一種多通道移液裝置及其使用方法
2023-04-23 07:02:51 1
專利名稱：一種多通道移液裝置及其使用方法
技術領域：
本發明涉及移液裝置，特別是涉及一種用於轉移微量液體、易於實現自動化的多通道移液裝置。
背景技術：
移液裝置在生化研究實驗室、醫院和製藥公司廣泛應用，有手動操作和自動操作兩種。移液技術應用於機器人運動平臺，可用於樣品前處理、樣品純化與擴增、樣品稀釋與濃縮、樣品配製等樣品處理操作；自動移液技術還應用於其他分析儀器的進樣、清洗等環節，如毛細管電泳儀、流式細胞儀、晶片工作站等；自動移液技術極大地推動著基因組學、蛋白組學等生命科學領域的研究。移液操作有多種，但可以概括為兩種基本類型，第一類是將一定體積的液體從源位置取出並全部轉移到目標位置，第二類是將從源位置取得的液體等量地分配到多個目標位置。此外，將取樣頭插入液面下多次重複吸入和排出操作，可以實現樣品的混和。
自動移液儀由自動移液器與機械手組成，兩者相互配合以實現移液操作。機械手攜帶自動移液器實現移液器在液體源位置、目標位置、清洗位置間的空間運動；而自動移液器則在電路的控制下，實現在源位置的取樣、目標位置的排樣、和目標位置的混樣操作。自動移液器一般是多個通道同時工作，如4、8、12、24、96通道。自動移液器的工作原理有很多種，但大都可以分為兩類體積法和時間法。體積法基於注射泵原理。吸取液體時，隨著泵內活塞被拉出，液體在泵腔內負壓的作用下被吸入泵腔，活塞運動的距離乘以泵腔截面面積即為吸樣量；同理，推動活塞，即可將與活塞移動所經過空間同樣體積大小的液體推出來。時間法移液技術通過通道內的壓力和位於液體管道中間的閥門實現液體的定量分配。壓力用來將液體吸入移液器或噴出和控制液體流量，閥門的開關用來控制是否將壓力施加在液體上；通過控制壓力的大小和閥門打開時間的長短可以控制轉移液體的量。這兩種技術都可以實現上述一對一和一對多的移液操作。體積法定量簡單，成本相對較低，可以多通道同時工作。時間法則易於實現小的液體轉移量，但成本較高；同時，轉移相同體積的液體，當液體的粘度和密度等性質不同時需要通過實驗確定。
目前，大多數移液裝置基於注射泵原理，並採用泵腔一體式與泵腔分立式兩種結構。
泵腔一體式結構中，多個注射泵的泵腔加工為一體，一個活塞對應一個泵孔構成一個移液通道；多個活塞同時運動以實現多注射泵即多通道的同時進行吸樣和排樣操作。這種移液器的缺點在於為防止活塞在泵孔內移動時產生漏氣現象和減小活塞與泵體內壁的磨損，每個活塞和泵孔都必須有很好的配合、同軸度。同時，為保證各通道間的一致性，各個泵孔間以及各個活塞間都必須有很好的一致性。這種高精度要求一方面提高了加工難度，同時也大大加大成本；同時，一旦某個泵孔壞掉，整個泵腔都得換掉，維修成本很高。
泵腔分立式結構中，一個注射泵對應一個通道，彼此獨立。瑞士Tecan等公司都採用這種結構，缺點是每個通道都需要配備一套精密的注射泵系統，多通道時成本高昂。
發明內容
本發明的目的是提供一種結構簡單、成本較低、用於轉移微量液體、易於實現自動化的多通道移液裝置。
為達到上述目的，本發明採取以下技術方案一種多通道移液裝置，它包括一多通分流器，其設置有一個入口和多個出口；一可以產生流體體積置換的泵，其和所述多通分流器的入口相連；以及設置在所述多通分流器每個出口上的取樣頭；其中，多通分流器用來把泵產生的體積變化均勻分配到各個取樣頭中。
上述的多通道移液裝置中，所述泵設置有一個機電運動單元。
上述的多通道移液裝置中，所述的泵為一個注射泵。
上述的多通道移液裝置中，它還包括一個取樣頭卸載機構。
上述的多通道移液裝置中，所述取樣頭卸載機構採用氣動方式。
上述的多通道移液裝置中，至少一個所述取樣頭通過壓緊方式，裝在多通分流器出口的取樣頭柱上。
上述的多通道移液裝置中，所述多通分流器和取樣頭柱可以直接做成一體。
上述的多通道移液裝置中，所述多通分流器和取樣頭柱可以通過螺紋聯接方式相連。
上述的多通道移液裝置中，所述取樣頭可以和多通分流器直接做成一體。
上述的多通道移液裝置中，所述多通分流器內腔有一個緩衝區，所述緩衝區通過各導氣孔聯通分流器的入氣口和各出氣口；所述緩衝區的橫截面尺寸大於分流器各導氣孔的孔徑。
