生化分析仪原理和结构.docx

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生化分析仪原理和结构

生化分析仪基本原理与结构

生化分析仪是临床诊断常用的重要仪器之一。

它是通过对血液和其他体液的分析来测定各种生化指标，如血红蛋白、胆固醇、肌肝、转氨酶、葡萄糖、无机磷、淀粉酶、白蛋白、总蛋白、钙等。

同时结合其他临床资料进行综合分析，可帮助诊断疾病，并可鉴别并发因子以及决定今后治疗的基准等。

近几十年来，随着科学技术特别是医学科学的发展，各种自动生化分析仪器和试剂均得到很大发展，生化分析由手工操作进入机械化、自动化阶段。

自动生化分析仪器的特点是精度高，可达0002A；重复性好，功能齐全，可进行吸光度、浓度和酶活力的测定，能使用终点法、动力学法和初速度法进行分析，测试项目多。

另外，自动生化分析仪还有快速、简便、微量等优点。

因此，自动生化分析仪在实验室和临床检验中均得到了广泛的

应用。

生化分析仪的种类较多，可从不同的角度进行分类：

1．按反应装置的结构可分为连续流动式、分立式和离心式3类。

2．按自动化程度可分为全自动、半自动和手工型3类。

3．按同时可测定项目可分为单通道和多通道两类。

单通道每次只能检测一个项目，但项目可以更换。

多通道每次同时可以测多个项目。

4．按仪器的复杂程度及功能可分为小型、中型和大型3类。

小型一般为单通道、半自动及专用分析仪；中型为单通道（可更换几十个项目）或多通道，常同时可测2～10个项目；大型均为多通道仪器，同时可测10个以上项目，分析项目可自选或组合，不仅能进行临床生化检验，而且可进行药物监测及进行免疫球蛋白的测定。

5．按规定程序可变与否，可分为程序固定式和程序可变式两类。

第一节工作原理及基本结构

所谓自动生化分析仪就是生化分析中的取样、加试剂、去干扰物、混合、保温反应、检测。

结果计算和显示，以及清洗等步骤都能自动完成的仪器，实现自动化的关键在于采用了微机控制系统。

目前，绝大多数生化分析仪都是基于光电比色法的原理进行工作的。

其结构可粗略地看成是由光电比色计或分光光度计加微机两部分组成。

由于整个测试过程是自动完成的，因此除微机外，在采样、进样、反应等过程使用了一些特殊的部件。

下面作简要介绍。

一、连续流动式自动生化分析仪

图1-1单通道连续流动式生化分析仪的结构示意图

在微机控制下，通过比例泵将标本和试剂吸到连续的管道之中，在一定的温度下，在管道内完成混合、去除干扰物、保温反应、比色测定、信号放大及运算处理，最后将结果显示并打印出来。

