基于双特异分子探针技术的赤潮藻自动化分析仪研制

论文摘要

随着人类活动及工农业生产的快速发展,海洋为我们提供丰富食品和能源的同时,其自身的环境却日趋恶化,赤潮等海洋灾害频繁发生。而目前的赤潮检测手段不仅劳动强度大,且影响到检测数据的准确性、代表性和时效性,达不到海洋环境预报对赤潮检测实时快速的要求。因此,研制船载快速现场检测系统成为海水水质检测的迫切需要。本课题就是在这样的背景情况下提出来的。 本课题属于国家高技术研究发展计划（863计划）资源环境领域的海洋监测技术课题。核心任务是研制船载快速现场检测系统,使我国具备海洋生态环境现场快速监测能力。基于双特异分子探针技术的赤潮藻自动化分析仪是将DNA分子探针生物技术与机械设计、计算机控制技术、检测技术、电机控制技术等有机融合为一体的船载型机电一体化精密仪器。分析仪采用三自由度机械手作为传输机构,集成了海水采样预处理系统及生化分析所需的供应装置、电子移液器、孵育器、洗板机、酶标仪等仪器模块,实现了赤潮藻采样、处理、分析的全自动化。 在生物分析技术研究和功能分析的基础上,将基于双特异分子探针赤潮藻检测技术与机电控制技术有机融合,制定了总体方案,设计了分析仪总体结构;对自动生化分析工艺流程中的关键技术进行了深入研究,采用了模块化设计思路,研发了一些新颖的机-电-气一体化模块,准确地实现连续过滤、超声波破碎、移液、加液及恒温震荡等复杂动作;设计了具有夹持定量移液器和转移酶标板双重功能,并可按规划路径完成动作的机械手,开发了控制程序,机械手工作可靠,运动灵活;利用虚拟样机技术完成了对分析仪的实体模型和运动仿真,缩短了研制周期,提高了分析仪的设计质量;通过对分析仪安装、调试和运行过程的分析总结,对自动生化分析仪的改进设计进行了展望。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及来源
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 课题来源
• 1.2 赤潮监测的国内外现状及研究意义
• 1.2.1 赤潮监测的国内外现状
• 1.2.2 研究意义
• 1.3 赤潮藻分析技术简介
• 1.3.1 赤潮藻分析技术发展状况
• 1.3.2 双特异分子探针分析技术简介
• 1.3.3 基于双特异分子探针检测技术的应用
• 1.4 研究目标、研究内容及技术路线
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 技术路线
• 2 分析仪的功能需求分析与总体结构
• 2.1 分析仪功能需求分析
• 2.1.1 分析仪的检测工艺研究
• 2.1.2 分析仪的功能需求分析
• 2.2 设计思想及分析仪的组成
• 2.2.1 设计思想
• 2.2.2 分析仪的组成
• 2.3 分析仪的总体结构
• 2.3.1 总体结构
• 2.3.1.1 总体设计
• 2.3.1.2 各模块功能
• 2.3.2 样品生化分析动作过程
• 2.3.3 器件、材料选用
• 2.3.3.1 选用原则
• 2.3.3.2 洗板机、酶标仪的选择
• 2.3.3.3 工作台、机械手的设计与选用
• 2.4 虚拟样机技术在分析仪研制中的应用
• 3 分析仪的关键技术研究
• 3.1 海水预处理技术的研究
• 3.1.1 预处理模块功能原理
• 3.1.2 液流控制系统
• 3.1.3 水样分配接口协议
• 3.1.4 过滤分离
• 3.1.4.1 膜分离技术
• 3.1.4.2 超滤系统设计
• 3.1.4.3 过滤分离的结构设计
• 3.1.5 超声裂解破碎
• 3.1.6 避免水样交叉影响的措施
• 3.1.7 自动连续预处理的实现
• 3.2 S1酶保护分析器的研究
• 3.2.1 S1酶保护分析的特性
• 3.2.2 S1酶保护分析器的研制
• 3.3 定量移液技术的研究
• 3.3.1 移液量的规划
• 3.3.2 定量移液模块结构
• 3.3.3 不同通道作业的情况
• 3.3.4 定量移液模块控制程序
• 3.4 孵育器研究
• 3.4.1 孵育器功能分析
• 3.4.2 孵育器设计
• 3.5 微型气动控制系统
• 3.5.1 气动控制技术的特点
• 3.5.2 微型气动技术在分析仪中的应用
• 4 生化分析仪三维机械手控制系统
• 4.1 分析仪自控系统总体方案
• 4.2 机械手控制硬件及软件
• 4.2.1 机械手模块方案设计
• 4.2.1.1 伺服电机与控制系统
• 4.2.1.2 交流伺服电机的特点
• 4.2.1.3 交流伺服电机驱动系统在分析仪中的应用
• 4.2.2 机械手自控系统的硬件设计
• 4.2.2.1 伺服运动控制板电路设计
• 4.2.2.2 伺服运动控制板CPLD内部硬件逻辑设计
• 4.2.3 机械手自控系统的软件设计
• 4.2.3.1 机械手路径规划
• 4.2.3.2 机械手控制算法
• 4.2.3.3 机械手控制程序设计
• 5 仪器调试与课题展望
• 5.1 仪器运行调试
• 5.2 课题展望
• 5.2.1 机械系统设计方案选择
• 5.2.1.1 机械手夹持机构及定量移液装置的改进展望
• 5.2.1.2 孵育器改进设想
• 5.2.1.3 洗板机、酶标仪整合展望
• 5.2.2 控制系统方案选择
• 6 结论
• 参考文献
• 致谢