CN1974025B - 一种微量液体喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微量液体喷射系统，其特征在于：它包括气压力模块，与所述气压力模块通过管路连接的微喷单元，以及分别连接所述气压力模块和微喷单元的控制电路；所述气压力模块包括：一步进电机；一丝杆运动单元，其与所述步进电机的输出端连接；一注射器，其内的活塞杆连接所述丝杆运动单元，一气压输送管路；其一端连接所述注射器的出口，另一端连接所述微喷单元；至少一压力传感器，其从所述气压输送管路引出。本发明喷样过程所需的样品体系体积仅为微喷单元内腔体积，清洗过程快捷高效，喷样过程中不需要调整压力，大大节省样品。本发明可以广泛用于nL级和μL级微量液体的转移、分配场合，并可以用来分配或转移包括生物液体在内的各种微量液体。

Description

一种微量液体喷射系统

本发明为专利申请号为：200410086248.0，申请日为：2004年10月28日，发明名称为：一种微量液体喷射系统的发明专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种液体喷射系统，特别是关于一种基于气压力驱动和微阀控制的微量液体喷射系统。

背景技术

目前，用于微阵列制备的技术有原位合成、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，是目前最为流行的一种技术，但是样品分配量依赖于钢针预先加工好的尺寸而难于控制，且点样稳定性差。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，从而大大提高制备速度。

目前非接触式喷样法的原理有微阀控制、压电喷射和热气泡喷射三种。基于微阀原理的微喷技术的核心部件是微注射泵和微线圈电磁阀，如BioDot公司开发的BioJet Plus^TM系列。微注射泵起到保持泵和微线圈阀间管路内压力和进给样品的作用，在管路内压力的作用下，打开微阀设定时间，即可将设定体积的液体从微阀出口喷射出来。该系列有两种进样模式，或者将液体从样品瓶里抽出并推入到与微阀相连的管道中，这样需要样品充满管道，需要样品量大，更换样品和清洗管路麻烦，需要人工介入；或者先往管路里吸入一定体积的工作液，然后再吸入样品，这样可以降低样品量，但工作液和样品的界面处可能会有扩散现象，剩余样品难以回收。微线圈阀用来控制喷样量的大小。BioJet Plus^TM的缺点包括需要的样品量大或样品会有浪费；调整压力需要精度极高的注射泵，成本高；由于整个管路充满液体，清洗困难，尤其是连续喷样模式的管路清洗；在喷样过程中，需要不断以精度极高的小位移推进注射泵以保持压力，且随着管路内液体量的减少，需要调整上述小位移量以保持压力不变。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种操作简便，使用样品量小，喷样量易于控制的微量液体喷射系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种微量液体喷射系统，其特征在于：它包括气压力模块，与所述气压力模块通过管路连接的微喷单元，以及分别连接所述气压力模块和微喷单元的控制电路；所述气压力模块包括：一步进电机；一丝杆运动单元，其与所述步进电机的输出端连接；一注射器，其内的活塞杆连接所述丝杆运动单元；一气压输送管路，其一端连接所述注射器的出口，另一端连接所述微喷单元；至少一压力传感器，其从所述气压输送管路引出。

所述压力传感器为一正压力传感器和一负压力传感器。

所述压力传感器为正负压力传感器。

所述微喷单元包括一微线圈电磁阀和通过管路或螺纹连接所述微线圈电磁阀的微喷头。

所述微喷单元连接在一机械手上。

所述控制电路包括计算机、与所述计算机通过串行接口连接的单片机，所述单片机的I/O接口上连接有微阀驱动电路，驱动所述微线圈电磁阀。

所述单片机还具有一A/D单元，所述压力传感器的检测值通过所述A/D单元输入所述单片机。

本发明的有益效果是，取样和换样方便，要分配的液体可以放在微孔板里，并由机械手携带微喷单元到微孔内、通过负压力将液体吸入到微喷单元内。吸样量和喷样量可以根据压力大小和微阀开关时间灵活调节；本微喷系统分配15％甘油，可以达到2nL的最小分样量。压力调整单元系统简单，可用多种方式构建；压力调整单元可通过精密的压力传感器和调压阀得到精度很高的压力值；压力调节过程简单快捷，且在喷样过程中不需要重新调整压力。微阀响应时间可以达到亚毫秒级且开关时间精度极高，从而获得很小的单位分样量和很高的分样量一致性。用在分样量为10nL时，分样量一致性小于4％。喷样量可调范围大，可以在几个nL到几十个μL范围内调整，可用于微阵列制备、分装和移液等多种微量液体转移场合。喷样完毕后，还可将微量液体喷回到源位置，从而最小程度地减少样品浪费；

