CN115824736B - 一种微量样品点样头 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种微量样品点样头，涉及生物检测设备技术领域，本申请中的微量样品点样头包括基座，基座上开设有储液腔，储液腔的腔体至少一侧采用压电材料或电致形变体材料或磁至伸缩材料制成，基座上设置有能够驱动内腔壁产生形变从而使储液腔的内部容积发生变化的第一驱动源；基座的端部设有喷头且喷头与储液腔相连通，基座上还设有清洗液压缩气体选择阀和超声波清洗通道，超声波清洗通道分别与喷头以及清洗液压缩气体选择阀相连通。本申请中微量样品点样头满足了精细化和多样化的需求。

Description

一种微量样品点样头

技术领域

本申请涉及生物检测设备技术领域，尤其是涉及一种微量样品点样头。

背景技术

基质辅助激光解离飞行时间质谱（英文名：Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time of Flight Mass Spectrometry，缩写：Maldi-tof）是近年来发展起来的一种新型的软电离生物质谱技术，其无论是在理论上还是在设计上都是十分简洁和高效的。目前基质辅助激光解离飞行时间质谱主要应用在临床方面，尤其是对微生物标本的快速鉴定。在临床感染诊断中，基质辅助激光解离飞行时间质谱被广泛应用于临床常见细菌的鉴定、样本直接检测、真菌鉴定、非结核分枝杆菌鉴定和病原菌耐药性检测等多个方面。因为其原理特性使其更适合测定蛋白质、多肽、多糖、核酸、高分子化合物等大分子化合物。

基质辅助激光解离飞行时间质谱在分析前，先要对检材做前处理，再将预制好的样品逐一点在定制好的靶板上。在低通量检测时，虽然可以采用人工点样，但是人工点样的精度及质量得不到保证，在实现高通量检测时，由于靶点密且小，所以在高通量检测时无法实现人工点样。这些制约了基质辅助激光解离飞行时间质谱在临床检测中的应用。

目前用于微阵列靶板制备的技术有原位萃取、接触式钢针点样和非接触式喷样三种。其中，原位合成方法只适用于制备寡核苷酸微阵列；接触式钢针点样法原理简单，易于构建，是目前较为流行的一种技术，但是样品分配量依赖于钢针预先加工好的尺寸，难于控制，适用性和点样稳定性较差；而非接触式喷样技术则可以控制样品分配量的大小，且具有很好的稳定性，相比于接触式点样法，喷样工作头不需要在阵列制备过程中与芯片基片接触，从而大大提高了制备速度，大大减少了碰撞磨损以及交叉污染的可能性。

相关技术中的非接触式喷样法所用的点样头（喷样工作头）采用活塞或柱塞移动产生的压力形成喷射，控制精度较低，不适用于微量样品（如纳升级）的靶板制备,同时不便于更换不同种类、不同用量需求的样品进行测定。

发明内容

为了满足微量样品点样头的精细化和多样化需求，本申请提供一种微量样品点样头。

本申请提供的一种微量样品点样头采用如下的技术方案：

一种微量样品点样头，包括基座，所述基座上开设有储液腔，所述储液腔的腔体至少一侧采用压电材料或电致形变体材料或磁致伸缩材料制成，所述基座上设置有能够驱动内腔壁产生形变从而使储液腔的内部容积发生变化的第一驱动源；

所述基座的端部设有喷头且所述喷头与所述储液腔相连通，所述基座上还设有清洗液压缩气体选择阀和超声波清洗通道，所述超声波清洗通道分别与所述喷头以及所述清洗液压缩气体选择阀相连通；

所述微量样品点样头还包括控制器和上位机，所述第一驱动源、清洗液压缩气体选择阀和上位机均与所述控制器电连接且通过所述上位机和控制器能够选择控制第一驱动源使储液腔的内部容积发生不同的变化。

