TWI678235B - 使用噴頭的吸量管施配器尖端之設備及系統 - Google Patents

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Jeffrey A. Nielsen
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Kenneth Ward
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Abstract

本發明提供一種設備，其包括一吸量管施配器以控制將一體積施配至一施配位置。一尖端可操作地耦接至該吸量管施配器。該尖端包括一機電噴頭以基於來自該吸量管施配器之表明待施配自該噴頭之該體積的一量的一命令將該體積自該吸量管施配器施配至該施配位置。

Description

使用噴頭的吸量管施配器尖端之設備及系統
本發明係關於一吸量管施配器，其包括具有一機電噴頭的尖端。
吸量管為通常用於化學、生物學及醫學中之實驗室工具，其常常作為流體施配器傳輸已量測體積的液體。吸量管具有目的不同而準確度及精度不同的若干設計：自單件玻璃吸量管至更複雜的可調整式或電子吸量管。舉例而言，許多吸量管類型的操作方式係藉由在裝液室上方產生部分真空及選擇性地釋放此真空以吸取且施配液體。量測準確性取決於所使用之吸量管的型式而變化。
本發明提供一種設備，其包括一吸量管施配器以控制將一體積施配至一施配位置。一尖端可操作地耦接至該吸量管施配器。該尖端包括一機電噴頭以基於來自該吸量管施配器之表明待施配自該噴頭之該體積 的一量的一命令將該體積自該吸量管施配器施配至該施配位置。
100‧‧‧設備
110‧‧‧吸量管施配器
120‧‧‧尖端
130‧‧‧機電噴頭
200‧‧‧設備
210‧‧‧吸量管施配器
220‧‧‧按鈕
230‧‧‧噴頭
240‧‧‧尖端
250‧‧‧尖端240的展開圖
260‧‧‧頂蓋
270‧‧‧尖端
280‧‧‧LED
290‧‧‧顯示器
300‧‧‧設備
310‧‧‧吸量管施配器
320‧‧‧噴頭
330‧‧‧可裝載尖端
360‧‧‧尖端控制器
400‧‧‧噴頭
500‧‧‧系統
510‧‧‧吸量管施配器
514‧‧‧噴頭
518‧‧‧例示性抓握位置
524‧‧‧尖端
528‧‧‧噴嘴
530‧‧‧柱塞或按鈕
540‧‧‧控制器
544‧‧‧側按鈕
550‧‧‧機載可充電電池
554‧‧‧USB介面
560‧‧‧顯示器位置
570‧‧‧視情況選用的施配按鈕
圖1說明用以使用機電噴頭控制自吸量管施配器之體積的施配之設備的實例。
圖2說明用以使用噴頭控制自吸量管施配器之體積的施配之設備的例示性外部視圖。
圖3說明用以使用噴頭控制自吸量管施配器之體積的施配之設備的例示性內部視圖。
圖4說明可控制自吸量管施配器尖端之體積的施配之噴頭的實例。
圖5說明用以使用噴頭控制自吸量管施配器之體積的施配之系統的實例。
本發明係關於使用機電噴頭以自與吸量管施配器相關聯之尖端施配體積的吸量管施配器。與習知的吸量管尖端施配對比，當噴頭被用作吸量管尖端上的最終施配元件時，噴頭可施配的體積比習知吸量管施配器/尖端中可施配的體積量(例如一般不少於2.0微升)更小。藉由使用噴頭作為控制機構以將來自吸量管尖端的流動控制於經控制且精確的量中，待施配的容量等級可控制至例如約0.1奈升。準確量測、混合及施配小流體體積的能力在臨床及研究實驗室設定中係重要的功能。手持式吸量管 為用於在例如分子生物學、免疫檢定、分子診斷、藥物研發、癌症研究及許多其他生命科學應用中操縱小流體體積的基本工具。然而，當前的吸量管技術常常將精確的容量控制限制至不少於2微升。
