用于确定分配体积的方法和装置的制作方法

专利名称：用于确定分配体积的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于识别和量化液体分配到容器中期间的体积损失的 方法和装置。
背景技术：
高精度地分配小体积的液体试剂微滴是产生医学诊断含量测定的
一道基本工序。这类含量测定常常基于开孔的二维阵列，例如^:量滴定 板。在以下参考文献中描述了这样的分配系统的一些例子US 4,107,658、 US 4,196,615、 US 4,417,473、 US 4,818,492、 US 5,304,347、 US 5,601,980、 US 6,029,896、 US 6,148,666、 US 6,213,354、 US6，551，558、 US 6,823,730、 US 6,851,778、 US 6,875,404、 US 2001/0016177 Al、 WO 98/09151、 WO 00/51736、 WO 01/89694 Al、 WO 02/26499 Al、 WO 03/106936、 EP 0，164，679、 EP 0，355，791、 EP 0,505,004、 EP 0,725,267、 JP 2004251818 A、 和JP 2006058188 A。
然而，精确确定分配微滴个体的体积仍然是个问题。 业已发现在基于针的分配系统中，残留在针内空间中的液体目标量 在许多情况下能够例如通过分配活塞的特定运动而得到4艮好地控制。然 而，实际到达接收孔的液体量可能显示不规则性，这是因为残留在针内 空间的液体部分正沿着分配针的外径蠕滑(creeping)，并且由此形成 在特定分配动作中"丢失"的液体量。该机制本身可能在一个或多个连 续分配动作中重复，并且由此可能在针外径上累积相当量的液体。 一旦 累积到临界液体量，该液体将"联合成"分配微滴，生成远超过目标分 配体积的实际分配体积。
因此需要一种用于精确确定分配^:滴个体的实际分配体积的装置 和方法。

发明内容
根据本发明的实施例，通过测量分配液体之后"丢失"并留在分配
针外侧的一部分分配目标体积来实现对分配^:滴个体的实际分配体积的 精确确定。假设残留在针内空间的液体的目标体积被良好控制，则可以 通过从目标体积中减去"丢失"体积确定到达孔的分配液体的实际体积。 已发现可以通过将分配针的尖端插入中空金属圆筒中形成基本同心圆筒 电容器，籍此电容值取决于分配液体之后留在分配针外侧的"丟失"分 配体积的体积，从而极为精确地测量"丟失"体积。
本发明的各种实施例提供了一种用于确定分配液体样品的体积的 分配体积传感器。根据一个实施例， 一种分配体积传感器包括用于分配 液体样品的分配针和用于接收分配针的接收圆筒，其中电容器在分配针 被收入接收圆筒时形成。电容器的测得电容基本上与存在于针尖外表面 上的材料的介电常数无关。
在另一个实施例中提供了一种分配体积传感器，其具有布置在至 少一行和至少一列的阵列中的、由第一电绝缘构件固定就位的、且每个
都具有针尖的多个分配针；布置在至少一行和至少一列的匹配阵列中且 由第二电绝缘构件支撑的多个接收圆筒，4吏得当所述多个分配针插入所 述多个接收圓筒中时形成多个电容器。传感器的该实施例可以被配置为 使得分配针的针尖必须穿过所述接收圓筒的至少一个以便将液体分配到 布置在匹配阵列中的多个孔的至少一个中，由此每个分配针对应于所述 多个接收圆筒的至少一个和所述多个孔的至少一个。
另外该实施例还可以包括多路复用器和/或多路分解器。多路复用器 具有多个输入通道和一个输出通道，其中所述多个接收圆筒连接到所述 多路复用器的所述多个输入通道，并且所述输出通道连接到电压表的输 入。多路分解器具有一个输入通道和多个输出通道，其中所述输入通道 连接到信号源的输出并且所述多个分配针连接到所述多路分解器的所述 多个输出通道。
再一个实施例提供了一种确定分配液体的体积的方法，所述方法包 括将液体样品的目标体积引入具有针尖的分配针中，将液体样品的实际体积从分配针分配到容器中，将针尖插入接收圆筒中，由此形成电容器， 测量电容器的电容，和通过比较测得电容值与校准电容值确定分配液体 样品的丢失体积的存在。如果测得电容值与校准电容值相比更大，则表 示丢失体积的存在。所述测得电容值与校准电容值的比较可以由处理器 执行。


图1是根据本发明的一个实施例的同心圆筒电容器布置的横截面 图，包括沿着分配针外径的分配丢失体积。
图2根据本发明的一个实施例示出了分配体积丢失传感器的基本电 学配置。
图3根据本发明的一个实施例描绘了分配体积丢失传感器的电路图。
图4根据本发明的一个实施例示出了图3电路图分别针对0.33 pF 和0.35 pF电容值的理论传递函数，假设RF电压表的输入阻抗为100 Mft。
图5根据本发明的一个实施例示出了反映在分配针外径上两个乙醇 0.25-fiL孩吏滴个体的淀积与随后蒸发的曲线图。