通过采用上述技术方案，基质或样品检材做前处理后，预制好的基质或样品能够进入储液腔中，第一驱动源可以通过电流脉冲或磁场脉冲使储液腔内的内腔壁产生蠕动，从而使储液腔的容积发生变化，储液腔内的容积变大时，吸取基质或样品，储液腔内的容积变小时，将基质或样品通过喷头喷射到定制好的靶板上，本申请中的结构能够精准输送基质到喷头，实现适当规模的液滴喷射，形成基质预设，以及与样品预混；并且可以实现几微升到几百皮升的微量喷射需求，适用范围广、精细化程度高。

本申请中可以设置多种检测流程程序，根据需求通过上位机进行选择，从而利用控制器来实现不同的样品喷射模式和喷射量，可对不同种类、不同用量的样品进行测定；不同样品之间进行切换时，还可以通过超声波清洗通道对喷头进行超声波清洗，减少交叉污染的可能性。本申请中的微量样品点样头可以适应各种样品，如：全血、血清、细菌微生物、合成产物等等；可以根据需要实现多种喷射流程，如：先喷基质，再喷样品，又复喷基质等等；本申请中的微量样品点样头可以适应各种通量，如：8个样品位的靶板，12个样品位、24个样品位、36个样品位直至384个样品位的靶板。

本申请中通过设置超声波清洗通道和清洗液压缩气体选择阀，能够实现点样头的自动超声清洗功能，既减少了交叉污染的可能性，又实现了大一些规模样品快速喷射。即通过选择连通清洗液压缩气体选择阀的不同接口，可接通清洗液实现超声清洗，又可以接通压缩气体，快速实现大一些规模的样品喷射。

可选的，所述喷头内设置有能够微量开合的毛细开口结构，所述毛细开口结构采用压电材料或电致形变体材料或磁致伸缩材料制成，所述基座上设置有能够驱动毛细开口结构产生蠕动从而形成开闭动作的第二驱动源。

通过采用上述技术方案，第二驱动源驱动喷头的毛细开口结构产生蠕动，可实现毛细开口结构的微动开合，起到打开或封闭储液腔的作用，从而实现纳升级的吸样和喷样。

可选的，所述喷头的端口处设置有至少一对偏转电极，所述偏转电极的两个极点分布在所述喷头的端口两侧位置；所述偏转电极与所述控制器电连接。

通过采用上述技术方案，在向靶板喷射样品时，喷头的端口与靶板之间具有间隙，喷头与靶板无接触，偏转电极设置在喷头的端口与靶板之间，控制器可以控制偏转电极的电流大小和电流方向，喷射的带电的细微样品滴在经过偏转电极产生的偏转电场中时，在偏转电极的作用下，可以均匀的散布在靶板所规划的靶点上，靶板表面以一种可寻址方式进行微量、定量点样，此时不需要移动靶板和喷头即能够实现多点位样品喷射。

可选的，所述喷头的外端呈圆锥状，所述喷头的内部通道的径向尺寸由靠近基座的一端至靠近外端端口的一端逐渐减小。

通过采用上述技术方案，便于喷头朝向靶板喷射样品，更加精准可靠，也能够便于偏转电场的安装，避免出现喷头与偏转电场相互干涉的情况；同时，喷头内部通道的径向尺寸设计有利于样品的喷射，减少样品在喷头中的残留。

可选的，所述储液腔靠近喷头的一端沿所述储液腔的径向向内延伸并与所述喷头以及所述超声波清洗通道相连通，所述毛细开口结构位于所述储液腔、所述超声波清洗通道以及所述喷头三者连通处。

通过采用上述技术方案，尽可能的缩小样品的流通路径，这样能够提高样品喷射的精准可靠性，同时减少样品的残留，且便于清洗。

可选的，所述超声波清洗通道位于所述基座的中部且贯穿所述基座的两端，所述基座、所述超声波清洗通道以及所述喷头同轴设置；所述储液腔环绕在所述超声波清洗通道外且所述储液腔设置在所述基座靠近所述喷头的一端，所述基座远离所述喷头的一端设置有与所述储液腔相连通的输送通道。

