CN109917147B - 一种自动进样装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动进样装置和方法,该装置包括支架、负压机构、微流控芯片、芯片夹具、控制器、进样机构和驱动机构,负压机构包括负压泵、电气比例阀和第一负压管、废液瓶和排液管,第一负压管的两端分别与负压泵和废液瓶连接,电气比例阀安装在第一负压管上,排液管的一端与废液瓶连接,微流控芯片固定在芯片夹具上,微流控芯片的出液口与芯片夹具的排液孔连通,排液管的另一端与排液孔连通,进样机构包括柱塞泵、检测模块、电容进样针和试剂槽,电容进样针与驱动机构连接,柱塞泵和检测模块分别与电容针连接,驱动机构、电气比例阀、柱塞泵和检测模块分别与控制器电连接。本发明结构简单,可以实现微流控芯片的自动连续进样和排样。
Description
技术领域
本发明涉及医疗检测与控制技术领域,具体涉及一种自动进样装置和方法。
背景技术
目前,在医疗检测、化工等各类工业领域中,为实现自动化获取样本,减少人工参与程度,需要采用自动进样装置,特别是在医疗行业的微流控芯片领域,涉及血液等微量液体,对进样的要求进一步提高,既要保证进样的准确性又要保证不能产生交叉污染,以确保最后结果的准确性和实验过程的安全性。
目前市场也有很多微流控芯片进样装置,但这些进样装置需要通过复杂的操作完成,存在结构复杂和制造成本高的问题,同时在微流控芯片进样过程中,其不能保证芯片内部不进入气体和进样时液体不溢出的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题,本发明提供了一种自动进样装置和方法,该装置结构简单,自动化程度高,可以实现微流控芯片的自动连续进样和排样。
该方法简单,操作方便,节省了人力成本和时间。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为:
一种自动进样方法,包括如下步骤:
1、按照自动进样装置的结构组装搭建自动进样装置,自动进样装置的结构如下:
自动进样装置包括支架、负压机构、微流控芯片、芯片夹具、控制器、进样机构和驱动机构,负压机构包括负压泵、电气比例阀和第一负压管、废液瓶和排液管,第一负压管的一端与负压泵连接,第一负压管的另一端与废液瓶上部连通,电气比例阀安装在第一负压管上,排液管的一端与废液瓶连接,微流控芯片固定在芯片夹具上,微流控芯片包括进液口和出液口,芯片夹具上设有排液孔,出液口与排液孔连通,排液管的另一端与排液孔连通,进样机构包括柱塞泵、检测模块、电容进样针和试剂槽,电容进样针与驱动机构连接,电容进样针竖直设置,柱塞泵和检测模块分别与电容针电连接,取样槽位于电容进样针的下方,驱动机构、电气比例阀、柱塞泵和检测模块分别与控制器电连接;
2、开始负压泵,负压泵产生的负压将微流控芯片吸附在芯片夹具上;
3、开启控制器,控制水平电机启动,水平电机正向转动,水平电机带动水平主动带轮转动,水平主动带轮带动水平皮带沿水平方向移动,水平皮带带动水平滑块向右移动,水平滑块带动竖直移动机构整体向右移动,当电容进样针在水平方向上到达设定位置时,即电容进样针位于试剂槽的正上方,控制器控制水平电机关闭;
4、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机正向转动,竖直电机带动连接轴转动,连接轴带动竖直主动带轮转动,竖直主动带轮带动竖直皮带转动,竖直皮带带动竖直滑块向下运动,竖直滑块带动电容进样针向下运动,当电容进样针在竖直方向到达设定位置时,即电容进样针的入口位于试剂槽的液面以下,控制器控制竖直电机关闭;
