CN106840797A - 一种标准溶液的自动配制工作站及配制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种标准溶液的自动配制工作站及其配制方法，包括：功能性分区的工作台，工作台上设有机械臂，机械臂通过驱动装置控制，机械臂的行程覆盖工作台上的功能区；移液模块，所述移液模块上设有可拆卸的一次性吸液枪头；控制系统，包括用户界面和微处理器。同时本发明通过设置过渡液，来实现浓缩液和标准溶液之间的浓度阶梯，提高了配制标准溶液的准确性。本发明的工作站的结构简单、集成性强、使用方便，同时用该工作站可以完成全自动的配制标准溶液，不仅精确而且方便，具有很强的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及配制溶液的技术领域，具体地说是一种标准溶液的自动配制工作站及其配制方法。
背景技术
标准溶液是指一系列已知浓度的溶液，广泛用于生化分析、医学检验等定量分析。在定量分析中，通过配制一系列不同浓度的标准溶液，再通过仪器测量各标准溶液某理化性质感应强度，并绘制与浓度间的标准曲线，用以对未知溶液的浓度进行定量检测。标准溶液的配制方法主要分为：直接配制法和标定法。直接配制法是先准确称取定量的基准物质，溶解后定容成为准确浓度的标准溶液，且低浓度的标准溶液可由较高浓度的标准溶液稀释而成。标定法是针对不能直接配制成准确浓度的标准溶液，可先配制成近似需要的浓度，选后用基准物质进行标定，根据基准物的量及被标定溶液用去的体积，计算被标定溶液的浓度。传统的标准溶液的配制都是基于以上两种方法，人工采用分液器或移液器完成，配制过程还需要人工设计配制流程并计算稀释配比，操作过程费时费力，且由于个人的操作手法及所用的设备存在的误差或操作失误，导致标准溶液的准确度和精密度不能很好的满足实验需求，从而大大影响工作效率。另外，由于一些溶液为有毒有害挥发性液体，人工操作过程具有较高的危险性，极易对操作人员身体造成伤害。
为了解决上述问题，现有市售的多为半自动稀释配制仪，通过连接高精度注射泵或蠕动泵的导管，手持导管在不同试剂瓶内实现溶液的分液和稀释操作。市售的全自动溶液稀释仪器，则是通过连接高精度注射泵或蠕动泵的不锈钢针进行吸液和分液，用载有试剂瓶架的圆形托盘通过转动实现试剂瓶的切换。上述仪器在溶液配制过程中都需用户首先设计配制流程，并在仪器中设置各种溶液的稀释量及分配比例；且在配制过程中需对枪头或不锈钢针的内外壁进行清洗，残留溶液也势必会影响溶液的准确度和精密度，特别是对于浓缩液浓度较高而需要配制的标准溶液较低时，就更加难以保证配制的标准溶液的精确度。而且需要配制多种浓度的标准溶液时需要针对每种浓度单独设置配制流程进行单独配制，工作效率不高。
发明内容
本发明的主要目的是针对现有技术存在的不足提供一种标准溶液的自动配制工作站，以实现自动化配制多个标准溶液，而且配制溶液的准确度和精密性高，工作效率高。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种标准溶液的自动配制工作站，所述工作站包括：
功能性分区的工作台，工作台的顶部设有耗材区，所述耗材区内设有若干一次性吸液枪头，工作台的右侧设有废弃区，所述废弃区内设有用于放置吸液枪头的废弃盒，工作台的底部设有试剂区，所述试剂区内设有试剂容器；
所述工作台上设有机械臂，所述机械臂通过驱动装置控制，所述机械臂的行程覆盖工作台上的功能区；
所述机械臂的手部连接有移液模块，所述移液模块上设有可拆卸的一次性吸液枪头；
控制系统，包括用户界面和微处理器。
优选的，所述移液模块为集成移液模块。现有技术中的集成移液模块均可实现本发明，例如集成Z轴控制的hamilton ZEUS移液模块。
优选的，所述机械臂为直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型机械臂中的任一种。
更优选的，所述机械臂为二轴直角坐标型机械臂，由相互垂直的X轴机械臂和Y轴机械臂组成。以伺服电机或步进电机为驱动装置，以单轴机械臂为基本工作单元，以滚珠丝杆、同步皮带、齿轮齿条为常用的传动部件，通过程序控制系统实现控制和指令发送，从而实现机械臂的移动。机械臂在工作台上移动，控制手部的移液模块移动至工作台上都是各功能区，完成更换一次性吸液枪头、移液、分液、吹打混匀以及丢弃吸液枪头等操作。
