全自动生化分析仪

全自动生化分析仪生化分析仪(ChemistryAnalyzer)是临床检验中经常使用的重要分析仪器之一，它通过对血液或者其他体液的分析来测定各种生化指标:如转氨酶、血红蛋白、白蛋白、总蛋白、胆固醇、肌肝、葡萄糖、无机磷、淀粉酶、钙等。结合其他临床资料，进行综合分析，可以帮助诊断疾病，对器官功能做出评价，鉴别并发因子，以及决定今后治疗的基准等。所谓全自动生化分析仪，就是把分析过程中的取样、加试剂、混匀、保温反应、检测、结果计算和显示以及清洗等步骤进行自动化的仪器。全自动生化分析仪灵敏、准确、快速，不仅提高了工作效率，而且减少了主观误差，提高了检验质量。全自动生化分析仪涉及光学、精密机械、自动控制、电子电路、热工学、生物化学、分析化学等学科，且要求高精度、高可靠性，是一个十分复杂的系统，国内购买最多的品牌如：贝克曼—库尔特(Beckman-Coulter)、奥林巴斯(Olympus)、日立(Hitachi)等。在国内，深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司是最早开始研制全自动生化分析仪的企业之一。全自动生化分析仪的原理并不复杂，近20年来只不过是在自动化程度和功能扩展作改进和优化。全自动生化分析仪是以分光光度法为基础而发展起来的，至今分光光度法也是其核心方法。全部的生化分析仪其实质都是如图构成：光电比色部分是整个仪器的核心，进样系统是分析的前提，控制单元是分析的保证，数据处理系统是功能的扩展。一、自动生化分析仪类型自50年代Skeggs首次介绍一种临床生化分析仪的原理以来，随着科学技术尤其是医学科学的发展，各种生化自动分析仪和诊断试剂均有了很大发展，根据仪器的结构原理不同，可分为连续流动式（管道式）、分立式、离心式和干片式四类。（一）管道式分析仪管道式分析仪的特点是测定项目相同的各待测样品与试剂混合后的化学反应，是在同一管道中经流动过程完成的。这类仪器一般可分为空气分段系统式和非分段系统式。所谓空气分段系统是指在吸入管道的每一个样品、试剂以及混合后的反应液之间，均由一小段空气间隔开；而非分段系统是靠试剂空白或缓冲液来间隔每个样品的反应液。在管道式分析仪中，以空气分段系统式最多，且较典型，整套仪器是由样品盘、比例泵、混合管、透析器、恒温器、比色计和记录器几个部件所组成（图1）。管道内的圆圈表示气泡，气泡可将样品及试剂分隔为许多液柱，并起一定的搅拌作用，但气泡影响比色，必须在比色前除去。图1单通道管道式自动分析仪结构示意图将几个单通道管道式分析仪结合起来，对一个样品同时测定几个项目。著名的有12通道分析仪，命名为顺序多项自动分析仪（sequentialmultipleautoanalyzer），简称SMA12/60。同时发展为SMAC，C为计算机（computer）的缩写。这类大型分析仪至今仍有使用者。它对每个样品可同时分析12个项目，每小时可分析60个样品。后来发现不加入空气泡，更有利于结果的检测，发展为流动注射分析法（flowinjectionanalysis）。试剂的流动仍用比例泵驱动，样品用转动阀加入液流，反应后比色检测。连续流动式的原理近似所谓的“半自动生化分析仪”（不如叫自动比色仪来的恰当），固定比色杯，用清洗减少互染率。优点：结构简单，价格便宜，无比色杯的吸光性差异。缺点：1互染率高，标本间，试剂间相互影响不可避免。2每次使用后需要长时间冲洗才能进行下一次测定，速度极慢。只有全自动生化分析最初的产品使用，随着离心式的产生而被淘汰，目前已经绝迹。（二）离心式分析仪离心式分析仪是1969年以后发展起来的一种分析仪，由Anderson设计，其特点是化学反应器装在离心机的转子位置，该圆形反应器称为转头，先将样品和试剂分别置于转头内，当离心机开动后，圆盘内的样品和试剂受离心力的作用而相互混合发生反应，最后流入圆盘外圈的比色槽内，通过比色计进行检测（图2）。