CN1152749C - 一种向基片上分配液体试剂的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种精确而准确地将不同所需的试剂(130)模式分配一个基片或其它的接收表面或容器(111)上。本发明提供了一种高速“自由式”分配模式以用一种图形位图文件来分配不同的由操作人员提供的所需的试剂模式。该分配装置(108)包括一个响应第一信号(182)的分配头(128)以将液体试剂(130)液滴分配到一个基片(111)之上。基片(111)或分配头(128)由一个板或者载运台(112)相连接。板(112)响应第二信号以提供在基片(111)和分配头(128)之间的相对的X，X-Y，X-Y-Z移动。一个控制器(114)，被用于接收代表所需试剂模式的数据，以输出和调节第一和第二信号(182，113)来引发基片(111)和分配头(128)之间的相对移动，同时，还引发分配头(128)在一个或多个所需位置上将液体试剂(130)液滴分配到基片(111)上以形成所需的试剂模式。在已知液体试剂(130)的每个液滴(702)的可能轨时，迹控制器(114)还调节在第一和第二信号(182，113)之间的相滞后或导向以补偿在基片(111)和分配头(128)之间的相对移动量。另外可选择的，也可为分配头(128)连续提供一个直流液体源，如正向排液泵(120)以精确调整提供给分配头(128)的液体试剂(130)的流量和流动速率。

Description

一种向基片上分配液体试剂的装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种用于将化学试剂和其他的液体分配到基片上的装置和方法，以形成诊断试验带或临床测试带，特别是涉及一种适合用于高速精确的将高-密度“点”阵和其他的图形分配到高密度微井板或其它的接受表面或容器上的分配装置和方法。
背景技术
医务人员对各种体液所做的临床试验是在对各种疾病和医疗情况进行医学诊断和处理方面存在已久且切实可行的工具。由于医学的进步已经为诊断和处理疾病带来了许多新的方法，使得现在这种试验变得非常复杂。
对各种疾病和医疗情况的早期筛分和诊断进行临床试验的常规应用当中，急需将其试验程序简化，使得这种试验无需高技术人员或者无需医务人员亲自进行操作以从中获取与生理相关情况方面的信息。这种试验也许需要保健专家的会诊。现在的这种程序包括葡萄糖试验、排卵试验、血液胆固醇试验、以及对于尿液中的人类绒膜促性腺激素的出现所作的试验、现代家庭妊娠试验。另外的临床试验程序已经发展到了基因筛选或基因试验，以用于研究或医学诊断。例如，这种研究或筛选可能通过在一个高密度微井板上对许多单独的液体样品液滴所作的平行试验来进行。
一种在临床化学中最常用的工具是试验带或量尺。这些工具的特点在于成本低廉、使用方便。尤其是，试验带是放在与液体样品接触的位置上的。在试验带上含有不同的试剂，这些试剂可与样品中出现的一种或多种分析成份进行反应以产生可检测的信号。
大部分的试验带是可产生颜色的，即：样品中的预定的可溶成份与一种特殊的试剂相互作用，从而或者形成一种具有某种独特颜色的化合物以作为这种成份是否出现的定性指示剂，或者形成一种具有不同颜色强度的彩色化合物以作为这种成份含量的定量指示剂。这些信号可以通过视觉或一种特殊的校准仪进行测量或检测。
例如，用于测定尿中的白血球细胞、酯酶或蛋白酶的出现或浓度的试验带，使用了一种在酯酶或蛋白酶的水解作用下可产生乙醇产物的产色酯。这种完整的产色酯具有一种与乙醇水解产物不同的颜色。由此，通过产色酯的水解所产生的颜色变化，提供了一种用于检测酯酶或蛋白酶出现的方法，另外，这种变化与白血球细胞的出现或浓度也是相关联的。这种颜色过渡的程度和强度与尿中的白血球细胞或HLE的数量相一致。这可参考美国专利：U.S.Pat.No.5,464,739。
作为临床试验和保健的组成之一，这种诊断试验带和其它的临床筛分方法的出现和普遍接受，已经促进了许多高质量的诊断试验带和临床筛分产物的发展。而且，这种产物的范围和可效性可能在将来会大幅度地增加。
由于试验带被用于提供定性和定量检测，因此对于提供在试验带基底上试剂的布置和分配的准确性和一致性是极为重要的。化学反应通常很敏感，好的医学实践要求这种试验系统尽可能地极为准确和精密。当使用自动系统时，对于确保试验带的可靠性以及测试的定量准确性是特别重要的。
在某些情形下，必须或需要对试验带上的试剂提供精确的模式或点阵(或者是相邻的，或者是不相邻的)，包括不同的试剂和/或试剂浓度。例如，一些实验带提供了多个试验区域，这些实验区域被有序地排列成一个数组，以使得只用一个试验带可以进行多种试验。例如，美国专利U.S.Pat.No.5,183,742公开了一种可以在一个单一体液上同时进行各种试验的具有多个并列检测区域的实验带。比如，这种实验带可用于测定一个单一血样的葡萄糖、蛋白质的水平和PH值。
当使用这种模式(尤其是重叠和/或复合模式)时，将这种模式精确而重复地置于每一基片上以使得它们可以向一个试验样品进行精确记录和/或将其它的试剂模式精确而重复地置于同一或另外的交配基片或罩幕上就显得极为关键了。当使用自动采-放(吸-吐)液体操作系统时，也需要精确记录。但是重复地将试剂或其它的液体以这种精确的方式分配到基片上是一项要完成的高难度的工作。要考虑到试剂的粘度和其它流体性质、与基片或其它试剂(从一种试剂到另一种试剂、甚至从许多的同种试剂到同种试剂之间)的反应性。通常很难于控制分配装置以形成具有一致的试剂浓度或其它所需特征的锐线或其它的几何形状。尤其难于将试剂模式精确而准确地置于相同或不同的基片上。这主要归因于试剂和基片的性质。
目前有效的分配方法和设备受到它们所能提供的精确性和准确性程度的限制，尤其是受到一种高速生产规模的限制。例如，传统的试剂分配设备包括一个安装在一个程控的X，X-Y或X-Y-Z板或载运台上的螺线管阀分配头。板的移动与分配器的操作相协调，以使得分配器可以在由X-Y板的X轴和Y轴的位置所定义的基片上的任一位置上分配一或多种试剂或其它液体的液滴。在操作中，X-Y板移动基片或分配头到所需的位置然后停止，此时分配器被引发，在所需位置上分配所需量的试剂到基片上。当完成每一分配操作过程后，X-Y板就移到下一个位置重复进行，直到完成这一模式所必须的所有位置的分配操作。
由于系统的调整时间大于完成每一周期所需的时间，因此这种X-Y板在每次分配操作之后的停止和开始过程是比较耗时的。每次板被导向停止在所需位置时，由于要消耗系统的调和能量，板或载运台需要静止一定时间。根据载运台的质量和其它的系统特征，这种调整时间有时可能有几百微秒长或更长。当只分配少量的点或分配位置时，这种延滞时间很不明显，但在使用可能包含成千上万个点或分配位置的复杂或高密度试剂模式时，这种延滞时间就极为显著了。这就会严重限制这种设备的生产速度和产量。
从精确性和准确性的观点来看，传统的“停-走”式分配设备和方法也是不理想的。当在每一分配操作之前用统计学来测定要分配的合适的调整时间时，在该系统中可能存在许多不易被预测或被控制的差异。例如，由于不平整性或润滑性，X-Y板在某一位置或其范围之内具有不同的阻尼系数。在这种情形下，在某些分配位所分配的调整时间就可能太短而使得系统不能完全静止，从而不能保证精度和准确度。但是，增加所分配的调整时间只能降低产率，甚至不能保证该系统的其它差异或者统计差异不会遭受相同的退化效果。
通常，在X-Y板或载运台中有一些滞后效应(如由于过度磨损引起的)，这时使用“停-走”式分配方法就会引起分配台具有更大的不精确性。这是由于当载运台停在某一特定X-Y位置时，载运台可能会过冲并停止在一略微不同的位置上，当然，过冲幅度依赖于载运台停止前的运动方向和速度。这种情形会由于重复进行的停-行操作而会更加恶化。尽管通过适当的维护和对X-Y板的控制，一些缺陷可能会得到减缓，但是这也会大幅度增加工作的难度。
即使克服了这些显著的问题和限制，目前的分配设备和方法也常难以用于所需的复杂试剂模式。这是由于为了达到所需的模式，用户必须按照一系列预置步骤和/或分配操作对X-Y板和分配头进行调节和手动编程。这样就比较耗时，也是一种重复工作。
发明内容
本发明的主要目的和优势在于克服以上的一些或所有限制，并提供一种改进过的可以进行精确而准确地将各种所需的试剂分配到基片、微井板或其它的接受表面或容器上的分配装置和方法。准确性和精确性即所产生的模式可用一个被测样品或一个自动“吸-吐”式液体操作系统和/或其它的置于相同或另外的基片或罩膜之上的试剂模式进行精确记录。本发明还提供了一种在具有最小磨损分配设备上的高速分配操作过程中的高精度和高准确度的可能性。本发明还考虑了一种可对大量的使用者自已定义的基片上的模式中的任何一种模式进行分配而无需使用者对分配器或与X-Y或X-Y-Z板相关联的部件进行手动编程的分配设备和方法
