CN115106143A - 一种高精度电动微量液体移液器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度电动微量液体移液器，本申请中：微泵通过电磁阀与储液池连通；储液池的下端安装有可变形管；可变形管的下端安装有毛细管；位移放大机构的尖端中间设有弧形夹槽；可变形管设置在弧形夹槽中；位移放大机构的另一端安装有压电堆栈；压电堆栈驱动夹槽对可变形管进行夹紧或放松操作；单片机控制微泵、电磁阀和压电堆栈的运行。本发明通过毛细管进行移液，可伸入小孔径容器，残余液体体积小；单次分配产生的液滴体积小，分辨率高，典型液滴体积在20nL到180nL之间，单个液滴体积的CV值小于2％，分液精度高；设置由储液池、可变形管和毛细管组成移液吸头，且可以与位移致动器分离式安装，可更换，避免交叉污染。

Description

一种高精度电动微量液体移液器

技术领域

本发明属于分析仪器技术领域，特别是涉及一种高精度电动微量液体移液器。

背景技术

在医疗、药物、基因和蛋白质研究、生物研究、药物开发实验室以及其它生物技术应用领域中，经常需要利用移液器来对液体样品进行操作，主要用来吸取一定体积的液体，然后将液体分配成若干所需体积液体。

目前，普通手动移液器一般通过活塞移动实现液体的吸取和分配，但手工操作不可避免地会产生误差，从而影响移液精度。电动移液器通常通过电机或者负压泵改变吸头内的气压来抽运液体。

例如，中国专利CN201310485164.3《电动移液器及其自动计量方法、自动分液方法》介绍了一种通过控制吸量管内气压来实现液体定量化吸取与分配的方法，这一方法虽然能够实现自动控制吸液和排液，但其基于管道液体自重与负压的共同作用，只适用于较大体积液体的分配，体积分辨率不高。目前，精度较高的移液器大部分都是基于空气活塞原理。

例如，中国专利CN202021953165.8《一种高精度电动移液器》介绍了一种通过步进电机驱动丝杠来带动活塞运动，实现吸液和排液的方法，但由于空气的压缩性和微量液体在吸头表面受毛细力、静电力的作用，使得其可靠的工作范围限定在1μL以上。在1μL以下，精度较低。例如Rainin公司的LTS E4-10XLS+高精度电动移液器也是基于空气活塞的原理，在分配1μL体积液体时，标称准确度误差±2.5％，随机误差±1.2％，而在分配0.5μL体积液体时，随机误差达到6％。

对于超小体积液体的操作，一般通过气动吸液加打印喷液的方式实现。例如，中国专利CN201710558804.7《电动微流控液滴分配器》提出了一种使用微流控冲击打印方式实现皮升到纳升分辨率液滴打印的方法，打印液滴的典型体积在0.1nL至10nL，单个液滴体积CV值小于3.4％，通过控制打印液滴的次数来控制分配液体体积。然而，该液滴分配器基于传统的手动活塞移动来实现液体的抽取，这使得其抽液精度不高且无法实现自动抽液。

中国专利CN201810516532.9《一种电动移液器》在此基础上进行改进，通过控制系统控制微型气泵和电磁阀的工作状态来实现自动吸液，通过位移驱动器冲击微流控芯片实现纳升级液体的分配。但所用微流控芯片加工复杂，成本高。而且，用于吸液的锥形微流控芯片尺寸过大(底部宽度8mm，顶部宽度12mm)，不能伸入小孔径液体容器吸液，无法与目前常用微量液体容器兼容，如微型离心管的管口内径6mm、8mm、96孔细胞培养板的孔径7mm、384孔细胞培养板的孔径4mm等，这对其应用范围造成了限制。

