CN113019262A - 基于微流控芯片的高通量材料合成设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微流控芯片的高通量材料合成设备及方法，该设备包括：具有悬空部分的支架；设置于支架的至少两个填充有原样品的注射泵机构；设置于支架悬空部分的微流控芯片和连接微流控芯片和注射泵机构的管道，微流控芯片的至少两个原样品进样口与注射泵机构对应连接；设置于微流控芯片下方且载置有阵列试管的载物台；使载物台在水平面上移动的移动装置；以及控制装置，可使移动装置带动载物台移动至使一个试管位于样品流出端口的正下方；并使规定的注射泵机构同步启动以使原样品分别进入管道组件内并反应得到本组反应样品，使本组反应样品流入对应的试管内。由此，能一次性进行多种材料的制备并收集至各试管中。

Description

基于微流控芯片的高通量材料合成设备及方法

技术领域

本发明涉及一种材料制备领域，具体设计一种基于微流控芯片的高通量材料合成设备及方法。

背景技术

目前，近几年我国在纳米药物载体及相关生物材料方面已经取得丰硕的成果，但产业化研究方面仍较难推进。其主要原因是目前实验室内所采用的基于小型容器的水热和搅拌等合成方法很难进行批量放大生产，同时传统实验室内材料研发多次顺序迭代的试错法模式也严重阻碍了纳米药物载体研发的进程和速度，因此迫切需要引入新的模式加快材料研发从基础到应用的进程。

微流控合成技术是材料（颗粒）制备的新兴合成方法，尤其适用于微/纳米材料（颗粒）的制备，例如通过微流控合成技术获得的可降解介孔氧化硅纳米颗粒为载药内核、葡聚糖聚合物膜为外壳的纳米药物载体，克服了传统聚合物改性方式导致的颗粒在生理溶液分散稳定性差、药物早期泄露和体内循环时间短等问题；合成的担载金属卟啉类药物的葡聚糖纳米药物载体，获得的颗粒产物相对于传统的合成工艺具有更均一可控的粒径。通过微流控芯片合成的材料，具有精确可控和批量放大合成等特点，极大地提高了新型药物载体的工业化进程，然而目前应用该技术对材料的结构和性能的调控仍然需要大量繁琐的重复性试验。

因此，目前亟需一种基于微流控芯片合成材料技术、并具有高效、高通量和快速合成特点的微流控高通量材料合成设备。

发明内容

发明要解决的问题：

针对现有材料制备合成研究需要借助人工操作，反应参数精确可控性低、研究效率低和材料重复性差等问题，本发明的目的在于提供一种能实现材料制备的快速全自动连续生产的微流控高通量材料合成设备及方法。

解决问题的技术手段：

本发明提供一种基于微流控芯片的高通量材料合成设备，包括：

支架，上部具有悬空部分；

设置于所述支架的至少两个注射泵机构，所述注射泵机构内填充有原样品；

设置于所述支架的管道组件，所述管道组件包括设置于所述支架的悬空部分的微流控芯片和连接所述微流控芯片和所述注射泵机构的管道，所述微流控芯片具有至少两个原样品进样口和一个反应样品出口，所述原样品进样口与所述注射泵机构对应连接，所述反应样品出口延伸并形成管口朝下的样品流出端口；

设置于所述支架的悬空部分的下方空间的载物台，所述载物台上载置有阵列排布且开口朝上的多个试管；

与所述载物台连接的移动装置，所述移动装置使所述载物台在水平面上移动；以及

与所述注射泵机构和所述移动装置连接的控制装置，所述控制装置构成为可进行以下控制：

使所述移动装置带动所述载物台移动至使一个规定的试管位于所述样品流出端口的正下方的位置；

使规定的所述注射泵机构同步启动以使规定的原样品分别通过对应的原样品进样口进入所述管道组件内并反应得到本组反应样品，并使本组反应样品流入对应的试管内。

根据本发明，载置有多个阵列排布的试管的载物台在移动装置的带动下沿水平面移动，能实现对载物台上每个试管中的试样进行不同梯度和组分的样品收集。微流控芯片和注射泵机构的配合，便于多种试剂的同时递送、反应和制备不同组分、梯度材料等需求。如此，在支架、注射泵机构、管道组件、移动装置及载物台的相互配合、共同作用下，实现材料制备的快速全自动连续生产，换言之，能够快速、直观地一次性进行多种材料的制备，并能够将得到的多种材料收集至对应的多个试管中。

也可以是，所述基于微流控芯片的高通量材料合成设备还包括：设置于所述支架的样品更新试剂收集机构，所述样品更新试剂收集机构具有样品更新试剂收集盒和与所述样品更新试剂收集盒连接的驱动部，通过所述驱动部驱动以使所述样品更新试剂收集盒在收集位置和非收集位置之间切换，所述收集位置是位于所述样品流出端口与所述试管之间且俯视观察时与所述样品流出端口重叠的位置，非收集位置是俯视观察时与所述样品流出端口不重叠的位置；所述控制装置与所述驱动部连接，所述控制装置构成为可进行以下控制：在使所述移动装置带动所述载物台移动至使一个规定的试管位于所述样品流出端口的正下方的位置后，使所述驱动部驱动从而使所述样品更新试剂收集盒自非收集位置移动至收集位置；在使规定的所述注射泵机构同步启动以使规定的原样品分别通过对应的原样品进样口进入所述管道组件内并反应得到本组反应样品后，本组反应样品推动上一组反应样品从所述反应样品出口流出，并由处于收集位置的所述样品更新试剂收集盒收集；接着使所述驱动部驱动以使样品更新试剂收集盒自收集位置移动至非收集位置，从而使本组反应样品流入对应的试管内。由此，样品更新试剂收集机构收集管内残留的上一组反应样品，起到代替人力进行定时定位定量的样品试剂更新收集，防止上一组反应样品进入下一组反应样品中，从而能够使制备出的材料成分更纯、组分更可靠。

