林子欣，宗望遠,2，楊 方,2，汪方奎

（1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院，湖北武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點試驗室，湖北武漢 430070；3.農(nóng)業(yè)微生物學國家重點實驗室，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設(shè)計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)實驗來確認微生物的進化、細胞生物學和生態(tài)功能等方面的推論仍非常重要[2]。在對微生物進行研究時，通常需要以培養(yǎng)基作為基礎(chǔ)培養(yǎng)環(huán)境[3-5]。因此，研制可擴展的模塊化液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)具有重要意義。

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

鑒于國內(nèi)外缺乏對具有完整流程的液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)的研究，遂參考自動化溶液制備與分配系統(tǒng)、自動移液系統(tǒng)等來開展相關(guān)研究。Aye等[12]設(shè)計了一套自動液體混合灌裝機系統(tǒng)，可實現(xiàn)2種液體（果汁和水）的自動混合和罐裝。謝志豪等[13]研制了一套數(shù)字化移液工作站，可實現(xiàn)自動移液和滴定，克服了手動重復性移液的問題，有效地提高了工作效率。Wu等[14]設(shè)計了一種基于空氣置換原理的具有八通道移液臂的自動化液體處理系統(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。劉國平等[15]設(shè)計了一種適用于熱室工作環(huán)境的自動取樣裝置，可對帶蓋瓶裝放射性液體進行精準定量取樣和準確稱重，該裝置的取樣精度可達0.5%。劉亞欣等[16]開發(fā)了具有自適應調(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，微機電系統(tǒng)）流量傳感器，其重復性誤差小于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)，大大減少了對操作人員的輻射，其分配精度可達5.4%。David等[18]研發(fā)了一套用于淋巴細胞免疫表型護理點診斷的超高通量樣品制備系統(tǒng)，其通量可達20 mL/min，這為大型稀釋樣品的微流體診斷提供了一種實用而強大的方法。上述研究均可為液體培養(yǎng)基自動制備系統(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)基自動制備系統(tǒng)組分多變、各環(huán)節(jié)連續(xù)的要求。

針對人工制備培養(yǎng)基的效率低、操作復雜、勞動強度大和準確性差等問題，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）和PLC（下位機）為核心，采用RS485和以太網(wǎng)組合的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，并對各執(zhí)行設(shè)備進行實時監(jiān)控，可實現(xiàn)基于培養(yǎng)基配方的組分全自動選擇和配比，在線pH監(jiān)控和溶解氧（dissolved oxygen，DO）監(jiān)測，以及全自動清洗、混勻、過濾和分裝，完成液體培養(yǎng)基的自動制備，同時采用可視化界面控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全流程可回溯、可存儲。

1 液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)方案設(shè)計

液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)的設(shè)計目標為：1）功能需求?？蓮幕衔镪嚵兄羞x擇多種（最多30種）化合物且可擴展，按照培養(yǎng)基配方泵入預混區(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)基儲存瓶中；預混區(qū)可進行pH監(jiān)控和DO監(jiān)測。2）性能需求。參考移液器相關(guān)性能標準，當移取液體在10 mL以下時，相對誤差為0.8%，重復性誤差為0.3%；當移取液體在10 mL以上時，其相對誤差為0.6%，重復性誤差為0.3%。3）軟件要求?？刂栖浖舷到y(tǒng)功能需求，人機交互界面友好。

1.1 工藝流程設(shè)計

基于對人工制備液體培養(yǎng)基的一般步驟[19]以及整個自動制備系統(tǒng)功能需求的分析，考慮到人工制備時需要對原料進行稱量和溶解，而自動化設(shè)備在配備微小固體時的精度難以控制且操作復雜，遂預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)計液體培養(yǎng)基自 動制備的工藝流程如圖1所示。

圖1 液體培養(yǎng)基自動制備系統(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)基自動制備系統(tǒng)可分為化合物存儲區(qū)、移取區(qū)、混合調(diào)節(jié)區(qū)和分裝區(qū)。其中：化合物存儲區(qū)分為4個區(qū)域（圖中僅詳細顯示了其中一個區(qū)域），每個區(qū)域均分為A、B、C三個子區(qū)域，每個子區(qū)域可存放3種不同的化合物原液，同時配備3種清洗液，共計可支持存儲36種不同的化合物原液且可擴展；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)實現(xiàn)對混合罐中液體的實時混勻以及pH和DO的監(jiān)測，待完成全部所需化合物原液的移取后，由蠕動泵轉(zhuǎn)移酸液或堿液并進行pH滴定，實現(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

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

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

1）動作與感知層。該層主要包括進料子系統(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，通過使用RS485通信和有線通信的方式，實時向上位機傳輸現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)并執(zhí)行上位機下發(fā)的操作指令。

