CN101970115B - 用于储藏、取回和管理样品的自动化系统 - Google Patents

用于储藏、取回和管理样品的自动化系统 Download PDF

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Abstract

一种用于储藏托盘中大量样品的自动化储藏系统,其包括储藏室、在一侧邻接储藏室的托盘穿梭室和在另一侧的多个独立模块。模块处理由托盘穿梭器从储藏室取回的样品,包括从取回的源托盘中取出挑选的样品并将挑选的样品转移到分开的目标托盘中,为了使用,分开的目标托盘可被进一步处理或从系统中移走。当托盘穿梭器在储藏室内存取另外的样品时,模块的独立运转允许由不同模块同时执行操作和处理。在一种实施方式中,当托盘穿梭器在水平平面内运转时,垂直传送带用来使想要的托盘与托盘穿梭器垂直对齐。

Description

用于储藏、取回和管理样品的自动化系统
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2006年I月23日提交的第60/761,736号、2006年5月11日提交的第60/799,706号、2006年5月24日提交的第60/808,470号和2006年7月25日提交的第60/820,338号美国临时申请的优先权的利益,这些申请中的每个申请的全部内容在此通过引用并入。
发明领域
[0003] 本发明涉及用于操作和储藏生物或化学样品的系统,且更具体地说,涉及一种用于储藏、取回和管理保持在密封的储藏容器阵列内的大量样品的系统。
[0004] 发明背景
[0005] 许多科学和医学组织,包括工业企业、管理机构、研究实验室和学院,具有安全储藏超大量,例如几千到上百万的样品和样本的需要。这样的领域包括药物、生物工艺学、实验室诊断学、基因组学、生物样本(biospecimen)、法医学、农用化学品和特殊化学品(specialty chemical)。依赖于应用,样品的大小可在几十微升到几打兰之间变动,其储藏在小的密封塑料管或瓶中。这些容器保持在架(rack)中,架允许插入或移除个别样品,而不用移除整个架或者保持一个或更多个架的托盘(tray)。为了延长样品的有效寿命,样品被储藏在低温(典型地_20°C到_80°C或更低)、低湿度和惰性气体(氮)的受控环境中,并且使样品尽可能少受环境变化的影响。为了以最有效的方式操作超大量的样品,对于具有最小可能覆盖区(footprint)的不同应用,必须多考虑加强系统的灵活性和适应性,以使昂贵的实验室空间的使用最小化。
[0006] 目前可用的复合储藏系统和技术(compound storage system andtechnology)的综述由 Dr.John Comley 发表在 Drug Discovery World, Spring2005, pp.59-78 上的题为“Compound Management in pursuit of sampleintegrity”的文章提供,此文章在此通过引用并入。
[0007] 样品的跟踪是基本的,并且样品容器、架和托盘通常用条形码或其它机器可读标识符标注。每个样品的身份和位置储存在系统存储器中,系统存储器保存储藏系统中所有样品的记录,使得各个样品或样品的子集可被识别,并可被迅速从储藏系统中取回。理想地,取回过程的发生应不会将样品不必要地暴露在融化或潮湿环境,这意味着,系统必须能够从储藏室的一个或更多个架中挑选各个样品,同时使储藏室或同一托盘中的其它样品在环境变化中的暴露最小。也很重要的是,系统应是可靠的,使得其可在没有将样品暴露在不期望的条件的风险下使用。
[0008] 为了防止储藏期间样品蒸发或暴露在污染物中,通常用伸展跨过容器的开口端的盖子或膜盖住容器。为了有效处理托盘中大量的容器,系统商业上可以用来用一片材料例如箔或层压聚合体同时密封托盘内的所有容器,上述材料被热密封或以其他方式粘在所有容器的顶边缘。这些密封是可刺破的(pierceable)或可撕去的,以允许获取样品。容器被密封后,切割容器之间多余的密封材料,以分离各个容器,用于随后取回,而不需要解冻容器的整个托盘。在冲切密封件后,容器的托盘被放置在储藏室中。冲切操作需要分开的操作步骤,并且通常需要附加的带有专门设计用于特定大小和形状的管的复杂刀具的装备,因此限制了可以使用的容器的类型,或需要利用多重冲切工具。
[0009] 在某些应用中,样品优选地储藏在超低温度(_80°C或更低),然而,这种寒冷环境对于自动化系统的操作所必需的机电设备来说可能是危险的。在这样低的温度下,润滑剂效率下降,使机器人的可靠性下降。在样品储藏领域,机器人的维护尤其成问题,因为必须解冻并且打开储藏环境,从而使样品遭受冷凝,并可能解冻。一些商用系统将机器人隔离在一些较温暖的室(_20°C),在两个室之间传递样品。在这样的系统中,必须在两个室之间建立绝缘墙(insulating wall),以维持在每个室内的温度。
[0010] 在现有的系统中,样品储藏区域具有可移动的门,门可被打开以获取托盘。在其它系统中,托盘(或许多托盘)在一端具有一块绝缘材料,使得所有的托盘结合起来形成绝缘墙。当移除托盘时,与该托盘相关联的绝缘材料也被移除,并且必须用挤压垫(dummyblock)替代,以维持绝缘墙的完整性。然而,这个替代过程花费时间,从而增加一个或两个室内温度变化的风险。
[0011] 在大型储藏应用中,样品可能需要被多个小组存取,这些小组的实验室区域在机构内的不同位置,甚至可能在多层建筑的不同楼层上。在现有的复合储藏系统中,装载和卸载样品容器的入口位于储藏单元底部的单一位置。这通常导致在手推车上运输大量的样品,并可能将它们暴露到不期望的条件。进一步,由于所有的小组需要从单一位置存取他们的样品,等待另一个使用者完成他们的样品储藏或取回操作将会浪费时间。
[0012] 本发明涉及储藏系统,其解决前述所关注的问题,以提供大体积样品储藏系统的灵活性和方便使用。
[0013] 发明简述
[0014] 一种用于在托盘中储藏大量样品的自动化储藏系统,其包括冷冻储藏室(refrigerated storage compartment)、在一侧邻接储藏室的托盘穿梭室(tray shuttlecompartment)和在另一侧的多个独立模块。模块处理由托盘穿梭器(tray shuttle)从储藏室取回的样品,包括从取回的源托盘(source tray)中取出挑选的样品并将所挑选的样品转移到分开的目标托盘(destination tray)中,为了使用,分开的目标托盘可被进一步处理或从系统中移走。模块的独立运转允许由不同模块同时进行操作和处理,同时,托盘穿梭器可存取储藏室内的另外的样品。
[0015] 本发明提供一种用于储藏和操作样品的自动化系统,包括:
[0016] 封闭式冷冻储藏室;
[0017] 至少一个垂直传送带,其布置在所述储藏室内,所述垂直传送带具有围绕垂直回路分布的多个运载工具,其中每个运载工具适合于接收保持多个样品的多个托盘;
[0018] 托盘穿梭室,其邻接所述储藏室,所述托盘穿梭室具有接近所述储藏室的储藏侧和相对于所述储藏室的模块侧;
[0019] 托盘穿梭器,其布置在所述托盘穿梭室内,位于相对于垂直回路的固定高度,其中所述托盘穿梭器包括推拉装置,所述推拉装置用于拉动和推动托盘以在所述储藏室和至少一个分立的处理模块之间转移托盘,所述分立的处理模块连接在所述托盘穿梭室的模块侧上,并同所述托盘穿梭器一起布置在公共水平平面内;[0020] 输入-输出模块,其用于接收托盘以储藏在所述储藏室内或从所述储藏室取回托盘;以及
[0021] 系统控制器,其指引所述储藏室、所述垂直传送带、所述托盘穿梭器和所述输入-输出模块的操作。
