CN110398607A - 一种高通量多通道生物材料微量制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高通量多通道生物材料微量制备装置，包括装置支架、控制装置和加样装置；装置支架上设置有用于放置孔板的制备平台；加样装置连接用于向孔板内加样的加样头；加样头可相对制备平台在X轴方向和Z轴方向运动；制备平台可相对支架在Y轴方向运动；孔板在制备平台上在X轴和Y轴方向上阵列式排布，加样头设置有多个；控制装置控制制备平台和加样头运动，还与加样装置连接，控制加样装置的加样；可实现一次性制备大批量、多种组合材料样品，适用于各种各样的样品载体，为各种类型的高通量样品生产提供制备装置。

Description

一种高通量多通道生物材料微量制备装置

技术领域

本发明涉及一种材料制备装置，具体涉及一种高通量多通道生物材料微量制备装置。

背景技术

目前微纳米材料都是人工操作为主，用肉眼观察和确定加样量，采用移液枪的方式加样，这种样品制备方式存在精度不高，无法批量操作和实现自动化。这样的加样方式大大加重了工作人员的精力和时间的消耗，并且随着样品组分的增加，使整个加样过程变得更加复杂，出错的机率更高。近年来，随着机电领域技术的发展，国内研制除了全自动加样器，为样品制备水平实现了质的飞跃。目前国内外的加样设备目前国外的自动化加样设备主要代表产品有：美国Miragen全自动加样机，瑞士Sias公司的Xantus全自动加样机。世界最著名的微液体处理厂家瑞士Xiril公司的Xiril全自动加样机，瑞士Hamilton公司的STAR全自动加样器，瑞士Tecan公司的EVO1ution全自动加样器和RSP全自动加样器等。但是以上样品制备设备都是采用基于气动原理的加样，采用移液的方式进行样品制备。虽然他们可以实现高通量的样品制备，但是他们的价格昂贵，在加样过程中，所需要的操作空间大。通常结构比较复杂，包括清洗区、加样吸头更换区、样品原料区，样品制备区等。当需要加另外一种组分的原料时，需要更换加样头，或者对加样吸头进行清洗，导致加样时间较长，过程复杂。这类设备在加样的时候需要从原料区吸取样品原料，而由于气体的可压缩性和加样吸头的连接部分可能存在空隙，导致加样的精度会受到影响。而且每次加样品的量是基于与之匹配的加样吸头的最大容量有关，限制其在大批量制备材料方面的应用。

发明内容

本发明提供一种可应用于不同的样品载体，适应高通量样品的制备的高通量多通道生物材料微量制备装置。

本发明采用的技术方案是：一种高通量多通道生物材料微量制备装置，包括装置支架、控制装置和加样装置；装置支架上设置有用于放置孔板的制备平台；加样装置连接用于向孔板内加样的加样头；加样头可相对制备平台在X轴方向和Z轴方向运动；制备平台可相对支架在Y轴方向运动；孔板在制备平台上在X轴和Y轴方向上阵列式排布，加样头设置有多个；控制装置控制制备平台和加样头运动，还与加样装置连接，控制加样装置的加样。

进一步的，所述装置支架上固定设置有第一导轨和第二导轨；第一导轨设置在制备平台上方，第二导轨上设置在制备平台下方；第一导轨下方设置有第一同步带，第一导轨和第一同步带之间设置有第一滑块，加样头固定设置在第一滑块上，加样头可沿第一滑块上下运动；还包括第二同步带，第二同步带沿第二导轨运动；第二同步带上设置有第二滑块，第二滑块上部连接到制备平台底部；第一同步带和第二同步带通过均步进电机带动其运动，控制装置连接步进电机。