上述的多通道移液裝置中，所述多通分流器裝在機械手運動系統上。
上述的多通道移液裝置中，所述多通道移液裝置和機械手運動系統的控制通過微處理器來實現。
本發明還提供了一種操作多通道移液裝置自動完成分配液體的方法，包括注射泵進行第一次抽吸動作，把一定體積的氣體吸入多通道移液裝置的取樣頭內，取樣頭和注射泵通過多通分流器實現壓力流通；機械手運動系統把多通道移液裝置移動到樣品源位置處；注射泵進行第二次抽吸動作，把一定體積的樣品吸入到取樣頭內；機械手運動系統把多通道移液裝置移動到樣品目標位置處；注射泵進行第三次動作，把吸入的樣品和空氣從取樣頭排出到目標位置。
本發明還提供了一種提高多通道移液裝置分裝樣品精度的方法，包括機械手運動系統把多通道移液裝置移動到樣品源位置處；注射泵進行第一次動作，把一定體的樣品吸入多通道移液裝置的取樣頭內，取樣頭和注射泵通過多通分流器實現壓力流通；機械手運動系統把多通道移液裝置移動到第一個分配位置處；注射泵進行第二次動作，把取樣頭內的第一部分樣品排出到第一個分配位置；注射泵進行第三次動作，把取樣頭頭部殘留的液珠吸回到取樣頭內；機械手運動系統把多通道移液裝置移動到第二個分配位置處；然後注射泵進行第四次動作，把取樣頭內的第二部分樣品排出到第二個分配位置。
本發明還提供了一種操作多通道移液裝置自動混和樣品的方法，包括機械手運動系統把多通道移液裝置移動到要混和的樣品位置處；注射泵進行第一次動作，把要混和的樣品的至少一部分吸入到取樣頭，取樣頭和注射泵通過多通分流器實現壓力流通；注射泵進行第二次動作，把吸入取樣頭的樣品排出到原來位置；通過吸樣和排樣引起的渦流實現樣品的混和。
本發明由於採取以上設計，其具有以下優點1、本發明相對傳統的移液裝置，由於多通分流器的設置，保證了本發明只採用一個注射泵便可以同時滿足多個取樣頭同時移液，這很大程度的節約成本，也更易於控制。2、本發明中，由於設置了取樣頭卸載機構，使得在移液完成後，取樣頭可以方便的從取樣頭柱上卸載掉，因而使本發明易於實現自動化的控制。
圖1為本發明一個實施例的示意圖；圖2為本發明一個實施例的立體圖；圖3為本發明一個實施例的剖面視圖；圖4為本發明一個實施例的一種操作的示意圖；圖5為為本發明一個實施例的另一種操作的示意圖；圖6為為本發明一個實施例的再一種操作的示意圖；圖7為為本發明一個實施例的控制電路框圖。
具體實施例方式
除特殊申明，本發明所採用技術和科學用語均為通用用語，且用法一致。與本發明相關的專利、專利申請書以及相關文獻都已經列為本發明的參考文獻。如果本文中用語有與這些文獻相悖或者不一致的地方，以本文為準。
文中的「一」表示「不少於一」或者「一或者多個」圖1為本發明所提供的一個四通道移液裝置實施例的示意圖。一個注射泵3與一個多通分流器1的入口15通過管路8相連；注射泵3的活塞與一運動單元31相聯接。在控制單元10的控制下，運動單元31帶動注射泵3的活塞運動，從而吸入或者排出一定體積的液體或者空氣。運動單元31一般為機電式的，可以採用步進電機或者伺服電機帶動齒輪齒條或者絲槓滑塊，實現注射泵3的活塞位置的精確控制。
上述的注射泵3，當然也可以採用其他各種能夠產生流體體積置換的結構。
在本實施例中，多通分流器1有四個出口11、12、13、14，但不局限於四個，在不同的使用場合，可以設置不同數量的出口。多通分流器1用來將注射泵3內腔的體積變化均勻分配到多通分流器1的各個出口，從而將等量的樣品同時吸入或者排出到取樣頭21、22、23、24。各個出口的內徑可以不同，以補償流路上的壓差，使多通分流器1各個出口的吸樣量和排樣量不會因為出口位置不同而不同。比如，11和14出口的內徑可以比12和13的內徑略大一些，從而使注射泵3引起的體積變化均分到多通分流器1的各個出口端。當然，在此結構基礎上可以採用別的結構，或者直接採用別的結構，以實現體積變化分配的均勻性；比如，在另一實施例中，把分流通道做成錐形，以均勻注射泵引起的體積變化；在另一實施例中，在相鄰的出口間設置一個緩衝區，以均分體積變化。
