分立式全自动生化分析仪的设计和研制

王中雷

（凯和生物科技（上海）有限公司，上海 200082）

0 引言

自动生化分析仪是自动化的高度生物化学分析机器的一种，可以完成生物化学分析的一些或全部步骤，例如采样、添加试剂、混合、热保存反应、检测、结果计算和模拟手动操作的显示等。它可以迅速处理样品，大大提高了操作的准确性和可靠性，减少了手动的介入，在临床化验中起着重要作用。根据不同的比色法，自动生化分析仪被分成两个类别。垂直型和O型之间的主要区别是控制序列和分光光度计。流式自动生化分析仪采用流式比色抖动，分析速度低，精度也难以达到高水平，样品交叉污染较大。离散自动生化分析仪采用了没有相互污染的离散比色盘。比色的数量可以根据需要进行配置，精度和测试速度也可以大幅提高。系统结构复杂，控制时序要求严格，操作可靠性和精度要求高。因此，医疗机构的需求大部分依赖进口。为了打破自动生化分析仪装置的海外垄断，应加大资金投入和技术政策支持。

1 全自动生化分析仪概述

自动分析仪是一种病理实验室仪器，设计用于分析血液生物化学参数，如葡萄糖、淀粉酶、尿素、甘油三酯等人力援助最少。血液样本被放置在一个试管架上，该机架通过步进电机旋转，用于通过分析仪的测量室定位血液样本。全自动生物化学分析仪的目的是为了在实验室重负荷的血液样本进行估计。选择过滤器进行相应的测试、抽取样本、检查水位、不同的试剂和标准水位、清洗细胞中的流体、QC水位、蠕动泵的自动校正和其他许多检查都是自动化的[1]。这种自动化为实验室操作人员专注于样品准备和报告/文档部分提供了很大的方便。生化分析仪(BCA)是以朗伯-比尔原理为基础的一种仪器，常用于测定血糖、胆红素、白蛋白、尿酸、胆固醇、血红蛋白等临床和化学指标。由于它能够真实、快速地为医生或化学鉴定人员提供检测数据，因此在临床诊断和化学检验中具有重要作用。自动分析仪是一种医学实验室仪器，旨在测量不同的化学物质和其他特征在一定数量的血液样本迅速，最低限度的人的帮助。血液样本被放置在一个试管架上，然后这个试管架通过一个步进电机旋转来定位血液样本通过分析仪的测量室。全自动生物化学分析仪的目的是为了在实验室重负荷的血液样本进行估计。

目前市场上的生化分析仪主要有色度计、半自动生化分析仪、全自动生化分析仪、光度计、分光计等。生化分析仪和生物分析仪是一个术语，可以指各种不同的仪器，旨在执行各种功能，如分析和测量样品的实际特性。生化分析仪最典型的用途是寻找与脂肪、蛋白质、酶以及核酸等生物分子有关的结构和功能。生化分析仪的自动化带来了许多实验室功能完成方式的改变，并允许许多时间不敏感的任务得到精简，这反过来又提供了良好的吞吐量。这些全自动生化分析仪产品可以计算的焦点或指出特定物质的特点，在样品中实现快速和最少操作的处理[2]。

目前临床生化检测大部分已实现自动化，大部分检测工作是由生化分析仪自动完成。目前。自动生化分析仪由计算机控制，包括生化分析中的取样（取样）、加料、混合、保温反应、试验（试验）、计算结果、判断可靠性、显示打印、清洗（清洗）等步骤。计算机不仅用于控制自动分析器，还用于安排测试要求和打印结果。采用自动生化分析技术，可提高临床生化检验的质量和速度，减轻检验人员的劳动强度，节约样品和试剂，增加检验项目，提高检验精度，减少实验误差。并帮助规范临床检验。

2 分立式全自动生化分析仪系统设计

系统设计以80C31单片机为核心，通过地址总线、数据总线连接，控制总线64kbytes的EPROM 27C512进行监控程序，24kbytes的带电池备份的RAM进行快速数据存储，24h的结果存储容量，以及8255s的预采样I/O设备用于接口32键盘、12位A/D、40列热敏微型打印机，以及30个字符×8行的字母/图形液晶显示。字母数字键盘包括各种功能键、数字键、送气键和复位键，用于系统的各种功能和参数分析。液晶显示器用于显示日期和时间的实时时钟，各种菜单，参数和数据输入从键盘以及病人的结果和动力学图像在一些测试参数的需要。12位A/D 转换器将光电探测器和前置放大器的模拟信号转换为数字信号。40列热敏迷你打印机用于硬拷贝的参数存储，病人测试结果，收集报告和动力学图像显示在液晶上，这些图表有助于测试结果的真实性。

