CN107449928A - 一种转盘式电化学发光免疫分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种转盘式电化学发光免疫分析仪，其包括电化学发光测试单元(105)、能被旋转驱动装置(108)驱动旋转的转盘(100)和至少一只取样针(107)，其中所述取样针(107)中的一只与所述电化学发光测试单元(105)流体连通，其中所述转盘(100)设有沿其周向分布的以下四种试剂仓位中的至少两种：检测试剂仓位(101)、系统试剂仓位(102)、待测样本仓位(103)和孵育杯仓位(104)。本发明中的转盘式电化学发光免疫分析仪在保留仪器的自动化功能的同时，大大减少了运动部件，提高了仪器结构的鲁棒性和分析结果的可靠性，适用于测试样本量不大但要求仪器体积尽可能小巧的场合。
Description
技术领域
本发明属于电化学发光免疫分析仪器领域，具体涉及一种转盘式电化学发光免疫分析仪。
背景技术
广泛用于临床免疫分析的电化学发光(ECL)技术通常采用三联吡啶钌[Ru(bpy)3]2+的琥珀酰亚胺酯(即NHS酯)作为标记物，对抗体或抗原进行标记。在形成抗体/抗原复合体之后，在电化学流动池中通过电化学反应和一系列的后续化学反应，最终导致发光激发态的形成，产生可检测的发光信号。用作产生检测信号的标记分子三联吡啶钌在共反应剂三丙胺(TPA，N(CH2CH2CH3)3)参与下的电化学发光过程如下：
[Ru(bpy)3]2+-e-→[Ru(bpy)3]3+ (1)
N(CH2CH2CH3)3-e-→N(CH2CH2CH3)3 ·+ (2)
N(CH2CH2CH3)3 ·+-H+→(CH3CH2CH2)2NC·HCH2CH3 (3)
(CH3CH2CH2)2NC·HCH2CH3+[Ru(bpy)3]3+→[Ru(bpy)3]2+* (4)
[Ru(bpy)3]2+*→[Ru(bpy)3]2++hv (5)
实际的免疫分析依据被测物的性质(分子大小等特征)还涉及到抗体抗原如何组合，结合的顺序等检验项目开发细节。以通常用于举例说明免疫分析原理的夹心法为例，在ECL免疫分析中，捕获抗体通过生物素和链霉亲和素反应固定在磁微粒表面，而信号抗体的胺基位点被三联吡啶钌标记。两个抗体和被测物在磁微粒表面形成抗体-抗原-抗体三明治结构复合物后，被带入一个特定的电化学流动池。在磁珠表面形成的三明治结构复合体将被位于流动池下的磁铁固定在电化学工作电极表面。在含三丙胺的缓冲溶液体系中，在特定电位下(比如1.4Vvs.Ag/AgCl)，三联吡啶钌[Ru(bpy)3]2+和共反应剂三丙胺在电化学流动池中的工作电极(阳极)表面经历失去一个电子的电化学氧化反应分别形成三价的[Ru(bpy)3]3+和阳离子自由基N(CH2CH2CH3)3 ·+(反应1和2)。后者很不稳定，很快地失去一个质子(H+)成为一种具有强还原能力的中性自由基(CH3CH2CH2)2NC·HCH2CH3。三价的[Ru(bpy)3]3+继而被(CH3CH2CH2)2NC·HCH2CH3还原形成激发态的二价[Ru(bpy)3]2+*。处于激发态的[Ru(bpy)3]2+*释放一个波长615nm的光子回到基态[Ru(bpy)3]2+。这一过程在电极表面重复进行，不断产生许多光子，使光信号得以增强。位于流动池上方的光电探测器检测到的光信号的强度与磁珠表面所捕获的被测物的量具有相关性，从而可以对被测物进行定量分析。
在目前的临床分析实践中，上述过程发光过程以及其优势是在一个自动化的电化学发光免疫分析仪器上实现的。该仪器针对特定的检验项目，按照预先设定的程序自动移取用于电化学发光免疫分析的试剂(标记的抗体或抗原、生物素化的抗体或抗原以及磁微粒等)和被分析的样本，并将其加入用于免疫反应的容器(孵育杯或反应杯)中。一定时间后，在孵育杯中形成的、与磁珠结合的免疫复合物再被注入到一个电化学发光流动池，在工作电极和参比电极间施加一个特定电压，就可获得电化学发光信号。完成一个分析测试后，位于电极表面上的磁珠和三明治疫复合物将被清洗液带出流动池，电极表面经一个特定的清洗再生和电化学化学状态平衡处理过程后，可用于下一个样本的测试。
