基于ARM的全自動(dòng)固相萃取儀設(shè)計(jì)

張冰洋，武 力

(1.中南民族大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心，武漢 430074；2.中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

樣品前處理是食品安全分析檢測過程的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，樣品前處理好壞與否，將對(duì)檢測結(jié)果造成直接影響，樣品前處理是制約檢測速度、準(zhǔn)確度和靈敏度的瓶頸問題[1]。固相萃取相對(duì)離心、透析、蒸餾、沉淀、過濾、索氏提取等[2]，具有樣品轉(zhuǎn)移少、蒸發(fā)少、污染小、選擇性強(qiáng)、分離時(shí)間短、使用有機(jī)溶劑少、回收率高、重現(xiàn)性好等特點(diǎn)，能夠有效將分析物與干擾組分分離，是目前迅速發(fā)展的樣品分析前處理技術(shù)[3]。固相萃取廣泛應(yīng)用于食品安全檢測實(shí)驗(yàn)室，萃取操作大部分采用手工萃取裝置，難以實(shí)現(xiàn)食品分析檢測要求的高通量、高效率，難以達(dá)到快速、高效、準(zhǔn)確的要求。本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)固相萃取儀能夠把分析檢測人員從復(fù)雜繁瑣的重復(fù)勞動(dòng)中解放出來，且能夠?qū)崿F(xiàn)樣品的高通量、高效率處理，實(shí)現(xiàn)固相萃取的自動(dòng)化、智能化。

1 固相萃取儀基本工作原理

1.1 樣品前處理中的固相萃取法

固相萃取（Solid Phase Extrtaction,SPE）是近年來國外新開發(fā)的一種樣品前處理技術(shù)，由液固相萃取和柱液相色譜技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而來，主要用于目標(biāo)化合物的分離、純化和濃縮。SPE是一個(gè)包括液相和固相的物理萃取過程，在SPE過程中，固相對(duì)分析物的吸附力大于樣品母液，當(dāng)樣品通過SPE柱時(shí)，分析物被吸附在固體表面，其他組分則隨樣品母液通過柱子，最后用適當(dāng)?shù)娜軇⒎治鑫锵疵撓聛怼PE操作一般有六步，分別是樣品前處理（這一步不包括在SPE過程中）、SPE溶劑活化、SPE助平衡、樣品加入、沖洗填料、洗脫感興趣的化合物。

1.2 全自動(dòng)固相萃取儀萃取功能實(shí)現(xiàn)

全自動(dòng)固相萃取儀通過三維機(jī)械臂和高精度蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)固相萃取的自動(dòng)化。三維機(jī)械臂由X軸載動(dòng)系統(tǒng)、Y軸載動(dòng)系統(tǒng)和Z軸升降系統(tǒng)組成。其中Z軸升降裝置上固定有12跟取樣針管，針管與多通道蠕動(dòng)泵上的12跟硅膠管相連；Z軸升降系統(tǒng)固定在X軸載動(dòng)系統(tǒng)的滑塊上，在滑塊的帶動(dòng)下，取樣針管可運(yùn)動(dòng)到儀器背板各個(gè)溶劑盒上方；Y軸載動(dòng)系統(tǒng)可來回推進(jìn)固相萃取小柱支架，使其能夠在廢液搜集池和回收試管上方運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)通過機(jī)械臂的三維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)固相萃取的活化、平衡、上樣、淋洗、洗脫過程中的定位，通過蠕動(dòng)泵泵液實(shí)現(xiàn)過柱樣品和溶劑的添加。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用SolidWorks 2012三維軟件對(duì)全自動(dòng)固相萃取儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)固相萃取儀機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

全自動(dòng)固相萃取儀控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三軸載動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制和蠕動(dòng)泵的泵液控制，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)采用ARM9和Cortex-M3內(nèi)核微處理器構(gòu)成的上下位機(jī)架構(gòu)，控制核心分別為S3C2440和STM32F103RBT6。上位機(jī)采用Micro2440開發(fā)板，搭載嵌入式WinCE操作系統(tǒng)，基于WinCE設(shè)計(jì)系統(tǒng)的操控軟件，控制取樣蠕動(dòng)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)并通過數(shù)據(jù)接口和下位機(jī)進(jìn)行通訊，發(fā)送操控指令。與下位機(jī)連接的硬件模塊包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、電源模塊等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)載動(dòng)系統(tǒng)和升降系統(tǒng)的電機(jī)，光電傳感器用于載動(dòng)系統(tǒng)和升降系統(tǒng)原點(diǎn)控制。

圖2 全自動(dòng)固相萃取儀控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 電源設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)硬件模塊不同，所需的電壓也不同。系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電傳感器、單片機(jī)的工作電壓分別為24V、24V和3.3V。其中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和光電傳感器直接采用開關(guān)電源24V輸出端供電，采用ASM1117-3.3將開關(guān)電源的5V輸出端轉(zhuǎn)為3.3V電壓給單片機(jī)供電。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇東芝公司的THB6064H，驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。THB6064H內(nèi)部集成了續(xù)流二極管，不需要外接肖特基二極管來泄放繞組電流，2相輸出端口OUTA和OUTB直接與步進(jìn)電機(jī)相連，選用0.25歐姆，2W的大功率電阻連接至A、B兩相的電流檢測端NFA、NFB。為解決步進(jìn)電機(jī)低頻振動(dòng)大、噪聲大的問題[4]，采用了細(xì)分方式[5]，通過M1、M2、M3外接撥碼開關(guān)來設(shè)定不同的細(xì)分值，最多設(shè)置64細(xì)分[6]。

