专利名称：手动导向式多道电子移液系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及手动导向式多道电子移液系统，其包含多道移液头，所述多道移液头具有以阵列即行与列方式布置的多个移液通道。
背景技术：
多孔盘(也被知晓为微量滴定盘或微孔盘)是临床上和研究实验室里的标准产品。多孔盘是具有多个孔的平面盘，所述孔被用作单个的测试管。最常见的多孔盘包含以矩形矩阵方式布置的96孔或384孔。ANSI (美国国家标准协会)设置了用于孔盘的标准尺寸和SBS (生物分子科学学会)占用面积(footprint)。例如,96孔盘具有8行、12列的孔，所述孔定心成中心线到中心线为9毫米。典型的384孔盘包含16行、24列的孔，中心线 到中心线的间距为4. 5毫米。还可得到具有1536个孔以及更多孔的多孔盘。一些多孔盘被设计成在保持标准中心线到中心线尺寸的情况下装持体积比标准多道盘更大。这些孔盘更高，并且常被称为深孔盘。在实验室里，多孔盘被用各种液体样品填充，并且，将液体样品从一个多孔盘转移到另一个以实施化验或存放复制的样品是例行程序。将液体试剂或液体样品从常见的贮存器转移至标准多孔盘或深孔盘也是例行程序。在一些情况下，采用手持式多道移液器(例如8道或12道)来从孔盘内的一组孔中抽取一些或者全部的液体并将等分试样转移到在同一孔盘或另一孔盘上的一组孔中。为了产生已准备的多孔盘的大体积，已经开发出自动液体处理机来提供比技术员，即便使用多道移液器，更大的吞吐量。在本领域中，存在多种类型的自动液体处理机以自动地填充多孔盘。这种自动液体处理机典型地采用先进直角坐标机器人来定位注射器和/或移液尖端，以及使孔盘往返于储藏状态和用于液体转移的就位状态之间。这些自动液体处理机中的大多数非常昂贵，并且还相当大。许多所述自动液体处理机包含先进的电脑控制，这需要大量的训练，以及设置和编程。这种自动化、大吞吐量的系统对一些应用并不实用。为了满足这一需求，现有技术还包含以商品名称Liquidator 96销售的同步96孔手动移液系统。这种完全手动的系统包含与标准96孔盘的尺寸相匹配的移液尖端阵列。一次性的移液尖端安装至96配合结构。所述系统同步地从96移液尖端抽取和配给液体。因为这种系统是完全手动的，其缺乏对精确的方案和液体转移量进行编程的能力。例如，电子手持式移液器，或自动液体处理系统，能够被编程以抽取精确体积的液体试剂或者样品，然后配给抽取的体积，有时作为连续的配给操作中的一系列等体积等份来进行配给。可编程的电子手持式移液器以及自动液体处理系统还能够被构造成进行相当复杂的移液操作，比如混合、反复移液、稀释等等。尽管是可编程的，自动液体处理系统具有很多优于完全手动96孔液体转移系统的希望特征，但是他们对于在特定的实验室应用中的使用来说太大并且太昂贵。因此，在很多应用中，实验室技术员不得不使用多道手持式移液器，这可能是相当费时的
发明内容
本发明是手动导向式多道电子移液系统，其用于将液体从标准多孔盘、深孔盘、样品管搁架或者贮存器转移到另一多孔盘中。本文所用术语孔盘同时指代标准孔盘和深孔盘二者。根据本发明构建的电子多道移液系统包含多道移液头，通道在所述多道移液头中以行和列的二维阵列布置。在不例性实施例中，移液头包含对应于96道阵列的96尖端配合结构阵列。移液电机被包含在用于移液头的承座内，并且驱动所述移液头来抽吸和配给。一次性移液尖端安装到尖端配合结构的阵列上，以将液体样品或液体试剂从一个多孔盘或忙存器转移至另一个多孔盘。作为替代方式，移液尖端可以用匣(magazine)来安装。所述系统包含底座，所述底座具有至少一个、但优选两个或更多个用于装持多孔盘或试剂贮存器的孔盘嵌套容座。所述系统还包含控制手柄。优选地，所述控制手柄安装至用于移液头的承座。优选的控制手柄与公开在Gary Ε· Nelson、George P. Kalmakis> Kenneth Steiner>Joel Novak、Jonathon Finger、和 Richard Cote 的美国专利号 7540205中的控制手柄相同或相当相似，所述美国专利于2009年6月2日授权，名称为“ElectronicPipettor”，申请号为11/856231，被转让至本申请的受让方，并且通过引用并入本文。控制手柄优选安装至测压元件，所述测压元件附接至用于移液头的承座。测压元件当使用者在手柄上施压时探测施加在控制手柄上的力，并且向电子电机控制系统输出对应的信号。在使用中，使用者以类似于在使用手持式电子移液器时的方式抓住控制手柄，并且在控制手柄上施压以使移液头相对于底座上的孔盘或贮存器运动。