一种基于微流控打印的多通道分液装置与分液方法

摘要

本发明公开了一种基于微流控打印的多通道分液装置与分液方法，涉及实验室高通量精密液体体积分配与生化分析仪器技术领域。本发明包括L型安装板，L型安装板的一侧壁上通过一手动位移台可升降的固定有有一L型安装座；L型安装板的端部安装有两支柱，两支柱的端面上连接有一横梁；L型安装板上至少设置有一压电致动器；横梁上设置有与压电致动器一一配合的微流控芯片。本发明解决了高通量生成体积一致性微量液滴难的问题，多通道并行装夹对准难的问题。

权利要求

1.一种基于微流控打印的多通道分液装置，包括L型安装板(1)，所述L型安装板(1)的一侧壁上通过一手动位移台(11)可升降的固定有有一L型安装座(12)；

所述L型安装板(1)的端部安装有两支柱(13)，两所述支柱(13)的端面上连接有一横梁(14)；

所述L型安装板(1)上至少设置有一压电致动器(2)；所述横梁(14)上设置有与压电致动器(2)一一配合的微流控芯片(3)；其特征在于：所述压电致动器(2)包括安装在所述L型安装座(12)上的微调装置(20)、压电梁(21)与微针(22)；所述压电梁(21)安装于所述微调装置(20)上表面一端，所述压电梁(21)前端固结有微针(22)，所述微针(22)位于横梁(14)下方，并与微流控芯片(3)对准。

2.根据权利要求1所述的一种基于微流控打印的多通道分液装置，其特征在于，所述微流控芯片(3)包括微流控芯片本体(31)，所述流控芯片本体(31)内设置有储液池(32)、打印腔室(33)和喷嘴(34)；所述储液池(32)通过打印腔室(33)与喷嘴(34)连通。

3.根据权利要求1所述的一种基于微流控打印的多通道分液装置，其特征在于，所述L型安装板(1)上的压电致动器(2)为一列等间隙设置，其数量为八个。

4.根据权利要求1所述的一种基于微流控打印的多通道分液装置，其特征在于，所述手动位移台(11)采用GCM‑T系列精密平移台。

5.如上权利要求1‑4任意一项所述的一种基于微流控打印的多通道分液装置的分液方法，其特征在于，通过控制手动位移台(11)控制微针(22)和微流控芯片(3)之间的距离，并保证多对压电致动器微针(22)与微流控芯片(3)距离的一致性；通过控制与压电致动器(2)通讯连接的控制器控制压电致动器(2)敲击微流控芯片(3)，产生皮升到纳升体积液滴，实现多通道高精度分液。

6.根据权利要求5所述的一种基于微流控打印的多通道分液装置的分液方法，其特征在于，将用于承接从微流控芯片(3)处流出液滴的容器放置在无水气体保护的冷板上，保持

0℃‑4℃温度。

说明书

一种基于微流控打印的多通道分液装置与分液方法

技术领域

[0001] 本发明属于实验室高通量精密液体体积分配与生化分析仪器技术领域，特别是涉及一种基于微流控打印的多通道分液装置与分液方法。

背景技术

[0002] 在生化实验和工业化生产中常需要操作液体试剂来进行定量化和快速的分配。传统的气动式和打印式分液方法，可以实现对微升和亚微升的液体试剂进行快速定量化分
配。目前产品有：Eppendorf公司的 产品系列，Tecan公司的Freedom  产品
系列和D300e数字分液器等。传统的分液设备主要通过增加分液的通道数目或者打印头的
数目来提高分液的通量，其不同通道之间生成的液滴体积一致性主要依赖于每个分液通道
生产的一致性。如株式会社爱安德的专利CN108025306B，使用传统活塞式吸液和分液的方
法，采用一次性吸头，方便更换，但最小分液体积在0.2微升。D300e分液仪基于喷墨打印的
原理，为了保持多通道的一致性，采用了半导体加工工艺，但这种仪器致动器集成，更换试
剂需要掉致动器，成本高昂。微流控打印是一种新的技术，它将致动器与一致性微流控分
离，致动器可以重复使用，微流控芯片设计为即插即用模式，这样既保证了试剂间没有交叉
污染，又不用抛弃致动器，降低了使用成本。但是致动器与微流控芯片之间的距离要稳定在
一个较小的范围。由于零件加工与安装的误差，这一距离通常难以一次装配成功。尤其是有
多个致动器时，不同致动器与芯片间的距离更加要保持一致。为了解决这一问题，实现多个
通道的液滴打印与液体分配，就需要解决致动器与芯片距离的可调问题。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种基于微流控打印的多通道分液装置与分液方法，解决了高通量生成体积一致性微量液滴难的问题，多通道并行装夹对准难的问题。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

