微量取样装置及取样方法与流程

1.本发明涉及生物化学实验领域，具体地，涉及一种微量取样装置及取样方法。


背景技术：

2.在生物和化学反应和实验室检验中，对于微量反应液的精准定量及取样往往是决定实验结果的关键环节。尤其是近年来如火如荼发展的分子诊断及免疫检测技术，以及精准医疗的大背景下，精确控制反应各个环节的用量，按照实验预设流程准确提取亚毫升、微升甚至是纳升级别的微量流体，是实验室必须解决的关键问题之一。
3.幸运的是，目前的科学技术发展足以制造出各种精密仪器及设备，完成上述所需的解决方案。例如，在传统生物化学实验室中，不同种类的移液器及一次性移液枪头可以满足不同微量液体提取及转移的需求；在一些大型设备上，往往还配置了精密注射泵及液体转移装置，可以准确的按实验要求吸取微升及纳升体积的液体。
4.然而，这些设备虽然可以在一定程度上解决上述问题，但是往往价格昂贵，需要定期进行校准及维护。另外，其使用场景大多数限制在了标准化实验室内，不太适合用在户外及移动检测领域和一些紧凑型小型设备上。近年来，随着即时检测需求不断增加，各种体外诊断技术逐渐从实验室走出，推动了“定点检测”即poct技术的兴起。在poct技术为基础的各种体外诊断设备及产品中，尤其是近期飞速发展的微流控生物芯片技术，检测耗材往往设计成一次性使用，高度集成化和小型化，且单次使用价格低廉。因此，上述标准化实验室中使用的精密移液设备无法找到用武之地。
5.在微流控生物芯片产品中，内置诸如活塞杆之类的精密体积控制机构，会带来一系列设计开发、生产加工及组装量产等问题。生物芯片本身被设计成单次使用，一次性用完即抛的类型，要求其设计、材料、加工等过程尽可能简单高效。另外，受限于成本的控制，也无法使用更加精密的量产加工工艺及昂贵外部件。 因此，如何在一次性使用的塑胶微流控芯片上实现微量液体精确取样，一直以来都是科学家和研究人员思考的问题。
6.现有的生物芯片及微流控产品中，在密闭空间内获取微量液体取样的方法通常分为两类，一类是利用腔体体积设计，将待取样液体充满腔体，从而得到所需微量液体；另一类是利用微纳米力学及物理学原理，结合特殊的微流道结构设计，获得微量液体的精准定量操控。其他的方法，诸如利用外置精密移液装置或针头刺破微流控腔体取样，或是利用电磁等方法精确控制流体进行取样，由于其设计的复杂性及局限性，不在本案的讨论范围之内。
7.利用密闭腔体体积进行精确微量液体取样，如专利us10471408及专利us6374684所示。
8.专利us10471408中有一个蜂窝状密集排布的多重检测腔，每个腔体的体积设计为微升级别。当液体被从上部驱动进入检测腔后，多余的液体会被系统排出，从而利用预先设计的固定体积的检测腔体实现了微量反应液的取样。然而，该设计中，液体进出腔体只有上部一个口，意味着，在这样微小的体积内，稍不注意就会产生气体残留从而在腔内聚集气
泡。为了解决这一问题，检测腔在出厂时就内置了真空状态，这样反应液可以比较方便的充满腔体而没有残留气泡。这样的设计无疑增加了产品的生产制造成本及保存运输难度。另外，这种设计的另一个问题是，完成微量液体精准取样之后，液体无法再继续转移到下一个反应环节，因此要求所有的后续反应流程都要在这个定量腔内完成。这无疑也增加了实验设计的难度及反应试剂生产封装的工艺复杂性。
9.专利 us6374684也是利用了固定体积的腔体进行精准液体定量。所不同的是，腔体设计了一个进口和一个出口，液体被从入口注入腔体内部，然后利用液体在腔体内部的流动过程将腔体内原有的气体挤出，多余的液体自腔体的出口流出。在这个设计中，一个测试盒只包含了单一的反应腔，因此上述设计可以较好的实现预定功能。随着科学技术的发展，微流控原件上各种生物化学反应的集成度越来越高，通常需要有多个反应及检测腔体。这种情况下，为避免相邻腔体间的反应出现交叉污染，上述多个腔体不能采用“串联”设计而只能使用“并联”设计方式，即不同反应腔之间的流体通道相互独立，这样的话，产品的设计及生产复杂性大大增加。
