CN208449341U - 一种电动移液器 - Google Patents

Abstract

一种电动移液器，包括：微型气泵，用于产生负压；电磁阀，用于在上电时控制与微流控芯片相连的管道与微型气泵连通、断电时与大气连通；位移驱动器，用于通过刚性延长件给微流控芯片一个冲击力使得微流控芯片内液体以液滴方式喷出；微流控芯片，用于吸取、储存和喷射液体；控制系统，用于控制微型气泵、电磁阀和位移驱动器的工作状态；微流控芯片内设置有用于储存液体且可被敲击的腔体；微流控芯片上设置有通过微管道与腔体贯通的微喷孔，微喷孔的设置满足条件：使得微流控芯片中液体具有自锁特性。冲击产生的液滴体积小，一致性好。所分配液体体积由单个液滴体积与冲击次数共同决定，因此，其具有较高的分辨率与精度。

Description

一种电动移液器

技术领域

本实用新型涉及计量仪器技术领域，具体涉及一种高精度的电动移液器，用于吸取、分配微量液体。

背景技术

在医疗、药物、基因和蛋白质研究、生物研究、药物开发实验室以及其它生物技术应用领域中，经常需要利用移液器在各种实验室操作规程中来操作实验室样品，主要是利用移液器将一定体积的液体吸入移液管内，然后将液体分配成若干所需体积液体。

目前，普通手动移液器一般通过活塞移动的方式实现液体的抽吸与释放(分配)。电动移液器通常通过电机或者负压泵来改变吸头内的气压来抽运液体。例如，中国专利CN201310485164.3《电动移液器及其自动计量方法、自动分液方法》介绍了一种通过控制吸量管内气压来来实现液体的定量化抽取与分配的方法，这一方法虽然能够实现自动控制吸液和排液，但其基于管道液体自重与负压的共同作用，只适用于较大体积液体的分配。中国专利CN 201120338698.X《高精度电动移液器的控制系统》介绍了一种通过步进电机推动活塞运动来实现高精度的吸液和排液，其精度主要与步进电机的步距角以及活塞截面积有关。Rainin公司专利US6254832B1和CN1300239A，其原理也是靠步进电机推动活塞来完成液体的吸取与分配。本实用新型与其原理及结构有着显著差异，且本实用新型精度更高，液滴体积最小可达到0.1纳升至1纳升。目前高精度移液器大部分都是基于空气活塞原理，由于空气的压缩性与微量液体在吸头表面受毛细力、静电力的作用，使得可靠工作范围限定在1微升以上。如Rainin公司的LTS E4-10XLS+高精度电动移液器，在分配1微升体积液体时，标称准确度误差±2.5％，随机误差±1.2％。再如Eppendorf公司的Eppendorf Xplorer高精度系列电动移液器，最低分配液体体积为1微升，在分配1微升体积液体时，标称准确度误差±2.5％，随机误差±1.8％。但在药物开发、生化实验时，有时所需要的样品很珍贵，且对液体样本及试剂的精度要求很苛刻，目前现有的移液器很难满足要求，因此，急需一种高精度的移液器。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种高精度的电动移液器。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：

