CN115090249B - 一种微量捕获液滴的反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微量捕获液滴反应系统。捕获模块的操作臂旋转至捕获工位，通过吸附片吸附微量原液滴，并通过捕获模块产生声表面波振动分离液滴，定量捕获需要原液滴的剂量；捕获模块携带定量的微量原液滴旋转至反应工位，与反应台上的基液滴接触，同时捕获模块产生声表面波促进原液滴和基液滴的融合反应，增强反应的效率与融合度；反应后操作臂旋转至清洗工位进行捕获模块的清洗。以上为该系统的一次工作循环。本发明相比传统的液滴反应系统，利用声表面波的振动效应，在反应液滴的微量控制方面、反应过程融合效率方面，自动化程度和并行控制方面均有了较大改进，应用前景十分广阔。

Description

一种微量捕获液滴的反应系统

技术领域

本发明涉及了液滴融合技术领域的一种反应系统，具体涉及了一种微量捕获液滴的反应系统。

背景技术

液滴融合是生物化学反应最重要的处理技术之一，是两种或多种液滴相互反应的基本方式。液滴融合技术已经有了长足进展，现阶段的液滴融合方式有微流道引导式，交变电场诱导式等，但是这些方法都没有对反应微液滴进行直接的捕获，也不能控制微液滴的体积，融合的精度和融合反应的效率也会受很多不确定因素的影响。

针对此种现状，有必要研究一种新型的液滴反应系统来解决上述存在问题，既能对捕获的液滴进行定量控制，又提高液滴融合反应的精准度和效率。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种微量捕获液滴反应系统，本发明通过声表面波激励用于对定量的微液滴进行控制和反应。捕获模块先旋转至捕获工位进行定量的微量原液滴的提取；捕获模块携带着微液滴旋转至反应工位，与中心反应台上的基液滴进行充分的融合反应；随后捕获模块旋转至清洗工位进行清洁，清洁后继续旋转至捕获工位进行下一次的循环。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本发明包括操作臂、清洗台、捕获模块、旋转电机、原料台、基液滴、反应台、输送模块和原液滴；

输送模块上放置至少一个反应台，每个反应台上设置有基液滴，输送模块的一侧依次设置有清洗台、旋转电机和原料台，清洗台、旋转电机和原料台三者依次间隔布置，旋转电机上安装有操作臂，操作臂的末端固定安装有捕获模块，原料台上设置有原液滴；旋转电机驱动操作臂旋转，带动操作臂末端的捕获模块在原料台上方，控制捕获模块对原液滴进行分离和捕获，旋转电机再驱动操作臂旋转，进而带动捕获模块至反应台上方，使得捕获模块捕获的液滴与反应台上的基液滴进行混合并获得融合液滴，操作臂接着转动，带动捕获模块至清洗台并进行捕获模块底部的清洗，实现微量液滴的捕获和反应。

所述捕获模块整体对称布置，包括吸附片、第一弧形叉指换能器、基片粘接层、第二压电基片、第一压电基片、隔离支撑层、第一信号发生装置和第二信号发生装置；

隔离支撑层上表面的两侧分别固定安装有第一信号发生装置和第二信号发生装置，隔离支撑层下表面的两侧固定安装有第一压电基片和第二压电基片，第一压电基片和第二压电基片之间层叠布置有基片粘接层，第一压电基片远离基片粘接层的一侧面设置有第一弧形叉指换能器，第二压电基片远离基片粘接层的一侧面设置有第二弧形叉指换能器，第一弧形叉指换能器与第一信号发生装置电连接，第二弧形叉指换能器与第二信号发生装置电连接，第一压电基片、基片粘接层和第二压电基片的下表面固定安装有一块吸附片，吸附片用于捕获液滴。

第一压电基片和第二压电基片的结构和材料相同，所述第一压电基片和第二压电基片均为倒金字塔状的多边体。

所述基片粘接层与第一压电基片和第二压电基片的材料相同，第一压电基片和第二压电基片中的声表面波从对应的弧形叉指换能器纵深向内传播至基片粘接层中，基片粘接层中的声表面波从上到下传播至吸附片。

