一种高通量样本分离仪器的制作方法

本实用新型涉及微流控及体外检测技术领域，尤其涉及一种高通量样本分离仪器。

背景技术：

微分离样本生成技术是在微小通道内，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作用将连续流体分割成离散分离样本的一种微纳技术，是近年发展起来的一种微小液体分离制作技术。

微分离样本生成需要两种不相容的液体A和B，在外加压力作用下，通过微小通道，在液体表面张力作用下，使得A液体能够均匀将B分离样本包裹，并且不易破碎，形成稳定的微小液体。

现有的分离样本生成装置多数是简易地搭建一个输入输出系统，在外界压力作用下，输出分离样本，通常参数不易调节，环境不稳定，微流芯片重复使用造成样本污染等问题，仅限于实验室使用。

技术实现要素：

本实用新型的目的：为了使分离样本参数可操作，本实用新型提出一种高通量样本分离仪器。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种高通量样本分离仪，包括：

结构外壳，所述结构外壳包括支撑外壳和接地外壳，所述支撑外壳转动连接接地外壳，所述支撑外壳上设有旋钮开关和若干个触摸按键，所述支撑外壳的内部设有上阀芯和若干个电磁阀；

电源，所述电源包括滤波器，所述电源连接控制器和气源装置；

气源装置，所述气源装置包括有正压泵和负压泵，为分离仪提供正压或负压，所述气源装置通过下阀芯连接比例阀；

分离样本生成装置，包括有微流控芯片以及分离样本接收器，其中，所述微流控芯片设置在所述分离样本接收器的上方，所述微流控芯片包括若干个连续相输入端口、若干个离散相输入端口以及输出端口，连续相输入端口和离散相输入端口与微流控芯片的输入气路相对应；

气路控制装置，包括若干电磁阀和若干比例阀，所述比例阀设置在所述接地外壳的内部，比例阀串联在主气路中；

外部控制装置，所述外部控制装置设置在所述支撑外壳上，所述外部控制装置包括旋钮开关和若干个触摸按键；

液位检测装置，包括有检测电极，所述检测电极设置在所述分离样本接收器的周侧，所述检测电极通过同轴电缆连接控制器；

控制器，所述控制器连接有所述电源、比例阀、电磁阀、外部控制控制装置以及液位检测装置；

所述气源装置、气路控制装置、分离样本生成装置、液位检测均装置在所述接地外壳内。

作为一种改进，所述支撑外壳上还设有比例阀控制接口以及样本分离进程控制开关。

作为一种改进，所述触摸按键为容性透光按键，其中，所述电磁阀通过触摸按键连接所述控制器。

作为一种改进，所述比例阀由旋钮开关通过控制器控制，所述旋钮开关周围设有若干个LED指示灯。

作为一种改进，所述接地外壳上还开设有外部扩展接口，所述外部拓展接口连接控制器，所述外部扩展结构包括有USB接口、网络接口、RS232接口、 CAN接口、RS485接口以及无线接口。

