王 嶠，楊東超，葉 翀

（清華大學(xué) 機(jī)械工程系機(jī)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(jìn)行化學(xué)物質(zhì)檢測的自動(dòng)化分析設(shè)備。分析儀通過實(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jì)方案，重點(diǎn)介紹了存儲(chǔ)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(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)設(shè)計(jì)，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(jì)中，全自動(dòng)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(jìn)入孵育區(qū)進(jìn)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(qiáng)度進(jìn)行檢測。將所得數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)品測出的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對照，計(jì)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(chǔ)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(chǔ)模塊

樣品、試劑存儲(chǔ)模塊主要用于存放待測樣品及各種相關(guān)試劑，同時(shí)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(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖3 分析儀存儲(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)圖

存儲(chǔ)模塊由兩個(gè)樣品轉(zhuǎn)盤和一個(gè)試劑轉(zhuǎn)盤組成。樣品轉(zhuǎn)盤和試劑轉(zhuǎn)盤均設(shè)計(jì)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(dòng)將待測樣品依次傳送到加樣位置，等待加樣模塊進(jìn)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(dòng)將所用試劑傳送到加樣位置。用于實(shí)驗(yàn)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(dāng)待測樣品較多時(shí)，備用樣品轉(zhuǎn)盤可用于放置樣品。此時(shí)，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(chǔ)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(dòng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，存儲(chǔ)模塊還可以直接完成將樣品和試劑傳送到加樣位置的動(dòng)作，無需增加其他傳動(dòng)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(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了樣品和試劑的傳送操作，減小了加樣模塊進(jìn)行加樣操作的行程，進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)，即可在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，完成有磁珠標(biāo)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(yùn)動(dòng)軌跡控制加樣單元準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，按照特定的順序?qū)⒚笜?biāo)記抗原、待測樣品、磁珠標(biāo)記抗體加入到反應(yīng)杯中，完成加樣操作。化學(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(yùn)動(dòng)，可分別控制三個(gè)加樣單元到達(dá)不同的加樣位置。加樣模塊采用三個(gè)加樣單元分別攜帶加樣針，可同時(shí)吸取存儲(chǔ)模塊中的樣品和試劑，依次加入到反應(yīng)杯中進(jìn)行反應(yīng)，有效避免交叉污染；并且在清洗操作時(shí)，能夠同時(shí)對三根加樣針進(jìn)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(shí)的操作時(shí)間，有效地提高加樣操作的效率。同時(shí)，分析儀可通過控制存儲(chǔ)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(jìn)行直線移動(dòng)，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(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)檢測過程中實(shí)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(gè)工作流程能夠連續(xù)進(jìn)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(dòng)模塊俯視圖。傳動(dòng)模塊主要由底盤和四個(gè)反應(yīng)盤組成。每個(gè)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(gè)反應(yīng)盤均勻地布置于底盤圓周上。

當(dāng)反應(yīng)杯需要加樣時(shí)，反應(yīng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度到達(dá)加樣位置，即進(jìn)行“自轉(zhuǎn)”。當(dāng)加樣操作完成后，反應(yīng)盤再次轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使下一個(gè)位置的反應(yīng)杯到達(dá)加樣位置，等待下一次加樣操作的進(jìn)行，依此類推。

當(dāng)分析儀對一個(gè)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(jìn)行“公轉(zhuǎn)”：轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)四個(gè)反應(yīng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)90°，“公轉(zhuǎn)”過程中反應(yīng)盤保持靜止。傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

該傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于：1）在反應(yīng)杯數(shù)目滿足實(shí)驗(yàn)的孵育時(shí)長和高通量的條件下，將反應(yīng)杯平均布置于四個(gè)反應(yīng)盤上，可有效減小傳動(dòng)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(gè)反應(yīng)盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以保證每個(gè)反應(yīng)盤的操作相互獨(dú)立，互不干擾；3）反應(yīng)盤模塊化設(shè)計(jì)，當(dāng)一個(gè)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(shí)驗(yàn)檢測的連續(xù)性。

2.4 加載模塊

分析儀的加載模塊由一個(gè)機(jī)械臂構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。機(jī)械臂由移動(dòng)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(dāng)電磁鐵通電時(shí)，夾取裝置張開；當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，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(gè)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(gè)夾取用孔。當(dāng)一個(gè)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(jī)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(dòng)到回收位置。之后，將備用的反應(yīng)盤移動(dòng)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(jī)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(shí)驗(yàn)用品的更換操作，使得實(shí)驗(yàn)測試能夠連續(xù)不斷地進(jìn)行，進(jìn)而增加實(shí)驗(yàn)的測試通量和儀器工作效率。同時(shí)，采用機(jī)械臂進(jìn)行相關(guān)操作，提高了分析儀的自動(dòng)化程度，減少了實(shí)驗(yàn)人員的人工干預(yù)。另外，末端夾取裝置通過電磁鐵進(jìn)行控制，減少了電機(jī)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(jì)、機(jī)器人及自動(dòng)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(jì)方案，對分析儀存儲(chǔ)模塊、傳送模塊、加樣模塊和加載模塊進(jìn)行了具體的結(jié)構(gòu)和功能分析。

存儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)方式，克服了高通量、體積小的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，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(dú)立的加樣單元還能夠避免交叉污染；加載模塊負(fù)責(zé)更換備用用品，提高分析儀工作連續(xù)性和自動(dòng)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(chǔ)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(jī)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(chǔ)器：中國,202305541U[P].2012-07-04.

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