自动生化分析仪基本结构及工作原理
自动生化分析仪基本结构及工作原理
一、基本结构
（一）按照反应装置的结构，自动生化分析仪主要分为流动式(Flow system)、分立式(Discrete system)两大类。
1．流动式 指测定项目相同的各待测样品与试剂混合后的化学反应在同一管道流动的过程中完成。这是第一代自动生化分析仪。
2．分立式 指各待测样品与试剂混合后的化学反应都是在各自的反应杯中完成。其中有几类分支。
(1)典型分立式自动生化分析仪。此型仪器应用最广。
(2)离心式自动生化分析仪，每个待测样品都是在离心力的作用下，在各自的反应槽内与试剂混合，完成化学反应并测定。由于混合，反应和检测几乎同时完成，它的分析效率较高。
3．袋式自动生化分析仪是以试剂袋来代替反应杯和比色杯，每个待测样品在各自的试剂袋内反应并测定。
4．固相试剂自定生化分析仪(亦称干化学式自动分析仪) 是将试剂固相于胶片或滤纸片等载体上，每个待测样品滴加在相应试纸条上进行反应及测定。操作快捷、便于携带是它的优点。
(二)典型分立式自动生化分析仪基本结构
1．样品(Sample)系统
样品包括校准品、质控品和病人样品。系统一般由样品装载、输送和分配等装置组成。
样品装载和输送装置常见的类型有：
(1)样品盘(Sample disk)，即放置样品的转盘有单圈或内外多圈，单独安置或与试剂转盘或反应转盘相套合，运行中与样品分配臂配合转动。有的采用更换式样品盘，分工作和待命区，其中放置多个弧形样品架(Sector)作转载台，仪器在测定中自动放置更换，均对样品盘上放置的样品杯或试管的高度、直径和深度有一定要求，有的需专用样品杯，有的可直接用采血试管。样品盘的装载数，以及校准品、质控品、常规样品和急诊样品的装载数，一般都是固定的。这些应根据工作需要选择。
(2)传动带式或轨道式进样 即试管架(Rack)不连续，常为10个一架，靠步进马达驱动传送带，将试管架依次前移，再单架逐管横移至固定位置，由样品分配臂采样。
(3)链式进样试管固定排列在循环的传动链条上，水平移动到采样位置，有的仪器随后可清洗试管。
分配加样装置大都由注射器、步进马达或传动泵、加样臂和样品探针等组成，①注射器(syrine unit)。根据注射器直径和活塞移动距离的多少，定量吸取样品或试剂。它的精度决定加样的精度，一般可精确到1微升。注射器漏液时，首先考虑是否探针堵塞，其次是注射器活塞磨损等。有的加液系统采用容积型注射泵和数控脉冲步进马达，提高精度。②样品探引(Probe)与加样臂相联，直接吸取样品。探针均设有液面感应器，防止探针损伤和减少携带污染。有的设有阻塞检测报警系统当探针样品中的血凝块等物质阻塞时．仪器会自动报警冲洗探针，并跳过当前样品，对下一样品加样。有的还有智能化防撞装置遇到阻碍探针立即停止运动并报警。即使如此，它仍是非正规操作时的易损件。为了保护探针，除预先需要根据样品容器的高低、最低液面高度等进行设置外、，样品容器的规格、放置以及液面高度等设定条件不得随意改变。在某些仪器上，采样器和加液器组合在一起，加样品和加试剂或稀释液一个探针一次完成。③加样臂。连接探引，在样品杯(试剂瓶)和反应杯之间运动，完成采样和加样(加试剂)。它的运动方式，与仪器工作效率及工作寿命有一定关系。④阀门用以决定液体流动方向。⑤稀释系统。对样品进行预稀释、过后稀释或加倍，对标准原液系列稀释等。不同仪器的稀释方式有所差异，要注意识别。试剂系统亦有稀释功能：
2.试剂(Reagent)系统一般由试剂储放和分配加液装置组成。
(1)试剂仓常与试剂转盘结合在起。多数仪器将试剂仓设为冷藏室，以提高在线试剂的稳定期。
(2)分配加液装置(Dispense unit)。与样品系统的类似。，试剂探针常常可以对试剂预加温，双试剂系统的试剂2(R2)探针起始量宜较下，以便配合不同R1/R2比例的试剂。
(3)试剂瓶(Bottle)。有不同的形状及大小规格。如 COBAS MIRA PLUS仪有4、10、15、35ml等规格，瓶底呈凹形，OLYMPUS Au600仪有30和60ml两种；日立7060仪有20、50、100ml三种等规格。应根据工作量和试剂规格．考虑试剂瓶残留死体积和更换频率，合理选用。独特设计的卡式试剂盒，体积小，防蒸发，方便储存。
