CN116298353A - 一种用于微体积液体移液操作的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于微体积液体移液操作的装置。该装置包括：吸头，用于吸取液体和/或滴加液体，所述吸头安装于吸头适配器上，并且与流体控制器的出口导管相连；流体控制器，包括微量进样器、三通切换阀、进油导管和出口导管，三通切换阀的三个阀口分别与微量进样器、进油导管和出口导管相连；以及运动控制系统，用于控制吸头的安装和/或移液操作，运动控制系统包括Z轴电动平移台、X轴电动平移台和Y轴电动平移台，其中Z轴电动平移台与流体控制器相连接。由此，本发明能够实现试样加载、纳升体积分配等自动化操作。
Description
技术领域
本发明涉及自动液体处理领域，并且具体地，涉及一种用于微体积液体移液操作的装置。
背景技术
基于多孔板的移液与溶液分配技术的自动液体工作站，对于生物、化学、临床、制药等实验室的批量分析、反应、筛选、检测等任务非常重要。从传统的24孔、96孔板，发展到现在的384、1536孔板自动液体操作，自动液体工作站可操控的试样体积在不断减小，自动操作样品的数量不断增加，多孔板的密度也不断增加。微体积精确操作的能力是自动液体工作站的核心能力，对于减少珍贵试样的消耗，节省成本，利用有限的蛋白、细胞、药物等珍贵样品和试剂，完成更大量的筛选，具有重大意义。此外，微体积下所进行的反应与传统大体积反应相比，能促进某些生化反应的发生，例如，缩小体积能够减少反应产物扩散，提高反应物质之间相遇的机率等。
常规的移液器和移液工作站，能转移的液体一般最小为0.1μL，且根据所匹配耗材不同、操作人员的经验不同，在操作微量液体时存在较大误差，而影响实验结果。通常现有的移液器或自动化的液体工作站,其体积量取的机理是基于移液器在内部气腔在活塞运动导致体积变化后，为了平衡移液器内部和外部的气压，定量的液体被吸入移液器枪头，并被后续步骤转移至目标容器中。这一工作原理，亦被称为空气置换液体处理技术(air-displacement liquid handling)。这一变化无法实现超微量移液操作，当所需要操作的液体的体积远小于内部气体腔室的大小时，体积变化不足以引起腔室内外的足够驱动液体吸入的压力差。
Labcyte公司的
Acoustic仪器利用声波原理能够转移微量液体，转移的体积在2.5纳升至25纳升，因此，其能够操作的液体体积范围不大，且需要多孔板倒置，不利于对预先装有其它液体的多孔板进行操作。因此，能够根据需求，操作较大体积范围的液体，且能够对多孔板的要求降低，是实验人员希望达到的目标。
我们最近提出了一种在多孔板上进行纳升体积液体操作的技术(杜文斌，徐鹏，董立兵，基于微管道的液滴的生成方法，中国专利，申请号：201410655191.5)。在多孔板上预先装载不互溶油相，利用加样探针插入油相液面下方注射纳升体积液体，在探针抽出油相液面的过程中，利用油气界面对水相液滴的表面张力，使液滴脱离毛细管，被保留在孔板内。这种新的方法有效保证了液滴的体积精确性，可以任意调节加入液滴的体积，非常适用于实现标准化的微体积高通量筛选。与传统气体置换液体操作技术相比，这一液体操作技术可称为油相置换液体操作，(oil-displacement liquid handling)。由于油相相比与空气相比，具有不可压缩的特性，因此，我们的操作精度、重现性和可操作的最小体积均有了大幅的提高。在测试的体积范围20pL至500nL范围，具有良好的体积重现性和准确度。然而，这一加样方法目前主要还依赖于手工在多孔板上进行操作，无法自动实现多孔板的液体分配，制约了方法的普及以及重现性。在本发明中，我们基于前述工作，开发了一套全自动的微量液滴分配加样操作装置，可以实现试样加载，多孔板纳升体积分配等自动化操作。
发明内容
本发明提供了一种自动化微体积移液与分配装置，能够实现试样加载、纳升体积分配等自动化操作。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于微体积液体移液操作的装置。该装置包括：吸头，用于吸取液体和/或滴加液体，所述吸头安装于吸头适配器上，并且与流体控制器的出口导管相连；流体控制器，包括微量进样器、三通切换阀、进油导管和出口导管，三通切换阀的三个阀口分别与微量进样器、进油导管和出口导管相连；以及运动控制系统，用于控制吸头的安装和/或移液操作，运动控制系统包括Z轴电动平移台、X轴电动平移台和Y轴电动平移台，其中Z轴电动平移台与流体控制器相连接。
在一些实施例中，所述进油导管的一端与装有第一种油性液体的储油容器相连。
在一些实施例中，所述第一种油性液体与水不互溶，所述第一种油性液体包括矿物油、液态烷烃、酯类、硅油或氟化烷烃。
在一些实施例中，装置还包括：板架，安装在所述Y轴电动平移台上，用于搭载多容纳腔板，所述多容纳腔板包括多个用于装载第二种油性液体的容纳腔。
在一些实施例中，所述第二种油性液体的比重低于水溶液，所述第二种油性液体包括矿物油、液态烷烃、酯类或硅油。
在一些实施例中，装置还包括：收集盒，固定在Y轴电动平移台上，用于收集废吸头。
在一些实施例中，所述吸头由上至下包括移液枪插入区、储液区以及吸嘴区。
