基于PLC的液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林子欣，宗望遠(yuǎn),2，楊 方,2，汪方奎

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北武漢 430070；3.農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070）

為了深入研究和利用微生物，需要有目的地選用和主動(dòng)設(shè)計(jì)符合微生物生理需求的培養(yǎng)基[1]。近年來，雖然有關(guān)微生物基因組的數(shù)據(jù)有所增加，但通過培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)來確認(rèn)微生物的進(jìn)化、細(xì)胞生物學(xué)和生態(tài)功能等方面的推論仍非常重要[2]。在對(duì)微生物進(jìn)行研究時(shí)，通常需要以培養(yǎng)基作為基礎(chǔ)培養(yǎng)環(huán)境[3-5]。因此，研制可擴(kuò)展的模塊化液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)所使用的微生物液體培養(yǎng)基制備系統(tǒng)主要依賴國(guó)外進(jìn)口且全流程自動(dòng)化的制備系統(tǒng)的商業(yè)需求較少，而各類進(jìn)口系統(tǒng)的功能較為獨(dú)立。近年來，關(guān)于在液體培養(yǎng)基制備過程中粉體的自動(dòng)添加、液體培養(yǎng)基的自動(dòng)分裝等方面都取得了長(zhǎng)足發(fā)展[6-11]。

鑒于國(guó)內(nèi)外缺乏對(duì)具有完整流程的液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)的研究，遂參考自動(dòng)化溶液制備與分配系統(tǒng)、自動(dòng)移液系統(tǒng)等來開展相關(guān)研究。Aye等[12]設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)液體混合灌裝機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)2種液體（果汁和水）的自動(dòng)混合和罐裝。謝志豪等[13]研制了一套數(shù)字化移液工作站，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移液和滴定，克服了手動(dòng)重復(fù)性移液的問題，有效地提高了工作效率。Wu等[14]設(shè)計(jì)了一種基于空氣置換原理的具有八通道移液臂的自動(dòng)化液體處理系統(tǒng)，并通過考慮環(huán)境因素和液體特性優(yōu)化了其控制模型。劉國(guó)平等[15]設(shè)計(jì)了一種適用于熱室工作環(huán)境的自動(dòng)取樣裝置，可對(duì)帶蓋瓶裝放射性液體進(jìn)行精準(zhǔn)定量取樣和準(zhǔn)確稱重，該裝置的取樣精度可達(dá)0.5%。劉亞欣等[16]開發(fā)了具有自適應(yīng)調(diào)整功能的非接觸式液體分配系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了 MEMS（micro-electro-mechanical system，微機(jī)電系統(tǒng)）流量傳感器，其重復(fù)性誤差小于4%，具有較高的分配精度。Karwath等[17]建立了一套蒸汽滅菌和自動(dòng)分配注射用[18F]氟脫氧葡萄糖（fludeoxyglucose，F(xiàn)DG）系統(tǒng)，大大減少了對(duì)操作人員的輻射，其分配精度可達(dá)5.4%。David等[18]研發(fā)了一套用于淋巴細(xì)胞免疫表型護(hù)理點(diǎn)診斷的超高通量樣品制備系統(tǒng)，其通量可達(dá)20 mL/min，這為大型稀釋樣品的微流體診斷提供了一種實(shí)用而強(qiáng)大的方法。上述研究均可為液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)的開發(fā)提供有益參考，但因其所能制備的溶液種類單一且所用原料種類少，無法完全滿足液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)組分多變、各環(huán)節(jié)連續(xù)的要求。

針對(duì)人工制備培養(yǎng)基的效率低、操作復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大和準(zhǔn)確性差等問題，開發(fā)了一套基于可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）的液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MCGS（monitor and control generated system，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)）觸摸屏（上位機(jī)）和PLC（下位機(jī)）為核心，采用RS485和以太網(wǎng)組合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對(duì)各執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)基于培養(yǎng)基配方的組分全自動(dòng)選擇和配比，在線pH監(jiān)控和溶解氧（dissolved oxygen，DO）監(jiān)測(cè)，以及全自動(dòng)清洗、混勻、過濾和分裝，完成液體培養(yǎng)基的自動(dòng)制備，同時(shí)采用可視化界面控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全流程可回溯、可存儲(chǔ)。

1 液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：1）功能需求?？蓮幕衔镪嚵兄羞x擇多種（最多30種）化合物且可擴(kuò)展，按照培養(yǎng)基配方泵入預(yù)混區(qū)混勻，單次可制備1～5 L液體培養(yǎng)基，過濾除菌后泵入培養(yǎng)基儲(chǔ)存瓶中；預(yù)混區(qū)可進(jìn)行pH監(jiān)控和DO監(jiān)測(cè)。2）性能需求。參考移液器相關(guān)性能標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)移取液體在10 mL以下時(shí)，相對(duì)誤差為0.8%，重復(fù)性誤差為0.3%；當(dāng)移取液體在10 mL以上時(shí)，其相對(duì)誤差為0.6%，重復(fù)性誤差為0.3%。3）軟件要求?？刂栖浖舷到y(tǒng)功能需求，人機(jī)交互界面友好。

