数字化微量液体化学分析仪的研究

　　0　引言

　　随着生物工程的发展,在细胞工程中细胞药物处理、化学分析中化学试剂配给以及其他微量液体分析经常进行,目前国内外在微量化学分析时通常使用微量进样器与微量移液器进行液体的微量成比例混合。液量的控制主要靠观测在进样器与移液器的刻度上的指示[1],这存在着许多缺点,最小剂量的微量进样器与微量移液器为0·5μL,针筒上共有50mm的刻度,最小刻线间距为1 mm,理论上刻度上1mm的变化体现在液量上体积为0·01μL,但人眼很难观测到1 mm以下的刻度变化,在手工推进mm级长度产生的过程误差及肉眼观测的刻度误差都会使实际药液混合比例偏离需要药液混合比例[2]。另外当药液分析量很微小时,金属针尖处对水的吸附对药液量精度产生很大影响,可能所挤出的微量药液全部被针尖吸附[3]。通常微量进样器与微量移液器只能达到0·1μL级别的微量药液分析精度,而在细胞工程中经常需要nL级的药液分析,上述方法满足不了要求[4]。

　　笔者利用压电陶瓷特性设计出小于μm级单方向连续步进运动,在此基础上提出了微量液体化学分析仪的设计方案,其最小药液分析剂量可以达到nL级,分析剂量可实现数字化调节,同时采用μm级的玻璃微管道代替金属针头,在对玻璃微针进行硅烷化处理后,使药液对玻璃微针不浸润,消除吸附误差,保证了药液混合比例[5]。

　　1　数字化微量液体化学分析仪的工作原理

　　图1a为利用压电陶瓷特性设计出小于μm级单方向连续步进运动原理[6],移动体(质量M)及惯性体(质量m)分别用环氧树脂胶粘接在压电陶瓷的两侧,为增加胶层刚性,掺入少量氧化铝粉末。移动体与外壳之间间隙配合,惯性体与外壳之间不接触,压电陶瓷与驱动电源连接,移动体上有密封圈,外壳与玻璃微针密封胶接,玻璃微针由毛细玻璃管在玻璃拉针器上拉制,其内径d可以细小到μm级尺寸。由于当流动的特征尺度减小到μm级时,管道的表面积/体积比大大增加,表面效应明显会在流体流动中起主要作用,毛细阻力成为明显力,由流体静力学理论,如果满足下式:

　　其中方程左边略小于右边,则液体尚未有充足的压力克服毛细阻力从针尖中挤出。但接近挤出的临界状态。

　　Q为压电陶瓷质量(kg)

　　S为移动体的面积(m2)

　　σ为水的表面张力(N/m)

　　P0为标准大气压强,P0=10 330(kg/m2)

　　d为针孔内径(μm)

　　R为移动体上密封圈与外壳之间摩擦力(kg)当驱动电源对压电陶瓷施加图1b所示波形的电荷时,通过压电陶瓷充放电产生的加速度使移动体产生向一个方向的精密步进运动,具体移动过程如下: