压电式微量移液器的制作方法

本发明涉及一种用于精确汲取或分配少量液体样品的微量移液器，尤其涉及一种基于压电原理的微量移液器。在分析液体样品，特别是生物样品时，通常需要汲取和分配纳升范围内的极少量液体，可能精确到几皮升。

进一步的要求通常是高精度地移取少量液体、化学药品、生化试剂。一般实验室使用的移液器可用于移取体积不小于约0.1微升的样品，但是无法可靠地移取体积显著小于这一数值的样品。这是因为，1微升以下的微观液滴的特性主要取决于表面张力和及其在固体表面的附着力，这与体积较大的样品不同，体积较大的样品的特性取决于体积力。常温常压下纯水的毛细管长度约为2mm。这就意味着，对于较小水滴的特性，起决定性作用的不是重力，而是表面张力。除了表面力之外，微小液滴的蒸发也是个问题。体积在1微升以下的水滴在实验室条件下几分钟就蒸发掉了。

背景技术：

目前也有些显微注射仪可用于极少量的注射。这种显微注射仪，例如eppendorffemtojet显微注射仪，能够通过微量移液器以飞升的精度注射液体。在该显微注射仪中，产生了一个稳定的非常缓慢的液流，并且通过注射时间来调节注射液体的体积。然而，这些解决方案不适用于汲取和连续分配皮升和低于皮升范围内的极少量样品。这是因为，连续汲取和注射样品只能在有明显滞后的情况下进行。由于整个液体系统的体积很大，且管道等弹性定界装置会发生膨胀，密封件将无法在对液体流向进行逆转的同时，保持对体积进行高精度的调节。体积在微升范围以上时，这不是一个问题，但是在纳升范围内，却造成了严重的技术障碍。

在自动取样和分配系统中，使用了可控移液器。这些移液器能够根据构造和工作原理汲取不同体积的液体。

使用某些可控移液器时，通过移动针筒中的活塞来实现汲取和分配样品所需的容积变化。根据编号为7,125,727的美国专利，采用一个由压电致动器移动的计量活塞来控制针内液体的流动。然而，压电致动器的典型行程(最大纵向形变)只有几微米。为了提高分配精度，首选使用直径较小的针筒。然而，由于实际原因，针筒(和活塞)的直径不能低于毫米级。此外，在活塞表面与针筒之间必须采用一个密封件。密封件通常是用弹性材料制成的，因此很容易变形。通常情况下，尺寸在毫米范围内的密封件发生形变导致的体积变化与活塞在微米或更小范围内移动导致的体积变化相当。此类体积变化大大降低了液体移取的精度。基于活塞的位置只能以非常低的精度确定在皮升和低于皮升的范围内汲取的液体量。活塞或圆柱体必须沿着弹性密封件滑动。压电致动器的精度可以用于活塞的移动，但不是在纳米范围内。在活塞相对位移如此微小的情况下，由于密封件的附着摩擦系数很高，移动的表面(大概)不会滑动，而是会导致密封件变形。无法确定密封件与接触面之间会发生多大程度的滑动位移。这严重降低了液体处理的精度。原则上，可以通过使用所谓的汉密尔顿专用注射器代替传统的活塞来提高液体移取的精度。在这种情况下，一个高精度的聚四氟乙烯活塞同时还作为密封件使用。然而，当改变移动方向时，即使是汉密尔顿注射器，在皮升范围移取液体的精度也很低。

在另一个已知装置中，连接至移液器的膨胀腔一侧与隔膜端接，或将一个侧壁配置成隔膜。这种基于压电原理的微量移液器如编号为7125519的美国专利所述。在该装置中，微量移液器的毛细管通过液体通道连接至膨胀腔，膨胀腔壁被配置成隔膜。隔膜的外表面设有压电元件，对压电元件施加电压时，其尺寸发生变化，从而改变隔膜的形态。由于膜的形态发生变化，膨胀腔的体积也随之变化，这将导致抽吸或注射液体。抽吸或注射的液体量取决于膨胀腔的尺寸和薄膜的形变，或者更准确地说，取决于膨胀腔的体积变化。

该装置的缺点之一是不能拆开，因为其零件是粘接在一起的。因此，在两次连续应用之间，向装置填充液体并清洗装置可能相当麻烦。用于移取可能污染装置内部的试剂时，该装置应该是一次性的。如果向该装置填充空气，由于空气具有可压缩性，且移液器尖端小横截面上的拉普拉斯压力较高(由于存在表面张力)，液体移取的精度将相当低。

技术实现要素：

在创造本发明时，我们从一种基于压电原理的微量移液器出发，该微量移液器包括形成移液器的毛细管，以及连接至所述毛细管的膨胀腔，所述膨胀腔具有柔性元件并连接至压电致动器。

