王中雷

（凱和生物科技（上海）有限公司，上海 200082）

0 引言

自動(dòng)生化分析儀是自動(dòng)化的高度生物化學(xué)分析機(jī)器的一種，可以完成生物化學(xué)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(yīng)、檢測、結(jié)果計(jì)算和模擬手動(dòng)操作的顯示等。它可以迅速處理樣品，大大提高了操作的準(zhǔn)確性和可靠性，減少了手動(dòng)的介入，在臨床化驗(yàn)中起著重要作用。根據(jù)不同的比色法，自動(dòng)生化分析儀被分成兩個(gè)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(jì)。流式自動(dòng)生化分析儀采用流式比色抖動(dòng)，分析速度低，精度也難以達(dá)到高水平，樣品交叉污染較大。離散自動(dòng)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(jìn)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(fù)雜，控制時(shí)序要求嚴(yán)格，操作可靠性和精度要求高。因此，醫(yī)療機(jī)構(gòu)的需求大部分依賴進(jìn)口。為了打破自動(dòng)生化分析儀裝置的海外壟斷，應(yīng)加大資金投入和技術(shù)政策支持。

1 全自動(dòng)生化分析儀概述

自動(dòng)分析儀是一種病理實(shí)驗(yàn)室儀器，設(shè)計(jì)用于分析血液生物化學(xué)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(gè)試管架上，該機(jī)架通過步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，用于通過分析儀的測量室定位血液樣本。全自動(dòng)生物化學(xué)分析儀的目的是為了在實(shí)驗(yàn)室重負(fù)荷的血液樣本進(jìn)行估計(jì)。選擇過濾器進(jìn)行相應(yīng)的測試、抽取樣本、檢查水位、不同的試劑和標(biāo)準(zhǔn)水位、清洗細(xì)胞中的流體、QC水位、蠕動(dòng)泵的自動(dòng)校正和其他許多檢查都是自動(dòng)化的[1]。這種自動(dòng)化為實(shí)驗(yàn)室操作人員專注于樣品準(zhǔn)備和報(bào)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(xué)指標(biāo)。由于它能夠真實(shí)、快速地為醫(yī)生或化學(xué)鑒定人員提供檢測數(shù)據(jù)，因此在臨床診斷和化學(xué)檢驗(yàn)中具有重要作用。自動(dòng)分析儀是一種醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室儀器，旨在測量不同的化學(xué)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(gè)試管架上，然后這個(gè)試管架通過一個(gè)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)來定位血液樣本通過分析儀的測量室。全自動(dòng)生物化學(xué)分析儀的目的是為了在實(shí)驗(yàn)室重負(fù)荷的血液樣本進(jìn)行估計(jì)。

目前市場上的生化分析儀主要有色度計(jì)、半自動(dòng)生化分析儀、全自動(dòng)生化分析儀、光度計(jì)、分光計(jì)等。生化分析儀和生物分析儀是一個(gè)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(shí)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(dòng)化帶來了許多實(shí)驗(yàn)室功能完成方式的改變，并允許許多時(shí)間不敏感的任務(wù)得到精簡，這反過來又提供了良好的吞吐量。這些全自動(dòng)生化分析儀產(chǎn)品可以計(jì)算的焦點(diǎn)或指出特定物質(zhì)的特點(diǎn)，在樣品中實(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大部分檢測工作是由生化分析儀自動(dòng)完成。目前。自動(dòng)生化分析儀由計(jì)算機(jī)控制，包括生化分析中的取樣（取樣）、加料、混合、保溫反應(yīng)、試驗(yàn)（試驗(yàn)）、計(jì)算結(jié)果、判斷可靠性、顯示打印、清洗（清洗）等步驟。計(jì)算機(jī)不僅用于控制自動(dòng)分析器，還用于安排測試要求和打印結(jié)果。采用自動(dòng)生化分析技術(shù)，可提高臨床生化檢驗(yàn)的質(zhì)量和速度，減輕檢驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約樣品和試劑，增加檢驗(yàn)項(xiàng)目，提高檢驗(yàn)精度，減少實(shí)驗(yàn)誤差。并幫助規(guī)范臨床檢驗(yàn)。

