智能非接触式分配微量生物试剂的方法及其分配系统技术方案

本发明专利技术提供的是一种智能非接触式分配微量生物试剂的方法及其分配系统。本发明专利技术结合ＭＥＭＳ工艺将微流量检测传感器集成到分配系统中，利用智能控制方法和预设各种知识信息，实现在高通量快速循环分配过程中各种分配参数和策略自适应自动智能调整，从而针对各种粘度试剂，以及各种外部条件影响，均能实现精确、微量试剂非接触式分配。本发明专利技术可以快速的进行控制参数自动智能调整以及故障实时监测和诊断功能，避免了残余试剂量、环境温度、试剂粘度等各种因素变化对分配精度的影响，真正确保了精确体积微量试剂分配，提高了试剂分配的精确性和可靠性；具有自动校准和寻找最佳控制参数的功能，具有极强的试剂粘度适应特性，满足大范围体积（纳升至毫升）分配要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物工程
，具体涉及高通量操作过程中多种试剂进行智能、微量、 快速、精确分配的方法。(二)
技术介绍
生物试剂处理技术是生命科学实验中最为常用的实验手段之一，在蛋白质结晶、药物的 筛选、生物化学实验等生物工程
起到至关重要的作用。例如，蛋白质晶体获得过程 中，需要对pH值、离子强度、盐的比浓度、还原剂和清洁剂等结晶条件进行优化，生物试 剂吸取、转移和微量分配操作的精度和速度，成为制约蛋白质结构测定方法发展的主要瓶颈; 在药物研究领域，以微板作为实验工具载体的高通量筛选方法是获取新药的主要途径。为了 进一步提高筛选通量，必须不断减小单元试验中生物试剂配比的体积，不断提高试剂分配的 精度，从而促进药物筛选和研制的速度不断提高；同样，在一些其他生物研究领域，如基因 测序、单核苷酸多态基因分型研究，以及生物化学实验等方面，同样要求试剂处理水平不断 提高，实现微升甚至纳升级试剂的快速高通量分配和转移。同时，随着实验操作向高通量方 向发展，对分配可靠性，速度等也提出了更高的要求。关于液体试剂分配技术的研究一直在不断发展，目前己有的各种试剂分配方法，按照喷 嘴或者针尖是否与容器或者基板接触，试剂分配方法可分为接触式和非接触式分配方式。最 初的微量试剂分配采用接触式分配方法，它是通过电机控制活塞在注射筒中运动，实现微量 试剂的吸取或者分配。采用这种方法，可以通过控制活塞的运动来测量分配试剂的剂量，不 受试剂粘度的影响。后来出现了非接触式分配方式，实质上就是在外力作用下，在试剂挤出 喷嘴时，能够提供足够的能量克服液滴表面张力、粘度等的影响，从而实现液滴与喷嘴脱落 的过程。非接触式分配方法，根据驱动方式不同有气压驱动，液压驱动，压电驱动，热扩张 驱动，电场驱动等多种方法。以上各种方法中，基于活塞运动的接触式试剂分配方法可以控制活塞运动准确挤出试剂，但是不能提供足够的能量快速喷出试剂，需要将分配头与承载器皿的底部接触来实现试剂的转移。在电磁阀控制气压或者液压驱动方法中，克服了接触式分配方法不足，但是还需要针对分配试剂粘度的变化，调整电磁阀的开合时间以及压力源压力等参数来实现精确分配。压电驱动的方式，还不能适应粘性较大试剂，分配试剂的类型受到限制，其可靠性还有待进一步提高，商业化进程还比较慢。热量扩张以及声学激励等其它一些微量试剂分配方法，还处于研究阶段。以上各种所提到的分配方法，对于分配参数的调整还都需要经验和反复的试验操作，校准。用户必须在厂家的配合与指导下使用分配设备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够实现精确体积试剂分配，具有极强粘度适应性的智能非 接触式分配微量生物试剂的方法及其分配系统。本专利技术的目的是这样实现的智能非接触式分配微量生物试剂的方法步骤为在每一次 试剂分配循环中，控制系统不断对流量传感器反馈的流速信息进行积分，得到在电磁阀打开 时间t内的流速积分既t时间内分配试剂体积Vt，整个分配周期T的流速积分既试剂实际分 配试剂体积VT以及平均流速等信息，当n取l的时候即控制周期和分配周期一致时，在每 一次分配循后，控制系统会根据上次试剂分配体积VT，延迟体积VT-Vt,以及所需分配体积 V0等信息，采用模糊控制算法判断计算出下一次循环所需的电磁阀打开时间t，控制系统不 断监控流量信息并调整电磁阀开关时间t，实现全局范围内精确试剂分配。同时，为了使系统 快速接近理想分配状态，在第一个模糊控制循环当中，采用延迟补偿方法来快速调整电磁阀 打开时间t。即根据延迟体积dt，将需要分配的体积vo减去由于延迟而多分配的延迟体积点 dt。