专利名称：一种生物医药样本冷藏存取自动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生物医药样本在冷藏环境下储存时自动存入于取出的系统， 属于样本存储技术领域。
背景技术：
生物医药领域的实验室中的样本数量多、批次多，大多数研究机构没有专门的样本管理系统，样本的管理和使用长期实行书面管理，造成样本利用率低、信息滞后、无法实时跟踪研究成果等问题。加上人员流动大，研究成果不能共享，实验工作交接程序繁琐，对试剂和化合物等样本交接没有统一的标准，给样本的保存、使用和管理工作带来了较大难度。随着国内研究条件的改善，生物实验室样品量逐渐增多，以前的简单无序的样品管理模式已经不能适应目前的工作需要，实验室的管理有待进一步提高，如何更加高效、便捷地管理实验室样品是目前急需解决的一个重大课题，尤其是实验室中生物制品和化学药品的科学管理对于整个实验室的快速发展和有序运行就显得格外重要。目前迫切需要一种高效、便捷的样品存取系统来满足实验室发展过程中对样品精确管理的需要。目前，制约我国生物医药研究的瓶颈在于仪器设备，相关高端仪器设备大多是进口的，并且还不能充分发挥它们的功能，更重要的是买不到最先进的仪器设备。国内许多研究机构没有专门的样本管理系统，样本的管理和使用长期实行书面管理，造成样本利用率低、信息滞后、无法实时跟踪研究成果等问题。国内外的样本库，从保存容器上看，主要采用的传统的冰箱(柜)保存，部分采用了液氮罐保存，也有很小部分试点了机械臂自动样本库。从数据管理上看，大部分还停留在简单数据库时代，只有部分样本库开发了专用数据库，并与大型数据库做了接口。生物医药样本需要在冷冻或冷藏环境下储存，同时也会从冷冻或冷藏环境取出， 不论是那种情况，都会需要开启冷藏环境(如冰箱、冰柜)的室门，有时开启是频繁的，这就造成内外空气的对流，这样势必造成冷藏环境(温度、湿度等)发生变化，影响储存环境的稳定。研究表明，药物制剂、药品性能、生物样本(血浆、血清、全血、淋巴、唾液、各种组织、 毛发、尿液、胆汁、泪液、脊髓液、汗液、乳汁、羊水等)、疫苗储存以及蔬菜肉品的储存环境 (温度、湿度等)对其性能、品质都有很大影响。现有的冷藏设备(如冰箱、冰柜)都是通过设置一个比较大的室门存放或取出物品。物品在储存和取出时，都会需要开启冷藏环境(如冰箱、冰柜)的室门，有时开启是频繁的，这就造成内外空气的对流，这样势必造成冷藏环境(温度、湿度等)发生变化，影响储存环境的稳定，特别是对储存环境要求苛刻的物品，微小的储存环境变化都会影响其品质， 同时也会使冷冻或冷藏设备频繁启动，增大电能消耗，提高储存成本。样本的数量不断增多，需要记录的信息量也在增多，面对如此多的信息，传统的管理方式显得捉襟见肘。目前，市场上没有能够满足这个需求的产品，而这种产品对样本的储存、管理和使用又特别重要，为了提高样本的储存质量和把研究人员从繁琐的样本管理中解脱出来，必须研发一种能在冷藏环境下根据研究工艺需求完成样品的自动取样、计量，又能对样品使用情况进行登记管理的新型样本自动存取及智能管理系统。不论国内还是国外，研究数据库的单位比较多，提供冷冻设备的企业也很知名，但是，把样本冷藏技术、样本自动存取技术与样本数据库管理结合起来的成功案例还没有。
发明内容