图6对应于图5中的曲线图，并且4艮据^^发明的一个实施例示出了 反映在分配针外径上两个乙醇和水的0.25卞L孩"离个体的淀积与随后蒸 发的曲线图。
图7根据本发明的一个实施例示出 一曲线图，该图反映了在分配针 外径上有单个水0,25-jiL微滴和没有7jC錄滴的情况下分配体积传感器的 记录输出。
图8示出了反映根据本发明的同心圆筒电容器电容值作为0.25-nL 微滴介电常数的函数的曲线图。
图9根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了接收圆筒 内径的变化对电容与微滴体积变化关系的影响。
图10根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了分配针
8和接收圆筒交迭长度的变化对电容与微滴体积变化关系的影响。
图11根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了对于分 配针和接收圆筒交迭长度的变化，作为微滴体积的函数的分配针外侧的 估计液体层厚度。
图12根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了作为分 配针沿接收圆筒内径的径向位置的函数的测得传感器基线输出信号。
图13根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了传感器 基线输出信号的度量与针尖相对于外圆筒的垂直位置的关系。
图14根据本发明的一个实施例示出了曲线图，该图反映了对于乙 醇的两个0.25-jiL微滴个体应用10 ms的检测时间常数的分配体积传感 器记录。
图15根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了对于乙 醇的单个0.25卞L微滴应用1 ms的检测时间常数的分配体积传感器记 录。
图16根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了对于乙 醇的单个(K25卞L微滴应用0.3 ms的检测时间常数的分配体积传感器记 录。
图17根据本发明的一个实施例示出了电激活分配针的二维阵列。
图18根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了传感器 基线输出信号的度量与分配针径向位置的关系。
图19根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了来自分 配针的次近近邻的估计附加基线贡献。
图20根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了考虑到 四个近邻的度量结果的来自分配针的次近和最近近邻的估计附加基线贡 献。
图21根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了分配针 外径上0,25-nL微滴的可能简化剖面形状。
图22是根据本发明的一个实施例例示微滴剖面的变化对电容值的 影响的曲线图。图23是根据本发明使用COMSOL Multiphysics-3.3程序算出的靠 近同心圆筒电容器的完整电场分布的等值线图。图23a指示在交迭区域 中的均匀液体层，而图23b指示相同的液体量(0.25jiL)，但是集中在 交迭区域的下半部。
图24是根据本发明的一个实施例描绘针对在300 ms到300ps之间 变化的检测时间常数分配体积传感器输出信号中的噪声记录的曲线图。
图25根据本发明的 一个实施例示出一曲线图，该图反映了对于0.33 pF的电容值根据图3的电路图的理论传递函数，其中假设RF电压表的 输入阻抗值Re在0.1 Mil到100 Mil之间)。
图26根据本发明的一个实施例示出了包括多路复用同心圆筒电容 器布置的分配体积传感器。
图27根据本发明的一个实施例示出一分配体积传感器，其中分配 针的阵列正穿过圆筒的匹配阵列，同时分别朝向或远离孔的阵列移动。
图28示出了类似于图27中所示布置的分配体积传感器的一个实施 例，不同之处在于分配针以串联模式被电激励，并且接收圆筒与RF电 压表并联。
图29根据本发明的一个实施例例示了分配体积传感器的操作序列。
图30根据本发明的一个实施例示出了包括多路复用/多路分解同心 圆筒电容器布置的分配体积传感器。
图31根据本发明的一个实施例例示了描绘与处理器通信的图1的 圆筒电容器布置的功能示意图。
图32根据本发明的一个实施例例示了处理器的操作序列。
具体实施例方式
业已发现在基于针的分配系统中，残留在针内空间的液体目标量在 许多情况下能够例如通过分配活塞的特定运动而得到4艮好地控制。然而， 实际到达接收孔或其他类容器的液体量可能显示出不规则性，这是因为 在分配动作发生之后残留在针内空间的液体部分正沿着分配针的外径蠕 滑并且留在针尖的外表面上。所以在特定分配动作中会有一定量的液体
