CN104132697A - 一种高精度微量定量仪及其定量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度微量定量仪,包括固定平台，固定平台上固定有若干个分装容器,分装容器的正上方设有支架，支架上固定有若干个喷头工作组；每个喷头工作组包括一个喷嘴和一个温度传感元件，喷嘴和温度传感元件均可沿x、y、z各方向移动，且垂直于分装容器设置；喷嘴通过控制开关与一可温控的试剂储存器相连；微量定量仪还包括计算机控制系统，计算机控制系统与控制开关、支架均相连，还通过信号处理电路与温度传感元件相连。本发明采用温度传感元件对液体流量直接监测，由于其灵敏度高，因此适用于测量微小的温度变化，检测结果准确。此外，由于温度传感元件体积小、热容量小、响应速度快，能在空隙和狭缝中测量。

Description

一种高精度微量定量仪及其定量方法

技术领域

本发明涉及一种高精度微量定量仪及其定量方法。

背景技术

近几年来，以合成生物学为代表的新兴学科囊括了生命科学和生物技术领域中与人类自身和社会发展相关的各个研究方向和内容，直接服务于科学技术进步和经济社会发展。这些学科以解决人类可持续发展所面临的生物医药、清洁化工、生物能源、生物材料、环境保护以及生物反恐等方面的重大挑战性问题作为其当前发展主要目标，因此具有巨大的应用开发潜力，受到多方关注。有人把合成生物学的现状与计算机和信息工业早期的研究阶段相比，预言其研究突破将成为未来生物技术经济发展的主要推动力，有可能引爆新一轮的产业技术革命，真正实现21世纪是生物技术世纪的预言。

于是迫切的希望将比较成熟的合成生物的技术及早产业化，应用到国民生产生活中，促进国民生产生活发展。

这些合成生物技术均是精密的微量反应过程，绝大部分是以可以盛放微量液体的容器作为反应器，比如细胞培养板、离心管和类似微量液体的容器(比如，基因自动合成仪使用合成柱或者合成芯片)，因此合成生物技术对注入液体量有非常高的要求。实验室传统的微量液体注入方式多采用移液枪或注射泵注入，该方式的优点是注入量精确，可以准确的判断每次的注入量是否精确。但是受人工的限制，速度比较慢，不适用于工业化的大批量生产。而可提高速度的自动化微量液体注入设备基本上是间接控制注入量，并不是直观的监测注入量。常见的液体驱动方式有气压，步进电机，压电控制。根据驱动方式预先通过大量实验测得控制流量的参数(比如气压、电压等)，然后编写软件通过选择参数和时间来控制注入量。因此一旦有不确定情况发生，比如注入孔堵塞、驱动电路块损坏、驱动电压不够等等情况发生，注入量就不能达到指定值。但是控制系统并没有及时得到反馈依旧按照设定进行下一步的工作。由此可见间接监测注入量的方式不能满足精确注入的要求，所以亟待一种可满足合成生物技术工业化大批量生产的液体注入方式。

发明内容

本发明要解决的问题是克服现有技术由于间接监测引起的注入量不准确的缺点，提供一种高精度微量定量仪，利用温度传感元件的阻值随温度变化的特性，将温度传感元件应用在微量液体定量中，可以在不降低注入速度的前提下，提高注入量准确度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高精度微量定量仪，其特征在于：包括固定平台，所述固定平台上固定有若干个分装容器,分装容器的正上方设有支架，所述支架上固定有若干个喷头工作组；所述每个喷头工作组包括一个喷嘴和一个温度传感元件，喷嘴和温度传感元件均可沿x、y、z各方向移动，且垂直于分装容器设置；所述喷嘴通过控制开关与一可温控的试剂储存器相连；所述微量定量仪还包括计算机控制系统，所述计算机控制系统与控制开关、支架均相连，还通过信号处理电路与温度传感元件相连。

进一步，所述温度传感元件为热电阻元件或热敏电阻元件。

优选的，所述热敏电阻元件为PTC热敏电阻或NTC热敏电阻；所述热电阻元件为pt100铂热电阻。定量时，会根据需要选择分装容器。热电阻适用于较大的分装容器，热敏电阻适用于较小的分装容器。合成生物技术中多采用热敏电阻元件。

生物合成技术中常用的分装容器有细胞培养板、离心管和类似微量液体的容器(比如，基因自动合成仪使用的合成柱或者合成芯片)。这些容器的形状、容积都不相同，因此每种容器都需要重新采集数据。

