CN107091935A

CN107091935A - 自动化血凝抑制实验工作站的总体设计方案及其用途

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Publication number: CN107091935A
Application number: CN201710268485.6A
Authority: CN
Inventors: 陈凡
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-23
Publication date: 2017-08-25

Abstract

本发明公开了一种用于大批量血凝抑制（HI）实验的自动化工作站总体设计方案，以及该设计方案在血凝抑制实验专用仪器开发和血凝抑制实验检测中的用途。该工作站是专门针对HI实验的特定步骤设计的仪器装置，此前无同类产品。该工作站与PCR和ELISA工作站相比，能适用于HI实验的特定要求，可以大批量进行HI检测；与普遍采用的人工操作HI实验相比，可以提高检测效率，节约人力成本、降低工作强度。该工作站可批量化检测人与动物禽流感、新城疫、腺病毒等的HI抗体效价，也可用于检测口蹄疫、猪瘟等的间接血凝（IHA）抗体效价，在各级实验室有很好的应用前景。

Description

自动化血凝抑制实验工作站的总体设计方案及其用途

技术领域

本发明属于医学生物学实验技术领域，涉及一种用于大批量血凝抑制（HI）实验的工作站总体设计方案。该工作站是针对HI实验的特定步骤设计的，由反应液分配、样品倍比稀释、抗原分配、红细胞分配、结果记录等五个工作模块，以及带有微量血凝板输送功能的底座组成。该工作站可批量化地检测人与动物禽流感、新城疫、腺病毒等的HI抗体效价，也可用于检测口蹄疫、猪瘟等的间接血凝（IHA）抗体效价。

背景技术

血凝（HA）和血凝抑制（HI）实验是一种常用的免疫学测定技术，用于检测具有红细胞凝集活性的病毒的抗体效价。在医学和学实验室中，是检测禽流感病毒、新城疫病毒、腺病等抗体效价的常用经典方法，可以用于诊断疾病、评价疫苗免疫效果、监测血清抗体水平。该实验方法在我国各级卫生及动物防疫部门、诊疗机构和养殖企业大量应用，每年的抗体监测数量达到数百万份。例如仅2013年4-6月，农业部家禽H7N9就监测了163.02万份（人民网2014年01月27日）。

当前实验室中开展HI实验，主要依靠人工操作，使用的器械主要是手持式的微量加样器，由于检测样本量多，所以人工成本高、工作强度大、费时费力。虽然少数实验室在HI检测过程中采用了8通道电动分液机来辅助加液（例如Thermo Scientific 微孔板自动分液器），但是整个检测过程仍然主要依赖人工操作。实验室已有针对PCR、ELISA实验的自动移液工作站（例如Biomek ® NXP工作站、T-Easy工作站），但是其结构及功能不适应于HI的实验过程，因此未能在实验室中实际用于大批量样本的HI检测。目前，尚未见到专门针对HI主要实验步骤而设计开发的自动化检测工作站。

目前，医学与生物学领域的自动化仪器设备很多，特别是针对PCR、ELISA等实验，市场上已有各种自动化的液体连续分配器、多通道的微量移液器、96或384孔反应板移动机械臂、图像拍摄与处理系统等。这些常见技术和设备，为本发明的实现提供了良好基础条件。

本发明通过分析HI实验的具体过程，针对HI实验各个步骤的功能需求，选择合适的工作模块参数，并统筹考虑模块之间的配合效率；同时，还创造性地采用具有微量血凝板移动功能的仪器底座，从而实现不间断地实验检测，最终形成一种大批量HI检测工作站的总体设计方案。据此开发和制造相应的仪器装置，能够自动化进行大批量HI检测实验，预期可以在我国各级医学与动物防疫实验室广泛应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对HI实验，提出自动化HI检测工作站总体设计方案，用于大批量样本检测，减少人工操作，降低劳动强度。

