新型磁珠分选纯化仪的研制

许颖原，陈 毅

上海铭源数康生物芯电有限公司，上海市，201403

新型磁珠分选纯化仪的研制

【作 者】许颖原，陈 毅

上海铭源数康生物芯电有限公司，上海市，201403

该文介绍了一种新型磁珠分选纯化仪的研制。该仪器的研制目的是从痰液中捕获结核菌，是用于临床标本前处理的自动化仪器，为临床辅助诊断结核病提供新一代的技术平台。该仪器功能齐全，不仅可以用于结核菌的分选，还能够用于基因、蛋白、细胞等物质的分选纯化，应用范围极广。该仪器采用了16位单片机作为控制核心，在确保各项功能和仪器可靠性的前提下，使仪器硬件成本大大下降，便于在国内推广应用。

免疫磁珠；分选；纯化；单片机

0 前言

本项目是国家“十一五”科技重大专项“艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治”中的一个子项目，仪器研制的目的是从痰液中捕获微量的结核菌，从而为医生的临床诊断提供一个高效、准确的技术平台。

目前结核菌的检测方法主要有：传统的涂片抗酸染色镜检法和聚合酶链反应（PCR），前者敏感性低，后者易出现假阴性和假阳性[1]。为了解决这个问题，通过大量的调研和对比，最终确定采用免疫磁珠分离技术来捕获痰液中的结核菌。

免疫磁珠是近年来发展起来的一项新的免疫学技术，它将固化试剂特有的优点与免疫学反应的高度特异性结合于一体，以免疫学为基础，渗透到病理、生理、药理、微生物、生化以及分子遗传学等各个领域，其在免疫检测、细胞分离、生物大分子纯化和分子生物学等方面得到了越来越广泛的应用。例如：将免疫磁珠应用于T细胞的分离纯化[2]以及将磁珠分离技术应用于DNA的提取[3]。

随着免疫磁珠分离纯化技术的发展，各种自动化磁珠分选纯化仪也应运而生，目前世界上比较知名的生产商有：美国赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific），德国美天旎生物技术公司等，国内也有一些公司生产类似的产品，但主要集中在小通量的仪器上，而且处理样品的工作体积都比较小，最大工作体积一般都不超过2 mL。而要从痰液中捕获结核菌，要求工作体积不少于5 mL，所以目前国内现有产品无法满足需要。美国赛默飞世尔科技公司的KingFisher Flex全自动磁珠纯化仪虽然能够满足要求，但是产品价格过于昂贵，我们鉴于条件限制，自主研发新型的磁珠分选纯化仪，并获得医疗器械注册证，通过项目的验收。

1 工作原理

1.1 免疫磁珠的工作原理

免疫磁珠是一种包被有单克隆抗体的磁性微粒,它可特异性地与靶物质(细胞、蛋白质、DNA 和细菌等) 结合，使之具有磁顺应性，继而在外加磁场的作用下被滞留，从而与其他成分分离，达到富集纯化的目的。其工作过程如图1所示。

1.2 磁珠分选纯化仪的工作原理

根据免疫磁珠的工作原理，可以设计出分离（如图2所示）和浓缩（如图3所示）的工作过程。

图1 免疫磁珠工作原理示意图Fig.1 The diagram of immunomagnetic beads operating

图2 磁珠分选纯化仪分离过程Fig.2 The process of separating

图3 磁珠分选纯化仪浓缩过程Fig.3 The process of concentration

在实际操作中，可以根据需要进行1～4次清洗，因此新型磁珠分选纯化仪在样品盘上设计了8个板位用于放置试剂和磁头套等，可以满足用户的不同需要。

2 技术方案

2.1 工作流程

2.1.1 工作程序设置

步骤数量设置 从痰液样品中提取磁珠、清洗和洗脱，每个动作算一个步骤；在本仪器中，清洗最多可以进行4次。在仪器的设计中，为了简化操作，每个工作程序都具有的动作不需要用户设置，例如：抓取磁头套、提取原液中的磁珠、将磁珠放入痰液样品和磁珠还原等。

设置板位号 设置样品盘上每个位置的用途；例如：1号位为放置磁头套，2号位为磁珠原液，3号位为痰液样品，4～7号位为清洗液，8号位为洗脱液。

设置孵育参数 如果需要对磁珠和痰液的混合物进行加热孵育时，就需要设置加热孵育的板位号和加热温度；例如：痰液样品在3号位，可以将3号位设置为加热孵育位置，同时设置加热的温度，通常为37oC。在这台仪器上可以实现对多个板位进行加热孵育。

2.1.2 放置试剂

按照工作程序设置的板位号，放置相应的试剂和物品。

2.1.3 开始工作

(1) 自动抓取磁头套 样品盘转动到放置磁头套的板位，磁头向下移动，到合适位置后，自动锁定磁头套，然后磁头和磁头套同步向上移动，完成抓取。

(2) 提取磁珠 样品盘转动到磁珠原液的放置位置，磁头和磁头套同步下移，进入磁珠原液，停留一段时间后，同步上移，完成磁珠提取。

(3) 磁珠放入痰液样品 样品盘转动到痰液样品位置，磁头和磁头套同步下移，浸入痰液样品，然后磁头单独上移，磁头套上下振荡，使磁珠与痰液样品均匀混合。如果选择了孵育功能，这时加热平台上升，开始进行加热孵育。

