一种精准微量移液方法及系统

1.本发明涉及一种精准微量移液方法及系统，属于生物医学检测技术领域。


背景技术：

2.在生物医学检验领域中会涉及微量液体处理技术来提高移液精确度,当前处理的主要方法有：
3.1、“使用注入润滑剂的移液器吸头处理复杂流体的无污染和残留”方法。
4.在移液进程中，液体样本由于其粘滞性，会黏附在吸头壁上，产生移液量误差，从而降低实验精度。为了解决该问题，该设计方法为移液器吸头的表面修饰技术，通过化学气相沉积(cvd)方法对移液器吸头进行氟硅烷化，能够诱导移液器吸头内壁和外壁上的液体/蛋白质排斥性，从而进行润滑，以产生具有全疏散特性的润滑剂。将这种具有全疏远特性的润滑剂注入吸头能够排斥低和高表面张力液体，并减少吸头中的样品残留物。与未经处理的吸头相比，实验观察到：润滑剂注入的吸头内表面的染料，血凝块和细菌附着物的量显着降低。因此，该技术可用于最大限度地减少交叉污染，并通过减少由于残留粘附引起的样品损失来提高效率。
5.2、“优化tecan freedom evo液体处理器准确度和精密度的自动重量校准”方法。
6.为了提高微量移液技术的精确度，使用集成天平和密度计为tecan freedom evo液体处理工作站中的固定吸头开发了一种自动体积校准流程。通过筛选预定义的不同参数的液体类别来调整精度，然后修改偏移量和因子来调整精度，从而进行优化。每种溶液设置液体类移液参数的方法是将过程分为三个步骤：(1)筛选预定义的液体类，包括不同的移液参数；(2)根据校准曲线调整精度参数；(3)确认调整。在第一次调整期间，系统调整了预定义液体类别的子类别的因子和偏移量。在测量了一个子类的所有体积(每个体积有八个数据点，每个通道有一个数据点)之后，vb应用程序计算了每个测试体积的平均值、精度和准确度。如果至少有一个未能达到目标精度，则vb应用程序计算新的因子和偏移值。vb应用程序将新的因子和偏移值导出到临时tecan evoware液体类文件中，并开始对相同的三个体积进行新的运行，以微调目标体积的校准如果三个体积都达到了目标精度，vb应用程序会启动调整的确认运行。原则是确认调整后的因子和偏移量与调整步骤中的结果相同，但数据点数量更多(每个体积16个数据点，每个通道2个数据点)。关于调整步骤，vb应用程序计算了每个测试体积的平均值、精度和准确度，并在报告中呈现。如果三组的目标精度无法达到，vb应用程序会通知用户。如果达到精度，vb应用程序会自动保存参数，将新的子类添加到evoware液体类xml文件中。调整和确认数据记录在可供操作员使用的excel报告中。
7.上述两种方法，具有如下缺点：
8.1、针对第一种方法，润滑剂价格昂贵，且在移液开始前，均需要对每个枪头进行润滑操作，其过程繁复，增加科研成本，降低科研效率，也无法排除润滑剂与试剂反应产生的交叉污染问题。
9.2、针对第二种方法，该方法仅适用于tecan freedom evo液体处理器这一型号的
液体处理工作站，由于其对单一硬件系统的依赖性，使该方法具有极大的局限性，对于其他情况的液体微量处理并不适用。
10.在实际移液过程中，由于样本、试剂在密度、粘稠度等方面存在较大差异，产生的体积损耗也不同，移液过程中液体样本极易粘连于仪器内，从而产生移液量误差，导致相同条件下移液的准确度无法保证，尤其在液体量较少时更为明显。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种精准微量移液方法及系统，利用该方法中不同的移液补偿模型计算出实际移液产生的误差并补偿误差量，从而减小因液体粘滞性产生的误差，提高检测结果的可靠性。
12.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
13.第一方面，本发明提供了一种精准微量移液方法，其包括如下步骤：
