一种智能多微样品预处理平台及其预处理方法

摘要

本发明公开了一种智能多微样品预处理平台及其预处理方法，包括全自动样品预处理系统，多生物信息智能读写系统和实验动物数字化管控中心。其中，全自动样品预处理系统由全自动样品预处理仪器和人机交互界面组成，多生物信息智能读写系统包括智能读写终端和无线接收终端，实验动物数字化管控中心主要有动物电子信息档案子系统、给药采样管理子系统、实验设备管理子系统以及数据智能监控子系统。根据动物实验数字化管控需求，可实现清醒无束缚动物全流程非接触式自动化采样，一键式触摸屏操作，集清洗、检测、采样、补液、排废功能为一体，定点定时定位定量采集多个微量样品，高效全方位分级管控各类实验衍生数据，可溯源追踪分析海量历史数据。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医药采样技术领域，尤其是涉及一种智能多微样品预处理平台及其预处理方法。

背景技术

在生命科学研究领域内，专业医药研发员投入一线剖析新型病毒，耗费大量时间人力采集动物血液样本，以此支撑各种临床治疗前新药物的研制。传统采样时，实验人员根据实验方案，在规定采样时间节点，一对一长时间直接接触动物进行采样，手动记录相关实验信息，通过实验记录纸质表手动输入信息至实验管理系统进行整理并核验。

采样工作简单重复性高，需对采样时间、采样精度、采样成功率、实验信息精准性严格把控，对于药理毒理学所涉及的样品采集与制备、生物与化学反应、分离和检测等基本操作单元，单个样品量向着“少”、“精”、“纯”的方向发展，现在所需精确定量采样单位为微升(ul)甚至纳升(nl)，传统的手工取样显然无法进一步满足其更高实验要求。

专利CN202010368298.7公开了一种动物采血系统，涉及动物采血技术领域，通过采用包括采血器、辅助组件以及终端系统；采血器设置有采血管，采血管上设置有连接结构，连接结构可拆卸连接固定注射器，采血器顶部设置有定量抽血组件；辅助组件包括可聚焦照明设备、扫描模块、通信模块以及拍照模块，拍照模块和扫描模块均与通信模块通信连接；终端系统包括彼此通信连接的检测模块、信号接收模块以及数据库模块的技术方案，提供原始数据的采集和支撑。该系统中的采血器需人为手动操作进行采样，自动化程度不高，并且单次采集样品量有限，主要针对家用牲畜类大型动物，无法满足动物试验中小型动物的药代实验。

专利CN201610192745.1公开了一种动物血浆、血清或血液的生物安全性质量控制系统，包括检验系统、动物采血系统、血液存储系统和血液运输系统；采血系统包括静脉采血导管、血浆泵、将血液分离成血浆和血细胞的离心机和血浆袋、血浆袋组成血浆采集路线；离心机、血浆泵、静脉采血导管组成血细胞回流路线。无菌的采血系统再配合检验系统、血液储存系统和血液运输系统形成一套对动物血浆或血清生物安全性的质量控制的完整系统，消除对动物血浆或血清的生物安全性产生的隐患。该系统将大型动物用金属固定架控制，单次采集样品容量大，且为毫升级别，不同采集点间，需手动将动物静脉导管和血浆采集机连接进行二次采样，对同种动物采样效率不高，无法定时定点自动采样。

专利CN201620467243.0公开了一种动物血浆采集机，包括血液采集系统、抗凝剂输送系统、血液回输系统和控制系统。所述血液采集系统具有采血器接头通过血泵和血液管路连接离心机；所述抗凝剂输送系统包括抗凝剂支杆、抗凝剂泵，所述抗凝剂支杆位于采集机左侧用于悬挂抗凝剂，所述抗凝剂通过抗凝剂泵和抗凝剂管路连接到采血器接头；所述血液回输系统包括盐水支杆，所述盐水支杆位于采集机右侧用于悬挂生理盐水；所述控制系统包括血液管路压力监测器、管路空气探测器、管路探测器和控制阀门，所述血液管路压力监测器用于监测供体动物血液管路的压力，所述管路空气探测器用于监测管路中空气，所述管路探测器用于探测血液管路红细胞溢出。该采集机通过各种检测器监测管路状况，从而辅助采集血液，对于管路的清洗、排废等情况没有细致处理，极有可能造成二次采样的交叉污染，从而影响实验数据的准确性。

上述专利中所提及的几类动物采血系统，大部分都针对大型动物进行单次半自动化采样，试验人员仍需一人或多人控制一台仪器进行采样，无法有效改善采样劳动密集型根源。采集样本容量过大，无法满足对中小型动物定时微量、高纯度、高精度的采样需求，试验中产生的海量生物信息，也无法及时有效实现数字化记录传输。同时，试验人员对于衍生的生物信息无法及时传递与核验，增加了后续对有效数据筛选和分析的难度。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种智能多微样品预处理平台，实现清洗、检测、采样、补液、排废一体化以及生物信息实时可溯源管控，提高自动化程度，实现采集样本多样性，提高采集效率，提高试验数据准确性。并提供了其预处理方法。

