冉晶晶,文 紅,羅雅梅,王 斌,楊練根
(1 湖北工業(yè)大學機械工程學院,湖北 武漢 430068; 2 湖北省食品質量安全監(jiān)督檢驗研究院,湖北 武漢 430068)
樣品分析廣泛應用于食品安全、藥檢、農殘及生物醫(yī)療等研究領域[1-3]。樣品前處理占整個樣品分析過程總時間的61.0%[4],是一個非常耗時、繁瑣且容易引入分析測定誤差的過程。在消解法、溶劑提取和萃取等樣品前處理技術中,溶液轉移是各項研究實驗的基礎操作之一。樣品前處理設備大多仍然以單一功能產品為主,特別是需要使用溶劑的樣品前處理技術,大多有樣品位置少,自動化程度低等不足之處[5-6]。多通道可調移液器[7]在一定程度上提高了移液效率,有效減少了人工操作的重復次數(shù),但是其操作過程中仍需人工實現(xiàn),這就導致實驗中容易產生誤差、耗時長、勞動強度大等問題。近年來出現(xiàn)的一種移液工作站[8]以機器代替人工實現(xiàn)整個移液工作,但是價格昂貴且功能單一。筆者綜合溶劑處理技術與超聲提取技術,設計一種具有多種溶劑、多個樣品位置,超聲提取[9-10]等功能的全自動樣品前處理平臺,實現(xiàn)自動化操作代替手工,提高了分析檢測實驗室的檢測效率和檢測結果的準確性。
平臺結構由機架、移液系統(tǒng)、三維運動機構、超聲提取裝置和電控硬件系統(tǒng)組成,具有10個溶劑位,96個樣品位置,2個超聲提取裝置,可充分滿足樣品前處理過程中對溶劑的需求,并有效提高檢測效率。平臺的系統(tǒng)原理如圖1所示,上位機具有用戶界面和軟件處理系統(tǒng),與下位機通過RS-485串口方式進行通訊,控制注射泵、三維運動機構和超聲提取裝置,使其自動化完成相應的操作。
圖1 樣品前處理平臺系統(tǒng)
樣品前處理平臺采用上位機與下位機主從控制模式,用戶在界面上編制樣品前處理方案與實驗方案,軟件系統(tǒng)將方案轉換成數(shù)據(jù)并處理。平臺的工作流程如圖2所示,三維運動機構帶動移液針管,對廢液槽和樣品位置進行準確定位,完成溶劑的轉移與配制。平臺具有清洗、潤洗和超聲處理的功能,軟件控制系統(tǒng)實現(xiàn)了整個過程的自動化操作。
圖2 樣品前處理平臺工作流程
移液系統(tǒng)由注射泵、溶劑位、移液針管和管路系統(tǒng)組成,其核心控件是注射泵,由注射器、分配閥、驅動電機及電路部分組成。注射器的體積容量規(guī)格的范圍為50 μL~50 mL,既能實現(xiàn)高通量液體轉移,又能滿足微量液體轉移的需求。注射器電機驅動模式包括正常模式和微步模式,其電機步數(shù)范圍如表1所示。
表1 注射泵電機驅動模式
不同電機驅動模式既可以實現(xiàn)微量進液,也可實現(xiàn)多容量進液,以步數(shù)的方式發(fā)送脈沖指令,可簡化轉移試劑體積與注射器電機脈沖之間的關系。在兩種不同模式下,高精度注射泵步數(shù)與試劑體積數(shù)之間關系式:
(1)
其中:X為電機驅動活塞步數(shù);V為注射泵最大容量;V1為所需要的溶劑體積;N為注射器滿體積對應的總步數(shù)。
分配閥具有12個閥口,可配置10種溶劑,其中閥口1為空氣端,處于常開狀態(tài);閥口2~11為試劑入口端,閥口對應的試劑種類根據(jù)實驗需求進行配置;閥口12為試劑出口端。
移液控制系統(tǒng)的原理如圖3所示,上下位機之間通過RS-485串口通訊方式控制注射泵的工作過程。根據(jù)不同的實驗要求隨時改變所需轉移的試劑體積,注射泵的吸液指令也將是一個變量。上位機將實驗方案的數(shù)據(jù)轉換成注射器電機步數(shù),由軟件系統(tǒng)生成注射器吸液指令發(fā)送至注射泵。其他步驟的指令均為固定格式,因此上位機下達指示指令之后,由下位機向注射泵發(fā)送動作指令。在注射泵整個工作過程中,下位機負責持續(xù)掃描詢問其工作狀態(tài),直至注射泵返回“不忙”指令。下位機將結果反饋至上位機,以使上位機進行下一步指示。注射泵發(fā)生故障時,下位機也將故障結果反饋給上位機,上位機對故障信息作出處理。
圖3 移液系統(tǒng)控制原理
為減少手工操作,提高工作效率,本平臺設計有96個樣品位和6個移液針管。向樣品管中添加試劑時,由三維運動機構帶動移液針管對樣品位置進行準確定位。傳動系統(tǒng)硬件部分主要由步進電機、電機驅動器、繼電器、接近開關和控制系統(tǒng)組成。
