分立式全自動生化分析儀的設計和研制

王中雷

（凱和生物科技（上海）有限公司，上海 200082）

0 引言

自動生化分析儀是自動化的高度生物化學分析機器的一種，可以完成生物化學分析的一些或全部步驟，例如采樣、添加試劑、混合、熱保存反應、檢測、結(jié)果計算和模擬手動操作的顯示等。它可以迅速處理樣品，大大提高了操作的準確性和可靠性，減少了手動的介入，在臨床化驗中起著重要作用。根據(jù)不同的比色法，自動生化分析儀被分成兩個類別。垂直型和O型之間的主要區(qū)別是控制序列和分光光度計。流式自動生化分析儀采用流式比色抖動，分析速度低，精度也難以達到高水平，樣品交叉污染較大。離散自動生化分析儀采用了沒有相互污染的離散比色盤。比色的數(shù)量可以根據(jù)需要進行配置，精度和測試速度也可以大幅提高。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，控制時序要求嚴格，操作可靠性和精度要求高。因此，醫(yī)療機構(gòu)的需求大部分依賴進口。為了打破自動生化分析儀裝置的海外壟斷，應加大資金投入和技術(shù)政策支持。

1 全自動生化分析儀概述

自動分析儀是一種病理實驗室儀器，設計用于分析血液生物化學參數(shù)，如葡萄糖、淀粉酶、尿素、甘油三酯等人力援助最少。血液樣本被放置在一個試管架上，該機架通過步進電機旋轉(zhuǎn)，用于通過分析儀的測量室定位血液樣本。全自動生物化學分析儀的目的是為了在實驗室重負荷的血液樣本進行估計。選擇過濾器進行相應的測試、抽取樣本、檢查水位、不同的試劑和標準水位、清洗細胞中的流體、QC水位、蠕動泵的自動校正和其他許多檢查都是自動化的[1]。這種自動化為實驗室操作人員專注于樣品準備和報告/文檔部分提供了很大的方便。生化分析儀(BCA)是以朗伯-比爾原理為基礎(chǔ)的一種儀器，常用于測定血糖、膽紅素、白蛋白、尿酸、膽固醇、血紅蛋白等臨床和化學指標。由于它能夠真實、快速地為醫(yī)生或化學鑒定人員提供檢測數(shù)據(jù)，因此在臨床診斷和化學檢驗中具有重要作用。自動分析儀是一種醫(yī)學實驗室儀器，旨在測量不同的化學物質(zhì)和其他特征在一定數(shù)量的血液樣本迅速，最低限度的人的幫助。血液樣本被放置在一個試管架上，然后這個試管架通過一個步進電機旋轉(zhuǎn)來定位血液樣本通過分析儀的測量室。全自動生物化學分析儀的目的是為了在實驗室重負荷的血液樣本進行估計。

目前市場上的生化分析儀主要有色度計、半自動生化分析儀、全自動生化分析儀、光度計、分光計等。生化分析儀和生物分析儀是一個術(shù)語，可以指各種不同的儀器，旨在執(zhí)行各種功能，如分析和測量樣品的實際特性。生化分析儀最典型的用途是尋找與脂肪、蛋白質(zhì)、酶以及核酸等生物分子有關(guān)的結(jié)構(gòu)和功能。生化分析儀的自動化帶來了許多實驗室功能完成方式的改變，并允許許多時間不敏感的任務得到精簡，這反過來又提供了良好的吞吐量。這些全自動生化分析儀產(chǎn)品可以計算的焦點或指出特定物質(zhì)的特點，在樣品中實現(xiàn)快速和最少操作的處理[2]。

目前臨床生化檢測大部分已實現(xiàn)自動化，大部分檢測工作是由生化分析儀自動完成。目前。自動生化分析儀由計算機控制，包括生化分析中的取樣（取樣）、加料、混合、保溫反應、試驗（試驗）、計算結(jié)果、判斷可靠性、顯示打印、清洗（清洗）等步驟。計算機不僅用于控制自動分析器，還用于安排測試要求和打印結(jié)果。采用自動生化分析技術(shù)，可提高臨床生化檢驗的質(zhì)量和速度，減輕檢驗人員的勞動強度，節(jié)約樣品和試劑，增加檢驗項目，提高檢驗精度，減少實驗誤差。并幫助規(guī)范臨床檢驗。

2 分立式全自動生化分析儀系統(tǒng)設計

系統(tǒng)設計以80C31單片機為核心，通過地址總線、數(shù)據(jù)總線連接，控制總線64kbytes的EPROM 27C512進行監(jiān)控程序，24kbytes的帶電池備份的RAM進行快速數(shù)據(jù)存儲，24h的結(jié)果存儲容量，以及8255s的預采樣I/O設備用于接口32鍵盤、12位A/D、40列熱敏微型打印機，以及30個字符×8行的字母/圖形液晶顯示。字母數(shù)字鍵盤包括各種功能鍵、數(shù)字鍵、送氣鍵和復位鍵，用于系統(tǒng)的各種功能和參數(shù)分析。液晶顯示器用于顯示日期和時間的實時時鐘，各種菜單，參數(shù)和數(shù)據(jù)輸入從鍵盤以及病人的結(jié)果和動力學圖像在一些測試參數(shù)的需要。12位A/D 轉(zhuǎn)換器將光電探測器和前置放大器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。40列熱敏迷你打印機用于硬拷貝的參數(shù)存儲，病人測試結(jié)果，收集報告和動力學圖像顯示在液晶上，這些圖表有助于測試結(jié)果的真實性。