这类分析仪特点是①在整个分析过程中，各样品与试剂的混合、反应和检测等每一步骤，几乎都是同时完成的，不同于管道式和分立式分析仪的“顺序分析”，而是基于“同步分析”的原理而设计。②样品量和试剂量均为微量级（样品用1-50μl，试剂120-300μl），快速分析（每小时可分析600个样品以上）。③转头是这类分析仪的特殊结构。早期的转头由转移盘、比色槽、上下玻璃卷和上下套壳六个部件组成，现已被一次成型的塑料制品代替。转头转动时，各比色槽被轮流连续监测，如转速为960r/min，转头上有20个比色槽，则每分钟可接受19200个电信号，配有微机进行控制和数据处理。图2离心式自动分析仪工作原理示意图离心式分析仪主要由两部分组成，一为加样部分，二为分析部分。加样部分包括样品盘、试剂盘、吸样臂（或管）、试剂臂（加液器）和电子控制部分（键盘和显示器等）。加样时转头置于加样部分。加样完毕后将转头移至离心机上。分析部分，除安装转头的离心机外，还有温控和光学检测系统，并有微机信息处理和显示系统。离心式全自动生化分析仪的出现是一大进步，使用不同的反应比色杯减小互染，无需测定中清洗反应池加快了速度，样品和试剂分离加样，依靠旋转制动产生的离心力使其混合反应，批量检测。其优点突出：1避免了互染，提高了比色的准确性（虽然使用不同比色杯存在吸光度差，但因为工艺的进步，同质比色杯的差异已很小，相较互染的影响小得多）；2测试中不用清洗反应比色杯，批量同时反应，大大减少了时间，提高了分析速度。缺点：1加样，比色分离，自动化程度低；2按项目检测，不能按样本检测，使用不灵活；3使用不同比色杯存在吸光度差；4因为分离加样，样本和试剂上限受限，同时因为靠制动离心力混均对试剂的下限有严格限制，样本试剂比范围狭窄；5因要离心，对比浊分析有影响（特别是温控差的）6温控与反应分别，温控不能反映反应温度。离心式的出现终结了连续流动式，在70-80年代占据了相当市场，即使在分立式出现后，因为初期分立式的速度制约，离心式仍有一定市场。但当分立式技术成熟以后全面超越离心式，离心式已渐消亡。（三）分立式分析仪所谓分立式，是指按手工操作的方式编排程序，并以有节奏的机械操作代替手工，各环节用转送带连接起来，按顺序依次操作。分立式分析仪与管道式分析仪在结构上的主要区别为：前者各个样品和试剂在各自的试管中起反应，而后者是在同一管道中起反应；前者采用由采样器和加液器组成的稀释器来取样和加试剂，而不用比例泵；前者一般没有透析器，如要除蛋白质等干扰，需另行处理。恒温器必须能容纳需保温的试管和试管架，所以比管道式分析仪的体积要大。除此以外，其它部件与管道式的基本相似。分立式分析仪的基本结构如图3。Dupout公司还推出一种袋式分析仪，即试管变为塑料袋，反应在袋内进行，也以袋作比色杯。这种袋只能一次性使用。分立式虽然同样使用不同的反应比色杯，但样本和试剂同时加入反应比色杯即时混合，即时检测。能以样本为单位测定（离心式以项目为单位）因此使用灵活，同时不存在样本试剂比范围狭窄的缺陷以及不用离心也使得应用范围宽。温控也是测定反应体系温度。总之，分立式克服了离心式的大部分致命缺陷，在初期因为离心式是多样本同时反应节省了时间，因而速度较分立式快。但现在因技术的进步，分立式的速度已经提了上来，而在高速分析的时候离心式加样与测定分离的缺点反成了速度的瓶颈因此离心式就速度而言也趋于落后，因此分立式已经全面取代了离心式，目前离心式只有少数二手机在流通。图3分立式自动分析仪结构示意图（四）干片式分析仪干片式分析仪是80年代问世的。首先EastmanKodak公司以其精湛的化学工艺造出了测定血清中血糖、尿素、蛋白质、胆固醇等的干式试剂片。当加上定量的血清后，在干片的前面产生颜色反应，用反射光度计检测即可进行定量。这类方法完全革除了液体试剂，故称干化学法。BoehringerMannheim公司推出了用全血的干式试剂。即将血细胞排除于滤膜之外，而血浆与试剂发生反应后显色检测。干片试剂结构示意图见图4。图4平片试剂结构示意图干片不仅包括试剂，也可由电极构成，所以这类分析仪也可进行电解质的测定。