1.1 工藝流程設(shè)計(jì)

基于對(duì)人工制備液體培養(yǎng)基的一般步驟[19]以及整個(gè)自動(dòng)制備系統(tǒng)功能需求的分析，考慮到人工制備時(shí)需要對(duì)原料進(jìn)行稱量和溶解，而自動(dòng)化設(shè)備在配備微小固體時(shí)的精度難以控制且操作復(fù)雜，遂預(yù)先將化合物原料與去離子水混合配制成化合物原液，然后按照一定比例移取化合物原液。所設(shè)計(jì)液體培養(yǎng)基自 動(dòng)制備的工藝流程如圖1所示。

圖1 液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of automatic preparation system of liquid culture medium

從工藝流程上看，液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)可分為化合物存儲(chǔ)區(qū)、移取區(qū)、混合調(diào)節(jié)區(qū)和分裝區(qū)。其中：化合物存儲(chǔ)區(qū)分為4個(gè)區(qū)域（圖中僅詳細(xì)顯示了其中一個(gè)區(qū)域），每個(gè)區(qū)域均分為A、B、C三個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域可存放3種不同的化合物原液，同時(shí)配備3種清洗液，共計(jì)可支持存儲(chǔ)36種不同的化合物原液且可擴(kuò)展；移取區(qū)可完成化合物原液從原液瓶到混合罐的定量移取工作；混合調(diào)節(jié)區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)混合罐中液體的實(shí)時(shí)混勻以及pH和DO的監(jiān)測(cè)，待完成全部所需化合物原液的移取后，由蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)移酸液或堿液并進(jìn)行pH滴定，實(shí)現(xiàn)成品培養(yǎng)基的制備；分裝區(qū)完成成品培養(yǎng)基的定量分裝，一次最多可分裝8瓶成品培養(yǎng)基。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮精度、壽命、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和適用性等因素[20]。所設(shè)計(jì)的液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)采用動(dòng)作與感知層、傳輸層和應(yīng)用層相結(jié)合的3層架構(gòu)體系[21]，主要由進(jìn)料子系統(tǒng)、出料子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)控制指令下發(fā)，數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲(chǔ)，如圖2所示。

圖2 液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of automatic preparation system of liquid culture medium

1）動(dòng)作與感知層。該層主要包括進(jìn)料子系統(tǒng)、出料子系統(tǒng)中的泵和閥等執(zhí)行設(shè)備以及pH和DO監(jiān)控傳感網(wǎng)絡(luò)，通過使用RS485通信和有線通信的方式，實(shí)時(shí)向上位機(jī)傳輸現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)并執(zhí)行上位機(jī)下發(fā)的操作指令。

2）傳輸層。由PLC傳遞應(yīng)用層下發(fā)的指令并匯集動(dòng)作與感知層的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)利用以太網(wǎng)傳輸?shù)姆绞脚cMCGS觸摸屏通信并上傳數(shù)據(jù)。

3）應(yīng)用層。MCGS觸摸屏實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)各執(zhí)行設(shè)備和傳感器的工作狀態(tài)、參數(shù)等數(shù)據(jù)，用于后續(xù)分析和處理；同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)人為下發(fā)執(zhí)行設(shè)備的控制指令。

2 液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建及軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺(tái)搭建

液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)的進(jìn)料子系統(tǒng)、出料子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)既可協(xié)同運(yùn)行，也可單獨(dú)運(yùn)行。該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備如表1所示。

表1 液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)的硬件設(shè)備Table 1 Hardware equipment for automatic preparation system of liquid culture medium

液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)共有4個(gè)進(jìn)料子系統(tǒng)，分別由4臺(tái)PLC控制。其中：1#、2#、4#進(jìn)料子系統(tǒng)各由9個(gè)1 L原液瓶、9個(gè)5 L清洗液瓶、4個(gè)八通道切換閥、2個(gè)20 mL立式注射泵和1個(gè)高壓閥組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)化合物原液的移取和管道的清洗；3#進(jìn)料子系統(tǒng)采用2個(gè)定制的50 mL立式注射泵代替20 mL立式注射泵，以便實(shí)現(xiàn)大量所需化合物原液的移取。