本文提到的自動分析系統(tǒng)在溫度控制系統(tǒng)的設計過程中，采用了基于半導體傳感器的溫度控制器。該系統(tǒng)通過初始速率、固定時間、終點和動力學方法，測定了不同溫度下生物流體中酶活性和底物濃度。系統(tǒng)可以選擇任何所需的溫度，并在選定的溫度下保持流動電池的溫度，因為酶是相對脆弱的物質(zhì)，具有十分穩(wěn)定的失活或變性[1]。因此，為了獲得適當?shù)拿富盥屎吞岣叻€(wěn)定性，在進行試驗時必須妥善處理，并且必須保持在所需的溫度。用半導體器件提供和維持流動池中樣品所需的溫度。利用這種效應來控制樣品的溫度[3]。

蠕動泵/抽吸系統(tǒng)的設計中，8031單片機的Port1通過驅(qū)動器硬件與步進電機連接，驅(qū)動器驅(qū)動蠕動泵的滾動，為電機驅(qū)動硬件產(chǎn)生所需的脈沖序列。驅(qū)動器硬件提高了步進電機所需的脈沖序列的電壓水平。系統(tǒng)采用滾筒式蠕動泵，抽吸所需量的試劑/樣品，清洗流量計。這臺泵可以進行校準，以吸出所需數(shù)量的水、試劑和樣品。

此外，系統(tǒng)的光學組件由帶反射鏡的光源、光密度系統(tǒng)、準直物鏡、流動單元、濾光輪組和光刻機組成。恒流電源用來為燈供電，以減少光線的波動。所有的光學元件均采用石英玻璃設計，在340nm處具有良好的紫外透過性能。為了保證光探測器在紫外光（340nm）下的低響應，所有的光學元件在紫外區(qū)都配有增強型的減反射涂層。在光機械組件中，在設計中特別注意使每個組件相對于光軸正確對齊。為了獲得所需要的光波長，在濾光輪上安裝了6個不同波長的干涉濾光片，如340nm、405nm、505nm、546nm、578nm和630nm，從紫外光到可見光區(qū)光譜（300nm 至700nm）。這些過濾器是根據(jù)執(zhí)行的測試自動選擇的。當選擇所需波長的濾光片時，自動選擇相應的增益。濾波輪由步進電機驅(qū)動，通過驅(qū)動電路與微控制器端口連接。脈沖按照要求的順序產(chǎn)生，以所需的角度旋轉(zhuǎn)電機，這使得濾波器前面的光電探測器[4]。

3 分立式全自動生化分析儀機械部件設計

3.1 生化分析儀滑動軸承制造

圖1為全自動生化分析儀機械傳動示意圖。在全自動生化分析儀器機械系統(tǒng)軸承設計的過程中，針對軸承制造對高效率、高精度、高剛度的要求，提出了高精度電主軸的特殊應用對軸承制造工藝的要求。制造工藝的設計目的是選擇軸承制造方案、加工設備和質(zhì)量檢驗設備。

圖1 全自動生化分析儀機械傳動示意圖

滑動軸承的制造質(zhì)量檢驗通常采用以下方法：①軸承尺寸誤差的測量。尺寸誤差是工件尺寸與圖紙尺寸的差值，工件尺寸可用游標卡尺或千分尺測量。對于有特殊要求的高精度軸承，可采用三坐標測量儀進行測量。②軸承表面測量誤差。軸承表面誤差主要包括內(nèi)部潤滑表面和外部安裝表面，測量指標為表面跳動和表面粗糙度。③測試了巴氏合金層的缺陷和結(jié)合強度。巴氏合金的內(nèi)部缺陷可用滲透檢測或超聲波檢測，粘結(jié)強度可用萬能拉伸試驗機測定。④軸承靜動態(tài)特性實測。通過模擬軸承工況的臺架試驗，測量了軸承的靜動態(tài)特性。⑤軸承的實測壽命。在臺架試驗上也進行了軸承的升力試驗。根據(jù)加大載荷或提高試驗速度的要求，實現(xiàn)了軸承長時間運行的仿真，對軸承壽命進行了估算。

在實際制造過程中，首先，利用UG軟件建立待加工軸承的三維模型。然后根據(jù)軸承的三維模型，利用 VERICUT軟件對軸承進行了加工仿真。機床在加工仿真是一個銑磨機（DMG HSC75），這是相同的實際加工軸承。軸承的制造工藝流程為粗加工-巴氏合金鑄造-精加工。

