非接觸式微量加樣方法研究

肖亞男,周哲海,2,郭陽寬,2,賀 慶,2,祝連慶,2

(1.北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192； 2.生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)及儀器北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

非接觸式微量加樣方法研究

肖亞男1,周哲海1,2,郭陽寬1,2,賀 慶1,2,祝連慶1,2

(1.北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192； 2.生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)及儀器北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

加樣方法是影響加樣精度的關(guān)鍵因素之一。非接觸式加樣已經(jīng)成為當(dāng)前微量生物試劑加樣技術(shù)的主要發(fā)展方向。理論分析了加樣量與步進(jìn)電機(jī)加速度之間的關(guān)系，并基于SF-8000全自動(dòng)凝血分析儀的微量加樣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的微步控制模塊。通過試驗(yàn)驗(yàn)證分析，探討了一種可應(yīng)用于該系統(tǒng)的非接觸式微量加樣方法。介紹了加樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，并從理論上分析了非接觸式加樣中的最少加樣量；搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，并在不同加樣加速度的情況下對(duì)分液量進(jìn)行收集稱重，獲得了加速度與加樣量的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，在上位機(jī)確定加樣量的前提下，當(dāng)加速度為1 000 step/s2時(shí)，加樣量波動(dòng)最小，重復(fù)性CV為2.071%，滿足應(yīng)用要求。該方法還可應(yīng)用于其他生物醫(yī)療儀器的非接觸式微量自動(dòng)加樣設(shè)計(jì)中。

上位機(jī)； 加樣系統(tǒng)； 微步控制； 加速度； 加樣量； 重復(fù)性

0 引言

微量加樣系統(tǒng)是凝血分析儀等全自動(dòng)臨床分析儀器的重要組成部分。加樣精度將直接影響后續(xù)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性[1]。

試劑分配方法可分為接觸式和非接觸式兩種[2]。接觸式加樣存在交叉污染，需對(duì)針頭反復(fù)沖洗，降低了加樣效率[3]。非接觸式加樣避免了針頭污染，提高了加樣效率，是目前微量生物試劑分配技術(shù)發(fā)展的主要方向[4]。但目前關(guān)于全自動(dòng)凝血分析儀非接觸式微量加樣方法的研究還較少。本文基于SF-8000的全自動(dòng)凝血分析儀，對(duì)加樣量質(zhì)量和加速度的關(guān)系作了理論分析。通過不同的加速度控制加樣量，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)得出了該系統(tǒng)在滿足分液量為一滴試劑前提下的最優(yōu)加速度。通過大量重復(fù)性試驗(yàn)，最終得到了實(shí)際分液量[5-7]。

1 加樣原理

基于SF-8000的全自動(dòng)凝血分析儀,構(gòu)建了如圖1所示的非接觸式加樣系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、控制電路、步進(jìn)電機(jī)、傳送皮帶、微量注射器、毛細(xì)軟管、加樣針頭、測試杯等部分組成。計(jì)算機(jī)向控制電路發(fā)送信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的行程，通過傳送皮帶帶動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)，并配合使用內(nèi)直徑為0.5 mm的平頭加樣針進(jìn)行吸液/分液。

圖1 非接觸式加樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為避免系統(tǒng)液與試劑混合，采用氣動(dòng)置換的方式隔離兩種液體[8]。針頭處液體與氣體分布如圖2所示。

圖2 針頭處液體與氣體分布圖

在無外力作用下，系統(tǒng)液、氣泡以及試劑在垂直方向上保持平衡；當(dāng)活塞以恒定加速度向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，液滴將受力滴落[9]。對(duì)試劑樣本進(jìn)行如下受力分析。

假設(shè)管中氣體的壓強(qiáng)為P、試劑密度為ρa(bǔ)、管壁面積為S、重力常數(shù)為g、試劑與管壁之間單位長度上的黏性力為f1、外界壓強(qiáng)為Pa。當(dāng)液滴處于平衡狀態(tài)時(shí)，試劑受到氣泡向下的壓力、系統(tǒng)液重力、向上大氣壓強(qiáng)和試劑黏性力的共同作用，有:

PS+ρa(bǔ)SgHa=Haf1+PaS

(1)

由于試劑的黏性力較小，當(dāng)忽略黏性力的作用時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)的加速度、速度與試劑滴落的加速、速度大小相同、方向相反，則有：

(2)

(3)

式中：ΔHa為試劑下落的長度，即分液量。

由式(2)、式(3)可知，試劑分液量和加速度的大小有關(guān)，合理地選定電機(jī)加速度將直接影響分液質(zhì)量和精度。

2 系統(tǒng)搭建

試驗(yàn)系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制模塊、加樣步進(jìn)電機(jī)以及注射器組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

STM32主控芯片與上位機(jī)采用USB通信，接收上位機(jī)的加樣量指令；通過SPI接口向L6470步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片發(fā)布調(diào)速、定位等運(yùn)動(dòng)控制指令，并能實(shí)時(shí)反饋電機(jī)位置、運(yùn)行狀態(tài)等信息；通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)作，進(jìn)行注射器活塞的吸液/分液操作。