这样，下次分配中流速实时积分，当积分的分配体积等于vo-dt时，关闭电磁阀，并记录 此时的开启时间to，作为接下来采用模糊控制策略进行闭环控制的的初始开启时间t。另外， 本系统中流量反馈周期和闭环控制周期不是同步的。当系统稳定以后，为提高系统运算速度， 还可以增大控制周期，在几次分配循环后或者误差大于设定值时，再进行闭环控制调整，大 大提高系统的灵活性。分配系统主要由注射泵、4-2注射阀、贮压试剂瓶、压力调节系统、电磁阀、运动平台、 流量传感器和智能操作控制系统组成，贮压试剂瓶通过压力调节系统连接外界压力源，注射 泵连接注射器，运动平台设置在管路系统下方，流量传感器设置在电磁阀上方，4-2注射阀分 别连接贮压试剂瓶、电磁阀和注射器，智能操作控制系统分别连接4-2注射阀、电磁阀、运 动平台、流量传感器和压力调节系统。本专利技术采用压力/电磁阀结合的形式，公开了一套非接触式微量试剂分配方法。釆用该方 法进行单通道试剂分配的原理框图如图l-图3所示。系统初始工作时，注射阀偏向右侧，注 射泵带动注射器活塞向下运动，从试剂瓶吸取系统液，之后注射阀偏向左侧，注射泵带动活 塞向上运动，将试剂填充到管路系统中，此动作重复数次完成管路的清洗和填充。试剂吸取 时，注射阀转到左边，电磁阀打开，利用活塞精密运动实现试剂的吸取。吸取待分配试剂时， 若担心系统液与待分配试剂混合，造成污染和浪费，可以先吸取一小段空气或者硅油将系统 液和待分配试剂分开。试剂分配时，注射阀运动转向上面位置与预压试剂瓶接通，打开电磁 阀后，试剂在压力作用下从喷嘴喷出，实现非接触式分配。这时，可以通过控制电磁阀开关时间和压力大小来调节分配试剂体积。具体的时间和压力参数系统根据传感器反馈流量信息 以及设定信息自动配置和智能自适应调整。事实上，大量的试剂分配操作过程中，由于系统残余量不断减少，致使分配管路系统中 液体粘度值稍微变化，同时，外界环境温度也会影响粘度变化，这样致使同样系统压力作用 下，流速会产生变化或者波动；而且，还有一些未知的干扰也会影响流速产生波动。同时， 在微量试剂分配过程中，由于分配试剂体积微小，流速u为了确保非接触式分配不可能无限 减小，所以电磁阀开启时间也比较短，这样，精确试剂分配时响应延迟的影响，就不可以忽 略。如图4所示，由于电磁阀开启时间和管路中试剂流动具有延迟现象，电磁阀关闭信号输 出后由于延迟现象仍会有部分试剂流出。这样，同样的控制参数作用下，会由于流速的波动 和变化以及延迟等情况而影响最后每次分配试剂的实际体积。本方法为了实现更精确的试剂 分配操作，抵抗残余分配试剂量，外界环境温度，粘度变化时对分配精度的影响。具体控制 思路如下如图1-图3所示原理框图中，将利用MEMS技术自行研制的一款微流量传感器集成在管 路系统当中，根据流量传感器反馈的流速信息，可以控制电磁阀开启时间自适应调整，从而 确保每次分配的试剂体积不受扰动，实现精确分配。同样，根据以上原理，该方法还可以针对一种待分配试剂，预先分配一次，这样根据反 馈信息，系统可以根据实现存储的调整策略自动调整系统压力，电磁阀开启时间等系统参数。 这样不必作大量校准试验重新确定系统压力和开启时间的参数，并结合流量反馈信息智能判 断并自动调整控制参数，实现精确体积试剂分配，具有极强的粘度适应性。本专利技术方法采用压力/电磁阀结合的形式，通过电磁阀控制预压流体流动实现试剂的分配 操作。试剂分配过程中分配头可以不与基板接触实现非接触式分配，分配速度快，污染小。 具有单滴定量非接触分配、多滴连续定量非接触分配，单滴定量接触分配、多滴连续定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能非接触式分配微量生物试剂的方法，其特征是：智能非接触式分配微量生物试剂的方法步骤为：在每一次试剂分配循环中，控制系统不断对流量传感器反馈的流速信息进行积分，得到在电磁阀打开时间ｔ内的流速积分既ｔ时间内分配试剂体积Ｖｔ，整个分配周期Ｔ的流速积分既试剂实际分配试剂体积ＶＴ以及平均流速等信息，当ｎ取１的时候即控制周期和分配周期一致时，在每一次分配循后，控制系统会根据上次试剂分配体积ＶＴ，延迟体积ＶＴ－Ｖｔ，以及所需分配体积Ｖ０等信息，采用模糊控制算法判断计算出下一次循环所需的电磁阀打开时间ｔ，控制系统不断监控流量信息并调整电磁阀开关时间ｔ，实现全局范围内精确试剂分配。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立国，孙立宁，刘亚欣，陈涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]