本发明从分析HI实验的基本操作过程入手，将其按先后顺序划分成五个基本步骤。针对HI实验各个步骤的功能需求，分别设置反应液分配、样品倍比稀释、抗原分配、红细胞分配、结果记录等五个工作模块。通过分析各工作模块的功能要求，同时兼顾工作模块之间的配合效率，确定了各工作模块的关键参数和配置要求。最后，按实验操作的顺序，将这些工作模块组装在带有微量血凝板输送功能的底座上（同时，也可以辅助采用机械臂抓取和移动微量血凝板），构成一套完整的自动化HI实验工作站，能够按流水线的工作方式，不间断地进行大批量HI检测实验。

一、HI实验的工作模块设置

为了解决以上技术问题，首先根据人工操作微量HI实验的基本过程，将其划分为五个操作步骤：

步骤一反应液分配：在96孔微量血凝板上，每孔加入1个反应体积（20~100μL，常用25μL，下同）反应液。

步骤二样品倍比稀释：在第1列的8个孔，每孔加入1个样本（1个反应体积）。混合均匀后，吸取1个反应体积，转移到第2列。依次同样操作，直至第8列。

步骤三抗原分配：在第1至8列，每孔加入1个反应体积抗原液。

步骤四红细胞分配：每孔加入1个反应体积1%红细胞悬液。

步骤五结果记录：记录每个板孔中红细胞的凝集状况。

在此基础上，确定各主要操作步骤的功能要求，分别选配工作模块的参数，见表1。

表1. 主要工作模块配置

表1. 主要工作模块配置（续）

表1备注：1.如果选用384孔微量血凝板，工作模块的管路可选用12、16或24通道的液体分配系统。2.各个步骤反应溶液的体积可以是20μL至100μL。

二、具有血凝板输送系统的仪器底座

在检测系统的底板上设置输送带，由计算机控制的步进电机驱动。输送带采用有一定柔韧度的橡胶或硅胶材质，其上镂刻成载板框，用于承载和固定96孔或384孔微量血凝板。实验过程中，输送带将微量血凝板从待检测区域向检测区域移动，依次通过反应液分配模块→样品倍比稀释模块→抗原分配模块→间隔区→红细胞分配模块→沉淀区→结果记录模块→回收容器。检测完毕后微量板在输送带的折返处，自动脱落到回收容器中。微量板每次移动一排板孔的距离，各工作模块进行一次相应的实验操作。这样，只要不断在底座的待检区域的载板框上放入微量板（微量板第一列板孔中加入25μL或50μL样品），就可以连续进行大批量检测。一台工作站单日检测量可以达到1440份（3分钟/板（12份），每天开机工作6小时），大约相当于4至5人的工作量（传统的人工操作，一天大约可检测300份）。

补充说明：间隔区：用于等待微量板中的抗原抗体发生充分反应。这部分的底座下方安装着偏心轮振动台（类似常用的微量板振荡器），当载有微量板的输送带到达此区域时，被两侧的压紧转轮向下压，贴紧下方的振动台面，通过旋涡振动方式来加速微量板中的抗原抗体反应。沉淀区：微量板仅是缓慢通过此区域，等待红细胞发生沉淀，最后到达结果记录模块。回收容器：在结果记录区的输送带的末端，下方放置一个托盘，用于盛装检测完毕的微量板。当输送带到达末端时，在输送带折返的过程中，输送带呈弯曲状态，微量血凝板将会自动脱落到回收容器中。

除此之外，如果希望进一步提高自动化程度，还可以采用PCR、ELISA工作站常用的智能机械臂等辅助装置与上述主要工作模块相互配合，当然，这需要考虑组装成工作站的性价比。例如：可采用智能机械臂直接抓取微量血凝板，自动装填到底座的待检区和间隔区；或者将微量板叠起来放置，用于节约仪器内部空间。

三、血凝抑制实验工作站的总体组装

血凝抑制实验工作站的总体组成见图1。

仪器的底板为长方形，一侧区域用于安装输送带，用于承载96孔或384孔微量血凝板。另一侧用于放置试剂容器、一次性吸头盒。

仪器的背侧板为长方形，用于安装和固定各个工作模块。从仪器的一端至另一端，依次排列着反应液分配模块、样品倍比稀释模块、抗原分配模块、红细胞分配模块、结果记录模块。每个模块均通过数据线与计算机控制系统相连。