[0022] 本发明的用于储藏和操作样品的自动化系统中,多个托盘中的每个托盘可具有托盘厚度和托盘宽度,并且其中垂直传送带上的每个运载工具可包括多个分隔物,每个分隔物具有多个槽,用于可滑动地接收和支撑一对分隔物之间的托盘,其中槽配置为在垂直相邻的托盘之间提供可变范围的距离。
[0023] 输入-输出模块可包括条形码阅读器,条形码阅读器用于识别被处理通过输入-输出模块的托盘和样品。
[0024] 该系统还可包括至少一个样品选择器模块,所述至少一个样品选择器模块放置在托盘穿梭室的模块侧,用于从一个或更多个托盘挑选个别样品并将所挑选的样品存放到目标托盘内。
[0025] 至少一个样品选择器模块可包括拾取头和推动器,拾取头可具有空腔,以当启动推动器以便通过接触样品容器的底部并将样品容器向上推动通过托盘中的开口并进到空腔内而从托盘升高样品容器时,接收样品容器。
[0026] 空腔可适合于接收多个样品容器,且拾取头进一步可包括顶出器,顶出器用于同时顶出保持在空腔内的多个样品容器。
[0027] 样品容器可保持在用一片密封件密封的架内,且拾取头进一步可包括在空腔的下边缘附近的密封件切割边缘,其中在将样品容器推动到空腔内之前,推动器推动样品容器顶着密封件切割边缘,以切割样品容器周围的密封件。
[0028] 至少一个样品选择器模块进一步可包括:挑选桌,其放置在x-y平面内,用于支撑一个或更多个源托盘和目标托盘;以及一个或更多个位移器,其用于在x-y平面内移动拾取头和推动器,以接近一个或更多个源托盘内的所有样品以及目标托盘内的所有位置。
[0029] 拾取头可在x-y平面内独立于推动器移动。
[0030] 拾取头和推动器可在x-y平面内一起移动。
[0031] 至少一个样品选择器模块可适合于挑选保持在圆瓶中的样品,并进一步可包括:拾取头,其用于抓取瓶;位移机构,其用于使拾取头在源托盘和目标托盘之间移动;以及条形码阅读器;其中拾取头具有连接至其的至少一个镜子,用于将读出束反射到条形码阅读器,使得可以读出瓶的所有侧面。
[0032] 托盘穿梭器进一步可包括:托盘支撑表面;电动托盘钩,其放置在滑块上,滑块在托盘穿梭室的储藏侧和模块侧之间在托盘支撑表面上来回移动,其中电动托盘钩旋转以相对于托盘支撑表面延伸或收回,其中电动托盘钩延伸接合感兴趣的托盘上的第一托盘端钩,并向着模块侧滑动,使得感兴趣的托盘被拉离运载工具并拉到托盘支撑表面上。
[0033] 电动托盘钩可通过以下方式将感兴趣的托盘转移到至少一个处理模块:旋转以脱离第一托盘端钩,滑动到储藏侧,旋转以接合第二托盘端钩,并向模块侧滑动以将感兴趣的托盘推出托盘支撑表面并推到至少一个处理模块的托盘表面上。
[0034] 储藏室可跨越多层建筑的多个楼层,并且其中分开的托盘穿梭器和分开的输入-输出模块可放置在沿着储藏室的一个或更多个附加的垂直位置,其中垂直位置对应不同楼层。
[0035] 该系统进一步可包括桥模块,桥模块连接到托盘穿梭室的模块侧,其中桥模块为接近用于存储和操作样品的自动化系统放置的分开的储藏系统的分开的托盘穿梭室提供接口。
[0036] 本发明还提供一种用于在多个托盘中储藏多个样品的储藏系统,所述系统包括:
[0037] 寒冷储藏室,其具有多个垂直的托盘支撑架、储藏室前部和宽度;
[0038] 托盘穿梭室,其具有接近所述储藏室前部的后部和托盘穿梭室前部;
[0039] 托盘穿梭器,其放置在所述托盘穿梭室内,所述托盘穿梭器包括用于移动和转移的装置,所述用于移动和转移的装置在所述托盘穿梭室内水平和/或垂直移动并将感兴趣的托盘转移到邻接所述托盘穿梭室前部的至少一个模块;
[0040] 输入-输出模块,其用于接收托盘以储藏在所述储藏室内或从所述储藏室取回托盘;以及
[0041] 系统控制器,其指引所述储藏室、所述垂直传送带、所述托盘穿梭器和所述输入-输出模块的操作。
[0042] 本发明提供的用于在多个托盘中储藏多个样品的储藏系统中,储藏室可维持在超冷温度,并进一步可包括设置在储藏室和托盘穿梭室之间的绝缘墙,绝缘墙包括可滑动地堆叠在多个垂直导引器内的可分离的多个砖,以界定多个柱,其中每块砖具有形成在其前部面中的凹口。
[0043] 托盘穿梭器进一步可包括装置用于:使提升针与多个砖中的最接近所感兴趣的托盘的一块砖内的凹口对齐;将提升针插入到凹口内,并升高所述一块砖和堆叠在所述一块砖的上部的任何砖,以在绝缘墙上打开缺口 ;穿过缺口从架取回感兴趣的托盘;以及降低升高的砖,以闭合缺口。多块砖中的每块砖可由绝缘泡沫形成。
[0044] 托盘穿梭器可通过以下方式取回感兴趣的托盘:将电动托盘钩延伸到储藏室内;使感兴趣的托盘上的托盘端钩与电动托盘钩接合;滑动电动托盘钩以远离储藏室,使得感兴趣的托盘被拉离架,并被拉到托盘穿梭器的托盘支撑表面上。
[0045] 该系统进一步可包括至少一个样品选择器模块,该至少一个样品选择器模块放置在托盘穿梭室的前侧,用于从一个或更多个源托盘挑选个别样品并将所挑选的样品存放到目标托盘里,样品选择器模块可包括挑选桌,挑选桌放置在χ-y平面内,用于支撑一个或更多个源托盘和目标托盘;以及一个或更多个位移器,其用于在χ-y平面内移动样品选择器机构,以接近一个或更多个源托盘内的所有样品以及目标托盘内的所有位置。
[0046] 样品选择器机构可包括拾取头和推动器,拾取头可具有至少一个空腔,以当启动推动器以便通过接触样品容器的底部并将样品容器向上推动通过托盘的开口并推到空腔内而从托盘升高样品容器时,接收样品容器。
[0047] 至少一个空腔可适合于接收多个样品容器,且拾取头进一步可包括顶出器,顶出器用于同时顶出保持在至少一个空腔内的多个样品容器。
[0048] 样品容器可保持在用一片密封件密封的架内,且拾取头进一步可包括密封件切割边缘,其中在将样品容器推动到至少一个空腔内之前,推动器推动样品容器顶着密封件切割边缘,以切割样品容器周围的密封件。
[0049] 样品选择器机构可适合于挑选保持在圆瓶中的样品,并进一步可包括:拾取头,其用于抓取瓶;位移机构,其用于使拾取头在源托盘和目标托盘之间移动;以及条形码阅读器;其中拾取头具有连接至其的至少一个镜子,用于将读出束反射到条形码阅读器,使得可以读出瓶的所有侧面。
[0050] 多个托盘中的每个托盘可具有托盘厚度和托盘宽度,且其中每个托盘支撑架可具有多个水平槽,多个水平槽用于可滑动地接收和支撑托盘,其中槽配置为在垂直相邻的托盘之间提供可变范围的距离。
[0051] 输入-输出可模块包括条形码阅读器,条形码阅读器用于识别被处理通过输入-输出模块的托盘和样品。
[0052] 该系统进一步可包括桥模块,桥模块连接到托盘穿梭室的模块侧,其中桥模块对接近储藏系统放置的分开的储藏系统的分开的托盘穿梭室提供接口。
[0053] 在第一示例性实施方式中,本发明的自动化样品储藏和管理系统使用用于冷冻储藏室的垂直储藏传送带(storage carousel)。容纳一个或更多个阵列的单独的可移动的样品容器的托盘装配在位于绕传送带旋转的运载工具(carrier)的多个槽内。槽配置为允许垂直相邻的托盘之间有足够的间隙,以接收多种不同大小的样品容器或孔板(wellplate)。垂直传送带能减少系统的覆盖区,并极大地改进可靠性,因为传送带的操作只需要提供向前或反向旋转的单一电动机来将想要的托盘或托盘槽定位成与水平托盘装载/卸载机构或“穿梭器”对齐。
[0054] 与水平托盘穿梭器结合的垂直传送带储藏机构允许通过根据它们在传送带中的位置来组织想要的样品的序列而最小化取回时间。当取回一个样品时,可通过旋转传送带以将下一个托盘移动到托盘穿梭器的高度来预定位序列中的待取回的下一个样品。其它系统具有用于样品的固定位置。当需求的样品彼此位置接近时,可迅速取回托盘,但是当要取回的样品储藏在储藏区域的最远位置时,就实质上变得较慢。
