专利名称：用于微量液体移液的管尖设计和随机存取系统的制作方法
相关申请本申请权利要求对1998年7月7日提出的美国临时申请No.60/091,928、1998年11月2提出的美国临时申请No.60/106,719、1998年12月21日提出的美国临时申请No.60/113,062、1999年6月10日提出的美国临时申请No.60/138,464、1999年6月14日提出的美国临时申请No.60/139,024的优先权。
本发明的背景1．本发明的领域本发明一般涉及微量液体的移液，特别地，涉及用于基因用途和高处理量筛选的管尖设计和随机存取管尖阵列。
2．相关技术背景为了通过确定所有100,000种左右的人类基因的结构来破解全部的人类遗传密码，人们一直在进行着努力(公共的和私人的)。同时，也存在使用这种遗传信息用于各种基因用途的风险。例如，这些包括在靶或基板上产生DNA材料的微排列，以便在显微镜载波片或生物芯片器件上产生斑点的排列。这些排列可以用来读出特定的人类遗传蓝图。该排列破解使一个人比另一个人更丰满、更快乐或者更可能得心脏病的遗传差异。这种排列可能检测突变，或者个体的化学或遗传组成方面的变化，有可能揭示关于疾病或治疗方案方面的某些内容。
高效准确地产生DNA微排列可能是一项艰难的工作。微排列的所需密度可能高达数千点/平方厘米。而且，希望的移液体积足够低，在皮升范围内。
一种形成DNA微排列的典型方法是利用针，所述针可以浸入试样液体溶液中，然后被触及表面以产生小斑点或点。所述针一般是细不锈钢棒，它具有一个尖锐的细点，以提供小的斑点尺寸。不希望的是，尖锐的点使针易碎，并且与表面的重复接触可能导致针的损坏。这可能影响移液体积的准确度，因此，导致不能重复和不一致。同时，这些针一般只能从一次浸渍形成一个斑点。
最近，已经使针带有一个小槽，使得试样液体的一次浸渍可以形成多个斑点。不希望的是，所述的槽可能使针更易碎。带槽的针技术的另一个缺点是在第一次移液和随后的移液之间的点尺寸和移液的体积变化大，这种变化可能高达50％。同时，在移液步骤中，所述槽中的液体试样不希望地暴露于大气中。这可能导致贵重的液体的污染和蒸发。而且，由于在溶液被分配时并且溶液从暴露的针上蒸发时，在所述槽内的表面张力的变化，所述针可能限制了可重复性。此外，带槽的针的彻底清洗可能是非常困难并耗时的。
在许多情况下，把多个标点的针放在针架上，使多个针可以浸入样品溶液中并在靶(一般是载片)上标点。在多个针之间的间隙一般相当于源板的穴之间的间隙。为了产生高密度的微排列，所述多个针同时浸渍，然后标点。通过使标点位置偏移一个小距离进行随后的标点。这种标点技术的缺点之一是样品(点)在载片上的位置不与样品在源板中的样品(穴)的位置对应。另一个缺点是样品不能从源板上随机取样并随机印在载片上。这些缺点减小了这种传统微排列技术的通用性和效用。
传统的针移液技术也用于其它用途中，如高处理量筛选中(HTS)。高处理量筛选涉及化合物或试剂从源板到排列板上的重排。例如，把溶解在DMSO中的试验化合物从96穴板上移液到96、384或1536穴的微滴定板上。典型的是，希望的移液量高于用于基因排列的量并且在约1-200纳升(nL)或更多的范围内。不希望的是，传统的针移液技术在用于化合物重排时也存在一些或全部上述缺点。
也可以使用吸取-分配法进行微量移液。吸取-分配的方法和技术的技术现状在该领域中也是熟知的，例如，美国专利No.5,741,554中所公开的，该专利在本文中引作参考。这些方法典型地使用拾取和放下(吸取和吐出)液体处理系统，其中，从一个源中吸取一定量液体，并分配到用于试验或进一步加工的靶上。但是在处理微量液体(小于1微升(μl))时，高效准确地进行吸取和分配操作可能是非常困难的工作。当要求在吸取和分配功能之间频繁变换时，进一步增大了这种工作的复杂性。许多用途，如DNA微排列和HTS，可能涉及大量的这种变换。在这些和其它用途中，吸取-分配系统高效、准确地操作并且贵重的试剂浪费最少是希望的，并且有时是重要的。
所以，需要一种改进技术和方法以提供高效、可重复和准确的微量液体移液，同时又减少这种液体的浪费。
本发明概述本发明通过提供一种用于微量液体移液的陶瓷管尖和随机存取印刷头，克服了一些或全部上述缺点。有利的是，所述印刷头可以随机采集和沉积液体样品，以便把样品从源板上移液到靶上。对所述印刷头还可以编程序，以在靶上产生来自源板的液体的直接的图，或者在靶上产生任何希望的图案或印刷。所述管尖和印刷头可以用于多种用途，如DNA微排列和化合物重排。在一个优选的实施方案中，所述管尖用作毛细管或“重力”针，吸取或采集源液体，并通过物理接触(触发)在靶上“标点”、淀积或接触分配所述液体。在另一个优选的实施方案中，所述管尖与吸取-分配系统结合使用，来快速地吸取源液体并且通过接触或非接触法淀积所述液体。有利的是，所述管尖提供了改进的、准确的和可重复的微量移液。
根据一个优选的实施方案，本发明提供一种用于从液体源到希望的靶基板上的微量移液的接触移液管尖。所述接触移液管尖一般包括一个基本为圆柱形的上体部分，基本为锥形的下体部分和一个内腔。基本为圆柱形的上体部分有第一个外径。基本为锥形的下体部分在其过渡部分有第二个外径，第二个外径基本等于上部的第一个外径。基本为锥形的下体部分还具有在其最下端的第三个直径，它小于第一或第二个直径，并且近似等于希望在靶基板上沉积的液体点的直径。上体和下体部分对中心轴相互呈同轴排列。下体部分的最下端基本是平的，并且位于基本与中心轴垂直的平面内。形成所述内腔，使其基本通过所述上体和下体部分，并在下体部分的最下端形成一个孔口或开口。在浸入液体源时，所述孔用于通过毛细管作用把一定量液体吸入内腔中，并且当所述最下端与所述靶基板接触时，用于分配所述液体的一个斑点或点。