进一步的，还包括设置在装置本体两侧相对设置的两根丝杆；第一导轨和第二导轨均与丝杆固定连接。

进一步的，所述第一滑块和第二滑块对应位置设置有测量其位移的位移传感器，位移传感器连接控制装置；当第一滑块和第二滑块运动到设定位置则控制装置控制步进电机停止。

进一步的，所述第一滑块和第二滑块对应位置设置有限位开关，限位开关连接控制装置。

进一步的，所述加样装置包括均连接到控制装置的多个柱塞泵和多个电磁阀，控制装置通过控制电磁阀的开闭，进而控制柱塞泵的运动，将液体通过加样管输送到加样头；柱塞泵还连接到储液罐；每个加样头均设置有与其相配合的柱塞泵和电磁阀。

进一步的，所述加样头固定设置在固定支架上。

本发明的有益效果是：

（1）本发明可实现一次性制备大批量、多种组合材料样品，适用于各种各样的样品载体，为各种类型的高通量样品生产提供制备装置；

（2）本发明加样装置中采用柱塞泵加样，通过泵内容积的变化可控制吸入样品还是排出样品；精度更高、效率更高，操作简便，连续性的加样方式，可以重复吸入样品，再重复排出，突破大体积样品的限制；

（3）本发明中设置的加样头，可根据不同的需求更换不同类型的加样头，增加了设备的应用范围；

（4）本发明可采用普通点胶机针头作为加样头的针头，便于进行维护。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明装置的主视图。

图3为本发明装置的俯视图。

图4为本发明装置的左视图。

图5为本发明控制流程示意图。

图中：1-装置支架，2-制备平台，3-加样头，4-控制装置，5-丝杆，6-第二同步带，7-第二滑块，8-第一导轨，9-第一滑块，10-加样管，11-储液罐，12-加样装置，13-孔板，14-第二导轨，15-第一同步带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1～图4所示，一种高通量多通道生物材料微量制备装置，包括装置支架1、控制装置4和加样装置12；装置支架1上设置有用于放置孔板13的制备平台2；加样装置12连接用于向孔板13内加样的加样头3；加样头3可相对制备平台2在X轴方向和Z轴方向运动；制备平台2可相对支架在Y轴方向运动；孔板13在制备平台2上在X轴和Y轴方向上阵列式排布，加样头3设置有多个；控制装置4控制制备平台2和加样头3运动，还与加样装置12连接，控制加样装置12的加样。

装置支架1上固定设置有第一导轨8和第二导轨14；第一导轨8设置在制备平台2上方，第二导轨14上设置在制备平台2下方；第一导轨8下方设置有第一同步带15，第一导轨8和第一同步带8之间设置有第一滑块9，加样头3固定设置在第一滑块9上；第一同步带15带动第一滑块9沿第一导轨8在X轴方向运动；加样头3固定设置在固定支架上，固定支架可沿第一滑块9上下运动；加样头3将各种不同的样品加样到孔板13内的孔位中。

还包括第二同步带6，第二同步带6沿第二导轨14运动；第二同步带6上设置有第二滑块7，第二滑块7上部连接到制备平台2底部；第一同步带15和第二同步带6通过均步进电机带动其运动，控制装置4连接步进电机；第二同步带6带动第二滑块7在Y轴方向运动，从而带动制备平台2沿Y轴方向运动。

第一导轨8和第二导轨14通过设置在装置支架1侧面的丝杆5固定在装置支架1上；第一滑块9和第二滑块7对应位置设置有测量其位移的位移传感器，位移传感器连接控制装置4；当第一滑块9和第二滑块7运动到设定位置则控制装置4控制步进电机停止。也可以设置限位开关，第一滑块9和第二滑块7对应位置设置有限位开关，限位开关连接控制装置4。通过限位开关或者位移传感器给制备平台2提供最初位置的定位，可以避免在运动过程中，制备平台2超过允许的操作空间。第一导轨8和第二导轨14保证运动平稳性和方向的准确性。具体设置有三个步进电机，分别带动第一同步带8、第二同步带6和固定支架运动。

