全自動(dòng)液體工作站移液模塊設(shè)計(jì)與分析

(1.廣東順德工業(yè)設(shè)計(jì)研究院(廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院)，佛山 528000；2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510000；3.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 佛山 528000)

隨著快速疾病檢測、基因測序、高通量生物制藥等領(lǐng)域的快速發(fā)展，人們需要在短時(shí)間內(nèi)處理大量的液體生物樣本，傳統(tǒng)手段多采用手動(dòng)處理成本高、耗時(shí)長，且在樣本處理過程中，人工操作易引發(fā)樣本污染導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)不可靠，因此樣本處理的全自動(dòng)化操作代替繁瑣的人工勞動(dòng)已成為生物、醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國內(nèi)外雖已有此類產(chǎn)品的應(yīng)用，但價(jià)格和耗材成本高，維修成本無法控制，更由于其程序設(shè)計(jì)復(fù)雜無法滿足客戶的定制化需求服務(wù)，局限了類似儀器在國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

由于大量液體樣本處理需要全自動(dòng)化，需要開發(fā)出全自動(dòng)液體處理工作站，本研究基于液體處理工作站的功能和使用要求，通過對液體處理的工作原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出一種能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝脫槍頭、吸液、移液和排液的八通道移液模塊。

1 移液模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移液運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是全自動(dòng)液體工作站完成移液工作的硬件基礎(chǔ)，在運(yùn)動(dòng)過程中移液模塊需要平穩(wěn)、快速移動(dòng)到相應(yīng)位置完成樣品吸取、平移和排液等操作，因此需要一個(gè)支撐移液器模塊運(yùn)動(dòng)的三維機(jī)械臂。本設(shè)計(jì)的移液運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用笛卡爾坐標(biāo)系式機(jī)械臂，如圖1所示，在X和Y軸上均安裝有電機(jī)、直線導(dǎo)軌、同步帶輪和限位器等，移液模塊作為機(jī)械臂的Z軸通過安裝板、滑塊搭載在Y軸機(jī)械臂上，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，通過同步帶傳動(dòng)沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)可以準(zhǔn)確到達(dá)工作站的任意位置[1]。

圖1 三維機(jī)械臂 1.移液模塊； 2. Y軸機(jī)械臂 ； 3.X軸橫梁

1.1 移液模塊整體設(shè)計(jì)

圖2 移液模塊整體結(jié)構(gòu)圖

移液模塊作為機(jī)械臂的Z軸，既需要完成在工作站內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，又要保證移液的精度，如圖2所示。該模塊的整體結(jié)構(gòu)主要由基座組件，脫槍頭組件和移液器三部分組成?；M件由基板、導(dǎo)向部件、傳動(dòng)部件和電路板等組成，導(dǎo)向部件選用雙滾珠線線性導(dǎo)軌，并以左側(cè)導(dǎo)軌為基準(zhǔn)，且在底板上加工有側(cè)向定位面以提高安裝精度；傳動(dòng)部件選用滾珠絲杠螺母組合，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精度高；電機(jī)選用型號為EA42-05-010的步進(jìn)電機(jī)，其為滾珠絲杠一體的加厚電機(jī)；脫槍頭組件與電機(jī)通過絲杠螺母連接并且固定在直線導(dǎo)軌滑塊上，移液器與脫槍頭組件固定連接，通過在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下脫槍頭組件和移液器可沿線性導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，為防止其在運(yùn)動(dòng)過程中超出行程，在導(dǎo)軌兩端均裝有限位U型光電傳感器，并且以上端傳感器為定位原點(diǎn)[2]。

如圖3所示，脫槍頭組件由滑塊連接板、直線推力電機(jī)、支撐軸、固定塊和脫槍頭板等組成，實(shí)現(xiàn)與移液器的固定和脫槍頭目的。支撐板通過4根支撐軸與滑塊連接板固定，固定塊通過螺絲固定在支撐板上，移液器通過固定塊內(nèi)圈鎖緊實(shí)現(xiàn)與支撐板固定；連接軸與直線推力電機(jī)軸通過螺紋連接固定，并通過塑料軸承精密配合防止其在移液器安裝管內(nèi)搖晃，連接軸端部與移液器活塞推桿通過磁鐵連接。脫槍頭板通過兩個(gè)直線軸承在電機(jī)帶動(dòng)下可以在后排支撐軸上下移動(dòng)，左右兩個(gè)推桿通過螺絲固定在脫槍頭板上并穿過軸套和固定板來限位，推動(dòng)移液器達(dá)到脫槍頭目的，脫槍頭板上裝有鋁合金擋片，可以結(jié)合U型光電傳感器實(shí)現(xiàn)吸排液和脫槍頭的定位原點(diǎn)[3]。

