[发明专利]智能非接触式分配微量生物试剂的方法及其分配系统

说明书

(一)技术领域

本发明涉及生物工程技术领域，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)背景技术

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技术领域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，目前已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。

(三)发明内容

本发明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。

本发明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。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v₀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v₀-dt时，关闭电磁阀，并记录此时的开启时间t₀，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。