根据加样要求，提前设定好程序，控制装置4通过控制步进电机的转动，从而控制制备平台2和加样头3的运动。加样头3配合制备平台2实现对每个孔位的定位。结合加样装置，根据预定设置的加样要求，实现对相应孔位的每种不同组分样品的精确加样。使用时，可配备可更换的不同规格的加样头3，以适应各种不同的载体，可和不同规格的加样头针头，增加设备的适用范围。

加样装置12用于对不同液体样品的输出，包括均连接到控制装置4的多个柱塞泵和多个电磁阀，控制装置4通过控制电磁阀的开闭，进而控制柱塞泵的运动，将液体通过加样管10输送到加样头3；柱塞泵还连接到储液罐11；每个加样头3均设置有与其相配合的柱塞泵和电磁阀；控制装置4控制不同电磁阀的闭合，配合柱塞泵的运动，可实现高精度的液体连续分配。可预先设定液体分配的量和分配的速度进行配置。

控制装置4通过控制步进电机、柱塞泵和电磁阀实现设备加样过程的自动化；为运动部件提供控制信号以及提供设备常规的安全保护。包括一块Arduino mega2560主控模块、在主控模块上的一块Ramps 1.4拓展板、在拓展板上的3块A4988电机驱动模块、与主动模块连接的MAX485通讯转换模块，还包括与通讯转换模块连接的柱塞泵驱动器。步进电机采用1.5A直流电源供电，柱塞泵采用24V直流电源供电。Arduino mega 2560与计算机连接用于设备的总体控制。拓展板上的3块A4988模块分别与控制XYZ轴运动的步进电机连接，控制制备平台的Y轴运动以及加样头的X、Z轴运动。柱塞泵驱动器通过MAX485通讯转换模块与Arduino mega 2560连接，用于控制加样装置12完成工作。

首先在控制装置4中计算机上运行软件，将加样要求输入软件，生成对设备操作的指令。首先进行初始化和柱塞泵清洗，使制备平台2和加样头3处在初始位置。将液体样品充满柱塞泵和加样管10中，确保加样精度。设置好样品的各种参数，将载体放置在制备平台2上孔板13的孔位内。启动之后，第一个样品组成材料的加样针头对准第一个孔位；一号加样针头对应的一号柱塞泵开始工作，开始加样给对应的第一个孔位，此时后面的针头不加样。然后控制制备平台2在Y轴方向移动，将下一个孔位对准一号加样针头，此时第二号加样针头对准的是第一个孔位；一号柱塞泵和二号柱塞泵开始工作，一号加样针头和二号加样针头同时开始加样。此时第一个孔位完成了一号材料和二号材料的混合。这样依次加样，直至最后一个加样针头（本实施例设置有7个针头）对准最后一个孔位加样完成，这样就完成了这一列的每个孔位的七种按要求配比的样品材料的混合。这样这一列的样品制备完成。柱塞泵再次吸满液体，控制第一同步带15运动，进而通过第一滑块9带动加样头3运动；加样头3对准待加样的下一列孔位。重复上述步骤直至加样完成。

在Arduino mega 2560中的程序分为三个模块（如图5所示），第一个模块是初始化模块，第二个模块是加样模块，第三个是泵清洗模块。各个模块的指定定义如下：定义字符A为初始化指令，字符B为泵清洗指令，字符C为加样指令。主程序分为void setup（）和voidloop（）两部分。setup（）函数放在loop（）函数之前，只执行一次，用于Arduino的初始化设置，如配置I/O口状态和初始化串口等操作。setup（）函数中的程序执行完毕之后，Arduino会接着执行loop（）函数中的程序。Loop（）函数中的程序可以分为两层：第一层为接收上位机发送的操作指令，判断进行初始化、泵清洗还是加样操作。通过if语句判断串口是否有数据，有数据则读取，再通过switch语句判断读取到的数据，执行对应的模块程序。第二层为三个模块的代码实现。