优选的，所述喷嘴和温度传感元件均可在支架上移动。

进一步，所述计算机控制系统连接一显示屏。

进一步，所述喷头工作组的数量和间距随分装容器的数量和间距而定，可以自由组合，所述不同种类的分装容器也可自由组合。

本发明的另一目的在于提供一种高精度微量定量仪的定量方法，通过温度传感元件采集信号，将温度变化转化为电阻阻值变化，传输给计算机控制系统，控制喷嘴的喷液量,从而对液体进行定量。

工作条件下，测量室温T，并以此为基础确定温度传感元件在温度T±Δ时的阻值(Δ根据选用的温度传感元件、工作环境等决定)，设定为阈值。一旦测量的阻值高于或者低于阈值，计算机控制系统发送指令，关闭控制开关。此时流量达到预定值，完成喷液。为了使温度传感元件能测出温差，将液体置于可温控的试剂储存器中，并设置适当的温度，使液体温度高于室温，以便触发控制信号。

本发明中温度传感元件作为标尺，用于标定液体容积。预先向分装容器注射标准容积的液体，然后标定温度传感元件的z方向位置。通过多次试验，确定不同容积对应的温度传感元件的z方向位置。在之后的工作中，通过改变温度传感元件的z方向位置来确定所需容积。

本发明具有的优点和积极效果是：采用温度传感元件对液体流量直接监测，由于其灵敏度高，因此适用于测量微小的温度变化，检测结果准确。此外，由于温度传感元件体积小、热容量小、响应速度快，能在空隙和狭缝中测量。

附图说明

图1是NTC热敏电阻的阻值的温度的关系曲线

图2是pt100铂热电阻的阻值的温度的关系曲线

图3是本发明实施例1微量定量仪的结构示意图

图4是本发明实施例2微量定量仪的结构示意图

图5是本发明实施例3微量定量仪的结构示意图

图6是本发明的工作流程图。

图中：

1、固定平台；2、分装容器；3、热敏电阻元件；4、喷嘴；5、支架；6、热电阻元件。

具体实施方式

实施例1：

如图3所示，一种高精度微量定量仪，包括固定平台1，固定平台1上固定有两个分装容器2，分装容器2的正上方设有支架5，支架5上固定有两个喷头工作组，喷头工作组与分装容器2位置上一一对应；每个喷头工作组包括一个喷嘴4和一个热敏电阻元件3，喷嘴4和热敏电阻元件3均可沿x、y、z各方向移动，且垂直于分装容器2设置；喷嘴4通过控制开关与一可温控的试剂储存器相连；微量定量仪还包括计算机控制系统，计算机控制系统与控制开关、支架5均相连，还通过信号处理电路与热敏电阻元件3相连。喷嘴4和热敏电阻元件3均可在支架上移动。计算机控制系统连接一显示屏；分装容器可以根据需要选择。生物合成技术中常用的容器有细胞培养板、离心管和类似微量液体的容器(比如，基因自动合成仪使用的合成柱或者合成芯片)。这些容器的形状、容积都不相同，因此每种容器都需要重新采集数据。

本实施例中热敏电阻元件3为PTC热敏电阻。

在工作温度范围内，PTC热敏电阻的电阻-温度特性可近似用实验公式表示：

$R_T={R_T}_0{e}^{B_p(T-T_0)}$

式中R_T、表示温度为、T₀时电阻值，B_p为该种材料的材料常数。

本实施例的工作过程为：

1.预处理：工作之前，需要进行预处理。

首先，测量室温T，并以此为基础确定PTC热敏电阻在温度T±Δ时的阻值，设定为阈值。

将PTC热敏电阻置于初始位置，向分装容器注射标准容积V的液体，然后调整PTC热敏电阻的z方向位置，直到PTC热敏电阻的阻值超出阈值范围，此时PTC热敏电阻的z方向位置就对应着标准容积V。

