淺析體外診斷與科學(xué)分析儀器中的流體控制技術(shù)

　　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(guò)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(yáng)性假陰性等誤判，甚至批次試驗(yàn)全部失效。因此，在歐盟IVDD97（體外診斷設(shè)備指令）和美國(guó)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(duì)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(jí)跳躍到“納升”級(jí)，如何滿(mǎn)足這么高的精度要求？我們可考慮通過(guò)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(lái)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(guò)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(duì)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(chǎng)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(lái)的“流式細(xì)胞技術(shù)”（FlowCytometry）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(guò)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?chē)鷮恿饕后w（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(mǎn)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(guò)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(mǎn)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(duì)壓力的連續(xù)微調(diào)。

　　諾冠專(zhuān)業(yè)的生命科學(xué)工程化團(tuán)隊(duì)業(yè)已開(kāi)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(guò)控制兩只電磁閥（常開(kāi)或常閉）的高頻開(kāi)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(mǎn)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(mǎn)足特殊應(yīng)用場(chǎng)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(chēng)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(chēng)為“膜片閥”。通常，國(guó)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(lái)確定最切合實(shí)際需要的控制閥門(mén)，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(lái)綜合考量、評(píng)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)”。