CN102253228B - 全自动化学发光免疫分析装置 - Google Patents

Abstract

一种全自动化学发光免疫分析装置，由机械框架及外壳(1)，加样工作台(11)，洗板工作台(5)，检测工作台(2)，光路开关装置(3)，加样泵(10)，洗板液气压系统(6)，试剂架(9)，洗针池(8)，暗室门(7)及控制部分(4)组成。本发明的装置能实现加样、洗板、检测的三维空间操作，且结构简单，适于操作，成本低，有利于工业实现。

Description

全自动化学发光免疫分析装置

技术领域

本发明涉及一种机电装置，具体是涉及一种全自动化学发光免疫分析装置。

背景技术

化学发光免疫分析(CLIA)技术是一种超微量活性物质检测技术，应用非常广泛，是目前最有发展前途的一种免疫分析方法，它具有实现均相测量和多元检测等独特的优点。同时化学发光仪已发展成为全自动化，全部工作由计算机控制：即从加样、传输、温育、分离、洗涤和测量到数据处理和结果打印。

我国的化学发光研究起步于1980年代，先后出现过数十种型号的国产化学化光分析仪，但大多只是停留在实验室水平。实际应用的仪器目前结构简单、操作方便，价格低廉，满足了我国开展化学发光科研、教学以及一些生产实践的需要。但这些仪器存在共同的问题，即仪器的性能单一、自动化程度低、无法满足医药、临床、环境以及农产品等快速、准确、高通量分析的要求。

近年来，出现了微板式磁化学发光酶免疫分析法。利用自制的简易型化学发光仪，采用AMPPD-ALP化学发光体系对人绒毛膜促性腺激素(HCG)进行测定，测量的灵敏度较分光光度法提高了13倍，所需的试剂和样品量均减为分光光度法测量所需的1/10。测定的线性范围为0.15-500mIU/mL；批内C.V.％和批间C.V.％均在18％之内；回收率在80％-116％之间；利用此法对血清样品进行了测定，并与其它化学发光免疫分析方法进行了比较，其相关系数为0.965。也有人提出了一种微板式磁化学发光酶免疫分析(MMCLEIA)新方法，筛选水体样品中的17β-雌二醇(E2)。采用自制的磁感应强度为2500T的微板磁性分离器，结合高灵敏度的化学发光体系，在一定程度上可以对水体中雌性激素直接高通量的筛选，进而避免了繁琐的前处理过程。考察了水体中共存的主要三种雌性激素，17β-雌二醇(E2)，雌三醇(E3)和乙炔基雌二醇(EE2)的偶联反应，结果发现这种测定方法有很好的特异性。在最优条件下测定E2的线性范围是2.5-1600 pg/mL，检测限为5pg/mL，回收率是80-110％。此方法已成功用于废水中E2的测定，与商业化的放射免疫分析(RIA)试剂盒相比，具有良好的相关性。由于目前商品仪器灵敏度不够，测定的专一性不强，需要进一步提高仪器的灵敏度和选择性，才能直接进行水样分析，获得最可靠的数据。

但目前为止，国内外均未出现适合工业化的、低成本的、方便使用的全自动化学发光免疫分析装置。

发明内容

本发明旨在提出一种能自动加样、自动洗板、自动检测的全自动化学发光免疫分析装置。

本发明的全自动化学发光免疫分析装置由机械框架及外壳1，加样工作台11，洗板工作台5，检测工作台2，光路开关装置3，加样泵10，洗板液气压系统6，试剂架9，洗针池8，暗室门7及控制部分4组成。其中，所述机械框架及外壳1完成对各个机械、电气部分的支撑及封装。机械框架及外壳1的内部空间分为上下2层，每层前后分为2个部分。下层后面部分主要安装控制部分4，下层前面部分左侧安装加样泵10、右侧安装洗板液气压系统6。上层后面部分为一个独立密闭空间，作为检测用暗室，上层前面部分为加样洗板操作空间，两个空间通过中间的暗室门7连通。暗室内下部安装检测工作台2，上部安装光路开关装置3。加样洗板操作空间左侧安装加样工作台11，加样工作台11右侧依次布置试剂架9和洗针池8，最右侧安装洗板工作台5。