(4)配套试剂常有条形码，仪器设有条形码检查系统，可对试剂的种类、批号、存量、有效期和校准曲线等货剌，进行核对校验，如BeckmanCX7等。
(5)试剂瓶盖自动开关系统，更有利于试剂保存。有的仪器可在运行中添加，更换试剂，有的则须在暂停状态进行。
3.条形码(Barcode)识读系统
一般由扫描系统、信号整形和译码器三部分组成。扫描系统以光源扫射黑条白空相间的条码符号由于条和空对光的反射不同、不同宽窄的条符反射光持续时间不同，产生强度不同的反射光．再经光电转换元件接收并转换成相应强度的电信号，最后通过信号整形，由译码器解译。系统自动识别样品架及样品编号识别试剂、校准品及其批号、失效期，有的并可识别校验校准曲线等信息。
实验室常用条形码类型有CODE 39、CODE 128、2 of 5 Standard、Interleaved2of 5等。要自编样品条形码需要条形码输入器，条形码阅读系统与条形码要匹配。已有全自动试管分配暨条形码粘贴准备系统。
4．反应系统
(1)反应盘装载一系列反应比色杯（Cuvettes）,多为转盘形式。反应测定过程中按固定程序，在加样臂、加液臂、搅拌棒、光路和清洗装置之间转动。有的仪器在反应杯中完成反应后再吸入比色杯比色，现在更常见反应和检测同在比色杯中进行，效率更高，尤其适于连续监测法。比色杯多采用硬质石英玻璃、硬质玻璃、无紫外光吸收的丙烯酸塑料等，使用寿命不一。Dimension系列的比色杯在机器内自动制造，自动封口，免冲洗，无污染。流动池式主要在小型分析仪用。容积一般几十微升，但抽液管道占用较多反应液，多样品连续使用，增加交叉污染机会。
蠕动泵(Pump)。半自动生化仪需要蠕动泵抽吸反应液进人流动比色池作测定。要求定期对蠕动泵校准，即通过吸人定量的水来检验泵的吸液量是否准确。一般均设有泵校准功能。
(2)混合装置(Mixing unit) 如采用多头回旋搅拌棒(二头双清洗式搅拌系统)。搅拌棒常具特氟隆不粘涂层，避免液体粘附。
(3)温控装置生化分析仪通过恒温控制装置来保持孵育温度的调控和恒定也是由计算机来控制的，理想的孵育温度波动应小于±01℃。保持恒温的方式有三种。①空气浴恒温：即在比色杯与加热器之间隔有空气。空气浴恒温的特点是方便、速度快、不需要特殊材料，但稳定性和均匀性较水浴稍差。罗氏(Roche)的cobas和0lympus Au2700系统采用的就是空气浴恒温模式。②水浴循环式：即在比色杯周围充盈有水，加热器控制水的温度。水浴恒热的特点是温度恒定，但需特殊的防腐剂以保证水质的洁净，且要定期更换循环水。日立系统生化分析仪采用的即是水浴循环恒温装置。⑧恒温液循环间接加热式：结构原理是在比色杯周围流动着一种特殊的恒温液(具无味、无污染、惰性、不蒸发等特点)。比色杯和恒温液之间有极小的空气狭缝，恒温液通过加热狭缝的空气达到恒温，其温度稳定性优于干式，和水浴式循环式相比不需要特殊保养。
5．清洗(Wash)系统
探针和搅拌棒采用激流式等方式自动冲洗。清洗装置一般由吸液针、吐液针和擦拭刷组成。清洗工作流程为吸出反应一吸于一注入纯水一吸干一擦干。清洗液有碱性和酸眭两种。一般说来，在吸出反应液后，仪器先用碱性液冲洗，再用酸性液冲洗，最后用去离子水冲洗三遍。擦拭刷的功能是吸去杯壁上挂淋的水，刷体内部有负吸装置。使用进程中要注意擦拭刷是否磨损。
值得注意的是，对于常规冲洗还不能清除交叉污染(carry—over)的实验要特别处理，以减少交叉污染或携带污染。例如，胆固醇测定试剂中的胆酸盐对血清总胆汁酸的测定有干扰，在消除交叉污染的程序中，可输入程序，指令总胆汁酸不在测试胆固醇的比色杯中进行测定，如不能避开，仪器则对比色杯进行特别冲洗，防止发生交叉污染。
冲洗水的水温自动控制到与恒温反应槽温度相近，保证反应系统的恒温，并增加去污力。急诊测定后采用针对性清洗，似乎比采用固定的全面清洗程序更有效率更经济。耗水量仪器间相差较大。
ABBOTT AEROSET 自动生化分析仪等系统具有自动清洗功能(smart wash)和最佳标本顺序选择功能(OSS)。即仪器根据试剂或样品间交叉污染的项目组合，自动改变检测顺序，避免互有影响的分析项目；确实无法回避时，则采用选定的特殊清洗剂作自动清洗。
6．比色系统