根据本发明的一个实施例，所提供的一种分配装置大致包括一个固定或相关联在一个X，X-Y或X-Y-Z板上的分配头；分配头带有一个输入和一个输出端，它响应第一信号以将液体试剂液滴分配到一个基片之上；板响应第二信号以提供在基片和分配头之间的相对的X，X-Y，X-Y-Z移动；一个控制器，被用于接收代表所需试剂模式的数据以及输出和调节第一和第二信号以引发基片和分配头之间的相对移动，同时还引发分配头在一个或多个所需位置上将液体试剂液滴分配到基片上以形成所需的试剂模式；也可为分配头连续提供正向排液泵或其它的方向流流体源以精确调整提供给分配头的液体试剂的流量和流动速率。另外可选择的，在已知分配头和每个液滴的可能轨迹之间的距离时，控制器还可以调节在第一和第二信号之间的相滞后或导向以补偿在基片和分配头之间的相对移动量。
根据本发明的另一实施例，提供了一种高速精确分配装置以将液体试剂分配到一个接收基片之上。该装置通常包括一个分配器，一个可移动的板或者载运台以及一个控制器。分配器响应第一信号以将液体试剂液滴分配到一个接收基片之上；板或载运台响应第二信号以提供在基片和分配器之间的相对的X，X-Y，X-Y-Z移动；一个控制器，被用于接收代表所需试剂模式的数据，并提供第一和第二信号以引发基片和分配器之间的相对移动，同时还引发分配器在一个或多个所需位置上将液体试剂液滴分配到基片上以形成所需的试剂模式；在已知所需的分配位置和每个液滴的可能轨迹之间的距离时，控制器还可以调节在第一和第二信号之间的相滞后或导向以补偿在基片和分配头之间的相对移动量。另外可选择的，也可为分配头连续提供正向排液泵或其它的方向流流体源以精确调整提供给分配头的液体试剂的流量和流动速率。注射器响应一个第三信号，该信号最好与第一和第二信号同步。
根据本发明的又一实施例，提供了一种将液体试剂分配到一个接收基片之上的高速精确分配的方法。该方法包括以下步骤：
1)接收代表所需试剂模式的数据；
2)提供一个第一信号给一个板载运台以提供以引发基片和分配器之间的相对的X-，X-Y或X-Y-Z移动；
3)同时提供一个第二信号给一个分配器以引发分配器在预定的位置上将液体试剂液滴分配到接收基片上以形成所需的试剂模式；以及
4)在已知每个液滴的可能轨迹时，调节在第一和第二信号之间的相滞后或导向以提供所需的微量补偿或补偿在基片和分配头之间的相对移动量。
可选择地，这种方法进一步包括以下步骤：提供一个第三信号给一个泵设备以提供定量的液体试剂给分配器，泵设备是被依次提供给分配器以独立地调整提供给分配器的液体试剂的流量和流动速率。
为了总结本发明的优势，在此列举了本发明的某些目标和优势。当然，根据本发明的个别实施例，也不是必须达到上述所有的目标或优势。例如，熟悉本领域的技术人员将会认识到可能会以一种方式实施而达到或优化在此所述的一种或一组优势而不必达到在此所述的其它目标或优势。所有这些实施例均在在此所公开的本发明保护范围之内。通过对下述带有附图的最佳实施例的细节描述，本发明中的这些和其它的实施例将对于本领域中的技术人员来说变得十分明显。本发明并不局限于所公开的任何特定的最佳实施例。
附图说明
图1是根据本发明具有特征和优势的一个分配设备的实施例的简单示意图；
图2是根据本发明具有特征和优势的一个分配设备的另一实施例的前剖面图，该设备包括一个多头分配器；
图3是根据图1和图2实施例的一个螺线管阀分配头的横剖面图；
图4根据图1和图2实施例的一个正向排液注射泵的横剖面图；
图5是根据本发明的最佳实施例的一个对于试剂分配方法和装置的最初(非稳态)分配体积和目标分配体积之间关系的示意图，该图显示了试剂预压的效果；
图6是根据本发明的一个实施例具有特征和优势的一个将试剂的一个数组或模式沉积到一个基片之上的最佳方法的流程示意图；
图7是根据本发明具有特征和优势的一个用于试剂分配装置的一个控制系统的一个详细的部分循环示意图；
图8是根据本发明的一个实施例具有特征和优势的一个分配装置的操作的最佳模式的简化流程表；
图9A-C是根据本发明的一个实施例具有特征和优势的一个分配装置的操作的最佳模式的更为详细的流程表；
图10A是根据本发明的一个实施例的程控模式线分配的一个实施例的示意图，如用于在一个罩膜或玻璃载片上产生普通点阵模式的示意图；
图10B是根据本发明的一个实施例的同步线分配的一个实施例的示意图，如用于在一个罩膜或玻璃载片上产生高密度点阵模式的示意图；
图10C是根据本发明的一个实施例的同步线分配的一个实施例的示意图，如用于充填传统的微井板；
图10D是根据本发明的一个实施例的非同步线分配的一个实施例的示意图，如用于充填可视微井板；以及
图10E是根据本发明的一个实施例的点阵映射的一个实施例的示意图，如用于向一个载片或基片之上映射一个或更多的微井板。
具体实施方式
本发明所引用的美国专利U.S.Pat.No.5,738,728和U.S.Pat.No.5,743,554首次公开了一种试剂分配装置和方法的概念，为了改善分配操作，这些专利提供了一种与液体分配器(如螺线管阀分配器或压电分配器)相联的正向排液注射泵。注射泵计量预定的流向分配器的试剂的流量和流速，以调整所分配的液体试剂的流量和流速。同时，一个关联X，X-Y，X-Y-Z板被控制以按照与分配器操作的调整关系来移动基片，使得试剂密度可控。例如，根据基片的每单位长度所沉积的试剂体积基本不依赖于这种液体试剂的特定流体特征或分配器的特定操作参数(在给出的范围之内)。
在本发明之前，由于温度和湿度的改变、或流体的粘度或其它性质的变化，会引起在分配操作过程当中产物流速的飘移。这样就会引起大量的不良的试剂覆层浓度或覆盖模式的差异。因此，传统的试剂分配设备要求定时监控和经常调整不同的输入参数，如试剂压力、阀负荷周期和频率等以保持一个合适的输出值。但是，调整这些输入参数中的任何一个以保持一个特定的所需流速，都会影响其它的相关输出参数，如液滴尺寸、滴液速率和频率。因此，通常需要许多尝试-误差调节以达到所需的操作点(假设该操作点是完全可以达到的)。
给分配器顺序安装一个正向排液泵，使得允许试剂的流速和流量可控并独立于所分配的液体的特定流体特征和/或特定的分配器的操作参数，就可以解决上述问题中的许多问题。例如，由一个分配器形成的液滴的尺寸可通过改变操作频率(对于一个螺线管阀或压电分配器)或通过调节气压或出孔尺寸(对于一个气刷分配器)来进行调节，同时还不影响试剂的流速。而且，试剂流速可被控制而无需大量考虑系统操作参数，否则就需要达到稳定的分配操作。所分配试剂的流速和流量由正向排液泵独立控制和调整。通过这种方式，本发明提供了一种不仅是改善过的计量和分配液体的方法，而且还增加了一个前所未有的新的分配操作和控制的尺度。
这些伴随其它的并行发展的早期发明的商业介入和接受鼓舞着人们不断更新发展以追求在试验带或量尺方面更为复杂的应用，如用于高生产量药剂和/或基因筛分、医学研究、以及其它的常规应用。在生产的水平上制作这种试验带的商业可行性也刺激了试验带本身和相关联的临床化学以及临床诊断方面的技术的进步。这些进步又进一步地增强了这种试验带在更为广泛的领域内的家用和临床使用两方面的商业和临床的接受和活力。
本发明通过提供一个高速分配装置和方法以更为精确和可重复地将试剂沉积在一个基片或其它的接受表面或容器上来改善和拓展了以前的工作。所公开的装置和方法在分配复杂和/或试剂的高密度模式时具有特别的商业优势，这是由于它提供了精确的分配“自由式”——即无需交替进行停止和运行X-Y载运台。因此，也可以分配具有更高“点”密度甚至更为复杂的模式而无需显著增加生产时间或操作成本。这些特征和优势是通过结合一个带有一个特殊的适配控制系统的分配器装置来实现的，利用这一装置可通过X-Y板或其它类似平台的移动来精确调整分配操作。
系统概述
图1是根据本发明具有特征和优势的分配装置108的一个实施例的简单示意图。这个分配装置108通常包括一个分配头128，分配头128带有一个由传动装置如螺线管操纵的阀或者其它的分配方式204。分配头128被安装在或相联结在X-Y板或臂架110上。在本领域中的技术人员会明白X-Y板110可能包含一个或更多的定位步进推进器123和124或类似部件，由此可以进行操作以以使分配头128和/或运载台或板112沿X，X-Y，X-Y-Z方向作相对移动(如图所示)。值得注意的是，图中只显示了一个单一分配头128，可以设想，以线性或二维数组的方式同时使用多个分配头可具有相同或更多的功效。这些分配头可以以如图2所示的平行方式(即对应多组操作)或以另外的合适的坐标方式进行工作。
