移液器自動校準裝置設計

肖宏艷，劉前林，何 麗，唐雋琨

（1.廣州市微生物研究所集團股份有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣東普標技術研究有限公司，廣東 廣州 510700）

移液器因使用方便，量程范圍廣，被廣泛應用于生物、化學檢測領域，包括醫學檢驗、臨床診斷實驗室，環境監測實驗室、食品、化妝品檢測實驗室等，是一種基礎常用的實驗工具。

1958 年德國Eppendorf 公司發明了世界上第一支單通道固定量程移液器[1]。1968 年芬蘭的Labsystem公司發明了多通道固定量程移液器，移液效率被大大提高[2]。在20 世紀70 年代法國的Gilson 公司又推出了單通道可變量程移液器大大擴展了移液器的功能[3]。1984 年美國RAININ 公司推出的電動移液器，電動移液登上歷史舞臺，從而大大降低了實驗人員的操作難度，也為后來移液器的自動化集成打下基礎[4]。

移液器根據胡克原理設計，在長期使用過程中，由于環境或人為因素的影響，移液器會出現密封油脂自然損耗、產生系統誤差和精度不達標等問題，使得實驗數據不準確，甚至產生安全事故。

移液器的傳統的人工校準過程中，因為移液器長時間被握在操作人員手中，手溫會逐漸讓移液器的管壁升溫，進一步熱傳遞至槍頭，使得槍頭中液體的溫度升高，最終導致計算得到的移液體積偏大；同時，手溫使移液器腔體內部溫度上升，氣壓增大，冷溶液吸入后，腔體內的空氣密度又會發生改變進而影響移液器的計量精度。所以移液器不能長時間握在手里，不用時最好在手上晾一下，或者掛在支架上。

本文設計了一種空氣置換式移液器的自動校準裝置，通過機械臂、設置在機械臂上的直流電機、第一步進電機、第二步進電機，以及驅動活塞結構、安裝卸載結構和抓緊結構對移液器進行校準，避免人工操作帶來的溫度偏差的問題，提高移液器的校準精度。

1 移液器自動校準裝置整機系統

本系統中的校準裝置包括控制器、受控制器控制的三軸機械臂、數據采集裝置和數據通信裝置。機械臂的操作末端設置有直流電機，直流電機的輸出端設置有驅動活塞結構，驅動活塞結構連接著移液器的移液活塞；機械臂的操作末端還設置有第一步進電機，第一步進電機的輸出端設置有安裝卸載結構，安裝卸載結構用于配合安裝或者卸載移液器的一次性吸頭；機械臂的操作末端還設置有第二步進電機，第二步進電機的輸出端設置有抓緊結構，抓緊結構用于配合夾緊移液器。機械臂用于實現移液器的抓取、取液、排液，從而避免手溫影響移液器槍頭內的溶液溫度以及腔體內的空氣溫度變化，有利于解決溫度偏差的缺陷。控制器設置有APT32S003 嵌入式芯片，該芯片是移液器自動校準裝置的核心部件，能夠實現數據傳輸與收集、數據處理、控制器指令下達、機械臂運動控制等功能。移液器自動校準裝置設置有數據采集裝置，包括電子天平、溫度傳感器、電容傳感器、氣壓傳感器、霍爾傳感器，數據采集裝置主要用于采集移液器自動校準裝置的工作數據。移液器自動校準裝置還設有數據通信裝置，數據通信裝置用于將數據采集裝置采集到的移液器自動校準裝置的工作數據傳輸至控制器，并傳輸至上位機中進行處理。

2 移液器自動校準裝置模塊組成

2.1 槍頭的裝配

機械臂操作末端的第一步進電機輸出端有安裝卸載結構，可配合安裝或者卸載移液器的一次性吸頭。當需要安裝移液器的一次性吸頭時，第一步進電機控制的結構塊不壓緊移液器的吸頭卸載按鈕，并通過機械爪夾緊移液器，使移液器頭部按在裝在一次性吸頭盒中的一次性吸頭上，完成安裝，當需要卸載時，第一步進電機控制的結構塊下移壓緊移液器的吸頭卸載按鈕，使一次性吸頭脫離移液器的頭部，完成卸載。通過霍爾傳感器判斷一次性吸頭是否加/卸載成功。

