CN108241068A - 一种自动化微体积移液与分配装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动化微体积移液与分配装置及其使用方法，用于以微液滴形式向预装保护油相的多孔板中加注纳升体积液体。该装置包括：精密吸头(1)，装卡于吸头适配器上(3)并与出口导管(7)相连；流体控制器(2),包括微量进样器(4)、三通切换阀(5)、进油导管(6)和出口导管(7)；运动控制系统，包括Z轴电动平移台(8)、X轴电动平移台(9)和Y轴电动平移台(10)，用于控制自动装卡精密吸头，吸液，多孔板注射等操作；通过流体控制器的控制，实现精确的液体吸取和纳升体积的精密注射。本装置用于实现在多孔板上实现自动化的精确纳升试样加注操作，用于实现微体积反应和筛选。

Description

一种自动化微体积移液与分配装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及自动液体处理领域，具体涉及一种微体积液体精密移液和分配自动化操作技术领域。

背景技术

基于多孔板的移液与溶液分配技术的自动液体工作站，对于生物、化学、临床、制药等实验室的批量分析、反应、筛选、检测等任务非常重要。从传统的24孔、96孔板，发展到现在的384、1536孔板自动液体操作，自动液体工作站可操控的试样体积在不断减小，自动操作样品的数量不断增加，多孔板的密度也不断增加。微体积精确操作的能力是自动液体工作站的核心能力，对于减少珍贵试样的消耗，节省成本，利用有限的蛋白、细胞、药物等珍贵样品和试剂，完成更大量的筛选，具有重大意义。此外，微体积下所进行的反应与传统大体积反应相比，能促进某些生化反应的发生，例如，缩小体积能够减少反应产物扩散，提高反应物质之间相遇的机率等。

常规的移液器和移液工作站，能转移的液体一般最小为0.1μL，且根据所匹配耗材不同、操作人员的经验不同，在操作微量液体时存在较大误差，而影响实验结果。通常现有的移液器或自动化的液体工作站,其体积量取的机理是基于移液器在内部气腔在活塞运动导致体积变化后，为了平衡移液器内部和外部的气压，定量的液体被吸入移液器枪头，并被后续步骤转移至目标容器中。这一工作原理，亦被称为空气置换液体处理技术(air-displacement liquid handling)。这一变化无法实现超微量移液操作，当所需要操作的液体的体积远小于内部气体腔室的大小时，体积变化不足以引起腔室内外的足够驱动液体吸入的压力差。

Labcyte公司的Acoustic仪器利用声波原理能够转移微量液体，转移的体积在2.5纳升至25纳升，因此，其能够操作的液体体积范围不大，且需要多孔板倒置，不利于对预先装有其它液体的多孔板进行操作。因此，能够根据需求，操作较大体积范围的液体，且能够对多孔板的要求降低，是实验人员希望达到的目标。

我们最近提出了一种在多孔板上进行纳升体积液体操作的技术(杜文斌，徐鹏，董立兵，基于微管道的液滴的生成方法，中国专利，申请号：201410655191.5)。在多孔板上预先装载不互溶油相，利用加样探针插入油相液面下方注射纳升体积液体，在探针抽出油相液面的过程中，利用油气界面对水相液滴的表面张力，使液滴脱离毛细管，被保留在孔板内。这种新的方法有效保证了液滴的体积精确性，可以任意调节加入液滴的体积，非常适用于实现标准化的微体积高通量筛选。与传统气体置换液体操作技术相比，这一液体操作技术可称为油相置换液体操作，(oil-displacement liquid handling)。由于油相相比与空气相比，具有不可压缩的特性，因此，我们的操作精度、重现性和可操作的最小体积均有了大幅的提高。在测试的体积范围20pL至500nL范围，具有良好的体积重现性和准确度。然而，这一加样方法目前主要还依赖于手工在多孔板上进行操作，无法自动实现多孔板的液体分配，制约了方法的普及以及重现性。在本发明中，我们基于前述工作，开发了一套全自动的微量液滴分配加样操作装置，可以实现试样加载，多孔板纳升体积分配等自动化操作。

