CN110252592B - 一种基于润湿性分区结构的纳升级液滴分配装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于润湿性分区结构的纳升级液滴分配装置，包括减震台，减震台上固定有第二连接板，第二连接板上固定有X轴电动位移台，X轴电动位移台固定有第一连接板，第一连接板上固定有Y轴电动位移台，Y轴电动位移台上固定有第三连接板，第三连接板上固定有Z轴电动位移台，Z轴电动位移台上固定有载物台，减震台上固定有Y轴手动位移台、X轴手动位移台以及Z轴手动位移台，Z轴手动位移台上固定有第四连接板，第四连接板上固定有针头夹持器，减震台上还设置有高精密注射泵和储液瓶。还公开了纳升级液滴自动分配方法。该方法可实现纳升级液滴的高效率自动化分配；另外，其结构简单，操作方便，可实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于液体自动处理设备技术领域，具体涉及一种基于润湿性分区结构的纳升级液滴分配装置，还涉及该纳升级液滴自动分配方法。
背景技术
纳升体积的液滴分配在生物医学、化学、材料合成及微流体的应用中占据着越来越重要的地位。目前最常见的液滴分配技术主要有接触式点胶技术和非接触式点胶技术两种。对于纳升级液滴的分配来讲，接触式点胶技术速度快，但是精度较低；非接触式点胶技术可以同时满足高精度和高效率的要求，但价格昂贵。因此，需要研发一种成本低同时又可在精度与效率两方面满足要求的纳升级液滴分配技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于润湿性分区结构的纳升级液滴分配装置，可实现纳升级液滴高精度、高效率的自动化分配。
本发明的另一目的在于提供上述纳升级液滴分配方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于润湿性分区结构的纳升级液滴分配装置，包括减震台，减震台上固定有第二连接板，第二连接板上固定有X轴电动位移台，X轴电动位移台的载物块上固定有第一连接板，第一连接板通过内六角螺栓固定有Y轴电动位移台，Y轴电动位移台的载物块上通过内六角螺栓固定有第三连接板，第三连接板通过内六角螺栓固定有Z轴电动位移台，Z轴电动位移台的载物块上通过螺栓固定有L型的载物台，减震台通过内六角螺栓固定有Y轴手动位移台，Y轴手动位移台的载物块上通过内六角螺栓固定有X轴手动位移台，X轴手动位移台上通过内六角螺栓固定有L型连接板，L型连接板通过内六角螺栓固定有Z轴手动位移台，Z轴手动位移台的载物块上通过内六角螺栓竖直固定有第四连接板，第四连接板上固定有针头夹持器，针头夹持器上设置有分配针头，减震台上还设置有高精密注射泵和储液瓶，高精密注射泵分别与分配针头、储液瓶通过塑料软管密封连接，X轴电动位移台、Y轴电动位移台和Z轴电动位移台均通过电缆连接有控制器，控制器通过RS232直接串口线与计算机COM口连接。
本发明的特点还在于，
减震台上还固定有支撑台，支撑台通过相机支架固定有工业相机，工业相机与显微镜头通过螺纹相连。
减震台与支撑台之间通过螺栓固定。
工业相机通过电缆与计算机USB口相连。
高精密注射泵通过RS-232直接串口线与计算机COM口连接。
第二连接板通过四个内六角螺栓固定在减震台上，X轴电动位移台通过内六角螺栓固定在第二连接板上。
本发明所采用的另一技术方案是，一种基于润湿性分区结构的纳升级液滴分配方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按照制备工艺制造具有润湿性分区结构的样品，并将样品表面分为亲水区域和超疏水区域；将制备好的样品安装到载物台上；
步骤2，通过控制器控制X轴电动位移台、Y轴电动位移台和Z轴电动位移台，使得移动载物台上的样品位于分配针头的正下方，并留0.5mm间隔，使用高精密注射泵将储液瓶中的液体输送至分配针头，并在针头处形成母液滴；移动载物台，使母液滴与样品相接触；
