（机械制造及其自动化专业论文）微量液体自动加样装置的研制.pdf

摘要 针对国内全自动生化分析仪对微量液体自动加样装置的需求，本文设计 并制备出一种基于应用于微量液体自动加样装置，用来精确定量汲取及释放 样品。 本文建立了微量液体自动加样装置的总体设计方案，分析了设计方案是 否能够达到要求的精度指标。根据理论分析，误差分析，寻找误差补偿的方 法，减小和消除误差的途径，预估设计方案可能达到的精度，完成了微量液 体自动加样装置的研制，并对其进行了实验验证，满足设计提出的功能和精 度的要求，应用在全自动生化分析仪上可以大量降低进口部件的成本。 关键词：全自动生化分析微量液体加样精度误差 a b s t r a c t a i m e da td o m e s t i ca u t o m a t i c b i o c h e m i s t r ya n a l y z e r sa u t o m a t i cm i c r o l i q u i d s a m p l i n gd e m a n d s t h i sp a p e rd e s i g n sa n dm a n u f a c t u r e sas o r to fe q u i p m e n tb a s e do n a u t o m a t i cm i c r o - l i q u i ds a m p l i n g ，w h i c hi su s e dt os u c ka n dr e l e a s es a m p l ea c c u r a t e q u a n t i t a t i v e l y t h i sa r t i c l ee s t a b l i s h e sa u t o m a t i cm i c r o l i q u i ds a m p l i n ge q u i p m e n to v e r a l ld e s i g n p r o g r a m ，a n da n a l y z e st h ea b i l i t yt om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s p r e c i s i o nt a r g e t s a c c o r d i n g t ot h et h e o r ya n a l y s i s ，e r r o ra n a l y s i st of i n dw a y so fe r r o r c o m p e n s a t i o nt o r e d u c ea n de l i m i n a t et h ee r r o rr o u t e s ，a n df o r e c a s t st h ep o s s i b l ea c c u r a c yo ft h e d e s i g n ，a n dv e r i f i e sb yt e s t s ，a n dt h er e s u l ts a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n e d f u n c t i o na n dp r e c i s i o n t h er e s u l to ft h i ss t u d yc a nb ea p p l i e dt od e d u c et h ec o s to f i m p o r t i n ga u t o m a t i cb i o c h e m i s t r ya n a l y z e r ss p a r ep a r t sg r e a t l y k e yw o r d s ：a u t o m a t i c b i o c h e m i s t r ya n a l y z e r , m i c r o l i q u i d ，s a m p l i n g ， p r e c i s i o n ，e r r o n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文微量液体自动加样装置的研制是本人 在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 作者签名：二笺l 摇毛乙卫孝e 蛐 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名：j j 垂已q 降已蛐 指导导师签名：建2 习套逛往至目! z 目 第一章绪论 1 1 引言 本文进行研究的微量液体自动加样装置主要应用于全自动生化分析仪中，用来精 确定量汲取及释放样品。 全自动生化分析仪属于临床生化与病理检验设备，用于医疗机构进行肝功、肾功、 心功能、血糖、血脂、胆固醇、矿物质、蛋白等临床生化指标的检验，是医疗机构必 备的常规检验仪器，在临床生物化学检验中具有重要的作用。 