所述加样工作台11是X-Y-Z三维工作台，实现X，Y，Z向的精确运动；X工作台由1个步进电机、1组同步带传动组成传动系统及1个直线导轨导向，实现X向的运动，Y工作台由1个步进电机、1组同步带传动组成传动系统及1个直线导轨导向，实现Y向的运动；Z向工作台由步进电机通过1组同步带传动带动丝杠螺母副运动，通过丝杠的转动，实现由Z向导轨导向的直线运动，Z向运动的螺母上安装加样针，由加样泵10泵入试剂；X工作台位于加样工作台11的最下方，X工作台上方安装Y工作台，Y工作台上方安装Z工作台。

洗板工作台5包括X向运动工作台和Z向的竖直运动工作台，洗板工作台5的X向运动工作台与加样工作台11的X工作台分别安装在同一个导轨的两个滑块上。X向工作台由1个步进电机及1组同步带传动组成传动系统，和加样工作台11的X工作台通过1个公共的直线导轨导向，实现X向的精确运动；洗板工作台5的Z向工作台通过1个步进电机和1组同步带传动产生运动，从而带动固定在同步带上的洗板头运动。洗板头上集成有加液针头6-7、吸液针头6-8，吸液针头6-8上内置了用于磁性分离的磁棒。

检测工作台2安装在暗室中，暗室中装有光电倍增管，检测96孔板待测孔中微弱的光，并将其转成电信号，以测定光的强度。检测工作台2是二维工作台，包括X，Y向的平移。在光电倍增管的探头端，装有包含电磁铁和套筒的光路开关装置3，在检测时，控制信号控制电磁铁运动，电磁铁带动套筒运动，套筒覆盖周围的孔，使光电倍增管只能检测一个孔。检测工作台2的台面下面安装有加热片，可以实现96孔板的加热，从而实现温育过程。

洗板液气压系统6主要为洗板工作台5提供正压与负压，以便加液和吸液。该液气系统包括正压气泵6-1、节流阀6-2、废液瓶6-3、负压瓶6-4、清洗液瓶6-5、加液电磁阀6-6、加液针头6-7、吸液针头6-8、吸液电磁阀6-9、负压气泵6-10和相应管路。

所述控制部分4对加样工作台11的X，Y，Z向运动，洗板工作台5的X，Z向运动，检测工作台2的X，Y向运动，光路开关装置3的开关，加样泵10的启停、温育进行控制，并实现相应的运动控制、液气控制及信息处理操作。