根据本发明，可以通过以下方案消除现有技术的缺陷：一种压电式微量移液器，其柔性元件设置在所述膨胀腔内，所述柔性元件连接至刚性位移元件，所述压电致动器连接至所述刚性位移元件。通过这种布置，可以(实际)形成任意一个小型膨胀腔，在膨胀腔中，通过使刚性位移元件发生适当的较小位移，就可以汲取和分配相应的较小体积(例如纳升范围内)的液体样品。

根据本发明的一个方面，所述膨胀腔大体上呈圆柱形，设置在所述膨胀腔内的柔性元件被配置成o型圈，所述刚性位移元件被配置成大体上呈圆盘形的压板。在这种配置中，膨胀腔(例如可以汲取或分配的液体量)以及分配的精度实际上将由o型圈的尺寸决定。

设置在膨胀腔内的o型圈可以是一个尺寸可在最小尺寸与最大尺寸之间的一系列尺寸中任意选择的、必要时可更换的o型圈，其中，圆柱形膨胀腔被配置成能够容纳不同尺寸的o型圈，膨胀腔圆柱形侧壁的内径大体上与最大o型圈的外径相对应。

圆柱形膨胀腔与o型圈接触的表面是一个大体上呈平面的表面，圆柱形膨胀腔的接触面上设有同心凹槽，用于同心定位不同尺寸的o型圈。

根据本发明，形成微量移液器的毛细管以可拆卸的方式附着在膨胀腔上，其中，用于将毛细管与膨胀腔相连的移液器支架上形成有毛细管孔。

根据本发明的另一个优选实施例，膨胀腔设置在形成移液器支架的刚性壳体中，该壳体可以由可拆卸的封闭件封闭。

在本实施例中，封闭件由容纳压电致动器并为其提供内部空间的壳体形成。

在另一个优选实施例中，微量移液器支架的封闭件被配置成能够利用入口连接元件填充所述微量移液器。

优选提供一种根据本发明的微量移液器，在该微量移液器中，形成移液器的毛细管利用可拆卸固定元件(例如螺纹固定元件)固定到移液器支架上。

所述移液器支架中形成有相应的容纳空间，用于容纳形成移液器的毛细管。在所述移液器支架中，用于容纳形成移液器的毛细管的容纳腔还在毛细管与容纳腔之间设有密封和/或固定元件。

根据本发明的另一个方面，在移液器支架中用于容纳形成移液器的毛细管的容纳腔中，其中一个密封和/或固定元件优选呈锥形，其余密封和/或固定元件优选被配置成o型圈。

在该配置中，在移液器支架中用于容纳形成移液器的毛细管的容纳腔中，锥形密封件与o型圈之间设置有用于夹持和引导毛细管的导向套。

在移液器支架中用于容纳形成移液器的毛细管的容纳腔中，锥形密封件与o型圈之间用于夹持和引导毛细管的导向套，其末段靠近锥形密封件，形状为锥形，并与锥形密封件的锥形相对应；其端面靠近o型圈，具有至少部分呈平面的表面，且大体上垂直于纵向。

根据本发明的进一步实施例，移液器固定元件具有照明装置，优选为能够照亮移液器尖端的led照明装置。

所述照明装置可具有配置成圆盘的托板，该托板具有设置在至少一个同心圆内的led照明元件。

所述照明装置中的led照明元件优选地设置并配置成能够提供相衬照明。

附图说明：

图1是根据本发明的一个方面的压电式微量移液器的侧视图；

图2是如图1所示的压电式微量移液器的剖面侧视图；

图3是如图1所示的具有照明装置的压电式微量移液器的底视图；

图4是具有填充入口连接元件的压电式微量移液器的侧视图；

图5是如图4所示的具有填充入口连接元件的压电式微量移液器的剖面侧视图；

图6是移液器尖端被照明元件照亮的压电式微量移液器的剖面侧视图；

图7是具有填充入口连接元件且移液器尖端被照明元件照亮的压电式微量移液器的剖面侧视图；

图8是根据本发明的微量移液器的膨胀腔及周围元件的放大图；

图9是压电式微量移液器的移液器支架及相连部件的放大图。

具体实施方式

图1是根据本发明的一个方面的压电式微量移液器的侧视图，具有形成移液器的毛细管1、用于容纳压电致动元件的壳体6、移液器支架7、螺纹固定元件12、托板13和护罩11。所述壳体6的正面设有固定面16，带有固定螺钉18。在本实施例中，所述固定元件12和托板13之间设置有弹簧14。所述弹簧14向下压迫包含led照明元件的托板13。通过这种方式，照明元件在垂直位置保持稳定。所述托板13由螺纹螺母固定，也用于调节照明板的高度。弹簧因此将托板13压在螺母上。