技术方案：一种智能多微样品预处理平台，包括全自动样品预处理系统、多生物信息智能读写系统、实验动物数字化管控中心；

全自动样品预处理系统包括信号连接的全自动样品预处理仪器和触摸屏人机交互界面；

多生物信息智能读写系统包括信号连接的智能读写终端和无线接收终端；

实验动物数字化管控中心包括动物电子信息档案子系统、给药采样管理子系统、实验设备管理子系统以及数据智能监控子系统；

全自动样品预处理仪器对接给药采样方案的目标生物并与实验动物数字化管控中心信号连接，无线接收终端与实验动物数字化管控中心信号连接。

进一步的，全自动样品预处理仪器包括壳体以及设置于其上的柱塞泵、触摸屏、电磁阀组、功能按钮组、压管阀组、液体传感器模组、颜色传感器组、蠕动泵、采样台、采样滴管、滑动块、固定轴、管路和红色指示灯，壳体两侧和底部均设置散热孔，壳体的前面板上对称间隔设有两个柱塞泵，触摸屏在两个柱塞泵之间嵌设于前挡板的正中间，电磁阀组包括两个两位三通电磁阀，每个两位三通电磁阀分别与一个柱塞泵连接，功能按钮组在触摸屏下方安装于前面板上，压管阀组包括五个压管阀，液体传感器模组包括两个液体传感器，颜色传感器组包括两个液体传感器，两个柱塞泵、五个压管阀、两个液体传感器、两个颜色传感器、采样台、采样滴管、滑动块、固定轴、蠕动泵分别安装于壳体上表面并通过管路连接成密闭网络，管路的起始端为采样端口。

给药采样管理子系统制定并生成给药采样实验方案，手持多生物信息智能读写终端扫描目标动物、样品采集管、实验设备等携带的电子信息，无线接收终端自动核验录入给药采样管理界面，通过全自动样品预处理仪器的触摸屏人机交互界面进行自动化采样，由主从模式控制多柱塞泵完成相应的机械动作，多个压管阀引导或阻隔管路组件中液流方向，多样品位定时定量循环采集。

柱塞泵中左边柱塞泵端部配置两位三通电磁阀，切换不同阀口通过丝杆直线垂直运动，主要通过两个阀口控制进样器吸取或排出生理盐水；右边柱塞泵端部配置两位三通电磁阀，其进样口通过管路外接两位三通配管型电磁阀，电磁阀组形成三个阀口，控制进样器吸取或排出生理盐水和空气。左进样器和右进样器不直接接触样品，柱塞泵根据控制指令使采集的样品在管路网络内流动。

进一步地，压管阀组通过安装环垂直固定，分散在液体传感器模组周围，控制采样过程中不同管路的通断。压管阀一控制的管路起始端为采样端口，用于连接目标动物的通道装置便于采样；压管阀二控制的管路位于两个液体传感器模组中间，串联不同模组中的三通连接头和四通连接头；压管阀三控制的管路一端连接液体传感器模组中的三通连接头，另一端连接采样滴管的进样口针端；压管阀四控制的管路末端放置于废液瓶中；压管阀五控制的管路末端连接左边柱塞泵出样口。

进一步地，管路网络采取隔离式联接，主要用两个液体传感器模组、两个柱塞泵、五个压管阀、采样滴管、蠕动泵、固定轴和变径接头将相连的管路进行隔离固定。其中，在采样管路第一个和第二个拐点处分别放置液体传感器模组，用于检测该通路中是否存在空气、生理盐水、纯血或混合液(生理盐水和纯血的混合血液)。两个柱塞泵端部通过电磁阀组控制，使管路分支向不同方向导通，柱塞泵进样口或出样口用外螺纹直径接头连接管路，并用变径接头连接不同内径的管路组成网络。壳体上表面管路内嵌在五个压管阀槽口中，采样滴管进样口针端管路连接液体传感器模组的三通连接头，废样口针端管路串接变径接头连接至蠕动泵输入管路，蠕动泵输出管路放置废液瓶中。储样段管路按一定方向环绕在呈柱体状固定轴上，一端通过等径接头连接至液体传感器模组的三通连接头，另一端连接右边柱塞泵出样口。

进一步的，全自动样品预处理仪器内部硬件电路包括主控制模块、显示模块、步进电机驱动模块、多源传感器采集模块、组合阀控制模块、采样台控制模块、电源管理模块、按键模块、自动报警模块一和信息通讯模块，主控制模块内设有STM32芯片，主控制模块与显示模块、步进电机驱动模块、多源传感器采集模块、组合阀控制模块、采样台控制模块、电源管理模块、按键模块、自动报警模块一和信息通讯模块相连接，各模块电控元器件通过主控制模块上的接插件相连接。

显示模块主要通过触摸屏，显示采样时间、采样数目、采样状态、多源传感器实时数据等，设置采样、清洗、停止、复位功能按键人机交互完成采样。

步进电机驱动模块采用超高细分正弦波控制算法，通过多个双路驱动器分别控制柱塞泵、蠕动泵和采样台的电机模组运行，分别完成管路内流体抽拉、排液、采样台定位等动作。

多源传感器采集模块主要采集液体传感器模组、颜色传感器组、温度传感器的数值，通过串口传输给主控制模块，进行数据分析处理。温度传感器内嵌于采样台，实时采集温度值，根据实时数据调节反馈控制采样台恒低温；液体传感器模组放置于管路网络重要节点处，由管路流过的不同液体的电导率，判断节点处的流液为生理盐水、空气、混合液或是纯血，由此执行下一步采样操作。颜色传感器组靠近柱塞泵一端管路的出样口处，识别该段管路是否因采样异常，导致动物样品抽取过量误入柱塞泵的进样器中。

组合阀控制模块主要控制五个压管阀和三个两位三通电磁阀，压管阀位于各管路网络连接处，根据不同指令阻断或开放该通道的液体，三通电磁阀位于柱塞泵的进样器端部，连接各管路根据不同指令切换不同进样口，配合不同的柱塞泵抽取生理盐水、样品、空气等传输到各管路。

采样台控制模块通过双路驱动器控制步进电机驱动模块，初始旋转一周后，定位采集盘的原点作采样位A，初次采样结束后，旋转特定角度至采样位B，以此类推完成预设定的采样数目。同时，根据多源传感器采集模块中温度传感器的数值反馈，经过PID调节，间歇性启动或停止半导体制冷片和散热风扇运行，保持采样台腔内持续低温工作。

