CN108931661B - 一种流体样本采样装置及其采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体样本采样装置及其采样方法。典型人的手抖大约是700um。在高精度的取样操作中，人手的抖动会影响采样过程。本发明一种流体样本采样装置，包括横移平台和吸附机构。所述的横移平台包括工作台、伺服电机、丝杠、进给块和采样板。吸附机构包括调整横移组件、调整竖移组件和吸排液组件。调整竖移组件包括第一压电致动器、第一滑块、第一滑轨和第一弹簧。调整横移组件包括第二压电致动器、第二滑块、第二滑轨和第二弹簧。吸排液组件包括安装台、毛细管转换块、毛细管和切换驱动件。本发明完成了对流体样本的采样和点滴，提高了医院对流体样本采样的自动化程度，提高了医院的工作效率。

Description

一种流体样本采样装置及其采样方法

技术领域

本发明属于精密仪器领域，具体涉及一种流体样本采样装置及其采样方法。

背景技术

目前，电子显微镜已经广泛应用于医疗、科研和教学等各个方面，尤其是生物医学领域。但目前显微镜的操作使用，特别是将流体样本放入电子显微镜取样容器中，多数显微镜还只能用手动操作。近年来，虽然在显微镜自动化方面也有了较大进展，但显微镜的自动化程度并不是很高。

但是，目前的微区取样装置针对流体样本的取样时还存在一些不足，现在流行的做法是用手动吸取流体样本，但典型人的手抖大约是700um，这会影响采样过程。而现有技术中的取样容器装置无法满足精确控制取样仪的要求。因此，设计一种对流体样品取样时实现精确移动、重复定位和远程操作的取样仪，是极为必要的。

发明专利内容

本发明的目的在于克服现有技术提及的缺点，提供一种流体样本采样装置及其采样方法，以提高医院、研究所等机构对流体样本采样的效率。用于对流体样本进行采样，保证显微镜吸附机构工作时的安全性和可靠性。

本发明一种流体样本采样装置，包括横移平台和吸附机构。所述的横移平台包括工作台、伺服电机、丝杠、进给块和采样板。所述的丝杠支承在工作台的侧部。所述的伺服电机与工作台固定。伺服电机的输出轴与丝杠的一端固定。进给块与工作台构成滑动副。固定在进给块上的螺母与丝杠构成螺旋副。

所述工作台的顶面开设有采样槽和n个放置槽，1≤n≤5。采样槽的底面固定有第一金属片。第一金属片上开设有n个采样孔。采样板固定在采样槽内。采样板上开设有n个采样槽。n个采样孔与n个采样槽分别对齐。

n个放置槽的底面均固定有第二金属片。第二金属片侧面的形状与放置槽底面的形状相同。n片第二金属片上的中心位置均开设有目标通孔。n个采样孔、n个目标通孔沿丝杠的轴线方向依次排列设置。

所述的吸附机构包括调整横移组件、调整竖移组件和吸排液组件。所述的调整竖移组件包括第一压电致动器、第一滑块、第一滑轨和第一弹簧。所述第一滑轨的底部与进给块固定。所述的第一滑块与第一滑轨构成滑动副。第一弹簧的两端与第一滑块、第一滑轨分别固定。第一压电致动器固定在第一滑轨上。第一压电致动器的变形输出端与第一滑块接触。第一滑块位于第一弹簧与第一压电致动器之间。

所述的调整横移组件包括第二压电致动器、第二滑块、第二滑轨和第二弹簧。所述的第二滑轨与第一滑块固定。第二滑轨的一端固定有测距块，另一端固定有第二压电致动器。第二滑块与第二滑轨构成滑动副。第二弹簧的两端与第二滑块、第二滑轨分别固定。第二滑块位于第二压电致动器与第二弹簧之间。

所述的吸排液组件包括安装台、毛细管转换块、毛细管和切换驱动件。所述的安装台固定在第二滑块上。毛细管转换块与安装台的底部构成转动副。毛细管转换块由切换驱动件驱动。毛细管转换块上的底部开设有沿毛细管转换块、安装台所成转动副公共轴线的周向均布的n个毛细管安装孔。