本发明的装置能实现加样、洗板、检测的三维空间操作，且结构简单，适于操作，成本低，有利于工业实现。

附图说明

图1是本发明的装置的结构原理示意图；

图2是本发明的装置的洗板液气压系统原理图。

具体实施例

本发明的全自动化学发光免疫分析装置由机械框架及外壳1，加样工作台11，洗板工作台5，检测工作台2，光路开关装置3，加样泵10，洗板液气压系统6，试剂架9，洗针池8，暗室门7及控制部分4组成。其中，所述机械框架及外壳1完成对各个机械、电气部分的支撑及封装。所述加样工作台11是X-Y-Z三维工作台，实现X，Y，Z向的精确运动；X工作台由1个步进电机、1组同步带传动组成传动系统及1个直线导轨导向，实现X向的运动，Y工作台由1个步进电机、1组同步带传动组成传动系统及1个直线导轨导向，实现Y向的运动；Z向工作台由步进电机通过1组同步带传动带动丝杠螺母副运动，通过丝杠的转动，实现由Z向导轨导向的直线运动，Z向运动的螺母上安装加样针，由加样泵10泵入试剂。洗板工作台5包括X向运动工作台和Z向的竖直运动工作台。洗板工作台5的X向运动工作台与加样工作台11的X工作台分别安装在同一个导轨的两个滑块上。洗板工作台5的Z向工作台通过1个步进电机和1组同步带传动带动固定在同步带上的洗板头运动。检测工作台2安装在暗室中，暗室中装有光电倍增管，检测96孔板待测孔中微弱的光，并将其转成电信号，以测定光的强度。检测工作台2是二维工作台，包括X，Y向的平移。在光电倍增管的探头端，装有包含电磁铁和套筒的光路开关装置3，在检测时，控制信号控制电磁铁运动，电磁铁带动套筒运动，套筒覆盖周围的孔，使光电倍增管只能检测一个孔。检测工作台2的台面下面安装有加热片，可以实现96孔板的加热，从而实现温育过程。洗板液气压系统6主要为洗板工作台5提供正压与负压，以便加液和吸液。该液气压系统包括正压气泵6-1、节流阀6-2、废液瓶6-3、负压瓶6-4、清洗液瓶6-5、加液电磁阀6-6、加液针头6-7、吸液针头6-8、吸液电磁阀6-9、负压气泵6-10和相应管路。所述控制部分4对加样工作台11的X，Y，Z向运动，洗板工作台5的X，Z向运动，检测工作台2的X，Y向运动，光路开关装置3的开关，加样泵10的启停、温育进行控制，并实现相应的运动控制、液气压控制及信息处理操作。

仪器研制的总体目标为以目前国内外现有仪器设备为技术基础进行开发性设计，设计出自动化程度更高的、集成加样、温育、检测、洗板及磁性分离功能的化学发光免疫分析装置。整个装置按功能模块分解为加样工作台11、洗板工作台5、检测工作台2、光路开关装置3、洗板液气压系统6、机械框架及外壳1、试剂架9和清针池8等部分，逐个进行技术分解，最后通过组合协调成为有机的整体。

各工作台的运动传递都采用同步带实现，由于它是一种啮合传动因而同步带和同步带轮之间没有相对滑动，从而使主从轮间的传动达到同步。

加样工作台11主要完成从试剂架9上的各个试管中抽取指定量试剂，精确运动到已伸出暗室的96孔板中的指定孔，然后将试剂加入到该孔中。加样工作台主要包括步进电机、同步带、导轨、带夹、带轮等零部件。

为了保证实验数据的准确性，在每次加样完成之后需要清洗加样针，加样针的清洗分为内壁清洗和外壁清洗。在试剂架9和96孔板之间需要加装洗针池8。加样针的清洗一定要做到彻底，只有这样才能保证最后结果的准确。加样针的清洗分为两步，开始首先清洗加样针的内壁，由加样工作台11的X轴把加样针移动到清洗内壁的位置(通孔)，同时打开加样泵10，使加样针一直处于吸液、喷液的循环程序中，循环两次即完成内壁的清洗。移动加样针的Y轴到清洗外壁的位置(盲孔)，让加样泵10一直处在喷液的状态，直到把大孔内充满水，继续加水这时就会造成水花外翻，从而达到清洗外壁的效果。

洗针池8的外形为池形结构，池子底部开一个通孔和一个盲孔。通孔在清洗加样针内壁时使用、盲孔在清洗加样针外壁时使用。清洗加样针时，首先通过加样工作台11把加样针运动到洗针池的内壁清洗孔(通孔)上方，加样泵10泵出纯净水，纯净水冲洗加样针内壁并把废液通过内壁清洗孔和管路直接排到废液瓶中，完成加样针内壁清洗；接着通过加样工作台11把加样针运动到外壁清洗孔(盲孔)上方，把加样针伸入外壁清洗孔内，加样泵10泵出纯净水，纯净水加入外壁清洗孔内水花外翻冲洗加样针外壁，溢出外壁清洗孔的废液流进废液池内，通过内壁清洗孔和管路排到废液瓶中，这样就完成了加样针的清洗。