优选的，所述用户界面为触摸屏，所述微处理器为单片机。用户通过触摸屏可定义设置溶液参数，且可在溶液配制过程中实时显示和监测工作站各模块当前运行状态和溶液的配制流程。单片机可以通过设定程序，根据用户自定义参数自动设计生成溶液配制流程，如过渡溶液的设置、浓缩液和稀释液的配比、枪头规格的选型等，并控制移液模块和机械臂进行相关的操作动作，如移液模块对一次性枪头的更换、吸液/分液操作、吹打混匀操作，机械臂在样品台不同功能区的移动。
优选的，所述耗材区的一次性吸液枪头呈矩阵排列于枪头盒中。一次性吸液枪头可以为多种规格型号，例如10μL、50μL、300μL、1000μL等，每个枪头盒中排列有一种型号规格的一次性吸液枪头。
优选的，所述试剂区内的试剂容器按竖排从左到右依次分为浓缩液容器、过渡液容器、标准液容器和溶剂容器。
本发明的另一个目的是提供一种利用上述工作站的配制标准溶液的方法，是通过如下技术方案实现的：其步骤包括：
S1.获取浓缩液浓度S0、待配制的标准溶液浓度T1～Tn和待配制的标准溶液体积，其中待配制的标准溶液中的最小浓度为Tn，设置浓度位于S0至Tn之间的多级过渡液，所述过渡液浓度为G1～Gm，所述每级过渡液具有相同的稀释倍数；
S2.将浓度为S0的浓缩液、浓度为T1～Tn的标准溶液和浓度为G1～Gm的过渡液按照浓度从大至小的顺序排序，相同的浓度按任意顺序排列；
S3.上述排序好的各溶液中，计算配制各浓度的过渡液所需要的体积以及需要的溶剂体积，得到包括过渡液、标准溶液和溶剂各自的浓度、体积的配制方案，其中在后溶液由前一浓缩液或过渡液通过溶剂稀释后得到；
S4.按照上述配制方案，通过机械臂和驱动装置控制移液模块配制浓度从大到小的过渡液和标准溶液。
优选的，步骤S1中，所述过渡液的级数m是指小于loga[(S0/Tn)]的最大整数，其中a表示稀释倍数。
优选的，步骤S1中，所述稀释倍数为2～10倍。稀释倍数可以根据浓缩液和需要配制的标准溶液之间浓度相差值来确定，如果相差较大，则稀释倍数可以增多，如果相差较小，则稀释倍数可以减少。
由于一次性吸液枪头中不可避免的会残留一定的溶液，为了保证过渡液的体积能够充足的配制标准溶液，一般过渡液、浓缩液和溶剂的体积均应略大于需要的体积。本发明优选的，步骤S3中，配制方案中过渡液和浓缩液的体积不小于所需要的体积的1.2倍，溶剂体积不小于所需要的体积的1.3倍。
优选的，步骤S4中，机械臂和驱动装置控制移液模块进行的配制操作包括移动、装载/卸载一次性吸液枪头、移液/分液的操作和对过渡液和标准溶液进行吹打混匀。
优选的，通过用户界面输入和输出数据信息，并通过微处理器计算得到所述配制方案以及控制驱动装置。
用户界面，优选为触摸屏，用户通过触摸屏可以输入浓缩液浓度、待配制的标准溶液浓度和待配制的标准溶液体积等溶液参数以及稀释倍数等数据。并且在溶液配制的过程中，触摸屏可以输出设计的配制方案待用户确认，也可以实时显示和监测工作站各模块当前运行状态和溶液的配制过程等数据。微型处理器，优选为单片机，可根据通过用户界面输入的数据自动计算设计生成溶液配制方案，并通过驱动装置控制机械臂和移液模块进行相关的操作动作。
进一步的，控制系统根据溶液类型及体积，还可以建立和自动选取移液模块的移液模式，如不同的一次性吸液枪头类型，移液/分液中一次性吸液枪头的高度、速率，吹打混匀次数和速率等，并可自动保存和打印溶液的配制流程，且连接实验室信息管理系统保证实验的溯源性。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种标准溶液的自动配制工作站以及利用该工作站配制标准溶液的方法，该自动配制工作站在工作台上设置不同的功能性分区，通过机械臂控制移液模块至不同的分区实现不同的功能。并且，本发明通过用户界面定制需要的标准溶液，并通过微处理器计算得到配制方案，从而可以自动设计一次性配制多个标准溶液的配制方案。同时本发明通过设置过渡液，来实现浓缩液和标准溶液之间的浓度阶梯，即使要配制的标准溶液浓度很低，也可以通过浓度相差不大的过渡液完成配制，提高了配制标准溶液的准确性。本发明的工作站的结构简单、集成性强、使用方便，同时用该工作站可以完成全自动的配制标准溶液，不仅精确而且方便，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作台示意图；