所述毛细管转换块的n个毛细管安装孔内分别嵌有毛细管。n个毛细管安装孔的外端均固定有金属圆环。n个金属圆环与毛细管安装孔分别同轴设置。金属圆环与第一电容数字转换器的第二输入接口相连。

所述毛细管转换块内还开设有通气孔。所述通气孔的轴线与第二滑块、毛细管转换块所成转动副的轴线重合。n个毛细管安装孔的内端均与通气孔连通。毛细管转换块内开设有三叉气道。毛细管转换块上的通气孔与三叉气道的第一通气口连通。三叉气道的第二通气口与气泵的出气口连通，第三通气口处设置有通断阀。

进一步地，所述的切换驱动件包括切换电机、外齿圈和驱动齿轮。所述的外齿圈与毛细管转换块同轴固定。切换电机固定在安装台上。切换电机的输出轴与驱动齿轮固定。外齿圈与驱动齿轮啮合。

进一步地，本发明一种流体样本采样装置还包括第一电容数字转换器和第二电容数字转换器。第一电容数字转换器及第二电容数字转换器的型号均为AD7150。第一金属片及第二金属片均与第一电容数字转换器的第一输入接线接口相连。

所述的吸排液组件还包括第三金属片和第四金属片。安装台、测距块的相对侧面与第三金属片、第四金属片分别固定。第三金属片、第四金属片与第二电容数字转换器的第一输入接口、第二输入接口分别相连。

进一步地，所述第一金属片侧面的形状与采样槽底面的形状相同。

进一步地，所述采样槽的深度为1mm。

进一步地，所述的横移平台还包括第1载玻片、第2载玻片、…、第n载玻片。所述的第1载玻片、第2载玻片、…、第n载玻片分别固定在n个放置槽内。放置槽的横截面与第1载玻片、第2载玻片、…、第n载玻片的横截面完全相同。第1载玻片、第2载玻片、…、第n载玻片的样品放置处分别位于n片第二金属片上目标通孔的正上方。

进一步地，特征圆锥面存在一条竖直的母线。特征圆锥面的中心轴线与毛细管转换块、安装台所成转动副公共轴线共线。n个毛细管安装孔轴线均在特征圆锥面上。

进一步地，所述毛细管安装孔的内侧壁上设置有橡胶层。

该用于电子显微镜的流体样本采样装置的采样方法具体如下：

步骤一、工作人员将n种待采样流体样本分别滴入采样板上的n个采样槽。

步骤二、切换电机转动，使得第i根毛细管朝向正下方。将0赋值给电容骤降次数z。

步骤三、伺服电机正转，使得吸附机构向靠近n个放置槽的方向滑动。当第i根毛细管到达第一金属片的正上方后，第一电容数字转换器检测到容值为a。除在步骤四及步骤七外，每当第一电容数字转换器检测到的容值减小至低于b时，电容骤降次数z均增大一。b≤0.5a。当z＝i时，伺服电机停转。

步骤四、若第一电容数字转换器检测到的容值低于b，则直接进入步骤五。

否则，第二压电致动器运动，使得第二滑块向远离n个放置槽的方向滑动。直到第一电容数字转换器检测到的容值低于b，第二压电致动器停止运动，并进入步骤五。

步骤五、第一压电致动器运动，使得第一滑块向下滑动，直到第i根毛细管的外端伸入第i个采样槽内。通断阀开启，第i个采样槽内的待采样流体样本被吸入第i根毛细管。

步骤六、第一压电致动器运动，使得第一滑块复位。第二压电致动器运动，使得第二滑块复位。伺服电机正转，使得吸附机构向靠近n个放置槽的方向滑动。当z＝2i+n时，伺服电机停转。