5、接着控制器控制柱塞泵启动,电容进样针开始吸取试剂槽中的试剂,当柱塞泵吸取至设定体积V1的试剂时,控制器控制柱塞泵关闭,V1≥V2×N,N≥1;
6、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机反向转动,竖直电机带动电容进样针向上移动,当电容进样针到达设定位置,控制器控制竖直电机关闭;
7、接着控制器控制水平电机启动,水平电机反向转动,水平电机带动电容进样针向左水平移动,当电容进样针到达设定位置时,即电容进样针位于进液口的正上方,控制器控制水平电机关闭;
8、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机正向转动,竖直电机带动电容进样针向下移动,当电容进样针到达设定位置,即电容进样针位于进液口中,且电容进样针距离进液口底部的高度为H1时,控制器控制竖直电机关闭,同时控制器控制柱塞泵开启,通过电容进样针向进液口中打入体积为V2的试剂后,进液口的体积为V0,V0<V2,控制器控制柱塞泵关闭;
9、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机反向转动,竖直电机带动电容进样针向上移动,当电容进样针到达设定位置,即电容进样针的高度不大于进液口顶部的高度,控制器控制竖直电机关闭,由于加入的试剂的体积略大于进液口的体积,同时试剂液体有表面张力,在电容进样针加完试剂后也不会溢出进液口,从而保证了加样过程中试剂不会外溢,避免了交叉污染的情况;
10、接着控制器控制电气比例阀和检测模块开启,微流控芯片沟道中的液体通过负压的作用被吸入到废液瓶中,当检测模块检测不到电容信号时,即进液口中试剂的液面下降至进液口底部时,进液口始终有部分液体封住进液口,检测模块将信号反馈给控制器,控制器控制检测模块和电气比例阀关闭;
11、当柱塞泵中剩余的体积大于V2时,重复步骤6.7-6.9,直至柱塞泵中剩余的体积小于V2时,控制器控制竖直电机启动,竖直电机反向转动,竖直电机带动电容进样针向上移动,当电容进样针到达设定位置,即电容进样针位于初始位置时,控制器控制竖直电机关闭,接着重复步骤6.2-6.10,进行下一次的进样过程;
当柱塞泵中剩余的体积小于V2时,控制器控制竖直电机启动,竖直电机反向转动,竖直电机带动电容进样针向上移动,当电容进样针到达设定位置,即电容进样针位于初始位置时,控制器控制竖直电机关闭,接着重复步骤6.2-6.10,进行下一次的进样过程。
进一步,V2≤V0+2mm。
进一步,所述的驱动机构包括水平移动机构和竖直移动机构,水平移动机构包括水平滑块、水平主动带轮、水平皮带、水平从动带轮和水平电机,水平电机和水平从动带轮安装于支架上,水平主动带轮安装于水平电机的输出轴上,水平主动带轮通过水平皮带与水平从动带轮连接,水平皮带沿水平方向做往复运动,水平滑块固定于水平皮带上,竖直移动机构包括竖直电机、竖直主动带轮、竖直皮带和竖直从动带轮,竖直电机与水平滑块固定连接,竖直主动带轮安装于竖直电机的输出轴上,竖直从动带轮安装于水平滑块上,竖直从动带轮位于竖直主动带轮的正下方,竖直主动带轮通过竖直皮带与竖直从动带轮连接,竖直滑块与竖直皮带连接,水平电机和竖直电机分别与控制器电连接,电容进样针固定在竖直滑块上,电容进样针位于进液口的正上方,试剂槽位于电容进样针的正右方。
进一步,所述的水平移动机构还包括水平导轨,水平导轨有两个,两水平导轨均安装于支架上,两水平导轨对称分布于水平皮带的上下两侧,水平滑块分别与两水平导轨连接,所述的竖直移动机构还包括联轴器、连接轴、支撑块和竖直导轨,连接轴通过联轴器与竖直电机的输出轴连接,竖直主动带轮与连接轴连接,竖直导轨有两个,两竖直导轨相对于竖直皮带对称分布,两竖直导轨的上端分别与联轴器连接,两竖直导轨的下端分别与支撑块相对的两侧连接,竖直从动带轮安装与支撑块上,竖直滑块与其中的一个竖直导轨连接。
