CN111167532A - 一种用于生物试验移液的自动化设备 - Google Patents

Abstract

一种用于生物试验移液的自动化设备，包括机架防护部分、工作台面部分、移液机械臂部分、移液设备组件和电控箱，工作台面部分固定安装于机架防护部门内；移液机械臂部分位于工作台面以上，并固定于机架防护部分；移液设备组件安装在移液机械臂部分上并由移液机械臂部分带动将样本生物试剂注入放在工作台面部分的EP管内，为自动化设备整体供电的电控箱安装在工作台面部分上。提高了移液效率。提高了移液的精确度，不容易发生移液错误。节约了试剂，减少器材损耗。

Description

一种用于生物试验移液的自动化设备

技术领域

本发明涉及机械设备技术领域，特别涉及一种用于生物试验移液的自动化设备。

背景技术

为了科研或者为了确诊基因层面的疾病及发现潜在疾病的发病风险需要获取更多的基因信息，而获取更多基因信息流程中必不可少会有基因的混合测序(Pooling)，即根据样本PCR扩增然后纯化然后测定好浓度后的样本测量的实际浓度和设定的最终浓度，计算每一个样本所取不同的体积，最终加入到同一EP管中，实现样本浓度的均一化，然后进行测序。对于此步骤一些大型的企业公司建库流程比较完善的可能会引进先进的设备操作较简易和迅速，但是对于大多数的科研机构或小型的相关企业公司等仍是人工操作，由于此过程中每次加样数量或量程不一致和样本数量的繁多致使人工操作不仅速度慢效率低，而且极易出错，导致试剂的和器材的浪费。

此发明即是为了避免人工的效率低和高错误率以及保证移液范围和移液高精度的性能要求发明的一种用于生物试剂的自动化移液设备。

该发明设备能够实现0.5-20ul的移液(更多体积范围的移液也可通过该设备多次移液来完成)、通过称重法可测得移液精度0.5ul，CV值5％的精度，并且通过实际测试移取一板(96个样本，每24个样本pool到1个EP管)人工时间大概需要1-2小时，而该设备运行上述一板量的时间小于30min，极大的提高了试剂移取的精度和效率。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于生物试验移液的自动化设备。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：该种用于生物试验移液的自动化设备，包括机架防护部分、工作台面部分、移液机械臂部分、移液设备组件和电控箱，工作台面部分固定安装于机架防护部门内；移液机械臂部分位于工作台面以上，并固定于机架防护部分；移液设备组件安装在移液机械臂部分上并由移液机械臂部分带动将样本生物试剂注入放在工作台面部分的EP管内，为自动化设备整体供电的电控箱安装在工作台面部分上。

进一步地，所述机架防护部分包括主机架、侧防护板、上防护板、电箱门防护板、亚克力门和地脚；主机架由铝型材组件连接组成，侧防护板为碳钢喷塑折弯件，中间镶嵌蓝色透明亚克力板，侧防护板通过螺钉连接安装于主机架上，上防护板也为碳钢喷塑折弯件，通过螺钉安装于主机架上，电箱门护板通过螺钉安装于主机架上。亚克力门通过合页和气撑配装至上防护板上，地脚安装于主机架的底部。

进一步地，工作台面部分包括安装台面、板位支架、板位安装板、枪头盒安装板位、96微孔板安装板位和传感器组件；安装台面为工作台面中其他部件的主安装面，安装于主机架上；板位支架安装于安装台面上，为各个板位提供安装位置的板位安装板安装于板位支架上，板位安装板上设有放置EP管盒用的长方形矩形槽；枪头盒安装板位通过螺钉安装于板位安装板上，其两脚位置安装卡角，另两脚角位置通过螺钉安装用于对枪头盒位置进行固定的卡片；96微孔板安装位安装于板位安装板上，一侧安装卡片，另一侧安装用于对96微孔板进行位置固定的角卡和簧片；传感器组件安装于板位支架的侧边，由对射光电传感器以及传感器支架和传感器防护组成。