根据另一个优选的实施方案，本发明提供一种用于从液体源把液体选择性分配到希望的靶基板上的随机取样的微量流接触移液分配系统。所述分配系统一般包括多个以大体均匀的阵列排列的接触移液管尖。每个接触移液管尖有一个一般通过其本身的内腔，并且在其最下端有一个孔口。所述孔口用于在移液管尖浸入液体源时，通过毛细管作用把一定量液体吸入内腔中。所述孔口还用于当所述最下端与靶基板接触时，分配所述液体的一个斑点或点。每个接触移液管尖滑动地安装在基本为低摩擦的准直的套筒内，以便为每个移液管尖提供浮动作用。每个接触移液管尖还附带一个致动器，以响应相对于靶基板和/或液体源选择性升高或降低每个接触移液管尖的驱动信号。
为了概述本发明和相对于现有技术取得的优点，本文上面已经描述了本发明的某些目的和优点。当然，应该理解，未必根据本发明的任何特定实施方案能达到所有这些目的和优点。因此，例如，熟悉该领域的技术人员将认识到本发明可以以获得或优化本文所述的一个优点或一组优点的方式来实施或进行，而未必获得本文所说明或提出的其它优点。
所有这些实施方案意欲在本文所公开的本发明的范围内。从参考附图的优选的实施方案的下列详细描述中，本发明的这些和其它实施方案对于熟悉该领域的技术人员将变得显而易见，本发明不限于所公开的任何特定优选的实施方案。
附图简述
图1是具有根据本发明的一个优选的实施方案特征的微量流移液管尖的示意截面图；图2是在图1的管尖上的憎水涂层的示意图；图3是具有根据本发明的一个优选的实施方案特征的随机存取管尖阵列的示意图；图4是用于浮动夹持图3的管尖的空气轴承支架的俯视草图；图5是二维管尖阵列的示意图；图6是用于从图3的管尖除去多余液体的真空干燥系统的示意图；图7是用于吸取和分配精确量液体的微量流吸取-分配系统/设备的简化示意图；图8是分配器的一维阵列的示意图；图9是分配器的二维阵列的示意图；图10是图7的注射泵的截面详图；图11是用在图7的系统中的电磁阀分配器的示意图；图12是表示压力预调节吸取一分配循环的系统压力与时间的示意关系图(不按比例)；和图13是根据本发明的一个优选的实施方案的吸取作用的示意图。
优选的实施方案的详细描述图1是根据本发明的一个优选的实施方案的毛细管尖、管或针200的示意截面图。如本文后面所讨论的，管尖200提供用于基因微排列和高处理量筛选(HTS)等用途的改进的微量流移液器。在一个优选的实施方案中，管尖200用作毛细管或“重力”针，吸取或采集源液体并通过物理接触(触发)“标点”沉积或分配液体到靶上。在另一个优选的实施方案中，管尖200与吸取-分配系统结合使用，通过接触或非接触法快速地吸取源液体并沉积液体。
在一个优选的实施方案中，管尖200一般是圆柱形的并且包括一个非锥形的具有上端203的上部202，具有下端205和内腔或通腔206的锥形下部/外表面204。内腔206一般是带有顶部开口208、非锥形上部210和锥形下部/内表面212的圆柱形，以形成具有孔口或开口216的喷嘴214。外锥204的下端205一般确定斑点或点的尺寸。有利的是，外锥204导致在管尖外表面上更少的液体积聚。同样有利的是，内锥212是毛细管作用的所需形状，并且减少在吸取过程中液体的混合，以及减少在吸取-分配操作过程中在液体内气泡析出。
在一个优选的实施方案中，管尖200还包括在非锥形上部202上的大体为圆周形凹槽、狭槽或槽218。优选的是，槽218一般为V形的。槽218在管尖200与液体靶或源的接触表面之间偶然的硬接触或振动接触的情况下，有利地提供易破坏点。
优选的是，管尖200用陶瓷材料制造，更优选的是，用氧化铝制造。有利的是，陶瓷材料提供化学惰性，因为氧化铝对大多数化学溶剂是惰性的。而且，陶瓷材料提供耐用性，因此可以经受极端的机械应力。在其它实施方案中，管尖200可以根据要求或希望，在考虑提供化学惰性和耐用性的目的，用各种有效材料制备，例如金属、合金和塑料。
在一个优选的实施方案中，并且如图2所示意表示的，管尖200的外表面219涂敷薄膜或涂层220，涂层220不仅是化学惰性的并且机械上耐用的，而且也对于大多数液体(如含水试剂、DMSO和其它常见的溶剂)是非亲和性的。薄膜220有助于保持管尖200干燥，并且改善微量流移液。优选的是，薄膜220包括一种耐磨材料，使其具有延长的寿命。其中包括的合适的涂层220是氮化硅、碳化硅、氮化钛。涂层220可以通过各种方法涂敷，例如其中包括等离子淀积和溅射，这些是该领域中已知的。合适的憎水涂层也可以涂敷到管尖200的内表面221上。
管尖200可以根据要求或希望，在考虑提供可靠性和可重复的微量流移液，可以各种方式有效地确定尺寸。在一个实施方案中，管尖200的长度为16毫米，内部体积约20微升(μl)。对于基因方面的用途，优选的是，管尖200的喷嘴端部的内径在约20-180微米范围内，外径在约50-400微米或更大的范围内。对于化合物重排，优选的是，管尖200的喷嘴端部内径在约100-300微米范围内，外径在约400-900微米范围内。