3.2 取樣系統(tǒng)設計

采樣設備包括稀釋器，采樣探頭，輸送樣品和試劑的管道等。通過液面導引裝置對樣品抽吸的針頭進行導引，防止空抽吸和凝塊抽吸。另外，水平導引裝置可防止探頭的損壞，減少輸送的污染。有些裝備有閉塞檢測報警系統(tǒng)；另外，智能防撞器還能停止探頭的工作，并能對某些故障發(fā)出警報，將取樣器和加液器組合使用，一個探頭即可一次性完成樣品、試劑或稀釋液的加入。連接探頭的加樣臂在樣品杯（試劑瓶）和反應杯之間移動，完成取樣和加樣（試樣）。它的運動方式與儀器的工作效率、壽命密切相關(guān)，氣門確定液體流向。有些分析儀取樣品和試劑用同一根試樣針，通過內(nèi)部分流閥控制取樣和試劑；有些儀器有兩套取樣裝置，保證測試結(jié)果準確的關(guān)鍵是采樣探頭的自動清洗裝置[5]。

3.3 分光裝置設計

干涉器有兩種插入與旋轉(zhuǎn)換形式。擾動濾清器價格低廉，但易受濕度和模具的影響。經(jīng)過科學合理的設計，利用濾光片可以達到和光柵一樣的效果。將光譜分為全息反射光柵和蝕刻凹面。金屬薄膜是金屬薄膜，具有一定的相位差且易腐蝕。該波長固定在耐磨損、耐腐蝕、無相位的凹面玻璃上選定的波長上。目前最先進的蝕刻光柵非相位反差蝕刻光柵。柵格被劃分為拆分和分段。預分光是生化分析儀的一種自動光路系統(tǒng)，它和普通儀器一樣，即光源→光譜成分→樣品→檢測器。不同波長的探測通常是不可能斷開的，而且通常會確定一次，然后可以測量第二時間。之后的分割源為光源→樣本→分片組件→檢測器。該方法首先將光源照射在樣品杯上，通過光柵分裂檢測任意波長的吸收。后部分塊的優(yōu)點是需要移動儀器的部件，而且可以用兩個或多個波長測量，從而降低了噪聲，提高了分析的準確性和精度，降低了故障率。所以，現(xiàn)代生化分析儀主要采用光譜測量技術(shù)。在生化分析儀中，后光度法可實現(xiàn)多項指標的同時檢測。使雙波長分光計更具實用性。現(xiàn)已發(fā)展成為世界上最先進的光/數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換技術(shù)。在分光裝置設計的樣機測控系統(tǒng)原理框圖如下圖2所示，利用計算機選擇三種單片機分別進行測控。

圖2 樣機測控系統(tǒng)原理框圖

3.4 清洗系統(tǒng)設計

清洗設備通常包括液體抽吸、唾液針和清潔刷。一般情況下，先將反應液抽出，先用堿性液體漂洗，再用酸液沖洗，最后用去離子水沖洗3次。毛刷的作用是吸收杯壁上的水，刷體內(nèi)有負色吸引裝置。例如，奧林巴斯AU400生化分析儀采用先進的八步溫水自動沖洗色度杯，利用先進的排水技術(shù)，在漂洗后留下不到1升的水，然后干燥，使色度杯清洗干凈、徹底，避免相互污染物品。例如，雅培航空和智能水洗系統(tǒng)和OSS性能分析儀器，即根據(jù)試劑或樣品間交叉污染物品的組合，自動改變檢測順序，避免相互進行分析；若無法相互分析，則選擇專用清潔劑進行自動清洗。普通全自動生化分析儀：①樣品探頭及試劑探頭具有自動清洗和漂洗功能；②自動掃描光碟及消除不符合要求的色盤；③臺電腦可自動降低相似的檢測方法（AST、ALT、LD等），并可自動降低檢測方法（AST、ALT、LD等）。采用惰性液體膜技術(shù)，減少探針內(nèi)外管壁的交叉污染[6]。另外，儀器的耗水量也是不容忽視的問題。反應器自動更換為一次性反應杯，減少反應杯重復清洗過程，大大降低了儀器的污染，進一步提高了儀器的可靠性，并使水量大幅度減少。

4 結(jié)語

在較大的醫(yī)療實驗室，比如醫(yī)院，我們可以找到專用的生化分析儀系統(tǒng)，經(jīng)常用于進行各種醫(yī)療設施所需的常規(guī)評估。其中包括評估血液甚至血清中白蛋白、糖、酶以及肌酸水平。這些測試可以通過測量比色法、濁度導電率和各種不同的電導率來進行。經(jīng)過長時間的研究開發(fā)，并創(chuàng)建了垂直自動生化分析儀器的產(chǎn)品原型。測試原型性能，性能指標滿足設計要求。產(chǎn)品完成后，可以提供給用戶。目前，離散型自動生物化驗器主要依靠進口，如果能在中國生產(chǎn)出這樣一種高質(zhì)量、精致的一流產(chǎn)品，它將為國家節(jié)省大量外匯，為人民帶來利益。