本发明针对现有生物医药样本储存技术存在的不足，提供一种存储容量大、能够实现高效、安全、自动存取和管理的生物医药样本冷藏存取自动控制系统。本发明的生物医药样本冷藏存取自动控制系统采用以下技术解决方案该生物医药样本冷藏存取自动控制系统，包括冷藏室、自动存取间口、样本库、样本自动输送机构、条码扫描器、可编程控制器(PLC)和上位机；冷藏室是一个密闭体，自动存取间口设置在冷藏室侧壁上，样本库与样本自动输送机构均设置在冷藏室内；条码扫描器安装在样本输送经过的路径上；自动存取间口、样本库以及样本自动输送机构中的传感器和执行部件均与可编程控制器连接；条码扫描器和可编程控制器均与上位机连接；自动存取闸口，是冷藏室与外部空间联系的用来存取样本的过渡通道，该过渡通道与外部环境之间设有外闸门，与冷藏环境之间设有内自动门，外闸门和内自动门之间设有一个过渡区，过渡区内设置有与冷藏室外部连通的气体入口和排气口、与冷藏室内部连通的低温气体入口以及保护性气体入口，这些口上均安装有阀门；过渡区内设置有压力传感器和温湿度传感器；在内自动门处于冷藏室的内侧设置一个移动的样本托盘，样本托盘的内侧设有一个推送机构；样本库，包括中心轴、样本储存圆盘和圆盘驱动机构；中心轴底端安装在一个基座上，各个样本储存圆盘平行安装在中心轴上，相邻样本储存圆盘之间设有密封垫，样本储存圆盘上分布有样本巢和样本传输通道，对应于所有样本储存圆盘至少设置一套圆盘驱动机构，圆盘驱动机构安装在一个固定于基座的支架上，样本巢采用多圆环形式布置在样本储存圆盘上，样本巢呈圆环状分布，圆环数量至少为两环，所有圆环为同心，每一圆环上至少设置一个样本传输通道；样本自动输送机构，包括托举装置和吸附输送装置，托举装置设置在最底层样本储存圆盘的下方，包括托举喷气管和喷气控制阀，对应于最底层样本储存圆盘上的每一个样本传输通道设置一个托举喷气管，托举喷气管上连接有喷气控制阀，托举喷气管与气源连接；吸附输送装置设置在最顶层样本储存圆盘的上方，包括组合吸气座、吸气管、吸气控制阀、输送管、输送控制阀和真空仓，对应于最顶层样本储存圆盘上的每一个样本传输通道设置一个吸气管，吸气管上连接有吸气控制阀，各个吸气管均与真空仓连接，输送管一端与真空仓连接，一端连接到样本托盘，输送管上连接有输送控制阀。所述圆盘驱动机构包括伺服电机和传动机构，伺服电机与传动机构的输入端连接，传动机构的输出端连接在旋转圆盘上。传动机构可以采用带传动、同步带传动、齿轮传动、齿轮齿条传动等各种能够使圆盘转动的机构。本发明改变了传统冷藏环境的启闭方式，可实现样本的自动存取，具有结构简单、 样本存放容量大的特点；具有温度、湿度耦合控制功能，具有惰性气体保护装置，尽量减少冷藏环境的波动，避免了冷藏环境的变化，保证了冷藏环境的稳定，保障了样本品质和安全；可以把样本的储存与样本数据信息关联起来，让研究人员从繁琐的样本管理中解脱出来。
图1是本发明的结构框图。图2是本发明中自动存取闸口的结构示意图。图3是本发明中样本库和样本自动输送机构的结构俯视图。图4是本发明中样本库和样本自动输送机构的结构主视图。
图5是样本瓶存入流程图。其中1.冷藏室，2.自动存取闸口，3.样本库，4.样本自动输送机构，5.条码扫描器，6.可编程控制器，7.上位机；201.外闸门，202.内自动门，203.过渡区，204.样本托盘， 205.冷藏室内部，206.冷藏室外部，2031.外部气体入口，2032.保护性气体入口，2033.低温气体入口，2034.排气口，2035.温湿度控制器，2036.压力控制器；301.样本储存圆盘， 302.样本巢，303.样本传输通道，304.密封垫，305.样本瓶，306.基座，307.中心轴；401. 组合吸气座，402.吸气控制阀，403.吸气管，404.真空泵，405.真空控制阀，406.真空仓， 407.托举喷气管，408.喷气控制阀，409.空气压缩机，410.输送管，411.输送控制阀。