[0055] 垂直传送带将所需的用来与托盘穿梭器相互作用的使托盘在储藏室和用于处理或检查样品的一个或更多个模块之间移动的机械结构减到最少。因为垂直传送带垂直移动,所以单一的水平轴能够提供通向传送带上每个运载工具和托盘的入口。托盘穿梭器是在水平轴上的输送器,能够跨过传送带的整个宽度取回任何托盘。托盘穿梭器的延伸到储藏空间内的唯一部件是托盘钩(tray hook)。这个旋转式钩/杆装置(rotating hook/leverdevice)能够拉或推托盘,以将其插入到传送带上的槽内或使其从传送带上的槽移开,以便将托盘定位在输送器上,并将其移动到将执行操作的任何位置。
[0056] 一个或更多个模块位于托盘输送器的前面,在储藏室的相对侧。每个模块都能够从托盘输送器接收一个或更多个托盘,并在托盘上执行一些操作,例如更改特定托盘的内含物、从托盘挑选或“移动升降(cherry picking) ”特定样品并将它们放置在另一个托盘中、解冻托盘以使用、移出样品以使用或检查样品。模块可被隔离并具有受控大气,包括冷却到与托盘输送器相同的温度和/或充满气体以形成惰性大气。因为托盘输送器和模块在储藏室的外部,因此它们可被移除或使用,而不会干扰储藏样品的冰冻环境。
[0057] 模块可包括液体操作设备(liquid handling device),该液体操作设备可接收解冻的托盘,并且在室温,优选为在惰性大气中,打开容器的盖子,并抽吸和分配样品的一部分,而不从系统移除样品容器。
[0058] 分立的模块的显著益处是,使储藏室充满例如氮的惰性气体是实用的,这减少由于水或氧所涉及的污染。因为不需要人进入储藏区域,所以氮的使用不会危害使用系统的人们的健康。
[0059] 模块化设计还允许除了系统底部以外或不同于系统底部,在沿着垂直传送带的高度的不同高度都可以进入系统。在储藏室高到足够跨越实验室机构的多个平面的情况下,这个特征是有用的。传送带的性能允许样品运载工具位于任一平面。通过在第二、第三或其他楼层设置托盘穿梭器、模块和系统控制站,不同的实验室可以从局部进入公共储藏室。在从不同实验室提交的要求时间相同或相近的情形下,系统控制器中的软件将对存取要求区分优先次序。
[0060] 在地下室有可用空间,但是此处的存取不方便或不期望的情形,系统可配置为仅在第一层和/或第二层有入口点,而在地下室没有入口点。这样可以增加相当可观的储藏容量,而不占用昂贵的实验室楼层空间。
[0061] 每个模块都能够独立运转,从而允许并行执行多重操作,并且模块中至少一些包括同时操作多个托盘的能力。这样允许在模块中移除或替换托盘,而不需要停止那个模块的运转。对于选择器或“移动升降”、模块,这意味着机构可以连续运行。提供两个源托盘位置,使得当机构从一个托盘挑选时,另一个可以被替换。当单一的目标托盘被装满时,其被替换。这种工艺方法允许比现有方法显著快的挑选速率,因为挑选机构没有停机时间(down-time)。本发明的设计也改善了可靠性。
[0062] 选择器模块包括推动器机构(pusher mechanism)和拾取头(pick head),推动器机构提起样品容器,并使样品容器离开托盘,拾取头具有用于接收由推动器机构提起的容器的一个或更多个空腔。推动器机构独立于可移动的拾取头移动,从而允许拾取头从托盘的不同位置接收多个管。然后,将拾取头移动到目标托盘之上的目的地,并启动顶出机构(ejectormechanism), 一次移动放置所有的管。
[0063] 选择器模块可被配置为执行冲切的功能,因此消除了对附加步骤和附加仪器的需要,附加步骤和附加仪器用于分离用一片箔或聚合体密封的架内的容器。在这种实施方式中,拾取头的一个或更多个空腔具有尖锐边缘,当推动器机构向上推样品容器时,尖锐边缘能够切割样品容器周边周围的密封件。这允许管被密封得完整无缺地储藏,直到需要。典型地,一次只需要少数样品,所以当准备选择时,只切割想要的样品容器周围的密封件。
[0064] 在特别适合于超冷储藏的储藏室的可选择实施方式中,用固定的架和龙门架式托盘穿梭器(gantry-type tray shuttle)代替垂直传送带,其能够垂直和水平运动,放置在更温暖(〜-20°C)的室中。储藏室由许多泡沫砖与托盘穿梭室/龙门架室(gantrycompartment)分开,泡沫砖被设置为在储藏托盘的前面形成自动机械(robotically)友好的绝缘墙。块成堆设置,并由重力保持在适当位置。堆的任一侧上的导轨(guide rail)抑制块的横向运动,而允许块向上和向下自由滑动。为了存取特定托盘,机械人装载设备/卸载设备移动到想要的托盘前面的块,将针(Pin)或板延伸到块中相应的凹口内,然后将所有的块升高到那个点之上。取出感兴趣的托盘,并且将块降到原始位置。块可以是任意大小,但是优选为保持它们相对小,以使接近想要的托盘位置所需要的缺口的大小最小,并且因此当在墙上临时打开缺口时,使可能发生的任何温度变化最小。本发明方法允许在托盘被取出后立即闭合开口,而没有现有技术系统所经历的需要待取回的替换托盘堵住由取出的托盘留下的洞的延迟。[0065] 附图简述
[0066] 从下面的本发明优选实施方式的详细描述和附图,将更清楚地理解本发明,其中:
[0067]图1是显示了储藏单元、穿梭器和外部模块的本系统第一种实施方式的图解剖面侧视图。
[0068] 图2是沿图1线2-2截取的图解剖面图,显示了储藏单元、托盘穿梭机构和示例性的外部模块。
[0069] 图3a是移走储藏单元壳体的第一种实施方式的图解透视图;图3b是局部切除了壳体的图解透视图,以显示传送带机构的元件;而图3c是允许储藏不同大小样品容器的通用托盘槽的详细视图。
[0070] 图4是系统第二种实施方式的图解顶视图,其中绝缘墙将储藏室和托盘穿梭器分开。
[0071] 图5a是局部切除了壳体的图解正视图,而图5b是局部切除了壳体的透视图,都显示了根据第二种实施方式的托盘穿梭器和绝缘墙。
[0072] 图6a_6c是第二种实施方式的图解侧视图,显示了用于通过升高绝缘墙从储藏室获取和移除托盘的步骤。
[0073] 图7a和图7b分别是托盘穿梭器的图解侧视图和端侧图。
[0074] 图8a_8n是显示了托盘钩序列的一系列图,托盘通过托盘钩从储藏室取回并输送到系统前部的模块,为特定的样品容器的移动升降做准备。
[0075] 图9a和9b是管挑选功能的图解视图(前视和顶视)。
[0076] 图1Oa-1Oc分别是样品选择器机构的前视图、侧视图和透视图;图1Od是供样品选择器使用以切割容器周围的密封的固定装置(fixture)的顶视图。
[0077] 图1la是带有柔性入口模块的多层系统的图解侧视图;图1lb是移除了壳体以显示垂直传送带的多层系统的透视图。
[0078] 图12是样品选择器的可选择实施方式的图解视图。
[0079] 图13a和13b是冲切密封板之前和之后的图12样品选择器的图解视图。
[0080] 图14是储藏系统的控制器的软件和固件组成部分的框图。
[0081] 图15a_d是一系列读出步骤的图解顶视图,以允许固定的条形码阅读器分别观察样品瓶的右侧、右后侧、前侧和左后侧。
[0082] 图16是使用桥模块(bridge module)桥接在一起的两个储藏系统的图解顶视图。
[0083] 优选实施方式详述
[0084] 为了详细描述优选实施方式,使用如下的定义:
[0085] “样品”用来描述储藏在或可以储藏在储藏系统中的物料(化合物、生物样本或其他物质)以及管、瓶和用于保持储藏物料的是储藏的最小单位的类似容器。
[0086] “阵列(array)”包括按固定布置组织样品的板和架。架保存可移动的样品容器,而板具有不可移动的孔。这样的架一般配置为垂直的开口套筒或槽的阵列,从而允许获取保持在槽内的可移动的容器。
