CN117309514A - 流体筒的起动灌注装置、起动灌注方法及流体分配装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于流体筒的起动灌注装置、被配置用于对流体筒进行起动灌注的流体分配装置、以及用于对流体筒进行起动灌注的方法。所述起动灌注装置包括：用于流体筒的冲击机构，其中，所述流体筒不具有背压装置，且所述流体筒具有流体储液器以及与所述流体储液器进行流体流动连通的喷射头芯片。起动灌注机构提供一种在不使用复杂的真空或抽吸装置的情况下，对喷射头芯片进行起动灌注的有效且高效的方法，尤其是，当流体筒填充有极少量的流体时。所述设备及方法使得能够使用顶部敞开式筒和/或不具有背压装置的筒，从而允许使用由用户选择的流体，而不是使用预先填充的流体筒。

Description

流体筒的起动灌注装置、起动灌注方法及流体分配装置

技术领域

本公开涉及一种流体喷射装置，且具体来说涉及一种流体筒的起动灌注装置、起动灌注方法及流体分配装置，用于对流体喷射装置的喷射头芯片进行起动灌注。

背景技术

特别是在医学领域，需要自动化的样本制备及分析。所述分析可为比色分析，或者可要求对样本进行染色，以便在显微镜下更好地观察样本。此种分析可包括药物样本分析、血液样本分析及类似分析。举例来说，血液含量测定分析提供用于确定个体健康的诸多不同因素。当有大量患者需要血液样本分析时，所述流程可能极为耗时。对于含量测定分析(例如药物甄别)，期望向衬底沉积极少量的目标试剂来评估其对样本的效果及性能。传统上，使用手动制动或机电致动的移液管(pipette)来将微量物质沉积到这些含量测定样本中。

为了提高分析速度且对较大量的样本进行处置，已开发出自动化流体分配系统。所述自动化系统常常需要使用流体喷射头芯片来分配少量的多种流体。因此，能够快速地对大量待分析样本进行处理的流体分配系统相当复杂且昂贵。

为了降低流体分配系统的成本，已开发出流体喷射装置10(图1)，所述流体喷射装置10可使用传统喷墨打印机装置的配置来对载玻片(glass slide)上或微井板(micro-well plate)14(图2)的井12中的样本进行处理。所述装置10包括壳体16，壳体16容置流体喷射筒以及用于使容置载玻片或微井板的托盘18移动穿过壳体16的机构。流体喷射装置10中所使用的流体喷射筒具有喷射器阵列20，喷射器阵列20与所述筒的流体储液器(图3及图4)中的流体22进行流动连通。

常规的喷墨打印机筒包括背压装置(例如囊状物(bladder)或一块吸收材料(例如泡沫或毛毡(felt)))，所述背压装置在使流体22不会从附装到筒的喷射头芯片40垂落或滴落的情况下允许大量射出流体存储在筒中。由于背压装置的性质，喷射器阵列20上的喷嘴24中的流体22相对于喷射器阵列20的外部表面(external face)28而维持凹形弯月面(meniscus)26，如图3中所示。因此，常见的做法是通过以下方式来对喷射器阵列20进行起动灌注：使用负压来清除流体中的气泡并通过喷射头芯片中的流体路径来抽取流体。由于冲击喷射头芯片可能会导致气泡被吸入到容置背压装置的流体筒中，因此在装运及处置期间保护喷墨打印机筒免受突然冲击也是常见的做法。

然而，用于样本分析的装置10使用终端用户可填充式流体筒30，所述终端用户可填充式流体筒30具有筒本体32，所述筒本体32具有不具有背压装置的一个或多个空的腔室34a、34b，以为附装到筒本体32的流体喷射头芯片40中的流体喷射器阵列20a、20b提供流体储液器(图4到图5)。终端用户可填充式流体筒使得研究人员能够出于分析目的而使用少量各种流体对终端用户可填充式流体筒30的空的腔室34a、34b进行填充。因此，由于真空源可能不可用或者可能会导致射出流体的交叉污染，因此施加负压来对喷射器阵列20a、20b进行起动灌注是不切实际且不期望的。因此，有必要确保喷射器阵列20被可靠地起动灌注，以出于如图6中所示的此种分析目的而分配射出流体的高精度剂量或液滴37。依据流体性质、流体对喷射器阵列20的自发起动灌注的阻力以及筒30中的低体积流体而定，对于在此种流体喷射装置10中使用的终端用户可填充式流体筒30而言，需要可靠的起动灌注机构。

