自动生化分析仪原理与相关技术分析

一、引言

生化分析仪（Chemistry Analyzer）是临床检验中经常使用的重要分析仪器之一它通过对血液或者其他体液的分析来测定各种生化指标：如转氨酶、血红蛋白、白蛋白、总蛋白、胆固醇、肌肝、葡萄糖、无机磷、淀粉酶、钙等。结合其他临床资料，进行综合分析，可以帮助诊断疾病，对器官功能做出评价，鉴别并发因子，以及决定今后治疗的基准等。

所谓全自动生化分析仪，就是把分析过程中的取样、加试剂、混匀、保温反应、检测、结果计算和显示以及清洗等步骤进行自动化的仪器，它可完全模仿并代替手工操作，因此，可以认为目前市场上需要手动更换比色杯（或比色盘） 的分析仪不是真正的“全自动”分析仪。全自动生化分析仪灵敏、准确、快速，不仅提高了工作效率，而且减少了主观误差，提高了检验质量。

全自动生化分析仪涉及光学、精密机械、自动控制、电子电路、热工学、生物化学、分析化学等学科，且要求高精度、高可靠性，是一个十分复杂的系统，国际上仅有少数几个知名跨国公司可以制造，如：贝克曼-库尔特（Beckman-Coulter） 、奥林巴斯（Olympus）、日立（Hitachi）等。在国内，深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司是最早开始研制全自动生化分析仪的企业之一。

二、分析原理

全自动生化分析仪属于光学式分析仪器，它基于物质对光的选择性吸收，即分光光度法。单色器将光源发出的复色光分成单色光，特定波长的单色光通过盛有样品溶液的比色池，光电转换器将透射光转换为电信号后送入信号处理系统进行分析。

分光光度法是基于不同分子结构的物质对电磁辐射的选择性吸收而建立起来的方法，属于分子吸收光谱分析。当光通过溶液时，被测物质分子吸收某一波长的单色光，被吸收的光强度与光通过的距离成正比。虽然现在了解到Bouguer早在1729年已提出上述关系的数学表达式，但通常认为Lambert 于1760年最早发现表达式，其数学形式为：

T=I/I 0 =e -kb

其中I 0为入射光强，I为透射光强，e为自然对数的底， k为常数， b为光程长度（通常以cm 表示） 。

比尔定律等同于Bouguer 定律，只是比尔定律以浓度来表达。将两个定律结合起来，组成Beer-Bouguer定律：

T=I/I 0 =e -kbc

其中c为吸光物质的浓度（通常以g/L 或mg/L 为单位）。将上式取以10为底的对数后，得到线性表达式：

A=-logT=-log(I/I 0 )=log(I 0 /I)=εbc

其中A 为吸光度，ε是摩尔吸收光系数或消光系数。

上述表达式通常称为比尔定律。它表明，当特定波长的单色光通过溶液时，样品的吸光度与溶液中吸收物浓度和光通过的距离成正比。

在波长、溶液和温度确定的情况下，摩尔消光系数是由给定物质的特性决定的。实际上，测得的摩尔消光系数也和使用的仪器有关。因此，在定量分析中，通常并不用已知物质的摩尔消光系数，而是用一个或多个已知浓度的待测物质作一条校准或工作曲线。

由于电子跃迁在基态和激发态之间能量差别较大，因此，室温下几乎所有分子的电子都处于基态。吸收光及返回基态的速度非常快，平衡迅速实现，这使得光吸收的定量准确性相当高。根据工作波段的不同，分光光度法可分为真空-紫外、可见光、紫外-可见和紫外-可见-近红外，其工作波段分别为0.1nm~200nm 、350nm~700nm 、185nm~900nm和185nm~2500nm 。

作为临床生化分析使用，一般要求工作波长为340nm~800nm，属于紫外-可见分光光度法。吸光度与浓度之间简单的线性关系及紫外-可见光相对容易测量，使得紫外-可见分光光度法成为上千种定量分析方法的基础。

三、相关技术分析

全自动生化分析仪可以说是在传统的分光光度计的基础上发展来的。从结构上来说，它包含分光光度计的主要组成部分，如 : 光源、单色器（色散装置）、比色池、检测器等；另外，它还包括生化分析所需的特有部分，如：加样系统、清洗系统、温控系统、软件系统等。

