CN102053022B - 一种快速批量取样与分离装置 - Google Patents

Abstract

一种快速批量取样与分离装置，包括取样阀、试管、试管架、取样转台、转台托架、定位感应器、驱动机构、真空泵、真空吸头、控制装置和平台支架等组成。取样转台置于转台托架上，取样转台由驱动机构驱动沿转台托架转动，试管架置于取样转台上并随其转动，在驱动机构的带动下，试管架带着试管快速移动，从而将样品快速分置于试管内，实现快速批量取样的要求。同时置于试管架内的试管由上下两层取样试管和分离试管组成，且取样试管内有分离膜片，在真空情况下，将进入取样试管内的取样物抽吸分离。该装置特别适应用需要快速取样的不稳定代谢流分析和非稳态反应过程快速批量取样分析。

Description

一种快速批量取样与分离装置

技术领域

本发明属于一种过程跟踪测量的快速取样装置和取样分离装置，主要研究细胞代谢、代谢工程、代谢物组学等非稳态代谢流分析，或者非稳态反应过程中物料组分变化的快速测量分析。

背景技术

细胞代谢网络是由至少上千种酶、膜传递系统、信号传递系统组成的受精密调控又互相协调的复杂系统组成的，细胞代谢流研究的主要目的是分析改变分叉代谢途径的流向、阻断有害代谢产物的合成，而设计和操作中的主要困难是细胞代谢网络的刚性和细胞的应答反应，这些微观的反应过程常常是多途径且非线性的，仅仅通过结果的推导难以真实的反应代谢流的分配、关键分叉点的速度限制步骤以及生化途径的合成等信息，研究上通常采用间断取点测量的方法，研究代谢流的分配与走向，为定向控制生物代谢过程提供依据。

目前国内外有大量的论文涉及到代谢流分析研究，国内论文中对细胞代谢产物按一定间隔时间进行取样测定分析，通过分析细胞外液各种物质的含量变化推断在细胞的生长过程中外因胁迫、诱变对细胞代谢过程的影响。但由于受实验条件的限制，分析数据取样间隔时间比较长(间隔时间单位为小时)，实验分析结论仍是依据对测试结果的近似稳态推理判断。而基于快速取样系统、快速跟踪检测细胞等微生物环境和形态变化的更深入细致的研究分析，由于缺乏有效的快速取样装备而难以取得更好的进展。

国外这方面的研究也很多，研究方法基本相似，并已经开发出一些用于反应器快速取样装置。如2009年发表在Appl Microbiol Biotechnol(2009)83：199-208的“Rapid samplingdevices for metabolic engineering applications ”比较详细的介绍上世界上已有的几种快速取样装备的情况，其中有单次单阀和多阀快速取样装置，有步进电机的驱动的传送带直线运行的快速批量取样装置，真空抽吸快速取样装置，还有与本发明相近的由步进电机带动的转盘式快速取样装置；其中这种由步进电机带动的转盘结构的快速取样装置在K.Noh et al.“Metabolic flux analysis at ultra short time scale：Isotopicallynon-stationary¹³Clabeling experiments”(Journal of Biotechnology 129(2007)249-267)中也提到具体的使用结构，即主要由气动取样阀(a pneumatic samplingvalve(aerre inox s.r.，Italy))和由电动机驱动的隔离的转盘(a motor driven isolated rotary plate)完成功能，能一次实现20个试管样品的快速取样，取样时间间隔为亚秒级范围。

国外的这些快速取样装备一部分是解决单次取样快速灭活问题的，一部分是解决批量快速取样的。与本发明相近的电机驱动的隔离转盘结构，它主要结构型式是转盘与一步进电机直接同轴连接，由步进电机带动转盘转动，步进电机依次转动一定的角度，使取样试管口对准取样口，同时打开气动阀，试样依次快速注入取样试管内。