一种电动移液器，包括：

微型气泵、电磁阀、位移驱动器、微流控芯片和控制系统；

所述微型气泵，用于产生负压，为吸取液体提供动力；

所述电磁阀，在上电时控制与微流控芯片相连的管道与微型气泵连通，在断电时控制与微流控芯片相连的管道与大气连通；

所述位移驱动器，用于在工作时，通过沿运动方向不可伸缩的刚性延长件给微流控芯片内的腔体提供一个冲击力以使得所述微流控芯片滴落液滴；

所述微流控芯片，用于充当可抛弃吸头以吸取、储存和喷射液体；

所述控制系统，用于控制微型气泵、电磁阀和位移驱动器的工作状态；

所述微流控芯片内设置有用于储存液体且可被敲击的腔体；

腔体上覆盖有可变形薄膜；

所述微流控芯片上设置有通过微管道与所述腔体贯通的微喷孔，所述微喷孔的设置满足条件：使得微流控芯片中液体具有自锁特性。

优选的，上述电动移液器中，所述控制系统包括：

控制器和输入键盘；

所述控制器的第一接口与电磁阀相连，以向电磁阀输出用于控制电磁阀工作状态的控制信号；

所述控制器的第二接口与所述位移驱动器相连，用于向所述位移驱动器输出用于控制所述刚性延长件冲击所述可变形薄膜的控制信号；

所述输入键盘与所述控制器，用于设置所述控制器输出的控制信号时长、频率和次数。

优选的，上述电动移液器中，所述微管道上设置有一圆柱形腔体结构，所述圆柱形腔体结构用于承受所述刚性延长件的冲击。

优选的，上述电动移液器中，所述位移驱动器为电磁驱动器或压电驱动器。

优选的，上述电动移液器中，所述电动移液器的电源为内置电源或外接电源。

优选的，上述电动移液器中，包括n组微型气泵、电磁阀、位移驱动器和微流控芯片，所述n为不小于2的自然数；

所述n组微型气泵、电磁阀、位移驱动器和微流控芯片共用一组控制系统。

优选的，上述电动移液器中，包括n组位移驱动器、微流控芯片，所述n为不小于2的自然数；

所述n组位移驱动器和微流控芯片共用一组微型气泵、电磁阀和控制系统。

优选的，上述电动移液器中，所述电动移液器包括n组位移驱动器、微流控芯片和电磁阀，所述n为不小于2的自然数；所述n组位移驱动器、微流控芯片和电磁阀共用一组微型气泵和控制系统。

优选的，上述电动移液器中，所述微型气泵、电磁阀、位移驱动器和控制器安装在电动移液器外壳内，所述输入键盘设置在所述电动移液器外壳的表面，所述微流控芯片以可拆卸方式安装在所述外壳的端头处。

优选的，上述电动移液器中，所述外壳为渐缩式条形结构，所述微流控芯片设置在所述外壳的缩口处。

优选的，上述电动移液器中，所述输入键盘为触控式键盘。

基于上述技术方案，本实用新型实施例提供的技术方案可见，该电动移液器是利用微型气泵形成负压作为吸取液体的动力，将液体吸入到微流控芯片的腔体内，可通过控制电磁阀的开关时间以及利用控制微型气泵的电机转速可以实现控制液体的吸取量进行控制，吸取液体后利用位移驱动器冲击所述微流控芯片，将芯片中的液体以均匀的液滴的形式排出微流控芯片，并且，由于各个液滴的液体体积基本是一致的，因此，可以通过控制电磁驱动器冲击微流控芯片的次数来控制滴落的液滴数量以及总滴落的液滴的量。单个液滴体积小(0.1nL-10nL)，且打印产生液滴体积一致性好，由此可见，本申请提供的电动移液器具有较高的分辨率与精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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为本申请实施例公开的一种电动移液器的功能模块示意图；

图2为本申请实施例公开的一种电动移液器的结构示意图；

图3为本申请实施例公开的一种单通道电动移液器吸液与分配液体的操作流程示意图；

图4为本申请实施例公开的一种多通道且每个通道各有一个气泵的电动移液器结构示意图；

图5为本申请实施例公开的一种多通道共用一个气泵的电动移液器结构示意图；

图6为本申请实施例公开的一种多通道共用气泵和电磁阀的电动移液器结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

为了满足高精度需求本申请提供了一种高精度的电动移液器，其可以自动吸取微量液体体积，然后还可以连续产生微量体积液滴，定量化的吸取所需体积液体和产生所需分配体积液体，参见图1和图2，该电动移液器可以包括：