步骤3，控制载物台运动，使分配针头拖动母液滴在样品表面移动；当母液滴通过表面上的亲水区域后，便会在亲水区域分配一个确定体积的子液滴；
步骤4，控制载物台运动，使母液滴依次快速通过样品上的所有亲水位置，便会在所有的亲水区域上分别分配一个确定体积的子液滴，完成纳升级液滴的自动化分配。
本发明的有益效果是，
该方法将润湿性分区结构与机器人技术相结合，可以高精度实现纳升级液滴的高效率自动化分配，还可通过增加分配针头数量的方式来实现更高效的液滴分配；另外，其结构简单，成本低、操作方便，可实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明一种基于润湿性分区结构的纳升级液滴分配装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中使用的样品示意图；
图3为本发明实施例中纳升级液滴的分配过程示意图(一)；
图4为本发明实施例中纳升级液滴的分配过程示意图(二)；
图5为本发明实施例中纳升级液滴的分配过程示意图(三)；
图6为本发明实施例中纳升级液滴的分配过程示意图(四)；
图中，1.高精密注射泵，2.储液瓶，3.塑料软管，4.第四连接板，5.针头夹持器，6.分配针头，7.显微镜头，8.相机支架，9.工业相机，10.支撑台，11.样品，12.载物台，13.Z轴电动位移台，14.第三连接板，15.Y轴电动位移台，16.第一连接板，17.减震台，18.X轴电动位移台，19.第二连接板，20.Z轴手动位移台，21.L型连接板，22.X轴手动位移台，23.Y轴手动位移台，24.亲水区域，25.超疏水区域，26.子液滴，27.母液滴，28.亲水区域，29.超疏水区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于润湿性分区结构的纳升级液滴分配装置，如图1所示，包括减震台17，减震台17上固定有第二连接板19，第二连接板19通过四个内六角螺栓固定在减震台17上，第二连接板19上固定有X轴电动位移台18，第二连接板19上开设有螺纹孔，X轴电动位移台18通过内六角螺栓固定在第二连接板19上，X轴电动位移台18的轴向与减震台17的长度方向平行，X轴电动位移台18的载物块上固定有第一连接板16，第一连接板16上通过内六角螺栓固定有Y轴电动位移台15，Y轴电动位移台15的轴向与X轴电动位移台18的轴向垂直，Y轴电动位移台15的载物块上通过内六角螺栓固定有第三连接板14，第三连接板14通过内六角螺栓固定有Z轴电动位移台13，Z轴电动位移台13的轴向与减震台17垂直，Z轴电动位移台13的载物块上通过螺栓固定有L型的载物台12，载物台12上设置有凹槽；
X轴电动位移台18的载物块能够沿X轴方向移动，Y轴电动位移台15的载物块能够沿Y轴方向移动，Z轴电动位移台15的载物块能够沿Z轴方向移动；X轴电动位移台18、Y轴电动位移台15和Z轴电动位移台13组合成三维电动位移平台；
减震台17通过内六角螺栓固定有Y轴手动位移台23，Y轴手动位移台23的载物块上通过内六角螺栓固定有X轴手动位移台22，X轴手动位移台22轴向与Y轴手动位移台23轴向垂直，X轴手动位移台22上通过内六角螺栓固定有L型连接板21，L型连接板21通过内六角螺栓固定有Z轴手动位移台20，Z轴手动位移台20的载物块上通过内六角螺栓竖直固定有第四连接板4，第四连接板4上水平固定有针头夹持器5，针头夹持器5上设置有分配针头6；分配针头6可设置多个；
X轴手动位移台22、Y轴手动位移台23和Z轴手动位移台20组合成三维手动位移平台，均能沿X轴、Y轴、Z轴方向移动；
减震台17上还固定有支撑台10，支撑台10上通过相机支架8固定有工业相机9，工业相机9与显微镜头7通过自带螺纹相连；减震台17与支撑台10之间通过螺栓固定；
减震台17上还设置有高精密注射泵1和储液瓶2，高精密注射泵1分别与分配针头6、储液瓶2通过塑料软管3密封连接；
X轴电动位移台18、Y轴电动位移台15和Z轴电动位移台13均通过电缆与控制器连接；
