CN110369011A - 基于液压驱动的微量液体转移装置、控制设备及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液压驱动的微量液体转移装置、控制设备及控制方法。所述基于液压驱动的微量液体控制方法包括以下步骤：(a)准备第一液体与第二液体；(b)准备移液装置：将微管道一端连接进样枪针，微管道另一端连接流体驱动设备；(c)将步骤(b)中的进样枪针移至第一液体液面下方；(d)使第一液体充满微管道与进样枪针；(e)使得第一溶液覆盖在所述第二液体表面，将微管道和进样枪针移至第二液体下方，吸取第二液体至进样枪针；(f)将步骤(e)中所述的微管道和进样枪针移至覆盖在第二液体上的第一液体中，并吸取第一液体，实现第一液体对第二液体的驱动。

Description

基于液压驱动的微量液体转移装置、控制设备及控制方法

技术领域

本发明涉及数字化分子诊断与生化检测平台技术领域，具体涉及一种基于液压驱动的微量液体转移装置、控制设备及控制方法。

背景技术

精准移液对于生物医学实验结果的准确性及可重复性至关重要，尤其对微升或纳升体积的微量液体的转移实施精确地驱动控制，是实现微量样品的转移、稀释、加样、反应、混合、纯化等步骤的关键技术。因此微量液体的精确转移及控制在数字化分子诊断和生化检测分析等应用领域具有非常重要的实用价值。

现有的高精度液体转移控制方法主要包括空气置换式移液法与正压式移液法。空气置换式移液是以空气作为介质，通过液体驱动设备将液体管路末端的部分空气压出后，再吸放液体的方式对液体进行转移。该方法的驱动装置不与液体直接接触，仅利用空气压力驱动液体，因此能够通过更换移液枪头，快速实现不同液体的移液操作(如Thermo Novus电动移液器)。但是由于空气置换式在吸放液过程中，空气会有压缩与泄漏的情况，所以会导致移液过程中，流速不稳定与产生较大误差等问题。采用正压式移液法的液体驱动装置利用活塞运动产生的压力吸放液体，液体流速稳定，移液精度更高(如Cavro XLP Pump)。但是，在正压式移液过程中，驱动液体的管路和活塞会与液体接触，为除去液体样本对驱动装置的污染，需要对驱动装置进行反复清洗或者更换。而对微升或纳升体积的微量液体进行转移时，驱动装置移液控制精度，液体无污染及液体流速的稳定性对下游相关的高精度检测分析实验显得尤为重要。总上所述，无论是空气置换法还是正压移液法在对微量液体实施转移控制时，很难同时解决液体样本污染及流速稳定性差的难题。

市场上目前已经出现一些具有反馈控制的空气置换式高精度液体驱动设备(如Hamilton zeus移液模块)，其通过对移液过程中的气压进行实时检测与调节，来控制吸放液的体积。这种方法虽然可以实施高精度的液体转移，但对仪器气密性要求非常高，机械加工工艺苛刻，加工精密度要求高，导致仪器研发和加工制造成本非常高，极大限制了我国在高精密液体驱动控制技术领域的发展和分子诊断领域的应用。因此，提供流速稳定、无液体污染、低成本的微量液体转移、驱动控制装置和方法具有重要的应用价值与实用意义。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种基于液压驱动的微量液体转移装置、控制设备及控制方法，能够对微量液体的转移实施有效控制，并使液体流速保持稳定。本发明可以确保液体样本转移过程中，与外部环境隔离，可以有效避免液体样本与环境发生交叉污染。本发明还提供了与该液压驱动方法对应的移液装置及控制设备。