发明内容

本发明提供了一种自动化微体积移液与分配装置，包括：

精密吸头(1)，装卡于吸头适配器上(3)并与出口导管(7)相连；

流体控制器(2),包括微量进样器(4)、三通切换阀(5)、进油导管(6)和出口导管(7)；其中三通切换阀(5)的一个阀口与微量进样器(4)相连，第二个阀口与进油导管(6)相连，第三个阀口与出口导管(7)相连；

运动控制系统，包括Z轴电动平移台(8)、X轴电动平移台(9)和Y轴电动平移台(10)，其中Z轴电动平移台(8)和X轴电动平移台(9)一端连接流体控制器和另一端与Y轴电动平移台(10)，用于控制自动装卡精密吸头，吸液，多孔板注射等操作。

优选的，所述的Y轴电动平移台(10)上安装有多孔板(12)的多孔板架(17)，其所述的多孔板(12)底部为U形或V形的96孔板、384孔板、或1536孔板，其孔内预先装载第二种油性液体。

进一步的，所述的进油导管(6)一端与装有第一种油性液体的储油容器(15)相连。

优选的，所述的第一种油性液体为低粘度矿物油，其与水不互溶，包括但不仅限于矿物油、液态烷烃、酯类、硅油、氟化烷烃及其组合。

进一步的，所述多孔板的孔内预先添加第二种油性液体，第二种油性液体的比重低于水溶液，包括但不限于是矿物油、液态烷烃、酯类或硅油及其组合。

进一步的，装置还包括废吸头移除和收集盒(16)，其固定在Y轴电动平移台(10)上。

进一步的，装置还包括在Y轴电动平移台(10)上搭载吸头盒(11)的吸头架，搭载多孔板(12)的多孔板架(17)，以及搭载一个以上的试样管(13)和废油管(14)的试样架。

进一步的，所述的微量进样器(4)上安装温度测量探头，用于根据温度变化导致液体体积变化，自动移动微量进样器活塞，进行体积补偿，具体为：根据温度变化导致的微量进样器、出口导管、吸头适配器以及精密吸头总的容积内，液体的热胀冷缩导致的体积变化，自动通过微量进样器活塞的微移，保证精密吸头(1)吸头处不因为热胀冷缩而发生漏液和吸进空气，而导致注射体积不精确。

进一步的，所述的精密吸头由上到下包括移液枪插入区、储液区以及吸嘴区，吸嘴端的内径为50至250微米。

优选的，所述的精密吸头的吸嘴的内径选择100至150微米，可以进行纳升体积的移液，而吸嘴处的流动阻力较小。

本发明还提供了一种自动化微体积移液与分配装置的使用方法，主要步骤如下：

a)在多孔板架(17)上，置入孔内添加第二种油性液体的多孔板(12)；

b)在试样架上，置入试样管(13)和废液管(14)；

c)吸头适配器(3)移动至吸头盒(11)，安装精密吸头(1)；

d)精密吸头(1)移动至废液管(14)上方；

e)三通切换阀(5)换至微量进样器(4)与进油导管(6)联通，装载第一种油性液体，然后切换出口导管(7)，排出空气，反复操作，排尽微量进样器、三通切换阀、进油导管、出口导管和吸头适配器中的空气；

