专利名称：一种多通道移液装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及移液装置，特别是涉及一种用于转移微量液体、易于实现自动化的多通道移液装置。
背景技术：
移液装置在生化研究实验室、医院和制药公司广泛应用，有手动操作和自动操作两种。移液技术应用于机器人运动平台，可用于样品前处理、样品纯化与扩增、样品稀释与浓缩、样品配制等样品处理操作；自动移液技术还应用于其他分析仪器的进样、清洗等环节，如毛细管电泳仪、流式细胞仪、芯片工作站等；自动移液技术极大地推动着基因组学、蛋白组学等生命科学领域的研究。移液操作有多种，但可以概括为两种基本类型，第一类是将一定体积的液体从源位置取出并全部转移到目标位置，第二类是将从源位置取得的液体等量地分配到多个目标位置。此外，将取样头插入液面下多次重复吸入和排出操作，可以实现样品的混和。
自动移液仪由自动移液器与机械手组成，两者相互配合以实现移液操作。机械手携带自动移液器实现移液器在液体源位置、目标位置、清洗位置间的空间运动；而自动移液器则在电路的控制下，实现在源位置的取样、目标位置的排样、和目标位置的混样操作。自动移液器一般是多个通道同时工作，如4、8、12、24、96通道。自动移液器的工作原理有很多种，但大都可以分为两类体积法和时间法。体积法基于注射泵原理。吸取液体时，随着泵内活塞被拉出，液体在泵腔内负压的作用下被吸入泵腔，活塞运动的距离乘以泵腔截面面积即为吸样量；同理，推动活塞，即可将与活塞移动所经过空间同样体积大小的液体推出来。时间法移液技术通过通道内的压力和位于液体管道中间的阀门实现液体的定量分配。压力用来将液体吸入移液器或喷出和控制液体流量，阀门的开关用来控制是否将压力施加在液体上；通过控制压力的大小和阀门打开时间的长短可以控制转移液体的量。这两种技术都可以实现上述一对一和一对多的移液操作。体积法定量简单，成本相对较低，可以多通道同时工作。时间法则易于实现小的液体转移量，但成本较高；同时，转移相同体积的液体，当液体的粘度和密度等性质不同时需要通过实验确定。
目前，大多数移液装置基于注射泵原理，并采用泵腔一体式与泵腔分立式两种结构。
泵腔一体式结构中，多个注射泵的泵腔加工为一体，一个活塞对应一个泵孔构成一个移液通道；多个活塞同时运动以实现多注射泵即多通道的同时进行吸样和排样操作。这种移液器的缺点在于为防止活塞在泵孔内移动时产生漏气现象和减小活塞与泵体内壁的磨损，每个活塞和泵孔都必须有很好的配合、同轴度。同时，为保证各通道间的一致性，各个泵孔间以及各个活塞间都必须有很好的一致性。这种高精度要求一方面提高了加工难度，同时也大大加大成本；同时，一旦某个泵孔坏掉，整个泵腔都得换掉，维修成本很高。
泵腔分立式结构中，一个注射泵对应一个通道，彼此独立。瑞士Tecan等公司都采用这种结构，缺点是每个通道都需要配备一套精密的注射泵系统，多通道时成本高昂。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、成本较低、用于转移微量液体、易于实现自动化的多通道移液装置。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案一种多通道移液装置，它包括一多通分流器，其设置有一个入口和多个出口；一可以产生流体体积置换的泵，其和所述多通分流器的入口相连；以及设置在所述多通分流器每个出口上的取样头；其中，多通分流器用来把泵产生的体积变化均匀分配到各个取样头中。
上述的多通道移液装置中，所述泵设置有一个机电运动单元。
上述的多通道移液装置中，所述的泵为一个注射泵。
上述的多通道移液装置中，它还包括一个取样头卸载机构。
上述的多通道移液装置中，所述取样头卸载机构采用气动方式。
上述的多通道移液装置中，至少一个所述取样头通过压紧方式，装在多通分流器出口的取样头柱上。
上述的多通道移液装置中，所述多通分流器和取样头柱可以直接做成一体。