[0087] “托盘”是保持多个阵列的平的框架或容器。一般地,储藏系统内的所有托盘都将是相同长度和宽度的,并且特定的托盘内的阵列都具有相同大小的样品。示例性的托盘具有接收高达6个标准SBS(生物分子筛选协会(Society for BiomolecularScreening))8X 12的架和板的覆盖区。托盘具有多个开口,以允许既能通过托盘的底部又能通过托盘的顶部存取容器。开口可具有由凸缘或突出部分包围的巨大的敞开中心,凸缘或突出部分捕捉阵列板的外边缘,以在敞开区域上的覆盖区内支持架,从而允许接近架的下侧。可选择地,托盘可具有穿过另外的连续的底部表面的较小的开口阵列,且每个开口对应于样品容器的位置,使得可通过开口存取每个容器。
[0088] 每个样品、阵列和托盘应用条形码或类似的机器可读指示器分开识别,以允许跟踪每个样品,且阵列和托盘将一般具有方位指示器(orientationindicator),例如缺口角(notched corner),以方便操作和跟踪样品。
[0089] 本发明的自动化样品储藏和管理系统的第一示例性实施方式在图1-3中示出。系统100的基本部件包括储藏室壳体102、储藏室110、垂直传送带轨120、托盘运载工具121-124、托盘穿梭室140、托盘穿梭器150、模块160、162、164和166以及控制站170。
[0090]商业上可从 Remstar International, Inc.(Westbrook, MA)购买的垂直传送带机构运转得非常像费累斯转轮(Ferris wheel),并且能够顺时针或逆时针旋转,同时仍将每个托盘运载工具维持在竖直位置。图3b示出了传送带的主要部件,包括垂直传送带轨120、驱动链125、上部驱动齿轮126、下部驱动齿轮127、传动链128、变速器(transmission) 129和驱动电动机130。如本领域已知的,枢轴地连接到运载工具的侧面并枢轴地链接到驱动链125的运载工具导引器(carrier guide) 132具有导向臂,导向臂在传送带轨120内滑动,以在运载工具的整个行进中保持其竖直。
[0091] 通过启动传送带来使包含想要的托盘、架和样品的运载工具124移动到与托盘穿梭器150对齐,可以获取储藏室110中的所有托盘,托盘穿梭器150提供沿着平面152的水平运动,平面152垂直于储藏室110延伸,并跨过储藏室110的前面,以允许获取运载工具124内的每个托盘。传送带控制器能够足够精度地停止任一方向的旋转,以使不仅运载工具124,而且每个单独的托盘都能与穿梭器150水平对齐。穿梭器150,下面会更详细地描述,还提供向着和远离储藏室110的水平运动,以允许托盘被推进运载工具124的槽中或从运载工具124的槽中拉出。
[0092] 传送带内的每个运载工具121-124都是四面的架子,在底部、后面和两侧有面板,并且具有多个垂直分隔物322 (显示在图3a),以界定多个托盘支撑件。(注意,为了方便展示,分隔物322只显示在运载工具122中,但是每个运载工具都具有多个分隔物,且分隔物的数量取决于托盘的宽度和运载工具的宽度。)每个垂直分隔物322都具有由对应于托盘宽度的宽度分开的多个托盘支撑槽(tray support slot)(向内延伸的通道或突起部分),使得托盘被支撑为平行于运载工具的底部。槽配置为允许垂直相邻的托盘之间有足够的间隙,以适应许多不同大小(高度)的架和样品。通过利用用于所有类型的阵列(架和板)的标准化托盘厚度获得通用的槽结构,而不考虑容器的高度。垂直分隔物形成有延伸分隔物322整个高度的均匀隔开的水平肋或轨,如图3c所示。托盘槽324的尺寸使得标准厚度的托盘326能容易地滑进和滑出适当的槽,以在可被保持在托盘326上的各种大小的架328、329和330之间提供足够的间隙。
[0093] 传送带和托盘穿梭器的独立的垂直和水平运动允许更迅速地存取可遍布储藏室分布的样品。可通过当穿梭器将托盘输送到处理模块时,启动传送带来最小化取回时间,因此一旦穿梭器将取回的托盘转移到模块,下一个运载工具和托盘将已经与穿梭器水平对齐,使得穿梭器可立即移动到正确的水平位置来拉动下一个托盘。
[0094] 冷冻装备以及温度控制和监测仪器也是储藏系统的一部分,但是在这里没有描述或示出。这样的部件在本领域众所周之,且对本领域的人员而言适当的部件的选择是很明显的。
[0095] 一个或更多个模块160、162和164位于托盘穿梭器150的前面,在储藏室110的相对侧上。每个模块都能够从托盘穿梭器接收一个或更多个托盘,并在托盘上执行一些操作,例如更改特定托盘的内含物、从托盘中挑选特定的样品并将它们放置在另一个托盘中、在移出样品以使用之前解冻托盘、检查样品或接合样品并将样品转移到另一个储藏系统或物料处理站。这种模块化结构允许系统使用者定制符合他们自己特定需要的系统。例如,可提供多个移动升降台模块(cherry picker module),其中一个模块用于挑选瓶,而另一个模块用于挑选管。在示例性的组合中,模块160是瓶选择器,模块162是管选择器,而模块164是输入/输出-除冰装置(input/output-defroster)。其它移动升降台模块的组合可包括用于不同大小瓶的瓶挑选器,或可从源托盘中移除特定的板并在目标托盘中将它们与其它挑选的板组合的板选择器(Plate selector)。模块能隔热并具有受控大气,包括冷却到与托盘穿梭室140相同的温度和/或充满气体以形成惰性大气。
[0096] I/O-除冰装置模块164优选地装有充分搅拌的热空气,以将最高的热空气温度及整个柜子的温度维持在紧密调节的范围内。这样能够快速解冻,而没有可能使一些样品过热的热斑的风险。模块164包括存取门(accessd00r)167,存取门167用于从模块移除托盘,并将托盘重新放置到模块里。模块164内的条形码阅读器165或其他跟踪设备自动读出并记录穿过该模块的每个托盘、架和如果可能,样品容器的身份信息,并将这些身份信息送到系统控制器170。通过记录从系统移走的托盘,并在他们被插回到模块164内并通过托盘穿梭器重新加载时进行登记,系统控制器170能追踪从系统移走的托盘,以保证每个样品、架和托盘的位置始终是已知的,并且当样品返回到储藏室时,防止将托盘无意地放置在储藏室中的错误位置内。
[0097] 虽然I/O模块164能够读出并记录托盘和架上的条形码,但是很难读出粘贴在圆瓶或瓶上的条形码,因为容器可旋转,从而指引条形码远离处于固定位置的光学阅读器。常规的自动化技术通过一些装置使瓶旋转,使得条形码将在一些位置通过固定的阅读器的前面。旋转设备增加开支,且一般很慢。
[0098] 瓶挑选模块160包括用于通过使用常规的固定位置阅读器和镜子的组合来快速读出瓶上的条形码而不需要旋转瓶的组件,镜子被定位成允许读出瓶的整个表面。在瓶已经由自动机械移动的情况下,不需要额外的机构。
[0099] 瓶挑选模块包括具有只抓取瓶的顶部的自动化爪状机构(claw-likemechanism)的瓶拾取头,使得瓶的带有条形码的部分从拾取头向下延伸。这样的机构在本领域通常是已知的。图15a-d示出了三面镜子351-353怎样被连接成与瓶拾取头一同移动,以反射读出束(reading beam) 370来观察瓶360的不同侧,从而允许使用固定位置条形码阅读器362。束370连续向前发射。当保持瓶360的拾取头及连接的镜子351-353从左移动到右时(如示出的),如图15a所示的第一位置使镜子353与束370对准,从而允许读取瓶360的右侧。在图15b,拾取头继续移动,将镜子352放置到能反射束370的位置,从而允许通过固定的阅读器362观察瓶的右后侧。图15c示出了拾取头移动成使得束370直接射到瓶360的前部。图15d显示,拾取头所处的位置使得镜子351反射束370,以观察瓶的左后侧。这四个不同位置允许少量重叠地观察瓶的所有侧面,使得这些位置中的至少一个将产生对应于瓶身份信息的信号。由于唯一的移动部件是拾取头和其位移机构(translation mechanism),如果在通过一次之后,阅读器没有探测到条形码,则拾取头可被倒转到开始位置,然后启动,以重复它的路线经过阅读器。
