极侧缓冲液容器104和阳极侧缓冲液容器103流至GND，从而进行电泳。

图4示出毛细管阵列101的详图。毛细管阵列101具有作为内径约φ50μm左右的玻璃管的毛细管401，并在毛细管401附设有检测部402。由照射检测单元116检测该检测部402。在毛细管401的阴极侧端部附设有加载头406和SUS管407。加载头406的材质例如期望是绝缘特性较高、追踪指数较高的树脂、即PBT树脂等。在加载头406内部内置有取得所有SUS管407的导通的部件，通过在此施加高电压，来对所有SUS管407施加高电压。在该SUS管407，分别以穿通的方式固定有毛细管401。在阳极侧，由毛细管头403将多根毛细管401集中成一根。毛细管头403具有做成锐角而呈针状的毛细管头前端405和作为外径比毛细管头前端405的外径粗的部分的毛细管头凸起404。毛细管头403的材质期望是难以缺损且具有刚性、并且对于药品、分析稳定性较高的树脂的PEEK树脂等。

虽省略附图，但在将毛细管阵列101固定于恒温槽单元113时，分别固定检测部402、加载头406以毛细管头403。以使检测部402位于能够由照射检测单元检测到的位置的方式高精度地进行定位。加载头406固定为在固定时可取得与施加高电压的部位导通。毛细管头403稳固地固定为毛细管头前端405朝向正下方并能够承受载重。固定时的阴极侧、阳极侧的位置关系配置为在放置于装置时多根毛细管401彼此不重叠。

图5示出泳导介质容器102的详图。在泳动介质容器102中，在注射器501中内置有凹形状的密封件502，从上载置橡胶栓503，之后用盖504进行密封。还利用薄膜505在盖504上进行密封。注射器501的材质期望是能够较薄地成型的树脂即PP树脂等。密封件502的材质期望是常用于滑动部的流体的密封件等的滑动特性优异的超高分子PE树脂等。橡胶栓503的材质期望是对于分析稳定的硅酮橡胶等。为了与各容器的薄膜505统一，盖504的材质期望是PC树脂等。向泳动介质容器102封入泳动介质506，在封入时进入的空气507以滞留在上部的方式封入。泳动介质506被封入能够进行多次分析的容量。密封件502通过从外部施加载重而能够在注射器501的内部移动。

图6示出本实施例中的送液机构106的简图。步进马达613根据被输入的脉冲数而旋转，使驱动螺杆602旋转，从而使丝杠604进行直进运动。步进马达613的驱动方法例如是1-2相励磁。上述丝杠604与滑块603结合，滑块603与柱塞601结合。柱塞601的位置控制由与步进马达613一体的旋转编码器614来进行。滑块603与直线导向件609连接，能够在驱动螺杆602轴向上移动。检测板610与滑块603结合，并由固定于送液机构基座612的传感器611来检测。上述传感器611的检测位置是柱塞601的原点位置。

在驱动螺杆602安装有赋予旋转负荷的外部负荷。在本实施例中使用转矩限制器615。转矩限制器615是内圈607与外圈606同轴嵌合而成的构造。转矩限制器615的内圈607成为中空构造。并且，内圈607与外圈606能够独立地旋转。在内圈607与外圈6060之间具有恒定的旋转阻力。作为赋予旋转阻力的方法，优选是难以受到磨损的影响的磁性方式。使驱动螺杆602在内圈607的中空部分贯通，并利用垂直地贯通驱动螺杆602的平行销608来使驱动螺杆602与内圈607嵌合，从而驱动螺杆602与内圈607同步地旋转。外圈60由固定于送液机构基座612的转矩限制器外圈按压件605固定为不旋转。能够由该构造对驱动螺杆602赋予阻力。例如当固定外圈606并使内圈607旋转时，使用需要45mN·m的转矩的转矩限制器615。

接着，对泳动介质506注入时的顺序进行说明。并且，图7～图10示出各点处的柱塞601与泳动介质容器102以及毛细管头103的位置关系。此外，以将向泳动介质容器506压入柱塞601的方向作为步进马达613的正转、将拔出柱塞601的方向作为步进马达613的反转来进行说明。

图7示出作为泳动介质506的一系列注入动作的运动的初始状态的图。如上所述，泳动介质容器102插入并放置在埋入于样本托盘112的导向件301内。此时，在泳动介质容器102的正下方配置有送液机构106的柱塞601，泳动介质容器102内的密封件502因柱塞601的运动而能够移动。

图8示出作为泳动介质506一系列注入动作的运动的泳动介质506的注入开始状态的图。在毛细管头403的连接后，通过由送液机构106使柱塞601驱动，来使密封件502工作，从而使泳动介质容器102内的体积变化来进行送液。此时，泳动介质容器102内成为高压，泳动介质容器102的各部件膨胀。此次，由于泳动介质容器102的刚性较低，所以膨胀量较大，变得不稳定。因此，因泳动介质容器102的膨胀，对泳动介质506的封闭性产生较大的影响。