上述的多通道移液装置中，所述多通分流器和取样头柱可以通过螺纹联接方式相连。
上述的多通道移液装置中，所述取样头可以和多通分流器直接做成一体。
上述的多通道移液装置中，所述多通分流器内腔有一个缓冲区，所述缓冲区通过各导气孔联通分流器的入气口和各出气口；所述缓冲区的横截面尺寸大于分流器各导气孔的孔径。
上述的多通道移液装置中，所述多通分流器装在机械手运动系统上。
上述的多通道移液装置中，所述多通道移液装置和机械手运动系统的控制通过微处理器来实现。
本发明还提供了一种操作多通道移液装置自动完成分配液体的方法，包括注射泵进行第一次抽吸动作，把一定体积的气体吸入多通道移液装置的取样头内，取样头和注射泵通过多通分流器实现压力流通；机械手运动系统把多通道移液装置移动到样品源位置处；注射泵进行第二次抽吸动作，把一定体积的样品吸入到取样头内；机械手运动系统把多通道移液装置移动到样品目标位置处；注射泵进行第三次动作，把吸入的样品和空气从取样头排出到目标位置。
本发明还提供了一种提高多通道移液装置分装样品精度的方法，包括机械手运动系统把多通道移液装置移动到样品源位置处；注射泵进行第一次动作，把一定体的样品吸入多通道移液装置的取样头内，取样头和注射泵通过多通分流器实现压力流通；机械手运动系统把多通道移液装置移动到第一个分配位置处；注射泵进行第二次动作，把取样头内的第一部分样品排出到第一个分配位置；注射泵进行第三次动作，把取样头头部残留的液珠吸回到取样头内；机械手运动系统把多通道移液装置移动到第二个分配位置处；然后注射泵进行第四次动作，把取样头内的第二部分样品排出到第二个分配位置。
本发明还提供了一种操作多通道移液装置自动混和样品的方法，包括机械手运动系统把多通道移液装置移动到要混和的样品位置处；注射泵进行第一次动作，把要混和的样品的至少一部分吸入到取样头，取样头和注射泵通过多通分流器实现压力流通；注射泵进行第二次动作，把吸入取样头的样品排出到原来位置；通过吸样和排样引起的涡流实现样品的混和。
本发明由于采取以上设计，其具有以下优点1、本发明相对传统的移液装置，由于多通分流器的设置，保证了本发明只采用一个注射泵便可以同时满足多个取样头同时移液，这很大程度的节约成本，也更易于控制。2、本发明中，由于设置了取样头卸载机构，使得在移液完成后，取样头可以方便的从取样头柱上卸载掉，因而使本发明易于实现自动化的控制。
图1为本发明一个实施例的示意图；图2为本发明一个实施例的立体图；图3为本发明一个实施例的剖面视图；图4为本发明一个实施例的一种操作的示意图；图5为为本发明一个实施例的另一种操作的示意图；图6为为本发明一个实施例的再一种操作的示意图；图7为为本发明一个实施例的控制电路框图。
具体实施例方式
除特殊申明，本发明所采用技术和科学用语均为通用用语，且用法一致。与本发明相关的专利、专利申请书以及相关文献都已经列为本发明的参考文献。如果本文中用语有与这些文献相悖或者不一致的地方，以本文为准。
文中的“一”表示“不少于一”或者“一或者多个”图1为本发明所提供的一个四通道移液装置实施例的示意图。一个注射泵3与一个多通分流器1的入口15通过管路8相连；注射泵3的活塞与一运动单元31相联接。在控制单元10的控制下，运动单元31带动注射泵3的活塞运动，从而吸入或者排出一定体积的液体或者空气。运动单元31一般为机电式的，可以采用步进电机或者伺服电机带动齿轮齿条或者丝杠滑块，实现注射泵3的活塞位置的精确控制。
上述的注射泵3，当然也可以采用其他各种能够产生流体体积置换的结构。
