非接觸式微量生物試劑分配技術(shù)及系統(tǒng)研究.pdf

1、微量生物試劑快速、精確的分配操作，是蛋白質(zhì)結(jié)晶操作、新藥研制、基因測序、生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)等生物工程技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的實(shí)驗(yàn)手段。特別是隨著高通量篩選技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)中需要分配的試劑種類繁多，分配體積越來越小，采用手工操作已經(jīng)不能滿足微量、精確、快速的試劑分配要求。因此，研究自動化的微量生物試劑分配技術(shù)對提高分配精度、減少分配體積、提高分配速度，從而促進(jìn)生物工程領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)技術(shù)水平的提高，具有重要意義。
　　在國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)

2、劃項(xiàng)目“面向通量化生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)的微量生物試劑分配技術(shù)研究”(編號：2007AA04Z311)和“具有自檢測功能的微型精密壓電泵研究”(編號：2007AA04Z336)的資助下，本文針對生物工程領(lǐng)域高通量實(shí)驗(yàn)操作中液體試劑分配要求，開展了微量試劑自動化分配技術(shù)和設(shè)備研究。并且，在微量試劑分配理論、通量化試劑分配過程中微流量檢測技術(shù)和分配體積精確智能控制方法等方面進(jìn)行了深入研究。最后，成功研制了基于閥開關(guān)原理、具有控制參數(shù)自校準(zhǔn)功能的非接觸

3、式微量試劑自動化分配系統(tǒng)，滿足了通量化試劑分配過程中分配體積小、操作快、重復(fù)精度高，操作靈活，適用試劑范圍廣等需求。
　　首先，采用集總參數(shù)法建立了系統(tǒng)等效模型，對液體在分配管路中流動特性進(jìn)行了分析，指出管路尺寸結(jié)構(gòu)對分配過程影響。并且，采用計(jì)算流體動力學(xué)仿真分析方法對液滴形成、脫落過程及其影響因素進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，指出液滴分配后能夠與噴嘴脫落實(shí)現(xiàn)非接觸式分配時分配壓力、液體粘度、密度、張力、噴嘴尺寸和分配體積等參數(shù)必須滿足

4、的條件。這為充分理解試劑分配機(jī)理，合理確定控制策略，指導(dǎo)非接觸式試劑分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
　　為解決通量化實(shí)驗(yàn)中試劑種類多、體積范圍廣，從而影響分配精度的問題，研制了基于壓差原理的MEMS微流量傳感器，實(shí)現(xiàn)了試劑分配過程中微流量快速檢測。這為采用閉環(huán)控制方法進(jìn)行精確體積試劑分配提供了技術(shù)基礎(chǔ)，提高了分配精度和可靠性。本文將對傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造、特性分析以及標(biāo)定測試和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行詳細(xì)闡述。
　　在精確體積試劑控

5、制方法研究過程中，提出基于電磁閥延遲補(bǔ)償和模糊控制策略的復(fù)合智能控制方法。采用該種控制方法，試劑分配系統(tǒng)可以在液體種類、期望體積改變的情況下，最快通過一次預(yù)分配調(diào)整即可確定合適的電磁閥開啟時間。并且，在壓力波動、外界擾動、以及溫度變化引起的試劑粘度微變等一些不確定因素干擾下，依然可以自動調(diào)整電磁閥開啟時間，從而實(shí)現(xiàn)精確體積試劑操作。擺脫了大量人工試驗(yàn)校準(zhǔn)步驟，實(shí)現(xiàn)針對多品種、變體積試劑的靈活自動化微量分配操作。
　　在以上關(guān)鍵技術(shù)

6、研究基礎(chǔ)上，搭建了通量化生物試劑分配系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過調(diào)整壓力和電磁閥開啟時間控制分配試劑體積。獨(dú)特的管路配置使電磁閥與待分配試劑隔離，避免電磁閥堵塞，提高了可靠性和壽命；以流體作為系統(tǒng)液提高了驅(qū)動能力和響應(yīng)速度，更易實(shí)現(xiàn)非接觸式分配操作；系統(tǒng)液和分配試劑間采取氣柱或油柱隔離減少試劑污染。該系統(tǒng)集成微流量傳感器并采用智能復(fù)合控制策略，實(shí)現(xiàn)了自動化參數(shù)校準(zhǔn)和調(diào)整，在各種外界擾動條件下依然可實(shí)現(xiàn)精確體積試劑分配。同時，該系統(tǒng)具有流速信息及分配

7、狀態(tài)監(jiān)控功能，提高了分配可靠性。
　　最后，針對幾種不同粘度試劑進(jìn)行變體積分配操作，對通量化生物試劑分配系統(tǒng)分配性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，在分配試劑種類、期望體積改變時，該系統(tǒng)依然可以實(shí)現(xiàn)自動化精確體積試劑分配操作。分配體積大于lμl時，重復(fù)分配精度優(yōu)于3CV％；當(dāng)分配試劑體積達(dá)到0.1μl時，分配重復(fù)精度優(yōu)于6%(CV)。滿足了通量化生物試驗(yàn)過程中對微量試劑快速、精確、自動化分配需求，促進(jìn)生物工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)操作水平的快速發(fā)展。