CN103272658A

CN103272658A - 双通道微量试剂自动分配装置

Info

Publication number: CN103272658A
Application number: CN2013102608356A
Authority: CN
Inventors: 侯丽雅; 郑悦; 章维一; 朱丽
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: CN103272658B

Abstract

本发明公开了一种双通道微量试剂自动分配装置，包括二维运动机构、喷头、双通道喷头调节机构、清洗换液机构和控制器；其中，底板固定在箱体上，二维运动机构和双通道喷头调节机构设置在底板上，控制器设置在箱体内；本发明性能稳定，操作方便，成本较低，能够实现高效率、并行、自动化的微量分配，无需独立的“反应池”即可实现多种试剂的微量定量配比反应。

Description

双通道微量试剂自动分配装置

技术领域

本发明属于微量分配领域，特别是一种双通道微量试剂自动分配装置。

背景技术

微量生物试剂快速、精确的分配操作，是蛋白质结晶操作、新药研制、基因测序、生物化学实验等生物工程技术领域不可或缺的实验手段。特别是随着高通量筛选技术的发展和进步，实验中需要分配的试剂种类繁多，分配体积越来越小，采用手工操作已经不能满足微量、精确、快速的试剂分配要求。因此，研究自动化的微量生物试剂分配技术对提高分配精度、减少分配体积、提高分配速度，从而促进生物工程领域实验技术水平的提高，具有重要意义。现有技术中的微量分配装置的液滴发生驱动方式主要有：接触式和非接触式分配方式。

接触式分配方式由于需要接触不同界面，增大了试剂间交叉污染的可能性，且难以实现微小体积（皮升级）的试剂精确分配。

非接触式分配方式具有微量，准确的特点，在已产品化的微量生物试剂处理平台中得到广泛应用。电磁阀和注射泵组合，以及采用电磁原理的几种非接触式分配方式较难实现皮升级的微量试剂分配，热空气驱动长期发热会影响生物样品活性，压电驱动可实现皮升级的微量分配，但其喷头结构复杂，价格较贵。

专利号为：200510022564.6的专利公开了一种基因芯片点样喷头，该喷头基于微流体数字化技术，以脉冲惯性力作为液体喷射的主动力，根据该专利自诉，该喷头“结构简单，易于制造，能够可控地获得体积为10^-15~10^-12升量级的微小液滴”。

在现有皮升级的微量生物试剂处理平台中，为了提高分配速度或者同时实现多种试剂的分配，采用了双/多通路分配，其两/多个喷头均为垂直方向喷射，无法同时将两种或多种试剂分配至同一位置进行混合反应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能稳定，操作方便，成本较低，能够实现高效率、并行、自动化的微量分配，无需独立的“反应池”即可实现多种试剂的微量定量配比反应的双通道微量试剂自动分配装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种双通道微量试剂自动分配装置，包括二维运动机构、喷头、双通道喷头调节机构、清洗换液机构和控制器，其中，底板固定在箱体上，二维运动机构和双通道喷头调节机构设置在底板上，控制器设置在箱体内；其中，二维运动机构包括第二步进电机、第一线性模组、第二线性模组、第一步进电机和承载台，第一线性模组固定在底板上，第一步进电机与第一线性模组连接，第二步进电机与第二线性模组连接，第二线性模组固定在第一线性模组的滑块上，承载台固定在第二线性模组上；喷头包括玻璃微喷嘴，吸持针，塑料软管，压电陶瓷，夹持机构，玻璃微喷嘴固定在吸持针上，吸持针通过夹持机构与压电陶瓷连接，塑料软管与吸持针连接；双通道喷头调节机构包括垂直方向粗调位移平台，立板，第一通道的喷头，第二通道喷头，第一旋转导轨，第二旋转导轨，垂直方向微调位移平台，水平方向微调位移平台；垂直方向粗调位移平台固定在立板上，第一通道的喷头固定在第一旋转导轨上，第一旋转导轨与垂直方向微调位移平台相连，垂直方向微调位移平台与垂直方向粗调位移平台连接，第二通道喷头固定在第二旋转导轨上，第二旋转导轨固定在水平方向微调运动部件上，水平方向微调位移平台与垂直方向粗调位移平台连接；清洗换液机构包括第一通道注射泵、第二通道注射泵，清洗槽、样品盒；第一通道注射泵通过第一塑料软管与第一通道喷头连接，第二通道注射泵通过第二塑料软管与第二通道喷头连接，清洗槽、样品盒固定在承载台上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1 本发明可通过上位机编辑图形数据，实现任意图形的分配，承载台的二维运动与喷头联动，其联动方式为运动至某一位置点后，双通道/单通道产生单个/多个驱动信号驱动压电陶瓷，喷头产生液滴，由放在承载台上的基板接收，然后电机运行至下一位置，如此反复，完成试剂每个位置的精确分配。根据样点间距大小，可实现任意图形点阵、任意图形曲线及二维任意图形面。