10.为了解决上述问题，另外一种设计思路是采用微纳米力学及物理学原理，结合流道结构的特殊设计来实现微量液体精准取样功能。例如，专利 us9063121公开的一款分子诊断测试盒，就是利用了这种设计思路来实现8个不同反应腔内液体的精准定量。
11.中国专利申请cn109991035a中提出反应所需的试剂被放置在下游的一个反应管内，而在上游设计了一个带有微量液体精准定量功能的框架，反应管与框架间通过一个阻力流道连接。反应所需的样品通过外部流道被推入一个设计好的框架内，然后外部驱动力撤去，利用液体高低液位间产生的重力势能，将样品压入定量腔内，同时这个由于重力势能产生的驱动力又不至于使液体冲破阻力流道内的流体阻力，这样，利用定量腔体预先设计好的体积完成了微量液体的精准定量。待多余样品被移去后，再通过外部驱动力冲破阻力流道内的流体阻力，使得精确取样后的样品进入反应管内与试剂混合，进行下一步反应。
12.上述专利中的设计解决了前述的问题，切结构设计巧妙。但是其整体设计过于复杂，由于带有精确定量功能的框架在三个方向均有结构设计，使得量产模具设计及注塑成型加工的成本大大增加。
13.综合以上分析，本发明希望提出一种新的微量液体精确取样装置及方法能够充分将产品功能设计、机械物理原理和塑胶产品量产加工工艺结合，在解决上述问题的基础上实现较低成本的产品设计方案。


技术实现要素：

14.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微量取样装置及取样方法。
15.根据本发明提供的一种微量取样装置，连接在样品液体传输通道上，所述样品液体传输通道可通断连接样品液体存储装置，还包括从上至下顺序连通的第一通道、定量腔、第二通道以及反应室，其中：第一通道上端可通断的连通样品液体传输通道，下端连通定量腔的内部存储空间；第二通道上端连通定量腔的底部，下端连通反应室；所述第一通道、定量腔、第二通道、反应室相互之间的连接处密封；
所述第二通道的尺寸远小于定量腔的尺寸；定量腔存储一定样品液体时，样品液体未流入第二通道，或者一定量的样品液体流入第二通道不进入反应室。
16.优选地，所述第一通道的下端与定量腔上表面齐平或从定量腔顶部向下延伸预设长度。
17.优选地，所述第一通道的下端从定量腔顶部向下延伸预设长度，当预定体积的样品液体从第一通道流入定量腔，定量腔内液位到达或超过第一通道的下端开口时，第一通道的下端开口处为定量腔的定量限。
18.优选地，所述定量腔中上部的侧壁设有扩径容置腔；所述第一通道的下端与定量腔上表面齐平或向下延伸不超过定量腔的长度，扩径容置腔为内置液体吸附材料的c型容置腔或者具有一定存储能力的环状容置腔；当预定体积的样品液体或者大于预定体积一定范围的样品液体从第一通道流入定量腔，定量腔内液体的高度刚好到达扩径容置腔开口处或者部分样品液体流入扩径容量腔时，扩径容置腔所处的高度为定量限。
19.优选地，还包括第三通道，所述第三通道的下端开口连通所述反应室，所述第三通道的上端开口连通负压通道或者大气。
20.优选地，定量腔的侧壁嵌有液体吸附材料时，所述吸附材料所处位置为所述定量腔的定量限。
21.优选地，所述定量腔具有：当样品液体达到定量限时、样品液体的自身重力小于样品液体在第二通道上端开口处表面张力、样品液体未流入第二通道的第一状态；或者，当样品超过定量限预设量时、样品液体的自身重力和/或外部流体驱动力大于等于样品液体在第二通道上端开口处表面张力、此时一定量的样品液体流入第二通道且不进入反应室的第二状态。
22.根据本发明提供的一种使用上述的微量取样装置进行的取样方法，包括如下步骤：步骤a1：从微量取样装置外部向液体存储装置提供正压力，使样品液体从第一通道以非连续液滴状态进入定量腔内，此时在第二通道开口处表面张力作用下液体未进入第二通道内；步骤a2：样品持续滴落，当样品达到第一通道下端开口处时，定量腔内的样品体积为取样所需体积，从加入样品开始到所需体积时的加样时间为t；步骤a3：延长加样时间到1.5t-2t，此时样品超过第一通道下端开口处一定高度，液体的增加量确保有极少部分进入第二通道内但不会进入反应室；步骤a4：将微量取样装置外部向第一通道提供的正压力换为相同数量级的负压力，将高于第一通道下端开口的样品和进入第二通道的样品从第一通道反向排出；步骤a5：从微量取样装置外部向定量腔与反应室之间施加一个适当量级的正压力，将定量腔内的剩余样品转移到反应室内。