本樣品前處理平臺共有96個樣品位置,分為樣品區(qū)域1和樣品區(qū)域2。規(guī)定樣品區(qū)域具有3個X軸坐標值,分別代表x0廢液槽位置、x1樣品區(qū)域1的位置、x2樣品區(qū)域2的位置;樣品區(qū)域具有9個Y軸坐標值,分別代表y0廢液槽位置,y1至y8第一排至第八排樣品位置。其中x0與y0的交點為傳動系統(tǒng)原點位置,即廢液槽的中心。傳動系統(tǒng)定位示意圖如圖4所示,圖中X、Y軸上標注的位置均安裝接近開關傳感器,方便傳動系統(tǒng)定位校準。
圖4 傳動系統(tǒng)定位
在進行樣品前處理實驗之前,平臺由用戶在界面上進行方案編制,軟件系統(tǒng)對方案進行數(shù)據(jù)轉換和處理,生成指令發(fā)送至下位機,下位機控制電機驅動器將脈沖發(fā)送至步進電機。在進行清洗、潤洗和超聲實驗工序時,移液針管在原點的位置。移液工序的位置定位則與實驗中規(guī)定的前處理樣品的位置區(qū)間有關,其傳動系統(tǒng)的移液定位過程如下:1)用戶確定待處理樣品區(qū)間[I,J];2)計算出樣品起始數(shù)I所在樣品區(qū)域、所在排數(shù)yn;3)若起始數(shù)所在樣品區(qū)域為1,則X軸方向左移x1,Y軸方向前移Δy+(yn-1)×Δx;若起始數(shù)所在樣品區(qū)域為2,則X軸方向右移x2,Y軸方向前移Δy+(yn-1)×Δx;4)計算出樣品終止數(shù)J所在樣品區(qū)域、所在排數(shù)ym;5)若起始數(shù)和終止數(shù)所在樣品區(qū)域一樣,則在第(3)步基礎上,Y軸方向逐次前移Δx,直至第ym排,若起始數(shù)和終止數(shù)所在樣品區(qū)域不同,即起始數(shù)所在樣品區(qū)域為1,終止數(shù)所在樣品區(qū)域為2,則在第(3)步基礎上,Y軸方向逐次前移Δx,直至y8,在X軸方向右移x1+x2,Y軸方向后移7Δx至y1,到達樣品區(qū)域2的第一排位置,最后Y軸方向逐次前移Δx,直至第ym排;6)移液工序完成,返回原點位置。
超聲提取技術是一種重要的樣品前處理技術,利用超聲產生的熱效應、機械動作使樣品內部的可溶性物質快速釋放、擴散并溶解進入溶劑中。超聲波處理可使混合溶液達到分層效果,為后續(xù)分析處理做準備。
超聲提取裝置具有手動按鈕控制和自動化控制兩種方式。兩者的控制原理是相同的,都是由上位機發(fā)送超聲指令至下位機,下位機通過繼電器控制超聲提取裝置,對樣品進行一定時間、一定功率的超聲處理。所不同的是。前者通過按鈕控制,可單獨調用平臺的超聲功能,由用戶掌握超聲時間,可隨時啟用或終止,提高了超聲提取裝置的利用率,且操作方式比較靈活;后者由用戶在編制樣品前處理方案時設置相關參數(shù),啟動開始實驗按鈕后,平臺自動完成設備清洗、溶劑轉移、機械傳動和超聲處理等一系列工序,無需中途手動介入。
平臺的上位機系統(tǒng)要完成實驗流程的設計、前處理方案信息的管理,并對平臺實驗狀態(tài)進行監(jiān)控和顯示。設計出軟件系統(tǒng)功能如圖5所示。整個系統(tǒng)的功能分為5個模塊。這些模塊之間是相互交叉且具有邏輯遞進的關系。例如:將參數(shù)設置模塊輸入的試劑名稱生成一維數(shù)組嵌入到前處理方案編制和實驗序列編制模塊中調用,方便用戶操作;串口通訊模塊需要的指令均在實驗主程序模塊生成等。
圖5 軟件系統(tǒng)的功能結構
軟件系統(tǒng)控制平臺實現(xiàn)自動化移液與超聲提取功能,在開始實驗之前需要進行參數(shù)設置、樣品前處理方案編制及實驗序列編制。
3.2.1 參數(shù)設置模塊平臺具有6個注射泵,其對應設備地址號為1—6。首次使用需在參數(shù)設置模塊中對試劑名稱進行定義并保存,后續(xù)使用時系統(tǒng)將默認讀取試劑信息。當更改試劑瓶中的溶劑類型時,參數(shù)設置模塊中對應的試劑名稱也應更改并保存。
3.2.2 前處理方案編制模塊為消除溶劑之間的交叉污染、提高溶液配置精度、加快檢測效率,設計了樣品前處理平臺的實驗流程。該流程具備自動清洗和校準溶劑體積的功能,包括以下幾個工序。
1)清洗:由用戶選擇一種試劑作為清洗劑,注射泵通過多次吸液吐液,清除氣泡與雜質,并將注射器內壁和出液管道內部完全填充清洗劑,消除交叉污染。
