生化分析儀原理與結構

1、生化分析儀基本原理與結構 生化分析儀是臨床診斷常用的重要儀器之一。它是通過對血液和其他體液的分析來測定各種生化指標，如血紅蛋白、膽固醇、肌肝、轉氨酶、葡萄糖、無機磷、淀粉酶、白蛋白、總蛋白、鈣等。同時結合其他臨床資料進行綜合分析，可幫助診斷疾病，并可鑒別并發(fā)因子以及決定今后治療的基準等。 近幾十年來，隨著科學技術特別是醫(yī)學科學的發(fā)展，各種自動生化分析儀器和試劑均得到很大發(fā)展，生化分析由手工操作進入機械化、自動化階段。自動生化分析儀器的特點是精度高，可達0002A；重復性好，功能齊全，可進行吸光度、濃度和酶活力的測定，能使用終點法、動力學法和初速度法進行分析，測試項目多。另外，自動生化分析儀還有

2、快速、簡便、微量等優(yōu)點。因此，自動生化分析儀在實驗室和臨床檢驗中均得到了廣泛的應用。 生化分析儀的種類較多，可從不同的角度進行分類： 1按反應裝置的結構可分為連續(xù)流動式、分立式和離心式3類。 2按自動化程度可分為全自動、半自動和手工型3類。 3按同時可測定項目可分為單通道和多通道兩類。單通道每次只能檢測一個項目，但項目可以更換。多通道每次同時可以測多個項目。 4按儀器的復雜程度及功能可分為小型、中型和大型3類。小型一般為單通道、半自動及專用分析儀；中型為單通道（可更換幾十個項目）或多通道，常同時可測210個項目；大型均為多通道儀器，同時可測10個以上項目，分析項目可自選或組合，不僅能進行臨床生

3、化檢驗，而且可進行藥物監(jiān)測及進行免疫球蛋白的測定。 5按規(guī)定程序可變與否，可分為程序固定式和程序可變式兩類。 第一節(jié)工作原理及基本結構 所謂自動生化分析儀就是生化分析中的取樣、加試劑、去干擾物、混合、保溫反應、檢測。結果計算和顯示，以及清洗等步驟都能自動完成的儀器，實現(xiàn)自動化的關鍵在于采用了微機控制系統(tǒng)。目前，絕大多數(shù)生化分析儀都是基于光電比色法的原理進行工作的。其結構可粗略地看成是由光電比色計或分光光度計加微機兩部分組成。由于整個測試過程是自動完成的，因此除微機外，在采樣、進樣、反應等過程使用了一些特殊的部件。下面作簡要介紹。 一、 連續(xù)流動式自動生化分析儀圖1-1單通道連續(xù)流動式生化分析儀

4、的結構示意圖在微機控制下，通過比例泵將標本和試劑吸到連續(xù)的管道之中，在一定的溫度下，在管道內(nèi)完成混合、去除干擾物、保溫反應、比色測定、信號放大及運算處理，最后將結果顯示并打印出來。因為這種檢測分析是一個樣品接著一個樣品在連續(xù)流動狀態(tài)下進行的，故稱之為連續(xù)流動式分析儀。 這類儀器中，樣品和樣品之間可以用空氣來隔離，也可以用空白試劑或緩沖液來隔離。用空氣分隔的叫空氣分段式系統(tǒng)，用空白試劑或緩沖液分隔的叫非分段式系統(tǒng)。 1樣品盤（加樣器）為一可轉動的圓盤狀架子，在圓盤上放若干聚乙烯塑料杯（或試管），用以盛放待測樣品和校正儀器用的標準液。在程序控制器的控制下，轉盤的移動與采樣管上塑料軟管探頭的活動同步

5、，即圓盤每隔一定時間自動轉動一格，采樣管吸取一次樣品。依次類推，分析速度選用30份h、40份/h、50份h等。每個樣品（或標準液）之間要以空氣泡或蒸餾水隔開，或吸取少量生理鹽水，作為洗滌采樣管之用。新式樣品盤上還裝有樣號碼識別裝置裝置，該裝置通過計算機與打印記錄器相連，將某樣品測定結果打印在該樣品的編號下。2比例泵（稱量泵） 圖1-2是一種蠕動泵，執(zhí)行兩個功能，即提供能使樣品在儀器內(nèi)進行運動的壓力和向流經(jīng)塑料管的液體注入空氣。它的作用是代替手工操作時的各種吸管。樣品的用量和各種試劑的用量以及管道氣泡的多少均由比例泵決定，其結構和作用原理如圖1-2所示。比例泵主要由彈簧、壓板、塑料管和轉軸組成。