发明内容

鉴于以上内容，本公开的实施例提供一种用于流体筒的起动灌注装置、被配置用于对流体筒进行起动灌注的流体分配装置、以及用于对流体筒进行起动灌注的方法。在一个实施例中，所述起动灌注装置包括：用于流体筒的冲击机构，其中，所述流体筒不具有背压装置，且所述流体筒具有流体储液器以及与所述流体储液器进行流体流动连通的喷射头芯片。

在一些实施例中，所述流体筒是顶部敞开式流体筒。

在一些实施例中，所述冲击机构是手动操作式冲击机构。在其他实施例中，所述冲击机构是自动化冲击机构。在再一些其他实施例中，所述冲击机构是机电致动器的冲击杆。在其他实施例中，所述冲击机构是附装到流体分配装置的框架构件的冲击头。在其他实施例中，所述冲击机构是附装到流体筒固持件的弹簧偏置柱塞。

在一些实施例中，所述起动灌注装置包括喷射头芯片加热器。在其他实施例中，所述喷射头芯片加热器设置在所述喷射头芯片上。

在一些实施例中，提供一种流体分配装置，所述流体分配装置包括：不具有背压装置的流体筒。所述流体筒具有流体储液器以及与所述流体储液器进行流体流动连通的喷射头芯片；流体筒平移机构，用于使所述流体筒在第一方向上跨越衬底移动；以及冲击头，附装到所述流体分配装置的框架构件且被配置用于对所述流体筒进行起动灌注。

在一些实施例中，提供一种用于对流体筒进行起动灌注的方法。所述方法包括：提供不具有背压装置的流体筒，其中，所述流体筒具有一个或多个流体储液器以及与所述流体储液器进行流体流动连通的一个或多个喷射头芯片；以及使用冲击机构冲击所述流体筒的侧壁。

在一些实施例中，提供用于对流体筒进行起动灌注的方法。所述方法包括：提供不具有背压装置的流体筒，其中，所述流体筒具有一个或多个流体储液器以及与相应的流体储液器进行流体流动连通的一个或多个喷射头芯片；以及使所述流体筒在与由所述喷射头芯片的喷嘴板界定的平面垂直的方向上快速地加速。

所公开的实施例的优点在于，本文中所阐述的起动灌注机构提供一种在不使用复杂的真空或抽吸装置的情况下，对喷射头芯片进行起动灌注的有效且高效的方法，尤其是，当流体筒填充有极少量的流体时。所述设备及方法使得能够使用顶部敞开式筒和/或不具有背压装置的筒，从而允许使用由用户选择的流体，而不是使用预先填充的流体筒。