在电化学发光免疫分析仪器上实现以上全过程和全功能涉及到多种液体、液体混合物或液体/固体混合物。它们按性质分为以下四类：
A、针对特定检验项目的检测试剂，包括但不局限于，生物素化的抗体或抗原溶液，发光标记物(如三联吡啶钌等)标记的抗体或抗原溶液，磁珠悬浮液，针对高浓度样本的样本稀释液，针对某些非游离被测物的解离液等；
B、与特定检验项目无关的系统试剂，包括但不局限于，三丙胺缓冲液，用于流动池清洗的碱性电化学清洗液，用于仪器保养的氧化性清洗液，用于避免交叉污染的纯水清洗液；
C、被测样本，包括但不局限于，血清、血浆、尿液或其它体液等；
D、通过混合(反应或稀释)而形成的混合物，包括但不局限于，分阶段将A类和C类物质加入容器(孵育杯或反应杯)而形成的免疫复合物，高浓度样本经稀释后形成的低浓度样本，非游离被测物被解离后形成的待测样本等。
在所有过去的不同款式的仪器中，储存这四类液体、液体混合物、液体/固体混合物的容器、以及用于进行液相和液/固相反应或稀释的容器(孵育杯或反应杯)被独立地放置在电化学发光免疫分析仪的不同空间位置上。为这些液体的储存和混合而设计的仪器结构单元(或仓位)有：
-检测试剂仓位，其放置A类检测试剂；
-系统试剂仓位，其放置B类系统试剂；
-待测样品仓位，其放置待测样本；
-孵育杯仓位，其放置孵育杯，该孵育杯相当于反应器，各种试剂在该杯内进行反应；
-其他清洗液仓位；
-其他一次性耗材仓位。
采用转盘作为仓位来变换液体容器的位置以方便取样针在某一固定的位置移取液体的方法是化学发光免疫分析仪、生化分析仪以及许多其它分析仪器上的通常方法，而且在所有罗氏电化学发光免疫分析仪上均有采用。比如，在罗氏的Elecsys1010免疫分析仪上的孵育装置是一个旋转转盘，而罗氏的Elecsys2010和cobase411同时具有试剂和样本两个转盘。除放置各种液体和液体/固体混合物的仓位或机构单元之外，仪器上还有移取液体或液体/固体混合物的装置(包含取样针和机械臂等)、废液收集容器、(包含三电极电化学发光流动池、光电倍增管和磁珠捕获机构的)电化学发光测量单元、(电化学、液路、信号采集与处理等)控制电路、样本条码读入、结果输出显示等单元、模块和子系统。
但所有现有技术的转盘式电化学发光免疫分析仪具有一个共同的特点，即为每一类试剂仓位都单独设置一个存放机构，其要么是矩形固定机构，要么是转盘。换句话说，在用到转盘的时候，每一个转盘上都只设有同一类型的试剂仓位，不同类别的液体仓位是独立放置的，其空间位置相对于仪器底座是固定的。因此，电化学发光免疫分析仪器中，通常要设置多个存放机构(矩形固定机构或转盘)，以及一个可在XYZ三个维度上彼此独立地自由运动的机械臂，该机械臂末端设有取样针，以便根据程序设定，从各个存放机构(矩形固定机构或转盘)上取不同的试剂加入到孵育杯中去，并在取样后插入到清洗水流中进行清洗。这种设计避免了移取液体的时间冲突，能满足对样本数、测试速度以及其它功能自动化程度要求较高的场合(如医院检验科和临床检验中心)的需求。但这种结构设计也有其缺点：由于可在XYZ三个维度上彼此独立地自由运动的机械臂需要庞大的机械驱动机构，以及多个存放机构(矩形固定机构或转盘)也占用很大的空间，且为了提高测试速度和自动化程度，还有很大一部分仪器空间用于储存/配置液体和耗材，这使得现有技术中的电化学发光免疫分析仪体积庞大，其设计理念是“以空间换时间”。这种仪器由于体积大，不便于在空间受限的场所(如社区医院、医院科室、急诊室或手术室等)以及检验项目不多的场所使用。
本发明旨在解决上述问题。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种转盘式电化学发光免疫分析仪，其包括电化学发光测试单元105、能被驱动装置108驱动旋转的转盘100和至少一只取样针107，其中一只所述取样针107与所述电化学发光测试单元105流体连通，其中所述转盘100设有沿其周向分布的以下四种试剂仓位中的至少两种：检测试剂仓位101、系统试剂仓位102、待测样本仓位103和孵育杯仓位104。