10"丟失"。该机制本身可能在一个或多个连续分配动作中重复，并且因 此可能在针外径上累积相当量的液体。 一旦累积到临界液体量，该液体 将"联合成"分配微滴，生成远超过目标分配体积的实际分配体积，这 可以导致随后含量测定结果的明显不准确。
这一性态适用于大多数类型的液体，例如在产生医学诊断含量测定
(例如微生物识别(ID)和抗菌敏感性试验(AST))中利用的液体和
试剂类型，可以是水基溶、;^/悬浮液或烂基(例如乙醇)溶';^/悬浮液。目
标分配体积的典型范围为0.5 nm到100 fim。液体分配到其中的容器类 型典型地为开孔的二维阵列，例如微量滴定板，然而也适用任何小容量
容器o
下面将根据本发明的实施例描述用于识别和精确量化液体分配到 容器中期间的体积损失的装置和方法。由此可以在计算随后的含量测定 结果时使用实际分配体积。
在图1中例示了分配体积传感器的一个实施例。所述传感器在此情
况下为同心圆筒电容器布置1，由分配针2和接收圆筒5构成。根据本 发明的一个实施例，针2和圆筒5由导电材料制成，或由带有导电针外 表面和圆筒内表面的绝缘材料制成。针2配备有可移动内活塞3或某其 他机构，从而以本领域中公知的各种方式执行液体样品抽吸和分配动作。 接收圆筒5由电绝缘构件6机械地支撑和固定就位。
在操作中，根据本发明的一个实施例，针2首先与液体样品接触。 然后通过向上移动活塞3将液体抽吸到针2中。活塞3移动的距离决定 抽吸液体样品的体积。作为执行根据本发明一个实施例的测量的前奏， 针2移动到圆筒5中并且相对于圆筒5固定在基本同心和同轴的位置上， 由此针2插入圆筒5—定距离L，形成表示对同心圆筒电容器作出主要 贡献的"交迭区域"。如果在抽吸步骤的过程中或在分配步骤的过程中 有一些样品液体4留在针2的外侧，那么与没有液体样品留在针2外侧 相比，分配步骤之后的同心圆筒电容器布置1的电容值将更高。所以， 比较分配步骤之后的测得电容值与没有液体在针2外侧时确定的校准电 容值就能够确定样品液体4是否存在于针2外侧。电容值的比较例如可以由处理器或比较器200完成。图31根据本发明的一个实施例例示了描 绘与处理器200通信的图1圆筒电容器布置的功能示意图。
图32根据本发明的一个实施例示出了处理器200的操作序列。校 准电容值由处理器200接收(步骤102)。该预定值可以由处理器200 从存储器或存储设备(未示出)存取。于是在分配液体之后由处理器200 从圆筒电容器布置1接收分配后电容值(步骤104 )。处理器200然后 确定分配后电容值是否大于校准电容值(步骤106)。如果分配后电容 值等于校准电容值，处理器200然后确定液体的目标分配体积是否等于 液体的实际分配体积并且因此分配液体的损失体积为零(步骤108)。 然而，如果分配后电容值大于校准电容值，处理器200然后例如通过从 液体的目标分配体积减去分配液体的丢失体积来计算液体的实际分配体 积(步骤110 )。
实际分配体积和/或丢失分配体积然后可以由相同处理器200或由 另一个处理器在计算含量测定结果中^f吏用。另外，实际分配体积和/或丢 失分配体积的量值可以可选地显示在^f见觉显示器上，或者由警才艮灯指示 分配动作之后针外侧的丢失体积的存在。
在分配步骤中，并且尤其当使用其中分配微滴未被喷射到空气空间 中而是与接收孔底部接触同时仍与分配针接触的"触发(touch off)" 分配模式时，存在于分配针2外侧的样品液体4可能联合预期分配体积， 导致非预期的分配误差。举例而言，假设必须以5。/。的精度分配5ftL的 目标分配体积，因此在针2外侧的液体4的体积量不能超过0.25 fiL。假 设典型分配针的直径为0.9 mm，并且液体4的长度Y约为2 mm，那么 0.25 jiL的体积将导致厚度Z = 42jim (0.0016")的均匀液体层。根据本 发明的一个实施例，这样的液体层可以由分配体积传感器可靠地检测。 实际上根据本发明的一个实施例，使用分配体积传感器可以精确地检测 到小至0.5 jaL的目标分配体积的丢失体积。
图2才艮据本发明的一个实施例示出了分配体积传感器的电配置。信 号源7 (例如正弦波发生器)连接到分配针2，该分配针形成图1同心圆 筒电容器布置1的一个电极。形成同心圆筒电容器布置1的第二电极的接收圆筒5连接到RF电压表8的输入。应当注意的是根据本发明的传 感器并不限于使用正弦激励，而是也可以使用其他时间相关周期信号； 尽管本发明的以下详细描述利用正弦信号。