随机取样毛细管针阵列在一个优选的实施方案中，如上所示，管尖200(图1)用作毛细管管尖或重力针。管尖200的喷嘴214浸入液体或试剂源中，顶部开口208放空。毛细管作用导致小体积的液体通过喷嘴孔216进入内腔206。喷嘴端部205接触到靶表面，以移液试剂。有利的是，也可以在相同或不同的位置进行多次触发，以便向所需的靶或位置移取所需量/体积的试剂。如后面所讨论的，可以利用机械手和/或可移动的X、X-Y或X-Y-Z平台提供在管尖200、与靶和源之间的相对运动。
对于基因方面的用途，靶典型地包括载片、基板或薄膜。所述触发在靶上留下一个液体的斑点、点或印记。斑点典型地具有与喷嘴端部205的外径大体相同的尺寸。对于化合物重排，试剂典型地被移液到微滴定板的微穴中。用这种方式，利用毛细管管尖200作为微量流采集和淀积装置，可以准确可靠地采集和淀积微量流的试剂，并具有良好可重复性。相信在管尖喷嘴214的内部锥体212在液体的采集和淀积过程中导致低的局部压力降。有利的是，这防止了可以溶解在液体中的任何气体的不希望的气泡析出。
有利的是，在试剂移液过程中，管尖200中的非常少量的试剂暴露于大气中。这有效地减少试剂的蒸发，因此，降低了贵重试剂的浪费。此外，也可以减少试剂可能污染的危险性。
有利的是，管尖通腔206可通过使液体强制通过内腔206(例如使用正位移泵)以进行管尖200的快速彻底的清洗。同样，希望的是，通过使用与管尖200连通的正位移泵可以把管尖200内的任何残留源液体移回到所述源中。
图3是用于移液微量流体或试剂的随机存取管尖/针阵列或打印头230的示意表示。打印头230一般包括具有在管尖夹具上安装的各个基座部件234的浮动接触移液管尖200(图1)的阵列232、支架或套筒236和多个电磁螺线管238。把螺线管238安装在外罩240中，并且位于各个管尖200上方。管尖基座234优选的是用磁性材料制造，例如其中包括400系列不锈钢。因此，当螺线管238加上电压时，它们吸引各个基座234，关闭在各个管尖和各个螺线管238之间的各个间隙242。用这种方式，可以按照要求和希望用一个或多个选择的管尖200采集和淀积来自源29的微量试剂到靶30。有利的是，可以使用打印头从源29随机存取并淀积到靶30。并且可以形成打印阵列，打印的阵列是在源板29(例如带有许多微穴的微滴定板)中的试剂位置的直接的图。
随机取样打印头230也可以利用微量流移液用的各种其它的针等。例如，打印头230可以利用传统的针，所述的针带有尖细点的不锈钢棒，以提供小的斑点尺寸。打印头230可以利用传统的带槽的针。考虑提供微量流体量的随机采集和/或沉积，可以按照要求或希望有效地使用其它合适的针、管尖等。
浮动管尖支架236(图3和4)是带有许多孔244的空气轴承支架。孔244被加工成精密公差，以便滑动容纳管尖200，同时保持管尖200的排列。优选的是，用低摩擦表面光洁度的黄铜制造支架236。在其它实施方案中，支架236可以根据要求或希望，有效地用多种材料制造，如其它金属、合金、陶瓷、塑料，并考虑浮动容纳管尖200并保持管尖200的高精度排列的目的。
管尖基座部件234(图3)有孔246，使得管尖200的顶端203(图1)可以进入孔246中，并且顶部开口208(图1)与大气相通。基座部件234可以移动地与各个管尖200相连，使得所选的管尖200可以根据要求或希望更换。这使得不同构形和/或尺寸的管尖200可以与打印头230一起使用，因此，增加了本发明的通用性。基座234还防止各个管尖200通过空气轴承安装孔244(图4)掉出。
螺线管238(图3)可以是各种市售的螺线管，并且相互独立控制。当螺线管加上电压时，例如，图3中的螺线管238’，各个管尖升起，因为各个基座234被吸引到各个加电压的螺线管238上。在螺线管不加电压时，例如，图3中的238”，各个管尖200下降，各个基座部件234落在支架236上。然后，在较低的位置，管尖200可以用于试剂的微量流移液。
在管尖200(图3)之间的间隙一般对应于在源板29的穴之间的间隙，该间隙一般约2.5毫米、4.5毫米或9毫米。在其它实施方案中，根据特定的用途，可将管尖200另行隔开。在一个优选的实施方案中，管尖200排列成一条线或者一维阵列232，如图3所示意表示的。在另一个优选的实施方案中，在图5中示意表示，管尖200排列成二维阵列250。另外，管尖200可以按照特定用途规定的各种方式排列。同样，在阵列中使用的管尖200的数量可以从1变化到384或更大。包含管尖200的矩形阵列[(4×2x)×(6×2x)]对提供96、384、1536等数量的管尖200也是方便的。也可以使用2x的正方形排列，如2、4、8、16、32等。
参考图3，通过机械臂252移动随机存取针阵列230。同样，可以利用X、X-Y或X-Y-Z平台254移动源29和靶30。可以使用适当的控制器监测并控制打印头230的各种部件如螺线管238、机械臂252和平台254的操作。
