CN114082458A - 微液滴芯片气液驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微液滴芯片气液驱动装置，包括供油组件、供气气源组件、注油针，供气气源组件包括上浮油气腔、第一分隔油气腔，供气气源组件输出的压力气流能够被分别控制进入前述两腔内，注油针上具有第一上浮油针孔及第一分隔油针孔，第一上浮油针孔与上浮油气腔之间具有第一管路，第一分隔油针孔与第一分隔油气腔之间具有第二管路，第一管路以及第二管路上皆设置有储油组件，供油组件向储油组件内供给油液，第一管路及第二管路上的储油组件内的油液分别在两气腔的作用下能够被输送至第一上浮油针孔及第一分隔油针孔处。本发明，通过用气体推动液体的方式使液滴检测时液路处于恒压状态，系统动态响应快，恒压稳定性好，可以较好地满足液滴检测需求。

Description

微液滴芯片气液驱动装置
技术领域
本发明属于数字PCR分析仪技术领域，具体涉及一种微液滴芯片气液驱动装置。
背景技术
数字PCR是最新的定量技术，其基于单分子PCR方法来进行计数的核酸定量，是一种绝对定量的方法。其主要采用微流控或微滴化方法，将大量稀释后的核酸溶液分散至芯片的微反应器或微滴中，每个反应器的核酸模板数少于或者等于1个。这样经过PCR循环之后，让特定波长的光对微液滴进行照射，有一个核酸分子模板的反应器就会给出特定荧光信号，没有模板的反应器就没有特定荧光信号。根据相对比例和反应器的体积，就可以推算出原始溶液的核酸浓度。在微液滴芯片分析仪中，样本检测时需要将芯片储液槽中的样本液滴通过上浮油驱动到上浮油沟道中，通过分隔油进行分隔，将紧挨的液滴分隔开来，使液滴信号之间保持一定的间距，便于信号分析。液滴检测时对上浮油、分隔油的液量，液滴的流动速度，上浮油与分隔油的速度比等都有着严格的要求。传统的检测油驱动方式为直接通过柱塞泵采用定速供油，容易造成检测过程中液路系统压力不稳定，液滴易出现黏连现象，影响信号分析效果。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种微液滴芯片气液驱动装置，通过用气体推动液体的方式使液滴检测时液路处于恒压状态，系统动态响应快，恒压稳定性好，可以较好地满足液滴检测需求。
为了解决上述问题，本发明提供一种微液滴芯片气液驱动装置，包括供油组件、供气气源组件、注油针，所述供气气源组件包括上浮油气腔、第一分隔油气腔，所述供气气源组件输出的压力气流能够被分别控制进入所述上浮油气腔及第一分隔油气腔，所述注油针上具有第一上浮油针孔及第一分隔油针孔，所述第一上浮油针孔与所述上浮油气腔之间具有第一管路，所述第一分隔油针孔与所述第一分隔油气腔之间具有第二管路，所述第一管路以及所述第二管路上皆设置有储油组件，所述供油组件能够被控制向所述储油组件内供给油液，所述第一管路上的所述储油组件内的油液在所述上浮油气腔的作用下能够被输送至所述第一上浮油针孔处，所述第二管路上的所述储油组件内的油液在所述第一分隔油气腔的作用下能够被输送至所述第一分隔油针孔处。
在一些实施方式中，所述储油组件包括竖直设置的储油管，所述储油管的上端设置有第一电磁三通阀，所述储油管的下端设置有第二电磁三通阀，其中，所述第一电磁三通阀被配置为在需要所述供气气源组件推动所述储油管内的油液时导通所述上浮油气腔或者第一分隔油气腔与对应的所述储油管、在需要所述供油组件供给油液进入所述储油管内时导通所述储油管与废液槽，所述第二电磁三通阀被配置为在需要所述供气气源组件推动所述储油管内的油液时导通所述储油管与所述第一上浮油针孔或者第一分隔油针孔、在需要所述供油组件供给油液进入所述储油管内时导通所述储油管与供油组件。
