1、 1 全自动核酸蛋白分析仪 设计方案 拟制 :_ 审核 :_ 批准 :_ 2018 年 01 月 15 日 2 引言 核酸蛋白分析仪采用毛细管电泳分析技术，这种技术是从 80 年代后期开始，在全球范围内快速崛起的一种新型的分离分析技术。基本原理是在毛细管内用高电压进行物质分离，具有分析速度快、重现性好、效率高样品使用量少等优点，已经广泛的被应用于小离子、小分子、多肽及蛋白质等物质的分离分 析研究中。然而现有的核酸蛋白质分析系统一般采用全人工或者半人工的操作，智能化水平比较低，并由于人为原因可能对实验测试结果产生干扰，影响实验的正确性和权威性。 随着技术的进步和市场的需要，人们提出了实验过程全自
2、动化的思想，整个毛细管电泳过程由仪器自动完成，使核酸蛋白质分析仪向智能化、集成化方向发展。在核酸蛋白质分析仪的智能化过程中，系统逻辑控制、信号采集处理、环境温度控制等成为 实现整个分析仪系统集成化和只能化的关键。 经分析 Qsep100全自动核酸蛋白分析系统后 ,综合运用光学、机械学、电子学、以及计算机科学技 术等各个学科知识 ,基于 毛细管电泳技术 原理进行 本 全自动核酸蛋白分析仪 系统的 研究 设计。 设计 内容主要包括 电机控制、 高 压控制、温度控制、气压控制、上位机通讯等多个部分。涉及到 机械 结构、 光路 设计 、电子电路、 图像 算法 、人工智能等多个学科与技术领域可实现 仪器
3、 自动化。 3 目录 一 核酸蛋白分析仪原理 . 4 1.1 分析仪的分析方法 . 4 1.2 分析仪的操作方式 . 4 1.3 本方案的主要内容 . 4 二 分析仪的方案 设计 . 6 2.1 控制系统的执行过程 . 6 2.2 结构设计 . 6 三 嵌入式系统硬件设计 . 9 3.1 设计 框图 . 9 3.2 最小系统模块 . 9 3.3 电源模块 . 9 3.4 步进电机控制模块 . 9 3.5 温度控制模块 . 9 3.6 电压控制模块 . 10 3.7 气压控制模块 . 10 四 系统软件设计 . 12 4.1 嵌入式系统 . 12 4.2 上位机软件 . 12 4 第一章 核酸蛋
4、白分析仪原理 1.1 核酸蛋白分析仪是对核酸或者蛋白质含量进行分析的仪器。从原理上可以划分出一下四种： （ 1） 基于电泳原理的方法（本设计方案中采用的原理）； （ 2） 基于核酸杂交技术的分析方法； （ 3） 基于 PCR 技术的分析方法； （ 4） 基于基因芯片的分析方法。 1.2 核酸蛋白分析仪的操作 方式 根据操作方式，可以分成以下三种： （ 1） 手动：一种比较传统的操作方式，仪器所执行的每一步操作，都要由操作者手动完成，这种操作方式的有点在于仪器设备相对简单，但是对操作者的要求很高，此外这种执行方式很难消除人为因素对实验结果准确性和可靠性的影响。 （ 2） 半自动：此种方式的市场占
5、有率比较高，仪器的部分操作可以自动完成，在一定程度上降低了对操作者的要求并减小了人为因素对实验结果的干扰。 （ 3） 全自动：是在检测领域的发展方向，当操作者设定好必要参数后整个操作过程全自动执行 。最大程度降低对人的要求并最大程度降低人为因素的影响。不 过仪器的开发过程比较复杂，成本比较高。 1.3 本设计方案 所涉及 的主要内容 本设计方案的控制系统 主要 开发内容如下： 1) 嵌入式系统的开发（具体芯片待定） 2) 传感器技术（温度传感器槽型光耦等） 3) 步进电机闭环控制技术 5 4) 高电压控制技术 5) 数据通讯 6) 上位机软件开发 7) 数据库技术 8) 加密技术 6 第二章
