專利名稱：智能非接觸式分配微量生物試劑的方法及其分配系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生物工程技術領域，具體涉及高通量操作過程中多種試劑進行智能、微量、 快速、精確分配的方法。(二) 背景技術生物試劑處理技術是生命科學實驗中最為常用的實驗手段之一，在蛋白質結晶、藥物的 篩選、生物化學實驗等生物工程技術領域起到至關重要的作用。例如，蛋白質晶體獲得過程 中，需要對pH值、離子強度、鹽的比濃度、還原劑和清潔劑等結晶條件進行優(yōu)化，生物試 劑吸取、轉移和微量分配操作的精度和速度，成為制約蛋白質結構測定方法發(fā)展的主要瓶頸; 在藥物研究領域，以微板作為實驗工具載體的高通量篩選方法是獲取新藥的主要途徑。為了 進一步提高篩選通量，必須不斷減小單元試驗中生物試劑配比的體積，不斷提高試劑分配的 精度，從而促進藥物篩選和研制的速度不斷提高；同樣，在一些其他生物研究領域，如基因 測序、單核苷酸多態(tài)基因分型研究，以及生物化學實驗等方面，同樣要求試劑處理水平不斷 提高，實現(xiàn)微升甚至納升級試劑的快速高通量分配和轉移。同時，隨著實驗操作向高通量方 向發(fā)展，對分配可靠性，速度等也提出了更高的要求。關于液體試劑分配技術的研究一直在不斷發(fā)展，目前己有的各種試劑分配方法，按照噴 嘴或者針尖是否與容器或者基板接觸，試劑分配方法可分為接觸式和非接觸式分配方式。最 初的微量試劑分配采用接觸式分配方法，它是通過電機控制活塞在注射筒中運動，實現(xiàn)微量 試劑的吸取或者分配。采用這種方法，可以通過控制活塞的運動來測量分配試劑的劑量，不 受試劑粘度的影響。后來出現(xiàn)了非接觸式分配方式，實質上就是在外力作用下，在試劑擠出 噴嘴時，能夠提供足夠的能量克服液滴表面張力、粘度等的影響，從而實現(xiàn)液滴與噴嘴脫落 的過程。非接觸式分配方法，根據(jù)驅動方式不同有氣壓驅動，液壓驅動，壓電驅動，熱擴張 驅動，電場驅動等多種方法。以上各種方法中，基于活塞運動的接觸式試劑分配方法可以控制活塞運動準確擠出試劑，但是不能提供足夠的能量快速噴出試劑，需要將分配頭與承載器皿的底部接觸來實現(xiàn)試劑的轉移。在電磁閥控制氣壓或者液壓驅動方法中，克服了接觸式分配方法不足，但是還需要針對分配試劑粘度的變化，調整電磁閥的開合時間以及壓力源壓力等參數(shù)來實現(xiàn)精確分配。壓電驅動的方式，還不能適應粘性較大試劑，分配試劑的類型受到限制，其可靠性還有待進一步提高，商業(yè)化進程還比較慢。熱量擴張以及聲學激勵等其它一些微量試劑分配方法，還處于研究階段。以上各種所提到的分配方法，對于分配參數(shù)的調整還都需要經驗和反復的試驗操作，校準。用戶必須在廠家的配合與指導下使用分配設備。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種能夠實現(xiàn)精確體積試劑分配，具有極強粘度適應性的智能非 接觸式分配微量生物試劑的方法及其分配系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的智能非接觸式分配微量生物試劑的方法步驟為在每一次 試劑分配循環(huán)中，控制系統(tǒng)不斷對流量傳感器反饋的流速信息進行積分，得到在電磁閥打開 時間t內的流速積分既t時間內分配試劑體積Vt，整個分配周期T的流速積分既試劑實際分 配試劑體積VT以及平均流速等信息，當n取l的時候即控制周期和分配周期一致時，在每 一次分配循后，控制系統(tǒng)會根據(jù)上次試劑分配體積VT，延遲體積VT-Vt,以及所需分配體積 V0等信息，采用模糊控制算法判斷計算出下一次循環(huán)所需的電磁閥打開時間t，控制系統(tǒng)不 斷監(jiān)控流量信息并調整電磁閥開關時間t，實現(xiàn)全局范圍內精確試劑分配。