全自動生化分析儀的快速精準(zhǔn)穩(wěn)定加樣機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李少敏，張興偉，盧新建，趙永杰，龐文裕

（1.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東 汕頭 515063；2.汕頭大學(xué)第二附屬醫(yī)院，廣東 汕頭 515041；3.廣東省智行機(jī)器人科技有限公司，廣東 佛山 528226）

0 引言

在臨床醫(yī)學(xué)診斷時，常常對血常規(guī)、膽固醇、葡萄糖、尿酸、轉(zhuǎn)氨酶、尿素氮、白蛋白、免疫球蛋白等人體生化指標(biāo)進(jìn)行檢測[1]，通過觀測這一系列人體體液指標(biāo)特征，從而確定肌體組織是否發(fā)生病變，進(jìn)而對病人的病情做出判斷、治療以及治愈后健康狀態(tài)的跟蹤調(diào)查.由于傳統(tǒng)的檢測需要醫(yī)生手動完成加樣、加試劑、混合、去干擾物、保溫、檢測、計(jì)算等一系列既繁瑣又緩慢的流程，并且在操作中會引入較大的誤差，而自動生化儀誕生以來既在一定程度上減少了手工操作產(chǎn)生的誤差，提高了檢測的準(zhǔn)確性，又為醫(yī)務(wù)人員提供了更精確、更全面的信息[2-4]，因此廣受各種醫(yī)療、科研機(jī)構(gòu)青睞.隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)和各種生化技術(shù)的進(jìn)步，全自動生化儀應(yīng)運(yùn)而生.全自動生化分析儀（Automatic Biochemical Analyzer）作為用于臨床檢驗(yàn)的體外診斷定量分析儀，它能快速進(jìn)行肝功能、腎功能、血糖、血脂等常規(guī)生化指標(biāo)的檢測，對疾病的診斷、治療和預(yù)后及健康狀態(tài)提供信息依據(jù)，為臨床疾病診斷提供準(zhǔn)確的判斷[5].從檢測試劑被放在試劑盤上開始，經(jīng)過加樣、分析、取樣、再加樣等一系列操作直到最后打印結(jié)果為止，均由儀器自動加載完成，極大地便利了醫(yī)學(xué)檢測流程.加樣精度與速度是影響高速高精度全自動生化檢測的關(guān)鍵因素.生化檢測項(xiàng)目較多，且對檢測結(jié)果的精度要求較高，加樣數(shù)據(jù)的采集、輸入、分析與輸出是決定全自動生化儀檢測精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6].當(dāng)加樣速度較低時，全自動生化儀容易得到準(zhǔn)確的生化檢測結(jié)果；而當(dāng)加樣速度提升時，加樣針將產(chǎn)生晃動，從而導(dǎo)致加樣運(yùn)動不平穩(wěn).同時加樣速度加快將影響加樣精度的準(zhǔn)確性，會減少樣品加樣量和試劑吸取量，使加樣精度的準(zhǔn)確性降低，由于目前全自動生化分析儀樣本試劑反應(yīng)量都在微升量級，加樣精度的降低將造成測量結(jié)果的偏差，甚至出現(xiàn)假陽性[7].此外，全自動生化儀使用了較長一段時間之后，本機(jī)濃縮洗液較初始階段洗液用量會明顯減少，這將導(dǎo)致試劑針、樣本針清洗不干凈而產(chǎn)生交叉污染，并進(jìn)一步致使反應(yīng)杯清洗不干凈引起檢測結(jié)果不準(zhǔn)確[8].因此，開展生化分析儀加樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，針對樣品吸取、試劑吸附、清洗以及加樣針精準(zhǔn)的微量加樣控制進(jìn)行深入研究，以確保加樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)定輸入與輸出和提高生化儀檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，在學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用兩方面都具有重要的價值.

