RU229059U1 - Программируемая лабораторная станция для автоматизации лабораторных процедур - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к аналитическому химическому обрабатывающему центру и рабочей станции клинической и исследовательской лаборатории, способной выполнять функции нескольких отдельных приборов, и, более конкретно, к автоматизированной лабораторной рабочей станции, полезной для выполнения многочисленных химических, биохимических и биологических анализов и реакции. В том числе - производственные лаборатории входного контроля, контроля производственных процессов и контроля качества - в том числе в области агропромышленного производства, водного, речного и иного биоресурсного хозяйства; лаборатории экомониторинга, биомедицинские лаборатории, учебные лаборатории и т.д. 2 з.п. ф-лы, 17 ил.

Description

Полезная модель относится к аналитическому химическому обрабатывающему центру и рабочей станции клинической и исследовательской лаборатории, способной выполнять функции нескольких отдельных приборов, и, более конкретно, к автоматизированной лабораторной рабочей станции, полезной для выполнения многочисленных химических, биохимических и биологических анализов и реакции. В том числе - производственные лаборатории входного контроля, контроля производственных процессов и контроля качества - в том числе в области, агропромышленного производства, водного, речного и иного биоресурсного хозяйства; лаборатории экомониторинга, биомедицинские лаборатории, учебные лаборатории и т.д.

Современные исследовательские и клинические лабораторные процедуры включают биологический и химический анализ веществ образца, который требует обширных манипуляций с жидкостями. Многие из рутинных приложений, используемых для анализа, - это биоанализы, иммуноанализы, вирусные анализы, анализы митогенов, серология, анализы белков, анализы лимфокинов и аликвотирование образцов. Экспериментальные биологические и клинические исследования включают использование фотометрического анализа химических реакций после того, как реакции достигли равновесия или фиксированной конечной точки. Некоторые ферментные анализы требуют двухточечного или многоточечного анализа, включающего кинетические анализы.

Стандартные методы переноса жидкости и манипулятивные методы включают пипетирование, разбавление, дозирование, аспирацию и промывку планшета. Обычные анализы могут выполняться частично путем быстрого манипулирования ручными пипетками или проведения анализов, которые частично автоматизированы.

Обычные анализы, такие как ELISA (иммуноферментный анализ), вирусные, белковые и другие биохимические исследования и эксперименты, требуют обращения с жидкостями, такого как подготовка проб, серийное разведение, добавление реагентов и перенос проб для получения результатов. Биоанализы и химические эксперименты, которые требуют использования таких методов работы с жидкостями, когда они выполняются вручную, изобилуют потенциальными неточностями и ошибками. Повторяющийся характер работы с жидкостями для экспериментов по своей сути приводит к ошибкам, которые не всегда можно обнаружить.

Традиционно вышеупомянутые экспериментальные, клинические и другие лабораторные процедуры требуют утомительной поэтапной подготовки проб и контролей, которые затем последовательно выполняются через ряд операций в зависимости от первичных измерений, их анализа и характера химического или биологического исследования.

Разработка программируемых лабораторных станций, например LHS (https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_handling_robot) ведётся в множестве компаний стран с передовыми лабораторными техниками. Такие станции крайне важны для повышения эффективности, надёжности и динамичности здравоохранения, производства (включая сельхоз) и образовательных структур. Производство таких станций в РФ автору неизвестно, на рынке представлены только импортные решения, с ценой от 2 млн.р. для простейших дозирующих станций (https://www.dia-m.ru/catalog/lab/stantsii-vydeleniya-nk-i-belkov-dozirovaniya/stancii-dozirovaniya-avtomaticheskie/ stantsiya-avtomaticheskaya-4-kh-pozitsionnaya-dlya-podgotovki-ptsr-epmotion-5070-easycon-s-modlem-t/). Разработки станций ведут группы ИнБиСи (Х-ВIO, ТюмГУ) и ООО «Абисенс» (ИНТЦ «Сириус», http://abisense.ru/ourequipment/).

Программируемые лабораторные станции ещё не стали массово выпускаемым продуктом, что объясняет высокую цену, отсутствие отраслевой стандартизации и «нишевость» разработок.

