小型酶免分析儀的設計與實現

周昕宇　尚志武

摘 要 針對現我國大部分醫用生化檢測裝置是大型生化分析儀而小型生化檢測裝置還未普及的情況，通過儀器機構創新設計使得檢測裝置在保證檢測精度前提下盡可能縮減體積成本。整機包括移液與試劑條模塊、吸排模塊、溫度自保持模塊、光電檢測模塊。

關鍵詞 酶免分析 光電檢測 結構設計 自動化

0引言

小型酶免分析儀是一種生化分析儀，最初是根據免疫酶技術發展興起的。在上世紀七十年代，酶免疫系統得到發展。1971年，瑞典學者Perlmannn和Engvail以及荷蘭學者Schuurs和VanWeerman各自報道提出把免疫技術發展成為檢測體液中微量物質的固相免疫測定方法，也被叫作酶聯免疫吸附試驗——ELISA（Enzyme Linked Immunosorbent Assay）。

1全自主小型酶免分析儀設計研發

1.1移液與試劑條模塊

移液模塊主要輔助吸排模塊進行垂直運動從而接觸到試劑條酶液面完成提取液體任務。通過分析工作原理，只需在垂直方向保證吸排模塊與反應酶液體精準接觸并在吸取完成后快速響應上升至設定高度。試劑條模塊是在儀器開始工作前，試劑條被送到移液模塊下部，從而吸排模塊能夠順利完成取液。

移液模塊在垂直方向是個單自由度運動，常通過步進或伺服電機與傳統系統配合完成，模塊運動距離短，速度低，傳動精度高，所以用絲杠傳動。同時選用導軌滑臺，有良好剛度，保證取液精度要求，再通過有伺服電機相配合的滾珠絲杠與導軌滑臺完成垂直移動及取液工作。（如圖1）試劑條模塊只有水平運動，此過程不僅跨度大還要處于平穩狀態。模塊上有取針、取酶及測試區三個精確限位，分別根據試劑條上標記酶區、廢液區和檢測區來確定，在電機以及傳動系統方面采用步進電機配合軟尺條。

1.2吸排模塊

吸排模塊包括樣品精確提取、移動和注入及吸頭取退。吸排不僅吸取的液體體積一定，操作過程平穩還要具備密封性好、量程可調及洗滌功能。在設計吸排模塊時需要解決以下問題，往復速率可控、液面檢測吸排定位準確和密封精度良好。通過搜查篩選發現自動注射器解決問題反應良好，針對不同體積吸取要求只需設計出相應量程的結構即可。為讓方案易于實現，控制簡易不失精度，便由控制器改變脈沖信號來控制步進電機轉速，繼而帶動絲杠轉動，絲杠上固連了柱塞以控制吸排注射筒體積大小。吸排體積大小的控制則由液面傳感器檢測到信號后傳給控制器再由控制器控制電機轉速實現。

1.3溫度自保持模塊

在對酶等元素實際檢測中，為避免標記酶及待測樣本活性對結果產生干涉，保證精度，在采用固體式干浴方法基礎上創新設計了U型槽加熱（如圖3）。固體式干浴采用導熱性能好的銅鋁對試劑條直接加熱，簡單有效，另外U型槽在穩定溫度，保溫方面表現優異，至此恒溫系統得以將反應倉溫度始終控制在37？.2℃。

此恒溫系統采用溫度模糊自適應控制系統，溫度模糊控制系統是利用模糊數算法對儀器工作環境的模擬進行溫度調控，動態響應快，調節時間短。基于以上優點的溫度模糊自適應控制系統更有好的控制魯棒性，抗干擾力及對復雜或難以建立數學模型的對象很好的控制效果。

1.4光電檢測模塊

此模塊負責對反應底物檢測，根據朗伯比爾定律，在單一光源照射下，溶液吸光度、濃度和溶液層厚度的乘積成正比，通過計算可得到物質濃度，其計算公式為：A=ln = %^bc其中，A為吸光度，I0為入射光強，I為透射光強度， %^為摩爾吸光系數，b為溶液濃度，C為溶液厚度，通過微計算機計算結果，然后與正常指標對比。

檢測系統方面設計了一款基于光譜分析儀的新光路檢測系統，由光源、光路系統以及核心的光譜分析儀三部分組成。光譜分析儀對應的檢測器是電荷耦合元件——線陣CCD，其像元及像元中心距小的特點使得整體檢測靈敏度與精度都很高。此外通過在光源進入反應池之后再進行光柵分光這種設計，不僅簡化了機構，而且檢測與反應兩個過程的分離讓分光元件不再處于潮濕的環境，提升了儀器整體生命周期及檢測精度。

2結論

本文基于儀器工作需求及實驗原理設計出小型全自動酶免分析儀整體結構部分。文章中體現出來的結構設計較簡單，但在設計過程中綜合考慮了各部分的運動軌跡，盡量避免互相之間的干涉保證整體穩定性。

在試驗中經過兩小時左右的檢測，精度已初步達到判定病情要求。但尚存在檢測范圍較窄和穩定性不足兩個問題，具體表現在系統對反應底物吸光度計算誤差較大和儀器受振動影響檢測結果，未來會在光電檢測算法以及提高系統剛度優化結構方面繼續研究。

參考文獻

[1] 任重，劉國棟.一種高性價比小型生化分析儀用分光光度計的研制[J].激光與光電子進展.2014；51：112202

[2] 楊立國.酶免疫測定技術.南京大學出版社.1998.7