移液工作站原位检测的光学设备及其工作方法

技术领域

本发明涉及大型设备的精密检测的技术领域，尤其涉及一种移液工作站原位检测的光学设备，以及这种移液工作站原位检测的光学设备的工作方法。

背景技术

移液工作站是是一种自动化液体处理平台系统，是超微容量移液装置的一种，具有一定量程范围，可将液体从容器内吸出，移入另一容器内的装置，通常具有上百通道(通常为96通道、384通道等)，可以取代传统的移液工具，自动完成梯度稀释、移液以及合并液体等高精度的液体处理任务，最终服务于目标物质的高效、精确检测。该装置的应用领域包括但不限于：医学领域，例如核酸检测；生物领域，例如基因测序；食品领域，例如准确测量食品中某项成分的含量；环境领域，例如准确分析污染物容量；石化领域，例如准确测量油脂、燃料或者润滑剂的容量。

移液工作站的移液精度要求高，其工作量值准确与否与分析试验结果的准确性密切相关，尤其对定量分析的影响更为显著。此外，移液工作站的体积庞大，难以移动，因此存在原位检测需求。

目前，超微容量液体测量方法主要包括图像处理方法、化学滴定方法、静力称量法。其中，图像处理方法通过分析高速相机获取的图像测量液体体积，该方法由于液体形状拾取不准确导致重复性不佳。化学滴定法依据溶液之间的化学反应来实现溶液的定性或定量分析，该方法中滴定终点的判断误差极大地降低了实验准确性。静力称量法采用高精度的电子天平称量蒸馏水或纯水的质量，由质量与密度计算出移液器转移的液体体积，对测量环境要求高。静力称量法精度高、重复性好，是最常用的微小容量检测方法。但是该方法难以实现具有上百通道的移液工作站的原位检测。移液工作站体积庞大，需要现场原位校准，而天平又难以集成至移液工作站当中且其对测量环境要求较高，因此难以实现原位检测。测量过程存在明显液体蒸发，对测量精度影响大。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种移液工作站原位检测的光学设备，其可以集成至体积庞大的移液工作站当中，满足移液工作站原位检测的需求，对测量环境要求低，减轻了溶液蒸发对测量的不利影响，能够实现移液工作站多个移液通道的并行检测，极大地提高检测效率。

本发明的技术方案是：这种移液工作站原位检测的光学设备，其包括：光源(1)、光纤(2)、光纤准直器(3)、滤光片(4)、加样单元(5)、透镜(6)、光电传感器(7)、测量孔板(8)、皮带(9)、电机(10)；

移液工作站具有x×y个移液通道，x，y为正整数，测量孔板具有x×y个加样单元，利用光纤把光源的信号分为n个光路通道，n＝x或y，光纤与光纤准直器相连获得准直光束，n个光路通道的每个光路结构均一致，包括光纤准直器、滤光片、加样单元、透镜以及光电探测器，光束在准直后利用滤光片获得所需波长的光束，从加样单元的上方垂直入射，从加样单元的下方出射并入射至透镜，然后入射至光电探测器，加样单元内放置待测量液体并挨个置于测量孔板的小孔中，加样单元彼此之间互不透光，测量孔板通过皮带与电机相连，带动测量孔板移动从而改变光束所入射的加样单元，控制测量孔板高速震荡，通过光电传感器获得每个光路的光强。

本发明移液工作站具有x×y个移液通道，x，y为正整数，测量孔板具有x×y个加样单元，利用光纤把光源的信号分为n个光路通道，n＝x或y，光纤与光纤准直器相连获得准直光束，n个光路通道的每个光路结构均一致，包括光纤准直器、滤光片、加样单元、透镜以及光电探测器，光束在准直后利用滤光片获得所需波长的光束，从加样单元的上方垂直入射，从加样单元的下方出射并入射至透镜，然后入射至光电探测器，加样单元内放置待测量液体并挨个置于测量孔板的小孔中，加样单元彼此之间互不透光，测量孔板通过皮带与电机相连，带动测量孔板移动从而改变光束所入射的加样单元，控制测量孔板高速震荡，通过光电传感器获得每个光路的光强，因此可以集成至体积庞大的移液工作站当中，满足移液工作站原位检测的需求，对测量环境要求低，减轻了溶液蒸发对测量的不利影响，能够实现移液工作站多个移液通道的并行检测，极大地提高检测效率。