23.根据本发明提供的一种使用上述的微量取样装置进行的取样方法，包括如下步骤：
b1：从微量取样装置外部向液体存储装置提供正压力，使样品液体从第一通道以非连续液滴状态进入定量腔内，此时在第二通道开口处表面张力作用下液体未进入第二通道内；b2：样品持续滴落，当样品达到第一通道下端开口处时，定量腔内的样品体积为取样所需体积，设定从加入样品开始到所需体积所需的加样时间为t；b3：延长加样时间到1.5t-2t，多余样品被液体吸附材料吸收或流入扩径容量腔，此时样品未进入第二通道内或者极少部分进入第二通道内但不会进入反应室；b4：从微量取样装置外部向定量腔与反应室之间施加一个压力差，将定量腔内的剩余样品转移到反应室内完成反应。
24.根据本发明提供的一种使用上述的微量取样装置进行的取样方法，包括如下步骤：c1：从微量取样装置外部向液体存储装置提供正压力，使样品液体从第一通道以非连续液滴状态进入定量腔内，样品未到达第一通道下端开口处前，样品无法进入第二通道内；c2：样品持续滴落，当样品达到第一通道下端开口处时，定量腔内的样品体积为取样所需体积，从加入样品开始到所需体积时的加样时间为t；c3：延长加样时间到1.5t-2t，此时样品超过第一通道下端开口处一定高度，样品有极少部分进入第二通道内但不会进入反应室；c4：将微量取样装置外部向第一通道提供的正压力换为相同数量级的负压力，将高于第一通道下端开口的样品和进入第二通道的样品从第一通道反向排出；c5：将第三通道开启负压，将定量腔内的剩余样品转移到反应室内。
25.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：1、本发明提供了一种低成本易加工量产的用于微流控产品，尤其是生物化学反应或医学检测方面的精准取样装置及方法。
26.2、本发明将微量体积精确定量腔与反应室分开设计，待精确取样过程完成后再将样品转移至反应室内，避免了之前方法中的反应试剂带出风险，也可以保证样品-试剂混合过程中所需样品的精确体积控制。
27.3、本发明将微量体积精确定量腔与反应室分开设计，简化了反应室试剂及其他化学组分的储存封装过程，有利于降低量产成本及工艺难度。
28.4、本发明提出的微量取样装置结构简单，所有部件及结构均为“上下”方向设计而无侧向特殊结构，使得以微流控芯片为代表的塑胶产品生产加工工艺大大简化，也大大降低了模具开发的费用和生产工艺要求。
29.5、本发明所提出的微量取样装置，可以通过多种方法调整第一通道突起的深度及液体吸附材料的厚度，而无需改变定量腔的结构设计，可以根据需要比较灵活的调整微量取样装置所需不同精确定量的体积要求。
附图说明
30.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1a、图1b、图1c为三种定量腔结构示意图。
31.图1d为该发明微量取样装置整体示意图。
32.图2a、图2b为具有突出部分的第一通道的定量腔结构示意图。
33.图3a、图3b、图3c、图3d为微量取样装置进行精确定量过程示意图。
34.图3e为流体驱动压力示意图。
35.图4为实施例2的结构示意图。
36.图5为实施例3的结构示意图。
37.图6为实施例4的结构示意图。
38.图7a、图7b、图7c为实施例5的结构示意图。
39.图8为多个相同微量取样装置组成的微量取样组合装置。
40.图中：10、第一部分；101、第一通道；102、液体输送通道；103、第一通道的突起部分；104、出口；105、第四通道；20、第二部分；201、定量腔；202、第二通道；203、第二通道的突起部分；30、反应室；301、试剂及化学组分；302、第三通道；40、样品；50、液体吸附材料；501吸附材料上表面；502、吸附材料下表面。