14.步骤一、移液系统开始进行吸液操作，同时反馈所吸液体质量，并根据质量计算出吸液体积；
15.步骤二、当吸液体积小于或等于枪头下半部分锥形区域体积v
锥
，系统识别其状态为“吸液体积小于或等于枪尖锥体体积”，当吸液体积大于枪头下半部分锥形区域体积v
锥
，系统识别其状态为“吸液体积大于枪尖锥体体积”；
16.步骤三、计算出本次移液的损耗以及需补偿移液量对应的脉冲数；
17.步骤四、系统设置补偿脉冲，在第一步的基础上继续吸液；
18.步骤五、吸液过程完成，开始放液。
19.进一步的，设在理想情况下1个驱动信号可以吸放x毫升体积的液体，枪头内半径为r，枪尖高度为d，则枪尖锥体体积为：
[0020][0021]
进一步的，当吸液体积大于枪尖锥体体积时，需补偿移液量对应的脉冲数计算过程如下：
[0022]
当脉冲值为pu1时，理想放液体积为v1，实际放液体积v1；当脉冲值为pu2时，理想放液体积为v2，实际放液体积为v2，则两组实际放液体积差δv为：
[0023]
δv＝|v
1-v2|
ꢀꢀꢀ
(2)
[0024]
两组实际放液液面高度差h为：
[0025][0026]
两组实际放液差与枪管所粘连的面积s为：
[0027]
s＝2πr
·hꢀꢀꢀ
(4)
[0028]
两组实际放液体积差δv的表达式为：
[0029]
δv＝πr2h
ꢀꢀꢀ
(5)
[0030]
由式(4)与式(5)可得：
[0031]
[0032]
由“理想情况下1个驱动信号可以吸放x毫升体积的液体”可知：
[0033][0034]
则两脉冲值的差δpu为：
[0035][0036]
每单位表面积所需补偿的脉冲为：
[0037][0038]
理想放液与实际放液的误差为：
[0039]
δvn＝v
n-vn(n＝1,2)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0040]
由式(3)可知理想放液与实际放液误差粘连面积差sn为：
[0041][0042]
由式(8)知需补偿的脉冲值δpun为：
[0043][0044]
进一步的，当吸液体积小于或等于枪尖锥体体积时，需补偿移液量对应的脉冲数计算过程如下：
[0045]
圆锥侧面积与体积的关系：圆锥体积为v，底面半径为r，高度为h，母线长为l，圆锥夹角为2θ，侧面积为s，则：
[0046][0047][0048][0049]
s＝πrl
ꢀꢀꢀ
(16)
[0050]
将式(13)式(14)带入式(15)式(16)中得：
[0051][0052][0053]
整理式(17)式(18)得：
[0054][0055]
设当脉冲值为pu1时，理想放液体积为v1，实际放液体积v1，对应粘连面积s1；当脉
冲值为pu2时，理想放液体积为v2，实际放液体积为v2，对应粘连面积s2，由式(15)可知：
[0056][0057][0058]
由式(8)得脉冲值的差δpu为：
[0059][0060]
每单位表面积所需补偿的脉冲为：
[0061][0062]
理想放液与实际放液粘连表面积差δsn为：
[0063]
δsn＝s
n-sn(n＝1,2)
ꢀꢀꢀ
(24)
[0064]
由式(22)知所需补偿脉冲值δpun为：
[0065][0066]
第二方面，本发明还提供了一种精准微量移液系统，该系统包括电源、单片机、驱动器、柱塞泵、线性滑台和枪头，其中：
[0067]
所述电源为整个系统供电；
[0068]
所述单片机作为系统核心，用于控制驱动器运作；
[0069]
所述驱动器用于驱动柱塞泵和线性滑台运动；
[0070]
所述柱塞泵用于吸放液体样本；
[0071]
所述线性滑台用于控制枪头垂直方向的运动，使得枪头处于一个合适的高度进行移液操作；
[0072]
所述枪头用于接触并转移液体样本，枪头与柱塞泵通过软管连接，使两者之间构成封闭气路。
[0073]