Известна автоматизированная станция обработки жидких проб US 4422151. Устройство для работы с жидкостями представляет собой систему с разомкнутым контуром для фракционного сбора, отбора проб, дозирования и разбавления. В аппарате используется микропроцессор и три шаговых двигателя для перемещения пробирки для манипуляций с жидкостью, подходящей для дозирования или отбора проб, в горизонтальном или вертикальном направлениях относительно набора пробирок или аналогичных контейнеров. Схема движения трубки для манипуляций с жидкостью может быть выбрана в соответствии с заданным режимом работы, который желает оператор. После выбора операции она фиксируется, и устройство для работы с жидкостями автоматически выполняет инструкции. Средство управления устройством используется для выборочного включения приводных двигателей для перемещения каретки, удерживающей дозатор для работы с жидкостью, в положения, соответствующие положениям расположения емкостей, и перемещения держателя в трех измерениях, чтобы жидкость могла быть перенесена из одного резервуара микротитровального планшета в другой.

Хотя такое устройство существенно снижает необходимость ручных усилий при точном измерении пипетирования или дозирования, которое необходимо выполнить для каждого из сотен емкостей, в частности, для биоанализа или химического анализа, устройство работает строго в среде с разомкнутым контуром, выполняя фиксированные, заранее определенные жидкие трансферы.

Химические и биологические анализы могут проводиться путем применения человеческого мнения на каждом этапе анализа для контроля хода экспериментов. Обычно другие инструменты, такие как оптический планшет-ридер или спектрофотометр, должны использоваться независимо для анализа физических или химических характеристик каждого приемника образца в микротитровальном планшете. После проведения этого утомительного анализа экспериментатор выбирает для дальнейшего анализа и подвергает химическим или биологическим реакциям только те пластинки с образцами, которые указывают на желаемую или оптимальную характеристику диапазона.

Данное изобретение не предусматривает каких-либо действий со стороны оператора для определения направления анализа в режиме реального времени после начала эксперимента. Будучи системой с разомкнутым контуром, традиционная технология не способна выполнять оценочные решения, заранее запрограммированные исследователем, которые реагируют на экспериментальные данные по мере продвижения анализа.

Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является расширение арсенала технических средств программируемых лабораторных станций для автоматизации лабораторных процедур.

Технический результат достигается тем, что программируемая лабораторная станция содержит микропроцессорное средство управления с возможностью взаимодействия с удаленным компьютером, управляемым пользователем, кинематическое шасси на пять осей с двумя подвижными головками и общим контроллером, собранное в несущем корпусе, координатный стол, держатель картриджа наконечников, коллектор использованных наконечников, держатель иммунологических планшет, держатель чашек Петри с опцией орбитального перемешивания, держатель микрофлюидных чипов и предметных стекол с держателем виал, дополнительный держатель виал, держатель фильтров, совмещенный с коллектором фракций, держатель крышек, монтируемые на подвижные головки: дозатор жидкостей на основе линейного привода, шприца и адаптера для работы с одноразовыми наконечниками, инвертированный микроскоп, скобы для перемещения объектов.

Полезная модель поясняется графически:

фиг. 1 - Общий вид программируемой лабораторной станции;

фиг. 2 - 3D-модель шасси;

фиг. 3 - 3D-модель дозатора;

фиг. 4 - Установка сменного наконечника (А), операции с крышками (Б);

фиг. 5 - Сброс сменного наконечника, подъем дозатора жидкостей (А), перемещение дозатора жидкостей (Б);

фиг. 6 - Культивация на шейкере (А) и переев (Б);

фиг. 7 - Отстаивание и отделение супернатанта;

фиг. 8 - Герметизация жидкостная силиконом;

фиг. 9 - Перемешивание движением наконечника с пипетированием;

фиг. 10 - Прокачка жидкости через чип;

фиг. 11 - Орбитальное перемешивание в пассивном блок-штативе без перемешивания;

фиг. 12 - Фильтрация в слайдере;

фиг. 13 - Барботирование;

фиг. 14 - Перемешивание качанием на подпружиненном штативе;

фиг. 15 - Дозирование, перемешивание пипетированием, получение серии разведений в планшете;

фиг. 16 - Депонирование наконечников;

фиг. 17 - Автоматизированная инвертная микроскопия.