如圖1所示，本實施例中還包括一個取樣頭卸載機構6，其可以是一塊開有通孔的平板68，各通孔和多通分流器的各個出口一一對應，並穿過各取樣頭柱16，各通孔的直徑大於取樣頭柱16的外徑，小於取樣頭2末端大徑。一次性取樣頭的材料一般為具有一定彈性的聚合物；在壓力作用下，各取樣頭內腔分別和取樣頭柱16的外圓面壓緊，並可卸載下來。用於卸載取樣頭的執行部件可以基於機電原理或者氣壓方式。
在本實施例中，採用氣缸作為卸載一次性取樣頭機構；氣缸可以是雙作用氣缸或者單作用氣缸。本實施例採用雙作用氣缸61，其有兩個排出氣體輸入口62、63，分別用來推出氣缸杆和抽回氣缸杆；排出氣體輸入到氣缸的哪個口通過一個電控二位五通閥門64控制切換；二位五通閥門64有一個進氣口，兩個出氣口和兩個排氣口；在二位五通閥門進氣口和排出氣氣源65之間有一個常閉兩位直通閥門66。氣缸杆67和卸載一次性取樣頭板68固定在一起，卸載一次性取樣頭板68上開有通孔，可以穿過各取樣頭柱16，各通孔的直徑大於取樣頭柱16的外徑，小於一次性取樣頭2末端大徑。
在執行卸載一次性取樣頭操作時，先把二位五通閥門64的入氣口和與氣缸上用來推出氣缸杆的入氣口相連的出氣口接通，然後打開二位直通閥門64。在排出空氣的作用下，氣缸杆67被推出，與氣缸杆67固定在一起的卸載一次性取樣頭板68也隨著向下運動，從而將各一次性取樣頭2從取樣頭柱16上推下。然後，通過電路控制切換二位五通閥門64的狀態位到其入氣口和與氣缸上用來抽回氣缸杆的入氣口相連的出氣口接通，在排出空氣的作用下，氣缸杆67被抽回；然後將二位直通閥門66狀態位置為常態關閉狀態，完成卸載一次性取樣頭操作。
在本發明的不同實施例中，多通分流器和取樣頭柱可直接做成一體，或者組裝起來。在另外的實施例中，可以用非一次性取樣頭代替取樣頭柱。
圖2、圖3為本發明的一個四通道實施例的透視圖。一個注射泵(圖中未標出)或者其他產生流體體積置換的機構，通過管路8和多通分流器1的入口15相連。多通分流器1的四個出口分別和四個取樣頭柱16聯接。在如圖2所示的實施例中，多通分流器1的出口和取樣頭柱之間為螺紋連接，螺紋段前端有一段直杆，直杆端面和多通分流器各出口端面壓緊，並使取樣頭柱16和一次性取樣頭2間壓緊，以防止漏氣。圖2中，一次性取樣頭2裝在取樣頭柱16上。
雙作用氣缸61通過一個氣缸固定板7與多通分流器1連接在在一起。氣缸杆67和卸載一次性取樣頭板68通過螺紋固定在一起。所述氣缸杆67被推出時，帶動卸載一次性取樣頭板68把一次性取樣頭2從對應的取樣頭柱16上推下。在氣缸固定板7上還裝有一個輔助定位杆71，用來防止所述卸載一次性取樣頭板68上下運動時發生沿氣缸杆67軸線方向的轉動。
如圖3所示的實施例中，多通分流器的入氣口和出氣口之間通過一個緩衝區17互相連通；緩衝區17可以通過從多通分流器的側面打一深盲孔、然後用一個銷釘18封死所述深盲孔入口的工藝來構成；緩衝區17的徑向或者橫向界面尺度要大於多通分流器的各導氣孔，避免或者降低由於導氣孔小、氣路流動不暢而導致的通道間吸液、排液差異，從而起到緩衝作用；所述緩衝區起到均勻分流的作用，基於體積置換原理，可以把注射泵產生的吸氣、排氣量均勻分配到各個移液通道，從而實現各個通道間移液的一致性。顯然，多通分流器也可以通過其他結構實現均勻分流的作用。
本移液裝置的實施例可以裝在機械手實現上下運動的運動軸的滑塊上；機械手攜帶移液裝置在空間內運動，實現自動裝卸一次性取樣頭、自動吸樣和排樣等操作。本發明提供的移液方法可用於樣品裝移、樣品分裝和樣品混和。
圖4所示為本發明一個實施例的裝載一次性取樣頭操作。機械手攜帶移液裝置100到一次性取樣頭盒200處；通過機械手的準確定位，把取樣頭柱16插入到一次性取樣頭2內，並通過壓緊變形的方法把一次性取樣頭2固定在取樣頭柱16上。然後運動到樣品源位置300處吸液，如圖5所示。將一次性取樣頭2伸入到樣品液面下吸取液體，完成吸液操作。然後機械手攜帶移液裝置運動到樣品目標位置處，把樣品排出，完成排液動作。然後將一次性取樣頭卸載到廢料區，如圖6，從而完成從源位置到目標位置的一對一樣品轉移操作。