降低生化儀的最小加樣精度是目前提高生化檢測加樣速度與精度的重要方法.為了節(jié)約試劑、降低醫(yī)療成本，同時加快儀器的分析測試速度，生化儀的加樣量也在不斷降低.國外相關(guān)研究領(lǐng)域?qū)ι瘍x微量加樣控制進(jìn)行了深度研發(fā)，使其最小加樣量被不斷刷新，從1 mL到100 μL、10 μL再到如今的1 μL，對微量加樣的最小值要求越來越高[9].如Beckman公司在CX系列和Olympus公司在AU系列的全自動生化分析儀上的注射泵在其控制系統(tǒng)的驅(qū)動下加樣最小精度可達(dá)1 μL.當(dāng)標(biāo)本、試劑加入量較少并且試劑加樣注射器使用時間較長時，其測定結(jié)果的變異系數(shù)隨著時間的延長逐漸變大[10]，使生化檢測結(jié)果產(chǎn)生誤差.而法國的Pulssa科技公司生產(chǎn)的微量注射泵在行程測量下，理論加樣精度可突破1 μL，實(shí)現(xiàn)1 μL到1 mL范圍的加樣，在其完善的控制系統(tǒng)的驅(qū)動下，實(shí)際加樣最小值變異系數(shù)小于1%，允許誤差已小于2%[11]，大幅度降低了變異系數(shù)帶來的影響.國內(nèi)相關(guān)研究發(fā)展較晚，近年來長春光機(jī)所、深圳邁銳、上?？迫A等企業(yè)，都相繼研制出功能完善、工作效率高、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全自動生化分析儀，在一定程度上打破了國際上日本、德國和美國等生化分析儀公司在中國市場的壟斷局面[11-12]，但目前國內(nèi)生化分析儀最小加樣量還在5 μL左右，試劑消耗量較大，且控制精度不夠高，穩(wěn)定性和可靠性還較差[13]，相較國際先進(jìn)水平尚存在一定的差距.為進(jìn)一步研發(fā)具有高精度微量控制的全自動生化儀，需要攻克影響其性能提升的諸多技術(shù)問題，其中就包括與生化儀微量加樣模塊相協(xié)同配合的加樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題.

本文設(shè)計(jì)了一款快速、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的生化分析儀加樣系統(tǒng)，加樣系統(tǒng)包含機(jī)械傳動、光電編碼盤定位、液面檢測與防撞警報、微量加樣以及加樣針清洗五個模塊.本文設(shè)計(jì)的加樣系統(tǒng)可精確控制加樣針插入試劑或樣本的深度，在滿足高精度微量加樣控制的基礎(chǔ)上，保證了加樣系統(tǒng)的穩(wěn)定傳動和精確定位，有效增強(qiáng)了加樣針運(yùn)動的準(zhǔn)確性和樣本試劑量的正確性，以及對一次性加樣針的徹底清洗，極大地降低了交叉感染的概率.本文的工作致力于改善國產(chǎn)醫(yī)療器械的性能提升其在國際市場上的競爭力.

1 全自動生化分析儀加樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 全自動生化儀的工作原理

生化分析儀是將患者的末梢全血直接加在特定載體（生化試劑板）上，以標(biāo)本中的水為溶劑，使血液中的預(yù)測成分與生化試劑板反應(yīng)面上固化試劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，儀器再根據(jù)不同濃度的被測成分所產(chǎn)生有色產(chǎn)物的差異，通過反射光度法進(jìn)行生化檢測與分析.生化分析儀通過模仿手工操作的儀器來完成生化分析中的取樣、加試劑、去干擾物、混合、保溫、比色、結(jié)果計(jì)算、書寫報告和清理等部分或全部步驟.它可進(jìn)行定時法、連續(xù)監(jiān)測法等各種反應(yīng)類型的分析測定，具有快速、簡便、靈敏、準(zhǔn)確、標(biāo)準(zhǔn)化、微量等特點(diǎn)[14].