圖3 脫槍頭組件結(jié)構(gòu)圖

1.2 移液器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移液器作為移液模塊的核心部件，承擔(dān)著精準(zhǔn)吸液和排液的工作。本設(shè)計(jì)利用空氣置換原理設(shè)計(jì)八通道活塞式移液器，量程為200mL，如圖4所示。移液器由8個(gè)單通道移液器平行放置，活塞采用耐腐蝕、耐磨性好的陶瓷材料(氧化鋯)，通過軸襯將活塞固定在活塞架上，套筒通過螺紋連接安裝在套筒架上，與直線推力電機(jī)軸端固定的連接軸的軸端裝有釹鐵硼永磁體與活塞桿連接，通過電機(jī)帶動(dòng)活塞桿從而推動(dòng)8個(gè)活塞在各自套筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)完成吸排液。在吸排液過程中為防止活塞與套筒不在同一直線上，故對稱設(shè)置了兩個(gè)導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿上下端分別連接安裝管固定件和套筒架，活塞架與導(dǎo)向桿之間裝有自潤滑塑料滑動(dòng)軸承，減少活塞架與導(dǎo)向桿之間的摩擦；當(dāng)圖3中的推桿向下推動(dòng)過程中，外殼沿導(dǎo)向銷向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)脫槍頭動(dòng)作，由于外殼與安裝管固定件之間裝有彈簧，當(dāng)推桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí)外殼在彈簧作用下回復(fù)到原狀態(tài)。

圖4 移液器結(jié)構(gòu)圖

圖5 活塞剖面圖

移液器的密封效果直接影響樣品吸排液的精度，主要由移液槍頭與套筒的密封和活塞與套筒的密封決定。移液槍頭與套筒的密封在本次設(shè)計(jì)中是套筒端部裝有一個(gè)O型圈，當(dāng)槍頭壓入套筒端部時(shí)O型圈發(fā)生變形，增加了密封效果，同時(shí)也增大了槍頭與套筒端部的摩擦力，防止在運(yùn)動(dòng)過程中槍頭脫落；活塞與套筒之間密封如圖5所示，塑料套通過套筒端部螺紋固定在套筒架上，活塞與塑料套內(nèi)圈緊密接觸，并且塑料套內(nèi)圈在多次磨損后，在彈性圈的壓力下可以自動(dòng)變形補(bǔ)償使其與活塞始終保持緊密接觸。

1.3 移液模塊操作流程

儀器啟動(dòng)后，第一步，步進(jìn)電機(jī)和直線推力電機(jī)先根據(jù)傳感器復(fù)位到定位原點(diǎn)；第二步，在EA42-05-010步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)整個(gè)脫槍頭組件和移液器向下運(yùn)動(dòng)，移液器套筒端部通過擠壓摩擦安裝一次性槍頭；第三步，直線推力電機(jī)帶動(dòng)移液器活塞桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，套筒內(nèi)壓強(qiáng)低于外界壓強(qiáng)，液體進(jìn)入移液槍頭完成吸液；第四步，當(dāng)放液或分液時(shí)直線推力電機(jī)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)定位原點(diǎn)時(shí)槍頭內(nèi)液體已排空；第五步，直線推力電機(jī)繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，回到定位原點(diǎn)，然后繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)推動(dòng)移液器外殼，從而使外殼底端擠壓槍頭實(shí)現(xiàn)脫槍頭動(dòng)作。第六步，直線推力電機(jī)向上運(yùn)動(dòng)回到定位原點(diǎn)，移液器在彈簧力作用下回復(fù)原位。

2 移液模塊電控設(shè)計(jì)

EA42-05-010步進(jìn)電機(jī)選用絲桿一體加厚電機(jī)，步距角為1.8°，在不細(xì)分情況下，控制電路板發(fā)送200個(gè)脈沖信號電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，絲杠螺母副導(dǎo)程為10.16mm，步長為0.0508mm/step，低速時(shí)最大推力可以保持在180N，滿足移液器套筒端部同時(shí)裝脫8個(gè)槍頭的推力要求。