一个正向排液泵或其它的方向流液体源如注射泵120通过一个第一单路检验阀145被液压连接在一个储液容器116上。注射泵120从储液容器116中抽取液体130并通过一个第二单路检验阀145将其输运给分配头128(如图1所示)。注射泵120是通过一个包含一个步进推进器和一个相连的导向螺杆的注射泵驱动器142进行操作的，由此使得活塞118可在注射桶362中伸展和收缩。熟悉本领域的技术人员会明白，当活塞118收缩时，试剂130从储液容器116中被抽入注射泵120中。当活塞118再次伸展时，试剂130被迫从注射桶362中通过输运管150流入分配头128内，然后由分配头128以液滴131的形式喷射到基片111上。
控制器114监督泵120、X-Y板110(或X，或X-Y-Z板)和分配头128的操作。特别是，控制器114调整和控制步进推进器123和124以及注射泵驱动器142的每次移动，另外可以开启和关闭阀204以在基片111上的一个或更多的预定的位置上精确分配适量的试剂。如上所述，这种分配操作是一种“自由式”操作，它无需停止X-Y板的移动。为了调整这种“自由式”分配而不考虑准确性、精确性和重复性，控制114对每一分配周期的阶段调节进行了计算。通过考虑液滴的预期轨道，阶段调节加速或延迟阀的开启和关闭时间，以使分配的试剂131的液滴到达所需的位置上(或到达所需的补偿位置上)。
熟悉本领域的技术人员将会认识到，这种必需的或所需的阶段调节的程度将依赖于大量的系统输入和输出参数以及行为特征(包括所需的微量补偿)、分配头128和/或基片111相对运动的速率或加速度、分配液滴的速率、大气温度和湿度、以及其它的一些控制和/或非控制因素。当以上的某些参数或特征值可被隔离研究，那么它们对必要的阶段调节的影响就是完全可以预测到的。然而，本发明期望，对于一给定的生产体系，在生产之前或生产过程中就能够实验测定精确的阶段调节量，以使得在长的生产线中达到高度精确、准确和可重复性。控制器114的结构和操作将结合对图7-10的描述作一更为详尽的说明。
螺线管阀分配器
可使用商用试剂分配器(如气刷分配器、压电分配器、螺线管阀分配器及类似装置)中的任何一种分配器来完成本发明。然而，在通常应用当中，多使用螺线管阀分配器。图3是根据图1和图2实施例中所用的一个螺线管阀分配头128的截面示意图。当选择某一特殊的分配头对于本发明并非关键时，我们发现按照在此所述的技术进行操作时，一种螺线管传动阀分配器128可以产生良好的效果。而且，熟悉本领域的技术人员将会认识到，也存在其它类型的分配器和阀传动装置，且使用时也具有较好的效果。例如，这些分配器可以包括(但不局限于)气刷分配器、压电分配器、流体脉冲分配器、热传动分配器等等。
图3中所示的这类螺线管阀分配器被普遍用于喷墨印刷并且其商品也可从The Lee Company of Westbrook，Connecticut采购到。分配器128通常包括一个螺线管部分202，一个阀部分204和一个喷口部分205。螺线管部分202包括一个电磁线圈206、一个静止轴238和一个可移动柱塞240。静止轴238和可移动柱塞240被安置在一个中空柱状套管241并与之最好形成一定的间隙(至少略微离开套管241的内壁)以形成一个环形通道242，从而可使试剂130或其它的可分配的液体能够在此流动。静止轴238和可移动柱塞240最好是由一种磁铁性物质形成，如铁合金，并隔开成一空隙244。熟悉本领域的技术人员将会希望当螺线管线圈206通电时即可产生一个磁场，由此将柱塞240向上朝静止轴238靠近，进而关闭间隙244并打开阀234。
阀部分204包括一个带有开口254的阀座252，和一个带有阀面258的塞头256以塞封阀座252。塞头256与柱塞240通过电控机械式相连并通过线圈弹簧260被弹性编向阀座252。而且，熟悉本领域的技术人员将会认识到，随着柱塞240的上下移动，阀234将会相应地开启和关闭。而且，阀234的每次开启和关闭，可使液体通过阀口254流出。这样就会形成一种能量脉冲或压力波，并进而引起液滴从喷嘴尖端259的出口261喷射出去。
传统地，带有预定常压的加压液体容器(未附图)被用来迫使试剂或其它的液体在阀234开启时的时间间隔内(运转周期)通过阀口254。以这种方式进行配置以及在可控条件下，这种分配器可能具有尺可能低的如±2％的重复率和约30-35毫微升大小的最小液滴。液滴尺寸将由系统操作参数如储液容器压力、阀的开启时间或工作周期、和所分配试剂的粘度当或其它这种特殊试剂或所分配的液体的流体学特征来进行调节。当然，某个参数，如喷嘴259和喷嘴开口261的尺寸和形状，考虑到液滴的尺寸和重复性，将对于阀的操作特征十分重要。然而，通常液滴的尺寸随储液容器的压力和阀开启时间的增加而增加。
根据本发明的一个特殊的最佳实施例，为螺线管阀分配器128提供了一个正向排液泵120(参考图1)。这种配置方式有以下好处：通过连续水压，迫使螺线管阀分配器128接纳和喷射只由正向排液泵120决定的试剂的流量和流速。例如，注射泵可以一稳定的速率被引导输送流速为1微升/秒的试剂给螺线管阀128。当阀塞头256以给定的频率和工作周期开启和关闭时，一系列的符合所需流速的液滴将会形成。在整个系统中，注射泵起至加压的功能，以确保所需流速而不管分配阀的工作周期和频率。
一种优势在于，在某一操作范围之内，可以简单地通过改变提供给螺线管阀分配器的激励脉冲182(如图1所示)频率和工作周期来调节液滴的频率和/或速度而不影响试剂的流速。当然，也存在达到稳定液滴形成所必需的阀开启时间或工作周期的物理限制。如果相对于流速开启时间过短，压力将会增加，可能会阻止分配器128的正常工作。如果相对于流速开启时间过长，将会减弱下滴过程或者对于每一开/关循环可能会形成不均匀下滴。然而，对于由注射泵120提供的试剂130的给定流速，将会有相应的频率和/或开/关时间或者工作周期，以使在达到所需液滴尺寸和流速下完成稳定分配操作。对于一个给定的生产线，这个范围可通过实验进行测定。
注射泵
如图4所示，一种合适的注射泵120通常包括一个具有预定容积的注射室362和一个柱塞118，柱塞118通过O形圈或类似方式(未显示)而对注射室进行密封。柱塞118与一个带有导向螺纹368的柱塞柄366机械连接，通过该螺纹可将其固定在底座上(未附)。熟悉本领域的技术人员会明白，随柱塞柄366的导向螺纹部分368的旋转，柱塞118将会发生轴向移动，迫使试剂130从注射室362进入到退出管370内。可使用任何一种合适的电机或机械电机来驱动导向螺纹368。最好是，使用带有一个步进电机(图1所示)或其它的递增或连续电机设备的泵驱动器142，以使试剂130的流量和流速可被精确调整。
有几种商用注射泵是可以得到的。有一种注射泵是可从加利富尼亚的Irvine的Bio-Dot公司得到的Bio-Dot CV1000注射泵分配器。这种特殊的注射泵包括一个电控步进电机以通过使用不同尺寸的注射泵来提供精确液体操作。这种CV1000可供以24V的直流电源，并且一是通过一种工业标准的RS232或者RS485的总线接口来控制的。这种注射泵具有3000-24000个步进，尽管在本发明中也使用具有更高分辨率(48000个步进或更高)的泵。具有更高分辨率的泵如压电电机驱动泵，也可用来提供所需的更高精细度。作为替换，计量泵的导向螺纹也被一个压电载片取代，以提供更小的增量和更快的加速/减速特征。也可平行使用多级注射泵，以向分配器输运不同浓度的试剂130和/或其它液体，或者用于在两种或更多种试剂之间的交替分配操作。例如，这种情形可能会用在喷墨印刷(同时使用一个或更多的彩墨或液体色剂)。
柱塞118的行程最好是约260mm。柱塞速率可在0.8秒/笔(最小10个步进，对于低分辨率泵)至1.5秒/笔(最小20个步进，对于高分辨率泵)。笔速的变化依赖于注射尺寸和所用的管。注射量从少于50微升到25毫升，或更多(如需要)。具有50微升到25毫升体积的注射量在大部分的试剂分配使用中都是足够可行的。泵的最小增益排液量依赖于泵的分辨率和注射量。例如，对于一个具有50ml的注射室和12000个步进分辨率的频道，其最小增益排液量将是约42毫微升。最小增益排液量从0.5至2.1毫微升是最佳的，尽管更高的或更低的最小增益排液量未被使用，但也享有本发明所公开的益处。
注射室362可从与生物相容的材料中选取，如玻璃、聚四氟乙烯或Kel-F。柱塞118最好是由纯聚四氟乙烯形成的。参考图1，注射器120通过一个聚四氟乙烯管150被连接在储液容器116和分配头128上，该管直径为1/4英寸(0.64mm)，并提供了路厄式装配与注射器和分配头相连接。如需要，可以使用各种校验阀145，以引导试剂130从储液容器118中流进注射泵120和分配器128。当然，还可使用大量的其它类型的正向排液装置或“方向流”液体源，以体现本发明中的优势。这些包括(例如，无限制)旋转泵、蠕动泵、压入式平板泵，包括水力和电力反馈控制的泵等等。