2）出料子系統(tǒng)。

出料子系統(tǒng)包括4個(gè)混合罐、4個(gè)磁力攪拌器和8個(gè)出料裝置（由2個(gè)八通道切換閥、2個(gè)20 mL立式注射泵和1個(gè)高壓閥組成）。同時(shí)，為了確保培養(yǎng)基的參數(shù)合適[22]，還帶有4套pH在線監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)、4套DO在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及2個(gè)蠕動(dòng)泵。出料子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)混合罐中液體的攪拌、pH在線監(jiān)控和DO在線監(jiān)測(cè)以及成品培養(yǎng)基的分裝儲(chǔ)存。

3）控制子系統(tǒng)。

控制子系統(tǒng)由PLC、MCGS觸摸屏、交換機(jī)及繼電器等組成。PLC主要負(fù)責(zé)與觸摸屏通信以及控制繼電器的觸點(diǎn)和各執(zhí)行設(shè)備，其具體型號(hào)根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)、I/O（input/output，輸入/輸出）點(diǎn)數(shù)、參考精度和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選擇[23]。鑒于本文系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，為方便PLC對(duì)各執(zhí)行設(shè)備的控制以及數(shù)據(jù)采集，整個(gè)系統(tǒng)采用5臺(tái)PLC分別控制4個(gè)送料子系統(tǒng)和1個(gè)出料子系統(tǒng)，同時(shí)該系統(tǒng)還需控制5個(gè)高壓閥和2個(gè)蠕動(dòng)泵，故選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200 SMART SR30 PLC。該系列PLC共有18個(gè)輸入口和12個(gè)輸出口，并集成了1個(gè)以太網(wǎng)通信端口和1個(gè)RS485接口，滿足使用要求。

人機(jī)交互界面選用深圳昆侖通態(tài)科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的型號(hào)為TPC1561Hi的MCGS觸摸屏，其通信接口多且支持RS485、TCP/IP等多種通信方式，通過以太網(wǎng)與PLC連接。同時(shí)，該觸摸屏還裝配了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版），可用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、檢測(cè)、控制與處理[24]。

2.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序在STEP 7-Micro/WIN SMART軟件環(huán)境中采用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。

1）進(jìn)料子系統(tǒng)程序。

進(jìn)料子系統(tǒng)的自動(dòng)控制流程如圖3所示：當(dāng)完成初始化后，基于所設(shè)置的各原液移取量、清洗液移取量等相關(guān)參數(shù)，按順序依次完成化合物原液從原液瓶至混合罐的移取工作，直至所有所需化合物原液完成移取。

圖3 進(jìn)料子系統(tǒng)自動(dòng)控制流程Fig.3 Automatic control flow of feeding subsystem

2）出料子系統(tǒng)程序。

相較于進(jìn)料子系統(tǒng)程序，出料子系統(tǒng)程序主要增加了pH控制和移取原液總量計(jì)算這2個(gè)子程序塊，基于所設(shè)置的原液移取總量、存儲(chǔ)瓶單次存儲(chǔ)液量和混合罐設(shè)定pH等相關(guān)參數(shù)，出料子系統(tǒng)按順序完成混合罐中液體pH的調(diào)節(jié)以及將成品培養(yǎng)基分裝至儲(chǔ)存瓶的工作，其自動(dòng)控制流程如圖4所示。

圖4 出料子系統(tǒng)自動(dòng)控制流程Fig.4 Automatic control flow of discharging subsystem

2.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

MCGS觸摸屏的主要功能界面包括主界面、工作記錄界面、報(bào)表瀏覽界面、趨勢(shì)瀏覽界面、手動(dòng)操作界面和參數(shù)設(shè)定界面以及配方管理界面等。主界面主要有顯示各執(zhí)行設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)以及界面選擇等功能；工作記錄界面用于記錄各種化合物原液移取的體積和時(shí)間以及各子系統(tǒng)的工作時(shí)間；報(bào)表瀏覽界面以表格的形式顯示pH和DO的相關(guān)數(shù)據(jù)；趨勢(shì)瀏覽界面用于以曲線形式顯示pH和DO數(shù)據(jù)；手動(dòng)操作界面用于對(duì)系統(tǒng)中各執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作；參數(shù)設(shè)置界面用于設(shè)置各種化合物原液的移取量等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)；配方管理界面用于預(yù)先存儲(chǔ)不同的培養(yǎng)基配方，有需要時(shí)可直接調(diào)用。圖5所示為MCGS觸摸屏組態(tài)主界面。

圖5 MCGS觸摸屏組態(tài)主界面Fig.5 MCGS touch screen configuration main interface

3 液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、合理性以及可行性，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，以檢測(cè)各功能模塊的運(yùn)行狀況，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試分為3個(gè)部分：系統(tǒng)性能測(cè)試及誤差修正；pH監(jiān)控和DO監(jiān)測(cè)測(cè)試；液體培養(yǎng)基制備測(cè)試。

于2021年5—7月在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Test site of automatic preparation system of liquid culture medium

