一种自适应式吸样装置制造方法
【专利摘要】一种自适应式吸样装置，属分析仪器领域。包括设备支座和纵向导轨机架，在纵向导轨机架中设有由电机驱动的螺旋运动副，在螺旋运动副上设有Z轴机械臂，在Z轴机械臂的末端设有吸样针夹持头，其特征是在Z轴机械臂与吸样针夹持头之间，设置压力传感器和液位传感器；在试样容器与设备支座之间设置一弹性垫层；其压力传感器、液位传感器和弹性垫层，构成压力—液位自适应结构体系。本实用新型可减少放置容器时对容器本身的冲击，避免吸样针被压弯，容器底部被压裂现象的出现，有助于保证实验结果的真实性，能大大减少残留液的数量，减轻残留试样对环境的污染。可广泛用于分析化学前处理设备的设计和制造领域。
【专利说明】一种自适应式吸样装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于分析仪器领域，尤其涉及一种用于分析化学前处理设备的吸样装 置。
【背景技术】
[0002] 分析化学是研究物质的组成、含量、结构和形态等化学信息的分析方法及理论的 一门科学。在分析样品时一般先要想法分离不同的成分。
[0003] 化学前处理正是对分析样品不同成分的分离，或将干扰成分除去，或改变其状态 方便测定等而做的预先处理过程，主要包括样品的提取、净化、富集、衍生化等。
[0004] 固相萃取（Solid-Phase Extraction,简称SPE)是近年发展起来一种样品前处理 技术，主要用于样品的分离、纯化和浓缩，可以提高分析物的回收率，更有效的将分析物与 干扰组分分离，可减少样品预处理过程时间。
[0005] 在分析化学前处理设备中，尤其是在自动固相萃取（SPE)仪或涵盖此功能的各种 联用设备（如固相萃取-定量浓缩联用仪，凝胶净化-固相萃取联用仪，凝胶净化-固相萃 取-定量浓缩联用仪等等）中，不可避免的经常的要用到多通道探针，通过负压来吸取多个 圆底或平底容器中的试样（试剂），来进行相关的实验或分析。
[0006] 目前，国内现有的分析化学前处理设备中，大多数采用机械臂精确定位来保证吸 样针的高度从而减少残留，其具体结构如图1和图2中所示（图2是图1的A向视图）。
[0007] 在图1和图2中，设备支座1上放置有容器2,容器的上端设置有密封用的容器瓶 盖3,在容器中盛有试样（或试剂）液体2-1，在设备支座的一侧，设置有一个纵向导轨机架 5 (业内亦简称其为"坐标Z轴"）；在纵向导轨机架中，设置有一个载有Z轴机械臂6的螺 旋运动副；所述螺旋运动副的原动件（螺杆）由设置在纵向导轨机架中的驱动电机（图中 未示出）驱动，通过螺旋运动副中原动件（螺杆）的转动，其设置在从动件（螺母）上的Z 轴机械臂可沿设备支座所在立体空间的Z轴方向（图中为上、下方向）上、下移动，通过设 置在Z轴机械臂末端的吸样针夹持头，带动吸样针4作纵向移动；其驱动电机的控制端与一 个控制单元连接，通过所述的控制单元控制驱动电机的转动，进而控制Z轴机械臂的移动 方向和移动速度。
[0008] Z轴机械臂上的吸样针夹持头可以同时设置多组吸样针（业内亦称之为"多通道 探针"），同样地，设备支座上可以同时放置多个容器（业内亦称之为容器组）。
[0009] 在需要进行相关的实验或分析时，先将容器组放置在多通道探针的下方，按动自 动固相萃取仪（或前述各种联用设备）的操作按钮，相关的控制单元控制前述的驱动电机 转动，驱动Z轴机械臂向下移动，带动多通道探针刺穿其下方所对应的各个容器上部容器 瓶盖上的膜片，进入各个容器内部，当多通道探针的下端分别进入各个试样（或试剂）液体 中后，开始通过负压来吸取多个容器中的试样或试剂，进行相关的实验或分析。
[0010] 图3a?d中所示为目前实验或分析中常见的一些类型的溶剂瓶，其中包括锥底容 器301，圆底容器302,平底容器303和球体容器304。 toon] 因各种溶剂瓶底部形状的差异，或者，由于加工或制造精度的误差，导致容器组中 各个容器--溶剂瓶的内壁底部之间存在一定的水平落差（或者说是纵向高度差），如图4 中所示，若以最薄的容器（溶剂瓶）内壁底部为基准线D，则其余各容器（溶剂瓶）的内壁 底部与基准线D的水平落差分别为D1?D3。