2.选择参数：喷液顺序、试剂喷液量。根据反应过程，选择试剂的喷射顺序和试剂的喷液量。

3.喷液测控

将可温控的试剂储存器的恒温设备开启，保证溶液与室温有一定的温度差，大于Δ。将喷嘴4运行到分装容器2正上方，根据选定的参数，将PTC热敏电阻的z方向位置调整到选定值。喷射溶液，液面上升，同时计算机控制系统实时采集PTC热敏电阻的电阻值信息，并且与阈值比较。如果在阈值范围内，继续保持当前状态。一旦液体上升接触到PTC热敏电阻时，液体使PTC热敏电阻的温度升高，PTC热敏电阻的电阻值瞬间变化，超出阈值，计算机控制系统就向控制开关发出关闭信号，终止喷嘴4喷液。至此完成一个喷液循环。

如图6所示，本实施例中，PTC热敏电阻把温度的变化转换为电阻值的变化，传输到信号处理电路，经过处理，把阻值的变化转换为电压的变化，再进一步把模拟的电压值转换为数字信号。数字信号被传送到计算机控制系统中与阈值比较，进行判断。如果需要关闭喷嘴4，计算机控制系统向控制开关发出指令，关闭喷嘴4。

实施例2：

如图4所示，一种高精度微量定量仪，包括固定平台1,固定平台1上固定有三个分装容器2,分装容器2的正上方设有支架5，支架5上固定有三个喷头工作组，喷头工作组与分装容器2在位置上一一对应；每个喷头工作组包括一个喷嘴4和一个热敏电阻元件3，喷嘴4和热敏电阻元件3均可沿x、y、z各方向移动，且垂直于分装容器2设置；喷嘴4通过控制开关与一可温控的试剂储存器相连；微量定量仪还包括计算机控制系统，计算机控制系统与控制开关、支架5均相连，还通过信号处理电路与热敏电阻元件3相连。喷嘴4和热敏电阻元件3均可在支架上移动。计算机控制系统连接一显示屏；分装容器可以根据需要选择。生物合成技术中常用的容器有细胞培养板、离心管和类似微量液体的容器(比如，基因自动合成仪使用的合成柱或者合成芯片)。这些容器的形状、容积都不相同，因此每种容器都需要重新采集数据。

本实施例中热敏电阻元件3为NTC热敏电阻。

NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，如图1所示，电阻值与温度的关系可近似表示为：

$R_T={R_T}_0{e}^{B_n(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})}$

式中R_T、表示温度为、T₀时电阻值，B_n为材料常数。

本实施例的工作过程为：

1.预处理：工作之前，需要进行预处理。

首先，测量室温T，并以此为基础确定NTC热敏电阻在温度T±Δ时的阻值，设定为阈值。

将NTC热敏电阻置于初始位置，向分装容器注射标准容积V的液体，然后调整NTC热敏电阻的z方向位置，直到NTC热敏电阻的阻值超出阈值范围，此时NTC热敏电阻的z方向位置就对应着标准容积V。

2.选择参数：喷液顺序、试剂喷液量。根据反应过程，选择试剂的喷射顺序和试剂的喷液量。

3.喷液测控

将可温控的试剂储存器的恒温设备开启，保证溶液与室温有一定的温度差，大于Δ。将喷嘴4运行到分装容器正上方，根据选定的参数，将NTC热敏电阻的z方向位置调整到选定值。喷射溶液，液面上升，同时计算机控制系统实时采集NTC热敏电阻的电阻值信息，并且与阈值比较。如果在阈值范围内，继续保持当前状态。一旦液体上升接触到NTC热敏电阻时，液体使NTC热敏电阻的温度升高，NTC热敏电阻的电阻值瞬间变化，超出阈值，计算机控制系统就向控制开关发出关闭信号，终止喷嘴4喷液。至此完成一个喷液循环。

如图6所示，本实施例中，NTC热敏电阻把温度的变化转换为电阻值的变化，传输到信号处理电路，经过处理，把阻值的变化转换为电压的变化，再进一步把模拟的电压值转换为数字信号。数字信号被传送到计算机控制系统中与阈值比较，进行判断。如果需要关闭喷嘴4，计算机控制系统向控制开关发出指令，关闭喷嘴4。

实施例3

如图5所示，一种高精度微量定量仪，包括固定平台1，固定平台1上固定有四个分装容器2,分装容器2的正上方设有支架5，支架5上固定有两个喷头工作组；每个喷头工作组包括一个喷嘴4和一个热电阻元件6，喷嘴4和热电阻元件6均可沿x、y、z各方向移动，且垂直于分装容器2设置；喷嘴4通过控制开关与一可温控的试剂储存器相连；微量定量仪还包括计算机控制系统，计算机控制系统与控制开关、支架5均相连，还通过信号处理电路与热电阻元件6相连。喷嘴4和热电阻元件6均可在支架上移动。计算机控制系统连接一显示屏；分装容器可以根据需要选择。生物合成技术中常用的容器有细胞培养板、离心管和类似微量液体的容器(比如，基因自动合成仪使用的合成柱或者合成芯片)。这些容器的形状、容积都不相同，因此每种容器都需要重新采集数据。

