（机械设计及理论专业论文）全自动酶免分析仪的工作机理及关键技术的研究.pdf

全自动酶免分析仪的工作机理及关键技术研究中义摘要中文摘要随着传染疾病的逐渐涌现，医学检验的任务也越来越重了。所以，开发一种能够替代人来进行检验的仪器设备，并使之能够提高医学检验的效率和准确性，成了当今医疗设备开发的一个重要方面。酶免仪是种可以用来进行血液检验的医疗设备，一种典型的光机电体化产品。当检验人员将待检试样放入后，它可以自动地完成整个检验流程，可大大提高检验的效率和质量。本文通过国内外这种设备的研究现状了解到，当前对酶免仪的开发还不够完善。在国外能高质量地完成整个流程的酶免仪很少，没有能单独完成一个模块工作，最终通过模块组装完成整个流程的设备。而国内对酶免仪韵开发才刚剐起步，还没有任何成品上市。针对这些问题，本文主要开发了一种模块化的全自动的酶免仪，将全自动酶免仪分为四个模块：加样、孵育、洗板和读板。每个模块可以单独使用完成种功能，同时也可以组装起来完成整个流程。本论文在这个项目的开发中主要做了如下工作：1 、根据酶免仪实现的整体功能，确定了这些功能的实现方法及原理。设计了酶免仪整体工作架构，工作流程。2 、根据市场与科研的需求，确定了模块化的设计方案，根据酶免仪工作机理设计了不同的工作模块。对每个模块的工作原理进行了阐述，设计了各个模块的整体工作方案。研究了各模块的组合方式及单独工作的方式。3 、对加样模块的结构、布局、工作流程、各工位实现方式进行了详细的设计。对加样模块设计中出现的主要问题进行了详细的讨论，提出了解决方案。对加样模块中的针头承载板，考虑到其受力变形对液面检测的影响，对其进行了受静力下的变形分析。通过有限元方法，用壳单元离散此板结构，变形结果借助a n s y s 软件进行了分析。4 、对孵育模块的温度控制进行了详细的设计。通过对已有生物培养箱加热系统的改进，设计了新的温度控制系统。将先前继电器控制的方式改为单片机- 晶闸管控制方式，大大改变了以前系统的反应机械而且涝后的弱中文摘要争臼动酶免分析仪的j ：作机理及关键技术研究点。在控制规则上采用先进的模糊控制理论，以温度偏差和温度偏差变化率为输出量来控制加热功率，通过收集技术人员经验，制定了模糊控制规则，使对温度的控制更具有了类似人工控制的智能化的优点。5 、对孵育模块的温度控制在m a t l a b 里进行了仿真设计，仿真结果表明，改迸后的加热系统响应快，超调量比较小，控制精度也比较高，孵育模块采用模糊温控的方法是有效可行的。6 、研究了读板模块的读板原理，从整体结构上设计了一读板系统，介绍了系统中各个组成部分的工作原理及性能。关键词：酶免仪模块化有限元方法模糊控制仿真设计读板原理指导教师：郭旭红学生：朱圣领i l全皂塑堕丝坌塑垡塑王堑! ! 型丝苎壁垫查坚茎一一型璺苎生a b s t r a c tt h eb u r d e no nm e d i c a li n s p e c t i o ni sb e c o m i n gh e a v i e rw i t ht h ei n c r e a s eo fi n f e c t i o u sd i s e a s e s o ，t od e v e l o pak i n do fe q u i p m e n tw h i c hc a nd om e d i c a li n s p e c t i o ni n s t e a do fh u m a nb e i n ga n da tt h em e a nt i m et oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ei n s p e c t i o nh a sb e c o m ean e wt r e n df o rd e v e l o p i n go fm e d i c a le q u i p m e n t e l i s ap r o c e s s o rc a nb eu s e dt od e t e c tb l o o dd i s e a s e i tc o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g yo fo p t i c s ，e l e c t r o n i c sa n dm e c h a n i c s i tc a nc o m p l e t et h ew h o l ep r o c e s sa u t o m a t i c a l l ya f t e rt h em i c r o p l a t eh a v i n gb e e np u ti n ，s ot h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h ei n s p e c t i o nc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y t h r o u g hr e s e a r c ho nt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h i sk i n do fd e v i c e ，ih a v el e a r