非接觸式微量加樣方法研究

肖亞男,周哲海,2,郭陽寬,2,賀 慶,2,祝連慶,2

(1.北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，北京 100192； 2.生物醫學檢測技術及儀器北京實驗室，北京 100192)

非接觸式微量加樣方法研究

肖亞男1,周哲海1,2,郭陽寬1,2,賀 慶1,2,祝連慶1,2

(1.北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，北京 100192； 2.生物醫學檢測技術及儀器北京實驗室，北京 100192)

加樣方法是影響加樣精度的關鍵因素之一。非接觸式加樣已經成為當前微量生物試劑加樣技術的主要發展方向。理論分析了加樣量與步進電機加速度之間的關系，并基于SF-8000全自動凝血分析儀的微量加樣系統，設計了步進電機的微步控制模塊。通過試驗驗證分析，探討了一種可應用于該系統的非接觸式微量加樣方法。介紹了加樣系統的結構及工作原理，并從理論上分析了非接觸式加樣中的最少加樣量；搭建了試驗系統，并在不同加樣加速度的情況下對分液量進行收集稱重，獲得了加速度與加樣量的關系。試驗結果表明，在上位機確定加樣量的前提下，當加速度為1 000 step/s2時，加樣量波動最小，重復性CV為2.071%，滿足應用要求。該方法還可應用于其他生物醫療儀器的非接觸式微量自動加樣設計中。

上位機； 加樣系統； 微步控制； 加速度； 加樣量； 重復性

0 引言

微量加樣系統是凝血分析儀等全自動臨床分析儀器的重要組成部分。加樣精度將直接影響后續檢測結果的準確性[1]。

試劑分配方法可分為接觸式和非接觸式兩種[2]。接觸式加樣存在交叉污染，需對針頭反復沖洗，降低了加樣效率[3]。非接觸式加樣避免了針頭污染，提高了加樣效率，是目前微量生物試劑分配技術發展的主要方向[4]。但目前關于全自動凝血分析儀非接觸式微量加樣方法的研究還較少。本文基于SF-8000的全自動凝血分析儀，對加樣量質量和加速度的關系作了理論分析。通過不同的加速度控制加樣量，并進行了大量的試驗驗證。試驗得出了該系統在滿足分液量為一滴試劑前提下的最優加速度。通過大量重復性試驗，最終得到了實際分液量[5-7]。

1 加樣原理

基于SF-8000的全自動凝血分析儀,構建了如圖1所示的非接觸式加樣系統。系統主要由計算機、控制電路、步進電機、傳送皮帶、微量注射器、毛細軟管、加樣針頭、測試杯等部分組成。計算機向控制電路發送信號，控制步進電機的行程，通過傳送皮帶帶動活塞上下運動，并配合使用內直徑為0.5 mm的平頭加樣針進行吸液/分液。

圖1 非接觸式加樣系統結構圖

為避免系統液與試劑混合，采用氣動置換的方式隔離兩種液體[8]。針頭處液體與氣體分布如圖2所示。

圖2 針頭處液體與氣體分布圖

在無外力作用下，系統液、氣泡以及試劑在垂直方向上保持平衡；當活塞以恒定加速度向上運動時，液滴將受力滴落[9]。對試劑樣本進行如下受力分析。

假設管中氣體的壓強為P、試劑密度為ρa、管壁面積為S、重力常數為g、試劑與管壁之間單位長度上的黏性力為f1、外界壓強為Pa。當液滴處于平衡狀態時，試劑受到氣泡向下的壓力、系統液重力、向上大氣壓強和試劑黏性力的共同作用，有:

PS+ρaSgHa=Haf1+PaS

(1)

由于試劑的黏性力較小，當忽略黏性力的作用時，活塞運動的加速度、速度與試劑滴落的加速、速度大小相同、方向相反，則有：

(2)

(3)

式中：ΔHa為試劑下落的長度，即分液量。

由式(2)、式(3)可知，試劑分液量和加速度的大小有關，合理地選定電機加速度將直接影響分液質量和精度。

2 系統搭建

試驗系統由運動控制模塊、加樣步進電機以及注射器組成，其硬件結構如圖3所示。

圖3 系統硬件結構框圖

STM32主控芯片與上位機采用USB通信，接收上位機的加樣量指令；通過SPI接口向L6470步進電機驅動控制芯片發布調速、定位等運動控制指令，并能實時反饋電機位置、運行狀態等信息；通過控制電機的正反轉動作，進行注射器活塞的吸液/分液操作。