附图说明

图1是血凝抑制实验工作站总体组装示意图

1. 反应液分配模块；2.样品倍比稀释模块；3.抗原分配模块；4.红细胞分配模块；5.结果记录模块；6.输送带；7.间隔区的振动台；8.压紧轮；9.沉淀区；10.蠕动泵；11.计算机接口；12.吸头盒；13.抗原液容器；14.稀释液容器；15.红细胞悬液容器；16.待检区；17.微量板回收容器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、部件等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例一用血凝抑制实验工作站进行禽流感血清抗体水平测定

（以配有12通道液体分配头的血凝抑制实验工作站为例）

1实验材料

1.1 HI实验反应液（稀释液）、1%鸡红细胞悬液，按常规实验程序配制。

1.2 禽流感血凝素抗原，按说明书溶解，稀释到浓度为4HA单位备用。

1.3 96孔微量血凝反应板，底部90°V形。

2 设定工作站的工作参数：

2.1反应液分配模块：体积为每孔25μL。

2.2样品倍比稀释模块：吸吹6次混合，移液体积为每孔25μL。

2.3抗原分配模块：体积为每孔25μL。振动反应5分钟。

2.4红细胞分配模块：体积为每孔25μL。之后沉淀15分钟。

2.5结果记录模块：自动拍摄状态，每块微量板拍摄一幅，记录时间格式为24小时。

3样品准备：取96孔微量血凝板，在每块板正面的最左侧，竖向粘贴12份样品的编号（例如：001至012号）。在第一列的12个孔中，按编号顺序分别加入样品25μL。可根据实验需要设置标准阴性、阳性样品作为对照。

4 血凝抑制（HI）试验

4.1启动工作站，选择HI实验模式（共有HA、HI两个模式，HA模式不需要启动抗原分配模块）。

4.2取微量血凝板（第一列的12个孔已经装有待测样品25μL），放到待检区的载板框中。可按样品编号的顺序，连续放置微量血凝板。（这个过程可用人工操作，也可另外使用自动机械臂等设备来完成）

4.3检测过程

4.3.1微量血凝板固定在输送带的载板框上，按计算机指令到达“反应液分配模块”的位置时，12通道液体分配头向每列的12个孔，分别加入25μL反应液（每加一次液体，微量板移动一列孔的距离），96孔全都加好。这样，第一列孔中的12份样品就被稀释为1:2。

4.3.2微量血凝板到达“样品倍比稀释模块”的位置时，第一列孔中的样品首先被吹吸6次混合均匀，又被吸取25μL，转移到第2列的板孔中（每吸取一次液体，微量板移动一列孔的距离）。如此重复操作，样品就被连续稀释。从第1列孔到第8列孔，稀释度分别是1:2、1:4、1:8、1:16、1:32、1:64、1:128、1:256。（禽流感检测的判界是血清滴度≥1:16为阳性）

4.3.3微量血凝板按计算机指令到达“抗原分配模块”的位置时，每列12孔都被加入25μL抗原液（每加一次液体，微量板移动一列孔的距离）。

4.3.4微量血凝板按计算机指令到达间隔区，被压紧轮向下压到旋涡震荡平台，震荡反应5分钟。

4.3.5微量血凝板按计算机指令到达“红细胞分配模块”的位置时。每列的12孔都被加入25μL红细胞悬液（每加一次液体，微量板移动一列孔的距离）。

（在以上3.3.1至3.3.5过程中，工作站采用固定位置的液体分配头，则每加一次液体，微量板移动一列孔的距离；如果液体分配头是安装在可移动的机械臂上，则微量板可以在每列孔都加完液体后，再继续往前移动）。

4.3.6微量血凝板按计算机指令到达沉淀区，每块板按到达的顺序排列在输送带上，缓慢向前移动，等待红细胞沉淀。对沉淀时间达到15分钟的微量血凝板，到达“结果记录模块”的位置，拍摄、存储红细胞凝集图像。