2 分立式全自動(dòng)生化分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以80C31單片機(jī)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(jìn)行監(jiān)控程序，24kbytes的帶電池備份的RAM進(jìn)行快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，24h的結(jié)果存儲(chǔ)容量，以及8255s的預(yù)采樣I/O設(shè)備用于接口32鍵盤、12位A/D、40列熱敏微型打印機(jī)，以及30個(gè)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(fù)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(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)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(dòng)力學(xué)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。40列熱敏迷你打印機(jī)用于硬拷貝的參數(shù)存儲(chǔ)，病人測試結(jié)果，收集報(bào)告和動(dòng)力學(xué)圖像顯示在液晶上，這些圖表有助于測試結(jié)果的真實(shí)性。

本文提到的自動(dòng)分析系統(tǒng)在溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，采用了基于半導(dǎo)體傳感器的溫度控制器。該系統(tǒng)通過初始速率、固定時(shí)間、終點(diǎn)和動(dòng)力學(xué)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(dòng)電池的溫度，因?yàn)槊甘窍鄬?duì)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(dāng)?shù)拿富盥屎吞岣叻€(wěn)定性，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)必須妥善處理，并且必須保持在所需的溫度。用半導(dǎo)體器件提供和維持流動(dòng)池中樣品所需的溫度。利用這種效應(yīng)來控制樣品的溫度[3]。

蠕動(dòng)泵/抽吸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，8031單片機(jī)的Port1通過驅(qū)動(dòng)器硬件與步進(jìn)電機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵的滾動(dòng)，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件產(chǎn)生所需的脈沖序列。驅(qū)動(dòng)器硬件提高了步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖序列的電壓水平。系統(tǒng)采用滾筒式蠕動(dòng)泵，抽吸所需量的試劑/樣品，清洗流量計(jì)。這臺(tái)泵可以進(jìn)行校準(zhǔn)，以吸出所需數(shù)量的水、試劑和樣品。

此外，系統(tǒng)的光學(xué)組件由帶反射鏡的光源、光密度系統(tǒng)、準(zhǔn)直物鏡、流動(dòng)單元、濾光輪組和光刻機(jī)組成。恒流電源用來為燈供電，以減少光線的波動(dòng)。所有的光學(xué)元件均采用石英玻璃設(shè)計(jì)，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(yīng)，所有的光學(xué)元件在紫外區(qū)都配有增強(qiáng)型的減反射涂層。在光機(jī)械組件中，在設(shè)計(jì)中特別注意使每個(gè)組件相對(duì)于光軸正確對(duì)齊。為了獲得所需要的光波長，在濾光輪上安裝了6個(gè)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(dòng)選擇的。當(dāng)選擇所需波長的濾光片時(shí)，自動(dòng)選擇相應(yīng)的增益。濾波輪由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)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(jī)，這使得濾波器前面的光電探測器[4]。

3 分立式全自動(dòng)生化分析儀機(jī)械部件設(shè)計(jì)

3.1 生化分析儀滑動(dòng)軸承制造

圖1為全自動(dòng)生化分析儀機(jī)械傳動(dòng)示意圖。在全自動(dòng)生化分析儀器機(jī)械系統(tǒng)軸承設(shè)計(jì)的過程中，針對(duì)軸承制造對(duì)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(yīng)用對(duì)軸承制造工藝的要求。制造工藝的設(shè)計(jì)目的是選擇軸承制造方案、加工設(shè)備和質(zhì)量檢驗(yàn)設(shè)備。