(1)光源多数采有卤素灯，工作波长为325～800nm。卤素灯的使用寿命较短，一般只有1 000～l 500小时。当灯的发光强度不够时，仪器会自动报警，应及时更换，部分生化分析仪采用的是长寿命的氙灯，24小时待机可工作数年，工作波长285-750nm。
(2)比色杯 自动生化分析仪的比色杯也是反应杯。比色杯的光径0.5～0.7 cm不等，通常为石英或优质塑料。光径小的省试剂，当比色杯光径小于1 cm时，部分仪器可自动校正为1cm。生化分析仪的比色杯自动冲洗装置在仪器完成比色分析后做自动反复冲洗、吸干的动作，比色杯在自动检查合格后继续循环使用。要及时更换不合格的比色杯。如采用的是石英比色杯，比色杯要定期检查清洗。
(3)单色器与检测器各类自动生化分析仪应用的是可见一紫外吸收光谱法，即监测200-700nm光区某特定波长下发色基团吸光度的变化，辅以微机软件系统的计算来完成测定。可见一紫外吸光谱定量的基础是Lamber—Beer定律。
传统的分光度测定普遍采用前分光，即在光源灯和样品杯之间先要用滤光片、棱镜或光栅分光，通过可调的狭缝，取得与样品“互补”的单色光之后，照射到样品杯，再用光电池或光电管作为检测器，测定样品对单色光的吸收量(吸光度)。
而现代大多生化分析仪采用后分光测量技术。后分光测定：将一束白光(混合光)先照到样品杯，然后再用光栅分光，同时用一列发光二极管排在光栅后面作为检测器。后分光的优点是不需移动仪器比色系统中的任何部件，可同时选用双波长或多波长进行测定，这样可降低比色的噪声，提高分析的精确度和减少故障率。
生化仪的单色器即分光装置，有干涉滤光片和光栅分光两类。干涉滤光片有插入式和可旋转的圆盘式两种。插入式就是将需用的滤光片插入滤片槽中，圆盘式是将仪器配备的滤光片都安装在圆盘中，使用时旋转至所需滤光片处即可。干涉滤光片价格便宜，但易变潮霉变，从而影响检测结果的准确性，半自动生化分析仪多采用此种滤光片。
光栅分光可分为全息反射式光栅和蚀刻式凹面光栅两种。前者是在玻璃上覆盖一层金属膜后制成，有一定程度的相差易被腐蚀；后者是将所选波长固定地刻制在凹面玻璃上，耐磨损、抗腐蚀、无相差。全自动生化分析仪多采用光栅分光。
7．程序控制系统
计算机是自动生化分析仪的大脑，标本、试剂的注加和识别，条码的识别，恒温控制，冲洗控制，结果打印，质控的监控，仪器各种故障的报警等都是由计算机控制完成。仪器一代胜过一代，自动化程度越来越高，有的仪器甚至可以完成部分日常保养程序。自动生化分析仪数据处理功能日趋完善，如：反应进程中吸光度，各种测定方法，各种校准方法室内质控结果的统计等，生化仪都可进行处理。计算机还可以调看病人的数据、仪器的性能指标、仪器的运行状态等。自动生化仪中的质控和病人结果还可通过仪器计算机与实验室信息系统(LIS)的对接进行网络管理。
程序控制器是系统的硬件部分。它主要包括：
(1)微处理器和主机电脑。用于仪器各个单元和总体控制，应具有程控操作、故障诊断、多种数据处理和储存等强大功能。一般根据仪器功能的需要和电脑硬件市场的主流产品来配置。
(2)显示器(CRT monitor unit)。通常用键盘、鼠标、触摸屏等方式进行操作。
(3)系统及配套软件。多采用Windows-NT或windows界面，具全图形化设计，多菜单选择，信息导引，故障报警，帮助提示，人机“对话”，方便直观，不少仪器有即时反应曲线显示。
(4)通过Rs 232 c等数据接口与其他计算机、打印机等设备传输数据。具人工智能双向通讯系统(Host query)，仪器可直接自行向主电脑询问病人／样品基本资料及检测项目。有的具远程通讯及监控功能，可遥控远处测试及维修检查，实现网络工作。
自动生化分析仪均采用程序控制的自动分析。分析程序一经确定，工作时只要简单地输入测定项目或编码，仪器即可按编制程序自动完成测定、计算和报告。具体的控制程序因仪器而异，一般分为固定程序和自编程序两种。固定程序为仪器厂家预先设定，常与指定试剂配套；有的不能更改，有的也可由用户修改。它与配套试剂一同使用时，既方便工作，质量也比较可靠，但成本较高。自编程序灵活实用，便于开发新项目，强调程序的灵活性。比如，成批测定过程中应可随时插入急诊标本测定而不打乱原有程序；单个急诊标本测定操作简捷、消耗少，可灵活预稀释或重复测定。