技术方案：本发明所述的一种基于液压驱动的微量液体转移装置、控制设备及控制方法包括以下步骤

(a)准备第一液体与第二液体，其中，第二液体为待转移液体，所述第一液体与第二液体互不相溶，第一液体的密度小于第二液体密度，且第一液体与第二液体不发生化学反应；(b)准备移液装置：将微管道一端连接进样枪针，微管道另一端与流体驱动设备的注射头连接；(c)将步骤(b)中的进样枪针移至第一液体液面下方；(d)排出移液装置内的空气，并吸取第一液体，使第一液体充满微管道与进样枪针；(e)使得第一溶液覆盖在所述第二液体表面，将微管道和进样枪针移至第二液体下方，吸取第二液体至进样枪针；(f)将步骤(e)中所述的微管道和进样枪针移至覆盖在第二液体上的第一液体中，并吸取第一液体，实现第一液体对第二液体的驱动。

本发明能够应用于样本制备、稀释、混合与液体转移。

步骤(d)中，移液装置内的空气排出后，本发明流体驱动设备与微管道连通的注射头的腔体内、微管道以及进样枪针内的腔体内均充满液体，保证本发明的液体移取通过第一液体对第二液体产生的压力来驱动第二液体，实现对第二液体的吸放与转移。

本发明中所述的移动可以采用手动平移台或是全自动移动平台进行控制。

本发明中排出微管道与进样枪针中的空气的操作、吸取第一液体的操作、排出第一液体的操作以及吸取第二液体至进样枪针等操作采用流体驱动设备进行控制。

本发明中的第二液体为待移取液体，本发明的第一液体与第二液体互不相溶，且第一液体与第二液体在界面接触时，两种液体不发生化学反应，可以稳定存在。优选地，第一液体的气化温度需高于常温。

本发明中的第一液体可以为单一物质组成的液体、互溶的物质组成的均一液体或者互不相溶的两种液体组成，第一液体的选择取决于第二液体的种类，如第二液体为水溶液时，第一液体可以选择密度小于水的液体烷烃、酯类物质、部分卤代的烷烃等，如十四烷、矿物油。

