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(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。

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?

實(shí)際上，除此之外在系統設計時(shí)還應綜合考慮實(shí)際應用的狀況來(lái)確定最切合實(shí)際需要的控制閥門(mén)，以達成預設的應用性能目標。涉及這些實(shí)際狀況需要考慮的因素有：內容積、死腔量、泵浦效應、Kv值或Cv值、功耗、尺寸大小、電氣特性。

系統設計工程師在設計流體子系統時(shí)，應根據設定的研發(fā)目標來(lái)綜合考量、評估上述這些因素，做出相應的取舍以獲得各參數間的最佳“平衡點(diǎn)”。

四、流體控制的模塊化集成方案

根據診斷、分析設備的流體系統的普遍性，按照實(shí)驗方法學(xué)功能流程，可分成以下4個(gè)子系統：

液體處理子系統：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：主要完成液體的稀釋、分配、混合等功能。

液體分析子系統：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：主要完成廢液中和、廢液收集的功能。

現代流體控制系統已向高集成度、模塊化發(fā)展，其帶來(lái)的裨益甚多，如：1.減少系統元器件，如管路、接頭等;2. 降低系統泄漏的可能性;3. 設備更緊湊、更易于攜帶;4.縮短售后服務(wù)現場(chǎng)維修時(shí)間;5. 提升系統整體性能;6. 提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)能;7. 提升規模生產(chǎn)的質(zhì)控;8.縮短供應鏈、降低生產(chǎn)運營(yíng)成本。

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

上圖是一種應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液的光學(xué)分析、判讀。

下圖是另一種應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。

這些模塊化的設計是工程化合作的結晶，需要系統設計師和專(zhuān)業(yè)的流體工程師之間通過(guò)坦誠、開(kāi)放的交流，分享知識和經(jīng)驗，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。