具体实施方式
41.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
42.如图所示，本发明提供了一种微量取样装置及取样方法，微量取样装置，连接在样品液体传输通道上，所述样品液体传输通道可通断连接样品液体存储装置，微量取样装置包括从上至下顺序连通的第一通道、定量腔和第二通道；第一通道上端可通断的连通样品液体传输通道，第一通道的下端连通定量腔的内部存储空间，第二通道的上端连通定量腔的底部，第二通道的下端连通反应室；第一通道、定量腔、第二通道、反应室相互之间的连接处密封；定量腔和第二通道的相互配合关系具有：定量腔存储一定液体时、样品液体的自身重力小于样品液体在第二通道上端开口处表面张力、样品液体未流入第二通道的第一状态，或者定量腔存储一定液体时、样品液体的自身重力和/或外部流体驱动力大于等于样品液体在第二通道上端开口处表面张力、一定量的样品液体流入第二通道且不进入反应室的第二状态。
43.进一步的，第一通道的下端与定量腔上表面齐平或从定量腔顶部下延伸预设长度。
44.所述第一通道的下端从定量腔顶部向下延伸预设长度，当预定体积的样品液体从第一通道流入定量腔时、定量腔内液位到达或超过第一通道的下端开口，此时第一通道的下端开口处为定量腔的定量限。此时只要前期液面高于第一通道下端出口，通过从第一通道反吸就一定能获得精准的体积定量。
45.所述定量腔中上部的侧壁设有扩径容置腔，所述第一通道的下端与定量腔上表面齐平或向下延伸不超过定量腔的长度，扩径容置腔为内置液体吸附材料的c型容置腔或者具有一定存储能力的环状容置腔；当预定体积的样品液体或者大于预定体积一定范围的样
品液体从第一通道流入定量腔时、定量腔内液体的高度刚好到达扩径容置腔开口处或者部分样品液体流入扩径容量腔中，此时扩径容置腔所处的高度为定量限。
46.此时扩径容置腔通过第四通道连通外界大气，该设计是为了大体积定量设计的，定量体积不超过扩径容置腔都可以。
47.还包括第三通道，所述第三通道的下端开口连通反应室，所述第三通道的上端开口连通负压通道或者大气，此时所述样品液体传输通道可通断连接样品液体存储装置和负压通道。所述第三通道的下端开口连通反应室，所述第三通道的上端开口连通负压通道，此时所述样品液体传输通道可通断连接样品液体存储装置和负压通道。这是为了简化样品传输通道的连接结构。
48.定量腔的侧壁嵌有液体吸附材料，此时所述液体吸附材料所处位置为定量腔的定量限，此时扩径容置腔连通或不连通外界大气，所述第一通道下端开口位置高于液体吸附材料所处的位置高度。该设计是因为发现扩径定量腔的定量限还是不够精确，因此我们用液体吸附材料来控制液面高低，只要液面超过液体吸附材料高度必然会被液体吸附材料吸收，从而能够很准确的定位液面高度。
49.所述定量腔具有：当样品液体达到定量限时、样品液体的自身重力小于样品液体在第二通道上端开口处表面张力、样品液体未流入第二通道的第一状态，或者当样品超过定量限预设量时、样品液体的自身重力和/或外部流体驱动力大于等于样品液体在第二通道上端开口处表面张力、此时一定量的样品液体流入第二通道且不进入反应室的第二状态。该设计很关键，是利用了表面张力设计来替代阀门，因为小体积设计阀门很困难，而液体表面张力的物理现象非常适合在该场景下使用，只要表面张力和重力之间的关系处理恰当，就能够实现液体不会自动向下流淌的物理现象。同时，由于此时定量腔内的液体是以非连续液滴形式进入，因此外界的液体驱动压力被“切断”，从而不会使定量腔内的液体突破“表面张力阀”的阻碍作用。
50.所述第二通道上端开口处于定量腔底部最低点。第二通道下端开口与反应室上表面齐平或向下延伸一定长度。向下延伸是为了让液体更顺畅的流入反应室，因为如果不延伸的话，液体可能会顺着内壁下流，极有可能会粘在壁上流不下来。所述定量腔下部与第二通道的衔接面为平滑面。所述定量腔的主体结构为具有固定容积的中空腔体，很好理解，只有固定体积的容量腔才能更精准的定量。所述定量腔的主体形状为圆柱体、长方体、正方体、圆锥体、椭圆体、橄榄型中的一种或其组合。当然也可以是其他适合液体存储的形状。