n e dt h a tt h e r ea r cs t i l lal o to fa s p e c t sn e e df u r t h e rs t u d yo ri m p r o v e m e n t v e r yf e we l i s ap r o c e s s o rc a nf i n i s ht h ew h o l ee x p e r i m e n to fe l i s a ，a n da l s oe v c nl e s sc a nw o r ki n d i v i d u a l l ya f t e rb e i n gd i v i d e di n t os e v e r a lp a r t sa c c o r d i n gt oi t s m o d u l ec o n s t r u c t e di na b r o a d i no u rc o u n t r y ，t h e r ei sn oe l i s ap r o c e s s o rd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yt i l ln o w j u s tf o rt h e s er e a s o n s ，w eh a v ed e c i d e dt od e v e l o pan e wk i n do fe l i s ap r o c e s s o rw h i c hc a nw o r ki n d i v i d u a l l yb yf o u rm o d u l e ：s a m p l ep r e p r o c e s s i n g ，r a i s i n gp e r i o d ，m i c r o p l a t ew a s h i n g ，m i c r o p l a t er e a d i n g e a c hm o d u l ec a nc o m p l e t eas i n g l ew o r k t h e yc a na l s ob ec o m b i n e dt of i n i s ht h ew h o l ee l i s ap r o c e s s i nt h i sp a p e r ，ih a v ed o n er e s e a r c ho nt h ef o l l o w i n ga s p e c t ：1 、h a v i n gm a d eaw h o l ep l a no ft h ep r o j e c ta n dd e c i d e dt h em e c h a n i s ma n dw a yo fr e a l i z i n gi t d e s i g n e dt h ew h o l es t r u c t u r ea n dp r o c e d u r eo ft h ee l i s ap r o c e s s o r 2 、a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fc u s t o m e ra n dr e s e a r c h ，w ed e s i g n e dt h ee l i s ap r o c e s s o rw i t hf o u rm o d u l e t h em e c h a n i s ma n dt h ew o r k i n gp r o c e d u r eo fe v e r ym o d u l ew a si n t r o d u c e d 3 、h a v i n gd e s i g n e dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，m e c h a n i s m ，w o r k i n gp r o c e d u r eo ft h es a m p l ep r e p r o c e s s o r 。o nt h ec o n s i d e r a t i o no ft h ed i s t o r t i o nn l竺皇! 竺全鱼垫堕墨坌塑堡塑生竺盟里垒墨壁垫i ! ! 堕e f i e c tt ol i q u i dl e v e ld e t e c t i n g ，d i s t o r t i o na n a l y s i so ft h ea n c o nw h i c hs u p p o r tt h ed i n h e a dh a sb e e nd o n ew i t ha n s y sb a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 4 、t e m p e r a t u r ec o n t r o lo ft h er a i s i n gm o d u l eh a sb e e ni m p r o v e db a s e do naf o r m e rh e a t i n gs y s t e mo fb i o l o g yr a i s i n gb o x ，t h er e l a yc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nt a k e ni n s t e a db ys i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n ds i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r t h ec o n t r o lr u l ew a sb a s e do nf u z z yc o n t r o lt h e o r y 。