专利名称：具有改进的动态范围的分配装置的制作方法
技术领域：
本发明背景1．本发明领域本发明总体上涉及一种用于将化学制剂及其它液体分配至基材上的改进的方法和装置，具体地讲，涉及特别适用于将精量化学制剂分配到受体膜上的各种方法和装置，以制成具有改进的动态工作范围的诊断试验片条。
2．现有技术说明由医务人员进行的各种体液的临床检验是用于各种疾病和医学症状的医学诊断和治疗的十分成熟的工具。由于医学发展带来的多种诊断和治疗疾病的新方法，使上述检验变得日益复杂。
临床检验在疾病或医学症状上的常规用途引起了人们对这种临床检验的筒化方法的极大兴趣，这种简化方法不需要高度的技能，或者人们可以自己进行，以获知一种生理上相关的症状的信息。在进行上述检验时，可以咨讯或不咨讯保健专家。此类现代方法包括血葡糖检验、排卵检验、血胆甾醇检验和检验尿液中的人绒膜促性腺激素的存在、现代家庭妊娠检验的基础。
临床化学中最常用的器械之一是试验片条或浸量尺。这些器械的特色是成本低和使用方便。基本上，放置所述试验片条使其与待检验的试验片条接触。用在试验片条中的各种制剂与存在于所述样品上的一种或多种分析物起反应，以产生检测信号。
大部分试验片条是生色的，以使所述样品的预定的可溶性成分与特定的制剂起反应，或生成一种特殊的有色化合物，作为存在或缺少所述成分的量化指标；或生成一种具有可变颜色强度的有色化合物，作为所存在的成分量的量化指标。这些信号可以通过肉眼或专用测量仪测量或检测。
例如，用于测定尿样中白细胞、酯酶或蛋白酶的存在或浓度的试验片条使用生色酯，这种酯被酯酶或蛋白酶水解后产生一种醇产物。完好的生色酯的颜色不同于其醇水解产物的颜色。因此，因水解所述生色酯而产生的颜色变化，可作为一种检测酯酶或蛋白酶的存在或浓度的方法，而酯酶或蛋白酶的存在或浓度又与白细胞的存在或浓度相关。色变度或强度与在尿液中测出的白细胞酯酶或HLE量成正比。参见美国专利US5,464,739。
上述诊断试验作为临床检验和保健用品的出现和被认可，总体上导致了多种定性诊断试验片条制品的开发。而且，这种制品的范围和可用性在将来很可能会大大增加。
由于试验片条既可用于提供定量测定又可用于提供定性测定，极为重要的是使所述制剂均匀分布在试验片条基材上。这些化合物通常是十分敏感的，而医学实践又要求该检验系统极其精确。当使用自动化系统时，尤其重要的是要确保所述试验片条是可靠的，而所述进行的测量从定量上看是精确的。
将一种或几种制剂涂在一种试验片条基质上是一项相当困难的工作。所述制剂的粘性及其它流体特性、其与基材和其它制剂的反应性因不同制剂而异，甚至因同一种制剂的不同批号而异。另外，有时必须或希望将具有预定制剂浓度范围的同一种制剂用在试验片条上。例如，某些试验片条具有多个顺序排列的检验区，以便可以用一个试验片条进行多次检验。例如，美国专利US5,183,742披露了一种具有多个并列检测区的试验片条，用于对一种体液样品同时作各种检验。例如，这种试验片条可被用于测定同一种血样中的葡萄糖、蛋白和pH水平。不过，要产生具有同一浓度制剂的清晰谱线或其它几何形状通常是很困难的。
多年以来，本领域一直在开发基于气刷分配器或电磁阀分配器应用的分配方法。气刷利用流过针阀孔的压缩空气将所述制剂雾化成烟雾，这些烟雾随后再沉积在试验片条基材上。通过调节针阀孔和/或雾化空气流的压力，可以控制烟雾的质量、制剂分散形式和流到试验片条基材上的制剂量。电磁阀分配器通常包括一个小型的电磁致动阀，该阀可以通过电力高速开启和关闭。该电磁阀与一个盛有待分配的流体的高压容器或箱连接。在工作时，该电磁阀由电流脉冲激发，由此使该电磁阀在预定的工作循环或开启时间内开启。这会迫使少量的液体通过所述喷嘴形成液滴，该液滴随后由该阀喷射到目标基材上。所述液滴的大小和频率以及流到基材上的制剂量通常是通过调节供给所述电磁阀的激发电流的频率和脉冲宽度和/或通过调节所述容器中的压力来控制的。
不过，现有的分配方法在其灵活性方面受到局限，必须对就液滴大小或烟雾质量、液滴速度和分配的制剂的流量而言的分配器输出分别进行调节和控制。流量经常会因为所述制剂温度或粘度的变化而改变。这种变化会导致制剂涂敷浓度和涂敷方式在不同的生产批号之间产生不希望有的差异。很多用于诊断检验的制剂与受体膜或基材的反应很强，以致在大的液滴到一起形成理想的式样之前，这些大的液滴就在膜表面上的最初接触点形成印迹。因此，有时就需要将制剂的细雾或极小的液滴分配到所述基材上。然而，理想的液滴大小或烟雾质量对于理想的生产流量来说通常简直是不能达到的。因此，为了确保适当的结果，有时必须以低于最佳速度的速度进行试验片条的生产。这样会显著提高生产成本。某些分配器，如电磁阀还容易被小的空气泡或气泡堵塞，这些气泡是在阀自身里或在向分配器输送制剂或其它液体的管或导管中产生的。这是很多常规电磁阀分配器所存在的主要可靠性问题。
虽然通过添加表面活性剂或各种其它化学添加剂改变液滴的表面张力或其它流体特性可以控制或减轻上述问题中的某一些，但是不存在适合于所有制剂的相容化合物。另外，表面活性剂和其它化合物的使用通常会导致试验片条本身或分配装置或生产工艺出现其它问题。