测压元件优选包含多个应变计以探测使用者施加在控制手柄上的力的方向和大小。相应地，控制系统使多道移液头相对于底座运动，从而使得使用者能够将移液尖端与在底座上的合适的孔盘或贮存器对齐。在本发明的示例性实施例中，承座安装至塔架，所述塔架包含用于相对孔盘底座起升和降下移液头的机动竖直驱动机构。机动水平驱动机构响应于所探测到的施加在控制手柄上的力来使塔架和移液头横向地运动。例如，如果使用者从左至右地在控制手柄上按压，那么塔架连同移液头从左至右运动。如果使用者在控制手柄上上拉，或者在控制手柄上下推，那么竖直驱动机构相应地起升或者降下移液头。移液头的二维运动(即，X轴和Z轴)的速度由电子运动控制系统来控制。优选地，速度一般与由测压元件探测到的力的大小成比例，然而，电子运动控制系统在移液头接近机械位移极限的时候使移液头减速。作为响应于探测到的施加在控制手柄上的力来使塔架和移液头横向运动的替代方式，在本发明的精神范围内，也可能将塔架保持在固定的横向位置，而响应于使用者对控制手柄的使用使底座来向左或向右横向运动。如上文所述，控制手柄优选与公开在上文所引用的名称为“ElectronicPipettor”的美国专利7540205中的控制手柄相类似。因此，控制手柄优选包含适于握持在使用者手中的细长本体。在所述控制手柄的前侧，所述控制手柄优选具有由使用者操作的触轮控制件，以及点阵用户界面显示器，所述显示器位于触轮控制件的上方。优选的系统还包含多个微处理器。在本发明的示例性实施例中，微处理器的其中之一位于控制手柄内，即便如此，为实施本发明不必要使微处理器位于控制手柄内。优选的系统包含菜单驱动软件来控制显示在用户界面显示器上的信息以及来给操作所述系统的一个或多个微处理器编程。触轮控制件中的圆形触板将使用者拇指或手指的转动运动转变为显示器上的光标运动，以操控菜单驱动软件。所述菜单驱动软件在很多方面与公开在Gary NelsoruGeorgeP. KalmakiS、Gregory Mathus、Joel Novak、Kenneth Steiner 和 Jonathon Finger 的名称为“PipettorSoftware Interface”的共同待决的申请中的软件类似,所述申请的申请号为11/856232，提交于2007年9月17日，转让至本申请的受让人，并且通过引用并入本文。例如，所述软件提供用于调整各种经编程的移液程序的体积、相对移液速度、步距(pace)和数目(count)的图像显示。软件还优选地基于预定算法提供多个可编程的移液模式，比如移液、重复移液、样品稀释、移液/混合、手动移液、可变移液、可变配给、可变抽取、样品稀释/混合和连续稀释。这些功能模式是基于嵌入软件中的预设算法的，以实施相应的、众所周知的移液程序的，即便如此，各种参数诸如体积、速度、步距、数目、方向和混合可供使用者编程和编辑。除此之外，优选的软件包含客户编程模式，使用者可以基于抽取、混合、配给和清洗的步骤而创建客户移液程序。优选的软件也还包含其它特征。本发明的另一个方面指向尖端排出机构。优选地，与在单道或多道手持式移液器中的相类似，排出器按钮位于控制手柄上。位于控制手柄上的传感器探测到排出器按钮已被启动，并且向电子控制系统传递信号以启动在多道移液头上的自动尖端拔除机构。优选地，负责使移液头上的活塞运动以进行抽取和配给的同一电机被驱动至过度延伸状态，以使阶梯状拔除盘运动来将一次性移液尖端从尖端配合结构上排出。阶梯状拔除盘的使用能 够使尖端组被依次地从尖端配合结构上移除，以此减小负荷在电机上的瞬时扭矩。在一优选的实施例中，显示在控制手柄上的用户界面上的菜单驱动软件在排出按钮被启动之后而在传输控制信号以拔除移液尖端之前提供排出确认询问。在本发明的另一实施例中，所述系统被设计成在底座上只装持一个多孔盘或贮存器。在本实施例中，所述系统不需要水平驱动机构，并且移液头不相对于底座横向运动。然而，竖直驱动机构响应于施加在控制手柄上的向上和向下的压力来使移液头向上和向下竖直运动。在本实施例中，使用者需要将单个多孔盘和/或贮存器放置在底座上的容座嵌套件，以及需要将单个多孔盘和/或贮存器从在底座上的容座嵌套件上移除。在另一类似的实施例中，底座相对于移液头的横向位置可以被手动地移动。在又一实施例中，移液头能够在竖直于X方向的方向上横向运动，这是例如通过包含响应于控制手柄的Y轴驱动机构来实现的。在本发明的这一实施例中，优选的是，用于移液头的承座被安装至龙门架而不是被安装至塔架。本发明这一实施例的一个优点是，允许访问在底座上的两排孔盘。另一优点是其允许移液尖端在Y轴方向上的机动、精确定位，这在配给到384孔盘中时是有帮助的。如果希望，那么X轴横向驱动，或者X轴和Y轴水平驱动的组合，可以被具有水平旋转轴线的驱动代替，可能具有径向延伸器驱动(radial extender drive)。在又另一实施例中，在一方面，承座和移液头之间，另一方面，承座和底座之间，的相对竖直和水平运动，或者仅竖直运动，以手动方式实施。在本实施例中，移液仍以电子方式实施，并且优选通过采用控制手柄上的用户界面来控制。在阅读了以下附图及其说明之后，本发明的其它优点和改型对本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。