图3根据本发明的一个实施例示出了带有如图2所示配置的分配体 积传感器的电路图。传感器正接收来自节点A和Gl之间信号源7的电 压Vi的输入信号。Ri代表信号源7的输出阻抗并且通常具有在500Q到 50 Q之间的相对较低值。Cs是同心圆筒电容器布置1的电容并且代表"感 测电容器"。如下所示，Cs的值典型地最好低于lpF。 Cp和Re代表 RF电压表8的输入电容和输入阻抗，包括连接同心圆筒电容器布置1 和RF电压表8的电缆的电容。传感器设置正生成节点B和G2之间电 压Vo的输出信号。图4示出了图3电路图分别对于Cs的0.33 pF和0.35 pF电容值的理论传递函数T(f) = Vo/Vi，假设RF电压表的输入阻抗为 100MQ并且RF电压表加上连接电缆的值Cp-50pF。从图4中的绘图 可以看出，传递函数T(f)并iL由此传感器输出信号电压Vo变为与频率f 无关，但是取决于Cs的值。这意味着当在足够高的频率下工作时不需 要频率稳定。
图5根据本发明的一个实施例示出了分配体积传感器的电压记录与 时间的关系，反映了在如图1中所示的同心圆筒电容器布置中在具有0.9 mm外径的分配针2外径上乙醇(ETOH)的两个单独0.25-jiL微滴的 淀积与随后蒸发，所述同心圃筒电容器布置1包括带有1.76 mm内径的 接收圆筒5以及在针2与圆筒5之间2 mm的交迭区域长度L。信号源7 在频率f = 2 kHz和电压Vi = 1.5 V下工作。RF电压表8具有输入阻抗 Re-10MQ和输入电容Ce，-25pF。考虑到电缆电容Cc = 25 pF，则总 输入电容为Cp = 50 pF。检测时间常数为TC-300 ms。应当注意的是 在图5记录曲线中的阶梯状特征并不代表电子噪声，而是数字化分辨率。 RF电压表在该实验中以2 V满刻度范围工作以在由于过量液体导致的 短路的情况下保护器械。
图6示出了在与无水乙醇的蒸发率相比时，含水乙醇微滴的蒸发率 减小。图7示出了在分配针2外径上的单个水0.25-fiL微滴的传感器记录。在时刻Tl，水樣"离布置到针尖外侧。在时刻Tl到T2之间，针2 被同轴插入接收圓筒5中2 mm以产生交迭区域。正弦激励信号电压在 该实验中从Vi = 1.5 V减小到Vi， = 0.75 V，这导致输出信号电压减小 50%。由于远低的蒸发速度，来自7jC微滴的信号随着时间流逝仅示出略 微减小。考虑到减小的激励信号电压，水的微滴相关信号几乎与乙醇的 相应信号相等，尽管事实上水的介电常数sw = 81远高于乙醇的介电常 数Setoh-24.6。这是重要的优点，因为当激励信号电压与材料的介电常 数无关时，就能够操作多路复用传感器布置用以处理各种不同的样品液 体。
因此，体积相等但介电常数不同的微滴典型地生成具有类似信号电 压的分配体积传感器信号。图8根据本发明的一个实施例示出了由 MathCad软件计算出的作为在针尖外侧的0.25卞L微滴的介电常数的函 数的同心圆筒电容器的电容值。该计算基于0.90 mm外径的针，1.76 mm 内径的接收圆筒，以及2 mm的交迭长度L。被称为校准电容的空圆筒 的电容值为0.165 pF。从图8可以看出，带有液体微滴的电容值与介电 常数相对无关，这将允许处理各种液体而不用再校准每种液体。图8中 的曲线性态可以用同心圓筒电容器的"丟失体积，，液体^:滴部分的电容 值远大于空气空间电容的事实来解释。所以，总电容值由与液体微滴的 介电常数无关的"空气空间"部分支配。
对于给定液体微滴体积，影响传感器信号电压的量值和灵敏度的两 个变量是如图1中所示的接收圆筒5内径D以及分配针2与接收圆筒5 之间的交迭长度L。
图9示出了接收圆筒内径的变化对电容与微滴体积之间关系的影 响。在MathCad软件的计算中假设1.76 mm、 2.46 mm和3.16 mm内径 的接收圆筒，0.90 mm外径的分配针，以及2mm的交迭长度L。图9 中的绘图示出了检测灵敏度(即由微滴体积增加导致的传感器信号电压 的变化)随着接收圆筒内径的增加而减小。对于1.76mm的内径，0.25 pL体积的微滴使传感器信号电压变化15.1 % 。对于2.46mm和3.16 mm 内径，该变化分别减小为10.1%和6.8%。尽管更小的接收圆筒将提供更高的检测灵敏度，但由过量液体导致的短路危险也将增加。
图10示出了由MathCad软件计算出的分配针和接收圓筒交迭长度 的变化对电容和微滴体积之间关系的影响。该计算同样基于0.9 mm的 针直径和1.76 mm的接收圓筒内径。这里假设液体层延伸在整个交迭区 域长度上。对于0.25卞L微滴，2mm、 3mm和4mm传感器信号电压分 别变4匕15.1%， 10.1 %和7.6°/。。
尽管图10中的绘图指示了更短交迭长度L的优点，但"更短的微 滴"意^^木着更厚的液体层Z。这在针对O.卯mm直径分配针的图11的三 个绘图中示例，该图示出了对于分配针和接收圆筒交迭长度L的变化， 作为微滴体积的函数的估计液体层厚度Z。在实施本实施例中已发现 2mm的交迭长度具有良好的折衷。