涉及珍貴流體(例如，抗體、核酸、酶、治療劑、細胞培養或具有短存放期的樣品的溶液)的實驗常常涉及低工作濃度。因此，當前之吸量管技術的2微升下限常常涉及連續稀釋的製備以實現目標工作濃度。連續稀釋消耗時間及資源，且易有變化及錯誤。藉由使用噴頭控制自吸量管施配器分配之精確的體積，可獲得實質上低於2.0微升限制的分配體積(例如，0.1奈升+/-0.05nL)。可能有各種吸量管施配器及尖端組合實例。在某些狀況下，尖端可人工地裝載有來自另一收集源的給定體積且隨後得以配至吸量管施配器。吸量管施配器隨後發送引導噴頭施配少於所收集之體積的所命令之體積的命令。在另一實例中，用於吸量管樣品的收集噴嘴可整合於吸量管施配器。來自收集噴嘴之所收集的樣品接著可被轉移至施配器上的儲集器，該施配器接著可經由噴頭分配精確的量，且對命令作出回應。
圖1說明用以使用機電噴頭控制自吸量管施配器之體積的施配之設備100的實例。設備100包括吸量管施配器110，其用以控制將體積施配至施配位置。如本文所使用，術語體積指可施配自給定吸量管施配器的液體溶液、分散劑或細粒度粒狀物質(例如，固體粒子、懸浮的細胞)。尖端120可操作地耦接至吸量管施配器110，其中可操作地耦接可包括尖端與施配器之間的電連接及機械連接兩者。尖端包括機電噴頭130以基於來自吸量管施配器之表明待施配自噴頭之體積的量的命令將體積自該吸量管 施配器110施配至施配位置。噴頭130可為實質上任何類型之回應於電氣命令而施配體積的噴頭。
舉例而言，例示性噴頭可包括熱噴墨噴頭或壓電噴頭。在一實例中，被供應至尖端120的流體可被提供為流體筒，該流體筒插入至吸量管施配器110中，擁有向含有噴頭130的尖端120提供本文所述之合適體積的能力。流體筒可為可互換的，經由給定噴頭130提供多種流體。尖端120亦可為可互換的且在流體之間經熱壓處理。因此，尖端120可數次用於相同或不同的流體，且接著在預定體積之流體通過尖端120之後，尖端120可在必要時被替換。
在一實例中，尖端120可自除吸量管施配器110之外的另一收集源(例如，收集多於2.0微升(例如，1.0毫升)之大體積樣品的收集吸量管)接收體積。在裝載之後，尖端120可配至吸量管施配器110以基於命令自噴頭130施配一定量的體積(參見例如圖2及圖3)。在另一實例中，吸量管施配器110可包括收集尖端以收集體積(參見例如圖5)。收集尖端將基於命令施配於施配位置的體積轉移至噴頭130。
舉例而言，噴頭130可為回應於命令而施配指定體積的熱噴墨噴頭，但可能有其他噴頭類型。吸量管施配器110可包括控制器(參見例如圖3及圖5)以生成命令至噴頭130以表明待施配自噴頭之體積的量。控制器可包括無線連接(例如藍芽)以自遠端計算位置接收用於噴頭130之施配命令。可使用噴頭130以基於命令控制施配自吸量管施配器110及尖端120之體積的部分，使得該部分少於體積的預定量。舉例而言，所收集的體積可約為1.0毫升或更多，且可藉由噴頭130控制來自所收集之體積的 所施配之部分在約2.0微升至約0.1奈升的範圍內。如下文關於圖5將說明及描述，吸量管施配器110可包括通用串列匯流排連接以向吸量管施配器供電。其他特徵可包括展示施配自噴頭130之量的顯示器。顯示器亦可提供可經由噴頭130分配之可用施配量的選單。
圖2說明用以使用噴頭控制自吸量管施配器210之體積的施配之設備200的例示性外部視圖。吸量管施配器210包括允許使用者發送施配命令(施配命令被發送至噴頭230)的按鈕220。噴頭230可附接至尖端240。尖端240的展開圖在250處展示，其包括將使用者裝載的樣品保持於270之頂蓋260。可提供點亮的LED 280以表明自噴頭230之施配正在進行中。吸量管施配器210亦可包括顯示器290，其顯示諸如10奈升(nL)、20nL、0.1nL及2.0微升之例示性噴頭施配及/或吸取/收集值。
設備200可實施為經由噴頭230進行亞微升施配控制之無線手持式裝置。此包括可施配單一或複雜混合物之預程式化或使用者定義的施配協定。混合物可與稀釋劑預混合或直接注入其中。亦可提供通用串列匯流排(universal serial bus；USB)介面及/或其他電腦介面。舉例而言，尖端270可實施為10或20微升尖端，其接著可施配自噴頭230。舉例而言，設備200所支援的應用包括免疫學檢定發展，分子生物學、分子診斷、癌症研究、藥物研發、品質保證及品質控制以及其他生物技術、生物製藥或生命科學應用。