f)精密吸头(1)移动至废液管(14)，三通切换阀(5)连通微量进样器(4)和出口导管(7)，向精密吸头(1)中注满油性液体，并排尽空气；

g)精密吸头(1)移动至试样管(13)，吸入一定体积的试样溶液；

h)精密吸头(1)移动至多孔板(12)，精密吸头的吸嘴插入孔内预先装载的第二种油性液体液面以下，注射固定体积的试样液滴；

i)通过Z轴电动平移台(8)的运动抬起精密吸头，油相中的试样液滴由于油气界面的表面。

按照以上操作步骤，与现有的依靠密闭气腔体积的精确变化实现微升体积移液操作的液体工作站不同，我们可以在多孔板上实现纳升体积的精确滴加操作。所述的预先添加第二油性液体的多孔板中，所加入的纳升体积的液滴由于受到油相的保护，避免了液体的蒸发。多次加入同一个孔内的样品和试剂液滴可以在底部进行融合和反应，能够实现大批量的纳升体积的反应筛选，对于化学、生物学、临床医学、药物筛选等，均具有重要应用价值。

有关本发明的特征，配合附图做详细说明如下：

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1自动化微体积移液与分配装置结构示意图。

图2精密吸头吸取试样示意图。

图3向多孔板中加注微量试样过程第一步示意图。

图4向多孔板中加注微量试样过程第二步示意图。

图5向多孔板中加注微量试样过程第三步示意图。

图6三通切换阀切换至入口导油管示意图。

图7三通切换阀切换至出口导油管示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，不能将它们理解为对本申请保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

1.装置结构

精密吸头(1)，用于吸液和微量注射试样溶液，装卡于吸头适配器上(3)并与出口导管(7)相连；精密吸头(1)由上到下包括移液枪插入区、储液区以及吸嘴区，吸嘴端的内径为50微米至250微米；

流体控制器(2),包括微量进样器(4)、三通切换阀(5)、进油导管(6)和出口导管(7)；其中三通切换阀(5)的一个阀口与微量进样器(4)相连，第二个阀口与进油导管(6)相连，第三个阀口与出口导管(7)相连；进油导管(6)的一端与装有第一种油性液体的储油容器(15)相连；微量进样器(4)上安装温度测量探头，根据温度变化导致的微量进样器、出口导管、吸头适配器以及精密吸头总的容积内，液体的热胀冷缩导致的体积变化，自动通过微量进样器活塞的微移，保证精密吸头(1)吸头处不因为热胀冷缩而发生漏液和吸进空气，而导致注射体积不精确；

运动控制系统，包括Z轴电动平移台(8)、X轴电动平移台(9)和Y轴电动平移台(10)，其中Z轴电动平移台(8)和X轴电动平移台(9)一端连接流体控制器和另一端与Y轴电动平移台(10)，用于控制自动装卡精密吸头，吸液，多孔板注射等操作；所述的Y轴电动平移台(10)上安装有多孔板(12)的多孔板架(17)，其所述的多孔板(12)底部为U形或V形的96孔板、384孔板、或1536孔板，其孔内预先装载第二种油性液体；所述的Y轴电动平移台(10)上还安装有废吸头移除和收集盒(16)；所述的Y轴电动平移台(10)上还安装有搭载吸头盒(11)的吸头架，搭载多孔板(12)的多孔板架(17)，以及搭载一个以上的试样管(13)和废油管(14)的试样架。

2.精密吸头的安装

装置使用过程：在运行过程中，为了避免温度波动造成的纳升液滴体积的不精确，装置应该在具有良好恒温控制的室内环境进行。

在装置中放置精密吸头架，其中预先放置了96只精密吸头(1)。然后在多孔板的卡槽位置放置多孔板(12)，多孔板(12)中已经通过排枪预先添加好了一定量的油性液体。多孔板(12)可以是标准96孔板或者384孔板等。流体控制器(2)首先拉动微量进样器(4)从储油瓶(15)中经进油导管(6)吸取油性液体填充所有管道通路内部的死区体积。流体控制器(2)内部的三通切换阀(5)切换至出口导管(7)。系统软件控制Z轴电动平移台(8)、X轴电动平移台(9)、Y轴电动平移台(10)联动，将流体控制器(2)枪头安装位置移动到精密吸头架上方，通过Z轴电动平移台(8)运动下压，完成精密吸头(1)的安装。