附图说明

图1是本发明的系统示意图

图2是本发明气压力模块结构示意图

图3是本发明的压力生成流程图

图4是本发明气压力模块另一结构示意图

图5是本发明气压力模块再一结构示意图

图6是本发明的控制电路框图

图7是本发明的喷样流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明由微喷单元1、气压力模块2和控制电路3组成。微喷单元1和气压力模块2之间通过管路连接。微喷单元1由通过管路连接的微线圈电磁阀11和微喷头12组成，微喷单元1可以是单个或多个。微喷单元1可以和机械手互相配合，由机械手携带微喷单元1按照预设程序变化位置，制备出设定的微阵列。单个和多个微喷单元1均由一个气压力模块2提供气压力。

气压力模块2可以采用各种结构形式，下面是气压力模块2构成的几个实施例：

实施例1

如图2所示，本实施例的气压力模块2包括：气压力发生单元A、压力传感单元B、压力调节单元C和连接各单元A、B、C及微喷单元1的气压输送管路D。气压力发生单元A包括一个空压机21，空压机21的压力输出口连接一个三通接头22，三通接头22的另外两个端口分别连接一个两通电磁阀V1、V2，其中一个电磁阀V1的另一端与一真空发生器23的输入端相连，真空发生器23的输出端与一个两通电磁阀V3连接，电磁阀V2、V3的输出端分别连接一个三通接头24，三通接头24的另一端连接压力输送管路D，在压力输送管路D上引出气压力传感单元B。气压力传感单元B包括一个连接在压力输送管路D上的三通接头25和一个连接三通接头25的三通接头26，三通接头26的另两端分别串接一个电磁阀V4、V5，电磁阀V4、V5的另一端分别连接一正压传感器27和一负压传感器28，正、负压传感器27、28通过导线连接至控制电路3。在压力传感单元B后面的压力输送管路D上引出压力调节单元C。压力调节单元C包括连接在压力输送管路D上的一个四通接头29，四通接头29的另两端分别连接一个两通电磁阀V6、V7，电磁阀V6、V7的另一端分别连接一流量调节阀T1、T2，两个调节阀T1、T2的流量不同，且是预先调好的，分别用来对压力粗调和细调。在压力输送管路D的输出端连接一个电磁阀V8连接，电磁阀V8的另一端连接微喷单元1。

本实施例中，控制电路3读取传感器27、28的压力值，并根据测量压力值和设定压力值的差异，进行粗调和细调。具体操作过程如下(如图2、图6所示)：

(1)输出负压力

首先打开两通电磁阀V1和V3，空压机21输出的正压力通过两通电磁阀V1输入到真空发生器23的输入端，负压从真空发生器23的输出端输出，并通过电磁阀V3输入到气压力输送管路D中。然后，打开与负压传感器28相连的电磁阀V5，用负压传感器28测量气压力输送管路D中的压力值，如果测得压力值高于设定压力，则需要再次打开阀门V1和V3，降低气压力输送管路D内的负压力值，即提高负压；若测得压力值低于设定压力，则打开粗调电磁阀V6极短时间，以使少量外部大气进入气压力输送管路D，从而提高气压力输送管路D内的压力值，直到气压力输送管路D内压力值与设定压力的差值小到粗调精度要求范围内。之后，打开电磁阀V8，使气压力模块2输出的气压力通过电磁阀V8与微喷单元1的微线圈电磁阀11间的管路相连通，再通过负压传感器28测量负压值，并通过各电磁阀V1、V3、V7细调管路内的压力，其调节过程与粗调过程类似。

(2)输出正压力

正压调节过程与负压调节过程类似，不同之处在于输入压力时打开两通电磁阀V2，直接将正压力输入到气压力输送管路D中，然后打开两通电磁阀V4，用正压传感器27测量气压力输送管路D压力。若气压力输送管路D内压力低于设定压力，打开两通电磁阀V2，加大管路内压力；若管路内压力高于设定压力，则分别通过电磁阀V6、V7的打开进行粗调和细调。