传统移液设备精度与分辨率有限，而基于微流控打印的移液装置所用的芯片尺寸过大，不能与现有孔板容器兼容，无法从小孔径容器内吸液，也不能实现自动化高精度的液体吸取与分配。为此，提出来一种高精度电动微量液体移液器，通过微泵和电磁阀实现微量液体的吸取，通过位移致动器、可变形管和毛细管实现纳升级液体的分配，细长的毛细管保障了移液器与通用小孔径容器的兼容，实现自动化、低成本、高精度的微量液体的吸取和分配。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度电动微量液体移液器，通过毛细管进行移液，可伸入小孔径容器，残余液体体积小；单次分配产生的液滴体积小，分辨率高，典型液滴体积在20nL到180nL之间，单个液滴体积的CV值小于2％，分液精度高；设置由储液池、可变形管和毛细管组成移液吸头，加工简单，成本低，且可以与位移致动器分离式安装，可更换，避免交叉污染；通过单片机、微泵和电磁阀配合可以实现自动化操作。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种高精度电动微量液体移液器，包括：用于提供动力的微泵，所述微泵通过软管与电磁阀的第一端口连通；所述电磁阀的第三端口与大气环境连通；移液吸头，所述移液吸头用于存储液体的储液池，所述储液池通过软管与电磁阀的第二端口连通；所述储液池的下端安装有可变形管；所述可变形管的下端安装有用于吸取和分配液体的毛细管；用于驱动分配液体的位移致动器，所述位移致动器包括位移放大机构和压电堆栈；所述位移放大机构为“A”字形结构；所述位移放大机构的尖端中间设有一弧形夹槽；所述可变形管设置在弧形夹槽中；所述位移放大机构的另一端安装有一压电堆栈；所述压电堆栈驱动夹槽对可变形管进行夹紧或放松操作；用于控制装置运行的控制模块，所述控制模块包括单片机和放大电路；所述单片机控制微泵、电磁阀和压电堆栈的运行，所述单片机输出的电压信号通过放大电路放大后输出至压电堆栈。

进一步地，所述微泵采用微型气泵或微型柱塞泵或微型注射泵。

进一步地，所述可变形管(4)和毛细管(5)采用薄壁玻璃管或高分子材料管。

进一步地，所述可变形管(4)和毛细管(5)共同组成液体通道，所述可变形管(4)和毛细管(5)为一体管或组合管。

进一步地，所述毛细管(5)的端面涂覆疏水试剂进行疏水处理；所述毛细管(5)为等截面管或变截面管；所述毛细管(5)的外径为1-2mm；所述毛细管(5)的内径为0.2mm-0.8mm。

进一步地，所述位移放大机构包括横梁和两连接杆；所述横梁的两端分别连接在两连接杆的中间处构成“A”字形结构。

进一步地，所述横梁的中间并排设有若干定位孔，所述定位孔与螺栓配合进行固定。

进一步地，所述横梁的两端通过柔性铰链与连接杆连接。

进一步地，所述压电堆栈一端固定在连接杆的端部侧面，所述压电堆栈另一端安装有一半球形陶瓷头；所述半球形陶瓷头与另一连接杆的端部侧面接触。

进一步地，所述单片机输出脉冲信号控制微泵的工作状态；所述单片机输出开关信号控制电磁阀三个端口的接通状态；所述单片机输出脉冲信号控制位移致动器的工作状态。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过毛细管进行移液，可伸入小孔径容器，残余液体体积小；单次分配产生的液滴体积小，分辨率高，典型液滴体积在20nL到180nL之间，单个液滴体积的CV值小于2％，分液精度高，从而实现微量液体的吸取和分配；设置由储液池、可变形管和毛细管组成移液吸头，加工简单，成本低，且可以与位移致动器分离式安装，可更换，避免交叉污染；通过单片机、微泵和电磁阀配合可以实现自动化操作。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种高精度电动微量液体移液器的结构示意图；

图2为位移致动器的结构示意图；

图3为微泵测试吸液精度的实验结果图；

图4为微泵测试吸液液体残余体积的实验结果图；

图5为毛细管疏水处理前后水接触角的变化对比图；

图6为位移放大机构的输出端位移和平均速度随压电堆栈电压的变化关系图；

图7为打印液滴的照片与液滴体积的分布示意图；

图8为一种高精度电动微量液体移液器的使用流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1所示，本发明为一种高精度电动微量液体移液器，包括：用于提供动力的微泵1、移液吸头、用于驱动分配液体的位移致动器6和用于控制装置运行的控制模块7；移液吸头包括用于存储液体的储液池3；移液吸头通过卡装结构或者固定栓活动安装在移液器上；

微泵1采用微型气泵或微型柱塞泵或微型注射泵；微泵1通过软管与电磁阀2的第一端口连通；电磁阀2的第三端口与大气环境连通；储液池3通过软管与电磁阀2的第二端口连通；当电磁阀2上电时，第一端口和第二端口相连通，使得微型气泵1与储液池3连通，微型气泵1工作时便能提供吸取液体的动力，在电磁阀2断电时，第二端口和第三端口相连通，使得储液池3与大气连通，以便顺利打印液滴；