根据本发明的一个实施例，重要的是提供用于分配体积传感器的稳 定基线电压，以便提供在针2外侧没有液体的情况下确定的一致稳定的 校准电容值。两个影响传感器信号电压基线电压的因素是分配针相对于 接收圆筒的径向和纵向位置。
图12描绘了作为沿着接收圆筒内径的分配针径向位置的函数的测 得分配体积传感器基线输出信号电压。分配针具有0.90mm的直径，并 且接收圆筒具有1.76 mm的内径。图12中的绘图提供了分配针沿着内 径围绕接收圆筒中心的所需径向定位精度的估计。该绘图示出了分配针 的径向位置可以沿着内径围绕接收圓筒直径中心在135 |im的范围内变 动，以获得小于1%的基线电压变化。应当注意的是0,25nL体积的微滴 将导致信号电压与基线电压相比减小25% ，从而清楚可靠地指示微滴检 测。
基线电压还取决于接收圆筒内部的分配针尖的纵向位置，即交迭长 度L。图13示出了分配体积传感器基线输出信号的度量与针尖沿Y轴 相对于接收圆筒的的垂直位置的关系。以才艮据图13在位置6.2 mm的针 尖位置执行图7， 14， 15和16中所示的记录，所述位置对应于2mm的 交迭长度L并且导致3.75 mV的基线电压。图13中的绘图示出了基线 电压相对于接收圆筒内部针尖位置的1.05 mV/mm的变化。这意味着至
15少对于该实验的^t而言，接收圆筒内部针尖的纵向位置以36 nm的精密度被控制以保证3.75-mV基线电压的基线稳定度为1 % 。
根据本发明一个实施例的分配体积传感器例如可以在包括至少一行和至少一列分配针的阵列的多路复用型式中使用，例如，籍此该阵列的尺寸匹配多孔塑料板的尺寸。图17描绘了在中心带有同心圓筒电容器l的这类阵列，其中同心圆筒电容器l包括分配针2和接收圆筒5，并且它周围所有相邻电容器31和41具有P = 5.81 mm的间距。在这样的情形下，可以同时用正弦RF电压激励一个以上甚至所有的分配针2， 32和42。这意味着任何给定接收圆筒5可以接收来自"最近近邻"针32和来自"次近近邻"针42的附加RF场贡献。每个受激相邻针仅仅可以用突出于它们的各自相邻圓筒35和45的顶部之上的相邻针的那些部分在中心接收圆筒5上感生电压。因此，图18例示的实验在受激4十尖处于与它自己的接收圆筒5的顶部相等高度(即交迭长度L-0)的情况下被执行，以便最大化附加RF场贡献。
图18根据本发明的一个实施例示出了反映分配体积传感器基线输出信号的度量与分配针2的径向位置的关系的曲线图。在这里，受激针2从通常的中心位置(图18的径向位置"0")沿径向方向朝着最近32和次近42近邻将位于具有P = 5.81 mm间距的阵列内的位置移动。本质上，图18中的绘图示出了被定位在次近32和最近42近邻位置的针仍然可以在示出在曲线图左侧的接收圆筒中感生传感器信号。然而可以预期在这类相邻针32和42上的可能薄液体^:滴层将对感应电压没有影响。换句话说，可以认为次近和最近近邻将对传感器基线具有固定影响，但是将不会对传感器输出信号有所贡献。
图19根据本发明的一个实施例示出了反映来自分配针2的次近近邻32的估计附加基线贡献的曲线图。曲线A示出了在只有一个分配针2被激励的情况下两个乙醇0.25卞L微滴的分配体积传感器记录。曲线B示出了基于图18中所示的度量计算的、带有来自如图17中所示的四个次近近邻分配针32的附加基线贡献的信号。图19中的曲线C示出了在四个最近近邻分配针42被激励的情况下的实际测得基线。可以看出，测
16得基线贡献完全在估计贡献之下。
图20根据本发明的一个实施例示出一曲线图，该图反映了计及四个近邻的度量结果时，来自分配针2的次近32和最近42近邻的估计附加基线贡献的曲线图。曲线A同样是在只有一个分配4f被激励的情况下两个乙醇0.25卞L微滴的分配体积传感器记录，而曲线D则描绘了在八个最近和次近近邻分配针被激励的情况下基于图19的四近邻结果(曲线C)的新估计信号。可以从图20得到的结论是即使在同时激励的近邻针的阵列内，仍然可以容易地检测到0.25 fiL体积的微滴。
到目前为止已经假设丢失分配体积4的微滴作为厚度恒定层沿着分配针2外侧分布在整个交迭区域上的情况。图21示出了体积恒定微滴的可能简化剖面a、 b和c,以估计微滴的形状变化所产生的影响。图22示出了根据图21的0.25卞L微滴剖面的变化对预期电容值的影响，图中绘制了电容与微滴最大厚度R的关系，所述最大厚度被定义为在交迭区域的下半部内的厚度。
在图21a中，微滴4a沿着整个交迭区域具有对应于R = 42 的恒定厚度。在图21c中，没有液体留在交迭区域的上半部中，并且微滴4c在交迭区域的下半部内具有导致R = 81 jim的恒定厚度。在图21b中，微滴4b的层厚度在交迭区域的下半部中更大使得R值在42 nm到81 pm的范围内。图22中的上一条曲线显示了最大厚度R(因此微滴剖面)从一个厚度增加到另一个时电容如何变化。可以看出，仅有微小影响，并且根据本发明的分配体积传感器响应各种微滴剖面。图22中的下一条曲线代表对应于0 pL微滴体积的校准电容。
