AutolumiS 3000 型化學(xué)發(fā)光分析儀溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能分析

姚繼承 叢海燕 劉鵬 袁曉燕 曲業(yè)敏 宋宇 馬淑青 王明義

作者單位：264200 山東威海，威海市立醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室（姚繼承、從海燕、劉鵬、袁曉燕、曲業(yè)敏、宋宇、馬淑青、王明義）

264200 山東威海，威海威高生物科技有限公司（姚繼承）

全自動(dòng)微粒子化學(xué)發(fā)光分析儀是臨床檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能完善，主要用于傳染性疾病、內(nèi)分泌激素、腫瘤標(biāo)志物等檢測，極大程度地降低了人為操作失誤和主觀判斷因素的影響，檢測結(jié)果客觀準(zhǔn)確［1-2］。溫度控制（溫控）系統(tǒng)作為全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光分析儀的關(guān)鍵部件之一，可保證樣本血清和試劑在特定溫度條件下進(jìn)行檢測，這是為臨床提供可靠醫(yī)療參考數(shù)據(jù)的前提，因此其對溫度控制的精度和穩(wěn)定性直接影響儀器的檢測性能。為保證樣本反應(yīng)及測量環(huán)節(jié)質(zhì)量，獲得精確的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，在化學(xué)發(fā)光儀自主研制過程中對溫控系統(tǒng)的性能提出更高的要求。AutolumiS 3000 型化學(xué)發(fā)光分析儀采用模塊化分區(qū)設(shè)計(jì)的新型溫控系統(tǒng)，升溫快速、加熱均勻且穩(wěn)定性好，現(xiàn)對AutolumiS 3000 型溫控系統(tǒng)介紹如下。

1 溫控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為保證溫度控制精度，最大限度地降低溫度變化對樣本檢測帶來的影響，AutolumiS 3000 型儀器使用新型溫控裝置系統(tǒng)，該溫控系統(tǒng)采用模塊化分區(qū)控制方法，分區(qū)主要包括孵育裝載區(qū)、孵育區(qū)、回送裝載區(qū)、試劑儲(chǔ)存區(qū)和測量區(qū)等。溫控系統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)提高了對溫度的控制精度，避免了因溫度變異引起的結(jié)果異常。主板芯片可實(shí)現(xiàn)總溫度動(dòng)態(tài)控制，對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有過熱保護(hù)作用。溫控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖見圖1。

圖1 溫控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖

2 孵育溫控模塊

2.1 孵育裝載區(qū) 孵育裝載區(qū)是將左加樣反應(yīng)杯推送至孵育模塊的裝置，通過10W 56Ω 加熱電阻和溫度傳感器控制，對加樣樣本和試劑進(jìn)行加熱，使溫度保持為（37±1）℃。孵育裝載溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2A。

2.2 孵育區(qū) 樣本與試劑混合后的反應(yīng)過程對溫度極其敏感，維持該過程反應(yīng)液溫度的準(zhǔn)確和恒定是保證檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵，對控制精度的要求較高。該模塊通過加熱孵育箱內(nèi)的空氣，為化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供恒溫孵育環(huán)境，此過程預(yù)熱時(shí)間短、升溫快速而穩(wěn)定。孵育區(qū)溫控系統(tǒng)的被控對象為孵育1～16 槽反應(yīng)杯中的免疫復(fù)合物，保證抗原-抗體在特定溫度條件下充分反應(yīng)。孵育模塊的加熱片位于孵育箱下方，對孵育箱槽反應(yīng)杯中結(jié)合的免疫復(fù)合物進(jìn)行加熱，通過硅膠隔熱片下的溫度傳感器進(jìn)行控制，使孵育區(qū)溫度保持為（37.0±0.5）℃。孵育模塊溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2B。

2.3 回送裝載區(qū) 回送裝載區(qū)將二次加樣的反應(yīng)杯從回送區(qū)推送至孵育區(qū)，主要對二次加樣的樣本和試劑進(jìn)行加熱，通過10W 56Ω 加熱電阻和溫度傳感器控制，使溫度保持為（37.0±1.0）℃?；厮脱b載溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2C。

圖2 孵育溫控模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3 測量區(qū)溫控模塊

3.1 測量室內(nèi)部溫控結(jié)構(gòu) 采用空氣恒溫干浴溫控方式，測量區(qū)溫控模塊空氣通過聚酰亞胺加熱片1 和聚酰亞胺加熱片2 配合散熱片1 和散熱片2，對測量室內(nèi)部空氣進(jìn)行加熱。傳感器1 和傳感器2 分別采用BW 熱保護(hù)器（塑殼）ABS-65 ℃控制兩個(gè)加熱片溫度。傳感器3 是內(nèi)部空氣溫度傳感器（型號(hào)為B57703M0103A017），通過調(diào)控保持內(nèi)部空氣溫度為（33.0±1.0）℃。空氣通過兩個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行循環(huán)，以促進(jìn)空氣的流動(dòng)，避免局部過熱。測量區(qū)溫控模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)圖和儀器實(shí)物圖見圖3A～B。

圖3 測量區(qū)溫控模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 測量室外部溫控結(jié)構(gòu) 為減少環(huán)境因素對溫度穩(wěn)定性的影響，測量室外罩粘貼泡棉，可起到減少熱量散失、維持測量室內(nèi)溫度恒定的作用。測量室底板加熱采用溫度保護(hù)開關(guān)，可防止測量室室內(nèi)溫度通過底板散失，也增加了底板溫度保護(hù)的作用。見圖3C～D。