具体实施例方式如图1所示，本发明的生物医药样本冷藏存取自动控制系统，包括冷藏室1、自动存取间口 2、样本库3、样本自动输送机构4、条码扫描器5和可编程控制器6和上位机7。冷藏室1是一个密闭体，与现有冰柜的结构基本一样，只是四周都是密封的，只在侧壁设置有一个自动存取闸口 2。，并在此设置自动存取闸口 2。样本库3与样本自动输送机构4均设置在冷藏室1内。以下对自动存取闸口 2、样本库3和样本自动输送机构4的结构做详细说明。自动存取闸口 2的结构如图2所示，是一个设置在冷藏室1侧壁上的过渡通道，处于外部环境与冷藏室环境之间。该过渡通道与冷藏室外部206之间设有外间门201，与冷藏室内部205之间设有内自动门202，外闸门201和内自动门202之间设有一个过渡区203。 内自动门202可以采用光控自动门或其它方式控制的自动门。外闸门201可以采用手动门， 也可以采用自动门。在过渡区203的一侧设置与冷藏室内部205连通低温气体入口 2033 以及与冷藏室外部206连通的排气口 2034，另一侧设置与冷藏室外部206连通的外部气体入口 2031以及与外部保护性气体源连通的保护性气体入口 2032，这些口上均安装有阀门， 以便打开或关闭。外部气体入口 2031与外部环境连通，低温气体入口 2033与冷藏环境连通，保护性气体入口 2032与外部保护性气体源连通，保护性气体为各类适用于物品保护的气体，如各种惰性气体。在过渡区203内安装温湿度控制器2035和压力控制器2036，以便于调控过渡区203环境。内自动门202内侧设置一个可以移动的样本托盘204，样本托盘 204的内侧设有一个推送机构(图2中未画出)，该推送机构可以是一个气缸、液压缸、电动推杆或机械臂，也可以是能够使样本托盘204上的样本瓶推入过渡区203或拿出过渡区203 的其它机构。样本托盘从冷藏环境室进入过渡区是通过推送机构推进，推送机构动作与内自动门动作同步进行，通过PLC控制，从外环境进入过渡区，通过手动推进。
自动存取闸口 2的工作过程如下一.从冷藏室内部205取出样本1.先根据所要取出样本的保存特点，在过渡区203营造一个过渡环境，通过外部气体入口 203 1通入外部气体以提高过渡区203内的温度或湿度，通过保护性气体入口 2032通入保护性气体。通过温湿度控制器2035检测和控制过渡区203内的温湿度，根据样本对温湿度变化要求，来确定外部气体入口 2031的开启或关闭。对一些具有特殊要求的样本还要根据其要求，通过压力控制器2036检测过渡区203内的压力，控制保护性气体通入量。2.样本自动输送机构4把存入样本库3内的样本瓶305(参见图4)自动放置到内自动门202内侧的样本托盘204上。3.当需要把样本托盘204由冷藏室经内自动门202输送到过渡区203时，内自动门202根据PLC指令自动打开，通过冷藏环境区域内的推送机构将样本托盘204上的样本瓶405送到过渡区203，推送机构退回。4.样本在过渡区203停留一段时间，并逐渐适应外部环境，以避免由于环境的急剧变化对样本造成影响，当样本瓶305在过渡区203的温湿度、压力、以及保持时间符合样本转移要求时，打开外闸门201将样本瓶305取走。二.由冷藏室外部206储存样本1.与从冷藏室内部205取出样本的第1步是一样的。2.打开外闸门201将样本托盘204放入过渡区3，样本在过渡区203停留一段时间，使样本先逐渐冷却，逐渐适应冷藏环境，以避免由于环境的急剧变化对样本造成影响， 然后内自动门202根据PLC指令打开(打开外闸门201的同时开始计时)，推送机构伸出将样本托盘204带入，再通过样本自动输送机构4把样本瓶305存入样本库3内。样本库3的结构如图3和图4所示，包括中心轴307、样本储存圆盘301和圆盘驱动机构，中心轴307底端安装在基座306上。中心轴307上安装有两个以上的样本储存圆盘 301，样本储存圆盘301通过轴承上下平行地安装在中心轴307上，相邻样本储存圆盘301 之间设有密封垫304。