也可以是，所述样品更新试剂收集机构包括样品更新收集支架，所述样品更新收集支架的一端与所述驱动部连接，另一端与所述样品更新试剂收集盒连接，通过所述驱动部驱动所述样品更新收集支架以与所述驱动部连接的端部为轴而水平转动，以使所述样品更新试剂收集盒在收集位置和非收集位置之间切换。由此，代替人力进行定时定位定量的样品试剂更新收集，防止上一组反应样品进入下一组反应样品中，从而能够使制备出的材料成分更纯、组分更可靠。

也可以是，所述移动装置包括第一方向平移机构和第二方向平移机构；所述第一方向平移机构沿水平的第一方向延伸，具有在所述第一方向平移机构上滑动的第一移动件，所述第一移动件与所述第二方向平移机构固定连接；所述第二方向平移机构沿水平且与所述第一方向正交的第二方向延伸，具有在所述第二方向平移机构上滑动的第二移动件，所述第二移动件与所述载物台固定连接。由此，能够使载物台在水平面上平移，使试管依次对准样品流出端口。

也可以是，所述载物台包括载物台支撑板和以可拆卸的形式安装于所述载物台支撑板上的试管固定板，所述试管固定板呈底部开口的盒状，且管固定板的上表面设置有与多个所述试管对应的多个试管槽。由此，可根据需要更换试管固定板，从而能够根据不同特定需求定制不同独立的材料收集试管数量及试管容量。

也可以是，所述支架包括一对立柱和两端分别固定于一对所述立柱的顶部而悬空的横梁。由此，在注射泵机构的数量为两个的情况下，一对立柱对应于一对注射泵机构并能提供稳定性较佳的安装点，同时，悬空的横梁能够确保其下方具有足够的空间，适应于样品更新试剂收集机构以及体积较大的移动装置和载物台的设置，且对称的机构使合成设备整体具有足够的稳定性。

也可以是，所述注射泵机构包括设置在所述支架侧部的注射泵支撑座和以可拆卸的形式安装于所述注射泵支撑座的注射器，所述注射器以梢端朝上的形式设置，且内部容纳原样品，通过从所述注射器的末端推动所述注射器的推杆以使原样品从注射器的梢端流出。由此，能够精确地控制样品的流出。

也可以是，所述注射泵机构还包括安装于所述注射泵支撑座且靠近所述注射器末端设置的注射泵电机，通过驱动所述注射泵电机而从所述注射器的末端推动所述注射器的推杆。由此，能够与上述注射器配合，精确地控制样品的流出。

也可以是，所述微流控芯片的任一个原样品进样口同时与至少两个所述注射泵机构连接。由此，能够使该高通量材料合成设备适用于更为繁复的材料合成。

本发明还提供一种利用如上述的基于微流控芯片的高通量材料合成设备及方法，包括以下步骤：

操作所述控制装置，所述控制装置向所述移动装置发送指令，使所述移动装置带动所述载物台移动至使一个规定的试管位于所述样品流出端口的正下方的位置；

所述控制装置向所述注射泵机构发送指令，使规定的所述注射泵机构同步启动以使规定的原样品分别通过对应的原样品进样口进入所述管道组件内并反应得到本组反应样品，并使本组反应样品流入对应的试管内；

操作所述控制装置从而以使所述注射泵机构实施不同的进样速度的方式重复上述步骤，从而使不同试管收集不同梯度、组分的反应样品。

也可以是，所述基于微流控芯片的高通量材料合成设备还包括设置于所述支架的样品更新试剂收集机构，所述样品更新试剂收集机构具有样品更新试剂收集盒和与所述样品更新试剂收集盒连接的驱动部，通过所述驱动部驱动以使所述样品更新试剂收集盒在收集位置和非收集位置之间切换，所述收集位置是位于所述样品流出端口与所述试管之间且俯视观察时与所述样品流出端口重叠的位置，非收集位置是俯视观察时与所述样品流出端口不重叠的位置；

所述材料合成方法还包括以下步骤：在使所述移动装置带动所述载物台移动至使一个规定的试管位于所述样品流出端口的正下方的位置后，使所述驱动部驱动从而使所述样品更新试剂收集盒自非收集位置移动至收集位置；在使规定的所述注射泵机构同步启动以使规定的原样品分别通过对应的原样品进样口进入所述管道组件内并反应得到本组反应样品后，本组反应样品推动上一组反应样品从所述反应样品出口流出，并由处于收集位置的所述样品更新试剂收集盒收集；接着使所述驱动部驱动以使样品更新试剂收集盒自收集位置移动至非收集位置，从而使本组反应样品流入对应的试管内；操作所述控制装置从而以使所述注射泵机构实施不同的进样速度的方式重复上述步骤，从而使不同试管收集不同梯度、组分的反应样品。