6、轉軸由電機帶動，幾個轉軸之間有鏈條相連，轉軸沿固定軌道循環(huán)轉動，反復從富有彈性的硅膠輸液管道上擠壓滾過，從而推動管內(nèi)的液體向前運動。由于比例泵的馬達轉速是恒定的，但配有不同內(nèi)徑而壁厚相同的塑料管，即可得到不同的流速，也就是說流量與管徑間有一定的比例關系，故稱為比例泵。對管道質量要求很高，既要耐腐蝕，又要在壓力解除后迅速恢復其原有的孔徑，以保持恒定的流速。3混合管（反應器） 圖1-3由玻璃螺旋管制成，如圖13所示。它的作用是將比重不同的液體充分混合，以便通過保溫、加溫、冷卻等過程完成測定反應?；旌瞎艿牟煌?guī)格可根據(jù)反應時間的長短來選擇。 4透析器 其作用是使反應管道中的大分子物質（如蛋白質）與小

7、分子物質（如葡萄糖、尿素等）分離。在測定小分子物質時，常用透析器除去蛋白質造成的干擾。透析器由兩塊有機玻璃板組成，見圖14。 圖1-4玻璃板相對的兩面刻有對稱的槽，由邊緣向中心呈螺旋狀環(huán)繞。兩塊板合攏時，上下槽合成一圓形孔道，液體可從一端流入而從另一端流出。透析時，在兩塊板之間夾一層透析薄膜，則在膜上下各形成一個管道。圖14中的樣品和第一試劑從上側管道通過，而第二試劑則從下側管道通過。此時小分子物質透過膜進入下側管道與第二試劑反應，而樣品中的蛋白質則作為廢液從上側管道流出。透析膜有各種規(guī)格，透析率與各種物質透過程度、上下槽中的滲透壓差（濃度差）、透析孔徑大小及反應溫度有關；透析總量則與螺旋長度

8、及透析膜有效總面積有關。為了提高透析速度和減少溫度的影響，常將整個透析器浸沒在370C恒溫水箱內(nèi)。液體在流人透析器前亦應先預熱至370C 。 二、離心式自動分析儀這類儀器型號很多，但都是根據(jù)同步分析原理設計的，它與順序分析儀的不同處是可以同時進行若干試樣與試劑的混合、反應、檢測等步驟，同步完成分析，故屬同步分析儀。這類儀器的優(yōu)點是快速，在幾分鐘內(nèi)可以完成2030個試樣中一個項目的分析，試樣用量可少至320L，試劑量100250L；其缺點是同一時間只能完成一個項目的分析。 圖1-6 離心式分析儀由加樣部分和分析部分組成，具體結構參見圖16。在一個圓盤的外周呈放射狀排列著比色室，其上下各有石英窗，

9、光束從上向下（或相反方向）通過比色室到達檢測器。在比色寶的內(nèi)側有與比色室呈對應排列的試劑槽和試樣槽，槽間由隆起的脊隔開。將圓盤放到離心機上，開機后由于快速旋轉所產(chǎn)生的離心力，使試劑、試樣向外移動并混合、反應，反應物最后轉移到比色室中。試樣和試劑的量是由吸量分布器完成的。分析部分則由圓盤轉干、溫度控制器、分光光度計、微機和打印機等組成。 三、分立式自動生化分析儀所謂分立式，是指按手工操作的方式編排程序，并以有節(jié)奏的機械操作代替手工，各環(huán)節(jié)用傳送帶連接起來，按順序依次操作，如圖17所示。 圖1-7其主要部件如下。 1試樣器 為圓盤式或吊籃式。被測試樣放在試樣器上，試樣器在驅動裝置帶動下，按一定速度

10、移動，使試樣一個個地傳遞到取樣針下，待取樣。 2吸量裝置和分布器注射器活塞通常采用氣動控制機械傳動裝置帶動，可定量吸取試樣和試劑。當吸量系統(tǒng)的閥I關、閥II開時，活塞下移，兩個注射器分別吸入定量試樣和試劑；當閥I開、閥II關時，活塞上移，注射器中的試劑被推出，并將探針尖端的試樣沖入反應管中。加樣后，取樣探針進入洗滌他，洗凈探針以防交叉污染。如反應中尚需加第二、第三種試劑，則由分布器按以上原理完成。如圖1-8所示 圖1-8 3反應管 反應管固定在由微型馬達帶動的鏈式傳送帶上，步進式向前移動。步進速度乘以反應終點位號，即為總反應時間，可依反應時間選擇適宜步進速度。 4加熱浴 可控溫于250C、37

