微量液体的涂覆方法和装置

本发明涉及例如作DNA(脱氧核糖核酸)顺序比较同时分析用的微 量液体的一种涂覆方法和装置。

从先有技术即从Shena等人在《Science》(270期467～470页， 1995年)和Cheny等人在《Nature Genetics Supplement》(21期， 15～19页，1999年)发表的文章中已知，对许多同时平行进行的分析， 必须把化学元素涂覆到表面上密布成一序列。

迄今为止，微量液体的涂覆是用下面简单提及的一些方法中的一 种来进行的。例如用“自来水笔”方法时，液量是用一个类似于钢笔 尖的工具涂覆到表面上的。这种方法的缺点是，涂覆的液量在很大程 度上取决于既与工具又与表面有关的液体表面张力。所以涂覆的液量 很难计量。虽然被涂覆的液体的润湿性一般是已知的，但液体与工具 的共同作用对最终要涂覆在表面上的液量的影响并非是不重要的。

根据涂覆液体的另一种方法，使用一个快速操作的阀来短时间打 开并随即重新关闭一根受压力作用的管，从而把液滴涂覆到表面上。 根据这种方法，很难产生具有很密的润湿密度的分析矩阵；对打开并 随即重新关闭该压力管所用的快速操作阀的技术要求是特别高的，特 别是在要计量的液量的精度要求高时，尤其如此。

在喷墨打印器中，通常采用压电传感器。用这种压电传感器固然 可很精确地计量很小的液量，但为此所需的技术费用则是很高的。具 有集装压电元件的吸管尖非常昂贵，而且对机械作用非常敏感。

上面简单述及的“自来水笔”方法的缺点是，用该方法涂覆的液 量的波动幅度是很大的。而用一个快速操作的阀和最后提到的用压电 元件的这两种方法的主要缺点则在于需要一个电动的计量喷射器来吸 入被吸的液体。为此所需的技术费用是很高的。此外，还存在这样的 问题，即计量尖和吸管头之间的连接软管内的体积随温度以及由于软 管的运动而发生变化。

鉴于上述先有技术的缺点，本发明的目的是，显著降低微量液体 涂覆方法的仪器费用和精确计量用该涂覆方法涂覆的液量，以及保证 在载体上形成高的涂层密度。

根据本发明，这个目的是通过一个吸管尖把微量液体涂覆到载体 上的方法来实现的，该吸管尖与软输入管连接，以便在吸入液量时在 该输入管内产生体积增大并在涂覆液滴时在该输入管上引起一个冲 力，该冲力传递到位于其中的液体上，其中a)输入管配置了至少第一 个横截面的控制装置和第二个横截面的控制装置，b)当在储备的试样 液体用完后输入管连接到一个盛有清洗液的容器上时，第一个横截面 的控制装置和第二个横截面的控制装置松开输入管，c)当液滴被毛细 管输送时，第一个横截面的控制装置关闭，d)输入管的体积膨胀是通 过收回第二个横截面的控制装置来完成的，此时第一个横截面的控制 装置处于其关闭位置。

根据本发明方法对应的一种装置，是用一根毛细管来把微量液体 涂覆到载体上，该毛细管与一根软输入管连接，该软输入管配置了一 些可相互独立操作的装置来改变该输入管的横截面，其中在该输入管 上设置了一个产生冲力的锤，此锤的操作行程引起该输入管的体积变 化并可调节，当在储备的试样液体用完后输入管连接到一个盛有清洗 液的容器上时，第一个和第二个横截面的控制装置松开输入管，当液 滴被毛细管输送时，第一个横截面的控制装置关闭，并且输入管的体 积膨胀是通过收回第二个横截面的控制装置来完成的，此时第一个横 截面的控制装置处于其关闭位置。

用本发明的解决方案所达到的优点是多方面的：根据本发明的方 法，可在不用昂贵的和对机械作用很敏感的压电吸管头的情况下，把 精确计量的最小液量可重复地和顺利地涂覆到载体和表面上；简单的 廉价的吸管尖在必要时容易更换；在一次吸入过程后，可在输入管上 传递多次冲力，所以可精确地涂覆较多的液滴密布成一序列。