样本储存圆盘301上分布有样本巢302和样本传输通道303 (参见图1)。样本储存圆盘301上的样本巢302，样本巢302采用多环形式布置在样本储存圆盘 301上，样本巢302呈圆环状分布，圆环数量至少为两环，所有圆环为同心，每一圆环上至少设置一个样本传输通道303。可以在每一个圆环上对称设置两个样本传输通道(即两个样本传输通道的夹角等于180度)，所有圆环上的样本传输通道的中心处于一条直径上，这样在存取样本时，驱动机构只需要让圆盘旋转< 90度就可以找到合适样本传输通道。对应于所有样本储存圆盘至少设置一套圆盘驱动机构(图中未画出圆盘驱动机构)，可以是每一个圆盘设置一套驱动机构，也可以是几个圆盘或所有圆盘共用一套驱动机构，如果几个圆盘或所有圆盘共用一套驱动机构，该驱动机构可以通过丝杠螺母副等升降机构上下滑动， 需要转动某一个圆盘时就将该驱动机构移动到该圆盘处，与该圆盘连接，当然该驱动机构必须是能够移动的传动机构，如齿轮传动。各套圆盘驱动机构均安装在一个支架上，该支架固定于基座306上。圆盘驱动机构包括伺服电机和传动机构，伺服电机安装在所述的支架上，传动机构可以采用带传动(主动轮安装在伺服电机上，样本储存圆盘301做成从动轮)、 齿轮传动(主动齿轮安装在伺服电机上，样本储存圆盘301做成从动齿轮)、齿轮齿条传动
6(伺服电机上安装偏心轮带动齿条往复移动，样本储存圆盘301做成从动齿轮)等各种能够使样本储存圆盘301转动的机构。样本传输通道303是一个通孔，其孔径略大于样本巢302的外径，这有利于样本瓶从样本巢顺利进入样本传输通道303，同时，还可以在样本瓶外侧形成环状气流，样本瓶就在气流包围和簇拥下穿越样本传输通道，从而减少与侧壁的摩擦阻力；样本巢的孔径大于样本瓶外径，样本巢底部开有小于样本瓶外径的小孔，这样可以将样本瓶放置在样本巢中， 且不会从样本巢中落下，同时它还是托举力实施气体通道。样本自动输送机构的结构如图3和图4所示，包括托举装置和吸附输送装置。托举装置设置在最底层样本储存圆盘的下方，包括托举喷气管407和喷气控制阀408，对应于样本储存圆盘301上的每一个样本传输通道303设置一个托举喷气管407 (图2中只画出一个)，托举喷气管407上连接有喷气控制阀408，喷气控制阀408采用自动控制阀(电磁阀等)，托举喷气管407与气源连接，气源采用空气压缩机409。托举喷气管407可以固定在安装圆盘驱动机构的支架上。通过打开喷气控制阀408，使压缩气体由托举喷气管407进入样本传输通道303以及样本巢302，将样本巢302中的样本瓶305向上托举。吸附输送装置设置在最上层一个样本储存圆盘的上方，包括吸气管403、吸气控制阀402、输送管410、 输送管控制阀411和真空仓406，对应于样本储存圆盘301上的每一个样本传输通道303设置一个吸气管403，吸气管403上连接有吸气控制阀402。为了把便于安装和操作，也可以将各个吸气管403连接到一个组合吸气座401上，组合吸气座401上设有与每个样本传输通道303对应的吸气口。各个吸气管403或组合吸气座401可以固定在安装圆盘驱动机构的支架上。各个吸气管403均与真空仓406连接。输送管410—端与真空仓406连接，输送管410上连接有输送管控制阀411，一端连接到样本托盘204。吸气控制阀402和输送管控制阀411采用自动控制阀(电磁阀等)。真空仓406与真空泵404连接，连接管路上设有真空控制阀405，可在真空仓406上安装真空表，通过真空泵404使真空仓406内产生负压，打开吸气控制阀402，吸气管403对样本传输通道303以及样本巢302抽吸，将样本巢 302中的样本瓶305吸出。在托举喷气管407的托举和吸气管403的抽吸作用下，样本瓶 305被取出样本储存圆盘301，经输送管410输送到自动存取闸口 2中的样本托盘204上。 