优选地，所述转盘上同时具有上述四种试剂仓位。
优选地，所述转盘100上还具有贯穿孔111。
优选地，所述转盘100为圆环状，所述检测试剂仓位101、系统试剂仓位102、待测样本仓位103和所述孵育杯仓位104中的至少两种以及所述贯穿孔111都位于该圆环的内外圆之间的环形区域上。
优选地，所述取样针107通过悬臂连接到取样针组件106的竖直轴上，所述取样针107只能沿所述竖直轴做上下运动，或者既能沿所述竖直轴做上下运动又能绕所竖直轴做旋转运动。
优选地，所述电化学发光测试单元105置于所述圆环状转盘100内部，这样使得整体仪器更加紧凑。当然，也可以将所述电化学发光测试单元105置于所述圆环状转盘100外部，而所述转盘100的内部用于容纳其他零部件。
优选地，所述转盘100的个数仅为一个。
本发明的第二方面涉及本发明的第一方面所述的转盘式电化学发光免疫分析仪的操作方法，其最大的特点在于包括如下步骤：通过所述转盘100的旋转而使得所述检测试剂仓位101、系统试剂仓位102、待测样本仓位103和孵育杯仓位104中的至少两种仓位依设定时序而置于所述取样针107下方。
本发明核心点在于对上述A、B、C和D四类仓位的布局和取样针的驱动结构进行改进，而不涉及电化学发光免疫分析仪器的其它功能单元、模块和子系统的设计，因此，其他各功能单元的具体结构不再赘述，可以认为其它功能单元与现有技术相同或很容易在现有设计基础上稍作适应性改动就可以应用到本发明的仪器中。
本发明的设计理念是“以时间换空间”，为了尽可能地缩小仪器体积，把占仪器空间较大的某类或某几类试剂容器(例如存放A类和C类液体的容器)放置在仪器外部(如冰箱中)，根据特定应用场所的实际需要，只在仪器内部设置供最小数量液体存放的仓位；同时将不同功能的仓位合并到一个单元。这种设计会带来取样时的时间冲突，但这种冲突可以通过减少单位时间的测试数目来避免。也就是说，以牺牲时间和效率来缩小仪器体积以满足测试量要求不高，检验项目不多，但对仪器的大小要求很高的应用场所。
基于这种理念和设计考虑，本发明区别于其它电化学发光免疫分析仪的关键技术特征是把A、B、C和D类中的多种液体、液体混合物、液体/固体混合物放置在一个可以旋转(优选双向旋转)的转盘上。图1是本发明的一个示意图(以俯视图方式表达)。示意图中的转盘100具有六个检测试剂仓位101(检测试剂例如可以为生物素化的抗体或抗原溶液，发光标记物标记的抗体或抗原溶液，以及磁珠悬浮液三个一组)、两个系统试剂仓位仓102(系统试剂例如为三丙胺缓冲液和电化学清洗液)、五个样本仓位103和五个孵育杯仓位104。根据需要，可以在转盘100上进一步开设贯穿孔111(见图2)以允许取样针上下移动穿过该转盘而被下部安置的喷水或水流清洗。所述101、102、103和104四类仓位沿周向分布在转盘100上，根据设计和实际需要，可以在转盘100上设置仓位101、102、103和104中的至少两类。优选四类仓位都设置。
由于存放液体、液体混合物、液体/固体混合物的容器和反应器形状和大小不等，不同类别的仓位上的孔洞(或容器放置空间)在大小、几何形状和数目方面也各不相同。根据电化学发光免疫分析的通常做法，转盘100上孔洞(或容器放置空间)的体积和数目应满足以下要求：
每一个检测试剂仓位101能容纳体积为1毫升至50毫升的检测试剂容器；每一个系统试剂仓位102能容纳体积为50毫升至500毫升的系统试剂容器；每一个待测样本仓位103能容纳体积为0.5毫升至20毫升的样本容器；每一个孵育杯仓位104能容纳体积为50微升至500微升的反应容器。