2 本发明驱动方式基于微流体数字化技术，通过压电陶瓷振动产生脉冲惯性力发生液滴，最小试剂分配体积可达10-15L，对试剂分配量精确可控，通过两种方式来改变分配量：1、改变驱动信号的电压幅值；2改变分配次数。这两种参数的参量可以在人机界面进行设置。

3 本发明双通道分配量分别可控，可通过调节喷头位置使双通道同时分配至同一点，实现两种试剂任意配比的微量混合，分配过程中，液滴以一定速度从喷嘴喷出，碰撞至基板上的溶液，促进了溶液的混合与反应，缩短了反应时间，提高了分析效率。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明双通道微量试剂自动分配装置的整体结构示意图。

图2是本发明双通道微量试剂自动分配装置的双通道喷头调节机构的结构示意图。

图3是本发明双通道微量试剂自动分配装置的喷头结构示意图。

具体实施方式

本发明一种双通道微量试剂自动分配装置，包括二维运动机构、喷头、双通道喷头调节机构、清洗换液机构和控制器，其中，底板固定在箱体1上，二维运动机构和双通道喷头调节机构设置在底板上，控制器设置在箱体1内；其中，

二维运动机构包括第二步进电机2、第一线性模组3、第二线性模组19、第一步进电机4和承载台5，第一线性模组3固定在底板上，第一步进电机4与第一线性模组3连接，可进行第一方向直线运动，第二步进电机2与第二线性模组19连接，可进行第二方向直线运动，第一方向与第二方向垂直，第二线性模组19固定在第一线性模组3的滑块上，承载台5固定在第二线性模组19上；在第一步进电机4和第二步进电机2的驱动下做二维运动；

喷头包括玻璃微喷嘴21，吸持针22，塑料软管23，压电陶瓷24，夹持机构25，玻璃微喷嘴21固定在吸持针22上，吸持针22通过夹持机构25与压电陶瓷24连接，塑料软管23与吸持针22连接；

双通道喷头调节机构包括垂直方向粗调位移平台11，立板16，第一通道的喷头7，第二通道喷头6，第一旋转导轨8，第二旋转导轨14，垂直方向微调位移平台9，水平方向微调位移平台15；垂直方向粗调位移平台11固定在立板16上，第一通道的喷头7固定在第一旋转导轨8上，第一旋转导轨8与垂直方向微调位移平台9相连，垂直方向微调位移平台9与垂直方向粗调位移平台11连接，第二通道喷头6固定在第二旋转导轨14上，第二旋转导轨14固定在水平方向微调运动部件15上，水平方向微调位移平台15与垂直方向粗调位移平台11连接；第一通道喷头7可进行旋转和垂直方向微调，第二通道喷头6可进行旋转和水平方向微调，垂直方向粗调位移平台可同时调节双通道喷头距承载台的距离；

清洗换液机构包括第一通道注射泵13、第二通道注射泵12，清洗槽17、样品盒18；第一通道注射泵13通过第一塑料软管与第一通道喷头7连接，第二通道注射泵12通过第二塑料软管与第二通道喷头6连接，清洗槽17、样品盒18固定在承载台5上随承载台运动。