当本发明的第二液体为对污染要求更高的生物试剂如核酸溶液时，第一液体中可以进一步加入表面活性剂，阻止第一液体与第二液体在接触界面进行物质交换。

第一液体中表面活性剂所占的质量百分比优选为0.05～5％。

优选地表面活性剂种类为:SPAN80、EM90等。

本发明的第一液体与第二液体可以位于同一个储液池或者不同的储液池中。

当本发明的第一液体与第二液体位于不同储液池中，控制方法中增加第一溶液转移至第二溶液上方的步骤，具体包含以下步骤：

准备第一液体与第二液体，所述第一液体与第二液体互不相溶，第一液体的密度小于第二液体密度；

准备移液装置：将微管道一端连接进样枪针，微管道另一端与流体驱动设备的注射头连接；

将进样枪针移至第一液体液面下方；

排出移液装置内的空气，并吸取第一液体，使第一液体充满微管道与进样枪针；

将微管道和进样枪针移至第二液体上方，排出部分第一溶液，排出的第一溶液覆盖所述第二液体表面；

将微管道和进样枪针移至第二液体下方，吸取第二液体至进样枪针；

将所述微管道和进样枪针移至覆盖在第二液体上的第一液体中，并吸取第一液体，实现第一液体对第二液体的驱动。

本发明中的第一液体可以由两种或者多种互不相溶、密度不等以及相互间不发生化学反应的液体组成的分层液体，均可以实现本发明中第一液体对第二液体的驱动。

优选地，步骤(b)中，所述微管道的内径为30-2000微米。

优选地，步骤(b)中，所述进样枪针容积为0.1-100微升。

优选地，步骤(b)中，所述进样枪针的开口处经低表面能处理。

本发明中在上述方法中使用的移液装置，包括微管道，所述微管道一端连接进样枪针，所述微管道另一端连接流体驱动设备。

具体地，所述微管道与流体驱动设备的注射头相连。

优选地，所述进样枪针取液口处连接有毛细管。

优选地，所述流体驱动设备选自蠕动泵、注射泵、恒压泵、恒流泵、电磁驱动泵或电渗驱动泵中的一种。

所述流体驱动设备的注射头具体为注射器，注射器的液体进口可以和一个或者多个微管道连通，优选地，每个注射头与一个微管道连通。

本发明所述的基于液压驱动的微量液体控制设备，包括一个或多个储液装置和一个或多个移液装置；所述储液装置包括容器本体以及在容器本体上表面内凹形成的储液池。

所述储液装置为开口的一维或二维排列的含有若干个储液池阵列容器。

所述储液池底部可以为平底、圆底或者锥形底。

所述进样枪针通过管路接头或者卡口或者胶连与微管道进行连接。

所述微管道的内径在30微米至2000微米之间；所述微管道为单根空心的毛细管、单根多芯的毛细管、一维阵列毛细管或二维阵列毛细管。

本发明的原理为：本申请提供的液压驱动微量液体的控制方法基于两种互不相溶液体，其中所述的第一液体密度小于第二液体且不发生反应，能够稳定存在；所述进样枪针与微管道进行连接，且与流体驱动设备连接。在本申请中，所述微管道与进样枪针向下运动，进入所述第一液体，排出所述微管道中的空气后，吸取第一液体，使微管道内充满第一液体；所述微管道与进样枪针转移至所述微孔容器中的第二液体的上方后排出第一液体，使密度较低的第一液体覆盖在第二液体上，使第二液体与外界隔离；所述微管道与进样枪针向下运动至第二液体中，吸取第二液体进入所述进样枪针；所述微管道与进样枪针向上运动至第一液体中，吸取第一液体进入所述进样枪针，使进样枪针中的第二液体与外界隔离，同时微管道内的第一液体实现对第二液体的吸放液驱动。本发明通过两种互不溶液体，以第一液体为微量液体驱动的液体介质，吸取与释放第二液体。

有益效果：(1)由于液体相对于气体更不易泄漏与压缩，所以本发明相较于其他气压驱动方法，整个液体转移过程中，流速更为稳定，能够降低流体驱动设备的要求，如无反馈控制功能的注射泵，保证对微量流体精准转移；(2)本发明由于第二液体整个过程中仅流经进样枪针，所以微管道以及微管道中的第一液体能够反复使用，对于转移不同的第二液体仅需要更换进样枪针，从而降低液体转移过程的成本；(3)本发明中的第一液体密度低于第二液体，使微孔容器内以及进样枪针内的第二液体与外界隔离，避免液体的蒸发效应从而与外界形成气溶胶污染；(4)本发明的方法能够作为一种液体加样模块与自动化操作平台对接实现，从而将微量液体精确转移与检测分析过程进行对接，将上游处理后的液体样品转移至下游检测模块的加样端，实现一体化操作，所以在生化反应与检测领域具有广阔的应用前景；(5)本发明的方法进行微量溶液转移时，流速稳定，能够使液体在转移过程中，保持稳定均一的流速；(6)本发明具有高适用性，可以针对不同液体实现驱动；(7)本发明简单易用，与基于高精密反馈控制的微量液体控制方案相比，具有更低的技术复杂度，操作简单，成本低。

附图说明

图1为本发明移液装置结构示意图；

图2为本发明微量液体控制设备结构示意图；

图3为本申请实施例3的操作步骤示意图；

图4为本申请实施例6三通道液体转移的操作步骤示意图；

图5为本申请实施例7液体样品梯度稀释的操作步骤示意图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，本发明中所述的移液装置1由微管道11、进样枪针12、流体驱动设备13组成。

微管道11微管道的内径在30-2000微米之间，可以为单根空心的毛细管、单根多芯的毛细管、一维阵列毛细管或二维阵列毛细管，微管道11的一端通过管路接头或者卡口与进样枪针12连接，进样枪针12由枪头121以及与枪头121吸液口连接的毛细管122组成，进样枪针12的容积为0.1-100微升，毛细管122的长度为5-10毫米，进样枪针12与微管道11连接缝隙处可用EVA树脂进行填充。