1.2 全自動生化分析儀加樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

生化分析儀的加樣機(jī)構(gòu)主要由加樣針、吸液臂、連接管路、負(fù)壓泵，去離子水循環(huán)泵，酸堿清洗池，清洗池，反應(yīng)杯等裝配而成，其中加樣針安裝在吸液臂上.通過這一系列的器件組裝而成的加樣系統(tǒng)在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下完成吸液、注射及清洗操作的同時，還具有液面檢測和防撞警報作用[15-16]，其主要用途是從樣本盤和試劑盤中吸取樣本和試劑，輸送至反應(yīng)杯使兩者進(jìn)行生化反應(yīng)，然后通過光電編碼盤對反應(yīng)物進(jìn)行光學(xué)比色，進(jìn)而分析測試結(jié)果[16-17].

為了實(shí)現(xiàn)更快速、更精準(zhǔn)的微量加樣控制，本文設(shè)計(jì)了一款主要由機(jī)械傳動模塊、光電編碼盤定位模塊、液面檢測與防撞警報模塊、微量加樣模塊以及加樣針清洗模塊五個部分組成的加樣系統(tǒng)，以保證全自動生化儀的生化檢測性能.各模塊功能如下：

（1）機(jī)械傳動模塊為整個加樣機(jī)械系統(tǒng)提供運(yùn)動基礎(chǔ)和動力；

（2）光電編碼盤定位模塊對加樣針的水平運(yùn)動進(jìn)行定位，保證加樣針運(yùn)動的準(zhǔn)確性；

（3）液面檢測與防撞警報模塊精確控制加樣針插入試劑或樣本的深度，防止出現(xiàn)“空吸”和“撞針”等現(xiàn)象，并對意外撞針事故進(jìn)行急停和警報處理；

（4）微量加樣模塊精密控制試劑與樣本的吸液和加液量，確保反應(yīng)的試劑樣本量正確；

（5）加樣針清洗模塊為完成一次加液操作的加樣針進(jìn)行徹底清洗，防止出現(xiàn)交叉感染，影響檢測精度.

2 加樣系統(tǒng)五大模塊設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械傳動模塊分析與設(shè)計(jì)

2.1.1 吸液臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在機(jī)械傳動模塊中，吸液臂作為主要傳動部件，需要吸取、轉(zhuǎn)移和注射樣品或試劑.其運(yùn)動精度對加樣針的吸樣、加樣和清洗可造成直接的影響.為使吸液臂完美契合機(jī)械傳動模塊，吸液臂結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下四個設(shè)計(jì)要求：首先，為了保證吸液臂能夠滿足于機(jī)械傳動模塊的設(shè)計(jì)分析，應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)要求、實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，盡量減少機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)；其次，傳動的形式要合理，在滿足運(yùn)動功能的基礎(chǔ)上，合理選擇運(yùn)動副的類別、力矩傳遞方式和路徑，避免結(jié)構(gòu)運(yùn)動出現(xiàn)干涉、死點(diǎn)等問題[18-19]；再次，在確保零部件裝配合理的基礎(chǔ)上，需要簡化結(jié)構(gòu)，有利于節(jié)約空間，提高利用率，同時也能進(jìn)一步加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；最后，要具備較高的穩(wěn)定性和安全性.全自動生化分析儀是完全代替手工全自動工作的，必須嚴(yán)格確保系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和安全性，避免出現(xiàn)撞針、運(yùn)動干涉卡死等現(xiàn)象，另外還需要配備檢測液體液量的傳感器、報警裝置和急停裝置等，如發(fā)生上述情況應(yīng)及時發(fā)出警報并停止工作.

基于吸液臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)吸液臂空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案如圖1所示.在該機(jī)構(gòu)中，吸液臂主要實(shí)現(xiàn)兩個功能：一是在水平面上驅(qū)動加樣針運(yùn)動到工作位置；二是驅(qū)動加樣針在豎直平面內(nèi)，下降到液面以下位置進(jìn)行吸液，然后上移，再進(jìn)行下一步工作.