还提供了移液工作站原位检测的光学设备的工作方法，其包括以下步骤：

(1)待测液体配置；

(2)检测基底液单位长度吸光度a

(3)检测测量液单位长度吸光度a

(4)测量孔板中的所有加样单元为空；

(5)利用电机和皮带，带动测量孔板移动，使得测量孔板的第一行加样单元的中心位于光路通道中心；

(6)切换滤光片至波长为730nm的滤光片；

(7)光电传感器测量每个光路通道的光强；

(8)电机和皮带配合带动测量孔板移动使得测量孔板的第二行的加样单元的中心位于光路通道中心，然后光电传感器测量每个光路通道的光强，重复该步骤直至测量孔板的最后一行，上述测量孔板中所有加样单元所对应的光电传感器所测量的光强构成矩阵I

(9)切换滤光片至波长为520nm的滤光片，重复步骤(6)和步骤(7)，获得矩阵I

(10)测量孔板中的所有加样单元中注入一定体积的基底液；

(11)利用待检测的移液工作站在所有加样单元中注入待测超微容量体积的测量液；

(12)利用电机和皮带，带动测量孔板高速震荡，混匀基底液和测量液；

(13)切换滤光片至波长为730nm滤光片，重复步骤(7)和步骤(8)，获得矩阵I

(14)切换滤光片至波长为520nm滤光片，重复步骤(7)和步骤(8)，获得矩阵I

(15)计算吸光度A

A

(16)计算基底液和测量液的混合液体的高度L：

(17)计算基底液和测量液的混合液体的体积V

若加样单元为圆柱体，则θ＝0；若加样单元为圆台，则θ为圆台的轴与母线的夹角；

(18)计算吸光度A

A

(19)计算待测超微容量体积V

附图说明

图1是根据本发明的移液工作站原位检测的光学设备的结构示意图。

图2是根据本发明的具有96个加样单元的测量孔板示意图。

图3是根据本发明的移液工作站原位检测的光学设备的工作方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、设备、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

鉴于图像处理方法、化学滴定方法、静力称量法均不适合移液工作站原位检测，发明人经过长时间的思考和无数次实验，找到了一种移液工作站原位检测的方法—光度法。光度法基于朗伯比尔定律，利用吸光液体溶质体积、溶液浓度、溶液吸光度正相关的原理，通过测量溶液吸光度的变化，反推溶液中溶质体积的变化。发明人依据该方法所构建的测量设备结构轻巧，可以集成至移液工作站当中，能够实现原位检测。此外，该方法对测量环境要求低，减轻了溶液蒸发对测量的不利影响。利用该方法可以实现移液工作站多个移液通道的并行检测，极大地提高检测效率。

如图1所示，这种移液工作站原位检测的光学设备，其包括：光源1、光纤2、光纤准直器3、滤光片4、加样单元5、透镜6、光电传感器7、测量孔板8、皮带9、电机10；

移液工作站具有x×y个移液通道，x，y为正整数，测量孔板具有x×y个加样单元，利用光纤把光源的信号分为n个光路通道，n＝x或y，光纤与光纤准直器相连获得准直光束，n个光路通道的每个光路结构均一致，包括光纤准直器、滤光片、加样单元、透镜以及光电探测器，光束在准直后利用滤光片获得所需波长的光束，从加样单元的上方垂直入射，从加样单元的下方出射并入射至透镜，然后入射至光电探测器，加样单元内放置待测量液体并挨个置于测量孔板的小孔中，加样单元彼此之间互不透光，测量孔板通过皮带与电机相连，带动测量孔板移动从而改变光束所入射的加样单元，控制测量孔板高速震荡，通过光电传感器获得每个光路的光强。