非稳态过程的研究，一直是科学实验研究和仿真计算研究的难点和重点问题之一，生物代谢体系中，酶催化速率非常快，为了在精确时间点采样并固定该时刻的代谢反应状态，需要进行非常高效迅速的代谢粹灭(即终止反应)处理，其中，即时同步采样/分离是最有效、最合理的终止生化反应的方法之一，通过瞬时将细胞与培养基质分离，使胞外液中的代谢物组成状态能够固定保持，同时还避免了加入代谢粹灭剂对下游测定的干扰。因此，开发高效快速的批量取样装置，并在此基础上增加取样与分离功能，将有利于改善实验条件，提供更精细的分析数据，得到更准确的外部条件对反应过程影响的第一手资料，为设计合理的反应调控路线和工艺，提供更加科学和直接的实验依据。目前国内还没有这方面的装备的开发报导，国外的快速取样装置还存在功能单一和结构简单的问题，即使与本发明相近的转盘式快速取样装置，在装置的结构稳定性、取样速度、系统可操作性和便利性方面均存在较大的改进余地。而对于在取样的同时进行分离过程的一体化装置，国内外目前仍未见报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速批量取样与分离装置，具备两项功能，即快速批量取样与取样过程中的快速分离功能。该装置借助驱动机构的传动与速度调节，平稳地带动安装于环形转台托架上的环形取样转台转动，并带动取样转台上的试管架和取样试管快速转动，实现快速取样的目的。在此基础上，利用真空泵的真空抽吸和分离膜片分离技术，快速将取样物中的过滤物从取样样品中分离出来，实现快速批量取样与分离的技术目标。该装置运行平稳、取样速度和取样数量可控、取样过程中实现了快速分离，缩短了实验取样与产物分离与实验分析的时间，提高了工作效率。同时便于取样过程记录，其特别适用于各种非稳态反应过程的快速批量取样。

一种快速批量取样与分离装置，其包括取样阀、试管、试管架、取样转台、转台托架、定位感应器、驱动机构、真空泵、真空吸头、控制装置和平台支架等组成。其中，驱动机构与取样转台为动力传动连接，驱动机构带动安装于环形转台托架上的环形取样转台转动，并带动固定于取样转台上的试管架和试管转动，控制装置根据定位感应器的检测位置信号和快速批量取样指令，开启取样阀，试验样品快速滴入试管内，完成快速批量取样。在此同时，利用真空泵和真空吸头抽气在试管架内抽气腔形成的负压，抽吸试管组件中的取样试管下端的分离口，使取样物从固定于取样试管内部的分离膜片快速分离出来，完成快速取样与分离。

试管为一圆柱状上开口下封口结构，也可拆分为取样试管和分离试管两部分使用，取样试管内固定有分离膜片，将上端的取样口与下端的分离口分开。试管插入试管架内使用。

试管架为一整体框架，或者与取样转台为一联体结构的整体框架，或者为由可拆分的上层框架和下层框架扣合成框架结构，试管架内部有一中空盒状抽气腔，取样试管插入试管架的上层框架上，分离试管插入试管架下层框架上，上、下两层框架扣合组装后，在试管架内部的抽气腔形成一密封腔室，抽气腔通过一抽气口与外界真空吸头连通。试管架固定于取样转台上，随取样转台一起转动。

取样阀安装于反应器取样管上，用于打开和关闭样品的流出通道，取样阀可以是电动阀，也可为气动阀，也可为电磁阀等。也可用蠕动泵等计量泵代替使用。

取样转台和转台托架为一环形导轨结构，取样转台置于转台托架上，转台托架固定于平台支架上，取样转台由驱动机构驱动沿转台托架转动。

取样转台为一环形导轨结构，可以是圆环或被截断的半圆环结构，安装于转台托架上，可在转台托架光滑面上滑动，或借助安装于转台托架上的滚珠轴承、可转动轴或滚轮转动。

取样转台上有齿轮、或者摩擦副，与驱动机构的输出传动结构咬合，实现转动力矩的传递，取样转台转动速度由驱动机构上的电机转速调节控制，取样转台也可由气压或液压缸驱动的活塞杆连接驱动，控制调节其转动速度。

取样转台上的齿轮或摩擦副可在取样转台的环形结构的内侧、外侧、底部或顶部，通过锥形齿轮、斜齿或特殊的摩擦面传动结构，与驱动机构的轴线呈不同的安装夹角，方便驱动机构的固定，减小机械振动和不稳定力的传递，提高了装置的结构稳定性。