这类干片均为一次性使用，故成本较贵。二、自动生化分析仪结构从结构上来说，生化分析仪包含分光光度计的主要组成部分，如:光源、单色器(色散装置)、比色池、检测器等;另外，它还包括生化分析所需的特有部分，如:加样系统、清洗系统、温控系统、软件系统等。1.光源理想的光源应在整个波长范围内产生恒定的光强度，噪声低，长期稳定。遗憾的是实际上没有这样的光源，因此，需要依工作波段的不同选取不同的光源。常用的光源有热光源（钨灯、卤钨灯等）和气体放电光源（氢弧灯，汞灯、氘灯等）。氘灯可在紫外区产生一定强度的连续光谱，在可见区也能提供有用的光强。尽管现在的氘灯噪声已很低，但灯的噪声仍是限制整个仪器噪声水平的主要因素。卤钨灯波长范围320－2500nm，在部分紫外区和整个可见光范围内可产生较强的连续光谱，噪声低，漂移小。最常用，大多数全自动生化分析仪采用卤钨灯作为光源。氢灯－－波长范围185－375nm,紫外区用。汞灯－－紫外区离散光谱，多不用作测定，多用于校正分光光度计。2.单色器单色器是使不同波长的光以不同角度发散的组件，按色散元件的不同，可分为棱镜单色器、光栅单色器和滤光片式单色器。棱镜既简单又便宜，但其色散是弯曲且非线性的，长波色散率小，短波色散率高，因此欲得到相同的光谱强度，狭缝宽度要随波长而改变，并且各光谱线间隔不同，为非匀排光谱。光栅的色散率大，色散角与波长成线性关系，分辨率高，光谱范围宽。但是，采用光栅的仪器设计时须注意光谱叠级、检测灵敏度及光学布局(前分光或后分光)等因素的影响。滤光片价格便宜，通过科学、合理的设计，采用滤光片分光方式完全可以获得与光栅分光同等的效果。3.检测器检测器将光信号转换为电信号。理想的检测器应具有线性范围宽，噪声低，灵敏度高。全自动生化分析仪的检测器一般为光电倍增管或光电二极管。光电倍增管阴极材料的性质决定了其光谱灵敏度。光电倍增管在紫外—可见范围内有良好的灵敏度，它对弱光的灵敏度很高。但是，在光谱分析应用中，高灵敏度是用于测定低浓度物质的，为准确检测空白和样品间的微小差别，检测器在强信号时必须噪声低。光电二极管(或光电二极管阵列)广泛应用于全自动生化分析仪，是目前中高档生化分析仪采用的主流技术。光电二极管检测动态范围宽，作为固体元件比光电倍增管更耐用。早期的光电二极管在紫外区灵敏度较低，但该问题已克服，硅光电二极管的检测范围约是170nm~1100nm。4.加样系统加样系统的精度直接影响测量结果，因此，加样系统一直都是全自动生化分析仪的关键技术之一。加样系统分为样本加样系统和试剂加样系统，两者在原理和结构上并无区别。加样过程由初始化过程、吸样过程、排样过程和清洗过程组成。加样精度一般靠以下技术保证:(1)合理的液路设计和连接技术;(2)液面检测技术:采样针能够感应液面，探测到液面后插入适当深度后会停止;(3)随量跟踪技术:采样针根据所分配液体的多少自动调整下降深度;(4)堵塞检测:探针能自动检测血液或试剂中纤维蛋白质或其他杂物堵针，堵针后根据内置压力感受器进行处理。5.清洗系统在全自动生化分析仪中，反应杯清洗可通过两种方案实现，即机内清洗反应杯和自动更换反应杯。采用机内清洗反应杯方式，反应杯是反复使用的。清洗过程包括吸干反应液、注入酸性清洗剂、吸干酸性清洗剂、注入碱性清洗剂、吸干碱性清洗剂、注入去离子水(可能有多次)、干燥反应杯等步骤。清洗的效果直接决定着仪器的携带污染。机内清洗的最大缺点是，很难保证将反应杯彻底清洗干净，因此反应杯污染引起的误差不可避免;而且，用水量比较大也是一个问题。自动更换反应杯方式是采用一次性反应杯，因此仪器的携带污染会大大降低;同时，由于减少了重复清洗的过程，可进一步提高仪器的可靠性，同时，仪器的用水量也会大大降低。6.温控系统各类生化反应尤其是酶类对温度波动非常敏感，需要一个恒定的温度，才能取得可靠、准确的结果，一般要求把反应室的温度波动控制在±0.1℃。目前较多采用的方法有空气浴法、恒温水浴法、恒温液加热法等。7.软件系统软件系统的目标是为