t h ei n p u ti st h ec h a n g eo ft h et e m p e r a t u r ea n da l s ot h er a t i oo fi t o u t p u ti st h eh e a t i n gp o w e ro ft h es y s t e m a l lt h e s eh a sm a d et h es y s t e mw o r ka sah u m a nb e i n gi n t e l l i g e n t l y 5 、t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e ns i m u l a t e di nm a t l a b t h er e s u l tp r o v e dt h a tf u z z yt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mc a nr e s p o n s eq u ic k l ya n dh a ss m a l lo v e r s h o o ta n dh i g hp r e c i s i o n 6 、am i c r o p l a t er e a d i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d 。t h em e c h a n i s mo fm i e r o p l a t er e a d i n ga n de v e r yp a r to ft h es y s t e mw a si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：e l i s ap r o c e s s o r 、m o d u l e 、f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 、f u z z yc o n t r o l 、s i m u l a t e 、m e c h a n i s mo fm i c r o p l a t er e a d i n gw r i t t e nb yz h us h e n g l i n gs u p e r v i s e db yg u ox u h o n g全皂垫堕垒坌堡堡竺三生墼里丝鲞壁塑查! ! 塑塑二皇! i 鱼第一章绪论1 1 课题来源及研究意义1 1 1社会需求传染疾病的控制与检验已经成了当前社会的所面临的一个严峻的课题。据统计在2 0 0 4 年，全球爱滋病感染者有3 9 0 0 万，而全国已有艾滋病病毒感染者8 4 万，我国艾滋感染者年递增4 0 流行趋势居亚洲第二；而在中国，乙肝病患者多达一亿，在2 0 0 3 年，在全球，尤其是中国又出现了s a r s ，一种新的传染性非常强的疾病。面临这种严峻的形势，分辨出健康人群与病菌携带者，隔离传染源成了势在必行的措施。患者数量上的增加和新型传染疾病的出现，显然加重了医学检验的负担，以前单纯靠人工去检验的模式，已经远远不能达到要求。这就要求能够设计出一种自动化设备来代替人的工作或提高手工操作的效率。1 1 2 全面实验室自动化改革的推进酶免仪主要是代替人去完成酶免疫的测定技术。而酶免疫测定的全过程有非常高的精度、重复性和无污染的高要求。以前是整个测定过程大部分是人工来完成，但这样测定出的效果常常不是很理想。据报道( 美国临床病理学院的调查报告) ，实验室误差产生原因7 9 的因素是因为实验过程中标本处理不当以及人的为的因素而造成的。而酶免仪由于减少了人工操作的环节，实现了全自动化的操作。所以酶免试验全过程的意义不仅仅在于降低了实验者的劳动强度使人们从“机械”的实验中解放出来，更重要的在于保证整个实验或检测过程的高质量。当前，以日本为代表的“全强实验室自动化”( t l a ) 运动，对于全自动酶免分析系统产生了巨大的需求。在9 0 年代初期，手工酶免试验操作是t l a 的主要障碍。随着实验室从化验、检验、医学检验到检验医学的发展，酶免检验已成为医学领域中一门重要的学科，参与l 临床诊断，治疗及疗效判断等工作。目前，全面实验室自动化具有标准化、高效率、高质量自动化和网络化特征，正成为临床实验室发展的新趋势。而且根据已发表的文献研究报告：全自动酶免分析系统可以普遍地，显著地提高酶免实验第一章绪论全自动酶免分析仪的工作机理及关键技术研究的特异性及试剂的灵敏度，降低了人为因素造成的误差。