本发明概述本发明的制剂分配方法和装置可以将所需量的化学制剂或其它液体分配到诸如受体膜的基材上，同时，还能有利地具备对液滴大小或烟雾质量、液滴速度和制剂流速(以单位时间或单位长度计)进行独立和精确地控制的能力。
因此，本发明了提供了具有改进的性能和动态工作范围的用于分配精确量的液体的装置和方法。
按照一种优选实施方案，本发明包括一种用于将精确量的液体分配到基质上的改进装置。该装置包括一个具有一个入口和一个出口并且适于形成具有预定大小和/或质量的液滴的分配器。所述液滴由所述分配器射出，以便沉积在一种受体基材上。设置一个与所述分配器入口连接的正位移泵，以计量预定量的液体供给所述分配器。这样，对于分配器分配的液体量和/或流量可进行大体上独立于该分配器的特定工作参数地精确计量。
按照另一种优选实施方案，本发明包括一种用于将一种制剂分配到一种基材上的方法或装置。设置一个与制剂分配器连接的正位移注射泵。该泵由一台步进马达或类似装置控制，以便向所述分配器提供制剂的精确增量或连续流体。该分配器是选择性地工作的。以形成预定液滴大小和/或质量的液滴或液滴烟雾。优选的是，对于所述制剂的液滴大小，烟雾质量、液滴速度和/或流量可进行独立于所述分配器的特定系统工作参数地精确控制。
按照又一种优选实施方案，本发明包括一种用于将液体分配到一种基材上的装置，该装置包括一个分配器，该分配器具有一个入口和一个出口，以及一个适于以预定的频率和工作循环开启和关闭以便形成液滴的阀，这些液滴沉积在所述基材上。一个正位移泵，如一个由步进马达操纵的注射泵被液压安装成与所述分配器的入口连接，以便计量预定量的液体供给所述分配器。所述泵和分配器彼此协调工作，以便由所述分配器分配的液体量和/或流量可进行大体上独立于该分配器的特定工作参数的精确计量。这样，对于由所述分配器分配的液滴的大小、频率和速度可分别进行大体上独立于被分配液体的量和/或流量地调节。
按照再一种优选实施方案，本发明包括一个如上所述的装置，该装置与一个支架结合，该支架适于作相对所述分配器的X,X-Y或X-Y-Z运动。所述分配器和支架以协作方式安装和控制，以便根据预定的理想基材或式样产生制剂、墨水、液体有机调色剂或其它液体的液滴。如果必要，可以设置一系列分配器及相关的正位移泵。将所述分配器的出口排列成适合于完成理想的打印点阵或光点图形的理想图形。
通过以下的结合附图对优选方案所作的详细说明，很容易理解实现本发明的上述及其它实施方案和方式。本发明不局限于任何特定优选实施方案。
附图的简单说明
图1A是具有本发明特征的精确计量分配装置的示意图1B是特别适用于连接网膜生产作业的、具有本发明特征的精确计量分配装置的另一种实施方案的示意图；图2A和2B分别为具有本发明特征的气刷分配器的剖视图和详图；图2C是图2B所示试验基材的图示形式，显示被分配制剂的表面浓度和所产生的被吸收的制剂的浓度梯度；图3是具有本发明特征的电磁阀分配器的剖视图；图4是具有本发明特征的选择压电分配器的剖视图；图5是图1所示注射泵的剖面详图；图6是用按照本发明制造和使用的精确计量气溶胶分配装置可达到的流量范围的比较说明曲线图；图7是说明按照本发明制造和使用的电磁阀分配器的两种可能运行模式的示意图；图8是用于本发明一种实施方案中的静电打印机的示意图；和图9是用于本发明的一种实施方案中的选择分配器平台和多头分配器的正视图。
优选实施方案的详细说明图1A是具有本发明特征的精确计量分配装置10的示意图。分配装置10总体上包括一个用于从容器16中分配制剂14的分配器12，以及一个介于所述容器16和分配器12之间的用于精确计量被分配制剂的体积和流量的正位移注射泵22。分配器12可选择性地工作，以便视需要以预定的增量或计量过的流量形成独立的液滴或雾化制剂。
图1B是特别适用于连续网膜生产作业的、具有本发明特征的精确计量分配装置10’的另一种实施方案的示意图。为便于说明并方便理解，用类似的参考编号表示上文中提及和图1A中涉及到的类似部件。分配装置10’总体上包括一个用于从容器16’中分配制剂14’的分配器12’。如上文所述，分配器12’可以选择性的工作，以便视需以预定的增量或计量流量产生单独的液滴或雾状制剂。
不过，在这种情况下，将串联的正位移注射泵22a、22b安装在容器16’和分配器12’之间，以便精确而且连续地计量被分配制剂的体积和/或流量。如图所示，泵22a、22b优选平行连接，并由适当的止回阀24’将其彼此隔开，以使每一个注射泵22a、22b可以独立地计量一定体积和/或流量的待分配制剂。这种特殊分配装置结构具有可进行连续网膜生产应用的突出优点，因为注射泵22a、22b可以交替连续工作，同时，非分配注射泵可以从容器16’中吸出更多的制剂14’。这样，可以实现不间断地连续网膜生产。当然，如果必要，还可以以类似方式使用一个或几个额外的注射泵，例如，用于分配一种洗涤液或其它合适的制剂或流体。另外，如果必要，可将一个或几个诸如蠕动泵的连续正位移泵用于连续网膜生产。