所述隔离支撑层为绝缘材料。

所述吸附片为亲水材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该反应系统全自动高精度调节，可以使捕获模块精准旋转到捕获工位、反应工位和清洁工位；且捕获模块与输送模块并行运动，使该反应系统实现周期运转，并缩短系统反应周期，提高反应整体运行效率。

通过捕获模块产生声表面波，对附着在其上的微量液滴进行分离，可以实现对液滴的定量控制；还可以通过声表面波的振动信号促进液滴融合，提高反应效率。且捕获模块的声表面波可以通过两个对称的信号发生装置叠加产生，不同参数的声表面波信号叠加产生的加和声表面波参数不同，因此可以根据不同液滴的性质参数，灵活调节声表面波的参数状态。

本发明在高反应效率、节约时间成本、实现对微量液滴的定量控制等方面相比传统的液滴反应系统均有较大的革新和改进，应用前景广阔。

附图说明

图1为反应系统整体等轴侧示意图；

图2为反应系统捕获工位俯视图；

图3为反应系统反应工位俯视图；

图4为反应系统清洗工位俯视图；

图5为捕获模块等轴侧示意图；

图6为捕获模块原理示意图。

图中：1、操作臂；2、清洗台；3、捕获模块；31、吸附片；32、弧形叉指换能器Ⅰ；33、基片粘接层；34、第二压电基片；35、第一压电基片；36、隔离支撑层；37、第一信号发生装置；38、第二信号发生装置；4、旋转电机；5、原料台；6、基液滴；7、反应台；8、输送模块；9、原液滴。

具体实施方式

本领域专业的人员应该清楚，本实施例只是为更好地解释和说明本发明的使用方法，并不能用来限制本发明。

如图1所示，本发明包括操作臂1、清洗台2、捕获模块3、旋转电机4、原料台5、基液滴6、反应台7、输送模块8和原液滴9；

输送模块8上放置至少一个反应台7，每个反应台7上设置有基液滴6，输送模块8的一侧依次设置有清洗台2、旋转电机4和原料台5，清洗台2、旋转电机4和原料台5三者依次间隔布置，旋转电机4上安装有操作臂1，操作臂1的末端固定安装有捕获模块3，原料台5上设置有原液滴9，清洗台2与旋转电机4之间的距离和原料台5与旋转电机4之间的距离相等，即原料台5和清洗台2关于旋转电机4对称。具体实施中，原料台5、清洗台2和旋转电机4三者呈直线放置，输送模块8与之平行设置；原料台5、清洗台2、输送模块8的中心与操作臂1的旋转轴的中心距离一致；如图2、图3和图4所示，旋转电机4驱动操作臂1旋转，带动操作臂1末端的捕获模块3在原料台5上方，即捕获工位；控制捕获模块3对原液滴9进行分离和捕获，旋转电机4再驱动操作臂1旋转，进而带动捕获模块3至反应台7上方，使得捕获模块3捕获的液滴与反应台7上的基液滴6进行混合并获得融合液滴，即反应工位；操作臂1接着转动，带动捕获模块3至清洗台2并进行捕获模块3底部的清洗，即清洗工位，实现微量液滴的捕获和反应。具体实施中，再将操作臂1旋转至原料台5上方并重复上述操作。本系统的捕获模块3可以对1-100μL含量的原液滴9进行分离控制。

具体实施中，输送模块8上可排列多个反应台7，排列距离和输送速度与操作臂旋转周期相对应；在每个反应台7上提前滴置基液滴6，通过输送模块8运输至中心位置，以保证每次捕获模块3旋转到输送模块8的中心位置后，都能使捕获到的液滴与基液滴6进行充分的融合反应。操作臂旋转周期，即操作臂由原料台5→旋转至中心反应台7→旋转至清洗台2→再旋转回至原料台5的运动时间。

如图5所示，捕获模块3整体对称布置，包括吸附片31、第一弧形叉指换能器32、基片粘接层33、第二压电基片34、第一压电基片35、隔离支撑层36、第一信号发生装置37和第二信号发生装置38；