3 試驗及數據分析

為了精確找出加樣量與加速度的關系，進行以下試驗及數據分析。首先，利用上位機給出固定的加樣量，通過改變加速度的大小，得到該固定加樣量的分液量；其次，在相同的加速度下，適當改變加樣量所對應的微步數，得到其分液量的誤差的大小；最后，利用上海精密科學儀器公司的微量分析天平TG332A，對分液質量精確稱重，得到分液量的誤差。該微量分析天平最大載荷為20 g，分度值為0.01 mg。不同加速度對應分液量的誤差數如表1所示。由表1可知，在同一加樣量情況下，當加速度為800 step/s2時，試劑由于受力不足以克服試劑與針頭內壁的摩擦力以及液體分子間的引力而無法完全滴落；當加速度為1 500 step/s2時，試劑由于受力過大而導致試劑噴出，且每次噴出的質量不固定，重復性較差；當加速度為1 000 step/s2、脈沖數為2 570微步時，分液量質量的最小誤差為5%。利用微量分析天平，對三種不同加速度情況下的每次分液量進行稱重，得到300組分液量質量與加速度的關系，其加速度分別為1 500 step/s2、1 000 step/s2、800 step/s2。通過分析對比可知，當加速度為1 000 step/s2時，分液量的質量波動最小，因此可確定為最優加速度。

表1 不同加速度對應分液量的誤差

測量誤差概率分布如圖4所示。由圖4可知，誤差分布基本滿足正態分布。

圖4 測量誤差概率分布圖

利用如下公式，對300組測量數據進行計算：

(4)

(5)

(6)

式中：每滴液體的質量均值為18.50 mg；標準差為±0.50 mg；重復性CV為2.701%。

由上述計算結果可知，質量離散程度較小。試驗結果表明，該控制加樣方式滿足設計要求[10]。

4 結束語

本文基于全自動凝血分析儀，研究了一種非接觸式微量加樣方法。結合步進電機運動控制對加樣條件進行了探討，得出了在加樣量一定情況下的最優加速度。該方法不僅能夠最大限度地減少交叉污染、提高檢測效率，同時也能在最優加速度下，滿足檢測過程中所需要試劑的加樣量。試驗證明，該加樣法具有結構簡單、精確度高、重復性好等優點，可廣泛應用于全自動臨床分析儀器中非接觸式的微量加樣。

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[10]衛生部.衛生部關于印發出、凝血時間檢驗方法操作規程的通知[Z].2000.

Study on the Methods of Noncontact Microscale Pipetting

XIAO Yanan1,ZHOU Zhehai1,2,GUO Yangkuan1,2,HE Qing1,2,ZHU Lianqing1,2

(1.Beijing Key Laboratory of Photoelectric Testing Technology,Beijing Information Science & Technology University,Beijing 100192,China;2.Biomedical Detection Technology and Instrument Laboratory in Beijing,Beijing 100192,China)

The method of pipetting is one of the critical factors influencing the accuracy of pipetting,while noncontact pipetting has become the main developing direction of microscale biological reagent pipetting technology.The relationship between the pipetting volume and the acceleration of the stepping motor is analyzed theoretically;and the micro step control module is designed based on the microscale pipetting system of SF-8000 fully automated blood coagulation analyzer.Through experimental verification analysis,the noncontact microscale pipetting method which can be used in this system is investigated.The structure and operational principle of the pipetting system are introduced;and the minimum pipetting volume in noncontact pipetting is analyzed theoretically,the test system is setup,and under different pipetting acceleration,the pipetting volume is collected and weighted,thus the relationship between acceleration and pipetting volume is obtained,The test results show that under the pipetting volume determined by the host computer,when the acceleration is 1 000 step/s2,the fluctuation of pipetting volume is minimized,and the repeatability ofCVis 2.071%,which meets the requirement of application.The method also can be applied for designing noncontact auto microscale pipetting in other biological medical instruments.

Host computer； Pipetting system； Micro-stepping control； Acceleration； Pipetting volume； Repeatability

長江學者和創新團隊發展計劃基金資助項目(IRT1212)、北京市屬高等學校創新團隊建設與教師職業發展計劃基金資助項目(IDHT20130518)

肖亞男(1990—)，女，在讀碩士研究生，主要從事生物醫學檢測技術與儀器方向的研究。E-mail:13121667372@163.com。 周哲海(通信作者)，男，博士，副教授，主要從事光電檢測技術、生物醫學檢測技術及儀器方向的研究。 E-mail:zhouzhehai@bistu.edu.cn。

TH773;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703021

修改稿收到日期：2016-10-17