进一步地，工作台面部分还包括回收箱组件，回收箱组件由回收箱盖和回收箱组成，回收箱盖通过螺钉安装于板位安装板上并设有细长孔，回收箱放置于板位安装板的下方。

进一步地，所述移液机械臂部分包括X向直线模组、X向辅助模组、Y向直线模组和Z向直线模组，X向直线模组采用同步带传动，X向辅助模组与X向直线模组平行设置，采用同步带传动；Y向直线模组安装于X向直线模组和X向辅助模组上，采用同步带传动；Z向直线模组通过中间连接板和螺钉安装于Y向直线模组上，采用滚珠丝杠传动，步进电机驱动。

进一步地，所述移液机械臂部分还包括拖链组件，拖链组件安装在移液机械臂上，拖链组件由拖链槽和拖链组成，拖链槽安装于X向直线模组和Y向直线模组上，拖链通过拖链支架安装于模组运行的滑块上。

进一步地，移液设备组件包括移液组件安装板、电子移液器、电子移液器安装支架、推拉式电磁铁组件、电子移液器控制板、电池、控制板安装板和防护组件；移液组件安装板安装于Z向直线模组上，在电机的驱动下能跟随Z向直线模组的滑块上下运动；电子移液器通过电子移液器安装支架安装在移液组件安装板上；去电子移液器的枪头用的推拉式电磁铁组件包括推拉式电磁铁、拨叉杆、拨叉和法兰直线轴承；推拉式电磁铁为可自动复位的电磁铁，拨叉杆一端安装防松螺母与法兰直线轴承配合，另一端通过防松螺母与拨叉连接，拨叉一端与拨叉杆连接，另一端卡扣在电子移液器的枪头位置；法兰直线轴承安装于移液组件安装板上；电子移液器控制板安装于控制板安装板上；控制板安装板安装于防护组件上。

进一步地，所述电控箱为电箱，电箱外接电脑及主机。

综上，本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、提高了移液效率。

2、提高了移液的精确度，不容易发生移液错误。

3、节约了试剂，减少器材损耗。

附图说明

图1为本发明主机架的结构示意图。

图2为本发明机架防护部分的外形图。

图3为本发明图2A-A剖视图。

图4为本发明机架防护部分的立体图。

图5为工作台面部分立体图。

图6为工作台面俯视图。

图7为板位安装板结构示意图。

图8为图7A-A剖视图。

图9为枪头盒安装板位结构示意图。

图10为96微孔板安装位结构示意图。

图11为移液机械臂结构示意图。

图12为移液设备组件安装在移液机械臂后的结构示意图。

图13为移液设备组件结构示意图。

图14为电子移液器安装支架结构示意图。

图15为推拉式电磁铁组件结构示意图。

图16为移液设备组件侧视图。

图17为图16A-A剖视图。

图18为防护组件结构示意图。

图19为设置防护组件后的移液设备组件结构示意图

图20为防护组件后视图。

图21为电控箱安装位置结构示意图。

图22为该自动化设备整体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的特征和原理进行详细说明，所举实施例仅用于解释本发明，并非以此限定本发明的保护范围。

该自动化移液设备由六部分组成，分别是机架防护部分A、工作台面部分B、移液机械臂部分C、移液设备组件D和电控箱E。

下面对以上部分进行详细叙述。

A、机架防护部分

自动化移液设备的机架防护部分由6部分组成，分别是主机架1、侧防护板2、上防护板3、电箱门防护板4、亚克力门5和地脚6。

因为整体称重负载不大，主机架1由铝型材组件连接组成，如图1所示。

如图2-图4所示为了避免运行过程中对试剂造成污染和安全防护，设备做了整体的防护，侧防护板2为碳钢喷塑折弯件，中间为了方便操作人员观察和整体的协调美观，中间镶嵌蓝色透明亚克力板。侧防护板2通过螺钉连接安装于主机架1上。