通过采用上述技术方案，整个点样头的空间布局更加合理，结构更加紧凑。

可选的，所述储液腔的腔体远离所述超声波清洗通道的一侧设置有第一压电晶体，所述第一驱动源包括与第一压电晶体电连接的第一压电电源和第一压电驱动器。

通过采用上述技术方案，第一压电晶体在第一压电电源以及第一压电驱动器产生的电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形，从而挤压储液腔的侧壁，使储液腔的容积发生变化，实现微量喷样功能。

可选的，作为另一种替代方案，所述储液腔的腔体远离所述超声波清洗通道的一侧设置有第一磁致伸缩体，所述第一驱动源包括能够与第一磁致伸缩体配合产生作用的第一电磁发生器。

通过采用上述技术方案，第一磁致伸缩体在第一电磁发生器产生的交变磁场的作用下，产生与交变磁场频率相同的机械振动；从而挤压储液腔的侧壁，使储液腔的容积发生变化，实现微量喷样功能。

可选的，所述储液腔的腔体远离所述超声波清洗通道的一侧设置有第二压电晶体，所述第二压电晶体与所述第一压电晶体同轴间隔设置且所述第二压电晶体相对于所述第一压电晶体更靠近所述喷头，所述第二驱动源包括与第二压电晶体电连接的第二压电电源和第二压电驱动器。

通过采用上述技术方案，第二压电晶体在第二压电电源以及第二压电驱动器产生的电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形，从而挤压喷头的毛细开口结构，使喷头的内部通道打开或闭合，实现喷头的启闭功能。

可选的，作为另一种替代方案，所述储液腔的腔体远离所述超声波清洗通道的一侧设置有第二磁致伸缩体，所述第二磁致伸缩体与所述第一磁致伸缩体同轴间隔设置且所述第二磁致伸缩体相对于所述第一磁致伸缩体更靠近所述喷头，所述第二驱动源包括能够与第二磁致伸缩体配合产生作用的第二电磁发生器。

通过采用上述技术方案，第二磁致伸缩体在第二电磁发生器产生的交变磁场的作用下，产生与交变磁场频率相同的机械振动；从而挤压喷头的毛细开口结构，使喷头的内部通道打开或闭合，实现喷头的启闭功能。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.本申请中的微量样品点样头在基座上设置第一驱动源，能够驱动内腔壁产生形变从而使储液腔的内部容积发生变化，进而实现样品的喷射，点样头不需要在阵列制备过程中与靶板基片接触，从而大大提高了制备速度，大大减少了碰撞磨损以及交叉污染的可能性。

2.本申请中采用电场或磁场控制储液腔的腔体形变实现微量样品喷射，可以实现几微升到几百皮升的微量喷射需求；而且容易控制，适用性和点样稳定性好。

3.本申请中通过设置超声波清洗通道和清洗液压缩气体选择阀，能够在不同种类样品更换时，实现点样头的自动超声清洗功能，减少了交叉污染的可能性。

4.本申请中通过选择连通清洗液压缩气体选择阀的不同接口，可接通压缩气体，实现大一些规模的样品喷射；即本申请中的点样头可实现大量液体（清洗液）输送，少量液体（基质）储藏/喷射以及微量样液吸取/喷射。

5.本申请中通过设置偏转电极，可以在偏转电极的作用下，均匀的将样品散布在靶板所规划的靶点上，此过程中不需要移动靶板和喷头即能够实现多点位样品喷射。

附图说明

图1是实施例一中本微量样品点样头的结构示意图。

图2是实施例一中本微量样品点样头的控制流程图。

图中，1、基座；11、储液腔；12、输送通道；2、喷头；21、毛细开口结构；3、清洗液压缩气体选择阀；4、超声波清洗通道；5、控制器；6、上位机；7、第一驱动源；71、第一压电电源；72、第一压电驱动器；8、第二驱动源；81、第二压电电源；82、第二压电驱动器；9、偏转电极；100、第一压电晶体；200、第二压电晶体。

