小型酶免分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周昕宇　尚志武

摘 要 針對(duì)現(xiàn)我國(guó)大部分醫(yī)用生化檢測(cè)裝置是大型生化分析儀而小型生化檢測(cè)裝置還未普及的情況，通過儀器機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)使得檢測(cè)裝置在保證檢測(cè)精度前提下盡可能縮減體積成本。整機(jī)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(cè)模塊。

關(guān)鍵詞 酶免分析 光電檢測(cè) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 自動(dòng)化

0引言

小型酶免分析儀是一種生化分析儀，最初是根據(jù)免疫酶技術(shù)發(fā)展興起的。在上世紀(jì)七十年代，酶免疫系統(tǒng)得到發(fā)展。1971年，瑞典學(xué)者Perlmannn和Engvail以及荷蘭學(xué)者Schuurs和VanWeerman各自報(bào)道提出把免疫技術(shù)發(fā)展成為檢測(cè)體液中微量物質(zhì)的固相免疫測(cè)定方法，也被叫作酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)——ELISA（Enzyme Linked Immunosorbent Assay）。

1全自主小型酶免分析儀設(shè)計(jì)研發(fā)

1.1移液與試劑條模塊

移液模塊主要輔助吸排模塊進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)從而接觸到試劑條酶液面完成提取液體任務(wù)。通過分析工作原理，只需在垂直方向保證吸排模塊與反應(yīng)酶液體精準(zhǔn)接觸并在吸取完成后快速響應(yīng)上升至設(shè)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(gè)單自由度運(yùn)動(dòng)，常通過步進(jìn)或伺服電機(jī)與傳統(tǒng)系統(tǒng)配合完成，模塊運(yùn)動(dòng)距離短，速度低，傳動(dòng)精度高，所以用絲杠傳動(dòng)。同時(shí)選用導(dǎo)軌滑臺(tái)，有良好剛度，保證取液精度要求，再通過有伺服電機(jī)相配合的滾珠絲杠與導(dǎo)軌滑臺(tái)完成垂直移動(dòng)及取液工作。（如圖1）試劑條模塊只有水平運(yùn)動(dòng)，此過程不僅跨度大還要處于平穩(wěn)狀態(tài)。模塊上有取針、取酶及測(cè)試區(qū)三個(gè)精確限位，分別根據(jù)試劑條上標(biāo)記酶區(qū)、廢液區(qū)和檢測(cè)區(qū)來確定，在電機(jī)以及傳動(dòng)系統(tǒng)方面采用步進(jìn)電機(jī)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(dòng)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(wěn)還要具備密封性好、量程可調(diào)及洗滌功能。在設(shè)計(jì)吸排模塊時(shí)需要解決以下問題，往復(fù)速率可控、液面檢測(cè)吸排定位準(zhǔn)確和密封精度良好。通過搜查篩選發(fā)現(xiàn)自動(dòng)注射器解決問題反應(yīng)良好，針對(duì)不同體積吸取要求只需設(shè)計(jì)出相應(yīng)量程的結(jié)構(gòu)即可。為讓方案易于實(shí)現(xiàn)，控制簡(jiǎn)易不失精度，便由控制器改變脈沖信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，繼而帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，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?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到信號(hào)后傳給控制器再由控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

1.3溫度自保持模塊

在對(duì)酶等元素實(shí)際檢測(cè)中，為避免標(biāo)記酶及待測(cè)樣本活性對(duì)結(jié)果產(chǎn)生干涉，保證精度，在采用固體式干浴方法基礎(chǔ)上創(chuàng)新設(shè)計(jì)了U型槽加熱（如圖3）。固體式干浴采用導(dǎo)熱性能好的銅鋁對(duì)試劑條直接加熱，簡(jiǎn)單有效，另外U型槽在穩(wěn)定溫度，保溫方面表現(xiàn)優(yōu)異，至此恒溫系統(tǒng)得以將反應(yīng)倉溫度始終控制在37？.2℃。

此恒溫系統(tǒng)采用溫度模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)，溫度模糊控制系統(tǒng)是利用模糊數(shù)算法對(duì)儀器工作環(huán)境的模擬進(jìn)行溫度調(diào)控，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)時(shí)間短?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)的溫度模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)更有好的控制魯棒性，抗干擾力及對(duì)復(fù)雜或難以建立數(shù)學(xué)模型的對(duì)象很好的控制效果。

1.4光電檢測(cè)模塊

此模塊負(fù)責(zé)對(duì)反應(yīng)底物檢測(cè)，根據(jù)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(jì)算可得到物質(zhì)濃度，其計(jì)算公式為：A=ln = %^bc其中，A為吸光度，I0為入射光強(qiáng)，I為透射光強(qiáng)度， %^為摩爾吸光系數(shù)，b為溶液濃度，C為溶液厚度，通過微計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果，然后與正常指標(biāo)對(duì)比。

檢測(cè)系統(tǒng)方面設(shè)計(jì)了一款基于光譜分析儀的新光路檢測(cè)系統(tǒng)，由光源、光路系統(tǒng)以及核心的光譜分析儀三部分組成。光譜分析儀對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器是電荷耦合元件——線陣CCD，其像元及像元中心距小的特點(diǎn)使得整體檢測(cè)靈敏度與精度都很高。此外通過在光源進(jìn)入反應(yīng)池之后再進(jìn)行光柵分光這種設(shè)計(jì)，不僅簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)，而且檢測(cè)與反應(yīng)兩個(gè)過程的分離讓分光元件不再處于潮濕的環(huán)境，提升了儀器整體生命周期及檢測(cè)精度。

2結(jié)論

本文基于儀器工作需求及實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)出小型全自動(dòng)酶免分析儀整體結(jié)構(gòu)部分。文章中體現(xiàn)出來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，但在設(shè)計(jì)過程中綜合考慮了各部分的運(yùn)動(dòng)軌跡，盡量避免互相之間的干涉保證整體穩(wěn)定性。

在試驗(yàn)中經(jīng)過兩小時(shí)左右的檢測(cè)，精度已初步達(dá)到判定病情要求。但尚存在檢測(cè)范圍較窄和穩(wěn)定性不足兩個(gè)問題，具體表現(xiàn)在系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)底物吸光度計(jì)算誤差較大和儀器受振動(dòng)影響檢測(cè)結(jié)果，未來會(huì)在光電檢測(cè)算法以及提高系統(tǒng)剛度優(yōu)化結(jié)構(gòu)方面繼續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)

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