全自动生化分析仪是典型的综合性设备，是光、机、电、算、真空、制冷、恒温 结合的大型精密仪器，涉及的学科门类较多、技术复杂，是光、机、电、算、真空、 制冷、恒温等综合技术的有机集成。全自动生化分析仪的整机技术是以自动控制的精 密机械方式模拟手工操作，自动完成样品取样、放样、添加试剂、恒温保温、显色、 比色、清洗等过程并给出测试结果和报告打印等多个步骤，使一个分析项目的整个过 程按预定的程序自动完成，既可以对多个样品按同一方式连续处理又可以对一个样品 同时进行多项目检测。 目前，国内使用的全自动生化分析仪基本依赖国外进口，国外产品占据着我国市 场，每年国家都要花费巨资来进口全自动生化分析仪。 随着我国医疗水平的逐步提高，国内医疗机构要求诊断指标的增多，测试工作量 也越来越大，对全自动生化分析仪器的需求也同益增大。虽然部分大型医疗机构依靠 进口配备了全自动尘化分析仪，但这远远不能满足需求。随着医学的发展，中小型医 疗机构对全自动生化分析仪的需求也越来越迫切。 为了发展我国自己的全自动生化分析仪产业以及加快全自动生化分析仪产品的国 产化速度，国家科技部把全自动生化分析仪连续作为“九五”、“十五”国家科技攻关 重大项目进行研制开发及产业化。 实现全自动生化分析仪器的国产化，不仅可以打破国外的技术封锁和垄断，发展 我国自己的全自动生化分析技术和产业，满足国内需求、节省外汇，而且因为全自动 生化分析仪的研制开发涉及光学、精密机械、自动控制、应用软件等多学科，因此发 展全自动生化分析仪器产业可以带动相关产业的发展，也是推动我国国民经济发展的 重要动力。 1 2 全自动生化分析仪的原理及结构 “紫外及可见分光光度法( u l t r a v i o l e t v i s i b l es p e c t r o p h o t o m e t r y , u v - v i s ) 是根据 物质分子对紫外及可见光谱区的吸收特性和吸收程度，对物质进行定性和定量分析的 一种吸收光谱法。全自动生化分析仪临床检验血液中各物质含量的分析就是应用这种 方法，根据分析化学中的显色反应，利用不同的生化试剂把不同物质的含量通过颜色 深浅反应出来，再由郎伯比尔定律定量分析其浓度。 1 2 1 郎伯一比尔定律 布格( b o u g u e r ) 和郎伯( l a m b e r t ) 先后在1 7 2 9 年和1 7 6 0 年阐明辐射强度和吸 收层厚度的关系，1 8 5 2 年比尔( b e e r ) 又提出辐射强度和吸收物浓度也具有类似的关 系，这便是著名的布格郎伯比尔定律。比尔定律的数学表达式为： a ：o g j ：钆c ( 1 1 ) 在式中，a 吸光度 i o 入射辐射强度 i t _ 为透过辐射强度 卜为吸收层厚度( c m ) ， c 为吸收物的摩尔浓度( m ) 为摩尔吸光系数( l m o l 一c m l ) 此定律广泛应用于紫外可见红外光谱区吸收测量，全自动生化分析仪中各项生化 指标的检验也依据于此定律。 1 2 2 全自动生化分析仪结构 全自动生化分析仪按比色方式分可分为连续流动式和分立式两大类，工作原理、 结构装置和工作模式既有相同或近似之处，也有很大差别。本节就目前应用最广的、 发展前景最好的是分立式全自动生化分析仪的基本结构和工作原理作一介绍。 全自动生化分析仪的光路如图1 1 ，光源发出一族谱线，从3 0 0 n m 8 0 0 n m ，光线 经过透镜穿过样品后到达单色器，单色器把谱线分成阵列单色光后由探测器测量各个 谱线的吸光度，最后由主机进行信号处理。 踟圈 单色器 例1 1 全自动生化分析仪光路图 全自动生化分析仪主要由加样系统、反应系统、光度检测系统、控制系统、数据 管理系统。 ( 一) 加样系统 1 、样品准备样品架上可放置塑料样品杯或直接放离心后的样品管。样品架可根据分 析仪的设计分成圆盘状、传送条带状等类型。具备条形码的全自动生化分析仪可直接 阅读样品管上的条形码信息，从而指令分析仪进行检测分析：不具备条形码的全自动 生化分析仪需要进行手工输入患者的有关信息及检测的项目。 2 、样品取放样品吸取及释放由主控计算机控制微量样品自动加样装置完成。加样的 基本过程如下：微量样品自动加样装置的取样针首先在清洗位进行内外清洗，然后摆 2 动到样品杯的上方下降并插入到样品杯中吸取一定量的样品，吸样品后，取样针升高 离开样品杯并摆动到反应杯的上方再下降插入到反应杯中释放样品，然后再升高离开 反应杯回到清洗位，这样就完成了一个加样周期。取样针上一般装有液面感应器，主 要目的是为了防止样品没有时空吸或针头插入样品过深吸入到样品中下层的血凝块。 3 、试剂分配试剂分配系统由试剂室、试剂加样装置、搅拌器等部分组成。试剂室一 般具有冷藏装置，可放置十几种甚至几十种试剂，试剂容器的大小与试剂的用量和工 作速度成正比。用条形码的分析仪可以自动识别试剂的种类。试剂加样装置的原理及 工作方式与微量样品自动加样装置基本相同。试剂分配过程和加样过程基本相同，只 是增加了一步搅拌过程。搅拌可由试剂冲液混合或搅拌棒直接搅拌完成。双试剂式分 析仪由第二试剂室和第二试剂加样装置组成，部分分析仪还可以根据计算机的指令， 添加第三甚至第四试剂。 根据布格郎伯比尔定律，物质的吸光度与物质的浓度成正比。