具体实施方式

以下结合附图1和附图2对本申请作进一步详细说明。

实施例1

参照图1，一种微量样品点样头，包括基座1，基座1上分别开设有储液腔11和输送通道12，储液腔11和输送通道12分别位于基座1的两端，储液腔11和输送通道12相连通，即输送通道12的一端位于基座1的一端，另一端与储液腔11相连接，制备好的基质或样品可以通过输送通道12输送至储液腔11中。

参照图1，基座1的端部设有喷头2且喷头2与储液腔11相连通，喷头2的外端呈圆锥状，喷头2的内部通道的径向尺寸由靠近基座1的一端至靠近外端端口的一端逐渐减小，这样便于喷头2朝向靶板喷射样品，更加精准可靠，并减少样品在喷头2中的残留；基座1上还设有清洗液压缩气体选择阀3和超声波清洗通道4，超声波清洗通道4分别与喷头2以及清洗液压缩气体选择阀3相连通；超声波清洗通道4位于基座1的中部且贯穿基座1的两端，基座1、超声波清洗通道4以及喷头2同轴设置；储液腔11环绕在超声波清洗通道4外且储液腔11设置在基座1靠近喷头2的一端，整个点样头的空间布局合理，结构紧凑。

参照图1，储液腔11的腔体外周采用压电材料制成，基座1上设置有能够驱动内腔壁产生形变从而使储液腔11的内部容积发生变化的第一驱动源7；喷头2内设置有能够微量开合的毛细开口结构21，毛细开口结构21外围也采用压电材料制成，基座1上设置有能够驱动毛细开口结构21产生蠕动从而形成开闭动作的第二驱动源8；储液腔11靠近喷头2的一端沿储液腔11的径向向内延伸并与喷头2以及超声波清洗通道4相连通，毛细开口结构21位于储液腔11、超声波清洗通道4以及喷头2三者连通处。

具体来说，储液腔11的腔体远离超声波清洗通道4的一侧设置有第一压电晶体100，第一驱动源7包括与第一压电晶体100电连接的第一压电电源71和第一压电驱动器72；储液腔11的腔体远离超声波清洗通道4的一侧设置有第二压电晶体200，第二压电晶体200与第一压电晶体100同轴间隔设置且第二压电晶体200相对于第一压电晶体100更靠近喷头2，第二驱动源8包括与第二压电晶体200电连接的第二压电电源81和第二压电驱动器82。第一压电晶体100在第一压电电源71以及第一压电驱动器72产生的电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形，从而挤压储液腔11的侧壁，使储液腔11的容积发生变化，实现微量喷样功能；第二压电晶体200在第二压电电源81以及第二压电驱动器82产生的电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形，从而挤压喷头2的毛细开口结构21，使喷头2的内部通道打开或闭合，实现喷头2的启闭功能。

参照图2，本申请中的微量样品点样头还包括控制器5和上位机6，第一驱动源7、清洗液压缩气体选择阀3和上位机6均与控制器5电连接，通过上位机6和控制器5能够选择控制第一驱动源7使储液腔11的内部容积发生不同的变化。

其实施原理如下：基质或样品检材做前处理后，预制好的基质或样品能够进入储液腔11中，第一压电电源71以及第一压电驱动器72通过电流脉冲使第一压电晶体100产生机械形变，从而挤压储液腔11内的内腔壁产生蠕动，使储液腔11的容积发生变化，储液腔11内的容积变大时，吸取基质或样品，储液腔11内的容积变小时，将基质或样品通过喷头2喷射到定制好的靶板上，本申请中的结构能够精准输送基质到喷头2，实现适当规模的液滴喷射，形成基质预设，以及与样品预混；并且可以实现几微升到几百皮升的微量喷射需求，适用范围广、精细化程度高。

本申请中可以在上位机6和控制器5中设置多种检测流程程序，根据需求通过上位机6进行自主选择，从而利用控制器5来实现不同的样品喷射模式和喷射量，可对不同种类、不同用量的样品进行测定；不同样品之间进行切换时，还可以通过超声波清洗通道4对喷头2进行超声波清洗，减少交叉污染的可能性。本申请中的微量样品点样头可以适应各种样品，如：全血、血清、细菌微生物、合成产物等等；可以根据需要实现多种喷射流程，如：先喷基质，再喷样品，又复喷基质等等；本申请中的微量样品点样头可以适应各种通量，如：8个样品位的靶板，12个样品位、24个样品位、36个样品位直至384个样品位的靶板。