控制器
图7是具有本发明特征的一个电控制器114的一个可能实施例。在该实施例中所述的控制器114通常包括一个主机CPU或计算机，它与数据存储器的一些形式形成接口。特别是，控制器可大致分为五个基本子系统：主机CPU402、协调控制线路404、存储和逻辑线路406，注射停止计数电路408，阀点燃电路412。这些子系统以虚线依次表示在图7当中，并在下文进行详述。熟悉本领域的技术人员会明白，每一子系统都是和其它的子系统的协作而同时控制坐标步进电机123和124、注射泵电机142和螺线阀分配器128(图1所示)以达到所需的分配效果。
主机CPU
一个主机CPU402被用作中心控制器，而且它是控制器114和用户之间的接口。它允许操作人员输入分配数据并且控制(独立地或同时地)分配装置108的每个方面(如图1所示)。
在些所述的特殊实施例中，主机CPU402通常包括一个带有一个存储槽或可插电路板的适配总线的80×86或者奔腾计算机。电路板或“控制卡”包含如图7所示的四个系统。控制卡被安装在或插入到计算机总线上以提供数据传输和指令通讯传达。主机CPU402还为控制卡提供电源，并进一步使操作者访问、程控和控制控制卡的功能。进一步期望，主机CPU402含有一些适当的与主机和控制卡适配的计算机软件以方便在此所述的系统操作。
最好，显示器和数据输入方法被集成在CPU402上，由此提供输入数据给存储器或装在控制卡上的静态RAM数组414的方法。熟悉本领域的一般技术人员都已知道，键盘、鼠标、跟踪球、光笔、电容接触屏、计算机存储媒介均是可接受的数据输入方式。类似地，彩显屏幕提供了一种适当的显示方式。使用一种数据录入装置，如键盘，操作者可以用数据数组或图像位图的方式将数据输入到主机CPU402中，由此指导电子控制器和所需试剂模式和特征的分配装置。传统的计算机软件能可能比较便于通过主机CPU402向控制卡的存储器414输入数据数组或位图。
在此所述的特殊最佳实施例中，控制卡与PC-AT仿制计算机(即：80×86或者奔腾计算机结构)相适配。控制卡形成因式，总线配置与PC-104格式匹配，因此可以在一块电路板上快速而廉价地进行电路设计。在如上所述的特殊最佳实施例中，主机CPU402使用了一个Motorola 68332处理器以作为微处理器。然而，熟悉本领域的技术人员会明白，其它的计算机系统和主机CPU也可使用并具有同样的优势。
对于本发明的使用目的，总线包括一个电力连接，由此可进行数据交换，如地址信息、数据信息、和/或指令。本发明包括一个装有地址信息的地址总线416和一个装有数据信息的数据总线418。数据总线418和地址总线416与存储器和逻辑线路406相连。具有优越性地，数据总线418和地址总线416都是双向的，由此可以允许在控制卡和存储器以及逻辑线路406之间的数据传送。控制器114可以将从控制卡中得到的状态信息显示在主机CPU402的显示器上，并可将信息写入给一可长永保存的一个数据文件中。熟悉本领域的技术人员会明白，也存在其它类型的携带电子信息的电力连接，并为本发明所完全关注其使用。
存储器和逻辑线路
与主机CPU402连接的是一个线路网，在此是指存储器和逻辑线路406。通常，存储器和逻辑线路406存储用来定义分配模式和特征的数据。需要时，也可使用其它的硬线逻辑线路，如计量器424和和多路传输器426以解析分配数据给控制器114的其它子系统或者加速信息处理和控制数据。
尤其是，存储器和逻辑线路406通常包括一个电子存储器414以保存有关试剂130分配参数的数据、一个三态缓冲区420、一个等分器422、一个地址计数器424、一个多路传输器426和各种逻辑线路以确保电子控制器114的正常工作。三态缓冲区420通过数据总线418与主机CPU402相连接，并将CPU与控制卡隔离。缓冲区420是用来迅速接收和保存数据以进一步增加数据传输速度和释放数据传输操作的主机CPU402。反之，三态缓冲区420与一个存储器模块401相连，最好是一个随机存取存储器数组。三态缓冲区420也和静态随机存取存储器数组414的的输出线相连，以直接控制注射电机142和螺线管阀分配器128(如图1所示)。
静态随机存取存储器数组414包括一个电子存储器，通过它可以通过三态缓冲区420以数据数组的方式保存从主机CPU402发出的数据。数据数组414定义试剂130分配模式。较优越地，访问对应于一个数据数组地址的数据数组414中的每一个值，从而可以访问数据数组414中的每一个值。
一个2∶1多路传输器426通过地址总线416与主机CPU402相连。2∶1多路传输器426允许操作人员选择两个输入途径中一个以传给输出口。多路传输器426有两个输入端：一个第一输入端是与计数器424的输出端相连的，一个第二输入端是与地址总线416相连的。在最佳实施例中，在稳态操作过程当中，多路传输器426从主机CPU402或从存储器和逻辑线路计数器424的输出端提供一个数据数组地址。熟悉本领域的技术人员会明白，当多路传输器426经过计数器输出端到静态RAM数组414时，地址通过一个步进控制芯片输出的方式自动增加。步进控制芯片430的输出被较好地用作控制器的主时钟，并因此使系统108进行同步操作。下面更为详尽地叙述步进控制芯片430。
计数器输出424提供两个输入端中的一个给多路传输器426。熟悉本领域的一般技术人员都知道，计数器424包括一个数字逻辑线电路，它可以记录输入脉冲以产生一个二进制代码，该代码在每次输入脉冲下通过一个预定值(最好是1)进行增或减。这种二进制代码提供下一地址以从数据数组中检索数据。由此，计数器424的作用是增加数据数组414的地址。计数器424最好是一个复位电路，从各种寄存器和逻辑电路428提供一个复位线以复位计数器424。计数器424可以通过一个从主机CPU402来的中断自动或手动地被复位。
等分器422的输出提供输入给计数器424。等分器422在接收到N个输入脉冲后提供一个输出，其中N是激发一个输出脉冲所需的输入脉冲的个数。如果需要，等分器422可以进行调节，以使N值可由操作人员进行设定。因此，这种分配装置的分辨率可以通过由步进控制芯片430和所设定的N值所得到的脉冲输出个数来进行控制。熟悉本领域的一般技术人员都知道，等分器422用一种计数器线路的形式很易于完成，其中计数器线路在接收到一定量的输入脉冲后输出一个脉冲。等分器422的输入是由步进控制芯片430提供的主时钟信号。如下所述，等分器422也为注射终止计数电路408和阀发射线路412提供输出。
从静态随机存取存储数组414出来的双重输出线与每个注射终止计数电路408和阀单射电路412相连，这将在下文详述。熟悉本领域的一般技术人员都期望静态随机存取存储数组414的输出定义所需的注射电机增益和阀脉冲延续时间，且通过地址计数器输入顺序递增。
为方便操作，各种寄存器和逻辑电路(如在步进428中所示的)均与上述元件集成。熟悉本领域的一般技术人员都知道，不同的逻辑线路和存储寄存器428被合理地散布于在此所述的元件之间。另一方面，在些所述的电子硬件易于通过使用适当的软件得以体现。
坐标控制线路
利用坐标控制线路404可将分配头128(如图1所示)移至每一所需位置。图7仅仅显示了对于X-轴移动控制的线路，熟悉本领域的一般技术人员都知道，为便于对X-Y板的操作，在本发明中，对Y轴驱动控制也是所能预料的。在其它的实施例中，控制器114也可以包括Z轴移动以适应X-Y-Y板。沿Z轴移动这一额外的系统控制是通过调整分配头128和基片111(如图1所示)之间的距离来完成的。
坐标控制线路404通常包括一个步进控制芯片430、控制逻辑电路446和一个轴向传动驱动器448。下文将作更详尽的描述，其中，坐标控制线路404提供输入值给储存器和逻辑线路406的等分器422。坐标控制线路404也提供对一个轴向步进电机123(如图1所示)提供控制并输入到注射终止计数线路408和阀激活线路412。
步进控制芯片430产生一个常量步进脉冲输出。这种步进脉冲具有两个目的。首先，步进脉冲提供一个控制信号给轴传动驱动器443，该驱动器进而激发步进电机123；步进电机沿X轴方向控制分配头位置。其次是步进脉冲或一个分离形式，它们作为主时钟脉冲蔓延整个系统。步进控制芯片430是一种常用的操作步进电机。在此所述的最佳实施例使用了一种可从Nippon Pulse公司购到的Nippon Pulse PCL-240AK产品，尽管也可以使用其它的目前可得到的传动控制芯片。
