Robust i系列全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的研究與設(shè)計(jì)

張昊 吳剛 姜健軍 謝小恒 史亮 艾康生物技術(shù)（杭州）有限公司 （浙江 杭州 310030）

內(nèi)容提要： 化學(xué)發(fā)光免疫分析是將具有高靈敏度的化學(xué)發(fā)光測(cè)定與高特異性的免疫反應(yīng)結(jié)合，用于檢測(cè)微量抗原或抗體的一種新型免疫分析技術(shù)。全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程中的取放反應(yīng)杯，加樣本和試劑、混勻、孵育和測(cè)量等操作步驟，可節(jié)省勞動(dòng)力成本并排除人為誤差，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。艾康生物技術(shù)（杭州）有限公司Robust i系列首臺(tái)全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀（Robust i1000）的研究和設(shè)計(jì)工作完成，于2017年順利取得該產(chǎn)品的CFDA注冊(cè)證。文章就該儀器的基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)作一個(gè)簡(jiǎn)要的回顧和介紹。

化學(xué)發(fā)光免疫分析是目前世界公認(rèn)的先進(jìn)的免疫診斷技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)和生命科學(xué)研究中[1,2]。利用抗原和抗體的特異性反應(yīng)作為檢測(cè)手段，可以進(jìn)行傳染病類、性激素類、甲狀腺類、腫瘤標(biāo)記物等項(xiàng)目檢測(cè)?；瘜W(xué)發(fā)光免疫分析是將具有高靈敏度的化學(xué)發(fā)光測(cè)定與高特異性的免疫反應(yīng)結(jié)合，用于檢測(cè)微量抗原或抗體的一種新型免疫分析技術(shù)。與其他免疫分析方法相比，化學(xué)發(fā)光免疫分析具有簡(jiǎn)便快速、靈敏度高、線性動(dòng)力學(xué)范圍寬、結(jié)果穩(wěn)定、誤差小、安全性好和使用期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

化學(xué)發(fā)光免疫檢測(cè)的基本原理是利用化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的試劑標(biāo)記抗原或抗體，這些經(jīng)過標(biāo)記的抗原或抗體與被測(cè)物質(zhì)經(jīng)過一系列的免疫反應(yīng)和理化步驟，最后通過測(cè)定發(fā)光強(qiáng)度來測(cè)定被測(cè)物的含量。全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程中的取放反應(yīng)杯，加樣本和試劑、混勻、孵育和測(cè)量等操作步驟。由于其自動(dòng)化程度高，用自動(dòng)化來取代人工，不僅可以節(jié)省寶貴的勞動(dòng)力成本，更重要的是排除了人為誤差，有效確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性?；谝陨线@些優(yōu)勢(shì)，全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀在醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速。目前化學(xué)發(fā)光高端免疫診斷市場(chǎng)規(guī)模超過200億。

在此背景下，艾康生物技術(shù)（杭州）有限公司依靠自身技術(shù)積累，歷經(jīng)6年時(shí)間，完成了Robust i系列首臺(tái)全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀（Robust i1000）的研究和設(shè)計(jì)工作，于2017年順利取得該產(chǎn)品的CFDA注冊(cè)證。本文就該儀器的基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)作一個(gè)簡(jiǎn)要的回顧和介紹，具有一定的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1.儀器的基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀主要由以下幾個(gè)組件組成：①樣本盤：用于存放被測(cè)樣本以及通過掃碼裝置使上位機(jī)自動(dòng)獲取樣本信息。②試劑盤：用于在4～8°C的環(huán)境下貯存測(cè)試所用的試劑，同時(shí)試劑盤中帶有磁珠液混勻機(jī)構(gòu)。③試劑（樣本）加樣機(jī)構(gòu)：用于試劑（及磁珠）、樣本、稀釋液等的提取和添加。④孵育盤：孵育盤內(nèi)放置反應(yīng)杯，完成樣本的添加、試劑（及磁珠）的添加及孵育等功能。孵育盤的孵育溫度為（37±0.5）°C。⑤混勻機(jī)構(gòu)：混勻機(jī)構(gòu)是一個(gè)能讓試劑和樣本充分反應(yīng)的振動(dòng)混勻裝置。⑥機(jī)械手：機(jī)械手通過控制機(jī)械手的開閉和機(jī)械臂在X 、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在各模塊間取放和搬運(yùn)反應(yīng)杯的相關(guān)操作。⑦液路模塊：液路系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：樣本針和試劑針清洗、磁珠清洗、底物液注入、廢液處理、以及純化水供應(yīng)。⑧清洗站：用于完成磁分離清洗。⑨光路檢測(cè)模塊：光路檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)檢測(cè)發(fā)光值以及反應(yīng)杯丟棄的功能。

