AutolumiS系列全自动化学发光测定仪的研究与设计

2014-02-05冯念伦孙仲轩苏本华杨盛林刘义庆贾向阳

中国医学装备 2014年9期

冯念伦孙仲轩苏本华杨盛林刘义庆贾向阳

冯念伦①孙仲轩②苏本华①杨盛林③刘义庆①贾向阳④

目的：开发国产全自动化学发光测定仪，有效推动我国免疫分析技术的发展。方法：基于直接化学发光机制设计全机，包括光、机、电、软件、液路及温控等控制部分；采用微量生物试样精确加样技术、精密运动控制、闪光检测以及多模块集成控制等技术。结果：AutolumiS系列全自动化学发光测定仪，目前已通过临床试验，并取得了医疗器械注册证。结论：该产品可衍生出全系列的微粒子化学发光诊断试剂产品，以较低的价格，满足临床日益增长的各种疾病的体外诊断的需求。

化学发光测定仪；直接化学发光；精密运动控制；精确加样；多模块集成控制；闪光检测

冯念伦,女,(1958- ),本科学历，主任技师。山东大学附属省立医院医学工程部、中国医学装备协会理事，从事医疗设备管理、技术保障及教学工作。研究方向：临床实验室设备的研究及维护维修。

[First-author’s address]Department of Medical Engineering, Shandong Provincial Hospital, Jinan 250021, China.

在体外诊断领域中免疫分析已成为重要手段，高通量微粒子化学发光测定仪则是免疫分析领域的顶端产品，具有高灵敏度、高特异性及检测时间短等优点，且在应付突发疫情等重大事件时可快速响应，应急能力突出。

以化学发光测定仪为中心的体外检测平台不但可对重大传染病(肝炎病毒、艾滋病毒、梅毒及结核等)进行有效诊断，同时可建立对其他疾病如：癌症、甲肝、糖尿病及心血管疾病等的定量测定方法，对提高我国的疾病防控水平，推动免疫技术的发展具有重大意义。

1 全自动化学发光测定仪原理与结构

1.1 工作原理

AutolumiS系列全自动化学发光测定仪基于直接化学发光机制进行设计，其为直接化学发光反应过程，利用生物免疫技术实现超顺磁固相载体与样本(抗原或抗体)和异鲁米诺标记抗体(或抗原)的特异性结合，从而形成免疫复合物，通过氧化反应使异鲁米诺标记物跃迁到不稳定的高能激发态，调整pH值使标记物还原到基态，还原过程中多余能量以光子形式释放，最后通过收集检测光子数量获得样本中待检物的含量信息(如图1所示)。

图1 直接化学发光反应过程

1.2 化学发光测定仪结构

全自动化学发光测定仪系统的嵌入式上位控制计算机用于任务规划、节拍控制和数据处理分析；测定仪本体由反应杯码垛模块、孵育区传送模块、三维加样模块、恒温孵育模块、洗涤模块、推送模块和测量模块等7个模块组成，用于实现微量人体血清样本、纳米磁珠和试剂的精确加样，抗原抗体的恒温免疫反应，磁珠的洗涤和分离，闪光的快速检测等任务，其结构如图2所示。

图2 AutolumiS系列组成框图

测定仪系统工作流程：操作者将待测样本和配套试剂盒分别放入样本区和试剂区，放置过程中扫描器扫描样本架、试管以及试剂盒上条码，并将其信息传送至上位机。当操作者选中样本需要进行某项测试时系统自动将码垛区的反应杯推送至A加样区→左加样针根据上位机传送来的参数将设定量的样本加入反应杯，并在1#洗涤站洗涤加样针→在A区的反应杯由推送杆推送至孵育模块→即B加样区，由右加样针将纳米磁珠、试剂加入反应杯，并在2#洗涤站洗涤加样针→按照设定的时间进行恒温孵育，以便免疫反应的充分进行→孵育完毕→推送杆将反应杯推送至洗涤区，经过设定次数的淘洗后反应杯内只剩下包备了抗原、抗体和发光底物的磁珠球，若不进行二步法，反应杯由推送模块直接送至测量室内(如进行二步法，则由推送模块将反应杯回送至C加样区→进行二次加样，加样完毕推送至孵育模块重新进行孵育，孵育完毕后重新进入洗涤模块)；当反应杯的一个孔到达测量窗口，由两个激发液加注泵按照指定的顺序和节拍加入H2O2和NaOH，由于发光底物异鲁米诺吸收了氧化还原反应释放的能量跃迁至激发态，而当调整了pH值后异鲁米诺回复至基态，该过程在3 s内完成，释放的光量子由安装在测量室后面的光电倍增管吸收→处理后将RLU值送至上位机，由上位机程序分析后给出对应被测量的浓度值。各模块安装位置如图3所示。