[0100] 除了单轴位移器(single axis translator)之外,没有其他的移动部件,这使得提供了一种稳固的阅读系统。也可使用不同配置的镜子。例如,可使用两个平面镜子观察整个区域,但是没有重叠,或使用一个成型的镜子。镜子可位于与瓶有一定距离的地方,以便为夹紧机构(clampingmechanism)或其它移动元件提供足够的间隙。在可选择的结构中,阅读器可相对于固定的瓶和镜子组件移动(或旋转)。
[0101] 供本发明系统使用的又一可能模块是桥模块,在图16中示出。如显示的,桥模块169在第一储藏系统IOOa的一排模块160、162和164的右端处连接到托盘穿梭室140a的前面。桥模块169延伸超出系统IOOa的右端,并连接到第二储藏系统IOOb的托盘穿梭室140b的前侧。本发明设计允许系统使用者扩大他们的储藏容量(两倍、三倍或更多),而不干扰现有的储藏系统。如果系统所有人希望扩大现有系统的容量,而不是希望购买新的更大的系统,则现在的商用系统要求牺牲储藏室。这允许系统使用者为了当前的需要购买更经济的系统,并在日后根据需要购买一个或更多个附加系统来扩大。两个桥接的储藏系统之间的接口允许快速存取所有系统内的所有样品,从而允许从任一系统选择样品,以进行挑选并将样品转移到公共目标托盘。第二储藏系统IOOb可具有如显示的它的I/O模块172,或者它能够通过桥模块169将取回的托盘从托盘穿梭器140b转移到托盘穿梭器140a以及转移到I/O模块164。优选地,模块169将包括条形码阅读器,以追踪可从一个储藏系统移动到另一个储藏系统的托盘、架和样品。
[0102] 具有与桥模块类似功能的附加的模块可作为自动化接口,用于将托盘、架和样品转移到分开的物料操作工作站,而不需要从储藏系统手动移动托盘来运输它,以进行另外的处理或高通量筛选(high-throughputscreening)。示例性的商用可用的工作站是BioCel系列自动化系统(Velocityll, Menlo Park, California)。接口模块能够按照与桥模块169类似的方式定位,其中工作站稍微位于储藏系统的侧面,或者其可被定位成使得工作站在储藏系统的前面,其中自动化接口模块夹在储藏系统和工作站之间。
[0103] 每个模块通过用垫圈161密封的小开口可释放地连接到托盘穿梭室140的前侧。储藏系统的模块结构允许移除或使用模块,而不干扰储藏的样品的冰冷环境。在使用期间,或当模块被调换的时候,移除的模块和托盘穿梭室之间的开口可用隔板密封。
[0104] 样品的处理一般发生在每个模块的上面部分的围栏(enclosure)内。在每个模块的处理围栏下面的是柜子,柜子围绕用于控制每个模块的硬件部件和模块与托盘穿梭器之间的接口。系统的软件/逻辑体系结构600显示在图14。每个模块都具有它自己的专用硬件控制器642、644和646,且这些控制器中的每个都由硬件控制PC 630驱动,硬件控制PC630运行选择器管理器632和托盘管理器软件,用于分别控制通过托盘穿梭器的移动升降和托盘运输。控制台/服务器PC 602包括用于系统管理器606、储藏管理器610并与数据库608通信的软件,数据库608包含在或已经在系统内的每个样品的信息。PC 602也通过网络开关以及与影像控制器620的连系为企业系统提供可选的连接,而影像控制器620运行摄影机(未显示),用于视觉追踪一个或更多个模块中的每个模块的运转。每个PC 602和630由也安装在模块底部的柜子内的UPS(不间断电源)(未显示)提供能量。
[0105] 附加的模块可包括液体操作设备,该液体操作设备可接收解冻的托盘,并且在室温,优选在惰性大气中将容器的盖子打开,然后抽吸并分配一部分样品。然后,将样品再盖上盖子,而不需要从系统移除储藏托盘。示例性的封盖机/开盖机系统在共同未决的第11/555,621号美国申请中公开,该专利在此通过引用并入。
[0106] 除了或不同于在系统的底部进入系统之外,模块化设计还允许在沿着垂直传送带的高度的不同高度处进入系统,这对于多层储藏系统特别有利。示例性的设置在图1la和Ilb示出。储藏室210和垂直传送带导引器220跨越两层楼,通过分离两个楼层的地板280。每一层都具有它自己的托盘穿梭器250a和250b、它自己的控制器270a和270b以及它自己的处理模块的组合260a&b、262a&b和264a&b。当利用特别适合于他们需要的处理模块时,通过在第二、第三或其他楼层提供开口,不同的实验室可具有进入公共储藏室的局部入口。在从不同实验室提交的要求时间相同或相近的情形,系统控制器中的软件对存取要求区分优先次序。
[0107] 在地下室有可用空间来安装储藏室,但是入口不方便或不期望的情形,系统可配置为仅在第一层和/或第二层有入口点,而在地下室没有入口点。这样可以增加相当可观的储藏容量,而不占用昂贵的实验室楼层空间。
[0108] 在多层系统中,期望结合感测设备和小量的Z轴布置,以适应建筑结构和楼层相对于储藏系统的移动或调整,使得托盘穿梭器与传送带保持合适的对齐。这些变化一般较小,并且发生在一段长时间内,所以系统的通量不会受影响。模块以允许这种小的运动而不干扰密封的方式耦合到系统。
[0109] 在可选择的实施方式中(未显示),多层或单层储藏系统可被更改为通过将托盘穿梭室连接到储藏室的后侧来提供位于不同房间的第二实验室的入口。入口点可在相同的平面或在不同的平面,因为托盘穿梭器只与紧邻的运载工具相互作用。在这种更改中,传送带运载工具将在前面和后面打开,从而允许从运载工具的任一侧移除托盘。两个实验室将具有它们自己的处理模块,这将提供更迅速的样品存取。
[0110] 返回参考图1-3,模块160、162和164中的每个都能够独立工作,从而允许对不同样品的多重操作能并行执行,且模块中的至少一些包括同时操作多个托盘的能力。这允许移除或替换模块中的托盘,同时使模块操作不中断。对于如图9a和9b示出的选择器或“移动升降”、模块,在挑选桌901上提供了两个源托盘930的位置,使得当机构挑选器902从一个托盘930挑选样品时,另一个源托盘可返回到储藏室,并由不同的托盘取代。单一的目标托盘932在其装满时被替换。这种工艺方法允许比现有方法相当迅速的挑选速率,因为挑选机构没有停机时间。
[0111] 在特别适合于超冷储藏的储藏室的可选实施方式中,垂直传送带由固定的架520和龙门架运转的托盘穿梭器452取代,托盘穿梭器452能够垂直和水平运动,放置在更高温度(〜-20°C)室内。示例性的龙门架机构公开在美国专利第6,663,334号内,其在此通过引用并入。
[0112] 如图4-6示出的,在储藏系统壳体402内,储藏室410通过墙430与托盘穿梭室420分开,墙430由设置成形成自动机械友好的绝缘墙430的各个泡沫砖或块(图4的431-434加上图5a和5b的531a-f、532a-f、533a-f和534a-f)的堆或柱形成。块成堆设置,并通过重力保持在适当位置。堆的每侧上的导轨540阻止块横向运动,而允许块向上和向下自由滑动。如在图6a中示出的,为存取特定的托盘,龙门架552沿着龙门架轨(gantryrail)554水平移动,并垂直移动机器人托盘穿梭器452,以使托盘穿梭器452与想要的托盘406前面的块433对齐。针驱动机构(pin drive mechanism) 512将针506延伸到块433中的相应凹口 536中,托盘穿梭器452在龙门架552上向上移动,以将块433和所有其它的块533a、533b升高到该位置之上,如图6b中所示。在示出的实施方式中,针506由柱456保持在托盘穿梭器452的托盘支撑表面458之上的固定高度,所以系统控制器将能够准确确定需要将块433升高多少来获取托盘406。在可选择的实施方式中,可在托盘穿梭器452上设置单独的提升电动机(lift motor),以使水平驱动机构454相对于托盘支撑表面458垂直移动。