同時，為了使系統(tǒng) 快速接近理想分配狀態(tài)，在第一個模糊控制循環(huán)當中，采用延遲補償方法來快速調整電磁閥 打開時間t。即根據(jù)延遲體積dt，將需要分配的體積vo減去由于延遲而多分配的延遲體積點 dt。這樣，下次分配中流速實時積分，當積分的分配體積等于vo-dt時，關閉電磁閥，并記錄 此時的開啟時間to，作為接下來采用模糊控制策略進行閉環(huán)控制的的初始開啟時間t。另外， 本系統(tǒng)中流量反饋周期和閉環(huán)控制周期不是同步的。當系統(tǒng)穩(wěn)定以后，為提高系統(tǒng)運算速度， 還可以增大控制周期，在幾次分配循環(huán)后或者誤差大于設定值時，再進行閉環(huán)控制調整，大 大提高系統(tǒng)的靈活性。分配系統(tǒng)主要由注射泵、4-2注射閥、貯壓試劑瓶、壓力調節(jié)系統(tǒng)、電磁閥、運動平臺、 流量傳感器和智能操作控制系統(tǒng)組成，貯壓試劑瓶通過壓力調節(jié)系統(tǒng)連接外界壓力源，注射 泵連接注射器，運動平臺設置在管路系統(tǒng)下方，流量傳感器設置在電磁閥上方，4-2注射閥分 別連接貯壓試劑瓶、電磁閥和注射器，智能操作控制系統(tǒng)分別連接4-2注射閥、電磁閥、運 動平臺、流量傳感器和壓力調節(jié)系統(tǒng)。本發(fā)明采用壓力/電磁閥結合的形式，公開了一套非接觸式微量試劑分配方法。釆用該方 法進行單通道試劑分配的原理框圖如圖l-圖3所示。系統(tǒng)初始工作時，注射閥偏向右側，注 射泵帶動注射器活塞向下運動，從試劑瓶吸取系統(tǒng)液，之后注射閥偏向左側，注射泵帶動活 塞向上運動，將試劑填充到管路系統(tǒng)中，此動作重復數(shù)次完成管路的清洗和填充。試劑吸取 時，注射閥轉到左邊，電磁閥打開，利用活塞精密運動實現(xiàn)試劑的吸取。吸取待分配試劑時， 若擔心系統(tǒng)液與待分配試劑混合，造成污染和浪費，可以先吸取一小段空氣或者硅油將系統(tǒng) 液和待分配試劑分開。試劑分配時，注射閥運動轉向上面位置與預壓試劑瓶接通，打開電磁 閥后，試劑在壓力作用下從噴嘴噴出，實現(xiàn)非接觸式分配。這時，可以通過控制電磁閥開關時間和壓力大小來調節(jié)分配試劑體積。具體的時間和壓力參數(shù)系統(tǒng)根據(jù)傳感器反饋流量信息 以及設定信息自動配置和智能自適應調整。事實上，大量的試劑分配操作過程中，由于系統(tǒng)殘余量不斷減少，致使分配管路系統(tǒng)中 液體粘度值稍微變化，同時，外界環(huán)境溫度也會影響粘度變化，這樣致使同樣系統(tǒng)壓力作用 下，流速會產生變化或者波動；而且，還有一些未知的干擾也會影響流速產生波動。同時， 在微量試劑分配過程中，由于分配試劑體積微小，流速u為了確保非接觸式分配不可能無限 減小，所以電磁閥開啟時間也比較短，這樣，精確試劑分配時響應延遲的影響，就不可以忽 略。如圖4所示，由于電磁閥開啟時間和管路中試劑流動具有延遲現(xiàn)象，電磁閥關閉信號輸 出后由于延遲現(xiàn)象仍會有部分試劑流出。這樣，同樣的控制參數(shù)作用下，會由于流速的波動 和變化以及延遲等情況而影響最后每次分配試劑的實際體積。