圖1 吸液臂空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案簡圖

水平面上采用同步帶傳動驅(qū)動加樣針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動主動輪，通過同步帶帶動固定在豎直軸的從動輪，從而可帶動擺桿和加樣針轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為加樣針的圓周運(yùn)動.

而豎直面選擇電機(jī)—同步帶輪—同步帶—皮帶輪傳動方式為設(shè)計(jì)方案，其升降往復(fù)運(yùn)動由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，經(jīng)由導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向后，轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)，以滿足經(jīng)濟(jì)性、平穩(wěn)性、效率及精度等方面的要求.本設(shè)計(jì)采用花鍵軸作為吸液臂豎直面的傳動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，相較直線導(dǎo)軌，花鍵軸具有高度的靈敏性，能大幅度提升負(fù)載能力，適用于振動沖擊負(fù)荷作用過大、定位精度要求高、以及需要高速運(yùn)動性能的環(huán)境[20].花鍵軸的外形如圖2.

圖2 花鍵軸

在吸液臂組件中，機(jī)架為其他元件（如步進(jìn)電機(jī)、光電開關(guān)等）提供安裝結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并且保護(hù)內(nèi)部運(yùn)動組件.為了確保其精密的尺寸精度要求和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特性，對其進(jìn)行三維設(shè)計(jì)建模如圖3（a），并加工實(shí)物如圖3（b）所示.

機(jī)架采用鋅合金壓鑄件，一體成型，具有高強(qiáng)度、高剛度特性.其主要平面的拔模斜度為0.5°，便于脫模[21].特別地，將電機(jī)安裝孔設(shè)計(jì)成可調(diào)橢圓孔，如圖4所示，可以調(diào)整裝配間隙，調(diào)節(jié)帶輪的圓心距以減小裝配誤差.可調(diào)整的水平同步帶輪之間的中心距范圍為61.5～65.5 mm，豎直同步帶輪之間的中心距范圍為157～166 mm.

2.1.2 步進(jìn)電機(jī)選擇與帶輪設(shè)計(jì)

為了滿足高精度檢測需求與良好穩(wěn)定的分析性能，選擇通過輸入脈沖信號實(shí)現(xiàn)精確定位運(yùn)行的步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)[22].對水平轉(zhuǎn)動的同步電機(jī)，選用步進(jìn)電機(jī)型號為：FL42STH47-1684A，其特點(diǎn)是：1.8°步距角，運(yùn)行頻率很高，價格較低.對豎直驅(qū)動的同步電機(jī)，選用步進(jìn)電機(jī)型號為：FL57STH56-2004A，特點(diǎn)為1.8°步距角，質(zhì)量穩(wěn)定，噪音小.

圖3 吸液臂機(jī)架三維建模和實(shí)物對照圖

圖4 機(jī)架橢圓孔特征

已知水平傳動機(jī)構(gòu)的主動輪ATP16MXL025-K-P3的齒數(shù)z1＝16，初設(shè)機(jī)構(gòu)的傳動比為i＝6，則從動大齒輪的齒數(shù)：

節(jié)徑：

豎直運(yùn)動的從動輪選用皮帶輪，直徑與ATP16MXL025-K-P3的外圓直徑（OD）9.84 mm相等，因此傳動比為1∶1.

根據(jù)水平、垂直傳動機(jī)構(gòu)的主從動輪中心距范圍，擬定水平和垂直同步帶輪機(jī)構(gòu)的中心距為63.5 mm和161.5 mm，主動輪節(jié)徑與從動帶輪直徑是10.35 mm，從動大齒輪節(jié)徑61.59 mm，根據(jù)帶輪周長公式：

式（3）中a為中心距，d1、d2是節(jié)徑，解得水平同步帶機(jī)構(gòu)的同步帶周長L1≈250.34 mm，L2≈355.52 mm.

查表知ATP16MXL025-K-P3的公稱寬度A為7.5 mm，選擇同步帶的公稱寬度為6.4 mm.

根據(jù)以上分析，選擇TBN123MXL025型號的同步帶用于水平同步帶機(jī)構(gòu)，選擇TBN175MXL025型號的同步帶用于豎直同步帶機(jī)構(gòu).