[0012] 同样地，由于加工或装配的误差，导致多通道探针中各个吸样针的最低端面之间 存在一定的落差（或者说是纵向高度差），如图5所示，若以最低的吸样针底部端面为基准 线T，则其余各吸样针底部的端面与基准线T的水平落差分别为T1?T3。
[0013] 明显地，对于多通道探针中的各个吸样针，无可避免地存在加工误差及装配累积 误差；由于存在上述的加工、制造误差或装配累积误差等因素，自动固相萃取仪（或前述各 种联用设备）在需要吸空容器或实验过程存在"排空容器"的现象时（例如容器中溶液量 少于需要吸出量时，就会存在"排空容器"的现象），会出现以下现象：
[0014] 1)部分容器（溶剂瓶）中存有残留试样（试剂）；
[0015] 2)某个或部分吸样针压弯变形；
[0016] 3)某个或部分容器（溶剂瓶）被对应的吸样针压裂。
[0017] 其中，现象2)或3)对于实验仪器或设备来说已遭到破坏了，是不允许存在的。
[0018] 现象1)由于有残留液存在，往往导致实验结果不真实；另外这些试样（试剂）可 能是有毒的，随着人们环保意识的增强，减少这种残留废液的产生已十分必要。
[0019] 为了解决上述问题，有少部分生产厂家的自动固相萃取仪采取了设置弹性吸样 针的方案来适应上述制造、加工误差或装配累积误差，但对于需要刺穿容器盖的分析项目 (例如，容器或溶剂瓶中盛载的是高挥发性液体），选择弹性吸样针显然是不合适的，由于 弹性吸样针不能保证准确、同步地刺穿容器盖，会影响相关分析的正常进行，甚至会影响到 实验或分析项目的正常开展。 实用新型内容
[0020] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种自适应式吸样装置，其通过设置弹性 垫层，可减少放置容器时对容器本身的冲击，通过设置压力、液位传感器，建立压力、液位双 重闭环控制系统，构成一个自适应结构体系，避免吸样针被压弯，容器底部被压裂现象的出 现，有助于保证实验结果的真实性，可大大减少残留液的数量，减轻残留试样或试剂对环境 的污染。
[0021] 本实用新型的技术方案是：提供一种自适应式吸样装置，包括用于放置试样/试 剂容器的设备支座和位于设备支座上的纵向导轨机架，在所述的纵向导轨机架中设置有由 电机驱动的螺旋运动副，在螺旋运动副上设置有Z轴机械臂，在Z轴机械臂的末端，设置有 吸样针夹持头，所述电机的控制端与控制单元连接，其特征是：在所述的Z轴机械臂与所述 的吸样针夹持头之间，设置压力传感器和液位传感器；在所述试样/试剂容器与设备支座 之间，设置一弹性垫层，所述试样/试剂容器的底部，经过所述的弹性垫层，与所述的设备 支座接触/固定；所述的压力传感器、液位传感器和弹性垫层，构成一个压力一液位自适应 结构体系。
[0022] 其所述弹性垫层的水平面积，大于所述试样/试剂容器或容器组在所述设备支座 平面上的投影面积。
[0023] 在所述的吸样针夹持头上，固定设置有至少一个吸样针或一组多通道探针。
[0024] 进一步的，所述的吸样针或多通道探针为刚性吸样针或刚性探针。
[0025] 其所述的试样/试剂容器为数个试样/试剂容器构成的容器组。
[0026] 具体的，其所述弹性垫层为贴氟膜硅胶板。
[0027] 其所述弹性垫层的弹性模量大于2MPa。
[0028] 其所述弹性垫层的硬度在30?40HIRD之间。
[0029] 更进一步的，其所述压力传感器和液位传感器的信号输出端，与所述控制单元的 信号输入端分别对应连接。
[0030] 与现有技术比较，本实用新型的优点是：
[0031] 1.通过设置与原有控制单元连接的压力、液位传感器，建立压力、液位双重闭环控 制系统，对吸样针或多通道探针的纵向移动和吸液位置进行控制，构成一个压力一液位自 适应结构体系，可避免其被压弯变形或将其所对应的容器/溶剂瓶底部压裂、戳破；
[0032] 2.设置弹性垫层，一方面可减少放置容器时对容器本身的冲击，另一方面，增加了 容器底部的纵向可移动裕量，给吸样针或多通道探针纵向移动至容器底部时增加了一个缓 冲余地；
[0033] 3.通过对吸样针或多通道探针的纵向移动位置进行检测，可减少对加工精度的高 要求及装配的难度，同时节省制造成本，亦可大大降低控制系统设定吸样针或多通道探针 压力参考阈值的难度；
[0034] 4.大大减少了容器中残留废液的积存数量，可保证实验结果的真实性，有助于减 轻残留废液排放对环境造成的污染，有助于环保；
