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导言
A在世界各地的实验室中,科学家们每天都在进行各种研究,以期提高我们的生活质量。这些研究 是推动医疗保健、制药和农业等行业发展的关键。尽管由于人口老龄化等社会经济因素,对这些 行业的投资已有所增长,但预防保健增强和近期疫情则成为行业增长的催化剂。
这种增长也导致了实验室工作量的增加,其中主要使用电动工具和设备,使科学家们能够应对日 益增长的日常需求。本文将重点介绍支持科学家进行样品制备、管理和分析所需自动化设备的电 机选项。
手持式电子移液器
简介
在进行样品分析之前,实验室技术人员必须完成一系列操作步骤,包括溶 解、萃取、与某些化学物进行反应、粉碎、用螯合剂进行处理、掩蔽、过 滤、稀释、二次采样等。在许多情况下,样品是液体形式,并且从一个测试 容器转移到下一个测试容器时,必须使用移液器进行处理。移液器已经存在 了一个多世纪,但经过长时间的演变发展,现代版本与之前版本之间已没有 太多共同点。移液器本身由注射器演变而来,使用时的工作原理相同。这些 装置通常由凸轮、活塞和气缸组成。当活塞移动时,会产生部分真空,这样 就会将液体吸入移液器吸头中。移液器有各种尺寸,体积从几微升到几百 毫升不等。在大多数情况下,移液器用于必须防止交叉污染的无菌环境中。 因此,在每次操作之前,用户都要夹上一个全新的吸头,以确保样品之间不会发生交叉污染。操 作结束时,操作人员会弹出移液吸头。吸头可以是一次性的,也可以在经过消毒后重复使用。多 通道移液器目前也很常见(通常为 8、12 或 16 通道),这样实验室技术人员就可以同时进行多 个液体传输操作。
移液器运动解决方案的优势
由于成本较低并且电子产品有所改进,因此可以在移液器内部集成微型电机,从而带来一定的 优势:
• | 精度和重复精度:电子移液器能够非常精确地分送特定体积的液体。移液器的分辨率通常为 每次增量 1 微升,误差低于 1%。重复精度也同样重要,或者说确保在随后的每次操作中,都 能抽取或分送体积完全相同的液体,以获得给定体积的液体。 |
• | 节省成本:由于精度和重复精度方面的改进,并且移液器目前可处理越来越小的体积,使得 公司能够在分析期间使用更少的试剂,从而可以降低成本。 |
• | 符合人体工程学:改用电子移液器可减少所需的手动操作力和手部运动,从而大大降低重复 性劳损风险。只要设置好电子移液器,用户只需单击按钮即可填充、清空吸头,有时还可以 弹出吸头。 |
• | 生产力:由于电子移液器内置自动化功能,其操作速度比机械移液器更快,因此可以在给定 时间内处理更多的样品。 |
• | 灵活性:该移液器还增加了一些功能,比如“保存”模式、多次分送、混合等。 |
电机是电子移液器的核心。我们来看看电机在该应用中所发挥的作用。
电子移液器的电机技术选项
步进电机
步进电机(图 2),尤其是直线步进电机或数字直线执行器 (DLA),是适用于电子移液器应用的现 成解决方案。内置丝杆直接与电子移液器的活塞连接,以实现操作移液器所需的直线运动。此 外,由于是步进电机,所以无需使用额 外的反馈传感器或编码器来控制电机。 步进电机在每个电流脉冲下渐进式旋 转,因此易于控制。电机的线性行程精 度以及微步进选项可实现非常高的分辨 率,从而满足电子移液器较高的精度和 重复精度要求。此外,这种电机可以在 不通电的情况下保持定位,从而扩大了 设备的使用范围。
通过与 Portescap 等电机供应商合作,可 选择最佳步进电机或定制电机。
直流电机
另一种解决方案就是采用有刷直流电机。有 刷直流空心杯电机(图 3)是最高效的技术, 其中转子仅由线圈和轴组成(与铁芯电机相 反)。因此,空心杯电机不存在铁损,从而显 著提高了电机的效率和加速度。由于电子移液 器采用电池供电,这种效率提高可延长一次充 电的使用时间。
对于移液应用,有刷直流电机需要使用额外的 组件,如皮带传动和编码器,以实现旋转运动 至线性运动的转换和电机控制。
电子移液器的电机技术建议
步进电机和直流电机都采用小巧轻便的封装, 有助于电子移液器设计人员优化设备重量。 然而,在选择最适合其设备的技术时,设计人 员必须在这些电机之间进行一些权衡。例如, 一些直流电机通常比直线步进电机更便宜, 但必须考虑传输(旋转运动至线性运动的转 换)组件的额外成本。此外,还需要考虑在链 路中添加更多链接可能会出现的错误/容差。技 术的选择取决于电子移液器制造商的商业和技 术要求。.