自动报警模块一根据主控制模块的数据采集分析，面对管路堵塞、管路泄露、采血失败、柱塞泵运行异常等情况，通过红色指示灯提示试验人员进行后续处理。

按键模块主要包括位于全自动样品预处理仪器正面板的紧急停止按钮、复位按钮和电源按钮，手动触发按钮可以在特殊情况下紧急停止仪器的运行，并且对柱塞泵进样器进行复位，排除管路内现有液体，然后清洗仪器全管路，便于开始下一次采样。

信息通讯模块中MAX3232芯片将TTL电平转换为RS-232电平，与触摸屏RS-232通讯接口相连，根据人机交互界面的不同指令进行解析、执行和回应；通过蓝牙通讯主要将采样过程中采样组号、样品规格、采样量、采样时间、采样状态、采样失败率、仪器状态等信息传输给给药采样管理子系统，记录实时的实验信息，可供管理人员远程监控。

进一步的，管路为医用肝素化聚氨酯软管，管路上的接口处设有1.6mm的等径接头或1.6mm转2.4mm的变径接头；蠕动泵的排废液输入和输出管路为内径为2.5mm、外径为3.5mm的医用肝素化聚氨酯软管，其余管路内径为0.8mm或0.5mm。

液体传感器模组由三通连接头或四通连接头、金属导体轴座和A/D采样电路组成采集电导率，连接头中心采用惰性的PCTFE涂层减少流液吸附率，通道之间死体积小于4uL。

进一步的，采样滴管上设有三个端口，分别为进样口针端、出样口针端、废样口针端，进样口针端连通储样段管路，出样口针端与采集盘的采样管连接，废样口针端连通蠕动泵排废液的管路，采样滴管呈对称的柱形结构，外表面涂有惰性的PCTFE涂层，内嵌在设置于采样台一侧的滑动块上表面的凹槽内，与进样口针端和废样口针端连接的管路放置于滑动块上表面沟槽内。

最佳的，采集盘设于采样台中，采集盘为透明亚克力圆盘，其上设有一圈孔位，孔位的数量为12～16个，孔位中放置采样管，采样管的容积为0.5ml～1.5ml，孔位的其中一个为废液收集位，其余为样品位，每次采样时间小于4min，采样阶段采集纯样本量流速为1ml/min，清洗阶段流速为4ml/min。

进一步的，采样端口连接磁性联接扣装置，磁性联接扣装置包括相互对接的公头和母头，不锈钢捆绳设于母头上，母头内设有两个不锈钢平口针，公头上对应设有两个硅胶封闭堵头，其中一个硅胶封闭堵头内设有与其中一个不锈钢平口针对接的采样不锈钢平口针，另一个硅胶封闭堵头内设有与另一个不锈钢平口针对接的给药不锈钢平口针，采样不锈钢平口针连接动物颈动脉肝素化植入式硅胶管，给药不锈钢平口针连接动物颈静脉肝素化植入式硅胶管；两根硅胶管路插入磁性联接扣装置内并通过不锈钢捆绳与磁性联接扣装置固连，两个不锈钢平口针分别连接一个硅胶管路；采样端口分为单通道和双通道，采样端口与连通给药不锈钢平口针的硅胶管路连接，当为单通道时，另一硅胶管路闲置，当为为双通道时，另一根硅胶管路连接微量注射泵仪器给药端口。

样品最大限制容量为1.5ml，常用实验采样量为50ul、100ul、200ul、300ul、400ul、500ul、800ul、1000ul。

最佳的，触摸屏人机交互界面包括智能控制模块、采样模式选择模块、设备运行状态模块、自动报警模块二、触摸屏通讯模块，信息通讯模块与触摸屏通讯模块通过MODBUS协议通讯,智能控制模块显示的按键包括采样指令、清洗指令、停止指令、复位指令、定时指令和定位指令，采样模式选择模块包括标准模式、低损耗模式、手动补液模式、防堵塞模式、参数校准模式，设备运行状态模块包括多种采样点情况指示灯、元器件工作状态图、各传感器参数值。

硬件电路信息通讯模块与触摸屏通讯模块通过MODBUS协议通讯，反馈下位机运行状态和各传感器参数值。当出现异常数据时，触发自动报警模块由实际情况，提示不同故障信息，并及时中断采样系统，保证采样过程的安全性和可靠性。

进一步的，动物电子信息档案子系统记录、查询和编辑多种类的动物信息，包括动物种类、动物ID编号、动物生长记录、动物治疗记录、动物饲养记录、动物使用记录、动物监管人员记录，给药采样管理子系统包括创建给药采样方案、方案审批、标签管理、给药模式、采样模式、实验记录日志，实验设备管理子系统记录不同实验设备编号、设备使用情况、设备校准情况、设备运行情况和设备维护情况，数据智能监控子系统分为实验员模式和管理员模式。

多生物信息智能读写终端采用便携式手持终端，靠近不同种类的目标动物，通过射频信号识读生物植入式玻璃管电子标签，条码识读引擎区分识读不同规格样品采集管壁面的电子标签、记录不同实验涉及的带电子标签的医疗仪器等，将采集信息校验发送至无线接收终端，读写终端的蓝牙主通讯模块透传给接受终端的蓝牙从通讯模块，再由串口转USB模块上传至实验动物数字化管控中心各子系统界面指定行。

数据智能监控子系统主要分成实验员模式和管理员模式，通过物联网传感技术实时采集多个设备在采样过程中各种生物信息，通过系统处理将有效信息归类融合、对大数据进行在线评估、记录报警诊断原因，使实验信息可追溯化；管理员可远程监控，对不同实验室不同实验流程进行巡查，通过结果分析、全程监控、历史数据对比进行更高效进行地管理。

一种上述的智能多微样品预处理平台的预处理方法，包括以下步骤：

步骤一：在实验动物数字化管控中心选择实验员模式登录系统，通过给药采样管理子系统创建所需的给药采样方案；在给药模式下，配置供试剂批号、试剂种类、试剂组别、给药供配比、给药设备种类、给药速率、给药时长等基本给药信息；在采样模式下，配置采样设备种类、动物种类、采样组别、采样速率、采样时长等基本采样信息，发送至管理员审核后该方案批准生效；

