漫談體外診斷與科學(xué)分析儀器中的流體控制解決方案

由于不同流體的物理靜態(tài)特性各有差異，即便同種流體介質(zhì)在不同環(huán)境條件下的物理動態(tài)特性也略有不同，這些不確定因素(變量)會增加設(shè)計工程師對流體實施按需控制的難度。特別是在醫(yī)療診斷設(shè)備和科學(xué)分析儀器的特殊場合，如：低壓力條件下的大流量，要求對流體控制的“高精度”并滿足醫(yī)療儀器的一些專業(yè)應(yīng)用需要，系統(tǒng)設(shè)計工程師應(yīng)該努力平衡各種撲朔迷離的變量以達成全系統(tǒng)性能的開發(fā)目標。本文根據(jù)體外診斷設(shè)備(簡稱診斷)和科學(xué)分析儀器(簡稱分析)的系統(tǒng)普遍性，淺顯得探討一些流體控制技術(shù)和工程化解決方案。

一、液體處理技術(shù)和自動化解決方案

液體處理在診斷和分析中也稱為“加樣準備(Sampling Prepearation)”、“分析前處理”等，其實質(zhì)就是對待測液體(人體體液，如血清標本、尿液)進行定量吸樣、分配，完成稀釋或混合動作。

單通道全自動液體處理器

迄今為止，液體處理技術(shù)原理不外乎以下三種：液體置換、主動置換以及氣體置換，三種原理針對不同應(yīng)用場合的需求各有千秋。其中，后兩種技術(shù)由于涉及專利、技術(shù)工藝等因素，在自動化產(chǎn)品上僅為極少數(shù)廠家所掌握使用;而“液體置換”作為最早出現(xiàn)的液體處理自動化技術(shù)被廣泛應(yīng)用并延用至今。

眾所周知，微量注射器泵正是基于液體置換原理的典范設(shè)計。它是由以下關(guān)鍵部分組成：微量注射器;切變閥 以及集成驅(qū)動、控制、通訊協(xié)議的步進電機。其可直接應(yīng)用于所有需要自動樣本前處理功能的診斷、分析設(shè)備上。

顯然在實際應(yīng)用中，上述微量注射器泵是無法獨立完成對液體的稀釋、分配工作的，因此還需要另一個關(guān)鍵部件——吸樣/加樣針(或探針)。將其通過管路連接至微量注射器泵上切變閥的某一功能端口，才能組成如下圖所示的“單通道全自動液體處理器”，再輔以合理的“關(guān)聯(lián)方法學(xué)協(xié)議”軟件就能打造出分析、診斷實驗室用的專業(yè)稀釋/分配器。在全自動液體處理技術(shù)中，前端加樣針是關(guān)鍵部分，因為加樣針的末端針形除必須要滿足實際應(yīng)用需求外，如穿刺功能、液面探測功能(LLD)，還要考慮對加樣精度的影響以及是否會產(chǎn)生“掛珠”等現(xiàn)象。

但是，在某些高反應(yīng)靈敏度診斷方法學(xué)應(yīng)用中(如：反應(yīng)靈敏度在10-9以上的化學(xué)發(fā)光免疫分析法)，盡管鋼針也已經(jīng)過一些特殊處理(如：特氟龍涂層)，但在反復(fù)清洗使用一段時間后還是會產(chǎn)生“攜帶污染 ”、交叉污染 ”以及“稀釋效應(yīng) ”而導(dǎo)致診斷結(jié)果出現(xiàn)假陽性假陰性等誤判，甚至批次試驗全部失效。因此，在歐盟IVDD 97(體外診斷設(shè)備指令)和美國臨床體外診斷指南中都指出應(yīng)當采用一次性Tip頭(吸頭)。這樣， 需要對直接接觸液體的部分(即，前端鋼針)進行改進，將前端部分改造成可自動裝卸一次性Tip頭的機械結(jié)構(gòu)，并需要內(nèi)嵌高速(響應(yīng)速度3ms)、極低內(nèi)容積量、“零”死腔量的微型電磁介質(zhì)隔離閥 。隨著診斷方法學(xué)的不斷革新，加樣量從“微升”級跳躍到“納升”級，如何滿足這么高的精度要求?我們可考慮通過在前端結(jié)構(gòu)上內(nèi)嵌微型流體傳感器并輔以外周閉環(huán)控制電路來實現(xiàn)。