51.本发明提供的第一种微量取样装置进行的取样方法，包括以下步骤：s1、从微量取样装置外部向液体存储装置提供正压力，使样品液体从第一通道以非连续液滴状态进入定量腔内，此时在第二通道开口处表面张力作用下液体未进入第二通道内；s2、样品持续滴落，当样品达到第一通道下端开口处时，定量腔内的样品体积为取样所需体积，从加入样品开始到所需体积时的加样时间为t；s3、延长加样时间到1.5t-2t，此时样品超过第一通道下端开口处一定高度，液体的增加量确保有极少部分进入第二通道内但不会进入反应室；s4、将微量取样装置外部向第一通道提供的正压力换为相同数量级的负压力，将高于第一通道下端开口的样品和进入第二通道的样品从第一通道反向排出；
s5、将外部微量取样装置向定量腔与反应室之间施加一个适当量级的正压力，将定量腔内的剩余样品转移到反应室内。
52.本发明提供的第二种微量取样装置进行的取样方法，包括以下步骤：s1、从微量取样装置外部向液体存储装置提供正压力，使样品液体从第一通道以非连续液滴状态进入定量腔内，此时在第二通道开口处表面张力作用下液体未进入第二通道内；s2、样品持续滴落，当样品达到第一通道下端开口处时，定量腔内的样品体积为取样所需体积，设定从加入样品开始到所需体积所需的加样时间为t；s3、延长加样时间到1.5t-2t，多余样品被液体吸附材料吸收或流入扩径容量腔，此时样品未进入第二通道内或者极少部分进入第二通道内但不会进入反应室；s4、将外部微量取样装置向定量腔与反应室之间施加一个压力差，将定量腔内的剩余样品转移到反应室内完成反应。
53.本发明提供的第三种微量取样装置进行的取样方法，包括以下步骤：s1、从微量取样装置外部向液体存储装置提供正压力，使样品液体从第一通道以非连续液滴状态进入定量腔内，样品未到达第一通道下端开口处前，样品无法进入第二通道内；s2、样品持续滴落，当样品达到第一通道下端开口处时，定量腔内的样品体积为取样所需体积，从加入样品开始到所需体积时的加样时间为t；s3、延长加样时间到1.5t-2t，此时样品超过第一通道下端开口处一定高度，样品有极少部分进入第二通道内但不会进入反应室；s4、将微量取样装置外部向第一通道提供的正压力换为相同数量级的负压力，将高于第一通道下端开口的样品和进入第二通道的样品从第一通道反向排出；s5、将第三通道开启负压，将定量腔内的剩余样品转移到反应室内。
54.结合附图进行更为详细的说明：实施例1图1 a、图1b、图1c为本实施例的三种不同定量腔结构设计，图1d为微量取样装置整体示意图。一种微量取样装置，由第一部分10与第二部分20组成，再通过外部键合，将第一部分10与第二部分20结合组成该微量取样装置。本发明一种微量取样装置的第一通道101，用于连接液体输送通道102及定量腔201。待取样样品通过液体输送通道102，在外部流体驱动源的作用下，经过第一通道101进入定量腔201内。定量腔201的另一端有一个开口，连通第二通道202。第二通道202的另外一端连接反应室30。反应室30内预先储存了试剂及化学组分301，当精确取样的样品进入反应室30后，可以与之接触并混合，进而进行下一步的反应。为了使精确取样的样品可以顺利通过第二通道202，在一种实施例中，反应室30还设有一个第三通道302，用于连接外部负压驱动源或大气，使得反应室30与定量腔201之间产生一个压力差，可以较为容易的将精确取样的样品从定量腔201转移到反应室30内。
55.如图2a所示，为便于样品顺利流入定量腔201内部，第一通道的突起部分103深入到定量腔201内部，第一通道的突起部分103最末端有一个出口104。在当前实施例中，出口104在定量腔201内的位置，以及定量腔201的结构，决定了精准取样装置100所能够精确定量的微量液体体积。