转盘100可以依据程序设定，在旋转驱动装置108(如电机、齿轮等组件)驱动下进行顺时针或反时针旋转，从而把放置在检测试剂仓位101的检测试剂和放置在待测样本仓位103的样本按设定顺序置于可上下移动的取样针107下。同样，放置在孵育杯仓位104上用于液体混合或反应的孵育杯也可通过转盘的旋转处于取样针107下，接受取样针按设定的体积移取的液体或液体/固体混合物。孵育过程结束后，在磁珠表面形成的免疫复合物被另一(也可设计为同一)取样针107抽取注入电化学发光测量单元105进行测量。该取样针107同时也用于抽取放置在系统试剂仓位102的系统试剂(如含三丙胺的缓冲液和电化学清洗液等)。
转盘100可以直接放置在一个底座109之上，也可通过支架高架于底座109之上。由于孵育杯是一次性使用的，在转盘100内部或外部可以安放孵育杯盒并设置相应的抓取和安放孵育杯机构112。
本发明的优点如下：
本发明相对于现有技术仪器设备的最大改进点在于在同一个转盘上设置两种及以上的不同仓位，以时间换取空间，通过转盘的旋转来将各仓位依据设定的时序至于取样针下方，以便抽取和加入试剂，减少了转盘个数，也避免了原来为使得取样针XYZ三维自由运动所需要的庞大的驱动机构，因此，本发明的仪器结构更加紧凑小巧。
附图说明
图1是本发明中的转盘式电化学发光免疫分析仪的仓位示意图。
图2是转盘位于仪器底座上的转盘式电化学发光免疫分析仪示意图。
图3是转盘架高于底座之上的转盘式电化学发光免疫分析仪示意图。
图4是具有孵育杯自动安放和回收机构的电化学发光免疫分析仪示意图。
各附图标记含义如下：
100 转盘
101 检测试剂仓位
102 系统试剂仓位
103 待测样本仓位
104 孵育杯仓位
105 电化学发光测量单元
106 取样针组件
107 取样针
108 旋转驱动装置
109 底座
110 转盘支架
111 贯穿孔
112 自动装载和卸载孵育杯机构
113 摆放在盒中的孵育杯。
具体实施方式
下面将结合各附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
实施本发明的一种方式是在发明内容中描述的转盘100上设置多个开孔(或容器放置空间)形成101、102、103和104四类仓位。该转盘置于一个底座109之上，在底座和转盘之间通过滚珠(未画出)保障转盘100的旋转。
该实施例采用了双取样针的设计，一个取样针107负责移取放置于仓位101的试剂和磁珠以及仓位103(在图2中被遮挡，参考图1)的样本，并将移取的物质注入仓位104的孵育杯或反应杯。孵育完成后，在磁珠表面形成的抗体-抗原-抗体三明治结构复合物被另一取样针107抽取注入电化学发光测试单元105，通过电化学发光信号进行测量。测试结束后，取样针107抽取置于仓位102的系统试剂进行测试单元105的清洗和再生。
如图2所示，为尽可能地缩小仪器的整体体积，电化学发光测试单元105位于转盘环的内部。但也可根据实际需要将电化学发光测试单元置于转盘环的外部，而将仪器的其它单元、模块或子系统安置在环的内部。
在本实施例中，两个取样针107只作上下移动。但也可以根据设计和实际需要，将其中一个取样针或两个取样针设计为可以在一个扇形区内或不同仓位之间旋转取样和加样的工作模式。这种模式可以减少双针同时取样(或加样)可能造成的时间冲突。
实施例2
实施本发明的另一种方式是在发明内容中描述的转盘100上设置安放用于A、B、C和D四类液体、液体混合物、液体/固体混合物的仓位101、102、103和104。并把该转盘高架于底座109之上，转盘由位于底座上的若干支架110支撑。
该实施例采用了双取样针的设计，一个取样针107负责移取放置于仓位101的A类试剂和仓位103的C类样本，并将移取的物质注入预先放在转盘上104仓位的孵育杯之中。孵育完成后，在磁珠表面形成的抗体-抗原-抗体三明治结构复合物被另一取样针107抽取注入电化学发光测试单元105，通过电化学发光信号进行测量。测试结束后，取样针107抽取置于仓位102的B类系统试剂进行测试单元105的清洗和再生。
如图3所示，为尽可能地缩小仪器的整体体积，电化学发光测试单元105位于转盘环的内部。但也可根据设计和实际需要将电化学发光测试单元置于转盘环的外部，而将仪器的其它单元、模块或子系统安置在环的内部。