步骤七、若第一电容数字转换器检测到的容值低于b，则直接进入步骤八。

否则，第二压电致动器运动，使得第二滑块向靠近采样板的方向滑动。直到第一电容数字转换器检测到的容值低于b，第二压电致动器停止运动，并进入步骤八。

步骤八、通断阀闭合，气泵启动，第i根毛细管中的待采样流体样本被滴上第i载玻片的中心位置。

步骤九、气泵关闭，伺服电机反转，使得进给块复位。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明完成了对流体样本的采样，提高了医院，研究所等机构对流体样本采样的自动化程度，提高了工作效率。

2、本发明利用压电致动器对吸附机构的位移做控制，步进分辨率可达1um，实现微步位移，提高了吸附机构定位的精度。

3、本发明利用毛细作用提取流体样本，不需要额外的动力输入，并消除了额外的动力输入造成的抖动对流体采样的影响，而且避免了过度填充。

4、本发明专利所使用的位置感应为容性传感器，提高了系统的平稳性。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明中吸附机构的示意图；

图3为本发明中调整横移组件的示意图；

图4为本发明中吸排液组件的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明专利作进一步说明。

如图1所示，一种流体样本采样装置，包括第一电容数字转换器、第二电容数字转换器、横移平台和吸附机构101。第一电容数字转换器及第二电容数字转换器的型号均为AD7150。横移平台包括工作台108、伺服电机106、丝杠107、进给块、采样板102、第一载玻片103、第二载玻片104和第三载玻片105。水平设置的丝杠107支承在工作台108的侧部。伺服电机106与工作台108固定。伺服电机106的输出轴与丝杠107的一端固定。进给块与工作台108构成沿丝杠轴线方向滑动的滑动副。固定在进给块上的螺母与丝杠构成螺旋副。

工作台的顶面开设有采样槽和三个放置槽。采样槽的底面固定有第一金属片。第一金属片侧面的形状与采样槽底面的形状相同。第一金属片上开设有三个采样孔。采样板102固定在采样槽内。采样板102上开设有三个采样槽。采样槽的深度为1mm。三个采样孔与三个采样槽分别对齐，即三个采样槽分别位于三个采样孔的正上方。

三个放置槽的底面均固定有第二金属片。第二金属片侧面的形状与放置槽底面的形状相同。三片第二金属片上的中心位置均开设有目标通孔。三个采样孔、三个目标通孔沿丝杠的轴线方向依次排列设置。第一载玻片103、第二载玻片104、第三载玻片105分别固定在三个放置槽内。放置槽的横截面与第一载玻片103、第二载玻片104、第三载玻片105的横截面完全相同。第一载玻片103、第二载玻片104、第三载玻片105的样品放置处分别位于三片第二金属片上目标通孔的正上方。第一金属片及第二金属片均与第一电容数字转换器的第一输入接线接口相连。

如图1和2所示，吸附机构101包括调整横移组件、调整竖移组件和吸排液组件。调整竖移组件包括第一压电致动器201、第一滑块203、第一滑轨205和第一弹簧。第一滑轨205的底部与进给块固定。第一滑块203与第一滑轨205构成沿竖直方向滑动的滑动副。第一弹簧的两端与第一滑块203、第一滑轨205分别固定。第一压电致动器201固定在第一滑轨205上。第一压电致动器201的变形输出端与第一滑块203的顶部接触。第一滑块203位于第一弹簧与第一压电致动器201之间。

如图1、2和3所示，调整横移组件包括第二压电致动器202、第二滑块204、第二滑轨206和第二弹簧301。第二滑轨206与第一滑块203固定。第二滑轨206的一端固定有测距块211，另一端固定有第二压电致动器202。第二滑块204与第二滑轨206构成沿丝杠轴线方向滑动的滑动副。第二弹簧301的两端与第二滑块204、第二滑轨206分别固定。第二滑块204位于第二压电致动器202与第二弹簧301之间。