因为这种检测分析是一个样品接着一个样品在连续流动状态下进行的，故称之为连续流动式分析仪。

这类仪器中，样品和样品之间可以用空气来隔离，也可以用空白试剂或缓冲液来隔离。

用空气分隔的叫空气分段式系统，用空白试剂或缓冲液分隔的叫非分段式系统。

1．样品盘（加样器）

为一可转动的圆盘状架子，在圆盘上放若干聚乙烯塑料杯（或试管），用以盛放待测样品和校正仪器用的标准液。

在程序控制器的控制下，转盘的移动与采样管上塑料软管探头的活动同步，即圆盘每隔一定时间自动转动一格，采样管吸取一次样品。

依次类推，分析速度选用30份／h、40份/h、50份／h等。

每个样品（或标准液）之间要以空气泡或蒸馏水隔开，或吸取少量生理盐水，作为洗涤采样管之用。

新式样品盘上还装有样号码识别装置装置，该装置通过计算机与打印记录器相连，将某样品测定结果打印在该样品的编号下。

2．比例泵（称量泵）

图1-2

是一种蠕动泵，执行两个功能，即提供能使样品在仪器内进行运动的压力和向流经塑料管的液体注入空气。

它的作用是代替手工操作时的各种吸管。

样品的用量和各种试剂的用量以及管道气泡的多少均由比例泵决定，其结构和作用原理如图1-2所示。

比例泵主要由弹簧、压板、塑料管和转轴组成。

转轴由电机带动，几个转轴之间有链条相连，转轴沿固定轨道循环转动，反复从富有弹性的硅胶输液管道上挤压滚过，从而推动管内的液体向前运动。

由于比例泵的马达转速是恒定的，但配有不同内径而壁厚相同的塑料管，即可得到不同的流速，也就是说流量与管径间有一定的比例关系，故称为比例泵。

对管道质量要求很高，既要耐腐蚀，又要在压力解除后迅速恢复其原有的孔径，以保持恒定的流速。

3．混合管（反应器）

图1-3

由玻璃螺旋管制成，如图1－3所示。

它的作用是将比重不同的液体充分混合，以便通过保温、加温、冷却等过程完成测定反应。

混合管的不同规格可根据反应时间的长短来选择。

4．透析器其作用是使反应管道中的大分子物质（如蛋白质）与小分子物质（如葡萄糖、尿素等）分离。

在测定小分子物质时，常用透析器除去蛋白质造成的干扰。

透析器由两块有机玻璃板组成，见图1－4。

图1-4

玻璃板相对的两面刻有对称的槽，由边缘向中心呈螺旋状环绕。

两块板合拢时，上下槽合成一圆形孔道，液体可从一端流入而从另一端流出。

透析时，在两块板之间夹一层透析薄膜，则在膜上下各形成一个管道。

图1－4中的样品和第一试剂从上侧管道通过，而第二试剂则从下侧管道通过。

此时小分子物质透过膜进入下侧管道与第二试剂反应，而样品中的蛋白质则作为废液从上侧管道流出。

透析膜有各种规格，透析率与各种物质透过程度、上下槽中的渗透压差（浓度差）、透析孔径大小及反应温度有关；透析总量则与螺旋长度及透析膜有效总面积有关。

为了提高透析速度和减少温度的影响，常将整个透析器浸没在370C恒温水箱内。

液体在流人透析器前亦应先预热至370C。

二、离心式自动分析仪

这类仪器型号很多，但都是根据同步分析原理设计的，它与顺序分析仪的不同处是可以同时进行若干试样与试剂的混合、反应、检测等步骤，同步完成分析，故属同步分析仪。

这类仪器的优点是快速，在几分钟内可以完成20～30个试样中一个项目的分析，试样用量可少至3～20μL，试剂量100～250μL；其缺点是同一时间只能完成一个项目的分析。

图1-6

离心式分析仪由加样部分和分析部分组成，具体结构参见图1－6。

在一个圆盘的外周呈放射状排列着比色室，其上下各有石英窗，光束从上向下（或相反方向）通过比色室到达检测器。

在比色宝的内侧有与比色室呈对应排列的试剂槽和试样槽，槽间由隆起的脊隔开。

将圆盘放到离心机上，开机后由于快速旋转所产生的离心力，使试剂、试样向外移动并混合、反应，反应物最后转移到比色室中。

试样和试剂的量是由吸量分布器完成的。

分析部分则由圆盘转干、温度控制器、分光光度计、微机和打印机等组成。

三、分立式自动生化分析仪

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，各环节用传送带连接起来，按顺序依次操作，如图1－7所示。

图1-7

其主要部件如下。

1．试样器为圆盘式或吊篮式。

被测试样放在试样器上，试样器在驱动装置带动下，按一定速度移动，使试样一个个地传递到取样针下，待取样。

2吸量装置和分布器

注射器活塞通常采用气动控制机械传动装置带动，可定量吸取试样和试剂。

当吸量系统的阀

关、阀

开时，活塞下移，两个注射器分别吸入定量试样和试剂；当阀

开、阀

关时，活塞上移，注射器中的试剂被推出，并将探针尖端的试样冲入反应管中。

加样后，取样探针进入洗涤他，洗净探针以防交叉污染。

如反应中尚需加第二、第三种试剂，则由分布器按以上原理完成。

如图1-8所示

图1-8

3．反应管

反应管固定在由微型马达带动的链式传送带上，步进式向前移动。

步进速度乘以反应终点位号，即为总反应时间，可依反应时间选择适宜步进速度。

4．加热浴

可控温于250C、370C、500C，由传送链带动反应管至恒温槽中保温。

5检测器

为光电比色计（或分光光度计）。

待反应完成后，进行检测。

如图1-9

图1-9

四全自动大型生化分析仪

一、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。

l）样品装载和输送装置的常见类型有：

a．样品盘（sampledisk）：

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。

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，有的需专用的样品杯，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。

b二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，再单架逐管模移至固定位置，由样品分配臂采样。

C．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。

2）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。

a．注射器（syringeunit）：

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等。

有的加液系统采用容积型注射泵和数控脉冲步进马达，可提高精度。

b．样品探针（probe）：

与加样臂相连，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，当探针被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底高、最低液面高度等进行设置外，样品容器的规格、放置位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可用一个探针一次完成。