上述分配器12和12’可以包括本领域众所周知的用于分配液体的多种合适分配器的任一种，如气刷分配器、电磁阀分配器或压电分配器。为了说明起见，下面披露几种特别优选的实例。本领域技术人员容易理解的是，同样能用多种其它合适的分配器来实现本文所披露的优点和长处。气刷分配器图2A和2B分别为用于本发明一种实施方案中的气刷分配器12a的剖视图和详图。分配器12a总体上包括一个喷嘴部分32和一个歧管部分34。歧管34使压缩空气可以进入第一环状室36，并使得制剂可以进入设在针阀40和相应的孔42之间的环状室38。如图所示，针阀40放在孔42中并穿过孔42。最好可以按照众所周知的针阀调节技术对其作轴向调节。针阀40相对孔42的位置决定着所得到的针阀孔43的有效尺寸，并进而决定着特定压差下的制剂流量。
流过针阀孔43的压缩空气会产生文丘里效应，从而通过孔42将制剂吸到针阀40的尖端。所产生的高速空气将流下针40的制剂雾化。由此产生一种气溶胶烟雾45，随多余的空气流一起从喷嘴32中射出。在一种常规气刷分配器中，由喷嘴32分配的制剂的体积是由压缩空气源相对大气压力的压差、针阀孔43的尺寸、以及制剂14的粘度和其它流体特征决定的。
不过，按照本发明的一种实施方案，如图1所示般地将一个正位移泵22连接在容器16和气刷12a之间。此时，孔42能通过仅由正位移泵22决定的制剂流。该制剂从孔42中射出，并与流出喷嘴32的压缩空气混合。有利地是，按照本发明，绝对体积或流量是一个由计量泵控制的输出参数，而不是必须通过试验和误差调整校正的输出参数。因此，所述气刷可用于将精确量和流量的制剂输送到试验片条基材上。不过，基材30还可以是纸、纤维素、塑料或能接收被分配的制剂或其它液体的一切湿润或干燥表面。
正如下文将要做更详细的讨论的，采用了气刷分配器与计量泵组合的制剂分配装置和方法提供了一种新的控制模式，它可以提供传统气刷分配器不可实现的额外生产能力。与操作气刷分器的常规方法不同，本发明的方法和装置提供了一种用于实现一种稳定的分配形式的宽范围的计量流量，而常规方法通常仅能提供用于特定输入空气压力和针阀孔的单一稳定工作点。所述范围的极限可以通过实验确定。如图6所示，正如下文将要讨论的，使用单一的压力设定和一系列的可调孔口甚至可实现更宽范围的生产流量。
图2C是图2B所示试验片条膜30的图示形式，说明被分配的表面浓度46和被吸收的制剂在膜30中所形成的浓度梯度。如图所示，为得到稳定分散形式，由表面制剂浓度46确保标准的高斯分布。该分布形式标准误的宽度取决于由喷嘴32所产生的分布形式的形状(图2B)。而后者又主要取决于出口喷嘴32的形状、针阀40和输入空气压力。输入压力越高，所产生的分散形式通常越宽。电磁阀分配器图3是用于本发明另一种实施方案中的电磁阀分配器12b的剖视图。这种类型的电磁阀分配器通常被用于喷墨打印，并能从诸如位于康涅狄格州的西布鲁克的Lee公司商购。分配器12b总体上包括一个螺线管部分32和一个阀部分34。螺线管部分32包括一个电磁线圈或绕组36、一个静态芯38和一个活塞40。所述静态芯38和活塞40被放置在一个空心的柱形套筒41中，并且，优选与套筒41的内壁至少略微分离，以便形成一个环状通道42，所述待分配的制剂或其它液体可以从该通道中流过。所述静态芯38和活塞40优选由诸如铁的铁质或磁性材料制成，并且分开一个小的间隙44。本领域技术人员可以理解，当螺线管线圈受到激励时就会产生一个磁场，该磁场将活塞40吸向静态芯38，关闭间隙44和打开阀34。
阀部分34包括一个具有一个孔口54的阀座52和一个具有一个阀面58的挡板56，该挡板适于密封阀座52。挡板56与活塞40呈机械连接，并由螺旋弹簧60弹力偏压至阀座52。同样，本领域技术人员容易理解的是，随着活塞40的上、下运动，阀34会相应的开启和关闭。而且，每当阀34开启和关闭时，都有一定体积的液体被强制通过阀孔54，以便产生一种脉冲或压力波，由这种波将一个液滴从喷嘴59的出口孔61中喷出。
通常，将一个具有预定的稳定压力的高压容器(未示出)用于在阀34开启期间强制液体制剂或其它液体通过阀孔54。在受控制的条件下，这种分配器具有±2％的可重复性，其最小液滴大小大约为30-35毫微升。液滴的大小由诸如容器压力、阀开启时间或工作周期、以及被分配的特定制剂液体的粘度和其它流体特性的系统工作参数决定的。当然，某些固定参数，如喷嘴59的大小和形状在就液滴大小和可重复性而言的阀的工作特性方面也起着重要作用。不过，总体上说，液滴大小会随着容器压力和阀开启时间的增加而变大。
不过，按照本发明，提供了一种如图1所示般地连接于供应容器16和电磁阀分配器12b之间的正位移泵22。对于一定范围的流量来说，阀孔54(图3)可以通过一定量和/或流量的制剂，该流量是仅由所述正位移泵22决定的。例如，该流量可以设定为每秒钟输送1ul的制剂。然后泵22以预定的流量将稳定的制剂流输送至电磁阀分配器12b。当该电磁阀开启和关闭时，将以理想体积的流量形成一系列的液滴，并将其喷射到目标基材30上。该基材优选是适于与所述制剂结合的受体膜，以便形成一种诊断试验片条。另外，所述基材30可以是纸、纤维素、塑料或能够接受被分配的制剂或其它液体的一切其它湿润/或干燥表面。
