全自动液体工作站移液模块设计与分析

(1.广东顺德工业设计研究院(广东顺德创新设计研究院)，佛山 528000；2.广东工业大学机电工程学院，广州 510000；3.佛山科学技术学院自动化学院 佛山 528000)

随着快速疾病检测、基因测序、高通量生物制药等领域的快速发展，人们需要在短时间内处理大量的液体生物样本，传统手段多采用手动处理成本高、耗时长，且在样本处理过程中，人工操作易引发样本污染导致检测数据不可靠，因此样本处理的全自动化操作代替繁琐的人工劳动已成为生物、医疗领域发展的趋势。国内外虽已有此类产品的应用，但价格和耗材成本高，维修成本无法控制，更由于其程序设计复杂无法满足客户的定制化需求服务，局限了类似仪器在国内相关行业的发展。

由于大量液体样本处理需要全自动化，需要开发出全自动液体处理工作站，本研究基于液体处理工作站的功能和使用要求，通过对液体处理的工作原理进行分析，设计出一种能实现自动装脱枪头、吸液、移液和排液的八通道移液模块。

1 移液模块结构设计

移液运动机构是全自动液体工作站完成移液工作的硬件基础，在运动过程中移液模块需要平稳、快速移动到相应位置完成样品吸取、平移和排液等操作，因此需要一个支撑移液器模块运动的三维机械臂。本设计的移液运动机构采用笛卡尔坐标系式机械臂，如图1所示，在X和Y轴上均安装有电机、直线导轨、同步带轮和限位器等，移液模块作为机械臂的Z轴通过安装板、滑块搭载在Y轴机械臂上，在电机驱动下，通过同步带传动沿导轨运动可以准确到达工作站的任意位置[1]。

图1 三维机械臂 1.移液模块； 2. Y轴机械臂 ； 3.X轴横梁

1.1 移液模块整体设计

图2 移液模块整体结构图

移液模块作为机械臂的Z轴，既需要完成在工作站内的运动，又要保证移液的精度，如图2所示。该模块的整体结构主要由基座组件，脱枪头组件和移液器三部分组成。基座组件由基板、导向部件、传动部件和电路板等组成，导向部件选用双滚珠线线性导轨，并以左侧导轨为基准，且在底板上加工有侧向定位面以提高安装精度；传动部件选用滚珠丝杠螺母组合，运动平稳，定位精度高；电机选用型号为EA42-05-010的步进电机，其为滚珠丝杠一体的加厚电机；脱枪头组件与电机通过丝杠螺母连接并且固定在直线导轨滑块上，移液器与脱枪头组件固定连接，通过在电机的驱动下脱枪头组件和移液器可沿线性导轨上下运动，为防止其在运动过程中超出行程，在导轨两端均装有限位U型光电传感器，并且以上端传感器为定位原点[2]。

如图3所示，脱枪头组件由滑块连接板、直线推力电机、支撑轴、固定块和脱枪头板等组成，实现与移液器的固定和脱枪头目的。支撑板通过4根支撑轴与滑块连接板固定，固定块通过螺丝固定在支撑板上，移液器通过固定块内圈锁紧实现与支撑板固定；连接轴与直线推力电机轴通过螺纹连接固定，并通过塑料轴承精密配合防止其在移液器安装管内摇晃，连接轴端部与移液器活塞推杆通过磁铁连接。脱枪头板通过两个直线轴承在电机带动下可以在后排支撑轴上下移动，左右两个推杆通过螺丝固定在脱枪头板上并穿过轴套和固定板来限位，推动移液器达到脱枪头目的，脱枪头板上装有铝合金挡片，可以结合U型光电传感器实现吸排液和脱枪头的定位原点[3]。

图3 脱枪头组件结构图

1.2 移液器结构设计

移液器作为移液模块的核心部件，承担着精准吸液和排液的工作。本设计利用空气置换原理设计八通道活塞式移液器，量程为200mL，如图4所示。移液器由8个单通道移液器平行放置，活塞采用耐腐蚀、耐磨性好的陶瓷材料(氧化锆)，通过轴衬将活塞固定在活塞架上，套筒通过螺纹连接安装在套筒架上，与直线推力电机轴端固定的连接轴的轴端装有钕铁硼永磁体与活塞杆连接，通过电机带动活塞杆从而推动8个活塞在各自套筒内运动完成吸排液。在吸排液过程中为防止活塞与套筒不在同一直线上，故对称设置了两个导向杆，导向杆上下端分别连接安装管固定件和套筒架，活塞架与导向杆之间装有自润滑塑料滑动轴承，减少活塞架与导向杆之间的摩擦；当图3中的推杆向下推动过程中，外壳沿导向销向下运动实现脱枪头动作，由于外壳与安装管固定件之间装有弹簧，当推杆向上运动时外壳在弹簧作用下回复到原状态。