现在我们对坐标控制线路作以更为详尽的描述。步进控制芯片430具有两个输出：一个是步进脉冲输出450，另一个是方向信号输出452。第一个输出即步进脉冲输出450至少连接到一个逻辑电路上以调整步进电机123的操作。在本实施例中，逻辑电路包括一个双重输入AND门446。AND门446的一个输入从步进控制芯片430连接到步进脉冲输出450上。一个轴允许线453连接到AND门446的另外输入端。轴允许信号(当较高时)，允许步进脉冲输出传播至AND门446的输出。如上所述的存储器和逻辑线路406这个轴允许信号给AND门446，从而提供停止分配头128运动的方式，这种方式或者是通过数据数组自动进行，或者是通过主机CPU402手动进行。
步进控制芯片430的第二输出(传动方向控制信号)是在一个方向控制线452上提供的，是用来控制X轴步进电机123的方向。载有传动方向信号的传动方向线452直接连接至轴传动驱动器448上。步进传动方向信号也被输送给注射停止计数线路408(将在下面更为详细地介绍)。改变方向线的状态或逻辑电路水平将改变X轴步进电机123的方向。在此，本发明较有优势地提供了一种双重方向印刷装置，如上所述，该装置可以加速分配操作。
一个轴传动驱动器448从AND门446和步进控制芯片430接收输出信号。轴传动驱动器440是一种由正常逻辑电路水平信号控制的电子设备，该信号与逻辑电路水平输入信号相关联进入到一个特定的输出，该已增加了驱动一个步进电机的流源能力。熟悉本领域的一般技术人员都知道，许多传动驱动器都是可行的，都能够满足本发明的需要。
轴传动驱动器448被提供给X轴步进电机123。步进电机123控制分配头128与基片111的相对移动(如图1所示)。最好是，步进控制芯片430、轴传动驱动器448和步进电机123具有大于约100个步进/线性英寸(40个步进/厘米)的分辨率，更好的情况是大于约500步进/线性英寸(200个步进/厘米)的分辨率，甚至超过700个步进/线性英寸(300个步进/厘米)的分辨率。
注射停止计数线路
注射停止计数线路408根据从步进控制芯片430和存储器和逻辑线路406接收到的信号控制注射器120的信号。注射停止计数线路408包括控制逻辑电路、一个注射线路等分器455、一个注射线路计数器456和一个注射传动驱动器458。具有优势地，注射停止计数线路408与控制器114的其它的子系统同步以确保精确地同时地控制整个注射传动驱动器458。
控制逻辑电路为得到对整个注射系统进行手动控制提供了方法，它包括一个方向控制NOR门460，该门具有两个输入端，第一输入端与步进控制芯片430的方向线452相连，第二输入端与一个注射方向反向线462相连。尽管未附，注射方向反向线462与存储器和逻辑线路406相连，并将在下文进行详述。方向控制NOR门460的输出与注射传动驱动器458相连。根据进入NOR门460的信号，注射传动驱动器可用来改变注射步进电机142的方向。具有优势地，注射驱动器142是双向的，由此可以提供将液体吸进注射器120或从注射器120中排出液体的方式。例如，根据包含在静态随机存取存储数组414中的数据，可提供注射方向反向信号，并由此根据起初的程序进行操作。
如果在步进芯片430的方向倒转，那么注射柱塞118的移动(如图1所示)也会翻转方向。然而，在静态随机存取存储数组414中的阀也会存在以确保双向印刷，即当步进电机123改变时，在方向反向线462上的信号的水平发生改变。反之，操作人员可以通过主机CPU402经过方向反向线462而手动控制注射器120的方向(如图1所示)。手动控制整个注射器120(如图1所示)提供抽取、分配、或充填注射器120的能力以达到独特的非自动分配操作。
注射停止计数线路408也包含一个注射线路计数器456。注射线路计数器456决定在一个分立的分配操作过程中要提供给注射电机的脉冲的次数。在本发明实施例中，注射线路计数器456带有三个输入端465、466、467和一个输出端464。第一输入465接受从静态随机存取存储数组414中获得的注射增益值。注射增益值是注射电机142(如图1所示)在某一目标位置上将要移动的步进次数。第一输入466接受从存储器和逻辑线路等分器422得到的等分器422的输出值。等分器输出值是作为注射线路计数器456的主时钟，由此使得向等分器输出的每一上升脉冲的计数器输出同步化。计数器的第三输入467是用来监测到达注射传动驱动器458的脉冲并由此以递减计算在计数器的值。因此，注射线路计数器456从数据数组得到一个值，在这种情形下，注射器120的步进次数增加，并响应主时钟信号的上边缘，向输出454提供一个相同的脉冲次数。
计数器456的输出454输送以注射停止计数线路408的三个逻辑网络。通常，这种逻辑网络使带有位置步进电机123的注射器120的操作(如图1所示)同步化并为用户提供手动控制以禁止注射操作。逻辑网络提供一个过载OR门470、一个AND门471和一个注射禁止器AND门472。注射器过载OR门470具有一个与上述计数输出454相连的第一输入端。注射器过载OR门470具有一个与注射器过载信号线474相连的第二输入端，由此提供手动操作注射电机142的方式。在静态随机存取存储数组414中的数据数组可能提供注射过载信号，或在手动方式时，通过存储器和逻辑线路406提供注射过载信号。
注射器过载OR门470与一个AND门471的第一输入端相连。AND门的第二输入端直接连至步进控制芯片430的输出端上。AND门471允许注射电机或者通过注射器过载信号传播，或者根据值在自动操作过程中通过静态随机存取存储数组414传播。AND门471的输出连接到一个注射禁止器AND门472的第一输入端。注射禁止器AND门472的第二输入端包括一个注射禁止信号线476，它提供中止对注射电机142进行操作的方式。在静态随机存取存储数组414中的数据数组提供注射禁止信号，或者在手动控制分配时，主机CPU402提供注射禁止信号。
注射禁止器AND门472的输出值进入一个注射线路等分器455。这个注射线路等分器455与上述在存储器和逻辑线路406中的等分器相一致，就不再详细描述。当N值决定系统的分辨率时，等分器455对输入脉冲的每个N值均提供一个输出脉冲。等分器455将其输出提供给注射线路计数器467和注射传动驱动器458的输入。
注射传动驱动器458主要根据前述坐标控制线路404的轴传动驱动器448的原则进行操作，在此不再详述。
值得一提的是，为螺线管阀分配器128(如图1所示)连续地提供一个正向排液泵120具有这样的好处：迫使螺线管阀分配器128接纳和喷射只由正向排液泵120决定的试剂的流量和流速。关键是，注射泵对于整个系统起到推动作用，以确保能够保持所需的流速而不管分配阀的工作周期、频率或者其它的操作参数。这在静态操作中是完全正确的。
然而，对于非静态操作，如在开始起步或间歇分配操作时，由于在水力系统中的水力“电容效应”、小气泡的泄露或沉淀，在供应线150中可能会出现瞬变压力的变化。这些压力变化可能会引起所分配液体的流速的瞬变或间歇变化。例如，图5中线910示意了由对分配装置的开始起动操作引起的瞬变分配效果。为补偿这些变化并确保在开始起动和间歇分配操作过程中的一致性分配操作，本发明中的控制器较好地提供了在开始起动操作之前的供应线150的预压化。
例如，可通过预压化可通过以下方式实现：为了在线150内建立压力，可在阀204(如图3所示)关闭时推进注射器120至所预定的稳态水平。相应地，当阀开启时，试剂130在所需的目标或以所需的稳态速率或速度退出。对于一给定的生产线，达到以稳态操作所需的预压化的量可由实验测定。例如，图5示意了预压变化对开始起动间歇分配操作的影响。熟悉本领域的技术人员会明白，其它的压力补偿技术如压力传感器、时域补偿、注射排液补偿等也有效果。
阀激活线路
阀激活线路412控制分配头128使之与分配装置108(如图1所示)剩余子系统相一致进行同步化操作。在本实施例中，阀激活线路412包括一个阀脉冲计数器480和一个阀驱动器484。阀激活线路412得到两个输入信号。第一个输入信号是从存储器和逻辑线路406获得的，包括一个从静态随机存取存储数组414传来的阀脉冲值。阀脉冲值是阀保持开启时的单击周期的时间或次数。第二输入信号包括从逻辑线路和驱动器422的输出传来的主时钟脉冲。主时钟脉冲是用来使分配装置的其余部分与阀进行同步化操作。脉冲计数器480用于为阀驱动器484提供适当的脉冲延续时间。
具有优势地，这种阀激活线路包括一个参照时钟。参照时钟产生固定延续时间的脉冲。这些具有固定延续时间的脉冲提供了一个可能的时间参照，参照时钟482可确保对分配头128(如图1，3)的精确操作。