洗板工作台5主要完成将洗板头移动到96孔板的指定孔。主要包括X向移动和Z向的竖直运动。X向运动与加样工作台的X向运动共用一个导轨，以精简设计。Z向工作台通过1个步进电机带动1组同步带传动系统运动，从而带动固定在同步带上的洗板头运动。洗板工作台5主要包括步进电机、同步带、带轮、带夹、导轨等零部件。洗板头上集成有加液针头6-7、吸液针头6-8，吸液针头6-8上内置用于磁性分离的磁棒。

检测工作台2安装在暗室中。暗室中装有光电倍增管，可以检测微弱的光，并将其转成电信号，以测定光的强度。检测工作台2是二维工作台，包括X，Y向的平移。在光电倍增管的探头端，装有包含电磁铁和套筒的光路开关装置3，在检测时，控制信号控制电磁铁运动，电磁铁带动套筒运动，套筒覆盖周围的孔，使光电倍增管只能检测一个孔，确保检测正确。

光电倍增管是检测中比较重要的元件，其检测精度可以达到光子数量级，用它来检测化学试剂的发光性，和标准试剂进行对比进而得出最后的检测结果，完成实验检测过程。光电倍增管英文名字为Photo Multiplier Tube，简称PMT，是灵敏度极高，响应速度极快的光探测器。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。光电倍增管的一般结构由光电发射阴极(光阴极)和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极(阳极)等组成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。其主要工作过程如下：当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。此处使用的光电倍增管的类型是端窗型光电倍增管(CR系列)也称顶窗型光电倍增管。

机械框架及外壳1主要完成对各个机械、电气部分的支撑及封装。

整个设备有7个步进电机，分别实现加样工作台11的X，Y，Z向运动，洗板工作台5的X，Z向运动，检测工作台2的X，Y向运动。7个电机分别由各自的驱动电路驱动，以方便控制软件的控制。

整机控制电路是控制的核心，通过控制电路板中两个ARM芯片的通信，并实现相应的运动控制、液气压控制及信息处理操作。

液体的精确抽取是整个工作的基础，这靠加样泵10配以相关控制电路实现。加样针的吸液和加液是由加样泵10来控制的。

洗板液气压系统6主要为设备提供正压与负压，以便加液和吸液。该液气压系统包括正压气泵6-1、节流阀6-2、废液瓶6-3、负压瓶6-4、清洗液瓶6-5、加液电磁阀6-6、加液针头6-7、吸液针头6-8、吸液电磁阀6-9、负压气泵6-10和相应管路，其原理图如图2所示。吸液部分在控制系统作用下首先启动负压气泵6-10，在负压瓶6-4中产生一定的负压。在控制系统控制洗板工作台运动到相应位置，并将洗板头插入96孔板中对应孔，然后控制信号控制吸液电磁阀6-9打开，联通吸液针头6-8，抽吸96孔板对应孔的液体。

加液部分在控制系统作用下，启动正压气泵6-1，经节流阀6-2控制其气体流量，给清洗液瓶6-5产生正压。在控制系统控制洗板工作台到达加液位置后，加液针头6-7对准96孔板中的相应孔，然后控制信号控制加液电磁阀6-6打开，联通加液针头6-7，向96孔板对应孔加液。

各工作台初始化包括加样工作台11找零点动作，洗板工作台5的找零点动作以及检测工作台2的归零位并移出暗室到达工作位置的动作。

自动加样(洗针)动作包括加样工作台11在控制系统作用下自动找到需要加样的试管在试管架上的位置，加样针沿Z轴下降指定高度吸取待测液和标准试剂等，加样工作台11移动到96孔板指定位置向特定孔加样，加样工作台11移至洗针池8的洗针部位，清洗加样针内外壁。