本发明移液工作站具有x×y个移液通道，x，y为正整数，测量孔板具有x×y个加样单元，利用光纤把光源的信号分为n个光路通道，n＝x或y，光纤与光纤准直器相连获得准直光束，n个光路通道的每个光路结构均一致，包括光纤准直器、滤光片、加样单元、透镜以及光电探测器，光束在准直后利用滤光片获得所需波长的光束，从加样单元的上方垂直入射，从加样单元的下方出射并入射至透镜，然后入射至光电探测器，加样单元内放置待测量液体并挨个置于测量孔板的小孔中，加样单元彼此之间互不透光，测量孔板通过皮带与电机相连，带动测量孔板移动从而改变光束所入射的加样单元，控制测量孔板高速震荡，通过光电传感器获得每个光路的光强，因此可以集成至体积庞大的移液工作站当中，满足移液工作站原位检测的需求，对测量环境要求低，减轻了溶液蒸发对测量的不利影响，能够实现移液工作站多个移液通道的并行检测，极大地提高检测效率。

优选地，所述光源为复色光源，至少具备520nm和730nm两种波长。

优选地，所述滤光片包含520nm和730nm两种波长的滤光片，每个光路通道中的滤光片均通过电机同步驱动，实现两种滤光片的切换。

优选地，所述测量孔板是一个一体化结构，其中的加样单元个数及其分布与移液工作站的移液通道数、光路通道数以及测量孔板在多通道超微容量检测系统中的摆放方式相关；所述加样单元的形状为圆柱体或圆台。

优选地，光源采用卤素灯，覆盖波段范围为350nm～2500nm，光纤采用多模光纤，把光源信号分为n＝8个光路通道，光线准直器采用非球面光纤准直器，滤光片分别采用波长为520nm和730nm的滤光片，测量孔板中的加样单元采用圆台，透镜采用硼硅酸盐冕玻璃制透镜，光电传感器采用硅光电二极管，测量孔板采用具有8×12个加样单元的测量孔板，皮带采用抗静电皮带，电机采用步进电机。

如图3所示，还提供了移液工作站原位检测的光学设备的工作方法，其包括以下步骤：

(1)待测液体配置；

(2)检测基底液单位长度吸光度a

(3)检测测量液单位长度吸光度a

(4)测量孔板中的所有加样单元为空；

(5)利用电机和皮带，带动测量孔板移动，使得测量孔板的第一行加样单元的中心位于光路通道中心；

(6)切换滤光片至波长为730nm的滤光片；

(7)光电传感器测量每个光路通道的光强；

(8)电机和皮带配合带动测量孔板移动使得测量孔板的第二行的加样单元的中心位于光路通道中心，然后光电传感器测量每个光路通道的光强，重复该步骤直至测量孔板的最后一行，上述测量孔板中所有加样单元所对应的光电传感器所测量的光强构成矩阵I

(9)切换滤光片至波长为520nm的滤光片，重复步骤(6)和步骤(7)，获得矩阵I

(10)测量孔板中的所有加样单元中注入一定体积的基底液；

(11)利用待检测的移液工作站在所有加样单元中注入待测超微容量体积的测量液；

(12)利用电机和皮带，带动测量孔板高速震荡，混匀基底液和测量液；

(13)切换滤光片至波长为730nm滤光片，重复步骤(7)和步骤(8)，获得矩阵I

(14)切换滤光片至波长为520nm滤光片，重复步骤(7)和步骤(8)，获得矩阵I

(15)计算吸光度A

A

(16)计算基底液和测量液的混合液体的高度L：

(17)计算基底液和测量液的混合液体的体积V

若加样单元为圆柱体，则θ＝0；若加样单元为圆台，则θ为圆台的轴与母线的夹角；

(18)计算吸光度A

A

(19)计算待测超微容量体积V

优选地，所述步骤(1)中，基底液制备方法为：每升水溶解4.08g邻苯二甲酸氢钾和3.81g乙二胺四乙酸四钠盐二水合物EDTA，调节pH至6.0±0.1，并通过0.2μm过滤器过滤，在上述液体中溶解1.12g/l氯化铜二水合物，并调节pH至6.0±0.1；通过0.2μm过滤器过滤所得溶液；根据表1中待测超微容量体积，在每升水中溶解相应质量的丽春红溶质。