[0113] 通过使用托盘钩454 (显示在图4)将托盘定位在托盘穿梭器452的托盘支撑表面458上来取出感兴趣的托盘406。如在图6c中示出的,托盘406被彻底收回,降低托盘穿梭器452将块433和533a&b重新定位到它们的原始位置,并退回针506,从而恢复储藏室410和托盘穿梭室420之间的绝缘分隔物。构成绝缘墙的块可以是任何尺寸,但是优选保持它们相对较小,以使接近想要的托盘位置而形成的缺口的大小最小化,并且因此,当在墙上临时打开缺口时,使可能发生的任何温度变化最小。本发明方法允许在托盘被取出后立即关闭开口,这提供了超过需要取回替换托盘并用来堵上由被取出的托盘留下的洞的现有技术系统的显著优势。
[0114] 图7a和7b示出了托盘穿梭器150的元件,其包括穿梭器框架(shuttleframe) 750、响应于带710的启动而沿着框架750纵向移动的滑块714、驱动轮712和带导向器713、驱动电动机715,驱动电动机715顺时针及逆时针旋转驱动轮712,以启动带710朝着和远离储藏室向前和向后移动滑块714。滑动导轨738从框架750向上延伸,以在滑块714的底部与滑动导引通路736相配合,用于重复运动。托盘钩730从滑块714的顶部延伸,在被托盘钩电动机732启动时,托盘钩730绕轴734旋转,而托盘钩电动机732连接到滑块714的底部。托盘钩730配置为当移动到与从托盘706(由虚线指出)的每端延伸的托盘端钩720接触时接合端钩720。
[0115] 当启动托盘钩电动机732时,托盘钩电动机732使托盘钩730旋转,以延伸超过托盘穿梭器150 (如图8a-8n所示)的末端,使得只有钩730到达样品储藏室里。托盘钩730可用来接合托盘端钩720以使托盘能被拉到托盘支撑件716上,或者可推动端钩720以使托盘滑动离开托盘支撑件716并远离托盘穿梭器150。
[0116] 图8a_8n示出了通过托盘穿梭器150执行的从储藏室110移除样品并将它们转移到模块800的操作顺序。从图8a开始,将托盘812预定位在模块800内,在本例中模块800是移动升降台模块。托盘812是接收托盘,在挑选操作期间,挑选的样品将被放置在托盘812内。当系统控制器发布命令取回托盘806时,托盘钩730位于托盘穿梭器150的右或前(模块)侧,托盘806被确认为包含被处理的样品。如果储藏室使用第一实施方式的垂直传送带,传送带将在这个步骤期间旋转,以使托盘穿梭器150与运载工具和待取回的托盘对齐。将托盘穿梭器150与想要的托盘806水平对齐。对于第二实施方式的龙门架安装的托盘穿梭器,启动龙门架,以将托盘穿梭器452移动到适当的垂直和水平位置来开始取回。
[0117] 在图8b,通过启动驱动电动机715将滑块714移动到后面,使托盘钩730移动到穿梭器150的左或后(储藏室)侧。在图8c中,启动托盘钩电动机732,以逆时针旋转托盘钩730,从而使钩730的末端接合托盘806的托盘端钩826。
[0118] 一旦两个钩接合,就启动驱动电动机715,使滑块714朝着穿梭器150的前面移动,从而把托盘806从储藏室110中拉出,如图8d所示。此时如果需要,托盘穿梭器150将沿着托盘穿梭平面752横向移动,或者龙门架552将水平移动托盘穿梭器450,以便将用于传递的托盘定位到模块800。如示出的,然而,模块800直接在托盘806被拉出的位置的前面。
[0119] 在图8e,顺时针旋转托盘钩730,以使其与托盘端钩826脱离。然后,启动滑块714,以将其移动到托盘穿梭器150的后面,如图8f所示。在图Sg中,再次顺时针旋转托盘钩730,以接合托盘806的端钩836。然后,启动滑块714,以移动到托盘穿梭器150的前面,从而推动托盘806通过模块800后面的开口,如图8h所示。逆时针旋转托盘钩730,以松开端钩836,如图8i所示,此后,托盘穿梭器150沿着托盘穿梭平面152水平移动,以将穿梭器定位在待取回的下一个托盘的前面,在本情形中是托盘804,如图8j所示。
[0120] 在托盘穿梭器150完成图8g到8i显示的步骤的操作期间,在图1-3的实施方式中,可启动垂直传送带,以在托盘穿梭器平面预定位下一个运载工具。因此,托盘804不需要保持在与托盘806相同的运载工具内。虽然如此,由于垂直传送带和托盘穿梭器的独立运转,可以在先前的托盘806传递到模块800之后,在托盘穿梭器空闲之后,使得下一个可用的托盘被立即取回。
[0121] 在图8k,使滑块714朝着托盘穿梭器150的后面移动,从而将托盘钩730定位在托盘804的前面。启动托盘钩电动机732,以逆时针旋转托盘钩730,以接合托盘端钩824,如图81所示。启动滑块714,以将托盘804拉到托盘穿梭器150上,如图Sm所示,然后,使托盘穿梭器150沿着穿梭平面152移动,以便将用于转移的托盘804定位到模块800,如图Sn所示。然后,仿效图8g和8h示出的步骤将托盘804移动到模块800里。
[0122] 一旦从托盘804和806移走了想要的样品,托盘穿梭器将按相反的次序运转,以将托盘返回到它们先前的位置。另外的托盘可被取回并被转移到模块800,以获得用于转移到托盘812里的所有想要的样品。
[0123] 在托盘812装满想要的样品后,可使用托盘穿梭器150将样品返回到储藏室或将托盘转移到不同的模块。典型地,第二个模块将执行处理操作,例如解冻在受控的,例如,惰性和/或温度倾斜的环境中的样品,以在从系统移走样品用于使用之前使冷凝最小。相同的模块可用于将样品引进到储藏室的更冷的温度里,从而在将它们放置在储藏之前,使它们经受惰性大气。其它模块可包括影像或分析仪器,用于检查和/或测试样品。
[0124] 图9a和9b示出了用于管的在移动升降台模块900中利用的挑选器机构902。如之前所提到的,移动升降台模块900具有两个源托盘位置920、921以及一个目标托盘位置950,源托盘位置920、921以及目标托盘位置950分别保持多个样品架922和952。托盘被支撑在固定的表面上,或者“挑选桌”901上,而挑选器机构在x-y平面内移动,以接近托盘上的不同位置,以便执行想要的转移操作。当从一个源托盘位置取走样品时,不同的源托盘可被移动到另一源托盘位置内,从而允许实质上连续的样品选择。
[0125] 安装在线性位移器上用于沿一个轴916 (图9b中的y轴)运动的挑选器机构902包括拾取头904和推动器机构906。拾取头904沿着另一轴(图9b的x轴)、沿着轨910平移,而推动器机构906的定位由螺杆传动装置908控制。
[0126] 推动器机构906升高样品容器并将样品容器提升出架922,从而将它们推到拾取头904的一个或更多个空腔内。推动器机构906独立于拾取头904移动,从而允许拾取头从托盘的不同位置接收多个管。一旦装满拾取头的空腔或多个空腔,就将拾取头904移动到目标托盘950的架952之上的目的地,在这里,启动顶出机构,一次移动放置所有容器。
[0127] 图1Oa-1Oc示出了拾取头904和推动器机构906的元件。
[0128] 拾取头904通过安装板948安装在轨910上,并且也提供用于连接拾取头部件的框架。拾取头底板931垂直于安装板948延伸,并具有样品容器经过的开口。底板931—般位于所挑选样品的架922上面一小段距离。当挑选器也被用来分离用粘合板密封的管时,如下面所描述的,底板931可实际接触架922的顶部表面。直接在底板931上面的是可释放地连接到块945以向下延伸的弹簧961-963。每个弹簧961-963都由弹性金属形成,并具有向内延伸的锥形齿(tapered tooth),当样品容器被向上压顶着齿时,锥形齿造成弹簧向外呈凸轮形(cam)。每个弹簧961-963的内表面、块945下表面和后部墙976界定空腔960,在挑选处理期间,样品容器可被保持在空腔960内。空腔的大小主要由弹簧961-963在锥形齿的上边缘和块945的底表面之间的长度界定,为了保证合适的操作,空腔的大小应紧密适合容器的大小。当操作不同长度的容器时,通过拧松弹簧螺钉移除弹簧961-963,并用具有与待操作的容器相对应的长度的弹簧替换弹簧961-963。弹簧将其相关联的容器保持在空腔960内,直到容器被顶出。