脉冲控制器480的输出端与阀驱动器484相连。阀驱动器484从脉冲计数器480接收逻辑电路水平输入信号并提供一个驱动电压以驱动螺线管或其它的类似部件来打开或关闭螺线管阀分配器128(如图3所示)的阀204。相应地，阀驱动器484与螺线管分配器202进行电通讯。
软件/流程表
图8是一个示意对一个分配装置和如上所述的控制系统的基本操作流程表。第一步604包括提供试剂模式和使用要求/参数给控制器。如上所述，数据最好是以表或图的形式进入到数据文件或位图文件中。试剂应用要求定义了分配过程的位置、数量和使用参数。这使得用户可以通过键盘或图形界面进行输入，或者可以直接从存储媒介如磁盘或磁带中读取。在下一步骤608，系统将使用要求翻译成注射排液和阀脉冲延续时间值并在数据数组中排列计算值。
包含在数据数组中的数据类型列于表1。例如，数据数组可能含有将试剂分配在一特定目标位置的控制方式的数据值。因此，每一个数据地址对应于一个目标位置，进而每个目标位置对应许多用来定义该位置分配特征的数值。
                              表1
数据地址 1  2  3  4  5  6  7  8
注射增益值
阀脉冲值
X轴方向
Y轴方向
X轴向速率补偿
Y轴向速率补偿
注射方向转向
注射过载
注射禁止
阀过载
脉冲禁止
试剂温度补偿
试剂流速补偿
每个分配位置的注射排液值和阀脉冲值对应于一个数据数组中的地址。由此，当控制器114(如图1所示)移动分配头128横过基片111时，数据数组中的地址依次增加并进而以这种方式处理完数据数组中的所有值。这就提供了对试剂量的精确控制和将试剂提供给基片111上每个位置的方式。所有这些均是在分配头横越过基片的连续移动过程中同时发生的。
为了包括在分配过程中的特殊的要求、参数或者调节增量，另外的数据处理可能在步骤612中出现。调节可能包括对液体流速、液体温度、分配装置调整、基片成份和其它参数的调节。调节可能还包括分配头对于X轴和/或Y轴移动的速率补偿。例如，如果分配头以高速移动，给定预期轨迹，阀脉冲和注射器必须在所需分配位置之前稍微调整相位以到达所需的目标区域。类似地，更粘的液体可能需要额外的相位调节或者增加阀脉冲时间和注射递增距离，以使得适当量的试剂退出阀。
对于给定的试剂或生产线，许多调节可能是通过实验研究和/或实验性地确定的。例如，为了对分配头的温度、粘度、高度或速度进行调节，可以先通过已知的分配数据或已确定的参数公式或一览表进行粗调。对于给定的生产线再可以进行细调。例如，可通过对分配头编程以在基片上的特定位置上分配已知的横或纵线模式、目标模式和/或类似模式。通过检查所产生的模式，可以作某些调节如相引导或滞后以分配数据来补偿所注意到的误差。实验尽可能重复多次。可选择地，为了提供提供对分配器的调节和实时自动反馈，最好提供传感器如温度指示、粘度传感器、或者其它的传感器。
最后，在步骤616中，控制器按其始位置排列试剂分配头。当分配装置开始工作时，分配头128横穿过基片。现在，控制器114(如图1所示)增进注射器120(如图1所示)，推动螺线管阀分配器128(图1，3所示)并连接增加数据数组地址以提供精确的“自由式”试剂分配。
图9A是根据本发明的一个分配装置的一个最佳操作模式的更为详细的流程示意图。在步骤804，主机CPU402(图7)接收控制一种特殊试剂的分配和分配操作的数据。键盘、硬盘、磁盘、CD-ROM、或其它的数据输入设备都可以提供这种信息给主机CPU402。在步骤812中，主机CPU402或者控制器114也可接收这个N值，通过该值，可均分主时钟信号。通常根据每线性距离“d”所含有的地址目标区域的数目来确定分配操作的分辨率。
在步骤816中，主机CPU402将分配数据传送给电子控制器的静态随机存取存储数组414(图7)。与静态随机存取存储数组414相联系的主机CPU402将数据放入一个数据数组。对于每个目标位置706(图3所示)数据数组包含该分配数据并可通过一个数据地址位置进行访问。如果该信息可用，数据数组还可以包含特殊的控制信息如注射禁止、注射过载、阀禁止、阀过载和步进传动方向和/或不同的调节。
在步骤824中，系统控制器114监控外部感应器和/或操作人员输入。监控外部感应器可以获得其它的信息如液体粘度和/或温度。根据从外部感应器和任何操作人员的最后变化获得的数据，控制器114在步骤820中调节数据数组。例如，如果试剂被测定其温度高于正常温度，则会将阀的工作周期调低以确保排出合适量的试剂。
在步骤832中，步进控制芯片430(图7)通过输出一系列的脉冲开始工作。步进控制芯片430或其它的一些等同的输出器件提供一个脉冲给X轴驱动器448(图7)，由此激发可连续移动分配头128(图1)穿过基片111的X轴步进电机123(图1)。在本发明中，由于步进的高精度，分配头128(图1)假设一个连续稳态移动的位置。在这个特殊实施例中，等分步进控制芯片输出脉冲被用作图7中的控制器114的主时钟。然而，熟悉本领域的技术人员会明白，也可使用其它类型的系统同步器。例如，在此所权利要求的发明是使用计算机软件来实现的，主计算机时钟或一个等分说明也可作为一个同步化信号。
下一步，控制器114的操作分支并循环，表示成包含在虚线范围内的扇区834。在循环之内，系统同时进行以下几个功能：即移动分配头128、推进注射器120、以及打开/关闭阀204(图1，3)。为了完成这项工作，步进芯片430(图7)在数据保存的位置增加数据数组的地址(步骤836)。这就提供了一种自动和顺序地读取数据数组中的数据值。最好是，将数据数组中的数据排列起来以使得系统108可以用一个恰当的模式(顺序地或无序地、连续地或非连续地)来分配试剂130。因此，分配头128将只在基片111上的特定的目标位置分配试剂，该位置是由分配包含在数据数组中的数据指定的。
多路传输器426(图7)和各种寄存器及逻辑电路(图7)读取注射增益值840和阀脉值844。这些值被保存在静态随机存取存储器数组414(图7)中并对于一特定的目标位置706(图6)定义注射器120如何进行及阀保持开启状态的长短时间。然后将注射增益值传送给一个注射停止计数器电路(步骤848)。同时，阀脉冲值被传给一个阀激活电路(步骤852)。由这些电路执行的子程序分别控制注射器120和阀128的操作(两个均显示在图1中)。将在以下对注射停止计数器电路848和阀激活电路852进行详细描述。
注射停止计数器电路848和阀激活电路852之后，控制器114查询其它的X轴数据(步骤854)。如果其它的X轴数据存在，系统返回到步骤836以增加数据数组的地址并重复上述过程。相反地，如果对于某一特殊的行不存在另外的数据，控制器114则暂停步进输出(步骤856)并查询试剂130的其它行需要分配(步骤860)。如果在数据数组中的对应于其它行的数据存在，那么系统增加Y轴移动以使分配头128(图1)前进一行(步骤862)，并返回步骤828以分配试剂130的其它行。
如果没有其它的数据项存在，即在最后行的最后的X位置已经被分配，那么控制器114停止工作。操作人员然后装入另外的基片111(步骤864)并重复分配过程或通过主机CPU 402输入另外的分配模式。可替换地，如果装有自动基片输入(未附)装置，分配装置108(图1)就会在完成该过程之后自动加载另外的基片111。
图98更为详细地描述了对注射停止计数线路408(如图7所示)的最佳操作。如图7中的硬件所示，注射停止计数线路408根据数据数组中的值和控制器114的其它部分的操作来控制注射器120的操作。在操作过程中，从数据数组中得到的注射增益值加载进入注射计数器456(图7)(步骤870)。如果注射增益值是一非零值，计数器456的输出为高端以使注射驱动器开始工作(步骤872)。均分步进芯片输出450(图7)的每个时钟脉冲同时递增注射器120和递减计数器456(步骤874)。以重复的形式，注射柱塞118(图1)移动或前进以增加线150(图1)的压力。
在步骤876中，控制器或主机CPU查询计数器456的状态。如果计数器的值尚未达到零，那么在本实施例中，注射停止计数线路408(如图7所示)保持计数器输出的状态为高端或可工作状态。因此，在下一个均分主时钟脉冲上计数器注射器120递增而计数器递减(步骤874)。可替代地，如果查询步骤测定计数器为零，那么计数器456的输出就不工作(步骤878)，进一步中止注射器120的前进。这样就可以完成对于一个特殊目标位置的注射操作。控制器114的操作返回到图9A。对于在基片111上的每一目标位置706(图3)均重复上述过程。
图9C更为详尽地描述了对阀激活线路412的最佳操作。显示在图7中的硬件里的虚线412即阀点为线路412包括被虚线所包含在内的硬件。在操作过程中，传输的阀脉冲值加载进阀计数器480(图7)上(步骤884)。如果阀脉冲持续时间为零，计数器480的输出进入高端以使阀驱动器484(图7)开始工作(步骤886)。