有利的是，仅通过改变供给电磁阀分配器12b的激励脉冲13的频率，即可在一定工作范围内调节所述液滴的大小，而不会影响制剂的流量。当然，存在着实现稳定的液滴形成所必需的阀开启时间或工作周期的物理极限。如果开启时间相对计量泵22提供的流量而言太短，则压力会增加，并有可能阻止阀开启或使阀不能正常工作。如果开启时间相对流量而言太长，则在每一次开启/关闭循环中所产生的液滴可能不一致。然而，对于由泵22提供的特定流量的制剂而言，存在一定范围的相容频率和/或阀开启时间或工作周期，其中，可以理想的流量和液滴大小实现稳定的分配作业。对于特定的生产装置而言，所述范围可通过实验确定。
本发明的另一个突出优点是，可以在不影响制剂流量或液滴大小的前提下对单个液滴的速度进行独立调节。举例来说，这一目的可通过改变供给电磁阀分配器12b的激励脉冲13的工作周期来实现。
例如，当液滴体积为83.3nL时，该液滴可以用一个个有24,000级解析度的100ul注射器由一个阀孔通过20个注射器级形成。使用5％的开启时间所产生的液滴速度高于使用7％开启时间的。这是因为使用较短的开启时间在水压管中所产生的压力高于7％。
如上文所述，存在因实现稳定的液滴形成所必需的工作周期长度而产生的物理极限。不过，对于特定流量和液滴大小而言，存在一定范围的相容工作周期，其中，能在理想的流量液滴大小和速度下实现稳定的分配作业。对于特定的生产装置这一范围同样可以通过实验确定。
正如下文将要作更详细地讨论的，通过用电磁阀分配器和计量泵的组合形式分配一种制剂提供了一种新的控制模式，它可以提供用常规电磁阀分配器不可企及的额外生产能力。与常规电磁阀分配器不同的是，本发明提供了一个可以实现稳定分配作业的计量流量、液滴大小、液滴频率和液滴速度的宽的动态范围，而常规电磁阀分配器对于特定的系统工作参数(例如，容器压力、阀频率和工作周期)而言，通常只有单一的流量或工作点。另外，由于电磁阀分配器12b被强制输送精确量和/或流量的制剂，该电磁阀分配器不容易被空气泡或气泡堵塞。相反，一切空气泡或气泡都倾向于被重新凝结或是在正位移泵22的作用下排出电磁阀分配器12b。压电分配器图4表示一种选择性压电分配器12c的剖视图，这种分配器也可优选用于本发明中。该压电分配器总体上包括一个由玻璃或其它合适材料制成的毛细管84，以及一个环绕毛细管84设置的压电收缩器86，如图所示。毛细管84有一个直径变小的喷嘴部分88。当毛细管84被压电收缩器86收紧时，在喷嘴部分88的出口89处形成液滴90。理想的是，压电分配器12c的动力学是这样的，它能以比常规电磁阀分配器更高的频率和更短的工作周期工作，从而产生甚至更小的液滴。就调节液滴大小、频率、速度和流量而言，该压电分配器的工作大体上与结合图3所示的电磁阀分配器12b所做的说明相同，因此，这里不再重述。注射泵用于本发明的一种特定实施方案中的正位移泵可以是市售的用于计量精确量的液体的泵送装置的几种变形中的任一种。优选如图1A和1B所示的注射器型泵22，因为其方便而且可以商购。不过，也可以用多种其它泵获得本文所披露的优点和长处。其中，包括(但不限于)旋转泵、蠕动泵、压板泵等。如在图5中详细描绘的，注射泵22总体上包括一个具有预定体积的注射器外壳62和一个活塞64，该活塞由O-形环等与注射器外壳形成密封。活塞64与一个活塞杆66形成机械接合，该活塞杆具有适于拧入和拧出一个底座支承件(未示出)的导螺杆部分68。本领域技术人员可以理解，当活塞杆66的导螺杆部分68被转动时，活塞64将被轴向移动，迫使注射器外壳62中的制剂进入出口管70。可以用任何数目的合适马达或机械致动器驱动导螺杆68。优选的是，使用步进马达26(图1)或其它增量或连续致动装置，以便可以精确调节制剂的量和/或流量。
合适的注射泵由商业渠道购买，如由位于加利福尼亚Irvine的Bio-Dot公司出售的Bio-Dot CV1000注射泵分配器。这种特殊注射泵采用一种电力控制的步进马达，以便用多种注射器大小提供精确的液体处理。所以CV1000分配器由一个单一的24DC伏特的电源提供动力，并通过一个工业标准RS232或RS485母线界面控制。所述注射泵可以具有3,000-24,000级的任一级数，不过，具有48,000级或更高级数的更高的解析泵也能拥有本发明的优点，较高解析度的泵，如压电泵，也可用于所需要的更细的解析度。另外，所述计量泵的导螺杆可以被压电滑阀所取代，以便既能提供更小的体积增量又能提供更快的加速/减速特征。举例来说，还可以使用多个平行的注射泵，用于向分配器输送各种浓度的制剂和/或其它液体，或用于两种或两种以上制剂的交替分配作业。这样，可将其用于诸用喷墨打印的用途中，使用一种或几种彩色墨水或液体有机调色剂。