第三方面，本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面方案中一项所述的精准微量移液方法。
[0074]
第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序可被至少一个处理器所执行，以使所述至少一个处理器执行如第一方面方案中所述的精准微量移液方法。
[0075]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0076]
(1)本发明采用了一种自行搭建的液体样本转移平台，经过该方法补偿之后的移
液量的误差减小了一个数量级，大大提高了液体样本转移的精度，有效减小了因液体粘滞性产生的误差，提高了检测结果的可靠性与准确性。
[0077]
(2)本发明普适性强，可灵活运用于生物、医学等诸多涉及液体样本转移的领域，且为相关研究人员提供一种快速、安全、高效、可靠、便捷的研究手段，能够代替研究人员进行大量重复性操作，高效、大量、一体化完成检验。例如，该方法可运用于核酸检测等诸多生物医学检测。
附图说明
[0078]
图1是枪头剖面示意图。
[0079]
图2是移液系统结构设计框图。
具体实施方式
[0080]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0081]
本发明提供了一种精准微量移液方法，其方法步骤如下
[0082]
步骤一、移液系统开始进行吸液操作，同时反馈所吸液体质量，并根据质量计算出体积。当所吸液体体积小于或等于v
锥
(v
锥
的计算方法见下述推导计算部分)；
[0083]
步骤二、系统识别其状态为“吸液体积小于或等于枪尖锥体体积”，当所吸液体体积大于v
锥
，系统识别其状态为“吸液体积大于枪尖锥体体积”；
[0084]
步骤三、计算出本次移液的损耗以及需补偿移液量对应的脉冲数；
[0085]
步骤四、控制程序设置补偿脉冲，在第一步的基础上继续吸液；
[0086]
步骤五、吸液过程完成，开始放液。
[0087]
本发明的推导计算过程如下：
[0088]
受枪头材料与液体样本粘滞性影响，枪头内每单位面积所粘连的液体体积可以通过测量并计算得出相对稳定的值。高通量分子检测平台常用的枪头容量为1ml，根据形态可分成两段(图1)，即上半部分柱状区域和下半部分锥形区域，相应的吸液体积分为大于枪尖锥体体积和小于等于枪尖锥体体积两段。以柱塞泵驱动液体吸放为例，假设在理想情况下1个驱动信号可以吸放x毫升体积的液体，枪头内半径为r，枪尖高度为d，则枪尖锥体体积为：
[0089][0090]
(1)若吸液体积大于枪尖锥体体积：
[0091]
当脉冲值为pu1时，理想放液体积为v1，实际放液体积v1；当脉冲值为pu2时，理想放液体积为v2，实际放液体积为v2，则两组实际放液体积差δv为：
[0092]
δv＝|v
1-v2|
ꢀꢀꢀ
#2
[0093]
两组实际放液液面高度差h为：
[0094][0095]
两组实际放液差与枪管所粘连的面积s为：
[0096]
s＝2πrh
ꢀꢀꢀ
#4
[0097]
两组实际放液体积差δv的表达式为：
[0098]
δv＝πr2h
ꢀꢀꢀ
#5
[0099]
由式(4)与式(5)可得：
[0100][0101]
由“理想情况下1个驱动信号可以吸放x毫升体积的液体”可知：
[0102][0103]
则两脉冲值的差δpu为：
[0104][0105]
每单位表面积所需补偿的脉冲为：
[0106][0107]
理想放液与实际放液的误差为：
[0108]
δvn＝v
n-vn(n＝1,2)
ꢀꢀꢀ
#10
[0109]
由式(3)可知理想放液与实际放液误差粘连面积差sn为：
[0110][0111]
由式(8)知需补偿的脉冲值δpun为：
[0112][0113]
(2)若吸液体积小于或等于枪尖锥体体积：
[0114]
首先推导圆锥侧面积与体积的关系：