二、流體比例控制技術(shù)及解決方案

比例控制技術(shù)是流體控制過程不可或缺的一項關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的控制方法是設(shè)計一種執(zhí)行器(即，比例閥)使其輸入電流或電壓與流經(jīng)的流體壓力或流量形成一定近似線性的比例關(guān)系，以實現(xiàn)對流體的按需給量控制;隨著數(shù)字化概念的導(dǎo)入，在流體控制的工程化方案中也出現(xiàn)了“數(shù)字”比例控制方法。在實際工程化應(yīng)用中，是采用“模擬”技術(shù)或采用“數(shù)字”技術(shù)應(yīng)視實際應(yīng)用場合和需求而定。

在診斷和分析設(shè)備中，20世紀80年代中期蓬勃發(fā)展起來的“流式細胞技術(shù)”(Flow Cytometry)就是壓力比例控制技術(shù)的經(jīng)典應(yīng)用。

流式細胞技術(shù)是基于“流體動力聚焦”原理 ，其實質(zhì)是：樣品液體被注入經(jīng)調(diào)壓的“層流態(tài)”液體(鞘液)中而形成一股“聚焦”于中軸線的液流，從而確保樣品液流中的細胞排成單列流動。

為了深入理解上述過程以便工程化實現(xiàn)，我們可進一步深究。其實，之所以產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于“邊界層表面效應(yīng)”的存在，即“伯努利效應(yīng)”：流體速度加快時，物體與流體接觸的界面上的壓力會減小，反之壓力會增加。據(jù)此，可以得出這樣的結(jié)論：只要能夠?qū)崿F(xiàn)樣品液體的流速總是大于周圍層流液體(鞘液)的流速，那么質(zhì)量較大的細胞顆粒由于兩側(cè)出現(xiàn)明顯的壓強差就會被吸至中軸線，當滿足一定數(shù)值條件時，必然會排成單列向前流動。

根據(jù)上述結(jié)論，我們可以構(gòu)想這樣的工程化方案：通過增加樣品容器中的壓力驅(qū)動樣品液體和層流液體(鞘液)流動，為了滿足兩者間的流速關(guān)系(即V樣>V鞘)，則驅(qū)動兩路液體流動的壓力存在差值，且一定是P樣>P鞘。

了解了工作原理， 可以如下實現(xiàn)：在鞘液容器的上游采用高精密減壓閥，以保持恒定壓力;在樣品液體容器的上游采用高精度壓力比例閥，再附以外周電路閉環(huán)控制可實現(xiàn)對壓力的連續(xù)微調(diào)。

諾冠專業(yè)的生命科學(xué)工程化團隊業(yè)已開發(fā)出適用于診斷和分析中“極低壓力、極低流量”控制特點的全新“數(shù)字比例技術(shù)”。通過控制兩只電磁閥(常開或常閉)的高頻開合，以實現(xiàn)對壓的調(diào)節(jié)。目前，這只可定制的名為Chipreg的微型數(shù)字減壓閥已正式發(fā)布，廣泛滿足診斷、分析中的微量氣體壓力控制應(yīng)用的需求;甚至，可以直接集成“藍牙”通訊，滿足特殊應(yīng)用場合需求。

三、介質(zhì)隔離閥的選擇和應(yīng)用

應(yīng)用于氣體控制的電磁閥如果應(yīng)用于液體控制，甚至腐蝕性液體，其電磁線圈將由于液體的滲透性、腐蝕性而燒毀。因此，必須將液體流經(jīng)閥體的內(nèi)部通路和電磁線圈隔離以防止上述情況，因此將具有“介質(zhì)隔離層”結(jié)構(gòu)(通常由耐腐蝕性材料制成的膜片)的電磁閥特稱為“介質(zhì)隔離閥”。 在診斷、分析設(shè)備中，由于經(jīng)常涉及去離子水、腐蝕性液體等的控制，因此大量使用“介質(zhì)隔離閥”，也稱為“膜片閥”。通常，國內(nèi)的設(shè)計工程師一談及電磁閥很多時候只關(guān)注：“通徑”多大?