自动化生化分析仪国内外现状及进展

(1) 采用多自由度机械臂来协调各个功能模块 之间工作 ,可以完成诸如加样和在洗板机 、酶标仪 、 孵育器 、震荡器等模块之间转移试剂盘的操作 。
美国贝克曼仪器可以采取单或双机械臂 ,配合 储盘装置 ,可以同时处理高达 180 块微孔盘 ,实现高
3 国家高技术研究发展计划 (863) 项目 :2001AA635090
(4) Tecan 、哈美顿 、Caliper 等产品框架结构上采 用铝合金材料 ,型材的搭建采用特制内藏连接式螺 栓 。外形美观 ,强度高 ,而与同体积其它材料相比重 量轻 、不生锈 ,适用于环境要求高场合 。此外 ,铝合 金型材拆装方便 ,容易在此框架基础上扩展新功能 模块 。Languy Le Neel 等 人 开 发 的 一 种 电 泳 设 备 Capillarys 很容易在没有更改原来仪器的基础上整合 到其已经开发铝合金框架仪器中〔5〕。
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自动化生化分析仪国内外现状及进展 3
李 冬 杨新华 王树杰 (中国海洋大学工程学院 青岛 266071) 摘 要 自动化生化分析仪是临床诊断 、生命科学 、生化研究重要仪器 。本文介绍生化分 析仪主要组成模块及功能 ,重点介绍国外主要生产企业 ,综观它们产品得出自动化生化分 析仪基本特点及发展趋势 ;介绍国内自动化生化分析仪研发现状 ,重点介绍中国海洋大学 独立研发基于双特异分子探针技术赤潮藻自动化分析仪 ,在此基础上论述国内自主研发 自动化生化分析仪重要意义和市场前景 。 关键词 生化分析仪 自动化 模块化 机械手
3 国内现状及进展
目前国内生产生化分析仪大多属半自动型 ,产 品的型号种类少 、分析速度慢 、试剂消耗量大 ,其自 动化程度 、精度 、工艺质量 、可靠性和稳定性与国外 还存在相当大的差距 。国内临床机构 、生命科学研 究机构 、环境监测部门虽然大都配备自动化分析仪 , 但是被少数几个跨国公司所垄断 。近年来 ,国内众 多科研院所已经开始全自动生化分析仪自主研发 。
美国 GILSON 的 925 、940 工作站都配置 XYZ 三 轴机械臂 ,用来完成 1 通道 ,8 通道 , 96 通道加样和 转移微孔盘 、试管 、加样枪头盒子等设备的操作 。将 各个加样通道和夹板机械手集成在一起 ,可以即时 进行处理加样和转移微孔盘操作 ,增加实验效率和 精度 ,节约时间 (见图 4) 。
(5) 自动化工作站采用模块化设计思想 ,既便于 实现高度集成 ,又便于满足用户定制制作要求 。
将过滤 、混合 、温度控制 、加样 、清洗 、振荡 、孵 育 、检测分析 、结果计算等功能设计成相对独立模 块 ,可以根据需要融合在模块化的工作台面 ,节省空 间 ,又缩短试验的时间 。模块化的 Biomek ○R FX 在工 作台面上预留不同功能模块空间 (见图 7) 。还可以 根据实验需要 ,在原来仪器基础上扩展自己设计模 块 ,例如 T1 E1 Riedel 等人设计出低温微孔盘平台 , 可以安装到 Biomek 2000 实验室工作站〔7〕。
长春光学精密机械与物理研究所的科研人员 , 在吉林省科技发展重点项目资金资助下 ,研制一台 采用凹面全息光栅作为分光元件 ,使用流动比色池 进行测量 ,利用 PC 机作为主控计算机 ,采用分布式 多 CPU 硬件控制的面向中小型基层医疗机构的自 动化分析仪〔10〕。在国内首次将紫外平场分光技术 用于生化分析仪 ,提出 PID 与 PWM 相结合温度控制 系统和液路控制系统方案 ,解决全自动生化分析仪 快速测试和精确定位等难题 。该分析仪主要用于临 床验血常规 、心肌酶谱 、血糖血脂 、肝功 、肾功 、免疫 球蛋白等常规生化指标检测 。