11、0C、500C，由傳送鏈帶動反應管至恒溫槽中保溫。 5檢測器為光電比色計（或分光光度計）。待反應完成后，進行檢測。如圖1-9 圖1-9四 全自動大型生化分析儀 一、基本結構 （1）樣品（sample）系統(tǒng)：樣品包括校準品、質控品和病人樣品。系統(tǒng)一般由樣品裝載、輸送和分配等裝置組成。 l）樣品裝載和輸送裝置的常見類型有： a樣品盤（sample disk）：即放置樣品的轉盤。有單圈或內(nèi)外多圈，單獨安置或與試劑轉盤或反應轉盤相套合，運行中與樣品分配臂配合轉動。有的采用更換式樣品盤，分工作和待命區(qū)，其中放置多個弧形樣品架（sector）作轉載臺，儀器在測定中自動放置更換。對樣品盤上放置的樣品杯或試管

12、的高度、直徑和深度有一定要求，有的需專用的樣品杯，有的可直接用采血試管。樣品盤的裝載數(shù)以及校準品、質控品、常規(guī)樣品和急診樣品的裝載數(shù)，一般都是固定的，這些應根據(jù)工作需要選擇。 b二傳動帶式或軌道式進樣：即試管架（rack）不連續(xù)，常為10個一架，靠步進馬達驅動傳送帶，將試管架依次前移，再單架逐管模移至固定位置，由樣品分配臂采樣。 C鏈式進樣：試管固定排列在循環(huán)的傳動鏈條上，水平移動到采樣位置，有的儀器隨后可清洗試管。 2）分配加樣裝置大都由注射器、步進馬達或傳動泵、加樣臂和樣品探針等組成。 a注射器（syringe unit）：根據(jù)注射器直徑和活塞移動距離的多少，定量吸取樣品或試劑。它的精度決

13、定加樣的精度，一般可精確到1微升。注射器漏液時，首先考慮是否探針堵塞，其次是注射器活塞磨損等等。有的加液系統(tǒng)采用容積型注射泵和數(shù)控脈沖步進馬達，可提高精度。 b樣品探針（probe）：與加樣臂相連，直接吸取樣品。探針均設有液面感應器，防止探針損傷和減少攜帶污染。有的設有阻塞檢測報警系統(tǒng)，當探針被樣品中的血凝塊等物質阻塞時，儀器會自動報警，沖洗探針，并跳過當前樣品對下一樣品加樣。有的還有智能化防撞裝置，遇到阻礙探針立即停止運動并報警。即使如此，它仍是非正規(guī)操作時的易損件。為了保護探針，除預先需要根據(jù)樣品容器的底高、最低液面高度等進行設置外，樣品容器的規(guī)格、放置位以及液面高度等設定條件不得隨意改變

14、。在某些儀器上，采樣器和加液器組合在一起，加樣品和加試劑或稀釋液可用一個探針一次完成。 C加樣臂：連接探針，在樣品杯（試劑瓶）和反應杯之間運動，完成采樣和加樣（加試劑）。它的運動方式與儀器工作效率及工作壽命有一定關系。 d閥門：用以決定液體流動的方向。 e稀釋系統(tǒng)：對樣品進行預稀釋、過后稀釋或加倍，對標準原液系列稀釋，等等。不同儀器的稀釋方式有所差異，要注意識別。試劑系統(tǒng)亦有稀釋功能。 （2）試劑（reagent）系統(tǒng)：系統(tǒng)一般由試劑儲放和分配加液裝置組成。 l）試劑倉：常與試劑轉盤結合在一起，多數(shù)儀器將試劑倉設為冷藏室，以提高在線試劑的穩(wěn)定期。 2）分配加液裝置門dispense unit）

15、：與樣品系統(tǒng)的類似，試劑探針常?？梢詫υ噭╊A加溫。雙試劑系統(tǒng)的試劑2（R2 ）探針的起始量宜小一點，以便配合不同R1R2比例的試劑。 3）試劑瓶（bottle）：有不同的形狀、大小及規(guī)格。如 COBAS MIRA PLUS儀有4、 10、15、 35ml等規(guī)格，瓶底呈凹形； OLYMPUS AU600儀有 30和 60ml兩種；日立7060儀有20、 50、100ml等三種規(guī)格。應根據(jù)工作量和試劑規(guī)格，考慮試劑瓶殘留體積和更換頻率，合理選用。獨特設計的卡式試劑盒，體積小，防蒸發(fā)，便于儲存。 4）配套試劑常有條形碼，儀器設有條形碼檢查系統(tǒng)，可對試劑的種類、批號、存量、有效期和校準曲線等資料進行核

