全自動液體工作站移液模塊設計與分析

(1.廣東順德工業設計研究院(廣東順德創新設計研究院)，佛山 528000；2.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510000；3.佛山科學技術學院自動化學院 佛山 528000)

隨著快速疾病檢測、基因測序、高通量生物制藥等領域的快速發展，人們需要在短時間內處理大量的液體生物樣本，傳統手段多采用手動處理成本高、耗時長，且在樣本處理過程中，人工操作易引發樣本污染導致檢測數據不可靠，因此樣本處理的全自動化操作代替繁瑣的人工勞動已成為生物、醫療領域發展的趨勢。國內外雖已有此類產品的應用，但價格和耗材成本高，維修成本無法控制，更由于其程序設計復雜無法滿足客戶的定制化需求服務，局限了類似儀器在國內相關行業的發展。

由于大量液體樣本處理需要全自動化，需要開發出全自動液體處理工作站，本研究基于液體處理工作站的功能和使用要求，通過對液體處理的工作原理進行分析，設計出一種能實現自動裝脫槍頭、吸液、移液和排液的八通道移液模塊。

1 移液模塊結構設計

移液運動機構是全自動液體工作站完成移液工作的硬件基礎，在運動過程中移液模塊需要平穩、快速移動到相應位置完成樣品吸取、平移和排液等操作，因此需要一個支撐移液器模塊運動的三維機械臂。本設計的移液運動機構采用笛卡爾坐標系式機械臂，如圖1所示，在X和Y軸上均安裝有電機、直線導軌、同步帶輪和限位器等，移液模塊作為機械臂的Z軸通過安裝板、滑塊搭載在Y軸機械臂上，在電機驅動下，通過同步帶傳動沿導軌運動可以準確到達工作站的任意位置[1]。

圖1 三維機械臂 1.移液模塊； 2. Y軸機械臂 ； 3.X軸橫梁

1.1 移液模塊整體設計

圖2 移液模塊整體結構圖

移液模塊作為機械臂的Z軸，既需要完成在工作站內的運動，又要保證移液的精度，如圖2所示。該模塊的整體結構主要由基座組件，脫槍頭組件和移液器三部分組成。基座組件由基板、導向部件、傳動部件和電路板等組成，導向部件選用雙滾珠線線性導軌，并以左側導軌為基準，且在底板上加工有側向定位面以提高安裝精度；傳動部件選用滾珠絲杠螺母組合，運動平穩，定位精度高；電機選用型號為EA42-05-010的步進電機，其為滾珠絲杠一體的加厚電機；脫槍頭組件與電機通過絲杠螺母連接并且固定在直線導軌滑塊上，移液器與脫槍頭組件固定連接，通過在電機的驅動下脫槍頭組件和移液器可沿線性導軌上下運動，為防止其在運動過程中超出行程，在導軌兩端均裝有限位U型光電傳感器，并且以上端傳感器為定位原點[2]。

如圖3所示，脫槍頭組件由滑塊連接板、直線推力電機、支撐軸、固定塊和脫槍頭板等組成，實現與移液器的固定和脫槍頭目的。支撐板通過4根支撐軸與滑塊連接板固定，固定塊通過螺絲固定在支撐板上，移液器通過固定塊內圈鎖緊實現與支撐板固定；連接軸與直線推力電機軸通過螺紋連接固定，并通過塑料軸承精密配合防止其在移液器安裝管內搖晃，連接軸端部與移液器活塞推桿通過磁鐵連接。脫槍頭板通過兩個直線軸承在電機帶動下可以在后排支撐軸上下移動，左右兩個推桿通過螺絲固定在脫槍頭板上并穿過軸套和固定板來限位，推動移液器達到脫槍頭目的，脫槍頭板上裝有鋁合金擋片，可以結合U型光電傳感器實現吸排液和脫槍頭的定位原點[3]。

圖3 脫槍頭組件結構圖

1.2 移液器結構設計

移液器作為移液模塊的核心部件，承擔著精準吸液和排液的工作。本設計利用空氣置換原理設計八通道活塞式移液器，量程為200mL，如圖4所示。移液器由8個單通道移液器平行放置，活塞采用耐腐蝕、耐磨性好的陶瓷材料(氧化鋯)，通過軸襯將活塞固定在活塞架上，套筒通過螺紋連接安裝在套筒架上，與直線推力電機軸端固定的連接軸的軸端裝有釹鐵硼永磁體與活塞桿連接，通過電機帶動活塞桿從而推動8個活塞在各自套筒內運動完成吸排液。在吸排液過程中為防止活塞與套筒不在同一直線上，故對稱設置了兩個導向桿，導向桿上下端分別連接安裝管固定件和套筒架，活塞架與導向桿之間裝有自潤滑塑料滑動軸承，減少活塞架與導向桿之間的摩擦；當圖3中的推桿向下推動過程中，外殼沿導向銷向下運動實現脫槍頭動作，由于外殼與安裝管固定件之間裝有彈簧，當推桿向上運動時外殼在彈簧作用下回復到原狀態。