56.如图2b所示，出口104沿水平面，将定量腔201分割成了定量腔下部分201a和定量腔上部分201b。定量腔下部分201a即为当前实施例所能够精准定量的液体体积。在产品量产过程中，改变第一通道的突起部分103的长度，或是在键合过程中调整出口104在定量腔内部的位置，例如在键合过程中调整第一部分10与第二部分20两部分的键合深度，就可以非常灵活的调整需要精确定量的微量液体的体积，而无需再额外改变模具设计及加工。
57.如图2b所示，第二通道202包含了第二通道上出口202a和第二通道下出口202b, 其中第二通道上出口202a与定量腔201相连，第二通道下出口202b与反应室30相连。通过微流道加工工艺保证第二通道上出口202a直径不大于0.2mm以上使得第二通道上出口202a及第二通道下出口202b处可以产生表面张力以阻止定量腔内部的液体通过。同时，第二通道202的特征尺寸远远小于定量腔201，因此当流体试图通过第二通道202而进入反应室30时会产生一个非常大的流动阻力。上述表面张力及流动阻力共同作用，以防止定量腔内的液体在精确取样过程中通过第二通道202而进入反应室30。
58.微量取样装置进行精确定量的过程分为以下几个步骤：首先，如图3a所示，通过外部流体驱动源所提供的正压力，使得被取样样品40通过液体输送通道102和第一通道101进入到定量腔201内。此时，定量腔201内的样品液面低于出口104，在合理的外部流体驱动压力及第一通道内径范围内，样品以非连续液滴状态进入定量腔201内，外部流体驱动压力无法直接作用于定量腔内的液体中。在这种状态下，外部流体驱动源的流体正压力在定量腔201内被“切断”。由于大部分未处理过的塑胶材料与水基液体接触时表现出疏水性，当部分样品被输送到定量腔201内时（如图3a），第二通道上出口202a处的截面积变化结构形成一个表面张力阀以阻止液体进入第二通道内部。因为外部流体驱动力已经被“切断”，此时腔内液体主要受到其自身重力作用。
59.在物理学中，用无量纲数bond数来描述作用于流体上的重力及表面张力之比：。
60.其中，bo为无量纲数bond数，pgrav与pcap分别为作用于流体上的重力及表面张力，
∆
ρ为两种不同介质间的密度差，g为重力加速度，γ为表面张力系数，而a为流道结构的特征长度。可以看出，对于特定的装置及样品材料，改变第二通道的特征尺寸可以有效的调节第二通道上出口202a处所形成表面张力的大小。当然，第二通道的几何尺寸也受到材料本身属性及加工方法和成本的制约。在本发明当前的实施例中，第二通道上出口202a直径小于约0.6mm时，第二通道上出口202a处所形成的表面张力阀足以阻挡定量腔内液体在其重力作用下通过第二通道上出口202a流入第二通道。
61.经过一段时间，定量腔201内的样品液位持续升高，直到与出口104齐平。此时，腔内液体的体积即为所需要精确取样的微量液体体积。然而，在实际过程中，为了确保定量腔内样品的液位达到出口104水平位置，外部流体驱动压力需要继续施加一段时间，以使一部分过量的样品进入定量腔201内部，如图3b所示。
62.当定量腔201内的样品液位达到或超过出口104时，腔内样品受到外部流体驱动压力的作用。由于流体驱动压力远远大于第二通道上出口202a处的表面张力（通常在~10-4
到10-6
n），此时，第二通道上出口202a处的表面张力阀不能阻止流体，进而有极少部分样品进入到第二通道202内。根据流体力学原理，外部流体驱动压力迫使定量腔201内的样品沿着
两条流体通路运动：一条是向定量腔201上部空间运动，使得定量腔内样品的液位升高，另外一条是进入第二通道202内，向反应室30运动。
63.如图3e所示，p1为出口104处的流体驱动压力，p2和p3分别为定量腔上部分201b处的背压及反应室30内的背压。由于样品重力远远小于外部流体驱动压力，故不考虑液体自身重力影响。在精确定量取样过程中，若第三通道302关闭，则定量腔上部分201b与反应室30均为封闭空间。随着流体驱动压力p1的作用，定量腔上部分201b与反应室30内部的气体受到压缩而产生背压p2和p3，其作用的方向与驱动压力p1相反。因此，上述两条流体通路内的驱动净压力分别为p