在一些实施方式中，所述储油管的上端与所述第一电磁三通阀之间设有上气泡传感器，所述储油管的下端与所述第二电磁三通阀之间设有下气泡传感器。
在一些实施方式中，所述供气气源组件还包括主气腔，所述主气腔通过第一电磁阀与所述上浮油气腔可控连通，所述主气腔通过第二电磁阀与所述第一分隔油气腔可控连通，所述供气气源组件还包括气泵以及连接于所述气泵与所述主气腔之间的过滤器。
在一些实施方式中，所述主气腔、上浮油气腔及第一分隔油气腔分别设置有压力传感器、泄压阀。
在一些实施方式中，所述供油组件的油液输出口与汇流排可控连通，所述汇流排还与所述第一管路及第二管路连通。
在一些实施方式中，所述供油组件包括油瓶、油泵，所述油泵能够将所述油瓶内的油液泵送至所述汇流排并经由所述汇流排注入所述储油管内。
在一些实施方式中，所述油瓶与所述油泵之间设有第三电磁阀。
在一些实施方式中，所述第二电磁三通阀与所述第一上浮油针孔或者第一分隔油针孔之间的管路上设置有第四电磁阀。
在一些实施方式中，所述注油针上具有第二上浮油针孔及第二分隔油针孔，所述供气气源组件还包括与所述主气腔可控连通的第二分隔油气腔，所述第二分隔油针孔与所述第二分隔油气腔之间具有第三管路，所述第二上浮油针孔与所述上浮油气腔之间具有第四管路，所述第三管路与所述第四管路上皆设置有所述储油组件。
本发明提供的一种微液滴芯片气液驱动装置，通过所述供油组件先将油液输送存储于所述储油组件中，然后在需要供油的时候控制所述供气气源组件分别通过所述上浮油气腔及第一分隔油气腔中存储的压力气体将油液推送于微液滴芯片的相应沟道内，不再采用现有技术中的柱塞泵定速供油，能够使液滴检测时液路处于恒压状态，系统动态响应快，恒压稳定性好，可以较好地满足液滴检测需求。
附图说明
图1为本发明实施例的微液滴芯片气液驱动装置的原理示意图。
附图标记表示为：
11、上浮油气腔；12、第一分隔油气腔；13、主气腔；131、第一电磁阀；132、第二电磁阀；133、第五电磁阀；14、气泵；15、过滤器；161、压力传感器；162、泄压阀；17、第二分隔油气腔；21、储油管；22、第一电磁三通阀；23、第二电磁三通阀；24、上气泡传感器；25、下气泡传感器；3、废液槽；4、汇流排；51、油瓶；52、油泵；53、第三电磁阀；6、第四电磁阀；100、注油针；101、第一上浮油针孔；102、第一分隔油针孔；103、第二上浮油针孔；104、第二分隔油针孔；200、微液滴芯片。
具体实施方式
参见图1所示，根据本发明的实施例，提供一种微液滴芯片气液驱动装置，包括供油组件、供气气源组件、注油针100，所述供气气源组件包括上浮油气腔11、第一分隔油气腔12，所述供气气源组件输出的压力气流能够被分别控制进入所述上浮油气腔11及第一分隔油气腔12，所述注油针100上具有第一上浮油针孔101及第一分隔油针孔102，所述第一上浮油针孔101与所述上浮油气腔11之间具有第一管路，所述第一分隔油针孔102与所述第一分隔油气腔12之间具有第二管路，所述第一管路以及所述第二管路上皆设置有储油组件，所述供油组件能够被控制向所述储油组件内供给油液，所述第一管路上的所述储油组件内的油液在所述上浮油气腔11的作用下能够被输送至所述第一上浮油针孔101处，所述第二管路上的所述储油组件内的油液在所述第一分隔油气腔12的作用下能够被输送至所述第一分隔油针孔102处。该技术方案中，通过所述供油组件先将油液输送存储于所述储油组件中，然后在需要供油的时候控制所述供气气源组件分别通过所述上浮油气腔11及第一分隔油气腔12中存储的压力气体将油液推送于微液滴芯片200的相应沟道内，不再采用现有技术中的柱塞泵定速供油，能够使液滴检测时液路处于恒压状态，系统动态响应快，恒压稳定性好，可以较好地满足液滴检测需求。