发明效果：

本发明采用了使支架、注射泵机构、微流控芯片、移动装置、载物台、注射泵、以及样品更新试剂收集机构相互配合的结构，相对于传统的微流控芯片材料制备设备只能进行单批次单个组分的材料制备，能够使材料制备更为方便，缩短了制备周期，提高了制备精度，有利于单批自动化合成具有不同组分、梯度的材料，能辅助实现材料的连续、高通量、自动化及定制化的制备，且该设备可与市面上现有的检测设备兼容，易使制备好的样品可直接送至相关检测设备进行检测，从而实现真正意义上的安全、高效、可靠的微流控高通量合成及检测过程。

附图说明

图1是根据本发明一实施形态的基于微流控芯片的高通量材料合成的整体结构示意图；

图2是图1所示基于微流控芯片的高通量材料合成设备中的龙门支架的结构示意图；

图3是图1所示基于微流控芯片的高通量材料合成设备中的平面移动装置的结构示意图；

图4是图1所示基于微流控芯片的高通量材料合成设备中的载物台的结构示意图；

图5是图1所示基于微流控芯片的高通量材料合成设备中的样品更新试剂收集机构的结构示意图；

图6是图1所示基于微流控芯片的高通量材料合成设备中的注射泵机构的结构示意图；

图7是图1所示基于微流控芯片的高通量材料合成设备中的微流控芯片的结构示意图；

符号说明：

1、龙门支架；

2、X轴平移机构（第一方向平移机构）；21、X轴支撑板；22、X轴电机；23、X轴丝杠；24、X轴导轨；25、X轴移动件；

3、Y轴平移机构（第二方向平移机构）；31、Y轴支撑板；32、Y轴电机；33、Y轴丝杠；34、Y轴导轨；35、Y轴移动件；

4、载物台；41、载物台支撑板； 42、试管固定板；421、试管槽；

5、样品更新试剂收集机构；51、Z轴支撑件；52、Z轴电机；53、Z轴样品更新收集支架；54、Z轴样品更新试剂收集盒；

6、注射泵机构；61、注射泵支撑座；62、注射泵电机；63、注射器；64、注射器夹持器；

7、微流控芯片；71、芯片底板；72、内相进样口；73、外相进样口；74、反应样品出口；

8、试管；

9、试剂软管。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在此提供一种基于微流控芯片的高通量材料合成设备。图1是根据本发明一实施形态的高通量材料合成设备的整体结构示意图。以下将图1中面朝龙门支架1观察时的左右方向定义为第一轴方向即X轴方向，将在水平面内正交于该X轴方向的前后方向定义为第二轴方向即Y轴方向，将正交于X、Y方向构成的水平面的上下竖直延伸方向定义为Z轴方向。需注意，上述方向的定义仅为了便于进行说明，并非对具体方位的限定。

如图1所示，高通量材料合成设备包括：具有悬空部分的龙门支架1、配置于龙门支架1的悬空部分的下部空间的平面移动装置；载置有阵列排布的试管8的载物台4；设置于龙门支架1且位于载物台4的上方的样品更新试剂收集机构5；设置于龙门支架1侧部的至少两个注射泵机构6；设置于龙门支架1并与注射泵机构6连接的管道组件以及连接并控制上述X轴平移机构2、Y轴平移机构3、注射泵机构6及样品更新试剂收集机构5的控制装置（未图示）。其中，平面移动装置包括X轴平移机构2（第一方向平移机构）和Y轴平移机构3（第二方向平移机构）。管道组件包括设置于龙门支架1且位于样品更新试剂收集机构5上方的微流控芯片7、连接该微流控芯片7与注射泵机构6的试剂软管9。

图2是高通量材料合成设备中龙门支架1的结构示意图。龙门支架1是高通量材料合成设备的整体框架，如图2所示，该龙门支架1包括一对立柱和两端分别固定于一对立柱顶部而悬空的横梁，并形成为大致门字状。本说明书中，为了便于说明，将立柱和横梁围成的空间定义为龙门支架的“内”，与之相对地，内侧空间以外的空间定义为“外”。立柱的底部设有水平设置且与横梁正交的底板，底板上表面的两端部与立柱的侧面之间还设置有斜撑，从而为龙门支架1提供较佳的稳定性。在龙门支架1的横梁上形成有用于供后述的延伸软管穿过的通孔，在龙门支架1的一个立柱上（本实施例中为左侧的立柱）形成有用于安装后述样品更新试剂收集机构5的螺栓孔，在龙门支架1的内侧配置有平面移动装置。

图3是高通量材料合成设备中的平面移动装置的结构示意图。该平面移动装置置于龙门支架内如图3所示，平面移动装置包括X轴平移机构2和由该X轴平移机构2载置的Y轴平移机构3，该Y轴平移机构3上载置后述的载物台4，通过Y轴平移机构3沿X轴方向移动和/或载物台4沿Y轴方向移动，使载物台4在水平面内沿X轴或Y轴方向运动至规定的位置。