为了提高实验室检验质量更好的为病人服务，承担更多的检验项目更复杂的标本来源与实时工作模式，酶免实验室的自动化与标准化已成为全面实验室自动化发展的需求，同时也给实验室带来了新的优势。酶免试验自动化与网络化的时代已经到来，全面实验室自动化不再是一种模型。这些技术的进步将有助于高效临床实验室的建设与发展。1 1 3 校企合作项目本课题是苏州大学与苏j h 捷美电子有限公司合作项目：“全自动酶免仪的研制与开发”。苏州捷美电子有限公司主要是一家开发生物医疗仪器的公司。在这个项目之前曾经开发过配液仪、生物培养箱等相关产品。公司有先进的实验仪器与设备，本课题的研究就是利用学校与公司的有利条件完成的。1 。1 。4 研究意义全自动模块化酶免系统的研发能在很大程度上降低检验人员的劳动强度，提高工作效率。当然酶免试验全过程全自动化的意义，并非仅仅限于降低劳动强度、减少人为的误差。另外一个方面就是它可以满足检验的准确性与高精度的要求。例如就当前某些大型医院使用的费米系统来说，根据己发表的费米( f a m e ) 评价研究报告，人们发现：全自动酶标分析系统可以普遍地、显著地提高酶免试验的特异性。另外一个方面高分析生产力的酶免分析系统，快速发报告意味着快速诊断、快速治疗、将给患者与医院带来双重利益。实验室自动化的目标就是提高检验的质量，增收节支。可以预测，作为一项医疗服务竞争策略，酶免实验室自动化网络化将给中国新医疗服务体制下的医院酶免实验室带来新的优势与利益。它对减少医疗纠纷，提高医院与实验室的高质量管理都有很大的意义。本文在酶免仪的开发中提出了一种新的思路，即模块化的结构设计。使酶免实验的加样、孵育、洗板和读板各个模块可以单独取出完成这一步骤的工作。这种模块化的结构设计，首先对酶免仪的开发以及相类似设备的研发提供了种新的结构设计的思路：其次，它对相关的酶免实验研究提供了自由的平台，使对实验中各个步骤的自由设置成为可能；再次，这2仝自动酶免分析仪的工作机理及关键技术研究第一章绪论种酶免仪也满足了各种客户对单独某个模块的不同需求。文中对孵育模块的孵育温度的控制采用了模糊控制的方法，以温度偏差( 目标温度与实际温度的差值) 和温度偏差变化率为输入量，设计了模糊控制器，改变了以前采用温度计继电器系统温度控制的温度检测不准，误动作，动作延迟缓慢的弱点。控制效果通过计算机仿真证明控制效果良好，超调较小，响应快。这为孵育温度的控制提供了一种新的思路。本文对读板系统基于前人研究的基础上，设计了一种读板系统，为读板模块的开发建立了一个研究的平台。1 2 当前国内外研究现状国外对全自动酶免分析系统的研究，可以回溯到上个世纪9 0 年代初期。第一代全自动酶免分析系统基本特征是单双针加样系统与酶标板处理系统一体化，多数孵育位置少于4 块板。由于加标本将占用较长时间( 单针每板需1 5 分钟，三块板通常需4 5 分钟完成加标本工作) ，因此，第一代全自动酶免分析系统，被认为是“节约劳动力而不提高效率”。第二代全自动酶免分析系统的基本技术特征为非常任务和单轨道。由于不能同时地处理二种过程( 如洗板的同时，不能加试剂等) ，因此，其工作任务表( 或时问管理器t m s ) “堵车”现象仍无法避免，而造成处理过程不能严格执行，试验完成时问延长，或单纯执行试验时间表完成实验动作而不论试验效率。不含标本加样装置全自动酶免分析系统，通常也称“后处理系统”。第三代全自动酶免分析系统的基本特征是采用多任务、多通道，完全实现平行过程处理。典型产品为瑞士哈美顿公司的f a m e ( 费米) 全自动酶免分析系统。费米系统的优点表现在：广泛采用液体水平检测( l l d )技术、体积与重量传感、光学位置传感等，基本实现了全过程控制( t p c ) ，特别是专利的洗板液体传感器，确保了最佳洗板效果，是保障试验特异性的关键。在软件与功能上，采用全面的系统跟踪记录( t r a c e a b i l i t y ) 与系统追溯( t r a c k a b i l i t y ) ，标本试剂加样校验( s a m p l ev e r i f i c a t i o n ) 及“自由任务管理”，实现随时增加检测板。第一章绪论争自动酶兔分析仪的工作机理及关键技术研究国内在这方面的研究时至现在，仍然只是处于起步的水平。至今还没有任何可以完整的完成整个酶免实验的仪器。仅仅有几家是做单独的某些部件的。如单纯制作洗板机，酶标仪等。总之，当前国内外对酶免仪的研究有以下几个特点：国外对于酶免仪整机的工作机理研究的相对比较深入，而国内还没有研究国外酶免仪虽然有商品进入市场，但是其产品性能并不完善。从整机上来说比如重复实验的可靠性与准确性方面。当前酶免仪对各个模块的性能研究还不够完美，比如加样模块的效率，孵育模块的温度控制，读板模块的功能，各模块之间工作次序的配合等，都有待于提高。当前的酶免仪价格都很高，不利于在中小型的医院推广使用。当前酶免仪对于客户的需求满足度还不够，比如缺少一种模块化的酶免仪，以适应不同客户对单独某一部分的需求。1 3 本论文所做的主要工作l 、制定了整体的开发规划，确定了产品的整体功能，整体结构及实现原理。产品主要由几大功能模块：加样、孵育、洗板、读板、软件和辅助模块，试管架、试剂架、自动装载系统、微扳传输系统等组成；产品用类似于生产流水线的方式组成，并可任意增加或减少模块。各个模块可以组合成一个整体完成酶联免疫实验所有内容，也可以单独工作，完成酶联免疫实验的一部分工作。