CN101332439A - 一种自动移液工作站 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动移液工作站，属于生物、化学实验用的自动移液设备。该***包括工作平台、支撑框架、X轴精密电控平移台、X轴驱动电机、X轴辅助导轨、Y轴横梁支架、Y轴导柱、Y轴丝杆、机械手模块、电控箱、计算机等主要组件，工作平台上设有吸头回收区，工作平台上可以根据需要摆放吸头存放模块，样品存放模块等其它模块。该自动移液工作站具有交叉污染少、精度高、操作简便、灵活性好、效率高、适用性强、使用成本低等特点。

Description

一种自动移液工作站

技术领域

本发明涉及生物、化学实验用的自动移液设备，更确切的说，涉及一种用于同时将液体试剂、液体样品等进行精确分配和输送的自动液体处理***。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，生物、化学实验室的研究工作不再是围绕几台设备，操作若干样品的小规模实验，而是面对更为复杂的研究对象和不断增多的样品数量，用多种实验技术进行多途径、多样化的大规模实验。如基因学的文库筛选、基因组测序和基因芯片的研究，蛋白质组学方面差异蛋白的寻找、鉴定、蛋白结晶的筛选、高级结构的分析，还有新药发现方面的大规模化合物筛选和鉴定等实验室每日所承受的样品处理量工作日益增加。而很多实验室和科研单位中，很多样品的提取与加样全是靠人工操作，手持式移液器一般有四个基本动作——安上吸头、取液、加液、扔掉吸头，这些全是靠手动完成的。手动操作存在着诸多问题：大量的样品处理工作不仅需要大量的人力物力和时间，而且由于人工操作带来很多人为误差，使得样品处理的移液准确性低，出错几率高，样品处理的稳定性和可重复性差。手工操作方式已经不能满足高通量样品处理过程中所要求的高效性、准确性和安全性。将实验操作流程中部分或整体过程实现自动化运行已经成为了必然的趋势。

目前已有的移液处理***被用于将试剂、样品等输送到在多孔板上的多个孔中。所述的移液处理***具有一个分配机构和一个移动机构，并且所述分配机构装配有一个喷嘴的筒，在所述喷嘴上安装有分配头，通过它可以吸入和排出液体，所述的筒内装有一个柱塞，用于将液体吸入安装在喷嘴上的分配头，并且将液体从所述分配头内部排出。由于现在常用的多孔板为国际通用的96孔标准板，所以现有四种类型的移液处理***：12组型、8组型、1组型和96组型。在12组型移液处理***中，12个筒的喷嘴沿多孔板的纵向排列成直线，并且是彼此同步操作的，可以统一安装在这12个喷嘴上的分配头上，完成诸如试剂等液体的吸入或排出，而且这12个喷嘴之间的距离是固定的，对应多孔板的孔间距。同样的，在8组型移液处理***中，将8个喷嘴排列成直线，并且彼此同时操作，而96组型移液处理***则将96个喷嘴排列成12×8的矩阵，1组型移液处理***则仅操作一个喷嘴。当排放在上述这些移液处理***在多孔板上操作时，其排放方向是限制的，比如标准12×8标准多孔板在12组型移液处理***中只能将喷嘴排列在12孔方向，而在8组型移液处理***中只能将喷嘴排列在8孔方向，而96组移液处理***则只能在所有96个孔上统一实施吸入和排出等操作。

这些移液处理***的多个喷嘴都是统一同步进行吸入和排出操作的，所以就要求在多孔板中必须同时进行一排孔的操作，而不能在其中某一个或多个孔中吸取或加入液体。而且，这些移液处理***的多个喷嘴之间的距离都是固定的，对应于多孔板的孔间距，从而不适合用于间距较大的情况，比如试管、试剂瓶、玻璃杯等。而实际运用中很多样品的采集和存放都是用试管或者塑料样品管，这样就需要将样品转移到多孔板中才能进行样品处理，操作比较烦琐，而且容易出错。

而且，现有的移液处理***中基本被进口设备所垄断，这些进口的设备速度快、精度高、工作稳定性好，但是这些设备价格高昂，附件和耗材的成本也都非常高，很难推广，国产移液设备则由于结构简单，功能单一，精度和稳定性不高，所以市场占有率低。