3.吸取试样溶液

如图2所示，精密吸头(1)预先充满油性液体(矿物油)(102)，移动精密吸头(1)至试样管(13)内，使吸嘴插入并控制流体控制器(2)抽取一定量的试样溶液(101)。抽取最大体积不得超过精密吸头(1)储液区以及吸嘴区的体积之和，以防止吸入的试样污染吸头适配器(3)。

然后控制流体控制器(2)推出100纳升左右的试样以平衡通道内的负压，而后移动精密吸头(1)进行微量加样操作。

4.装置在多孔板的微孔中加样过程的第一步

如图3所示，控制精密吸头(1)插入多孔板(12)的特定孔中，插入的深度以没入预先加入油面的1-3mm为宜。

5.装置在多孔板的微孔中加样过程的第二步

如图4所示，控制流体控制器(2)排出特定体积的试样溶液，溶液的体积由程序设定，一般在1纳升至1微升之间。排出完毕后等待约2秒钟，等待油路管道中的压力释放，液流静止，精密吸头(1)内部的压力与外界达到平衡。

6.装置在多孔板的微孔中加样过程的第三步

如图5所示，通过控制Z轴电动平移台(8)将精密吸头(1)从孔内的油面以下提起，使吸嘴高于多孔板(12)。在精密吸头(1)离开油面时，由于油面表面张力的作用完成对试样溶液生成液滴的切割，从而试样溶液形成的液滴从精密吸头(1)前段脱落掉入孔中，完成一个孔的精密加样操作。在软件的控制下依次对多孔板(12)的每个孔进行加样操作即可。

本装置适合于吸取微升体积的总试样体积，在96或384孔板上进行纳升体积的液体的批量分配滴加。吸取试样的体积总体上应大于滴加的液滴的体积之和。例如，在96孔板的每个孔内滴加10纳升试样液体，滴加的总体积为96*10＝960纳升。吸取试样体积优选为1.5微升。

7.根据温度变化进行自适应体积补偿

如图7所示，在微量进样器(4)前端安装一个温度测量探头(18)。首先计算总体积，包括微量进样器、三通切换阀、出口导管、吸头适配器和精密吸头在内，构成了一个一端开口的容器，开口处为精密吸头的吸嘴。假设所述容器内第一油性液体的体积为V_油1，精密吸头吸入的试样体积为V_水1，当温度发生变化，从T1变化至T2时，根据油性液体和水相试样的热胀冷缩系数，可以知道，V_油1变化为V_油2，V_水1变化为V_水2，总的体积变化为：V_变＝(V_水2+V_油2)-(V_水1+V_油1)。当温度升高，V_变为正时，微量进样器的活塞抽入V_变的体积；当温度降低，V_变为负时，微量进样器的活塞打出V_变的体积，保证变化以后，系统总体积能够刚好容纳第一种油相和水相试样溶液的总体积。

当系统在注射和吸液后，内部总体积发生变化，则重新分别计算第一油性液体和试样的体积，并移动微量进样器活塞，进行动态的温度变化体积补偿，防止由于体积缩小吸嘴吸入空气或排出液体。

Claims (14)

1.一种自动化微体积移液与分配装置，其特征在于，包括：

精密吸头(1)，装卡于吸头适配器上(3)并与出口导管(7)相连；

流体控制器(2),包括微量进样器(4)、三通切换阀(5)、进油导管(6)和出口导管(7)；其中三通切换阀(5)的一个阀口与微量进样器(4)相连，第二个阀口与进油导管(6)相连，第三个阀口与出口导管(7)相连；