微型气泵1、电磁阀2、位移驱动器3、微流控芯片4和控制系统5；

所述微型气泵1，在工作时用于产生负压，以为所述电动移液器吸取液体提供动力；

所述电磁阀2，所述电磁阀2有三个端口，记为第一端口、第二端口和第三端口，其中第一端口与所述微流控芯片4相连的管道连通，第二端口与所述微型气泵1连通，第三端口与外部环境连通，当所述电磁阀2上电时，所述第一端口和第二端口相连通，使得微流控芯片连接的管道与微型气泵1连通，以使得所述微流控芯片4获取微型气泵1提供的取液动力，在所述电磁阀2断电时，所述第一端口和第三端口相连通，以使得微流控芯片连接的管道与大气连通，为滴液做准备；

所述位移驱动器3，用于在工作时，通过沿运动方向不可伸缩的刚性延长件给微流控芯片4内的腔体提供一个冲击力以使得所述微流控芯片滴落液滴，其中，所述唯一驱动器通过刚性延长件给所述腔体的冲击力的强度可以依据用户需求而设定，这个强度是预先设定好的，例如，通过设置冲击力的强度，使得所述微流控芯片4每被冲击一次，所述腔体内的液体滴落一滴，在实施之前，可以预先计算微流控芯片4每滴落的一滴液体的体积和质量，由于刚性延长件每冲击微流控芯片4一次，微流控芯片4滴落的液滴的数量是已知的，因此可以通过控制刚性延长件冲击微流控芯片4的次数即可精确的控制所述微流控芯片4滴落液体的量；

所述微流控芯片4，用于充当可抛弃吸头以吸取、储存和喷射微小体积的液体，所述微流控芯片上有腔体与覆盖腔体上的可变形薄膜、通过微管道与所述腔体相连的微喷孔，所述微喷孔处可以进行超疏水处理，以使得在由所述微喷孔吸入液体时防止液体粘附在微喷孔处，所述腔体用于存储吸入微流控芯片4的液体，该微喷孔用于充当动移液器的喷口，所述微喷孔与腔体之间通过微管道相连，为了防止腔体内的液体在微流控芯片4未被冲击的情况下滴落，所述微喷孔的设置满足条件：使得微流控芯片中液体具有自锁特性，并且，可以通过所述微管道和微喷孔的尺寸，限制低落的单个液滴的体积，例如，可以将单个液滴的体积限制在0.1纳升至10纳升之内。所述位移驱动器3通过其上连接的延长件敲击微流控芯片，使腔体内的液体以液滴方式从所述喷口喷出；所述微流控芯片内设置有用于储存液体的腔体；

所述控制系统5，用于控制微型气泵、电磁阀和位移驱动器的工作状态，其可以包括控制器510、显示模块520和供电模块530，所述控制器510的第一接口与电磁阀相连，所述控制器的第二接口与所述位移驱动器相连，控制器510用于接受参数的输入，该参数可以是用户输入的，依据所述输入的参数控制所述微型气泵1、电磁阀2和位移驱动器3的工作状态，例如，输出电控制电磁阀2上电的控制信号、控制微型气泵1启动的控制信号，控制位移驱动器3启动的控制信号等；所述显示模块可以辅助用户输入参数，用户可通过所述显示模块显示用户的输入参数；所述供电模块用于给电动移液器中的用电元件供电。所述驱动电路包括气泵电机驱动电路、电磁阀驱动电路和位移驱动器驱动电路，用于响应所述控制器的控制信号以对微型气泵1、电磁阀2和位移驱动器3进行驱动。所述控制系统5还可以包括输入键盘，所述输入键盘可以是触摸屏式键盘也可以是机械键盘，当所述输入键盘为触摸屏式键盘时，所述输入键盘可以作为所述显示模块来使用，用户可以通过所述输入键盘输入设置的参数，所述输入的参数可以包括：微型气泵1电机的转速、电磁阀2的上电时长、位移驱动器3冲击所述微流控芯片的次数、频率等，在所述微流控芯片管道流阻已知的前提下，可以通过所述电磁阀2的上电时长、微型气泵电机的转速实现微流控芯片4吸入液体体积的控制，当然，如果微型气泵电机的转速也是固定值的情况下，可以直接通过电磁阀2的上电时长实现微流控芯片4吸入液体体积的控制，例如，将吸入液体的体积控制在0.5微升到亚毫升之间。当然，用户也可以输入微流控芯片滴液的时长，以及本次需控制微流控芯片释放液体的总体积，所述控制器510依据滴液的时长、总体积和每个液滴的体积自动计算出位移驱动器3冲击所述微流控芯片的次数和频率。