本申请中通过设置超声波清洗通道4和清洗液压缩气体选择阀3，能够实现点样头的自动超声清洗功能，既减少了交叉污染的可能性，又实现了大一些规模样品快速喷射。即通过选择连通清洗液压缩气体选择阀3的不同接口，可接通清洗液实现超声清洗，又可以接通压缩气体，快速实现大一些规模的样品喷射。

进一步的，参照图1所示，喷头2的端口处设置有一对偏转电极9，偏转电极9设置在喷头2的端口与靶板之间，偏转电极9的两个极点分布在喷头2的端口两侧位置；偏转电极9与控制器5电连接。在向靶板喷射样品时，喷头2的端口与靶板之间具有间隙，喷头2与靶板无接触，控制器5可以控制偏转电极9的电流大小和电流方向，喷射的带电的细微样品滴在经过偏转电极9产生的偏转电场中时，在偏转电极9的作用下，可以均匀的散布在靶板所规划的靶点上，靶板表面以一种可寻址方式进行微量、定量点样，此时不需要移动靶板和喷头2即能够实现多点位样品喷射。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中将实施例1中的第一压电晶体100和第二压电晶体200采用压电陶瓷替换。压电陶瓷驱动器加载脉冲电压来产生脉冲惯性力，并且由加载的电压波形控制脉冲惯性力的大小和方向，从而精准地控制单次喷射样品的体积。具体来说，其是利用逆压电效应原理，驱动电压的方向与压电陶瓷的极化方向垂直，压电陶瓷做厚度切变振动，将样品喷射到靶板上，从而实现非接触式微量点样。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中储液腔11的腔体远离超声波清洗通道4的一侧设置有第一磁致伸缩体，第一驱动源7包括能够与第一磁致伸缩体配合产生作用的第一电磁发生器；储液腔11的腔体远离超声波清洗通道4的一侧设置有第二磁致伸缩体，第二磁致伸缩体与第一磁致伸缩体同轴间隔设置且第二磁致伸缩体相对于第一磁致伸缩体更靠近喷头2，第二驱动源8包括能够与第二磁致伸缩体配合产生作用的第二电磁发生器。

其实施原理如下：第一磁致伸缩体在第一电磁发生器产生的交变磁场的作用下，产生与交变磁场频率相同的机械振动；从而挤压储液腔11的侧壁，使储液腔11的容积发生变化，实现微量喷样功能；第二磁致伸缩体在第二电磁发生器产生的交变磁场的作用下，产生与交变磁场频率相同的机械振动；从而挤压喷头2的毛细开口结构21，使喷头2的内部通道打开或闭合，实现喷头2的启闭功能。

本实施例中的第一磁致伸缩体和第二磁致伸缩体可以采用稀土-铁合金(RFe2)材料，其能量密度高、耦合系数大；稀土-铁合金(RFe2)材料的磁致伸缩应变λ比纯Ni大50倍，比PZT材料大5-25倍，比纯Ni和Ni-Co合金高400-800倍；其磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约l0mm的Tb-Dy-Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力，其能量转换效率（用机电耦合系数K33表示）高达70%，而Ni基合金仅有16%，PZT材料仅有40%-60%；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中将实施例1中的第一压电晶体100和第二压电晶体200采用电致形变体材料代替，例如采用PVDF基铁电聚合物（包括：P(VDF-TrFE)典型铁电体以及P(VDF-TrFE-C(T)FE)弛豫铁电体等），其具有较大的电致形变量，能量输出密度高，响应速度快。其形变主要来自于表面电荷间的库仑作用。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微量样品点样头，包括基座(1)，其特征在于，所述基座(1)上开设有储液腔(11)，所述基座(1)上还设有清洗液压缩气体选择阀(3)和超声波清洗通道(4)，所述储液腔(11)的腔体远离所述超声波清洗通道(4)的一侧设置有电致形变体材料或磁致伸缩材料，所述基座(1)上设置有能够驱动储液腔(11)的内腔壁产生形变从而使储液腔(11)的内部容积发生变化的第一驱动源(7)；