上防护板3也为碳钢喷塑折弯件，通过螺钉安装于主机架1上。

电箱门护板4有两个作用，一是起安全防护作用，二是通过合页配装了电箱门。整体材质为碳钢折弯后做喷塑处理，并配装电箱门门锁。整体通过螺钉安装于主机架1上。

为了方便操作者观察机器的运行，以及方便样本的放入和取出，安装了蓝色透明的亚克力门5，亚克力门5通过合页和气撑配装至上防护板3上，为了方便操作，下部安装了不锈钢弓子型把手。亚克力门5的结构设计不仅方便了操作者对内部设备运行情况的观察同时也增进了整体设备的美观。

地脚6安装于机架的底部，该地脚为带铝合金的连接板的尼龙地脚，通过螺钉安装于主机架1的底部。

B、工作台面部分

如图5、图6所示，工作台面部分由七部分组成，分别是安装台面7、板位支架8、板位安装板9、枪头盒安装板位10、96微孔板安装板位11、回收箱组件12和传感器组件13。

安装台面7为工作台面中其他部件的主安装面。为了避免污染和方便清洁，安装台面7采用304材质经过了拉丝处理。通过螺钉安装于主机架1上。

板位支架8选用304材质经过了拉丝处理，通过螺钉安装于安装台面7上。为了方便操作者观看设备对板位安装板9上各试剂的操作、便于操作者对各试剂的取放以及便于底部回收箱12-2的取放，板位支架8特意根据人机交互的合适位置设计了相应的高度。

板位安装板9选用6061处理，通过螺钉安装于板位支架8上，为各个板位提供了安装位置。其中消耗品EP管不需要板位板位置，EP管是放置于EP管盒中直接放置于板位安装板9右下方的长方形矩形槽内的，如图7、图8所示。

如图9所示，枪头盒安装板位10为成品96枪头盒的安装板位，主体采用6061材质，其中两脚位置安装UPE材质卡角10-1，另两脚角位置通过螺钉安装材质为304的卡片10-2，用于对枪头盒的位置固定，整体通过螺钉安装于板位安装板9上。

如图10所示，96微孔板安装位11为成品96微孔板的安装板位，主体采用6061材质，96微孔板安装位11一侧安装卡片11-1，另一侧通过螺钉安装材质为304的角卡11-2和铍铜材质的簧片11-3，用于对96微孔板的位置固定，整体通过螺钉安装于板位安装板9上。

回收箱组件12由回收箱盖12-1和回收箱12-2组成，用于移液过程中移液枪头的回收，为了避免试剂污染，回收箱盖12-1采用了细长孔设计，选用304材质，通过螺钉安装于板位安装板9上。回收箱12-2放置于板位安装板9的下方，无固定，是可以通过回收箱把手随时拉出工作区域。

传感器组件13由对射光电传感器13-1以及传感器支架13-2和传感器防护13-3组成，通过螺钉安装于板位支架8的侧边，用于检测枪头是否成功安装。

C、移液机械臂部分

如图11所示，移液机械臂C由5部分组成，由X向直线模组14、X向辅助模组15、Y向直线模组16、Z向直线模组17和拖链组件18组成。

根据已知的时间要求可计算出各个运动的节拍，X向直线模组14此处采用同步带传动，选用86步进电机驱动，经实测运动精度为±0.1mm。

X向辅助模组15是辅助X向直线模组进行运动，也采用同步带传动，是无动力辅助运动，目的是搭建整体机械臂运动的龙门架。

Y向直线模组16通过螺钉安装于X向直线模组14和X向辅助模组15上，采用同步带传动，选用86步进电机驱动，实现Y向的运动，经实测运动精度为±0.1mm。

Z向直线模组17采用滚珠丝杠传动，选用42的步进电机驱动，因负载较小可以选用不带抱闸的电机。经实测运动精度为±0.1mm。通过中间连接板和螺钉安装于Y向直线模组16上。

运动过程中方便走线，在移液机械臂上增加拖链组件，拖链组件18由拖链槽和拖链组成。拖链槽通过螺钉安装于X向直线模组14和Y向直线模组16上，拖链通过拖链支架安装于模组运行的滑块上。