生化分析过程就是 检测血清中某种特定物质的浓度，为了准确地测定物质的浓度，物质的体积一定要准 确，因此对微量样品自动加样装置的精度提出了很高的要求。 ( 二) 反应系统 当一定量的样品和一定量的试剂防到反应杯里后，样品和试剂开始发生反应，也 就是进行显色。各类化学反应尤其是酶类的反应需要一个恒定的温度，才能得到可靠 的结果，大多数仪器的恒温温度有3 7 、3 0 或2 5 3 档可供选择，有的固定为3 7 。恒温方式可分为恒温空气浴、恒温水浴或p e l t i e r 半导体控温等。为了保证比色杯 中反应液有0 1 的精度，分析仪对环境温度有一定要求，尤其是恒温空气浴和p e l t i e r 半导体恒温的分析仪。 在样品和试剂在反应过程中或反应完毕后进行比色。比色是在比色杯中进行的。 比色杯有多种形式，这里主要就分立式比色杯和流动池式比色杯两种形式作一个介绍： l 、分立式比色杯：分立式比色杯和反应杯是统一的，反应杯同时是比色杯。样品和试 剂在反应杯中显色后直接在反应杯中进行比色。比色杯的数量与检测速度有关，一般 都在1 0 0 个左右，有些组合式分析仪可由双圈比色杯组成，其数量更多，速度更快。 比色杯的光径一般为5 1 0 m m 。反应过程分别在各自比色杯中直接完成，经吸光度检测 后计算出结果。比色结束后比色杯作自动反复冲洗、吸干，自动检测杯空白，合格后 继续循环使用。未通过自动检查的比色杯分析仪会自动报警提示，有些分析仪还会自 动停止工作。 2 、流动池式比色杯：流动池式比色杯和反应杯是分立的。样品与试剂的反应在反应杯 中完成，然后按顺序抽吸入比色杯中进行比色测定。各测定之间需消耗一定时间，尤 其是速率法检测所耗时间更长，因此此类分析仪的工作速度难以提高。 ( 三) 光度检测系统 光度检测系统是生化分析仪的核心，其它执行机构及控制系统都是围绕光度检测 系统进行的。光度检测系统是用来测量空白水、血清与试剂混合后的反应液吸收值并 转换为吸光度值，进而获得临床所需的检验数据。 l 、光源 多数采用卤素灯，工作波长3 2 5 8 0 0 n m 。少数分析仪用氙灯，工作波长 2 8 5 7 5 0 h m ，氤灯可检测部分需紫外光检测的项目。由于光源自身产热较严重，有些分 析仪还特意安装了水冷装置，使光源的寿命大幅提高。 2 、分光装置采用干涉滤光片或光栅分光。干涉滤光片虽然价格便宜，但用久后易受 潮霉变，影响检测结果的准确度，尤其是3 4 0 n t o 滤光片。光栅分光比干涉滤光片有明 显优点，尤其采用3 4 0 n m 波长的酶类测定结果更稳定可靠。光栅分光可分为日 分光和 后分光两种方式。后分光的仪器其白炽光( 全色光) 直接透过比色溶液，再照射到光 栅进行分光，色散后取1 0 1 2 个固定单色光，单色光各投到不同波长段的固定光电探 测器上，计算机按不同项目的分析参数选择单波长、双波长或多波长的光。前分光和 后分光的主要区别在与前分光先分出多个单色光，在照射到比色杯窗口，其他原理基 本一样。两者的主要区别在于，后分光可连续不断检测不同波长的反应，但光强度过 高时可引起血清胆红素降低；前分光一般不能进行不同波长项目的不间断检测，通常 只能单项一次测完后，再测第二项。 ( 四) 控制系统 控制系统也是自动生化分析仪的核心部分，在测试中不断重复的动作，都由它指 令进行。所以仪器自动化程度的高低、精密度、准确度良好与否，每小时检测次数等 均与控制系统的设计有关。因此，新一代的仪器总比老一代的自动化程度高，代替人 工操作的功能多，试剂及样品用量更少，以不断提高工作效率、降低成本为其设计目 标。 控制系统一般都有以下的功能： l 、患者样品识别 用条形码贴在样品管上，用条形码阅读器将患者的鉴别信息和需要 测定项目输入计算机。遇到尚未使用条形码阅读器的场合，则仍需人工输入。计算机 能将条形码信息转换成相应的动作，始终贯彻在整个测定过程中，直至最后报出结果。 2 、吸加样品与试剂吸加样品和试剂是由控制系统指令机械手完成的。它的端装有 吸液针，吸加液由微量样品自动加样装置进行。吸液针的内外壁在每次加样后都要进 行冲洗，使它既不与样品混合，又不影响检测，以免样品间的交叉污染。一个功能j 下 常的微量样品自动加样装置应f 确地吸加液量，任选式的仪器还具有迅速变换液量的 功能。 3 、混合在分立式全自动生化分析仪中使用磁力、机械力( 搅拌) 方法予以混合。混 合的力度和时间由控制系统控制。 4 、恒温调控各类化学反应尤其是酶类的检测需要一个恒定的温度，才能得到可靠的 结果，大多数仪器的恒温温度有3 7 。c 、3 0 或2 5 3 档可供选择，有的固定为3 7 。 5 、结果显示和打印 典型的全自动生化分析仪用比色杯读取吸光度值结果，从吸光度 转化发展到目日仃用阴极射线屏幕显示，将数据结果列成表格，可由计算机指令打印机 打成表格发送病房或患者。 4 ( 五) 数据管理 全自动生化分析仪的分析数据是通过仪器中微处理机与实验室信息系统 ( 1 a b o r a t o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，l i s ) 进行联网管理。患者的原始资料和数学运算数据， 如校准曲线、吸光度、透光度换算和对数转换等都是微处理机软件预先设置的功能。 