取样转台可以有一个或多个抽气口，取样转台的抽气口与试管架的抽气口相通，并与真空吸头配装；取样转台有环形抽气槽，取样转台的抽气口布置在取样转台的环形抽气槽内，真空吸头与取样转台环形抽气槽配装，并在环形抽气槽内滑动。抽气口真空压力由真空泵维持。

取样转台抽气口设有封口弹片，封口弹片为一由弹性材料连接的可移动密封板，固定在取样转台的内壁，在没有试管架安装时，封口弹片处于压紧并封堵抽气口的位置；当试管架固定在取样转台上时，封口弹片被试管架压开，使试管架的抽气口与取样转台的抽气口对接。

定位感应器根据取样转台上试管架安装前后的物理结构变化，检测试管架安装位置和取样转台的转动情况，实现测量与计时功能；定位感应器可以是磁性感应器、机械触发式感应器、电磁感应器、光电转换感应器、位移测量反馈或真空压力测量反馈等感应测量装置。

转台托架为一环形导轨结构，安装于平台支架上，作为取样转台转动支承平台。转台托架可与平台支架加工为一体结构。

真空吸头为真空管接头或漏斗形真空吸盘或真空环形吸槽结构。真空管接头通过直接与抽气口连接，实现某个特定的试管架的抽气腔抽气分离取样物。漏斗形真空吸盘或真空环形吸槽与取样转台环形抽气槽配装，并在取样转台抽气槽内滑动，对进入抽气区的抽气口抽气形成特定真空抽气区，因此可实现与取样过程同步分离取样物的目的。漏斗形真空吸盘和圆环形真空吸槽的抽气口可包覆软密封结构以提高抽气密封效果。

当需要取样时，在取样转台上固定试管架，并在试管架中插入试管。在控制装置的协调控制下，按顺序启动驱动机构带动取样转台转动，根据定位感应器检测情况，调整取样转台初始状态，将反应器上的取样口对准取样转台上的试管口，开启取样阀，将反应器内流出的样品快速注入到各个取样试管中，完成快速批量取样过程。

在取样过程中，取样量则由反应器上的取样调节阀的开度或反应器内的压力控制，批量取样的间隔时间则由取样转台的转动速度控制或步进电机转动速度控制。

本发明的试管架可与取样转台做成一体结构。驱动机构所用电机可为调频调速电机、步进电机和其它可调转动速度的驱动装置。驱动机构可由一台或多台不同功能电机组成联动控制系统，以实现快速取样多种控制需求。

在快速取样过程中，随着取样转台的转动，启动真空泵通过真空吸头快速抽走试管架的抽气腔内的空气，在取样试管的分离口形成负压，使滴入取样试管的取样物中的可滤物快速分离并滴入分离试管中，达到快速取样并同步分离的目的。

本发明的快速批量取样与分离装置与国外的隔离转盘式快速取样装置相比，本发明采用的取样转台虽然与转盘有相似的功能，但本发明的取样转台与驱动机构可采用非同轴连接，可以实现更大的传动比调节，从而使驱动电机中电机启动转动力矩小、取样转台重量更轻，转动惯性更小，更容易控制，而且驱动机构运行过程中的振动和稳定性对系统测控的影响更小，系统可操控性和运行稳定性更高；而且，取样转台安装在转台托架上，提高了装置的结构稳定性，再加之采用定位感应检测等辅助控制装置，装置的操作便利性均有较大的提高。并且，本装置增加了隔离转盘快速取样装置所没有的取样分离部分功能，装置功效更强大，能更好的满足实验人员使用要求。

本快速批量取样与分离装置可集成安装于平台支架上，也可集成安装于推车结构的平台支架上，形成取样推车结构快速批量取样与分离装置，方便灵活装置的运输搬运。另外，可在平台支架上加装液压系统，以调整平台支架至合适的操作高度，以适应不同操作人员对实验平台的高度要求，改善人机操作界面。