附图说明

图1是与根据本公开阐述的起动灌注机构一起使用的流体分配装置的透视图。

图2是与图1所示流体分配装置一起使用的托盘中的微井板的透视图。

图3是用于容置背压装置的流体筒的经起动灌注流体喷射器阵列的一部分的剖视图，所述剖视图并未按比例绘制。

图4是与图1所示流体分配装置一起使用的顶部敞开式流体筒的透视图。

图5是图4所示顶部敞开式流体筒的平面俯视图。

图6是容置流体的流体喷射头芯片的一部分在喷射流体的过程中、在起动灌注之后的剖视图，所述剖视图并未按比例绘制。

图7是流体喷射头芯片的一部分的剖视图，所述剖视图并未按比例绘制且示出流体喷射头芯片中的流体流动路径。

图8是图7所示流体喷射头芯片的平面俯视图，所述平面俯视图并未按比例绘制。

图9是用于不具有背压装置的流体筒的容置流体的流体喷射头芯片的一部分的剖视图，所述剖视图并未按比例绘制。

图10是图4所示顶部敞开式流体筒的平面俯视图，所述平面俯视图示出用于对流体筒进行起动灌注的冲击方向。

图11是根据本公开第一实施例的独立起动灌注装置的透视图。

图12是根据本公开第二实施例的容置起动灌注装置的筒托架及流体分配装置框架的立面正视图。

图13是位于图12所示流体分配装置的框架上的筒托架及起动灌注装置的透视图。

图14是根据本公开第三实施例的容置起动灌注装置的筒托架及流体分配装置框架的立面正视图。

图15是位于图14所示流体分配装置的框架上的筒托架及起动灌注装置的透视图。

具体实施方式

参照图4到图5，图4到图5例示出终端用户可填充式流体筒30，所述终端用户可填充式流体筒30具有：筒本体32、及位于所述筒本体32中的一个或多个空的腔室34a、34b。腔室34a、34b通过分隔壁36而彼此隔离开。腔室34a及34b中的每一者均不具有背压装置。在腔室34a及34b中的每一者中设置有流体槽38a及38b，以使流体从腔室34a及34b流动到与流体槽38a及38b相邻地附装的喷射器阵列20a及20b。喷射器阵列20a及20b容置在流体喷射头芯片40中，所述流体喷射头芯片40借助于粘合剂及柔性电路条带42附装到筒本体32。

图7及图8提供流体喷射器阵列20的细节。包含喷嘴孔洞24及流体喷射腔室46的喷嘴板44，附装到上面具有流体喷射器52的半导体衬底50。为简单起见而示出，喷射器阵列的例示出单个流体喷射器52及对应的喷射喷嘴孔洞24的部分。然而，单个流体喷射头芯片40可包括一个或多个喷射器阵列20。同样，一个或多个流体喷射头芯片40可附装到筒本体32。喷射器阵列20通常包含一个或多个流体喷射器52及对应的喷射喷嘴24。通过穿过半导体衬底50而刻蚀出的流体供应通路(fluid supply via)54，将流体从流体筒30的腔室34a及34b中的流体槽38a及38b提供到每一喷射器阵列20a及20b。如图8中所示，流体供应通路54可向一个或多个流体喷射器阵列56A及56B提供流体。

出于本公开的目的，用语“顶部敞开式(open-top)”主要是指：不具有存在于标准流体筒中的背压装置，且流体筒上的顶盖或盖不是必要的。然而，流体筒30在其中具有一个或多个腔室34，以用于由用户进行填充从而向流体喷射头芯片40提供流体。为了使用流体对流体喷射头芯片40进行起动灌注，提供流体筒30的机械撞击、加热和/或快速加速来扰动所述流体，从而促进流体从流体腔室46到喷嘴板44的喷嘴24的毛细运动(capillaryaction)，从而建立贯穿喷射头芯片40与筒本体32中的流体的流体连接。本文中所使用的用语“冲击(impact)”是指：在短时间内施加到筒本体32的强力或撞击。

喷射头芯片40是微机电系统，所述微机电系统包含：从芯片40的背侧58到芯片40的前侧的一个或多个流体路径、以及流体喷射器52的一个或多个阵列20，所述流体喷射器52被启用以将流体从芯片的外部表面28喷射到衬底上。喷射头芯片40的背侧58被密封抵靠筒本体32的底壁且与筒本体32的腔室34中的流体进行流体连接。

如以上参照图3所阐述，标准流体筒中的背压装置导致流体在流体/空气界面处的弯月面26略微下凹。由于弯月面26的下凹，施加到流体筒的冲击可能会导致弯月面26塌陷并将空气吸入到喷射器阵列20中。此种气泡会对可靠地从喷射器阵列20射出流体造成重大问题。然而，在不包含背压装置的顶部敞开式流体筒30中，流体22在流体/空气界面处的弯月面56是凸起的，如图9中所示。在对流体喷射头芯片40中的任何阵列进行起动灌注时，弯月面56的凸起有助于在发生对流体筒本体32的冲击时防止吸入空气。