隔离支撑层36上表面的两侧分别固定安装有第一信号发生装置37和第二信号发生装置38，第一信号发生装置37和第二信号发生装置38之间固定连接，第一信号发生装置37和第二信号发生装置38用于产生幅值、频率、相位均可调节的正弦信号。隔离支撑层36下表面的两侧固定安装有第一压电基片35和第二压电基片34，第一压电基片35和第二压电基片34之间层叠布置有基片粘接层33，使得第一压电基片35位于第一信号发生装置37的正下方，第二压电基片34位于第二信号发生装置38的正下方。第一压电基片35、基片粘接层33和第二压电基片34的上表面与隔离支撑层36的下表面之间完全贴合。第一压电基片35远离基片粘接层33的一侧面设置有第一弧形叉指换能器32，第二压电基片34远离基片粘接层33的一侧面设置有第二弧形叉指换能器，第一弧形叉指换能器32与第一信号发生装置37电连接，第二弧形叉指换能器与第二信号发生装置38电连接，向弧形叉指换能器提供电信号，根据逆压电效应，压电基片的表面形成声表面波，可以对附着在吸附片31上的液滴进行分离和融合的操作。第一压电基片35、基片粘接层33和第二压电基片34的下表面固定安装有一块吸附片31，第一压电基片35、基片粘接层33和第二压电基片34的下表面与吸附片31的上表面之间完全贴合。吸附片31用于捕获液滴，第一弧形叉指换能器32、第二弧形叉指换能器与隔离支撑层36、吸附片31之间均间隔布置。

第一压电基片35和第二压电基片34的结构和材料相同，具体实施中，第一压电基片35和第二压电基片34均为单面抛光铌酸锂材料。第一压电基片35和第二压电基片34均为倒金字塔状的多边体，即第一压电基片35和第二压电基片34为上宽下窄、上厚下薄的结构。

基片粘接层33与第一压电基片35和第二压电基片34的材料相同，第一压电基片35和第二压电基片34中的声表面波从对应的弧形叉指换能器纵深向内传播至基片粘接层33中，基片粘接层33中的声表面波从上到下传播至吸附片31。

隔离支撑层36为绝缘材料，避免产生在压电基片上的声表面波受到信号发生装置的干扰。具体实施中，隔离支撑层36为陶瓷材料。

如图6所示，吸附片31为亲水材料，用于吸附拾取微量的原液滴或反应时的融合液滴。具体实施中，吸附片31为电化学沉积铜材料。

本发明的工作过程如下：

原料台安装在捕获工位，由原料台提供原料液，通过压力调节可以挤压原液滴至原料台台面上，并控制原液滴的大小。原料台台面由疏水性的材料制成，原料液依靠其表面张力可以在原料台上保持球状；捕获模块的底部固接有一亲水性的吸附片，当捕获模块旋转至原料台的正上方时，吸附片会将原料台上的原液滴吸附起来；通过捕获模块产生的声表面波可以将吸附起来的原液滴进行微量分离，保留规定的含量。根据原液滴的物理性质和需要控制的原液滴的量，来调节产生在捕获模块上的声表面波的参数。

捕获模块可以产生不同参数的声表面波。打开捕获模块的第一信号发生装置和第二信号发生装置，分别向对应的弧形叉指换能器发送幅值、频率、相位均不同的正弦激励，会在第一压电基片和第二压电基片上产生两种不同的声表面波，通过对两种声表面波的叠加，根据原液滴的物理性质，即需要控制的液滴体积或者融合速率，控制两个信号发生装置的运行时间和启动参数，进而调节需要合成的声表面波的参数。

设第一压电基片35产生的声表面波为：

设第二压电基片34产生的声表面波为：

两种信号叠加到基片粘接层33上的波为：

其中，A₁表示在第一压电基片35上产生的声表面波的幅值，ω₁表示在第一压电基片35上产生的声表面波的角频率，φ₁表示在第一压电基片35上产生的声表面波的相位；A₂表示在第二压电基片34上产生的声表面波的幅值，ω₂表示在第二压电基片34上产生的声表面波的角频率，φ₂表示在第二压电基片34上产生的声表面波的相位；A表示在基片粘接层33上产生的叠加声表面波的幅值，φ表示在基片粘接层33上产生的叠加声表面波的相位。