在调压过程中，微线圈电磁阀11始终关闭。各两通电磁阀在上述操作中的状态如表1所示。

表1

注：On为打开状态，Off为关闭状态。

实施例2

如图4所示，本实施例的气压力模块2中的气压力传感单元B、气压力调节单元C和压力输送管路D的设置与实施例1相同，只是气压力发生单元A与实施例1不同。本实施例的气压力发生单元的正压力仍采用一个空压机21，负压力采用一个真空泵23’替代真空发生器23，空压机21和真空泵23’分别连接一两通电磁阀V2、V3，两通阀V2、V3的输出端分别连接在一个三通接头24的两端，三通接头24的另一端连接压力输送管路D，其余部件的连接与实施例1相同，不再赘述。

本实施例的操作，输入负压力时，启动真空泵23’，打开电磁阀V3，直接向气压力输送管路D中输送负压；输入正压时，启动空压机21打开电磁阀V2，直接向气压力输送管路D中输送正压；气压力的传感和调节与实施例1类似，在此不再赘述。

实施例3

如图5所示，本实施例的气压力模块2采用注射泵的结构形式，它包括一步进电机31，其输出端连接一丝杠运动单元32，丝杠运动单元32与注射器33的活塞连接，注射器33的出口连接一气压力输送管路D，在气压力输送管路D上通过一个三通接头34引出一个正负压传感器35，在实施例1和实施例2中也可以用一个正负压传感器35代替正压传感器27和负压传感器28，反过来在本实施例中也可以用一个正压传感器27和一个负压传感器28代替正负压传感器35。正负压传感器35的测量范围包括正压和负压，气压力输送管路D连接微喷单元1的微线圈电磁阀11。本实施例中的丝杠运动单元32可以采取各种结构形式，其有能提供注射器33活塞杆的前后移动即可。

本实施例的正负压传感器35可以随时测量气压力输送管路D内的压力，当要产生设定压力时，关闭微喷单元1的微线圈电磁阀11，通过步进电机31带动丝杠运动单元32推动注射器33的活塞，使管路体积变小，产生正压；或拉出注射器33的活塞，使管路内体积变大、产生负压。控制电路3根据正负压传感器34的测量值调节腔内压力直到其达到精度要求。压力调节方法是根据压力传感器34的测量值，反馈至控制电路3，再通过控制电路3驱动步进电机31带动丝杠运动单元32作微小位移，使管路内体积发生微小变化。

如图6所示，本发明的控制电路3包括一台单片机，在本实施例中的型号为80C552，其具有A/D单元、RS232串行接口及I/O接口。气压力模块2中的压力传感器检测到的压力值通过A/D单元输入单片机内。单片机通过其RS232串行接口与上位计算机系统连接，计算机系统中内置有控制程序，单片机执行计算机系统发出的指令，并将运行结果及压力传感器的检测数据反馈给计算机系统，再由单片机将运行指令通过其I/O接口输出。单片机的I/O接口上分别连接有相应的电磁阀驱动电路、微阀驱动电路，由电磁阀驱动电路、微阀驱动电路按照单片机的指令控制各电磁阀及微线圈电磁阀的启动或关闭。本发明通过控制电路3调节气压力的大小和微线圈电磁阀11开关时间来控制吸取或者喷出的液体量。增大压力的绝对值或者延长阀门11开启时间都可以增大吸样量和喷样量，反之则降低。

本发明可以将微喷单元1装在机械手上，机械手的运动控制由专门的运动控制卡实现。采用同一个应用程序可以同时对机械手运动和微喷模块的各个动作进行控制，应用程序可通过串口将各种参数和命令传输到控制电路3。并将上述的调节压力、吸取样品和喷样等操作与机械手运动协调起来，即可实现自动从样品板里取样、在玻片上喷制微阵列、自动清洗通道的过程。

本发明的工作过程如下(如图7所示)：

(1)吸样

将负压力调节到设定值的精度范围内后，用机械手携带微喷单元1到源样品板位置，并将微喷头12插入到液面下，打开微线圈电磁阀11以设定时间，即可将液体吸入到管路中。液体的吸入量与微线圈电磁阀11打开时间的长短、负压力大小、通道内体积和液体粘度等因素有关。在吸入液体时，为防止气泡进入管路，必须对样品板中的样品作去气泡处理，且负压力也不可太低。