在本实施例中，多通分流器1有四个出口11、12、13、14，但不局限于四个，在不同的使用场合，可以设置不同数量的出口。多通分流器1用来将注射泵3内腔的体积变化均匀分配到多通分流器1的各个出口，从而将等量的样品同时吸入或者排出到取样头21、22、23、24。各个出口的内径可以不同，以补偿流路上的压差，使多通分流器1各个出口的吸样量和排样量不会因为出口位置不同而不同。比如，11和14出口的内径可以比12和13的内径略大一些，从而使注射泵3引起的体积变化均分到多通分流器1的各个出口端。当然，在此结构基础上可以采用别的结构，或者直接采用别的结构，以实现体积变化分配的均匀性；比如，在另一实施例中，把分流通道做成锥形，以均匀注射泵引起的体积变化；在另一实施例中，在相邻的出口间设置一个缓冲区，以均分体积变化。
如图1所示，本实施例中还包括一个取样头卸载机构6，其可以是一块开有通孔的平板68，各通孔和多通分流器的各个出口一一对应，并穿过各取样头柱16，各通孔的直径大于取样头柱16的外径，小于取样头2末端大径。一次性取样头的材料一般为具有一定弹性的聚合物；在压力作用下，各取样头内腔分别和取样头柱16的外圆面压紧，并可卸载下来。用于卸载取样头的执行部件可以基于机电原理或者气压方式。
在本实施例中，采用气缸作为卸载一次性取样头机构；气缸可以是双作用气缸或者单作用气缸。本实施例采用双作用气缸61，其有两个排出气体输入口62、63，分别用来推出气缸杆和抽回气缸杆；排出气体输入到气缸的哪个口通过一个电控二位五通阀门64控制切换；二位五通阀门64有一个进气口，两个出气口和两个排气口；在二位五通阀门进气口和排出气气源65之间有一个常闭两位直通阀门66。气缸杆67和卸载一次性取样头板68固定在一起，卸载一次性取样头板68上开有通孔，可以穿过各取样头柱16，各通孔的直径大于取样头柱16的外径，小于一次性取样头2末端大径。
在执行卸载一次性取样头操作时，先把二位五通阀门64的入气口和与气缸上用来推出气缸杆的入气口相连的出气口接通，然后打开二位直通阀门64。在排出空气的作用下，气缸杆67被推出，与气缸杆67固定在一起的卸载一次性取样头板68也随着向下运动，从而将各一次性取样头2从取样头柱16上推下。然后，通过电路控制切换二位五通阀门64的状态位到其入气口和与气缸上用来抽回气缸杆的入气口相连的出气口接通，在排出空气的作用下，气缸杆67被抽回；然后将二位直通阀门66状态位置为常态关闭状态，完成卸载一次性取样头操作。
在本发明的不同实施例中，多通分流器和取样头柱可直接做成一体，或者组装起来。在另外的实施例中，可以用非一次性取样头代替取样头柱。
图2、图3为本发明的一个四通道实施例的透视图。一个注射泵(图中未标出)或者其他产生流体体积置换的机构，通过管路8和多通分流器1的入口15相连。多通分流器1的四个出口分别和四个取样头柱16联接。在如图2所示的实施例中，多通分流器1的出口和取样头柱之间为螺纹连接，螺纹段前端有一段直杆，直杆端面和多通分流器各出口端面压紧，并使取样头柱16和一次性取样头2间压紧，以防止漏气。图2中，一次性取样头2装在取样头柱16上。
双作用气缸61通过一个气缸固定板7与多通分流器1连接在在一起。气缸杆67和卸载一次性取样头板68通过螺纹固定在一起。所述气缸杆67被推出时，带动卸载一次性取样头板68把一次性取样头2从对应的取样头柱16上推下。在气缸固定板7上还装有一个辅助定位杆71，用来防止所述卸载一次性取样头板68上下运动时发生沿气缸杆67轴线方向的转动。
如图3所示的实施例中，多通分流器的入气口和出气口之间通过一个缓冲区17互相连通；缓冲区17可以通过从多通分流器的侧面打一深盲孔、然后用一个销钉18封死所述深盲孔入口的工艺来构成；缓冲区17的径向或者横向界面尺度要大于多通分流器的各导气孔，避免或者降低由于导气孔小、气路流动不畅而导致的通道间吸液、排液差异，从而起到缓冲作用；所述缓冲区起到均匀分流的作用，基于体积置换原理，可以把注射泵产生的吸气、排气量均匀分配到各个移液通道，从而实现各个通道间移液的一致性。显然，多通分流器也可以通过其他结构实现均匀分流的作用。
本移液装置的实施例可以装在机械手实现上下运动的运动轴的滑块上；机械手携带移液装置在空间内运动，实现自动装卸一次性取样头、自动吸样和排样等操作。本发明提供的移液方法可用于样品装移、样品分装和样品混和。
