Robust i系列全自动化学发光免疫分析仪的研究与设计

张昊 吴刚 姜健军 谢小恒 史亮 艾康生物技术（杭州）有限公司 （浙江 杭州 310030）

内容提要： 化学发光免疫分析是将具有高灵敏度的化学发光测定与高特异性的免疫反应结合，用于检测微量抗原或抗体的一种新型免疫分析技术。全自动化学发光免疫分析仪通过机械运动来实现测试过程中的取放反应杯，加样本和试剂、混匀、孵育和测量等操作步骤，可节省劳动力成本并排除人为误差，确保结果的准确性和一致性。艾康生物技术（杭州）有限公司Robust i系列首台全自动化学发光免疫分析仪（Robust i1000）的研究和设计工作完成，于2017年顺利取得该产品的CFDA注册证。文章就该仪器的基本结构及关键技术作一个简要的回顾和介绍。

化学发光免疫分析是目前世界公认的先进的免疫诊断技术，已经被广泛应用于医学检验和生命科学研究中[1,2]。利用抗原和抗体的特异性反应作为检测手段，可以进行传染病类、性激素类、甲状腺类、肿瘤标记物等项目检测。化学发光免疫分析是将具有高灵敏度的化学发光测定与高特异性的免疫反应结合，用于检测微量抗原或抗体的一种新型免疫分析技术。与其他免疫分析方法相比，化学发光免疫分析具有简便快速、灵敏度高、线性动力学范围宽、结果稳定、误差小、安全性好和使用期长的优点。

化学发光免疫检测的基本原理是利用化学发光反应的试剂标记抗原或抗体，这些经过标记的抗原或抗体与被测物质经过一系列的免疫反应和理化步骤，最后通过测定发光强度来测定被测物的含量。全自动化学发光免疫分析仪通过机械运动来实现测试过程中的取放反应杯，加样本和试剂、混匀、孵育和测量等操作步骤。由于其自动化程度高，用自动化来取代人工，不仅可以节省宝贵的劳动力成本，更重要的是排除了人为误差，有效确保结果的准确性和一致性。基于以上这些优势，全自动化学发光免疫分析仪在医学检测领域的发展十分迅速。目前化学发光高端免疫诊断市场规模超过200亿。

在此背景下，艾康生物技术（杭州）有限公司依靠自身技术积累，历经6年时间，完成了Robust i系列首台全自动化学发光免疫分析仪（Robust i1000）的研究和设计工作，于2017年顺利取得该产品的CFDA注册证。本文就该仪器的基本结构及关键技术作一个简要的回顾和介绍，具有一定的研究价值和现实意义。

1.仪器的基本结构

如图1所示，全自动化学发光免疫分析仪主要由以下几个组件组成：①样本盘：用于存放被测样本以及通过扫码装置使上位机自动获取样本信息。②试剂盘：用于在4～8°C的环境下贮存测试所用的试剂，同时试剂盘中带有磁珠液混匀机构。③试剂（样本）加样机构：用于试剂（及磁珠）、样本、稀释液等的提取和添加。④孵育盘：孵育盘内放置反应杯，完成样本的添加、试剂（及磁珠）的添加及孵育等功能。孵育盘的孵育温度为（37±0.5）°C。⑤混匀机构：混匀机构是一个能让试剂和样本充分反应的振动混匀装置。⑥机械手：机械手通过控制机械手的开闭和机械臂在X 、Y、Z三个方向的移动，实现在各模块间取放和搬运反应杯的相关操作。⑦液路模块：液路系统主要实现以下功能：样本针和试剂针清洗、磁珠清洗、底物液注入、废液处理、以及纯化水供应。⑧清洗站：用于完成磁分离清洗。⑨光路检测模块：光路检测模块实现检测发光值以及反应杯丢弃的功能。

图1. Robust i1000俯视结构图

图2. 样本。试剂加样系统示意图

2.关键技术研究

Robust i系列全自动化学发光免疫分析仪涉及光学、机械、电子、软件、液路等多方面的综合技术，其涉及专业方向广、系统结构复杂、设计难度较大。尤其是微量样本、试剂精确加样，发光检测等技术对仪器性能影响重大。

2.1 微量样本、试剂精确加样技术

仪器的整个加样系统如图2所示，加样的器件包括一根加样针，一个三通旋转阀和一个注射泵。清洗的器件包括一台内壁清洗泵，一台外壁清洗泵，一个清洗池以及一瓶探针清洗液。吸取试样时，三通旋转阀将注射泵和加样针导通，加样针探到试管中的样本液面下，然后通过注射泵活塞的移动将样本吸入钢针中。试样加注时，加样针通过运动机构移动到反应容器上方，然后通过注射泵活塞的移动将样本注入反应容器中。清洗加样针时，加样针移动到清洗池中，三通旋转阀将加样针的内壁管路与内壁清洗泵导通，然后同时打开内壁清洗泵和外壁清洗泵，实现对加样针内、外壁的清洗。

通过在仪器上的测量验证，Robust i1000的加样系统其加样精度在进行最小5μL加样时，其加样误差在±1μL以内，CV＜5%。其携带污染率≤1×10-5。各项指标均满足国家相关行业标准[3]。

2.2 发光检测技术

仪器的发光检测采用了单光子计数技术。其核心部分是一个专门定制的光电倍增管，光电倍增管主要由三个部分构成：光电阴极、电子倍增系统、阳极。当光子打到光电阴极时，阴极释放出光电子；该电子在电场作用下射向第一倍增电极，引起电子的二次发射，激发出更多的电子，然后在电场作用下飞向下一个倍增电极，又激发出更多的电子。就这样经过多个倍增电极的反复放大，最后使阳极产生了一个能量远高于最初样本发射光子的电脉冲信号。该信号经放大器放大后，再通过甄别器滤除部分噪音脉冲，最后由计数器输出光子脉冲数到控制系统。

3.小结

从目前国内竞争格局来看，化学发光由于其较高的技术壁垒以及国产品牌介入的时间相对较晚，整个化学发光免疫分析的行业市场总体而言还是国外巨头相对垄断的阶段，从行业目前竞争格局来看，罗氏占据约44%市场份额，雅培占据约24%市场份额，贝克曼和西门子分别占据13%和4%的市场份额，国产品牌只占据15%市场，替代空间巨大。正是瞄准这一空间，艾康生物结合自身的研发优势，于2011年起开始化学发光仪器和试剂项目的产品开发。截至目前，已获得Robust i1000化学发光分析仪和首批9种试剂项目的医疗器械产品注册证，在未来2、3年，艾康生物将继续进行Robust i系列更高测试通量的仪器的研制并进一步拓展其配套试剂的项目数，市场前景可期。