C．加样臂：

连接探针，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。

d．阀门：

用以决定液体流动的方向。

e．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：

系统一般由试剂储放和分配加液装置组成。

l）试剂仓：

常与试剂转盘结合在一起，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）分配加液装置门dispenseunit）：

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）探针的起始量宜小一点，以便配合不同R1／R2比例的试剂。

3）试剂瓶（bottle）：

有不同的形状、大小及规格。

如COBASMIRAPLUS仪有4、10、15、35ml等规格，瓶底呈凹形；OLYMPUSAU600仪有30和60ml两种；日立7060仪有20、50、100ml等三种规格。

应根据工作量和试剂规格，考虑试剂瓶残留体积和更换频率，合理选用。

独特设计的卡式试剂盒，体积小，防蒸发，便于储存。

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资料进行核对校验，如BeckmanCX7等。

5）试剂瓶盖自动开关系统：

更有利于试剂的保存，有的仪器可在运行中添加、更换试剂，有的则须在暂停状态下进行。

（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的持续时间不同，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，有的还可识别校验校准曲线等信息。

实验室常用的条形码类型有CODE39、CODE128、2of5等等。

要自编样品条形码需准备条码输入器，条形码阅读系统与条形码要匹配。

（4）反应系统：

l）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，现在更常见的是反应和检测同在比色杯中进行，效率更高，尤其适用于连续监测法。

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上用。

容积一般为几十微升，但抽液管道占用较多反应液，多样品连续使用增加了交叉污染机会。

2）蠕动泵（pump）：

半自动生化仪需要蠕动泵抽吸反应液进入流动比色地作测定。

要求定期对蠕动泵进行校准，即通过吸入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。

3）混合装置（mixingunit）：

如采用多头回旋搅拌棒（三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。

4）温控装置：

一般可设置25℃、30℃和对37℃，也常见只设37℃的。

温差应小于±0．l℃。

温控方式有恒温水浴、石蜡油浴，电热恒温、空气恒温、恒温液循环加温等，各具特点。

使恒温均匀稳定。

（5）清洗（wash）系统：

探针和搅拌棒采用激流式等方式自动冲洗。

反应比色杯的清洗常包括清洁液清洗、去离子水冲洗、抽吸、风干等步骤。

冲洗水的水温自动控制到与保证反应系统的恒温，并增加去污能力。

AbbottAEROSET自动生化分析仪等系统具有自动清洗功能（smarwash）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）光路检测系统：

一台性能稳定、灵敏、高精确度的生化分析仪必须具有强度适宜、稳定耐用的光源灯，波长准确、有效防止杂散光干扰的单色光器，和灵敏稳定的光电转换元件以及其他电路元件。

l）光源灯（photometerlamp）：

常用氙灯、卤素钨灯、卤素石英灯等。

闪烁式氙灯可延长灯泡寿命。

2）单色光器：

干涉滤光片，一般带宽6nrn－10nrn。

个别波长的干涉滤光片易发生霉变。

光栅分光式，一般带宽＜6nrn。

无像差凹面蚀刻光栅，1毫米内刻线4000条以上，缩小了体积，减少了杂散光，提高了精度。

集束式全息光栅分光全数码转换的分光技术，波长范围更宽、更稳定。

3）光电转换元件：

现在多采用光敏二极管矩阵。

多波长直排式光电管，可对每一项光化学反应同时作多波长分析。

集束式光路、光路系统数码处理技术与数字光纤传输检测信号联用，大大减少了各种干扰，提高了检测精度和速度，有利于实现超微量检测。

（7）程序控制系统：

利用现代电子工程学、计算机科学和自动化技术的迅速发展，

使生化分析仪的取样、加样、试剂分配、混合、加温、检测以及过程监控、数据处理和输出等一系列程序的自动控制更加完善。

程序控制器是系统的硬件部分，它主要包括：

l）微处理器和主机电脑：

用于仪器各个单元和总体的控制，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（CRTmonitorunit）：

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RS232C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（hostquery）时，仪器可直接自行向主电脑询问病人／样品的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，等等。