圖1. Robust i1000俯視結(jié)構(gòu)圖

圖2. 樣本。試劑加樣系統(tǒng)示意圖

2.關(guān)鍵技術(shù)研究

Robust i系列全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀涉及光學(xué)、機(jī)械、電子、軟件、液路等多方面的綜合技術(shù)，其涉及專業(yè)方向廣、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度較大。尤其是微量樣本、試劑精確加樣，發(fā)光檢測(cè)等技術(shù)對(duì)儀器性能影響重大。

2.1 微量樣本、試劑精確加樣技術(shù)

儀器的整個(gè)加樣系統(tǒng)如圖2所示，加樣的器件包括一根加樣針，一個(gè)三通旋轉(zhuǎn)閥和一個(gè)注射泵。清洗的器件包括一臺(tái)內(nèi)壁清洗泵，一臺(tái)外壁清洗泵，一個(gè)清洗池以及一瓶探針清洗液。吸取試樣時(shí)，三通旋轉(zhuǎn)閥將注射泵和加樣針導(dǎo)通，加樣針探到試管中的樣本液面下，然后通過注射泵活塞的移動(dòng)將樣本吸入鋼針中。試樣加注時(shí)，加樣針通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)到反應(yīng)容器上方，然后通過注射泵活塞的移動(dòng)將樣本注入反應(yīng)容器中。清洗加樣針時(shí)，加樣針移動(dòng)到清洗池中，三通旋轉(zhuǎn)閥將加樣針的內(nèi)壁管路與內(nèi)壁清洗泵導(dǎo)通，然后同時(shí)打開內(nèi)壁清洗泵和外壁清洗泵，實(shí)現(xiàn)對(duì)加樣針內(nèi)、外壁的清洗。

通過在儀器上的測(cè)量驗(yàn)證，Robust i1000的加樣系統(tǒng)其加樣精度在進(jìn)行最小5μL加樣時(shí)，其加樣誤差在±1μL以內(nèi)，CV＜5%。其攜帶污染率≤1×10-5。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2.2 發(fā)光檢測(cè)技術(shù)

儀器的發(fā)光檢測(cè)采用了單光子計(jì)數(shù)技術(shù)。其核心部分是一個(gè)專門定制的光電倍增管，光電倍增管主要由三個(gè)部分構(gòu)成：光電陰極、電子倍增系統(tǒng)、陽極。當(dāng)光子打到光電陰極時(shí)，陰極釋放出光電子；該電子在電場(chǎng)作用下射向第一倍增電極，引起電子的二次發(fā)射，激發(fā)出更多的電子，然后在電場(chǎng)作用下飛向下一個(gè)倍增電極，又激發(fā)出更多的電子。就這樣經(jīng)過多個(gè)倍增電極的反復(fù)放大，最后使陽極產(chǎn)生了一個(gè)能量遠(yuǎn)高于最初樣本發(fā)射光子的電脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大器放大后，再通過甄別器濾除部分噪音脈沖，最后由計(jì)數(shù)器輸出光子脈沖數(shù)到控制系統(tǒng)。

3.小結(jié)

從目前國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)格局來看，化學(xué)發(fā)光由于其較高的技術(shù)壁壘以及國(guó)產(chǎn)品牌介入的時(shí)間相對(duì)較晚，整個(gè)化學(xué)發(fā)光免疫分析的行業(yè)市場(chǎng)總體而言還是國(guó)外巨頭相對(duì)壟斷的階段，從行業(yè)目前競(jìng)爭(zhēng)格局來看，羅氏占據(jù)約44%市場(chǎng)份額，雅培占據(jù)約24%市場(chǎng)份額，貝克曼和西門子分別占據(jù)13%和4%的市場(chǎng)份額，國(guó)產(chǎn)品牌只占據(jù)15%市場(chǎng)，替代空間巨大。正是瞄準(zhǔn)這一空間，艾康生物結(jié)合自身的研發(fā)優(yōu)勢(shì)，于2011年起開始化學(xué)發(fā)光儀器和試劑項(xiàng)目的產(chǎn)品開發(fā)。截至目前，已獲得Robust i1000化學(xué)發(fā)光分析儀和首批9種試劑項(xiàng)目的醫(yī)療器械產(chǎn)品注冊(cè)證，在未來2、3年，艾康生物將繼續(xù)進(jìn)行Robust i系列更高測(cè)試通量的儀器的研制并進(jìn)一步拓展其配套試劑的項(xiàng)目數(shù)，市場(chǎng)前景可期。