活塞64的行程优选大约为60mm。活塞速度对低解析泵送来说为每个冲程0.8秒最少10级，或者对高解析泵送来说为每个冲程1.5秒最少20级。冲程速度可以随注射器大小和所使用的管而变化。视需要，注射器可以在从不足50微升至25毫升或更大体积范围内变化。对于大部分制剂分配应用来说，提供容积为大约500微升至大约25毫升。所述泵的最小增量位移体积取决于泵的解析度和注射器容积。例如，对于一个注射器容积为500ml和有12,000级解析度的泵来说，其最小增量位移体积大约为42毫微升。最小增量位移体积优选为大约2.1毫微升至2.1毫升，不过，也可以使用更高或更低增量位移体积，但仍能获得本发明的优点。
注射器外壳62可用多种合适的生物相容性材料中的任一种制成，如玻璃、TeflonTM或Kel-F。活塞64优选由原TeflonTM制成。参见图1，用Teflon管23将注射器与容器16和分配器12连接在一起，所述管23如外径为1/4英寸的管，该管具有路厄型接头，用于与所述注射器和分配器连接。视要求或需要，也可以使用各种止回阀24或截止阀25将制剂流导入或引出容器16、注射泵22和分配器12c。制剂容器制剂容器16可以是能够将液体制剂14虹吸至泵22中的多种合适容器中的任一种。如果需要，该容器可以是加压的，但优选由一个通风口与大气相通，如图中所示。容器16的特定尺寸和形状相对较不重要。
虹吸管17向下伸至容器16中达足于对制剂14进行虹吸的必要深度。在不会导致虹吸管17的下部入口堵塞的前提下，优选将虹吸管尽可能深地插入容器16中。虹吸管17的下部入口可被选择性地切成一定的倾角，或具有为了对制剂14进行一致、可靠的虹吸所必需的其它特征。工作如上文所述，本发明所具有的一种重要操作优点是，可以在一定范围内对制剂说、液滴大小或烟雾质量、液滴频率和/或液滴速度进行控制，这种控制大体上相互独立，并独立于所述制剂的特定流体特征和分配器12的工作参数。例如，通过改变其工作频率(对电磁阀或压电分配器而言)或通过调节其出口孔面积(对气刷分配器而言)可以调节由分配器形成的液滴大小，但又不会影响由所述泵计量的制剂流量。被分配的制剂量或流量基本上不受影响，因为它是由正位移泵22精确控制的。这一点特别有利于诸如要求分配极小液滴或分配较大粘度制剂的场合，因为可对制剂流进行精确控制而又不会明显影响系统工作参数，这些参数是实现稳定的分配作业所必需的。图6对按照本发明方法用气刷分配器可获得的特定孔口的流量范围和工作条件与使用气刷分配器的常规分配方法进行了比较。
类似地，使用常规电磁阀分配器，为了获得极小的液滴，人们必须努力缩短阀的开启时间或工作周期。不过，随着阀开启时间的缩短，制剂流量减少，这样，为了补偿就必须增加阀的循环频率。当阀开启时间很少时，在特定的点上，所述制剂的流体特征会限制获得均匀形成液滴的能力。而且，通过提高容器压力，可以实现更稳定的分配作业，所述提高的压力会加大液滴大小和制剂流量，有必要做进一步的调整，以便以理想的流量和液滴大小实现稳定的分配作业。
不过，本发明通过精确计量所述制剂的量和/或流量克服了现有技术中的上述及其它问题。有利地是，可以在宽的动态范围内对制剂量进行精确调节，而不会受到分配器特定工作参数的明显影响。这一特点使得特定流量下的液滴大小、液滴频率、液滴速度和其它系统参数可以从一个范围到另一个范围地显著变化。因此，本发明不仅提供了一种用于精确计量制剂的方法，而且增加了以前不可能的操纵分配器的新方法。
另一个重要的工作优点是，用本发明可以获得的液滴大小范围远大于用常规电磁阀分配器可获得的范围。例如，本发明使用电磁阀分配器的方法和装置可以获得的最小稳定液滴大小在1-4毫微升范围内，与此对应的是大部分常规电磁阀分配器可获得的最小稳定液滴大小为30-35毫微升。原则上讲，按照本发明，使用解析度为48,000级、注射器容积为25微升的注射泵可以获得甚至更小的液滴大小(在0.54毫微升或更小的量级上)。液滴生成实验证实了用出口孔61直径约为175微米的喷嘴59(图3)能以良好的再现性分配4.16毫微升液滴的能力。按照本发明，直径为75-125微米的更小的出口孔应能提供稳定的液滴形成能力，并能分配更小的液滴。
另一方面，通过在每一次阀开启时让注射器脉冲多次或通过延长阀开启时间让更大体积的液体流过开启的阀，使用同一台装置能把液滴大小或被输送的体积设计成高达1μL的范围。例如，对于4.16nL的液滴大小来说，优选设计应当为1个注射器级，1次阀开启和开启时间应当为2％或大约为0.2毫秒。对于1,000nL或1.0μL的液滴大小来说，优选的设计应当为240注射器级，1次阀开启和开启时间应当为25-30％或2.5-3.5毫秒。也可以高频率射出的较小液滴输送较大的体积。例如，可以用100Hz的频率和6％或0.6毫秒的开启时间通过100个液滴输送4.16μL液体，每滴4.16μL。
因此，稳定分配作业所能达到的液滴大小范围可以增加或减少1/250或更多。本发明的这一优点特别有利于制造和加工诊断试验片条的高速生产。例如，在某些生产应用中，可能需要分配制剂的极小的液滴或细雾，以产生最佳涂敷特性。同时，可能需要提供高产水平的高的制剂流量。例如，对于常规电磁阀分配器而言，为了提高其输出流量，必需延长阀的频率或阀开启时间的长度。但是，阀开启时间越长，液滴也越大。对于特定的阀和出口孔来说，也存在着工作极限，即阀的开启时间可以达到多短，以及工作频率可以多高但仍能实现稳定作业。