微管道11另一端通过管路接头连接流体驱动设备13的注射头，本实施例中使用注射器作为流体驱动设备13的注射头，流体驱动设备13可以为蠕动泵、注射泵、恒压泵、恒流泵、电磁驱动泵或电渗驱动泵，每个注射头连接一根微管道。

实施例2：如图2所示，本发明所述的基于液压驱动的微量液体控制设备，包括实施例1所述的移液设备1以及储液装置2，储液装置2可以选择开口的一维或二维排列的含有若干个储液池阵列容器，储液装置2由容器本体21以及在容器本体21上表面内凹形成多个储液池22，储液池22底部可以为平底、圆底或者锥形底，如储液池可以为圆柱形凹腔。

实施例3：如图3所示，利用实施例2的微量液体控制设备进行微量流体移取，具体步骤如下：

准备微量液体控制设备：微管道11为特氟龙管，特氟龙(Teflon)管内径为300微米，外径为500微米，长度为10厘米。进样枪针12由枪头与石英毛细管组成，石英毛细管内径为75微米，外径为195微米，进样枪针12中的石英毛细管在使用之前预先用二氯二甲基硅烷进行硅烷化处理，使其开口端疏水，进样枪针12中的枪头容积为4微升。进样枪针与特氟龙管一端进行连接，缝隙处可用EVA树脂进行填充。特氟龙管另一端通过管路接头(Idex)与流体驱动设备13注射泵连接，注射泵上配备一只体积为100微升的注射器作为注射头，检查注射器、特氟龙管和进样枪针无液体泄漏，如有液体泄漏，继续进行密封处理，直至无液体泄漏。

储液装置2为孔板容器，孔板容器为各孔径为16毫米，深度为17毫米的24孔板，孔板容器中的每个孔位为储液池，第一液体3选用十四烷，第二液体4为纯水，在孔板容器中的一个孔中加入1ml十四烷，另一个孔中的加入200微升纯水。

在使用之前，在与注射泵连接的注射器内充满十四烷，如图3(a)所示，进样枪针位于十四烷液面上方3厘米处，垂直液面向下运动至进样枪针的石英毛细管插入十四烷中。

如图3(b)所示，启动注射泵，流速为1微升/秒，模式为释放模式，排出液路中的空气；当特氟龙管，进样枪针中的空气全部排出时，关闭注射泵；启动注射泵，流速为1微升/秒，模式为吸取模式，在10秒后停止，共吸取10微升的十四烷，关闭注射泵。

如图3(c)所示，进样枪针向上运动并向左运动至纯水液面上面3厘米处；向下移动至距离纯水液面3毫米处，启动注射泵，流速为1微升/秒，模式为释放模式，在10秒后停止，共释放10微升的十四烷，由于十四烷相对纯水密度更低(纯水密度为1克/毫升，十四烷密度为0.7628克/毫升)，十四烷将覆盖在纯水上。

如图3(d)所示，进样枪针向下运动至深入纯水中，启动注射泵，流速为200纳升/秒，模式为吸取模式，在5秒后关闭注射泵，共吸取1微升的纯水。

接着如图3(e)所示，进样枪针向上运动至脱离纯水液面，仅插入十四烷中；启动注射泵，流速为200纳升/秒，模式为吸取模式，在1秒后关闭注射泵，共吸取200纳升的十四烷。以上操作使从注射器，特氟龙管，进样枪针内的液体液路以十四烷进行驱动，从而吸取与转移纯水。

与气压驱动的液体转移与吸取方法相比，本方法利用水相和烷烃相液体之间的界面作用作为微量液体的驱动控制力，由于液体相对于空气更不易压缩与泄漏，可以使整个液路中微量液体的吸放控制比气压驱动法更加简单，可以大大降低仪器气密性的要求，同时使液体转移与吸取精度更高。进样枪针末端的十四烷对需要吸取的纯水进行密封，使吸取的纯水与外界隔离，减少污染。而孔板容器内的纯水由于液面上覆有十四烷使其与外界隔离，从而可以避免受到外界环境污染。相对于其他以待转移液体作为液路驱动的方法，由于注射器，特氟龙管内不通过待转移液体，所以不需要更换注射器与特氟龙管，仅需要更换进样枪针，成本低。