表1

本发明的有益技术效果如下：

1、提供一种移液工作站原位检测方法，为移液工作站检测提供一种新思路。

2、提供一种多通道超微容量检测系统，可以集成至体积庞大的移液工作站当中，满足移液工作站原位检测的需求。

3、提供一种移液工作站检测步骤及其相应数据处理方案，提供一种移液工作站高效检测方案。

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例1

一种移液工作站原位检测方法的流程如图3所示，具体实施步骤为：

步骤一：多通道超微容量检测系统搭建。

根据附图1所示内容，建立多通道微容量检测系统。1—光源采用卤素灯，可覆盖波段范围为350nm～2500nm，2—光纤采用多模光纤，把光源信号分为n＝8个光路通道，3—光线准直器采用非球面光纤准直器，4—滤光片分别采用波长为520nm和730nm的滤光片，5—测量孔板中的加样单元采用圆台，6—透镜采用硼硅酸盐冕玻璃制透镜，7—光电传感器采用硅光电二极管，8—测量孔板采用具有8×12个加样单元的测量孔板，9—皮带采用抗静电皮带，10—电机采用步进电机。

步骤二：待测液配置。

基底液：每升水溶解4.08g邻苯二甲酸氢钾(CAS No.877-24-7)和3.81g EDTA(CASNo.10378-23-1)，利用盐酸以及氢氧化钠溶液调节pH至6.0±0.1，利用0.2μm过滤器过滤，在上述液体中溶解1.12g/l氯化铜二水合物(CuCl2·2H2O)，利用盐酸以及氢氧化钠溶液调节pH至6.0±0.1，利用0.2μm过滤器过滤得到基底液。

测量液：针对待测超微容量体积V

步骤三：检测基底液单位长度吸光度a

步骤四：检测测量液单位长度吸光度a

步骤五：所有加样单元为空。

测量孔板中的所有加样单元为空。

步骤六：测量孔板第一行中心位于光路中心。

利用电机和皮带，带动测量孔板移动，使得测量孔板的第一行加样单元的中心位于光路通道中心。

步骤七：切换至波长为730nm的滤光片。

步骤八：光电传感器测量每个光路通道的光强并记录。

步骤九：判断当前加样单元是否超出测量孔板第12行，若不满足，则移动测量孔板使得下一行加样单元的中心位于光路中心，然后执行步骤八；若满足，则执行下一步骤。

步骤十：获得矩阵I

步骤十一：测量孔板第一行中心位于光路中心。

利用电机和皮带，带动测量孔板移动，使得测量孔板的第一行加样单元的中心位于光路通道中心。

步骤十二：切换至波长为520nm的滤光片。

步骤十三：光电传感器测量每个光路通道的光强并记录。

步骤十四：判断当前加样单元是否超出测量孔板第12行，若不满足，则移动测量孔板使得下一行加样单元的中心位于光路中心，然后执行步骤八；若满足，则执行下一步骤。

步骤十五：获得矩阵I

步骤十六：所有加样单元注入基底液。

步骤十七：所有加样单元注入待测超微容量体积的测量液。

步骤十八：测量孔板高速震荡。

利用电机和皮带，带动测量孔板高速震荡，混匀基底液和测量液。

步骤十九：测量孔板第一行中心位于光路中心。

利用电机和皮带，带动测量孔板移动，使得测量孔板的第一行加样单元的中心位于光路通道中心。

步骤二十：切换至波长为730nm的滤光片。

步骤二十一：光电传感器测量每个光路通道的光强并记录。

步骤二十二：判断当前加样单元是否超出测量孔板第12行，若不满足，则移动测量孔板使得下一行加样单元的中心位于光路中心，然后执行步骤八；若满足，则执行下一步骤。

步骤二十三：获得矩阵I

步骤二十四：测量孔板第一行中心位于光路中心。

利用电机和皮带，带动测量孔板移动，使得测量孔板的第一行加样单元的中心位于光路通道中心。

步骤二十五：切换至波长为520nm的滤光片。

步骤二十六：光电传感器测量每个光路通道的光强并记录。

步骤十四：判断当前加样单元是否超出测量孔板第12行，若不满足，则移动测量孔板使得下一行加样单元的中心位于光路中心，然后执行步骤八；若满足，则执行下一步骤。

步骤二十七：获得矩阵I

步骤二十八：计算吸光度A

根据公式(1)计算吸光度A

步骤二十九：计算混合液体高度L。

根据公式(2)计算液体高度L。

步骤三十：计算混合液体积V

根据公式(3)计算混合液体积V

步骤三十一：计算吸光度A

根据公式(4)计算吸光度A

步骤三十二：计算待测超微容量体积V

根据公式(5)计算待测超微容量体积V

综合上述步骤，可实现移液工作站的原位检测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。