图I是根据本发明示例性实施例构建的手动导向式多道电子移液系统的立体图。图2是图I中表明的多道移液系统的前视立面图。
图3是图I和图2中表明的手动导向式多道电子移液系统的侧视立面图。图4是与图I类似的表明尖端的附接的视图。图5是图1-4中所示手动导向式多道电子移液系统中控制手柄及其至测压元件以及至承座的附接的视图。图6是图1-5中所示手动导向式多道电子移液系统的移液头和移液电机的仰视立体图。图7是表明了图1-6中表明的手动导向式多道移液系统的内部构件的后方仰视立体图。图8是沿图7中线8-8的视图。
图9是沿图7中线9-9的截面图。图9示出在左手侧容座位置的塔架。图10是与图9相类似的表明在左手侧容座位置的塔架的视图。图11是示意性地表明塔架中Z轴竖直驱动机构的侧视立面图。图12是沿图11中的线12-12的细节图。图13是沿图12中的线13-13的细节图。图14是根据本发明一个实施例来使用的电动机械和软件控制环路的框图。图15表明了本发明的另一实施例，其中手动导向式多道电子移液系统被设计成在底座上只装持一个多孔盘或贮存器。
具体实施例方式在图1-14中示出了根据本发明构建的手动导向式多道电子移液系统10的第一实施例。参见图1-3，手动导向式多道电子移液系统10包含多道移液头12，所述多道移液头具有以行和列的二维阵列方式布置的多个移液通道。一般移液头12会包含96尖端配合结构的阵列。移液尖端14的阵列附接至多道移液头12。手动导向式多道电子移液系统10包含平面底座16，所述底座支撑右嵌套容座18和左嵌套容座20。嵌套容座18、20被设计成在底座16上的已知位置中装持多孔盘、存放管搁架或贮存器。嵌套容座18、20可以附接至底座16或者可以与底座16 —体制成。移液头12可移除地安装至承座22，所述承座继而安装至塔架24。位于承座22内的移液电机驱动多道移液头12进行抽吸和配给。更详细地描述如下，Z轴驱动机构使承座22和多道移液头12相对于塔架和底座16竖直地运动。X轴驱动机构使塔架24和承座22沿着X轴水平地运动，从而使得移液头12和尖端14的阵列可以从对应于底座16上第一嵌套容座18中的孔盘26的位置运动至对应于安放在左侧嵌套容座20中的孔盘的位置。系统10包含优选安装至承座22的控制手柄30，如前文所提到的，所述控制手柄优选类似用于手持式电子移液器的手柄。更具体地来说，控制手柄30优选安装至测压元件32，所述测压元件附接至承座22。在使用中，使用者以类似于在使用手持式移液器时的方式抓住控制手柄30，并且在控制手柄30上施加压力以使承座22和移液头12运动。竖直的Z轴运动和水平的X轴运动由处于说明如下的伺服控制下的独立电机来驱动。控制手柄30还优选包含用于控制移液功能诸如抽取和配给的用户界面，也将更详细地讨论如下。如上文所述，控制器30的使用以及系统10的整个操作都是意图对使用传统手持式移液器的使用者的自然手部运动进行复制。然而，在使用传统手持式移液器的情况下，使用者因为对齐和重量问题将不能够可靠地使用96道移液头。正确地使所有96移液尖端与脱开的手持式移液器对齐将是极其困难的。直线对齐误差和角向对齐误差二者都将使这种系统不实用。再者，这种系统将会相对较重，也许有5-lOlbs.，这也是不实用的。表明在图1-14中的手动导向式多道电子移液系统10提供了可靠的移液尖端14的机械对齐，并且让使用者从移液器的实际重量分离出来。承座22和塔架24机械地支撑移液头12，并且允许移液头12沿竖直Z轴和水平X轴的运动，但防止意外的Y轴运动或转动。根据本发明，可以使用其它机械布置以类似方式来支撑移液头和使移液头运动，比如龙门架系统，即便如此，发现塔架24和承座22机构是实用的。手动导向式多道电子移液系统10不仅必须能够转移来自选定位置的流体和将流体转移至选定位置，而且必须为移液尖端提供实用而又方便的附接和排出。图4表明了准备附接至移液头12的位于右嵌套容座18上的一盒34的移液头。优选的移液头包含96尖端配合结构阵列，见图6中的参考标记36。然而，根据本发明，可以采用现有技术中已知的其它方法来安装尖端，比如采用匣。