作为所述储油组件的一种具体实现方式，优选地，所述储油组件包括竖直设置的储油管21，所述储油管21的上端设置有第一电磁三通阀22，所述储油管21的下端设置有第二电磁三通阀23，其中，所述第一电磁三通阀22被配置为在需要所述供气气源组件推动所述储油管21内的油液时导通所述上浮油气腔11或者第一分隔油气腔12与对应的所述储油管21、在需要所述供油组件供给油液进入所述储油管21内时导通所述储油管21与废液槽3，所述第二电磁三通阀23被配置为在需要所述供气气源组件推动所述储油管21内的油液时导通所述储油管21与所述第一上浮油针孔101或者第一分隔油针孔102、在需要所述供油组件供给油液进入所述储油管21内时导通所述储油管21与供油组件。
在一些实施方式中，所述储油管21的上端与所述第一电磁三通阀22之间设有上气泡传感器24，所述储油管21的下端与所述第二电磁三通阀23之间设有下气泡传感器25，所述上气泡传感器24以及所述下气泡传感器25分别用于检测所述储油管21内的油液高度，以通过油液的实时高度控制相应的供气气源组件、供油组件的运转与否。
所述供气气源组件还包括主气腔13，所述主气腔13通过第一电磁阀131与所述上浮油气腔11可控连通，所述主气腔13通过第二电磁阀132与所述第一分隔油气腔12可控连通，所述供气气源组件还包括气泵14以及连接于所述气泵14与所述主气腔13之间的过滤器15，该技术方案中，所述气泵14输送的压力气流在所述主气腔13内缓冲存储成预设压力，然后能够在所述上浮油气腔11及第一分隔油气腔12内的压力气体即时补充，从而使气推油液的压力更加恒定。
所述主气腔13、上浮油气腔11及第一分隔油气腔12分别设置有压力传感器161、泄压阀162，能够有效保证所述主气腔13、上浮油气腔11及第一分隔油气腔12中的压力气流的恒定。所述供油组件的油液输出口与汇流排4可控连通，所述汇流排4还与所述第一管路及第二管路连通，能够简化装置供油管路设计。具体的，所述供油组件包括油瓶51、油泵52，所述油泵52能够将所述油瓶51内的油液泵送至所述汇流排4并经由所述汇流排4注入所述储油管21内。
所述油瓶51与所述油泵52之间设有第三电磁阀53，其在所述储油管21内油液低于预设油位时被控制贯通。所述第二电磁三通阀23与所述第一上浮油针孔101或者第一分隔油针孔102之间的管路上设置有第四电磁阀6，其在所述储油管21内注油时被控制断开，而在气推油液的过程中则被控制贯通。
在一些实施方式中，所述注油针100上具有第二上浮油针孔103及第二分隔油针孔104，所述供气气源组件还包括与所述主气腔13可控连通的第二分隔油气腔17，所述第二分隔油气腔17与所述主气腔13之间通过所述第五电磁阀133可控连通，所述第二分隔油针孔104与所述第二分隔油气腔17之间具有第三管路，所述第二上浮油针孔103与所述上浮油气腔11之间具有第四管路，所述第三管路与所述第四管路上皆设置有所述储油组件。而可以理解的是，在一些实施方式中，所述注油针100上还可以设置更多组的上浮油针孔及分隔油针孔，此时对应的分隔油气腔的个数也相应增加即可。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案进一步阐述：