进一步,所述的芯片夹具为支撑平台,芯片夹具固定于支架上,微流控芯片放置于芯片夹具的上表面上,芯片夹具的上表面沿竖直方向开设有对称分布的两通孔,两通孔分别位于排液孔的两侧,负压机构还包括第二负压管,第二负压管的一端与负压泵连接,另一端分别与两通孔连接。
进一步,所述的进液口呈倒锥形。
与现有技术相比,本发明的有益效果和优点在于:
1、本发明的装置结构简单,制造成本低,自动化程度高,在进样过程中能实现连续进样,同时避免了芯片内部进气和芯片液体溢出的情况,从而避免了交叉污染,其在医疗、化工等领域的检测以及科研中具有良好的使用价值。
2、本发明的方法操作极其简便,极大节省了人工和时间,降低了进样的成本。
附图说明
图1为自动进样装置的结构示意图。
图2为竖直移动机构的结构示意图。
图3为微流控芯片的结构示意图。
图4为芯片夹具的结构示意图。
图5为电容进样针的结构示意图。
其中,1-支架、2-微流控芯片、4-进液口、5-出液口、6-芯片夹具、7-控制器、8-负压泵、9-电气比例阀、10-第一负压管、11-废液瓶、12-排液管、13-第二负压管、14-排液孔、15-通孔、16-柱塞泵、17-检测模块、18-电容进样针、19-试剂槽、20-水平滑块、21-水平主动带轮、22-水平皮带、23-水平从动带轮、24-水平电机、25-水平导轨、26-竖直电机、27-竖直主动带轮、28-竖直皮带、29-竖直从动带轮、30-联轴器、31-连接轴、32-支撑块、33-竖直导轨、34-竖直滑块、35-金属针管、36-绝缘套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的自动进样装置进行详细说明。
本发明提供的自动进样装置的如图1所示,包括支架1、负压机构、微流控芯片2、芯片夹具6、控制器7、进样机构和驱动机构。
支架1的作用是为其他零部件的固定起到支撑的作用。
负压机构包括负压泵8、电气比例阀9和第一负压管10、第二负压管13、废液瓶11和排液管12,第一负压管10和第二负压管13的一端分别与负压泵8连接,第一负压管10的另一端与废液瓶11上部连接,电气比例阀(SMC,ITV2090-212L5)9安装在第一负压管10上,排液管12的一端与废液瓶11顶部连通。
如图4所示,芯片夹具6为支撑平台,芯片夹具6固定于支架1上。芯片夹具6的上表面沿竖直方向开设有排液孔14,排液管12的另一端与排液孔14连通。芯片夹具6的上表面沿竖直方向开设有对称分布的两通孔15,两通孔15分别位于排液孔14的两侧。
如图3所示,微流控芯片2包括进液口4和出液口5,微流控芯片2放置于芯片夹具6的上表面上,出液口5与排液孔14连通。第二负压管13的另一端分别与两通孔15连接,通过负压的作用将微流控芯片吸附在芯片夹具上,从而将微流控芯片固定在芯片夹具上。
驱动机构包括水平移动机构和竖直移动机构。
水平移动机构包括水平滑块20、水平导轨25、水平主动带轮21、水平皮带22、水平从动带轮23和水平电机24。水平电机24和水平从动带轮23安装于支架1上,水平主动带轮21安装于水平电机24的输出轴上,水平主动带轮21通过水平皮带22与水平从动带轮23连接,水平皮带22通过电机的作用可沿水平方向做往复运动,水平滑块20固定于水平皮带22上。水平导轨25有两个,两水平导轨25均安装于支架1上,两水平导轨25对称分布于水平皮带22的上下两侧,水平滑块20分别与两水平导轨25连接。水平导轨的作用是对水平滑块起到限位的作用,保证水平滑块能够沿水平方向做往复运动。