不过，本发明通过阀开启有效移动制剂可以用更短的开启时间以高流量实现稳定工作。换句话说，制剂流量不会受到阀的特定工作频率或工启时间长度的明显影响。制剂流量仅取决于注射泵的位移，它起着整个系统的强制作用。
当然，如上文所述，对于以特定工作频率和阀开启时间工作的电磁阀分配器来说，存在一个最大工作范围。其上限是在特定工作频率和阀开启时间的最大设计压力下能压使其通过该阀的最大制剂量。其下限由液滴形成的稳定性决定。对于特定流量来说，如果阀开启时间和/或工作频率太小，则分配器中的压力将变得太大，可能导致系统破坏或故障。对于特定流量来说，如果阀开启时间和/或工作频率太大，则每一次开启/关闭循环所形成的液滴不一致。不过，对于由泵22提供的特定流量的制剂来说，存在一定范围的相容性频率和/或开启时间，在此范围内可实现稳定作业。所述范围可通过调节阀的工作频率和开启时间以实现稳定的液滴形成而由实验来确定。用气刷分配器或其它类形的分配器也可获得类似优点。X-Y-Z分配平台在一种特别优选的工作模式中，可将一个分配器整合到X、X-Y或X-Y-Z平台上，其中，设计好的运动控制可与计量泵协调每单位长度输送所需要的体积，具有同样能分别控制被分配的制剂的频率和液滴大小的能力。例如，可以用稳定的工作台速度和4-100毫微升的液滴大小、以每厘米1微升的流量输送制剂。通过调节电磁阀的工作频率可以控制特定分配器流量的液滴大小。在本发明中，有几种特别理想的工作模式(1)线性或连续分配；(2)斑或“点”分配；(3)吸入；和(4)点阵打印。下面将对这些优选模式中的每一种分别加以说明连续分配在连续分配模式中，将计量泵调至预定流量，以便在体积/单位时间内输送计量体积的制剂。例如，可将所述流量设计成每秒钟输送1微升。所述注射器随后以预定流量将制剂泵送到电磁阀12。在这一流动过程中，通过开启和关闭所述阀，所述液滴将按照所述阀的开启时间和工作频率形成。因此，在所述连续分配模式中，该系统不仅能够输送精确计量的制剂流量，而且能够实现对工作速度、每单位长度的制剂浓度和液滴大小的独立控制。
如图7所示，如果电磁阀分配器安装得十分接近所述基材(见左侧)，则制剂会直接流到基材上，形成连续的线。这种连续工作模式可以提供特殊的优点，其中，具有极清晰线条的制剂图形是必需的或理想的。如果必要，还可以使用连续驱动制剂泵，以确保稳定的制剂流流向电磁阀分配器。不过，更常见的是，如图7所示(见右侧)，电磁阀分配器与基材至少略微分离。在这种模式下，将会产生分离的液滴，这些液滴将喷射在所述基材上，以形成想要的图形。每个液滴的大小将决定在所述基质上形成的所得图形的有效解析度。常以每英寸的点数或“dpi”形式表示所述解析度。本发明可以达到的分配解析度为300-600dpi或更高。点分配在点分配模式中，可将单个液滴分配在预定位置上。这一目的可通过使电磁阀和位移泵与X、X-Y或X-Y-Z平台同步而实现。所述计量泵是增量型的，以产生液压波。协调所述电磁阀，使其在相对所述泵增量的预定时刻开启和关闭。所述阀在泵增量之前或之后开始开启。当所述阀开启时，压力波将一定体积的液体向下压出喷嘴，在压力幅度峰值时刻在其出口孔处形成液滴。该液滴的大小由计量泵的增量体积决定。例如，一个具有12,000级解析度的50μL注射泵能产生4.16毫微升的增量位移体积。
每一个阀周期相对由所述泵产生的液压波的定时和持续时间可以通过实验确定，以实现具有理想的液滴大小的稳定分配作业。如果所述液压波的波长相对阀开启时间来说太长，该压力波可有效迫使该阀关闭。如果波长大致等于或短于阀开启时间，则会有一股液体被排出，形成液滴。同样，所述液滴的大小或体积主要是由注射泵的增量位移体积决定的。
如果阀开启时间比所述压力波长大，则在阀的开启时间内会有几股或份液体通过该阀。对于某些场合来说，这种现象是可以接受的或甚至是所希望的，如在希望液滴以预定的阀频率射出的场合。例如，可将分配装置设计成能在100Hz下产生10个液滴，以产生大约为41.6毫微升的组合液滴大小。这种工作模式可提供通过适当的喷嘴设计分配小到不足1毫微升液滴大小的能力。这将取决于计量泵的解析度和最小阀开启/关闭时间，以及出口孔的大小。不过，如果阀开启时间太长，则系统不能保持足够的压力喷出液滴。为了实现最稳定的分配作业，阀开启时间应当大体上与所述分配的液滴体积或组合液滴体积一致。
所述电磁阀相对所述注射泵和活动支架/平台的定时、频率和工作周期可以通过本领域公知的多种控制器中的任一种来协调或同步。常见的控制器是微处理器，该处理器基于并提供具有预定相、脉冲宽度和/或频率的多种输出控制脉冲或电信号中的任一个。例如，这些信号可用于控制和协调所述注射泵、活动支架/平台和本发明的电磁阀分配器。