[0035] 5.通过减少或杜绝吸样针或容器在操作过程中的损坏，有助于降低整体设备的使 用费用，节约检测成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 图1是现有分析化学前处理设备的结构示意图；
[0037] 图2是图的A向结构示意图；
[0038] 图3a?图3d是常见溶剂瓶种类的结构示意图；
[0039] 图4是各溶剂瓶内壁底郃水平落差不意图；
[0040] 图5是各吸样针最低端纵向1?度差不意图；
[0041] 图6是本实用新型的正面结构示意图；
[0042] 图7是本实用新型的整体系统结构示意图；
[0043] 图8是本实用新型吸样针与液面间的浸没距离示意图；
[0044] 图9是设置弹性垫层后各溶剂瓶内壁底部的水平落差示意图；
[0045] 图10设置弹性垫层后各吸样针最低端的纵向高度差示意图；
[0046] 图11是未采用压力传感器一弹性垫层时容器瓶压力一形变示意图；
[0047] 图12是采用压力传感器一弹性垫层后容器瓶压力一形变示意图。
[0048] 图中1为设备支座，1-1为弹性垫层，2为容器，2-1为试样（或试剂）液体，3为容 器瓶盖，4为吸样针,5为纵向导轨机架,5a为螺旋运动副,6、6a为Z轴机械臂,6b为吸样针 夹持头，7为压力传感器，8为液位传感器；301为锥底容器，302为圆底容器，303为平底容 器，304为球体容器。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。
[0050] 图6和图7中，本实用新型的技术方案提供了一种自适应式吸样装置，包括用于放 置容器2的设备支座1和位于设备支座上的纵向导轨机架5,在所述的纵向导轨机架中设置 有由电机驱动的螺旋运动副5a，在螺旋运动副上设置有Z轴机械臂，在Z轴机械臂的末端， 设置有吸样针夹持头6b，所述电机的控制端与控制单元连接，其在Z轴机械臂6a与吸样针 夹持头6b之间，设置有压力传感器7和液位传感器8 ;在所述试样/试剂容器与设备支座 之间，设置一弹性垫层1-1，所述试样/试剂容器的底部，经过所述的弹性垫层，与所述的设 备支座接触/固定；所述的压力传感器、液位传感器和弹性垫层，构成一个压力一液位自适 应结构体系。
[0051] 其所述弹性垫层的水平面积，大于所述试样/试剂容器或容器组在所述设备支座 平面上的投影面积。
[0052] 在所述的吸样针夹持头上，固定设置有至少一个吸样针或一组多通道探针。
[0053] 进一步的，所述的吸样针或多通道探针为刚性吸样针或刚性探针。
[0054] 其所述的试样/试剂容器为数个试样/试剂容器构成的容器组。
[0055] 具体的，其所述弹性垫层为贴氟膜硅胶板。
[0056] 其所述弹性垫层的弹性模量大于2MPa。
[0057] 其所述弹性垫层的硬度在30?40HIRD之间。
[0058] 更进一步的，其所述压力传感器和液位传感器的信号输出端，与所述控制单元的 信号输入端分别对应连接。
[0059] 由于压力传感器、液位传感器、控制单元、由电机驱动螺旋运动副以及图中所示的 电机控制用编码器均为现有技术，故其连接关系和具体连接线路在此不再叙述。
[0060] 图8中，当夹持有吸样针组的吸样针夹持头6b接收到控制系统给出"吸空容器中 的试样（试剂）"的命令后，沿设备支座的Z轴方向向下移动，刚性吸样针4便刺穿容器瓶 盖3上的膜片到容器2中。
[0061] 本技术方案通过液位传感器8、吸样针4、液面、Z轴机械臂6a、吸样针夹持头6b及 控制单元组成的封闭式液面控制环，保证吸样针始终与试样/试剂容器中的液面之间有一 定的浸没距离d。
[0062] 吸样针通过负压来吸取试样。事实上此时弹性垫1-1、吸样针4、压力传感器7, Z 轴机械臂6a、吸样针夹持头6b及控制单元，构成了一个封闭式压力控制环。
[0063] 其余同图6、图7。
[0064] 如图9和图10所示，在本技术方案中，压力传感器实时采集吸样针传来的压力，当 其采集的压力值小于系统设定的参考值时，吸样针将随Z轴机械臂下降；在吸样针触碰到 容器底面时，吸样针承受压力慢慢增加，在达到设定参考值之前，由于有弹性垫层的存在， 使得吸样针和容器底面有比较大的缓冲变形空间，一旦从吸样针传来的压力达到系统设定 的参考值时，说明吸样针已经紧密接触在容器底面，则其将不继续下降，以避免将吸样针压 弯变形或避免使得容器被对应的吸样针压裂。