竖直移动机构包括竖直电机26、竖直主动带轮27、竖直皮带28、竖直从动带轮29、联轴器30、连接轴31、支撑块32和竖直导轨33。竖直电机26与水平滑块20固定连接,连接轴31通过联轴器30与竖直电机26的输出轴连接,竖直主动带轮27与连接轴31连接。竖直导轨33有两个,两竖直导轨33相对于竖直皮带28对称分布,两竖直导轨28的上端分别与联轴器30连接,两竖直导轨33的下端分别与支撑块32相对的两侧连接。竖直从动带轮29安装与支撑块上,竖直从动带轮29位于竖直主动带轮27的正下方,竖直主动带轮27通过竖直皮带28与竖直从动带轮29连接。竖直滑块34与竖直皮带28连接,竖直滑块34与位于左侧的竖直导轨33连接。竖直导轨的作用是对竖直滑块起到限位的作用,保证竖直滑块能够沿竖直方向做往复运动。
进样机构包括柱塞泵16、检测模块17(CAV424-AMG)、电容进样针18和试剂槽19。如图5所示,电容进样针包括金属针管35和绝缘套36,绝缘套36包裹于金属针管35外。电容进样针18竖直设置,绝缘套36与竖直滑块34连接,柱塞泵16和检测模块18分别与金属针管35连接。电容进样针18位于进液口4的正上方,试剂槽19位于电容进样针18的正右方。
电气比例阀9、水平电机24、竖直电机26、柱塞泵16和检测模块17分别与控制器7(TI,STM32F107VCT6)电连接。
下面结合上述的自动进样装置对本发明的自动进样方法进行详细说明。
实施例1
1、开始负压泵,负压泵产生的负压将微流控芯片吸附在芯片夹具上;
2、开启控制器,控制水平电机启动,水平电机正向转动,水平电机带动水平主动带动转动,水平主动带轮带动水平皮带沿水平方向移动,水平皮带带动水平滑块向右移动,水平滑块带动竖直移动机构整体向右移动,当电容进样针在水平方向到达设定位置时,即电容进样针位于试剂槽的正上方,控制器控制水平电机关闭;
3、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机正向转动,竖直电机带动连接轴转动,连接轴带动竖直主动带轮转动,竖直主动带轮带动竖直皮带转动,竖直皮带带动竖直滑动向下运动,竖直滑块带动电容进样针向下运动,当电容进样针在竖直方向到达设定位置时,即电容进样针的入口位于试剂槽的液面以下,控制器控制竖直电机关闭;
4、接着控制器控制柱塞泵启动,电容进样针开始吸取试剂槽中的试剂,当柱塞泵吸取至设置体积V2=12ul的试剂时,控制器控制柱塞泵关闭;
5、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机反向转动,竖直电机带动电容进样针向上移动,当电容进样针到达设定位置,控制器控制竖直电机关闭;
6、接着控制器控制水平电机启动,水平电机反向转动,水平电机带动电容进样针向左水平移动,当电容进样针到达设定位置时,即电容进样针位于进液口的正上方,控制器控制水平电机关闭;
7、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机正向转动,竖直电机带动电容进样针向下移动,当电容进样针到达设定位置,即电容进样针位于进液口中,且电容进样针距离进液口底部的高度为H1 =1.1mm时,控制器控制竖直电机关闭,同时控制器控制柱塞泵开启,通过电容进样针向进液口中打入体积为V2=12ul的试剂后,进液口的体积为V0=10ul,微流控芯片沟道的体积为V1=2ul,控制器控制柱塞泵关闭;