本文提到的自动分析系统在温度控制系统的设计过程中，采用了基于半导体传感器的温度控制器。该系统通过初始速率、固定时间、终点和动力学方法，测定了不同温度下生物流体中酶活性和底物浓度。系统可以选择任何所需的温度，并在选定的温度下保持流动电池的温度，因为酶是相对脆弱的物质，具有十分稳定的失活或变性[1]。因此，为了获得适当的酶活率和提高稳定性，在进行试验时必须妥善处理，并且必须保持在所需的温度。用半导体器件提供和维持流动池中样品所需的温度。利用这种效应来控制样品的温度[3]。

蠕动泵/抽吸系统的设计中，8031单片机的Port1通过驱动器硬件与步进电机连接，驱动器驱动蠕动泵的滚动，为电机驱动硬件产生所需的脉冲序列。驱动器硬件提高了步进电机所需的脉冲序列的电压水平。系统采用滚筒式蠕动泵，抽吸所需量的试剂/样品，清洗流量计。这台泵可以进行校准，以吸出所需数量的水、试剂和样品。

此外，系统的光学组件由带反射镜的光源、光密度系统、准直物镜、流动单元、滤光轮组和光刻机组成。恒流电源用来为灯供电，以减少光线的波动。所有的光学元件均采用石英玻璃设计，在340nm处具有良好的紫外透过性能。为了保证光探测器在紫外光（340nm）下的低响应，所有的光学元件在紫外区都配有增强型的减反射涂层。在光机械组件中，在设计中特别注意使每个组件相对于光轴正确对齐。为了获得所需要的光波长，在滤光轮上安装了6个不同波长的干涉滤光片，如340nm、405nm、505nm、546nm、578nm和630nm，从紫外光到可见光区光谱（300nm 至700nm）。这些过滤器是根据执行的测试自动选择的。当选择所需波长的滤光片时，自动选择相应的增益。滤波轮由步进电机驱动，通过驱动电路与微控制器端口连接。脉冲按照要求的顺序产生，以所需的角度旋转电机，这使得滤波器前面的光电探测器[4]。

3 分立式全自动生化分析仪机械部件设计

3.1 生化分析仪滑动轴承制造

图1为全自动生化分析仪机械传动示意图。在全自动生化分析仪器机械系统轴承设计的过程中，针对轴承制造对高效率、高精度、高刚度的要求，提出了高精度电主轴的特殊应用对轴承制造工艺的要求。制造工艺的设计目的是选择轴承制造方案、加工设备和质量检验设备。

图1 全自动生化分析仪机械传动示意图

滑动轴承的制造质量检验通常采用以下方法：①轴承尺寸误差的测量。尺寸误差是工件尺寸与图纸尺寸的差值，工件尺寸可用游标卡尺或千分尺测量。对于有特殊要求的高精度轴承，可采用三坐标测量仪进行测量。②轴承表面测量误差。轴承表面误差主要包括内部润滑表面和外部安装表面，测量指标为表面跳动和表面粗糙度。③测试了巴氏合金层的缺陷和结合强度。巴氏合金的内部缺陷可用渗透检测或超声波检测，粘结强度可用万能拉伸试验机测定。④轴承静动态特性实测。通过模拟轴承工况的台架试验，测量了轴承的静动态特性。⑤轴承的实测寿命。在台架试验上也进行了轴承的升力试验。根据加大载荷或提高试验速度的要求，实现了轴承长时间运行的仿真，对轴承寿命进行了估算。

在实际制造过程中，首先，利用UG软件建立待加工轴承的三维模型。然后根据轴承的三维模型，利用 VERICUT软件对轴承进行了加工仿真。机床在加工仿真是一个铣磨机（DMG HSC75），这是相同的实际加工轴承。轴承的制造工艺流程为粗加工-巴氏合金铸造-精加工。