在一个优选的实施方案中，提供一个与随机取样管尖阵列230结合的清洗站256(图3)，来保持干燥的管尖。清洗站256一般包括一个真空干燥系统79(图3和6)，以便除去在管尖200浸渍在源试剂过程中粘附在管尖200的外表面上的任何多余的液体，或者由于在管尖200的外表面上产生的任何水分，例如来自空气环境中的冷凝。系统79(图6)一般包括连接到一个或多个真空孔或口82的泵80。管尖200插入真空孔82中。泵80启动预定的时间，并提供足够的吸力，以便除去或吸去粘附在管尖200外表面上的任何多余液体。可以调节泵的吸力，使得它可以除去多余的液体而不干扰在管尖200内部的任何试剂(如果存在)。真空干燥也可以在清洁液体(例如其中包括蒸馏水)中清洗管尖200之后进行。另外，管尖200可以浸在挥发性溶剂(例如其中包括异丙醇)中来保持干燥的管尖。同样，如上所述，对于小喷嘴端面205(图1)，憎水涂层220(图2)和外部锥面204(图1)还有助于保持管尖200干燥并且没有多余的液体。管尖200还可以通过在吸附材料上抹吸来干燥。
在一个优选的实施方案中，清洗站256(图3)一般包括洗涤/清洗槽258、超声波槽260和真空系统79(图6)，用于清洗管尖200。管尖200浸在洗涤槽258中，通过毛细管作用吸入洗涤/清洗液。这稀释了在管尖200中的任何残留试剂。然后把管尖200插入真空系统79的真空孔82(图6)中，开动泵80，提供足够的吸力，从管尖200中除去一些或全部液体。管尖200也可以在废弃物或其它合适的位置上标点，以便除去在管尖内的一些或全部液体。同时，可以联合使用真空系统79和标点过程从管尖200中除去液体。根据所要求或希望的，清洗槽清洗后从管尖除去液体的过程可以重复数次。典型的是，在清洗槽256中的两次或三次清洗是足够的。然后把管尖200浸在超声槽中进一步清洗。随后使用真空干燥系统79(图6)进行管尖的真空干燥。任选的是，也可以把管尖在吸附材料上抹吸来清洗管尖200。
在使用中，开始时，通过对螺线管238加电压提起所有的管尖200(图3)。利用机械臂252和/或可移动的平台254在源29上方定位并排列打印头230。对于随机取样，通过去电压或关闭相应的螺线管238，降低第一个管尖200。第一个管尖200浸入源板29的微穴中，通过毛细管作用吸取液体。通过对相应的螺线管施加电压，提起第一个管尖200。通过机械臂252和/或可移动平台254提供在源板29和打印头230之间的相对运动，来排列第二个管尖200与源板29的相应的微穴。第二个管尖200降低并从微穴中采集源液体。然后提起第二个管尖200。以类似的方式降低并提起后来的管尖200。这种随机取样过程继续到所有的管尖200装有样品液体。
然后通过机械臂252和/或可移动平台254在靶30上定位并排列打印头230。对于随机存取的淀积，通过去电压或关闭相应的螺线管238降低第一个管尖200，使靶30与移液的源液体接触。通过对相应的螺线管238加电压提起第一个管尖200。通过机械臂252和/或可移动平台254，在靶30与打印头230之间提供相对运动，在靶30上方排列第二个管尖200。降低第二个管尖200并接触靶30以便淀积液体。然后提起第二个管尖200。以类似的方式降低和提起后来的管尖200。这种随机存取的淀积过程继续到所有的管尖把液体样品从源板29淀积到靶30上。
可以以数种模式操作随机存取打印头230(图3)。这些模式包括随机存取的采集和淀积的结合，只进行随机存取的采集，和只进行随机存取的淀积。随机存取采集和淀积模式利用随机存取采集过程，然后进行随机存取的淀积过程，如上所述。
在只有随机存取采集模式中，如上面对于随机存取采集过程所述采集源液体。然后通过同时在靶30上降低所有的管尖200来淀积源液体。另外，多于一个但是少于所有的管尖200可以降低或提起来同时采集或淀积液体。
在只有随机存取淀积过程的模式中，所有的管尖200同时浸入源板29来采集源液体。然后如上面对于随机存取淀积过程所述，淀积源液体。另外，多于一个但是少于所有的管尖200可以降低或提起来同时采集或淀积液体。
有利的是，管尖200可以容纳足够体积的液体，使得可以在靶30的相同位置上进行多次触发。此外，在管尖200的一次浸渍之后，可以在不同的靶30上淀积相同的试剂。这进一步增加了随机存取打印头230的通用性。
如上所述，对于DNA的微排列，靶30一般包括玻璃载片，基片或薄膜，管尖200在靶30上形成源液体的点或斑点。对于DNA微排列，管尖200可以形成直径范围为约50微米到大于约400微米的点，可以形成密度范围为小于约10点/平方厘米到大于约6000点/平方厘米的阵列。这些斑点或点的尺寸一般由管尖200的喷嘴端部205的外径确定。管尖200也可以移液低至皮升范围到最高达约100纳升(nL)或更多的液体体积。
对于高处理量筛选(化合物重排)，靶30一般是微滴定板，如96、384或1536穴的板。在这种情况下，管尖200可以移液的液体体积范围为约1nL-200nL或更多。
有利的是，本发明的打印头230可以随机采集和随机淀积微量液体。打印头230也可以产生来自源29的源液体在靶30上的直接的图，或者在靶30上产生任何希望的图案或印迹。这进一步增加了本发明的通用性。此外，浮动的管尖200(图3)可以补偿在源29或靶30表面上平整度的任何小的偏差，因为管尖可以在打印头230中移动。在源29和/或靶30可能的未对准的情况下，这可以减小对管尖200和打印头230的损坏。还可以使用一个或多个光学传感器监测管尖200相对于源29和靶30的排列和定位。