根据本发明方法的其他改进，改变弹性输入管的横截面用的装置 作为挤压阀构成，这些挤压阀例如可用电磁方式进行操作。其中的一 个挤压阀在吸入过程中关闭并只有在输入管吹洗时才打开，而剩下的 那个挤压阀则在吸入时打开，从而增大该弹性输入管的内部体积，并 可在该输入管容纳来自贮液容器的液量。为了进行浸入贮液容器的运 动，可将吸管尖和软输入管装在一根可上下运动的导轨上，该导轨完 成吸管尖到贮液容器或到载体的进给运动。该导轨可用气动、电动方 式也可用电磁方式实现运动。

为了确定要吸入的液量，可在引起这个液量改变横截面的装置上 设置一个可调节的定位器，用它来调节引起吸入过程的调节行程。要 涂覆的液量为100皮升(10-12升)和1微升之间的范围，最好为500 皮升和10纳升(10-9升)之间的范围。为此，必须要求液滴的高精度 和可重复的计量性。

在把微量液体涂覆到载体上时，软输入管的一端被一个改变横截 面的装置封闭，并用一个可操作的锤来把冲力作用到该软输入管上。 该锤可用电磁方式也可用气动方式操作，还可用电磁铁预拉紧一个弹 簧的机械方式来操作。在传递冲力部位的区域内，软输入管嵌入一个 紧固件中，该紧固件具有一个包住该软输入管的孔，通过相当于该锤 的可预先设定的一个操作行程的锤的冲力来挤压软输入管，并用吸管 尖把一个相当于由该冲力引起的体积变化计量的液滴分离到载体上。 用一个可调的定位器通过调节元件可调节由该冲力产生的软输入管内 的体积变化。

在通过产生的冲力排空该软输入管后，可打开挤压阀，使清洗液 体在压力作用下流入软输入管和吸管尖达到清洗目的。随即将吸管头 移入一个清洗位置，并将清洗介质重新排放出去。

作为吸管尖用的具有极小排出口的玻璃毛细管可通过该毛细管的 一端上进行加热来制成，其中作为热屏蔽可用一块设置有一个孔的金 属板。在加热过程中，该毛细管不断转动，所以它被均匀加热直到软 化。由于玻璃的表面张力而可缩小毛细管的孔。为了达到一定的表面 张力，该玻璃毛细管可完全或部分例如用硅烷涂敷。

下面结合附图来详细说明本发明的方法和相应的装置。

附图表示：

图1涂覆微量液体用的本发明装置的侧视图。

图2改变软输入管的横截面用的一种装置的视图。

图1表示涂覆微量液体用的本发明装置。一个实施为玻璃毛细管 的毛细管1插入一根例如设计为弹性软管的软输入管2的敞口端中。 软输入管2的另一端可在需要时与一个在压力作用下的清洗液容器3 连接，在该容器中插入一根吸入管16，通过该吸入管可把清洗介质沿 虚线所示的箭头引入被清洗的软输入管2中。为此，毛细管1移入一 个清洗位置，在该清洗位置内，清洗介质在吸入过程之前重新离开软 输入管2。

为了吸入以最小计量涂覆到载体13上的被涂覆的液滴23的液 量，例如可关闭第一个挤压阀4。该阀在挤压锥体21和对置的锥体22 之间压缩软输入管2的横截面2.2，从而关闭该输入管2。这时，首先 压缩输入管2的第二个挤压阀5打开，而毛细管1则浸入一个在图中 未示出的贮液容器中。通过挤压锥体19从对置锥体20返回，设计为 弹性毛细软管的软输入管2增大它的内部体积，从而可吸入液量。用 一个与挤压阀5对应的可调定位器24可以调节在软输入管中容纳的待 吸入的液量。

在吸入过程结束后-软输入管2现在具有了液体储量-，软输入 管2连同装在其上的毛细管1通过轨道14沿双箭头17的运动而从贮 液容器中移出并移到载体13上方的图1所示位置。装载着输入管2连 同毛细管1的轨道14的运动可用气动、电动或电磁方式来实现。