图3 各模块安装位置示意图

2 全自动化学发光测定仪技术指标与确定依据

2.1 技术指标和性能

AutolumiS系列全自动化学发光测定仪为开放式、流水线作业方式。分析项目具有80项以上的检测能力和急诊功能。技术指标为：①样品量为10.0～300.0 ml；②样本区温度为(37±0.5)℃，试剂区温度为6～12 ℃；③检测结果重复性CV≤5%；④处理速度为180 test/h；⑤测量上限，最大相对发光单位计数值在4 000 000个相对发光单位以上；⑥灵敏度，能够检测出0.2 pg发光物的发光值；⑦交叉污染率≤10-3；⑧加样精度，加样误差≤5%；⑨精密性，用精密性参考品测定，精密性CV应≤6%；⑩软件，包括运行软件和Service软件。

2.2 确定依据

AutolumiS系列全自动化学发光测定仪的安全指标全面贯彻国家标准GB4793.1-2007“测量、控制和实验室用电气设备的安全要求第1部分：通用要求”的内容和医药行业标准YY 0468-2008“测量、控制和试验室用电气设备的安全要求第2-101部分：体外诊断(IVD)医用设备的专用要求”[1-2]。环境适应性贯彻国家标准GB/T 14710-2009“医用电气设备环境要求及试验方法”的内容[3]。在制定AutolumiS系列全自动化学发光测定仪的性能指标时，由于尚无全自动化学发光测定仪的行业标准，故制定企业标准。

3 全自动化学发光测定仪关键技术研究

测定仪的组成结构和工作过程显示，AutolumiS系列全自动化学发光测定仪涉及光、机、电、软件、液路、温控以及化学发光免疫分析等多方面的综合技术，其系统结构复杂、控制时序要求严格、运行可靠性和精度要求高。尤其是微量生物试样精确加样、精密运动控制、闪光检测及多模块集成控制等技术对机器的性能影响重大[4]。

3.1 微量生物试样精确加样技术

微量样本、纳米磁珠和试剂的精确加样是AutolumiS系列全自动化学发光测定仪正确工作的前提。国内外研究表明，微量试样的加样方式分为接触式和非接触式两种，由于非接触式加样方式是借助外力作用将试样高速喷出，必须外带气源，会额外增加系统的复杂程度；同时，由于测定仪在进行不同参数测试时所加试样量各不相同，实心针结构的接触式加样方式无法调整加样试样的体积，为此系统采用针管接触式加样方式，其加样过程如图4所示。

图4 针管接触式加样过程示意图

图4 显示，加样液流回路主要由注射泵、注射阀、针头洗涤站、系统液瓶、加样针、废液瓶、蠕动泵和反应杯等组成。加样初始需先进行加样针的洗涤(如图4a所示)，注射阀1口、2口连通，注射器活塞向下运动吸取系统液，之后注射阀2口、3口连通(如图4b所示)，注射器活塞向上运动，系统液从加样针内部喷出并沿芯阀内腔上涌，从而实现加样针内外壁面的清洗；洗涤完毕(如图4c所示)，加样臂运动至样本架上方进行试样吸取，注射阀2口、3口连接，注射泵活塞向下运动，先吸取一段空气，然后加样针向下运动，直到液位探测器探测到试样，此时注射泵活塞继续向下运动完成指定量试剂吸取；如图4d所示，在试样加样时加样针首先运动到反应杯指定孔位置，然后注射泵活塞向上运动，将空气柱前端的试样全部加入反应杯孔[5]。

3.2 精密运动控制技术

在进行微量试样加样时，由于所加试样粘度较大，且液滴自身重力较小，最后一滴液滴不具备足够的能量克服表面张力的作用，因此挤出的液滴依靠与反应杯侧面的接触动作实现液滴的转移。因此，运动控制系统主要由3轴运动控制系统和其他辅助部分组成。

在加样过程中，加样时间以及加样针针头距离反应杯侧面的距离对加样精度有非常重要的影响，因此对3轴运动的精度要求较高。AutolumiS系列中Z轴滑台带动加样针做垂直方向运动，运动分辨率为0.1 μm，重复精度可以达到±0.5 μm，行程为15 mm，最大速度为10 mm/s。X轴和Y轴带动加样针做水平运动，重复定位精度10μm，行程分别为1000 mm和300 mm，最大速度分别为1000 mm/s和500 mm/s。

3.3 闪光检测技术

磁珠包被抗原抗体和发光底物后随着反应杯被送入测量室，根据图1直接化学发光反应原理，必须释放出发光底物让其发光才能够检测出被测物的浓度，为此设计一个完全密闭的暗室环境，其内部各部件工作原理如图5所示。

图5 测量系统原理框图

表征了激发液H2O2、NaOH加入的时序以及测量时间和相对光量子之间的关系曲线如图6所示[6]。发出的闪光由集光器接收，经光电倍增管放大，记录3 s内所产生的光量子，其积分与被测物含量成正比，按工作曲线和上位机处理模块即可计算出被测物的含量[7]。

图6 测量时间和相对光量子之间的关系曲线

3.4 多模块集成控制技术

为保证发光测定仪测试速度能够达到180个/h，必须使各模块按照一定的节拍以流水线模式进行工作，系统采用控制模式，即下位机控制系统作为执行控制模块，并向上位机反馈各执行机构运行状态；上位机处理模块根据各执行机构状态进行综合判断，给出驱动元件运行命令，同时将光电倍增管反馈回来的光量子数量换算成样本中所含抗原或抗体浓度(如图7所示)。