6、全自动核酸蛋白分析仪方案设计 2.1 控制系统的执行过程： 1) 首先，操作者设定必要的参数，运行设备 2) 系统控制实验环境的温度并将温度控制在设定的范围内 3) 控制步进电机模块，将实验清洗液和样本控制在要求的位置 4) 通过气压系统， 将清洗液送入毛细管内，冲洗毛细管 5) 控制步进电机模块，将实验试剂控制在要求位置 6) 通过气压系统，将实验试剂送入毛细管内 7) 通过高压系统加压，开始电泳 8) 检测器采集数据 9) 控制步进电机模块，将空试管和废液控制在要求位置 10) 通过气压系统将实验试剂排入废液管内 11) 控制步进电机模块，将实验清洗液和样本控制在要求的位置 12) 重复
7、2-11 步，执行下一个实验 整个实验过程中，所有的实验数据实时显示和存储 2.2 结构设计 根据核酸蛋白分析仪的控制特点和样机特点 ： a) 采用一体化设计结构 b) 样品盘采用 Qesp100 方式 c) 检测器等弱 电 部分 在分析仪顶部 d) 电泳等高压在分析仪后底部 e) 气压系统（包括气源）在仪器背部（ Qesp100 方式的气源是分体式） f) 前面板的透明罩替换为工控电脑（ 8寸 LCD+电容触摸屏 ） 7 毛细管电泳原理图 电压： 0 30kV； 紫外或激光诱导荧光检测器； （可检测到： 10-19 10-21 mol/L） 2.2.1 高压电源 （ 1） 0 30 kV 稳
8、定、连续可调的直流电源； （ 2）具有恒压、恒流、恒功率输出； （ 3）电场强度程序控制系统； （ 4）电压稳定性： 0.1%； （ 5）电源极性易转换； 2.2.2 毛细管柱 （ 1）材料：石英：各项性能好；玻璃：光学、机械性能差； （ 2）规格：内径 20 75 m，外径 350 400 m；长度 =1m 2.2.3 缓冲液池 化学惰性，机械稳定性好； 2.2.4 检测器 要求：具有极高灵敏度，可柱端检测； 检测器、数据采集与计算机数据处理一体化； 8 第三章 嵌入式系统硬件设计 3.1 全自动核酸蛋白分析仪控制系统的嵌入式部分主要包括嵌入式最小系统模块、电源模块、步进电机控制模块、温度模
9、块、电压控制模块、气压控制模块。系统硬件框图如图所示： 3.2 嵌入式最 小系统模块 嵌入式最小系统主要包括实现嵌入式控制最基本的功能系统，包括微控制器、时钟电路、存储器和通讯接口。 3.3 电源模块 3.4 步进电机控制模块 在自动化系统中，对精密定位的要求非常高，能否精密定位成为影响自动化系统的一个重要指标和关键因素。本系统中，步进电机控制模块主要实现采样、出样。冲洗过程的位置控制，对位置精度要求高，对运行速度的要求相对低。 3.4.1 进样、出样、冲洗 3.4.2 步进电机 3.4.3 步进电机驱动模块 3.4.4 步进电机红外定位模块 9 3.5 温度控制模块 为了得到准确的 电泳结果
10、，需要在被测样品所要求的恒温条件下进行测量 3.5.1 传感器的选择 -PT100 3.5.2 温度元件的选用 -半导体制冷片 温度控制框图3.6 电压控制模块 3.6.1 高压电源选择 高压控制模块主要是为分析仪的电泳过程提供电泳电压，此外还可以作为进样和出样的过程中的牵引电压。它具有电压高，电流小的特点，电压一般在万伏以上，电流在 500 微安以下。本方案中需要是用的高压电压为 0-30KV，电流为 500 微安（ DW-P303-1AC） 3.6.2 数字电位器 本方案中的高压电源要求为 0-30KV 连续 可调，其调节方式为电位器调节。 3.7 气压控制模块 10 使用压力传感器对进样、出样、冲洗所需要的气压进行采样，把得到的电压信号输入到嵌入式处理系统，经过逻辑分析，针对当前气压和设定气压之前的广西，做出相应判断，执行增压或者降压操作 。气压控制模块框图： 第四章 系统软件设计 本分析仪控制系统的软件主要包括两部分：嵌入式系统软件和计算机软件 4.1 嵌入式系统设计分成 3 个步骤： uboot； uclinux 和文件系统 。 4.2 分析仪的计算机上位软件，以 LABVIEW 为编程平台，结合数据库技术，MD5 加 密技术和曲线拟合技术等编制分析仪的通讯软件，需要实现用户管理、参数配置、信息显示、历史数据查询、报表等功能，要求具有较高的稳定性和可靠性。