患者检测结果可贮存于碟片或直接打印成书面档案长期保存。当仪器所在的检验科己 设有信息系统l i s 时，大型的自动分析仪( 包括全自动生化分析仪) 通常与l i s 联网。 单项接口只能将患者检测结果输向l i s ，而双向接口能将仪器与l i s 的信息双向流通。 1 3 全自动生化分析仪发展概况及国内外现状 1 3 1 国外现状 国外临床生化分析仪发展从5 0 年代开始，至今已经有了长足的进步，各公司推出 了种类繁多、性能优良的生化分析仪。 世界上首台实用的自动生化分析仪是美国泰克尼康( t e c h n i c o n ) 公司在1 9 5 7 年设 计生产的，仪器命名为a u t oa n a l y z e r ，是一台单通道、连续流动式自动生化分析仪。 最初只用于血葡萄糖、尿素氮的测定，报告结果是光密度值。美国在6 0 年代生产了流 动式s m a 系统自动生化分析仪，由于连续流动式的自动生化分析仪造价高，结构复杂， 样品产生交叉污染比较大等原因，7 0 年代发展了离心式及分立式的分析仪，并且分立 式的自动生化分析仪目前已成为主流。此后世界上许多家公司都纷纷推出自己的产品， 如美国贝克曼、日本同立、岛津、德国拜尔等都相继研制成功全自动生化分析仪，并 且已发展了几代，在分析精度、检验速度方面不断提高，如今已经相当完善。这些大 公司生产的全自动生化分析仪各有特色和优势，但它们都具有一些共同特点：使临床 生化检验中主要操作实现了机械化、自动化。其中包括：标本的定量吸取、转移到反 应杯或反应管道系统；通过沉淀或过滤、离心、层析、透析等分离去掉反应中的干扰 物；试剂的定量吸取，同标本混合，自动控制在一定温度下反应一定时间；通过可见 光、紫外光、火焰光度计、荧光、散射光或氧电极、离子选择电极、酶电极、同位素 计数等检测技术，对反应终点、初速度或反应过程进行监测；借助计算机将仪器的各 项功能程序化，控制仪器的运转和反应过程，处理或判断实验数据，并将结果以数字、 描记曲线显示或打印报告；标本测定后，反应容器、管道系统的清洗和准备下一次使 用等。全自动生化分析仪的应用使临床生化检验大大提高了准确性、精密度和工作效 率，适应了临床医学的发展对实验诊断的质和量的需求。 纵观世界全自动生化分析仪的发展现状，主要有以下几个公司的代表性全自动生 化分析仪：美国的贝克曼库尔特公司、日本的奥林巴斯公司、目立公司。下面分别介 绍各个公司全自动生化分析仪。 ( 一) 美国贝克曼库尔特公司的系列全自动生化分析仪 贝克曼库尔特公司系1 9 9 7 年1 0 月由原贝克曼( b e c k m a n ) 与库尔特( c o u l t e r ) 公 司合并组成。贝克曼公司创立于1 9 3 5 年具有6 0 多年悠久历史，总部设在美国加州， 一向以生产和销售临床化学分析仪器驰名于国际。其技术主持和售后服务网络遍靠全 球。营销达1 2 0 多个固家。库尔特公司则是以生产和销售血液学检验仪器为- | 三的另一 家国际驰名公司。 2 0 世纪9 0 年代以来，贝克曼推出了s y n c h r o nc x 系列垒自动尘化分析仪，包括 c x 3 、c x 4 、c x 5 、c x 7 、c x 9 等。每个型号仪器都具有独特的| 生能供月户使用。 s y n c h r o n 系列全自动生化分析系统则按模块组合式设计。报掘需要可将各种型号 的全自动生化分析仪巧妙的组合起来，通过i n t e r l i n k 微处理机连接，再配以先进的软 件设计，可进一步扩展仪器对数据的储存、记忆和处理功能。i n t e r l i n k 融处理机可同 时连接3 台仪器，包括s y n c h r o n 系列及其它仪器，由微处理机怍为控a “中心。 c x 3 可同时任意选择测定钟、钠、氧、二氧化碳、钙、肌酐、葡萄糖及尿素氯8 个项目。样品只需1 2 缸，测定时白小于l m i n ，母小时可提供6 0 0 个测定结果， c x 4 可同时任意选择2 4 个项目，包括酶、代谢物、特定蛋白及药物。样品量3 - 2 即， 试剂量2 0 0 - - 3 0 0 r ，每小时可提供2 2 5 个测定结果。 c x 5 可同时任意选择测定2 5 个项目，包括酶、代谢物、特定蛋白、药物及电解质 ( 钾、钠、氯、二氧化碳) 。样品量光度法测定3 - 2 缸，电解质测定6 ，。试剂量2 0 0 3 0 0 b ， 每小时可提供5 2 2 个测定结果。 c x 7 可同时任意选择测定3 3 个项目包括普通生化、电解质、急诊项目、特定蛋 白、药物和毒品检测。样品量3 6 9 u ，试剂量2 0 0 3 2 礼f 1 每小时提供9 0 0 个测定结果。 s y n c h r o nl x 2 0 能够进行光度分析和离子( i s e ) 分析，最多町以同时测量4 1 个项 目，其中包括3 0 个标准项目、5 个i s e 项目、6 个模块愉验项目，可以同时进行1 0 个 波长的测量，最大测试速度1 4 4 0 次d 时。 c x 9 a l x 分析的项目包括普通生化、电解质、急诊项目、特定蛋白等，可i 司时最 多分析”个项目，最快铡试速度为9 0 0 次d 时。 