本发明中，可在取样转台、或者试管架中添加低温制冷液，营造局部取样低温环境，也可通过采用加装半导体制冷板，形成局部低温制冷环境。

下面参照附图对本发明的优选实施例做详细说明。

附图说明

图1为本发明一种没加装真空分离设备的快速批量取样装置剖面结构示意图。

图2为本发明图1中的一种取样转台主视剖面示意图。

图3为本发明的一种转台托架剖面结构示意图

图4为本发明的一种平台支架剖面结构示意图

图5为本发明的一种整体式试管架立体结构示意图

图6为本发明的一种快速取样与分离装置剖面结构示意图

图7为本发明的一种带环形抽气槽的取样转台剖面结构示意图

图8为本发明的可拆分的试管架与可拆分试管的装配示意图

图9为本发明的一种漏斗形真空吸盘截面结构示意图

图10为本发明图6中的一种真空环形吸槽截面示意图

图11为本发明的一种取样转台与试管架一整体结构示意图

主要元件编号说明

1.取样阀，2.试管，3.试管架，4.取样转台，5.转台托架，6.定位感应器，7.驱动机构，8.控制装置，9.平台支架，10.真空泵，11.真空吸头，12滚珠轴承，20.取样试管，21.分离试管，22.分离膜片，23.分离口，24.抽气口，25.抽气腔，26.取样转台抽气口，27.环形抽气槽、28.封口弹片

具体实施例

如图1至图5所示，该简易的快速批量取样装置取样阀1、试管2、试管架3、取样转台4、转台托架5、定位感应器6、驱动机构7、控制装置8和平台支架9组成。其中取样阀1安装在反应器底部取样管上，其取样口与安装于试管架3中的试管2相对，试管架3固定在取样转台4上。取样转台4为一圆环形导轨结构，取样转台4借助滚珠轴承

在转台托架5上转动，转台托架5固定在平台支架9下层平台上。定位感应器6检测取样转台4上的试管架3的安装位置，并通过控制装置8调整快速批量取样装置的初始状态。驱动机构7固定于平台支架9的下层平台上，通过直齿与取样转台4底部的齿轮咬合传动，取样转台4的转速和转动角度由驱动机构7驱动并控制。

当需要快速批量取样时，将安装好试管2的试管架3固定在取样转台4上，启动控制装置8，通过定位感应器6自动检测设备的准备情况，并调整好试管架的定位等。在一切准备就序后，控制装置8根据取样过程设定的延时控制指令或者手动确认指令，启动快速批量取样过程。此时，驱动机构7快速启动，驱动取样转台4转动，并带动试管架3按设定的速度转动，控制装置8同时开启取样阀1，样品依次流入试管2内，实现快速批量取样要求。

如图3～10所示的一种快速批量取样与分离装置由取样阀1、试管2、试管架3、取样转台4、转台托架5、定位感应器6、驱动机构7、控制装置8、平台支架9、真空泵10、真空吸头11组成，其取样阀1安装在反应器下部的取样管上，试管2根据其功用拆分为取样试管20和分离试管21，取样试管20插入试管架3的上层框架上，分离试管21插入试管架3的下层框架上，上下层框架扣合组装后，在试管架3内形成有试管架抽气腔25，试管架抽气腔25通过试管架抽气口24与取样转台抽气口26连通，在取样分离时，通过真空抽气在试管架抽气腔25内形成真空，也即在取样试管20的分离口23形成负压。

取样试管20内安装有分离膜片22，取样试管20的取样物经过分离膜片22从底部的分离口23流入分离试管21，取样试管20的分离口23与分离试管21入口间留有一定的安装间隙，保证在抽气腔25与分离口23连通并在分离口23形成高真空。

试管架3固定在取样转台4上。取样转台4为一圆环形导轨结构，取样转台4借助滚珠轴承

在转台托架5上转动，转台托架5固定在平台支架9下层平台上。定位传感器6检测取样转台4上的试管架3的安装位置，并通过控制装置8调整快速取样与分离装置的初始状态。驱动机构7固定于平台支架9的下层平面上，通过直齿与取样转台4底部的齿轮咬合传动，取样转台4的转速和转动角度由驱动机构7驱动并控制。

取样转台4内侧有环形抽气槽27，环形抽气槽27内分布有与试管架抽气腔25和试管架抽气口24对应的取样转台抽气口26，环形抽气槽27与真空吸头11匹配，形成滑动密封安装结构。

转台托架5为与取样转台4配装的环形导轨结构，两者之间通过滚珠轴承

或滚轴或轨道摩擦产生相对运动；取样转台4的转矩来自于驱动机构7的传动。

图中平台支架9为二层支撑结构，快速批量取样与分离装置集成安装在平台支架9上，转台托架5可与平台支架9为一体结构，取样转台4、转台托架5等结构件可选用金属材料或塑料等强度满足要求的材料设计制造。取样转台4和转台托架5在结构强度满足要求的前提下，截面形状可采用中空结构、加强筋等方式，减少材料用量，降低装置的总体重量。