通过本申请上述实施例公开的技术方案可见，该电动移液器是利用微型气泵形成负压作为吸取液体的动力，将液体吸入到微流控芯片的腔体内，可通过控制电磁阀的开关时间以及利用控制微型气泵的电机转速可以实现控制液体的吸取量进行控制，吸取液体后利用位移驱动器冲击所述微流控芯片，将芯片中的液体以均匀的液滴的形式排出微流控芯片，并且，由于各个液滴的液体体积基本是一致的，因此，可以通过控制电磁驱动器冲击微流控芯片的次数来控制滴落的液滴数量以及总滴落的液滴的量，由此可见，本申请提供的电动移液器具有较高的精度。

在本申请实施例公开的技术方案中，由于应用不同尺寸的微管道和微喷孔的微流控芯片4每次滴落的液滴的体积是不同的，因此，为了满足不同的滴液需求，本申请上述实施例公开的技术方案中，所述微流控芯片4以可拆卸方式安装在用于所述壳体的移液器插头上，所述微型气泵1、电磁阀2、位移驱动器3和控制系统5安装在所述壳体上，其中，为了方便用户输入参数所述显示模块和输入键盘设置在壳体的外表面，此时，用户可以依据不同的实验需求在所述壳体上安装不同规格的微流控芯片4，此时，用户还可将所述微流控芯片4对应的滴落的液滴的体积通过所述输入键盘输入给所述控制器；

在本申请另一实施例公开的技术方案中，为了方便所述位移驱动器冲击所述微流控芯片，以使得所述微流控芯片产生大小均匀的液滴，所述微管道上设置有一圆柱形腔体结构，所述圆柱形腔体结构用于承受所述刚性延长件的冲击，即所述位移驱动器的刚性延长件通过冲击所述圆柱形腔体，以使得所述微流控芯片产生均匀大小的液滴。

在本申请实施例公开的技术方案中，所述电动移液器可以为单通道结构，也可以为多通道结构。

当其为单通道结构时，一组微型气泵、电磁阀、位移驱动器和微流控芯片对应一个控制系统，此时，可以将其设置为便携式结构，参见图3，图3中，所述显示屏与上述实施例中介绍的显示模块相连，所述电动移液器的外壳6为渐缩式条形结构，所述微流控芯片设置在所述外壳的缩口处。

所述单通道结构的电动移液器的使用方式如图3所示：

第一步：如图3中①所示，先把微流控芯片4安装在电动移液器壳体的插头上，然后根据需求通过输入键盘设计相关参数，如吸取液体体积、滴落液体的体积及位移驱动器工作频率时间等。

第二步：如图3中②所示，将微流控芯片4末端的微喷孔浸没在所要吸取的液体中，然后按下吸取所述输入键盘上的对应按钮，此时控制系统会发出与事先设定参数相应的控制信号，即先发出PWM信号，使所述微型气泵工作在所设定的工况，延时设定时间后(可以是几毫秒)，给电磁阀一个设定时长的高电平信号，使得所述电磁阀在高电平的作用下启动，该设定时长是控制控制器根据用户所设定吸取液体体积以及所述微型气泵所提供的负压大小计算得到的。当电磁阀上电打开后，微流控芯片相连管道端与所述微型气泵连通，在气泵形成的负压作用下，液体从微流控芯片的末端微喷孔处被吸入微流控芯片内，该移液器就会如图3中的步骤③所示吸取设定体积液体。当高电平信号结束后，电磁阀断电，微流控芯片相连管道端与大气相连通，使微流控芯片的储液区的压强为大气压强，以便于所述微流控芯片4在打印时能顺利排出液滴，并且由于所述微流控芯片4内微喷孔的尺度效应，在微流控芯片中的液体具有自锁特性，即在只受自身重力的情况下，微流控芯片中的液体不会流出。