型12 美国b e c k m a n c x 9 型全自动生化分析仪 ( 二) 日本奥林巴斯公司的a u 系列全自动生化分析仪 奥林巴斯光学工业株式会社( o l y m p u so p t i c a lc o l t d ) 创立于1 9 1 9 年，1 9 2 0 年首 次在日本成功地将显微镜商品化，从而作为精密光学技术的代表企业开始起步。 该公司以先进的光学技术及精密工艺为起点，经过多年的研制与开发，于1 9 6 8 年 初成功地生产出日本第一台自动生化分析仪( a u t o m a t e dc h e m i s t r ya n a l y z e r ，a c a ) ， 从而首次涉足自动生化分析仪器领域。1 9 7 4 年生产出日本第一台使用速率法的自动生 化分析仪a c a 4 ( 1 2 通道) 。从2 0 世纪7 0 年代初开始至9 0 年代，o l y m p u s 公司生产 了十几种型号的大型及超大型全自动生化分析仪，并于1 9 9 4 年- 丌始进入中国市场。1 9 9 6 年以后更先后推出a u l 0 0 0 、a u 4 0 0 、a u 6 4 0 等大中型仪器，使在中国市场的占有量 迅速上升为5 0 0 台左右。在新世纪到来之时，o l y m p u s 公司推出了全新设计的a u 2 7 0 0 及a u 5 4 0 0 。o l y m p u s 新仪器的主要设计思想是使大型实验室的成本消耗降低的同时仪 器保养工作量也减少，而工作效率大为提高。 a u 4 0 0 全自动生化分析仪( a u 4 0 0a u a l y z e rs y s t e mf o rc l i n i c a lc h e m i s t r y ) 是一台 中型全数码化分立式任选型仪器。a u 4 0 0 全自动生化分析仪能同时分析4 8 项，加上离 子可同时分析5 l 项，最快分析速度为4 0 0 次d , 时，采用光栅后分光方式，具有1 3 个 固定波长。它具有a u 系列所共有的采用全数字光路系统后分光、支持网络诊断、2 种 加样系统、智能防堵防撞等功能。其试剂仓采用了单仓双圈方式，单个试剂仓内外2 圈共计7 6 个试剂位，可混合编排单、双试剂，用户可按需要灵活设置。 a u 6 4 0 全自动生化分析仪( a u 6 4 0a u t o m a t e dc h e m i s 竹a n a l y z e r ) 是由o l y m p u s 公司1 9 9 9 年出品的大型全数码化分立式任选型仪器。它是广受好评的a u 6 0 0 的升级换 代产品。a u 6 4 0 全自动生化分析仪能同时测试4 8 项，加上i s e 可同时分析5 l 项，恒 定测试速度8 0 0 次, b 时。采用光栅后分光，具有1 3 个固定波长。具有大容量的样品库， 一次加满可达1 5 0 个样品，采用了各有4 8 位的双试剂仓，同时应用双试剂可测4 8 个 不同项目，2 套试剂针分别吸取r 1 和r 2 试剂，保证了每小时恒定进行8 0 0 项目测试。 它有2 套搅拌系统，分别采用了3 头双清洗系统，保证搅拌充分、冲洗干净、交叉污 染减至最低。另外它还具有a u 系列所共有的数字化光路、智能防撞、网络远程控制 等全部先进功能。 a u 2 7 0 0 全自动生化分析仪( a u 2 7 0 0a u t o m a t e dc h e m i s t r ya n a l y z e r ) 是o l y m p u s 公司2 0 0 0 年推出的一台超大型全数码化分立式任选型仪器。能够同时测试4 8 项，加 上i s e 可同时测试5 1 项。恒定测试速度1 6 0 0 次d , 时。采用光栅后分光，具有1 3 个 固定波长。它集中了在其他a u 型号生化分析仪上已经采用的成熟技术。 a u 5 4 0 0 系列全自动生化分析仪( a u 5 4 0 0a n a l y z e rs y s t e mf o rc l i n i c a lc h e m i s t r y ) 含a u 5 4 2 1 和a u 5 4 31 ，该系列仪器是o l y m p u s 公司第3 代模块组合式超大型全自动 生化分析仪，采用了分别吸取试剂和样品的分配方式，使样品和试剂的使用量大幅度 减少( 比传统分注方式节约5 0 ) ，该系列特别适用于大规模检验中心和大型医院等具 有大量样品的单位。其能够同时分析9 5 项，分析速度最大3 2 0 0 次小时。 7 ( 三) 日本日立系列全自动生化分析仪 日立( h i t a c h i ) 系列全自动生化分析仪由同立产业株式会社生产和经营。由于微 电脑控制与多波长分光光度计相结合的广泛应用，使日立全自动生化分析仪有了很大 发展，技术上不断完善。光学系统采用了无像差凹面蚀刻光栅后分光技术和全反应过 程吸光度监测。可选择不同的反应监测时间，最长可达2 0 m i n ，并能满足最多达4 种试 剂的添加分析。 各种类型的同立系列全自动生化分析仪分别适用于不同医院。它们均具有功能全、 分析精度高、操作简便、分析快速、节省试剂、经久耐用、故障率低等特点。 