3.1 系統(tǒng)性能測(cè)試

參考移液器校準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定對(duì)液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為JJG 646—2006[25]和 ISO 8655：2002[26-27]。所測(cè)試系統(tǒng)中的移液設(shè)備為20，50 mL立式注射泵，遂選取稱重法進(jìn)行測(cè)試。采用電子天平（型號(hào)為M500TB-A，最大量程為5 000 g，精度為0.01 g，深圳市沐美科技有限公司生產(chǎn)）進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定。同時(shí)，為了避免環(huán)境因素對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，保證測(cè)試試驗(yàn)在穩(wěn)定環(huán)境下的無風(fēng)房間中進(jìn)行，溫度（25℃±0.5℃）和相對(duì)濕度（50%±5%）保持穩(wěn)定。采用相對(duì)誤差E和重復(fù)性誤差S這2個(gè)指標(biāo)來衡量系統(tǒng)的移液性能，其計(jì)算式分別為：

式中：V為目標(biāo)移液體積，mL；為多次測(cè)量所得實(shí)際移液體積的算術(shù)平均值，mL；σ為移液體積的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表2所示為ISO 8655：2002中規(guī)定的移液器的允許誤差。由于該標(biāo)準(zhǔn)最多只給出了移取10 mL的允許誤差，當(dāng)移液體積超過10 mL時(shí)，參考10 mL的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 ISO 8655:2022中規(guī)定的移液器允許誤差Table 2 Allowable error of pipette specified in ISO 8655:2002

選取1#進(jìn)料子系統(tǒng)中原液瓶1-A1、切換閥1-FM1、切換閥1-FM4、1#高壓閥、注射泵1-ZB1和切換閥1-FM5為對(duì)象，采用自動(dòng)控制的方式對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。綜合1#進(jìn)料子系統(tǒng)中注射泵1-ZB1的量程，選取5種移液體積（1，5，10，15，20 mL）分別進(jìn)行測(cè)試，每種移液體積均重復(fù)5次，結(jié)果取5次測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值。采用電子天平稱取質(zhì)量，所取液體為添加食用色素的去離子水，其密度為1.00 g/mL，下文同。將測(cè)試結(jié)果（表3）與ISO 8655：2002中規(guī)定的允許誤差進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證所測(cè)系統(tǒng)的性能。

表3 1#進(jìn)料子系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Performance test results of 1#feeding subsystem

由表3可知，當(dāng)系統(tǒng)的移液體積在10 mL以下時(shí)，其誤差較大，不滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，這主要是因?yàn)榇嬖谧⑸浔靡埔赫`差和系統(tǒng)移液誤差。注射泵移液誤差主要由自身的制造誤差和空氣壓縮性的影響所決定，在注射泵腔體內(nèi)和連接其管道內(nèi)的空氣具有拉伸性和壓縮性，在氣液置換時(shí)一定體積的空氣并不能置換等體積的液體[28]。系統(tǒng)移液誤差主要是由各執(zhí)行設(shè)備的安裝誤差和制造誤差所引起的。同時(shí)，觀察到在測(cè)試時(shí)系統(tǒng)中各執(zhí)行設(shè)備在移液過程中進(jìn)行順序動(dòng)作時(shí)，有2次管路中會(huì)進(jìn)入多余待移取液體，推測(cè)其為造成系統(tǒng)移液誤差的主要原因。因此，為了減小系統(tǒng)的誤差，使其滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，考慮從2個(gè)方面入手進(jìn)行修正：硬件方面，采用精度更高的執(zhí)行設(shè)備來減小誤差；軟件方面，采用誤差修正的方式對(duì)移液環(huán)節(jié)進(jìn)行修正。

3.2 系統(tǒng)誤差修正

若通過提升系統(tǒng)的硬件，即采用精度更高的執(zhí)行設(shè)備，則會(huì)導(dǎo)致成本提高。故本文選擇采用誤差修正的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正，以提高其精度。

3.2.1 注射泵移液誤差修正

為了保證系統(tǒng)性能，首先要確保注射泵移液性能可靠。以1#進(jìn)料子系統(tǒng)中的注射泵1-ZB1為對(duì)象，通過對(duì)注射泵在不同移液體積下進(jìn)行多次移液操作后的誤差進(jìn)行比對(duì)分析，以得到其誤差修正量。綜合注射泵量程，取5種移液體積（1，5，10，15，20 mL）分別進(jìn)行測(cè)量，每種移液體積重復(fù)10次，結(jié)果取10次的算術(shù)平均值，同樣采用電子天平進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定。圖7所示為不同移液體積下注射泵的移液誤差，其中誤差為設(shè)定移液體積和10次移液體積算術(shù)平均值的絕對(duì)誤差。