步骤二：实验员执行审批后的实验方案，先对采样管进行标签化处理；在标签管理中，录入给药名称、采样组号、采样日期、采样管规格、动物种类等信息生成电子标签，发送至贴标分管系统，自动进行选管、电子标签打印和粘贴标签；

步骤三：在实验设备管理子系统中，查询设备使用记录，选择闲置的医疗仪器所在的实验房进行正式实验；在给药采样界面中，选择实验方案指定行，实验员手持便携式智能读写终端，靠近实验方案指定类别动物，通过射频解码模块识读生物植入式玻璃管电子标签，录入目标动物的身份信息，条码解码模块记录实验涉及带电子标签的医疗仪器和采样管，将采集信息校验发送至无线接收终端，读写终端的蓝牙主通讯模块透传给接受终端的蓝牙从通讯模块，再由串口转USB模块上传至界面信息栏中；

步骤四：保存并提交新增录入信息，选择给药日期，将设置的给药方案信息，如给药次数、试剂容量、给药速率等发送给医疗注射泵。选择双通道装置，其中一路通道的一端连接目标动物颈动脉肝素化植入式硅胶管，另一端连接全自动样品预处理仪器采样端口；另一路通道的一端连接目标动物颈静脉肝素化植入式硅胶管，另一端连接注射泵给药端口；启动注射泵输送药剂，待给药操作完成后，进行下一步操作；

步骤五：选择单通道装置时，可直接进行采样操作；实验员启动全自动样品预处理仪器，通过触摸屏人机交互界面先选择参数校准模式，用于计算采样端口连接至目标动物处管路长度变量参数值；在连接目标动物采样前，先执行清洗指令清洗全管路；然后，通过定时指令输入每个采样点时间，定位指令输入每个采样点对应采样孔位；接着，在标准模式或低损耗模式下执行采样指令完成全自动化采样操作，并低温储存在贴标采样管内；

步骤六：在采样过程中，一位实验员可同时管理多台仪器，通过采样点指示灯、元器件工作状态图、各传感器参数值了解不同设备的运行状态；面对出现的不同突发状况，产生相应报警提示框并点亮红色指示灯，实验员及时停止仪器并处理相关问题；

步骤七：通过蓝牙无线传输不同采样点采集情况、采样数目、采样量、采样起始时间、采样结束时间、仪器校准情况、运行报错等信息至给药采样界面，系统将对实时有效数据分析归类与评估，形成实验记录日志，追溯后续药理数据处理；

步骤八：在实验动物数字化管控中心选择管理员模式登录系统，管理员远程监控不同实验室动物实验进展情况，对动物管理与使用、实验设备运行与维护进行线上巡查。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明智能化采样，一对多高效精准提纯。本发明对于清醒无束缚动物全流程非接触式自动化采样，一键式触摸屏操作，集清洗、检测、采样、补液、排废功能为一体，在规定时间采集定量样本保存于指定样本位，规避二次交叉污染、溶血、凝血和血液稀释对采样精度纯度的影响。

本发明采样模式多样化，及时应对不同突发状况。本发明集结损耗模式、低损耗模式、手动补液模式、防堵塞模式和参数校准模式。面对管路混合废液的处理、动物采样间隙血液回流、采样通道堵塞、采样量校准、各检测点校准等情况，不同模式使试验人员能及时调整策略应对不同情况，更加安全、可靠、有序地采集样品。

本发明分级多维度管控，全周期数据可溯源性强。本发明管控系统将实验员模式与管理员模式相结合，单个实验员通过信息门户建立不同实验方案，控制小批量仪器设备正常工作，在云计算平台支持下，系统实时自动处理生物采样过程中的各类数据；管理员通过远程PC端监控，及时了解各项试验进展，可追溯不同实验数据比对与结果分析。

本发明可实现清醒动物实验预处理全自动化微量采样，定时循环采集多个样品并低温储存，无二次交叉传染，低排废量，少环境污染。结合手持式智能读写终端记录并传输各种实验数据流，通过触摸屏人机交互界面管控，建立健全动物全生命周期电子信息档案库。

附图说明

图1为本发明的布置框图；

图2为全自动样品预处理仪器的立体结构示意图；

图3为采样滴管结构示意图；

图4为三通连接头结构示意图

图5为四通连接头结构示意图；

图6为采集盘的结构示意图之一；

图7为采集盘的结构示意图之二；

图8为磁性联接扣装置的结构示意图；

图9为全自动样品预处理仪器各模块的连接结构示意图；

图10为触摸屏人机交互界面的结构示意图；

图11为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种智能多微样品预处理平台，如图1～11所示，所述的智能多微样品预处理平台100包括全自动样品预处理系统200、多生物信息智能读写系统300和实验动物数字化管控中心400，实现动物实验在预定给药采样方案下，全自动化采集多个微量样品，高效全方位分级管控各类实验衍生数据，溯源追踪分析海量历史数据。

全自动样品预处理系统200包括全自动样品预处理仪器201和触摸屏人机交互界面202，多生物信息智能读写系统300包括智能读写终端301和无线接收终端302，实验动物数字化管控中心400包括动物电子信息档案子系统410、给药采样管理子系统420、实验设备管理子系统430以及数据智能监控子系统440。

所述智能多微样品预处理平台100中，实验人员通过给药采样管理子系统420制定并生成给药采样实验方案，手持多生物信息智能读写终端301扫描目标动物、样品采集管、实验设备等携带的电子信息，无线接收终端302自动核验录入给药采样管理界面，通过全自动样品预处理仪器201上，触摸屏人机交互界面202进行自动化采样，由主从模式控制多柱塞泵完成相应的机械动作，多个电磁阀引导或阻隔管路组件中液流方向，多样品位定时定点定量循环采集。