X轴平移机构2主要用于载置Y轴平移机构3并使Y轴平移机构3在X轴方向上平移。具体而言，X轴平移机构2具有以X轴方向为长度方向的作为基板的X轴支撑板21，在X轴支撑板21的一方端部设置有作为驱动部的X轴电机22。沿X轴方向、即X轴支撑板21的长度方向设置有X轴丝杠23，该X轴丝杠23的两端旋转自如地支持于一对丝杠支撑座，且其中的一端通过丝杠联轴器连接X轴电机22的输出轴，由此在X轴电机22的驱动下正向或反向旋转。作为一较佳的实施方式，在X轴电机22的顶部还设置有与控制装置连接的X轴电机测速定位器。X轴电机测速定位器可向控制装置实时反馈X轴移动件25的移动距离和移动时间，便于精准控制Y轴平移机构3在X方向的位移，以便Y轴平移机构3及载物台4在X方向上精确地位移以收集试剂。

X轴支撑板21上在X轴丝杠23的两侧设置有一对凸条状的X轴导轨24，在该一对X轴导轨24和X轴丝杠23上设置有作为Y轴平移机构3的支架的X轴移动件25。X轴移动件25可以是套设于X轴丝杠23并与其螺纹连接的丝杠螺母，其底部形成有与X轴导轨24形状对应的一对凹槽，由此能借助X轴丝杠23被X轴电机22正向或反向地旋转驱动而滑动自如地沿着X轴方向平移。另外，在X轴丝杠23两端附近设置有一对作为行程开关的限位开关，当X轴移动件25在X轴丝杠23的驱动下碰触到限位开关的触头时，限位开关发出停止信号从而迫使X轴电机22停机，由此防止X轴移动件25过度位移而使X轴平移机构2受损。

在X轴平移机构2上设置有Y轴平移机构3，具体而言，Y轴平移机构3以与X轴平移机构2正交的形式通过例如螺栓等紧固件设置于X轴移动件25的上表面，由此形成为随X轴移动件25一起沿X轴方向平移的结构。

Y轴平移机构3主要用于载置后述的载物台4并使该载物台4在Y轴方向上平移，其具有以Y轴方向为长度方向的作为基板的Y轴支撑板31，该Y轴支撑板31中心位置的下表面与前述的X轴移动件25的上表面固定，在Y轴支撑板31的一方端部设置有作为驱动部的Y轴电机32。沿Y轴方向、即Y轴支撑板31的长度方向设置有Y轴丝杠33，该Y轴丝杠33的两端旋转自如地支持于一对丝杠支撑座，且其中的一端通过丝杠联轴器连接Y轴电机32的输出轴，由此在Y轴电机32的驱动下正向或反向旋转。作为一较佳的实施方式，在Y轴电机32的顶部还设置有与控制装置连接的Y轴电机测速定位器。Y轴电机测速定位器可向控制装置实时反馈Y轴移动件35的移动距离和移动时间，便于精准控制载物台4在Y方向的位移从而精确地以收集试剂。

Y轴支撑板31上在Y轴丝杠33的两侧设置有一对凸条状的Y轴导轨34，在该一对Y轴导轨34和Y轴丝杠33上设置有作为载物台4的支架的Y轴移动件35。Y轴移动件25可以是套设于Y轴丝杠33并与其螺纹连接的丝杠螺母，其底部形成有与Y轴导轨34形状对应的一对凹槽，由此能借助Y轴丝杠33被Y轴电机32正向或反向地旋转驱动而滑动自如地沿着Y轴方向平移。另外，在Y轴丝杠33两端附近设置有一对作为行程开关的限位开关，当Y轴移动件35在Y轴丝杠33的驱动下碰触到限位开关的触头时，限位开关发出停止信号从而迫使Y轴电机32停机，由此防止Y轴移动件35过度位移而使Y轴平移机构3受损。

图4是高通量材料合成设备中的载物台结构示意图。在Y轴平移机构3上设置有载物台4，如图4所示，载物台4包括载物台支撑板41和试管固定板42。载物台支撑板41是载物台4的基板，该载物台支撑板41通过例如螺栓等紧固件设置于Y轴移动件35的上表面。

试管固定板42是试管8的定位夹具，呈底部开口的盒状，以可拆卸的形式安装于载物台支撑板，主要用于限位并带动多个试管8位移至所希望的位置。试管固定板42的形状可以根据实际需求进行定制，具体而言，试管固定板42如图4所示在其上表面设置有多个用于限位试管8的试管槽421，以使试管能穿过对应的试管槽421并由该试管槽421限位，同时底部由载物台支撑板41承托。试管槽421阵列排布，例如可形成为蜂巢阵列结构，该结构容易实现一次性多种试剂的收集以及小批量化的材料制作，实现真正意义上的微流控高通量合成。本实施形态中，试管固定板42为方形且每条边配置6个试管8，从而构成为能同时限位具有36个试管的高通量试管群。