3.2 取样系统设计

采样设备包括稀释器，采样探头，输送样品和试剂的管道等。通过液面导引装置对样品抽吸的针头进行导引，防止空抽吸和凝块抽吸。另外，水平导引装置可防止探头的损坏，减少输送的污染。有些装备有闭塞检测报警系统；另外，智能防撞器还能停止探头的工作，并能对某些故障发出警报，将取样器和加液器组合使用，一个探头即可一次性完成样品、试剂或稀释液的加入。连接探头的加样臂在样品杯（试剂瓶）和反应杯之间移动，完成取样和加样（试样）。它的运动方式与仪器的工作效率、寿命密切相关，气门确定液体流向。有些分析仪取样品和试剂用同一根试样针，通过内部分流阀控制取样和试剂；有些仪器有两套取样装置，保证测试结果准确的关键是采样探头的自动清洗装置[5]。

3.3 分光装置设计

干涉器有两种插入与旋转换形式。扰动滤清器价格低廉，但易受湿度和模具的影响。经过科学合理的设计，利用滤光片可以达到和光栅一样的效果。将光谱分为全息反射光栅和蚀刻凹面。金属薄膜是金属薄膜，具有一定的相位差且易腐蚀。该波长固定在耐磨损、耐腐蚀、无相位的凹面玻璃上选定的波长上。目前最先进的蚀刻光栅非相位反差蚀刻光栅。栅格被划分为拆分和分段。预分光是生化分析仪的一种自动光路系统，它和普通仪器一样，即光源→光谱成分→样品→检测器。不同波长的探测通常是不可能断开的，而且通常会确定一次，然后可以测量第二时间。之后的分割源为光源→样本→分片组件→检测器。该方法首先将光源照射在样品杯上，通过光栅分裂检测任意波长的吸收。后部分块的优点是需要移动仪器的部件，而且可以用两个或多个波长测量，从而降低了噪声，提高了分析的准确性和精度，降低了故障率。所以，现代生化分析仪主要采用光谱测量技术。在生化分析仪中，后光度法可实现多项指标的同时检测。使双波长分光计更具实用性。现已发展成为世界上最先进的光/数字信号直接转换技术。在分光装置设计的样机测控系统原理框图如下图2所示，利用计算机选择三种单片机分别进行测控。

图2 样机测控系统原理框图

3.4 清洗系统设计

清洗设备通常包括液体抽吸、唾液针和清洁刷。一般情况下，先将反应液抽出，先用碱性液体漂洗，再用酸液冲洗，最后用去离子水冲洗3次。毛刷的作用是吸收杯壁上的水，刷体内有负色吸引装置。例如，奥林巴斯AU400生化分析仪采用先进的八步温水自动冲洗色度杯，利用先进的排水技术，在漂洗后留下不到1升的水，然后干燥，使色度杯清洗干净、彻底，避免相互污染物品。例如，雅培航空和智能水洗系统和OSS性能分析仪器，即根据试剂或样品间交叉污染物品的组合，自动改变检测顺序，避免相互进行分析；若无法相互分析，则选择专用清洁剂进行自动清洗。普通全自动生化分析仪：①样品探头及试剂探头具有自动清洗和漂洗功能；②自动扫描光碟及消除不符合要求的色盘；③台电脑可自动降低相似的检测方法（AST、ALT、LD等），并可自动降低检测方法（AST、ALT、LD等）。采用惰性液体膜技术，减少探针内外管壁的交叉污染[6]。另外，仪器的耗水量也是不容忽视的问题。反应器自动更换为一次性反应杯，减少反应杯重复清洗过程，大大降低了仪器的污染，进一步提高了仪器的可靠性，并使水量大幅度减少。

4 结语

在较大的医疗实验室，比如医院，我们可以找到专用的生化分析仪系统，经常用于进行各种医疗设施所需的常规评估。其中包括评估血液甚至血清中白蛋白、糖、酶以及肌酸水平。这些测试可以通过测量比色法、浊度导电率和各种不同的电导率来进行。经过长时间的研究开发，并创建了垂直自动生化分析仪器的产品原型。测试原型性能，性能指标满足设计要求。产品完成后，可以提供给用户。目前，离散型自动生物化验器主要依靠进口，如果能在中国生产出这样一种高质量、精致的一流产品，它将为国家节省大量外汇，为人民带来利益。