如图1、2和4所示，吸排液组件包括安装台209、毛细管转换块212、毛细管208、切换驱动件、第三金属片和第四金属片。安装台209固定在第二滑块204上。安装台209、测距块211的相对侧面与第三金属片、第四金属片分别固定。第三金属片207、第四金属片与第二电容数字转换器的第一输入接口、第二输入接口分别相连。毛细管转换块212与安装台209的底部构成公共轴线倾斜的转动副。

毛细管转换块212上的底部开设有沿毛细管转换块212、安装台209所成转动副公共轴线的周向均布的三个毛细管安装孔213。特征圆锥面存在一条竖直的母线。特征圆锥面的中心轴线与毛细管转换块212、安装台209所成转动副公共轴线共线。三个毛细管安装孔213轴线均在特征圆锥面上。转动毛细管转换块212能够使三个毛细管安装孔213分别达到竖直状态。毛细管安装孔213的内侧壁上设置有橡胶层。毛细管转换块212的三个毛细管安装孔213内分别嵌有毛细管208。只需将毛细管插入毛细管安装孔213，橡胶层即可卡住毛细管。三个毛细管安装孔213的外端均固定有金属圆环217。三个金属圆环217与毛细管安装孔213分别同轴设置。金属圆环217与第一电容数字转换器的第二输入接口相连。

毛细管转换块212内还开设有通气孔214。通气孔214的轴线与第二滑块204、毛细管转换块212所成转动副的轴线重合。三个毛细管安装孔213的内端均与通气孔214连通。毛细管转换块212内开设有三叉气道215。毛细管转换块212上的通气孔214与三叉气道215的第一通气口连通。三叉气道215的第二通气口与气泵的出气口连通，第三通气口通过通断阀216与外界连通。

切换驱动件包括切换电机220、外齿圈218和驱动齿轮219。外齿圈218与毛细管转换块212同轴固定。切换电机220固定在安装台209上。切换电机220的输出轴与驱动齿轮219固定。外齿圈218与驱动齿轮219啮合。

初始状态下，吸附机构101位于采样槽远离三个放置槽的一侧。

该用于电子显微镜的流体样本采样装置的采样方法具体如下：

步骤一、工作人员将三种待采样流体样本分别滴入采样板102上的三个采样槽。

步骤二、切换电机220转动，使得第i根毛细管朝向正下方。将0赋值给电容骤降次数z。

步骤三、伺服电机106正转，使得吸附机构101向靠近三个放置槽的方向滑动。当第i根毛细管到达第一金属片的正上方后，第一电容数字转换器检测到容值为a。除在步骤四及步骤七外，每当第一电容数字转换器检测到的容值减小至低于b时(容值的降低的原因为第i根毛细管进入采样孔或目标通孔的正上方，或脱离第一金属片、第二金属片的范围)，电容骤降次数z均增大一。B＝0.2a。当z＝i时，伺服电机106停转。

由于采样槽尺寸较小，吸附机构101随丝杠运动存在较大惯性，故此时第i根毛细管可能已经在惯性的作用下脱离第i个采样槽的正上方。故此时需要微调第i根毛细管的位置，从而保证第i根毛细管能够吸出第i种待采样流体样本。

步骤四、若第一电容数字转换器检测到的容值低于b，则直接进入步骤五。

否则，第二压电致动器202运动，使得第二滑块204向远离三个放置槽的方向滑动，进而让第i根毛细管靠近第i个采样槽的正上方。直到第一电容数字转换器检测到的容值低于b，第二压电致动器202停止运动，并进入步骤五。步骤四中z不增大。

步骤五、第一压电致动器201运动，使得第一滑块203向下滑动，直到第i根毛细管的外端伸入第i个采样槽内。通断阀216开启，第i个采样槽内的待采样流体样本在毛细作用下，被部分吸入第i根毛细管。

步骤六、第一压电致动器201运动，使得第一滑块203复位。第二压电致动器202运动，使得第二滑块204复位。伺服电机106正转，使得吸附机构101向靠近三个放置槽的方向滑动。当z＝2i+3时，伺服电机106停转。此时，第i根毛细管位于第i载玻片的上方。