所述固定面16可用于将本发明的压电式微量移液器固定在机械臂上，该机械臂可沿至少一个坐标移动，并使压电式微量移液器可以在所需位置之间的空间内进行程控移动，从而可以对系统进行配置并将其用于自动移液。

图2示出了如图1所示的压电式微量移液器的剖面侧视图。从图中可以看出，所述毛细管1的上端设置在移液器支架7中。移液器支架7上形成有与毛细管1同轴的毛细管孔1a，毛细管孔1a与优选为圆柱形的膨胀腔2连通。膨胀腔2中设置有o型圈形式的柔性元件3，柔性元件3与制成压板或圆板/圆盘形式的刚性位移元件4机械接触。所述刚性位移元件4与压电致动器5相连，所述压电致动器5设置在壳体6中。所述壳体6与移液器支架7机械连接。为了建立机械连接，壳体6具有内螺纹，移液器支架7具有外螺纹。

因此，所述膨胀腔2与移液器支架7的上端面、安装在膨胀腔2内的o型圈3、刚性位移元件4端接。设置在膨胀腔2内的o型圈3的尺寸可以在最小尺寸与最大尺寸之间的一系列尺寸中选择。此外，如果有必要，可以更换o型圈。圆柱形膨胀腔2优选被配置成能够容纳不同尺寸的o型圈3，其中，膨胀腔2圆柱形侧壁的内径与可选择的最大o型圈3的外径相对应。

膨胀腔2是一个在移液器支架7上端形成的圆柱形凹穴，用于容纳o型圈3，并具有大体上呈平面的o型圈3接触面。

在本发明的微量移液器的优选实施例中，膨胀腔2中大体上呈平面的o型圈3接触面上设有同心凹槽(未示出)，用于同心定位不同尺寸的o型圈3。

所述毛细管1的上端可插入并设置在所述移液器支架7的圆柱形容纳腔中。为了使毛细管1能够正确定位，在容纳腔中插入并设置上下密封和/或固定元件8和9。如图2所示，毛细管1的上端可设置一个锥形密封件8。锥形密封件具有与圆柱形容纳腔上端大体上呈平面的接触面相接触的平面上端面，以及与用于引导毛细管1的导向套10上端锥形内表面相接触的下锥形外表面。锥形密封件8下端的锥形外接触面向下逐渐变窄，导向套10的锥形内接触面向上相应变宽。锥形密封件8与导向套10的锥形端面具有相似的锥角。锥形密封件8用于对毛细管1的上端进行高精度的、与移液器支架7的毛细管孔1a同轴的密封、固定和定位。导向套10的下端与一个大体上垂直于纵向的平面端接，并与一个配置成o型圈9的下密封和固定元件接触。o型圈9由可拆卸地连接至移液器支架7的固定保持元件12固定，用于将o型圈9压在导向套10的平面端面上。固定保持元件12优选为螺纹部件，在所示实施例中，固定保持元件12具有用于连接移液器支架7下端内螺纹部分的外螺纹。所述固定保持元件12具有上螺纹部分、下螺纹部分以及向交叉方向延伸的中间部分。下螺纹部分可容纳用于承载照明装置的托板13。

压电致动器5可以设置在壳体6的容纳腔中，壳体6可以可拆卸地连接至移液器支架7。为此，壳体可具有内螺纹部分，并可作为封闭件。可以为压电致动器5提供直流控制电压，此时使压电致动器在纵向上压缩或膨胀。压电致动器5的控制电压可通过壳体6护罩11的开口利用未示出的电压源电缆引入。由于压电致动器5的纵向尺寸发生变化，位于膨胀腔2内的o型圈3将受到不同程度的压缩，同时会导致膨胀腔2的体积变化。另一方面，膨胀腔2的体积变化将导致毛细管1和毛细管孔1a中的液体被汲取或释放。

图3示出了与本发明的压电式微量移液器一起使用的照明装置，该照明装置可以优选为led照明装置。如图3所示，所述照明装置具有优选为圆形的托板13，托板13具有设置在至少一个同心圆内的led照明元件15。led照明元件15为移液器尖端提供适当的照明，这可能是有利的，特别是在拍摄显微图像时。在某些应用中，设置并配置能够提供相衬照明的led照明元件15可能是有利的。如图所示，所述led照明元件15排列成四个(两对)预定的不同尺寸的同心圆。