1、光源

理想的光源应在整个波长范围内产生恒定的光强度，噪声低，长期稳定。遗憾的是实际上没有这样的光源，因此，需要依工作波段的不同选取不同的光源。

氘灯可在紫外区产生一定强度的连续光谱，在可见区也能提供有用的光强。尽管现在的氘灯噪声已很低，但灯的噪声仍是限制整个仪器噪声水平的主要因素。

卤钨灯在部分紫外区和整个可见光范围内可产生较强的连续光谱，噪声低，漂移小。大多数全自动生化分析仪采用卤钨灯作为光源。

2. 单色器

单色器是使不同波长的光以不同角度发散的组件，按色散元件的不同，可分为棱镜单色器、光栅单色器和滤光片式单色器。

棱镜既简单又便宜，但其色散是弯曲且非线性的，长波色散率小，短波色散率高，因此欲得到相同的光谱强度，狭缝宽度要随波长而改变，并且各光谱线间隔不同，为非匀排光谱。

光栅的色散率大，色散角与波长成线性关系，分辨率高，光谱范围宽。但是，采用光栅的仪器设计时须注意光谱叠级、检测灵敏度及光学布局 ( 前分光或后分光 ) 等因素的影响。

滤光片价格便宜，通过科学、合理的设计，采用滤光片分光方式完全可以获得与光栅分光同等的效果。

3. 检测器

检测器将光信号转换为电信号。理想的检测器应具有线性范围宽，噪声低，灵敏度高。全自动生化分析仪的检测器一般为光电倍增管或光电二极管。

光电倍增管阴极材料的性质决定了其光谱灵敏度。光电倍增管在紫外—可见范围内有良好的灵敏度，它对弱光的灵敏度很高。但是，在光谱分析应用中，高灵敏度是用于测定低浓度物质的，为准确检测空白和样品间的微小差别，检测器在强信号时必须噪声低。

光电二极管 ( 或光电二极管阵列 ) 广泛应用于全自动生化分析仪，是目前中高档生化分析仪采用的主流技术。光电二极管检测动态范围宽，作为固体元件比光电倍增管更耐用。早期的光电二极管在紫外区灵敏度较低，但该问题已克服，硅光电二极管的检测范围约是 170nm~1100nm 。

4. 加样系统

加样系统的精度直接影响测量结果，因此，加样系统一直都是全自动生化分析仪的关键技术之一。

加样系统分为样本加样系统和试剂加样系统，两者在原理和结构上并无区别。加样过程由初始化过程、吸样过程、排样过程和清洗过程组成。

加样精度一般靠以下技术保证 :

(1) 合理的液路设计和连接技术 ;

(2) 液面检测技术 : 采样针能够感应液面，探测到液面后插入适当深度后会停止 ;

(3) 随量跟踪技术 : 采样针根据所分配液体的多少自动调整下降深度 ;

(4) 堵塞检测 : 探针能自动检测血液或试剂中纤维蛋白质或其他杂物堵针，堵针后根据内置压力感受器进行处理。

5. 清洗系统

在全自动生化分析仪中，反应杯清洗可通过两种方案实现，即机内清洗反应杯和自动更换反应杯。

采用机内清洗反应杯方式，反应杯是反复使用的。清洗过程包括吸干反应液、注入酸性清洗剂、吸干酸性清洗剂、注入碱性清洗剂、吸干碱性清洗剂、注入去离子水 ( 可能有多次 ) 、干燥反应杯等步骤。清洗的效果直接决定着仪器的携带污染。机内清洗的最大缺点是，很难保证将反应杯彻底清洗干净，因此反应杯污染引起的误差不可避免 ; 而且，用水量比较大也是一个问题。

自动更换反应杯方式是采用一次性反应杯，因此仪器的携带污染会大大降低 ; 同时，由于减少了重复清洗的过程，可进一步提高仪器的可靠性，同时，仪器的用水量也会大大降低。

6. 温控系统

各类生化反应尤其是酶类对温度波动非常敏感，需要一个恒定的温度，才能取得可靠、准确的结果，一般要求把反应室的温度波动控制在± 0.1 ℃。目前较多采用的方法有空气浴法、恒温水浴法、恒温液加热法等。

7. 软件系统

软件系统的目标是为用户提供方便实用、容易学习、界面友好、容易操作的软件

软件的功能主要包括三个方面：一是为用户提供操作仪器的界面，以实现项目的编辑，样本 / 试剂设置，项目的申请、执行，结果的输出和历史纪录查询等；二是控制仪器各个部分工作，实现各种生化分析方法及一些辅助功能，对于一台生化分析仪器来说，自动化程度越高，仪器的功能也越强 ; 三是数据的分析处理与计算，如病人信息和原始数据存储、化验结果汇总报告、失控报告、质控数据计算绘图、质控回顾性检查分析、质控物和质控数据管理，等等。

四、展望

近年来，随着科学技术的不断进步，特别是电子技术和计算机技术的飞速发展，使得生化分析仪器结构和性能都有了很大的改进。21 世纪是一个信息和分子生物学的世纪，计算机及网络将深入到日常生活的每个角落。因此，全自动生化分析仪除了向高速度、随意任选式、模块组合化、超微量化、智能化、尖端化发展的同时，也必然向就近检验、床边即时检验发展，患者自测项目将进一步发展。总之，全自动生化分析仪将同时向大而全和小、快、灵两个方向发展。