2.2 光電編碼盤定位模塊設(shè)計(jì)及計(jì)算

光電編碼器是目前應(yīng)用最多的測轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速的傳感器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器.光電編碼器由圓形碼盤（即光柵）和光電檢測裝置組成.通過在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔[23]形成光柵盤，即碼盤，碼盤盤上刻有環(huán)形透光和不透光的等間距狹縫，叫作碼道.檢測裝置由發(fā)光二極管等電子元件組成，旋轉(zhuǎn)軸與碼盤同軸同速旋轉(zhuǎn)，透過狹縫的脈沖信號經(jīng)檢測裝置進(jìn)行輸出，當(dāng)前旋轉(zhuǎn)軸的角度信息可以通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)來反映[24].

2.2.1 光電編碼盤定位模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)加樣過程中對運(yùn)動的精準(zhǔn)定位，以及水平運(yùn)動定位的精確性[25-26]，以保證光電編碼盤定位模塊需要有基本的定位方式和誤差校準(zhǔn)作用，本文選用如圖5所示的槽型光電傳感器，型號為OPB890T11Z[9-10].

圖5 槽型光電傳感器OPB890T11Z

在全自動生化分析儀整機(jī)結(jié)構(gòu)中，設(shè)定加樣針中心到豎直軸中心距離為155 mm.從圖6中可以看出機(jī)器整體布局中加樣針的幾個工作位置之間沒有位置規(guī)律，因此不能直接使用擁有等間距光柵形狀的光電編碼盤，反而應(yīng)設(shè)計(jì)出擁有固定角度缺口的編碼盤，如圖7（a）所示，從而呈現(xiàn)出對應(yīng)的縫隙，使得脈沖信號可以透過縫隙進(jìn)行輸出.因此，本文通過設(shè)計(jì)分析，進(jìn)行了擁有固定角度缺口的光電編碼盤實(shí)體建模，如圖 7（b）所示.

圖6 加樣針的幾個工作位置

2.2.2 誤差分析

水平傳動機(jī)構(gòu)中，大小齒輪齒數(shù)比為96∶16，傳動比z＝6∶1，為減速傳動.步進(jìn)電機(jī)每完成一步轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角度θ0＝1.8°，則大齒輪、花鍵軸及其上擺頭與加樣針繞中心軸轉(zhuǎn)動的角度θ[8]為：

圖7 光電編碼盤

以下計(jì)算每個定位過程的誤差.

（1）起始位到達(dá)加樣位，也就是比色杯待加樣的位置[7].

驅(qū)動電機(jī)需要完成的理論步數(shù)

相對誤差

式（6）中n1為理論所需步數(shù)，n’1為實(shí)際選取步數(shù).

偏移角度

偏移弧長

式中α為加樣針運(yùn)動軌跡的半徑，同理可得以下位置計(jì)算結(jié)果.

（2）起始位到達(dá)堿洗位.

n2＝169.47 步，δ2＝0.28%，θ2＝0.141°，?2≈0.381mm

（3）起始位到達(dá)水洗位.

n3＝264.47 步，δ3＝0.18%，θ3＝0.141°，?3≈0.381mm

（4）起始位到達(dá)采樣位.

n4＝336.07 步，δ4＝0.02%，θ4＝0.021°，?4≈0.057mm

（5）起始位到達(dá)試劑位1.

n5＝375.7 步，δ5＝0.08%， θ5＝0.09°， ?5≈0.243mm

（6）起始位到達(dá)試劑位2.

n6＝422.07 步，δ6＝0.02%，θ6＝0.021°，?6≈0.057mm

（7）起始位到達(dá)電解質(zhì)位.

n7＝688.73 步，δ7＝0.04%，θ7＝0.081°，?7≈0.219mm

由以上分析得知，加樣針的每個工作位置的基本定位誤差中，偏移弧長最大為0.381 mm＜1 mm（吸液臂的垂直運(yùn)動最大誤差[27-28）]，能達(dá)到較精準(zhǔn)的定位.