在前面的段落中，在不考虑杂散场的情况下使用MathCad软件计算了同心圆筒电容器布置的电容值。杂散场是在分配针2与接收圆筒5之间的内部交迭区域之外发生的场。因此使用COMSOL Multiphysics软件程序计算相应电容值以包括杂散场。在该情况下，分配针具有0.90mm的外径，接收圆筒具有1.76 mm的内径D，并且交迭长度L为2 mm。图23a和23b描绘了根据本发明使用COMSOL Multiphysics-3.3程序计算的靠近同心圆筒电容器的完整电场分布的等值线图。图23a表示在如图21a中所示的交迭区域中的厚度恒定的均匀液体层，而图23b表示相同量的液体(0.25nL)，但是集中在如图21c中所示的交迭区域的下半部。尽管图23a和23b中的等值线图清楚地显示了电场远远超出交迭区域并延伸到外部空间，但是微滴剖面似乎只是对交迭区域内靠近微滴的场分布有影响，而对远离;^b'离的场分布几乎没有影响。该观察得到的结论是考虑杂散场分量可以导致更高的基线电容，但是不会对微滴相关的传感器信号变化有大的影响。如下的表1证实了这一点
表l
体积OiL) Cl(l(r13F)MathCadC2(1013F)COMSOL C2 - C1(10"F)0 1.653 2.536 0.88
0.25 1.896 2.810 0.91
使用MathCad软件算出表l中的电容值Cl,并且不考虑杂散场分量。使用COMSOLMultiphysics软件算出表l中的电容值C2，其中考虑了杂散场分量。该表中的数字表明考虑杂散场分量导致电容一致性地增高了约0.90* 1(T13F，而无需考虑同心圆筒电容器内0.25卞L液体微滴的存在与否。因此，杂散场分量将常数项加入基线电容值。
为了操作根据本发明一个实施例的多路复用分配体积传感器，典型地希望执行测量所需的时间较短。图14， 15和16分别显示了在10ms，1 ms和0.3 ms的检测时间常数下单个乙醇0，25-pL微滴的分配体积传感器记录。
如下所述，即使在0.3 ms的情况下也能获得合适的信噪比。图24更详细地示出了分配体积传感器输出信号对于在300 ms到300 jis之间变化的检测时间常数的噪声记录。为了清楚起见各绘图移位0.03 mV。对于0.3 ms的检测时间常数，峰间噪声电压总计仅仅为传感器输出信号电压的约1 % 。换句话说，能够以100:1的信噪比检测0.25-jiL的液体微滴。这意味着根据本发明的一个实施例的分配体积传感器1可以适合于在短于一秒的时间内扫描150个分配针以确定液体的存在。如图4中所示的传递函数表示输入阻抗值Re = 100 MQ的RF电压表。因此，也可能需要更低的输入阻抗值以实现用于多路复用分配体积传感器的较短数据采集时间。图25示出了对于0.33 pF的电容值根据图3的电路图的理论传递函数,其中假设RF电压表的输入阻抗值Re在0.1MQ到100MQ之间)。可以看出，对于所有阻抗值通过相应地调节操作频率可以获得相同的平稳值。
图26根据本发明的一个实施例示出了包括多路复用同心圆筒电容器布置的分配体积传感器。多路复用器或多路器(对于多路复用器-多路分解器的组合，偶尔也能找到术语多路复用分解器(muldex))是执行多路复用的设备；它选择多个模拟或数字输入信号中的一个并且将该信号输出到单线中。信号源7与阵列的所有分配针2a,并联(其中x等于阵列中的总针数)。针2ax由电绝缘部件9才几械地支撑和固定就位。接收圆筒5ax (其中x等于阵列中的总圓筒数)净皮布置在匹配阵列中并且由电绝缘构件10支撑。所有的接收圆筒5ax与多路复用器11的输入连接。多路复用器11的输出最后与RF电压表8的输入连接。所以多路复用器可以被视为多输入、单输出开关，并且多路分解器可以被视为单输入、多输出开关。在分配步骤之后对阵列中的所有针2ax进行测量，构件9朝着接收圆筒5ax定位直到获得针2ax与接收圆筒5ax之间的适当交迭长度。普通计算机(未示出)用于以这样的方式控制多路复用器11使得阵列中的所有针2ax在串联操作模式中被扫描。随后将记录信号与早先在没有液体微滴存在于针2ax上的情况下记录的基线信号集相比较。如果没有任何记录信号超^目应基线信号，则不存在微滴。
图27示出了根据本发明的分配体积传感器的又一个实施例，其中分配针2bx的阵列正穿过接收圆筒15bx的匹配阵列，同时分别朝向或远离孔13、的阵列12移动(其中x等于阵列中的针/圆筒/孔的总数)。接收圆筒15b,的阵列由构件14支撑和固定就位。在图27的传感器布置中，接收圆筒15彼此绝缘并且通过束线16与多路复用器11的输入连接。图27中所示的传感器布置具有许多优点。首先，分配针2bx的阵列在它朝着孔13bx的阵列的路径上不必绕道就能进行电容测量，这节省了时间。其次，在可以分配步骤之前检查分配针2bx的阵列以确定储蓄液体的存 在。再次，可以在执行分配步骤之后再次检查分配针2bx的阵列，这次 是分配体积在它的行程上远离孔13h的阵列。