尽管喷射头芯片40的自发起动灌注是理想的，然而，许多流体的表面张力可能过大，而不允许启动从喷射器阵列20的背侧58到喷射器阵列20的外部表面28的前侧的毛细运动。因此，如箭头60(图10)所示的对筒本体32的冲击或流体筒在与由喷射器阵列20的外部表面28界定的平面垂直的方向上的快速加速，可在不需要增加流体的压头(pressurehead)的情况下提供使流体22转移到流体路径的下一部分所需的扰动，从而允许实现对较小体积的流体的可靠起动灌注。可能会影响流体通过喷射器阵列20的毛细运动的其他流体性质，包括但不限于：粘度、极性及密度。对于不同的流体而言，可能需要对冲击的幅度及频率进行调整。

图11例示出手动起动灌注装置70，所述手动起动灌注装置70可用于向包含单个腔室74的顶部敞开式流体筒72提供冲击。所述装置70包括：筒安装区域76、弹簧偏置柱塞78及柱塞旋钮80。一旦流体筒被定位在筒安装区域76中，用户便可拉动并释放柱塞旋钮80，以对筒本体82提供剧烈的冲击。可能需要柱塞78对筒本体82的一次或多次冲击，以充分对附装到筒本体82的流体喷射头芯片进行起动灌注。尽管在图11中例示出机械柱塞78，然而，应理解，也可使用气动致动器、液压致动器或机电致动器。同样，可使柱塞旋钮80旋转以向筒本体82提供弹簧加载的旋转冲击。

在一些实施例中，机械致动或以其他方式致动的柱塞78可并入在流体喷射装置10中。图12到图14例示出对安装到流体喷射装置的框架86的线性螺线管启用的柱塞84的使用。流体筒安装到托架88中，当从流体筒分配流体时，托架88用于使流体筒及喷射头芯片40在衬底之上在x方向上来回移动。在对流体筒进行填充之后，托架88被定位成与线性启用的螺线管相邻，以用于启用柱塞90，使得柱塞90冲击托架88的一侧，从而对流体筒进行起动灌注。图12是框架86、托架88及线性螺线管柱塞84的立面正视图。图13是图12所示线性螺线管柱塞84、框架86及托架88的俯视透视图。

在图14到图15中例示出本公开的另一实施例。在此实施例中，代替使用专用的冲击器84，流体喷射装置的框架92容置一个或多个固定冲击装置94A及94B，以用于在托架88从框架92的一个侧(图14)移动到框架92的另一个侧(图15)时冲击筒30的一侧。根据所述实施例，所述装置10的托架88由马达驱动，所述马达可被编程以将托架88移动到指定位置，从而在冲击装置94A或94B上以指定速度冲击筒30。因此，筒30的冲击位置可能稍微处于典型操作范围之外，这使得托架88冲击框架92上的固定冲击装置94A及94B。托架88与冲击装置94A及94B的碰撞提供足以启动对喷射头芯片40进行起动灌注的能量。由于托架88的运动是可编程的，因此可使用任何速度序列及位置序列来确保对喷射头芯片40的起动灌注。

尽管前述实施例例示出托架88相对于所述装置10的框架86及92的固定冲击点，然而，可使用可调整的冲击装置对托架88被冲击的位置进行调整。尽管可在与由托架88的侧界定的平面平行的y方向上对冲击装置进行调整，然而，也可在托架88沿着x方向的运动方向上对冲击装置进行调整，所述x方向垂直于由托架88的所述侧界定的平面。

在其他实施例中，代替以刚性方式安装冲击装置，冲击装置可悬置在轴线上以充当摆动件(pendulum)，所述摆动件反复摆动并敲打托架88的侧，直到摆动件的所有能量被消耗掉。可使用配重或阻尼材料来调整托架88上的冲击能量。

在又一实施例中，可对空的腔室34进行填充，且使筒30在与由喷射器阵列20的外部表面28(图6)界定的平面垂直的方向上快速地加速。在不期望受到理论考虑因素束缚的情况下，据信流体的惯性可抵抗运动的改变并对喷射器阵列20的背侧58(图7)提供足够的压力，以启动流体通过流体供应通路54并进入流体供应通道48及流体喷射腔室46的毛细芯吸运动。以相似的方式，容置流体的筒30可放置在离心式装置中，其中，喷射器阵列20径向朝外。因此，现在与来自离心式装置的离心力耦合的流体的惯性阻力，可足以对喷射器阵列20进行起动灌注。在再一实施例中，可使用超声波振动引发对喷射器阵列20的起动灌注，并促进流体流动到流体喷射腔室46。