(2)喷样

正压力调节到设定值的精度范围内后，用机械手携带微喷单元1到达微阵列基片上方，打开微线圈电磁阀11，以极短时间即可将微小液滴从微喷头12中喷出，然后将微喷单元1移动到下一基片位置，打开微线圈电磁阀11，再次喷出液滴。多次重复上述机械手携带微喷单元1移动位置、打开微线圈电磁阀11喷出液滴到基片上的过程，即可将液体等量地分配到各个基片上。通过程序设置和电路控制，也可使微喷单元1的移动和微线圈电磁阀11打开动作并行进行，从而提高速度。

(3)清洗微喷管道

在分配完一种样品和分配一种新样品之前，都需要清洗微喷管路，如微线圈电磁阀11和微喷头12的内腔、两者间的管路等样品流过的通道。清洗过程是上述吸样和喷样过程的多次重复，即反复将清洗液吸入管路和从管路喷出。从管路中喷出清洗液时，不必逐液滴喷出，打开微线圈电磁阀11一次喷出可以提高清洗效率。

清洗完毕后，重复上述正压、打开微线圈电磁阀11的过程，把管路中残留的气泡和清洗液排出，以保证下一种样品不会被稀释和避免气泡对喷样的均一程度的影响。

综上所述，本发明可以直接从96/384样品板中吸取样品而不需要预装样品在瓶子里，换样和系统清洗自动进行、简单快捷，并可以通过气压力模块2生成不同的压力、设置微线圈电磁阀11的开关时间来调节喷样量的大小，克服了现有的微喷技术中存在的样品量大、换样和清洗困难、样品浪费和喷样过程中需要实时调节压力等问题。

本发明除可用于微阵列制备外，也可用于其他微量液体转移和分装场合，如将96孔样品板的不同样品定量转移到384孔板、或从384孔板转到384孔板等移液操作，或将同种样品分装到多个96孔或者384孔板等分装操作，操作过程类同。

本发明除可用于分配和转移微量DNA等生物液体外，也可操作其他液体，如在电路板制作工业中，可用本发明在电路板的指定位置点滴微量绝缘胶等。

Claims (9)

1.一种微量液体喷射系统，其特征在于：它包括气压力模块，与所述气压力模块通过管路连接的微喷单元，以及分别连接所述气压力模块和微喷单元的控制电路；所述气压力模块包括：一步进电机；一丝杆运动单元，其与所述步进电机的输出端连接；一注射器，其内的活塞杆连接所述丝杆运动单元；一气压输送管路，其一端连接所述注射器的出口，另一端连接所述微喷单元；至少一压力传感器，其从所述气压输送管路引出。

2.如权利要求1所述的一种微量液体喷射系统，其特征在于：所述压力传感器为正负压力传感器。

3.如权利要求1所述的一种微量液体喷射系统，其特征在于：所述压力传感器为一正压力传感器和一负压力传感器。

4.如权利要求1或2或3所述的一种微量液体喷射系统，其特征在于：所述微喷单元包括一微线圈电磁阀和通过管路或螺纹连接所述微线圈电磁阀的微喷头。

5.如权利要求1或2或3所述的一种微量液体喷射系统，其特征在于：所述微喷单元连接在一机械手上。

6.如权利要求4所述的一种微量液体喷射系统，其特征在于：所述微喷单元连接在一机械手上。

7.如权利要求4所述的一种微量液体喷射系统，其特征在于：所述控制电路包括计算机、与所述计算机通过串行接口连接的单片机，所述单片机的I/O接口上连接有微阀驱动电路，驱动所述微线圈电磁阀。

8.如权利要求6所述的一种微量液体喷射系统，其特征在于：所述控制电路包括计算机、与所述计算机通过串行接口连接的单片机，所述单片机的I/O接口上连接有微阀驱动电路，驱动所述微线圈电磁阀。

9.如权利要求7或8所述的一种微量液体喷射系统，其特征在于：所述单片机还具有一A/D单元，所述压力传感器的检测值通过所述A/D单元输入所述单片机。

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