[0115]
圆锥体积为v，底面半径为r，高度为h，母线长为l，圆锥夹角为2θ，侧面积为s，则
[0116][0117][0118][0119]
s＝πrl
ꢀꢀꢀ
#16
[0120]
将式(13)式(14)带入式(15)式(16)中得
[0121][0122][0123]
整理式(17)式(18)得
[0124][0125]
设当脉冲值为pu1时，理想放液体积为v1，实际放液体积v1，对应粘连面积s1；当脉冲值为pu2时，理想放液体积为v2，实际放液体积为v2，对应粘连面积s2，由式(15)可知：
[0126][0127][0128]
由式(8)得脉冲值的差δpu为
[0129][0130]
每单位表面积所需补偿的脉冲为：
[0131][0132]
理想放液与实际放液粘连表面积差δsn为：
[0133]
δsn＝s
n-sn(n＝1,2)
ꢀꢀꢀ
#24
[0134]
由式(22)知所需补偿脉冲值δpun为：
[0135][0136]
为验证本发明的精确性，我们基于上述方法搭建了配套的精准微量移液系统，其结构框图如图2所示。其中电源为整个系统供电；而单片机作为系统核心，用于控制驱动器运作；驱动器用于驱动柱塞泵和线性滑台的运动；柱塞泵用于吸放液体样本；线性滑台用于控制一次性枪头垂直方向的运动，使得枪头处于一个合适的高度进行移液操作；一次性枪头用于接触并转移液体样本，软管用于连接柱塞泵与枪头，使两者之间构成封闭气路。
[0137]
结合上述搭建的的精准微量移液系统以及方法，下面选取血清、石蜡油、咽拭子三个液体样本进行实验验证，统计分析结果，证明本发明的绝对可靠性和极高精准度。
[0138]
首先根据实际枪头规格，计算得到v
锥
的值为326.4375μl。
[0139]
实施例一：血清补偿模型
[0140]
设置脉冲值分别为6000与12000，各测十组数据，剔除最大值和最小值求平均，并取血清密度为1.05g/cm3得到数据如表1所示。
[0141]
表1.血清建模数据
[0142][0143]
由上表可知，脉冲数6000时其移液体积小于326.4375μl，其状态为“吸液体积小于或等于枪尖锥体体积”；脉冲数12000时其移液体积大于326.4375μl，其状态为“吸液体积大于枪尖锥体体积”。下面开始补偿计算：
[0144]
当脉冲数为6000时，由式23可得每单位面积所需补偿的脉冲数约为63，由式24可得理想放液与实际放液粘连表面积差为8.52mm2，需补偿脉冲数为537；脉冲数为12000时，由式9可得每单位面积所需补偿的脉冲数约为45，由式11可得理想放液与实际放液粘连表面积差为7.92mm2，需补偿脉冲数为359。
[0145]
由此，当设定转移液体目标量为v时，测定未补偿前转移液体体积为v,理想放液与实际放液粘连表面积差为δs，则补偿后脉冲总数为：
[0146][0147]
其中，当时，可由式9算得，δs可由式11算得；当时，可由式23算得，δs可由式24算得。
[0148]
针对脉冲数为6000和12000两组数据，我们根据建模过程进行补偿测试，并随机生成两组目标放液量226.8μl和368.5μl进行实验以验证方法的准确性，血清样本实验补偿前后的结果对比见表2，当移液体积小于等于326.4423mm3时，在未补偿情况下，装置实际放液量和目标放液量的误差大于4.4％，补偿后实际放液量与目标放液量之间的误差小于1.4％；当移液体积大于326.4423mm3时，在未补偿情况下，装置实际放液量和目标放液量的误差大于2.0％，补偿后实际放液量与目标放液量之间的误差小于1.7％。
[0149]
表2.血清补偿前后结果对比
[0150][0151]
实施例2：石蜡油补偿模型
[0152]
设置脉冲值分别为8000与15000，各测十组数据，剔除最大值和最小值求平均，并取石蜡油密度为0.9g/cm3得到数据如表3所示。
[0153]