2.3 加樣針液面檢測與防撞警報模塊設(shè)計(jì)

如圖8所示，該檢測裝置通過震蕩與分頻電路傳遞信號至鎖相環(huán)電路，從而一方面控制加樣針內(nèi)外針管探入待轉(zhuǎn)移液體，另一方面及時傳遞信號給濾波與放大電路，與比較電路進(jìn)行電壓比較，進(jìn)而向主控板傳遞反饋信號，使蜂鳴器發(fā)出警報.

圖8 液面檢測裝置信號傳遞流程圖

而液面檢測（LLD）系統(tǒng)是通過精確控制加樣針探入待轉(zhuǎn)移液體的深度，有效地防止了因加樣針插入液面過深導(dǎo)致的針外表面液體附著量過多的現(xiàn)象，從而降低儀器的污染攜帶率.液面檢測系統(tǒng)傳感方式選用市場上絕大多數(shù)都采用的電容式液面?zhèn)鞲屑呻娐钒澹渫庑稳鐖D9.

圖9 液面檢測系統(tǒng)電路板

設(shè)計(jì)選用的加樣針利用電容式傳感原理，加樣針的結(jié)構(gòu)簡圖如圖10（a）所示，加樣針的針管部分是一個電容結(jié)構(gòu)，電容的兩極分別是內(nèi)外嵌套的兩個直徑不同的針管，兩個針管之間用絕緣材料隔開.當(dāng)加樣針針管剛剛接觸到液面時，內(nèi)針管的橫截面積突然變大，加樣針電容的電容值改變.根據(jù)測定加樣針電容的電容值確定加樣針插入液體的深度[21，29].另外在電容值出現(xiàn)突變的地方，就是加樣針剛好到達(dá)液面的時候，則可以通過計(jì)算得出此時的液面高度（液量），當(dāng)液量過低時，軟件界面則會顯示報警信息，提醒添加試劑或樣本.

圖10 加樣針針管

如圖11所示，防撞警報模塊由機(jī)械及電路兩部分組成.機(jī)械部分包括加樣針、擋片和彈簧.電路部分包括光電傳感器及分析模塊，其中電路部分被附帶在液面?zhèn)鞲屑呻娐飞?當(dāng)加樣針針尖在垂直方向運(yùn)動發(fā)生碰撞時，加樣針和擋片在彈簧的作用下向上提起，此時擋片從光電傳感器中間撤開，光電傳感器即可把檢測到的碰撞信號發(fā)送到主控板，再由主控板進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)度，停止操作同時控制板上的蜂鳴器發(fā)出聲音報警，以提醒處于現(xiàn)場的操作人員.碰撞急停經(jīng)過復(fù)位操作之后，可重新恢復(fù)工作.

圖11 碰撞警報觸發(fā)裝置

2.4 微量加樣控制模塊

微量加樣控制模塊的組成較簡單，包含加樣針、柱塞泵、電磁閥和液路管道等[12]，其連接圖如圖12所示.當(dāng)加樣針要吸取試劑時，控制系統(tǒng)控制電磁閥關(guān)緊形成閉路，同時負(fù)壓泵不通電，控制柱塞泵通電正向運(yùn)行，活塞桿下移，泵內(nèi)氣壓變小，從而加樣針吸液.控制柱塞泵步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)即可控制活塞缸的行程.

圖12 微量加樣控制模塊連接圖

2.5 清洗模塊設(shè)計(jì)

如圖13所示，加樣針清洗模塊的主要部件包括：負(fù)壓泵、電磁閥和清洗池等，通過管接線路相連形成清洗池主體的結(jié)構(gòu).

圖13 清洗模塊管路路線圖

從圖13（a）中可以得到清洗過程為：加樣針由傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動，到達(dá)酸堿清洗池，吸取酸堿清洗液，之后加樣針移動到清洗池，側(cè)面開口接去離子水源，在負(fù)壓泵與柱塞泵共同作用下，清洗加樣針內(nèi)外壁.