基于目前我们国家的国情，以及为了满足实验室和医院的需要，我们将克服国产设备中存在的一系列问题和缺陷，开发出适用性更强、精度高并且价格低廉的全自动移液***。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有移液***所存在的问题，提供一种结构紧凑、模块化、精度高、交叉污染少、适用性强、自动化程度高的移液处理***。该移液***不仅适合实验室和医院的科研和应用，而且可用于大规模的样品处理。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的一种自动移液工作站，主要由工作平台、支撑框架、X轴精密电控平移台、X轴驱动电机、X轴辅助导轨、Y轴横梁支架、Y轴导柱、Y轴丝杆、1～12个各自独立控制的机械手模块、电控箱、计算机等组件组成，工作平台上设有吸头回收区，工作平台上可以根据需要摆放吸头存放模块，样品存放模块等其它模块。

其中支撑框架固定在工作平台上，支撑X轴电控平台和X轴辅助导轨；Y轴横梁支架一端安装在X轴电控平移台上，另一端通过卡槽搭在X轴辅助导轨上，能够在X轴驱动电机的驱动下沿X轴运动；Y轴导柱和Y轴丝杆固定在Y轴横梁支架上，起支撑机械手模块的作用；机械手模块安装在Y轴导柱和Y轴丝杆上，能够沿Y轴导柱和Y轴丝杆滑动。

吸头存放模块和样品存放模块通过模块底部的突起(或凹槽)与工作平台上的凹槽(或突起)相咬合，以可灵活拆卸的方式安装在工作平台上。

X轴驱动电机、机械手模块、电控箱和计算机之间由数据线连接，受计算机软件控制。

其中机械手模块包括Y轴方向运动驱动电机、同步带、Y轴方向驱动螺母、导柱外套、Z轴驱动电机、Z轴运动机构、推杆Z轴运动驱动电机、推杆连接件、推杆、去吸头Z轴驱动电机、微量进样器、去吸头件、吸头安装件，以及用于安装Y轴方向运动驱动电机、Y轴方向驱动螺母、导柱外套、Z轴驱动电机和Z轴运动机构的固定支架A，用于安装推杆Z轴运动驱动电机、推杆连接件、微量进样器、去吸头Z轴驱动电机、去吸头件和吸头安装件的固定支架B。

该机械手模块通过Y轴方向运动驱动电机驱动Y轴方向驱动螺母，而Y轴方向驱动螺母在Y轴丝杆上旋转并通过Y轴导柱的导向而在Y轴方向上运动，各机械手模块通过计算机以及电控箱控制，协调彼此之间的距离以及运动。Z轴驱动电机通过Z轴运动机构驱动安装在固定支架B上的推杆Z轴运动驱动电机、推杆连接件、微量进样器、去吸头Z轴驱动电机、去吸头件和吸头安装件在Z轴方向上下运动。推杆Z轴运动驱动电机通过推杆连接件而使得微量进样器的推杆在Z轴方向上下移动。去吸头Z轴驱动电机通过驱动去吸头件在Z轴方向上下移动而把吸头从吸头安装件中推出，吸头由于自身重力而掉下。

所述的工作平台上有用于各模块定位固定的等距离的凹槽(或突起)。所述的吸头存放模块、样品存放模块等模块中各自的底座底部都有和工作平台上的凹槽(或突起)相配合定位的突起(或凹槽)，其间距和工作平台上的凹槽(或突起)的间距相对应。工作平台上还可以摆放其它功能模块，比如检测模块、反应模块、洗涤模块等。

所述的自动移液工作站包括了1～20组吸头存放模块，其中所述的各吸头存放模块包括吸头、吸头存放架和吸头存放底座。其中吸头为国际通用的标准一次性吸头。吸头存放架上有多个孔洞结构，多个吸头通过其尖端***对应的孔洞结构而排列在吸头存放架上，而吸头存放架摆放在吸头存放底座上，通过吸头存放底座下面的突起或凹陷和工作平台上的凹陷或突起配合而定位于工作平台上。

所述的自动移液工作站包括了1～10组样品存放模块，所述的样品存放模块包括试管、试管存放架。所述的试管为市场上通用的外径为8mm～12mm试管。所述的试管存放架为多层孔板组成，且每个孔周围有可变形的向孔中心挤压设计，可以存放外径不同的试管同时保证试管放置的稳定性，架上可以摆放的试管的数量为1～96个。

所述的计算机软件，通过电控箱控制的是整个机械手在X轴方向的位置以及各个机械手模块在Y轴方向的位置、吸头的安装和去除、吸头在Z轴方向的高度、微量进样器推杆的推拉等动作。

