CN1896744B

CN1896744B - 一种非接触式微量点样头

Info

Publication number: CN1896744B
Application number: CN2005100121793A
Authority: CN
Inventors: 崔大付; 许立宁
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2025-07-14
Also published as: CN1896744A

Abstract

一种非接触式微量点样头，是利用逆压电效应原理，使压电陶瓷壁振动，将样品喷射到基片上，从而实现非接触式微量点样。在压电陶瓷元件上加工出储液槽，施加驱动脉冲后，压电陶瓷元件发生收缩，而减小了储液槽的体积，将样品定量地喷射出去。施加驱动电压的方向与压电陶瓷的极化方向垂直，压电陶瓷作厚度切变振动。本发明的非接触式微量点样头，可用于DNA合成、阵列生物芯片制造等。点样容量可精确控制并能实现连续调节，按要求可实现微升、纳升和皮升量级的试剂点样。多个点样喷头可组成阵列点样头，阵列中每个点样头都可喷射不同种类的液滴，并可单独工作。

Description

一种非接触式微量点样头

技术领域

本发明是用于生物、化学试剂的非接触式微量点样装置。更详细地说，该装置是由压电驱动的点样头构成的，采用喷射方式点样，可以实现定量点样；它可以是一个单独工作的点样头，也可以是一个点样头阵列，阵列中每个点样头进样不同可喷射不同种类的溶液。

背景技术

近年来，生物芯片得到广泛的应用，在制造微阵列生物芯片中，需要在面积不大的基片表面以一种可寻址方式进行微量、定量点样，制成DNA基因、蛋白质或细胞的微阵列，通过在其上的杂交反应或其他生物反应实现高通量平行研究分析。

另外，微全分析系统近年来也发展很快，它是将样品制备、生化反应和结果检测三个步骤集成在单一器件上，且能执行特定的分析功能。它的出现不仅可使珍贵的生物样品与试剂消耗大大降低到微升、纳升级甚至皮升级，而且使分析速度大幅提高，费用成倍下降。它将改变生命科学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。在微全分析系统研究应用中，常常用到能够精确供给微量试剂的点样装置。即使在国外，实现纳升和皮升量级点样仍然没有很好解决。

目前国内常用的生物样品点样方法为接触式点样，它是将点样针浸渍在样品中，蘸取一定的溶液，再将针的末端接触基片，从而实现点滴微量样品的方法。这种方法的缺点是速度慢，因为蘸取溶液需要消耗一定的时间，同时两次点样之间还需对点样针进行蘸样；点样容量不能连续调节，无法实现精确控制，不能定量；另外，点样时针末端与基片发生接触碰撞，不仅容易损伤基片，而且点样针的末端容易磨损，点样的直径也会逐渐增大，因而存在针的耐久性、点样不均匀等问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有接触式点样头的不足，设计一种压电驱动的非接触式点样头，实现了点样容量的定量和精确控制以及点样的连续性、稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供

一种非接触式微量点样头，用于生物液体样品或化学液体样品的微量点样，其特征在于，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，将样品喷射到基片上，从而实现非接触式微量点样；

其包括点样头主体，进样管，驱动电压引线；其中：点样头主体是由压电陶瓷、上盖和喷孔板组成，为中空柱状，其后端封闭，其前端封有喷孔板，喷孔板上设有喷孔；其中，压电陶瓷为U形槽，分为上下两部分，上部为两个致动壁，下部为底座；两个致动壁的上端通过一层弹性胶膜与上盖连接，两个致动壁、底座和上盖共同围成的腔体为储液槽；储液槽前端为喷孔板固封；点样头主体的两侧壁上接有驱动电压引线；另两侧壁中的一侧壁上部，垂直固接有进样管，进样管的自由端为进样口；进样口通过管道与待点样品溶液相连通；

其工作方式为：通过驱动电压引线对U形槽状压电陶瓷的两个致动壁，施加驱动电压，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，使储液槽的体积减小或增加，当储液槽的体积减小时，将样品溶液定量地喷射到基片上；当储液槽的体积增加时，将样品溶液由进样管吸入储液槽。