第三步：如图3中④所示，按下输入键盘上的分配液体按钮，控制系统会给位移驱动器发出一个有确定数量和频率的方波信号，该方波信号的数量与所设分配液体体积有关，其频率与所设时间有关。微流控芯片4在位移驱动器的连续敲击下，会滴落出指定体积的液体。

当所述电动移液器为多通道结构时，多通道电动移液器的原理与单通道的电动移液器相同，主要有图4-图6所示的三种实施方式，每种实施方式通道的排列方式可以是单排排列，也可以是矩阵排列。

参见图4，所述电动移液器可以包括n组微型气泵、电磁阀、位移驱动器和微流控芯片，所述n为不小于2的自然数；所述n组微型气泵、电磁阀、位移驱动器和微流控芯片共用一组控制系统。图4中，每个通道的结构与单通道相同，即每个通道执行部件均由一个微型气泵，一个电磁阀，一个位移驱动器和一个微流控芯片构成。各通道的控制信号是控制系统分别给出的，即用户可以依据不同通道的需求，通过所述输入键盘设置该通道的工况。这样的多通道电动移液器每个通道都是独立的，各个通道可以根据需求吸取不同体积液体，也可以根据需求分配不同体积液体。通过所述输入键盘设置，也可以使得各个通道可以同时工作也可以分别独立工作，当然也可以部分同时工作。

参见图5，所述电动移液器可以包括n组位移驱动器、微流控芯片和电磁阀，所述n为不小于2的自然数；所述n组位移驱动器、微流控芯片和电磁阀共用一组微型气泵和控制系统。所有通道共用一个气泵，各通道的控制信号由控制系统分别给出。在图5所示的实施例中，在吸取液体和分配液体时其各个通道也是相互独立的，这样的多通道电动移液器每个通道都是独立的，各个通道可以根据需求吸取不同体积液体，也可以根据需求分配不同体积液体。各个通道可以同时工作也可以分别独立工作，也可以部分同时工作。但由于是由各个通道共用气泵作为吸取液体的动力源，尤其是多个通道同时吸取液体时，气泵的负载就比较大，这就要求气泵能够承受更大的负载，气泵的功率相应的就要有所增加，但缩小了多电动移液器装置的体积。

图6所示，所述电动移液器可以包括n组位移驱动器、微流控芯片，所述n为不小于2的自然数；所述n组位移驱动器和微流控芯片共用一组微型气泵、电磁阀和控制系统。在图6所示的实施例中，所有通道共用一个微型气泵和一个电磁阀，各通道的控制信号由控制系统分别给出。这样的多通道电动移液器，在吸取液体时，各个通道是同时吸取相同体积液体，但在分配液体时，各个通道是相互独立的，既可以同时分配相同或不同体积液体，也可以不同时间分配相同或不同体积液体。且整个电动移液器的体积也可以进一步减小。

进一步的，为了降低电动移液器可的成本，在本申请实施例公开的技术方案中，所述微流控芯片基于微流控原理设计，包括三层结构：上层的弹性层，中间的管道层和下层的支撑层，弹性层和管道层可以采用高分子材料，支撑层可以采用高分子材料或玻璃，高分子材料例如是PDMS(聚二甲基硅氧烷)。

进一步的，所述电动移液器中，所述位移驱动器的具体类型可以依据用户需求自行设定，例如，所述位移驱动器为电磁驱动器或压电驱动器。所述电动移液器的电源类型也可以依据用户需求自行选择，例如可以为内置电源或外接电源。

