大容量高通量化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

王 嶠，楊東超，葉 翀

（清華大學(xué) 機械工程系機械電子工程研究所，北京 100084）

0 引言

化學(xué)發(fā)光免疫分析儀（Chemiluminescence Immunoassay Analyzer）是一種利用化學(xué)發(fā)光免疫分析法（Chemiluminescence Immunoassay，CLIA）進行化學(xué)物質(zhì)檢測的自動化分析設(shè)備。分析儀通過實現(xiàn)取樣品、吸試劑、混合、去干擾物、孵育、檢測、數(shù)據(jù)分析與處理等操作步驟[1]，對待測樣品進行實驗分析。

目前，國內(nèi)外一些大型公司和科研院所都在從事化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的研發(fā)工作。例如，美國雅培公 司[2]、瑞士羅氏公司[3]、北京勤邦生物[4,5]、深圳邁瑞生物等。目前，化學(xué)發(fā)光免疫分析儀以分立式結(jié)構(gòu)最為典型。分立式結(jié)構(gòu)的工作原理[1]與手工操作相似，樣品與試劑按特定比例被添加到彼此分立的反應(yīng)杯或試管中完成混合、孵育和檢測等過程。各個樣品在分析過程中是互不摻雜的，因此交叉污染率相對較低。本文提出一種新型的化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，重點介紹了存儲模塊、加樣模塊、傳送模塊等結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)分析儀結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了一些改進設(shè)計，有效地提高了工作效率和空間利用率。

1 分析儀工作流程分析

在本文的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中，全自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的工作流程（如圖1所示）為：加樣模塊中的加樣針先后吸取待測樣品與配套的兩種試劑并將其加入到反應(yīng)杯中混合，然后反應(yīng)杯進入孵育區(qū)進行免疫反應(yīng)。免疫反應(yīng)完成后，去除反應(yīng)杯內(nèi)的干擾物并加入發(fā)光底物，隨后對發(fā)光強度進行檢測。將所得數(shù)據(jù)與標準品測出的標準曲線進行對照，計算分析得出待測物的濃度。

圖1 化學(xué)發(fā)光免疫分析儀工作流程

2 分析儀各模塊結(jié)構(gòu)與功能

如圖2所示為化學(xué)發(fā)光免疫分析儀整體結(jié)構(gòu)示意圖?；瘜W(xué)發(fā)光免疫分析儀主要由存儲模塊、傳送模塊、加樣模塊、加載模塊等部分組成。

圖2 分析儀整體結(jié)構(gòu)布局圖

2.1 存儲模塊

樣品、試劑存儲模塊主要用于存放待測樣品及各種相關(guān)試劑，同時可以將樣品和試劑傳送到加樣位置上。如圖3所示為化學(xué)發(fā)光免疫分析儀存儲模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖3 分析儀存儲模塊結(jié)構(gòu)圖

存儲模塊由兩個樣品轉(zhuǎn)盤和一個試劑轉(zhuǎn)盤組成。樣品轉(zhuǎn)盤和試劑轉(zhuǎn)盤均設(shè)計為圓環(huán)形盤狀結(jié)構(gòu)，其圓周上均勻布置用于放置樣品、試劑容器的收容腔。

樣品轉(zhuǎn)盤用于放置盛放待測樣品的試管，并通過轉(zhuǎn)動將待測樣品依次傳送到加樣位置，等待加樣模塊進行加樣操作。

試劑轉(zhuǎn)盤同圓心地布置于樣品轉(zhuǎn)盤的內(nèi)側(cè)，可通過轉(zhuǎn)動將所用試劑傳送到加樣位置。用于實驗檢測的兩種配套的試劑分別放置于試劑轉(zhuǎn)盤的內(nèi)、外圈收容腔內(nèi)。

當待測樣品較多時，備用樣品轉(zhuǎn)盤可用于放置樣品。此時，加載模塊可將樣品轉(zhuǎn)盤已檢測完畢的樣品卸載到備用樣品轉(zhuǎn)盤上的廢棄位置，并將待測樣品加載到樣品轉(zhuǎn)盤上的收容腔內(nèi)。