[0129] 传感器/顶出膜片(ejector blade) 952-954可滑动地延伸通过块945内的槽,使得当容器被推进空腔960内时,容器之上的膜片被向上推,因此膜片的上端被设定为用于通过一组光学探测器958中的一个来探测,而光学探测器958安装在块945之上的印制电路板933上。(PCB 933提供到挑选器控制器(未显示)的电连接。)光学传感器958的启动产生信号,告诉挑选器控制器,容器保持在拾取头内特定的槽内。如图1Oa示出的,容器946保持在空腔960内,从而向上推膜片954,膜片954的上端由光学传感器958探测。容器944处于由推杆970向上推顶着弹簧962的锥形齿的过程中。容器944的顶部与膜片953的下边缘接触,以将膜片953向上推到也将被相应的光学传感器958探测的地方。在示例性的实施方式中,拾取头被配置用于接收三个容器,因为有三个弹簧961-963、三个膜片952-954和三个光学传感器958。一旦所有的光学传感器探测到空腔960内有容器存在,挑选器控制器指引拾取头移动到待放置样品容器的目标架950 (在图9b)的位置。一旦拾取头处于目标架950之上的适当位置,就启动凸轮电动机934,以旋转飞轮958,从而造成凸轮947对通路938施加向下的力。通路938连接到拾取头滑块935的后侧,从而造成滑块935沿着导引器936向下移动。顶出杆(ejector bar)943从滑块935的前侧延伸,顶出杆943具有延伸通过每个膜片952-954的槽的顶出接头(ejectortab)。当滑块935向下移动时,顶出杆促使膜片952-954向下靠着空腔960内的容器的顶部,从而使它们同时从拾取头顶出,并进入到目标架内。飞轮958可被加重,以在启动时提供额外的惯性来保证其遵从其完整的周期。
[0130] 虽然上面的解释描述了适合于接收三个容器的拾取头,但是容易明白的是,可通过提供从一个空腔-弹簧-膜片-传感器组合到许多这样的组合来操作更多或较少的容器,这可实际用于有效的操作。
[0131 ] 通过驱动推杆970向上通过托盘920和架922的开口底部,使推动器机构906与拾取头904相配合,以升高容器并向上推顶着拾取头的齿簧(toothed spring)。推动器机构906通过安装板968连接到位移器908,以允许推动器和拾取头独立运动。推杆连接到沿柱973垂直移动的推动器滑块937,由推动器导引器974稳定,柱973和推动器导引器974都连接到基座932。通过与如上所描述的用于拾取头顶出器的类似的凸轮机构开始垂直运动。凸轮电动机940使飞轮972旋转,这使凸轮964在通道966内移动,以对通路966施加向上或向下的力。连接到推动器滑块937的后侧的通路966使推杆970向上或向下移动,这依赖于飞轮972的旋转方向。与拾取头一样,飞轮972可被加重,以保证其产生足够的惯性来完成其完整的周期。推杆970可用需要的用于操作不同长度容器的不同长度的杆取代。
[0132] 凸轮电动机组件934、940中的每个分别包括磁位置传感器(magneticpositionsensor) 941或939,磁位置传感器941或939提供相应的飞轮958或972的位置上的反馈,以保证飞轮旋转通过其完整的周期。控制电子设备位于连接到电动机末端的盒子里。
[0133] 拾取头904可被改变成执行冲切功能,因此消除对附加步骤和附加仪器的需要,附加步骤和附加仪器用于分离用单一片箔或聚合体密封的架内的容器。在这种实施方式中,切割盘980固定于拾取头底板931的底部,且切割边缘982与空腔960的底部对齐。切割盘980可由铝或不锈钢形成。边缘982不需要故意锐化,因为通过切割或钻孔加工板以形成开口的常规工艺产生足够尖锐的边缘,以便当样品容器被推动器机构向上推时切割样品容器的周界周围的密封件。这允许管被完整无缺地密封储藏直到需要。典型地,一次只需要少数样品,所以当作好选择准备时,只切割想要的样品容器周围的密封件。
[0134] 图12示出了其中拾取头每次传递单一样品的移动升降台的可选择实施方式。在这种情形,拾取头988和推动器985支撑在相同的框架上,并且彼此不能独立移动。这种结构特别适合于操作保存非常小的(50-100微升)管的架,管是最普遍的用箔片或聚合物990密封的类型。这样的架最多能保存384个管。由于拾取头内的顶出器每次只需要释放一个管,所以顶出机构是由凸轮996驱动的单一的针986,凸轮996在杠杆995上升高以压缩偏置弹簧996,以便向拾取头空腔内的管施加向下的力。
[0135] 如图13a和13b示出的,图12的移动升降台机构特别适合于分离用片990密封的管。当推动器985向管的底部施力时,其压紧拾取头的尖锐边缘982,从而切割密封件990’以分离管,管然后被向上推进到空腔里,与弹簧993和顶出针(ejector pin)986接触。当移动升降台被移动到目标托盘时,启动顶出针,以向下按在管上,将它推出空腔。
[0136] 这里描述的样品储藏系统能解决现有技术系统的许多缺陷,以实现快速存取环境可控储藏室里的样品,并且对储藏室环境的影响最小。当与具有可受低温储藏环境不利影响的最少量的机电部件的机器人托盘穿梭机构一同使用时,可以可互换地和可分离地连接到储藏室的柔性模块能够连续运转。
[0137] 移动升降台机构提供所选样品的迅速取回,而不会使相同托盘的其它样品受到环境的改变。多个移动升降台模块可与单一储藏室和托盘穿梭器相关联,使得可在相同储藏系统内储藏、操作和管理不同类型和大小的样品容器。
[0138] 对于本领域技术人员很明显,可在本发明的系统和设备中做出各种更改和变更,而不背离本发明的精神和范围。因此,意味着本发明包含落在所附权利要求和其等效形式范围之内的所有这样的更改和变更。

Claims (28)

1.一种用于储藏和操作样品的自动化系统,包括: 封闭式冷冻储藏室; 至少一个垂直传送带,其布置在所述储藏室内,所述垂直传送带具有围绕垂直回路分布的多个运载工具,其中每个运载工具适合于接收保持多个样品的多个托盘; 托盘穿梭室,其邻接所述储藏室,所述托盘穿梭室具有延伸跨过所述储藏室的前面的宽度、接近所述储藏室的储藏侧和相对于所述储藏室的模块侧,其中所述托盘穿梭室的所述模块侧具有形成在其中的多个可密封的开口,每个开口适合于样品操作模块或适合于密封所述开口的隔板的可释放的连接; 托盘穿梭器,其布置在所述托盘穿梭室内,位于相对于垂直回路的固定高度并且适合于沿着所述托盘穿梭室的所述宽度行进,其中所述托盘穿梭器包括推拉装置,所述推拉装置用于拉动和推动托盘以在所述储藏室和所述样品操作模块之间转移托盘; 多个样品操作模块,其独立地、可释放地并且可互换地连接到所述托盘穿梭室的所述模块侧并能够从所述托盘穿梭器接收一个或更多个托盘,所述多个样品操作模块的每个样品操作模块布置在所述多个可密封的开口的一个开口处,所述多个样品操作模块包括输入-输出模块,所述输入-输出模块用于接收托盘以储藏在所述储藏室内或从所述储藏室取回托盘; 一个或更多个隔板,其用于当可密封的开口的数量超过样品操作模块的数量时可释放地密封所述多个可密封的开口中的任何开口;以及 系统控制器,其指引所述储藏室、所述垂直传送带、所述托盘穿梭器和所述多个样品操作模块的操作。
2.如权利要求1所述的系统,其中所述多个托盘中的每个托盘具有托盘厚度和托盘宽度,并且其中所述垂直传送带上的每个运载工具包括多个分隔物,每个分隔物具有多个槽,用于可滑动地接收和支撑一对分隔物之间的托盘,其中所述槽配置为在垂直相邻的托盘之间提供可变范围的距离。