箱体1下方安装了四个用于调节水平的可调脚轮20。

第一线性模组3通过连接块固定在底板上；第一步进电机4与第一线性模组3通过连接块连接；第二步进电机2与第二线性模组19通过连接块连接；第二线性模组19通过连接块固定在第一线性模组3的滑块上，承载台5通过连接块固定在第二线性模组19上，第一通道的喷头7通过连接块固定在第一旋转导轨8上，第二通道喷头6通过连接块固定在第二旋转导轨14上。

垂直方向微调位移平台9通过连接板10与垂直方向粗调位移平台11连接，水平方向微调位移平台15通过连接板10与垂直方向粗调位移平台11连接。

控制器:由采用FPGA内置的32位软核作为处理器的控制电路，产生的驱动波形及电机控制信号，驱动波形经驱动信号功率放大电路接入压电陶瓷，驱动喷嘴喷射。电机控制信号经步进电机驱动器接入电机驱动第一步进电机4与第二步进电机2。所有控制电路安装在底板下方箱体1内，箱体下方安装有四个用于调节水平的可调脚轮20。

计算机人机界面控制机构：该机构设置于装置之外，通过RS232接口与下位机控制***进行通信实现分配控制。

本发明工作时，通过计算机人机界面控制机构向下位机控制***发送命令，先令承样品盒18运动至喷头正下方，调节双通道喷头调节机构分别使双通道喷头没入试剂中，推动两注射泵吸液，再调节双通道喷头使其喷射至同一位置，分配过程中双通道喷头位置保存不动，这样避免了喷头在移动过程中产生振动影响分配效果，承载台5在第一步进电机4、第二步进电机2驱动下做二维运动，承载台5的二维运动与双通道喷头联动，其联动方式为承载台5运动至某一位置点后，双通道或单通道产生单个或多个驱动信号驱动压电陶瓷24，喷头产生液滴，由放在承载台5上的接收，然后电机运行至下一位置，如此反复，完成试剂每个位置的精确分配。分配完成后将承载台5运动至清洗槽17在喷头正下方位置，调节双通道喷头调节机构分别使双通道喷嘴没入清洗槽17中，反复推动两注射泵对微喷嘴进行清洗。

本发明分配频率可达每秒20次，双通道可同时分配，单次样品取样量为1.8至20微升，单次分配量最小可达10^-15皮升。在硅烷化的载玻片上进行分配时，样点直径变异系数小于1.4%，微阵列密度可达15000点/cm2以上。当样点间距减小时可形成曲线及面。运动单元进给精度达1μm。重复定位精度≤5μm。

实施例：

如图1至图3所示：

一种双通道微量试剂自动分配装置，包括二维运动机构、喷头、双通道喷头调节机构、清洗换液机构和控制器，其中，底板固定在箱体1上，二维运动机构和双通道喷头调节机构设置在底板上，控制器设置在箱体1内；其中，二维运动机构包括第二步进电机2、第一线性模组3、第二线性模组19、第一步进电机4和承载台5，第一线性模组3通过连接块固定在底板上，第一步进电机4与第一线性模组3通过连接块连接，可进行第一方向直线运动，第二步进电机2与第二线性模组19通过连接块连接，可进行第二方向直线运动，第一方向与第二方向垂直，第二线性模组19通过连接块固定在第一线性模组3的滑块上，承载台5通过连接块固定在第二线性模组19上；在第一步进电机4和第二步进电机2的驱动下做二维运动；喷头包括玻璃微喷嘴21，吸持针22，塑料软管23，压电陶瓷24，夹持机构25，玻璃微喷嘴21固定在吸持针22上，吸持针22通过夹持机构25与压电陶瓷24连接，塑料软管23与吸持针22连接；双通道喷头调节机构包括垂直方向粗调位移平台11，立板16，第一通道的喷头7，第二通道喷头6，第一旋转导轨8，第二旋转导轨14，垂直方向微调位移平台9，水平方向微调位移平台15；垂直方向粗调位移平台11固定在立板16上，第一通道的喷头7通过连接块固定在第一旋转导轨8上，第一旋转导轨8与垂直方向微调位移平台9相连，垂直方向微调位移平台9通过连接板10与垂直方向粗调位移平台11连接，第二通道喷头6通过连接块固定在第二旋转导轨14上，第二旋转导轨14固定在水平方向微调运动部件15上，水平方向微调位移平台15通过连接板10与垂直方向粗调位移平台11连接；第一通道喷头7可进行旋转和垂直方向微调，第二通道喷头6可进行旋转和水平方向微调，垂直方向粗调位移平台可同时调节双通道喷头距承载台的距离；清洗换液机构包括第一通道注射泵13、第二通道注射泵12，清洗槽17、样品盒18；第一通道注射泵13通过第一塑料软管与第一通道喷头7连接，第二通道注射泵12通过第二塑料软管与第二通道喷头6连接，清洗槽17、样品盒18固定在承载台5上随承载台运动。箱体1下方安装了四个用于调节水平的可调脚轮20。