图3为本发明的工作流程示意图；
图4为本发明的实施例配制方案示意图；
其中，1-工作台、2-X轴机械臂、3-Y轴机械臂、4-移液模块、5-枪头盒、6-废弃盒、7-浓缩液容器、8-过渡液容器、9-标准液容器、10-溶剂容器。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例来进一步说明本发明：下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
如图1和图2所示，本发明的标准溶液的自动配制工作站包括功能性分区的工作台1、X轴机械臂2、Y轴机械臂3、移液模块4和控制系统(图中未画出)。其中，功能性分区的工作台1顶部设有耗材区，耗材区内设有若干一次性吸液枪头，这些一次性吸液枪头呈矩阵排列于枪头盒5中。根据需要配制的标准溶液的量，可以设置一次性吸液枪头为10μL、50μL、300μL、1000μL等规格型号。工作台1的右侧设有废弃区，废弃区内设有用于放置吸液枪头的废弃盒6。通过设置耗材区和废弃区，可以实现一次性吸液枪头的更换。工作台1的底部设有试剂区，试剂区内设有试剂容器，试剂容器按竖排从左到右依次分为浓缩液容器7、过渡液容器8、标准液容器9和溶剂容器10，分别用于存放浓度呈阶梯状的浓缩液、过渡液、标准液和溶剂。
X轴机械臂2和Y轴机械臂3通过驱动装置控制，以伺服电机为驱动装置，以单轴机械臂为基本工作单元，以齿轮齿条为传动部件，通过程序控制系统实现控制和指令发送，从而实现X轴机械臂2和Y轴机械臂3的移动。X轴机械臂2和Y轴机械臂3的手部连接有移液模块4，移液模块4上设有可拆卸的一次性吸液枪头。通过保证X轴机械臂2和Y轴机械臂3的行程可以覆盖工作台1上的所有功能区，从而使移液模块4可以移动到所有区域，完成一次性吸液枪头的更换以及溶液的移液、分液等动作。控制系统包括触摸屏和单片机，与驱动装置通过电连接。
配制标准溶液的流程如图3所示，其中椭圆框表示人工操作，虚线方框表示控制系统自动运行。首先，操作人员首先通过触摸屏输入数据，对溶液的配制的相关参数进行定义。包括浓缩液的选择(如甲醇、乙腈、血清等)，溶剂类型的选择(如去离子水、PBS等)，再自定义浓缩液浓度、标准溶液的浓度及所需体积量。若工作站无用户所用的样品溶液类型，则可基于工作站内相近的溶液参数，对吸液/分液修正曲线、速率等参数进行修改并验证，建立新的溶液类型后再进行选取。然后启动工作站设计阶段，通过程序自动设计并生成配制方案，包括过渡液的级数及浓度，标准溶液、浓缩液、过渡液和溶剂的体积量，每个吸液/分液操作过程中一次性枪头规格的选取，浓缩液和溶剂的总需求体积及各类溶液的试剂瓶的排布需求等，然后在触摸屏上输出显示该配制方案。然后操作人员根据触摸屏提示，确认该配制方案后，再进行浓缩液、稀释液、一次性枪头和试剂瓶的准备，并放置到相应的位置。启动工作站，工作站开始进行自动化、一站式的溶液配制过程，对X轴机械臂2和Y轴机械臂3进行指令控制移液模块4在工作台1上移动，具体控制动作包括：机械臂和移液模块4的位置初始化，移液模块4上吸液枪头的装载/丢弃、移液/分液、吹打混匀。同时在工作站运行过程中，触摸屏实时显示和监测各模块的运行状态和配制流程。最后，操作人员即可取出配制好的标准溶液，同时对配制流程进行保存和打印，并可将数据传送至实验室信息管理系统中，便于实验数据的溯源性。
以下通过一个具体的实施例进行说明设计配制方案的流程，配制流程如图4所示：通过1mg/mL的浓缩溶液(S0)配制浓度分别为1μg/mL、0.5μg/mL、0.1μg/mL、50ng/mL、10ng/mL、5ng/mL、1ng/mL的标准溶液(T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7)为例进行说明，稀释倍数为10。首先，对浓缩液和标准溶液按照浓度由大到小依次排序，溶液分别标识为S0>T1>T2>T3>T4>T5>T6>T7。