动物电子信息档案子系统410主要用于记录、查询和编辑不同种类的动物动态信息，包括动物种类411、动物ID编号412、动物生长记录413、动物治疗记录414、动物饲养记录415、动物使用记录416和动物监管人员记录417，根据每天不同实验室不同时段分配的人员，对新旧动物管理状态及时更新，使动物电子信息档案资源透明化。

给药采样管理子系统420通过上位机创建给药采样方案421，提交由上级管理员进行方案审批422，在标签管理422中筛选样品组号、实验日期、实验类别、目标动物种类、样品规格等信息生成电子标签，将信息发送至贴标分管设备使采样管标签化，选择实验方案所需的模式，给药模式424或采样模式425进行动物实验，实验记录日志426记录实时实验数据，生成数据分析报告。

实验设备管理子系统430主要记录使用的不同实验设备编号431、设备使用432、设备校准433、设备运行434和设备维护435的情况，可极大提高设备使用性能和闲置利用率，利于缩短前期实验设备筹备时间和后续追踪设备的维修报废处理时间。

数据智能监控子系统440主要分成实验员模式441和管理员模式442，通过物联网传感技术实时采集多个设备在采样过程中各种生物信息，通过系统处理将有效信息归类融合、对大数据进行在线评估、记录报警诊断原因，使实验信息可追溯化；管理员可远程监控，对不同实验室不同实验流程进行巡查，通过结果分析、全程监控、历史数据对比进行更高效进行地管理。

如图2所示，全自动样品预处理仪器包括可拆卸拼接壳体1以及设置于其上的柱塞泵6、触摸屏7、电磁阀组18、功能按钮组、压管阀组12、液体传感器模组13、颜色传感器组21、蠕动泵17、采样台14、采样滴管26、滑动块15、固定轴16、管路11和红色指示灯33，管路11由多条支路构成，在不同拼接外壳1上设置卡锁结构，利用螺钉穿过卡锁上预留的通孔固定壳体1，壳体1两侧和下底板4上都设置一组散热孔2。柱塞泵6设于两个，分为左柱塞泵6-1和右柱塞泵6-2，分别位于壳体1前面板3两侧，与前面板3平面呈水平，垂直于下底板4平面放置。前挡板5覆盖两个柱塞泵6下半部分露出的机械结构，触摸屏7内嵌于前挡板5正中间，下设手动的功能按钮组，包括依次间隔排列的紧急停止按钮8、复位按钮9和电源按钮10。

压管阀组12包括五个压管阀，分别为压管阀一12-1、压管阀二12-2、压管阀三12-3、压管阀四12-4、压管阀五12-5，液体传感器模组13包含两个液体传感器，分别为液体传感器一13-1、液体传感器二13-2，颜色传感器组21包括两个颜色传感器，分别为颜色传感器一21-1、颜色传感器二21-2，压管阀组12、液体传感器模组13、颜色传感器组21、采样台14、滑动块15、采样滴管26、固定轴16和蠕动泵17都位于壳体1上表面，各器件通过管路11连接成密闭网络。

电磁阀组18包括两位三通电磁阀一18-1、两位三通电磁阀二18-2，柱塞泵6中左柱塞泵6-1端部配置两位三通电磁阀一18-1，切换不同阀口通过丝杆直线垂直运动，主要通过两个阀口控制左进样器19-1吸取或排出生理盐水；右柱塞泵6-2端部配置两位三通电磁阀二18-2，其进样口通过管路支路十一11-11外接两位三通配管型电磁阀20，电磁阀组形成三个阀口，控制右进样器19-2吸取或排出生理盐水和空气。左进样器19-1和右进样器19-2不直接接触样品，柱塞泵6根据控制指令使采集的样品在管路11网络内流动。

压管阀组12通过安装环22垂直固定，分散在液体传感器模组13周围，控制采样过程中不同管路11的通断。压管阀一12-1控制的管路支路三11-3起始端为采样端口23，连接目标动物的通道装置；压管阀二12-2控制的管路支路五11-5位于液体传感器一13-1和液体传感器二13-2中间，串联不同模组中的三通连接头24和四通连接头25；压管阀三12-3控制的管路支路七11-7一端连接液体传感器一13-1中的三通连接头24，另一端连接采样滴管26的进样口针端261；压管阀四12-4控制的管路支路四11-4末端放置于废液瓶中；压管阀五12-5控制的管路支路二11-2末端连接左柱塞泵6-1出样口。

管路11网络采取隔离式联接，主要用液体传感器一13-1、液体传感器二13-2、左柱塞泵6-1和右柱塞泵6-2、压管阀一12-1、压管阀二12-2、压管阀三12-3、压管阀四12-4、压管阀五12-5、采样滴管26、蠕动泵17、固定轴16、等径接头27和变径接头28将相连的管路11进行隔离固定。其中，在采样管路第一个和第二个拐点处分别放置液体传感器一13-1、液体传感器二13-2，用于检测该通路中是否存在空气、生理盐水、纯血或混合液(生理盐水和纯血的混合血液)。柱塞泵6端部通过电磁阀组18控制，使管路11分支向不同方向导通，柱塞泵6进样口或出样口用外螺纹直径接头29连接管路网络。壳体1上表面管路11内嵌在压管阀组12的槽口中，采样滴管26进样口针端261管路支路七11-7连接液体传感器一13-1的三通连接头24，废样口针端263管路支路八11-8串接变径接头28连接至蠕动泵17输入管路，蠕动泵输出管路支路九11-9放置废液瓶中。储样段管路支路六11-6按一定方向环绕在呈柱体状固定轴16上，一端通过等径接头27连接至液体传感器一13-1的三通连接头24，另一端连接右柱塞泵6-2出样口。