图 4 GILSON 925 工作站 5
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贝克曼 Biomek 系列工作站 、Tecan 的工作站 、 Caliper 生命科学公司的 Sciclone 液体处理工作站和 Staccato 系列综合工作站等都有不同通道加样模块 , 贝克曼各种不同通道加样模块 (见图 5) 。
瑞士哈美顿的 STAR 系列可以选择 3 种结构的 机械臂 。一种可以集成到系统中来转移微孔盘 (见 图 3a) ;第二种是在 CO2RE 技术基础上 ,开发出的一 种全新转移微孔盘方法除能够夹持加样枪头外 ,加 样通道还可以利用夹盘工具 (加样通道下面两个黑 色部件) 作为转移板装置 ,从微孔盘储库将微孔盘转 移到工作台面上的任何位置 (见图 3b) 。第三种为 iSWAP 型 ,能够在工作台面上工作又可以到工作台 下面 。由于其在竖直方向运动和转动运动的灵活 性 ,它可以实现微孔盘的存储 、孵育 、读板 、清洗 、转 移的自动化 (见图 3c) 。
图 1 自动化生化分析仪组成框图
2 国外现状及进展
经过多年发展 ,国外自动化生化分析仪在技术 上已经趋向成熟 。美国贝克曼 (Beckman Coulter) 、应 用生物公司 (Applied Biosystem) 、雅培 (Abbott) 、强生 (Johnson&Johnson) 、Hudson 、GILSON 、日 本 日 立 ( Hi2 tachi) 、荷兰 Skalar 、瑞士 Tecan 、哈美顿 ( Hamilton) 等 众多公司推出各自种类齐全的自动化分析仪器 。纵 观国外各公司的仪器 ,具有以下几个基本特点 :
图 6 Twister II 储盘装置 6
图 7 模块化的 Biomek ○RFX
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综述与专论
总之 ,随着计算机与电子技术发展 ,国外生化分 析仪主要向通用化 、全自动 、微量化 、组合式方向发 展 。具体说就是 ,可采用测定技术与可测反应类型 增多 ,测试速度提高 ,通道增多 ,软件功能增强 ,自动 化程度提高 ;与之相对应是样品和试剂的用量减少 , 人工参与减少〔10〕。
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通量 (见图 2) 。同时 ,该公司还开发 6 轴机械臂 OR2 CA 系统 ,6 个轴运动包括 :沿着轨道运动 (movement along a rail) 、上升 (height) 、伸出 (reach) 、弯曲 (bend) 、 扭转 (twist) 、夹取 (grip) 。可以实现转移微孔盘 、试 管 ,而且可以根据需要将多个 ORCA 系统集成到仪 器系统中 。
1 主要组成模块及功能Байду номын сангаас
自动化生化分析仪主要有上位计算机 、前处理 模块 、反应模块 、监测计算模块和机械手模块等模块 组成 ,其组成框图 (见图 1) 。
上位计算机通过串口控制各模块正常运转 ,接 受并存储分析计算结果 。机械手模块是整个自动化 生化分析仪核心部分 ,在上位计算机控制下按程序 和预定路径工作 ,完成试样在各试管和容器间转移 和转移微孔盘操作 ,将各个模块有机联系在一起 。 前处理模块包括进样 、过滤 、分配等操作 ,在机械手