本方法為了實現(xiàn)更精確的試劑 分配操作，抵抗殘余分配試劑量，外界環(huán)境溫度，粘度變化時對分配精度的影響。具體控制 思路如下如圖1-圖3所示原理框圖中，將利用MEMS技術自行研制的一款微流量傳感器集成在管 路系統(tǒng)當中，根據(jù)流量傳感器反饋的流速信息，可以控制電磁閥開啟時間自適應調整，從而 確保每次分配的試劑體積不受擾動，實現(xiàn)精確分配。同樣，根據(jù)以上原理，該方法還可以針對一種待分配試劑，預先分配一次，這樣根據(jù)反 饋信息，系統(tǒng)可以根據(jù)實現(xiàn)存儲的調整策略自動調整系統(tǒng)壓力，電磁閥開啟時間等系統(tǒng)參數(shù)。 這樣不必作大量校準試驗重新確定系統(tǒng)壓力和開啟時間的參數(shù)，并結合流量反饋信息智能判 斷并自動調整控制參數(shù)，實現(xiàn)精確體積試劑分配，具有極強的粘度適應性。本發(fā)明方法采用壓力/電磁閥結合的形式，通過電磁閥控制預壓流體流動實現(xiàn)試劑的分配 操作。試劑分配過程中分配頭可以不與基板接觸實現(xiàn)非接觸式分配，分配速度快，污染小。 具有單滴定量非接觸分配、多滴連續(xù)定量非接觸分配，單滴定量接觸分配、多滴連續(xù)定量接 觸分配，恒速連續(xù)噴射分配以及定量吸取等多種試劑分配模式。而且，系統(tǒng)可以智能控制并 限制管路中壓力大于臨界值，確保微量試劑分配以后，具有足夠能量與噴嘴脫落而不會粘附 到其上面從而實現(xiàn)非接觸式分配；具有在高通量快速循環(huán)試劑分配過程中實時監(jiān)控系統(tǒng)分配 狀態(tài)的功能，針對分配試劑特性變化情況，以及其他未知綜合條件的變化，可以快速的進行 控制參數(shù)自動智能調整以及故障實時監(jiān)測和診斷功能，避免了殘余試劑量、環(huán)境溫度、試劑 粘度等各種因素變化對分配精度的影響，真正確保了精確體積微量試劑分配，提高了試劑分 配的精確性和可靠性；具有自動校準和尋找最佳控制參數(shù)的功能，具有極強的試劑粘度適應 特性，滿足大范圍體積(納升至毫升)分配要求。

圖1-圖3為試劑分配過程的原理示意圖； 圖4為分配循環(huán)中試劑體積示意圖； 圖5為智能閉環(huán)控制原理示意圖。 具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明本實施例采用壓力/電磁閥結合的形式，研制了一套非接觸式微量試劑分配方法。分配系 統(tǒng)主要由注射泵，4-2注射閥，貯壓試劑瓶，壓力調節(jié)系統(tǒng)，電磁閥，運動平臺，傳感器和智 能操作控制系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)初始工作時，注射閥偏向右側，電機帶動注射器活塞向下 運動，從試劑瓶吸取系統(tǒng)液，之后注射閥偏向左側，電機帶動活塞向上運動，將試劑填充到 管路系統(tǒng)中，此動作重復數(shù)次完成管路的清洗和填充。試劑吸取時，注射閥轉到左邊，電磁 閥打開，利用活塞精密運動實現(xiàn)試劑的吸取。吸取待分配試劑時，若擔心系統(tǒng)液與待分配試 劑混合，造成污染和浪費，可以先吸取一小段空氣或者硅油將系統(tǒng)液和待分配試劑分開。試 劑分配時，注射閥運動轉向上面位置與預壓試劑瓶接通，打開電磁闊后，試劑在壓力作用下 從噴嘴噴出，實現(xiàn)非接觸式分配。這時，可以通過控制電磁閥開關時間和壓力大小來調節(jié)分 配試劑體積。具體的時間和壓力參數(shù)系統(tǒng)根據(jù)傳感器反饋流量信息以及設定信息自動配置和 智能自適應調整。