2)潤洗:選用即將向樣品管中添加的試劑作為潤洗試劑,使注射泵進行多次吸液吐液操作,將注射器內壁和出液管道內部完全填充所需試劑,確保精確的試劑體積數(shù)。
3)試劑添加:將所需試劑添加到待處理的樣品管中,通過控制步進電機,使三維運動機構帶動移液針管,對樣品序列位置進行定位。
4)超聲提取處理:超聲提取處理使樣品內部的可溶性物質快速釋放、擴散并溶解進入試劑中,加速實驗過程。此外超聲波處理可使混合溶液達到分層效果,為后續(xù)樣品分析做準備。
大多數(shù)樣品前處理實驗均需要使用多種試劑,向樣品中每添加一種試劑均需執(zhí)行上述工序,數(shù)據(jù)管理模塊對前處理方案進行保存、修改或另行保存等操作處理。
3.2.3 實驗序列編制模塊完成參數(shù)設置和前處理方案編制之后,才能進行實驗序列編制,其軟件系統(tǒng)原理如圖6所示。為了增加本平臺的適用范圍,提高工作效率,設計了實驗序列編制模塊。每個實驗序列包括實驗方案、實驗處理樣品數(shù)量、序列執(zhí)行狀態(tài)三個參數(shù)。樣品處理數(shù)量范圍為1~96 位,序列執(zhí)行狀態(tài)分為“已完成”“進行中”“等待”三種。
圖6 實驗序列編制軟件系統(tǒng)
狀態(tài)機是LabVIEW程序設計中最常用的設計模式之一,常用在診斷、過程檢測和控制等算法中。狀態(tài)機主要由一個主循環(huán)和一個Case結構組成,利用移位寄存器來實現(xiàn)狀態(tài)的跳轉。結合樣品前處理平臺的功能需求,分析得到平臺實驗流程的5個循環(huán)結構,包括實驗序列數(shù)循環(huán)、試劑數(shù)循環(huán)、工序循環(huán)、機械移動循環(huán)、移液次數(shù)循環(huán).平臺可通過控制按鈕對實驗狀態(tài)機進行啟動、暫停、繼續(xù)、停止等中斷操作。實驗狀態(tài)機程序流程如圖7所示,其中變量i、j、n、s、k的初始值均為1,最大值由樣品前處理方案和實驗序列方案的參數(shù)計算而得。
圖7 平臺實驗循環(huán)流程
對樣品前處理平臺的移液性能進行測試,得到其移液精度,測試條件如表2所示。
表2 前處理平臺性能測試的實驗條件
在室溫25℃的條件下,以蒸餾水作為移液精度的測量介質。測量儀器為電子精密天平秤,最大稱重為250 g,最小讀值為0.0001 g,具有精度高,操作方法簡單的優(yōu)點。選用規(guī)格為100 mL的燒杯作為測量出液質量的工具。在檢驗此移液模塊的移液精度時,采用各通道輸入的理論體積與輸出的實際體積差值的方法。
經測試發(fā)現(xiàn),平臺移液精度的影響因素包括注射器的吸吐液速度和軟管長度。注射泵默認的初始速度為900步/s。由于吸液管道的內徑只有1.6 mm,當注射泵吸液速度為900步/s時,注射器內產生大量氣泡,而當速度降低時,氣泡數(shù)量變少。因此,測試了吸吐液速度分別為900、800、600、500、400 步/s時的移液精度,每種速度下選擇5 ,10,15,20 mL四組不同體積的理論值,各理論值測量10組數(shù)據(jù)。計算每組實驗值的平均絕對誤差,獲得不同吸吐液速度下移液精度的準確率(圖8)。
圖8 不同吸吐液速度下移液精度的準確率
實驗現(xiàn)象表明,速度越低噪音越大,工作效率也隨之降低,而移液精度卻沒有明顯上升,考慮移液速度過大帶來的氣泡問題,故選擇吸吐液速度為600步/s。由準確率曲線擬合一次方程作為補償函數(shù),優(yōu)化吸吐液指令算法:
y=0.995x-0.0768
(2)
式中:y表示理論體積值,即用戶編制前處理方案時輸入的體積數(shù);x表示注射泵實際的吸液值。
測得平臺的實際移液數(shù)據(jù)如表3所示,可見移液精度范圍達到了±0.05 mL。
表3 吸吐液速度600步/s下的體積測量值 mL
基于溶解法設計的樣品前處理平臺可以批量處理96個樣品,配制10種溶劑,滿足前處理實驗中對溶劑的需求。平臺綜合了溶劑處理與超聲提取技術,加快了溶劑與樣品之間的融合,提高樣品前處理效率。自動化清洗和潤洗操作,可避免溶劑之間的交叉污染,并保證了溶液配制的精度。該平臺自動化程度高,可廣泛應用于基于溶解法的樣品前處理技術,彌補了手工配制溶液所帶來的勞動力大、效率低、誤差源較多、反應時間較長等不足。