在一些实施例中，可通过使筒30摇动来实现起动灌注。通常，当使用移液管对顶部敞开式筒30(图4到图5)进行填充时，一些流体粘附到空的腔室34a及34b的壁且无法被喷射器阵列20回收用于喷射。使筒30以高频率及小幅度在x方向上快速地来回移动，可有助于从腔室34a及34b的侧壁移出流体并使流体流动到流体槽38a及38b中，然后流体可在流体槽38a及38b中流动到喷射器阵列20。如以上所阐述，当使用少量流体对筒30的腔室34a及34b进行填充时，一系列摇动及随后的冲击可生成确保对喷射器阵列20的起动灌注的最佳条件。

另外，由于喷射器阵列20通常不相对于腔室34a及34b居中，因此，冲击的方向可能会影响起动灌注过程。举例来说，如果供给喷射器阵列20的流体槽38a偏移到腔室34a的右侧，则敲击筒本体32的右侧壁98(图10)可改善起动灌注过程。

以下非限制性实例，例示出用于对喷射器阵列20进行起动灌注的冲击过程。

实例1

使用顶部开口式四腔室筒，需要约28.5毫米的流体压头来引发喷射器阵列20的所有喷嘴24的自发起动灌注。在使用相同流体的情况下，仅0.5毫米的流体压头会在使用图11所示冲击设备的情况下，一致地对所有喷嘴24进行起动灌注。在使用台式打印机的情况下，一系列托架移动超速驱动命令，能够使用流体筒中的50微升墨水样本(相当于2.5毫米的流体压头)可靠地对喷射器阵列20进行起动灌注。

实例2

磷酸盐缓冲盐水(phosphate buffered saline，PBS)是生化含量测定中常用的试剂。使具有或不具有失水山梨醇月桂酸酯(sorbitan monolaurate)非离子表面活性剂的两种溶液经受测试。使用任何一种溶液对喷射头芯片的自发起动灌注是不可确定的，所述两种溶液均需要大于43毫米的最大测试流体高度的流体压头。在使用图11所示冲击设备的情况下，不具有表面活性剂的PBS能够以2.3毫米的流体压头可靠地对喷射头芯片进行起动灌注，而添加0.04％表面活性剂的PBS能够以2.0毫米的流体压头可靠地对喷射头芯片进行起动灌注。确定出可在3.4毫米的流体压头下使用PBS及表面活性剂溶液，来可靠地对喷射头芯片进行起动灌注的托架冲击序列。

在其他实施例中，使用定位在喷射头芯片40上的加热器对流体进行预加热，可足以引发流体从筒30流动到喷射器阵列20中。

实例3

已确定出可在顶部开口式流体筒30中，可靠地对30微升的磷酸盐缓冲盐水(PBS)进行起动灌注的起动灌注序列。在此测试中，30微升的流体提供近似2.6毫米的流体压头。使用位于喷射器阵列20上的喷射头芯片加热器将流体加热到45℃达20秒，且然后以每秒约51cm的速度抵靠装置10的框架92敲打托架88两次。温度、持续时间及冲击参数依据流体而定。已发现，对流体进行加热或敲打框架足以对喷射头芯片的大多数喷嘴进行起动灌注。对流体进行加热及敲打框架二者会获得甚至更大的成功，此会一致地对喷射头芯片的所有喷嘴进行起动灌注。对于给定流体而言，使用较低的预加热温度需要较长的加热时间。

根据所公开的实施例，起动灌注序列被定义为一系列步骤，所述一系列步骤用于确保容置特定流体的筒准备通过喷射器阵列20的所有喷嘴进行分配。一旦筒被放置在装置的托架中，起动灌注序列便可包括以下步骤中的一者或多者：