实施例4：按照实施例3的方法，转移吸取体积为500纳升的纯水；区别在于，注射泵的流速改为100纳升/秒，注射时间改为5秒。

实施例5：按照实施例3的方法，转移吸取体积为100纳升的纯水；区别在于，注射泵的流速改为50纳升/秒，注射时间改为2秒。

以上实施例可以根据注射泵设定的控制，精确吸取体积可控的纳升纯水，故本发明方法属于一种定量微量液体驱动方法，可以高精度移取微量液体。

实施例6：按照实施例3的方法，转移吸取体积为100纳升的纯水；区别在于，所用的第一液体为矿物油。

实施例7：按照实施例3的方法，转移吸取体积为100纳升的纯水；区别在于，所用的第一液体为十四烷与SPAN80的混合液体，SPAN80在第一液体中的质量百分比为2％。

实施例8：按照实施例3的方法，转移吸取体积为100纳升的纯水；区别在于，所用的第一液体为十四烷与EM90的混合液体，EM90在第一液体中的质量百分比为0.5％。

实施例9：按照实施例3的方法，转移吸取体积为100纳升的质量百分比为0.05-5％的核酸水溶液；区别在于，所用的第一液体为十四烷与EM90或SPAN80的混合液体，若用SPAN80，SPAN80在第一液体中的质量百分比为2％，若EM90，EM90在第一液体中的质量百分比为0.5％。加入EM90或SPAN80可防止在界面发生的物质交换。

以上实施例可以使用不同种类的单一或多种混合液体作为第一液体与第二液体。

实施例9：如图4(a)-(e)所示，按照实施例3的方法，本实施例提供并列3通道微量液体驱动方法，本实施例采用三根并列的进样枪针同步驱动3个孔位的液体，其中进样枪针之间的距离为18毫米(孔板相邻孔位之间的距离)。

本申请的多孔位中液体转移，能够通过并列增加进样枪针数量实现。

实施例10：图5为进行液体样品梯度稀释的操作步骤示意图，本实施例为按照实施例3的方法，对液体样品进行梯度稀释。

本实施例中第二液体为浓度5％的重铬酸钾溶液，体积为100微升，置于第一储液池221中，第一液体为十四烷，置于第二储液池222中，第三储液池223、第四储液池224以及第五储液池225里均为体积99微升的去离子水。注射器与注射泵连接方式与实施例3相同，使用的孔板容器与实施例3相同。

如图5(a)所示，进样枪针位于十四烷液面上方厘米处。垂直液面向下运动至进样枪针的石英毛细管插入十四烷中。

如图5(b)所示，启动注射泵，流速为1微升/秒，模式为释放模式；当特氟龙管，进样枪针中的空气全部排出时，关闭注射泵；启动注射泵，流速为1微升/秒，模式为吸取模式，在10秒后停止，共吸取10微升的十四烷，关闭注射泵。

如图5(c)所示，进样枪针向上运动并向左运动至纯水液面上面3厘米处；向下移动至距离重铬酸钾溶液液面3毫米，启动注射泵，流速为1微升/秒，模式为释放模式，在10秒后停止，共释放10微升的十四烷，使十四烷覆盖在重铬酸钾溶液液面上；

对第三储液池、第四储液池和第五储液池中的去离子水重复上述操作，使去离子水液面上均覆有十四烷。

如图5(d)所示，进样枪针移至重铬酸钾溶液液面上，并向下运动至重铬酸钾溶液液面下，启动注射泵，流速为200纳升/秒，模式为吸取模式，在5秒后关闭注射泵，共吸取1微升的重铬酸钾溶液。