4 試劑儲(chǔ)存區(qū)溫控模塊

試劑儲(chǔ)存區(qū)溫控模塊的控制對象是試劑倉，對試劑倉進(jìn)行制冷控制以維持低溫狀態(tài)，從而長期保證試劑質(zhì)量，其對溫控精度的要求低于孵育模塊。試劑區(qū)采用5 個(gè)半導(dǎo)體制冷機(jī)芯組件對試劑存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行制冷，其中3 個(gè)串聯(lián)制冷機(jī)芯組件為一組，另外2 個(gè)串聯(lián)制冷機(jī)芯組件為一組，均勻分布在試劑倉底部。底部使用散熱片和風(fēng)扇散熱，通過底部溫度傳感器控制保持試劑區(qū)溫度為8～12 ℃，見圖4。

圖4 試劑儲(chǔ)存區(qū)溫控模塊示意圖

5 討論

全自動(dòng)生化分析儀是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)所必需的重要設(shè)備，其研發(fā)涉及光學(xué)、機(jī)械、電子、生物化學(xué)分析等多學(xué)科多方面內(nèi)容［3］。自20 世紀(jì)90 年代以來，檢測高效、自動(dòng)化程度高、功能齊全的大型自動(dòng)生化分析儀成為現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室的主流裝備，其實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室化學(xué)檢測的自動(dòng)化，節(jié)約了檢測時(shí)間，簡化了檢測程序，提高了檢測結(jié)果質(zhì)量，但國內(nèi)使用的此類儀器基本由國外進(jìn)口［4］，直至21 世紀(jì)，我國為打破國外壟斷的市場，開始正式研發(fā)全自動(dòng)生化分析儀。因?yàn)榇郎y樣品和儀器試劑只有保持在特定的溫度下，生化檢測結(jié)果才具有可靠性，所以在整個(gè)儀器系統(tǒng)中，溫控系統(tǒng)的準(zhǔn)確度將直接影響檢測結(jié)果的精準(zhǔn)與否［5］?？偠灾?，各全自動(dòng)生化分析儀能否對溫度進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控是影響儀器性能好壞的關(guān)鍵。

微粒子化學(xué)發(fā)光法是目前常用于臨床感染性疾病檢測的免疫分析技術(shù)，其檢測原理主要涉及免疫分析階段抗原抗體的特異性結(jié)合，該化學(xué)反應(yīng)過程對溫度變化極其敏感，因此實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定和精準(zhǔn)控制是保證檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵［6-7］。目前，國產(chǎn)化學(xué)發(fā)光儀器的型號(hào)較少，且分析速度和精度與國外同類產(chǎn)品仍存在一定差距。溫控是化學(xué)發(fā)光儀的重要性能指標(biāo)之一，注重自主研制過程中儀器溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高其穩(wěn)定性和均一性，可在一定程度上加快儀器自主化研發(fā)的進(jìn)程。

隨著科技水平的發(fā)展，國內(nèi)外對溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)優(yōu)化，目前已研發(fā)出多種溫控方式，包括水浴、空氣浴、恒溫液浴加熱、固體干浴等［8］。AutolumiS 3000 溫控系統(tǒng)采用空氣恒溫干浴方式對孵育和測量環(huán)境進(jìn)行加熱，升溫迅速，并通過風(fēng)扇使空氣流動(dòng)，避免了局部過熱對檢測結(jié)果的影響，克服了水浴恒溫方式升溫過程緩慢的缺點(diǎn)。水浴恒溫方式的優(yōu)點(diǎn)為溫度均勻且穩(wěn)定，但恒溫水在長時(shí)間使用過程中水質(zhì)清潔度會(huì)降低，導(dǎo)致微生物或礦物質(zhì)聚集沉淀，須定期換水并防止氣泡產(chǎn)生，以維持溫控精度，操作較為繁瑣［3］；而固體干浴方式雖然導(dǎo)熱快且不易受環(huán)境影響，但由于溫控裝置中加熱帶電阻值可能存在分布不均勻的現(xiàn)象，通過接觸式熱傳導(dǎo)直接傳遞熱量會(huì)使反應(yīng)液受熱不均而導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)不充分，對檢測結(jié)果有一定影響［9-10］；恒溫液加熱方式指在反應(yīng)杯周圍循環(huán)一種不變質(zhì)、不蒸發(fā)、無污染的穩(wěn)定液，恒溫液的特點(diǎn)為熱容量高、蓄熱能力強(qiáng)、無腐蝕性，該技術(shù)既能兼顧水浴恒溫方式溫度穩(wěn)定且均勻的優(yōu)點(diǎn)，又能保留空氣浴升溫快、無需維護(hù)保養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)，還克服了固體干浴加熱不均的缺點(diǎn)，也不存在水浴水質(zhì)及氣泡的影響，是目前性能最好的孵育方式，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，產(chǎn)品化成本較高，導(dǎo)致應(yīng)用受限［11］。

綜上所述，AutolumiS 3000 溫控系統(tǒng)通過模塊化分區(qū)設(shè)計(jì)對各溫控部位進(jìn)行調(diào)控，能精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)試劑區(qū)與功能區(qū)對溫度的不同需求，提高了溫度控制的靈敏性。該系統(tǒng)的孵育區(qū)和測量區(qū)通過加熱片、散熱片與溫度傳感器共同調(diào)控，對空氣進(jìn)行加熱，使反應(yīng)液溫度分別精確控制在（37.0±0.5）℃和（33.0±1.0）℃，試劑存儲(chǔ)區(qū)采用半導(dǎo)體制冷機(jī)芯組件對試劑倉進(jìn)行制冷可保證溫度維持在8～12 ℃，獨(dú)立的溫控模塊設(shè)計(jì)可有效避免溫度差異引起的結(jié)果異常，從而使全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光分析儀的檢測性能得到提高。