本实施例中热电阻元件6为pt100铂热电阻，如图2所示，其电阻-温度关系可以用以下的近似关系式表示，即

$R_T={R_T}_0[1+\mathrm{\α}(T-T_0)]$

式中，R_T、表示温度为、T₀时电阻值，α为温度系数。

本实施例的工作过程为：

1.预处理：工作之前，需要进行预处理。

首先，测量室温T，并以此为基础确定pt100铂热电阻在温度T±Δ时的阻值，设定为阈值。

将pt100铂热电阻置于初始位置，向分装容器注射标准容积V的液体，然后调整pt100铂热电阻的z方向位置，直到pt100铂热电阻的阻值超出阈值范围，此时pt100铂热电阻的z方向位置就对应着标准容积V。

2.选择参数：喷液顺序、试剂喷液量。根据反应过程，选择试剂的喷射顺序和试剂的喷液量。

3.喷液测控

将可温控的试剂储存器的恒温设备开启，保证溶液与室温有一定的温度差，大于Δ。将喷嘴4运行到分装容器正上方，根据选定的参数，将pt100铂热电阻的z方向位置调整到选定值。喷射溶液，液面上升，同时计算机控制系统实时采集pt100铂热电阻的电阻值信息，并且与阈值比较。如果在阈值范围内，继续保持当前状态。一旦液体上升接触到pt100铂热电阻时，液体使pt100铂热电阻的温度升高，pt100铂热电阻的电阻值瞬间变化，超出阈值，计算机控制系统就向控制开关发出关闭信号，终止喷嘴4喷液。至此完成一个喷液循环。

喷液定量时，根据需要，选择溶液的喷射顺序和溶液的喷液量。对前两个分装容器定量完毕后，选择最佳的喷头工作组运动路线，移动定位到后两个分装容器上方，继续下一个喷液循环。

如图6所示，本实施例中，pt100铂热电阻把温度的变化转换为电阻值的变化，传输到信号处理电路，经过处理，把阻值的变化转换为电压的变化，再进一步把模拟的电压值转换为数字信号。数字信号被传送到计算机控制系统中与阈值比较，进行判断。如果需要关闭喷嘴4，计算机控制系统向控制开关发出指令，关闭喷嘴4。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种高精度微量定量仪，其特征在于：包括固定平台，所述固定平台上固定有若干个分装容器，分装容器的正上方设有支架，所述支架上固定有若干个喷头工作组；所述每个喷头工作组包括一个喷嘴和一个温度传感元件，喷嘴和温度传感元件均可沿x、y、z各方向移动，且垂直于分装容器设置；所述喷嘴通过控制开关与一可温控的试剂储存器相连；所述微量定量仪还包括计算机控制系统，所述计算机控制系统与控制开关、支架均相连，还通过信号处理电路与温度传感元件相连。

2.根据权利要求1所述的微量定量仪，其特征在于：所述温度传感元件为热电阻元件或热敏电阻元件。

3.根据权利要求2所述的微量定量仪，其特征在于：所述热敏电阻元件为PTC热敏电阻或NTC热敏电阻。

4.根据权利要求2所述的微量定量仪，其特征在于：所述热电阻元件为pt100铂热电阻。

5.根据权利要求1所述的微量定量仪，其特征在于：所述喷嘴和温度传感元件均可在支架上移动。

6.根据权利要求1所述的微量定量仪，其特征在于：所述计算机控制系统连接一显示屏。

7.根据权利要求1所述的微量定量仪，其特征在于：所述分装容器可为细胞培养板、离心管或微量液体容器。

8.根据权利要求1-7任一项所述的微量定量仪，其特征在于：所述喷头工作组的数量和间距随分装容器的数量和间距而定，可自由组合；所述不同种类的分装容器也可自由组合。

9.一种高精度微量定量仪的定量方法，其特征在于：通过温度传感元件采集信号，将温度变化转化为电阻阻值变化，传输给计算机控制系统，控制喷嘴的喷液量,从而对液体进行定量。