吸取-分配操作在本发明的一个优选的实施方案中，管尖200(图1)用于吸取-分配操作。图7是具有根据一个优选的实施方案的特征的微流体吸取-分配设备或系统10的示意图。吸取-分配系统10一般包括具有管尖200(图1和7)的分配器12，和联接储存器16的正位移注射泵22。分配器12用于从源或容器29吸取预定量的液体或试剂，并以液滴或喷出的形式把预定量的源液体分配到靶30上或进入靶30中。源29一般是微滴定板，靶30一般是用于基因微排列的玻璃载片、基板或薄膜和用于化合物重排的微滴定板。正位移泵22计量吸取的试剂体积和/或流量，更重要的是计量分配的试剂的体积和/或流量。储存器16含有洗涤或系统液体14，如蒸馏水，它充满在大部分的吸取-分配系统10中。一个或多个机械臂可以用来操作吸取-分配系统10或者吸取-分配系统10和/或其可以安装在可移动的X、X-Y或X-Y-Z平台上的辅助部件。机械臂和可移动平台也可以联合使用。在某些要分配大量的相同试剂情况下，储存器16和注射泵可以充满试剂，并且系统10可以纯粹用作分配。同时，可以利用多个吸取-分配系统10来形成线/或一维阵列的分配器12(图8)或二维阵列的分配器12(图9)。
泵22优选的是高分辨率的正位移注射泵，与分配器12水力连接。另外，泵22可以是几种市售的用于计量精确液体量的泵装置的任意一种。如图7所示，注射型泵22因为其方便和工业上可供应性是优选的。但是，可以使用各种其它直流流体源装置，以达本文所提出的益处和优点。这些可以包括(没有限制)旋转泵、蠕动泵、压片泵等，或者电子调节的液流源。
如图10更详细表示的，注射泵22一般包括预定体积的注射外壳62和通过O形环等与注射外壳密封的活塞64。活塞64与活塞轴66机械啮合，活塞轴66有丝杆部分68，用于旋入或旋出基座(未表示出)。熟悉该领域的技术人员将容易理解，当活塞轴66的丝杆部分68旋转时，活塞64将会产生轴向位移，使系统液体从注射外壳62进入排出管70。任何数量的合适的电动机或机械传动器可以用来驱动丝杆68。优选的是，使用步进电动机26(图7)或其它增量的或连续的传动装置，使得可以精确调节液体或试剂的量和/或流量。
参考图7，使用有用于连接注射泵和分配器的路厄式配件的管23把注射泵22连接到储存器16和分配器12上。也可以根据希望和需要使用各种截止阀25和止回阀(未表示出)，以引导液体14流向和/或流出储存器16、注射泵22和分配器12。
在本发明的一种形式中，螺线管分配器12(示意表示于图11中)是优选的。参考图11，螺线管阀分配器12一般包括螺线管驱动的按需落下阀20，包括阀部分34和螺线管致动器32，与本发明的管或管尖200水力相连。管尖200的喷嘴214作为吸取和分配的管口。通过由脉冲发生器19提供的一次或多次电脉冲13对螺线管阀20施加电压，以预定的频率和/或运行周期打开和关闭阀20。在美国专利No.5,741,554中可以发现一种典型的螺线管驱动的阀的详细描述，该专利在本文中引作参考。本发明的管尖(图1和7)也可以与在该技术中熟知的用于分配液体的一些其它分配器联合使用，如压电分配器、液体脉冲分配器、热驱动分配器等。
参考图7，洗液储存器16可以是能够使洗液14(如蒸馏水)虹吸进入泵22的一些合适容器的任意一种。所述储存器可以根据要求加压，但是，优选的是通过通气口15与大气相通(如所表示的)。储存器16的特定尺寸和形状是较不重要的。虹吸管17向下延伸到储存器16中到达要求的深度，足以进行洗液14的虹吸。优选的是，虹吸管17尽可能深地进入储存器16，但不引起管17的下端进口部分堵塞。管17的下端进口部分还可以以一定的角度斜切，或者根据需要或要求具有其它特征，以便提供洗液14的连续可靠的虹吸。
熟悉该领域的技术人员将会认识到，在泵22和分配器12之间的水力连接在稳态条件下提供来自泵22的输入精确等于来自分配器12的输出的情况。所以，正位移系统唯一地确定了系统的输出体积，而分配器12的操作动力学用于把输出的体积转变成具有尺寸、频率和速度的喷出液滴。
然而，已经发现，在吸取-分配系统10中，存在弹性柔度，部分是由于在输送管和其它接头和部件中的柔度，部分由于可能从溶解在系统和/或源流体中的空气或其它气体析出的气泡。由于这种弹性柔度，分配少量流体的初始努力导致逐渐克服系统的柔度，并且不能分配流体或试剂。一旦克服了这种弹性柔度，可以发现存在稳态压力，然后发生完全的分配。
提供与分配器12(图7)串联的正位移泵22具有驱动分配器12容纳并排出一定量和/或流量(对于稳态操作，由正位移泵唯一地确定)的试剂的益处。本质上，注射泵22起整个系统的驱动作用，以保证维持希望的流量，而不管分配阀(如螺线管驱动阀20(图11))的运行周期、频率或其它操作参数。用这样的构形并在稳态操作条件下，人们不会真正关心系统的压力，因为它借助于正位移或直流流体源作为整个系统的驱动作用，自动调节来提供所需的流量。
然而，这不代表潜在的和/或瞬间的压力变化的情况，例如伴随每次分配和吸取作用的初始启动。特别地，已经发现系统中的压力对于涉及微量试剂或其它流体的吸取或分配的非稳态操作非常重要。具体地，对于吸取作用，已经发现系统压力接近或低于0是最优选的，而对于分配作用，已经发现有限的且正的预定稳态压力是最优选的。在各种模式(吸取、分配、清除/清洗)之间的过渡和/或流量或其它操作参数可能导致在吸取-分配系统10(图7)内的压力瞬间变化和/或不希望的潜在压力条件。清除和清洗作用通常要求在非靶位置上的能动分配。在某些情况下，在将要再次吸取相同的试剂时，在进行清除或清洗作用之前可以进行数次吸取-分配循环。同样，在分配作用过程中，有时可能必须进行吹洗作用，例如减轻由于在系统和/或源流体内的气泡的析出产生的堵塞。