初始化模块，用于操作步进电机，配合限位开关，先让XYZ轴方向的机构运行到各自的零点位置，即触碰到限位开关的位置。此时限位开关的电位会发生变化，可通过digitalRead（）和if语句进行判断。然后反向运动指定的距离，作为系统的定位原点，当加样针头和制备平台2回到定位原点后，发送完成指令给上位机，表示可以接收其他操作指令，程序结束。

泵清洗模块，首先接受从上位机发送过来的清洗参数，即清洗的次数，然后发送准备就绪指令，等待上位机发送泵清洗命令。接收到命令后判断，指令错误则返回错误指令“B”，正确则发送命令给泵驱动器，进行泵清洗，泵清洗完成之后发送完成指令。代码分为以下几个部分：（1） 通过Serial.available()读取串口缓冲区中数据的字节数，判断是否有数据发送过来。如果没有数据，则继续读取串口缓冲区的字节数，直到串口缓冲区字节数不为0；当判断接收到数据之后，延时一段时间，保证所有数据被接收。（2） 第一次接收到的数据必然是泵清洗的次数，但是接收到的是字符，需要将它们转换为数值，计算出清洗的次数。设定读取到的一个字节为清洗次数的十位，第二个字节为个位，计算清洗次数的时候，将十位乘以10，加上个位，便得到清洗次数。清洗的次数乘以2，得到需要发送指令的次数，因为每一次泵清洗，需要发送两次指令，先吸液，再将液体排出。（3） 计算完成之后，需要发送准备就绪指令“D”，并等待串口接收泵控制指令；接收到指令之后，判断是否满足通讯协议，如果满足则重新整理命令并发送给柱塞泵驱动器，如果不满足则向上位机发送错误指令，让上位机重新发送指令。

加样模块，先接受上位机发送的设置参数，设置参数包括孔板的行数、列数、行间距和列间距，下位机软件接收到参数之后，对参数进行分析，转换为控制程序所需要的数据；参数处理操作完成之后，发送准备就绪指令给上位机，同时等待上位机发送加样数据；当上位机数据发送过来之后，按照通讯协议，判断指令是否正确并整理指令，错误的话返回错误指令给上位机，若正确，再通过MAX485模块发送，操作精密柱塞泵加样；加样完成之后程序判断加样循环是否结束，如果没有结束，则继续发送准备就绪指令，等待上位机发送加样数据，直至最后判断加样循环结束，发送完成指令给上位机，程序结束。此模块分为两层，第一层程序中，需要进行和泵清洗模块中一样的操作，判断串口缓冲区是否有数据，有则处理，无则等待。将收取到的字符串处理为系统的运动参数，字符两个一组分为四对字符串，第一对代表Y方向的孔位间距，第二对代表X方向的孔位间距，第三对代表Y方向的孔位的列数，第四对代表X方向的孔位的列数，数据的处理方式和泵清洗数据的方式一致。第二层程序是步进电机的运动控制程序和加样指令的收发程序。首先下位机接收上位机的指令，使泵腔体中吸满样品，然后Y方向电机带动载物台向Y轴正方向依次移动并分配液体，直至这一列的孔位都完成加样；X方向电机带动加样头往X轴正方向移动一个孔位的距离，接收上位机指令，泵腔体中的样品再次加满，开始第二列的加样，这时载物台需要往Y轴负方向移动。可以看出，Y方向的运动为往复运动，需要不断改变方向，需要对加样路径进行规划，保证加样的准确。使用for语句中嵌套for语句的方式，控制X轴和Y轴的运动，以X方向为外部循环，Y方向为内部循环，且加入一个布尔量作为Y轴步进电机运动方向的控制变量，首先将其赋值为0。在运动路径规划代码中，外部循环次数为X方向孔位的列数，进入循环后先对布尔量求反，值为1：在步进电机库中，1表示电机带动运动机构往正方向运动。通过此设定了制备平台的初始运动方向，在执行下一次循环，即加样下一列时，布尔量再次取反，就达到了改变载物台运动方向的目的。