[0005] 本发明为一种基于微流控打印的多通道分液装置，包括L型安装板，所述L型安装板的一侧壁上通过一手动位移台可升降的固定有有一L型安装座；所述L型安装板的端部安
装有两支柱，两所述支柱的端面上连接有一横梁；所述L型安装板上至少设置有一压电致动
器；所述横梁上设置有与压电致动器一一配合的微流控芯片。

[0006] 进一步地，所述压电致动器包括安装在所述L型安装座上的微调装置、压电梁与微针；所述压电梁安装于所述微调装置上表面一端，所述压电梁前端固结有微针，所述微针位
于横梁下方，并与微流控芯片对准。

[0007] 进一步地，所述微流控芯片包括微流控芯片本体，所述流控芯片本体内设置有储液池、打印腔室和喷嘴；所述储液池通过打印腔室与喷嘴连通。

[0008] 进一步地，所述L型安装板上的压电致动器为一列等间隙设置，其数量为八个。

[0009] 进一步地，所述手动位移台采用GCM‑T系列精密平移台。

[0010] 进一步地，所述微调装置包括上板和下板；所述下板上表面一端通过固定螺栓与所述上板连接；位于所述固定螺栓一侧的下板上表面和上板下表面分别设置有一对球型槽
一和一对球型槽二，一所述球型槽一和一所述球型槽二形成的区域内设置有钢球；

[0011] 所述上板上表面远离球型槽二的一端设置有微分头，所述微分头的端部贯穿上板并固定于下板上表面。

[0012] 进一步地，所述上板上表面设置有安装固定螺栓的沉孔，所述沉孔底侧面和固定螺栓的螺帽之间设置弹簧片。

[0013] 进一步地，所述上板上表面还设置有用于安装压电梁的压电梁安装孔。

[0014] 一种基于微流控打印的多通道分液装置的分液方法，通过控制手动位移台控制微针和微流控芯片之间的距离，并保证多对压电致动器微针与微流控芯片距离的一致性；通
过控制与压电致动器通讯连接的控制器控制压电致动器敲击微流控芯片，产生皮升到纳升
体积液滴，实现多通道高精度分液。

[0015] 进一步地，将用于承接从微流控芯片处流出液滴的容器放置在无水气体保护的冷板上，保持0℃‑4℃温度。

[0016] 本发明具有以下有益效果：

[0017] (1)、本发明压电致动器和微流控芯片的初始距离可调，可以调节生成的液滴体积，并得到体积一致性好的液滴。

[0018] (2)、采用并行方案，在液滴体积一致性好的情况下，可以实现大规模微液滴的生成。

[0019] (3)、在不改变装置的前提下，更换不同参数微流控芯片，可以得到大范围体积的液滴(0.1nL～500nL)。

[0020] (4)、对于驱动器的电压波形优化，有助于稳定快速生成微液滴。

[0021] (5)、通过对样品台的制冷，可以减少液滴的蒸发，便于保存高通并行生成的图形化液滴阵列。

[0022] (6)、通过图像识别微针和微流控芯片的距离，液滴的体积，可以闭环调节液滴体积范围。

[0023] 当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领
域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附
图。

[0025] 图1为本发明多通道分液装置结构示意图；

[0026] 图2为本发明压电致动器和压电梁组装结构示意图；

[0027] 图3为本发明微流控芯片结构示意图；

[0028] 图4为本发明压电致动器主视结构示意图；

[0029] 图5为本发明压电致动器结构示意图；

[0030] 图6为图5的剖视图；

[0031] 图7为流控芯片与针之间的距离d和所生成液滴体积V的散点图；

[0032] 图8为微流控芯片不同喷嘴宽度w与生成液滴体积V的散点图；

[0033] 图9为动电压波形信号优化前作用在压电梁上的脉冲信号；

[0034] 图10为脉冲信号对应的芯片内液体回吸面积。

具体实施方式

[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0036] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不
是指示或暗示所指的组件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
能理解为对本发明的限制。

[0037] 请参阅图1‑6所示，本发明为一种基于微流控打印的多通道分液装置，包括L型安装板1，L型安装板1的一侧壁上通过一手动位移台11可升降的固定有有一L型安装座12；L型
安装板1的端部安装有两支柱13，两支柱13的端面上连接有一横梁14；L型安装板1上至少设
置有一压电致动器2；横梁14上设置有与压电致动器2一一配合的微流控芯片3。

[0038] 压电致动器2包括安装在L型安装座12上的微调装置20、压电梁21与微针22；压电梁21安装于微调装置20上表面一端，压电梁21前端固结有微针22，微针22位于横梁14下方，
并与微流控芯片3对准。