针对各个模块之间的配合主要设计了两个问题，一是微板在各个模块之间的传送，这一部分采用了带滑轨的机械手来负责完成，滑轨分x ，y 两个方向，x 方向为各模块之闳的传送，y 方向为在每个模块内部的传送与取放动作。这样的个设计模式使整体结构变的简洁，另外也满足了不同客户对单独一个模块的需求。2 、对加样模块进行了结构设计。此模块主要是在捷美公司开发的配液仪基础上设计改进的，整个模块动作的完成仍然借助机械手的操作，主要是增加了多针头同时取液，即采用4 个针头同时工作，电机控制其上下移动靠近液面，采用压力传感的方式进行液面探测，单独的液压系统控制其4全自动酶免分析仪的工作机理及关键技术研究第一章绪论取液精度。其中对机械手取血样、取试剂、取脱针头等动作进行了规划。3 、加样模块机械手的移动导轨采用了悬臂梁结构。这样由于机械手本身的重量和取液的重量，就会使悬臂导轨在z 方向上有一个变形( 参图3 4 ) 。同时在液面探测时是采用4 个针头同时运动的方式，所以悬臂导轨的z 向变形就有可能会影响到液面探测的精度与准确性。本论文采用有限元方法，建立导轨模型，并借助a n s y s 软件对导轨的最大变形进行了分析。4 、对孵育模块的温度实现了模糊控制。针对以前温控系统存在的不足，从温控器件及温控方法上进行改进设计。根据温度偏差与温度偏差的变化率来模糊控制加热电流的大小。改善了温度的上升时间与超调量，提高了温度的控制精度。5 、对孵育模块温度控制的结果在m a t l a b 里进行了仿真，仿真效果良好。6 、对读板模块进行了较详细的结构原理设计，选取了各个部分所使用的元器件，并对各元器件的性能特点工作原理进行了分析介绍。1 4 本章小结本章从医学检验需求增加入手，研究了酶免设备发展现状，认识到当前酶免设备的研究在国内是一个比较新的内容，酶免设备是一个典型的光机电一体化的设备。本文拟在酶免仪开发项目中，主要研究加样模块结构设计，对孵育模块采用模糊控制的方法进行恒温控制，对读板模块进行原理性设计，期望为酶免仪开发打好理论基础。5全皂垫堕鱼坌堑些塑三堡塑里墨鲞壁堕查坚壅墨三兰塑鱼坌塑墅坌第二章酶免分析简介2 1 酶联免疫吸附实验简介1 9 7 1 年瑞典学者e n g v a i l 和p e r l m a n n n ，荷兰学者v a nw e e r m a n 和s c h u u r s 分别报道将免疫技术发展为检测体液中微量物质的固相免疫测定方法( 称为酶联免疫吸附试验) 。先将已知的抗体或抗原结合在某种固相裁体上，并保持其免疫活性。测定时，将待检标本和酶标抗原或抗体按不同步骤与匠相载体表面吸附的抗体或抗原发生反应。用洗涤的方法分离抗原抗体复合物和游离成分。然后加入酶的作用底物催化显色，进行定性或定量测定。最初发展的免疫酶测定方法，是使酶与抗体或抗原结合，用以检查组织中相应的抗原或抗体的存在。后来发展为将抗原或抗体吸附于固相载体，在载体上进行免疫酶染色，底物显色后用肉眼或分光光度计判定结果。这种技术就是目前应用最广的酶联免疫吸附试验，俗称e l i s a ( e n z y m el i n k e di m m u n o s o r b a n ta s s a y ) 。众所周知，酶是一种有机催化剂，很少量的酶即可导致大量的催化过程，所以极为敏感。免疫酶技术就是将抗原和抗体的免疫反应和酶的催化反应相结合而建立的一种新技术。酶与抗体或抗原结合后，既不改变抗体成抗原的免疫学反应的特异性，也不影响酶本身的酶学活性，即在相应而合适的作用底物参与下，使基质水解而呈色，或使供氢体由无色的还原型变为有色的氧化型。这种有色产物可用肉眼、光学显微镜、电子显微镜观察，也可以用分光光度计加以测定。呈色反应显示了酶的存在，从而证明发生了相应的免疫反应。所以，这是一种特异而敏感的技术，可以在细胞或亚细胞水平上示踪抗原或抗体的所在部位，或在微克、甚至纳克水平上对其进行定量。酶联免疫吸附试验是一种固相免疫测定技术，其先将抗体或抗原包被到某种固相载体表面，并保持其免疫活性。测定时，将待检样本和酶标抗原或抗体按不同步骤与固相载体表面吸附的抗体或抗原发生反应，后加入酶标抗体与免疫复合物结合，用洗涤的方法分离抗原抗体复合物和游离的未结合成分，最后加入酶反应底物，根据底物被酶催化产生的颜色及其吸6第二章酶免分析简介聿= 自动酶免分析仪的工作帆理及关键技术研究光度( a ) 值的大小进行定性或定量分析的方法。根据检测目的和操作步骤不商，有双抗体夹心法、问接法和竞争法三种类型的常用方法。1 、间接法此法是测定抗体最常用的方法。将已知抗原吸附于固相载体，加人待检标本( 含相应抗体) 与之结合。洗涤后加人酶标抗球蛋白抗体( 酶标抗抗体)和底物进行测定。操作步骤：包被固相载体：用已知抗原包被固相载体；加待检标本：经过温育( 3 7 2 h ) ，使相应抗体与固相抗原结合。洗涤，除去无关的物质；加酶标抗抗体：再次温育( 3 7 2 h ) 与固相载体上抗原抗体复合物结合洗涤，除去未结合的酶标抗抗体；加底物显色终止反应后，目测定性或用酶标仪测光密度值定量测定。( 含相应抗原) 与之结合。温育后洗涤，加入酶标抗体和底物进行测定。2 、双抗体夹心法操作步骤：用已知特异性抗体包被固相载体：加待检标本，经过i 盆育使相应抗原与恩相抗体结合；洗涤，除去无关钓物质；加酶标特异性抗体，与已结合在固相抗体上的抗原反应：洗涤，除去未结合的酶标抗体；加底物显色，终止反应后，目测定性或用酶标仪测量光密度值进行定最测定。