也可能存在某些相对所述电磁阀的开启/关闭时间的最佳压力脉冲相位。例如，当阀开启时间被调整至泵增量脉冲宽度的倍数时出现过稳定工作，让阀的开启/关闭的时间与所产生的压力波相同。例如，让一个50微升的注射泵以12,000级的解析度工作，其增量位移体积将为约4.16毫微升。因此，以4.16毫微升数倍的液滴大小进行稳定工作是可能的。通过调节泵的解析度或通过增加注射器的尺寸，可相应增加或减少稳定作业的最低液滴大小。对于诸如9×4.16毫微升=33.28毫微升的大液滴来说，优选让阀的开启时间比较小的液滴的开启时间长，以便获得更均匀的直线和稳定工作。另外，对于每一种理想的工作模式来说，可通过实验方便地确定稳定工作的范围。吸入另一种优选工作方式是从一种样品或容器中吸入(“吸取”)精确量的其它液体的制剂。这一模式可被用于诸如“吸取和喷射”作业，从而将精确量的液体从装有一种样品液的容器中吸出，然后再分配到另一个容器中或一个诊断试验片条上，以便进行检验或作进一步处理。所述分配器/吸入器可以是一个简单的喷嘴或针(“吸管”)，或者更优选为一个电磁阀分配器。所述计量泵和分配器/吸入器优选与一个X、X-Y或X-Y-Z平台同步或协调。
在工作时，计量泵中充满了诸如蒸馏水的洗涤液。将分配器或吸出管放入待吸取的流体中，而所述计量泵减量，以便将精确量的所述流体吸入分配器或吸入管的顶端。通常需要只把少量制剂吸入电磁阀分配器的顶端，而不进入阀中。然后将计量泵增量，以便把精确量的流体分配到受体容器或基材中。其余液体随预定量的洗液一起分配到废液/洗液容器中。这样能保证所述流体样品不会被洗液所稀释，而且该样品在每个吸入和分配周期后冲出。
这种作业方式特别有利于分配高粘度制剂。常规电磁阀分配器通常不能很好地分配粘度高于5厘泊的溶液。但在很多场合下需要分配具有高粘度的制剂。有利的是，当把本发明用于吸入/分配模式时，可解决上述问题。同样，在吸入/分配模式中，该系统将装满诸如水或具有低粘度的水基溶液的洗液。首先吸入所述制剂，再进行分配，然后通过分配多余的洗液对所述阀进行洗涤。
对粘稠制剂来说，本发明通过降低吸入速度可十分有效地吸入并分配这种制剂。这样就有更多的时间让更粘稠的流体流入电磁阀分配器或吸入管的顶端。由于该粘稠流体随后会与所述洗液液压连接在一起，可以从喷嘴中对其做有效分配，因为该系统是由正位移泵驱动，而且所述流体是不可压缩的。采用这种模式，本发明可以分配粘性制剂，这种制剂通常不能直接分配。印刷另一种可行的理想工作模式是将本发明的液滴分配能力与静电、点阵或其它印刷技术结合起来使用，以便在基材上形成印刷图案、线条及其它几何形状。在这种场合下，可将计量泵用内部动力，以便对点阵图案中的每一个点的液滴大小进行定量控制。通过叠加设计的分配频率函数，并选择性地填充和偏转液滴，本发明能提供具有较细的点的大小和印刷解析度的视要求点滴印刷。
例如，如图8所示，可以将具有本发明特征的分配装置10”与静电打印头200结合使用，以便在基材上形成点阵图案。可将该分配装置设计成分配具有预定大小和频率图案的液滴。这些液滴可以是带电荷的，以其能被在一对反射板210之间产生的电场所偏转。液滴上所带的电荷量是变化的，因此，其偏转量也是可变的。可以设计并调节电荷，使液滴可以放在多个预定位置中的任一个上。对单个液滴进行选择性带电和偏转可用于产生如图所示的点阵图案。另外，可以安装多个分配器和泵以形成一系列用于简单的点阵印刷作业的视要求点滴分配器。分配平台如上文所述，本发明的分配装置也可以安装在多个膜式位移和处理模具上。例如，如图9所示，可以用一个平台100安装多个分配器，以便处理一种或几种制剂。这种分配平台可以是以微处理器为基础的，优选通过一个工业用标准输入/输出1.0控制器(未示出)，如RS232界面。如果需要，还可以使用摇控可编程控制器110来控制多个分配设备和平台，或用于编码一个中央1/10控制器。本发明同样很适用于单个膜片条处理模件和连续卷筒-至-卷筒模件。单个膜片条模件可以采用X-Y平面运动进行分配。所述卷筒-至-卷筒平台可采用恒速膜输送，与安装件连接在一起，使一个或几个分配器运动。如果需要，还可以用一个干燥箱来提高其生产量。
本领域技术人员可以理解，本发明所披露的方法和装置可用于分配多种液体、制剂及其它物质和多种基材。尽管本文中披露了本发明的某些优选实施方案，但本领域技术人员很容易理解的是，本发明超出了具体披露的实施方案，还延及本发明的其它替代实施方案。因此，要强调的是本发明的范围不是由上文所披露的特定实施例限定的，而只能是在通过认真阅读以下的权利要求书后确定。
权利要求
1．一种用于将预定量的液体分配到一种基材上的装置，包括一个分配器，它有一个入口和一个出口，并适于产生具有预定大小和/或质量的所述液体的液滴，这些液滴沉积在所述基材上；和一个正位移泵，与所述分配器的入口液压连接在一起，用于将预定量的所述液体计量到所述分配器中；因此，由所述分配器分配的液体量和/或流量可大体上独立于该分配器的特定工作参数地进行精确计量。
2．如权利要求1的装置，其特征在于所述分配器包括一个气溶胶分配器，它具有一个构成一个止于一个喷嘴内的空气通道的出口和一个构成止于一个文丘里孔内的液体通道的入口，用于混合所述液体和一股空气流，以产生接近所述基材的气溶胶烟雾。