[0065] 由于弹性垫层的存在，使得由于加工或制造精度的误差，容器组中各个容器（溶 剂瓶）的内壁底部之间存在的水平落差D1'?D3'被弱化，一方面可以减少放置容器时对 容器本身的冲击，另一方面可减轻吸样针下端面接触到容器（溶剂瓶）的内壁底部时的冲 击力，有助于减少或杜绝容器底部被压裂现象的出现。
[0066] 同样，由于弹性垫层的存在，使得由于加工或制造精度的误差，各吸样针底部的端 面与基准线T的水平落差T1'?T3'被弱化，进一步减轻吸样针下端面接触到容器（溶剂 瓶）的内壁底部时的冲击力，有助于减少或杜绝容器底部被压裂现象的出现。
[0067] 图11为未采用压力传感器一弹性垫层结构时容器瓶的压力一形变示意，由图可 见，因压力随变形量剧增，很容易压力过冲，使吸样针变形或容器被压裂。
[0068] 图12为采用压力传感器一弹性垫层结构后容器瓶的压力一形变示意，与图11相 t匕，其吸样针或容器瓶在同样压力下的可承受形变范围变大，从而可避免或杜绝吸样针变 形或容器被压裂。
[0069] 正是由于本技术方案采用了上述液面、压力双重的封闭式控制环，避免了由于压 力过大而导致的：吸样针压弯变形或容器被压裂等现象，达到排空容器（或同时排空多通 道容器）的目的。
[0070] 经实验测试结果表明，采用3_厚、其弹性模量为2. 14MPa的贴氟膜硅胶板，其硬 度在30?40HIRD(国际硬度）间，压力传感器采集的压力值在达到设定的参考值前，其缓 冲变形空间可达〇.5mm以上，此值足以补偿由于制造及装配带来的误差，且能保证厚度在 0. 5mm以上的玻璃器皿不被破坏。
[0071] 由于本实用新型通过设置弹性垫层，可减少放置容器时对容器本身的冲击，通过 设置压力、液位传感器，建立压力、液位双重闭环控制系统，构成一个自适应结构体系，避免 吸样针被压弯，容器底部被压裂现象的出现，有助于保证实验结果的真实性，可大大减少残 留液的数量，减轻残留试样或试剂对环境的污染。
[0072] 本实用新型可广泛用于分析化学前处理设备，特别是自动固相萃取装置的设计和 制造领域。
【权利要求】
1. 一种自适应式吸样装置，包括用于放置试样/试剂容器的设备支座和位于设备支座 上的纵向导轨机架，在所述的纵向导轨机架中设置有由电机驱动的螺旋运动副，在螺旋运 动副上设置有Z轴机械臂，在Z轴机械臂的末端，设置有吸样针夹持头，所述电机的控制端 与控制单元连接，其特征是： 在所述的Z轴机械臂与所述的吸样针夹持头之间，设置压力传感器和液位传感器； 在所述试样/试剂容器与设备支座之间，设置一弹性垫层，所述试样/试剂容器的底 部，经过所述的弹性垫层，与所述的设备支座接触/固定； 所述的压力传感器、液位传感器和弹性垫层，构成一个压力一液位自适应结构体系。
2. 按照权利要求1所述的自适应式吸样装置，其特征是所述弹性垫层的水平面积，大 于所述试样/试剂容器或容器组在所述设备支座平面上的投影面积。
3. 按照权利要求1所述的自适应式吸样装置，其特征是在所述的吸样针夹持头上，固 定设置有至少一个吸样针或一组多通道探针。
4. 按照权利要求3所述的自适应式吸样装置，其特征是所述的吸样针或多通道探针为 刚性吸样针或刚性探针。
5. 按照权利要求1所述的自适应式吸样装置，其特征是所述的试样/试剂容器为数个 试样/试剂容器构成的容器组。
6. 按照权利要求1所述的自适应式吸样装置，其特征是所述弹性垫层为贴氟膜硅胶 板。
7. 按照权利要求1所述的自适应式吸样装置，其特征是所述弹性垫层的弹性模量大于 2MPa。
8. 按照权利要求1所述的自适应式吸样装置，其特征是所述弹性垫层的硬度在30? 40HIRD 之间。
9. 按照权利要求1所述的自适应式吸样装置，其特征是所述压力传感器和液位传感器 的信号输出端，与所述控制单元的信号输入端分别对应连接。
【文档编号】G01N1/14GK203881575SQ201420266055
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】胡永辉, 倪晨杰 申请人:上海屹尧仪器科技发展有限公司