在一些实施例中，吸嘴端的内径为50微米至250微米。
在一些实施例中，装置还包括：吸头架，设置在Y轴电动平移台上，用于搭载吸头盒；以及试样架，用于搭载一个以上的试样管。
在一些实施例中，装置还包括：温度测量探头，安装在微量进样器上，用于根据温度变化所导致的、在微量进样器、出口导管、吸头适配器以及吸头的总容积内的液体的热胀冷缩而导致的体积变化，移动微量进样器的活塞，以便使得吸头不会因为热胀冷缩而发生漏液和吸进空气。
在一些实施例中，所述收集盒被配置为在吸头移动至收集盒处时卸载吸头。
在一些实施例中，三通切换阀被配置为：切换至微量进样器与进油导管联通，以便装载第一种油性液体；以及切换至微量进样器与出口导管联通，以便排出空气。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的关键特征或主要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1自动化微体积移液与分配装置结构示意图。
图2精密吸头吸取试样示意图。
图3向多孔板中加注微量试样过程第一步示意图。
图4向多孔板中加注微量试样过程第二步示意图。
图5向多孔板中加注微量试样过程第三步示意图。
图6三通切换阀切换至入口导油管示意图。
图7三通切换阀切换至出口导油管示意图。
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，不能将它们理解为对本申请保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
1.装置结构
吸头(1)，例如称为精密吸头(1)，用于吸液和微量注射试样溶液(例如，纳升体积的液体)，装卡于吸头适配器上(3)并与出口导管(7)相连；精密吸头(1)由上到下包括移液枪插入区、储液区以及吸嘴区，吸嘴端的内径为50微米至250微米；
流体控制器(2),包括微量进样器(4)、三通切换阀(5)、进油导管(6)和出口导管(7)；其中三通切换阀(5)的一个阀口与微量进样器(4)相连，第二个阀口与进油导管(6)相连，第三个阀口与出口导管(7)相连；进油导管(6)的一端与装有第一种油性液体的储油容器(15)相连。微量进样器(4)上安装温度测量探头，根据温度变化导致的微量进样器、出口导管、吸头适配器以及精密吸头总的容积内，液体的热胀冷缩导致的体积变化，自动通过微量进样器活塞的微移，保证精密吸头(1)吸头处不因为热胀冷缩而发生漏液和吸进空气，而导致注射体积不精确；
运动控制系统，包括Z轴电动平移台(8)、X轴电动平移台(9)和Y轴电动平移台(10)，其中Z轴电动平移台(8)和X轴电动平移台(9)一端连接流体控制器和另一端与Y轴电动平移台(10)，用于控制自动装卡精密吸头，吸液，多孔板注射等操作；所述的Y轴电动平移台(10)上安装有用于搭载多容纳腔板的板架，例如为多孔板(12)的多孔板架(17)，其所述的多孔板(12)底部为U形或V形的96孔板、384孔板、或1536孔板，其孔内预先装载第二种油性液体；所述的Y轴电动平移台(10)上还安装有废吸头移除和收集盒(16)；所述的Y轴电动平移台(10)上还安装有搭载吸头盒(11)的吸头架，搭载多孔板(12)的多孔板架(17)，以及搭载一个以上的试样管(13)和废油管(14)的试样架。
2.精密吸头的安装
装置使用过程：在运行过程中，为了避免温度波动造成的纳升液滴体积的不精确，装置应该在具有良好恒温控制的室内环境进行。
在装置中放置精密吸头架，其中预先放置了96只精密吸头(1)。然后在多孔板的卡槽位置放置多孔板(12)，多孔板(12)中已经通过排枪预先添加好了一定量的油性液体。多孔板(12)可以是标准96孔板或者384孔板等。流体控制器(2)首先拉动微量进样器(4)从储油瓶(15)中经进油导管(6)吸取油性液体填充所有管道通路内部的死区体积。流体控制器(2)内部的三通切换阀(5)切换至出口导管(7)。系统软件控制Z轴电动平移台(8)、X轴电动平移台(9)、Y轴电动平移台(10)联动，将流体控制器(2)枪头安装位置移动到精密吸头架上方，通过Z轴电动平移台(8)运动下压，完成精密吸头(1)的安装。
3.吸取试样溶液
如图2所示，精密吸头(1)预先充满油性液体(矿物油)(102)，移动精密吸头(1)至试样管(13)内，使吸嘴插入并控制流体控制器(2)抽取一定量的试样溶液(101)。抽取最大体积不得超过精密吸头(1)储液区以及吸嘴区的体积之和，以防止吸入的试样污染吸头适配器(3)。
然后控制流体控制器(2)推出100纳升左右的试样以平衡通道内的负压，而后移动精密吸头(1)进行微量加样操作。
4.装置在多孔板的微孔中加样过程的第一步
如图3所示，控制精密吸头(1)插入多孔板(12)的特定孔中，插入的深度以没入预先加入油面的1-3mm为宜。
5.装置在多孔板的微孔中加样过程的第二步
如图4所示，控制流体控制器(2)排出特定体积的试样溶液，溶液的体积由程序设定，一般在1纳升至1微升之间。排出完毕后等待约2秒钟，等待油路管道中的压力释放，液流静止，精密吸头(1)内部的压力与外界达到平衡。
6.装置在多孔板的微孔中加样过程的第三步