首先设定用户指定的数据，如行列数、行列间距、每个孔位的加样量等。随后将其发送给下位机控制模块，控制步进电机和柱塞泵协同工作，使得每个加样头依次经过所有孔位并完成加样，每个柱塞泵吸取依次液体后可以支持相应加样头连续完成数个孔位的连续加样，达到样品的高通量制备。

本发明可实现一次性制备大批量、多种组合材料样品，适用于各种各样的样品载体，为各种类型的高通量样品生产提供了一个可自由设置的制备装置；采用柱塞泵，通过泵内容积的变化来控制吸入样品还是排出样品。该设计的优点是精度更高，效率更高，操作简便，连续性的加样方式，可以重复吸入样品，再重复排出，突破制备大体积样品的限制；配备了可更换的加样头，使用模块化技术，可以根据不同的需求更换不同类型的加样头，增加了此设备的应用范围；并采用了普通点胶机针头作为加样针头，便于用户维护。

Claims (7)

1.一种高通量多通道生物材料微量制备装置，其特征在于，包括装置支架(1)、控制装置(4)和加样装置(12)；装置支架(1)上设置有用于放置孔板(13)的制备平台(2)；加样装置(12)连接用于向孔板(13)内加样的加样头(3)；加样头(3)可相对制备平台(2)在X轴方向和Z轴方向运动；制备平台(2)可相对支架在Y轴方向运动；孔板(13)在制备平台(2)上在X轴和Y轴方向上阵列式排布，加样头(3)设置有多个；控制装置(4)控制制备平台(2)和加样头(3)运动，还与加样装置(12)连接，控制加样装置(12)的加样。

2.根据权利要求1所述的一种高通量多通道生物材料微量制备装置，其特征在于，所述装置支架(1)上固定设置有第一导轨(8)和第二导轨(14)；第一导轨(8)设置在制备平台(2)上方，第二导轨(14)上设置在制备平台(2)下方；第一导轨(8)下方设置有第一同步带(15)，第一导轨(8)和第一同步带(8)之间设置有第一滑块(9)，加样头(3)固定设置在第一滑块(9)上；加样头(3)可沿第一滑块(9)上下运动；还包括第二同步带(6)，第二同步带(6)沿第二导轨(14)运动；第二同步带(6)上设置有第二滑块(7)，第二滑块(7)上部连接到制备平台(2)底部；第一同步带(15)和第二同步带(6)通过均步进电机带动其运动，控制装置(4)连接步进电机。

3.根据权利要求2所述的一种高通量多通道生物材料微量制备装置，其特征在于，还包括设置在装置本体(1)两侧相对设置的两根丝杆(5)；第一导轨(8)和第二导轨(14)均与丝杆(5)固定连接。

4.根据权利要求2所述的一种高通量多通道生物材料微量制备装置，其特征在于，所述第一滑块(9)和第二滑块(7)对应位置设置有测量其位移的位移传感器，位移传感器连接控制装置(4)；当第一滑块(9)和第二滑块(7)运动到设定位置则控制装置(4)控制步进电机停止。

5.根据权利要求2所述的一种高通量多通道生物材料微量制备装置，其特征在于，所述第一滑块(9)和第二滑块(7)对应位置设置有限位开关，限位开关连接控制装置(4)。

6.根据权利要求1所述的一种高通量多通道生物材料微量制备装置，其特征在于，所述加样装置(12)包括均连接到控制装置(4)的多个柱塞泵和多个电磁阀，控制装置(4)通过控制电磁阀的开闭，进而控制柱塞泵的运动，将液体通过加样管(10)输送到加样头(3)；柱塞泵还连接到储液罐(11)；每个加样头(3)均设置有与其相配合的柱塞泵和电磁阀。

7.根据权利要求2所述的一种高通量多通道生物材料微量制备装置，其特征在于，所述加样头(3)固定设置在固定支架上。