如图1所示，本实施例中，注射泵机构6包括分别设置在龙门支架1两端外侧的一对注射泵A、B，注射泵A安装固定于龙门支架1右侧的立柱的外表面上，注射泵B安装固定于龙门支架1左侧的立柱的外表面上。下面主要对注射泵A进行说明，注射泵B的结构及工作原理与之相同，因而不再赘述。图6是高通量材料合成设备中的注射泵机构结构示意图，如图6所示，注射泵A包括固定于立柱的注射泵支撑座61、通过注射器夹持器64安装于注射泵支撑座61上的注射器63、及设置在注射泵支撑座61上且位于靠近注射器63末端的位置的注射泵电机62。注射器63的结构为常见的针筒结构，以梢端朝向Z轴方向的形式设置，注射泵A、B的注射器63内部填充有不同的原样品。注射泵电机62的驱动轴上通过旋转-直线运动转换机构（例如可采用如上所述的丝杠与丝杠螺母的配合）而与一个推抵件连接，通过使注射泵电机62正向旋转而使推抵件向注射器63梢端的方向移动，进而推动注射器推杆，使原样品从注射器的梢端流出，继而向微流控芯片7的相应进样口进行原样品递送。注射器夹持器64能够实现使注射器63以可拆卸地形式安装于注射泵支撑座61即可，在本实施形态中，注射器夹持器64具有固定于注射泵支撑座61的夹持座和两端可拆卸地固定于夹持座的U形的箍件，夹持座形成有与注射器63一侧的外表面贴合的凹槽，箍件环绕注射器63另一侧的外表面并与夹持座配合，从而从注射器63的相对的两侧施力夹持住注射器63。由此，注射器63可通过打开注射器夹持器64而拆卸，便于根据不同的制备需求实现定制化样品递送工具和便于补充/更换样品。作为一较佳的实施方式，注射泵电机62具有与控制装置连接的测速定位器，以向控制装置实时反馈样品递送的时间、速度及递送样品体积，便于实现反应样品递送中对药物递送体积的精准控制。

如图1所示，在龙门支架1横梁外侧设置微流控芯片7，具体而言微流控芯片7位于龙门支架1横梁上表面（外表面）的形式如上所述安装固定于龙门支架1的外部。图7是高通量材料合成设备中的微流控芯片结构示意图。如图7所示，微流控芯片7包括芯片底板71，沿长度方向穿过该芯片底板71的样品反应管，该样品反应管的位于芯片底板71长度方向两侧的两端分别形成内相进样口72和反应样品出口74。样品反应管的中部还与一个外相进样管连通，该外相进样管形成为倒置的漏斗形，并从芯片底板71的上表面连通至样品反应管，此处，芯片底板71起到固定样品反应管和外相进样管的作用。该外相进样管的端部形成外相进样口73，该外相进样口73通过试剂软管9与注射泵A的注射器63的梢端相连接以进行原样品的外相进样；同时，微流控芯片7的内相进样口72通过试剂软管9与注射泵B的注射器63相连进行原样品的内相进样，最终通过微流控芯片7的反应样品出口74将反应得到的反应样品通过后述的延伸软管递送到载物台4上试管固定板42中的相应试管8中，进而实现样品的反应及对相应试管进行精准递送；由于微流控芯片7可拆卸，因此便于根据不同的制备需求实现定制化样品反应工具。

另外，本实施形态中，在龙门支架1上以可拆装的形式设置有试剂软管9和延伸软管。其中，该试剂软管9沿着龙门支架1的横梁设置，其一端与一个龙门支架1左或右立柱上的注射泵单独连接，另一端与微流控芯片7的内相进样口72或外相进样口73连接，从而形成递送原样品的通道。延伸软管的一端连接于微流控芯片7的反应样品出口74，另一端穿过前述的龙门支架1横梁中部的通孔，并沿Z轴向下延伸，形成样品流出端口。通孔的直径与延伸软管的直径相适配，除了使样品流入龙门支架1内部的作用外，也起到限位该延伸软管、继而确定样品流出端口位置的作用。在将反应样品递送至试管时，载物台4移动到使对应的试管8的轴线的延长线能够穿过该通孔的圆心的位置，换言之，使对应的试管8的轴线与样品流出端口的圆心在同一沿Z轴方向延伸的直线上的位置。且在更新反应样品时，后述的样品更新试剂收集机构5转动到时样品更新试剂收集盒54的中心与该通孔的圆心在同一沿Z轴方向延伸的直线上的位置。由此，能在样品更新试剂收集的同时进行多种材料的制备及相应位置处的样品更新，满足多原料、多材料、多方式的不同组分、梯度材料制备的定制化需求。

图5是高通量材料合成设备中的样品更新试剂收集机构的结构示意图。如图5所示，在平面移动装置和载物台4的上方设置有样品更新试剂收集机构5，具体而言样品更新试剂收集机构5以位于载物台4的上方的形式如上所述安装固定于龙门支架1左侧的立柱的内表面上。样品更新试剂收集机构5主要为避免影响下一孔位的材料制备的组分，该机构接收并容纳后述微流控芯片7的样品反应管中残留的上一组反应样品，从而对反应样品进行更新，防止样品反应管中残留的上一组反应样品流入试管。样品更新试剂收集机构5可绕Z轴在XY平面（水平面）进行转动，其具有固定于龙门支架1的左立柱上的Z轴支撑件51、作为驱动部的Z轴电机52、Z轴样品更新收集支架53及以可拆卸的形式设置于Z轴样品更新收集支架53上的样品更新试剂收集盒54。