7 0 6 0 全自动生化分析仪( h i t a c h i7 0 6 0a u t o m a t i ca n a l y z e r ) 是一台在r 立小型生化 分析仪中处理能力最大的随机任选式全自动生化分析仪。它具有可同时测定最多3 2 个 项目( 使用i s e 时3 5 个项目) 和最高每小时3 6 0 个测试( 使用i s e ，时最多7 2 0 个测 试) 的分析能力。分析方法类型齐全，校准模式多样，可任意选用，满足各种检测要 求。试剂全开放能满足1 4 种试剂的添加分析。采用全反应过程吸光度监测，反应时 间3 m i n 、4 m i n 、5 m i n 、1 5 m i n 任选，最长可设置长达1 5 0 m i n ，能满足各种试验要求和 新项目开发的要求。采用静电液面感应式检测探针，适合微量样品采集。样品针和试 剂针均具有横向、纵向防撞保护功能。吸量注射器由数字脉冲步进电机驱动，工作精 度高，控制准确，故障率低。同时具有样品预稀释和标准液分级稀释以及改变样品量 ( 增或减) 自动再测试功能，并能自动检测空白反应杯吸光度，异常时加强清洗或自 动超越或自动停机。与外设中文数据处理系统连接，可实现数据中中文管理、打印中 文检验结果报告。 同立7 1 7 0 7 1 7 0 s 全自动生化分析仪( h i t a c h i7 1 7 0 a 7 1 7 0 sa u t o m a t i ca n a l y z e r ) 是 只立中型生化分析仪中处理能力最大的两台随机任选式生化分析仪。两台的主要差别 在于7 1 7 0 s 带有条形码识别系统，7 1 7 0 a 则为选购件。它们具有同时测定最多8 6 个项 目( 使用i s e 时，最多8 9 个项目) 和最高每小时8 0 0 个测试( 使用i s e ，最高1 2 0 0 个测试) 的分析能力。触摸式显示屏或全键盘操作任选。对试剂、样品的需求量大幅 度降低，节省试剂成本是此类仪器一大特点( 比色杯最小反应体积仅1 5 0 u 1 ) 。分析方 法类型齐全，校j 下模式多样，可按需选用。试剂全丌放，能满足1 4 种试剂的添加分 析。采用全反应过程吸光度检测，反应时间3 m i n 、4 m i n 、5 m i n 、1 0 m i n 、1 5 m i n 、2 0 m i n 、 任选。采用静电液面感应检测单探针，适合微量样品采集。样品针、试剂针、均具有 横向、纵向防撞保护功能。独特设计的吸量注射器由数字脉冲步进电机驱动，控制精 确，加上脱气装置，吸量精度高，故障率低。同时具有样品预稀释，校准品分级稀释 以及增或减样品或稀释后自动再测试功能。对急查样品可随查随检，最短5 m i n 内可打 印出8 项检验结果报告，也可指定急查样品自动复测。能自动检测空白反应比色杯吸 光度，自动超越异常反应比色杯，发生连续异常时可显示杯号。此外，尚具有瞬间停 电保护功能。与外接中文数据处理系统连接，可实现数据中文管理、打印中文检验结 果报告。 8 r 立新近卫丌技了7 6 0 0 系列产品。7 6 0 0 - 2 0 是同立垒自动模块组合式7 6 0 0 系列生 化分析仪( h i t a c h i7 6 0 0m o d u l ea s s e m b l yt y p ea u t o m a t i ca n a l y z e r ) 中的一种型号。7 6 0 0 系列生化分析仪主要是由共同的操作单元、怍为系统支柱的“核心”、两种不同类型的 分析模块( 类型和数量可任选) 、用户任选的组合f 转角) 单元、电解质分析单元、样 品条形码阅读单元等构成。操作单元由计算机、彩色c r tr 带触摸屏) 、键盘和打印机 组j 搜。“核心”单元是系统的支柱，通过运输线将待测样品装载台上的样品槊输送到分 析模块，再将分析完成的样品架输送到废弃样品装载台，其中需要复检的样品架则通 过等待复测样品缓冲部件再输送到分析模块。分析模块有d 型和p 型两种。d 型模块 是一种4 - 测试，半一随机进入型模块，适用与大样品量的常规项目测试。反应监测时间 固定为1 0 m i n 。最高测试速度可达每小时2 4 0 0 项次。p 型模块是一种完全随机进入型 模块，适用与样品量较少的多项目测试。反应监测时间3 m i n 、4 m i n 、5 r a i n 、1 0 m i n 、 1 5 r a i n 、2 0 m i n 任选。其最大测试速度为8 0 0 项次h 。分析模块的类型可根据需要任意 选择组合，具有高度的灵活| 生。7 6 0 0 - 2 0 就是一台由两个p 型分析模块和操作单元、“核 心”、待测样品装载台、废气样品装载台、等待复测样品缓冲部件等构成的全自动模块 组合式全自动生化仪。它们之间由配备w i n d o w sn t 软件的操作计算机与各单元多个 c p u 通过e l h e m e t 网连接。当需要进一步扩增分析能力时，只需要增加分析模块即可。 该仪器采用随机存取方式多分析模块之间的样品测试项目和测试样品量由操作计算 机设定，智能控制，均匀分配( 或单模块_ 作) ，实现高教、高速度测试。