3．如权利要求1的装置，其特征在于所述分配器包括一个适于以预定的频率和工作周期开启和关闭的阀，以便形成所述液体的液滴，这些液滴被喷射到所述基材上。
4．如权利要求5的装置，其特征在于所述阀是由一个电磁线圈驱动的。
5．如权利要求5的装置，其特征在于所述阀是由一个压电节流装置驱动的。
6．如权利要求5的装置，其特征在于所述阀的频率和工作周期对于特定量或流量的液体来说可大体上独立地分别进行调节，以产生理想大小、频率和/或出口速度的液滴。
7．如权利要求1的装置，与一个适于相对所述分配器作X、X-Y或X-Y-Z运动的支架结合，用于活动输送所述基材，其中，所述分配器是与所述支架并列安装的。
8．如权利要求7的组合，还包括一个与所述正位移泵和所述支架相连的正位移泵，用于协调所述泵的输出和所述支架的运动，使所述液体可以每单位长度精确的流量进行分配，而且，这种液流可以精确计量，基本上不受所述分配器的特定工作参数的影响。
9．如权利要求8的组合，还包括一系列分配器和正位移泵，所述分配器的出口被设计成适于获得理想的打印点阵或光点图形的理想形式。
10．如权利要求1的装置，其特征在于所述正位移泵包括一个注射泵。
11．如权利要求10的装置，其特征在于所述注射泵包括一个注射器外壳、一个可在所述注射器外壳中作轴向运动的活塞和在其上设有导螺杆的活塞杆。
12．如权利要求11的装置，其特征在于所述导螺杆的大小和位置是这样的，以便在转动所述导螺杆时所述活塞作轴向运动，使得预定量的所述液体被输送到所述分配器的入口中。
13．如权利要求12的装置，其特征在于所述正位移泵还包括一个步进马达，该马达适于将预定增量或流量的所述液体分配到所述分配器中。
14．如权利要求1的装置，还包括一个与所述第一正位移泵呈液压连接的第二正位移泵，用于提供连续网膜生产能力。
15．如权利要求1的装置，其特征在于所述分配器和正位移泵被设计和调整成能产生稳定工作时可获得的一定范围内的可选择的液滴大小，其变化量大于大约1/250。
16．如权利要求15的装置，其特征在于所述分配器和所述正位移泵被设计和调整成能产生小于大约4.2毫微升至大于大约1微升的可选择的液滴大小。
17．一种用于将液体分配到基材上的装置，包括一个分配器，具有一个入口和一个出口，以及一个以预定的频率和工作周期开启和关闭的阀，以产生所述液体的液滴，这些液滴沉积在所述基材上；和一个与所述分配器的入口呈液压连接的正位移泵，用于计量预定量的所述液体至所述分配器中；因此，由所述分配器分配的液体的量和/或流量能大体上独立于所述分配器的特定工作参数地计量。
18．如权利要求17的装置，其特征在于由所述分配器分配的液滴的大小、频率和速度可大体上独立于被分配的液体的量和/或流量地分别加以调整。
19．如权利要求17的装置，其特征在于所述阀是由一个电磁线圈驱动的。
20．如权利要求17的装置，其特征在于所述阀是由一个压电节流装置驱动的。
21．如权利要求17的装置，其特征在于所述的阀频率和工作周期对于特定量或流量的液体来说可大体上独立地分别加以调节，以产生具有理想大小、频率和/或出口速度的液滴。
22．如权利要求17的装置，其特征在于所述正位移泵包括一个注射泵。
23．如权利要求22的装置，其特征在于所述正位移泵包括一个步进马达，该马达适于让所述注射泵将预定增量或流量的所述流体分配到所述分配器中。
24．如权利要求23的装置，其特征在于所述分配器和正位移泵被设计并调整成能提供稳定工作所能得到的一定范围的可选择的液滴大小，而且，其变化量大于大约1/250。
25．一种用于将一种液体分配到一种基材上的方法，该方法包括以下步骤运动输送所述基材；用正位移泵计量预定量或流量的所述液体；将所述计量的量或流量的所述液体输送给一个分配器，以形成预定大小和/或质量的液滴，这些液滴沉积在所述基材上；和调节所述预定量或流量的所述液体的计量，并输送所述基材，使沉积在所述基材上的所述液体的密度以每单位所述基材长度的体积形式进行独立控制。
26．如权利要求25的方法，其特征在于所述液滴大小为大约4毫微升至大约1微升。
27．如权利要求25的方法，其特征在于能获得的液滴大小的变化范围大于大约1/250。
全文摘要
披露了一种用于分配精确量的液体制剂(14)的方法和装置(10),该装置包括一个与诸如气溶胶分配器(12a)或电磁阀分配器(12b)的分配器(12)相连的正位移位射泵(22)。泵(22)由一台步进马达(26)或类似装置控制,以便向分配器(12)提供制剂(14)的增量或连续流。泵(22)和分配器(12)彼此协调作业,以使由分配器(12)分配的液体制剂(14)的量和/或流量可基本上独立于分配器(12)的特定工作参数地精确计量,以获得理想的流量、液滴大小或弥雾质量、流滴频率和/或液滴速度。
文档编号G01N35/10GK1231621SQ97198220
公开日1999年10月13日 申请日期1997年7月25日 优先权日1996年7月26日
发明者T·C·蒂索内 申请人:拜奥－多特公司