管路11网络主要位于全自动样品预处理仪器壳体1上表面，与各器件相连后管路11网络保持同一水平面。选择内径0.8mm或0.5mm的医用肝素化聚氨酯软管进行整体连接，部分接口处采用1.6mm的等径接头27或1.6mm转2.4mm的变径接头28。蠕动泵17处排废液输入和输出管路，选择内径为2.5mm，外径为3.5mm的医用肝素化聚氨酯软管。

如图3所示，采样滴管26有三个端口，进样口针端216通过管路支路七11-7连通至三通连接头24，用于储样管路支路六11-6输送液体，出样口针端262将液体滴入采集盘30采样管中，废样口针端263连通蠕动泵17排废液的管路支路八11-8。采样滴管26呈对称柱状，采用惰性的PCTFE涂层，内嵌在采样台14侧面滑动块15上表面凹槽内，进样口针端262连接的管路支路七11-7和废样口针端263连接的管路支路八11-8放置于滑动块15上表面沟槽内。滑动块15底部中间有圆形凸起，底部一侧用螺丝、弹簧、垫片固定滑动块15，通过抽拔并旋转滑动块将底部圆形凸起卡在仪器上表面壳体1固定孔内，使采样滴管26出样口针端262悬空于对应样品位孔正中间。

如图4、5所示，为三通连接头24和四通连接头25，液体传感器模组13由三通连接头24或四通连接头25、金属导体轴座和A/D采样电路组成采集电导率，连接头中心采用惰性的PCTFE涂层减少流液吸附率，通道之间死体积小于4uL。

如图6、7所示，为采集盘30，采样台14中采集盘30为透明亚克力圆盘，设有两种规格，采用梅花手柄螺丝32通过过孔330固定在采样台14中间转动轴承上，样品孔位340排列围成一圈，除预采样孔位外其余用不透光盖板31遮住。其中，12孔采集盘310各孔位330固定标号，放置1.5ml的采样管，序号A至序号K为样品位，序号L为废液收集位；16孔采集盘320各孔位340固定标号，放置0.5ml的采样管，序号A至序号O为样品位，序号P为废液收集位。

如图8所示，为磁性联接扣装置，全自动样品预处理仪器201可连接单通道或双通道，选择单通道时，仪器采样端口23连接带有不锈钢捆绳601的转圜端口管路、不锈钢捆绳601用于防护内置的内径0.5mm硅胶管路602，管路末端采用两个磁性联接扣装置，磁扣连接头选用其中一个硅胶封闭堵头603和一个不锈钢平口针604，硅胶封闭堵头603中的采样不锈钢平口针605连接动物颈动脉处植入的末端圆弧状肝素化硅胶管；选择双通道时，不锈钢捆绳601用于防护内置的两根内径0.5mm肝素化硅胶管路602，转圜端口一根管路连接全自动样品预处理仪器采样端口23，另一根连接微量注射泵仪器给药端口，磁扣连接头采用两个硅胶封闭堵头603和两个不锈钢平口针604，硅胶封闭堵头603中一个采样不锈钢平口针605连接动物颈动脉肝素化植入式硅胶管，另一个给药不锈钢平口针606连接动物颈静脉肝素化植入式硅胶管。

如图9所示，为全自动样品预处理仪器201连接的全电路各模块，主要硬件电路包括主控制模块700、显示模块710，步进电机驱动模块720、多源传感器采集模块730、组合阀控制模块740、采样台控制模块750、电源管理模块760、自动报警模块一770、按键模块780和信息通讯模块790。

主控制模块700由STM32芯片及其最小系统组成，与显示模块710、步进电机驱动模块720、多源传感器采集模块730、组合阀控制模块740、采样台控制模块750、电源管理模块760、自动报警模块一770、按键模块780和信息通讯模块790相连接，各模块电控元器件通过主控制模块700上的接插件相连接。

显示模块710主要通过触摸屏7，显示采样时间、采样数目、采样状态、多源传感器实时数据等，设置采样、清洗、停止、复位功能按键人机交互完成采样。

步进电机驱动模块720采用超高细分正弦波控制算法，通过多个双路驱动器分别控制柱塞泵6、蠕动泵17和采样台14的电机模组运行。

多源传感器采集模块730主要采集液体传感器模组13、颜色传感器组21、温度传感器731的数值，通过串口传输给主控制模块700，进行数据分析处理。温度传感器731内嵌于低温采样台14中，实时采集温度值，根据实时数据调节反馈控制采样台14恒低温；液体传感器模组13放置于管路网络重要节点处，由管路流过的不同液体的电导率，判断节点处的流液为生理盐水、空气、混合液或是纯血，由此执行下一步采样操作。颜色传感器组21靠近柱塞泵6一端管路的出样口处，识别该段管路是否因采样异常，导致动物样品抽取过量误入柱塞泵6的进样器中。

组合阀控制模块740主要控制压管阀组12和电磁阀组18、两位三通配管型电磁阀20，压管阀组12位于各管路11网络连接处，根据不同指令阻断或开放该通道的流液，配合不同的柱塞泵6抽取生理盐水、样品、空气等传输到各管路。

采样台控制模块750通过双路驱动器控制步进电机驱动模块，初始旋转一周后，定位采集盘30的原点作采样位A，初次采样结束后，旋转特定角度至采样位B，以此类推完成预设定的采样数目。同时，根据多源传感器采集模块730中温度传感器731的数值反馈，经过PID调节，间歇性启动或停止半导体制冷片751和散热风扇752运行，保持采样台14腔内持续低温工作。

自动报警模块一770根据主控制模块700的数据采集分析，面对管路堵塞、管路泄露、采血失败、柱塞泵运行异常等情况，通过红色指示灯33提示试验人员进行后续处理。

按键模块780主要包括位于全自动样品预处理仪器前挡板5上的紧急停止按钮8、复位按钮9和电源按钮10，手动触发按钮可以在特殊情况下紧急停止仪器的运行，并且对柱塞泵进样器进行复位，排除管路内现有液体，然后清洗仪器全管路，便于开始下一次采样。