作为一种改进，所述接地外壳内还设有下阀芯，所述接地外壳的两侧设有散热孔。

作为一种改进，所述控制器还连接有蜂鸣器和指示灯。

作为一种改进，可通过外部控制装置的旋钮开关和若干个触摸按键发出指令给控制器。

作为一种改进，所述检测电极连续覆盖整个分离样本接收器。

本实用新型的有益效果：

1.使得分离样本参数可操作；

2.样本分离环境稳定；

3.降低了环境污染。

附图说明

图1为高通量样本分离仪左视图；

图2为高通量样本分离仪俯视图；

图3为高通量样本分离仪支撑外壳内部结构俯视图；

图4为高通量样本分离仪支撑外壳内部结构仰视图；

图5为高通量样本分离仪微控流芯片结构示意图；

图6为高通量样本分离仪电源连接示意图；

图7为高通量样本分离仪气路控制装置整体结构示意图；

图8为高通量样本分离仪气路控制装置俯视图；

图9为高通量样本分离仪样本分离进程控制开关结构示意图；

图10为高通量样本分离仪分离样本生成装置结构示意图；

图11为高通量样本分离仪气源装置结构示意图；

图12为高通量样本分离仪液位检测装置采用光电开关实现的结构示意图；

图13为高通量样本分离仪光电方案样本大小、流速检测原理图；

图14为高通量样本分离仪各个部分和控制器的连接示意图；

图15为高通量样本分离仪的触摸按键控制电磁阀工作的流程图；

图16为旋钮开关控制气源装置和比例阀工作的流程图；

图17为控制器控制比例阀工作的流程图；

图18为样本分离进程控制开关工作的流程图；

其中：1、支撑外壳；2、接地外壳；3、电源；31、开关；32、滤波器；4、气源装置；41、负压泵；42、正压泵；5、分离样本生成装置；51、载物台； 52、分离样本接收器；53、连续相输入端口；54、离散相输入端口；55、输出端口；56、微控流芯片；6、气路控制装置；61、电磁阀；62、比例阀；63、下阀芯；7、外部控制装置；71、旋钮开关；72、触摸按键；73、LED指示灯； 8、液位检测装置；81、检测电极；82、同轴电缆；9、上阀芯；10、支气路； 11、进程控制开关手柄；12、样本分离进程控制开关；13、散热孔；14、外部拓展接口；15、光源；16、透镜；17、光阑；18、光阑小孔；19、光检测器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

具体实施方式1：一种高通量样本分离仪，包括：

请参考图1，结构外壳，所述结构外壳包括支撑外壳和接地外壳，所述支撑外壳转动连接接地外壳，所述支撑外壳上设有旋钮开关和若干个触摸按键，所述支撑外壳的内部设有上阀芯和若干个电磁阀，上阀芯用于将下阀芯的气路分为若干个支气路，其中，每两个支气路为一组，组成一个微流控芯片输入气路，每个电磁阀对应控制每个支气路，接地外壳上还开设有外部扩展接口，所述外部拓展接口连接控制器，外部扩展结构包括有USB接口、网络接口、RS232 接口、CAN接口、RS485接口以及无线接口，接地外壳内还设有下阀芯，USB 接口可通过电缆连接至控制器，可以和外部上位机通信，通过外部上位机设定各个气路初始导通状态和压强，可通过上位机对电磁阀状态进行设置，可通过上位机设定控制器寄存器的值，接地外壳的两侧设有散热孔，支撑外壳上还设有比例阀控制接口以及样本分离进程控制开关。

请参考图6以及图14，电源，所述电源包括滤波器，所述电源连接控制器和气源装置，所述电源模块给控制器以及气源供电；

请参考图11，气源装置，所述气源装置包括有正压泵和负压泵，为分离仪提供正压或负压，所述气源装置通过下阀芯连接比例阀，所述下阀芯结合气源装置控制气源为正压、负压或正负压同时工作，比例阀通过旋钮开关连接控制器，旋钮开关可通过控制器设定比例阀的阀值，所述旋钮开关周围设有若干个 LED指示灯，用于显示当前档位。

请参考图10，分离样本生成装置，包括有微流控芯片以及分离样本接收器，其中，所述微流控芯片设置在所述分离样本接收器的上方，所述微流控芯片包括若干个连续相输入端口和若干个离散相输出端口，连续相输出端口和离散相输入端口与微流控芯片输入气路相对应，微流控芯片的输入端口在压力作用下，会在输出端口产生分离样本至分离样本接收器，在本实施例中，微流控芯片有8组分离样本生成通路，每组含有两个输入端口和一个输出端口，两个输入端分别输入连续相液体和离散相液体，经微流控芯片内部路径后，在输出端口产生分离样本给分离样本接收器。当控制器控制外加的压力大小和气源装置压力正负变化时，生成的分离样本速度和大小会受到可控的调节。

请参考图3、图7以及图8，气路控制装置，包括若干电磁阀和若干比例阀，所述比例阀设置在所述接地外壳的内部，比例阀串联在主气路中，用于实现对气路中压强的稳定控制，比例阀通过电缆与控制器连接，控制器输出数字控制信号给DAC，DAC输出0～10V的模拟电压给比例阀，设定比例阀的临界压强，比例阀反馈模拟电压给控制器，经ADC转化后，发送数字信号给控制器，控制器据此判断实时压强，从而实现气路中压强的稳定控制。