优选的尖端附接和排出机构详细地公开在由Julian Warhurst 和 Richard Cote 在与本申请同日提交的名称为 “Unintended Motion Controlfor Manually Directed Multi-ffell Electronic Pipettor”的共同待决的专利申请中，其要求于2010年5月3日提交的美国临时专利申请号61/330545的优先权，被转让至本申请的受让人，并且通过引用并入本文。简略来说，具有尖端配合结构36的阵列的移液头12使用X轴水平驱动机构精确地对齐在尖端容器34上方。然后，Z轴竖直驱动机构被用于用足够大的力降低承座22和尖端配合结构36以附接移液尖端14的阵列。然后使用Z轴竖直驱动机构来起升承座22和移液头12以将尖端14从尖端容器34中取出。尖端容器34被从嵌套容座18中移除并且用孔盘或贮存器替换以转移液体。为了通过规律运动控制实现尖端附接，使用者通过在其手掌中握持控制器30并在适当的方向上施压来控制承座22和移液头12的大体水平和竖直的运动，从而将移液头12定位在移液尖端14的托盘34上方。对于尖端附接必要的精确对齐当然是相当困难的；然而，运动控制软件促成了精确对齐。电动机械和软件控制移液头的运动并且使操作顺利，促进精确的对齐，以及控制由驱动系统施加的力，等等。运动控制系统的大致方面联系图14描述如下。优选地，使用如公开在Julian Warhurst的与本申请同日提交的共同待决的专利申请“Pipette TipPositioning for Manually-Directed, Multi-Channel Electronic Pipettor，，中的偏压软件来为尖端附接促成移液头12的合适水平对齐，该申请要求提交于2010年5月3日的并且转让至本申请的受让人的美国临时专利申请61/330551的优先权，并且通过引用并入本文。除此之外，系统10还优选包含软件检查来在实施尖端附接功能之前确认移液头的正确对齐，如在上文并入的名称为 “Unintended Motion Control for Manually DirectedMulti-Channel Electronic Pipettor”的专利申请中所公开的那样。简略来说,为尖端附接而必要的向下的力的大小基本上大于在正常操作过程中所希望的向下的力的大小。用太大的力来让移液尖端冲到孔盘中可能导致损坏，以及导致试剂和样品之类的损失。系统10优选在承座22的顶部包含尖端附接按钮38，必须按下所述按钮以使系统10施加足够的向下的竖直力用于尖端附接。例如，使用者将用左手按下按钮38，而将控制器30握持在其右手中，并且在控制器30上进行下推以使承座22向下运动来将尖端附接至移液头12。尖端附接按钮38不需要位于承座22的顶部上，即便如此，为了安全目的而占据使用者的两只手是希望的。例如，希望的可以是，将尖端附接按钮38设置在系统10上的不同位置，或者设置在实验室作业台表面上的不同位置。将样品和/或试剂移液之后，尖端典型地被排出到尖端托盘34中，或者松散地被排出到箱子中。现在参见图5，控制手柄30附接至在测压元件32上的悬臂40。悬臂40从测压元件32的基座42大体上水平向前地延伸，所述基座附接至承座22的框架。一对应变计44附接至测压元件基座42的上表面。应变计对44被用来探测由控制手柄30在X轴水平方向上施加在测压元件32上的力或压力的大小。另一对应变计46附接至测压元件32的基座42的侧壁。这一对应变计46被用来探测控制手柄30在竖直的Z轴方向上施加在测压元件32上的力或压力的大小。当通过各对应变计46测量力输入的分量时，X轴驱动和Z轴驱动以独立和同时进行的方式操作。电导线48将应变计44、46连接至位于承座22之内的输入端子50。端子50提供至运动控制系统的电连接，所述运动控制系统示意性地表明在图14中，并且所述端子优选位于承座22内的印刷电路板上。如上文所述，优选的控制手柄30与公开在已授予Gary Nelson等人的美国专利·7540205中的相同或相类似，所述专利名称为“Electronic Pipettor”，2009年6月2日授权，其通过引用并入本文。优选的控制手柄30不仅提供用来附接至测压元件32以控制移液头运动的手柄，而且优选提供用户输入界面。图5中示出的控制手柄30包含适于被握持在使用者手中的细长本体。触轮控制件52被设计成由使用者的拇指操作。触轮控制件52位于点阵用户界面显示器54的下方。优选的控制器30还包含运行按钮56和排出按钮58，所述运行按钮位于触轮控制件52的下方。