储液池3的下端安装有可变形管4；可变形管4的下端安装有用于吸取和分配液体的毛细管5；储液池3、可变形管4和毛细管5构成移液吸头，与位移致动器分离式安装，可更换，避免交叉污染；可变形管4与毛细管5组成的液体管道的细长结构特征保障其可伸入小孔径容器内，容器内剩余浪费试剂少，分液精度高，从而实现微量液体的吸取和分配；

可变形管4和毛细管5采用薄壁玻璃管或高分子材料管；高分子材料管可以采用硅胶软管；可变形管4用于在外力的作用下产生变形，使液体以液滴的方式喷出，通常刚度小，且具有弹性变形能力，在受到外力作用时能产生较大的变形，在外力作用结束后也能很好地恢复变形；

毛细管5的端面涂覆疏水试剂进行疏水处理；毛细管5的外径为1-2mm；毛细管5的内径为0.2-0.8mm；毛细管5的形状可以为等截面，也可以为变截面；

如图2所示，位移致动器6包括位移放大机构和压电堆栈606；位移放大机构为“A”字形结构；位移放大机构的尖端中间设有一弧形夹槽605；可变形管4设置在弧形夹槽605中；可变形管4与位移放大机构紧密贴合，位移放大机构对可变形管4施加一定的预紧力，使其产生一定的预变形，进而达到定位目的；

位移放大机构的另一端安装有一压电堆栈606；压电堆栈606驱动夹槽605对可变形管4进行夹紧或放松操作。

其中，位移放大机构包括横梁601和两连接杆604；横梁601的两端分别连接在两连接杆604的中间处构成“A”字形结构，横梁601的中间并排设有若干定位孔602，定位孔602与螺栓配合进行固定，横梁601的两端通过柔性铰链603与连接杆604连接，压电堆栈606一端固定在连接杆604的端部侧面，压电堆栈606另一端安装有一半球形陶瓷头607；半球形陶瓷头607与另一连接杆604的端部侧面接触；通过设置半球形陶瓷头607使其端面受力均匀，起保护作用。

控制模块包括单片机和放大电路；单片机控制微泵1、电磁阀2和压电堆栈606的运行，单片机输出的电压信号通过放大电路放大后输出至压电堆栈606，单片机7输出脉冲信号控制微泵1的工作状态，脉冲信号的数量决定了吸液体积，脉冲信号的频率决定了吸液速率；单片机7输出开关信号控制电磁阀2三个端口的接通状态；

单片机7输出脉冲信号控制位移致动器6的工作状态，脉冲信号的数量决定了产生液滴的数量，脉冲信号的频率决定了产生液滴的频率，脉冲信号的幅值和脉宽决定了产生液滴的体积；放大电路用于将输入到位移致动器6的脉冲电信号进行放大，同时使放大后的脉冲电信号具有极短的上升时间，确保位移致动器6的响应速度满足要求。

压电堆栈606在受到脉冲电信号时，会在长度方向上产生瞬间变形，产生变形的大小与脉冲电信号的幅值成正比，响应速度则与脉冲电信号的上升时间成反比；位移放大机构用于将压电堆栈606产生的变形放大后输出到可变形管4上；在打印液滴时，快速挤压可变形管4，导致可变形管4产生瞬间变形，从而使液体以液滴的方式喷出。

实施例二：基于实施例一的微泵1在工作时用于产生负压，为移液吸头吸取液体提供动力。

以标称容积为500μL的微型柱塞泵为例，对其吸液精度和吸液液体残余体积进行测试，

测试吸液精度时，以去离子水为测试液体，通过单片机7控制微型柱塞泵的单次吸液体积为50μL，实际吸液体积通过称重法来测量计算；重复测量10次。

测试结果如图3所示：吸液体积的最大相对误差为4.4％，统计分散性CV<1.1％，吸液精度高，重复性好。

测试吸液液体残余体积时，由于残余液体体积很小，为了避免测量过程中液体蒸发带来较大的误差，测试液体选择蒸发速率较慢的二甲基亚砜DMSO，测试容器选择在实验室中广泛使用的96孔细胞培养板。

测试过程中，预先在96孔细胞培养板的其中一个孔中注入50μLDMSO，将移液吸头伸入液面至距离孔底面0.1mm位置处，控制微型柱塞泵进行吸液，直至毛细管5中出现空气柱。吸液液体残余体积通过称重法来测量计算，重复测量10次。