Программируемая лабораторная станция состоит из следующих элементов (фиг. 1-17): кинематическое шасси 1 на 5 осей с двумя подвижными головками и общим контроллером, аналогичное таковому у FDM-принтеров, собранное в несущем корпусе; дозатор жидкостей 2 на основе линейного привода, шприца и адаптера для работы с одноразовыми наконечниками на 200 мкл и 1000 мкл, монтируемый на подвижную головку; инвертированный микроскоп 3, монтируемый на подвижную головку; скобы 4 для перемещения объектов, монтируемые на подвижные головки; координатный стол 5; держатель картриджа наконечников 6 на 200 мкл; держатель картриджа наконечников 7 на 1000 мкл; коллектор использованных наконечников 8; держатель иммунологических планшет 9; держатель чашек Петри 10 с опцией орбитального перемешивания; держатель 11 микрофлюидных чипов и предметных стёкол с держателем виал; дополнительный держатель виал 12; держатель фильтров 13, совмещённый с коллектором фракций; держатель крышек 14.

Слаженной работой программируемой лабораторной станцией управляет микропроцессорное средство управления. Программируемая лабораторная станция способна выполнять широкий спектр пробоподготовок и может использоваться для серийных разбавлений, химических и биологических анализов. Программируемая лабораторная станция может, например, быть запрограммирована для подготовки проб с серийным разбавлением.

С микропроцессором взаимодействует удаленный компьютер, управляемый пользователем, или другое интерактивное устройство, с помощью которого пользователю предоставляются различные меню, опции или вопросы, требующие ответов с ограниченными параметрами, причем каждое меню имеет множество вариантов выбора или инструкций для проведения определенных биологических операций, химических экспериментов. Операционная система и программное обеспечение предназначены для использования широкого спектра экспериментальных методов в соответствии с заранее запрограммированной иерархией экспериментов. «Шаблон» программы используется для того, чтобы сфокусировать инструкции для адаптации потребностей пользователя к возможностям лабораторной станции. Пользователь может запрограммировать через удаленный компьютер полный набор инструкций для проведения биологического или химического анализа. Инструкции могут включать время и метод проведения экспериментов, а также определение на программируемой лабораторной станции химических характеристик испытуемых образцов с помощью преобразователя.

Лабораторной станции могут быть даны дальнейшие инструкции по проведению последних этапов экспериментов на основе более ранних результатов измерений преобразователя.

Программируемая лабораторная станция включает в себя программируемую систему управления множеством периферийных устройств, таких как шаговые двигатели, для координации гибкой работы подвижных манипулируемых компонентов. Эта система управления включает в себя контроллер, например микропроцессор, который передает инструкции компонентам интерфейса, которые, в свою очередь, передают интеллектуальные инструкции контроллера контроллеру двигателя и двигателям. Компоненты интерфейса включают в себя порты для передачи данных, таких как направление вращения двигателя (по часовой стрелке - против часовой стрелки) и режим шага (полушагов или полных шагов) на двигатель. Передача рабочих данных на двигатель синхронизируется с помощью генератора частоты, который питает двигатели в течение фиксированной продолжительности шага, и устройства синхронизации, которое сигнализирует микропроцессору о том, что шаговый цикл завершен, и компоненты интерфейса ожидают дальнейших инструкций микропроцессора.

Программируемая лабораторная станция способна выполнять следующие базовые функции: установка сменного наконечника; сброс сменного наконечника; дозирование; добавление реагента с заданной скоростью; отстаивание и отделение супернатанта; герметизация жидкостная силиконом; герметизация установкой крышки; обратимое снятие, сохранение и переустановка крышки; перемешивание движением наконечника и пипетирование; перемешивание пипетированием; перемешивание орбитальное; барботирование воздуха; сушка воздушным потоком; фильтрование; видеомониторинг образцов + 2 культуры просто камера; инвертная микроскопия; тайм-лапс микроскопия.