圖3說明用以使用噴頭320控制自吸量管施配器310之體積的施配之設備300的例示性內部視圖。在此視圖中，可裝載尖端330在340處展示於施配器310內。尖端330可包括與尖端控制器360相互作用的電連 接(例如，金屬絲網連接)。尖端控制器360可包括用於包括系統診斷之預程式化及可訂製之施配應用的機載記憶體。此可包括可安裝於吸量管施配器310本體(參見例如圖5)內部的可充電電池。尖端控制器360可包括撓曲襯墊介面、連有電腦的USB介面、LED指示器照明控制及使用者介面控制。吸量管施配器的其他例示性特徵在圖5中加以說明。
圖4說明可控制自吸量管施配器尖端之體積的施配之噴頭400的實例。此實例中的噴頭400可為熱噴墨(thermal ink jet；TIJ)噴頭。此可包括TIJ噴嘴陣列以及再循環及混合元件。噴頭400可實施為微機電機械(micro-electromechanical machine；MEMs)裝置。熱噴墨技術使用熱而不是電將給定體積自噴頭400送至施配位置。類似於水在沸騰時冒泡的方式，熱噴墨技術藉由使噴嘴後的微觀電阻器帶電而操作，產生使待施配之體積汽化之劇烈的熱以產生氣泡，該氣泡迅速擴大，使得體積簡直是爆炸至施配位置上。在噴射體積之後，接著腔室快速冷卻以允許更多分散劑(例如，流體)再填充腔室且程序可重複。
在另一實例中，壓電噴頭可被用作噴頭400。壓電噴頭包括構造於噴嘴後的微觀壓電元件。當對其施加電荷時，此等元件可後向彎曲，將精確量的體積送至施配位置上。由於電荷可如開關一樣導通或切斷，正經由噴嘴噴射同時亦產生具有不同小液滴大小之球形施配點之分散劑的比例上可有大量控制。
圖5說明用以使用噴頭514控制自吸量管施配器510之體積的施配之系統500的實例。在一實例中，吸量管施配器510本體可近似為長30公分(cm)，且可設計成符合人體工程學，以便於右手或左手中之任一者 使用。可提供諸如518處所展示之例示性抓握位置。在一實例中，可在524處提供拋棄式10至20微升(μL)容器或使用者在其中裝載至少2μL之珍貴流體的「吸量管本體」。類似於前文所描述的設備，系統500可包括吸量管施配器510以允許將體積施配至施配位置。可將尖端524可操作地耦接至吸量管施配器510(例如，經由有線連接)。尖端524包括噴頭514以將體積之一部分施配至施配位置。可使用噴頭514控制施配自吸量管施配器510之體積的部分，使得該部分少於較大之所收集之體積的預定量。舉例而言，若尖端524中之所收集的體積約為2.0微升，則在施配時可藉由噴頭514控制所施配之部分在約2.0微升至約0.1奈升或更少的範圍內。為了避免污染，收集尖端及施配頭可例如在兩個獨立的連接上。
在手動裝載應用中，尖端524自另一收集源而不是吸量管施配器接收體積，其中尖端524可配至吸量管施配器以基於命令自噴頭514施配一定量的體積。在一替代實例中，可提供收集噴嘴528，其在524處排空至施配容器。此可包括MEMs泵或其他氣動裝置從而產生真空以收集樣品至收集噴嘴528中且隨後在524處將所收集之樣品轉移至容器中。
如前文所描述，吸量管施配器510可連接至具有熱噴墨(TIJ)噴嘴及相關聯組件的整合式MEMS晶片。舉例而言，施配器510的本體亦可連接至整合式襯墊撓曲介面。在吸量管本體頂部的柱塞或按鈕530經由由按鈕啟動的機械運動啟動流體施配或施配器噴射。在一實例中，按下按鈕530產生電信號，該等電信號可生成命令至噴頭514以經由控制器540進行施配。在另一實例中，將按鈕530向下按足夠深使吸量管524與吸量管施配器510機械斷開，此類似於習知的吸量管尖端與吸量管斷開的方式。可 在吸量管施配器510上在544處提供用以命令體積噴射之視情況選用的側按鈕。控制器540位於吸量管施配器510中且經由本文所描述的撓曲介面在用於控制噴頭514之MEMS晶片上致動噴嘴發射。
