[发明专利]一种基于波纹图像识别的高精度液面检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于波纹图像识别的高精度液面检测系统及方法，利用压电换能器(PZT)使处于下降过程中的末端执行器产生高频振动，在其下降接触液面的过程中在液面产生波纹，通过图像识别技术识别接触瞬间波纹的产生实现对末端执行器针尖与液面接触时刻位点的判断，实现针尖与液面的接触定位关键在于产生形态可辨识的波纹以及波纹的图像识别，本发明可用于需要精准判断液面的全自动化微纳操作仪器领域，在药物分发、食品、饮料加工、生化分析等涉及液体样本处理的场合具有广阔应用前景。

技术领域

本发明属于生物化学技术领域，涉及液体样本的液面检测仪器及方法，尤其涉及一种基于波纹图像识别的高精度液面检测系统及方法。

背景技术

传统的生化分析仪器通过对人体内的液体环境如血液、尿液以及细胞代谢培养液等检测，可以快速为医生和化学检测人员提供检测依据，在临床诊断分析以及生化检测中占据着重要。在生化监测分析系统中需要提取特定的待测液体并进行移液的操作，一个完整的移液过程包括提取移液器、液位检测、吸取样本、转移移液器、分发样本等操作，实现整个移液过程的全自动化操作不仅可以减轻医疗检测人员及生化科研人员的繁琐工作，而且更有助于生化定量检测分析、保障数据精度与可靠性。此外，微纳级别单细胞研究的最新进展要求自动液体处理系统具有空前的能力，以处理小体积的液体介质甚至小液滴(nL至pL的体积)，来用于基于单细胞的测序，代谢组学和蛋白质组学的分析。

其中可靠稳定的液位检测技术是实现全自动化的核心关键。

为了自动工作，液体处理系统需要检测液位，然后将末端执行器(例如，移液管，微针等)转移到所需的液体目的地。液位检测技术能够保证末端执行器底部的针尖迅速下降的时候，通过实时探测液面所在的位置及时判断样本容器中是否有足够的样本可以进行检测。通过液位检测获取液面与针尖的位置信息以保证在针尖不插入液面过深的情况下获取准确液量，从而最大限度减少由于移液针尖的挂液现象引起的携带污染，降低仪器的携带污染率并有助于提高分析精度。此外，微纳操作中用作末端执行器的玻璃微针的尖端直径在μm级别非常小并容易碎裂，精确检测液位能够实现在微纳液体环境下成功进行精密的微操作。但是目前的液位检测技术检测精度及使用条件受限，尤其是难以用于微生物显微操作领域。目前常用的液位检测的技术主要分为接触式以及非接触式。其中传统的接触式测量包括热力法、机械振动法、电阻法、电容法、气压法；非接触法包括超声法、激光法、电磁法。然而这些技术都有一定的应用局限性。非接触式检测方法具有更长的检测范围和更高的准确度，在许多情况下被广泛使用。但是由于其传感器探头不是直接操纵液体的探头，因此实际应用中引入了另外一个问题即需要另外确定末端执行器的位置。热力法由于传感器冷却的响应时间有限，因此最高精度在100μm左右。机械振动法能够检测泡沫或瓶盖下的液位，但是由于必须将末端执行器浸入液体中100-200μm以引起可测量的有效阻尼共振才能实现测量，所以其精度限制为100μm。电阻法检测与液体接触时的电阻变化可以达到2μm的精度，但这种方法不适用于非导电液体的检测。电容法虽然对液体导电性没有要求，但需要在待测液体容器下方添加一块额外的金属板。气压法适用于一般条件下的大多数液体，但是需要高灵敏度的压力传感器来检测毛细管中压力变化，且传感器探头加工复杂成本高，难以在微纳操作中实现互换性测量。

综合来看，现有的液面检测仪器及方法主要存在以下问题：

1)可检测的液体类型受到限制，或需额外的实验设置：目前大多数检测技术对待测液体的属性有要求，如电阻法要求液体导电；或者检测方法受液体性质影响较大，如电磁法由于电磁衰减随液体的介电常数而变化，从而导致测量精度随液体性质而变化，难以实现对实验室或者工业中的常见液体的通用性测量。此外，为了实现测量，有些技术如电容法需要额外在容器底部设置金属板，增加了设备环境配置要求。

2)液面检测精度低：目前已有的技术大多对液位的测量精度在μm级别，难以提供nm级的定位精度以满足微纳操作的要求。

发明目的