真空吸头11可为真空管接头或漏斗形真空吸盘或真空环形吸槽结构，真空吸盘或环形吸槽结构的真空吸头11与取样转台4的环形抽气槽27配装，由真空泵10启动时，通过真空吸头11对滑入抽气区的取样转台抽气口26对应的试管架抽气腔25抽气，使取样试管20的分离口23形成可分离取样物的负压。

当需要取样并分离时，将安装好取样试管20和分离试管21的试管架3固定在取样转台4上，启动控制装置8自动检测设备的准备情况，并做好取样和分离的一切准备工作，在一切准备就序后，系统启动真空泵10由真空吸头11在试管架抽气腔25内形成真空，控制装置8根据取样过程设定的延时控制指令或者手动确认指令，启动取样与分离过程。此时，驱动机构7快速启动，驱动取样转台4转动，并带动试管架3转动，控制装置8开启取样阀1，样品依次流入取样试管20内，一部分液体被真空抽气分离流入分离试管21内。

图11是试管架3与取样转台4一整体结构示意图，图中试管架3的下层框架与取样转台4为一整体框架结构。

Claims (7)

1.一种快速批量取样与分离装置，包括取样阀(1)、试管(2)、试管架(3)、取样转台(4)、转台托架(5)、定位感应器(6)、驱动机构(7)、控制装置(8)、平台支架(9)、真空泵(10)、真空吸头(11)，其特征在于：驱动机构(7)与取样转台(4)为主从传动连接，驱动机构(7)带动安装于转台托架(5)上的取样转台(4)转动，并带动固定于取样转台(4)上的试管架(3)和试管(2)转动，控制装置(8)根据定位感应器(6)的检测位置信号和快速批量取样指令，开启取样阀(1)，试验样品快速滴入试管(2)内，完成快速批量取样；与此同时，利用真空泵(10)和真空吸头(11)抽气以维持试管架(3)内抽气腔(25)的负压，使试管(2)中的组件取样试管(20)下端的分离口(23)为抽气负压，使滴入取样试管(20)内的取样物经过分离膜片快速分离出来，并滴入试管(2)的另一组件分离试管(21)内，完成快速取样与分离。

2.如权利要求1所述快速批量取样与分离装置，其特征在于：该取样转台(4)与转台托架(5)之间，可以是两光滑面间的平滑接触，或依靠滚珠轴承(12)或转动轴或滑轮的滚动接触。

3.如权利要求1所述快速批量取样与分离装置，其特征在于：该取样转台(4)的内侧或外侧、底部或顶部有与驱动机构(7)的配对相接的齿轮或摩擦副或连接传动杆。

4.如权利要求1所述快速批量取样与分离装置，其特征在于：该取样转台(4)的环形导轨结构是封闭的整圆环或者为有截断面的半圆环。

5.如权利要求1所述快速批量取样与分离装置，其特征在于：该取样转台(4)内侧、外侧、底部或顶部还可以有一环形抽气槽(27)，环形抽气槽(27)内分布有取样转台抽气口(26)，通过试管架抽气口(24)连通到抽气腔(25)，环形抽气槽(27)与真空吸头(11)配装；该取样转台(4)上的取样转台抽气口(26)设有封口弹片(28)，封口弹片(28)为一由弹性材料连接的可移动密封板。

6.如权利要求1所述快速批量取样与分离装置，其特征在于：该试管架(3)是由上层框架和下层框架扣合组装而成的可拆分层结构，抽气腔(25)是试管架(3)内的中空腔室，在取样试管(20)插入上层框架，分离试管(21)插入下层框架后，取样试管(20)下端的分离口(23)和分离试管(21)上端的进口均位于抽气腔(25)内，并形成密封腔室。

7.如权利要求1所述快速批量取样与分离装置，其特征在于：试管(2)为由取样试管(20)和分离试管(21)插接成的分拆结构，取样试管(20)内部由分离膜片(22)分隔开，上端为取样口，下端为分离口(23)。

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