自动温育指在温育控制系统作用下，对96孔板加热使之升至37度然后保温指定时间。

自动洗板包括洗板工作台5自动定位到需要洗板的96孔板对应的孔，启动洗板液气压系统6向清洗液瓶6-5加压及负压瓶6-4抽取负压，自动向96孔板对应孔加液洗涤并将磁棒插入到96板对应孔旁边的空隙吸住磁颗粒，然后吸取残液(保留磁颗粒)。

自动检测包括96孔板所在检测工作台2退回暗室，然后光电倍增管自动检测指定孔的发光量并向底层ARM控制系统传递发光值，待全部待检孔发光量测定完毕后，ARM控制系统向上位机传递数据。

曲线拟合及浓度计算包括了根据最小二乘法根据标准试剂的发光值拟合发光曲线，然后根据拟合曲线及待测液所在孔的发光量计算其浓度并将数据写入技术报告。

本装置的底层控制采用嵌入式系统。使用了ARM芯片嵌入式系统，操作使用方便，适合直接集成到电路板上，不占用太多的空间。ARM芯片CPU1用来驱动和控制步进电机、光电检测、和光电倍增管等外围设备；而CPU2是通过串口通信与上位机连接，上位机以VB语言编写的操作界面，工作人员发出相应的操作请求，CPU2会通过电路传输把信号传给CPU1，而CPU2会驱动外围设备工作，最后得到的数据，又会反向返回到上位机操作界面，从而使工作人员得到最终的结果，完成整个试验流程。

底层支撑控制是整个设备控制系统的基石。包括对七个步进电机按顺序要求的精确控制、两个ARM芯片的通信、ARM芯片与上位机的通信等。在两个ARM芯片CPU1和CPU2双向通信时，是通过第三个ARM芯片来实现的，上位机发出的相关检验参数在CPU2中集中存储，然后向底层控制芯片CPU1的传递，并将CPU1收集的检测结果信号存储到CPU2中。CPU2的主要功能实现底层控制系统与上位机是双向通信的。电机驱动支撑模块包括了基于驱动电路的步进电机的驱动软件，实现步进电机对电子脉冲控制下的精确运动，实现步进电机的指定方向和距离的转动。检测、液气压、加样及洗板模块是基于电机驱动支撑模块实现各个动作的底层软件模块。

在上位机发出参数后，CPU1通过CPU2接收到相关指令，并按照相关指令实现对各个运动模块的有序控制，使设备完成整个检测流程。

上位机控制主要完成检测参数的人机交互设定、实验模板变量设置、在人机交互界面中指定标准试剂和待测液体试管位置以及与下位机通信。

一套完整地工作流程为：整个装置上电工作，各个工作台的步进电机运动找零位，此时检测工作台2的台面在暗室内部光电倍增管和光路开关装置3正下方的检测工位、加样工作台11位于最左侧初始工位、洗板工作台5位于最右侧初始工位、光路开关装置3处于关闭状态、加样泵10和洗板液气压系统不工作，做好试验准备；试验员通过输入设备设定试验参数，包括加入的试剂顺序及剂量、温育时间、洗板参数、检测顺序等，完成后开始试验；首先，光路开关装置3动作，光路打开，检测工作台2Y向运动把载有96孔板的台面送出暗室到达加样洗板操作空间的加样洗板工位，光路开关装置3动作，光路闭合；然后，加样工作台11的X，Y方向运动到试剂架9上相应的试管上方，Z向向下运动带动加样针进入试剂中，加样泵10吸入设定量的试剂后Z向向上运动带动加样针到试管上方完成吸液，之后X，Y方向运动到96孔板对应孔的上方，加样泵10向对应孔加样，加样后加样工作台11的X，Y方向运动到洗针池8的上方清洗内壁工位，加样泵10喷出清洗液实现内壁清洗，接着X，Y方向运动到洗针池8的上方清洗外壁工位，Z向向下运动带动加样针进入盲孔中，加样泵10喷出清洗液水花外翻实现外壁清洗，如此反复实现加样过程，加样后加样工作台11回到初始工位；接着，96孔板下面的加热片加热96孔板到37度并保温设定时间完成温育过程；紧接着，洗板工作台5X向运动到96孔板对应孔上方，Y向运动使洗板头进入相应的孔，洗板液气压系统6工作，通过加液针头6-7往孔中加入清洗液，充分磁性分离后通过吸液针头6-8从孔中吸出清洗废液，如此循环完成洗板；接着，光路开关装置3动作，光路打开，检测工作台Y向运动回到检测工位后XY运动使待检测96孔板的孔对准光电倍增管，光路开关装置3动作，光路闭合，光电倍增管工作完成检测，如此反复实现所有孔的检测，最后控制系统对检测数据进行处理得到报表，通过显示设备输出或通过打印机打印，至此完成了整个试验过程。

