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(dòng)態(tài)特性也略有不同，這些不確定因素(變量)會(huì )增加設計工程師對流體實(shí)施按需控制的難度。特別是在醫療診斷設備和科學(xué)分析儀器的特殊場(chǎng)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(mǎn)足醫療儀器的一些專(zhuān)業(yè)應用需要，系統設計工程師應該努力平衡各種撲朔迷離的變量以達成全系統性能的開(kāi)發(fā)目標。本文根據體外診斷設備(簡(jiǎn)稱(chēng)診斷)和科學(xué)分析儀器(簡(jiǎn)稱(chēng)分析)的系統普遍性，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(dòng)化解決方案

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

單通道全自動(dòng)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(dòng)置換以及氣體置換，三種原理針對不同應用場(chǎng)合的需求各有千秋。其中，后兩種技術(shù)由于涉及專(zhuān)利、技術(shù)工藝等因素，在自動(dòng)化產(chǎn)品上僅為極少數廠(chǎng)家所掌握使用;而“液體置換”作為最早出現的液體處理自動(dòng)化技術(shù)被廣泛應用并延用至今。

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 以及集成驅動(dòng)、控制、通訊協(xié)議的步進(jìn)電機。其可直接應用于所有需要自動(dòng)樣本前處理功能的診斷、分析設備上。

顯然在實(shí)際應用中，上述微量注射器泵是無(wú)法獨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(guò)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)驗室用的專(zhuān)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，因為加樣針的末端針形除必須要滿(mǎn)足實(shí)際應用需求外，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”等現象。

但是，在某些高反應靈敏度診斷方法學(xué)應用中(如：反應靈敏度在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 ”而導致診斷結果出現假陽(yáng)性假陰性等誤判，甚至批次試驗全部失效。因此，在歐盟IVDD 97(體外診斷設備指令)和美國臨床體外診斷指南中都指出應當采用一次性Tip頭(吸頭)。這樣， 需要對直接接觸液體的部分(即，前端鋼針)進(jìn)行改進(jìn)，將前端部分改造成可自動(dòng)裝卸一次性Tip頭的機械結構，并需要內嵌高速(響應速度3ms)、極低內容積量、“零”死腔量的微型電磁介質(zhì)隔離閥 。隨著(zhù)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(mǎn)足這么高的精度要求?我們可考慮通過(guò)在前端結構上內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。

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)程不可或缺的一項關(guān)鍵技術(shù)。傳統的控制方法是設計一種執行器(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(xiàn)性的比例關(guān)系，以實(shí)現對流體的按需給量控制;隨著(zhù)數字化概念的導入，在流體控制的工程化方案中也出現了“數字”比例控制方法。在實(shí)際工程化應用中，是采用“模擬”技術(shù)或采用“數字”技術(shù)應視實(shí)際應用場(chǎng)合和需求而定。

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

流式細胞技術(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)調壓的“層流態(tài)”液體(鞘液)中而形成一股“聚焦”于中軸線(xiàn)的液流，從而確保樣品液流中的細胞排成單列流動(dòng)。

為了深入理解上述過(guò)程以便工程化實(shí)現，我們可進(jìn)一步深究。其實(shí)，之所以產(chǎn)生這種現象是由于“邊界層表面效應”的存在，即“伯努利效應”：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。據此，可以得出這樣的結論：只要能夠實(shí)現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)量較大的細胞顆粒由于兩側出現明顯的壓強差就會(huì )被吸至中軸線(xiàn)，當滿(mǎn)足一定數值條件時(shí)，必然會(huì )排成單列向前流動(dòng)。

根據上述結論，我們可以構想這樣的工程化方案：通過(guò)增加樣品容器中的壓力驅動(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：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)現對壓力的連續微調。

諾冠專(zhuān)業(yè)的生命科學(xué)工程化團隊業(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)現對壓的調節。目前，這只可定制的名為Chipreg的微型數字減壓閥已正式發(fā)布，廣泛滿(mǎn)足診斷、分析中的微量氣體壓力控制應用的需求;甚至，可以直接集成“藍牙”通訊，滿(mǎn)足特殊應用場(chǎng)合需求。

三、介質(zhì)隔離閥的選擇和應用

應用于氣體控制的電磁閥如果應用于液體控制，甚至腐蝕性液體，其電磁線(xiàn)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)閥體的內部通路和電磁線(xiàn)圈隔離以防止上述情況，因此將具有“介質(zhì)隔離層”結構(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，國內的設計工程師一談及電磁閥很多時(shí)候只關(guān)注：“通徑”多大?