Программируемая лабораторная станция способна выполнять следующие производные функции: приготовление среды для культивирования; культивирование клеток; тайм-лапс видеомониторинг культур; пересев культур; модификация поверхностей микрофлюидного чипа позитивными группами (амины); модификация поверхностей микрофлюидного чипа негативными группами (карбокислы); загрузка клеток в микрофлюидный чип; загрузка образца в микрофлюидный чип; прокачка среды через микрофлюидный чип, сопровождаемая инвертной тайм-лапс микроскопией множественных зон чипа параллельно; отмывка и стерилизация микрофлюидного чипа утилизации или для повторного использования.

Детальное описание работы программируемой лабораторной станции приведено на примере следующих процедур: «установка сменного наконечника», «сброс сменного наконечника» и «фильтрация в слайдере».

Процедура «установка сменного наконечника» фиг. 4. Данная процедура состоит из 7 этапов:

1. Подъем дозатора жидкостей 2 на «безопасную высоту».

2. Перемещение скобы дозатора жидкостей 2 параллельно петле крышки картриджа наконечников 6, 7.

3. Захват крышки картриджа.

4. Подъем крышки картриджа и перемещение крышки в держатель крышки 14.

5. Перемещение дозатора в положение «над наконечником».

6. Опускание дозатора и установка наконечника.

7. Подъем дозатора на «безопасную высоту».

Процедура «сброс сменного наконечника» фиг. 5. Данная процедура состоит из 5 этапов:

1. Подъем дозатора жидкостей 2 на «безопасную высоту».

2. Перемещение дозатора жидкостей 2 в положение над коллектором использованных наконечников 8.

3. Опускание дозатора жидкостей 2 параллельно скобе коллектора.

4. Перемещение дозатора жидкостей 2 в скобу коллектора в месте стыка наконечника и дозатора.

5. Подъем дозатора жидкостей 2 на «безопасную высоту».

Процедура «фильтрация в слайдере» фиг. 12. Данная процедура состоит из 10 этапов:

1. Подъем дозатора жидкостей 2 на «безопасную высоту».

2. Перемещение дозатором крышки подвижного держателя фильтров 13.

3. Подъем крышки емкости для сбора фильтрата с помощью скобы дозатора и установка крышки в соседнем положении.

4. Подъем дозатора на «безопасную высоту».

5. Перемещение дозатора над виалой, установленной в дополнительном держателе виал 12.

6. Подъем крышки виалы с помощью скобы инвертированного микроскопа 4.

7. Забор жидкости из виалы.

8. Перемещение дозирующего модуля над фильтром.

9. Опускание дозатора в фильтр и прокачка жидкости.

10. Подъем дозатора жидкостей 2 на «безопасную высоту».

В процессе работы микропроцессор управляет рядом шаговых двигателей, которые приводят в действие интерактивные компоненты программируемой лабораторной станции, чтобы они функционировали в соответствии с инструкциями микропроцессора.

Claims (3)

1. Программируемая лабораторная станция, содержащая микропроцессорное средство управления с возможностью взаимодействия с удаленным компьютером, управляемым пользователем, кинематическое шасси на пять осей с двумя подвижными головками и общим контроллером, собранное в несущем корпусе, координатный стол, держатель картриджа наконечников, коллектор использованных наконечников, держатель иммунологических планшет, держатель чашек Петри с опцией орбитального перемешивания, держатель микрофлюидных чипов и предметных стекол с держателем виал, дополнительный держатель виал, держатель фильтров, совмещенный с коллектором фракций, держатель крышек, монтируемые на подвижные головки: дозатор жидкостей на основе линейного привода, шприца и адаптера для работы с одноразовыми наконечниками, инвертированный микроскоп, скобы для перемещения объектов.

2. Программируемая лабораторная станция по п.1, отличающаяся тем, что держатель картриджа наконечников на 200 мкл, либо на 1000 мкл.

3. Программируемая лабораторная станция по п.1, отличающаяся тем, что держатель фильтров совмещен с коллектором фракций.