高精密注射泵1通过RS-232直接串口线与计算机COM口连接；
控制器为电动位移台厂家自带的四通道伺服控制器，控制器通过RS232直接串口线与计算机COM口连接，工业相机9采用自带电缆与计算机相连(USB口)。
X轴电动位移台18、Y轴电动位移台15和Z轴电动位移台13均通过直流电机驱动滚珠丝杠来带动载物块实现往复直线运动，主要参数：行程25mm，最大速度20mm/s,最小位移0.2μm；
X轴电动位移台18、Y轴电动位移台15和Z轴电动位移台13的生产厂家均为德国Physik Instrumente GmbH&Co.KG，型号为M-122.2DD；
控制器的生产厂家为德国Physik Instrumente GmbH&Co.KG，型号为C-884.4DB；
X轴手动位移台22、Y轴手动位移台23和Z轴手动位移台20的生产产家均为北京卓立汉工仪器有限公司，型号为PSM25-65SR；
高精密注射泵1的生产产家为瑞士Tecan Group，型号为XCalibur；
工业相机9的生产产家为加拿大Point Grey GmbH&Co.KG，型号为GS3-U3-23S6M；
显微镜头7的生产产家为美国Edmund Optics GmbH&Co.KG，型号为VZM1000i；
本发明一种基于润湿性分区结构的纳升级液滴分配装置，其具体工作原理是：
将X轴电动位移台18、Y轴电动位移台15和Z轴电动位移台13、高精密注射泵1的驱动程序安装到计算机上后，便可以通过在各自控制软件面板下进行操作来控制相对应的硬件，并可通过二次开发将以上驱动程序集成为一体，实现对硬件的统一控制。控制器控制电动位移台X轴电动位移台18、Y轴电动位移台15和Z轴电动位移台13，从而使载物台12在X、Y和Z三个维度上进行移动，高精密注射泵1将储液瓶中的液体输送至分配针头处并形成母液滴。三个手动位移台均为手动控制，三维手动位移平台的整体位置可以通过改变Y轴手动位移台23在减震台17上的安放位置来调整，之后再通过手动调整各个轴的位置来将分配针头6固定，并保证分配针头6在液滴分配过程中保持不动，以便三维电动位移平台做相对运动来完成液滴分配，通过控制三维电动位移平台各轴的移动，就可带动载物12做相对运动，使母液滴划过样品表面，进而完成纳升级液滴的分配。工业相机9及显微镜头7主要负责来实时监测，用来观测分配结果(为分配好的液滴拍照，然后再在matlab中计算液滴体积，验证分配结果)。
本发明一种纳升级液滴自动分配方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按照制备工艺制造具有润湿性分区结构的样品，并将样品表面分为亲水区域和超疏水区域；将制备好的样品11安装到载物台12上；
步骤2，通过控制器控制X轴电动位移台18、Y轴电动位移台15和Z轴电动位移台13，使得移动载物台12上的样品位于分配针头6的正下方，并留0.5mm间隔，即样品与分配针头6之间的间隔是0.5mm，既可防止针头与样品发生碰撞，也可为母液滴的分配留有空间，使用高精密注射泵1将储液瓶2中的液体输送至分配针头6，并在针头处形成母液滴；移动载物台12，使母液滴与样品相接触；
步骤3，控制载物台12以适当的速度在X/Y方向运动，使分配针头6拖动母液滴在样品表面移动；当母液滴通过表面上的亲水区域后，便会在亲水区域分配一个确定体积的子液滴；对于其他区域而言，由于其具有超疏水特性，不会有液滴分配；
步骤4，控制载物台12运动，使母液滴依次快速通过样品上的所有亲水位置，便会在所有的亲水区域上分别分配一个确定体积的子液滴，完成纳升级液滴的高精度、高效率自动化分配。
实施例
本发明一种纳升级液滴自动分配方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按照制备工艺制造具有润湿性分区结构的样品，并将样品表面分为亲水区域和超疏水区域；如图2所示，黑色部分为样品表面上的亲水区域24，空白部分为超疏水区域25；将制备好的样品安装到载物台12上；