如图5所示，通过控制Z轴电动平移台(8)将精密吸头(1)从孔内的油面以下提起，使吸嘴高于多孔板(12)。在精密吸头(1)离开油面时，由于油面表面张力的作用完成对试样溶液生成液滴的切割，从而试样溶液形成的液滴从精密吸头(1)前段脱落掉入孔中，完成一个孔的精密加样操作。在软件的控制下依次对多孔板(12)的每个孔进行加样操作即可。
本装置适合于吸取微升体积的总试样体积，在96或384孔板上进行纳升体积的液体的批量分配滴加。吸取试样的体积总体上应大于滴加的液滴的体积之和。例如，在96孔板的每个孔内滴加10纳升试样液体，滴加的总体积为96*10＝960纳升。吸取试样体积优选为1.5微升。
7.根据温度变化进行自适应体积补偿
如图7所示，在微量进样器(4)前端安装一个温度测量探头(18)。首先计算总体积，包括微量进样器、三通切换阀、出口导管、吸头适配器和精密吸头在内，构成了一个一端开口的容器，开口处为精密吸头的吸嘴。假设所述容器内第一油性液体的体积为V油1，精密吸头吸入的试样体积为V水1，当温度发生变化，从T1变化至T2时，根据油性液体和水相试样的热胀冷缩系数，可以知道，V油1变化为V油2，V水1变化为V水2，总的体积变化为：V变＝(V水2+V油2)-(V水1+V油1)。当温度升高，V变为正时，微量进样器的活塞抽入V变的体积；当温度降低，V变为负时，微量进样器的活塞打出V变的体积，保证变化以后，系统总体积能够刚好容纳第一种油相和水相试样溶液的总体积。
当系统在注射和吸液后，内部总体积发生变化，则重新分别计算第一油性液体和试样的体积，并移动微量进样器活塞，进行动态的温度变化体积补偿，防止由于体积缩小吸嘴吸入空气或排出液体。
Claims (12)
1.一种用于微体积液体移液操作的装置，其特征在于，包括：
吸头(1)，用于吸取液体和/或滴加液体，所述吸头(1)安装于吸头适配器(3)上，并且与流体控制器(2)的出口导管(7)相连；
流体控制器(2)，包括微量进样器(4)、三通切换阀(5)、进油导管(6)和出口导管(7)，三通切换阀(5)的三个阀口分别与微量进样器(4)、进油导管(6)和出口导管(7)相连；以及
运动控制系统，用于控制吸头(1)的安装和/或移液操作，运动控制系统包括Z轴电动平移台(8)、X轴电动平移台(9)和Y轴电动平移台(10)，其中Z轴电动平移台(8)与流体控制器(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进油导管(6)的一端与装有第一种油性液体的储油容器(15)相连。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一种油性液体与水不互溶，所述第一种油性液体包括矿物油、液态烷烃、酯类、硅油或氟化烷烃。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
板架，安装在所述Y轴电动平移台(10)上，用于搭载多容纳腔板，所述多容纳腔板包括多个用于装载第二种油性液体的容纳腔。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二种油性液体的比重低于水溶液，所述第二种油性液体包括矿物油、液态烷烃、酯类或硅油。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
收集盒(16)，固定在Y轴电动平移台(10)上，用于收集废吸头。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸头(1)由上至下包括移液枪插入区、储液区以及吸嘴区。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，吸嘴端的内径为50微米至250微米。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
吸头架，设置在Y轴电动平移台(10)上，用于搭载吸头盒(11)；以及
试样架，用于搭载一个以上的试样管(13)。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
温度测量探头(18)，安装在微量进样器(4)上，用于根据温度变化所导致的、在微量进样器(4)、出口导管(7)、吸头适配器(3)以及吸头(1)的总容积内的液体的热胀冷缩而导致的体积变化，移动微量进样器(4)的活塞，以便使得吸头(1)不会因为热胀冷缩而发生漏液和吸进空气。
11.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述收集盒(16)被配置为在吸头(1)移动至收集盒(16)处时卸载吸头(1)。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，三通切换阀(5)被配置为：切换至微量进样器(4)与进油导管(6)联通，以便装载第一种油性液体；以及切换至微量进样器(4)与出口导管(7)联通，以便排出空气。
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