圖7 注射泵移液誤差Fig.7 Pipetting error of injection pump

分析圖7結(jié)果可知，注射泵在移液時(shí)存在固定誤差，為0.022 mL左右，推測(cè)是由注射泵存在的固定機(jī)械誤差造成的。鑒于注射泵移液穩(wěn)定，具有可修正性，故采取誤差修正方式來修正注射泵的移液誤差，修正量設(shè)為+0.022 mL。

3.2.2 系統(tǒng)移液誤差修正

在試驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)管路中有2次被壓入多余的待移取液體，導(dǎo)致系統(tǒng)移液誤差大。在分析整個(gè)系統(tǒng)的管路連接結(jié)構(gòu)后，推測(cè)管路A（連接切換閥1-FM1通道口0與注射泵1-ZB1的管路）被壓入的多余待移取液體可能與原液瓶1-A1液面到切換閥1-FM1通道口0的高度差（記為高度差A(yù)，用HA表示）以及切換閥1-FM1的通道口0到注射泵1-ZB1之間的管路體積（記為管路體積A，用VA表示）有關(guān)；管路B（連接1#高壓閥通道口X與注射泵1-ZB2的管路）被壓入的多余待移取液體可能與原液瓶1-A1液面到1#高壓閥通道口X的高度差（記為高度差B，用HB表示）以及1#高壓閥通道口X到注射泵1-ZB2之間的管路體積（記為管路體積B，用VB表示）有關(guān)。因此，須設(shè)計(jì)試驗(yàn)來探究高度差和管路體積對(duì)系統(tǒng)移液誤差的影響，以系統(tǒng)移液誤差為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。系統(tǒng)移液誤差A(yù)、B為多次測(cè)量后管路A、B實(shí)際被壓入液體體積的算術(shù)平均值，其計(jì)算式如下：

式中：EA、EB為系統(tǒng)移液誤差A(yù)、B，mL；n為測(cè)量次數(shù)；V3i為管路A實(shí)際被壓入的液體體積，mL；V0i為移液前原液瓶實(shí)際損失的液體體積，mL；V4i為管路B實(shí)際被壓入的液體體積，mL；V2i為原液瓶最終實(shí)際損失的液體體積，mL；V1i為移液后原液瓶實(shí)際損失的液體體積，mL。

以高度差HA、HB和管路體積VA、VB為影響因素，開展關(guān)于系統(tǒng)移液誤差的單因素試驗(yàn)。選取1#進(jìn)料子系統(tǒng)中原液瓶1-A1、切換閥1-FM1、切換閥1-FM4、1#高壓閥、注射泵1-ZB1和切換閥1-FM5為對(duì)象，按照系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)移液的完整流程，采用手動(dòng)控制方式進(jìn)行測(cè)試。通過在原液瓶1-A1下方放置電子天平來測(cè)量原液瓶損失液體的質(zhì)量，并計(jì)算得到其體積。各因素各水平的試驗(yàn)均重復(fù)5次，結(jié)果取5次的算術(shù)平均值，根據(jù)結(jié)果分析各因素對(duì)系統(tǒng)移液誤差的影響。因管路A被壓入液體體積與管路B被壓入液體體積互不干擾，可在同組試驗(yàn)中同步測(cè)量。

在移液體積設(shè)為10 mL，管路體積VA=4.07 mL、VB=1.41 mL的情況下，通過改變?cè)浩康囊好娓叨葋砀淖兏叨炔?，選取高度差HA=160，189，218，247，276 mm以及HB=250，279，308，337，366 mm，開展單因素試驗(yàn)，每個(gè)水平均重復(fù)5次，結(jié)果取算術(shù)平均值，得到不同高度差下的系統(tǒng)移液誤差，結(jié)果如圖8所示。

圖8 高度差對(duì)系統(tǒng)移液誤差的影響Fig.8 Influence of height difference on systematic pipetting error

由圖8可知，在管路體積不變的情況下，隨著高度差的增大，系統(tǒng)移液誤差A(yù)、B均隨高度差的增大而增大。這是因?yàn)楫?dāng)高度差增大時(shí)，外部壓力隨之增大，為平衡壓力差，固定體積的管路通過壓縮空氣來增大壓強(qiáng)，從而導(dǎo)致多余的液體進(jìn)入管路。

2）管路體積對(duì)系統(tǒng)移液誤差的影響。

在系統(tǒng)移液體積設(shè)為10 mL，高度差HA=218 mm、HB=308 mm的情況下，通過改變管路的長(zhǎng)度來改變其體積，選取VA=2.07，3.07，4.07，5.07，6.07 mL以及VB=0.81，1.11，1.41，1.71，2.01 mL開展單因素試驗(yàn)，每個(gè)水平均重復(fù)5次，結(jié)果取算術(shù)平均值，得到不同管路體積下的系統(tǒng)移液誤差，結(jié)果如圖9所示。