1)抵靠装置的框架敲打托架，以向喷射头芯片施用脉冲。

2)在中间具有停顿或不具有停顿的情况下重复进行步骤(1)多次。

3)使托架以各种速度冲击流体喷射装置的框架。

4)使用位于喷射头芯片上的喷射头芯片加热器对流体进行加热。

5)针对特定的流体或应用修改加热的温度及持续时间。

6)从喷射头芯片喷射流体。

因此，特定流体的起动灌注序列可包括呈任何序列的前述步骤中的一者或多者。在一些情形中，可确定出所述步骤中的一些步骤是不需要的。对于更难以起动灌注的流体而言，可确定出需要重复进行这些步骤中的一些步骤一次以上。

出于本说明书及随附权利要求的目的，除非另有指示，否则在本说明书及权利要求中使用的表示数量、百分比或比例的所有数字以及其他数值被理解为在所有情形中均由用语“约(about)”修饰。因此，除非有相反的指示，否则在以下说明书及随附权利要求中陈述的数值参数是可依据寻求通过本公开获得的所期望性质而变化的近似值。至少且不试图将等效原则的应用限制于权利要求的范围，每一数值参数应至少根据所报告有效数字的数目且通过应用普通舍入技术来解释。

尽管已阐述特定实施例，然而申请人或所属领域中的其他技术人员可想到目前无法预见或目前可能无法预见的替代形式、修改、变化、改进及实质性等效形式。因此，所提交的且可由他们修正的随附权利要求旨在囊括所有此种替代形式、修改、变化、改进及实质性等效形式。

Claims (18)

1.一种用于流体筒的起动灌注装置，其特征在于，包括：

用于所述流体筒的冲击机构，

其中，

所述流体筒不具有背压装置，且

所述流体筒具有流体储液器以及与所述流体储液器进行流体流动连通的喷射头芯片。

2.根据权利要求1所述的起动灌注装置，其特征在于，

所述流体筒是顶部敞开式流体筒。

3.根据权利要求1所述的起动灌注装置，其特征在于，

所述冲击机构是手动操作式冲击机构。

4.根据权利要求1所述的起动灌注装置，其特征在于，

所述冲击机构是自动化冲击机构。

5.根据权利要求4所述的起动灌注装置，其特征在于，

所述冲击机构包括：线性螺线管的冲击杆。

6.根据权利要求1所述的起动灌注装置，其特征在于，

所述冲击机构包括：附装到流体分配装置的框架构件的冲击头。

7.根据权利要求1所述的起动灌注装置，其特征在于，

所述冲击机构包括：附装到流体筒固持件的弹簧偏置柱塞。

8.根据权利要求1所述的起动灌注装置，其特征在于，还包括：

喷射头芯片加热器。

9.根据权利要求8所述的起动灌注装置，其特征在于，

所述喷射头芯片加热器设置在所述喷射头芯片上。

10.一种流体分配装置，其特征在于，包括：

不具有背压装置的流体筒，其中，所述流体筒具有流体储液器以及与所述流体储液器进行流体流动连通的喷射头芯片；

流体筒平移机构，用于使所述流体筒在第一方向上跨越衬底移动；以及

冲击头，附装到所述流体分配装置的框架构件，所述冲击头被配置用于对所述流体筒进行起动灌注。

11.根据权利要求10所述的流体分配装置，其特征在于，

所述冲击头包括：线性螺线管的冲击杆。

12.根据权利要求10所述的流体分配装置，其特征在于，

所述冲击头包括：弹簧偏置柱塞。

13.一种用于对流体筒进行起动灌注的方法，其特征在于，包括：

提供不具有背压装置的所述流体筒，其中，所述流体筒具有流体储液器以及与所述流体储液器进行流体流动连通的喷射头芯片；以及

使用冲击机构冲击所述流体筒的侧壁。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：

对所述喷射头芯片进行加热。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，

所述冲击机构附装到流体分配装置的容置所述流体筒的框架。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，

所述冲击机构包括筒固持件，

所述筒固持件具有弹簧偏置柱塞，以用于冲击所述流体筒的所述侧壁。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，

所述冲击机构包括：线性螺线管及冲击杆。

18.一种用于对流体筒进行起动灌注的方法，其特征在于，包括：

提供不具有背压装置的所述流体筒，其中，所述流体筒具有流体储液器以及与所述流体储液器进行流体流动连通的喷射头芯片；以及

使所述流体筒在与由所述喷射头芯片的喷嘴板界定的平面垂直的方向上快速地加速。