软输入管2用可弹性变形的材料制成，管的壁厚2.1限定一个横 截面2.2，在这个横截面中现在装有从贮液容器中吸取的事先设定的液 量。在图1中，在轨道14和挤压阀5之间设置了一个锤6，在所示实 施例中，此锤可用电磁方式操作。它也可用气动、液压进行操作，还 可通过弹簧预紧进行操作。用锤状元件6在软输入管上传递一个冲力 -第一挤压阀4关闭-，该冲力被传递到软输入管2的内部含有的液 体储量上，于是一个液滴23即可通过毛细管1涂覆到载体13的表面 上。根据输入管2中储备的液量的多少而可在输入管2上产生多个冲 力来把许多液体23涂覆到载体表面13上，直至输入管2内含有的液 体储量被用完为止。

为了计量以依次涂覆的形式达到载体表面13上的微量液体，下面 参照图2来进行说明。

此图表示一种用来改变软输入管的横截面的装置。

作用到软输入管2上的冲力例如可用一个在此图中示出的可调定 位器25进行调节。在紧固件8中设置了一个包围住软输入管2的孔7。 在紧固件8中设置了一个缝隙形的槽，该槽向上扩大并从紧固件8的 插口隔开可调节的定位器25。把该冲力传递到软输入管2上的一个装 置10的锤头6位于可调节定位器25的对面。该装置例如可以做成电 磁铁，该电磁铁的操作电流可通过一个控制装置11按一个有利的范围 供给。用控制装置11侧如也可调节冲力频率。此外，在紧固件8中有 一个定位螺钉9，该螺钉确定可由锤头6操作的可调定位器25的操作 行程，并由此限定输入管2的横截面2.2的变形和体积变化。所以液 滴23可最精确地计量；在本实施例中，可计量的液量为100皮升和1 微升之间或500皮升和10纳升之间，视使用场合而定。用这种方法可 按最简单的方式可重复地计量极少的液量并将其顺利地涂覆到载体13 的表面。从而取消了技术复杂的压电吸管头。现在涂层密度只与载体 进给以及毛细管和软管的直径有关，并可在较大的范围内调节。

毛细管1作为玻璃毛细管是特别容易制作并可很简单地插入输入 管2的敞口端中。所以玻璃毛细管1容易更换，从而可快速地改装吸 管装置，并可快速地为要涂覆到载体13上的稍大一些的液量配置较大 直径的毛细管1。毛细管1可简单地通过玻璃毛细管的加热例如通过煤 气火焰或别的热源来产生。可用一个设有一个孔的金属板形式的适当 的热屏蔽来限制热只供到毛细管1的最外端上。在加热过程中，毛细 管1的最外端最好不断转动，以保证均匀的热分布。为了测量玻璃毛 细管的孔径，在制作过程中最好用一个摄像装置。

最后，为了产生确定的表面张力，玻璃毛细管1可涂敷一种能适 当影响表面张力的材料例如硅烷。毛细管1用适当的硅烷涂敷可在与 液量接触的整个表面上进行，或只在其中的一部分例如只在毛细管的 外表面上进行。

除了用锤6进行冲力的电磁释放外，用预紧的弹簧来释放冲力也 是同样可行的。弹簧本身可用一个电磁铁预张紧，并根据要涂覆的液 滴23的排出频率进行释放。为了导轨14在垂直方向17的运动，除了 已经述及的传动种类外，也可用电动传动。电动传动同样可用于载体 13相对于固定安装的并可上下运动的毛细管1的进给，或用于毛细管 1相对于一个固定安装的载体13的进给。通过从毛细管1到载体13 和相反的进给距离的调节，可精确地预先确定液滴23在载体表面13 上的涂层密度，所以可进行DNA的顺序比较用的同时分析或蛋白质化 合分析。用本发明提出的方法和装置同样可很好地进行催化剂的最佳 化。

当然，同样可连接多个图1所示的涂覆装置，以便在载体的更大 范围用均匀的涂层密度，但不同的液滴进行润湿。每个这样的涂覆装 置都可配置一个单独的贮液容器，所以可将一定的涂覆液体用于相应 的分析目的。

                                零件表

1毛细管

2输入管

2.1壁厚

2.2横截面

3清洗液容器

4软管挤压阀

5第二挤压阀

6锤

7孔

8紧固件

9调节螺钉

10电磁铁

11操作电流

12清洗介质

13载体

14导轨

15压力输入管接头

16管

17进给方向

18锤6的铁砧

19挤压锥体

20对置锥体

21挤压锥体

22对置锥体

23液滴

24吸入用的可调定位器

25紧固件8上的可调定位器