在吸取樣品前，可以先吸一定體積空氣，然後在排液時全部排出，從而將樣品從移液通道全部排出，避免樣品在一次性取樣頭腔內殘留，從而提高移液精度。
用來盛放樣品的容器可以是各種孔板比如96孔板，或者是放在設有固定間距孔的裝置內的容器，如試管；移液通道間距等於所述固定間距或者是所述固定間距的整數倍。
操作本發明的多通道移液裝置自動完成分配液體的方法，可以總結為(1)注射泵進行第一次抽吸動作，把一定體積的氣體吸入多通道移液裝置的取樣頭內，取樣頭和注射泵通過多通分流器實現壓力流通；(2)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到樣品源位置處；(3)注射泵進行第二次抽吸動作，把一定體積的樣品吸入到取樣頭內；(4)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到樣品目標位置處；(5)注射泵進行第三次動作，把吸入的樣品和空氣從取樣頭排出到目標位置。
本發明的另一實施例應用中，可以把一次吸入的一定體積的液體分配到多個目標位置，在各位置分配的體積量可以相同或不同。在樣品分裝時，往一個目標位置分配完後，一次性取樣頭部會有液珠存在，而所述液珠的存在會影響後續分配的精度。可以控制注射泵，先把液珠吸入移液通道，然後再分配，從而提高分裝精度。
因此，使用本發明多通道移液裝置提高分裝樣品精度的方法，包括有(1)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到樣品源位置處；(2)注射泵進行第一次動作，把一定體的樣品吸入多通道移液裝置的取樣頭內，取樣頭和注射泵通過多通分流器實現壓力流通；(3)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到第一個分配位置處；(4)注射泵進行第二次動作，把取樣頭內的第一部分樣品排出到第一個分配位置；(5)注射泵進行第三次動作，把取樣頭頭部殘留的液珠吸回到取樣頭內；(6)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到第二個分配位置處；然後
(7)注射泵進行第四次動作，把取樣頭內的第二部分樣品排出到第二個分配位置。
本發明可以把需要混和的樣品轉移到一起。機械手然後把一次性取樣頭插入到所述樣品液面下，移液裝置重複抽樣和排樣動作，即可完成樣品混和。
操作多通道移液裝置自動混和樣品的方法，包括有(1)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到要混和的樣品位置處；(2)注射泵進行第一次動作，把要混和的樣品的至少一部分吸入到取樣頭，取樣頭和注射泵通過多通分流器實現壓力流通；(3)注射泵進行第二次動作，把吸入取樣頭的樣品排出到原來位置；(4)通過吸樣和排樣引起的渦流實現樣品的混和。
圖7為本發明實施例所採用的控制電路框圖。嵌入式微處理器704可以是Philip公司一個80C5528位微處理器。微處理器704通過其I/O口及擴展電路705和驅動電路706和708通訊。顯然，也可以用其它方式實現同樣的功能。驅動電路708控制注射泵的運動單元。驅動電路706對控制氣缸伸縮狀態的電磁閥進行控制。微處理器704通過PC機701的串行通信埠和RS232通信單元703和PC機701通訊。控制液體轉移的軟體可以通過微控制器704或PC機701執行，或者兩者配合執行。操作人員通過PC機701的用戶界面設置移液參數。在實施例中，微處理器704可以配以簡單的用戶界面，界面提供一些簡單的按鈕和儀器狀態顯示。
可以協調控制電路和機器人運動系統，以實現微噴位置的定位和所述吸樣、排樣和裝卸取樣頭等操作。
當然，基於本發明也可以有不同的實施例，或者對實施例進行擴展。比如，多通分流器的出口的的排布方式可以不是排成一線，而是其他方式，如排列成一個矩形。此外，本發明的實施例也可用於出微陣列製備和/或化學反應之外的其他微量液體分配場合。
權利要求