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

3）應用層。MCGS觸摸屏實時顯示和存儲各執(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，可實現(xiàn)人為下發(fā)執(zhí)行設(shè)備的控制指令。

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

2.1 硬件平臺搭建

液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)的進料子系統(tǒng)、出料子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)既可協(xié)同運行，也可單獨運行。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)基自動制備系統(tǒng)共有4個進料子系統(tǒng)，分別由4臺PLC控制。其中：1#、2#、4#進料子系統(tǒng)各由9個1 L原液瓶、9個5 L清洗液瓶、4個八通道切換閥、2個20 mL立式注射泵和1個高壓閥組成，用于實現(xiàn)對化合物原液的移取和管道的清洗；3#進料子系統(tǒng)采用2個定制的50 mL立式注射泵代替20 mL立式注射泵，以便實現(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個混合罐、4個磁力攪拌器和8個出料裝置（由2個八通道切換閥、2個20 mL立式注射泵和1個高壓閥組成）。同時，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)測與自動控制系統(tǒng)、4套DO在線監(jiān)測系統(tǒng)以及2個蠕動泵。出料子系統(tǒng)可實現(xiàn)對混合罐中液體的攪拌、pH在線監(jiān)控和DO在線監(jiān)測以及成品培養(yǎng)基的分裝儲存。

3）控制子系統(tǒng)。

控制子系統(tǒng)由PLC、MCGS觸摸屏、交換機及繼電器等組成。PLC主要負責與觸摸屏通信以及控制繼電器的觸點和各執(zhí)行設(shè)備，其具體型號根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)、I/O（input/output，輸入/輸出）點數(shù)、參考精度和經(jīng)濟性進行選擇[23]。鑒于本文系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方式，為方便PLC對各執(zhí)行設(shè)備的控制以及數(shù)據(jù)采集，整個系統(tǒng)采用5臺PLC分別控制4個送料子系統(tǒng)和1個出料子系統(tǒng)，同時該系統(tǒng)還需控制5個高壓閥和2個蠕動泵，故選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200 SMART SR30 PLC。該系列PLC共有18個輸入口和12個輸出口，并集成了1個以太網(wǎng)通信端口和1個RS485接口，滿足使用要求。

人機交互界面選用深圳昆侖通態(tài)科技有限責任公司生產(chǎn)的型號為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，該觸摸屏還裝配了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運行版），可用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、檢測、控制與處理[24]。

2.2 PLC控制程序設(shè)計

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

1）進料子系統(tǒng)程序。

進料子系統(tǒng)的自動控制流程如圖3所示：當完成初始化后，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 進料子系統(tǒng)自動控制流程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算這2個子程序塊，基于所設(shè)置的原液移取總量、存儲瓶單次存儲液量和混合罐設(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)基分裝至儲存瓶的工作，其自動控制流程如圖4所示。

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

2.3 人機交互界面設(shè)計

MCGS觸摸屏的主要功能界面包括主界面、工作記錄界面、報表瀏覽界面、趨勢瀏覽界面、手動操作界面和參數(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間以及各子系統(tǒng)的工作時間；報表瀏覽界面以表格的形式顯示pH和DO的相關(guān)數(shù)據(jù)；趨勢瀏覽界面用于以曲線形式顯示pH和DO數(shù)據(jù)；手動操作界面用于對系統(tǒng)中各執(zhí)行設(shè)備進行手動操作；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)鍵運行參數(shù)；配方管理界面用于預先存儲不同的培養(yǎng)基配方，有需要時可直接調(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)基自動制備系統(tǒng)測試與分析

為了檢驗所設(shè)計液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、合理性以及可行性，對其進行測試，以檢測各功能模塊的運行狀況，并結(jié)合實際情況對相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整。對系統(tǒng)的測試分為3個部分：系統(tǒng)性能測試及誤差修正；pH監(jiān)控和DO監(jiān)測測試；液體培養(yǎng)基制備測試。

于2021年5—7月在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)微生物學國家重點實驗室內(nèi)開展液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)測試，測試現(xiàn)場如圖6所示。

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

3.1 系統(tǒng)性能測試

參考移液器校準的相關(guān)規(guī)定對液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)的性能進行測試，相關(guān)標準和規(guī)范為JJG 646—2006[25]和 ISO 8655：2002[26-27]。所測試系統(tǒng)中的移液設(shè)備為20，50 mL立式注射泵，遂選取稱重法進行測試。采用電子天平（型號為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)）進行質(zhì)量測定。同時，為了避免環(huán)境因素對測試結(jié)果造成影響，保證測試試驗在穩(wěn)定環(huán)境下的無風房間中進行，溫度（25℃±0.5℃）和相對濕度（50%±5%）保持穩(wěn)定。采用相對誤差E和重復性誤差S這2個指標來衡量系統(tǒng)的移液性能，其計算式分別為：