因此，由导向件301压住注射器501的膨胀。并且，由毛细管头403压住橡胶栓503的膨胀。另外，由于密封件502的形状呈凹形状，所以当密封件502因内压而膨胀时，成为更封闭的形状。通过预先使密封件502形成为与注射器501相比更容易膨胀的形状、强度，也能够减少注射器501的膨胀的影响。具体地，将注射器501的壁厚设为1mm，并将密封件502的壁厚设为0.6mm左右，并且膨胀系数设有差。由此减少膨胀对封闭性的影响。但是，无论减少多少膨胀量，都无法消除膨胀量。膨胀量有差异，从而对送液量管理产生影响。

因此，利用成为送液所需要的压力那样的驱动电流来驱动步进马达613，从而驱动柱塞601。此处，送液所需要的压力是3MPa，为了产生该压力，以使柱塞601的推力成为75N的方式调整步进马达613的驱动电流。由此泳动介质容器102内膨胀，但在内压变高需要的压力大小的时刻，步进马达613失步。

此处，定义步进马达613的失步。在泳动介质注入中，步进马达613处于以预定电流、脉冲率被驱动的状态。为了提高泳动介质容器102的内压，柱塞601产生75N的推力。在送液中，泳动介质容器102产生3MPa的内压，从而密封件502在将柱塞601压回的方向上产生送液反作用力。此处，当驱动柱塞601的推力与送液反作用力平衡时，驱动螺杆602的旋转停止。若驱动螺杆602的旋转停止，则对步进马达613赋予恒定脉冲率，但并非追随脉冲率而旋转。将此时的状态称作失步。由旋转编码器614对上述步进马达613的失步状态进行检测。

当步进马达613失步时，泳动介质容器102膨胀，内压上升至设定值。从检测到失步后起，步进马达613一边失步一边继续驱动。由于缓缓地向毛细管401内输送泳动介质506，所以缓缓地驱动柱塞601。而且，在检测到泳动介质容器102膨胀后，由旋转编码器614对柱塞601所驱动的量进行检测，向毛细管401输送需要的泳动介质506的量。通过设为这样的送液方法，能够不受泳动介质容器102的膨胀的影响地管理送液量。

当步进马达613一边失步一边使用时，产生没有驱动力的瞬间。除此之外，在本实施例中，为了减少至装置寿命之前的随时间的压力变动，设置即使摩擦力变动、压力变动即推力的变动也较少的驱动螺杆602。这是因为，驱动螺杆602的表面随时间变化，从而摩擦力即推力、保持力变动。作为能够减少随时间的压力变动的驱动螺杆602，例如有使用导程长度较长的滑动螺纹件、滚珠丝杠的方法。上述驱动螺杆602具有直线移动－旋转变换作用，因送液反作用力而产生欲使驱动螺杆602反转的力。若在直线移动－旋转作用产生的力以上地对轴赋予外部负荷，则驱动螺杆602不反转，从而能够抑制了压力变动地进行送液。因此，能够实现驱动螺杆602的随时间的推力变动较少、而且在送液中获得恒定的压力的送液机构。

图10是示意性地示出在本方式中进行泳动介质506的填充时的压力的时间变化的图。(a)示出从注入开始至注入结束为止的压力，(b)示出柱塞601位置。送液压力在从开始至结束为止是恒定压力。柱塞601位置与泳动介质注入量连动地动作，并且送液压力大致恒定，从而以恒定的速度移动。在由旋转编码器614检测到柱塞601从注入开始位置起移动设定量的情况下，结束送液。预先在泳动介质容器102放入有多次量的泳动介质506，以毛细管401的填充所需要的次数反复进行填充。

实施例2

作为由转矩限制器615对上述驱动螺杆602赋予外部负荷的方法，不仅可以使用磁性方式，还可以使用摩擦方式。即使不使用转矩限制器615，还能够利用如下方法来赋予外部负荷：将驱动螺杆602作为滚珠丝杠而施加预压来赋予阻力的方法；对直线导向件609赋予预压来赋予阻力的方法；由带电磁制动器的步进马达613赋予阻力的方法；使驱动螺杆602的表面状态变得粗糙的方法；以及用齿轮连接驱动螺杆602和步进马达613来提高传动比的方法。