直線推力電機(jī)選用HA-12-A01步進(jìn)電機(jī)，為了提高移液的精確度，同時(shí)考慮電機(jī)本身性能屬性和電控因素，將該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為4細(xì)分，控制電路板給電機(jī)發(fā)送800個(gè)脈沖信號電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，導(dǎo)程1.5875mm，步長為0.0079375mm/step，低速時(shí)最大推力可以保持在120N，滿足移液器8個(gè)活塞吸排液精度和推力要求。

圖2中的限位傳感器和圖3中的傳感器均為U型光電傳感器，當(dāng)擋光片遮擋住傳感器的凹槽中的光路通道時(shí)，此時(shí)傳感器反饋一個(gè)相反的電平信號給控制電路板，以此作為定位原點(diǎn)[4]。

3移液模塊精度測量與分析

樣機(jī)如圖6所示，八通道之間誤差主要由套筒與活塞、移液槍頭之間的密封性決定；各通道理論數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)之間誤差主要由套筒與活塞、移液槍頭密封性，活塞和套筒加工精度和活塞磨損情況決定。在檢驗(yàn)此移液模塊的移液精度時(shí)，設(shè)計(jì)上采用測試移液器各通道吸液體積理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)差異的方法。

首先在室溫25℃下選用蒸餾水作為測量介質(zhì)，用密度計(jì)測得蒸餾水的試劑密度ρ，選用潔凈干燥的移液槍頭8個(gè)，稱各個(gè)槍頭的質(zhì)量m1,通過計(jì)算電機(jī)的步數(shù)得到活塞運(yùn)動(dòng)距離L, 每個(gè)槍頭內(nèi)蒸餾水樣本理論體積為LS(S-活塞管橫截面積)，用電子天平測得每個(gè)槍頭和吸取蒸餾水的總質(zhì)量m2，實(shí)際蒸餾水樣本體積m2-m1/ρ。

如表1所示，在實(shí)驗(yàn)中分別給直線推力電機(jī)指定旋轉(zhuǎn)圈數(shù)吸液，共10次，每一次通過上述計(jì)算公式，得出八通道各通道的吸液理論體積和實(shí)測體積數(shù)據(jù)，計(jì)算得出差值B, 并得出圖7的對比曲線，通過分析差值和對比曲線的貼合度，顯示此移液模塊吸液實(shí)測體積接近理論體積，誤差很小，并且計(jì)算每一次的CV值，表明此200μL移液模塊在吸液體積70～150μL時(shí)，具有很高的吸液精度。

表1 吸液體積理論數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)

序號電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)理論體積數(shù)據(jù)(μL)實(shí)測體積數(shù)據(jù)(μL)#1#2#3#4#5#6#7#8實(shí)測體積數(shù)據(jù)(μL)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值(%)K1B10.36.9485.85.46.66.16.45.95.96.56.950.415336.980419.833-3.32720.5212.04321110.910.110.910.710.710.710.610.63750.259812.442420.457-2.70330.613.89612.81312.913.212.713.513.112.712.98750.257091.979521.646-1.51441.125.47624.324.823.124.924.624.724.724.924.46250.559022.285222.239-0.92151.3431.034429.629.330.529.529.529.629.630.329.73750.396671.333922.192-0.95862.148.63647.548.64948.348.948.547.148.248.26250.618341.281222.982-0.17873.171.79672.272.372.472.272.171.671.671.972.03750.286960.398323.2380.077984.194.95696.896.89595.796.695.795.497960.705340.734723.4150.254695.1118.116118.4118.2119.3119.2118.2119.2118.2119.4118.76250.519460.437423.2870.1268106.45149.382149.8150.9149.6150.6150.6150.3150.7150.6150.36250.428480.28523.3120.152實(shí)測數(shù)據(jù)K的平均值22.26-0.9理論數(shù)據(jù)K=23.16 K1=實(shí)測數(shù)據(jù)/電機(jī)圈數(shù) B=K1-K CV值(%)=標(biāo)準(zhǔn)偏差/實(shí)測體積數(shù)據(jù)?100

圖6 移液模塊實(shí)物圖

圖7 吸液體積理論與實(shí)測數(shù)據(jù)對比曲線

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的新型移液模塊的移液器是基于空氣置換原理設(shè)計(jì)的八通道移液結(jié)構(gòu)，與脫槍頭組件結(jié)合全自動(dòng)完成裝脫槍頭和高精度吸排液。通過樣機(jī)進(jìn)行蒸餾水吸液實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證此新型移液模塊設(shè)計(jì)的可行性。