图28示出了类似于图27中所示的布置的根据本发明的分配体积传 感器的再一个实施例，不同之处在于分配针在串联模式下由计算机控制 (计算机未示出)多路分解器17电激励。所有接收圆筒15cx彼此连接， 并且通过电缆18与RF电压表8的输入连接。该设置胜过图27中所示 的设置的附加优点在于事实上多路分解器17可以具有50 il甚至更小的 极低输出阻抗值，这允许极快的操作，而不会以极小的传递函数结束。 在图28的设置中，在任何指定时刻将只有一个分配针2是电激活的，并 且只有一个圆筒15将"接收"RF电场。所有其他圆筒将面对处于恒定 接地电位的非激活针。所以，所有其他圆筒将充当在图3所示的电路图 中与电容器Cp并联的一个电容器Cp，。如果例如阵列具有136个O.卯 mm直径的针和136个1.76 mm内径的接收圆筒，并且如果交迭长度为 2 mm,则根据表l， 135个"其他"同心圆筒电容器将代表电容器Cp， =135 * 2.536 * 1013 F = 34.2 pF。与图27中的设置相比，考虑到原始值 Cp = 50pF，传递函数根据图28的设置在平稳区中将减小41%。
如图26、 27和28中所示的多路复用传感器布置利用带有等于分配 针数量的多个通道的多路复用器。通道数量减少的多路复用器可以用于 在图29中象征性示出的传感器布置。在这里，假设多孔板具有在十七列 和八行中布置的136个单元。带有八个输出通道的多路分解器如图29 中所示通过引入箭头23和带22用于一次激发分配针的一整行。同时激 发一行中的所有针通过将它们彼此电连接实现。带有十七个输入通道的 多路复用器如图29中所示通过引出箭头25和带24用于检测侧以连接一 列中的所有接收圆筒和RF电压表的输入。通过将一列中的所有接收圆 筒彼此电串联使它们可用于多路复用器的输入。在任何指定时刻， 一列 中仅有 一个圆筒将接收RT场，而剩余其他七个代表并联电容值Cp" = 7 * 2.536 * l(T13F = 1.8 pF。在操作中，行22将从左到右扫描通过所有列。 该作用导致行的读出。下一行然后从左到右再次扫描通过所有列，这导致下一行的读出，直到整个阵列被读出。
图30描绘了对应于图29中所述实施例的多路复用传感器布置，示 出了多路分解器19和多路复用器20。接收圆筒15dx彼此绝缘并且通过 束线21与多路复用器20的输入连接。多路分解器19和多路复用器20 都由普通计算机(未示出)控制和同步。图30的设置具有与图27和28 中所示的设置相同的优点，即分配针的阵列不需要绕道。另外，可以使 用通道数量少得多的多路复用器。
利用在前面的描述和相关附图中提供的教导，这些发明所属邻域的 技术人员将想到在本文中阐述的本发明的许多修改和其他实施例。所以， 应当理解本发明并不限于公开的具体实施例并且修改和其他实施例旨在 被包括在所附权利要求的范围内。尽管在本文中使用了特定术语，但是 它们仅仅在一般和描述意义上被使用而不是为了限制目的。
权利要求
1.一种分配体积传感器，包括用于分配液体样品的分配针；和用于接收分配针的接收圆筒；其中电容器在接收圆筒接收分配针时形成。
2. 根据权利要求1所述的分配体积传感器，其中所述分配针还包 括针尖，其中所述分配针尖同轴地收入所述接收圆筒中 一定交迭长度。
3. 根据权利要求2所述的分配体积传感器，其中所述针尖是第一 电极并且所述接收圆筒是第二电极。
4. 根据权利要求1所述的分配体积传感器，还包括处理器，所述 处理器被配置用于测量所述电容器的电容，和通过比较所述测得电容值与校准电容值确定所述分配液体的丟失 体积的存在。
5. 根据权利要求4所述的分配体积传感器，其中所述电容器的测 得电容基本上与存在于所述针尖外表面上的材料的介电常数无关。
6. 根据权利要求1所述的分配体积传感器，其中所述分配针和接 收圆筒由导电材料制成。
7. 根据权利要求1所述的分配体积传感器，其中所述分配针的外 表面和所述接收圆筒的内表面是导电的
8. —种分配体积传感器，包括布置在至少一行和至少一列的阵列中的、由第一电绝缘构件固定就 位的多个分配针，布置在至少一行和至少一列的匹配阵列中并且由第二电绝缘构件 支撑的多个接收圆筒，使得当所述多个分配针插入所述多个接收圆筒中时形成多个电容器。
9. 根据权利要求8所述的分配体积传感器，还包括与所迷多个分配针的每一个并联的信号源。
10. 根据权利要求8所述的分配体积传感器，还包括 布置在与所述分配针阵列的匹配阵列中的多个孑L， 4吏得所述分配针的每一个对应于所述多个接收圆筒的至少一个和所述多个孔的至少一 个。
11. 根据权利要求10所述的分配体积传感器，其中所述多个分配 针的每一个还包括针尖，其中所述分配针的每个所述针尖必须穿过所述 接收圆筒的至少 一个以^^将液体分配到所述多个孔的至少 一个中。