在本示例性实施例中，具有专用微处理器的印刷电路板位于控制手柄30内，即便如此，塔架24包含更大的主印刷电路板，所述主印刷电路板包含数个已安装的电子器件，所述电子器件包含附加的主微处理器。圆形触板52将使用者拇指(或手指)的转动转化成显示器54上的光标运动以导引菜单驱动元件。所述菜单驱动软件在很多方面与在由George Kalmakis等人于2007年9月17日提交的名称为“Pipettor Software Interface”的共同待决的申请中公开的相类似,所述申请的申请号为11/856232，被转让至本申请的受让人，并且通过引用并入本文。如先前所述，所述软件为各种编程移液程序提供调节体积、相对移液速度、步距和数目的图像显示。所述软件还优选提供基于预定算法的多个可编程移液模式，比如移液、反复移液、样品稀释、移液/混合、手动移液、逆向移液、可变配给、可变抽取、样品稀释/混合以及连续稀释。这些功能模式是基于嵌入所述软件中的预定算法的，以实施相应的、众所周知的移液程序，即便如此，各种参数诸如体积、速度、步距、数目、方向和混合可供使用者进行编程和编辑。除此之外，优选的软件还包含客户编程模式，其中使用者可以基于抽取、混合、配给和清洗的步骤创建客户移液程序。优选的软件也还包含其他特征。虽然触轮控制件52和显示器54通常用于对移液系统进行编程，但是显示器54还用于在实施的移液例行程序的过程中显示进展或状态。为此，运行按钮56用于启动系统来按照显示器54上的移液协议进行抽取或配给等。例如，考虑这样一种情况，其中移液尖端14附接至准备使用的移液头12，并且试剂贮存器位于嵌套容座18内而具有样品的孔盘位于嵌套容座20内，希望的是，根据已编程的协议来将20ml的试剂从贮存器转移到在孔盘中的96孔的各个之中。使用者抓住控制手柄30首先把承座22、移液头12和移液尖端14导向至位于嵌套容座18中的贮存器的上方。显示器54可以显示诸如“抽取20ml”的指示。使用者通过在控制手柄30上施加向下的压力来降下移液尖端14到贮存器内的液体中。然后，为了把20ml的试剂抽取到每个移液尖端14内，使用者将会按压运行按钮56以启动移液步进电机来把20ml的试剂抽取到每个移液尖端中。使用者通过上拉控制手柄30把已填充的移液尖端14从在第一嵌套容座18内的试剂贮存器中起升。显示器54上的下一条指示可以是“配给20ml”。使用者使已填充的移液尖端运动到在第二嵌套容座20中的孔盘的上方，并且通过按压控制手柄30而使移液尖端在孔盘内的合适孔的上方对齐。使用在孔的上方降下已填充的尖端，并且按压运行按钮56以指示移液步进电机来配给移液尖端中的液体。参见图6，步进电机57驱动在移液头12中的活塞阵列来进行抽取和配给。本发明并不限于这种类型的移液电机和附带的多道歧管，因为根据本发明可以使用除所示类型以外的系统。优选地，移液电机是与公开在共同待决的美国专利号7540205中的相类似的电控步进电机，所述专利被转让至本申请的受让人，并且通过引用并入本文。希望的是，移液 头12是可移除的，以适应不同尺寸移液尖端14的使用。在图6所示的示例性实施例中，承座22包含用于将可移除移液头12固定至承座22的纵向楔形表面。设置传感器以在移液头12已被完全安装好后向系统发信号。系统另外允许使用者为可移除移液头12设置相对于底座16上的孔盘嵌套容座18、20的横向错开位置。如上所述，排出按钮58位于控制手柄30上。控制手柄30内的传感器探测排出按钮58是否已被启动。如果是，则向主电控系统转达信号以启动自动尖端拔除程序。希望的是，在排出按钮58被启动之后而在传递控制信号以拔除移液尖端14之前，显示在控制手柄30上的用户界面54上的菜单驱动软件提供排出确认询问。负责使移液头12上的活塞运动以抽取和配给的同一电机57被驱动至过度延伸状态，以使阶梯状拔除盘59运动来从尖端配合结构36上排出一次性移夜尖端14。阶梯状拔除盘59的使用使尖端14的组能够被依次地从尖端配合结构36上移除，以此减小负荷在电机57上的瞬时扭矩。现在参见图7，Z轴竖直驱动机构位于塔架24内，X轴水平驱动机构位于底座16内。它们各自是独立的，并且由处于伺服控制下的电机驱动。优选的Z轴竖直驱动采用丝杠(lead screw),所述丝杠通过单级带轮减速器(single stage pulley reduction)驱动。X轴水平驱动采用带传动，所述带传动同样也是通过单级带轮减速器驱动。印刷电路板86和附带的电子器件88被安装至竖直支撑板70上。现在还参见图11-13，Z轴竖直驱动机构包含在塔架24内竖直安装的丝杠60。竖直导轨62也竖直安装在塔架24内，并且大体上与丝杠60平行。安装板64从承座22延伸到塔架24中。