3.如权利要求1所述的系统,其中所述输入-输出模块包括条形码阅读器,所述条形码阅读器用于识别被处理通过所述输入-输出模块的托盘和样品。
4.如权利要求1所述的系统,其中所述多个样品操作模块进一步包括至少一个样品选择器模块,用于从一个或更多个托盘挑选个别样品并将所挑选的样品存放到目标托盘内。
5.如权利要求4所述的系统,其中所述至少一个样品选择器模块包括拾取头和推动器,所述拾取头具有空腔,以当启动所述推动器以便通过接触样品容器的底部并将样品容器向上推动通过托盘中的开口并进到空腔内而从托盘升高样品容器时,接收样品容器。
6.如权利要求5所述的系统,其中所述空腔适合于接收多个样品容器,且所述拾取头进一步包括顶出器,所述顶出器用于同时顶出保持在所述空腔内的多个样品容器。
7.如权利要求5所述的系统,其中所述样品容器保持在用一片密封件密封的架内,且所述拾取头进一步包括在所述空腔的下边缘附近的密封件切割边缘,其中在将样品容器推动到所述空腔内之前,所述推动器推动样品容器顶着所述密封件切割边缘,以切割样品容器周围的密封件。
8.如权利要求5所述的系统,其中所述至少一个样品选择器模块进一步包括: 挑选桌,其放置在χ-y平面内,用于支撑一个或更多个源托盘和目标托盘;以及一个或更多个位移器,其用于在χ-y平面内移动所述拾取头和所述推动器,以接近一个或更多个源托盘内的所有样品以及目标托盘内的所有位置。
9.如权利要求8所述的系统,其中所述拾取头在χ-y平面内独立于所述推动器移动。
10.如权利要求8所述的系统,其中所述拾取头和所述推动器在x-y平面内一起移动。
11.如权利要求4所述的系统,其中所述至少一个样品选择器模块适合于挑选保持在圆瓶中的样品,并进一步包括: 拾取头,其用于抓取瓶; 位移机构,其用于使所述拾取头在源托盘和目标托盘之间移动;以及 条形码阅读器; 其中所述拾取头具有连接至其的至少一个镜子,用于将读出束反射到所述条形码阅读器,使得可以读出瓶的所有侧面。
12.如权利要求1所述的系统,其中所述托盘穿梭器进一步包括: 托盘支撑表面; 电动托盘钩,其放置在滑块上,所述滑块在所述托盘穿梭室的储藏侧和模块侧之间在所述托盘支撑表面上来回移动,其中所述电动托盘钩旋转以相对于所述托盘支撑表面延伸或收回,其中所述电动托盘钩延伸接合感兴趣的托盘上的第一托盘端钩,并向着模块侧滑动,使得感兴趣的托盘被拉离运载工具并拉到所述托盘支撑表面上。
13.如权利要求12所述的系统,其中所述电动托盘钩通过以下方式将感兴趣的托盘转移到至少一个处理模块:旋转以脱离所述第一托盘端钩,滑动到储藏侧,旋转以接合第二托盘端钩,并向模块侧滑动以将感兴趣的托盘推出所述托盘支撑表面并推到至少一个处理模块的托盘表面上。
14.如权利要求1所述的系统,其中所述储藏室跨越多层建筑的多个楼层,并且其中分开的托盘穿梭器和分开的输入-输出模块放置在沿着所述储藏室的一个或更多个附加的垂直位置,其中所述垂直位置对应不同楼层。
15.如权利要求1所述的系统,其中所述多个样品操作模块包括桥模块,其中所述桥模块包括到分开的储藏系统的分开的托盘穿梭室的接口,所述分开的储藏系统接近用于存储和操作样品的所述自动化系统放置。
16.一种用于在多个托盘中储藏多个样品的储藏系统,所述系统包括: 寒冷储藏室,其具有多个垂直的托盘支撑架、储藏室前部和宽度; 托盘穿梭室,其具有接近所述寒冷储藏室前部的后部和相对于所述寒冷储藏室的模块侦牝其中所述托盘穿梭室的模块侧具有形成在其中的多个可密封的开口,每个开口用于多个可互换的样品操作模块中的一个样品操作模块或密封板的可释放的连接; 托盘穿梭器,其放置在所述托盘穿梭室内,所述托盘穿梭器包括用于移动和转移的装置,所述用于移动和转移的装置在所述托盘穿梭室内水平和/或垂直移动并将感兴趣的托盘转移到邻接所述托盘穿梭室的所述模块侧的至少一个样品操作模块; 多个可互换的样品操作模块,其独立地、可释放地并且可互换地连接到所述托盘穿梭室的所述模块侧,所述多个可互换的样品操作模块的每个样品操作模块布置在所述可密封的开口的一个开口处,所述多个可互换的样品操作模块包括输入-输出模块,所述输入-输出模块用于接收托盘以储藏在所述储藏室内或从所述储藏室取回托盘;以及系统控制器,其指引所述寒冷储藏室、所述托盘穿梭器和所述多个可互换的样品操作模块的操作。
17.如权利要求16所述的系统,其中所述寒冷储藏室维持在超冷温度,并进一步包括设置在所述寒冷储藏室和所述托盘穿梭室之间的绝缘墙,所述绝缘墙包括可滑动地堆叠在多个垂直导引器内的可分离的多个砖,以界定多个柱,其中每块砖具有形成在其前部面中的凹口。
18.如权利要求17所述的系统,其中所述托盘穿梭器进一步包括装置,所述装置用于: 使提升针与所述多个砖中的最接近所感兴趣的托盘的一块砖内的凹口对齐; 将提升针插入到凹口内,并升高所述一块砖和堆叠在所述一块砖的上部的任何砖,以在绝缘墙上打开缺口; 穿过缺口从所述架取回感兴趣的托盘;以及 降低升高的砖,以闭合缺口。
19.如权利要求18所述的系统,其中所述多块砖中的每块砖由绝缘泡沫形成。
20.如权利要求16所 述的系统,其中所述托盘穿梭器通过以下方式取回感兴趣的托盘: 将电动托盘钩延伸到所述寒冷储藏室内; 使感兴趣的托盘上的托盘端钩与所述电动托盘钩接合; 滑动所述电动托盘钩以远离所述寒冷储藏室,使得所述感兴趣的托盘被拉离所述架,并被拉到所述托盘穿梭器的托盘支撑表面上。
21.如权利要求16所述的系统,其中所述多个可互换的样品操作模块进一步包括至少一个样品选择器模块,所述至少一个样品选择器模块用于从一个或更多个源托盘挑选个别样品并将所挑选的样品存放到目标托盘里,所述至少一个样品选择器模块包括挑选桌,所述挑选桌放置在χ-y平面内,用于支撑所述一个或更多个源托盘和目标托盘;以及 一个或更多个位移器,其用于在χ-y平面内移动样品选择器机构,以接近所述一个或更多个源托盘内的所有样品以及目标托盘内的所有位置。
22.如权利要求21所述的系统,其中所述样品选择器机构包括拾取头和推动器,所述拾取头具有至少一个空腔,以当启动所述推动器以便通过接触样品容器的底部并将样品容器向上推动通过托盘的开口并推到空腔内而从托盘升高样品容器时,接收样品容器。
23.如权利要求22所述的系统,其中所述至少一个空腔适合于接收多个样品容器,且所述拾取头进一步包括顶出器,所述顶出器用于同时顶出保持在所述至少一个空腔内的多个样品容器。
24.如权利要求22所述的系统,其中样品容器保持在用一片密封件密封的架内,且所述拾取头进一步包括密封件切割边缘,其中在将样品容器推动到所述至少一个空腔内之前,所述推动器推动样品容器顶着所述密封件切割边缘,以切割样品容器周围的密封件。
25.如权利要求21所述的系统,其中所述样品选择器机构适合于挑选保持在圆瓶中的样品,并进一步包括: 拾取头,其用于抓取瓶; 位移机构,其用于使所述拾取头在源托盘和目标托盘之间移动;以及 条形码阅读器;其中所述拾取头具有连接至其的至少一个镜子,用于将读出束反射到所述条形码阅读器,使得可以读出瓶的所有侧面。
26.如权利要求16所述的系统,其中所述多个托盘中的每个托盘具有托盘厚度和托盘宽度,且其中每个托盘支撑架具有多个水平槽,所述多个水平槽用于可滑动地接收和支撑托盘,其中所述槽配置为在垂直相邻的托盘之间提供可变范围的距离。
27.如权利要求16所述的系统,其中所述输入-输出模块包括条形码阅读器,所述条形码阅读器用于识别被处理通过所述输入-输出模块的托盘和样品。
28.如权利要求16所述的系统,其中所述多个可互换的样品操作模块包括桥模块,其中所述桥模块对接近所述储 藏系统放置的分开的储藏系统的分开的托盘穿梭室提供接口。
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