Claims

1.一种双通道微量试剂自动分配装置，其特征在于：包括二维运动机构、喷头、双通道喷头调节机构、清洗换液机构和控制器，其中，底板固定在箱体（1）上，二维运动机构和双通道喷头调节机构设置在底板上，控制器设置在箱体（1）内；其中，二维运动机构包括第二步进电机（2）、第一线性模组（3）、第二线性模组（19）、第一步进电机（4）和承载台（5），第一线性模组（3）固定在底板上，第一步进电机（4）与第一线性模组（3）连接，第二步进电机（2）与第二线性模组（19）连接，第二线性模组（19）固定在第一线性模组（3）的滑块上，承载台（5）固定在第二线性模组（19）上；喷头包括玻璃微喷嘴（21），吸持针（22），塑料软管（23），压电陶瓷（24），夹持机构（25），玻璃微喷嘴（21）固定在吸持针（22）上，吸持针（22）通过夹持机构（25）与压电陶瓷（24）连接，塑料软管（23）与吸持针（22）连接；双通道喷头调节机构包括垂直方向粗调位移平台（11），立板（16），第一通道的喷头（7），第二通道喷头（6），第一旋转导轨（8），第二旋转导轨（14），垂直方向微调位移平台（9），水平方向微调位移平台（15）；垂直方向粗调位移平台（11）固定在立板（16）上，第一通道的喷头（7）固定在第一旋转导轨（8）上，第一旋转导轨（8）与垂直方向微调位移平台（9）相连，垂直方向微调位移平台（9）与垂直方向粗调位移平台（11）连接，第二通道喷头（6）固定在第二旋转导轨（14）上，第二旋转导轨（14）固定在水平方向微调运动部件（15）上，水平方向微调位移平台（15）与垂直方向粗调位移平台（11）连接；清洗换液机构包括第一通道注射泵（13）、第二通道注射泵（12），清洗槽（17）、样品盒（18）；第一通道注射泵（13）通过第一塑料软管与第一通道喷头（7）连接，第二通道注射泵（12）通过第二塑料软管与第二通道喷头（6）连接，清洗槽（17）、样品盒（18）固定在承载台（5）上。

2.根据权利要求1所述的一种双通道微量试剂自动分配装置，其特征在于：箱体（1）下方安装了四个用于调节水平的可调脚轮（20）。

3.根据权利要求1所述的一种双通道微量试剂自动分配装置，其特征在于：第一线性模组（3）通过连接块固定在底板上；第一步进电机（4）与第一线性模组（3）通过连接块连接；第二步进电机（2）与第二线性模组（19）通过连接块连接；第二线性模组（19）通过连接块固定在第一线性模组（3）的滑块上，承载台（5）通过连接块固定在第二线性模组（19）上，第一通道的喷头（7）通过连接块固定在第一旋转导轨（8）上，第二通道喷头（6）通过连接块固定在第二旋转导轨（14）上。

4.根据权利要求1所述的一种双通道微量试剂自动分配装置，其特征在于：垂直方向微调位移平台（9）通过连接板（10）与垂直方向粗调位移平台（11）连接，水平方向微调位移平台（15）通过连接板（10）与垂直方向粗调位移平台（11）连接。