请参考图2、图3或图4，外部控制装置，所述外部控制装置设置在所述支撑外壳上，所述外部控制装置包括旋钮开关和若干个触摸按键，触摸按键为容性透光按键，其中，电磁阀通过触摸按键连接所述控制器，触摸按键通过控制对应气路的电磁阀控制每个支气路的通断，在本实施例中，请参考图15，支撑外壳上有8个按键容性透光按键，用来设定8组气路的通或断；当手指接触或离开容性按键时，按键的电容值会发生变化，开关板上集成电路芯片收集到电容变化后，将之转化为数字信号，经线缆传输给控制器，控制器收到该数字信号，经运算后，会输出控制信号至对应气路的电磁阀，从而控制对应气路的通断，同时会点亮或关闭触摸按键下方的LED，做出对应的指示，按键点亮表示该按键对应的气路导通，反之关闭。

在本实施例中，旋钮开关周围设有6个LED指示灯及内部显示板上两组 12个LED灯，旋钮开关用来设定比例阀的阈值及操控生成过程的开始或暂停，周围环绕6个指示灯对应比例阀的6个档位，内部2种颜色的LED指示灯分离样本生成过程的开始或暂停；旋钮开关有3个输出信号：SW0发出开关按压信号，SW1、SW2组合发出旋钮开关转动脉冲信号。

请参考图16，在没有操作时，SW0处于高电平状态，当按压旋钮开关时，开关通过SW0发出低电平脉冲给控制器，控制器据此控制分离样本生成过程的开始或暂停，同时会控制显示板上的LED等指示对应的颜色。

请参考图17，当开关顺时针转动时和逆时针转动时SW1和SW2会有不同的组合用于区分转动方向；转动旋钮开关时，旋钮开关会发出脉冲，控制器收到脉冲经运算后，发出对应的数字控制信号，经DAC转化为模拟信号给比例阀，比例阀根据收到的模拟信号来设定自己的压强阈值，进而来控制气路中的压强。

可通过外部控制装置的旋钮开关和若干个触摸按键发出指令给控制器，控制器根据接收到的指令，控制气路控制装置，调整分离样本生成大小和速度，使得分离样本的样本量和速度可控。

请参考图10，液位检测装置，包括有检测电极，所述检测电极设置在所述分离样本接收器的周侧，所述检测电极通过同轴电缆连接控制器，液位检测装置通过测量电容原理实现，检测电极连续覆盖了整个分离样本接收器，可以实现液量检测的连续性。

控制器，所述控制器连接有所述电源、比例阀、电磁阀、外部控制控制装置以及液位检测装置，控制器还连接有蜂鸣器和指示灯，所述控制器读取液位检测装置的电容值，经过计算后得出液位，当液位达到用户设定的阈值时，控制器控制蜂鸣器报警，并点亮对应该通道的指示灯。

气源装置、气路控制装置、分离样本生成装置、液位检测均装置在所述接地外壳内。

请参考图10，高通量样本分离仪器液位检测模块原理为：液位检测模块由两个置于分离样本接收器两侧的检测电极及引出的导线构成；两个检测电极构成平板电容模型，没有分离样本时，检测电容模型的介质为空气，有分离样本生成时，介质为空气和分离样本，空气的相对介电常数约为1，分离样本的相对介电常数约为78，存在明显差异；当分离样本接收器里的液量发生变化时，两检测电极间的介质构成发生变化，而平板电容的容值为C＝ε*ε0*S/d，当介质构成发生变化时，整体的介电常数发生变化，则电容值发生变化；检测电极通过引出的导线将电容值反馈给控制器，控制器将变化的电容值转化为数字信号，并根据收到的数字信号可获知当前的液量信息。当液量达到设定的阈值时，控制器发出控制信号给蜂鸣器和对应通道的指示灯，实现报警。该阈值可由控制器寄存器的初始值设定，也可通过USB接口由外部上位机设定。

为了屏蔽外界干扰对采集到的检测电容值的干扰，从检测电极引出的导线采用同轴电缆，电缆外圈是屏蔽地，内芯传输有效信号，这样增加了传输线的抗干扰能力，从而实现了对液量的实时连续精准监测。

请参考图18，样本分离进程控制开关的工作流程及原理：支撑外壳上设有样本分离进程控制开关，当关闭支撑外壳时，支撑外壳会推动样本分离进程控制开关上的进程控制开关手柄，使进程控制开关手柄与样本分离进程控制开关接通，当打开支撑外壳时，支撑外壳对进程控制开关手柄的推力消失，进程控制开关手柄在样本分离进程控制开关内部弹性装置的作用下，与开关触点断开。样本分离进程控制开关在接通或断开时，会发出高/低电平给控制器，控制器根据收到的信号控制分离样本进程生成的进行或停止。支撑外壳打开时，进程停止；支撑外壳关闭时，进程才可受其他设定控制运行。