分析儀的存儲模塊采用轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，可使分析儀整體布局更加緊湊，也可以簡化該部分的傳動結(jié)構(gòu)。同時，存儲模塊還可以直接完成將樣品和試劑傳送到加樣位置的動作，無需增加其他傳動結(jié)構(gòu)。相比于同類分析儀樣品、試劑分塊式布局的方式[6]，本文中的存儲模塊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了樣品和試劑的傳送操作，減小了加樣模塊進行加樣操作的行程，進而有效地提高了分析儀的加樣效率。另外，采用轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)無需額外增加機械結(jié)構(gòu)，即可在轉(zhuǎn)動過程中，完成有磁珠標記抗體的混勻。

2.2 加樣模塊

加樣模塊的主要功能是根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的運動軌跡控制加樣單元準確運動，按照特定的順序?qū)⒚笜擞浛乖?、待測樣品、磁珠標記抗體加入到反應(yīng)杯中，完成加樣操作?；瘜W(xué)發(fā)光免疫分析儀加樣模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 分析儀加樣模塊結(jié)構(gòu)圖

加樣模塊由直線導(dǎo)軌、加樣單元（包含加樣針）、清洗槽等部分組成。直線導(dǎo)軌將加樣單元限定在一直線軌跡上運動，可分別控制三個加樣單元到達不同的加樣位置。加樣模塊采用三個加樣單元分別攜帶加樣針，可同時吸取存儲模塊中的樣品和試劑，依次加入到反應(yīng)杯中進行反應(yīng)，有效避免交叉污染；并且在清洗操作時，能夠同時對三根加樣針進行清洗。

加樣模塊的操作方式可大幅節(jié)省樣品、試劑吸取和加樣針清洗時的操作時間，有效地提高加樣操作的效率。同時，分析儀可通過控制存儲模塊中的樣品轉(zhuǎn)盤、試劑轉(zhuǎn)盤和傳送模塊的反應(yīng)盤，使得待測樣品、配套試劑、反應(yīng)杯的加樣位置位于直線導(dǎo)軌正下方，因此加樣單元只需進行直線移動，相比較常見的三自由度直線式加樣臂[7]和平面關(guān)節(jié)式加樣臂[2,3]，加樣模塊對加樣單元的移動行程減小，定位精度的控制也更加簡便。

2.3 傳送模塊

分析儀的傳送模塊的主要功能是將反應(yīng)杯傳送到加樣位置上，同時能夠控制反應(yīng)杯在發(fā)光檢測分析過程中的位置。傳送模塊起到了串聯(lián)整體儀器的作用，在實驗檢測過程中實現(xiàn)反應(yīng)杯位置的改變——反應(yīng)杯經(jīng)過加樣位置、孵育位置、清洗位置、加底物位置和檢測位置，并最終被回收——使分析儀的各個工作流程能夠連續(xù)進行。如圖5所示為化學(xué)發(fā)光免疫分析儀傳送模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖5 分析儀傳送模塊結(jié)構(gòu)圖

圖5(a)為傳動模塊俯視圖。傳動模塊主要由底盤和四個反應(yīng)盤組成。每個反應(yīng)盤上有若干均布于圓周上的反應(yīng)杯位，反應(yīng)杯可放置于反應(yīng)杯位中。四個反應(yīng)盤均勻地布置于底盤圓周上。

當反應(yīng)杯需要加樣時，反應(yīng)盤轉(zhuǎn)動一定角度到達加樣位置，即進行“自轉(zhuǎn)”。當加樣操作完成后，反應(yīng)盤再次轉(zhuǎn)動一定角度，使下一個位置的反應(yīng)杯到達加樣位置，等待下一次加樣操作的進行，依此類推。

當分析儀對一個反應(yīng)盤上所有的反應(yīng)杯均完成加樣操作后，傳送模塊進行“公轉(zhuǎn)”：轉(zhuǎn)盤帶動四個反應(yīng)盤轉(zhuǎn)動90°，“公轉(zhuǎn)”過程中反應(yīng)盤保持靜止。傳動模塊的“自轉(zhuǎn)”與“公轉(zhuǎn)”的相互轉(zhuǎn)換，可通過布置于轉(zhuǎn)盤下方的傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。