D、移液设备组件

如图12-图20所示，移液设备组件D由9部分组成，分别由移液组件安装板19、电子移液器20、电子移液器安装支架21、推拉式电磁铁组件22、电子移液器控制板23、电池24、控制板安装板25、电池安装板26和防护组件27组成。移液设备组件D位置位于下图位置。

移液组件安装板19为304焊接件，通过螺钉安装于Z向直线模组17上，在电机的驱动下能跟随Z向直线模组17滑块上下运动。

电子移液器20为外购成品的电子移液器，之后经过一定的结构改造后用于本设备，根据精度和量程要求，选择德国Brand 10μl单通道电子微量移液器，为了便于系统控制，将该移液器的控制板移除，通过改造由原先手动调节量程改变成通过给定相应的脉冲数，自动控制改变其吸取的相应的体积量。相应移液器中的电池也相应的移出移液器本体，将其改造成可随时充电的电池。

电子移液器安装支架21由2种304折弯件组成，分别是由移液器卡扣板21-1和移液器固定件21-2组成。移液器卡扣板21-1通过卡扣移液器的卡槽通过螺钉固定于移液器固定件21-2上，然后移液器固定件21-2通过螺钉固定于移液组件安装板19上。

推拉式电磁铁组件22功能是实现电子移液器的去枪头功能，由推拉式电磁铁22-1、拨叉杆22-2、拨叉22-3和法兰直线轴承22-4组成。推拉式电磁铁22-1为外购成品可自动复位的电磁铁，其工作原理为给其通电，则铁芯可推动负载，断电后靠弹簧复位。拨叉杆22-2一端安装防松螺母与法兰直线轴承22-4配合另一端通过防松螺母与拨叉22-3连接。拨叉22-3一端与拨叉杆22-2连接，一端卡扣在电子移液器20往下推动可去除移液枪头的去枪头件上端。法兰直线轴承22-4通过螺钉安装于移液组件安装板19上。拨叉杆22-2的中心线与推拉式电磁铁22-1的铁芯中心线重合，这样当给推拉式电磁铁22-1通电时，铁芯弹出推动拨叉杆22-2然后带动拨叉22-3往下运动从而推动电子移液器去枪头件往下运动，由此实现移液器的自动去枪头功能。

电子移液器控制板23为外购成品电子移液器的控制面板，之前接受信号改变量程是通过人工按相应的按钮对其进行操作，现将其接受信号线引出，通过给定相应的脉冲数来改变移液器的移液量程，该控制面板改造后通过螺钉安装于控制板安装板25上。

电池24为给电子移液器控制板23进行供电，通过对其引出线的改造，在设备中该电池可随时进行充电。电池24固定于电池安装板26上，是靠电池安装板26对其轮廓进行固定。

控制板安装板25材质为304材质，通过螺钉安装于防护组件27上。

电池安装板26材质为304折弯件，通过螺钉安装于防护组件27中的前防护27-1上。

防护组件27为304钣金折弯件，由4部分组成，分别是前防护27-1、面板后防护27-2、侧防护27-3和顶部防护27-4组成。两两之间通过螺钉连接，整体通过螺钉安装于移液组件安装板19上。防护自检27除了起安全防护以及美观的作用外，还起到了屏蔽推拉式电磁铁22-1与电子移液器控制板23之间的电磁干扰的作用。

E、电控箱

如图21所示，电控箱由电箱28组成，集成通过螺钉安装于安装台面7上，为整体系统的电控元件提供安装位置。电控箱为碳钢折弯件，后进行了表面喷塑处理。除此电控箱外接电脑及主机用于程序控制以及数据的输入输出等。电控箱集成于设备上，增加了设备的集成度，方便了操作者根据具体使用情况进行设备的移动等。