最好是，阀脉冲计数器480(图7)的运行与参照时钟482(图7)相联系以为阀的工作建立参照周期，该周期是以步进控制芯片430(图7)的时间的单位值来替代脉冲的单位数。这样，数据数组提供关于参照时钟有多少个脉冲的信息，阀204(图3)将会保持开启状态，这对应于时间的周期而非X轴步进电机123(图1)的行过的距离。例如，如果每个时钟脉冲持续0.001秒，那么对于100个参照时钟脉冲均保持开启状态，将会导致阀保持开启状态为0.1秒。
在参照时钟的下一个上升边缘上，阀火线路递减计数器480(步骤888)。这就完成了一个时钟循环。下一步，在步骤890中，对计数器的状态进行查询。如果计数器480的值非零，则阀激活电路412保持计数器输出的状态，即在高端或开启状态。因此，阀204(图1，3)保持开启且计数器480在参照时钟脉冲的下一上升边缘递减(步骤888)。
可替换地，如果查询步骤890测定出计数器值为零，则计数器480(图7)的输出无效(步骤892)，进而使得驱动器484(图7)无效并导致阀204关闭。这样就完成了对一特殊目标位置706的阀操作。继续按步骤894中图9A所述的方式进行系统的操作。对于在基片111上的每个目标位置706(图6)均重复上述步骤。
在一可选择的实施例中，本发明可配置为完成选择性的试剂分配操作。例如，对于分配头128的连续线性移动，代替配置系统108，该系统也可提供给随机存取基片目标区域的地址。由此，分配装置108就能够在基片111的右上角分配试剂，然后移到左下角分配试剂而不必在任何位置之间进行分配。分配的次序和模式是通过数据数组自动控制或通过主机CPU402(图7)手动控制的。操作人员将会配置数据数组值以创建一个适当的分配试剂130的模式。例如，该模式能够提供一个信号的或结构上的表达方式以指示试验结果，或者在基片111上形成一个可视商标或商业名称。
替换配置
尽管已结合特殊的最佳实施例对本发明作了详细描述，但熟悉本领域的技术人员将认识到，以许多替换配置中的任何一种(如软件基系统)均可以实现本发明。例如，在一个软件基系统中，一个或更多的EPROMs都可以保存计算机代码。每个EPROM都能够连接到一个或更多个微处理器上，其中的每一个均可以连接到一个或更多个驱动器上以提供适当的信号给每个电子机械式驱动器。
可选择地，多路分配器502或者可平行使用(如图2所示)，或者可独立使用。分配头的数组可以一起配置，如间隔成中心距离为4.5mm或9mm，以提供8的数组分配，同时16和64下降和/或以同步调整。图2显示了一个带有多路分配器512的单调输入平台500以操作一种或多种试剂。这种特殊的分配装置配置对于连续网络生产应用具有显著的优势，这是由于一个或多个注射泵512可以交替连续的方式进行操作，其中，允许非分配注射泵从储液容器中吸取另外的试剂，或者它们可以进行配置以互相独立地同时或依次地分配相同或不同的试剂。
根据本发明所构成的一种分配装置也可以被安装在任何一种其它类型的薄膜安置和处理模块。这样的分配平台可以是微处理基的，最好是通过工业标准输入/输出1-0控制器(未附)如RS232界面来进行控制。本发明也适于用单个薄膜带处理模块和连续的卷到卷式处理模块来进行操作。例如，一个单个薄膜带处理模块可以仅仅包括一个用于分配的X轴板移动。卷到卷式平台可能包括一个附有可选择的装置的固定速度薄膜传输以使一个或多个分配器进行移动。也可使用一个干燥烘箱(未附)以增加所需的生产量。
使用与操作
图6显示了一个基片111的示意图，它包括一个放大的图，该图则说明了单个“点”或“液滴”702是如何在基片111上优先排列的。从概念上讲，根据一个可设定地址的目标区域706/线性距离“d”的值，将基片111分割成具有预先设定的分辨率的行(X轴)714和列(Y轴)716。因此，基片111上沿一轴方向移动的等于1英寸(2.54mm)的一个线性距离d，包含100-500或更多个单可设定地址的目标位置。每个目标位置都将对应于许多X轴步进驱动器增益以及许多相对于预先设定相对于预定值“零”位置的Y轴步进驱动增益量。
因此每个目标位置706都有一个特殊的地址，一个控制器可以精确选择特定的靶区位置并分配预定的试剂液滴的量。图6显示了一个相对于基片111的分配移动的最佳模式。该模式较好地减少了完成一个特定操作的时间。在沿第一行执行一个第一线性遍数730时，分配头转向并沿相邻的第二行执行一个第二遍734的操作。与非方向性分配操作相比，这种方向性分配较好地减少了完成分配操作所需的时间。可以看到，对于非连续或间歇分配，控制器将会通过或者相邻地直接和/或邻近地调节下一步所需的目标位置而无需完成每个连续遍数或每个插入的行来发送给分配头以加速操作。
本发明另外的显著优势在于能够以一种更为友好地更易于理解的方式来定义所需的输出数据或试剂模式，如作为一个简单的位图或计算机图形文件。熟悉计算机图形技术的技术人员会明白，位图文件很易于使用任何一种商业软件如PC-PaintTM生成或保存。针对本发明的修改过的图形软件也能够提供输入和记录相关数据，如关于每个特殊的点地址的所需的密度、液滴流速等。使用合适的软件和控制技术，包括位图的数据文件很易于直接下载给一个控制器，该控制器指示分配装置以创建所需的具有特定特征的试剂模式。
上述本发明的使用和操作仅为一个较好的模式。其它的操作模式也可能具有显著的商业和科学优势。下面通过实施例对本发明的其它较佳模式加以说明。
实施例1程控线模式
图10A是根据本发明的一个最佳实施例的分配操作的程控线模式的流程示意图。在这个模式里，可以沿一个线性或线性的模式在不同的位置对相同或不同量的液体的单个独立的点进行分配。这些独立的点可以共线，也可以是不共线的或者甚至是分立的(如果需要)。它们可以是互相间隔开的，也可以是通过一所需的间隔量互相补偿的。例如，这种模式可用于在薄膜或玻璃载片上创建常见的点阵模式。
实施例2同步线模式
图10B是根据本发明的一个最佳实施例的分配操作的同步模式的流程示意图，该模式可用于在薄膜或玻璃载片上创建高密度点阵。这种操作模式特别适合于用一个单头或多头分配器将试剂或其它的液体分配进一个传统的井板数组中(如图10C所示意的)。例如，可能用一个具有1×8分配头阵列的多头分配器充填一个标准的96-井(8×12)井板。分配器将分配12个液滴的8个平行线，每个液滴之间的间距为9mm，线长度为99mm。对于1536-井(32×18)井板阵列，也可使用同样的分配器来分配48个液滴的8个平行线，每个液滴之间的间距为2.25mm，线长度为105.75mm。这种线模式将重复4次以充填井板。
相同的分配模式也适用于分配液滴模式到电子双重感应器数组上。这些通常是用基片上的感应器或电极的印刷阵列制作的。在这种情形下，试剂被分配以匹配感应器模式。而且，这也可以用一个与上述传统的微井板相似的线模式进行。
实施例3非同步线模式
图10D是根据本发明的一个最佳实施例的线分配操作的一个非同步模式的流程示意图，该模式可用于在平基片上以创建一连续的均匀线或用于在一可视微井板内充填井。可视微井板使用了分隔各井的三角尖顶井。当分配一个试剂的一致连续线时，单个液滴从尖端滚入相邻的井内，由此可给出统计学上的准确性甚至充填井。
本发明通过去除通讯及加速/减速问题而改善了分配均匀线的能力。传统的分配系统在形成线的操作过程中遇到在起始和结束时液滴间距缺乏均匀性的问题。而均匀性却是非常重要的，尤其是当分配短线时，这是因为在短线中，每根线的起始和结束控制了整条阵列的质量。这样就会引起无法接受的统计学差异，比如在使用一个可视微井板时。
在线分配操作的非同步模式中，阀分配头和注射泵操作是通过和谐移动步进来产生一系列的液滴。对于移动步进器的每N个步进分配一个液滴。例如，如果移动步进器具有2微米的分辨率，注射泵具有每笔划192000个步进的分辨率，那么用一个100nL的注射器按每0.5mm分配一个20.8nL的液滴，就需要N＝250，M＝40。因此，线性移动的每个单位所分配的液滴量可以得到精确控制。对于同步X和Y移动，如用于形成一个诊断线，只需对分配频率作以简单的调整即可确保得到合适的线性移动的每个单位所分配的液滴量。
实施例4点阵映射
图10E是根据本发明的一个实施例的点阵映射的一个最佳模式的流程示意图。例如，常需要映射(复制或传输)一个或多个微板阵列给薄膜或玻璃载片上的一个高密度阵列。如映射16个具有井中心间隔为9mm的96-井的井板给一个单个具有井中心间隔为100-1000微米的96-井的1536点阵。