测试结果如图4所示：残余液体体积均位于3-5μL之间，残余液体体积小，有利于减少液体样品的残余浪费。

实施例三：

毛细管5用于吸取和分配液体，材质可以是玻璃，或者高分子材料如硅胶软管。形状可以为等截面，也可以为变截面。形状为等截面时，外径通常为1mm，长度可达12mm，可用于一些小孔径容器内微量液体的吸取和分配。

毛细管5端面通过涂覆疏水试剂进行疏水处理，当毛细管材质为玻璃时，疏水处理前后水接触角的变化如图6所示，疏水处理前，毛细管5端面的水接触角只有8.4°，处于超亲水状态，在吸取和分配液体时容易造成液体粘附，影响分配精度和工作稳定性。疏水处理后，毛细管5端面的水接触角达到144.4°，接近超疏水状态，这使得其在吸取和分配液体时，可有效地防止液体粘附，同时也有利于储液池3中液体实现自锁。

实施例四：

在空载和负载情况下，位移放大机构606的输出端位移和平均速度随压电堆栈606两端电压的变化关系如图6所示，由图可知，位移放大机构6的输出端位移和平均速度与压电堆栈606两端电压近似成线性关系，位移致动器6具有较高的位移精度和极快的响应速度。

位移放大机构为A字形，横梁上设置有柔性铰链603和定位孔602，柔性铰链603在输入端输入位移时会产生变形，实现输出端位移放大输出，定位孔602用于固定位移放大机构。

位移放大机构输出端设置有弧形夹槽605，可以与可变形管4进行有效贴合，增大可变形管4的受力面积，与压电堆栈606平面端接触的输入端设置有预紧螺钉，能调节对可变形管4的预紧力。

实施例五：

本实施例中的电动微量液体移液器的工作原理为：利用微泵1形成负压作为吸取液体的动力，液体经过毛细管5和可变形管4被吸入到储液池3中，可通过控制电磁阀2的开关时间以及微泵1的电机工作状态实现对液体吸取量的控制，吸取液体后通过位移致动器6对可变形管4进行快速挤压，使液体以液滴的形式从毛细管5的喷口喷出。

图6是喷口直径为0.4mm，电压幅值为100V，位移致动器6作用区上下两端的流阻比为0.667时，打印液滴的照片与液滴体积的分布，液滴体积均值64.2nL，100个液滴样本统计分散性CV<1.7％，打印精度高。

通过调控电压幅值、喷口直径和位移致动器6作用区的上下两端的流阻比可以对打印产生液滴的体积进行一定范围的控制，典型液滴体积为20nL-180nL。因此，可以通过控制单次打印液滴的体积和打印液滴的次数来精确控制打印液滴的总体积。由此可见，本申请提供的电动微量液体移液器具有较高的精度。此外，该电动微量液体移液器采用毛细管5作为吸取和分配液体的通道，可伸入一些小孔径容器进行吸液，减小残余液体体积。

实施例六：

在本申请实施例公开的技术方案中，不同尺寸的可变形管4和毛细管5的流阻不同，而位移致动器作用区上下两端的流阻比对能否产生液滴以及产生液滴的体积有很大影响，当毛细管内径为0.4mm时，位移致动器作用区上下两端的流阻比必须大于0.101才能顺利产生液滴，当毛细管内径为0.6mm时，位移致动器作用区上下两端的流阻比必须大于0.205才能顺利产生液滴。

为了满足不同的液滴体积需求，本申请上述实施例公开的技术方案中，由储液池3、可变形管4和毛细管5组成的移液吸头以可拆卸方式安装在位移致动器6上，可通过更换不同尺寸的可变形管4和毛细管5来改变位移致动器作用区上下两端的流阻比，进而调控产生液滴的体积，同时，也可通过更换移液吸头来避免样品的交叉污染。

实施例七：

如图8所示，一种高精度电动微量液体移液器的使用方法，包括以下步骤：

第一步：如图8中①所示，将安装在位移致动器6上的移液吸头通过硅胶软管连接到电磁阀2的第二端口，硅胶软管和电磁阀的端口采用过盈配合，由于电磁阀2的端口为锥台形，且硅胶软管具有很好的弹性，因此，能起到密封作用。