一种微液滴芯片气液驱动装置，包括气泵(也即气泵14，下同)、主气腔(也即主气腔13，下同)、上浮油气腔(也即上浮油气腔11，下同)、第一分隔油气腔(也即第一分隔油气腔12，下同)、第二分隔油气腔(也即第二分隔油气腔17，下同)、油瓶(也即油瓶51，下同)、柱塞泵(也即油泵52，下同)、储油管(也即储油管21，下同)等。所述气泵从空气中吸气，气体通过过滤器(也即过滤器15，下同)进入主气腔，并通过管路及电磁阀分别进入三个分气腔(也即上浮油气腔11、第一分隔油气腔12、第二分隔油气腔17)，所述主气腔、上浮油气腔、第一分隔油气腔、第二分隔油气腔上分别设置有压力传感器、泄压阀等，可实时修正气腔压力，动态保持各气腔压力恒定，所述柱塞泵从油瓶中吸液，向储油管内注入定量的检测油，气腔内恒定压力的气体推动定量检测油进入微液滴芯片。所述微液滴芯片气液驱动模块以恒定气压推动恒定流量的检测油进入微液滴芯片中，使得芯片中的液滴流速稳定，间隔均匀，不会出现液滴粘连等现象，使测得的信号峰宽满足算法识别要求。
具体的，结合参见图1所示，气泵从空气中吸气，气体经由过滤器过滤掉空气中的水分及灰尘，通过管路进入到主气腔中，主气腔通过三个气管分别与上浮油气腔、第一分隔油气腔、第二分隔油气腔相连，四个气腔各有压力传感器及泄压阀对该气腔内的气压进行实时监控，动态保证各气腔内压力恒定，当所述上浮油气腔、第一分隔油气腔、第二分隔油气腔中的某气腔内气压低于设定值时，该气腔与主气腔中间的电磁阀打开，主气腔中的气体进入该气腔，使气压升高，直到其上升到该气腔设定值，该气腔与主气腔中间的电磁阀关闭，当气体出现过冲导致压力高于设定值时，泄气阀打开泄压，使压力值下降到设定值。当主气腔内气压低于设定值时，气泵工作开始为主气腔供气，使气压升高，直到其上升到主气腔设定值，气泵关闭，当气体出现过冲导致压力高于设定值时，泄气阀打开泄压，使压力值下降到设定值。
继续的，当液路里面没有检测油(也即前述油液)，初始充液时，柱塞泵前面的电磁阀打开，柱塞泵从油瓶中吸取检测油，注入汇流排，同时储油管上方及下方的三通阀成对打开(一个储油管上下两个三通阀为一对，图1中共四对)，检测油液面沿着储油管上升，首先穿过下气泡传感器，然后液面继续上升，充液过程中，储油管中的空气通过储油管上方的三通阀朝废液槽方向排出，当储油管中的液面到达上气泡传感器时，此时该储油管下方的三通阀换向，储油管中的液体流向注油针方向，此时注油针与汇流排中间的电磁阀处于关闭状态。
当气推液时，储油管上方的三通阀动作，使气路与储油管连通，同时汇流排与注油针中间的电磁阀打开，上浮油气腔、第一分隔油气腔、第二分隔油气腔中的气体沿着管路进入储油管，在气体压力作用下，储油管中的检测油液面下降，检测油进入注油针中，并最终进入微液滴芯片中，驱动芯片中的液滴运动及分隔，以便进行检测。当储油管中的液面下降到下气泡传感器位置时，储油管上方的三通阀动作，使储油管与废液槽方向的管路连通，同时汇流排与注油针中间的电磁阀关闭。当完成一个沟道检测时，芯片会运动一个沟道的位置使注油针的上浮油针孔及分隔油针孔对正新的微液滴芯片沟道。
