移液器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

肖宏艷，劉前林，何 麗，唐雋琨

（1.廣州市微生物研究所集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣東普標(biāo)技術(shù)研究有限公司，廣東 廣州 510700）

移液器因使用方便，量程范圍廣，被廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，包括醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、臨床診斷實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室、食品、化妝品檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室等，是一種基礎(chǔ)常用的實(shí)驗(yàn)工具。

1958 年德國(guó)Eppendorf 公司發(fā)明了世界上第一支單通道固定量程移液器[1]。1968 年芬蘭的Labsystem公司發(fā)明了多通道固定量程移液器，移液效率被大大提高[2]。在20 世紀(jì)70 年代法國(guó)的Gilson 公司又推出了單通道可變量程移液器大大擴(kuò)展了移液器的功能[3]。1984 年美國(guó)RAININ 公司推出的電動(dòng)移液器，電動(dòng)移液登上歷史舞臺(tái)，從而大大降低了實(shí)驗(yàn)人員的操作難度，也為后來(lái)移液器的自動(dòng)化集成打下基礎(chǔ)[4]。

移液器根據(jù)胡克原理設(shè)計(jì)，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于環(huán)境或人為因素的影響，移液器會(huì)出現(xiàn)密封油脂自然損耗、產(chǎn)生系統(tǒng)誤差和精度不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，甚至產(chǎn)生安全事故。

移液器的傳統(tǒng)的人工校準(zhǔn)過(guò)程中，因?yàn)橐埔浩鏖L(zhǎng)時(shí)間被握在操作人員手中，手溫會(huì)逐漸讓移液器的管壁升溫，進(jìn)一步熱傳遞至槍頭，使得槍頭中液體的溫度升高，最終導(dǎo)致計(jì)算得到的移液體積偏大；同時(shí)，手溫使移液器腔體內(nèi)部溫度上升，氣壓增大，冷溶液吸入后，腔體內(nèi)的空氣密度又會(huì)發(fā)生改變進(jìn)而影響移液器的計(jì)量精度。所以移液器不能長(zhǎng)時(shí)間握在手里，不用時(shí)最好在手上晾一下，或者掛在支架上。

本文設(shè)計(jì)了一種空氣置換式移液器的自動(dòng)校準(zhǔn)裝置，通過(guò)機(jī)械臂、設(shè)置在機(jī)械臂上的直流電機(jī)、第一步進(jìn)電機(jī)、第二步進(jìn)電機(jī)，以及驅(qū)動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)、安裝卸載結(jié)構(gòu)和抓緊結(jié)構(gòu)對(duì)移液器進(jìn)行校準(zhǔn)，避免人工操作帶來(lái)的溫度偏差的問(wèn)題，提高移液器的校準(zhǔn)精度。

1 移液器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置整機(jī)系統(tǒng)

本系統(tǒng)中的校準(zhǔn)裝置包括控制器、受控制器控制的三軸機(jī)械臂、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)通信裝置。機(jī)械臂的操作末端設(shè)置有直流電機(jī)，直流電機(jī)的輸出端設(shè)置有驅(qū)動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)連接著移液器的移液活塞；機(jī)械臂的操作末端還設(shè)置有第一步進(jìn)電機(jī)，第一步進(jìn)電機(jī)的輸出端設(shè)置有安裝卸載結(jié)構(gòu)，安裝卸載結(jié)構(gòu)用于配合安裝或者卸載移液器的一次性吸頭；機(jī)械臂的操作末端還設(shè)置有第二步進(jìn)電機(jī)，第二步進(jìn)電機(jī)的輸出端設(shè)置有抓緊結(jié)構(gòu)，抓緊結(jié)構(gòu)用于配合夾緊移液器。機(jī)械臂用于實(shí)現(xiàn)移液器的抓取、取液、排液，從而避免手溫影響移液器槍頭內(nèi)的溶液溫度以及腔體內(nèi)的空氣溫度變化，有利于解決溫度偏差的缺陷。控制器設(shè)置有APT32S003 嵌入式芯片，該芯片是移液器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的核心部件，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與收集、數(shù)據(jù)處理、控制器指令下達(dá)、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制等功能。移液器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置設(shè)置有數(shù)據(jù)采集裝置，包括電子天平、溫度傳感器、電容傳感器、氣壓傳感器、霍爾傳感器，數(shù)據(jù)采集裝置主要用于采集移液器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的工作數(shù)據(jù)。移液器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置還設(shè)有數(shù)據(jù)通信裝置，數(shù)據(jù)通信裝置用于將數(shù)據(jù)采集裝置采集到的移液器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的工作數(shù)據(jù)傳輸至控制器，并傳輸至上位機(jī)中進(jìn)行處理。

2 移液器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置模塊組成

2.1 槍頭的裝配

機(jī)械臂操作末端的第一步進(jìn)電機(jī)輸出端有安裝卸載結(jié)構(gòu)，可配合安裝或者卸載移液器的一次性吸頭。當(dāng)需要安裝移液器的一次性吸頭時(shí)，第一步進(jìn)電機(jī)控制的結(jié)構(gòu)塊不壓緊移液器的吸頭卸載按鈕，并通過(guò)機(jī)械爪夾緊移液器，使移液器頭部按在裝在一次性吸頭盒中的一次性吸頭上，完成安裝，當(dāng)需要卸載時(shí)，第一步進(jìn)電機(jī)控制的結(jié)構(gòu)塊下移壓緊移液器的吸頭卸載按鈕，使一次性吸頭脫離移液器的頭部，完成卸載。通過(guò)霍爾傳感器判斷一次性吸頭是否加/卸載成功。