[0039] 微流控芯片3包括微流控芯片本体31，流控芯片本体31内设置有储液池32、打印腔室33和喷嘴34；储液池32通过打印腔室33与喷嘴34连通。

[0040] L型安装板1上的压电致动器2为一列等间隙设置，其数量为八个。

[0041] 手动位移台11采用GCM‑T系列精密平移台。

[0042] 微调装置20包括上板201和下板202，下板202上表面一端通过固定螺栓203与上板201连接；位于固定螺栓203一侧的下板202上表面和上板201下表面分别设置有一对球型槽
一204和一对球型槽二205，一球型槽一204和一球型槽二205形成的区域内设置有钢球206；
上板201上表面远离球型槽二205的一端设置有微分头207，微分头207的端部贯穿上板201
并固定于下板202上表面。上板201上表面设置有安装固定螺栓203的沉孔208，沉孔208底侧
面和固定螺栓203的螺帽之间设置弹簧片2081。

[0043] 上板201上表面还设置有用于安装压电梁21的压电梁安装孔209。

[0044] 使用时，钢球作为支点，旋转微分头207、固定螺栓203会挤压弹簧片2081，改变上板201和下板202的夹角，从而调节位移。

[0045] 一种基于微流控打印的多通道分液装置的分液方法，通过控制手动位移台11控制微针22和微流控芯片3之间的距离，并保证多对压电致动器微针22与微流控芯片3距离的一
致性；通过控制与压电致动器2通讯连接的控制器控制压电致动器2敲击微流控芯片3，产生
皮升到纳升体积液滴，实现多通道高精度分液。

[0046] 将用于承接从微流控芯片3处流出液滴的容器放置在无水气体保护的冷板上，保持0℃‑4℃温度。

[0047] 其中压电梁长31.8mm，宽12.7mm，厚度为0.51mm的方形压电梁，购于美国Piezo System公司。

[0048] 且微针22为Keystone Elecronic Corp的Micro Pin针1380‑1。

[0049] 如图7所示为流控芯片与针之间的距离d和所生成液滴体积V的散点图，此时压电梁21的驱动电压为60V，液滴的生成频率为1Hz。当d的值为50微米时，生成的液滴体积为2.7
纳升，其CV值为2.18％。当d的值为200微米时，生成的液滴体积为4.14纳升，其CV值为
4.33％。其中，d的值在50微米到200微米范围内，液滴的体积随着d的值增大而增大，其CV值
也随着d的值增大而增大。d的值在200微米到300微米范围内，液滴的体积随着d的值增大而
减小，但其CV值随着d的值增大减小。当d的值为300微米时，所生成的液滴体积最小，其液滴
体积分辨率最高，其CV值也最小，为1.22％。

[0050] 与此同时，在不改变微流控打印装置的前提下，可以更换不同参数的微流控芯片3来获得不同体积范围的微液滴。如图8所示是微流控芯片不同喷嘴34宽度w与生成液滴体积
V的散点图。此时压电梁21的驱动电压为60V，液滴的生成频率为1Hz。其中，喷嘴34的宽度w
的值为20微米时，生成的液滴体积为0.248纳升，其CV值为3.02％。喷嘴34的宽度w的值为
800微米时，生成的液滴体积为589.1纳升，其CV值为1.24％。喷嘴34尺寸的设计需要考虑管
道的流阻分布，入液管道流阻与出液管道流阻比为1:6时，其生成液滴的体积较小。当入液
管道流阻与出液管道流阻比为5:2时，其生成的液滴体积较大。

[0051] 此外，作用在压电致动器2上的电压波形优化可以进一步帮助液滴的稳定生成。因为压电梁21上的驱动电压与压电致动器2的冲程成正比，驱动电压越大，微流控芯片3的薄
膜管道形变量越大。生成液滴过后喷嘴回吸的空气更多，这对于稳定生成液滴是极其不利
的。此外，微流控芯片3内部需要补充液体的时间也就越长，这极大的限制了液滴的生成频
率和稳定性。

[0052] 如图9所示是驱动电压波形信号优化前作用在压电梁21上的脉冲信号，其周期为100毫秒，占空比为10％。

[0053] 图10是优化后的一种波形信号，信号采用台阶式下降的方法使得作用在压电梁上，使得微流控芯片3内液体回吸面积显著减小。

[0054] 因此，该多通道分液装置具有获取不同体积范围、一致性好的单分散液滴的能力，以及对多种不同中试剂的并行处理能力，可以被应用在生化实验、检验检疫和临床检验等
应用中。

[0055] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施
例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合
适的方式结合。

[0056] 以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作
很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原
理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权
利要求书及其全部范围和等效物的限制。