因此可以调节相应的A₁、ω₁、

和A₂、ω₂、

来控制操作液滴的加和声表面波的最佳参数。

输送模块上可以放置多个反应台进行输送，但必须保证捕获模块旋转到输送模块正中间时，某一反应台同时运动到输送模块的正中间，保证捕获的原液滴和该反应台上的基液滴能完全对准进行反应。该反应台称为中心反应台，该工位即反应工位。反应结束后，输送模块将中心反应台运送到其他位置，同时捕获模块旋转到清洗工位进行清洁，准备进行下一周期的定量捕获液滴工作。当捕获模块再次旋转到反应工位时，下一个中心反应台也同时达到反应工位，图2→图3→图4→图2构成一个运动循环，捕获模块与输送模块并行工作及通过加和声表面波参与定量捕获液滴和加速融合反应，大大提高了微液滴反应的自动化程度、精确度及效率。

原液滴和基液滴在反应工位进行融合反应时，启动捕获模块的信号发生装置，通过叉指换能器可以在压电基片上产生声表面波，对促进液滴的融合，提高反应效率起着关键作用。针对不同的液滴反应系统，可以通过调节对称声表面波的叠加方式，找到最适合该反应系统的声表面波振动频率。

最后值得重申的是，说明书中描述的只是本发明的优选例，只是为了阐明本发明的基本原理和主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种微量捕获液滴反应系统，其特征在于，包括操作臂(1)、清洗台(2)、捕获模块(3)、旋转电机(4)、原料台(5)、基液滴(6)、反应台(7)、输送模块(8)和原液滴(9)；

输送模块(8)上放置至少一个反应台(7)，每个反应台(7)上设置有基液滴(6)，输送模块(8)的一侧依次设置有清洗台(2)、旋转电机(4)和原料台(5)，清洗台(2)、旋转电机(4)和原料台(5)三者依次间隔布置，旋转电机(4)上安装有操作臂(1)，操作臂(1)的末端固定安装有捕获模块(3)，原料台(5)上设置有原液滴(9)；旋转电机(4)驱动操作臂(1)旋转，带动操作臂(1)末端的捕获模块(3)在原料台(5)上方，控制捕获模块(3)对原液滴(9)进行分离和捕获，旋转电机(4)再驱动操作臂(1)旋转，进而带动捕获模块(3)至反应台(7)上方，使得捕获模块(3)捕获的液滴与反应台(7)上的基液滴(6)进行混合并获得融合液滴，操作臂(1)接着转动，带动捕获模块(3)至清洗台(2)并进行捕获模块(3)底部的清洗，实现微量液滴的捕获和反应；

所述捕获模块(3)整体对称布置，包括吸附片(31)、第一弧形叉指换能器(32)、基片粘接层(33)、第二压电基片(34)、第一压电基片(35)、隔离支撑层(36)、第一信号发生装置(37)和第二信号发生装置(38)；

隔离支撑层(36)上表面的两侧分别固定安装有第一信号发生装置(37)和第二信号发生装置(38)，隔离支撑层(36)下表面的两侧固定安装有第一压电基片(35)和第二压电基片(34)，第一压电基片(35)和第二压电基片(34)之间层叠布置有基片粘接层(33)，第一压电基片(35)远离基片粘接层(33)的一侧面设置有第一弧形叉指换能器(32)，第二压电基片(34)远离基片粘接层(33)的一侧面设置有第二弧形叉指换能器，第一弧形叉指换能器(32)与第一信号发生装置(37)电连接，第二弧形叉指换能器与第二信号发生装置(38)电连接，第一压电基片(35)、基片粘接层(33)和第二压电基片(34)的下表面固定安装有一块吸附片(31)，吸附片(31)用于捕获液滴。

2.根据权利要求1所述的一种微量捕获液滴反应系统，其特征在于，第一压电基片(35)和第二压电基片(34)的结构和材料相同，所述第一压电基片(35)和第二压电基片(34)均为倒金字塔状的多边体。

3.根据权利要求1所述的一种微量捕获液滴反应系统，其特征在于，所述基片粘接层(33)与第一压电基片(35)和第二压电基片(34)的材料相同，第一压电基片(35)和第二压电基片(34)中的声表面波从对应的弧形叉指换能器纵深向内传播至基片粘接层(33)中，基片粘接层(33)中的声表面波从上到下传播至吸附片(31)。

4.根据权利要求1所述的一种微量捕获液滴反应系统，其特征在于，所述隔离支撑层(36)为绝缘材料。

5.根据权利要求1所述的一种微量捕获液滴反应系统，其特征在于，所述吸附片(31)为亲水材料。

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