图7 控制系统结构框图

图7 中，光子计数器由光电倍增管(PMT)、稳压电源和数据处理模块构成，光子计数器与上位机通过RS232接口通讯[8]。Parm板用于控制驱动三维加样臂运动的2个MAXON伺服电机、2个FAULHABER电机和2个步进电机。P5板控制对象包括洗涤模块的传送机构和升降机构、反应杯回送机构、测量室传送机构和激发液加注头升降机构，2个激发液泵、6个洗涤泵和2个废液排出蠕动泵，并通过RS232接口读取试剂区和样本区信息。P3板在下位机控制系统当中充当主模块，在完成码垛模块、孵育区反应杯推送模块、孵育模块和洗涤模块传动机构控制的基础上，还负责通过CAN总线和上位机进行数据交换，并将获取的信息传送至P5板和Parm板，同时接收其反馈的各机构状态[9-10]。

3.5 工艺流程

AtuolumiS系列全自动化学发光测定仪生产工艺流程如图8所示。

4 结语

当前，欧美等发达国家全自动化学发光测定仪已成为相关检测领域的主流产品，国内随着健康需求的提升，市场需求大量的高通量化学发光测定仪，但目前尚被国外公司垄断，如：雅培公司的AXSYM全自动快速酶免疫分析系统，美国拜耳CS 180SE和ACS CENTAUR全自动化学发光免疫分析系统，德国索林公司的LIAISON全自动化学发光免疫分析仪，法国梅里埃公司的VIDAS全自动荧光酶标免疫测试系统等。近年来，国内有数家公司和研究机构已经开始研制该类测定仪，目前仅少量仪器已经开始用于临床检测。国内的三级甲等医院通常需要配备2台全自动化学发光测定仪；市县级医院逐步将全自动化学发光测定仪列为必要仪器，国内对高通量化学发光测定仪的需求量为1000套/年以上，且逐年大幅上升。

图8 AtuolumiS系列全自动化学发光测定仪生产工艺流程图

本研究研制的AutolumiS系列全自动化学发光测定仪，已通过临床试验，取得医疗器械注册证。全自动化学发光测定仪的运行需要大量的配套诊断试剂，因此该产品可衍生出全系列的微粒子化学发光诊断试剂，可满足临床日益增长的各种疾病的体外诊断的需求[11-12]。

[1]国家标准.GB4793.1-2007测量、控制和实验室用电气设备的安全要求第1部分：通用要求[S].国家质量监督检验检疫总局，2007-06-07.

[2]医药行业标准.YY 0648-2008测量、控制和试验室用电气设备的安全要求第2-101部分：体外诊断(IVD)医用设备的专用要求[S].国家食品药品监督管理局，2008-04-25.

[3]国家标准.GB/T 14710-2009医用电器环境要求及试验方法[S].国家质量监督检验检疫总局，2009-11-15.

[4]王志新，罗文广.电机控制技术[M].北京：机械控制出版社，2005：142-158.

[5]王平，叶学松.现代生物医学传感器技术[M].杭州：浙江大学出版社，2002：63-106.

[6]夏辛明.可编程控制技术及应用[M].北京：北京理工大学出版社，1999.

[7]高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例[J].环境科学学报，2004，5(2)：67-69.

[8]王大伦.数字信号处理-理论与实践[M].北京：清华大学出版社，2010.

[9]鲍安平.DSP处理器原理与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[10]李军.51系列单片机高级实例开发指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[11]肖刚.为Bayer ACS：180 plus全自动化学发光仪把脉[J].现代医学仪器与应用，2007(2)：80-81.

Research on the design of automatic chemiluminescence immunoassay(CLIA) system/

FENG Nian-Lun, SUN Zhong-xuan, SU Ben-hua, et al// China Medical Equipment,2014,11(9):30-34.

Objective:To promote the development of our immunoassay technology effectively, we designed a domestic automatic chemiluminescence immunoassay(CLIA) system.Methods:We designed the whole machine, based on the direct chemiluminescence mechanism, including light, machine, electricity, liquid, software, liquid, temperature control parts and other control parts. We also used accurate sample technology for the micro biological sample, precision motion control technology, flash detection technology, multi-modules integration controlled technology.Results:We developed the AutolumiS series automatic chemiluminescence immunoassay(CLIA) system successfully.Conclusion:Through clinical trials, the automatic chemiluminescence immunoassay (CLIA) system have gained medical equipment registration certificate. This product can be derived from the whole series of micro particle chemical luminescence diagnostic reagent products; it also can meet the clinical growing diseases in vitro diagnostic needs at a lower price.

Automatic chemiluminescence immunoassay system; Flash chemiluminescence; Precision motion control; Accurate sample; Multi-modules integration controlled; Flash detection

1672-8270(2014)09-0030-05

R197.39

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.09.011