图4所示为本发明一个实施例的装载一次性取样头操作。机械手携带移液装置100到一次性取样头盒200处；通过机械手的准确定位，把取样头柱16插入到一次性取样头2内，并通过压紧变形的方法把一次性取样头2固定在取样头柱16上。然后运动到样品源位置300处吸液，如图5所示。将一次性取样头2伸入到样品液面下吸取液体，完成吸液操作。然后机械手携带移液装置运动到样品目标位置处，把样品排出，完成排液动作。然后将一次性取样头卸载到废料区，如图6，从而完成从源位置到目标位置的一对一样品转移操作。
在吸取样品前，可以先吸一定体积空气，然后在排液时全部排出，从而将样品从移液通道全部排出，避免样品在一次性取样头腔内残留，从而提高移液精度。
用来盛放样品的容器可以是各种孔板比如96孔板，或者是放在设有固定间距孔的装置内的容器，如试管；移液通道间距等于所述固定间距或者是所述固定间距的整数倍。
操作本发明的多通道移液装置自动完成分配液体的方法，可以总结为(1)注射泵进行第一次抽吸动作，把一定体积的气体吸入多通道移液装置的取样头内，取样头和注射泵通过多通分流器实现压力流通；(2)机械手运动系统把多通道移液装置移动到样品源位置处；(3)注射泵进行第二次抽吸动作，把一定体积的样品吸入到取样头内；(4)机械手运动系统把多通道移液装置移动到样品目标位置处；(5)注射泵进行第三次动作，把吸入的样品和空气从取样头排出到目标位置。
本发明的另一实施例应用中，可以把一次吸入的一定体积的液体分配到多个目标位置，在各位置分配的体积量可以相同或不同。在样品分装时，往一个目标位置分配完后，一次性取样头部会有液珠存在，而所述液珠的存在会影响后续分配的精度。可以控制注射泵，先把液珠吸入移液通道，然后再分配，从而提高分装精度。
因此，使用本发明多通道移液装置提高分装样品精度的方法，包括有(1)机械手运动系统把多通道移液装置移动到样品源位置处；(2)注射泵进行第一次动作，把一定体的样品吸入多通道移液装置的取样头内，取样头和注射泵通过多通分流器实现压力流通；(3)机械手运动系统把多通道移液装置移动到第一个分配位置处；(4)注射泵进行第二次动作，把取样头内的第一部分样品排出到第一个分配位置；(5)注射泵进行第三次动作，把取样头头部残留的液珠吸回到取样头内；(6)机械手运动系统把多通道移液装置移动到第二个分配位置处；然后
(7)注射泵进行第四次动作，把取样头内的第二部分样品排出到第二个分配位置。
本发明可以把需要混和的样品转移到一起。机械手然后把一次性取样头插入到所述样品液面下，移液装置重复抽样和排样动作，即可完成样品混和。
操作多通道移液装置自动混和样品的方法，包括有(1)机械手运动系统把多通道移液装置移动到要混和的样品位置处；(2)注射泵进行第一次动作，把要混和的样品的至少一部分吸入到取样头，取样头和注射泵通过多通分流器实现压力流通；(3)注射泵进行第二次动作，把吸入取样头的样品排出到原来位置；(4)通过吸样和排样引起的涡流实现样品的混和。
图7为本发明实施例所采用的控制电路框图。嵌入式微处理器704可以是Philip公司一个80C5528位微处理器。微处理器704通过其I/O口及扩展电路705和驱动电路706和708通讯。显然，也可以用其它方式实现同样的功能。驱动电路708控制注射泵的运动单元。驱动电路706对控制气缸伸缩状态的电磁阀进行控制。微处理器704通过PC机701的串行通信端口和RS232通信单元703和PC机701通讯。控制液体转移的软件可以通过微控制器704或PC机701执行，或者两者配合执行。操作人员通过PC机701的用户界面设置移液参数。在实施例中，微处理器704可以配以简单的用户界面，界面提供一些简单的按钮和仪器状态显示。
可以协调控制电路和机器人运动系统，以实现微喷位置的定位和所述吸样、排样和装卸取样头等操作。