圖4 移液器結構圖

圖5 活塞剖面圖

移液器的密封效果直接影響樣品吸排液的精度，主要由移液槍頭與套筒的密封和活塞與套筒的密封決定。移液槍頭與套筒的密封在本次設計中是套筒端部裝有一個O型圈，當槍頭壓入套筒端部時O型圈發生變形，增加了密封效果，同時也增大了槍頭與套筒端部的摩擦力，防止在運動過程中槍頭脫落；活塞與套筒之間密封如圖5所示，塑料套通過套筒端部螺紋固定在套筒架上，活塞與塑料套內圈緊密接觸，并且塑料套內圈在多次磨損后，在彈性圈的壓力下可以自動變形補償使其與活塞始終保持緊密接觸。

1.3 移液模塊操作流程

儀器啟動后，第一步，步進電機和直線推力電機先根據傳感器復位到定位原點；第二步，在EA42-05-010步進電機的驅動下帶動整個脫槍頭組件和移液器向下運動，移液器套筒端部通過擠壓摩擦安裝一次性槍頭；第三步，直線推力電機帶動移液器活塞桿向上運動時，套筒內壓強低于外界壓強，液體進入移液槍頭完成吸液；第四步，當放液或分液時直線推力電機向下運動，當到達定位原點時槍頭內液體已排空；第五步，直線推力電機繼續向下運動，回到定位原點，然后繼續向下運動推動移液器外殼，從而使外殼底端擠壓槍頭實現脫槍頭動作。第六步，直線推力電機向上運動回到定位原點，移液器在彈簧力作用下回復原位。

2 移液模塊電控設計

EA42-05-010步進電機選用絲桿一體加厚電機，步距角為1.8°，在不細分情況下，控制電路板發送200個脈沖信號電機轉一圈，絲杠螺母副導程為10.16mm，步長為0.0508mm/step，低速時最大推力可以保持在180N，滿足移液器套筒端部同時裝脫8個槍頭的推力要求。

直線推力電機選用HA-12-A01步進電機，為了提高移液的精確度，同時考慮電機本身性能屬性和電控因素，將該電機驅動器設置為4細分，控制電路板給電機發送800個脈沖信號電機轉一圈，導程1.5875mm，步長為0.0079375mm/step，低速時最大推力可以保持在120N，滿足移液器8個活塞吸排液精度和推力要求。

圖2中的限位傳感器和圖3中的傳感器均為U型光電傳感器，當擋光片遮擋住傳感器的凹槽中的光路通道時，此時傳感器反饋一個相反的電平信號給控制電路板，以此作為定位原點[4]。

3移液模塊精度測量與分析

樣機如圖6所示，八通道之間誤差主要由套筒與活塞、移液槍頭之間的密封性決定；各通道理論數據和實測數據之間誤差主要由套筒與活塞、移液槍頭密封性，活塞和套筒加工精度和活塞磨損情況決定。在檢驗此移液模塊的移液精度時，設計上采用測試移液器各通道吸液體積理論數據與實際數據差異的方法。

首先在室溫25℃下選用蒸餾水作為測量介質，用密度計測得蒸餾水的試劑密度ρ，選用潔凈干燥的移液槍頭8個，稱各個槍頭的質量m1,通過計算電機的步數得到活塞運動距離L, 每個槍頭內蒸餾水樣本理論體積為LS(S-活塞管橫截面積)，用電子天平測得每個槍頭和吸取蒸餾水的總質量m2，實際蒸餾水樣本體積m2-m1/ρ。

如表1所示，在實驗中分別給直線推力電機指定旋轉圈數吸液，共10次，每一次通過上述計算公式，得出八通道各通道的吸液理論體積和實測體積數據，計算得出差值B, 并得出圖7的對比曲線，通過分析差值和對比曲線的貼合度，顯示此移液模塊吸液實測體積接近理論體積，誤差很小，并且計算每一次的CV值，表明此200μL移液模塊在吸液體積70～150μL時，具有很高的吸液精度。

表1 吸液體積理論數據與實測數據

序號電機旋轉圈數理論體積數據(μL)實測體積數據(μL)#1#2#3#4#5#6#7#8實測體積數據(μL)標準偏差CV值(%)K1B10.36.9485.85.46.66.16.45.95.96.56.950.415336.980419.833-3.32720.5212.04321110.910.110.910.710.710.710.610.63750.259812.442420.457-2.70330.613.89612.81312.913.212.713.513.112.712.98750.257091.979521.646-1.51441.125.47624.324.823.124.924.624.724.724.924.46250.559022.285222.239-0.92151.3431.034429.629.330.529.529.529.629.630.329.73750.396671.333922.192-0.95862.148.63647.548.64948.348.948.547.148.248.26250.618341.281222.982-0.17873.171.79672.272.372.472.272.171.671.671.972.03750.286960.398323.2380.077984.194.95696.896.89595.796.695.795.497960.705340.734723.4150.254695.1118.116118.4118.2119.3119.2118.2119.2118.2119.4118.76250.519460.437423.2870.1268106.45149.382149.8150.9149.6150.6150.6150.3150.7150.6150.36250.428480.28523.3120.152實測數據K的平均值22.26-0.9理論數據K=23.16 K1=實測數據/電機圈數 B=K1-K CV值(%)=標準偏差/實測體積數據?100

圖6 移液模塊實物圖

圖7 吸液體積理論與實測數據對比曲線

4 結束語

設計的新型移液模塊的移液器是基于空氣置換原理設計的八通道移液結構，與脫槍頭組件結合全自動完成裝脫槍頭和高精度吸排液。通過樣機進行蒸餾水吸液實驗，驗證此新型移液模塊設計的可行性。