(4) 清洗 完成孵育后，磁头套首先上升与磁头结合，然后同步下移浸入痰液样品，完成磁珠吸取后，磁头与磁头套同步上升。样品盘转动到清洗液位置，磁头和磁头套同步下移，浸入清洗液中。磁头再次上升，而磁头套在清洗液中上下振荡，将磁珠与清洗液充分混合。

(5) 洗脱 清洗完成后，磁头套上升与磁头结合，然后同步下降浸入清洗液中吸取磁珠，完成后同步上升。样品盘转动到洗脱液位置，磁头和磁头套同步下降，浸入洗脱液后，磁头再次上升，磁头套在洗脱液中上下振荡，完成洗脱过程。

(6) 磁珠还原 洗脱完成后，磁头套上升与磁头结合，然后同步下移浸入洗脱液提取磁珠，完成后同步上升。样品盘转动到磁珠原液位置，磁头和磁头套同步下移，浸入磁珠原液后，磁头上移，磁头套在磁珠

原液中上下振荡，将磁珠释放在磁珠原液中，然后磁头套上升。

(7) 程序完成 当磁珠还原完成后，样品盘转动到磁头套位置，磁头套单独下降，到达指定位置后，松开磁头套。然后样品盘转动，将洗脱液转动到出口处，完成整个工作流程。

2.2 仪器的设计

本项目采取了核心技术自主研发，部分配件外购的策略进行。仪器的主要部分：电气控制系统的设计加工、机械运动系统的设计加工和软件设计均自主研发完成。磁头、磁头套和试剂板从美国赛默飞世尔科技公司采购。采用这种方案，不仅使得项目能够在一年半的时间内完成，而且仪器的硬件成本大大低于进口设备的售价，如果批量生产，硬件成本有望进一步降低。仪器的外形如图4所示：

图4 新型磁珠分选纯化仪的外形Fig.4 The appearance of the instrument

新型磁珠分选纯化仪的主要功能是按照设定程序运行，因此控制核心采用的是16位单片机，实际证明单片机控制系统就能够满足要求。

美国赛默飞世尔科技公司的KingFisher Flex全自动磁珠纯化仪的工作程序设置需要外接电脑来完成。为了方便用户的使用，新型磁珠分选纯化仪使用了5.6英寸液晶触摸显示器，使得用户能够直接在仪器上完成程序的编制。并且界面全部汉化，大大方便了国内用户的使用。

在整个仪器中，最重要的应该是对于样品盘的控制和位置测量。由于样品盘需要放置8块试剂板，每块试剂板的长宽为(127.8×85.4) mm2，所以样品盘的直径设计为500 mm。而样品盘位置的准确性将直接影响仪器工作的可靠性，如果样品盘位置误差过大，将造成磁头无法准确插入试剂板内，严重时甚至会损坏磁头，使磁棒断裂。为了准确控制样品盘的位置，设计中在样品盘下方安装了旋转编码器，它每圈产生1 000个脉冲。为了防止主CPU无法准确采集旋转编码器的脉冲信号，专门采用了一个辅助单片机对旋转编码器的信号进行采集和处理，并控制样品盘的转动。除此之外，还在样品盘上设计了一个零位传感器，每当样品盘旋转通过这个传感器时，计数单片机就会对计数值清零，避免产生累计误差。通过这些手段，使得样品盘的角度误差小于0.3o，确保了磁头和磁头套能够准确插入试剂板。图5为仪器电气控制系统示意图。

图5 控制系统示意图Fig.5 The diagram of the control system

3 结论

经过努力，终于在规定时间内完成了本项目，并且获得国家医疗器械注册证。新型磁珠分选纯化仪的主要性能指标与进口仪器相当，单步的磁珠回收率不低于98%。同时，自主研发大大降低了仪器的成本，便于今后的推广应用。

[1] 郑玉群. 免疫磁珠分离联合涂片、PCR法检测痰内结核分枝杆菌的方法学研究与评价[D]. 东南大学, 2010.

[2] 杨曌, 傅晓岚, 尚小云. 免疫磁珠负性分离纯化小鼠脾脏CD8^＋T细胞[J]. 免疫学杂志, 2007, 23(1): 91-93.

[3] 高秋月, 景奉香, 李海燕. 基于磁珠的细菌基因组DNA快速提取方法[J]. 安徽农业科学, 2010, 38(21): 11071-11074.

Development of New Magnetic Bead Separation and Purif i cation lnstrument

【 Writers 】Xu Yingyuan, Chen Yi
SHMY Healthdigit Biochips Co. Ltd., Shanghai, 201403

【 Abstract 】The article describes the development of new magnetic bead separation and purification instrument. The main application of the instrument is to capture tubercle bacillus from sputum. It is a pretreatment instrument and provides a new platform to help doctors to diagnose bacillary phthisis. Not only could it be used for tubercle bacillus capturing, but also for gene, protein and cell separating and puri fi cation. Because the controller of the instrument is 16-bit single chip microcomputer, the cost could be greatly reduced and it will be widely used in China.

immunomagnetic beads, separation, puri fi cation, single chip microcomputer

R185

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.03.011

2013-11-24

国家“十一五”科技重大专项（2008ZX-10003-001）

许颖原，E-mail: xuyingyuan@hotmail.com

1671-7104(2014)02-0199-03