此法适用于多价大分子抗原的检测。而不能用于测定半抗原等小分子。3 、竞争法此法可用于抗原和半抗原的定量测定，也可用于测定抗体。以测定抗原为例，将特异性抗体吸附于固相载体；加入待测抗原和一定量的酶标己知抗原，使两者竞争与固相抗体结合：经过洗涤分离，最后结合于固相的酶标抗原与待溅抗原含量呈负相关。操作步骤：用已知特异性抗体包被固相载体；测定管加待测抗原和一定量的酶标抗原，经过温育，使二者与固相抗体竞争结合；对照管只加一定量酶标抗原与固相抗体直接结合。分别洗涤，除去未结合的成分：加底物显色，对照管由于只加酶标抗原，与固相抗体充分结合，故分解全自动酶免分析仪的工作机理及关键拄术研究第二章酶免分斫简介底物显色深：测定管的显色程度则随待测抗原和酶标抗原与固相抗体竞争结合的结果而异。如待测抗原量多，竞争性地抑制酶标抗原与固相抗体结合，使固相上结合的酶标抗原量减少。因此。加入底物后显色反应较弱。分黝溅定两管的光密度 值，根据对照管与测定管o d 值之比，计算标本中待测抗原含量。2 2 一般酶免分析设备简介从前面的介绍我们可以知道，酶免分析仪的主要任务就是代替人工来完成酶联免疫吸附实验的工作，并提高其工作效率和实验质量。从整体来看酶免分析设备必须具有这样的一些基本功能，将血样与试剂混合反应，进行加温保温控制，持续1 到2 个小时，由于实验是在培养板上进行，同时还必须要能够清洗培养板，最后还要能够结果读取。所以般酶免分析设备至少要有以下几个模块：加样、孵育、洗板、读板。其总体结构和流程如下凰2 - 4 所示( 以变色龙为铡) ：卜一读板模块；2 洗板模块：3 一清洗液与废液：4 一孵育模块；5 一试剂位；6 一试样盘7 微板；8 机械手：图2 - 4 酶免分析内部总体结构第二章酶免分析简介伞自动酶免分析仪的= r _ 作机理及关键技术研究圈2 - 5 酶免分析内部总体流程1 、加样加样模块是一个工作量非常大的模块。由医务人员采到的血样，先放到试管里。等进入酶免系统以后，还要专门盛放到用来反映的微板里。加样模块主要的工作就是将血样加到微板里，然后再加入反应试剂。其中，由于每个采血试管里盛放的血量不同，所以试管里血液液面高度也就不同，这里就需要进行液面检测。另外，不同的检测项目需要加入不同量的试样和试剂，为保证结果的准确性，对加样精度( 注液精度) 就需要一个精确的控制。其次还有对不同试样的编号记录，以免混淆。以上就是加样模块的主要工作。加完样后，盛有试样与试剂的微板就被送到了孵育模块。2 、孵育加完样后的微板就是等待试样与试剂的反应。整个反应的过程就是在孵育模块完成的。在这一过程里，由于一般人的体温在3 7 度左右，为了保持结果的准确性，反应过程就需要有一个加温保温过程，在这过程中，微板也在不停的震动中，使试样试剂充分混合。反应后的微板就要送到洗板模块将没有反应的物质清洗掉。3 、洗板这个模块的功能就是用洗涤的方法分离抗原抗体复合物和游离的未结合成分，最后加入酶反应底物，根据底物被酶催化产生的颜色及其吸光度( a ) 值的大小进行定性或定量分析。主要是通过向微板孔里注液，然后吸干这样一个反复的过程来实现洗板功能。当前这一模块做的比较成熟，国内外都有相应产品。4 、读板这一模块主要是通过测定微板孔里剩余底物颜色的深浅及其吸光度来进行定性或定量分析。主要是通过光电传感的方式来进行。其原理基于郎伯比耳定律。一般酶免设备其工作流程就如上所述，加样、孵育、洗板、读板。有时洗板之后还要返回去加样，主要是加试剂，终止液等，这样的过程有时9全自动酶免分析仪的工作机理投关键控术研究第章酶免分析简介也会反复几次。2 3本章小结用酶免仪来完成酶联免疫吸附实验是酶免仪开发的主要目的。本章主要论述了酶联免疫吸附实验中三种主要方法的原理和般操作步骤，并从已有的简单酶免设备“变色龙”入手介绍了它的整体结构，同时也介绍了酶免仪工作的主要流程。本章为酶免仪的设计制定了研究方向，使后继工作有的放矢。0拿自动酶免分析仪的t 作机理及关键技术研究第三章模块化设计发加样模块设计与有限元分析第三章模块化设计及加样模块设计与有限元分析3 1 酶免仪的整体模块化设计当前酶免仪存在一些不足，不能将酶免实验中的单个模块取出单独应用，这样对使用者来说就少了一种自由组合使用的可能，而且有些相对小的客户还对单独的某个模块有需求，也就不能满足。针对这些问题，本文对酶免仪设计了模块化的结构。通过对酶联免疫实验的研究和对其他已有的一些酶免设备的借鉴，本文用三维绘图软件设计了整体的酶免仪结构效果图，如图3 1 所示。再这种结构里，酶免仪可以被分为四个大的模块：加样、孵育、洗板和读板，如图3 2 所示。另外还有一些软件和辅助模块，试管架、试剂架等。每个模块可以单独的工作，也可以组合成一个整体。图3 一l 酶免仪模块组合效果圈1 ) 加样模块2 ) 孵育模块3 ) 洗板模块4 ) 读板模块图3 - 2 酶免仪模块分割图曼三至堡堡垡堡生丝塑堡堡堡堡生兰童里垄坌堑全! 垫壁垒坌堑垡塑三堡垫堡垒鲨垫查! ! 翌阁3 3 加样模块当各个模块单独工作时，为保证其外观的漂亮整洁，每个模块都有可装卸的外壳，如图3 - 2 中的l ，每个模块的有其自己独立的液压系统，一般放在下面的箱子里，有其单独的控制系统，当各个模块分开以后也可以单独工作。