由于惯性的作用，第i根毛细管可能偏离第i载玻片的中心位置，需要调整。

步骤七、若第一电容数字转换器检测到的容值低于b，则直接进入步骤八。

否则，第二压电致动器202运动，使得第二滑块204向靠近采样板的方向滑动，进而让第i根毛细管靠近第i载玻片中心位置的正上方。直到第一电容数字转换器检测到的容值低于b，第二压电致动器202停止运动，并进入步骤八。步骤七中z不增大。

步骤八、通断阀216闭合，气泵启动，第i根毛细管中的待采样流体样本被滴上第i载玻片的中心位置。此时待采样流体样本的滴加位置精度高于人工滴加，提高了显微观察的成功率。

步骤九、气泵关闭，伺服电机106反转，使得进给块复位。

Claims (9)

1.一种流体样本采样装置，包括横移平台和吸附机构；其特征在于：所述的横移平台包括工作台、伺服电机、丝杠、进给块和采样板；所述的丝杠支承在工作台的侧部；所述的伺服电机与工作台固定；伺服电机的输出轴与丝杠的一端固定；进给块与工作台构成滑动副；固定在进给块上的螺母与丝杠构成螺旋副；

所述工作台的顶面开设有采样槽和n个放置槽，1≤n≤5；采样槽的底面固定有第一金属片；第一金属片上开设有n个采样孔；采样板固定在采样槽内；采样板上开设有n个样本孔；n个采样孔与n个样本孔分别对齐；

n个放置槽的底面均固定有第二金属片；第二金属片的形状与放置槽底面的形状相同；n片第二金属片上的中心位置均开设有目标通孔；n个采样孔、n个目标通孔沿丝杠的轴线方向依次排列设置；

所述的吸附机构包括调整横移组件、调整竖移组件和吸排液组件；所述的调整竖移组件包括第一压电致动器、第一滑块、第一滑轨和第一弹簧；所述第一滑轨的底部与进给块固定；所述的第一滑块与第一滑轨构成滑动副；第一弹簧的两端与第一滑块、第一滑轨分别固定；第一压电致动器固定在第一滑轨上；第一压电致动器的变形输出端与第一滑块接触；第一滑块位于第一弹簧与第一压电致动器之间；

所述的调整横移组件包括第二压电致动器、第二滑块、第二滑轨和第二弹簧；所述的第二滑轨与第一滑块固定；第二滑轨的一端固定有测距块，另一端固定有第二压电致动器；第二滑块与第二滑轨构成滑动副；第二弹簧的两端与第二滑块、第二滑轨分别固定；第二滑块位于第二压电致动器与第二弹簧之间；

所述的吸排液组件包括安装台、毛细管转换块、毛细管和切换驱动件；所述的安装台固定在第二滑块上；毛细管转换块与安装台的底部构成转动副；毛细管转换块由切换驱动件驱动；毛细管转换块上的底部开设有沿毛细管转换块、安装台所成转动副公共轴线的周向均布的n个毛细管安装孔；

所述毛细管转换块的n个毛细管安装孔内分别嵌有毛细管；n个毛细管安装孔的外端均固定有金属圆环；n个金属圆环与毛细管安装孔分别同轴设置；金属圆环与第一电容数字转换器的第二输入接口相连；

所述毛细管转换块内还开设有通气孔；所述通气孔的轴线与第二滑块、毛细管转换块所成转动副的轴线重合；n个毛细管安装孔的内端均与通气孔连通；毛细管转换块内开设有三叉气道；毛细管转换块上的通气孔与三叉气道的第一通气口连通；三叉气道的第二通气口与气泵的出气口连通，第三通气口处设置有通断阀。

2.根据权利要求1所述的一种流体样本采样装置，其特征在于：所述的切换驱动件包括切换电机、外齿圈和驱动齿轮；所述的外齿圈与毛细管转换块同轴固定；切换电机固定在安装台上；切换电机的输出轴与驱动齿轮固定；外齿圈与驱动齿轮啮合。