其智能控制和調整策略的具體思路如下1、自動限制控制參數(shù)，確保非接觸式分配在進行微量試劑分配時，由于試劑體積較小，常常會粘附在噴嘴上。試劑分配后液滴形成和脫落過程中，液體流動過程受以下四種力影響流體慣性力，粘 性拖拽力，表面張力和重力。在微量試劑分配過程中，這些力之間的關系可以用下面幾個無 量綱數(shù)來描述，分別是雷諾數(shù)Re，代表慣性力和粘性力的比率。毛細數(shù)Ca，代表粘性力和 表面張力的比率。韋伯數(shù)We，代表慣性力和表面張力的比率。邦得數(shù)Bo (G)，代表重力和 表面張力的比率，具體表述如式(1)至(4)所示。<formula>formula see original document page 6</formula>其中 〃—密度；表面張力；粘度；"—流速；噴嘴半徑在微量試劑分配時，噴嘴尺寸小，Bo很小，重力的影響很小。We， Re和Ca對分配結 果具有較大的影響。從公式還可以看出分配試劑的粘度，表面張力，密度，以及噴嘴尺寸和 流動速度等均影響分配過程。具體影響關系為在分配試劑體積比較小，忽略重力的影響情 況下，要想分配出試劑能夠成功與噴嘴脫落，這些參數(shù)所組成的無量綱數(shù)——We和Re必須 大于臨界值，才能脫落；Re， We越大，液滴越容易脫落，分配過程中主液滴和噴嘴之間的 液橋越長，We更大的時候，會形成液柱，容易分裂成許多小液滴。對于實際應用來講，Re 一般均滿足條件，關鍵是要控制We滿足條件；而且韋伯數(shù)和雷諾數(shù)的比值——毛細數(shù)(Ca)， 對液滴形狀也有影響，Ca大的時候，液滴形狀會變扁。根據(jù)以上理論，要分配一種試劑時，可以輸入該試劑粘度、密度等試劑特性信息，再結 合噴嘴尺寸等管路尺寸信息，計算出We大于臨界值所需要的流速值，然后結合管路尺寸等 流阻信息，確定系統(tǒng)壓力。這樣控制系統(tǒng)自動根據(jù)這些信息調整系統(tǒng)壓力大于此下限值，確 保了微量試劑分配時的非接觸式分配。同時，又不至于將系統(tǒng)壓力調整得過高，致使在電磁 閥無法更高頻率工作時影響分配小體積試劑精確。2、智能閉環(huán)反饋控制，針對試劑特性變化和其它因素擾動情況下確保精確可靠分配如上所述，微量試劑分配時液滴是否脫落成功實現(xiàn)非接觸式分配操作的關鍵是試劑流出 噴嘴速度的控制。而在管路系統(tǒng)配置好以后，流速的調整可以通過系統(tǒng)壓力調整來實現(xiàn)。因 此，系統(tǒng)最小壓力P為了確保非接觸式分配而首先被確定下來。進而，根據(jù)需分配試劑體， 根據(jù)式(5)確定電磁閥打開時間t。常規(guī)試劑分配控制，或者對分配精度要求不高的場合，可以實現(xiàn)預定系統(tǒng)壓力P和電磁 閥每次開啟時間，進行多次快速循環(huán)分配，完成大量的分配操作。該分配控制過程如圖5所示。在每一次試劑分配循環(huán)中，控制系統(tǒng)不斷對流量傳感器反 饋的流速信息進行積分，這樣得到在電磁閥打開時間t內的流速積分既t時間內分配試劑體積 Vt，整個分配周期T的流速積分既試劑實際分配試劑體積VT以及平均流速等信息。當n取 1的時候即控制周期和分配周期一致時，在每一次分配循后，控制系統(tǒng)會根據(jù)上次試劑分配 體積VT，延遲體積VT-Vt,以及所需分配體積VO等信息，采用智能控制策綜合智能判斷計算 出下一次循環(huán)所需的電磁閥打開時間t?？刂葡到y(tǒng)不斷監(jiān)控流量信息并調整電磁閥開關時間t， 實現(xiàn)全局范圍內精確試劑分配。
