大容量高通量化学发光免疫分析仪的结构设计方案

王 峤，杨东超，叶 翀

（清华大学 机械工程系机械电子工程研究所，北京 100084）

0 引言

化学发光免疫分析仪（Chemiluminescence Immunoassay Analyzer）是一种利用化学发光免疫分析法（Chemiluminescence Immunoassay，CLIA）进行化学物质检测的自动化分析设备。分析仪通过实现取样品、吸试剂、混合、去干扰物、孵育、检测、数据分析与处理等操作步骤[1]，对待测样品进行实验分析。

目前，国内外一些大型公司和科研院所都在从事化学发光免疫分析仪的研发工作。例如，美国雅培公 司[2]、瑞士罗氏公司[3]、北京勤邦生物[4,5]、深圳迈瑞生物等。目前，化学发光免疫分析仪以分立式结构最为典型。分立式结构的工作原理[1]与手工操作相似，样品与试剂按特定比例被添加到彼此分立的反应杯或试管中完成混合、孵育和检测等过程。各个样品在分析过程中是互不掺杂的，因此交叉污染率相对较低。本文提出一种新型的化学发光免疫分析仪的结构设计方案，重点介绍了存储模块、加样模块、传送模块等结构，在传统分析仪结构设计的基础上进行了一些改进设计，有效地提高了工作效率和空间利用率。

1 分析仪工作流程分析

在本文的结构方案设计中，全自动化学发光免疫分析仪的工作流程（如图1所示）为：加样模块中的加样针先后吸取待测样品与配套的两种试剂并将其加入到反应杯中混合，然后反应杯进入孵育区进行免疫反应。免疫反应完成后，去除反应杯内的干扰物并加入发光底物，随后对发光强度进行检测。将所得数据与标准品测出的标准曲线进行对照，计算分析得出待测物的浓度。

图1 化学发光免疫分析仪工作流程

2 分析仪各模块结构与功能

如图2所示为化学发光免疫分析仪整体结构示意图。化学发光免疫分析仪主要由存储模块、传送模块、加样模块、加载模块等部分组成。

图2 分析仪整体结构布局图

2.1 存储模块

样品、试剂存储模块主要用于存放待测样品及各种相关试剂，同时可以将样品和试剂传送到加样位置上。如图3所示为化学发光免疫分析仪存储模块结构图。

图3 分析仪存储模块结构图

存储模块由两个样品转盘和一个试剂转盘组成。样品转盘和试剂转盘均设计为圆环形盘状结构，其圆周上均匀布置用于放置样品、试剂容器的收容腔。

样品转盘用于放置盛放待测样品的试管，并通过转动将待测样品依次传送到加样位置，等待加样模块进行加样操作。

试剂转盘同圆心地布置于样品转盘的内侧，可通过转动将所用试剂传送到加样位置。用于实验检测的两种配套的试剂分别放置于试剂转盘的内、外圈收容腔内。

当待测样品较多时，备用样品转盘可用于放置样品。此时，加载模块可将样品转盘已检测完毕的样品卸载到备用样品转盘上的废弃位置，并将待测样品加载到样品转盘上的收容腔内。

分析仪的存储模块采用转盘式结构，可使分析仪整体布局更加紧凑，也可以简化该部分的传动结构。同时，存储模块还可以直接完成将样品和试剂传送到加样位置的动作，无需增加其他传动结构。相比于同类分析仪样品、试剂分块式布局的方式[6]，本文中的存储模块结构实现了样品和试剂的传送操作，减小了加样模块进行加样操作的行程，进而有效地提高了分析仪的加样效率。另外，采用转盘式结构无需额外增加机械结构，即可在转动过程中，完成有磁珠标记抗体的混匀。

2.2 加样模块

加样模块的主要功能是根据预先规划的运动轨迹控制加样单元准确运动，按照特定的顺序将酶标记抗原、待测样品、磁珠标记抗体加入到反应杯中，完成加样操作。化学发光免疫分析仪加样模块结构如图4所示。

图4 分析仪加样模块结构图

加样模块由直线导轨、加样单元（包含加样针）、清洗槽等部分组成。直线导轨将加样单元限定在一直线轨迹上运动，可分别控制三个加样单元到达不同的加样位置。加样模块采用三个加样单元分别携带加样针，可同时吸取存储模块中的样品和试剂，依次加入到反应杯中进行反应，有效避免交叉污染；并且在清洗操作时，能够同时对三根加样针进行清洗。

加样模块的操作方式可大幅节省样品、试剂吸取和加样针清洗时的操作时间，有效地提高加样操作的效率。同时，分析仪可通过控制存储模块中的样品转盘、试剂转盘和传送模块的反应盘，使得待测样品、配套试剂、反应杯的加样位置位于直线导轨正下方，因此加样单元只需进行直线移动，相比较常见的三自由度直线式加样臂[7]和平面关节式加样臂[2,3]，加样模块对加样单元的移动行程减小，定位精度的控制也更加简便。

