生物芯片广泛应用于医疗、基因治疗、病毒检测等领域,生物医疗研究者利用生物芯片作为实验载体,进行各种药物、疾病的研究。生物芯片点样仪专门用于制备生物芯片,目前国内的生物芯片点样仪的制备效率低、精度差,不符合生物芯片的产能、功能需求,需要研发一种能够实现连续点样、高精度的生物芯片点样仪。本文的研究来源于广州一家企业的产学研合作,设计了一种新型的柱塞式点样头和相应的柱塞式点样仪的产品结构,对影响点样仪性能的几项关键技术进行了研究,如点样仪内部管道液体流场的仿真计算分析、点样仪控制系统的设计等。论文主要包括内容如下:在对传统生物芯片生产设备的不连续性、低速等问题进行分析的基础上,设计了一种新型的柱塞式生物芯片点样头,实现了柱塞式点样头及其点样仪的产品设计方案。借助Matlab软件对点样头的转子外表面进行参数化优化设计,采用五次函数方程曲线以实现点样头工作时柱塞形成的密封腔容积规律变化。点样头其他结构参考径向柱塞泵的结构特征,把传统配流轴和分流部分改为套筒设计,称之为配流盘和分流盘,通过二者的往复运动使吸液、分液动作分离。一个点样头内部设计有四个柱塞,在柱塞底端安装液控单向阀来进行液体流向的控制,保证不断地从外接的储液罐中吸取生物液体。柱塞式点样头消除传统生物芯片点样仪不连续性的问题。本文研制的生物芯片点样仪要求每个生物芯片的点样量为0.2μl,精度要求很高。在生物芯片点样头内部,生物液体流经不同类型和截面的管道,因为生物液体的粘度、压力、微细管道等多种因素,影响生物芯片的点样精度。借助有限元软件Fluent流场分析对柱塞式生物芯片点样头的内流场进行分析计算,使柱塞容积变化产生的吸液、分液误差值满足点样精度要求。每份生物芯片含有1024个芯片,按照32行32列均匀排列,因此对点样头的运动控制精度要求较高。论文设计了柱塞式生物芯片点样仪的运动机构和控制系统,一个点样仪采用8个点样头的并行组合,在生产过程中实时估计和优化组合点样头可能出现的定位误差,通过建立无迹卡尔曼滤波数学模型,运用Matlab分析软件对该数学模型进行对比数值仿真分析,取得良好的估计和优化效果。本文的研究成果已经申请发明专利,并应用于合作企业,生产出来了第一代样机,各项性能指标较好,基本实现了企业的要求,对企业进一步研制生物芯片点样仪产品具有实际应用价值。