摘要：在循环肿瘤细胞等细胞分选采样系统中，压力需要精确控制在标准大气压附近的小正负压范围内，对控制方法、气流调节阀、压力传感器和控制器提出了更高的要求。针对这些技术问题，本文将提出高精度正负压精密控制解决方案，并详细介绍软硬件的控制方法和功能和技术指标，从而实现0.控制精度的5%。
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一、提出问题
循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cells，CTC）分选被认为是癌症诊断和预后的有效工具，要求相应的检测装置在没有任何人工干预的情况下自动、快速、敏感地执行所有实验过程。对于一些基于压力驱动液体流动原理的进样系统，需要精确控制气体压力， 气压供应装置需要提供正压和负压，以确保进样过程中流量稳定，实现自动反馈调节，使检测装置中的泵和阀门运动。但在目前的CTC在检测装置进样系统中，气压的精确控制仍存在以下问题：
（1）现有气压供应装置不能提供小气压，往往导致泵膜损坏，现有气压供应装置不能提供常压，使泵膜在检测过程中不能回到平坦状态，造成细胞损伤，因此需要能够提供微气压和常压到检测装置的气压供应装置。为解决这一问题，专利为微流道芯片提供正压、负压或常压CN 216499436U气压供应装置提出了一个非常复杂的概念解决方案，将标称正压气体的压力调整到 1～6psi，将负压气体的压力调整到1～6psi，正负压微调节阀可以精确到±0 .01psi。但这些指标正是微压调节阀的关键，如果没有达到这一技术指标的调节阀，则根本无法实现。
(2)上海理工大学王固兵等人在2020年发表的《基于气压驱动的循环肿瘤细胞分选采样系统的设计与实现》一文中提出了一种采用德国的方法tecno PS120000 比例电磁阀的技术方案。但这种工业比例阀主要用于高压气体的压力控制，直径大，控制精度显然不能满足小正负压的精确控制，不能外接高精度压力传感器来提高控制精度，不能实现压力输出精度为1mbar（0.015psi）与1相比，指标bar大气压相当于达到0.1%的控制精度显然不切实际。
从上述报道可以看出，细胞分选进样系统的压力控制需要在一个标准大气压附近很小的正负压范围对真空压力进行精密控制，这就对控制方法、气体流量调节阀、压力传感器和控制器提出了更高的要求。针对这些技术问题，本文将提出高精度正负压精密控制解决方案，并详细介绍软硬件的控制方法和功能和技术指标，从而实现0.控制精度的5%。
二、解决方案
本文提出的解决方案是在标准大气压附近实现±10psi（或±700mbar）正负压精确控制范围内，控制精度达到0.5%。也就是说，结合高精度步进电机和微流量电针阀、高精度压力传感器和双通道，提供可控气压源解决方案PID控制器，气压源可进行高精度的正压、负压和一个大气压的可编程输出。
微正负压精密控制的基本原理如图1所示：
(1)基于封闭空腔进气和出气的动态平衡的动态平衡。这是一个典型的闭环控制电路，2通道PID控制器采集真空压力传感器信号，与设定值进行比较，然后调整进气和抽气调节阀的开度，最终使传感器测量值等于设定值，实现真空压力的准确控制。
(2)控制电路分别配备泵(负压源)和气源(正压源)，以提供足够的负压和正压能力。
(3)覆盖负压到正压所需的真空压力范围(如-10)psi至 10psi），配备测试范围内的高精度绝对压力传感器，绝对压力传感器对应上述真空压力范围输出值的直流模拟信号（如0~10VDC）。输入此模拟信号PID控制器，由PID控制器调整进气阀和排气阀的开度，实现精确的压力控制。绝对压力传感器的优点是不受当地大气压变化的影响，不需要气压修正，可以保证测试的准确性和重复性。
（4）当控制从负压变为正压时，初始进气调节阀开度（进气流量）远小于抽气调节阀开度（抽气流量），通过自动调节进出气流达到不同的平衡状态，实现不同的负压控制。最终进气调节阀的开度内一系列设定点或斜线的连续精密控制。从正压到负压的变化控制正好相反。
三、方案的具体内容
小正负压力发生器的具体结构如图2所示，主要包括高压气源、电针阀、封闭腔、压力传感器、高精度PID控制器和泵。
在图2所示的微小正负压控制系统中，密闭空腔上的工作压力出口连接检测仪器，密闭空腔左右安装两个NCNV该系列步进电机电动针阀是正负压调节阀，绝对真空压力范围为0.0001mbar~7bar，最大流量为40mL/min，步进电机单步长12.7微米，能完全满足小空腔正负压的精确控制。
在图2所示的控制系统中，两个电针阀用于准确控制任何正负压设定点，从正压到负压的压力线性变化控制，或从负压到正压的压力线性变化控制。
循环肿瘤细胞（CTCs）检测仪器进样系统中的微小正负压控制，要求是在标准大气压附近的真空压力精确控制，如控制精度为±0.5%甚至更小，通常需要调整抽气阀的双向动态模式，即通过双通道PID电动针阀的开度基本不变，用于恒定进气口的控制器，另一个通道依据PID调节排气口电针阀开度的算法。
除上述恒定进气流量调节抽气流量的控制方法外，循环肿瘤细胞（CTCs）微正负压的控制精度主要由压力传感器控制，PID控制器和电针阀的精度决定。本方案中的PID控制器采用24位AD和16位的DA，电针阀是一种高精度步进电机，因此该解决方案的测试精度主要取决于压力传感器的精度，通常至少为0.压力传感器精度为1%。
对于进样系统中的小压力控制，封闭容器往往需要在正负压范围内进行多次往复变化，因此可以存储多个编辑程序PID控制器是由多个折线段组成的曲线，可以实现正负压往复变化的自动程序控制。
在本文中提到的解决方案中，为了实现正负压的精确控制，如图2所示，为负压的形成配置了泵。泵相当于负压源，但真空发生器也可以达到负压源的效果。真空发生器的优点是，整个系统只配备高压气源，降低了整个系统的成本、体积和重量。真空发生器可以通过连接高压气源来达到相同的泵送效果。
四、总结
本文所述的解决方案可以完全实现循环肿瘤细胞（CTCs）检测仪器进样系统中任意设定点和连续程序形式的精确控制，可实现高控制精度和速度，全过程自动化。
除了微正负压的自动精密控制外，该方案的另一个特点是系统简单，正负压控制范围也可以相对较宽。整个系统小、集成，便于形成小型检测仪器。
本文解决方案技术成熟度高，涉及电针阀和PID控制器是上海依阳工业有限公司独特的标准产品，其他压力传感器、泵、真空发生器、高压气源也是市场上常见的标准产品。
本文所述的解决方案也适用于其他基于气压驱动的微流控进样系统。