Z轴支撑件51包括连接成L形的固定部511和载置部512，该固定部511紧贴并固定于立柱的内表面，该载置部512水平设置，且上表面载置Z轴电机52，而Z轴电机52通过例如螺栓等紧固件安装于Z轴支撑件51，因此Z轴支撑件51也作为Z轴电机52的支撑座发挥作用。长杆状的Z轴样品更新收集支架53沿XY方向（水平方向）设置，其一方端部与Z轴电机52的驱动轴连接，另一方端部与样品更新试剂收集盒54连接。作为一较佳的实施例，前述载置部512的下表面还固定有支撑部513，Z轴电机52具有双向输出轴，该支撑部513连接于Z轴电机的下端的输出轴，并与Z轴样品更新收集支架53一并绕Z轴，该支撑部上固定有一斜撑杆的端部，且该斜撑杆的另一端固定于Z轴样品更新收集支架53的中部，从而通过Z轴支撑件51支撑Z轴样品更新收集支架53。由此，斜撑杆、Z轴支撑件51、Z轴电机52和Z轴样品更新收集支架53连接构成稳定的三角形状，能够提升该样品更新试剂收集机构5整体的稳定性。Z轴电机52为具有双向输出轴的步进电机，通过驱动Z轴电机52使Z轴样品更新收集支架53转动，继而使样品更新试剂收集盒54在收集位置和非收集位置之间切换，该收集位置是位于样品流出端口与试管8之间且与样品流出端口在沿Z轴方向观察时（即、俯视观察时）重叠的位置，即、位于样品流出端口正下方的位置；非收集位置是与样品流出端口在沿Z轴方向观察时不重叠的位置，也就是说，如样品更新试剂收集盒54在非收集位置，则样品流出端口与样品更新试剂收集盒54在水平面上的投影是相互分开的。由此，样品更新试剂收集盒可借助所述Z轴电机沿水平方向根据材料合成需求实现定位样品更新试剂收集，从而能代替人力在不同组分、梯度材料制备时进行定时定量的反应样品更新，可使制备得到的材料成分纯度更高和可控。作为一较佳的实施例，Z轴电机具备与控制装置连接的测速定位器，以向控制装置实时反馈Z轴样品更新收集支架53的摆动角度和摆动时间，便于实现反应样品更新中对Z轴样品更新试剂收集盒54的精准控制。

如图5所示，本实施例中，设置于Z轴样品更新收集支架53另一方端部的样品更新试剂收集盒54为圆形的容器，在收集位置时，其轴线的延长线能够穿过前述龙门支架1的通孔的圆心，换言之，其轴线与样品流出端口的圆心在同一沿Z轴方向延伸的直线上。并且基于样品更新试剂收集机构5设置的高度，此时该样品更新试剂收集盒54位于龙门支架1与载物收集装置载物台4之间，阻碍反应样品流入试管。此外，样品更新试剂收集盒54以可拆卸的形式与Z轴样品更新收集支架53连接，从而便于根据不同的制备需求实现定制化收集工具。

根据本发明，载物台4通过载物台支撑板41设置于Y轴移动件35，由此形成为能随着Y轴平移机构3整体相对于X轴平移机构2在X轴方向位移，且能随着Y轴移动件35相对于Y轴平移机构3在Y轴方向位移的结构，换言之，通过控制X轴电机22和Y轴电机32来分别驱动X轴丝杠23和 Y轴丝杠33，能使载物台4在由X轴平移机构2和Y轴平移机构3区划出的水平面上任意平移，从而允许36个试管8中的任何一个位于样品更新试剂收集机构5和样品流出端口的正下方。即载物台4能借助平面移动装置在X轴方向或Y轴方向上平移，从而实现6×6二维阵列的精确定位制样。且样品更新试剂收集机构5借助Z轴电机52的左右摆动，在对6×6二维阵列里的每个试管8进行加样前，实现对微流控芯片7的上一个样品制备后排出的废液进行收集从而更新样品，以保证下一个二维阵列里的相应试管8收集到的样品满足不同组分、梯度的材料制备需求。

本发明中，控制装置可以是例如配置有程序的PC端，其与上述X轴电机22、Y轴电机32、注射泵电机62及Z轴电机52分别连接。控制装置至少具有用于用户输入指令的指令输入部和接收上述各测速定位器反馈的反馈接收部，该控制装置构成为能通过输入的指令和接收的反馈控制上述X轴电机22、Y轴电机32、注射泵电机62及Z轴电机52并进行如下所述的材料合成方法。通过各测速定位器和反馈接收部的设置，该控制装置能够判断材料合成设备中各构成部件的状态从而确定进行下述控制的时机，实现精准控制，确保收集于试管内的反应样品的纯度。

以下说明利用基于微流控芯片的高通量材料合成设备的材料合成方法。

首先，科研人员打开各设备的电源，之后通过PC端发出程序指令，控制X轴平移机构2和Y轴平移机构3使载物台4回到零点，控制样品更新试剂收集机构5回到零点。具体而言，载物台4的零点是指X轴丝杠和Y轴丝杠沿各自的正方向同时位移至端点时的点，样品更新试剂收集机构5的零点是位于样品流出端口与对应试管8的管口圆心的连线的中点位置对应的点。之后，在PC端根据材料的制备需求输入需要原料的参数、设置Z轴电机52的等待时间、设置收集方式，然后根据每次制备数量的需求选择试管固定板42的形状及设置试管8在试管固定板42上的位置及数量，最后通过发出的程序指令进行材料制备的高通量自动化合成。