16、對校驗，如 Beckman CX7等。 5）試劑瓶蓋自動開關系統(tǒng)：更有利于試劑的保存，有的儀器可在運行中添加、更換試劑，有的則須在暫停狀態(tài)下進行。 （3）條形碼（barcode）識讀系統(tǒng)：一般由掃描系統(tǒng)、信號整形和譯碼器三部分組成。掃描系統(tǒng)以光源掃射黑條白空相間的條碼符號，由于條和空對光的反射不同，不同寬窄的條符反射光的持續(xù)時間不同，產(chǎn)生強度不同的反射光，再經(jīng)光電轉換元件接收并轉換成相應強度的電信號，最后通過信號整形由譯碼器解譯。系統(tǒng)自動識別樣品架及樣品編號，識別試劑、校準品及其批號、失效期，有的還可識別校驗校準曲線等信息。 實驗室常用的條形碼類型有CODE 39、CODE 128、2 of

17、5等等。要自編樣品條形碼需準備條碼輸入器，條形碼閱讀系統(tǒng)與條形碼要匹配。 （4）反應系統(tǒng)： l）反應盤：裝載一系列反應比色杯（cuvettes），多為轉盤形式。反應測定過程中按固定程序，在加樣臂、加液臂、攪拌棒、光路和清洗裝置之間轉動。有的儀器在反應杯中完成反應后再吸入比色杯比色，現(xiàn)在更常見的是反應和檢測同在比色杯中進行，效率更高，尤其適用于連續(xù)監(jiān)測法。比色杯多采用硬質石英玻璃、硬質玻璃、無紫外光吸收的丙烯酸塑料等，使用壽命不一。Dimension系列的比色杯在機器內(nèi)自動制造，自動封口，免沖洗，無污染。流動池式主要在小型分析儀上用。容積一般為幾十微升，但抽液管道占用較多反應液，多樣品連續(xù)使用增

18、加了交叉污染機會。 2）蠕動泵（pump）：半自動生化儀需要蠕動泵抽吸反應液進入流動比色地作測定。要求定期對蠕動泵進行校準，即通過吸入定量的水來檢驗泵的吸液量是否準確。一般均設有泵校準功能。 3）混合裝置（mixing unit）：如采用多頭回旋攪拌棒（三頭雙清洗式攪拌系統(tǒng)）。攪拌棒常具特氟隆不粘涂層，避免液體粘附。 4）溫控裝置：一般可設置 25、 30和對37，也常見只設37的。溫差應小于±0l。溫控方式有恒溫水浴、石蠟油浴，電熱恒溫、空氣恒溫、恒溫液循環(huán)加溫等，各具特點。使恒溫均勻穩(wěn)定。 （5）清洗（wash）系統(tǒng)：探針和攪拌棒采用激流式等方式自動沖洗。反應比色杯的清洗常包括清

19、潔液清洗、去離子水沖洗、抽吸、風干等步驟。沖洗水的水溫自動控制到與保證反應系統(tǒng)的恒溫，并增加去污能力。 Abbott AEROSET自動生化分析儀等系統(tǒng)具有自動清洗功能（smar wash）和最佳標本順序選擇功能（OSS）。即儀器根據(jù)試劑或樣品間交叉污染的項目組合，自動改變檢測順序，避免互有影響的分析項目；確實無法回避時，則采用選定的特殊清洗劑作自動清洗。 （6）光路檢測系統(tǒng)：一臺性能穩(wěn)定、靈敏、高精確度的生化分析儀必須具有強度適宜、穩(wěn)定耐用的光源燈，波長準確、有效防止雜散光干擾的單色光器，和靈敏穩(wěn)定的光電轉換元件以及其他電路元件。 l）光源燈（photometer lamp）：常用 氙燈、鹵

20、素鎢燈、鹵素石英燈等。閃爍式氙燈可延長燈泡壽命。 2）單色光器：干涉濾光片，一般帶寬6nrn10nrn。個別波長的干涉濾光片易發(fā)生霉變。光柵分光式，一般帶寬6nrn。無像差凹面蝕刻光柵，1毫米內(nèi)刻線4000條以上，縮小了體積，減少了雜散光，提高了精度。集束式全息光柵分光全數(shù)碼轉換的分光技術，波長范圍更寬、更穩(wěn)定。 3）光電轉換元件：現(xiàn)在多采用光敏二極管矩陣。多波長直排式光電管，可對每一項光化學反應同時作多波長分析。集束式光路、光路系統(tǒng)數(shù)碼處理技術與數(shù)字光纖傳輸檢測信號聯(lián)用，大大減少了各種干擾，提高了檢測精度和速度，有利于實現(xiàn)超微量檢測。 （7）程序控制系統(tǒng)：利用現(xiàn)代電子工程學、計算機科學和自動化技術的迅速發(fā)展， 使生化分