表3.石蜡油建模数据
[0154][0155]
由上表可知，脉冲数8000时其移液体积小于326.4375μl，其状态为“吸液体积小于或等于枪尖锥体体积”；脉冲数15000时其移液体积大于326.4375μl，其状态为“吸液体积大于枪尖锥体体积”。下面开始补偿计算：
[0156]
当脉冲数为8000时，由式23可得每单位面积所需补偿的脉冲数约为55，由式24可得理想放液与实际放液粘连表面积差为62.88mm2，需补偿脉冲数为3416；脉冲数为15000时，由式9可得每单位面积所需补偿的脉冲数约为535，式11可得理想放液与实际放液粘连表面积差为11.22mm2，需补偿脉冲数为6009。
[0157]
由此，当设定转移液体目标量为v时，测定未补偿前转移液体体积为v,理想放液与实际放液粘连表面积差为δs，则补偿后脉冲总数为：
[0158][0159]
其中，当时，可由式9算得，δs可由式11算得；当时，可由式23算得，δs可由式24算得。
[0160]
针对脉冲数为8000和15000两组数据，我们根据建模过程进行补偿测试，并随机生成两组目标放液量285.0μl和771.1μl进行实验以验证方法的准确性，石蜡油样本实验补偿前后的结果对比见表4，当移液体积小于等于326.4423mm3时，在未补偿情况下，装置实际放液量和目标放液量的误差范围约为大于30％，补偿后实际放液量与目标放液量之间的误差小于1.2％；当移液体积大于326.4423mm3时，在未补偿情况下，装置实际放液量和目标放液量的误差大于28.7％，补偿后实际放液量与目标放液量之间的误差小于0.5％。
[0161]
表4.石蜡油补偿前后结果对比
[0162][0163]
实施例三：咽拭子补偿模型
[0164]
设置脉冲值分别为8500与13750，各测十组数据，剔除最大值和最小值求平均，并取咽拭子密度为1g/cm3得到数据如表5所示。
[0165]
表5.咽拭子建模数据
[0166][0167]
由上表可知，脉冲数8500时其移液体积小于326.4375μl，其状态为“吸液体积小于或等于枪尖锥体体积”；脉冲数13750时其移液体积大于326.4375μl，其状态为“吸液体积大于枪尖锥体体积”。下面开始补偿计算：
[0168]
当脉冲数为8500时，由式23可得每单位面积所需补偿的脉冲数约为55，由式24可得理想放液与实际放液粘连表面积差为24.97mm2，需补偿脉冲数为1373；脉冲数为13750时，由式9可得每单位面积所需补偿的脉冲数约为38，由式11可得理想放液与实际放液粘连表面积差为28.63mm2，需补偿脉冲数为1082。
[0169]
由此，当设定转移液体目标量为v时，测定未补偿前转移液体体积为v,理想放液与实际放液粘连表面积差为δs，则补偿后脉冲总数为：
[0170][0171]
其中，当时，可由式9算得，δs可由式11算得；当时，可由式23算得，δs可由式24算得。
[0172]
针对脉冲数为8500和13750两组数据，我们根据建模过程进行补偿测试，并随机生成两组目标放液量239.3μl和468.8μl进行实验以验证方法的准确性，咽拭子样本实验补偿前后的结果对比见表6，当移液体积小于等于326.4423mm3时，在未补偿情况下，装置实际放液量和目标放液量的误差大于11.5％，补偿后实际放液量与目标放液量之间的误差小于2.3％；当移液体积大于326.4423mm3时，在未补偿情况下，装置实际放液量和目标放液量的误差大于6.5％，补偿后实际放液量与目标放液量之间的误差小于2.8％。
[0173]
表6.咽拭子补偿前后结果对比
[0174][0175]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
[0176]
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。