所述的点样头，其中，所述样品溶液定量喷射，其喷射点样液滴的大小，由喷头结构、喷孔尺寸和驱动脉冲幅度决定；喷出液滴的体积最小可达皮升级，实现微量、定量点样。

所述的点样头，其中，在点样头结构、喷孔尺寸确定的情况下，点样液滴的大小由驱动脉冲幅度精确调节。

所述的点样头，其中，所述施加驱动电压为脉冲，施加一个脉冲，导致一次喷射点样，喷出液滴总体积由驱动脉冲数量来控制。

所述的点样头，其中，多个点样头侧面衔接排列在一起，组成点样头阵列，阵列中，可对任意一点样头进行控制，每个点样头都可单独工作或同其它点样头一同工作。

所述的点样头，其中，所述阵列中每个点样头都可单独工作，即喷射出的不同溶液数，与点样头的个数相同。

本发明的点样头具有以下优点：

1.能够进行非接触式点样；

2.采用不同大小的喷孔和驱动脉冲幅度，可实现微升、纳升级甚至皮升量级试剂的点样；

3.单次喷射体积由驱动脉冲幅度控制；

4.施加一个脉冲，导致一次喷射；

5.点样容量可精确控制并能实现连续调节；

6.点样头由压电驱动工作，不需额外的压力泵，减小了点样头的体积，为点样头的高密度集成提供了可能；

7.可组成点样头阵列，阵列中每个点样头都可喷射不同种类的液滴，并可单独工作。

本发明的点样头，可用作生物芯片点样，微量生化试剂的精确供给，还可用做聚合物打印等等。

附图说明

图1为本发明一种非接触式微量点样头的结构图；

图2(a)是点样头主体横向截面图；

图2(b)详细说明液滴的喷射过程；

图3为由本发明点样头组成的点样阵列。

具体实施方式

本发明中，压电元件构成了样品溶液的储液槽，施加电压后，压电元件向内收缩，减小了储液槽的体积，将样品定量地喷射到基片上。

所述的点样头，施加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。

在压电体上施加电场，压电体就会发生机械形变，在压电体上施加交变电场，压电体就会发生振动，这就是逆压电效应。逆压电方程为：

S＝s^ET+d_tE

极化后的压电陶瓷是横向各向同性，其电弹常数矩阵和六方晶系6mm点群的形式完全相同。若沿3轴极化，在1轴方向上施加电场，将压电方程展开成矩阵形式后，可得：

S₁₁＝S₂₂＝S₃₃＝S₁₂＝S₂₃＝0 S₁₃＝d₁₅E₁

式中E为电场强度，E₁＝V/h，V-驱动电压，h-压电陶瓷厚度

此种振动模式称为压电陶瓷的厚度切变振动。由于只存在剪切形变，没有伸缩形变，不存在模态间的耦合，因而损耗小，能量转换率高。压电剪切应变常数d₁₅在所有压电应变常数中数值最大，在无机械增益情况下，厚度切变振动模态的致动力最大。

下面结合附图详细介绍本发明的实施方式。

图1是点样头的结构图，包括点样头主体1，进样管2，驱动电压引线3，喷孔4，喷孔板4a。其中：点样头主体1为中空柱状，其上端封闭，其下端封有喷孔板4a，喷孔板4a的中心位置设有喷孔4。点样头主体1的两侧壁上接有驱动电压引线3，另两侧壁中的一侧壁上部，垂直固接有L形进样管2，进样管2的自由端为进样口。进样口通过管道与待点样品溶液相连通。

样品溶液从进样管2进入点样头主体1的中空内腔中，该中空内腔为储液槽(图中未标出)。将一个驱动脉冲加载于驱动电压引线3后，将导致一次喷射，从喷孔4中喷出一个小液滴，落在基片上。液滴体积由喷孔大小和驱动脉冲幅度决定，喷出液滴的体积最小可达几皮升，最大可达微升级。

图2(a)是点样头主体横向截面图，同时参照图1，点样头主体1是由压电陶瓷5、上盖7、喷孔板4a和进样管2等几部份组成，喷孔板4a和进样管2分别位于点样头主体纵向的端部，因而在图中没有体现。点样头主体1截面包括压电陶瓷5，弹性胶膜6，上盖7，储液槽8。其中，压电陶瓷5为U形槽状，分为上下两部分，上部为致动壁51、52，是运动部件，下部为底座53。致动壁51、52上端通过一层弹性胶膜6与上盖7相连，两个致动壁51、52以及底座53和上盖7共同围成的腔体为储液槽8。在纵向上，储液槽8后端与进样管2相连，前端为喷孔板4a固封，喷孔板4a上的喷孔4以粗环示出。

下面利用图2(b)详细说明液滴的喷射过程。致动壁51、52的极化方向向上，电场方向与极化方向垂直，致动壁51、52将做厚度切变振动。在左侧致动壁51上施加正向电场，致动壁51将做顺时针切变振动，由于底部受到底座53的限制，同时顶部胶膜6弹性较好，因而左侧致动壁51将带动胶膜6向储液槽8内部运动。同理，在右侧致动壁52上施加反向电场，右侧致动壁52将做逆时针切变振动，其结果也是向着储液槽8内部运动。两个致动壁51、52的运动减小了储液槽8的容积，在储液槽8中产生正压力波，正压力波驱动液体向着喷孔板4a移动，最终从喷孔板4a上的喷孔4喷出，形成一个液滴。如果将两个电场同时反向，压电陶瓷5的两个致动壁51、52将带动胶膜6向储液槽8外部运动，增大储液槽8的容积，在液体中产生负压力波，负压力波驱动溶液由进样管2进入储液槽8。自制驱动电源可以使储液槽8在扩大之后突然缩小，产生一个很大的朝向喷孔4的正压力波。该压力波足以克服喷孔4内壁粘附和表面张力，将溶液从喷孔4喷射出去。

实施例1

图3是本发明的一个实施例，多个点样头侧面衔接排列在一起，组成了点样头阵列。阵列中，可对任意一点样头进行控制，每个头都可单独工作或同其它头一同工作。每个点样头的进液系统都是独立的，因而有几个点样头，就可以喷射出几种不同的溶液。

Claims

1.一种非接触式微量点样头，用于生物液体样品或化学液体样品的微量点样，其特征在于，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，将样品喷射到基片上，从而实现非接触式微量点样；

2.如权利要求1所述的点样头，其特征在于，所述样品溶液定量喷射，其喷射点样液滴的大小，由点样头结构、喷孔尺寸和驱动脉冲幅度决定；喷出液滴的体积最小可达皮升级，实现微量、定量点样。

3.如权利要求1或2所述的点样头，其特征在于，在点样头结构、喷孔尺寸确定的情况下，点样液滴的大小由驱动脉冲幅度精确调节。

4.如权利要求1或2所述的点样头，其特征在于，所述施加驱动电压为脉冲，施加一个脉冲，导致一次喷射点样，喷出液滴总体积由驱动脉冲数量来控制。

5.如权利要求1所述的点样头，其特征在于，多个点样头侧面衔接排列在一起，组成点样头阵列，阵列中，可对任意一点样头进行控制，每个点样头都可单独工作或同其它点样头一同工作。

6.如权利要求5所述的点样头，其特征在于，所述阵列中每个点样头都可单独工作，即喷射出的不同溶液数，与点样头的个数相同。