运动控制系统，包括Z轴电动平移台(8)、X轴电动平移台(9)和Y轴电动平移台(10)，其中Z轴电动平移台(8)和X轴电动平移台(9)一端连接流体控制器和另一端与Y轴电动平移台(10)，用于控制自动装卡精密吸头，吸液，多孔板注射等操作。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的进油导管(6)，其一端与装有第一种油性液体的储油容器(15)相连。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的Y轴电动平移台(10)上安装有多孔板(12)的多孔板架(17)，其所述的多孔板(12)底部为U形或V形的96孔板、384孔板、或1536孔板，其孔内预先装载第二种油性液体。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括废吸头移除和收集盒(16)，其固定在Y轴电动平移台(10)上。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的精密吸头(1)由上到下包括移液枪插入区、储液区以及吸嘴区，吸嘴端的内径为50微米至250微米。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的第一种油性液体，其与水不互溶，包括矿物油、液态烷烃、酯类、硅油、氟化烷烃及其组合。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的第二种油性液体，其比重低于水溶液，包括矿物油、液态烷烃、酯类或硅油及其组合。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，包括：在Y轴电动平移台(10)上搭载吸头盒(11)的吸头架，搭载多孔板(12)的多孔板架(17)，以及搭载一个以上的试样管(13)和废油管(14)的试样架。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：在微量进样器(4)上安装温度测量探头(18)，根据温度变化导致的微量进样器、出口导管、吸头适配器以及精密吸头总的容积内，液体的热胀冷缩导致的体积变化，自动通过微量进样器活塞的微移，保证精密吸头(1)吸头处不因为热胀冷缩而发生漏液和吸进空气，而导致注射体积不精确。

10.一种自动化微体积移液与分配装置的使用方法，其特征在于，步骤包括：

a)在多孔板架(17)上，置入孔内添加第二种油性液体的多孔板(12)；

b)在试样架上，置入试样管(13)和废液管(14)；

c)吸头适配器(3)移动至吸头盒(11)，安装精密吸头(1)；

d)精密吸头(1)移动至废液管(14)上方；

e)三通切换阀(5)换至微量进样器(4)与进油导管(6)联通，装载第一种油性液体，然后切换出口导管(7)，排出空气，反复操作，排尽微量进样器、三通切换阀、进油导管、出口导管和吸头适配器中的空气；

f)精密吸头(1)移动至废液管(14)，三通切换阀(5)连通微量进样器(4)和出口导管(7)，向精密吸头(1)中注满油性液体，并排尽空气；

g)精密吸头(1)移动至试样管(13)，吸入一定体积的试样溶液；

h)精密吸头(1)移动至多孔板(12)，精密吸头的吸嘴插入孔内预先装载的第二种油性液体液面以下，注射固定体积的试样液滴；

i)通过Z轴电动平移台(8)的运动抬起精密吸头，油相中的试样液滴由于油气界面的表面张力作用，脱离精密吸头(1)并落入孔底；

j)移动至下一个孔，循环上述g)-h)步骤的注射操作，在需要加样的多个孔内加入试样。

k)完成所有加样操作以后，精密吸头(1)移动至废吸头移除和收集盒(16)，卸载精密吸头(1)。

11.根据权利要求10所述的使用方法，其特征在于，所述的注满油性液体，其体积为小于储液区和吸嘴区的体积，大于在多孔板(12)上所有孔上注射试样体积之和。

12.根据权利要求10所述的使用方法，其特征在于，还包括：在完成第一种试样的移液和分配操作后，吸取第二种试样进行分配操作之前，需要按照所述c)步骤更换新的精密吸头(1)，并按照所述d)-e)步骤所述的步骤，排出新的精密吸头(1)内的空气。

13.根据权利要求10所述的使用方法，其特征在于，还包括：精密吸头进行吸液和注射操作时，必须保证所述的微量进样器、三通切换阀、出口导管、吸头适配器和精密吸头连接紧密无泄漏，内部充满第一种油性液体，没有气泡残留。

14.根据权利要求10所述的使用方法，其特征在于，还包括：自动化精密移液与分配系统在恒温环境中进行工作，以避免油性液体由于温度变化导致热胀冷缩，保证纳升加样体积的精确度。