论文摘要
微量生物试剂快速、精确的分配操作,是蛋白质结晶操作、新药研制、基因测序、生物化学实验等生物工程技术领域不可或缺的实验手段。特别是随着高通量筛选技术的发展和进步,实验中需要分配的试剂种类繁多,分配体积越来越小,采用手工操作已经不能满足微量、精确、快速的试剂分配要求。因此,研究自动化的微量生物试剂分配技术对提高分配精度、减少分配体积、提高分配速度,从而促进生物工程领域实验技术水平的提高,具有重要意义。在国家863高技术研究发展计划项目“面向通量化生命科学实验的微量生物试剂分配技术研究”(编号:2007AA04Z311)和“具有自检测功能的微型精密压电泵研究”(编号:2007AA04Z336)的资助下,本文针对生物工程领域高通量实验操作中液体试剂分配要求,开展了微量试剂自动化分配技术和设备研究。并且,在微量试剂分配理论、通量化试剂分配过程中微流量检测技术和分配体积精确智能控制方法等方面进行了深入研究。最后,成功研制了基于阀开关原理、具有控制参数自校准功能的非接触式微量试剂自动化分配系统,满足了通量化试剂分配过程中分配体积小、操作快、重复精度高,操作灵活,适用试剂范围广等需求。首先,采用集总参数法建立了系统等效模型,对液体在分配管路中流动特性进行了分析,指出管路尺寸结构对分配过程影响。并且,采用计算流体动力学仿真分析方法对液滴形成、脱落过程及其影响因素进行了分析。在此基础上,指出液滴分配后能够与喷嘴脱落实现非接触式分配时分配压力、液体粘度、密度、张力、喷嘴尺寸和分配体积等参数必须满足的条件。这为充分理解试剂分配机理,合理确定控制策略,指导非接触式试剂分配系统设计提供了理论基础。为解决通量化实验中试剂种类多、体积范围广,从而影响分配精度的问题,研制了基于压差原理的MEMS微流量传感器,实现了试剂分配过程中微流量快速检测。这为采用闭环控制方法进行精确体积试剂分配提供了技术基础,提高了分配精度和可靠性。本文将对传感器的结构设计、加工制造、特性分析以及标定测试和实验研究进行详细阐述。在精确体积试剂控制方法研究过程中,提出基于电磁阀延迟补偿和模糊控制策略的复合智能控制方法。采用该种控制方法,试剂分配系统可以在液体种类、期望体积改变的情况下,最快通过一次预分配调整即可确定合适的电磁阀开启时间。并且,在压力波动、外界扰动、以及温度变化引起的试剂粘度微变等一些不确定因素干扰下,依然可以自动调整电磁阀开启时间,从而实现精确体积试剂操作。摆脱了大量人工试验校准步骤,实现针对多品种、变体积试剂的灵活自动化微量分配操作。在以上关键技术研究基础上,搭建了通量化生物试剂分配系统。该系统通过调整压力和电磁阀开启时间控制分配试剂体积。独特的管路配置使电磁阀与待分配试剂隔离,避免电磁阀堵塞,提高了可靠性和寿命;以流体作为系统液提高了驱动能力和响应速度,更易实现非接触式分配操作;系统液和分配试剂间采取气柱或油柱隔离减少试剂污染。该系统集成微流量传感器并采用智能复合控制策略,实现了自动化参数校准和调整,在各种外界扰动条件下依然可实现精确体积试剂分配。同时,该系统具有流速信息及分配状态监控功能,提高了分配可靠性。最后,针对几种不同粘度试剂进行变体积分配操作,对通量化生物试剂分配系统分配性能进行了测试。结果表明,在分配试剂种类、期望体积改变时,该系统依然可以实现自动化精确体积试剂分配操作。分配体积大于lμl时,重复分配精度优于3CV%;当分配试剂体积达到0.1μl时,分配重复精度优于6%(CV)。满足了通量化生物试验过程中对微量试剂快速、精确、自动化分配需求,促进生物工程技术领域实验操作水平的快速发展。
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标签：非接触式分配论文; 微机电系统论文; 流量传感器论文; 液体试剂操作系统论文;