从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：

(1)、本实用新型产生的单个液滴体积更小，液滴的典型体积在0.1纳升至10纳升之间。单个液滴体积CV值小于3.4％，进行亚微升体积的液体加样时，平均效应会进一步减小随机误差，因此，采用本方案提供的电动移液器的加液的精准度更高。

(2)、本实用新型微流控芯片采用高分子材料制作，成本低并且可更换。有别于其它移液器，所述微流控芯片可拆卸，无需清洗，没有交叉污染。而且其末端微喷孔处做了超疏水处理，在吸取液体与分配液体时，有效地了防止液体粘附在微流控芯片末端微喷孔处。

(3)、本实用新型实现了吸取和分配液体自动化操作，操作简单，精度高。

(4)、本实用新型采用控制器控制电磁阀开关时间来控制液体吸取体积，操作简单且易于实现。

(5)、本实用新型装置简单、体积小、易设计为手持式或便携桌面台式仪器。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电动移液器，其特征在于，包括：

微型气泵、电磁阀、位移驱动器、微流控芯片和控制系统；

所述微型气泵，用于产生负压，为吸取液体提供动力；

所述电磁阀，在上电时控制与微流控芯片相连的管道与微型气泵连通，在断电时控制与微流控芯片相连的管道与大气连通；

所述位移驱动器，用于在工作时，通过沿运动方向不可伸缩的刚性延长件给微流控芯片内的腔体提供一个冲击力以使得所述微流控芯片滴落液滴；

所述微流控芯片，用于充当可抛弃吸头以吸取、储存和喷射液体；

所述控制系统，用于控制微型气泵、电磁阀和位移驱动器的工作状态；

所述微流控芯片内设置有用于储存液体且可被敲击的腔体；

腔体上覆盖有可变形薄膜；

所述微流控芯片上设置有通过微管道与所述腔体贯通的微喷孔，所述微喷孔的设置满足条件：使得微流控芯片中液体具有自锁特性。

2.根据权利要求1所述的电动移液器，其特征在于，所述控制系统包括：

控制器和输入键盘；

所述控制器的第一接口与电磁阀相连，以向电磁阀输出用于控制电磁阀工作状态的控制信号；

所述控制器的第二接口与所述位移驱动器相连，用于向所述位移驱动器输出用于控制所述刚性延长件冲击所述可变形薄膜的控制信号；

所述输入键盘与所述控制器，用于设置所述控制器输出的控制信号时长、频率和次数。

3.根据权利要求1所述的电动移液器，其特征在于，所述微管道上设置有一圆柱形腔体结构，所述圆柱形腔体结构用于承受所述刚性延长件的冲击。

4.根据权利要求1所述的电动移液器，其特征在于，所述位移驱动器为电磁驱动器或压电驱动器。

5.根据权利要求1所述的电动移液器，其特征在于，所述电动移液器的电源为内置电源或外接电源。

6.根据权利要求1所述的电动移液器，其特征在于，包括n组微型气泵、电磁阀、位移驱动器和微流控芯片，所述n为不小于2的自然数；

所述n组微型气泵、电磁阀、位移驱动器和微流控芯片共用一组控制系统。

7.根据权利要求1所述的电动移液器，其特征在于，包括n组位移驱动器、微流控芯片，所述n为不小于2的自然数；

所述n组位移驱动器和微流控芯片共用一组微型气泵、电磁阀和控制系统。

8.根据权利要求1所述的电动移液器，其特征在于，所述电动移液器包括n组位移驱动器、微流控芯片和电磁阀，所述n为不小于2的自然数；所述n组位移驱动器、微流控芯片和电磁阀共用一组微型气泵和控制系统。

9.根据权利要求2所述的电动移液器，其特征在于，所述微型气泵、电磁阀、位移驱动器和控制器安装在电动移液器外壳内，所述输入键盘设置在所述电动移液器外壳的表面，所述微流控芯片以可拆卸方式安装在所述外壳的端头处。

10.根据权利要求9所述的电动移液器，其特征在于，所述外壳为渐缩式条形结构，所述微流控芯片设置在所述外壳的缩口处。