1-p2和p
1-p3。背压p2和p3可以通过波义耳定律估算得出，即封闭空间内因气体体积压缩所产生的背压与气体体积的变化成反比。经过一段时间，当封闭空间内因气体压缩产生的背压达到与外界驱动压力相同量级时，定量腔201内液位上升速度会因净驱动压力减小而变缓，直至几乎不再上升，此时封闭空间内的压缩气体充当了“气体弹簧”的作用，用以抵消外界流体驱动压力而使得定量腔201内的液体体积不会持续增加。在另外一种实施例中，当装置的定量腔201连接一条第四通道105，且在精确取样定量过程中第三通道302和第四通道105都处于打开状态时，此时p2和p3分别与外界大气连通，则两条流体通路中的驱动压力不会受到密闭空间气体压缩的影响。当然，这时装置内多了一个通道及阀路控制系统，增加了整个装置的复杂性。
64.r1和r2分别为流体通过上述两条流体通路的流动阻力，q1和q2分别为流体通过上述两条流体通路的体积流量。根据流体力学经典的hagen
–
poiseuille方程，液体通过定量腔201液位上升向上部空间运动的过程可以描述为：。
65.对于圆形截面的通道，流体流动的阻力为：。
66.于是， ，其中，r1为定量腔的半径或特征长度（非圆柱形），l1为定量腔201的长度。
67.相应的，定量腔201内液位上升的速度v1为：。
68.同理，液体通过第二通道202时的体积流量q2及流速v2为：，，其中：r2为第二通道的半径，l2为第二通道的长度，为流体粘度。
69.通过上述分析可知，当定量腔201与第二通道202的长度在同一数量级且p2和p3相差不大时，定量腔201与第二通道202的直径直接决定了两条流体通路中的流动阻力。由于两条流体通路中的体积流量与其半径的四次方成正比，若定量腔201的半径是第二通道202的两倍时，进入第二通道202内的液体体积仅为定量腔201内部液面超过出口104上部过量体积的约6%，液体进入第二通道202内部的深度仅为定量腔201内部液位上升高度的25%。因此，只需要合理的选择定量腔201及第二通道202的尺寸参数，就可以确保在本发明所设计的精确取样微量定量过程中不会有液体进入反应室30内。
70.如上述分析，若外部流体驱动的压力及流量在一个合理的范围内，当定量腔201内的样品达到出口104位置，即腔内样品体积达到预设取样体积时所需的时间为t，继续维持外部流体驱动压力并持续泵入过量样品，直至一个可控时间段，如1.5t或者2t，此时可以确保定量腔201内的样品液位不低于出口104处，且样品除极少量进入第二通道202外其余都停留在定量腔201内部。并且进入到第二通道202内部的少量液体无法完全通过第二通道下出口202b。
71.最后，关闭外部流体驱动源的正压力，对液体输送通道102内提供一个相同数量级的负压力，可以将定量腔内待定量体积外多余的样品通过第一通道101反向排出，此时，在之前阶段进入第二通道202内部的少量液体也会被负压带出，从而使定量腔201内的样品液位停留在出口104处，进而完成预定微量体积的精确取样，如图3c所示。打开第三通道302并提供外部负压作用，可以将定量腔201内部精确取样的样品完整的转移到反应室30内。
72.在本发明的一个实施案例中，选择了如图3a所示的精确取样结构。具体的，第一通道内径约为1mm，定量腔201内径为3mm，高度为15mm，第二通道202内径为0.5mm，长度约为12mm。据此估算，在精确取样的初始阶段，当定量腔201内液位未到达出口104位置时，液体重力与第二通道表面张力阻力之比远小于1，即由于第二通道上出口202a处的表面张力作用，样品无法进入第二通道202内。所加外部驱动源的正压力约为8~15kpa，驱动正压力使得液体以约50~70 μl/s的体积流量进入定量装置内部，待液体开始通过第一通道101后约2秒关闭外部驱动正压力，然后利用负压作用抽去定量腔201内的过量样品。由于定量腔201的内径是第二通道202的6倍，因此根据上述理论分析估算，当过量样品被泵入定量腔后，进入第二通道的液体体积可以忽略不计，因此在取样过程中不存在样品进入反应室30内的情况。预设精确取样样品目标体积为30μl，通过调节出口104的竖直高度位置，可以得到。实验结果如表1所示。