3.3 光電傳感器檢測模塊設(shè)計(jì)

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

為了對(duì)載動(dòng)系統(tǒng)和升降系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和零點(diǎn)控制，采用槽形光EE-SX670，將其安放在X軸、Y軸與Z軸的零點(diǎn)位置。EE-SX670擁有50到100mA的開關(guān)能力，采用NPN輸出模式，反應(yīng)頻率高達(dá)1KHz。由于電源存在沖擊電壓，在EESX672的電源輸入端和地之間需要并聯(lián)一個(gè)耐壓值30V～35V的齊納二極管和0.01uF的電容吸收沖擊電壓。為了使傳感器的輸出信號(hào)穩(wěn)定，輸出端外接一個(gè)4.7千歐的、0.5W的電阻上拉至24V電源端。STM32的每個(gè)IO都可以作為中斷輸入，EE-SX670的輸出信號(hào)需要給STM32的外部中斷端口，而STM32的IO輸入電壓為3.3V，所以EE-SX670的輸出信號(hào)需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后才能連接到STI32的IO端口，檢測電路如圖4所示。

圖4 位置檢測電路

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件與硬件電路緊密結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)對(duì)全自動(dòng)固相萃取儀的控制。本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)固相萃取儀是集計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制與實(shí)時(shí)性狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析于一體的自動(dòng)化系統(tǒng)，要求系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的處理人機(jī)界面發(fā)出的指令請求，實(shí)時(shí)處理收發(fā)數(shù)據(jù)，提供友好的操控界面?；谝陨弦螅鞠到y(tǒng)采用Windows CE6.0作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行了適當(dāng)?shù)摹安眉簟?，采用Visual Studio 2005開發(fā)應(yīng)用軟件。控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)和三軸運(yùn)動(dòng)和蠕動(dòng)泵控制軟件設(shè)計(jì)。

根據(jù)固相萃取操作的工作流程，系統(tǒng)軟件提供手動(dòng)操作模式和編程模式。手動(dòng)操作通過觸摸屏按鍵完成進(jìn)樣針管的定位和蠕動(dòng)泵流量的校準(zhǔn)，全自動(dòng)操作用戶設(shè)定固相萃取的流程，由儀器完成固相萃取操作，并且可以對(duì)不同樣品的萃取方案進(jìn)行保存和加載。兩種模式的下的軟件設(shè)計(jì)流程圖分別如圖5和圖6所示。

兩種模式都要求準(zhǔn)確控制X軸載動(dòng)裝系統(tǒng)、Y軸載動(dòng)系統(tǒng)和Z軸升降系統(tǒng)的定位和蠕動(dòng)泵的泵液量。系統(tǒng)三個(gè)載動(dòng)軸的定位采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過STM32的定時(shí)器TIM來產(chǎn)生PWM信號(hào)，輸出到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片上驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，蠕動(dòng)泵的控制則通過上位機(jī)的串行通信接口實(shí)現(xiàn)。三軸運(yùn)動(dòng)和蠕動(dòng)泵控制軟件流程如圖7所示。

圖5 手動(dòng)模式軟件流程圖

圖6 編程模式程序流程圖

圖7 三軸運(yùn)動(dòng)和蠕動(dòng)泵控制軟件流程

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用三聚氰胺HPLC-UV方法對(duì)三聚氰胺進(jìn)行檢測的過程中，采用儀器進(jìn)行樣品的凈化處理，用儀器對(duì)樣品進(jìn)行萃取凈化后，對(duì)搜集液用50℃的氮?dú)獯蹈桑?0%的甲醇水溶液進(jìn)定容至2ml，用HPLC（高效液相色譜法）進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示通過全自動(dòng)固相萃取儀所獲得的數(shù)據(jù)從回收率和標(biāo)準(zhǔn)偏差方面都滿足要求（如表1所示）。

表1 添加回收結(jié)果

6 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)固相萃取儀采用SolidWorks三維軟件對(duì)儀器機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用ARM9和Cortex-M3雙核架構(gòu)，基于Windows CE6.0嵌入式操作系統(tǒng)用Visual Studio 2005進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)樣品的高通量、高效率處理，實(shí)現(xiàn)固相萃取的自動(dòng)化、智能化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能很好的用于自動(dòng)化分析檢測樣品前處理的場合，具有很好的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

[1]李夢歌.樣品前處理的研究進(jìn)展[J].分析與檢測,2011,(11)：28-29.

[2]劉大星,付留杰,趙懷龍.食品安全檢測前處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志,2012,22(4)：942-944.

[3]孫海紅,錢葉苗,宋相麗,等.固相萃取技術(shù)的應(yīng)用于研究新進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工,2011,31(2)：21-22.

[4]韓全立,王宏穎.基于數(shù)控機(jī)床中步進(jìn)電機(jī)的選用.制造業(yè)自動(dòng)化,2010(03).

[5]馮志華.步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行精度分析及細(xì)分電路的合理使用.微電機(jī),1995(04).

[6]幸坤濤.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器THB6064H及其應(yīng)用.電子世界,2010,(12).