圖9 管路體積對(duì)系統(tǒng)移液誤差的影響Fig.9 Influence of pipeline volume on systematic pipetting error

由圖9可知，在高度差不變的情況下，隨著管路體積的增大，系統(tǒng)移液誤差A(yù)、B均隨管路體積的增大而增大。這是因?yàn)楫?dāng)高度差不變時(shí)，外部壓力恒定，但隨著管路體積的增大，管路內(nèi)壓強(qiáng)減小，為平衡壓差，通過壓縮空氣來增大壓強(qiáng)，從而導(dǎo)致多余的液體進(jìn)入管路。

3）2種因素對(duì)系統(tǒng)移液誤差的復(fù)合影響。

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果可知，高度差和管路體積對(duì)系統(tǒng)移液誤差均有明顯的影響。為研究這2個(gè)影響因素的交互作用對(duì)系統(tǒng)移液誤差的影響，從而確定系統(tǒng)移液誤差范圍并得到最終的誤差修正量，開展中心復(fù)合試驗(yàn)。

媒體融合背景下，無論是傳統(tǒng)媒體還是網(wǎng)絡(luò)傳媒，新媒體技術(shù)是主要的傳播媒介和信息載體。新媒體技術(shù)在電視新聞采編中的應(yīng)用能夠促進(jìn)視頻、圖像傳播的多樣化，不僅可以一改陳舊的節(jié)目模式，甚至可以突破電視單一傳播途徑的限制，使電視新聞走向智能電視、官網(wǎng)、公眾平臺(tái)等更多終端。全媒體記者利用新媒體信息采集與傳播途徑，可以更深入地探索和報(bào)道民眾真正關(guān)心的社會(huì)問題。一方面，全媒體記者可以利用網(wǎng)絡(luò)提高信息搜集、整理的質(zhì)量和效率；另一方面，全媒體記者可以基于大數(shù)據(jù)思維，利用新興媒體分析受眾偏好，采編播報(bào)更符合受眾心理預(yù)期的社會(huì)新聞。

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定高度差HA、HB和管路體積VA、VB的變化范圍，并利用Minitab軟件設(shè)計(jì)二因素三水平中心復(fù)合試驗(yàn)，其因素水平如表4所示。所設(shè)計(jì)的中心復(fù)合試驗(yàn)共含有13組，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 系統(tǒng)移液誤差中心復(fù)合試驗(yàn)的因素與水平Table 4 Factors and levels of central composite test for systematic pipetting error

表5 系統(tǒng)移液誤差中心復(fù)合試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Central composite test results of systematic pipetting error

采用Minitab軟件對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，確定各因素的影響程度，并得到相應(yīng)的回歸模型，以尋找系統(tǒng)移液誤差范圍。系統(tǒng)移液誤差中心復(fù)合試驗(yàn)結(jié)果方差分析如表6所示。

表6 系統(tǒng)移液誤差中心復(fù)合試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 6 Variance analysis of central composite test results of systematic pipetting error

由表6可知，在系統(tǒng)移液誤差EA的回歸模型中，回歸項(xiàng)VA、HA的P值均小于0.01，表明VA、HA對(duì)EA的影響極為顯著，VAHA項(xiàng)的P值小于0.05，表明VAHA對(duì)EA的影響也顯著，而回歸項(xiàng)VA2、HA2的P值分別為0.285和0.254，均大于0.05，表明VA2、HA2對(duì)EA的影響不顯著。EA回歸模型的P值小于0.01，表明該回歸模型總體上是有效的。同理對(duì)系統(tǒng)移液誤差EB的回歸模型進(jìn)行分析可得，其總體上也是有效的。剔除對(duì)2個(gè)回歸模型影響不顯著的回歸項(xiàng)后，得到新的回歸模型，分別為：

4）系統(tǒng)移液誤差修正。

根據(jù)上述結(jié)果，可對(duì)系統(tǒng)移液誤差進(jìn)行修正。系統(tǒng)移液誤差A(yù)、B均與管路體積和高度差有關(guān)，但在實(shí)際運(yùn)行中系統(tǒng)的管路長(zhǎng)度是定值，即管路體積已確定，僅高度差會(huì)發(fā)生變化，則可根據(jù)高度差確定系統(tǒng)移液誤差的變化范圍。

令管路體積VA=2.07 mL，高度差HA=80～196 mm，將其代入式（5）得到系統(tǒng)移液誤差EA=0.034 6～0.041 3 mL。同理，令管路體積VB=1.01 mL，高度差HB=170～286 mm，代入式（6）后可得系統(tǒng)移液誤差EB=-0.021 5～0.011 8 mL。