实施例3

上述步进马达613的驱动方法也可以1相励磁、2相励磁、微步，而不是1-2相励磁。

实施例4

步进马达613与驱动螺杆602也可以相独立地用联接器来连接。或者也可以在步进马达613和驱动螺杆602双方连接齿轮，并以折叠的方式连接步进马达613。

实施例5

通过在泳动介质容器102封入水、清洗液等溶剂，并由上述送液机构106向毛细管401送液，也能够清洗毛细管401。

符号的说明

101—毛细管阵列，102—泳动介质容器，103—阳极侧缓冲液容器，104—阴极侧缓冲液容器，105—样本容器，106—送液机构，108—取样器基座，109—Y驱动体，110—Z驱动体，111—X驱动体，112—样本托盘，113—恒温槽单元，114—电极，115—恒温槽门，116—照射检测单元，117—自动取样器单元，118—照射检测/恒温槽单元，201—阳极侧清洗层，202—阳极侧电泳用缓冲液层，203—阳极侧样本导入用缓冲液层，204—废液层，205—阴极侧清洗层，206—阴极侧电泳用缓冲液层，301—导向件，401—毛细管，402—检测部，403—毛细管头，404—毛细管头凸起，405—毛细管头前端，406—加载头，407—SUS管，501—注射器，502—密封件，503—橡胶栓，504—盖，506—泳动介质，507—空气，505—薄膜，601—柱塞，602—滚珠丝杠，603—滑块，604—螺母，605—转矩限制器外圈固定装置，606—转矩限制器外圈，607—转矩限制器内圈，608—平行销，609—直线导向件，610—检测板，611—原点传感器，612—送液机构基座，613—步进马达，614—旋转编码器。

Claims (16)

1.一种送液机构，向毛细管输送容器内的泳动介质或者清洗液，其特征在于，具备：

驱动螺杆；

驱动部，其使上述驱动螺杆旋转；

滑块，其通过上述驱动螺杆的旋转而沿上述驱动螺杆移动；以及

外部负荷，其设于上述驱动螺杆，与上述驱动螺杆的摩擦力独立地将旋转阻力施加于上述驱动螺杆，

在上述滑块设有朝向上述毛细管按压上述容器的柱塞，

上述外部负荷的旋转阻力比送液反作用力欲使驱动螺杆反转的力度大。

2.根据权利要求1所述的送液机构，其特征在于，

上述外部负荷是内圈部与外圈部同轴嵌合而成的转矩限制器。

3.根据权利要求1所述的送液机构，其特征在于，

上述驱动部是步进马达。

4.根据权利要求1所述的送液机构，其特征在于，

具有配备于上述滑块的检测板和检测检测板的传感器。

5.根据权利要求1所述的送液机构，其特征在于，

上述驱动部是步进马达，

具备控制上述驱动部的驱动的控制部，

上述控制部使上述步进马达一边失步一边驱动。

6.根据权利要求5所述的送液机构，其特征在于，

上述控制部使上述驱动部以反复如下状态的方式驱动：上述柱塞的推力与送液反作用力平衡的状态；上述外部负荷与送液反作用力平衡的状态；以及送液反作用力比推力大的状态。

7.根据权利要求2所述的送液机构，其特征在于，

在上述内圈部与外圈部之间具有旋转阻力。

8.根据权利要求7所述的送液机构，其特征在于，

上述旋转阻力基于磁力。

9.根据权利要求1所述的送液机构，其特征在于，

上述驱动螺杆是滑动螺纹件或者滚珠丝杠。

10.根据权利要求2所述的送液机构，其特征在于，

上述驱动螺杆与上述内圈部同步地旋转，并且上述外圈部固定为不旋转。

11.根据权利要求5所述的送液机构，其特征在于，

具备检测上述步进马达的失步状态的检测部。

12.根据权利要求1-11任一项中所述的送液机构，其特征在于，

上述柱塞通过从下方推动保持在样本托盘上的上述容器，来向毛细管输送上述泳动介质或者清洗液。

13.一种送液方法，利用柱塞推动容器，来向毛细管输送容器内的泳动介质或者清洗液，该柱塞安装于通过驱动螺杆的旋转而沿上述驱动螺杆移动的滑块，上述送液方法的特征在于，

与上述驱动螺杆的摩擦力独立地将旋转阻力作为外部负荷施加于上述驱动螺杆，上述外部负荷的旋转阻力比送液反作用力欲使驱动螺杆反转的力度大。

14.根据权利要求13所述的送液方法，其特征在于，

上述外部负荷是内圈部与外圈部同轴嵌合而成的转矩限制器。

15.根据权利要求13所述的送液方法，其特征在于，

上述驱动螺杆的旋转控制使步进马达一边失步一边驱动。

16.根据权利要求13所述的送液方法，其特征在于，

使上述驱动螺杆以反复如下状态的方式驱动：上述柱塞的推力与送液反作用力平衡的状态；上述外部负荷与送液反作用力平衡的状态；以及送液反作用力比推力大的状态。

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