在本实施例中，两个取样针107只作上下移动。但也可以根据设计和实际需要，将其中一个取样针或两个取样针设计为可以在一个扇形区内或不同仓位之间旋转取样和加样的工作模式。这种模式可以减少双针同时取样(或加样)可能造成的时间冲突。在另一种情况下，也可采用单针设计。
实施例3
在上述实施例1和实施例2，作为耗材的反应杯或孵育杯是预先手动放入其仓位104的。为了提高效率，可以在实施例一和实施例二的基础上，添加自动装载和卸载孵育杯机构112。
图4显示了位于转盘内、摆列整齐的孵育杯113和孵育杯自动安放和回收机构112。当多个样本需要进行多个测试，但104仓位不够使用而时间又紧迫时，采用自动装载和卸载孵育杯机构112的设计方案可以在不干扰已经处于机上等待的测试样本的情况下，在一定程度上提升测试效率。
同样，该实施例采用了双取样针的设计，一个取样针107负责移取放置于仓位101的A类试剂和仓位103的C类样本,并将移取的物质注入预先放在转盘上104仓位的孵育杯之中。孵育完成后，在磁珠表面形成的抗体-抗原-抗体三明治结构复合物被另一取样针107抽取注入电化学发光测试单元105，通过电化学发光信号进行测量。测试结束后，取样针107抽取置于仓位102的B类系统试剂进行测试单元105的清洗和再生。
如图3所示，为尽可能地缩小仪器的整体体积，电化学发光测试单元105位于转盘环的内部。但也可根据设计和实际需要将电化学发光测试单元置于转盘环的外部，而将仪器的其它单元、模块或子系统安置在环的内部。
在本实施例中，两个取样针107只作上下移动。但也可以根据设计和实际需要，将其中一个取样针或两个取样针设计为可以在一个扇形区内或不同仓位之间旋转取样和加样的工作模式。这种模式可以减少双针同时取样(或加样)可能造成的时间冲突。在另一种情况下，也可采用单针设计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种转盘式电化学发光免疫分析仪，其包括电化学发光测试单元(105)、能被旋转驱动装置(108)驱动旋转的转盘(100)和至少一只取样针(107)，其中所述取样针(107)中的一只与所述电化学发光测试单元(105)流体连通，其特征在于：所述转盘(100)设有沿其周向分布的以下四种试剂仓位中的至少两种：检测试剂仓位(101)、系统试剂仓位(102)、待测样本仓位(103)和孵育杯仓位(104)。
2.根据权利要求1所述的转盘式电化学发光免疫分析仪，其特征在于：所述转盘(100)上还具有贯穿孔(111)。
3.根据权利要求1所述的转盘式电化学发光免疫分析仪，其特征在于：所述转盘(100)为圆环状，所述检测试剂仓位(101)、系统试剂仓位(102)、待测样本仓位(103)和孵育杯仓位(104)中的至少两种和所述贯穿孔(111)都位于该圆环的内外圆之间的环形区域上。
4.根据权利要求1所述的转盘式电化学发光免疫分析仪，其特征在于：所述取样针(107)通过悬臂连接到取样针组件(106)的竖直轴上，所述取样针(107)只能沿所述竖直轴做上下运动，或者既能沿所述竖直轴做上下运动又由能绕所竖直轴做旋转运动。
5.根据权利要求3所述的转盘式电化学发光免疫分析仪，其特征在于：所述电化学发光测试单元(105)置于所述圆环状转盘(100)内部。
6.根据权利要求1所述的转盘式电化学发光免疫分析仪，其特征在于：所述转盘(100)的个数仅为一个。
7.根据权利要求1所述的转盘式电化学发光免疫分析仪，其特征在于：所述孵育杯仓位(104)、检测试剂仓位(101)、系统试剂仓位(102)和待测样本仓位(103)的个数各自独立地为一个或多个。
8.根据权利要求1所述的转盘式电化学发光免疫分析仪的操作方法，其特征在于包括如下步骤：通过所述转盘(100)的旋转而使得所述检测试剂仓位(101)、系统试剂仓位(102)、待测样本仓位(103)和孵育杯仓位(104)中的至少两种仓位依设定时序而置于所述取样针(107)下方。
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