8、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机反向转动,竖直电机带动电容进样针向上移动,当电容进样针到达设定位置,即电容进样针的高度不大于进液口顶部的高度,控制器控制竖直电机关闭,由于加入的试剂的体积略大于进液口的体积,同时试剂液体有表面张力,在电容进样针加完试剂后也不会溢出进液口,从而保证了加样过程中试剂不会外溢,避免了交叉污染的情况;
9、接着控制器控制控制电气比例阀和检测模块开启,微流控芯片沟道中的液体通过负压的作用被吸入到废液瓶中,当检测模块检测不到电容信号时,即进液口中试剂的液面下降至进液口底部时,通过控制,使进液口始终有部分液体封住进液口,使得整个加样过程中微流控芯片的沟道中不会有气体进去,检测模块将信号反馈给控制器,控制器控制检测模块和电气比例阀关闭;
10、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机反向转动,竖直电机带动电容进样针向上移动,当电容进样针到达设定位置,即电容进样针位于初始位置时,控制器控制竖直电机关闭;
11、重复步骤6.2-6.10,进行下一次的进样过程。
Claims (6)
1.一种自动进样方法,其特征在于包括如下步骤:
1.1、按照自动进样装置的结构组装搭建自动进样装置,自动进样装置的结构如下:
自动进样装置包括支架、负压机构、微流控芯片、芯片夹具、控制器、进样机构和驱动机构,负压机构包括负压泵、电气比例阀和第一负压管、废液瓶和排液管,第一负压管的一端与负压泵连接,第一负压管的另一端与废液瓶上部连通,电气比例阀安装在第一负压管上,排液管的一端与废液瓶连接,微流控芯片固定在芯片夹具上,微流控芯片包括进液口和出液口,芯片夹具上设有排液孔,出液口与排液孔连通,排液管的另一端与排液孔连通,进样机构包括柱塞泵、检测模块、电容进样针和试剂槽,电容进样针与驱动机构连接,电容进样针竖直设置,柱塞泵和检测模块分别与电容针电连接,取样槽位于电容进样针的下方,驱动机构、电气比例阀、柱塞泵和检测模块分别与控制器电连接;
1.2、开始负压泵,负压泵产生的负压将微流控芯片吸附在芯片夹具上;
1.3、开启控制器,控制水平电机启动,水平电机正向转动,水平电机带动水平主动带轮转动,水平主动带轮带动水平皮带沿水平方向移动,水平皮带带动水平滑块向右移动,水平滑块带动竖直移动机构整体向右移动,当电容进样针在水平方向上到达设定位置时,即电容进样针位于试剂槽的正上方,控制器控制水平电机关闭;
1.4、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机正向转动,竖直电机带动连接轴转动,连接轴带动竖直主动带轮转动,竖直主动带轮带动竖直皮带转动,竖直皮带带动竖直滑块向下运动,竖直滑块带动电容进样针向下运动,当电容进样针在竖直方向到达设定位置时,即电容进样针的入口位于试剂槽的液面以下,控制器控制竖直电机关闭;
1.5、接着控制器控制柱塞泵启动,电容进样针开始吸取试剂槽中的试剂,当柱塞泵吸取至设定体积V1的试剂时,控制器控制柱塞泵关闭,V1≥V2×N,N≥1;
1.6、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机反向转动,竖直电机带动电容进样针向上移动,当电容进样针到达设定位置,控制器控制竖直电机关闭;
1.7、接着控制器控制水平电机启动,水平电机反向转动,水平电机带动电容进样针向左水平移动,当电容进样针到达设定位置时,即电容进样针位于进液口的正上方,控制器控制水平电机关闭;
1.8、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机正向转动,竖直电机带动电容进样针向下移动,当电容进样针到达设定位置,即电容进样针位于进液口中,且电容进样针距离进液口底部的高度为H1时,控制器控制竖直电机关闭,同时控制器控制柱塞泵开启,通过电容进样针向进液口中打入体积为V2的试剂后,进液口的体积为V0,V0<V2,控制器控制柱塞泵关闭;