继续的，柱塞泵前面的电磁阀打开，柱塞泵从油瓶中吸取检测油，注入汇流排，同时储油管上方及下方的三通阀成对打开，检测油液面从下气泡传感器位置沿着储油管上升，当储油管中的液面到达上气泡传感器时，此时该储油管下方的三通阀换向，使得储油管与注油针方向管路连通，此时注油针与汇流排中间的电磁阀处于关闭状态。气推液时气体从气腔进入储油管，储油管中的检测油进入注油针，并最终进入微液滴芯片中，驱动芯片中的液滴运动及分隔，以便进行检测。重复以上储油管充液及气推液过程直到微液滴芯片中的所有沟道中的样本液滴检测完毕。
需要进一步说明的，微液滴芯片中的液滴样本进行检测时，需要上浮油将液滴从芯片中的存放槽中上浮起来，然后推动液滴排长一行流动，分隔油把紧挨的液滴一个个分隔开来，使临近液滴保持近似相同的距离，避免检测时两个液滴完全紧挨着，通过确定各气腔的气液即可确定检测油的流速，进而可以确定样本液滴的流速及液滴件的间距，这样就可以控制测得信号的峰宽及占空比。根据所需检测油的液量来调节各储油管上方的上气泡传感器位置即可，上、下气泡传感器之间的储油管的容量即为一次注油量。
图1中的各气腔的数量仅为一种实施例而已，根据具体需要可以增加或减少分气腔的数量，但气腔的组成方式不变，即有一个主气腔负责缓冲气泵的气压冲击，有一个上浮油气腔，其分出的气路个数等于分隔油气腔的个数，各分隔油气腔均有一个气路输出，或有一个分隔油气腔，其分出的气路个数等于上浮油气腔个数，各上浮油气腔均有一个气路输出使得上浮油气路数量等于分隔油气路数量。
在一些实施例中，并非所有的储油管都需要注油，然后气推液使其进入芯片中，需要指出的是上浮油储油管和分隔油储油管需要成对注油，同时进行气推液，以完成对同一个芯片沟道中样本液滴的驱动及分隔。因此，在微液滴芯片气液驱动模块工作时，可以有一对上浮油及分隔油液路同时进行气推液工作，可以有两对上浮油及分隔油液路同时进行气推液工作，也可以有多对上浮油及分隔油液路同时进行气推液工作。
进一步需要说明的，图1所示的气液原理图，对各部件的外形、大小、布置方式并无明确限制，但是部分位置需要考虑到检测油的重力作用，例如检测油在储油管中的液面变化，要求检测油在储油管注液时储油管不存在死腔状态，上、下气泡传感器确实处于竖直方向的上方和下方，废液槽处于储油管上面的三通阀的下方，供溢出的检测油在重力作用下可沿管流到废液槽中，注油针处于微液滴芯片的下方。
当所述微液滴芯片气液驱动装置长期不用时，需要将气路压力归零，并需要将液路中的检测油排出，以便提高装置寿命。首先可以确认的是，当前的状态为储油管中检测油的液面位于下气泡传感器位置，此时柱塞泵反转，气体从废液槽中的气管中进入，进入到储油管中，下气泡传感器和柱塞泵中储存的检测油进入到柱塞泵中并排入油瓶中，然后储油管上下的两个三通阀打开，从储油管下方的三通阀到注油针中间储存的检测油从注油针的针孔中流出，此时液路中再无检测油，然后所有气腔的泄压阀全部打开泄压，直到与大气压值相同，然后泄压阀关闭，以防外界灰尘进入气腔。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微液滴芯片气液驱动装置，其特征在于，包括供油组件、供气气源组件、注油针(100)，所述供气气源组件包括上浮油气腔(11)、第一分隔油气腔(12)，所述供气气源组件输出的压力气流能够被分别控制进入所述上浮油气腔(11)及第一分隔油气腔(12)，所述注油针(100)上具有第一上浮油针孔(101)及第一分隔油针孔(102)，所述第一上浮油针孔(101)与所述上浮油气腔(11)之间具有第一管路，所述第一分隔油针孔(102)与所述第一分隔油气腔(12)之间具有第二管路，所述第一管路以及所述第二管路上皆设置有储油组件，所述供油组件能够被控制向所述储油组件内供给油液，所述第一管路上的所述储油组件内的油液在所述上浮油气腔(11)的作用下能够被输送至所述第一上浮油针孔(101)处，所述第二管路上的所述储油组件内的油液在所述第一分隔油气腔(12)的作用下能够被输送至所述第一分隔油针孔(102)处。