信息通讯模块790中MAX3232芯片将TTL电平转换为RS-232电平，与触摸屏RS-232通讯791接口相连，根据触摸屏人机交互界面的不同指令进行解析、执行和回应；通过蓝牙通讯792主要将采样过程中采样组号、样品规格、采样量、采样时间、采样状态、采样失败率、仪器状态等信息传输给给药采样管理子系统，记录实时的实验信息，可供管理人员远程监控。

如图10所示，触摸屏人机交互界面202包括智能控制模块800、采样模式选择模块810、设备运行状态模块820、自动报警模块二830和触摸屏通讯模块840。在动物实验中，研究人员可直接通过仪器触摸屏进行一键式操作，高效便捷地获取所需不同规格的样品集。

智能控制模块800显示的功能按键主要有采样指令801、清洗指令802、停止指令803、复位指令804、定时指令805和定位指令806。

定位指令806执行时，在仪器运行前根据实验方案所需样品集，可选择对应的不同样品孔位340，12孔采集盘310或者16孔采集盘320。同时，在初次采样开始前，控制采集盘30旋转一周，定位原点。

定时指令805执行时，对每个采样点预设置不同的采样时间，可一键启动或暂停所有设置的样品孔位340的采样指令801。在采样过程中，面对不同突发情况，可单独对未采样点执行停止指令803，保证下一个采样点不受其影响。

清洗指令802执行先于采样指令801，清洗全自动样品预处理仪器201所有管路11。执行前，将管路支路一11-1和管路支路一11-12端口放置于生理盐水储存瓶中，管路支路三11-3、管路支路四11-4和管路支路九11-9端口放置于废液瓶中。执行时，采样台14启动并旋转至废液收集位，压管阀二12-2闭合，其余压管阀松开。左柱塞泵6-1切换左阀口，右柱塞泵6-2切换右阀口，分别通过管路支路一11-1和管路支路一11-12抽取满管生理盐水。然后，左柱塞泵6-1切换右阀口，将左进样器19-1中的生理盐水推动至管路支路二11-2、管路支路三11-3和管路支路四11-4，清洗其管壁。同时，右柱塞泵6-2切换左阀口，将右进样器19-2中的生理盐水推动至管路支路六11-6、管路支路七11-7、管路支路八11-8和管路支路十11-10，蠕动泵17将前面管路中的生理盐水排出，流经管路支路九11-9至废液瓶中。之后，左柱塞泵6-1和右柱塞泵6-2切换阀口抽满生理盐水，压管阀一12-1和压管阀四12-4闭合，其余压管阀松开，切换阀口将左进样器19-1和右进样器19-2中的生理盐水推动至除11-3和管路支路四11-4的管路内，蠕动泵17运行将其排出。最后，右柱塞泵6-2切换阀口抽满空气，压管阀一12-1和压管阀五12-5闭合，其余压管阀松开，切换右柱塞泵阀口用空气将管路支路四11-4、管路支路五11-5、管路支路六11-6、管路支路七11-7、管路支路八11-8和管路支路十11-10内壁残余生理盐水排尽，重复三次。

单次清洗指令802执行完，左柱塞泵6-1所连接的管路支路一11-1充满生理盐水、右柱塞泵6-2所连接的管路支路一11-12、管路支路十一11-11充满生理盐水。管路支路二11-2和管路支路三11-3充满生理盐水，采样端口23连接通道装置用于采样准备，同时，管路支路四11-4、管路支路五11-5、管路支路六11-6、管路支路七11-7、管路支路八11-8和管路支路十11-10基本无生理盐水。

当所有采样点完成过后，先执行上述清洗指令802，再将管路支路一11-1和管路支路一11-12端口从生理盐水储存瓶中取出暴露于空气中，管路支路三11-3、管路支路四11-4和管路支路九11-9端口仍放置于废液瓶中，重复执行清洗指令802，排尽全自动样品预处理仪器201所有管路11内残余生理盐水，彻底清除仪器管路11网络使用后的残留污染。

采样指令801执行时，通道装置已完成连接目标动物。首先，压管阀四12-4和压管阀二12-2闭合，其余压管阀松开,左柱塞泵6-1抽取管路支路二11-2和管路支路三11-3的生理盐水，动物样本从采样端口23输入管路网络，通过液体传感器一13-1检测节点流液类型。当检测为纯样品时，左柱塞泵6-1继续抽取一定量液体通过压管阀五12-5，压管阀五12-5闭合，防止管路内的生理盐水污染纯血。接着，压管阀三12-3闭合，压管阀二12-2松开，右柱塞泵6-2开始抽取通路管路支路三11-3、管路支路五11-5、管路支路六11-6和管路支路十11-10的液体，动物样本通过液体传感器二13-2并检测，当检测为纯样品时，右柱塞泵6-2抽取所需样品采集容量并储存在管路支路六11-6中。然后，压管阀二12-2闭合，压管阀三12-3松开，右柱塞泵6-2切换阀口抽取空气将管路支路六11-6中纯血输送至采样台14对应采样管中，压管阀五12-5松开，左柱塞泵6-1抽取部分生理盐水，将管路支路二11-2和管路支路三11-3中混合液回打至动物体内，防止动物因失血过多造成昏厥。接着，压管阀一12-1闭合，剩余压管阀松开，左柱塞泵6-1和右柱塞泵6-2抽取生理盐水，蠕动泵17运行，采样台14旋转至废液收集位，清洗除管路支路三11-3外其余管路。最后，压管阀一12-1和压管阀五12-5闭合，右柱塞泵6-2切换阀口抽取空气3次，蠕动泵17运行，将管路支路四11-4、管路支路五11-5、管路支路六11-6、管路支路七11-7、管路支路八11-8和管路支路十11-10残余生理盐水排出，防止二次采样交叉污染。