可以通过本发明中所公开的几种方法来完成这项任务。在一个实施例中，可使用具有较大液滴间隔的同步线分配模式对具有9mm头间距的8头分配器每个分配头进行连续操作。例如，一种常用的基片是一种标准的25×76mm显微载片。可以在X-Y板上放50个玻璃载片并依次对8个分配头的每个头进行操作以在相同的位置上在每个载片上产生间距为25mm范围内的液滴。另外7个分配头可以以带有少许补偿的线性方式进行连续操作，以在玻璃载片上产生一个8点的阵列，各点之间的间隔在10-1000微米之间。注意，这种操作可用一个分配头一次完成，或者更好地，用所有的8个分配头快速连续(略有延迟)地进行分配以产生所需的线性间隔。通过重复所有16个板的这种功能，并使用合适的补偿，可以将16个井板在每个玻璃载片上映射成一个单1526阵列。在这种情形下，映射将是定位在4×4阵列中的每个96井板的最小型化的复制品。
也可以程控分配器以传输一个或更多个井板阵列进入一个新的或不同的高或低密度阵列中。例如，一系列的二维阵列可以被传输进入一个更大的高密度阵列的行或列中。或者阵列可被倒置或转向。也可以通过以平行同时线模式操作分配头来完成直接的1∶1映射以在每个载片上产生8个间距为9mm的液滴。本发明中的其它的模式和变化的作用和操作对于熟悉本领域的技术人员来说都是很明显的。
尽管本发明已通过一定的最佳实施例进行了公开，熟悉本领域的技术人员仍然明白，对本发明实施例中所作的任何变化和更改、修正或等同替换装置等等均在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围不仅仅局限于本发明所公开实施例所涉及的范围之内，它还保护以下的权利要求项。

Claims (24)

1.一种向基片上分配液体试剂的装置，该装置包括：
一个带有一个输入端和一个输出端的分配头，所述分配头响应第一信号以将所述液体试剂液滴分配到所述基片之上，所述基片和/或所述分配头被固定或相关联在一个响应第二信号的板或载运台上以提供在基片和分配头之间的相对的X，X-Y，X-Y-Z移动；
一个响应一个第三信号的泵设备，用来向所述分配头的输入端提供一定量的所述液体试剂，所述泵设备被与所述分配头依次液压相连，以独立调整提供给所述分配头的所述液体试剂的流量和流速：以及
一个控制器，被用于接收代表所需试剂模式的数据以及输出和调节第一、第二和第三信号以引发所述基片和分配头之间的相对移动，同时还引发所述泵设备和分配头在所述基片上的一个或多个所需位置上将液体试剂液滴分配到基片上以形成所需的试剂模式。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述分配头包括一个以预定的频率和周期开启和关闭的阀，它响应所述第一信号以分配所述液体试剂的液滴。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：
所述阀是通过一个电子螺线管或压电压缩机触动的。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：
对于给定的所述液体试剂的流量和流速，所述阀的频率和工作周期都能被独立地大幅度调节，以产生具有所需尺寸、频率和/或退出速率的所述液滴。
5.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：
所述的直流液体源包括一个正向排液注射泵和一个步进电机，该步进电机用于使上述泵将具有预定增量或流速的所述液体试剂分配给所述的分配头。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于进一步包括一个第二正向排液注射泵，该泵被液压连接于第一正向排液注射泵以提供连续流动能力。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述控制器被进一步用来输出和协调所述的第一和第三信号以在开始分配操作之前完成一个预定的或稳态的分配压力。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述控制器被用来以一种代表一个所需的试剂模式的位图的形式来接收数据。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
其中的第一、第二和第三信号包括具有一个频率和延续时间的电子脉冲。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：
给定液体试剂的每一液滴的轨迹，为了补偿所述在基片和分配头之间的相对移动量，所述控制器被用于调节相对于所述第二信号的所述第一和第三信号的相。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：
为了补偿所述在基片和分配头之间的相对移动量，所述控制器被用于增加相对于所述第二信号的所述第一和第三信号的相。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：
为了补偿所述液体试剂的粘度、附着系数、温度、压力或密度，所述控制器被用于增加或延迟相对于所述第二信号的所述第一和第三信号的相。
13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：
为减少或最少化对于给定的试剂和/或设备的分配不准确性或误差量，通过所述控制器增加或延迟预定量的相对于所述第二信号的所述第一和第三信号的相。
14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：
为提供所需液滴补偿和/或优化分配操作，所述控制器被用于增加或延迟预定量的相对于所述第三信号的所述第一信号的相。
15.一种使用权利要求1中的装置将一种液体试剂的模式分配到一个接收基片上的方法，包括以下步骤：
接收代表所需试剂模式的数据；
提供一个第一信号给一个板载运台以提供以引发基片和分配器之间的相对的X-，X-Y或X-Y-Z移动；
同时提供一个第二信号给一个分配器以引发分配器在预定的位置上将液体试剂液滴分配到接收基片上以形成所需的试剂模式；以及
在已知每个液滴的可能轨迹时，调节在第一和第二信号之间的相滞后或导向以提供所需的微量补偿或补偿在基片和分配头之间的相对移动量。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：
包括以下步骤：提供一个第二信号给一个阀以引发所述阀以一由所述第二信号测定的预定的频率和工作周期进行开启和关闭，以分配所述液体试剂的液滴。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：
包括用一个电子螺线管开启和关闭所述阀的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：
包括以下步骤：在独立于所述液体试剂的流量和流速的情况下，调节所述阀开启和关闭的频率和工作周期，以产生具有所需尺寸、频率和/或退出速率的液滴。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：
包括一个以代表所述所需试剂模式的位图的形式来接收数据的步骤。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：
所述的第一和第二信号包括具有一个频率和延续时间的电子脉冲。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：
包括该步骤：为了补偿所述在基片和分配头之间的相对移动量，增加相对于所述第一信号的所述第二信号的相。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：
包括该步骤：为了补偿所述液体试剂的粘度、附着系数、温度、压力或密度，增加或延迟所述相对于所述第二信号的所述第一信号的相。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：
包括该步骤：为减少或最少化对于给定的试剂和/或设备的分配不准确性或误差量，增加或延迟预定量的相对于所述第二信号的所述第一信号的相。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：
进一步包括以下步骤：提供一个第三信号给一个泵设备以提供定量的液体试剂给所述分配器，所述泵设备是被顺序的和所述分配器液压相连以调整提供给所述分配器的所述液体试剂的流量和流动速率。
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