2.2 移液器轉(zhuǎn)移

機(jī)械臂的操作末端還設(shè)置有第二步進(jìn)電機(jī)，第二步進(jìn)電機(jī)的輸出端設(shè)置有抓緊結(jié)構(gòu)，可配合夾緊移液器。

具體的，第二步進(jìn)電機(jī)包括豎直步進(jìn)電機(jī)和水平步進(jìn)電機(jī)，豎直步進(jìn)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述抓緊結(jié)構(gòu)豎直方向的運(yùn)動(dòng)，水平步進(jìn)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述抓緊結(jié)構(gòu)水平方向的運(yùn)動(dòng)。

2.3 活塞驅(qū)動(dòng)

機(jī)械臂操作末端設(shè)置有直流電機(jī)，其輸出端連接著驅(qū)動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)和移液器的移液活塞。

具體的，驅(qū)動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)包括齒輪、高性能無(wú)刷直流電機(jī)、傳送帶、結(jié)構(gòu)塊，結(jié)構(gòu)塊連接在移液器的移液活塞控制按鈕上，通過(guò)直流電機(jī)配合驅(qū)動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)，控制結(jié)構(gòu)塊上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)移液活塞控制按鈕的壓緊與松開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移液器移液活塞的精確控制。

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 646—2006《移液器》，在校準(zhǔn)的過(guò)程中，移液器取液時(shí)，將移液器按鈕按至第一停止點(diǎn)；排液時(shí)，需將按鈕按至完全停止點(diǎn)以保障盡量排空吸取的液體，對(duì)移液器容量值測(cè)量來(lái)講，活塞的運(yùn)動(dòng)精度至關(guān)重要，因此，高精度地控制移液器活塞具有十分重要的意義。本文發(fā)明的移液器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置針對(duì)移液器活塞選用直流電機(jī)進(jìn)行精確控制，能避免人工操作出現(xiàn)的工作量重復(fù)、按壓精度低的缺陷，保證移液器移液性能穩(wěn)定可靠。

2.4 液面檢測(cè)

本自動(dòng)校準(zhǔn)裝置對(duì)液體表面地快速檢測(cè)選用的是高精度的電容芯片，是實(shí)現(xiàn)移液器智能化的關(guān)鍵部件。

2.5 取液排液

本裝置為降低取排液之間液體可能損失的風(fēng)險(xiǎn)，提高效率節(jié)省轉(zhuǎn)移液體的時(shí)間，將檢定規(guī)程中的取液和排液在不同的容器中進(jìn)行，優(yōu)化為取排液在同一容器中進(jìn)行，將容器放在電子天平內(nèi)，先后分別記錄取液后的質(zhì)量和排液后的質(zhì)量，后者減去前者的質(zhì)量差就是移液器在設(shè)定的量程下吸取的蒸餾水的質(zhì)量，這樣既降低了溶液損失的風(fēng)險(xiǎn)，又縮短了時(shí)間。

根據(jù)計(jì)量檢定規(guī)程JJG 646—2006《移液器》校準(zhǔn)，本文中的移液器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的校正公式如式（1）所示：

為簡(jiǎn)便計(jì)算，可表示為式（2）：

式中：V20為標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃時(shí)的被檢玻璃儀器的實(shí)際容量，mL；ρB為砝碼的密度，取8.00 g/cm3）；ρA為測(cè)定時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣的密度，取0.001 2 g/cm3；ρW為蒸餾水在t ℃時(shí)的密度，g/cm3；β 為被檢玻璃量器的體積膨脹系數(shù)，℃-1；t 為測(cè)定時(shí)蒸餾水的溫度，℃；m 為被檢玻璃量器內(nèi)所能容納水的表觀質(zhì)量，g；K（t）值可參閱K（t）值表。

2.6 異常情況監(jiān)測(cè)

在移液器自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置智能化運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)槍頭堵塞，液面過(guò)低吸入氣泡等異常情況，本裝置采用高精度氣壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控異常情況的發(fā)生并及時(shí)報(bào)告，氣壓傳感器將氣壓信息轉(zhuǎn)換為為模擬電壓信號(hào)輸出，再通過(guò)24 位高精度數(shù)據(jù)采集芯片進(jìn)一步將電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并傳輸?shù)降缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

移液器在容量微量計(jì)量中發(fā)揮著舉足輕重的作用，目前主要是由檢定人員依據(jù)國(guó)家檢定規(guī)程對(duì)其進(jìn)行計(jì)量檢定，由于移液器數(shù)量大且種類(lèi)多，檢定起來(lái)耗時(shí)、繁瑣，易出現(xiàn)人為的數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤。本文所述的自動(dòng)校準(zhǔn)裝置能有效解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)移液器快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地校準(zhǔn)，在保障量值可靠溯源的前提下能夠有效地提高工作效率，值得推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

本裝置是軟件和硬件相結(jié)合的發(fā)明設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、分析和處理，通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)移液器的自動(dòng)校準(zhǔn)。經(jīng)驗(yàn)證，本裝置具有效率高、準(zhǔn)確性好、重復(fù)性佳的特點(diǎn)，對(duì)容量微量計(jì)量自動(dòng)化水平的提升具有重要意義。