当各个模块之间组合起来时，他们之间有工作上的相互协调，但实际工作时是不相互干扰的，就象酶联免疫吸附实验本身一样，各个步骤之间是不干扰的。而它们之间的相互协调就是靠上位机的程序来实现，这种协调主要也是一个微板在整个系统里的流动程序以及怎样节约时间的问题，这往往也要视不同的检验项目来定。微板在各个模块之间的传递主要靠的是机械手和滑轨，如图3 3 所示，机械手1 在滑轨上移动，滑轨贯穿整个酶免仪，当微板运动到相应的模块后，由机械手将微板放下和取走，微板就是靠这个机械手实现在不同模块之间的传输的。酶免仪采用模块化的结构后，不仅使结构上有了焕然一新的感觉，而且还使其实用性大大提高。使不同客户的需求得到了满足，自由组合的模式使更高操作效率成为可能，从科学研究的角度来看，模块化的酶免仪也为进一步的开学研究也建立的平台。3 2 加样模块的整体设计在酶免仪的开发中，加样模块是一个很重要的部分。它包括了血样与试剂混合的整个流程，也是相对动作最多的一个模块。加样模块设计的主要内容就是结构与布局的设计，加样模块的特点就是结构上繁杂，但技术上比较容易实现，本文主要就针对加样模块的结构及每个工位的布置进行了设计，对其中主要的可能出现的问题进行了讨论并提出了解决方案。其1 2全垒垫堕叁坌塑堡箜三生! ! 型丝差壁垫查竺壅笙兰兰堡堡些堡兰堡垫登竖垫望旦兰笪里：i ! ! 笪中也借鉴了捷美电子有限公司配液仪的经验。加样模块在p r o e 里绘制出的模型图如图3 - 4 所示：图3 - 4 加样模块整体结构图3 2 1 加样模块主要结构由加样模块主要完成的功能可知，在加样模块里主要包括：一次性性针头位、试剂位、血样位、脱针头位、进微板位和血样扫描位等组成。其位置布置如图3 4 所示：1 、2 为针头传输结构，悬臂机架上放置针头传输与固定装置。在x 、y 、z 三个方向上都有一个电极来控制在这三个方向上的运动。电机3 控制其y 方向上的前进后退，安装在机架挡板上，电机3 控制针头架z 方向的移动，一个是使针头靠近液面，另外还可以与脱针头座一起控制一次性针头的脱掉。另外在机箱背后还有一个较大的电机控制整个针头传输机构在x 方向上的移动，来使其到达不同为位置以便分别加血样和试剂。2 、血样位和试剂位分别为4 和5 。血样装在专门制作的盒子里，盒子1 3第= 章模块化设计及加样模块设汁t i 有糙元分析全自动酶免分析仪的工作帆理及关键技术研究星条形，每个盒子下面有导轨，便于血样的添加和取出。试剂因为每次检测使用的都一样，所以试剂盒制作的比较大，可以同时伸进多个针头。3 、7 是微板位，微板放在一弹性装置里，等取走一个后，可以自动上移。每个装置里可以放多个微板。微板位实际上还分两种，一个是微板顶出位，另一个是待加样的位置。每次由机械手8 将空的微板放到待加样位，加完样在放到下面一个位置等待。如果客户单独使用这一个模块，实际上加样工作就已完成，如果是使用的是整个设备，则加好样的微板就被机械手送到孵育模块。4 、6 为条码读取器，血样在加到微板之前，每个盛放血样的试管外壁上都有一个被检人员信息的条码，通过条码读取器将信息读出并自动记录，避免了病人信息混淆。5 、9 为脱针头位。在悬臂机架上固定有一个脱针头的装置，当需要将一次性针头脱掉时，就将悬臂机架移到这一位置，将针头脱下，并掉入下面的收集盒里。3 2 2 加样流程设计从以上分析可以看出加样的般流程如图3 5 所示：图3 - 5 加样流程图加完一块微板，按同样顺序加下一块，中间不能缺少任何一个步骤，同样也不能颠倒次序。3 2 3 主要锯决问题加样模块主要完成的工作，就是将血样和试剂分别添加到9 6 孔微板中，等待后面的孵育。但其中有几个值得注意的问题：1 、因为血样分两层，上层是血清，下层是血细胞。而检验所需要的仅仅是血清，每次抽取血样时是不能深入到试管底部的，当然也不能伸入试1 4全旦塑鳖墨坌堑堡箜王堡! ! 型丝鲞壁丝查型丝笙兰翌堡堡些堡生丝型登塑垫堡生皇复坚! ! 坌堕管太浅，因为为防止抽入空气，使加入血样量不准，同时也影响了最终的检测结果，所以血样抽取之前需要探测液面，每次探测到液面后再使针头伸入到试管液面下一定的位置抽液。在设计中我们采用的是压力传感器的方式进行的液面探测。在针头上固定压力传感器，当其触及到液面时，就向电机发出信号，使针头停止往下移动。其系统原理图如图3 - 6 所示：接嗫浦粟缔图3 6 液面检测系统原理图在针头吸液系统中安装一个三通管，一路接吸液系统，另外两路分别按针头和压力传感器的输入端。这样压力传感器上的压力就与针头上的压力一致。压力传感器为压差传感方式，它同样有两个输入端，另外一个接外界空气。所以此时，当针头接触到液匿后，则针头里就会有一个压力变化，这个压力变化传递到压力传感器，与另一路压力输入即大气压力相比较，就会产生一个压力差。这时传感器就会产生一个信号。这个信号传送到传感控制器里，传感控制器可以自行设定一个阈值，这个阅值一般就是指压力传感起上的两个输入端的压力差，当压力传感器传来的信号超过这个阈值时，就向针头架驱动电机发出一个控制信号，使电机停止，即此时针头恰好运行到液面下适当距离。这样就完成了液面检测的功能。此系统已在加样模块做出之前通过传感器搭建了一简单的检测系统，经过实验证实了这种方法是可行的。2 、血样的记录闷题。被捡人员的信息必须要记录清楚，不能混淆。在设计时采用条码扫描的方式进行记录。