实验室自动化
简介
如前所述,自动化是应对实验室和医疗机构工 作量增加的关键。目前,用于自动完成实验室 工作的机器形状和尺寸各异,并且能够完成从 简单的液体处理到端对端样品制备再到最终分 析结果的各种操作。
实验室自动化的典型功能包括:
• | 标识和扫描:标识所有样品。摄像头和扫 描仪用于标识、跟踪和记录结果。 |
• | 加盖和开盖:样品存储在试管等容器中。 处理样品时,必须打开然后关闭容器。 |
• | 转移:少量样品需要从一个位置转移到下 一个位置。通常,可能是不同大小或体积 的样品。 |
• | 操作:托盘和传送带需要从一个站点移至 下一个站点。 |
• | 分析:典型的诊断操作包括离心、与试剂 的化学反应和光谱分析等步骤。 |
实验室自动化运动解决方案的优势
将微型电机集成到实验室自动化应用中时,可能会涉及许多领域和轴。主要包括以下优势:
• | 寿命长:自动化设备通常会连续工作许多年,这意味着电机的使用寿命是选择电机时需要考虑的重要指标。 |
• | 可靠性:任何故障或维护问题都会延误诊断和患者的治疗。这意味着电机可靠性至关重要。 |
• | 高速:高速电机可实现更高的生产率,并增加每天的诊断数量。 |
• | 精确定位:需要准确、精确的解决方案。电机控制放入样品中的试剂量;任何不一致的运动都可能会影响诊断结果。由于某些应用具有多个自动化轴,因此有多种运动技术可供选择和优化。我们来看看通常建议使用哪些技术。 |
支持实验室自动化的电机技术选项
步进电机
步进电机具有电子换向功能,这意味着不存在机械磨损。因此,这些电机具有较长的使用寿命,非常适用于实验室自动化设备。
步进电机具有多个磁极,这意味着每旋转一次,电流就会换向好几次,从而以高转矩性能实现稳定的定位。因此,无需编码器就能够高精度轻松驱动此类电机。它们通常用于定位非常重要的应用中。
步进电机的其中一个权衡因素是速度。为了快速运转,需要进行高频换向。受线圈电感效应的影响,电流需要一段时间才能增加。如果换向频率过高,电流就没有足够的时间上升。因此,步进电机的速度受限,通常更适合输出速度低于 1,000 RPM 的应用。为设计大型自动化实验室设备,工程师们选择将步进电机用于中等功率的应用。
无刷直流电机
无刷直流 (BLDC) 电机集成了有刷直流电机和步进电机的优势。与步进电机一样,无刷电机具有电子换向功能,从而可以延长使用寿命。然而,无刷直流电机的磁极数量有限(通常为 2 或 4 极);电机旋转一圈所需的换向次数更少。在换向频率相同的情况下,由于采用了均衡转子和强大的滚珠轴承组件,无刷直流电机的运行速度更快,某些 特定电机的运行速度高达 100,000 RPM。这意味着,对于高速应用,无刷直流电机是首选技术。
无刷直流电机通常使用定位反馈进行控制,比如集成霍尔传感器或编码器。由于转子位置始终是 已知的,所以无刷直流电机是一种可靠技术,不会像步进电机那样存在失步风险。
无刷电机有两种版本:
1 | 圆筒形电机的长度通常大于直径。这类电机通常用于机器人移液器。(图 6,左列) |
2 | 扁平电机(或“盘式”电机)的直径通常大于长度。这类电机设计采用盘式磁铁和扁平线 圈。它们通常用于机械臂。(图 6,右列) |
由于无刷直流电机具有高功率密度,所以非常适合要求在紧凑封装中输出高功率的应用。在实验 室自动化设备中,无刷直流电机是实现可靠、高效工作的理想解决方案。
无刷电机在各种实验室自动化应用中越来越普及,包括机器人移液器功能以及机械臂和夹爪:
the change producing them. This is what reduces the speed of the magnet.支持实验室自动化的电机技术建议
无刷直流电机通常用于需要高功率密度解决方案的轴应用中。其优点是具有高速性能。
步进电机通常用于移动托盘,而小型步进电机可用于控制小阀门。
结论和新趋势
实验室的发展趋势是使用自动化程度越来越高且速度越来越快的设备,以及需要更高的应用精度,这些都依赖于电机来实现。电子元件技术的进步将继续支持这些关键应用,为其提供所需的优化。第二个发展趋势就是健康状况诊断或检测/监控从直接在实验室中进行过渡到在患者护理点进行,包括医院、医生诊所以及患者家中。这样就可以更快速地做出诊断,从而及早检测到可能导致不良后果的健康状况或不利倾向。
得益于开发出一系列微型分析仪(现场护理 (POC) 分析仪),这种新的发展趋势将成为可能。这些紧凑型便携式机器通常采用电池供电,并且带有试剂盒,可在几分钟内完成快速诊断。医院、家庭护理设施、患者本人或药店通常都可以使用这些 POC 设备进行特定检测,如传染病。
在运动方面,POC 分析仪利用微型电机解决方案来实现某些操作,包括混合试剂、移动试剂盒以及旋转反光镜(用于光谱测试)。选择标准主要有尺寸、性能、价格和效率。大多数工程师选择有刷直流空心杯电机,这是一个高性价比解决方案,或选择易于控制的小型步进 电机。
世界上并不存在适合每种应用的通用电机技术;相反,几种运动解决方案具有各自的优势,使机器设计人员能够灵活地减小机器尺寸,同时提高机器运行速度。与值得信赖的电机制造商合作有助于开发独特的定制实验室设备,并选择正确的电机解决方案,确保实验室设备在连续运行期间稳定可靠。