横接板66横跨在承座安装板64之间。套接(journaled)至竖直导轨62的可滑动支承衬套68连接至横接板66。导轨62的位置通过至塔架24中的板70的附接而稳定化。螺纹随动件72位于丝杠60上。随动件72附接至横接板66，所述横接板继而附接至竖直轨道62上的衬套68A和68B。伺服电机74安装在塔架24中的基板76上，见图11。伺服电机74驱动带轮(pulley)78,并且继而通过带传动80驱动连接至丝杠60的带轮82。当伺服电机74被启动以转动丝杠60时，随动件72乃至承座22根据丝杠60的转动方向竖直向上或向下运动。如图12所最佳地示出，希望的可以是，将振动阻尼弹簧90连接至随动件72所安装至的横接板66上。在任何情况下，系统10优选包含用于限制Z轴竖直螺杆驱动可以施加的竖直力的大小的行程开关92和弹簧91。图12只示出在丝杠60的一侧的一个弹簧91，但是优选的是包含在丝杠60的另一侧的另一弹簧91，以在限制Z轴竖直螺杆驱动可以施加的竖直力的大小时平衡负荷。这种运行方案详细地描述在Julian Warhurst和
Richard Cote的共同待决的专利申请号_中，所述专利申请与本申请同日提交，名
称为 “Unintended Motion Control for Manually Directed Multi-Channel ElectronicPipettor”。大体上，如果由Z轴驱动施加的力超过了弹簧91 (或弹簧对91)的阈值弹簧力，那么上行程开关和下行程开关92之间的距离不再协调，控制系统将使得不能进行进一步的沿希望方向的Z轴运动。然而，运动将会优选在相反方向上被允许。现在特别参见图7、8和11，丝杠60的底部安装在轴承97中，所述轴承位于水平可移动的支撑块98上。X轴水平驱动机构使水平可移动的支撑块98运动。块98在图7中以 虚像示出。塔架24也由轮100支撑以便进行水平运动，所述轮在底板102上滚动。轮100安装至塔架基板76。作为替代方式，塔架24可以被轴承或轨道机构支撑以便进行水平运动。在这种布置中，水平导轨将被附接至底板102。对于水平驱动机构，水平导轨96和95安装至底座16的顶板。作为替代方式，水平导轨可以附接至底板102。再次参见图7、8和11，用于轨道96、95的可滑动衬套104、106附接至水平可动的支撑98。伺服电机108安装至板110，板110被安装至水平可动的支撑98。伺服电机108及其带轮驱动机构连同可动的支撑98和塔架24水平运动。带112将伺服电机108的输出连接至带轮114，见图7。来自带轮114的机械输出继而驱动带传动机构116。带116附接至底座16的表面。带116还围绕在水平可动的支撑98上的用于带驱动的一对辊120、122来穿行。辊122由带轮114的输出驱动，所述带轮由连接至伺服电机108的带112驱动。电能经连接的电接头124被供应至伺服电机108。参见图9和图10，当伺服电机108驱动带传动的辊122时，水平可动的支撑98和塔架24水平地运动。如上文所述，水平运动由如示出在图8和图7中的水平导引件95、96引导。用于水平运动的伺服电机108和用于竖直运动的伺服电机74优选是带有编码器的无刷三相电机，其用相同并且独立的控制回路来操作。竖直运动和水平运动二者可以根据施加在控制手柄30上的力来同时进行。图14表明当使用者在控制手柄30上施力时优选的控制回路，力的水平分量以及力的竖直分量将会由在图14中以参考标记128表明的应变计对44、46探测到。测压元件的输出是微伏水平的信号，所述信号首先由前置放大器130放大至适于A/D转换的水平。来自前置放大器130的电压信号优选以100样本/秒的速率被转换成为数字力值。来自A/D转换器132的数字输出信号然后被零点校正(nullcorrection)，参考标记134。零点校正特征允许测压元件输出经过一段时间后发生漂移和/或有不良的初始零输出。为了设定零点值136，使用者被要求把他们的手从控制手柄30上移开，然后测量A/D转换器输出132，如果稳定，该值则作为零点值136被储存。在正常的运行中，零点值被从A/D转换器输出132中减除，并且零点减除134的输出在+127至-127(2X108)的范围内，其中零对应于没有来自使用者的输入。在测压元件32因可能导致其“零”值改变的误用或意外碰撞而超负荷时，零点校正特征是有用的。优选地，每当系统重新初始化时零点值都将被重新设定。