第二步：如图8中②所示，将毛细管5的末端伸入到要吸取的液体中，通过控制系统7向电磁阀2发出开关信号，使电磁阀2处于上电状态，第一端口和第二端口相连通，使得微泵1与储液池3连通，然后通过控制模块7向微泵1发出预先设定好的电信号，使微泵1工作在所设定的工况，在微泵1形成的负压作用下，液体从毛细管5被吸入储液池3内，如图8中③所示。当吸取的液体体积达到预设体积后，控制模块7发出控制信号使微泵1停止工作，电磁阀2断电，第二端口和第三端口相连通，使得储液池3与大气连通，便于顺利打印出液滴，由于毛细管5喷口的内径足够小且其端面具有疏水效果，在储液池3中的液体具有自锁特性，即在只受自身重力的情况下，储液池3中的液体不会流出。

第三步：如图8中④所示，通过控制模块7向位移致动器6发出预设的脉冲信号，脉冲信号的数量决定了产生液滴的数量，脉冲信号的频率决定了产生液滴的频率，脉冲信号的幅值和脉宽决定了产生液滴的体积。可变形管4在位移致动器6的连续快速挤压下，会从毛细管5的喷口连续喷射出液滴。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种高精度电动微量液体移液器，其特征在于，包括：

用于提供动力的微泵(1)，所述微泵(1)通过软管与电磁阀(2)的第一端口连通；所述电磁阀(2)的第三端口与大气环境连通；

移液吸头，所述移液吸头包括用于存储液体的储液池(3)，所述储液池(3)通过软管与电磁阀(2)的第二端口连通；所述储液池(3)的下端安装有可变形管(4)；所述可变形管(4)的下端安装有用于吸取和分配液体的毛细管(5)；

用于驱动分配液体的位移致动器(6)，所述位移致动器(6)包括位移放大机构和压电堆栈(606)；所述位移放大机构为“A”字形结构；所述位移放大机构的尖端中间设有一弧形夹槽(605)；所述可变形管(4)设置在弧形夹槽(605)中；

所述位移放大机构的另一端安装有一压电堆栈(606)；所述压电堆栈(606)驱动夹槽(605)对可变形管(4)进行夹紧或放松操作；

用于控制装置运行的控制模块(7)，所述控制模块包括单片机和放大电路；所述单片机控制微泵(1)、电磁阀(2)和压电堆栈(606)的运行，所述单片机输出的电压信号通过放大电路放大后输出至压电堆栈(606)。

2.根据权利要求1所述的一种高精度电动微量液体移液器，其特征在于，所述微泵(1)采用微型气泵或微型柱塞泵或微型注射泵。

3.根据权利要求1所述的一种高精度电动微量液体移液器，其特征在于，所述可变形管(4)和毛细管(5)采用薄壁玻璃管或高分子材料管。

4.根据权利要求1所述的一种高精度电动微量液体移液器，其特征在于，所述可变形管(4)和毛细管(5)共同组成液体通道，所述可变形管(4)和毛细管(5)为一体管或组合管。

5.根据权利要求1所述的一种高精度电动微量液体移液器，其特征在于，所述毛细管(5)的端面涂覆疏水试剂进行疏水处理；所述毛细管(5)为等截面管或变截面管；所述毛细管(5)的外径为1-2mm；所述毛细管(5)的内径为0.2mm-0.8mm。

6.根据权利要求1所述的一种高精度电动微量液体移液器，其特征在于，所述位移放大机构包括横梁(601)和两连接杆(604)；

所述横梁(601)的两端分别连接在两连接杆(604)的中间处构成“A”字形结构。

7.根据权利要求5所述的一种高精度电动微量液体移液器，其特征在于，所述横梁(601)的中间并排设有若干定位孔(602)，所述定位孔(602)与螺栓配合进行固定。

8.根据权利要求5所述的一种高精度电动微量液体移液器，其特征在于，所述横梁(601)的两端通过柔性铰链(603)与连接杆(604)连接。

9.根据权利要求5所述的一种高精度电动微量液体移液器，其特征在于，所述压电堆栈(606)一端固定在连接杆(604)的端部侧面，所述压电堆栈(606)另一端安装有一半球形陶瓷头(607)；所述半球形陶瓷头(607)与另一连接杆(604)的端部侧面接触。

10.根据权利要求1所述的一种高精度电动微量液体移液器，其特征在于，所述单片机(7)输出脉冲信号控制微泵(1)的工作状态；所述单片机(7)输出开关信号控制电磁阀(2)三个端口的接通状态；所述单片机(7)输出脉冲信号控制位移致动器(6)的工作状态。

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