式中：V為目標移液體積，mL；為多次測量所得實際移液體積的算術(shù)平均值，mL；σ為移液體積的標準偏差。

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

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為對象，采用自動控制的方式對其性能進行測試。綜合1#進料子系統(tǒng)中注射泵1-ZB1的量程，選取5種移液體積（1，5，10，15，20 mL）分別進行測試，每種移液體積均重復5次，結(jié)果取5次測試結(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。將測試結(jié)果（表3）與ISO 8655：2002中規(guī)定的允許誤差進行對比，以驗證所測系統(tǒng)的性能。

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

由表3可知，當系統(tǒng)的移液體積在10 mL以下時，其誤差較大，不滿足國際標準的要求，這主要是因為存在注射泵移液誤差和系統(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，觀察到在測試時系統(tǒng)中各執(zhí)行設(shè)備在移液過程中進行順序動作時，有2次管路中會進入多余待移取液體，推測其為造成系統(tǒng)移液誤差的主要原因。因此，為了減小系統(tǒng)的誤差，使其滿足標準要求，考慮從2個方面入手進行修正：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移液環(huán)節(jié)進行修正。

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，則會導致成本提高。故本文選擇采用誤差修正的方式對系統(tǒng)進行修正，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#進料子系統(tǒng)中的注射泵1-ZB1為對象，通過對注射泵在不同移液體積下進行多次移液操作后的誤差進行比對分析，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）分別進行測量，每種移液體積重復10次，結(jié)果取10次的算術(shù)平均值，同樣采用電子天平進行質(zhì)量測定。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，注射泵在移液時存在固定誤差，為0.022 mL左右，推測是由注射泵存在的固定機械誤差造成的。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，導致系統(tǒng)移液誤差大。在分析整個系統(tǒng)的管路連接結(jié)構(gòu)后，推測管路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，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)計試驗來探究高度差和管路體積對系統(tǒng)移液誤差的影響，以系統(tǒng)移液誤差為指標進行評價。系統(tǒng)移液誤差A、B為多次測量后管路A、B實際被壓入液體體積的算術(shù)平均值，其計算式如下：

式中：EA、EB為系統(tǒng)移液誤差A、B，mL；n為測量次數(shù)；V3i為管路A實際被壓入的液體體積，mL；V0i為移液前原液瓶實際損失的液體體積，mL；V4i為管路B實際被壓入的液體體積，mL；V2i為原液瓶最終實際損失的液體體積，mL；V1i為移液后原液瓶實際損失的液體體積，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。選取1#進料子系統(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為對象，按照系統(tǒng)自動運行時移液的完整流程，采用手動控制方式進行測試。通過在原液瓶1-A1下方放置電子天平來測量原液瓶損失液體的質(zhì)量，并計算得到其體積。各因素各水平的試驗均重復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，可在同組試驗中同步測量。

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，通過改變原液瓶的液面高度來改變高度差，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，每個水平均重復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、B均隨高度差的增大而增大。這是因為當高度差增大時，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，從而導致多余的液體進入管路。

2）管路體積對系統(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，每個水平均重復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、B均隨管路體積的增大而增大。這是因為當高度差不變時，外部壓力恒定，但隨著管路體積的增大，管路內(nèi)壓強減小，為平衡壓差，通過壓縮空氣來增大壓強，從而導致多余的液體進入管路。

3）2種因素對系統(tǒng)移液誤差的復合影響。

根據(jù)單因素試驗結(jié)果可知，高度差和管路體積對系統(tǒng)移液誤差均有明顯的影響。為研究這2個影響因素的交互作用對系統(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，開展中心復合試驗。

媒體融合背景下，無論是傳統(tǒng)媒體還是網(wǎng)絡傳媒，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用能夠促進視頻、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道民眾真正關(guān)心的社會問題。一方面，全媒體記者可以利用網(wǎng)絡提高信息搜集、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，采編播報更符合受眾心理預期的社會新聞。

在單因素試驗的基礎(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)計二因素三水平中心復合試驗，其因素水平如表4所示。所設(shè)計的中心復合試驗共含有13組，試驗結(jié)果如表5所示。

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

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

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

表6 系統(tǒng)移液誤差中心復合試驗結(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VA、HA的P值均小于0.01，表明VA、HA對EA的影響極為顯著，VAHA項的P值小于0.05，表明VAHA對EA的影響也顯著，而回歸項VA2、HA2的P值分別為0.285和0.254，均大于0.05，表明VA2、HA2對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。同理對系統(tǒng)移液誤差EB的回歸模型進行分析可得，其總體上也是有效的。剔除對2個回歸模型影響不顯著的回歸項后，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，可對系統(tǒng)移液誤差進行修正。系統(tǒng)移液誤差A、B均與管路體積和高度差有關(guān)，但在實際運行中系統(tǒng)的管路長度是定值，即管路體積已確定，僅高度差會發(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，在修正時應為負值。系統(tǒng)移液誤差EA和EB的加和值即為1#進料子系統(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發(fā)生變化，遂取中間值-0.033 0 mL為1#進料子系統(tǒng)的移液誤差修正量。