(6) 高产量 、高速度 、高精度和高可靠性 。 自动化生化工作站都具有高产量 、高速度和高 精度优点 ,同时又具有极高可靠性 。例如 Tecan 公 司生产全自动酶免分析一体机将 96 个标本分配到 微孔盘只需 4min ,将试剂分配到 96 孔微孔盘中只需 30s ,每年可以完成高达 600000 通量测试 。从国外 众多文章可看到国外对安装 、运行等方面可靠性严 格要求〔5 ,9〕。
(2) 具有多种模式的不同通道的液体处理装置
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图 3 哈美顿 STAR 系列转移盘机械臂
可供选择 ,使仪器具有极强灵活性 ,能够满足各种分 析需求 。可以采用一次性加样枪头或者固定式加样 枪头 。一次性枪头可以免去低效率清洗过程且污染 率为 0 , 例如利用探针技术的研究系统中可以发挥 巨大作用 ,提高研究的效率和结果的精度 。固定式 枪头采用聚四氟乙烯涂层材料做成 ,具有液位检测 功能 ,而且固定式枪头可以免去反复加枪头步骤 ,增 加可靠性和精度 。只要能够采取合理清洗操作 ,也 能保证低污染率 (例如 Tecan 的标准固定式钢针采 用特殊设计清洗站可以使交叉污染率低于 1ppm) , 具有广泛应用 。
哈美顿的 Microlab Star 系列采用微孔盘储库 ,每 个可以存 10 块微孔板 ,根据需要可增加储库的数 量 。由于该储库没有自动进给装置 ,每取完一块微 孔盘后下一次取盘需要变化位置 ,给程序编制带来 不便 。
美国的 Hudson 可以生产专业化微孔盘存储 、转 移装置 。其 LabLinx 系列 ,由于其高速 、便携 、易扩展 的特点 ,几乎能与所有基于微孔盘操作设备集成 。
综述与专论
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图 2 贝克曼双臂结构分析仪
瑞士 Tecan 的 Freedom EVO ○R自动化工作站可以 选择多个机械臂结构 ,加样机械臂和转移微孔盘的 机械臂并行工作 ,增加分析的产量和速度 。机械臂 不但可以在工作台面上工作 ,还可以伸到工作台面 下面 ,这样可以把酶标仪 、酶标盘储库装置等大体积 且不反复用机械手操作的装置放在工作台下面 ,有 效地扩展工作台面积 。Genesis RMP 大型全自动酶 免一体机采用独立智能机械手 ,最大载重量 014kg , 有抓板传感器及报警功能 ,可抓微孔盘和用户自定 义板架 ,运动平稳 、可靠 。
协助下实现全自动化 。样品经过前处理模块进入反 应模块 ,进行包括加样 、混合 、温度控制 、振荡 、孵育 等操作过程 ,最后进入酶标仪等监测计算模块 ,得出 结果传输给上位计算机存储 ,完成一个分析过程 。
除以上主要模块 ,还包括微孔盘储库等辅助模 块 ,它为高通量实现和连续自动化运行提供条件 。
前言
生化分析仪是医疗机构进行临床诊断和生命科 学、生化研究等研究机构进行科研所必需仪器之一 ,主 要用于测定人体液中各种常规生化指标 ,还可以用于 免疫学 、分子生物学 、药物研究 、生化实验等 。随着人 们在生化分析、环境科学等领域开展更加复杂实验 ,提 出高通量 、高精度 、高速度要求 。传统专门 、功能单一 生化分析仪已经不能满足需求 ,近年来出现自动化生 化分析仪 。所谓自动化生化分析仪就是利用自动化技 术、光学、电子学和计算机科学 ,把生化分析中试剂盘 取放 、取样 、稀释 、加试剂 、去干扰 、移液 、加热和冷却控 制 、清洗 、检测 、结果计算 、显示和打印存储等步骤自动 化仪器。它完全模仿并代替手工操作 ,不仅提高工作 效率 ,而且减少主观误差 ,稳定检验质量。由于这类仪 器精度高 、重复性好 、快速 、自动化程度高 、标准化等优 点 ,使得自动化生化分析仪在临床医学、生命科学、生 物化学 、食品和环境监测等研究领域得到日新月异的 广泛应用〔1～3〕。