自动化样本前处理系统的设计与实现

机械设备

　　一、系统需求分析
　　​1、功能需求
　　样本采集：能够从多种来源采集样本，且采集量需精确控制。
　　样本预处理：包括添加试剂，进行多种化学反应。
　　样本的分离和富集：操作以实现目标样本的分离和富集，提高检测灵敏度。

　　​2、性能需求
　　准确性：保证自动化样本前处理过程中的各项操作的准确性，误差需控制在极小范围内。
　　通量：能够同时处理多个样本，提高工作效率，满足大量样本分析的需求。
　　稳定性：在不同的工作条件下，系统都能稳定运行，减少故障发生率。

　　二、硬件设计
　　​1、自动采样装置
　　机械臂：采用高精度的机械臂，在笛卡尔坐标或极坐标系统下运动，能够精确地定位到样本容器的位置进行采样。机械臂可以根据样本容器的不同形状和尺寸进行编程控制，可以通过精确的坐标定位来确保加样头准确地落在每个孔的中心位置。
　　探头类型：根据样本的性质和处理要求选择不同的探头，使用注射器式探头，其可以通过改变注射器的推动行程来实现精确的体积控制，精度可达纳升级别；对于固体样本的采集，则需要设计特殊的抓取或吸取装置。

　　​2、加样器
　　压力驱动加样器：利用气体压力差来推动液体的移动。这种加样器结构简单，易于控制。通过调节气体压力和进样时间来控制加样量。
　　微量加样器：对于生物样本处理中的微量试剂添加，微量加样器是很重要的。它采用活塞-体积原理，通过精确的机械结构和电子控制系统来实现皮升至微升级别的加样精度。

　　​3、样本分离模块
　　液-液萃取装置：由萃取相和萃余相的分离装置组成。通过设定不同的流速和相分离时间，可以实现对不同性质目标样本的高效萃取。
　　固相萃取装置：包括固相萃取柱、自动进样和洗脱系统。在自动化系统中，通过机械装置将样本准确的注入到固相萃取柱中，然后按照预定的程序进行洗脱液的添加和目标样本的洗脱收集。同时，可以通过传感器监测固相萃取柱的阻力等相关参数，以确保萃取过程的有效性。

　　三、软件控制系统设计
　　​1、控制软件架构
　　采用分层架构设计，包括硬件驱动层、控制逻辑层和用户界面层。硬件驱动层负责与各种硬件设备进行通信，实现对硬件的底层控制；控制逻辑层根据处理流程的算法，对硬件设备进行调度和操作；用户界面层为操作人员提供直观的交互界面，可以进行实验参数设置、样本信息管理等功能。

　　​2、流程控制
　　预编程：针对不同的样本类型和分析需求，可以预先编写处理流程程序，在程序中可以详细设定每个步骤的操作参数。
　　实时监控与调整：在自动化样本前处理过程中，通过传感器对关键参数进行实时监控。

　　3、​数据管理功能
　　样本信息管理：记录每个样本的来源、编号、处理历史等信息。这有助于在后续的分析结果解读和质量控制中追溯样本信息。
　　分析结果存储与报告：将处理后的样本分析结果进行存储，可以以数据库的形式保存。同时，能够根据要求生成详细的分析报告，报告中包含样本基本信息、处理过程参数、分析结果等内容。

　　四、系统性能提升措施
　　​1、准确性提升
　　校准机制：定期对硬件设备进行校准。对于加样器，可以使用标准溶液通过多点校准的方法来确定其加样准确性；对于传感器，可以使用标准物质来校准其测量的准确性和线性度。
　　误差补偿算法：在控制系统中采用误差补偿算法。

　　2、​通量提升
　　并行处理设计：采用并行处理的方式提高系统的通量。在实际的核酸提取自动化前处理系统中，可以设置4-8个平行的处理通道，大大提高了处理的效率。
　　优化处理流程：通过优化处理流程，减少不必要的操作步骤和等待时间。

　　3、​稳定性提升
　　冗余设计：对关键部件采用冗余设计。
　　环境适应性设计：在硬件设备的设计和选型过程中，充分考虑环境因素的影响。同时，在软件控制系统中，可以根据环境参数的变化自动调整操作参数，以确保系统在不同环境下的稳定性。