以上是对各部分之间的详细介绍，各部分之间的位置如图22所示。

本发明的工作过程：

实现的功能:根据样本PCR扩增然后纯化然后测定好浓度后的样本测量的实际浓度和设定的最终浓度，计算每一个样本所取不同的体积，最终从96微孔板中选取每24个样本加入到同一EP管中，实现样本浓度的均一化。其中96微孔板中各个孔位需要吸取多少剂量的数据是在上述浓度测定之后计算得出后以EXCEL表格形式输入至电脑中的，移液设备会根据吸取的剂量值通过给定电子移液器折算的相应的脉冲来吸取相应的量。

运动流程：在高精度移液机械臂C的驱动下，移液设备组件D可以实现前后左右以及上下的运动。具体流程如下

1)在高精度移液机械臂X和Y向模组的驱动下，移液设备组件D首先移动到枪头盒安装板位10处，枪头盒安装板位10上有操作者放置的消耗品盛满一次性吸取枪头的枪头盒，在高精度移液机械臂Z向模组的驱动下移液设备组件D向下运动，使得电子移液器20从枪头盒扎取枪头。

2)然后在高精度移液机械臂X和Y向模组的驱动下，移液设备组件D移动到96微孔板安装位11处，96微孔板安装位11上有操作者放置的盛有样本生物试剂的96微孔板，在高精度移液机械臂Z向模组的驱动下移液设备组件D向下运动，使得电子移液器根据输入的数据吸取规定量的试剂。

3)然后在高精度移液机械臂X和Y向模组的驱动下移动到EP管放置位置，将液体注入EP管中。

4)最后在高精度移液机械臂X和Y向模组的驱动下，移动到枪头盒回收位置即回收箱盖12-1上方，给移液设备组件D中的推拉式电磁铁22-1通电，铁芯弹出按压拨叉杆22-2带动拨叉22-3往下按压电子移液器20去枪头件将枪头去掉。去掉的一次性枪头落入回收箱12-2中。

以上完成96微孔板中1个样本的取样，依次循环上述流程，直到一板生物试剂或者两板生物试剂移完为止。

试验验证：

为了验证改设备的速度，即移取96个样本，每24个样本pool到1个EP管所用的时间进行了多次设备运行试验

通过将需要移液的实际数据导入该设备系统，进行了多次设备的实际运行测试，在移液机械臂正常运行速度范围内测得运行移取一板(96个样本，每24个样本pool到1个EP管)时间约为24min左右，均小于30min(每次移液的数据不用导致了运行总时间不同，移液范围均在0.5-20ul体积内)。极大地提高了移液效率。

为了验证该设备是否能够达到移液0.5ul，CV值小于5％的精度，进行了称重实验。

移液的精度通常会通过CV值来判定，CV即偏差系数，指的是重复测量的值之间的靠近程度，也就是随机测量误差。偏差系数定义为标准偏差S相对于平均值

的百分比。即

标准偏差(S)相对于平均值

的值需要的原始数据需要称重而得。

为了保证取得稳定准确的试验数据，需要在恒温20.4度恒压1013hpa环境下使用百万分之一的梅特勒-托利多高精度天平进行称重测试，下面表格体现的是取了移液0.5ul试剂其中5次移液的相关数据。首先试验前准备好空的PCR管，试验中需要先称量空PCR管的重量记为a，然后吸取0.5ul的试剂注入PCR管中，再次称重记为b，最后得出b-a的差值。

然后计算5次试验的差值和记为SUM，5次试验的试验平均值记为

而CV值计算中的平均值

是经过试验平均值

在相对温度和压力下校正后的数值，在恒温20.4度恒压1013hpa环境下查的校正因子z为1.0029ul/mg。

所以

相对CV值计算中的标准偏差S也需要校正，如下

上述公式中X_i＝(b-a)_i(i＝1、2、3、4、5)，n＝5

下表为整理的称重数据：

其中为了方便计算用Y表示如下值，

综上所述，得出的CV值小于5％，符合精度要求，并且通过该试验同时也验证了该设备移取试剂时准确度高重复性好的特点。

上述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩入本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于生物试验移液的自动化设备，其特征在于，包括机架防护部分、工作台面部分、移液机械臂部分、移液设备组件和电控箱，工作台面部分固定安装于机架防护部门内；移液机械臂部分位于工作台面以上，并固定于机架防护部分；移液设备组件安装在移液机械臂部分上并由移液机械臂部分带动将样本生物试剂注入放在工作台面部分的EP管内，为自动化设备整体供电的电控箱安装在工作台面部分上。