因此，当一系列的设备装配完毕及程序指令发出之后，X轴平移机构2和Y轴平移机构3按照指令带着载物台4移动至规定的位置，使规定的试管8位于样品流出端口的正下方。此时样品更新试剂收集盒54位于收集位置。控制装置分别向两个注射泵电机发出指令，使注射泵电机启动并同步推动注射泵A和B的注射器，使两种原样品分别通过微流控芯片的外相进样口73和内相进样口72进入样品反应管内进行反应，反应样品从反应样品出口74流出，此时Z轴电机按照指令转动以使样品更新试剂收集盒54移动至非收集位置，以使反应样品流入对应的试管8内，从而使规定的试管8收集原外/内相样品经微流控芯片反应后从样品流出端口排出的规定反应产物，从而实现不同组分、梯度的反应产物的精准收集过程。进行下一组反应产物收集时，通过分别改变注射泵A、B的注射泵电机的转速，从而改变原样品流速，进而改变材料的反应条件，实现不同新的组分的材料制备。此时，X轴平移机构2和Y轴平移机构3按照指令带着载物台4移动至另一规定的位置，位于另一规定的试管8的上方，Z轴电机按照指令转动以使样品更新试剂收集盒54返回至收集位置。注射泵电机继续同步推动注射泵A、B的注射器，使试剂软管9、样品反应管和延伸软管内残留的上一组反应样品流入样品更新试剂收集盒54，完成样品的更新。接着Z轴电机52按照指令转动以使样品更新试剂收集盒54返回至非收集位置，使正确的反应样品流入对应的试管8内。通过反复如上操作能完成所有试管里的材料收集制备过程，实现在无人情况下材料的数控微流控高通量自动化制备。

上述实施例中对注射泵机构6的数量为两个的情况进行了说明，但本发明中的注射泵机构6的数量不限于此。也可以是，注射泵机构6的数量大于两个，且所有注射泵机构6通过对应的试剂软管9与一个微流控芯片连接，控制装置分别连接并控制这些注射泵机构的注射泵电机，从而可以根据需要控制指定的注射泵泵送原样品。此外，也可以是，微流控芯片的任一个进样口同时与至少两个注射泵机构作为原样品合成用注射泵机构通过对应的试剂软管9连接，且控制装置分别连接并控制这些原样品合成用注射泵机构的注射泵电机。如此，还能够使反应得到的样品作为一种原样品进行新的反应，使得该高通量材料合成设备能够适用于更为繁复的材料合成，且由于通过控制装置对所有注射泵进行控制，能够快速、直接且直观地获得所需的多种不同的原样品和反应样品，并分别收集入不同的试管中，能够很大程度地节省不同材料合成过程中的时间和人力。进一步地，原样品合成用注射泵机构之间的连接节点处也可以设置原样品合成用的微流控芯片，则该原样品合成用的微流控芯片的反应样品出口与连接有延伸软管的微流控芯片的任一个进样口连接。

本发明的基于微流控芯片的高通量材料合成设备结构集成化高、分模块设计、原理简单、自动化制备、操作方便。样品更新试剂收集机构5可借助Z轴电机52绕Z轴根据材料反应样品试剂更新制备需求实现定位悬停，从而代替人力进行定时定位定量的样品试剂更新收集，可使制备出的材料成分更纯、组分更可靠。由于样品更新试剂收集盒54可拆卸，因此便于根据不同的制备需求实现定制化的样品试剂更新收集工具。试管固定板43可拆卸、形状可定制，可根据不同特定需求定制不同独立的材料收集试管数量及试管容量。X轴平移机构2和Y轴平移机构3构成的平面移动装置，可实现试管固定板42对微流控高通量合成得到的反应物的精准定位收集，同时该设备中用到的微流控芯片，可以根据不同的材料制备需求，更换不同的材料制备所需的微流控芯片，且试剂软管9可拆卸、可添加、可更换，便于多种试剂在微流控芯片中同时进行混合反应和不同材料制备的定制化需求，满足多原料、多材料的微流控高通量合成需求。

综合而言，相对于传统的微流控芯片材料制备设备只能进行单批次单个组分的材料制备且难以实现对所得材料进行在线检测，本发明通过集成化的结构使得材料制备方便，缩短了制备周期，提高了制备精度，有利于单批自动化合成具有不同组分、梯度的材料，能辅助实现材料的连续、高通量、自动化及定制化的制备，且该设备可与市面上现有的检测设备兼容，易使制备好的样品可直接送至相关检测设备进行检测，从而实现真正意义上的安全、高效、可靠的微流控高通量合成及检测过程。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微流控芯片的高通量材料合成设备，其特征在于，包括：

支架，上部具有悬空部分；

设置于所述支架的至少两个注射泵机构，所述注射泵机构内填充有原样品；

设置于所述支架的管道组件，所述管道组件包括设置于所述支架的悬空部分的微流控芯片和连接所述微流控芯片和所述注射泵机构的管道，所述微流控芯片具有至少两个原样品进样口和一个反应样品出口，所述原样品进样口与所述注射泵机构对应连接，所述反应样品出口延伸并形成管口朝下的样品流出端口；

设置于所述支架的悬空部分的下方空间的载物台，所述载物台上载置有阵列排布且开口朝上的多个试管；

与所述载物台连接的移动装置，所述移动装置使所述载物台在水平面上移动；以及

与所述注射泵机构和所述移动装置连接的控制装置，所述控制装置构成为可进行以下控制：

使所述移动装置带动所述载物台移动至使一个规定的试管位于所述样品流出端口的正下方的位置；

使规定的所述注射泵机构同步启动以使规定的原样品分别通过对应的原样品进样口进入所述管道组件内并反应得到本组反应样品，并使本组反应样品流入对应的试管内。

2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的高通量材料合成设备，其特征在于，还包括：

设置于所述支架的样品更新试剂收集机构，所述样品更新试剂收集机构具有样品更新试剂收集盒和与所述样品更新试剂收集盒连接的驱动部，通过所述驱动部驱动以使所述样品更新试剂收集盒在收集位置和非收集位置之间切换，所述收集位置是位于所述样品流出端口与所述试管之间且俯视观察时与所述样品流出端口重叠的位置，非收集位置是俯视观察时与所述样品流出端口不重叠的位置；