若将样本瓶305放入样本储存圆盘301的样本巢，也采取相应的步骤，让样本巢与样本传输通道对齐，通过输送管410将放置在自动存取间口 2中样本托盘204上的样本瓶305吸入吸气管403，经吸气管403落入到指定的样本巢内。为保证样本瓶平稳落入样本巢，防止样本瓶自由落体，可通过托举喷气管407托举样本瓶，让样本瓶减速，托举力大小与样本瓶重量和位置三者要相耦合，既要保证样本瓶快速入巢，又要平稳“着陆”，这就需要控制托举力随样本瓶所处位置交替变化。通过可编程控制器6控制吸气控制阀402和喷气控制阀408 的开口度，以此控制抽吸力和托举力。上述样本库3通过垂直的中心轴，把样本储存圆盘301层层装配起来，圆盘驱动机构始终使圆盘的初始状态保持在样本传输通道上下贯通状态，当需要储存某个样本到指定样本巢时，驱动机构驱动圆盘旋转，让该样本巢寻找最近样本传输通道。这样在同一圆盘上的其它样本就不需要“暴露”在储存环境以外的环境中，很好地保持了样本储存环境的温度。层与层之间留有恰当的间隙，做到密封而不干涉。这种结构很好地解决了在有限的空间内储存尽量多的样本问题并且样本储存灵活方便。
若取第三层(从下向上排列，层数大于3层)、第2环(从内向外排列)上的某个样本瓶11，则第三层样本储存圆盘在驱动机构的驱动下转动对应到第2环的样本传输通道 (从第四层到最底层是畅通的，第一、二层也是畅通的，因为是每层的样本传输通道在原始状态都是对齐的)，通过托举喷气管407的托举和吸气管403的抽吸，样本瓶305被取出的样本储存圆盘301，经输送管310输送到样本托盘204。然后该样本储存圆盘在驱动机构的驱动下重新回到初始状态，即该层的样本传输通道与其它层的样本传输通道对齐。条码扫描器5安装在样本输送经过的路径上，如自动存取闸口 2内、样本托盘204 处、样本自动输送机构中的输送管两端口等位置。用于样本身份识别和寻找对应样本巢 302，并与上位机7相连。上述自动存取闸口 2、样本库3、样本自动输送机构4中的传感器(温湿度传感器、 压力传感器)、电动执行部件(伺服电机、控制阀等)均与可编程控制器6连接，根据可编程控制器6内编制的程序按照条件和顺序运行。条码扫描器5和可编程控制器6均与上位机7连接，上位机7主要完成人机交互、 控制指令输入输出、样本信息采集、样本信息记录、数据转换、与可编程控制器6通讯等功能。可编程控制器6接受上位机7发出的控制指令，自动按一定的逻辑关系转换为相应的控制信号，输出至各执行机构。图5给出了样本瓶305的存入流程图，样本瓶305上预先贴有带条码的标签，一种条码信息表示一种样本，每一个样本巢302也对应一个条码信息，这样就形成一一对应关系。样本瓶305存入过程是先将样本瓶305经过自动存取闸口 2，进入冷藏室，条码扫描器5进行条码识别， 并将扫描的条码信息传到上位机7，上位机7根据记录储存并给出该样本瓶305在样本库 3的存入位置(样本储存圆盘的层数及样本巢位置的极坐标半径和极坐标角度)；样本库 3和样本自动输送机构启动，样本库3中的相应样本储存圆盘转动，使样本瓶所要存入的样本巢上方和下方的样本传输通道均对齐；同时样本瓶经输送管410输送至吸气管403，由吸气管403进入样本传输通道。可编程控制器6控制喷气控制阀408的开口度，调节托举力的大小，使样本瓶平稳快速的到达指定样本巢。样本瓶305取出的过程是可编程控制器6读取上位机7记录的样本瓶位置信息(所在样本储存圆盘的层数，以及在该层样本储存圆盘上的样本巢位置)，将位置信息转换为定位数据(样本储存圆盘的层定位、样本巢的极坐标半径定位和极坐标角度定位)；样本储存圆盘根据指令，旋转到指定位置，启动样本自动输送机构4，打开所取样本瓶所在样本巢对应的托举喷气管407 和吸气管403上的喷气控制阀408和吸气控制阀402，再通过输送管410使样本瓶输送至自动存取闸口 2，条码扫描器5进行条码扫描，与上位机7记录的条码核对，核对无误后，由自动存取闸口 2取出。若所取样本不符合要求，则原路径返回，重新选取。