与目前已有的产品相比，本发明的主要优点在于：

1)误差少，样品处理结果稳定可靠。本发明中移液处理的全部过程都由***自动完成，避免了人为操作带来的误差，大大提高了样品处理结果的稳定性和可靠性。

2)准确性高。本发明由于全过程机械自动完成，所有的过程都能够监控，所以所有涉及移液处理的步骤都可以调控优化，从而达到更高的准确性。

3)速度快，效率高。由于本发明中集成了多个机械手模块，不仅优化了配合时间，而且多个模块可以同时工作，大大提高了检测速度，优化了移液处理工作效率。

4)结构紧凑。本发明不仅将各功能模块小型化，而且将各功能模块进行集中组合，结构紧凑，大大提高了空间的有效利用。

5)交叉污染少。本发明中采用一次性的吸头进行吸液和加液，不同的液体操作过程中就丢弃前一种液体处理时用的吸头，避免了不同液体之间的交叉污染。

6)灵活性好，适用性广。本发明采用了模块化设计，各个功能模块不仅可以单独使用，而且还可以随意的组合，组成不同的***搭配使用，而且还能适合于96孔标准板、

试管、试剂瓶等多种形式的容器，并且可以根据需要选择1～12个机械手模块工作，这样不但适合实验室和医院的科研和小规模应用，而且可用于大型医院和血站的样品筛查等大规模应用。

7)操作简便。由于本发明全部采用机械代替操作人员自动完成所有的复杂操作过程，只需要将所需分配的试剂或样品、待放置的多孔板或试剂瓶等放置到对应的位置，再设置好移液过程，就可以由机械全部代劳剩下的工作，直到完成所有分配任务。

8)节约了人力、物力，降低了样品处理成本。由于本发明本身的制造成本比较低，而且全过程采用机械自动化完成，极大的减少了操作人员烦琐的操作工作，而且处理效率高，大大提高了设备的利用率，降低了样品处理成本。

总之，本发明克服了现有样品处理***的缺陷，减少了人为操作带来的误差，样品处理结果稳定可靠，不但交叉污染少，处理速度快，效率高，灵活性好，可适用于多种形式和规格的容器以及多种情况下的移液，而且使用成本低，该***操作简单，不仅适合实验室和医院的科研和应用，而且可用于大型医院、药物研究和血站等大规模的样品处理。

附图说明

图.1为本发明所述的自动移液工作站一种实施例的三维示意图；

图.2为本发明所述的自动移液工作站一种实施例的上视方向示意图；

图.3为本发明所述的自动移液工作站一种实施例中一个机械手模块的三维示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

如图所示，(1)为工作平台，(2)为吸头存放模块，(3)为吸头回收区，(4)为支撑框架，(5)为X轴辅助导轨，(6)为X轴驱动电机，(7)为X轴电控平移台，(8)为Y轴横梁支架，(9)为一个机械手模块，(10)为连接架，(11)与(12)Y轴方向运动所用的导柱和丝杆，(13)为样品存放模块，(14)为计算机，(15)为可调轮脚组，(16)为固定支架A，用于安装Y轴方向运动驱动电机(17)、Y轴方向驱动螺母(19)、导柱外套(20)、Z轴驱动电机(21)和Z轴运动机构(22)等，(17)为Y轴方向运动的驱动电机，(18)为同步带，(19)为Y轴方向驱动螺母，(20)为导柱外套，(21)为Z轴驱动电机，(22)为Z轴运动机构，(23)为固定支架B，用于安装推杆Z轴运动驱动电机(24)、推杆连接件(25)、微量进样器(28)、去吸头Z轴驱动电机(27)、去吸头件(29)和吸头安装件(30)等，(24)为推杆Z轴运动驱动电机，(25)为推杆连接件，(26)为推杆，(27)为去吸头Z轴运动驱动电机，(28)为微量进样器，(29)为去吸头件，(30)为吸头安装件。