所述控制装置与所述驱动部连接，所述控制装置构成为可进行以下控制：

在使所述移动装置带动所述载物台移动至使一个规定的试管位于所述样品流出端口的正下方的位置后，使所述驱动部驱动从而使所述样品更新试剂收集盒自非收集位置移动至收集位置；

在使规定的所述注射泵机构同步启动以使规定的原样品分别通过对应的原样品进样口进入所述管道组件内并反应得到本组反应样品后，本组反应样品推动上一组反应样品从所述反应样品出口流出，并由处于收集位置的所述样品更新试剂收集盒收集；

接着使所述驱动部驱动以使样品更新试剂收集盒自收集位置移动至非收集位置，从而使本组反应样品流入对应的试管内。

3.根据权利要求2所述的基于微流控芯片的高通量材料合成设备，其特征在于，所述样品更新试剂收集机构包括样品更新收集支架，所述样品更新收集支架的一端与所述驱动部连接，另一端与所述样品更新试剂收集盒连接，通过所述驱动部驱动所述样品更新收集支架以与所述驱动部连接的端部为轴而水平转动，以使所述样品更新试剂收集盒在收集位置和非收集位置之间切换。

4.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的高通量材料合成设备，其特征在于，所述移动装置包括第一方向平移机构和第二方向平移机构；

所述第一方向平移机构沿水平的第一方向延伸，具有在所述第一方向平移机构上滑动的第一移动件，所述第一移动件与所述第二方向平移机构固定连接；

所述第二方向平移机构沿水平且与所述第一方向正交的第二方向延伸，具有在所述第二方向平移机构上滑动的第二移动件，所述第二移动件与所述载物台固定连接。

5.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的高通量材料合成设备，其特征在于，所述载物台包括载物台支撑板和以可拆卸的形式安装于所述载物台支撑板上的试管固定板，所述试管固定板呈底部开口的盒状，且试管固定板的上表面设置有与多个所述试管对应的多个试管槽。

6.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的高通量材料合成设备，其特征在于，所述注射泵机构包括设置在所述支架侧部的注射泵支撑座和以可拆卸的形式安装于所述注射泵支撑座的注射器，所述注射器以梢端朝上的形式设置，且内部容纳原样品，通过从所述注射器的末端推动所述注射器的推杆以使原样品从注射器的梢端流出。

7.根据权利要求6所述的基于微流控芯片的高通量材料合成设备，其特征在于，所述注射泵机构还包括安装于所述注射泵支撑座且靠近所述注射器末端设置的注射泵电机，通过驱动所述注射泵电机而从所述注射器的末端推动所述注射器的推杆。

8.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的高通量材料合成设备，其特征在于，所述微流控芯片的任一个原样品进样口同时与至少两个所述注射泵机构连接。

9.一种利用如权利要求1至8中任一项所述的基于微流控芯片的高通量材料合成设备的基于微流控芯片的高通量材料合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

操作所述控制装置，所述控制装置向所述移动装置发送指令，使所述移动装置带动所述载物台移动至使一个规定的试管位于所述样品流出端口的正下方的位置；

所述控制装置向所述注射泵机构发送指令，使规定的所述注射泵机构同步启动以使规定的原样品分别通过对应的原样品进样口进入所述管道组件内并反应得到本组反应样品，并使本组反应样品流入对应的试管内；

操作所述控制装置从而以使所述注射泵机构实施不同的进样速度的方式重复上述步骤，从而使不同试管收集不同梯度、组分的反应样品。

10.根据权利要求9所述的基于微流控芯片的高通量材料合成方法，其特征在于，所述高通量材料合成设备还包括设置于所述支架的样品更新试剂收集机构，所述样品更新试剂收集机构具有样品更新试剂收集盒和与所述样品更新试剂收集盒连接的驱动部，通过所述驱动部驱动以使所述样品更新试剂收集盒在收集位置和非收集位置之间切换，所述收集位置是位于所述样品流出端口与所述试管之间且俯视观察时与所述样品流出端口重叠的位置，非收集位置是俯视观察时与所述样品流出端口不重叠的位置，所述材料合成方法还包括以下步骤：

在使所述移动装置带动所述载物台移动至使一个规定的试管位于所述样品流出端口的正下方的位置后，使所述驱动部驱动从而使所述样品更新试剂收集盒自非收集位置移动至收集位置；

在使规定的所述注射泵机构同步启动以使规定的原样品分别通过对应的原样品进样口进入所述管道组件内并反应得到本组反应样品后，本组反应样品推动上一组反应样品从所述反应样品出口流出，并由处于收集位置的所述样品更新试剂收集盒收集；

接着使所述驱动部驱动以使样品更新试剂收集盒自收集位置移动至非收集位置，从而使本组反应样品流入对应的试管内；

操作所述控制装置从而以使所述注射泵机构实施不同的进样速度的方式重复上述步骤，从而使不同试管收集不同梯度、组分的反应样品。

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