上面的讨论强调控制在微液流吸取-分配系统内水压力的要求。在一个优选的实施方案中，压力预调节方法使得在流体输送系统(例如正位移吸取-分配系统10(图7))内在初始分配操作之前存在稳态压力。初始正压力克服系统的弹性柔度，从而在分配之前获得稳态压力条件。有利的是，这保证通过注射泵22(图7)移液的液体将完全作为输出移液到系统孔口，例如喷嘴214(图1和7)。
一种优选的压力预调节方法通过提供有效率的(这对液体或试剂消耗和时间两方面都是有效率的)压力补偿方案促进吸取-分配过程。为了说明这种方法，将参考吸取-分配系统10、注射泵22和螺线管驱动的分配器12，虽然可以根据要求或希望并考虑为吸取和/或分配作用提供有效的压力补偿方案的目的，有效地使用其它液体输送系统、直流流体源和分配器。
图12表示对于根据本发明的一种优选的压力预调节/补偿方法的压力补偿吸取-分配循环的压力-时间经历的示意图(不按比例)。x轴120表示时间，y轴122表示系统压力。线124表示在其过程中发生分配的预定和/或稳态压力，线126表示在吸取作用之前的压力补偿，线128表示发生吸取作用过程的压力，线130描述在分配作用之前的压力补偿。
如以前所述，恰好在吸取作用之前，系统压力接近或低于0是优选的。参考图12，通过先“放空“系统释放压力达到这一点。可以以各种方式达到这一点，例如进行一系列快速废弃分配。例如，喷嘴214(图1和7)可以定位在废容器(未表示出)上方，并且快速打开和关闭按需落下阀20(图11)，而不运行注射泵22(图7)。阀20的开启，使得一些系统流体14(图7)和/或来自以前的吸取作用的任何残留的吸取液体，由于系统10(图7)内的分配稳态压力(线124)或任何残余压力而被分配到废弃的位置。在数次阀门开启之后，残余压力(线124)被消耗，并且系统压力稳定到接近0的值。希望的是，系统压力的这种“放空”可能同时用作清洗作用。
另外，根据释放系统压力所要求的，阀20(图11)可以保持关闭，而注射泵22(图7)反向操作。也可以通过提供用于注射泵22(图7)的单独的减压阀(未表示出)释放残余压力，或者可以打开截流阀25(图7)，把系统流体14(图7)放回到储存器16(图7)中。
有利的是，参考图12，这里可以吸取(线128)来自源29(图7)的源液体，而没有系统液体14(图7)和/或残余的吸取流体误分配或误注入源29(图7)中。把喷嘴214(图7和11)放在源29中，使阀20(图11)打开，反向操作注射泵22(图7)，产生减小的压力或负压(线128)，把源流体或试剂吸入吸取-分配系统10(图7)的管尖200(图7)中。优选的是，在吸取过程中连续打开阀20(图11)，即利用100％的运行周期。有利的是，由于系统压力为0或接近0，通过计量注射泵22(图7)的位移，可以基本上精确地吸取预定的小体积的源流体。同样，通过优选地利用注射泵活塞64(图10)的最佳缓慢移动，同时使阀20(图11)完全打开，保持降低的/负的吸取系统压力接近0，使得进入管尖200和喷嘴214(图7)的源流体流大体保持为层流。注射泵活塞64(图10)的位移速率取决于要吸取的体积，但是它一般在约0.5-50微升/秒。对于非常小体积的吸取，活塞的位移速度约为0.5微升/秒。此外，在吸取过程中，利用100％的阀运行周期还有助于保持进入喷嘴214和管尖200的源流体的层流。因此，减少了源流体与系统液体14(图7)的湍流混合，源流体的任何稀释基本是由于扩散。有利的是，在大多数情况下，在室温或接近室温，扩散过程非常慢，因此，源流体或试剂的总有效稀释小或者可以忽略不计。
吸取过程(图12中的线128)导致在吸取-分配系统10(图7)中的部分真空或者残余的较小压力/负压，它小于优选的分配稳态压力(线124)。为了有效准确地分配吸取的流体，系统压力优选的是从较小的或负值提高到正的分配稳态压力值和/或预定压力值。把系统压力提高到优选的分配压力的简单快速的技术是通过使注射泵活塞64(图10)在向前的方向上移动，同时保持按需落下阀20(图11)在关闭位置。这种优选的“加压”压力补偿用线130(图12)表示。
一旦系统压力提高到公称稳态分配压力(线124)，就可以准确地分配预定量的所吸取的源流体。在分配过程中，注射泵活塞64(图10)的位移可以与按需落下阀20(图11)运行周期同步，或者泵22(图7)可以用来提供基本连续的流量。有利的是，这种加压方案是高效率的，不会浪费试剂并减少试剂的稀释。
在一个实施方案中，上述加压方案也可以随后进行系统压力微调到希望的稳态和/或预定值的预分配操作。这种预分配操作一般包括把少量流体分配回到吸取的流体源中。也可以在废弃的位置的分配进行所述预分配。有利的是，在加压方案之后，系统压力充分接近稳态和/或预定值，因此，这种流体的预分配产生小的、可以忽略的流体浪费或者没有流体浪费。
一般来说，在吸取和/或分配水力系统中发生瞬时的压力变化时，考虑达到提供预定和/或稳态压力的目的，可以使用本文讨论的压力补偿方法。这些压力瞬时变化可能由于水力“容量效应”、泄漏或小气泡的析出而发生，或者在初始启动过程中或间歇分配操作过程中发生。
目前为止已经说明了以最佳压力进行吸取和分配作用的重要性。对于一定的结构，达到稳态操作所需的预加压量可以通过实验确定。对于一定的结构，可以进行试验参数分析，并获得一些关联。这种开路控制技术将有助于确定注射泵22(图7)的驱动，以获得最佳操作压力。