步骤2，通过控制器控制X轴电动位移台18、Y轴电动位移台15和Z轴电动位移台13，使得移动载物台12上的样品位于分配针头6的正下方，并留0.5mm间隔，即样品与分配针头6之间的间隔是0.5mm，既可防止针头与样品发生碰撞，也可为母液滴的分配留有空间，使用高精密注射泵1将储液瓶2中的液体输送至分配针头6，并在针头处形成母液滴27，如图3所示；移动载物台12，使母液滴与样品相接触；
步骤3，控制载物台12以适当的速度在X/Y方向运动，母液滴27划过样片11表面后，会在图4所示的亲水区域28上留下如图6所示的子液滴26，而如图5所示的超疏水区域29不会有液滴残留；
步骤4，控制载物台12运动，使母液滴27依次快速通过样品上的所有亲水位置，便会在所有的亲水区域28上分别分配一个确定体积的子液滴26，完成纳升级液滴的高精度、高效率自动化分配。
Claims (1)
1.一种基于润湿性分区结构的纳升级液滴分配方法，采用一种基于润湿性分区结构的纳升级液滴分配装置实现，具体结构为：包括减震台(17)，所述减震台(17)上固定有第二连接板(19)，所述第二连接板(19)上固定有X轴电动位移台(18)，所述X轴电动位移台(18)的载物块上固定有第一连接板(16)，所述第一连接板(16)通过内六角螺栓固定有Y轴电动位移台(15)，所述Y轴电动位移台(15)的载物块上通过内六角螺栓固定有第三连接板(14)，所述第三连接板(14)通过内六角螺栓固定有Z轴电动位移台(13)，所述Z轴电动位移台(13)的载物块上通过螺栓固定有L型的载物台(12)，所述减震台(17)通过内六角螺栓固定有Y轴手动位移台(23)，所述Y轴手动位移台(23)的载物块上通过内六角螺栓固定有X轴手动位移台(22)，所述X轴手动位移台(22)上通过内六角螺栓固定有L型连接板(21)，所述L型连接板(21)通过内六角螺栓固定有Z轴手动位移台(20)，所述Z轴手动位移台(20)的载物块上通过内六角螺栓竖直固定有第四连接板(4)，所述第四连接板(4)上固定有针头夹持器(5)，所述针头夹持器(5)上设置有分配针头(6)，所述减震台(17)上还设置有高精密注射泵(1)和储液瓶(2)，所述高精密注射泵(1)分别与分配针头(6)、储液瓶(2)通过塑料软管(3)密封连接，所述X轴电动位移台(18)、Y轴电动位移台(15)和Z轴电动位移台(13)均通过电缆连接有控制器，所述控制器通过RS232直接串口线与计算机COM口连接；所述减震台(17)上还固定有支撑台(10)，所述支撑台(10)通过相机支架(8)固定有工业相机(9)，所述工业相机(9)与显微镜头(7)通过螺纹相连；所述减震台(17)与支撑台(10)之间通过螺栓固定；所述工业相机(9)通过电缆与计算机USB口相连；所述高精密注射泵(1)通过RS-232直接串口线与计算机COM口连接；所述第二连接板(19)通过四个内六角螺栓固定在减震台(17)上，所述X轴电动位移台(18)通过内六角螺栓固定在第二连接板(19)上；其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按照制备工艺制造具有润湿性分区结构的样品，并将样品表面分为亲水区域和超疏水区域；将制备好的样品安装到载物台(12)上；
步骤2，通过控制器控制X轴电动位移台(18)、Y轴电动位移台(15)和Z轴电动位移台(13)，使得移动载物台(12)上的样品位于分配针头(6)的正下方，并留0.5mm间隔，使用高精密注射泵(1)将储液瓶(2)中的液体输送至分配针头(6)，并在针头处形成母液滴；移动载物台(12)，使母液滴与样品相接触；
步骤3，控制载物台(12)运动，使分配针头(6)拖动母液滴在样品表面移动；当母液滴通过表面上的亲水区域后，便会在亲水区域分配一个确定体积的子液滴；
步骤4，控制载物台(12)运动，使母液滴依次快速通过样品上的所有亲水位置，便会在所有的亲水区域上分别分配一个确定体积的子液滴，完成纳升级液滴的自动化分配。
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