所述基座(1)的端部设有喷头(2)且所述喷头(2)与所述储液腔(11)相连通，所述超声波清洗通道(4)分别与所述喷头(2)以及所述清洗液压缩气体选择阀(3)相连通，通过选择连通清洗液压缩气体选择阀（3）的不同接口，可接通清洗液实现超声清洗，又可以接通压缩气体；

所述微量样品点样头还包括控制器(5)和上位机(6)，所述第一驱动源(7)、清洗液压缩气体选择阀(3)和上位机(6)均与所述控制器(5)电连接且通过所述上位机(6)和控制器(5)能够选择控制第一驱动源(7)使储液腔(11)的内部容积发生不同的变化；

所述喷头(2)内设置有能够微量开合的毛细开口结构(21)，所述毛细开口结构(21)采用电致形变体材料或磁致伸缩材料制成，所述基座(1)上设置有能够驱动毛细开口结构(21)产生蠕动从而形成开闭动作的第二驱动源(8)；

所述储液腔(11)靠近喷头(2)的一端沿所述储液腔(11)的径向向内延伸并与所述喷头(2)以及所述超声波清洗通道(4)相连通，所述毛细开口结构(21)位于所述储液腔(11)、所述超声波清洗通道(4)以及所述喷头(2)三者连通处；

所述超声波清洗通道(4)位于所述基座(1)的中部且贯穿所述基座(1)的两端，所述基座(1)、所述超声波清洗通道(4)以及所述喷头(2)同轴设置；所述储液腔(11)环绕在所述超声波清洗通道(4)外且所述储液腔(11)设置在所述基座(1)靠近所述喷头(2)的一端，所述基座(1)远离所述喷头(2)的一端设置有与所述储液腔(11)相连通的输送通道(12)。

2.根据权利要求1所述的微量样品点样头，其特征在于，所述喷头(2)的端口处设置有至少一对偏转电极(9)，所述偏转电极(9)的两个极点分布在所述喷头(2)的端口两侧位置；所述偏转电极(9)与所述控制器(5)电连接。

3.根据权利要求1或2所述的微量样品点样头，其特征在于，所述喷头(2)的外端呈圆锥状，所述喷头(2)的内部通道的径向尺寸由靠近基座(1)的一端至靠近外端端口的一端逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的微量样品点样头，其特征在于，所述储液腔(11)的腔体远离所述超声波清洗通道(4)的一侧设置有第一压电晶体(100)，所述第一驱动源(7)包括与第一压电晶体(100)电连接的第一压电电源(71)和第一压电驱动器(72)。

5.根据权利要求1所述的微量样品点样头，其特征在于，所述储液腔(11)的腔体远离所述超声波清洗通道(4)的一侧设置有第一磁致伸缩体，所述第一驱动源(7)包括能够与第一磁致伸缩体配合产生作用的第一电磁发生器。

6.根据权利要求4所述的微量样品点样头，其特征在于，所述储液腔(11)的腔体远离所述超声波清洗通道(4)的一侧设置有第二压电晶体(200)，所述第二压电晶体(200)与所述第一压电晶体(100)同轴间隔设置且所述第二压电晶体(200)相对于所述第一压电晶体(100)更靠近所述喷头(2)，所述第二驱动源(8)包括与第二压电晶体(200)电连接的第二压电电源(81)和第二压电驱动器(82)。

7.根据权利要求5所述的微量样品点样头，其特征在于，所述储液腔(11)的腔体远离所述超声波清洗通道(4)的一侧设置有第二磁致伸缩体，所述第二磁致伸缩体与所述第一磁致伸缩体同轴间隔设置且所述第二磁致伸缩体相对于所述第一磁致伸缩体更靠近所述喷头(2)，所述第二驱动源(8)包括能够与第二磁致伸缩体配合产生作用的第二电磁发生器。