1.9、接着控制器控制竖直电机启动,竖直电机反向转动,竖直电机带动电容进样针向上移动,当电容进样针到达设定位置,即电容进样针的高度不大于进液口顶部的高度,控制器控制竖直电机关闭,由于加入的试剂的体积略大于进液口的体积,同时试剂液体有表面张力,在电容进样针加完试剂后也不会溢出进液口,从而保证了加样过程中试剂不会外溢,避免了交叉污染的情况;
1.10、接着控制器控制电气比例阀和检测模块开启,微流控芯片沟道中的液体通过负压的作用被吸入到废液瓶中,当检测模块检测不到电容信号时,即进液口中试剂的液面下降至进液口底部时,进液口始终有部分液体封住进液口,检测模块将信号反馈给控制器,控制器控制检测模块和电气比例阀关闭;
1.11、当柱塞泵中剩余的体积大于V2时,重复步骤6.7-6.9,直至柱塞泵中剩余的体积小于V2时,控制器控制竖直电机启动,竖直电机反向转动,竖直电机带动电容进样针向上移动,当电容进样针到达设定位置,即电容进样针位于初始位置时,控制器控制竖直电机关闭,接着重复步骤6.2-6.10,进行下一次的进样过程;
当柱塞泵中剩余的体积小于V2时,控制器控制竖直电机启动,竖直电机反向转动,竖直电机带动电容进样针向上移动,当电容进样针到达设定位置,即电容进样针位于初始位置时,控制器控制竖直电机关闭,接着重复步骤6.2-6.10,进行下一次的进样过程。
2.根据权利要求1所述的自动进样方法,其特征在于:V2≤V0+2mm。
3.根据权利要求1所述的自动进样方法,其特征在于:所述的驱动机构包括水平移动机构和竖直移动机构,水平移动机构包括水平滑块、水平主动带轮、水平皮带、水平从动带轮和水平电机,水平电机和水平从动带轮安装于支架上,水平主动带轮安装于水平电机的输出轴上,水平主动带轮通过水平皮带与水平从动带轮连接,水平皮带沿水平方向做往复运动,水平滑块固定于水平皮带上,竖直移动机构包括竖直电机、竖直主动带轮、竖直皮带和竖直从动带轮,竖直电机与水平滑块固定连接,竖直主动带轮安装于竖直电机的输出轴上,竖直从动带轮安装于水平滑块上,竖直从动带轮位于竖直主动带轮的正下方,竖直主动带轮通过竖直皮带与竖直从动带轮连接,竖直滑块与竖直皮带连接,水平电机和竖直电机分别与控制器电连接,电容进样针固定在竖直滑块上,电容进样针位于进液口的正上方,试剂槽位于电容进样针的正右方。
4.根据权利要求3所述的自动进样方法,其特征在于:所述的水平移动机构还包括水平导轨,水平导轨有两个,两水平导轨均安装于支架上,两水平导轨对称分布于水平皮带的上下两侧,水平滑块分别与两水平导轨连接,所述的竖直移动机构还包括联轴器、连接轴、支撑块和竖直导轨,连接轴通过联轴器与竖直电机的输出轴连接,竖直主动带轮与连接轴连接,竖直导轨有两个,两竖直导轨相对于竖直皮带对称分布,两竖直导轨的上端分别与联轴器连接,两竖直导轨的下端分别与支撑块相对的两侧连接,竖直从动带轮安装与支撑块上,竖直滑块与其中的一个竖直导轨连接。
5.根据权利要求1所述的自动进样方法,其特征在于:所述的芯片夹具为支撑平台,芯片夹具固定于支架上,微流控芯片放置于芯片夹具的上表面上,芯片夹具的上表面沿竖直方向开设有对称分布的两通孔,两通孔分别位于排液孔的两侧,负压机构还包括第二负压管,第二负压管的一端与负压泵连接,另一端分别与两通孔连接。
6.根据权利要求1所述的自动进样方法,其特征在于:所述的进液口呈倒锥形。
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