2.3 传送模块

分析仪的传送模块的主要功能是将反应杯传送到加样位置上，同时能够控制反应杯在发光检测分析过程中的位置。传送模块起到了串联整体仪器的作用，在实验检测过程中实现反应杯位置的改变——反应杯经过加样位置、孵育位置、清洗位置、加底物位置和检测位置，并最终被回收——使分析仪的各个工作流程能够连续进行。如图5所示为化学发光免疫分析仪传送模块结构图。

图5 分析仪传送模块结构图

图5(a)为传动模块俯视图。传动模块主要由底盘和四个反应盘组成。每个反应盘上有若干均布于圆周上的反应杯位，反应杯可放置于反应杯位中。四个反应盘均匀地布置于底盘圆周上。

当反应杯需要加样时，反应盘转动一定角度到达加样位置，即进行“自转”。当加样操作完成后，反应盘再次转动一定角度，使下一个位置的反应杯到达加样位置，等待下一次加样操作的进行，依此类推。

当分析仪对一个反应盘上所有的反应杯均完成加样操作后，传送模块进行“公转”：转盘带动四个反应盘转动90°，“公转”过程中反应盘保持静止。传动模块的“自转”与“公转”的相互转换，可通过布置于转盘下方的传动系统来实现。

该传动模块设计的特点在于：1）在反应杯数目满足实验的孵育时长和高通量的条件下，将反应杯平均布置于四个反应盘上，可有效减小传动模块的占用面积，并且结构简单；2）在“自转”过程中，四个反应盘同步转动，同时可以保证每个反应盘的操作相互独立，互不干扰；3）反应盘模块化设计，当一个反应盘完成发光检测后，可更换新的反应盘到转盘相应位置，保证实验检测的连续性。

2.4 加载模块

分析仪的加载模块由一个机械臂构成，其结构如图6所示。机械臂由移动关节、大臂、小臂和末端夹取装置组成，其自由度数为3。末端夹取装置的开合可以通过电磁铁通断电情况来控制：当电磁铁通电时，夹取装置张开；当电磁铁断电时，夹取装置闭合。

图6 分析仪加载模块结构图

加载模块主要有两个功能：更换反应盘；更换样品试管。

在反应盘中心位置开有一个夹取用孔。当一个反应盘上所有位置的反应杯均完成发光检测操作后，将机械臂夹持装置的末端伸入该反应盘的夹取用孔中，电磁铁通电后，夹取装置张开，撑住孔内壁，将使用过的反应盘移动到回收位置。之后，将备用的反应盘移动到相应的反应盘位置上，完成反应盘的更换。此操作示意如图7(a)所示。

同理，将机械臂夹持装置的末端伸入已完成加样的样品试管中，夹取装置张开，末端撑住样品试管内壁，可以完成样品试管的更换操作。此操作示意如图7(b)所示。

图7 分析仪加载模块操作示意图

利用分析仪加载模块，可以完成备用实验用品的更换操作，使得实验测试能够连续不断地进行，进而增加实验的测试通量和仪器工作效率。同时，采用机械臂进行相关操作，提高了分析仪的自动化程度，减少了实验人员的人工干预。另外，末端夹取装置通过电磁铁进行控制，减少了电机的数目，利于控制操作过程。

3 结束语

化学发光免疫分析仪是一种集成了生物、化学、结构设计、机器人及自动化、传感器技术等多学科技术的仪器。本文介绍了一种化学发光免疫分析仪新型结构设计方案，对分析仪存储模块、传送模块、加样模块和加载模块进行了具体的结构和功能分析。

存储模块采用转盘式结构，使仪器结构更紧凑；传送模块采用反应盘“自转”与“公转”相结合的运动方式，克服了高通量、体积小的设计难点，减小空间，提高工作效率和可操作性；加样模块控制简便，工作行程减小，独立的加样单元还能够避免交叉污染；加载模块负责更换备用用品，提高分析仪工作连续性和自动化程度。

[1] 雷东锋.现代生物化学与分子生物学仪器与设备[M].北京：科学出版社,2006.

[2] 何方洋,刘文宾,张禹,冯娟,冯才伟,聂雯莹,索庆祥.一种反应杯存储装置：中国,102621341A[P].2012-08-01.

[3] 冯娟,张禹,何方洋,万宇平,聂雯莹.一种反应杯传送机构：中国,202404108U[P].2012-08-29.

[4] 何方洋,万宇平,冯娟,冯才伟,罗晓琴,冯月君,聂雯莹.一种试剂存储器：中国,202305541U[P].2012-07-04.

[5] 何方洋,冯娟,张禹,等.一种机械臂：中国,202846529U[P].2013-04-03.