4.3.7微量血凝板到达输送带末端，自然脱落到回收容器中。

实施例二用血凝抑制实验工作站进行禽流感病毒血凝效价测定

（以配有12通道液体分配头的工作站为例）

1实验材料：

禽流感血凝素抗原作为待检测样品。其他实验材料，同实施例一。

2 设定工作参数

抗原分配模块，停止使用。其他工作参数，同实施例一。

3样品准备：

将样品置于96孔微量血凝板的第一列，方法同实施例一。

4 血凝（HA）试验

与实施例一的血凝抑制试验过程相似。但是，不需要4.3.3、4.3.4这两步操作。

实施例三用血凝抑制实验工作站进行O型口蹄疫抗体间接血凝试验（IHA）

（以配有12通道液体分配头的工作站为例）

1实验材料

1.1 IHA实验反应液，按实验操作规程配制。

1.2 O型口蹄疫血凝抗原、阳性对照血清、阴性对照血清，购自国家口蹄疫参考实验室，按说明书使用。

1.3待检血清每份0.5ml，56℃水浴灭活30分钟。

1.4 96孔微量血凝反应板，底部110°的V形。

2 设定工作参数：

2.1反应液分配模块：体积为每孔50μL。

2.2样品倍比稀释模块：吸吹6次，移液体积为每孔50μL。

2.3抗原分配模块：体积为每孔50μL。

2.4红细胞分配模块：停用。

3样品准备：取96孔微量血凝板，在每块板正面的最左侧，竖向粘贴12份样品的编号（例如：001至012号）。在第一列的12个孔中，按编号顺序加入样品50μL。可根据实验需要设置标准阴性、阳性样品作为对照。

4 间接血凝（IHA）试验

与实施例一的血凝抑制（HI）试验过程相似。但是，不需要4.3.4、4.3.5这两步操作。

Claims

1.一种血凝抑制实验工作站的总体设计方案，其特征在于，包括：反应液分配模块、样品倍比稀释模块、抗原分配模块、红细胞分配模块、结果记录模块。

2.一种血凝抑制实验工作站的总体设计方案，其特征在于，是针对血凝抑制实验的五个主要操作步骤而设计的特定用途的仪器，能自动化完成血凝抑制实验的主要操作步骤，包括：反应液分配、样品倍比稀释、抗原分配、红细胞分配、结果记录。

3.根据权利要求1和2所述的血凝抑制实验工作站的总体设计方案，其特征在于，各个工作模块是按照一定顺序排列，依次为：反应液分配模块→样品倍比稀释模块→抗原分配模块→红细胞分配模块→结果记录模块。

4.根据权利要求1所述的血凝抑制实验工作站的总体设计方案，其特征在于，仪器底座带有微量血凝板输送带，能输送微量血凝板依次通过各个工作模块，因此能够按流水线的工作方式，连续进行HI检测实验。

5.根据权利要求1所述的血凝抑制实验工作站的总体设计方案，其特征在于，反应液分配模块，或抗原分配模块，或红细胞分配模块，是采用蠕动泵和固定在悬梁上的多通道液体分配口组成。

6.根据权利要求1所述的血凝抑制实验工作站的总体设计方案，其特征在于，样品倍比稀释模块是采用可移动的机械臂来完成样品吹吸混匀、液体转移和更换吸头。

7.根据权利要求1所述的血凝抑制实验工作站的总体设计方案，其特征在于，能按20-100μL/孔的体积量，将血凝抑制实验的反应液（也称为稀释液、缓冲液）、抗原液和红细胞悬液自动加入到微量血凝反应板中。

8.根据权利要求1所述的血凝抑制实验工作站的总体设计方案，其特征在于，实验结果记录模块是采用拍摄并存储血凝结果图像的方法。

9.根据权利要求1和2所述的血凝抑制实验工作站的总体设计方案在血凝抑制实验仪器开发和血凝抑制实验检测中的用途。