2.根据权利要求1所述的用于生物试验移液的自动化设备，其特征在于，所述机架防护部分包括主机架、侧防护板、上防护板、电箱门防护板、亚克力门和地脚；主机架由铝型材组件连接组成，侧防护板为碳钢喷塑折弯件，中间镶嵌蓝色透明亚克力板，侧防护板通过螺钉连接安装于主机架上，上防护板也为碳钢喷塑折弯件，通过螺钉安装于主机架上，电箱门护板通过螺钉安装于主机架上。亚克力门通过合页和气撑配装至上防护板上，地脚安装于主机架的底部。

3.根据权利要求1所述的用于生物试验移液的自动化设备，其特征在于，工作台面部分包括安装台面、板位支架、板位安装板、枪头盒安装板位、96微孔板安装板位和传感器组件；安装台面为工作台面中其他部件的主安装面，安装于主机架上；板位支架安装于安装台面上，为各个板位提供安装位置的板位安装板安装于板位支架上，板位安装板上设有放置EP管盒用的长方形矩形槽；枪头盒安装板位通过螺钉安装于板位安装板上，其两脚位置安装卡角，另两脚角位置通过螺钉安装用于对枪头盒位置进行固定的卡片；96微孔板安装位安装于板位安装板上，一侧安装卡片，另一侧安装用于对96微孔板进行位置固定的角卡和簧片；传感器组件安装于板位支架的侧边，由对射光电传感器以及传感器支架和传感器防护组成。

4.根据权利要求3所述的用于生物试验移液的自动化设备，其特征在于，工作台面部分还包括回收箱组件，回收箱组件由回收箱盖和回收箱组成，回收箱盖通过螺钉安装于板位安装板上并设有细长孔，回收箱放置于板位安装板的下方。

5.根据权利要求1所述的用于生物试验移液的自动化设备，其特征在于，所述移液机械臂部分包括X向直线模组、X向辅助模组、Y向直线模组和Z向直线模组，X向直线模组采用同步带传动，X向辅助模组与X向直线模组平行设置，采用同步带传动；Y向直线模组安装于X向直线模组和X向辅助模组上，采用同步带传动；Z向直线模组通过中间连接板和螺钉安装于Y向直线模组上，采用滚珠丝杠传动，步进电机驱动。

6.根据权利要求5所述的用于生物试验移液的自动化设备，其特征在于，所述移液机械臂部分还包括拖链组件，拖链组件安装在移液机械臂上，拖链组件由拖链槽和拖链组成，拖链槽安装于X向直线模组和Y向直线模组上，拖链通过拖链支架安装于模组运行的滑块上。

7.根据权利要求1所述的用于生物试验移液的自动化设备，其特征在于，移液设备组件包括移液组件安装板、电子移液器、电子移液器安装支架、推拉式电磁铁组件、电子移液器控制板、电池、控制板安装板和防护组件；移液组件安装板安装于Z向直线模组上，在电机的驱动下能跟随Z向直线模组的滑块上下运动；电子移液器通过电子移液器安装支架安装在移液组件安装板上；去电子移液器的枪头用的推拉式电磁铁组件包括推拉式电磁铁、拨叉杆、拨叉和法兰直线轴承；推拉式电磁铁为可自动复位的电磁铁，拨叉杆一端安装防松螺母与法兰直线轴承配合，另一端通过防松螺母与拨叉连接，拨叉一端与拨叉杆连接，另一端卡扣在电子移液器的枪头位置；法兰直线轴承安装于移液组件安装板上；电子移液器控制板安装于控制板安装板上；控制板安装板安装于防护组件上。

8.根据权利要求1所述的用于生物试验移液的自动化设备，其特征在于，所述电控箱为电箱，电箱外接电脑及主机。

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