權利要求
1. 一種智能非接觸式分配微量生物試劑的方法，其特征是智能非接觸式分配微量生物試劑的方法步驟為在每一次試劑分配循環(huán)中，控制系統(tǒng)不斷對流量傳感器反饋的流速信息進行積分，得到在電磁閥打開時間t內的流速積分既t時間內分配試劑體積Vt，整個分配周期T的流速積分既試劑實際分配試劑體積VT以及平均流速等信息，當n取1的時候即控制周期和分配周期一致時，在每一次分配循后，控制系統(tǒng)會根據(jù)上次試劑分配體積VT，延遲體積VT-Vt，以及所需分配體積V0等信息，采用模糊控制算法判斷計算出下一次循環(huán)所需的電磁閥打開時間t，控制系統(tǒng)不斷監(jiān)控流量信息并調整電磁閥開關時間t，實現(xiàn)全局范圍內精確試劑分配。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種智能非接觸式分配微量生物試劑的方法，其特征是所 述的模糊控制算法中，在第一個模糊控制循環(huán)當中，采用延遲補償方法來快速調整電磁閥打 開時間t，即根據(jù)延遲體積dt，將需要分配的體積V()減去由于延遲而多分配的延遲體積點dt。 這樣，下次分配中流速實時積分，當積分的分配體積等于vo-dt時，關閉電磁闊，并記錄此時的開啟時間to，作為接下來采用模糊控制策略進行閉環(huán)控制的的初始開啟時間t;當系統(tǒng)穩(wěn)定以后，可以增大控制周期，在幾次分配循環(huán)后或者誤差大于設定值時，再進行閉環(huán)控制調整。
3、 根據(jù)權利要求1所述的一種智能非接觸式分配微量生物試劑的分配系統(tǒng)，其特征是:分配系統(tǒng)主要由注射泵、4-2注射閥、貯壓試劑瓶、壓力調節(jié)系統(tǒng)、電磁閥、運動平臺、流量傳感器和智能操作控制系統(tǒng)組成，貯壓試劑瓶通過壓力調節(jié)系統(tǒng)連接外界壓力源，注射泵連接注射器，運動平臺設置在管路系統(tǒng)下方，流量傳感器設置在電磁閥上方，4-2注射閥分別連 接貯壓試劑瓶、電磁閥和注射器，智能操作控制系統(tǒng)分別連接4-2注射閥、電磁閥、運動平 臺、流量傳感器和壓力調節(jié)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種智能非接觸式分配微量生物試劑的方法及其分配系統(tǒng)。本發(fā)明結合MEMS工藝將微流量檢測傳感器集成到分配系統(tǒng)中，利用智能控制方法和預設各種知識信息，實現(xiàn)在高通量快速循環(huán)分配過程中各種分配參數(shù)和策略自適應自動智能調整，從而針對各種粘度試劑，以及各種外部條件影響，均能實現(xiàn)精確、微量試劑非接觸式分配。本發(fā)明可以快速的進行控制參數(shù)自動智能調整以及故障實時監(jiān)測和診斷功能，避免了殘余試劑量、環(huán)境溫度、試劑粘度等各種因素變化對分配精度的影響，真正確保了精確體積微量試劑分配，提高了試劑分配的精確性和可靠性；具有自動校準和尋找最佳控制參數(shù)的功能，具有極強的試劑粘度適應特性，滿足大范圍體積(納升至毫升)分配要求。
文檔編號G01N35/10GK101266255SQ20081006421
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月1日 優(yōu)先權日2008年4月1日
發(fā)明者劉亞欣, 孫立寧, 濤 陳, 陳立國 申請人:哈爾濱工業(yè)大學