在光学系统、 温控系统、机械系统、数据处理系统等方面均采用了当今闩立全自动生化分析仪上已 成功应用的先进技术。分析方法类型齐全，校准模式多样，并具有自动样品预稀释、 急等优先、全反应过程实时吸光度监测、实时质控、异常反应监控、自动夏检、条形 码识别等齐全的功能。通过日期、时间设定，可在指定工作日定时将电源接通，实现 在无人操作状态下一体化程序的启动和处理。也可设定仪器在常规测试结束时自动进 行反应杯清洗和切断电源。触摸式显示屏或键盘操作任选。r s 2 3 2 c 标准积向通讯接口， 与外设中文数掘处理系统连接，可实现数据中文管理、中文打印检验结果报告。 目13 日立h i t a c h i7 6 0 0 掣全自动生化分析仪 1 3 4 全自动生化分析仪国内现状 全自动生化分析仪国内产品与国外差距很大。从报道情况和全国医疗仪器展览情 况看，目前国内只有两家单位推出了完全自主研制的全自动生化分析仪产品，但都是 中小型全自动生化分析仪，在功能和速度上和国外产品相差很多。这两家分别是长春 光机所和深圳迈瑞医疗器械公司。迈瑞公司是在2 0 0 3 年下半年推出了一款全自动生化 分析仪产品，其最大测试速度为2 4 0 次d , 时，在线测试项目2 4 项，后期又逐步推出 3 0 0 次4 , 时和4 0 0 次d , 时两款产品，在线测试项目4 0 项。长春光机所目前推出了一款 全自动生化分析仪，其最大测试速度为4 0 0 次, b 时，在线测试项目与迈瑞公司的产品 相同。 近来随着医学的发展，我国医疗机构对自动生化分析仪的要求越柬越迫切。随着 国内医院要求诊断指标的增多，测试工作量不断增大，半自动生化分析仪已远远不能 满足需求，对全自动生化分析仪的要求日益增大，而国内生化分析仪生产的型号种类 很少，又均为一般性的仪器，专门化和大而全的通用仪器几乎没有，仪器自动化程度 和微机化水平低，因此全自动生化分析仪的研制和开发将有着重大的经济效益和社会 效益。 1 4 选题意义及研究内容 1 4 1 选题意义 微量液体自动加样装置是全自动生化分析仪的重要组成部分。加样的精确与否直 接影响着生化测试分析的结果。随着生化分析技术的发展，为了节省分析试剂、降低 成本、减轻患者的经济负担，对样品的量要求越来越少，对加样的精度要求越来越高。 因此非常有必要对微量液体自动加样开展研究。 同时，微量液体自动加样装置广泛用于科学仪器，尤其是各种分析仪器。无论是 光学分析仪器、化学仪器、医学仪器及生物化学仪器都需要使用自动加样装置。随着 现代科学分析仪器的快速发展，对液体自动加样装置的要求也越来越高。现代科学研 究的许多领域，往往使用试样的量都非常少，试样量要求非常精确，因此要求自动加 样装置进入超微量化。例如h p c e ，只需n g 级的试剂量即可得到令人满意的结果。 当i i 许多发达国家已经把现代科学仪器当做信息社会的源头和基础纳入其未来的 发展战略重点，分析仪器是现代科学仪器的重要组成部分。而自动加样装置又是分析 仪器的重要组成部分之一。从世界范围看，分析仪器市场f 以8 1 0 以上的年销售额 增加( 1 9 9 7 年世界分析仪器销售额达2 1 0 亿美元) ，中国分析仪器事业目前在国内分析 仪器市场销售份额仅占2 7 。自动加样装置作为分析仪器的个独立的发展模块，其 销售额必将会随着分析仪器销售额的增长而增长。 面临着2 1 世纪科技发展中提出的众多挑战，分析仪器和分析科学也f 经历着深刻 变革，其中一个日益明显的发展趋势就是分析设备的微型化、模块化、便携化。一段 l o 时间以来，我国曾因在有关规划中对分析仪器未予以充分重视，致使其在我国的发展 严重滞后，不得不花大量外汇去购置并非最高水平的进口仪器，同时也影响了我国科 技的总体竞争力。面临着分析仪器微型化、模块化、便携化所带来的新的机遇和挑战， 历史正在一定程度上把竞争对手们重新拉到同一起跑线上，因此要把握机遇，开展我 国的分析仪器事业。 目前，国外在自动加样装置方面的研究已经十分广泛，正朝着独立模块的方向发 展，例如在i c p 光谱仪、色谱仪以各种联用中的加样技术是近几年来受到重视并取得 令人瞩目进展的研究方向。在9 8 p i t t c o n 展览会上出现了诸如微冷阱和高速气体萃 取加样系统、微滴电喷离子化色谱一质谱加样技术、自动固相加样装置、大体积加样 技术、双加样系统( 一个样品顺序进入两个不同分析通道而以单独一种g c 程序同时 进行分析) 等新颖的加样技术发展，使得分析仪器功能扩展、检测灵敏度提高及完成 复杂困难分析测试任务等方面取得了很大进展。 我国的分析仪器科研和生产单位对自动加样装置以往并没有重视。而自动加样装 置并不是可有可无、也不是简单技术，而是与分析仪器整体密切相关、直接影响到分 析仪器的使用功能和市场竞争力的极重要问题。 因此，研制出世界先进水平的微量液体自动加样装置对提高我国分析仪器的水平， 促进我国分析仪器朝着微型化、模块化、便携化方向发展、形成领域以及占领市场都 具有着重要的意义，同时会产生重大的经济和社会效益。 