权利要求
1.一种生物医药样本冷藏存取自动控制系统，包括冷藏室、自动存取间口、样本库、样本自动输送机构、条码扫描器、可编程控制器和上位机；其特征是冷藏室是一个密闭体， 自动存取间口设置在冷藏室侧壁上，样本库与样本自动输送机构均设置在冷藏室内；条码扫描器安装在样本输送经过的路径上；自动存取闸口、样本库以及样本自动输送机构中的传感器和执行部件均与可编程控制器连接；条码扫描器和可编程控制器均与上位机连接；自动存取闸口，是冷藏室与外部空间联系的用来存取样本的过渡通道，该过渡通道与外部环境之间设有外闸门，与冷藏环境之间设有内自动门，外闸门和内自动门之间设有一个过渡区，过渡区内设置有与冷藏室外部连通的气体入口和排气口、与冷藏室内部连通的低温气体入口以及保护性气体入口，这些口上均安装有阀门；过渡区内设置有压力传感器和温湿度传感器；在内自动门处于冷藏室的内侧设置一个移动的样本托盘，样本托盘的内侧设有一个推送机构；样本库，包括中心轴、样本储存圆盘和圆盘驱动机构；中心轴底端安装在一个基座上， 各个样本储存圆盘平行安装在中心轴上，相邻样本储存圆盘之间设有密封垫，样本储存圆盘上分布有样本巢和样本传输通道，对应于所有样本储存圆盘至少设置一套圆盘驱动机构，圆盘驱动机构安装在一个固定于基座的支架上，样本巢采用多圆环形式布置在样本储存圆盘上，样本巢呈圆环状分布，圆环数量至少为两环，所有圆环为同心，每一圆环上至少设置一个样本传输通道；样本自动输送机构，包括托举装置和吸附输送装置，托举装置设置在最底层样本储存圆盘的下方，包括托举喷气管和喷气控制阀，对应于最底层样本储存圆盘上的每一个样本传输通道设置一个托举喷气管，托举喷气管上连接有喷气控制阀，托举喷气管与气源连接； 吸附输送装置设置在最顶层样本储存圆盘的上方，包括组合吸气座、吸气管、吸气控制阀、 输送管、输送控制阀和真空仓，对应于最顶层样本储存圆盘上的每一个样本传输通道设置一个吸气管，吸气管上连接有吸气控制阀，各个吸气管均与真空仓连接，输送管一端与真空仓连接，一端连接到样本托盘，输送管上连接有输送控制阀。
2.根据权利要求1所述的生物医药样本冷藏存取自动控制系统，其特征是所述样本托盘上设有称重传感器。
3.根据权利要求1所述的生物医药样本冷藏存取自动控制系统，其特征是所述圆盘驱动机构包括伺服电机和传动机构，伺服电机与传动机构的输入端连接，传动机构的输出端连接在旋转圆盘上。
全文摘要
本发明提供一种生物医药样本冷藏存取自动控制系统，包括冷藏室、自动存取闸口、样本库、样本自动输送机构、条码扫描器和可编程控制器和上位机；冷藏室是一个密闭体，在外部环境与冷藏室环境之间设置自动存取闸口装置，样本库与样本自动输送机构均设置在冷藏室内；条码扫描器安装在样本输送路径上；自动存取闸口、样本库、样本自动输送机构中的传感器和电动部件均与可编程控制器连接；条码扫描器和可编程控制器均与上位机连接。本发明实现样本的自动存取和数据智能管理，具有结构简单、样本存放容量大的特点，通过设置两道闸门，有效隔绝了内外环境，防止了因开门造成冷藏环境的波动，保证了冷藏环境的稳定、样本品质和安全，易于实现远程监控。
文档编号G01N1/42GK102269667SQ20111016702
公开日2011年12月7日 申请日期2011年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者娄红祥, 张树生 申请人:山东大学