评估稳态分配压力和系统弹性柔度的另一种优选的方法利用半经验法。在这种情况下，可以包括一个或多个压力传感器50(图7和11)来监测系统压力。通过一个或多个压力传感器50(图7和11)提供的压力测量也可以用来提供关于各种流体和水力系统的流动参数的诊断信息。压力传感器50可以放在按需落下阀20(图11)处和/或在注射泵22(图7)和分配器12(图7)之间的合适位置上，例如供料管23，如图7所示。当然，考虑提供压力补偿和可靠吸取与分配的目的，压力传感器50也可以根据要求和希望放在其它合适的位置。合适的压力传感器50是熟悉该领域的普通技术人员熟知的，因此，本文不详细描述。半经验法利用流体流动理论和在合适位置的一个或多个压力传感器50的测量结果。
设备或系统10(图7)可以用于各种微量流的用途中，例如其中包括微排列的印刷和高处理量筛选。可以通过合适的自动控制系统监测并控制吸取-分配系统10(图1)的操作。此外，控制系统可以与任何与吸取-分配系统10、源29、靶30和废料容器联合使用的机械臂和/或X、X-Y或X-Y-Z可移动平台接口，来促进系统的各种部件及其附件的机动性。
系统10(图7)也可以用于源流体在靶30上的接触淀积。通过调节阀20(图11)的打开时间，并选择喷嘴214(图1和7)的合适尺寸，通过逐渐增大注射泵22(图7)的位移，可以在喷嘴端部205形成液滴。然后，可以把该液滴施加到靶30上。也可以按照要求或希望进行多次触发。在一个实施方案中，没有分配器12，也可以操作系统10。反向操作注射泵22，来吸取流体。然后可以把源流体通过非接触分配或接触淀积移液到靶30。
管尖200(图1和7)提供与吸取-分配系统10(图7)协同的几个益处和优点。管尖外锥204和喷嘴端部205处的小外径导致流体在管尖200的外表面的较少的聚集，这改善了系统10的可靠性、可重复性和准确度。在一个实施方案中，为系统10(图7)提供了带有真空干燥系统79(图6)的清洗站268(图7)，来保持干燥的管尖。真空干燥系统79用来除去在吸取、清洗/清除步骤过程中可能粘在管尖200(图1和7)外表面上的任何多余的液体，或者由于在管尖200的外表面上产生的任何水分，如来自空气环境的冷凝，如上面对于随机存取印刷头230(图3)的讨论。这进一步改善了系统10的可重复性和准确度。
真空干燥也可以在清洗液(例如其中包括蒸馏水)中清洗管尖200(图1和7)之后进行。另外，管尖200可以浸入挥发性溶剂中，例如其中包括异丙醇，来保持干燥的管尖。同样，如上所述，憎水涂层220(图2)和到小喷嘴端部205(图1)的外锥204(图1)还有助于保持管尖200干燥并且没有多余的液体。这进一步改善了吸取-分配系统10(图7)的可重复性和准确度。
由于在源试剂和/或系统流体14内的气泡析出较少，管尖200(图1和7)的内锥212(图1)还改善了系统10(图7)的性能。这是因为内锥212导致在分配和吸取过程中的较小局部压力降。内锥212通过进一步改善在吸取过程中的层流，还减少了源试剂与系统流体的混合。有利的是，这减少了贵重试剂的浪费。
在一个优选的实施方案中，在源流体的吸取之前，注射泵22(图7)反向操作，并且喷口216(图1)暴露于大气中，向管尖200中吸入少量空气。参考图13，这在管尖200中的系统流体14内形成小的空气泡262。气泡262的体积可以在小于约0.5微升到大于约1.0微升范围内。然后把管尖200浸入源液体中，注射泵22逐渐缩回，把源流体264(图13)吸入管尖200.在进行中，气泡262通过减小靠近管尖内表面或壁221附近施加在所吸入的液体264上的液体拉力，导致所吸入的液体层流速度分布266具有一般为圆头的形状。有利的是，这减小了在系统液体14与吸入的源流体264之间的界面面积，因此，合乎需要地减少了吸入的液体264与系统液体14的混合和稀释。
如上所述，对于DNA微排列，靶30一般包括玻璃载片、基板或薄膜，系统10(图7)用来在靶30上形成源流体的点或斑点。对于DNA微排列，系统10可以形成直径范围为约50微米到大于约400微米的点，并且可以形成密度范围为小于约10点/平方厘米到大于约6000点/平方厘米的阵列。对于触发淀积，这些斑点或点的尺寸一般由管尖200的喷嘴端部205的外径确定。系统10也可以移液低到皮升范围，最高达到约100纳升或更多的液体体积。
对于高处理量筛选(化合物重排)，靶30一般是微滴定板，如96、384或1536穴的板。在这种情况下，系统10可以移液在约1纳升到200纳升或更多范围内的液体体积。
虽然以带有某种程度的特殊性描述了本发明的部件和技术，但是，显然在本文上述的特定设计、结构和方法中可以进行许多变化而不离开本公开的精神和范围。应该理解，本发明不限于本文用于举例说明而提出的实施方案，而是只由所附权利要求书的清楚理解确定，包括所命名的每种元件的等价物的全部范围。
权利要求