12. 根据权利要求8所述的分配体积传感器，还包括 具有多个输入通道和一个输出通道的多路复用器，其中所述多个接收圆筒连接到所述多路复用器的所述多个输入通道，并且所述一个输出 通道连接到电压表的输入。
13. 才艮据权利要求12所述的分配体积传感器，其中所述多个接收 圆筒彼此隔离并且与所述多路复用器的所述多个输入中的一个单独连 接。
14. 根据权利要求8所述的分配体积传感器，其中所述多个接收圆 筒彼此连接，并且与所述电压表的所述输入连接。
15. 根据权利要求8所述的分配体积传感器，还包括 具有一个输入通道和多个输出通道的多路分解器， 其中所述一个输入通道连接到信号源的输出并且所述多个分配针连接到所述多路分解器的所述多个输出通道。
16. 根据权利要求15所述的分配体积传感器，其中所述分配针在串联模式下由所述多路分解器电激励。
17. 根据权利要求15所述的分配体积传感器，其中所述多路分解 器包括等于所述分配针阵列中的分配针数量的多个输出通道。
18. 根据权利要求15所述的分配体积传感器，其中所述多路分解 器包括等于所述分配针阵列的一行中的分配针数量的多个输出通道。
19. 才艮据权利要求8所述的分配体积传感器，还包括 具有一个输入和多个输出的多路分解器，其中所述多路分解器的所述输入连接到信号源的输出并且所述多个分配针连接到所述多路分解器的所述多个输出；和 具有多个输入和一个输出的多路复用器，其中所述多个接收圆筒连接到所述多路复用器的所述多个输入，并 且所述多路复用器的所述输出连接到电压表的输入。
20. 根据权利要求19所述的分配体积传感器，其中所述分配针在 串联^f莫式下由所述多路分解器电激励。
21. 根据权利要求19所述的分配体积传感器，其中所述多路分解 器包括等于所述分配针阵列的一行中的分配针数量的多个输出。
22. 根据权利要求19所述的分配体积传感器，其中所述多路复用 器包括等于所述分配针阵列的一列中的接收圆筒数量的多个输入。
23. —种确定分配液体的体积的方法，包括 将液体样品的目标体积引入具有针尖的分配针中， 将所述液体样品的实际体积从所述分配针分配到容器中， 将所述针尖插入接收圆筒中以由此形成电容器， 测量所述电容器的电容，和通过比较所述测得电容值与校准电容值确定所述分配液体样品的 丢失体积的存在。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中所述校准电容值是在没有 液体样品存在于所述针外侧的情况下所述电容器的电容值。
25. 根据权利要求23所述的方法，其中所述测得电容值与所述校 准电容值相比更大表示所述丢失体积的存在。
26. 根据权利要求23所述的方法，还包括通过比较所述测得电容值与所述电容器的校准电容值计算所述分 配液体样品的所述丢失体积，和通过从所述目标体积减去所述丢失体积计算液体样品的所述实际 分配体积。
27. 根据权利要求26所述的方法，其中处理器用于计算所述丢失 体积和所述实际分配体积。
28. 根据权利要求23所述的方法，其中将液体样品的目标体积引 入分配针中的所述步骤还包括以下步骤将所述分配针的所述针尖插入所述液体样品中，和 将所述液体样品的所述目标体积抽吸到所述分配针中。
29. 根据权利要求23所述的方法，其中测量所述电容器的电容的 所述步骤还包括以下步骤从信号源将输入信号应用到所述分配针，和 使用电压表测量来自所述接收圆筒的输出信号。
30. 根据权利要求23所述的方法，其中所述测得电容值基本上与 所述液体样品的介电常数无关。
31. 根据权利要求23所述的方法，其中所述电容器是同心圆筒电容器o
32. 根据权利要求23所述的方法，其中所述测得电容值与校准电 容值的所述比较由处理器执行。
33. 根据权利要求29所述的方法，其中所述输入信号是时间相关 电信号。
34. 根据权利要求33所述的方法，其中所述时间相关信号是正弦 波信号。
35. 根据权利要求34所述的方法，其中所述正弦波信号的频率被 选择以使得电路的传递函数变为与频率无关。
36. 根据权利要求34所述的方法，其中所述正弦波信号不需要频 率稳定。
全文摘要
在基于针的分配系统中，待分配液体的目标量在许多情况下被很好地控制。然而，实际到达接收孔的液体量可能会显示出不一致性，这是因为残留在针内空间的部分液体会留在分配针的外表面上，并且由此少量液体在特定分配动作中“丢失”。根据本发明的传感器布置适合于在分配步骤实际开始之前检测残留在分配针外侧的来自抽吸容器的任何液体的存在。也可以通过将分配针的尖端插入中空金属圆筒中形成电容器，由此电容值取决于“丢失”分配体积的体积，进而很精确地测量“丢失”体积。
文档编号G01N35/10GK101680908SQ200880019155
公开日2010年3月24日 申请日期2008年4月18日 优先权日2007年4月18日
发明者K·W·伯恩特 申请人:贝克顿·迪金森公司