3.根据权利要求1所述的一种流体样本采样装置，其特征在于：还包括第一电容数字转换器和第二电容数字转换器；第一电容数字转换器及第二电容数字转换器的型号均为AD7150；第一金属片及第二金属片均与第一电容数字转换器的第一输入接线接口相连；

所述的吸排液组件还包括第三金属片和第四金属片；安装台、测距块的相对侧面与第三金属片、第四金属片分别固定；第三金属片、第四金属片与第二电容数字转换器的第一输入接口、第二输入接口分别相连。

4.根据权利要求1所述的一种流体样本采样装置，其特征在于：所述第一金属片的形状与采样槽底面的形状相同。

5.根据权利要求1所述的一种流体样本采样装置，其特征在于：所述样本孔的深度为1mm。

6.根据权利要求1所述的一种流体样本采样装置，其特征在于：所述的横移平台还包括第1载玻片、第2载玻片、…、第n载玻片；所述的第1载玻片、第2载玻片、…、第n载玻片分别固定在n个放置槽内；放置槽的横截面与第1载玻片、第2载玻片、…、第n载玻片的横截面完全相同；第1载玻片、第2载玻片、…、第n载玻片的样品放置处分别位于n片第二金属片上目标通孔的正上方。

7.根据权利要求1所述的一种流体样本采样装置，其特征在于：特征圆锥面存在一条竖直的母线；特征圆锥面的中心轴线与毛细管转换块、安装台所成转动副公共轴线共线；n个毛细管安装孔轴线均在特征圆锥面上。

8.根据权利要求1所述的一种流体样本采样装置，其特征在于：所述毛细管安装孔的内侧壁上设置有橡胶层。

9.如权利要求1所述的一种流体样本采样装置的采样方法，其特征在于：

步骤一、工作人员将n种待采样流体样本分别滴入采样板上的n个采样槽；

步骤二、切换电机转动，使得第i根毛细管朝向正下方；将0赋值给电容骤降次数z；i＝1,2,…,n，依次执行步骤二至九；

步骤三、伺服电机正转，使得吸附机构向靠近n个放置槽的方向滑动；当第i根毛细管到达第一金属片的正上方后，第一电容数字转换器检测到容值为a；除在步骤四及步骤七外，每当第一电容数字转换器检测到的容值减小至低于b时，电容骤降次数z均增大一；b≤0.5a；当z＝i时，伺服电机停转；

步骤四、若第一电容数字转换器检测到的容值低于b，则直接进入步骤五；

否则，第二压电致动器运动，使得第二滑块向远离n个放置槽的方向滑动；直到第一电容数字转换器检测到的容值低于b，第二压电致动器停止运动，并进入步骤五；

步骤五、第一压电致动器运动，使得第一滑块向下滑动，直到第i根毛细管的外端伸入第i个采样槽内；通断阀开启，第i个采样槽内的待采样流体样本被吸入第i根毛细管；

步骤六、第一压电致动器运动，使得第一滑块复位；第二压电致动器运动，使得第二滑块复位；伺服电机正转，使得吸附机构向靠近n个放置槽的方向滑动；当z＝2i+n时，伺服电机停转；

步骤七、若第一电容数字转换器检测到的容值低于b，则直接进入步骤八；

否则，第二压电致动器运动，使得第二滑块向靠近采样板的方向滑动；直到第一电容数字转换器检测到的容值低于b，第二压电致动器停止运动，并进入步骤八；

步骤八、第一压电致动器运动，使得第一滑块向下滑动，直到第i根毛细管的底端与第i载玻片的间距小于1mm；通断阀闭合，气泵启动，第i根毛细管中的待采样流体样本被滴上第i载玻片的中心位置；

步骤九、气泵关闭；第一压电致动器运动，使得第一滑块复位；第二压电致动器运动，使得第二滑块复位；伺服电机反转，使得进给块复位。

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