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生化分析仪原理、方法及应用

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,国际知名跨国公司,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。

生化分析仪原理
 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。

生化分析仪发展史
 生化分析仪主要测定人体血清中的各种化学成分,主要分为肝功能测定﹑肾功能测定﹑心肌疾病﹑糖尿病等的检测,为医院的必检项目。
 
第一代:分光光度计
 利用紫外光、可见光、红外光和激光等测定物质的吸收光谱,利用此吸收光谱对物质进行定性定量分析和物质结构分析的方法,称为分光光度法或分光光度技术,使用的仪器称为分光光度计。
 分光光度计优缺点:
 优点:
1、直接读取吸光度
2、操作简单
3、试剂便宜
 缺点:
1、不能直接计算浓度值
2、误差大
3、好多项目无法测量
 
第二代:半自动生化分析仪
 半自动生化分析仪指在分析过程中的部分操作(如加样、保温、吸入比色、结果记录等某一步骤)需手工完成,而另一部分操作则可由仪器自动完成。这类仪器的特点是体积小,结构简单,灵活性大,既可分开单独使用,又可与其他仪器配套使用,价格便宜。
 半自动生化分析仪优缺点:
 优点:
 可直接计算测定项目的含量,免除人工
 可实时监测测定物的吸光度变化,可测定酶法
 缺点:
 需要人工加样,机外孵育标本
 误差大
 
第三代:全自动生化分析仪
 全自动生化分析仪,从加样至出结果的全过程完全由仪器自动完成。操作者只需把样品放在分析仪的特定位置上,选用程序开动仪器即可等取检验报告。
 自美国Technicon公司于1957年成功地生产了世界上第一台全自动生化分析仪后,各种型号和功能不同的全自动生化分析仪不断涌现,为医院临床生化检验的自动化迈出了十分重要的一步。
 自50年代Skeggs首次介绍一种临床生化分析仪的原理以来,随着科学技术尤其是医学科学的发展,各种生化自动分析仪和诊断试剂均有了很大发展,根据仪器的结构原理不同,可分为 :连续流动式(管道式)、分立式、离心式和干片式四类。

 连续流动式(管道式) 分析仪
 测定项目相同的各待测样品与试剂混合后的化学反应,是在同一管道中经流动过程完成的。这类仪器一般可分为空气分段系统式和非分段系统式。所谓空气分段系统 是指在吸入管道的每一个样品、试剂以及混合后的反应液之间,均由一小段空气间隔开;而非分段系统是靠试剂空白或缓冲液来间隔每个样品的反应液。在管道式分 析仪中,以空气分段系统式最多。
 流动式分析仪构成:
 在流动式分析仪中,以空气分段系统式最多,且较典型,整套仪器是由样品盘、比例泵、混合管、透析器、恒温器、比色计和记录器几个部件所组成。
 流动式分析仪优点:
 仪器自动吸取标本和试剂,免除人工污染
 自动计算浓度值
 自动孵育
 流动式分析仪缺点:
 同时只能测定一个标本
 测试速度慢
 孵育盘需人工清洗
 流动式生化的进化:
 将几个单通道管道式分析仪结合起来,对一个样品同时测定几个项目。著名的有12通道分析仪,命名为顺序多项自动分 析仪(sequential multiple autoanalyzer),简称SMA12/60。同时发展为SMAC,C为计算机(computer)的缩写。 国内现在有EOS-BRAVO在使用。
 
分立式分析仪
 所谓分立式,是指按手工操作的方式编排程序,并以有节奏的机械操作代替手工,各环节用转送带连接起来,按顺序依次操作。
 现在国内销售的中高档一起基本都为此类仪器,象为大家所熟知的日立、奥林巴斯、东芝、贝克曼等,此类仪器最大特点是:速度快,交叉污染小,测试项目多。
 分立式与流动式的区别
 分立式分析仪与管道式分析仪在结构上的主要区别为:前者各个样品和试剂在各自的试管中起反应,而后者是在同一管道中起反应.
分立式生化结构图

 离心式分析仪
离心式分析仪是1969年以后发展起来的一种分析仪,由Anderson设计,其特点是化学反应器装在离心机的转 子位置,该圆形反应器称为转头,先将样品和试剂分别置于转头内,当离心机开动后,圆盘内的样品和试剂受离心力的作用而相互混合发生反应,最后流入圆盘外圈 的比色槽内,通过比色计进行检测.
离心式自动分析仪工作原理示意图
 
 

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