圖1 全自動(dòng)生化分析儀機(jī)械傳動(dòng)示意圖

滑動(dòng)軸承的制造質(zhì)量檢驗(yàn)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(biāo)卡尺或千分尺測量。對(duì)于有特殊要求的高精度軸承，可采用三坐標(biāo)測量儀進(jìn)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(biāo)為表面跳動(dòng)和表面粗糙度。③測試了巴氏合金層的缺陷和結(jié)合強(qiáng)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(qiáng)度可用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測定。④軸承靜動(dòng)態(tài)特性實(shí)測。通過模擬軸承工況的臺(tái)架試驗(yàn)，測量了軸承的靜動(dòng)態(tài)特性。⑤軸承的實(shí)測壽命。在臺(tái)架試驗(yàn)上也進(jìn)行了軸承的升力試驗(yàn)。根據(jù)加大載荷或提高試驗(yàn)速度的要求，實(shí)現(xiàn)了軸承長時(shí)間運(yùn)行的仿真，對(duì)軸承壽命進(jìn)行了估算。

在實(shí)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(duì)軸承進(jìn)行了加工仿真。機(jī)床在加工仿真是一個(gè)銑磨機(jī)（DMG HSC75），這是相同的實(shí)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(shè)計(jì)

采樣設(shè)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(dǎo)引裝置對(duì)樣品抽吸的針頭進(jìn)行導(dǎo)引，防止空抽吸和凝塊抽吸。另外，水平導(dǎo)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(bào)警系統(tǒng)；另外，智能防撞器還能停止探頭的工作，并能對(duì)某些故障發(fā)出警報(bào)，將取樣器和加液器組合使用，一個(gè)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(yīng)杯之間移動(dòng)，完成取樣和加樣（試樣）。它的運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)確的關(guān)鍵是采樣探頭的自動(dòng)清洗裝置[5]。

3.3 分光裝置設(shè)計(jì)

干涉器有兩種插入與旋轉(zhuǎn)換形式。擾動(dòng)濾清器價(jià)格低廉，但易受濕度和模具的影響。經(jīng)過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，利用濾光片可以達(dá)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(jìn)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(yù)分光是生化分析儀的一種自動(dòng)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(huì)確定一次，然后可以測量第二時(shí)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(diǎn)是需要移動(dòng)儀器的部件，而且可以用兩個(gè)或多個(gè)波長測量，從而降低了噪聲，提高了分析的準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)多項(xiàng)指標(biāo)的同時(shí)檢測。使雙波長分光計(jì)更具實(shí)用性?，F(xiàn)已發(fā)展成為世界上最先進(jìn)的光/數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換技術(shù)。在分光裝置設(shè)計(jì)的樣機(jī)測控系統(tǒng)原理框圖如下圖2所示，利用計(jì)算機(jī)選擇三種單片機(jī)分別進(jìn)行測控。

圖2 樣機(jī)測控系統(tǒng)原理框圖

3.4 清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

清洗設(shè)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(yīng)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(fù)色吸引裝置。例如，奧林巴斯AU400生化分析儀采用先進(jìn)的八步溫水自動(dòng)沖洗色度杯，利用先進(jìn)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(dòng)改變檢測順序，避免相互進(jìn)行分析；若無法相互分析，則選擇專用清潔劑進(jìn)行自動(dòng)清洗。普通全自動(dòng)生化分析儀：①樣品探頭及試劑探頭具有自動(dòng)清洗和漂洗功能；②自動(dòng)掃描光碟及消除不符合要求的色盤；③臺(tái)電腦可自動(dòng)降低相似的檢測方法（AST、ALT、LD等），并可自動(dòng)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(yīng)器自動(dòng)更換為一次性反應(yīng)杯，減少反應(yīng)杯重復(fù)清洗過程，大大降低了儀器的污染，進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行各種醫(yī)療設(shè)施所需的常規(guī)評(píng)估。其中包括評(píng)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(dǎo)電率和各種不同的電導(dǎo)率來進(jìn)行。經(jīng)過長時(shí)間的研究開發(fā)，并創(chuàng)建了垂直自動(dòng)生化分析儀器的產(chǎn)品原型。測試原型性能，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。產(chǎn)品完成后，可以提供給用戶。目前，離散型自動(dòng)生物化驗(yàn)器主要依靠進(jìn)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。