另外，高通量样本分离仪器内部还设有两个压力缓冲池，分别对应正压泵和负压泵，控制器上设有两个压力传感器，通过分别与两个压力缓冲池相连，一个用于检测正压，另一个用于检测负压；当检测到的压强达到设定的高阈值时，控制器控制正压泵或负压泵停止工作，由压力缓冲池向整个系统提供气源；当压力缓冲池的压强低于设定的低阈值时，控制器控制正压泵或负压泵工作，向压力缓冲池加压；所述的高、低阈值初始值已写入控制器寄存器中，也可通过外部上位机修改。可以保证气源的稳定性，使产生的分离样本更均匀。

高通量样本分离仪器工作原理为：分离仪通过旋钮开关和若干个触摸按键启动后，电源经滤波器滤波后，将220V交流电转换为稳定的24V直流电压输出，直流电压给分离仪供电，气源装置在控制器控制下工作，为整个分离样本生成系统提供气源；气源被下阀芯和上阀芯内部气路分为8组16路，控制器通过控制电磁阀来控制气路的通断，通过控制比例阀来控制气路系统的气压大小；与气路相对应，整个分离样本生成系统分为独立的8组回路，8组气路为 8组分离样本生成回路提供压力，可以分别也可同时生成分离样本；每一组分离样本生成回路有两个输入通路即微流控芯片的连续相输入和离散相输入，两条输入气路作用于微流控芯片的两个输入端；连续相和分散相在气压的作用下经过微流控芯片后产生分离样本，通过输出端输出至分离样本接收器，有8个分离样本接收器对应于8个微流控芯片输出；接收器两端的液位检测单元可以对接收器内的液量做实时检测，并将检测结果反馈给控制器，当液量达到设定的阈值时，控制器通过控制指示灯和蜂鸣器发出报警。

具体实施方式2：请参考图12，该高通量样本分离仪器还可通过光电开关实现，在分离样本接收器两侧放置一套光电开关系统：光源LED，透镜模块，光阑，光检测器。其中光源和接收器均与控制器相连接，控制器给光源LED 供电，使LED发光，光线经透镜模块后，被整理为平行光。在光阑上开有光阑小孔，平行光受光阑阻隔，仅有所开光阑小孔可以有光线通过，至此得到一小束平行光，小束平行光经过分离样本接收器后，照射在光检测器上，光接收器内有光敏元件，当受到不同强度的光线照射时，会有不同的电信号输出。分离样本接收器透光性良好，在光线经过时，可忽略其影响。当没有分离样本存在时，光线近似直射于光检测器上；当接收器内有分离样本生成，并且液面达到光路通过位置时，光线受分离样本阻挡，光检测器接收到的光线变弱，则输出电信号响应变化。据此，控制器可根据接收到的不同电信号，可以判断液位是否达到光路通过位置，此位置即为液位检测的阈值。当液位达到此阈值时，控制器控制蜂鸣器和LED示警。

请参考图13，在液位尚未达到检测位置时，样品在降落过程中，会对光线有短时间的阻隔，使光检测器发出电平脉冲，控制器可以根据脉冲宽度及频率，判断样品大小和生成速度。

将光线理想化为线光源，样品初始位于t0时刻位置，自由落体至t1时刻开始遮挡光源，从t2时刻开始离开光线范围，则光接收器发出的脉冲宽度为 t＝t2-t1，t0时刻为初始位置，即t0＝0

则：d1＝gt1²/2

d2＝gt2²/2

d2-d0＝d/2

d0-d1＝d/2

综合可得，d＝t(8gd0-g²t²)1/2/2式中t可由控制器检测得到，d0已知，g 为常数。因此可以由检测到的脉冲宽度计算得出样品大小。

每落下一个样品，测控制器可以检测到一个脉冲，因此脉冲的频率f即反映了样品的生成周期T＝1/f。

具体实施方式3：请参考图11，气源装置的正压泵和负压泵可以单独设计为泵模组，通过气管连接至下阀芯、上阀芯以及气路控制装置，为系统提供负压或正压，且均受控制器控制开启或停止，速度可调。该泵模组可拆卸，当泵的使用寿命到期，可以直接更换。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。