3.2.3 系統(tǒng)誤差修正及測試

根據(jù)上述試驗結(jié)果可知，液體培養(yǎng)基自動制備系統(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1#進料子系統(tǒng)的注射泵1-ZB1進行測試，并將測試結(jié)果（表7）與ISO 8655：2002中規(guī)定的允許誤差進行對比。分析表7可知，系統(tǒng)經(jīng)誤差修正后，在移取5 mL液體時，其相對誤差減小了0.32%，滿足標準要求；在移取10，15，20 mL液體時，其相對誤差分別減小了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，不滿足國際標準，可采取稀釋原液的方法增加移取量。

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

液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)中其他子系統(tǒng)的移液設(shè)備也同樣需要進行性能測試及系統(tǒng)誤差修正。對于各進料子系統(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其移液誤差的影響，可直接采用上述結(jié)果，只需對注射泵的移液性能進行測試，測試方法同1#進料子系統(tǒng)的注射泵1-ZB1；對于出料子系統(tǒng)，由于混合罐放置在各個執(zhí)行設(shè)備的下方，除對其注射泵進行測試外，還需要探究高度差和管路體積對其移液誤差的影響，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行測試。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，可滿足國際標準；量程為50 mL的注射泵移取的液體體積在10 mL以上時，可滿足國際標準。因此，在實際制備液體培養(yǎng)基時，用20 mL注射泵移取原液時，單次移取體積應大于5 mL；用50 mL注射泵移取原液時，單次移取體積應大于10 mL。

表8 液體培養(yǎng)基自動制備系統(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)測測試

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pH和DO電極進行校準，而后將其放入標準溶液中進行測量。然后，對pH控制部分進行測試，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。為了測試液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)的pH控制功能，在設(shè)定不同pH的情況下，對混合罐中的pH進行調(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，分別進行測試。在測試前，先調(diào)節(jié)蠕動泵，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所示的測試結(jié)果可知，各個混合罐中pH的最大測量誤差為±0.04，DO的最大測量誤差為±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)測測試結(jié)果Table 9 PH monitoring and DO monitoring test results

3.4 M9基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基制備測試

完成液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試后，前期以去離子水代替各種化合物原液進行了大量試驗，對其進行了移液性能測試和誤差修正，并對其pH監(jiān)控和DO監(jiān)測性能進行了測試。為了進一步驗證系統(tǒng)的性能，用化合物原液進行實際培養(yǎng)基的制備測試。以制備M9基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基為例進行測試，用液體培養(yǎng)基自動制備系統(tǒng)配制培養(yǎng)基時，需先將各化合物原料按原量的一定倍數(shù)進行稱量，配制成化合物原液，然后每次配制培養(yǎng)基時，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)定好各項參數(shù)后，使系統(tǒng)自動運行，在1#進料子系統(tǒng)和3#進料子系統(tǒng)向1#混合罐送料的管路出口，用測試杯分別盛接各組分溶液并稱重測量，重復5次取其算術(shù)平均值，然后與設(shè)定值對比分析；將管路接回1#混合罐，設(shè)定好各項參數(shù)，使系統(tǒng)自動完成制備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，對其稱重測量，重復8次取其算術(shù)平均值并與設(shè)定值對比分析，測量均采用電子天平進行。各組分溶液移取測試和M9基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基分裝測試結(jié)果分別如表11和表12所示，將其與國際標準對比后可知，系統(tǒng)性能滿足要求。

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

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

4 討 論

本文針對液體培養(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)基自動制備系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于培養(yǎng)基配方的組分全自動選擇和配比，以及培養(yǎng)基pH調(diào)節(jié)、分裝的全自動運行，同時還可對培養(yǎng)基的參數(shù)（pH、DO）進行監(jiān)測。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個因素，通過中心復合試驗確定了系統(tǒng)移液誤差修正量。經(jīng)實際修正和測試，所設(shè)計系統(tǒng)制備液體培養(yǎng)基的相對誤差在0.336%以下，重復性誤差在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，且操作簡易方便，簡化了日常管理以及維護工作，有效地提高了工作效率和降低了勞動強度，能夠為微生物分選與培養(yǎng)系統(tǒng)所需的規(guī)?；囵B(yǎng)基制備提供支撐，以及為全流程自動化的液體培養(yǎng)基制備系統(tǒng)研究提供一定的參考價值。但該系統(tǒng)在智能控制方面仍有改進空間，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，以增強系統(tǒng)的智能性，從而進一步提高系統(tǒng)的性能。