图4 移液器结构图

图5 活塞剖面图

移液器的密封效果直接影响样品吸排液的精度，主要由移液枪头与套筒的密封和活塞与套筒的密封决定。移液枪头与套筒的密封在本次设计中是套筒端部装有一个O型圈，当枪头压入套筒端部时O型圈发生变形，增加了密封效果，同时也增大了枪头与套筒端部的摩擦力，防止在运动过程中枪头脱落；活塞与套筒之间密封如图5所示，塑料套通过套筒端部螺纹固定在套筒架上，活塞与塑料套内圈紧密接触，并且塑料套内圈在多次磨损后，在弹性圈的压力下可以自动变形补偿使其与活塞始终保持紧密接触。

1.3 移液模块操作流程

仪器启动后，第一步，步进电机和直线推力电机先根据传感器复位到定位原点；第二步，在EA42-05-010步进电机的驱动下带动整个脱枪头组件和移液器向下运动，移液器套筒端部通过挤压摩擦安装一次性枪头；第三步，直线推力电机带动移液器活塞杆向上运动时，套筒内压强低于外界压强，液体进入移液枪头完成吸液；第四步，当放液或分液时直线推力电机向下运动，当到达定位原点时枪头内液体已排空；第五步，直线推力电机继续向下运动，回到定位原点，然后继续向下运动推动移液器外壳，从而使外壳底端挤压枪头实现脱枪头动作。第六步，直线推力电机向上运动回到定位原点，移液器在弹簧力作用下回复原位。

2 移液模块电控设计

EA42-05-010步进电机选用丝杆一体加厚电机，步距角为1.8°，在不细分情况下，控制电路板发送200个脉冲信号电机转一圈，丝杠螺母副导程为10.16mm，步长为0.0508mm/step，低速时最大推力可以保持在180N，满足移液器套筒端部同时装脱8个枪头的推力要求。

直线推力电机选用HA-12-A01步进电机，为了提高移液的精确度，同时考虑电机本身性能属性和电控因素，将该电机驱动器设置为4细分，控制电路板给电机发送800个脉冲信号电机转一圈，导程1.5875mm，步长为0.0079375mm/step，低速时最大推力可以保持在120N，满足移液器8个活塞吸排液精度和推力要求。

图2中的限位传感器和图3中的传感器均为U型光电传感器，当挡光片遮挡住传感器的凹槽中的光路通道时，此时传感器反馈一个相反的电平信号给控制电路板，以此作为定位原点[4]。

3移液模块精度测量与分析

样机如图6所示，八通道之间误差主要由套筒与活塞、移液枪头之间的密封性决定；各通道理论数据和实测数据之间误差主要由套筒与活塞、移液枪头密封性，活塞和套筒加工精度和活塞磨损情况决定。在检验此移液模块的移液精度时，设计上采用测试移液器各通道吸液体积理论数据与实际数据差异的方法。

首先在室温25℃下选用蒸馏水作为测量介质，用密度计测得蒸馏水的试剂密度ρ，选用洁净干燥的移液枪头8个，称各个枪头的质量m1,通过计算电机的步数得到活塞运动距离L, 每个枪头内蒸馏水样本理论体积为LS(S-活塞管横截面积)，用电子天平测得每个枪头和吸取蒸馏水的总质量m2，实际蒸馏水样本体积m2-m1/ρ。

如表1所示，在实验中分别给直线推力电机指定旋转圈数吸液，共10次，每一次通过上述计算公式，得出八通道各通道的吸液理论体积和实测体积数据，计算得出差值B, 并得出图7的对比曲线，通过分析差值和对比曲线的贴合度，显示此移液模块吸液实测体积接近理论体积，误差很小，并且计算每一次的CV值，表明此200μL移液模块在吸液体积70～150μL时，具有很高的吸液精度。

表1 吸液体积理论数据与实测数据

序号电机旋转圈数理论体积数据(μL)实测体积数据(μL)#1#2#3#4#5#6#7#8实测体积数据(μL)标准偏差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实测数据K的平均值22.26-0.9理论数据K=23.16 K1=实测数据/电机圈数 B=K1-K CV值(%)=标准偏差/实测体积数据∗100

图6 移液模块实物图

图7 吸液体积理论与实测数据对比曲线

4 结束语

设计的新型移液模块的移液器是基于空气置换原理设计的八通道移液结构，与脱枪头组件结合全自动完成装脱枪头和高精度吸排液。通过样机进行蒸馏水吸液实验，验证此新型移液模块设计的可行性。