零点校正的使用者的力值然后经过平均滤波器和积分器138。所述平均滤波器和积分器138具有两个功能。第一，由于测压元件在正常运行中经受一些振动和噪音，所以平均滤波器138抹平信号。第二，积分器通过累计随时间的力输入来减小使用者必须施加的力。这给手持式控制器30提供了轻松感，并且施加了被发现是希望的惯性的感觉。来自平均滤波器和积分器138的输出是所需速度值，即线140。所需速度值用于速度限制功能，其作为框142被指出在图14中。速度限制功能的目的是防止到了行程范围的末端处在竖直方向上或在水平方向上的冲撞。冲撞可以导致损坏，并且也形成了不希望的感觉。所需速度值140在机械行程范围的末端处被如此限制，使得速度在到达机械行程范围的末端时线性地减小至零。为了做到这一点，速度限制器142被用移液头的实际位置更新，所述实际位置来自用于各个电机74、108的编码器156和位置计数器158。线143表明实际位置数据被反馈至速度限制器142。对于水平轴线来说，总行程是接近150_，速度限制器在行程任一端的最后IOmm起作用。对于竖直轴线来说，总行程接近25mm。限制器于其中起作用的距离取决于正在使用的移液尖端14的尺寸。来自速度限制器142的经调整的速度值然后被积分，例如以IkHz的频率，以计算 出目标位置，见参考标记144和146。目标位置被更新,例如1000次/秒,并且代表相应伺服电机74、108应试图达到的位置，亦即用于工业标准的PID控制器(比例积分微分控制器)的典型目标位置。通过累计附接至相应伺服电机74、108的数字编码器156的输出来测量实际电机位置，见参考标记158。然后将实际位置与目标位置进行比较，见参考标记148，则输出是位置误差，如线149中。线149中的位置误差经过比例积分微分滤波器150，其计算希望的电机输出功率。希望的电机输出功率信号然后馈送至三相电机驱动器152，所述三相电机驱动器将所述信号转换成脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号通过三相FET桥被放大，然后馈送至伺服电机74、108。这种控制回路的结果是，移液头112的运动追踪着由使用者以自然的感觉施加在控制手柄30上的手部运动，末端行程限制以渐进方式施加。另外，本系统容忍经过一段时间之后在测压元件特性方面的变化。尽管本发明的示例性实施例表明了竖直Z轴直线驱动机构和水平X轴水平驱动机构的使用，但是如上文所述，其它构造可以被用来实施本发明，比如用于水平运动的旋转器驱动(rotor drive)机构的使用。图15表明另一实施例210,本实施例与描述在图1_14中的实施例类似，但是只提供承座222的竖直运动。注意，本实施例中的底座216只包含一个嵌套容座218，从而使得使用者在实施液体转移协议时需要放置和移走各个孔盘、贮存器和尖立而各器。在与图15中的相类似的实施例中，底座相对于移液头的横向位置可以被手动地移动。在本发明的又一实施例中，本系统可以包含与X轴水平驱动机构相类似的响应于控制手柄的水平Y轴驱动机构。在这种实施例中，优选的是，用于移液头的承座安装在龙门架而不是塔架上。这种实施例的一个优点在于，允许系统访问在底座上的两排或更多排的孔盘。另一优点是，所述实施例允许移液尖端在Y轴方向上机动、精确的定位，这在配给到384孔盘中时是有帮助的。应注意的是，在示例性实施例中，控制手柄30的力或者运动是采用测压元件探测的，在本发明的精神范围内使用其它探测器来探测控制手柄30的压力、力或者运动是可能的，比如电位计、光学传感器或激光传感器。另外，在一些情形下，手动实施承座22和移液头12相对于底座16的相对竖直运动和相对水平运动或者仅手动实施相对竖直运动是希望的。在本发明的这种实施例中，移液功能是如先前描述地是电子的，且优选地通过如关于本 发明其它实施例所描述的在控制手柄30上的用户界面控制。
权利要求
1.一种电子多道移液系统,包括 多道移液头，所述多道移液头具有以行和列的二维阵列布置的多个移液通道； 移液电机，所述移液电机驱动所述多道移液头来抽取和配给； 底座，所述底座用于装持至少一个多孔盘、管搁架或贮存器，每个多孔盘具有以行和列的二维阵列布置的多个孔；以及 控制手柄； 其中，所述多道移液头响应于施加至所述控制手柄的力的方向相对于所述底座或水平、或竖直、或者既水平又竖直地运动。
2.如权利要求I所述的电子多道移液系统，其特征在于，所述底座装持至少两个多孔盘、管搁架或贮存器。
3.如权利要求I或2所述的电子多道移液系统，其特征在于，所述控制手柄被安装至用于所述移液头的承座。
4.如权利要求2所述的电子多道移液系统，其特征在于，另外包括 X轴驱动机构，所述X轴驱动机构包含电机，所述X轴驱动机构的电机用于响应于施加至所述控制手柄的横向力而使多道移液头横向运动。