3 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了精確找出加樣量與加速度的關(guān)系，進(jìn)行以下試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析。首先，利用上位機(jī)給出固定的加樣量，通過改變加速度的大小，得到該固定加樣量的分液量；其次，在相同的加速度下，適當(dāng)改變加樣量所對(duì)應(yīng)的微步數(shù)，得到其分液量的誤差的大??；最后，利用上海精密科學(xué)儀器公司的微量分析天平TG332A，對(duì)分液質(zhì)量精確稱重，得到分液量的誤差。該微量分析天平最大載荷為20 g，分度值為0.01 mg。不同加速度對(duì)應(yīng)分液量的誤差數(shù)如表1所示。由表1可知，在同一加樣量情況下，當(dāng)加速度為800 step/s2時(shí)，試劑由于受力不足以克服試劑與針頭內(nèi)壁的摩擦力以及液體分子間的引力而無法完全滴落；當(dāng)加速度為1 500 step/s2時(shí)，試劑由于受力過大而導(dǎo)致試劑噴出，且每次噴出的質(zhì)量不固定，重復(fù)性較差；當(dāng)加速度為1 000 step/s2、脈沖數(shù)為2 570微步時(shí)，分液量質(zhì)量的最小誤差為5%。利用微量分析天平，對(duì)三種不同加速度情況下的每次分液量進(jìn)行稱重，得到300組分液量質(zhì)量與加速度的關(guān)系，其加速度分別為1 500 step/s2、1 000 step/s2、800 step/s2。通過分析對(duì)比可知，當(dāng)加速度為1 000 step/s2時(shí)，分液量的質(zhì)量波動(dòng)最小，因此可確定為最優(yōu)加速度。

表1 不同加速度對(duì)應(yīng)分液量的誤差

測量誤差概率分布如圖4所示。由圖4可知，誤差分布基本滿足正態(tài)分布。

圖4 測量誤差概率分布圖

利用如下公式，對(duì)300組測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：

(4)

(5)

(6)

式中：每滴液體的質(zhì)量均值為18.50 mg；標(biāo)準(zhǔn)差為±0.50 mg；重復(fù)性CV為2.701%。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，質(zhì)量離散程度較小。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制加樣方式滿足設(shè)計(jì)要求[10]。

4 結(jié)束語

本文基于全自動(dòng)凝血分析儀，研究了一種非接觸式微量加樣方法。結(jié)合步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制對(duì)加樣條件進(jìn)行了探討，得出了在加樣量一定情況下的最優(yōu)加速度。該方法不僅能夠最大限度地減少交叉污染、提高檢測效率，同時(shí)也能在最優(yōu)加速度下，滿足檢測過程中所需要試劑的加樣量。試驗(yàn)證明，該加樣法具有結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于全自動(dòng)臨床分析儀器中非接觸式的微量加樣。

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Study on the Methods of Noncontact Microscale Pipetting

XIAO Yanan1,ZHOU Zhehai1,2,GUO Yangkuan1,2,HE Qing1,2,ZHU Lianqing1,2

(1.Beijing Key Laboratory of Photoelectric Testing Technology,Beijing Information Science & Technology University,Beijing 100192,China;2.Biomedical Detection Technology and Instrument Laboratory in Beijing,Beijing 100192,China)

The method of pipetting is one of the critical factors influencing the accuracy of pipetting,while noncontact pipetting has become the main developing direction of microscale biological reagent pipetting technology.The relationship between the pipetting volume and the acceleration of the stepping motor is analyzed theoretically;and the micro step control module is designed based on the microscale pipetting system of SF-8000 fully automated blood coagulation analyzer.Through experimental verification analysis,the noncontact microscale pipetting method which can be used in this system is investigated.The structure and operational principle of the pipetting system are introduced;and the minimum pipetting volume in noncontact pipetting is analyzed theoretically,the test system is setup,and under different pipetting acceleration,the pipetting volume is collected and weighted,thus the relationship between acceleration and pipetting volume is obtained,The test results show that under the pipetting volume determined by the host computer,when the acceleration is 1 000 step/s2,the fluctuation of pipetting volume is minimized,and the repeatability ofCVis 2.071%,which meets the requirement of application.The method also can be applied for designing noncontact auto microscale pipetting in other biological medical instruments.

Host computer； Pipetting system； Micro-stepping control； Acceleration； Pipetting volume； Repeatability

長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(IRT1212)、北京市屬高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)與教師職業(yè)發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(IDHT20130518)

肖亞男(1990—)，女，在讀碩士研究生，主要從事生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)與儀器方向的研究。E-mail:13121667372@163.com。 周哲海(通信作者)，男，博士，副教授，主要從事光電檢測技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)及儀器方向的研究。 E-mail:zhouzhehai@bistu.edu.cn。

TH773;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703021

修改稿收到日期：2016-10-17