73.实施例2在本实施例中，反应室30并没有第三通道302。外部驱动源持续施加在定量腔201内样品40的正压力作用突破了第二通道202的阻力作用并且使得反应室30内部的气体有一定的压缩，进而推动样品进入反应室30内，如图4所示。待精确取样的样品40完全进入到反应室30后，释放外部驱动源的正压力，此时反应室30内由于气体压缩所产生的压力也会通过第二通道202，定量腔201及第一通道101排出，从而使反应室30内部的气体压力维持正常值。
74.实施例3在本实施例中，第二通道连接反应室30的一端有第二通道的突起部分203，使得定量腔201内的精确取样样品40可以比较顺利的流入反应室30内。第二通道的突起部分203的
另一个作用是增大了第二通道202内的阻力作用，使得外外部压力源正压力作用下，第二通道202可以更好的实现对定量腔201内样品40的阻断作用，如图5所示。
75.实施例4在本实施例中，定量腔201内设有一个第四通道105，连通外部大气或负压驱动源。在对定量腔201内样品40进行精确取样过程中，打开第四通道105，使得定量腔上部分201b内的压缩气体的压力通过第四通道105排出，从而可以更好的完成精确取样过程，也降低了第二通道202的设计难度以及精确取样过程的外部驱动源压力控制要求，如图6所示。
76.实施例5在本实施例中，精确取样装置100的第一部分10和第二部分20在键合过程中，加入了液体吸附材料50，如图7a所示。液体吸附材料50有吸附材料上表面501和吸附材料下表面502，其侧壁面与定量腔201的侧壁面在同一平面内。在对样品微量体积精确取样过程中，样品40先在外部驱动源的压力作用下经第一通道101进入定量腔201内部。由于第二通道202的阻力作用，样品40不会通过第二通道202而是留在定量腔201内并且液位随之升高。当样品40在外部驱动源的作用下被持续推入定量腔201并且液位超过吸附材料下表面502时，多余的样品会被液体吸附材料50吸附从而使液位保持在吸附材料下表面502相同高度上。只要液体吸附材料50有足够的液体吸附能力并且外部样品的输入过程被控制在一定时间内，定量腔201内部的样品40液位高度就不会再发生变化。此时，停止外部驱动源的作用并且对液体输送通道102和第一通道101提供负压驱动源，通道内剩余样品就会被排空。定量腔201内的剩余样品体积可以被精确控制在吸附材料下表面502相同的液位高度，如图7b所示。
77.在另外一种实施例中，第一通道的突起部分103，使得样品可以较顺利的进入定量腔201内部，如图7c所示。但需要注意的是，此时，出口104高于吸附材料下表面502。定量腔201内精确取样的微量液体体积由吸附材料下表面502的位置决定，而不受出口104的位置影响。
78.实施例6在本实施例中，系统中包含了多个微量取样装置，每个装置中的第一通道101都与液体传输通道连通，使得系统中可以同时对多个反应室的反应进行精确微量取样。
79.图8为依据本发明所提出的微量取样装置所制成的实验装置。根据本发明所提出的微量取样方法进行了实验验证，实验结果表明，本发明所提出的微量取样装置和方法，可以实现精确微量样品的取样，实验结果如表1所示。
80.表1 本发明装置及方法基于实施例1进行微量体积精确取样的实验验证在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须
具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
81.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。