3 實(shí)驗(yàn)仿真與設(shè)備調(diào)試

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真

為了驗(yàn)證該加樣系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，在完成了加樣系統(tǒng)的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、光電編碼盤定位模塊、加樣針液面檢測與防撞警報模塊、微量加樣控制模塊以及加樣針清洗模塊之后，本文對加樣系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試.如圖14所示，將設(shè)計(jì)的模塊進(jìn)行配合仿真，從而驗(yàn)證加樣系統(tǒng)性能.

圖14 加樣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)

在驗(yàn)證了加樣系統(tǒng)的使用性能后，對加樣系統(tǒng)進(jìn)行吸液、注射和清洗的仿真操作.該機(jī)械傳動配合完善，且能保障加樣針的豎直運(yùn)動完成吸液以及水平運(yùn)動進(jìn)行注射的準(zhǔn)確操作.如圖15（a）所示為加樣針的吸液操作，如圖15（b）所示為加樣針的水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.

圖15 加樣系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備調(diào)試

將設(shè)計(jì)的加樣系統(tǒng)加工出實(shí)物之后，將其應(yīng)用于全自動生化分析儀中，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備調(diào)試.如圖16（a）所示為加樣系統(tǒng)吸液與注射實(shí)驗(yàn)測試，圖16（b）為酸堿洗和水洗實(shí)驗(yàn)測試.經(jīng)過完整地試驗(yàn)調(diào)試之后，該加樣系統(tǒng)在滿足樣品吸液量范圍為1～30 μL、0.1 μL步進(jìn)，試劑吸液量范圍為20～300 μL、1 μL 步進(jìn)條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)自動完成定量吸取和釋放樣本和試劑、清洗等操作.

圖16 加樣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

4 結(jié)論

本文根據(jù)生化儀所面臨的缺陷與阻礙，針對高速、高精且性能穩(wěn)定的全自動生化分析儀的需求，設(shè)計(jì)了一個包含機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)模塊、光電編碼盤定位模塊、加樣針液面檢測與防撞警報模塊、微量加樣控制模塊以及加樣針清洗模塊五個主要部分的加樣系統(tǒng).通過獨(dú)特的光電編碼盤設(shè)計(jì)使得該加樣系統(tǒng)不僅能夠進(jìn)行誤差校準(zhǔn)，從而使定位更加精準(zhǔn)，保證了加樣針運(yùn)動的準(zhǔn)確性；而且使光電編碼盤測量更加靈活，大幅度降低了光電編碼模塊產(chǎn)生的誤差.同時對加樣針采用電容式傳感原理與液面檢測系統(tǒng)相結(jié)合，使加樣針液面檢測與防撞警報設(shè)計(jì)模塊可以精確控制加樣針探入待轉(zhuǎn)移液體的深度，防止了加樣針外表面液體附著量過多的現(xiàn)象，降低了儀器的污染攜帶率.此外，通過電容突變來控制液面高度，從而實(shí)現(xiàn)精確的液面檢測與防撞警報設(shè)計(jì).在對該加樣系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)使用Pro/E5.0進(jìn)行建模仿真及調(diào)試之后，將其應(yīng)用于全自動生化分析儀中進(jìn)行測試、驗(yàn)證，該加樣系統(tǒng)能夠自動完成定量吸取、釋放樣本和試劑、清洗等操作.且滿足樣品吸液量范圍為1～30 μL、0.1 μL步進(jìn)，試劑吸液量范圍為20～300 μL、1 μL步進(jìn)的條件.初步的測試結(jié)果表明本文的加樣系統(tǒng)的樣品吸液量精度不僅能滿足國際最小加樣量條件（1 μL），而且高于國內(nèi)最小加樣量水平（5 μL），具有較大的實(shí)用價值.在下一階段的研究中，將對加樣系統(tǒng)更多的檢測模塊進(jìn)行完整地測試分析.