1 4 2 研究的内容 结合“九五”、“十五国家科技攻关重大课题“全自动生化分析仪的研制与开发”， 本文开展了微量液体自动加样装置的研究，主要进行以下几个方面的研究工作： 1 ) 研究分析微量液体自动加样方法的工作原理 2 ) 研究设计微量液体量器的结构 3 ) 研究微量液体加样装置的控制方法，并对速度进行控制 4 ) 分析研究影响微量液体自动加样装置精度的误差因素 5 ) 密封方法研究 6 ) 对所研究的微量液体自动加样装置进行测试 微量液体自动加样是全自动生化分析仪的关键技术之一，精确加样是生化分析的 第一步，只有加样精确才能保证生化分析的j l t 娇l j 进行。本文研究的微量液体自动加样 装置适合各种全自动生化分析仪，也适合其它液体加样的分析仪器，因此具有较强的 实际工程意义。 第二章微量液体自动加样原理分析 2 1 微量液体自动加样装置目前现状 自动加样是分析仪器的重要组成部分，有时往往决定着分析结果的准确性。有些 自动分析仪器配有自己的自动加样装置，但也有很多自动分析仪器自己不配自动加样 装置，而是配备使用商业产品的自动加样装置。 目前国外在微量液体自动加样装置方面的研究十分广泛，成型的产品也很丰富。 例如h a m i l t o n 公司生产的p s d 2 系列精密液体加样单元就有近十种，在全行程范围内 准确度可达9 9 7 ，在任意5 行程内准确度可达9 8 ；v a r i a n 公司也推出了一系列的 自动加样装置，象4 1 0 ( a i 一2 0 0 ) 型自动加样装置加样体积的范围为1 - 5 0 0 0ul ，4 2 0 ( a i 一1 a ) 型自动加样装置的加样体积范围为1 1 0 0 0ul ，4 3 0 ( a i - 9 6 ) 型自动加样装 置的加样体积范围为0 1 1 0 0 0ul 。此外，还有许多其他公司都有系列产品，例如z y m a r k 公司、t h e r m oo r i o n 公司、g e r s t e l 公司等等都有成型的自动加样系列产品。 微量液体自动加样装置在全自动生化分析仪上的应用要求也很高，生产全自动生 化分析仪的各个公司在微量液体自动加样方面都开展了大量的研究。象贝克曼库尔特 公司在l x 2 0 和c x 9 上的自动加样装置最少加样量为3ul ；奥林巴斯公司在a u 6 4 0 全 自动生化分析仪上的自动加样装置的加样范围为2 5 0ul ，0 5ul 增减，在a u 2 7 0 0 和 a u 5 4 0 0 全自动生化分析仪上的自动加样装置加样量范围为1 6 2 5ul ，o 1i ll 步进；同 立公司在7 1 7 0 a 和7 6 0 0 全自动生化分析仪上的自动加样装置最小加样量为2ul ，0 1 ul 步进。 目前国内在微量液体自动加样装置方面开展研究的很少，尤其是成型的产品很少， 而且仅有的少数产品也是比较粗糙的产品，尤其是应用在全自动生化分析仪上目前还 未见到报道。因此无论是从精密度上还是从微细量上都很难满足目前分析仪器的需要， 现代的分析仪器j 下朝着模块化、微型化、便携化方面发展。模块化设计可方便地 适应干变万化的需求。近年来模块化设计思想为越来越多的厂商采用，尤其是大型仪 器的光、机、电部件，形成了系列化的不同功能、不同性能的模块化组件。这对液体 自动加样装置也提出了更高的要求，丌发研究独立的微量液体自动加样单元显得越来 越重要。从国外看，液体自动加样装置f 朝着加样范围大、微量样品精确化，样品处 理能力快速化方向发展。尤其是为了满足分析仪器微型化的需要，研制出可提取n l 乃 至p l 级样品的自动加样装置单元更是迫切的需要。 1 2 2 2 目前微量液体自动加样方法简述 目前微量液体加样主要有二种方法，一种是流动式加样，既蠕动泵的方式；一种 是注射式加样，既注射器方式。 2 2 1 蠕动泵加样装置 蠕动泵是一种新型的工业用泵，也是一种容积式泵，它是现代工业发展的产物。 蠕动泵的工作原理非常简单，它就如同用人的手指夹挤一根充满流体的软管，随着手 指向前滑动，管内的流体就向前移动。在蠕动泵中是使用“压头”来代替人的手指工 作的。其原理见图2 1 。泵的流量大小是由驱动装置输出的转速确定的，由于结构及材 料上的限制，蠕动泵的转速不易太高，其转速被限制在一定的范围之内。 图2 1 蠕动泵原理图 蠕动泵应用范围非常广泛，与其它类型的流体输送方法比较，具有许多优势。第 一，输送的介质不与泵体接触，这样有利于输送一些对金属腐蚀性较强的介质，象各 种酸、碱溶液，或者一些含氯离子的盐溶液；第二，清洗、拆卸简单快捷，由于介质 只在软管内流动，清洗仅针对软管即可，而且蠕动泵软管的安装和拆卸都比较简单， 只要点动电机，就可完成安装、拆卸操作：第三，可控制转速和流量。 由于蠕动泵是采用软管挤压的方式输送液体，因此很难达到较高的精度，一般蠕 动泵的加样精度在1 0l z ，左右。 2 2 2 注射式加样装置 注射式加样装置的原理与医用普通注射器一样，如图2 2 。这种方式的微量液体 自动加样装置目自订应用的也很广泛，很多独立的液体自动加样装置产品都是采用这种 方式。为了能够得到非常微小精密的液体量，要求活塞的直径越来越小，要求液缸内 径的圆柱度越来越高，当活塞直径达到1 2 m m 时，如果加样量比较大的话，就要求液 缸有一定的长度，这将制造十分困难，液缸内径圆柱度难于保证，活塞和液缸之间的 密封也十分困难。 ；主主主主主主j