即血样在每次放入血样位的同时也被条码扫描器扫描记录了下来。3 、交叉污染的防止与针头水平间距的调整：当一个针头抽取完一个血1 5笙兰要堡竺些壁望些塑壁堡些丝生苎皇里垄坌堑生鱼垫堕叁坌塑堡竺三堡墨堡垒差壁堡查塑型样后，不能直接去抽取第二个，因为有可能针头上带的残留血清会混淆到另一个血样里而造成交叉污染，另外在抽取试剂时也同样要防止此类问题。此时为防止交叉污染使用了一次性针头。此种针头有专门的使用标准。并且盛放针头的支架也是标准的。每两个针头之间的间距是微板上两相邻孔之问的两倍。所以在多个针头同时使用时就要考虑到这样一个问题，针头之间的间距是可调的，或者用别的方法使其既能够在标准针头架上使用，也能在微板h 使用。解决方法如下图3 7 所示：o o o oo oooo o o o o o o oo q o 0 0 0 0 0 0 8 8一次性针头架孔位或血样试管孔位微板孔位图3 7 微板孔加样次序由于一次往针头孔间距大致为徼板孔间距的两倍。所以如图3 - 4 所示：加样针头有四个，在取一次性针头时。依次去取。血样盛放的条形盒子，其上面的试管间距按照一次性针头架来设计，所以此时取完针头就可以直接去吸取血样。当吸完血样后，要将其注入微板孔中，则此时微板孔的注入方式就是蹋一个注入，因为9 6 孔板每是8 个孔，当下一次注入血样时就注入同一排的其余几个孔中。4 、由于悬臂机架的变形，有可能会使四个针头在z 方向上一个较大的斜度。由于四个针头是同时检测液面的，而且每个试管里的血样高度有所f a l 变形后加样前伯1 变形后加样中r c l 无变形加样中图3 - 8 悬臂变形对液面探测的影响分析1 6管生鱼塑堕垄坌堑堡塑三堡塑些丝差壁垫查竺壅塑兰皇堡堡些墼生丝塑堡壁生堡生兰塑坚堑竺塑不同，这样就有可能会影响到液面检测的准确性。假设由于悬臂机架的变形，各针头l 、b j 已产生了一定的斜度。如图3 8 所示：假设此时悬臂变形为d l ，血样液面最高高度差为d 2 ，当全部针头都探测到液面时，由图3 - 5 ( b ) 可以看出，针头伸进液面的最深深度为d l + d 2 ，若悬臂没有变形或变形很小，如图3 5 ( c ) 所示，则此时当针头全部探到液面时，针头伸进液面的最大深度仅为d 2 ，所以此时由于悬臂的变形引起的液面的高度差允许值变的很小。而实际上液面高度差有对会因人体体质差异而有较大差别。一般这个差值可以达到2 3 t u r n ，而在试管里的血样中，血清的高度仅有8 l o m m ，要满足探测液面的要求，就必须使d l 加d 2 并与液面高度差之和小于血清的深度。一般液面高度差是就在一个很小的范围内的值，此时的关键因素就变成了，由于变形所引起的d l + d 2 的值，所以此时还需要对机架在承受载荷后的变形作一校核。3 3 机架受力的有限元分析在上面的设计中我们提到，由于每个试管里血样都是离心后的血液，上层是血清，下层是血细胞。而在检验中所使用的是上层的血清。所以在吸液的时候就需要有一个液面检测的过程。由前面的设计我们知道，吸液针头是放置在悬臂的机架上的，所以有可能会因为悬臂机架的变形太大使液面探测到后针头仍往液面下移动，如果针头触及到了下层的血细胞则取出的血样就是不可用的。所以悬臂梁的变形就需要进行校核。悬臂机架在考虑了易于制造和成本问题后选用了钣金结构，所以板中间会有比较多的孔洞，如果单纯靠手工建模计算，难度较大，而且精度有可能不准确。所以我们采用有限元方法，借助a n s y s 软件进行分析。3 3 1 有限元方法简介有限元方法的基本思想最早出现于2 0 世纪4 0 年代，最初是为了准确的了解飞机的静态和动态特性而开发出的一种新的工程分析方法。有限元方法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些变分原理去建1 了第三章模块化设计及加样模块设计与有限元分析全自动酶免分析仪的工作机理及关键技术研究立用以求解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。有限元求解的过程如图3 9 所示：结构离散化，生成有限元刚格计算单元刚度矩阵生成总刚度矩形成节点载荷向量+引入约束条件+解线性代数方程0输出接点位移士计算并输出单元的应力圈3 - 9 有限兀求解流程图由于单元可以设计成不同的几何形状。因而可灵活地模拟和逼近复杂求解域。显然，如果插值函数满足一定要求，随着单元数目的增加，解的精度会不断提高而最终收敛于问题的精确解。但这样同时也增加里计算所耗费的对间，因此有限元方法的基本策略就是在分析精度和分析时间上找到一个最佳的平衡点。3 3 2a n s y s 简介a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型c a e 有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通等一般工业和科学研究。a n s y s 的结构静力分析主要是用来求解稳态外载荷引起的系统或部件的位移、应力、应变等。在机架受力的有限元分析中，主要也是使用a n s y s 的静力分析这一块。一般塑兰兰堡鉴些堡生丝塑堂堡垫堡生：! 笪里：! 坌塑皇皇垫堕叁坌塑些竺三笪塑堡丝茎壁垫尘婴壅罔3 15 应力分布显示3 3 4 结果分析由求出的变形结果可知，最大变形仪有1 3 7 r a m ，由