在本实施例中，微量移液器的移液器支架7以螺纹连接的形式可拆卸地连接至容纳压电致动器5的壳体6，因此可以将壳体6拆下并替换成通过螺纹部分连接至移液器支架7的封闭件20，如图4和图5所示。螺纹封闭件20的上端设有填充入口21，该填充入口21可以连接至标准注射器等，以便向微量移液器中填充液体。微量移液器的准确操作要求微量移液器的整个内部空间充满液体并且无气泡。由于气体是可压缩的，最终残留的气泡会降低微量移液器的分配精度。在填充本发明微量移液器的过程中，出于填充的目的，将膨胀腔2中的o型圈3替换成另一个o型圈22。只有进行填充以及最终进行与微量移液器有关的清洗流程时，才需要由封闭件20和填充入口21组成的填充头。在首次使用没有任何液体的(干态)新微量移液器之前，必须通过填充头利用适用于取样流程的液体(例如水)将微量移液器完全充满并且无气泡。完成取样流程后，优选将微量移液器清空并清洗，并清空洗涤液。由于发明中的微量移液器的部件被设计成了可拆装的，可以对单个部件进行单独清洗、消毒或简单更换。

图6和图7示出了本发明微量移液器的照明装置发出的光束。图3示出了led照明元件15的底视图，所述led照明元件15排列成四个同心圆，使得各圈led照明元件15与毛细管1的尖端限定一个预定锥角。所示实施例中一对圆的内圆和外圆的锥角分别为15度和30度。确定同心圆的直径，以使一对圆的内圆和外圆led照明元件15的光束在毛细管1的尖端相交，另一对圆的内圆和外圆led照明元件15的光束在与毛细管1的尖端相距预定距离的位置相交。所示实施例中的预定距离为20mm。对于样品在毛细管1的尖端或尖端以下20mm处的相衬显微成像来说，这种布置是必要的。

现在将参照图8对本发明压电式微量移液器的功能进行更详细的说明。图8在放大图中描述了膨胀腔2、o型圈3、压板4和压电致动器5。下面将提供可用本发明的压电式微量移液器移取的液体体积的数学计算公式。

计算是在o型圈尺寸为1×1mm的条件下进行的，这是市售的最小尺寸之一。正如计算结果所证实的，利用最小尺寸的o型圈移取最小量的液体，而利用具有最小移动距离或行程的压电致动器可以实现最高的分配精度。

由于具有与两个平行板端接的o型圈，封闭体积的计算方法如下：

v＝(d/2+d/2)2×π×h＝πmm3≈3.14微升。

其中，d＝1mm(o型圈的开口直径)

d＝1mm(o型圈的厚度)

h＝1mm(o型圈的厚度)

但是，上述体积v还包括o型圈体积的一半，因为计算了o型圈接触线范围内两板之间的圆柱形空间的体积。o型圈(圆环)的体积：

v＝2×π2×d/2×(d/2)2＝(π2)/4微升

最后得到o型圈所封闭的液体体积：v-v/2＝π-(π2)/8≈1.9mm3(微升)

因此，膨胀腔2内封闭的液体体积为1.9微升，或约2微升。

在o型圈体积不变且压缩形变对称的情况下，液体体积的变化如下：

δh×(d/2+d/2)2×π＝δh×π(微升)

本例中所用的压电元件的最大纵向移动量(δh_max)为5微米，精度约为1纳米。因此，压电元件能够移取约15纳升的液体。分配精度约为3皮升。

使用较小行程的压电元件时，最大移取量减少，分配精度提高。利用压电元件可以实现0.1纳米甚至更高的分配精度。使用上述o型圈时，意味着精度为0.3皮升。

在本发明的示例中，为了避免由于极性变换造成的滞后，首选使用具有直流控制和单极控制电路的压电元件。即使在这种情况下，压电元件的电压-位移曲线也不是完全线性的，因此可能需要预先校准。在本发明的实际应用中，我们使用了p882和p888型压电元件。

压电式微量移液器的主要优点是可进行电气控制、速度快、结构简单且成本效益高。本发明的微量移液器既可用于透射光成像，也可用于反射光成像，在实践中可用于倒置显微镜。本发明还适用于光轴与微量移液器轴同轴情况下的显微成像。与液体样品接触的微量移液器表面完全是由惰性材料制成的：毛细管是由玻璃制成的，移液器支架、膨胀腔和压板是由不锈钢或塑料制成的，o型圈和锥形密封件是由橡胶或(聚四氟乙烯)制成的。

附图标记

1毛细管(微量移液器)

1a毛细管孔

2膨胀腔

3o型圈

4刚性位移元件，压板

5压电致动器

6压电致动器壳体，封闭件

7移液器支架

8锥形密封件

9o型圈

10导向套

11护罩

12(螺纹)保持元件

13托板

14弹簧

15led照明元件

16固定面

17凹穴

18螺钉

20封闭件

21填充入口

22o型圈