1.一種多通道移液裝置，其特徵在於，它包括一多通分流器，其設置有一個入口和多個出口；一可以產生流體體積置換的泵，其和所述多通分流器的入口相連；以及設置在所述多通分流器每個出口上的取樣頭。
2.根據權利要求1所述的多通道移液裝置，其特徵在於所述泵設置有一個機電運動單元。
3.根據權利要求1所述的多通道移液裝置，其特徵在於所述的泵為一個注射泵。
4.根據權利要求1所述的多通道移液裝置，其特徵在於它還包括一個取樣頭卸載機構。
5.根據權利要求4所述的多通道移液裝置，其特徵在於所述取樣頭卸載機構採用氣動方式。
6.根據權利要求1所述的多通道移液裝置，其特徵在於至少一個所述取樣頭通過壓緊方式，裝在多通分流器出口的取樣頭柱上。
7.根據權利要求6所述的多通道移液裝置，其特徵在於所述多通分流器和取樣頭柱直接做成一體。
8.根據權利要求6所述的多通道移液裝置，其特徵在於所述多通分流器和取樣頭柱通過螺紋聯接方式相連。
9.根據權利要求1所述的多通道移液裝置，其特徵在於所述取樣頭和多通分流器直接做成一體。
10.根據權利要求1所述的多通道移液裝置，其特徵在於所述多通分流器內腔有一個緩衝區，所述緩衝區通過各導氣孔聯通分流器的入氣口和各出氣口；所述緩衝區的橫截面尺寸大於分流器各導氣孔的孔徑。
11.根據權利要求1所述的多通道移液裝置，其特徵在於所述多通分流器裝在機械手運動系統上。
12.根據權利要求12所述的多通道移液裝置，其特徵在於所述多通道移液裝置和機械手運動系統與微處理器連接。
13.操作多通道移液裝置自動完成分配液體的方法，包括(1)注射泵進行第一次抽吸動作，把一定體積的氣體吸入多通道移液裝置的取樣頭內，取樣頭和注射泵通過多通分流器實現壓力流通；(2)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到樣品源位置處；(3)注射泵進行第二次抽吸動作，把一定體積的樣品吸入到取樣頭內；(4)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到樣品目標位置處；(5)注射泵進行第三次動作，把吸入的樣品和空氣從取樣頭排出到目標位置。
14.提高多通道移液裝置分裝樣品精度的方法，包括(1)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到樣品源位置處；(2)注射泵進行第一次動作，把一定體的樣品吸入多通道移液裝置的取樣頭內，取樣頭和注射泵通過多通分流器實現壓力流通；(3)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到第一個分配位置處；(4)注射泵進行第二次動作，把取樣頭內的第一部分樣品排出到第一個分配位置；(5)注射泵進行第三次動作，把取樣頭頭部殘留的液珠吸回到取樣頭內；(6)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到第二個分配位置處；然後(7)注射泵進行第四次動作，把取樣頭內的第二部分樣品排出到第二個分配位置。
15.操作多通道移液裝置自動混和樣品的方法，包括(1)機械手運動系統把多通道移液裝置移動到要混和的樣品位置處；(2)注射泵進行第一次動作，把要混和的樣品的至少一部分吸入到取樣頭，取樣頭和注射泵通過多通分流器實現壓力流通；(3)注射泵進行第二次動作，把吸入取樣頭的樣品排出到原來位置；(4)通過吸樣和排樣引起的渦流實現樣品的混和。
全文摘要
本發明公開了一種多通道移液裝置，它包括一多通分流器，其設置有一個入口和多個出口；一可以產生流體體積置換的泵，其和所述多通分流器的入口相連；以及設置在所述多通分流器每個出口上的取樣頭；其中，多通分流器用來把泵產生的體積變化均勻分配到各個取樣頭中。本發明結構簡單、成本較低、十分適用於轉移微量液體、而且更易於實現自動化控制。
文檔編號B01L3/02GK1736611SQ20051009299
公開日2006年2月22日 申請日期2005年8月26日 優先權日2005年8月26日
發明者王東, 張景春, 高偉, 李英娜, 鄒鯤, 程京 申請人:北京博奧生物晶片有限責任公司, 清華大學