Claims (1)

1.一种全自动化学发光免疫分析装置，由机械框架及外壳(1)、加样工作台(11)、洗板工作台(5)、检测工作台(2)、光路开关装置(3)、加样泵(10)、洗板液气压系统(6)、试剂架(9)、洗针池(8)、暗室门(7)及控制部分(4)组成，机械框架及外壳(1)的内部空间分为上下2层，每层前后分为2个部分，下层后面部分主要安装控制部分(4)，下层前面部分左侧安装加样泵(10)、右侧安装洗板液气压系统(6)，上层后面部分为一个独立密闭空间，作为检测用暗室，上层前面部分为加样洗板操作空间，两个空间通过中间的暗室门(7)连通，暗室内下部安装检测工作台(2)，上部安装光路开关装置(3)，加样洗板操作空间左侧安装加样工作台(11)，加样工作台(11)右侧依次布置试剂架(9)和洗针池(8)，最右侧安装洗板工作台(5)，其特征在于：所述机械框架及外壳(1)完成对各个机械、电气部分的支撑及封装，所述加样工作台(11)是X-Y-Z三维工作台，实现X、Y、Z向的运动，X工作台由1个步进电机、1组同步带传动组成传动系统及1个直线导轨导向，实现X向的运动，Y工作台由1个步进电机、1组同步带传动组成传动系统及1个直线导轨导向，实现Y向的运动，Z向工作台由步进电机通过1组同步带传动带动丝杠螺母副运动，通过丝杠的转动，实现由Z向导轨导向的直线运动，Z向运动的螺母上安装加样针，由加样泵(10)泵入试剂，洗板工作台(5)包括X向运动工作台和Z向的竖直运动工作台，洗板工作台(5)的X向运动工作台与加样工作台(11)的X工作台分别安装在同一个导轨的两个滑块上，洗板工作台(5)的Z向工作台通过1个步进电机和1组同步带传动带动固定在同步带上的洗板头运动，检测工作台(2)安装在暗室中，暗室中装有光电倍增管，检测96孔板待测孔中微弱的光，并将其转成电信号，以测定光的强度，检测工作台(2)是二维工作台，包括X、Y向的平移，在光电倍增管的探头端，装有包含电磁铁和套筒的光路开关装置(3)，在检测时，控制信号控制电磁铁运动，电磁铁带动套筒运动，套筒覆盖周围的孔，使光电倍增管只能检测一个孔，检测工作台(2)的台面下面安装有加热片，可以实现96孔板的加热，从而实现温育过程，洗板液气压系统(6)为洗板工作台(5)提供正压与负压，以便加液和吸液，洗板液气压系统(6)包括正压气泵(6-1)、节流阀(6-2)、废液瓶(6-3)、负压瓶(6-4)、清洗液瓶(6-5)、加液电磁阀(6-6)、加液针头(6-7)、吸液针头(6-8)、吸液电磁阀(6-9)、负压气泵(6-10)和相应管路，所述控制部分(4)对加样工作台(11)的X、Y、Z向运动，洗板工作台(5)的X、Z向运动，检测工作台(2)的X、Y向运动，光路开关装置(3)的开关，加样泵(10)的启停，温育进行控制，并实现相应的运动控制、液气压控制及信息处理操作。

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