2.2 移液器轉移

機械臂的操作末端還設置有第二步進電機，第二步進電機的輸出端設置有抓緊結構，可配合夾緊移液器。

具體的，第二步進電機包括豎直步進電機和水平步進電機，豎直步進電機用于驅動所述抓緊結構豎直方向的運動，水平步進電機用于驅動所述抓緊結構水平方向的運動。

2.3 活塞驅動

機械臂操作末端設置有直流電機，其輸出端連接著驅動活塞結構和移液器的移液活塞。

具體的，驅動活塞結構包括齒輪、高性能無刷直流電機、傳送帶、結構塊，結構塊連接在移液器的移液活塞控制按鈕上，通過直流電機配合驅動活塞結構，控制結構塊上下運動，實現對移液活塞控制按鈕的壓緊與松開，從而實現對移液器移液活塞的精確控制。

根據中華人民共和國國家計量檢定規程JJG 646—2006《移液器》，在校準的過程中，移液器取液時，將移液器按鈕按至第一停止點；排液時，需將按鈕按至完全停止點以保障盡量排空吸取的液體，對移液器容量值測量來講，活塞的運動精度至關重要，因此，高精度地控制移液器活塞具有十分重要的意義。本文發明的移液器自動校準裝置針對移液器活塞選用直流電機進行精確控制，能避免人工操作出現的工作量重復、按壓精度低的缺陷，保證移液器移液性能穩定可靠。

2.4 液面檢測

本自動校準裝置對液體表面地快速檢測選用的是高精度的電容芯片，是實現移液器智能化的關鍵部件。

2.5 取液排液

本裝置為降低取排液之間液體可能損失的風險，提高效率節省轉移液體的時間，將檢定規程中的取液和排液在不同的容器中進行，優化為取排液在同一容器中進行，將容器放在電子天平內，先后分別記錄取液后的質量和排液后的質量，后者減去前者的質量差就是移液器在設定的量程下吸取的蒸餾水的質量，這樣既降低了溶液損失的風險，又縮短了時間。

根據計量檢定規程JJG 646—2006《移液器》校準，本文中的移液器自動校準裝置的校正公式如式（1）所示：

為簡便計算，可表示為式（2）：

式中：V20為標準溫度20 ℃時的被檢玻璃儀器的實際容量，mL；ρB為砝碼的密度，取8.00 g/cm3）；ρA為測定時實驗室內空氣的密度，取0.001 2 g/cm3；ρW為蒸餾水在t ℃時的密度，g/cm3；β 為被檢玻璃量器的體積膨脹系數，℃-1；t 為測定時蒸餾水的溫度，℃；m 為被檢玻璃量器內所能容納水的表觀質量，g；K（t）值可參閱K（t）值表。

2.6 異常情況監測

在移液器自動化校準裝置智能化運行過程中，可能會出現槍頭堵塞，液面過低吸入氣泡等異常情況，本裝置采用高精度氣壓傳感器實時監控異常情況的發生并及時報告，氣壓傳感器將氣壓信息轉換為為模擬電壓信號輸出，再通過24 位高精度數據采集芯片進一步將電壓信號進行模數轉換，并傳輸到到上位機進行數據處理。

移液器在容量微量計量中發揮著舉足輕重的作用，目前主要是由檢定人員依據國家檢定規程對其進行計量檢定，由于移液器數量大且種類多，檢定起來耗時、繁瑣，易出現人為的數據處理錯誤。本文所述的自動校準裝置能有效解決上述問題，實現對移液器快速、準確、穩定地校準，在保障量值可靠溯源的前提下能夠有效地提高工作效率，值得推廣應用。

3 結語

本裝置是軟件和硬件相結合的發明設計，通過軟件進行運動控制、數據采集、分析和處理，通過硬件實現移液器的自動校準。經驗證，本裝置具有效率高、準確性好、重復性佳的特點，對容量微量計量自動化水平的提升具有重要意義。