然后，通过S0和T7的标准溶液，设计过渡液级数m及浓度，如级数m为小于log10[(S0/Tn)]的最大整数5，则过渡液(G)的浓度为浓缩液浓度的10-1、10-2、10-3、10-4、10-5倍，即每一级过渡液的浓度G1、G2、G3、G4、G5分别为0.1mg/mL、10μg/mL、1μg/mL、0.1μg/mL、10ng/mL。接着，对所有溶液按浓度由大到小进行排序，如有标准溶液和过渡液的浓度一致，则按任意顺序排列，但是需要分别进行配制，如S0>G1>G2>T1＝G3>T2>T3＝G4>T4>T5＝G5>T6>T7。然后按照上述各溶液的浓度设计配制方案：当前溶液由前一浓缩液或过渡液通过溶剂稀释后得到，如G2由G1稀释配制得到，T1由G2稀释配制得到，G4由G3稀释配制得到，T4由G4稀释配制得到。再根据标准溶液的浓度和所需体积，计算所需浓缩液或过渡液和溶剂的配比以及各自所需的体积，例如需要配制1mL的T4溶液，需要500μL的G3溶液和500μL的溶剂混合配制得到。最后，按浓度由低到高，反推计算所需相应的过渡液/浓缩液所需的总体积量和所需溶剂的总体积量。优选的，通常情况下过渡液和浓缩液的体积可设为所需体积量的1.2倍以上，稀释液的总体积为总体积量的1.3倍以上。具体配制方案如图4所示。
以上详细说明仅为本发明之较佳实施例的说明，非因此局限本发明的专利范围，所以，凡运用本创作说明书及图示内容所为的等效技术变化，均包含于本发明的专利范围内。
Claims (10)
1.一种标准溶液的自动配制工作站，其特征在于：所述工作站包括：
功能性分区的工作台，工作台的顶部设有耗材区，所述耗材区内设有若干一次性吸液枪头，工作台的右侧设有废弃区，所述废弃区内设有用于放置吸液枪头的废弃盒，工作台的底部设有试剂区，所述试剂区内设有试剂容器；
所述工作台上设有机械臂，所述机械臂通过驱动装置控制，所述机械臂的行程覆盖工作台上的功能区；
所述机械臂的手部连接有移液模块，所述移液模块上设有可拆卸的一次性吸液枪头；
控制系统，包括用户界面和微处理器。
2.根据权利要求1所示标准溶液的自动配制工作站，其特征在于：所述移液模块为集成移液模块。
3.根据权利要求1所示标准溶液的自动配制工作站，其特征在于：所述机械臂为二轴直角坐标型机械臂，由相互垂直的X轴机械臂和Y轴机械臂组成。
4.根据权利要求1所述标准溶液的自动配制工作站，其特征在于：所述试剂区内的试剂容器按竖排从左到右依次分为浓缩液容器、过渡液容器、标准液容器和溶剂容器。
5.一种利用权利要求1～4所述任一项工作站配制标准溶液的方法，其特征在于：其步骤包括：
S1.获取浓缩液浓度S0、待配制的标准溶液浓度T1～Tn和待配制的标准溶液体积，其中待配制的标准溶液中的最小浓度为Tn，设置浓度位于S0至Tn之间的多级过渡液，所述过渡液浓度为G1～Gm，所述每级过渡液具有相同的稀释倍数；
S2.将浓度为S0的浓缩液、浓度为T1～Tn的标准溶液和浓度为G1～Gm的过渡液按照浓度从大至小的顺序排序，相同的浓度按任意顺序排列；
S3.上述排序好的各溶液中，计算配制各浓度的过渡液所需要的体积以及需要的溶剂体积，得到包括过渡液、标准溶液和溶剂各自的浓度、体积的配制方案，其中在后溶液由前一浓缩液或过渡液通过溶剂稀释后得到；
S4.按照上述配制方案，通过机械臂和驱动装置控制移液模块配制浓度从大到小的过渡液和标准溶液。
6.根据权利要求5所述的配制标准溶液的方法，其特征在于：步骤S1中，所述过渡液的级数m是指小于loga[(S0/Tn)]的最大整数，其中a表示稀释倍数。
7.根据权利要求5所述的配制标准溶液的方法，其特征在于：步骤S1中，所述稀释倍数为2～10倍。
8.根据权利要求5所述的配制标准溶液的方法，其特征在于：步骤S3中，配制方案中过渡液和浓缩液体积不小于所需要的体积的1.2倍，溶剂体积不小于所需要的体积的1.3倍。
9.根据权利要求5所述的配制标准溶液的方法，其特征在于：步骤S4中，机械臂和驱动装置控制移液模块进行的配制操作包括移动、装载/卸载一次性吸液枪头、移液/分液的操作和对过渡液和标准溶液进行吹打混匀。
10.根据权利要求5所述的配制标准溶液的方法，其特征在于：通过用户界面输入和输出数据信息，并通过微处理器计算得到所述配制方案以及控制驱动装置。
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