體外診斷與科學(xué)分析儀器中的流體控制解決方案

一、液體處理技術(shù)和自動(dòng)化解決方案

液體處理在診斷和分析中也稱為“加樣準(zhǔn)備(Sampling Prepearation)”、“分析前處理”等，其實(shí)質(zhì)就是對待測液體(人體體液，如血清標(biāo)本、尿液)進(jìn)行定量吸樣、分配，完成稀釋或混合動(dòng)作。

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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)。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(dòng)、控制、通訊協(xié)議的步進(jìn)電機(jī)。其可直接應(yīng)用于所有需要自動(dòng)樣本前處理功能的診斷、分析設(shè)備上。

顯然在實(shí)際應(yīng)用中，上述微量注射器泵是無法獨(dú)立完成對液體的稀釋、分配工作的，因此還需要另一個(gè)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室用的專業(yè)稀釋/分配器。在全自動(dòng)液體處理技術(shù)中，前端加樣針是關(guān)鍵部分，因?yàn)榧訕俞樀哪┒酸樞纬仨氁獫M足實(shí)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(huì)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(shí)間后還是會(huì)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(yàn)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(dāng)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(jìn)行改進(jìn)，將前端部分改造成可自動(dòng)裝卸一次性Tip頭的機(jī)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(shí)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的控制方法是設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)際應(yīng)用場合和需求而定。

在診斷和分析設(shè)備中，20世紀(jì)80年代中期蓬勃發(fā)展起來的“流式細(xì)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(xì)胞技術(shù)是基于“流體動(dòng)力聚焦”原理，其實(shí)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(xì)胞排成單列流動(dòng)。

為了深入理解上述過程以便工程化實(shí)現(xiàn)，我們可進(jìn)一步深究。其實(shí)，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(shí)，物體與流體接觸的界面上的壓力會(huì)減小，反之壓力會(huì)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(xì)胞顆粒由于兩側(cè)出現(xiàn)明顯的壓強(qiáng)差就會(huì)被吸至中軸線，當(dāng)滿足一定數(shù)值條件時(shí)，必然會(huì)排成單列向前流動(dòng)。

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(dòng)樣品液體和層流液體(鞘液)流動(dòng)，為了滿足兩者間的流速關(guān)系(即V樣>V鞘)，則驅(qū)動(dòng)兩路液體流動(dòng)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(shí)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(shí)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(tuán)隊(duì)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(diǎn)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(shí)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(lán)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(jì)工程師一談及電磁閥很多時(shí)候只關(guān)注：“通徑”多大?

實(shí)際上，除此之外在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)綜合考慮實(shí)際應(yīng)用的狀況來確定最切合實(shí)際需要的控制閥門，以達(dá)成預(yù)設(shè)的應(yīng)用性能目標(biāo)。涉及這些實(shí)際狀況需要考慮的因素有：內(nèi)容積、死腔量、泵浦效應(yīng)、Kv值或Cv值、功耗、尺寸大小、電氣特性。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)流體子系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)定的研發(fā)目標(biāo)來綜合考量、評估上述這些因素，做出相應(yīng)的取舍以獲得各參數(shù)間的最佳“平衡點(diǎn)”。

四、流體控制的模塊化集成方案

根據(jù)診斷、分析設(shè)備的流體系統(tǒng)的普遍性，按照實(shí)驗(yàn)方法學(xué)功能流程，可分成以下4個(gè)子系統(tǒng)：

液體處理子系統(tǒng)：主要完成液體的吸樣、分配或部分稀釋、混合等功能。

液體配比子系統(tǒng)：主要完成液體的稀釋、分配、混合等功能。

液體分析子系統(tǒng)：主要完成對液體成分的分析，如采用光學(xué)檢測、化學(xué)傳感器檢測、電阻抗法檢測等。

廢液處理子系統(tǒng)：主要完成廢液中和、廢液收集的功能。

現(xiàn)代流體控制系統(tǒng)已向高集成度、模塊化發(fā)展，其帶來的裨益甚多，如：1.減少系統(tǒng)元器件，如管路、接頭等;2. 降低系統(tǒng)泄漏的可能性;3. 設(shè)備更緊湊、更易于攜帶;4.縮短售后服務(wù)現(xiàn)場維修時(shí)間;5. 提升系統(tǒng)整體性能;6. 提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)能;7. 提升規(guī)模生產(chǎn)的質(zhì)控;8.縮短供應(yīng)鏈、降低生產(chǎn)運(yùn)營成本。

在實(shí)際的工程化實(shí)例中，我們可以將上述4個(gè)子系統(tǒng)中的前3個(gè)系統(tǒng)不同程度的組合、集成。

上圖是一種應(yīng)用于血液分析的典型高度集成，其所完成的功能包括：試劑、樣品的吸樣、分配;試劑、樣品的混合以及反應(yīng)液的光學(xué)分析、判讀。

下圖是另一種應(yīng)用于血液分析的液體處理功能集成模塊，其所完成的功能包括：試劑、樣品的吸樣、混合和分配。

這些模塊化的設(shè)計(jì)是工程化合作的結(jié)晶，需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和專業(yè)的流體工程師之間通過坦誠、開放的交流，分享知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，才能創(chuàng)造出全新的、甚至是革命性的有極高實(shí)用價(jià)值的解決方案。