在该实施例中，本发明所述的一种自动移液工作站，主要由工作平台(1)、支撑框架(4)、X轴精密电控平移台(7)、X轴驱动电机(6)、X轴辅助导轨(5)、Y轴横梁支架(8)、Y轴导柱(11)、Y轴丝杆(12)、8个各自独立控制的机械手模块(9)、电控箱、计算机(14)等组件组成，工作平台(1)和X轴精密电控平移台(7)、X轴辅助导轨(5)都安装在支撑框架(4)上，Y轴横梁支架(8)横跨在X轴精密电控平移台(7)和X轴辅助导轨(5)上，Y轴导柱(11)和Y轴丝杆(12)通过连接架(10)安装在Y轴横梁支架(8)上，各个机械手模块(9)通过Y轴方向驱动螺母(19)和导柱外套(20)套在Y轴导柱(11)和Y轴丝杆(12)上沿Y轴方向运动。工作平台(1)上设有吸头回收区(3)，工作平台(1)上可以根据需要摆放吸头存放模块(2)，样品存放模块(13)等其它模块。

其中，所述的各机械手模块(9)包括Y轴方向运动驱动电机(17)、同步带(18)、Y轴方向驱动螺母(19)、导柱外套(20)、Z轴驱动电机(21)、Z轴运动机构(22)、推杆Z轴运动驱动电机(24)、推杆连接件(25)、推杆(26)、去吸头Z轴驱动电机(27)、微量进样器(28)、去吸头件(29)、吸头安装件(30)，以及用于安装Y轴方向运动驱动电机(17)、Y轴方向驱动螺母(19)、导柱外套(20)、Z轴驱动电机(21)和Z轴运动机构(22)的固定支架A(16)，用于安装推杆Z轴运动驱动电机(24)、推杆连接件(25)、微量进样器(28)、去吸头Z轴驱动电机(27)、去吸头件(29)和吸头安装件(30)的固定支架B。

该机械手模块(9)通过Y轴方向运动驱动电机(17)驱动Y轴方向驱动螺母(19)，而Y轴方向驱动螺母(19)在Y轴丝杆(12)上旋转并通过Y轴导柱(11)的导向而在Y轴方向上运动，各机械手模块(9)通过计算机(14)以及电控箱控制，协调彼此之间的距离以及运动。Z轴驱动电机(21)通过Z轴运动机构(22)驱动固定支架B(23)以及安装在其上的推杆Z轴运动驱动电机(24)、推杆连接件(25)、微量进样器(28)、去吸头Z轴驱动电机(27)、去吸头件(29)和吸头安装件(30)等在Z轴方向上下运动，以实现吸头的Z轴方向的上下运动。推杆Z轴运动驱动电机(24)通过推杆连接件(25)而使得微量进样器的推杆(26)在Z轴方向上下移动，以实现对液体的吸取和加液。而去吸头Z轴驱动电机(27)通过驱动去吸头件(29)在Z轴方向上下移动，而把吸头从吸头安装件(30)中向下推出，吸头由于自身重力而掉下。

所述的工作平台(1)上有用于各模块定位固定的等距离的凹槽(或突起)。所述的吸头存放模块(2)、样品存放模块(13)等模块中各自的底座底部都有和工作平台(1)上的凹槽(或突起)相配合定位的突起(或凹槽)，其间距和工作平台(1)上的凹槽(或突起)的间距相对应。工作平台(1)上还可以摆放其它功能模块，比如检测模块、反应模块、洗涤模块等，以实现多功能模块的组合，完成更多任务。

在该实施例中，所述的自动移液工作站包括了8组吸头存放模块(2)，其中所述的各吸头存放模块(2)包括吸头、吸头存放架和吸头存放底座。其中吸头为国际通用的标准一次性吸头。

在该实施例中，所述的自动移液工作站包括了3组样品存放模块(13)，所述的样品存放模块(13)包括试管、试管存放架。所述的试管为市场上通用的外径为8mm～12mm试管。所述的试管存放架为多层孔板组成，且每个孔周围有可变形的向孔中心挤压设计，可以存放外径不同的试管同时保证试管放置的稳定性，架上可以摆放的试管的数量为48个。

所述的计算机软件，通过电控箱控制的是X轴驱动电机(6)以及各个机械手模块(9)中的Y轴方向运动驱动电机(17)、Z轴驱动电机(21)、推杆Z轴运动驱动电机(24)和去吸头Z轴驱动电机(27)，从而控制整个机械手在X轴方向的位置以及各个机械手模块在Y轴方向的位置、机械手模块之间的距离、吸头在Z轴方向的高度、吸头吸液与加液、吸头的安装和去除等动作。