1．一种接触移液管尖，用于流体从流体源到所需的靶基板上的微量流体的分配，包括一种具有第一个外径的基本为圆柱的上体部分；一种基本为锥形的下体部分，在其过渡部分具有第二个外径，该第二个外径基本等于所述上部的所述第一个外径，在其最下端具有第三个直径，该第三个直径小于所述第一个或第二个直径，并且近似等于所需淀积到所述靶基板上的流体斑点或点的直径；所述上体和下体部分以中心轴相互同轴排列，所述下体部分的最下端基本是平的，并且位于大体与所述中心轴垂直的平面内；形成一种内腔，使其基本完全延伸通过所述上体和下体部分，并在所述下体部分的所述最下端形成一个孔口或开口，所述孔口用于在进入所述液体源时，通过毛细管作用接纳一定量所述流体进入所述内腔，并且还用于当所述最下端与所述靶基板接触时，分配一个所述流体的斑点或点。
2．根据权利要求1的接触移液管尖，其中，所述内腔在所述上体部分中具有第一个内径并在所述下体部分中具有第二个内径，其中，所述第二个内径小于所述第一个内径。
3．根据权利要求2的接触移液管尖，其中，所述内腔沿靠近所述孔口的至少一部分是锥形的，以便在所述孔口附近确定一个锥形或圆锥形的喷嘴。
4．根据权利要求3的接触移液管尖，其中，在所述孔口附近的所述内腔的内径在约20-180微米之间。
5．根据权利要求1的接触移液管尖，其中，所述上体部分还包括基本为V形的凹槽或槽，以在偶然的硬振动或过大的接触力时用于提供易碎点。
6．根据权利要求1的接触移液管尖，其中，所述上体和下体部分用陶瓷材料制造。
7．根据权利要求6的接触移液管尖，其中，所述上体和下体部分用氧化铝制造。
8．根据权利要求1的接触移液管尖，其中，至少所述下体部分在其外面用憎水材料的薄膜或涂层涂敷。
9．根据权利要求8的接触移液管尖，其中，至少所述下体部分在其外面用选自氮化硅、碳化硅或氮化钛的材料的薄膜或涂层涂敷。
10．根据权利要求1的接触移液管尖，所述管尖滑配安装在轴承定位套管内，为所述移液管尖提供浮动作用。
11．根据权利要求10的接触移液管尖，其中，所述套筒包含具有低摩擦表面光洁度的黄铜。
12．根据权利要求11的接触移液管尖和轴承定位套管，它还与致动器结合，以响应相对所述靶基板和/或流体源选择性提起和降低所述接触移液管尖的驱动信号。
13．一种液体移液系统，包括以二维阵列方式排列的根据权利要求1的多个接触移液管尖。
14．根据权利要求13的接触移液系统，还包括相应的多个致动器，每个对应于选择性提起或降低每个所述接触移液管尖到所述靶基板和/或流体源上的驱动信号，以便提供随机存取阵列。
15．一种使用根据权利要求1的接触移液管尖从流体源把流体分配在所需的靶基板上的方法，包括下列步骤把所述接触移液管尖的至少所述下体部分浸入到所述流体源中，使得所述下体部分的所述最下端基本浸没在所述流体源中；使一定量的所述流体通过毛细管作用进入所述内腔；并且使所述下体部分与所述靶基板接触，从而分配一个所述流体的斑点或点，其直径近似等于所述下体部分的所述最下端处的所述第三外径。
16．一种用于选择性把流体从流体源分配到所需的靶基板上的随机存取微液流接触移液分配系统，包括以大体均匀的阵列排列的多个接触移液管尖，每个所述接触移液管尖具有基本从其中通过的内腔延伸，并在其最下端有一个孔口，用于在所述移液管尖进入到所述流体源时，通过毛细管作用接纳一定量的流体进入所述内腔，并且用于在所述最下端与所述靶基板接触时分配一个所述流体的斑点或点；每个所述接触移液管尖滑配安装在基本为低摩擦的定位套筒内，以便为每个所述移液管尖提供浮动作用；并且每个所述接触移液管尖还附带一个致动器，响应相对于所述靶基板和/或流体源选择性提起或降低每个所述接触移液管尖的信号。
17．根据权利要求16的分配系统，其中，每个所述接触管尖包括基本为V形的凹槽或槽，以在偶然的硬振动或过大的接触力时用于提供易碎点。
18．根据权利要求16的分配系统，其中，每个所述移液管尖用陶瓷材料制造。
19．根据权利要求18的分配系统，其中，每个所述移液管尖用氧化铝制造。
20．根据权利要求16的分配系统，其中，每个所述移液管尖在其外面用憎水材料的薄膜或涂层涂敷。
21．根据权利要求20的分配系统，其中，每个所述移液管尖在其外面用选自氮化硅、碳化硅或氮化钛的材料的薄膜或涂层涂敷。
22．一种使用根据权利要求16的分配系统把流体从流体源分配在所需靶基板上的方法，包括下列步骤把所述接触移液管尖的一个或多个选择性浸入到所述流体源中，使得所述移液管尖的所述最下端基本浸没在所述流体源中，从而使得一定量的所述流体进入所述移液管尖内；和选择性地使所述移液管尖的所述最下端与所述靶基板接触，从而选择性地分配所述流体的一个或多个斑点或点。
全文摘要
本发明涉及一种陶瓷管尖(200)和随机存取打印头(230),用于微量流体的移液。所述打印头(230)可以随机采集和淀积流体样品,把样品从源板(29)移液到靶(30)。也可以对打印头(230)编程序,以便在靶(30)上产生来自源板(29)的液体样品的直接的图,或者在靶(30)上产生任何所需图案或印记。管尖(200)和打印头(230)可以用于各种用途,如DNA微排列和化合物重排。在一个优选的实施方案中,管尖(200)用作毛细管或“重力”针,吸取或采集源流体并通过物理接触(触发)在靶(30)上“标点”或淀积流体。在另一个优选的实施方案中,管尖(200)与吸取－分配系统(10)结合使用,通过接触或非接触的方法吸取源流体并淀积流体。管尖(200)提供改进的、准确的且可重复的微液流移液。
文档编号G01N35/00GK1315913SQ99810378
公开日2001年10月3日 申请日期1999年7月7日 优先权日1998年7月7日
发明者D·罗斯, T·C·蒂索尼 申请人:笛卡尔技术公司