2.根据权利要求1所述的微液滴芯片气液驱动装置，其特征在于，所述储油组件包括竖直设置的储油管(21)，所述储油管(21)的上端设置有第一电磁三通阀(22)，所述储油管(21)的下端设置有第二电磁三通阀(23)，其中，所述第一电磁三通阀(22)被配置为在需要所述供气气源组件推动所述储油管(21)内的油液时导通所述上浮油气腔(11)或者第一分隔油气腔(12)与对应的所述储油管(21)、在需要所述供油组件供给油液进入所述储油管(21)内时导通所述储油管(21)与废液槽(3)，所述第二电磁三通阀(23)被配置为在需要所述供气气源组件推动所述储油管(21)内的油液时导通所述储油管(21)与所述第一上浮油针孔(101)或者第一分隔油针孔(102)、在需要所述供油组件供给油液进入所述储油管(21)内时导通所述储油管(21)与供油组件。
3.根据权利要求2所述的微液滴芯片气液驱动装置，其特征在于，所述储油管(21)的上端与所述第一电磁三通阀(22)之间设有上气泡传感器(24)，所述储油管(21)的下端与所述第二电磁三通阀(23)之间设有下气泡传感器(25)。
4.根据权利要求1所述的微液滴芯片气液驱动装置，其特征在于，所述供气气源组件还包括主气腔(13)，所述主气腔(13)通过第一电磁阀(131)与所述上浮油气腔(11)可控连通，所述主气腔(13)通过第二电磁阀(132)与所述第一分隔油气腔(12)可控连通，所述供气气源组件还包括气泵(14)以及连接于所述气泵(14)与所述主气腔(13)之间的过滤器(15)。
5.根据权利要求4所述的微液滴芯片气液驱动装置，其特征在于，所述主气腔(13)、上浮油气腔(11)及第一分隔油气腔(12)分别设置有压力传感器(161)、泄压阀(162)。
6.根据权利要求2所述的微液滴芯片气液驱动装置，其特征在于，所述供油组件的油液输出口与汇流排(4)可控连通，所述汇流排(4)还与所述第一管路及第二管路连通。
7.根据权利要求6所述的微液滴芯片气液驱动装置，其特征在于，所述供油组件包括油瓶(51)、油泵(52)，所述油泵(52)能够将所述油瓶(51)内的油液泵送至所述汇流排(4)并经由所述汇流排(4)注入所述储油管(21)内。
8.根据权利要求7所述的微液滴芯片气液驱动装置，其特征在于，所述油瓶(51)与所述油泵(52)之间设有第三电磁阀(53)。
9.根据权利要求2所述的微液滴芯片气液驱动装置，其特征在于，所述第二电磁三通阀(23)与所述第一上浮油针孔(101)或者第一分隔油针孔(102)之间的管路上设置有第四电磁阀(6)。
10.根据权利要求4所述的微液滴芯片气液驱动装置，其特征在于，所述注油针(100)上具有第二上浮油针孔(103)及第二分隔油针孔(104)，所述供气气源组件还包括与所述主气腔(13)可控连通的第二分隔油气腔(17)，所述第二分隔油针孔(104)与所述第二分隔油气腔(17)之间具有第三管路，所述第二上浮油针孔(103)与所述上浮油气腔(11)之间具有第四管路，所述第三管路与所述第四管路上皆设置有所述储油组件。
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