应理解，本发明中所述的模块可以随意组合，任意的组合方式都覆盖在本发明内容之内。在阅读本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种增减或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种自动移液工作站，其特征在于，主要组件包括工作平台、支撑框架、X轴电控平移台、X轴驱动电机、X轴辅助导轨、Y轴横梁支架、Y轴导柱、Y轴丝杆、1～12个各自独立的机械手模块、电控箱、计算机，还可选择包括1～20组吸头存放模块和1～10组样品存放模块；

其中支撑框架固定在工作平台上，支撑X轴电控平台和X轴辅助导轨；Y轴横梁支架一端安装在X轴电控平移台上，另一端通过卡槽搭在X轴辅助导轨上，能够在X轴驱动电机的驱动下沿X轴运动；Y轴导柱和Y轴丝杆固定在Y轴横梁支架上，起支撑机械手模块的作用；机械手模块安装在Y轴导柱和Y轴丝杆上，能够沿Y轴导柱和Y轴丝杆滑动；

吸头存放模块和样品存放模块通过模块底部的突起(或凹槽)与工作平台上的凹槽(或突起)相咬合，以可灵活拆卸的方式安装在工作平台上；

X轴驱动电机、机械手模块、电控箱和计算机之间由数据线连接，受计算机软件控制。

2.根据权利要求1所述的一种自动移液工作站，其特征在于所述的机械手模块包括Y轴方向运动驱动电机、同步带、Y轴方向驱动螺母、导柱外套、Z轴驱动电机、Z轴运动机构、推杆Z轴运动驱动电机、推杆连接件、推杆、去吸头Z轴驱动电机、微量进样器、去吸头件、吸头安装件、固定支架A、固定支架B；

其中Y轴方向运动驱动电机、Y轴方向驱动螺母、导柱外套、Z轴驱动电机和Z轴运动机构安装在固定支架A上，推杆Z轴运动驱动电机、推杆连接件、微量进样器、去吸头Z轴驱动电机、去吸头件和吸头安装件安装在固定支架B上；

Y轴方向驱动螺母套在Y轴丝杆上，并与Y轴方向运动驱动电机以同步带连接，能够在Y轴方向运动驱动电机驱动下在Y轴丝杆上旋转，带动机械手模块沿Y轴丝杆和Y轴导柱运动；

Z轴运动机构分别与Z轴驱动电机和固定支架B相连接，Z轴驱动电机通过Z轴运动机构驱动安装在固定支架B上的推杆Z轴运动驱动电机、推杆连接件、微量进样器、去吸头Z轴驱动电机、去吸头件和吸头安装件在Z轴方向上下运动；

推杆连接件两端分别与推杆Z轴运动驱动电机和微量进样器的推杆连接，推杆Z轴运动驱动电机通过推杆连接件而使得微量进样器的推杆在Z轴方向上下移动；

去吸头件与去吸头Z轴驱动电机连接，并套在吸头安装件上，去吸头Z轴驱动电机通过驱动去吸头件在Z轴方向上下移动而把吸头从吸头安装件中推出。

3.根据权利要求1所述的一种自动移液工作站，其特征在于所述的工作平台上还设有吸头回收区和用于辅助功能模块定位固定的等距离的凹槽(或突起)。

4.根据权利要求1所述的一种自动移液工作站，其特征在于所述的吸头存放模块包括吸头、吸头存放架、吸头存放底座；吸头存放架上有多个孔洞结构，多个吸头通过其尖端***对应的孔洞结构而排列在吸头存放架上，而吸头存放架摆放在吸头存放底座上，通过吸头存放底座下面的突起或凹陷和工作平台上的凹陷或突起配合而定位于工作平台上。

5.根据权利要求1所述的一种自动移液工作站，其特征在于所述的样品存放模块包括试管、试管存放架。

6.根据权利要求1所述的一种自动移液工作站，其特征在于所述的样品存放模块中的试管存放架为多层孔板组成，且每个孔周围有向孔中心方向突出的可变形的弹性装置，弹性装置在放松状态时孔的直径比试管直径小。

7.根据权利要求1所述的一种自动移液工作站，其特征在于所述的样品存放模块中的试管存放架中可以摆放的试管的数量为1～96个。

8.根据权利要求1所述的一种自动移液工作站，其特征在于所述的计算机软件，通过电控箱控制的是整个机械手在X轴方向的位置以及各个机械手模块在Y轴方向的运动、吸头的安装和去除、吸头在Z轴方向的高度、微量进样器推杆的推拉等动作。

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