可提供二次噴射機構，其包括僅噴射流體的部分致動及自吸量管本體噴射尖端的完全致動。可提供機載記憶體(圖上未示)用於例如預程式化或使用者定義的協定、可訂製應用及系統診斷。可提供機載可充電電池550用於無線運行。可經由USB介面554提供電池再充電。當電池550低時(例如，低於預定臨限值)，可出現低電壓警告/鎖定。舉例而言，可提供連至電腦或隨身碟介面的USB以啟用資料傳送及應用共用。可提供藍芽無線連接(圖上未示)用於與控制器540進行通信。可提供數位使用者介面以選擇協定或人工地定義運作中的流體體積。舉例而言，介面可提示使用者通過用於施配給定體積的協定步驟。機載LED(參見例如圖2)表明噴射循環狀態、低流體體積及合適的吸量管本體撓曲至控制器電連接狀態。可藉由使用標準的抗菌解決方案(例如，70%乙醇)擦拭而為吸量管施配器510外殼消毒。
尖端524可具有用於不應污染本體TIJ噴頭514之直接施配的孔板對準機構。此可涉及符合通用板格式(例如，96、48或較低密度孔板)的支架或導架或其他反應容器。可提供吸量管支座(圖上未示)，其使吸量管施配器510保持於固定位置，下方具有可移動平台，微孔板或其他反應容器可移動至該可移動平台中的位置。吸量管施配器510可包括使用者回饋以確認施配前的正確置放。此亦可充當用於例如電腦介面及電池再充電的銜接台。另外，可提供體積噴射回饋迴路，其報告所噴射之用於 QA/QC及診斷的實際流體體積。可經由可安裝於顯示器位置560的顯示器提供此狀態。可提供其他機構以抽吸入用於流線型用途的珍貴流體及/或稀釋劑。吸量管施配器外殼可為模組化的從而藉由例如熱壓實現對關鍵組件消毒。此可包括經由施配器510處之泵或閥門進行反壓調節。
控制器540可包括可執行來自圖上未示之記憶體之指令的處理器。處理器可為中央處理單元(central processing unit；CPU)、現場可程式化閘陣列(field programmable gate array；FPGA)或一組可經由諸如VHDL之硬體描述語言定義的邏輯塊。可自韌體、隨機存取記憶體執行指令，及/或將指令執行為經組態的邏輯塊，諸如經由組態於可程式化閘陣列中的暫存器及狀態機。指令可儲存於諸如記憶體的機器可讀媒體上。雖然在560處的顯示器得以展示，但可啟動諸如表明何時於給定位置施配之音訊指令的其他使用者回饋特徵。如前文所指出，可顯示可經由噴頭514施配之潛在施配值的顯示。此等值可以增量顯示，諸如在少於2.0微升之範圍內，例如降至諸如0.1微升的較小施配量。
顯示器560可位於諸如518處所展示的把手區域下方，從而啟用吸量管施配器510之兩手同功能的操作。可在吸量管施配器510的末端提供視情況選用的施配按鈕570，從而當吸量管施配器已實現相對於給定施配位置的所要施配深度時啟用自動施配。吸量管施配器510可由包括塑膠(例如，Lexan)本體構造的各種材料構造。亦可提供金屬本體構造。混合式構造可包括形成總體本體構造的金屬及塑膠組件兩者。
上文已描述的為實例。一般熟習此項技術者將認識到可能有許多其他的組合及排列。因此，本發明意欲涵蓋屬於包括所附申請專利範 圍之本申請案之範疇內的所有此等更改、修改及變化。另外，在揭示內容或申請專利範圍列舉「一」、「第一」或「另一」元件或其等效物的情況下，其應被解釋為包括一個或多於一個此類元件，既不需要也不排除兩個或更多個此等元件。如本文所使用，術語「包括(includes)」意謂包括但不限於，且術語「包括(including)」意謂包括但不限於。術語「基於」意謂至少部分基於。

Claims (15)

  1. 一種控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其包含：一吸量管施配器，其用以控制將一體積施配至一施配位置；及可操作地耦接至該吸量管施配器的一尖端，該尖端包括一機電噴頭以基於來自該吸量管施配器之表明待施配自該機電噴頭之該體積的一量的一命令將該體積自該吸量管施配器施配至該施配位置。
  2. 如申請專利範圍第1項之控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其中該尖端自另一收集源而不是該吸量管施配器接收該體積，且該尖端可操作地耦接至該吸量管施配器從而基於該命令自該機電噴頭施配該量的該體積。