由于系統(tǒng)移液誤差為多余量，在修正時(shí)應(yīng)為負(fù)值。系統(tǒng)移液誤差EA和EB的加和值即為1#進(jìn)料子系統(tǒng)的移液誤差修正量，其取值范圍為-0.053 1～-0.013 1 mL。由于高度差在移液過程中會(huì)發(fā)生變化，遂取中間值-0.033 0 mL為1#進(jìn)料子系統(tǒng)的移液誤差修正量。

3.2.3 系統(tǒng)誤差修正及測(cè)試

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)的總誤差修正量為注射泵移液誤差修正量及系統(tǒng)移液誤差修正量之和。結(jié)合上文獲得的注射泵移液誤差修正量和系統(tǒng)移液誤差修正量，可得系統(tǒng)的總誤差修正量為-0.011 mL。

完成誤差修正后，再次對(duì)1#進(jìn)料子系統(tǒng)的注射泵1-ZB1進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果（表7）與ISO 8655：2002中規(guī)定的允許誤差進(jìn)行對(duì)比。分析表7可知，系統(tǒng)經(jīng)誤差修正后，在移取5 mL液體時(shí)，其相對(duì)誤差減小了0.32%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；在移取10，15，20 mL液體時(shí)，其相對(duì)誤差分別減小了0.100%，0.067%和0.050%，精度均有所提升。但在移取5 mL以下液體時(shí)，不滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，可采取稀釋原液的方法增加移取量。

表7 誤差修正后1#進(jìn)料子系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果Table 7 Performance test results of 1#feeding subsystem after error correction

液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)中其他子系統(tǒng)的移液設(shè)備也同樣需要進(jìn)行性能測(cè)試及系統(tǒng)誤差修正。對(duì)于各進(jìn)料子系統(tǒng)，其各執(zhí)行設(shè)備的安裝類似，遂不需要重新探究高度差和管路體積對(duì)其移液誤差的影響，可直接采用上述結(jié)果，只需對(duì)注射泵的移液性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法同1#進(jìn)料子系統(tǒng)的注射泵1-ZB1；對(duì)于出料子系統(tǒng)，由于混合罐放置在各個(gè)執(zhí)行設(shè)備的下方，除對(duì)其注射泵進(jìn)行測(cè)試外，還需要探究高度差和管路體積對(duì)其移液誤差的影響，方法如上文，不再贅述。出料子系統(tǒng)移液誤差的回歸模型如下：

式中：EC、ED為系統(tǒng)移液誤差C、D，mL；VC、VD為管路體積C（切換閥5-FM1的通道口0到注射泵5-ZB1之間的管路體積）和管路體積D（5#高壓閥通道口X到注射泵5-ZB2之間的管路體積），mL；HC、HD為高度差C（混合罐液面到切換閥5-FM1通道口0的高度差）和高度差D（混合罐液面到5#高壓閥通道口X的高度差），mm。

令管路體積VC=1.53 mL，高度差HC=512～610 mm，將其代入式（7），得到EC=0.087 9～0.118 9 mL。同理，令管路體積VD=1.01 mL，高度差HD=422～520 mm，代入式（8）可得系統(tǒng)移液誤差ED=0.029 3～0.049 0 mL。

由于系統(tǒng)移液誤差為損失量，在修正時(shí)為正值。系統(tǒng)移液誤差EC和ED的加和值即為出料子系統(tǒng)的移液誤差修正量，其取值范圍為0.117 2～0.167 9 mL。由于液面高度在移液過程中會(huì)發(fā)生變化，遂取中間值0.143 0 mL為出料子系統(tǒng)的移液誤差修正量。

液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)各移液設(shè)備的誤差修正量如表8所示。在系統(tǒng)中設(shè)定各移液設(shè)備的誤差修正量后進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，量程為20 mL的注射泵移取的液體體積在5 mL以上時(shí)，可滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；量程為50 mL的注射泵移取的液體體積在10 mL以上時(shí)，可滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。因此，在實(shí)際制備液體培養(yǎng)基時(shí)，用20 mL注射泵移取原液時(shí)，單次移取體積應(yīng)大于5 mL；用50 mL注射泵移取原液時(shí)，單次移取體積應(yīng)大于10 mL。

表8 液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)各移液設(shè)備的誤差修正量Table 8 Error correction of each pipetting device in automatic preparation system of liquid culture medium