5.如权利要求I或2所述的电子多道移液系统，其特征在于，另外包括 z轴驱动机构，所述z轴驱动机构包含电机，所述z轴驱动机构的电机用于使多道移液头竖直向下朝向所述底座运动，以便将安装在多道移液头尖端配合结构上的移液尖端的下端放置到装载在所述底座上的多孔盘的孔之内或者到略高于所述孔之处，并且还用于使所述多道移液头竖直向上离开所述底座运动。
6.如权利要求I或2所述的电子多道移液系统，其特征在于，另外包括 塔架，所述多道移液头被安装至所述塔架，以相对于所述塔架竖直运动； 横向驱动机构，所述横向驱动机构包含电机，所述横向驱动机构的电机用于响应于施加至所述控制手柄的横向力来使所述塔架横向运动；以及 竖直驱动机构，所述竖直驱动机构包含电机，所述竖直驱动机构的电机用于使多道移液头相对于所述塔架朝向所述底座运动，以便将安装在多道移液头尖端配合结构上的移液尖端的下端放置到装载在所述底座上的多孔盘的孔之内或者到略高于所述孔之处，并且还用于使所述多道移液头竖直向上离开所述底座运动。
7.如权利要求I或2所述的电子多道移液系统，其特征在于，另外包括测压元件，所述测压元件安装至用于多道移液头的承座，所述控制手柄被如此安装到所述测压元件上，使得所述测压元件探测施加至所述控制手柄的力的方向和大小，其中所述移液头在给定方向上的速度大体上与在所述给定方向上探测到的力的大小成比例。
8.如权利要求7所述的电子多道移液系统，其特征在于，另外包括电子运动控制系统，所述电子运动控制系统将所述移液头的运动范围限制在预选的运动极限以内。
9.如权利要求8所述的电子多道移液系统，其特征在于，即便是在所述测压元件探测到相冲突的力的情况下，所述电子运动控制系统在所述移液头接近预选运动极限时也会使所述移液头减速。
10.如权利要求I或2所述的电子多道移液系统，其特征在于，所述控制手柄包括 细长本体，所述细长本体适于被握持在使用者的手中；触轮控制件，所述触轮控制件位于本体的前侧上以由使用者操作；以及 用户界面显示器，所述用户界面显示器位于所述本体的前侧上所述触轮控制件上方； 一个或多个微处理器；以及 菜单驱动软件，所述菜单驱动软件用于控制显示在所述用户界面显示器上的信息，以及用于对所述一个或多个微处理器进行编程以操作系统，其中所述信息中的至少一些被显示为菜单选项；以及 其中触轮包括圆形触板，所述圆形触板将拇指或手指的转动转换成在显示器上的光标运动，以便导引所述菜单驱动软件。
11.如权利要求2所述的电子多道移液系统，其特征在于，在所述底座上设有第一孔盘嵌套容座和第二孔盘嵌套容座； X轴驱动电机能够使所述多道移液头运动到位于所述第一孔盘嵌套容座上方的位置，并且还能够使所述多道移液头运动到第二位置，在所述第二位置，所述多道移液头位于所述第二孔盘嵌套容座的上方。
12.如权利要求I或2所述的电子多道移液系统，其特征在于，所述多道移液头具有以8乘12的阵列布置的96尖端配合结构，或者具有以16X24的阵列布置的384尖端配合结构。
13.如权利要求I或2所述的电子多道移液系统，其特征在于，所述控制手柄的灵敏度是可调的。
14.如权利要求I或2所述的电子多道移液系统，其特征在于，另外包括 用户界面显示器，所述用户界面显示器位于所述控制手柄的前侧； 排出按钮，所述排出按钮位于所述控制手柄上； 微处理器；以及 软件，所述软件用于控制显示在所述用户界面显示器上的信息，并且用于对所述微处理器进行编程以操作系统； 其中，一旦排出按钮被启动那么排出确认询问被显示在显示器上，并且用于拔除移液尖端的控制信号只在使用者确认尖端排出是希望的之后才被生成。
15.如权利要求I或2所述的电子多道移液系统，其特征在于，另外包括 可动承座； 其中，所述多道移液头是承装在所述承座中的可移除多道移液头；以及其中，所述承座包含用于将可移除的移液头固定至所述承座的纵向楔形表面，并且系统另外包括用于给所述可移除移液头设定相对于在所述底座上的所述孔盘嵌套容座的横向错开位置。
全文摘要
一种手动导向式多道电子移液系统被设计成将液体从标准多孔盘、深孔盘或贮存器中转移到另一多孔盘中。优选的移液头包含96尖端配合结构的阵列。具有至少一个但优选两个或更多个孔盘嵌套容座的底座装持着用于被一阵列的一次性移液尖端接入的一个或多个多孔盘或试剂贮存器。电子运动控制系统包含安装至测压元件的控制手柄、用于移液头的承座并且被握持在使用者的手掌中。在使用中，使用者抓只控制手柄并且以类似于人们使用手持式电子移液器的方式操作本系统。
文档编号G01N35/00GK102917795SQ201180027355
公开日2013年2月6日 申请日期2011年5月3日 优先权日2010年5月3日
发明者J·瓦赫斯特, G·纳尔逊, R·科特 申请人:因特格拉生物科学公司