  3. 如申請專利範圍第1項之控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其中該吸量管施配器進一步包含一收集尖端以收集該體積，該收集尖端將基於該命令施配於該施配位置的該體積轉移至該機電噴頭。
  4. 如申請專利範圍第3項之控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其中該機電噴頭係回應於該命令而施配一指定體積之一熱噴墨噴頭及一壓電噴頭中的至少一者。
  5. 如申請專利範圍第1項之控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其中該吸量管施配器包括一控制器以生成該命令至該機電噴頭從而表明待施配自該機電噴頭之該體積的該量。
  6. 如申請專利範圍第5項之控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其中該控制器包括一無線連接以自一遠端計算位置接收用於該機電噴頭之施配命令。
  7. 如申請專利範圍第1項之控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其中使用該機電噴頭以基於該命令控制施配自該吸量管施配器之該體積的部分，使得該部分少於該體積的一預定量。
  8. 如申請專利範圍第7項之控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其中該體積約為1.0毫升，且藉由該機電噴頭控制該部分在約2.0微升至約0.1奈升的一範圍內。
  9. 如申請專利範圍第1項之控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其中該吸量管施配器進一步包含一通用串列匯流排連接以向該吸量管施配器供電。
  10. 一種控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其包含：一吸量管施配器，其用以將一體積施配至一施配位置；及可操作地耦接至該吸量管施配器的一尖端，該尖端包括一機電噴頭以將該體積之一部分施配至該施配位置，使用該機電噴頭控制施配自該吸量管施配器之該體積的該部分，使得該部分少於該體積的一預定量。
  11. 如申請專利範圍第10項之控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其中該體積約為1.0毫升，且藉由該機電噴頭控制該部分在約2.0微升至約0.1奈升的一範圍內。
  12. 如申請專利範圍第10項之控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其中該尖端自另一收集源而不是該吸量管施配器接收該體積，且該尖端配至該吸量管施配器從而基於該命令自該機電噴頭施配該量的該體積。
  13. 如申請專利範圍第10項之控制自吸量管施配器之體積的施配之設備，其中該吸量管施配器進一步包含一收集尖端以收集該體積，該收集尖端將基於該命令施配於該施配位置的該體積轉移至該機電噴頭。
  14. 一種控制自吸量管施配器之體積的施配之系統，其包含：一吸量管施配器，其用以控制將一體積施配至一施配位置；該吸量管施配器中的一控制器，其用以基於待施配至該施配位置之該體積的一量指定一命令；及可操作地耦接至該吸量管施配器的一尖端，該尖端包括一機電噴頭以基於來自該控制器之表明待施配自該機電噴頭之該體積的一量的該命令將該體積施配至該施配位置。
  15. 如申請專利範圍第14項之控制自吸量管施配器之體積的施配之系統，其中該機電噴頭用以基於該命令控制施配自該吸量管施配器之該體積的部分，使得該部分少於該體積的一預定量，該體積約為1.0毫升，且藉由該機電噴頭限制該部分在約2.0微升至約0.1奈升的一範圍內。
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