停止指令803执行时，左柱塞泵6-1和右柱塞泵6-2停止抽取或推动工作，蠕动泵17停止运行。

复位指令804执行前，通道装置与采样端口23连接断开，采样端口23所在管路支路三11-3与管路支路四11-4、管路支路九11-9端口一起放置于废液瓶中。执行时，采样台14旋转至废液收集位，蠕动泵17运行，压管阀组12全部松开，左柱塞泵6-1和右柱塞泵6-2复位至顶端初始位置，排尽左进样器19-1和右进样器19-2内的所有液体。

采样模式选择模块810主要包括标准模式811、低损耗模式812、手动补液模式813、防堵塞模式814、参数校准模式815。在仪器进行采样指令801前，针对液体传感器流液判断的性能和采样端口连接至目标动物处管路长度作参数校准815处理。当设置标准模式811时，在完成一次采样后，管路中的混合液不回打至目标动物体内，直接排入废液瓶中，防止下一次邻近采样时样品浓度被稀释影响药物分析实验结果；当设置低损耗模式812时，完成采样后将多余预定样品容量的混合液回打至目标动物体内，防止动物因失血过多导致昏厥，影响体内正常生理变化参数。在相邻采样点之间由于设定采样时间间隔过久，目标动物埋管处管路内血液容易凝固，使用防堵塞模式814定时回打肝素化生理盐水提高采样成功率，也可通过手动补液模式813对采样前或结束后的动物进行生理盐水回补，减少实验人员暴露率，缓解实验动物的紧张状态。

设备运行状态模块820包括不同采样点情况指示灯821、元器件工作状态图822、各传感器参数值823。实验人员可自行根据主要元器件工作状态图822抽查单个仪器各元器件实时运行状态，通过各传感器参数值823了解仪器是否正常工作，观察不同采样点情况指示灯821的颜色变化，直观明了采样完成率和成功率。

硬件电路信息通讯模块790与触摸屏通讯模块840通过MODBUS协议通讯，反馈下位机运行状态和各传感器参数值。当出现异常数据时，触发自动报警模块二830由实际情况，提示不同故障信息提示框831，并及时中断采样系统，保证采样过程的安全性和可靠性。

如图11所示，上述智能多微样品预处理平台的预处理方法的步骤如下：

步骤一：在实验动物数字化管控中心400选择实验员模式441登录系统，通过给药采样管理子系统420创建所需的给药采样方案421。在给药模式下，配置供试剂批号、试剂种类、试剂组别、给药供配比、给药设备种类、给药速率、给药时长等基本给药信息；在采样模式下，配置采样设备种类、动物种类、采样组别、采样速率、采样时长等基本采样信息，发送至管理员审核后该方案批准生效。

步骤二：实验员执行审批后的实验方案，需先对采样管进行标签化处理。在标签管理423中，录入给药名称、采样组号、采样日期、采样管规格、动物种类等信息生成电子标签，发送至贴标分管系统，自动进行选管、电子标签打印和粘贴标签。

步骤三：在实验设备管理子系统430中，查询设备使用记录432，选择闲置的医疗仪器所在的实验房进行正式实验。在给药采样界面中，选择实验方案指定行，实验员手持便携式智能读写终端301，靠近实验方案指定类别动物，通过射频解码模块识读生物植入式玻璃管电子标签，录入目标动物的身份信息，条码解码模块记录实验涉及带电子标签的医疗仪器和采样管，将采集信息校验发送至无线接收终端，读写终端的蓝牙主通讯模块透传给接受终端的蓝牙从通讯模块，再由串口转USB模块上传至界面信息栏中。

步骤四：保存并提交新增录入信息，选择给药日期，将设置的给药方案信息，如给药次数、试剂容量、给药速率等发送给医疗注射泵。选择双通道装置，其中一路通道的一端连接目标动物颈动脉肝素化植入式硅胶管，另一端连接全自动样品预处理仪器201采样端口；另一路通道的一端连接目标动物颈静脉肝素化植入式硅胶管，另一端连接注射泵给药端口。启动注射泵输送药剂，待给药操作完成后，可进行下一步操作。

步骤五：选择单通道装置时，可直接进行采样操作。实验员启动全自动样品预处理仪器201，通过触摸屏人机交互界面202先选择参数校准模式815，用于计算采样端口连接至目标动物处管路长度变量参数值。在连接目标动物采样前，先执行清洗指令802清洗全管路。然后，通过定时指令805输入每个采样点时间，定位指令806输入每个采样点对应采样孔位。接着，在标准模式811或低损耗模式812下执行采样指令801完成全自动化采样操作，并低温储存在贴标采样管内。

步骤六：在采样过程中，一位实验员可同时管理多台仪器，通过采样点指示灯821、元器件工作状态图822、各传感器参数值823了解不同设备的运行状态。面对出现的不同突发状况，产生相应报警提示框并点亮红色指示灯，实验员可及时停止仪器处理问题，保证实验安全性和可靠性。

步骤七：通过蓝牙无线传输不同采样点采集情况、采样数目、采样量、采样起始时间、采样结束时间、仪器校准情况、运行报错等信息至给药采样界面，系统将对实时有效数据分析归类与评估，形成实验记录日志426，对后续药理数据处理可追溯化；

步骤八：在实验动物数字化管控中心400选择管理员模式441登录系统，管理员可远程监控不同实验室动物实验进展情况，对动物管理与使用、实验设备运行与维护进行线上巡查，极大提高了管理效率。

综上，本发明实现了动物试验全自动化智能采样与生物信息流数字化高效传输，改善了样本采集的精确性和可靠性，提高了采样的成功率和精准度。一员管多人与一员对多机的分级管控模式，增加了研究药物代谢和药代动力研究团队的生产力，减少了人员在动物实验中的暴露率，降低了采样时对动物造成的紧张感，缩短核验实验动物电子信息档案，解决了实时生物信息数据流可溯源的难题。