如图5(e)所示，进样枪针向上运动至脱离重铬酸钾溶液液面，仅插入十四烷中；启动注射泵，流速为200纳升/秒，模式为吸取模式，在1秒后关闭注射泵，共吸取200纳升的十四烷。

如图5(f)所示，进样枪针移至去离子水液面上，并向下运动至去离子水液面下，启动注射泵，流速为200纳升/秒，模式为释放模式，在8秒后关闭注射泵，共释放1.6微升液体。静置30s后，启动注射泵，流速为200纳升/秒，模式为吸取模式，在5秒后关闭注射泵，共吸取1微升加入重铬酸酸钾后的溶液。进样枪针向上运动至脱离重铬酸钾溶液，仅插入十四烷中；启动注射泵，流速为200纳升/秒，模式为吸取模式，在1秒后关闭注射泵，共吸取200纳升的十四烷。在第四储液池224和第五储液池225的去离子水中，重复上述操作。

通过以上步骤，在去离子水第三储液池223、第四储液池224和第五储液池225中，分别实现重铬酸钾溶液的100倍，1×10⁴倍，1×10⁶倍梯度稀释。由于整个过程中，进样枪针中的液体完全密封，所以可以避免受到污染。

实施例11：按照实施例10的方法，对样品进行梯度稀释；区别在于，进样枪针通过自动化移动平台进行移动。

Claims (10)

1.一种基于液压驱动的微量液体转移控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)准备第一液体与第二液体，所述第二液体为待转移液体，所述第一液体与第二液体互不相溶，第一液体的密度小于第二液体密度，且第一液体与第二液体不发生化学反应；

(b)准备移液装置：将微管道一端连接进样枪针，微管道另一端与流体驱动设备的注射头连接；

(c)将步骤(b)中的进样枪针移至第一液体液面下方；

(d)排出移液装置内的空气，并吸取第一液体，使第一液体充满微管道与进样枪针；

(e)使得第一溶液覆盖在所述第二液体表面，将微管道和进样枪针移至第二液体下方，吸取第二液体至进样枪针；

(f)将步骤(e)中所述的微管道和进样枪针移至覆盖在第二液体上的第一液体中，并吸取第一液体，实现第一液体对第二液体的驱动。

2.根据权利要求1所述的基于液压驱动的微量液体控制方法，其特征在于，步骤(b)中，所述微管道的内径为30-2000微米。

3.根据权利要求1所述的基于液压驱动的微量液体控制方法，其特征在于，步骤(b)中，所述进样枪针容积为0.1-100微升。

4.根据权利要求1所述的基于液压驱动的微量液体控制方法，其特征在于，步骤(b)中，所述进样枪针的开口处经低表面能处理。

5.一种用于权利要求1-4任一所述的基于液压驱动的微量液体控制方法的移液装置，其特征在于，包括微管道，所述微管道一端连接进样枪针，所述微管道另一端连接流体驱动设备。

6.根据权利要求5所述的移液装置，其特征在于，所述进样枪针取液口处连接有毛细管。

7.根据权利要求5所述的移液装置，其特征在于，所述流体驱动设备选自蠕动泵、注射泵、恒压泵、恒流泵、电磁驱动泵或电渗驱动泵中的一种。

8.一种用于权利要求1-4任一所述的基于液压驱动的微量液体控制方法的微量液体控制设备，其特征在于，所述微量液体控制设备包括一个或多个储液装置和一个或多个如权利要求5-7任一所述的移液装置；所述储液装置包括容器本体以及在容器本体上表面内凹形成的储液池。

9.根据权利要求8所述的基于液压驱动的微量液体控制设备，其特征在于，所述储液装置为开口的一维或二维排列的含有若干个储液池阵列容器。

10.根据权利要求8所述的基于液压驱动的微量液体控制设备，其特征在于，所述微管道的内径在30微米至2000微米之间；所述微管道为单根空心的毛细管、单根多芯的毛细管、一维阵列毛细管或二维阵列毛细管。