3.3 pH監(jiān)控和DO監(jiān)測(cè)測(cè)試

將化合物原液按需移取至混合罐后，需要將其pH調(diào)節(jié)至設(shè)定值才能完成培養(yǎng)基的制備。首先，對(duì)pH和DO電極進(jìn)行校準(zhǔn)，而后將其放入標(biāo)準(zhǔn)溶液中進(jìn)行測(cè)量。然后，對(duì)pH控制部分進(jìn)行測(cè)試，pH調(diào)節(jié)采用試劑滴定的方式，所用試劑為1 mol/L的鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液。為了測(cè)試液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)的pH控制功能，在設(shè)定不同pH的情況下，對(duì)混合罐中的pH進(jìn)行調(diào)節(jié)。在各混合罐中裝入1 000 mL去離子水，依次設(shè)定pH=5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，8.5和9.0，分別進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試前，先調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵，使酸液和堿液充滿管路，再將其轉(zhuǎn)速調(diào)至為0.5 r/min。由表9所示的測(cè)試結(jié)果可知，各個(gè)混合罐中pH的最大測(cè)量誤差為±0.04，DO的最大測(cè)量誤差為±1.0%，pH的最大控制誤差為±0.18，滿足GB 4789.28—2013[29]要求。

表9 pH監(jiān)控和DO監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果Table 9 PH monitoring and DO monitoring test results

3.4 M9基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基制備測(cè)試

完成液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試后，前期以去離子水代替各種化合物原液進(jìn)行了大量試驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行了移液性能測(cè)試和誤差修正，并對(duì)其pH監(jiān)控和DO監(jiān)測(cè)性能進(jìn)行了測(cè)試。為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，用化合物原液進(jìn)行實(shí)際培養(yǎng)基的制備測(cè)試。以制備M9基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基為例進(jìn)行測(cè)試，用液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)配制培養(yǎng)基時(shí)，需先將各化合物原料按原量的一定倍數(shù)進(jìn)行稱量，配制成化合物原液，然后每次配制培養(yǎng)基時(shí)，取其總量的倍數(shù)分之一，配制成培養(yǎng)基。所有化合物原料均為上海滬試生產(chǎn)。M9基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基的配方如表10所示。

表10 M9基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基配方Table 10 M9 basic liquid culture medium formula

在系統(tǒng)中設(shè)定好各項(xiàng)參數(shù)后，使系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，在1#進(jìn)料子系統(tǒng)和3#進(jìn)料子系統(tǒng)向1#混合罐送料的管路出口，用測(cè)試杯分別盛接各組分溶液并稱重測(cè)量，重復(fù)5次取其算術(shù)平均值，然后與設(shè)定值對(duì)比分析；將管路接回1#混合罐，設(shè)定好各項(xiàng)參數(shù)，使系統(tǒng)自動(dòng)完成制備1 L M9基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基的全過程，并在培養(yǎng)基的分裝體積設(shè)定為50，75，100 mL時(shí)，對(duì)其稱重測(cè)量，重復(fù)8次取其算術(shù)平均值并與設(shè)定值對(duì)比分析，測(cè)量均采用電子天平進(jìn)行。各組分溶液移取測(cè)試和M9基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基分裝測(cè)試結(jié)果分別如表11和表12所示，將其與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比后可知，系統(tǒng)性能滿足要求。

表11 各組分溶液移取測(cè)試結(jié)果Table 11 Pipetting test results of each component solution

表12 M9基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基分裝測(cè)試結(jié)果Table 12 Subpackage test results of M9 basic liquid culture medium

4 討 論

本文針對(duì)液體培養(yǎng)基的制備需求，采用RS485和以太網(wǎng)組合的方式，以PLC為核心控制器結(jié)合MCGS觸摸屏搭建了一套液體培養(yǎng)基自動(dòng)制備系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于培養(yǎng)基配方的組分全自動(dòng)選擇和配比，以及培養(yǎng)基pH調(diào)節(jié)、分裝的全自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)還可對(duì)培養(yǎng)基的參數(shù)（pH、DO）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外，采用誤差修正的方式提升了系統(tǒng)性能：通過單因素試驗(yàn)確定了注射泵的移液誤差修正量；選取高度差和管路體積這2個(gè)因素，通過中心復(fù)合試驗(yàn)確定了系統(tǒng)移液誤差修正量。經(jīng)實(shí)際修正和測(cè)試，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)制備液體培養(yǎng)基的相對(duì)誤差在0.336%以下，重復(fù)性誤差在0.274%以下，pH的最大控制誤差為±0.18，pH和DO的最大測(cè)量誤差分別為±0.04和±1%，能夠滿足液體培養(yǎng)基的制備需求，且操作簡(jiǎn)易方便，簡(jiǎn)化了日常管理以及維護(hù)工作，有效地提高了工作效率和降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠?yàn)槲⑸锓诌x與培養(yǎng)系統(tǒng)所需的規(guī)模化培養(yǎng)基制備提供支撐，以及為全流程自動(dòng)化的液體培養(yǎng)基制備系統(tǒng)研究提供一定的參考價(jià)值。但該系統(tǒng)在智能控制方面仍有改進(jìn)空間，下一步將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，通過添加合適的微小體積流量傳感器，將移液環(huán)節(jié)改為閉環(huán)控制形式，以增強(qiáng)系統(tǒng)的智能性，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。