当然，基于本发明也可以有不同的实施例，或者对实施例进行扩展。比如，多通分流器的出口的的排布方式可以不是排成一线，而是其他方式，如排列成一个矩形。此外，本发明的实施例也可用于出微阵列制备和/或化学反应之外的其他微量液体分配场合。
权利要求
1.一种多通道移液装置，其特征在于，它包括一多通分流器，其设置有一个入口和多个出口；一可以产生流体体积置换的泵，其和所述多通分流器的入口相连；以及设置在所述多通分流器每个出口上的取样头。
2.根据权利要求1所述的多通道移液装置，其特征在于所述泵设置有一个机电运动单元。
3.根据权利要求1所述的多通道移液装置，其特征在于所述的泵为一个注射泵。
4.根据权利要求1所述的多通道移液装置，其特征在于它还包括一个取样头卸载机构。
5.根据权利要求4所述的多通道移液装置，其特征在于所述取样头卸载机构采用气动方式。
6.根据权利要求1所述的多通道移液装置，其特征在于至少一个所述取样头通过压紧方式，装在多通分流器出口的取样头柱上。
7.根据权利要求6所述的多通道移液装置，其特征在于所述多通分流器和取样头柱直接做成一体。
8.根据权利要求6所述的多通道移液装置，其特征在于所述多通分流器和取样头柱通过螺纹联接方式相连。
9.根据权利要求1所述的多通道移液装置，其特征在于所述取样头和多通分流器直接做成一体。
10.根据权利要求1所述的多通道移液装置，其特征在于所述多通分流器内腔有一个缓冲区，所述缓冲区通过各导气孔联通分流器的入气口和各出气口；所述缓冲区的横截面尺寸大于分流器各导气孔的孔径。
11.根据权利要求1所述的多通道移液装置，其特征在于所述多通分流器装在机械手运动系统上。
12.根据权利要求12所述的多通道移液装置，其特征在于所述多通道移液装置和机械手运动系统与微处理器连接。
13.操作多通道移液装置自动完成分配液体的方法，包括(1)注射泵进行第一次抽吸动作，把一定体积的气体吸入多通道移液装置的取样头内，取样头和注射泵通过多通分流器实现压力流通；(2)机械手运动系统把多通道移液装置移动到样品源位置处；(3)注射泵进行第二次抽吸动作，把一定体积的样品吸入到取样头内；(4)机械手运动系统把多通道移液装置移动到样品目标位置处；(5)注射泵进行第三次动作，把吸入的样品和空气从取样头排出到目标位置。
14.提高多通道移液装置分装样品精度的方法，包括(1)机械手运动系统把多通道移液装置移动到样品源位置处；(2)注射泵进行第一次动作，把一定体的样品吸入多通道移液装置的取样头内，取样头和注射泵通过多通分流器实现压力流通；(3)机械手运动系统把多通道移液装置移动到第一个分配位置处；(4)注射泵进行第二次动作，把取样头内的第一部分样品排出到第一个分配位置；(5)注射泵进行第三次动作，把取样头头部残留的液珠吸回到取样头内；(6)机械手运动系统把多通道移液装置移动到第二个分配位置处；然后(7)注射泵进行第四次动作，把取样头内的第二部分样品排出到第二个分配位置。
15.操作多通道移液装置自动混和样品的方法，包括(1)机械手运动系统把多通道移液装置移动到要混和的样品位置处；(2)注射泵进行第一次动作，把要混和的样品的至少一部分吸入到取样头，取样头和注射泵通过多通分流器实现压力流通；(3)注射泵进行第二次动作，把吸入取样头的样品排出到原来位置；(4)通过吸样和排样引起的涡流实现样品的混和。
全文摘要
本发明公开了一种多通道移液装置，它包括一多通分流器，其设置有一个入口和多个出口；一可以产生流体体积置换的泵，其和所述多通分流器的入口相连；以及设置在所述多通分流器每个出口上的取样头；其中，多通分流器用来把泵产生的体积变化均匀分配到各个取样头中。本发明结构简单、成本较低、十分适用于转移微量液体、而且更易于实现自动化控制。
文档编号B01L3/02GK1736611SQ20051009299
公开日2006年2月22日 申请日期2005年8月26日 优先权日2005年8月26日
发明者王东, 张景春, 高伟, 李英娜, 邹鲲, 程京 申请人:北京博奥生物芯片有限责任公司, 清华大学