該傳動模塊設(shè)計的特點在于：1）在反應(yīng)杯數(shù)目滿足實驗的孵育時長和高通量的條件下，將反應(yīng)杯平均布置于四個反應(yīng)盤上，可有效減小傳動模塊的占用面積，并且結(jié)構(gòu)簡單；2）在“自轉(zhuǎn)”過程中，四個反應(yīng)盤同步轉(zhuǎn)動，同時可以保證每個反應(yīng)盤的操作相互獨立，互不干擾；3）反應(yīng)盤模塊化設(shè)計，當一個反應(yīng)盤完成發(fā)光檢測后，可更換新的反應(yīng)盤到轉(zhuǎn)盤相應(yīng)位置，保證實驗檢測的連續(xù)性。

2.4 加載模塊

分析儀的加載模塊由一個機械臂構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。機械臂由移動關(guān)節(jié)、大臂、小臂和末端夾取裝置組成，其自由度數(shù)為3。末端夾取裝置的開合可以通過電磁鐵通斷電情況來控制：當電磁鐵通電時，夾取裝置張開；當電磁鐵斷電時，夾取裝置閉合。

圖6 分析儀加載模塊結(jié)構(gòu)圖

加載模塊主要有兩個功能：更換反應(yīng)盤；更換樣品試管。

在反應(yīng)盤中心位置開有一個夾取用孔。當一個反應(yīng)盤上所有位置的反應(yīng)杯均完成發(fā)光檢測操作后，將機械臂夾持裝置的末端伸入該反應(yīng)盤的夾取用孔中，電磁鐵通電后，夾取裝置張開，撐住孔內(nèi)壁，將使用過的反應(yīng)盤移動到回收位置。之后，將備用的反應(yīng)盤移動到相應(yīng)的反應(yīng)盤位置上，完成反應(yīng)盤的更換。此操作示意如圖7(a)所示。

同理，將機械臂夾持裝置的末端伸入已完成加樣的樣品試管中，夾取裝置張開，末端撐住樣品試管內(nèi)壁，可以完成樣品試管的更換操作。此操作示意如圖7(b)所示。

圖7 分析儀加載模塊操作示意圖

利用分析儀加載模塊，可以完成備用實驗用品的更換操作，使得實驗測試能夠連續(xù)不斷地進行，進而增加實驗的測試通量和儀器工作效率。同時，采用機械臂進行相關(guān)操作，提高了分析儀的自動化程度，減少了實驗人員的人工干預(yù)。另外，末端夾取裝置通過電磁鐵進行控制，減少了電機的數(shù)目，利于控制操作過程。

3 結(jié)束語

化學(xué)發(fā)光免疫分析儀是一種集成了生物、化學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、機器人及自動化、傳感器技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)的儀器。本文介紹了一種化學(xué)發(fā)光免疫分析儀新型結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，對分析儀存儲模塊、傳送模塊、加樣模塊和加載模塊進行了具體的結(jié)構(gòu)和功能分析。

存儲模塊采用轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，使儀器結(jié)構(gòu)更緊湊；傳送模塊采用反應(yīng)盤“自轉(zhuǎn)”與“公轉(zhuǎn)”相結(jié)合的運動方式，克服了高通量、體積小的設(shè)計難點，減小空間，提高工作效率和可操作性；加樣模塊控制簡便，工作行程減小，獨立的加樣單元還能夠避免交叉污染；加載模塊負責更換備用用品，提高分析儀工作連續(xù)性和自動化程度。

[1] 雷東鋒.現(xiàn)代生物化學(xué)與分子生物學(xué)儀器與設(shè)備[M].北京：科學(xué)出版社,2006.

[2] 何方洋,劉文賓,張禹,馮娟,馮才偉,聶雯瑩,索慶祥.一種反應(yīng)杯存儲裝置：中國,102621341A[P].2012-08-01.

[3] 馮娟,張禹,何方洋,萬宇平,聶雯瑩.一種反應(yīng)杯傳送機構(gòu)：中國,202404108U[P].2012-08-29.

[4] 何方洋,萬宇平,馮娟,馮才偉,羅曉琴,馮月君,聶雯瑩.一種試劑存儲器：中國,202305541U[P].2012-07-04.

[5] 何方洋,馮娟,張禹,等.一種機械臂：中國,202846529U[P].2013-04-03.