Alere epoc血氣分析芯片的結(jié)構(gòu)，檢測與質(zhì)控

量化貓 2018-02-20

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Alere epoc血氣分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，檢測與質(zhì)控

1 檢測平臺簡介

Alere公司的epoc血氣分析系統(tǒng)是一種手持式無線測試解決方案，可在樣品導入后約30秒內(nèi)檢測出樣品中的血氣、電解質(zhì)和代謝物結(jié)果。epoc血氣分析系統(tǒng)由室溫穩(wěn)定的BGEM測試芯片、讀數(shù)儀和移動計算機組成。每個一次性使用的BGEM測試芯片都具有智能卡技術(shù)，并且一張卡上有全部的測試項目。

epoc血氣分析系統(tǒng)是由加拿大公司Epocal Inc開發(fā)的，在2013年，Alere公司收購EpocalInc，將該epoc血氣分析系統(tǒng)并入Alere。最近有新聞報道，今年7月份，Siemens公司簽署了一項最終協(xié)議，將收購Alere旗下的子公司EpocalInc，屆時epoc血氣分析系統(tǒng)將歸入Siemens麾下。

圖1.1 epoc血氣分析系統(tǒng)的組成部分。

該epoc血氣分析系統(tǒng)無論從測試儀器和測試芯片都非常小巧，該測試系統(tǒng)具有手持式，快速檢測，無線測試等優(yōu)點。如下圖總結(jié)了epoc血氣分析系統(tǒng)的典型優(yōu)勢。

圖1.2 epoc血氣分析系統(tǒng)的優(yōu)勢。

該血氣分析系統(tǒng)的主要參數(shù)如下圖所示，可以看出測試芯片中的智能卡技術(shù)是該產(chǎn)品的核心，能夠檢測的項目有pH, PCO2, PO2, Na, K, iCa, Glu, Lac, Hct等。

圖1.3 epoc測試芯片和讀數(shù)儀的一些規(guī)格參數(shù)。

2 檢測芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該epoc檢測芯片內(nèi)部包含有生物傳感器陣列，校準液體，流體網(wǎng)絡(luò)和樣品入口等基本結(jié)構(gòu)。其中，校準液體被密封在芯片上特定部位，由閥門關(guān)閉。如下圖所示。

圖2.1檢測芯片的正面和反面結(jié)構(gòu)。

更具體的，該epoc檢測芯片內(nèi)部包括有以下幾個主要結(jié)構(gòu)：

1，塑料殼：上面有流體網(wǎng)絡(luò)，儲液池和凹陷結(jié)構(gòu)，用于支撐流體運轉(zhuǎn)和儲存液體。

2，傳感器陣列：電化學檢測的主要部位，該傳感器陣列的外面部分和儀器中的電化學模塊接觸，使得儀器可以對該部分提供電流和電壓，故外面部分是鉑電極，其上有環(huán)氧箔組成的陣列。內(nèi)面部分位于芯片中微流體網(wǎng)絡(luò)的特定部位，在檢測時和流體接觸，由傳感膜構(gòu)成，該傳感膜通過環(huán)氧箔上的孔洞和電極進行電接觸。該傳感器陣列是通過紫外固化膠固定在測試芯片上。

3，校準液體鋁箔袋：該袋中包含有150uL液態(tài)校準液體，該鋁箔袋由兩層聚乙烯薄膜覆蓋（如下圖6,7），該鋁箔袋在芯片封裝時就通過加熱密封鋁箔的方式固定在芯片中。

4，閥門活塞：密封在上下兩層鋁箔層之間，且位于校準液體鋁箔袋開口處，在儀器的電極驅(qū)動下，該閥門會打開允許內(nèi)部的校準液體流出。

5，上標簽：（如下圖中3），是塑料材質(zhì)，用于密封芯片上的流體網(wǎng)絡(luò)。

6，流體網(wǎng)絡(luò)：主要有兩個通道，均在芯片中的塑料殼上，其中一個用于連接校準液體，傳感器陣列，和廢液池。另外一個通道將樣品進樣口連接到傳感器陣列，然后延伸到廢液池。

7：樣品進樣口：如下圖4，包含有硅橡膠入口，該入口可以用于密封樣品注入時的注射器針頭。

圖2.2 檢測芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部尺寸。

其中的傳感器陣列是采用智能卡技術(shù)制備，在一面是由環(huán)氧箔構(gòu)成，另一面包含有鍍金的銅電極，如下圖所示為正反面的基本結(jié)構(gòu)：

圖2.3 傳感器陣列的正面和反面結(jié)構(gòu)。

該傳感器陣列上的膜傳感器是個非常重要的部分，電子交換基本是在各種不同的膜上完成的，如下為鍍膜前后的傳感器陣列的側(cè)視圖，也可以看出14個電極的各種不同功能。

圖2.4 傳感器陣列的鍍膜前后的側(cè)視圖。

在讀數(shù)儀內(nèi)部，特別是在芯片插入的芯片槽部位，有幾個重要的結(jié)構(gòu)，比如芯片插入開關(guān)，條形碼讀碼器，與芯片上傳感器陣列交互的接觸電極，和一個加熱模塊，使得在測試時將芯片附近的溫度加熱到37度。

在Epocal公司的多個專利中均提到該測試芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，比如專利US6845327, US6896778, US7094330，US7767068等，總體而言，該流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單，如下所示。

圖2.5 檢測芯片內(nèi)部的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

3 芯片的檢測流程

使用該epoc芯片進行血氣檢測的方法是很簡單的，用戶只需要在測試時打開檢測芯片的包裝袋，取出芯片并迅速插入讀數(shù)儀中，一旦插入，讀數(shù)儀就會對該芯片進行掃描并讀取信息，同時對該芯片進行校準，大約165s后讀數(shù)儀對芯片的校準完成，此時用戶可以向芯片中加入待檢血樣，在加入血樣后30s后讀數(shù)儀給出檢測結(jié)果。和別的POCT儀器不同的是，該讀數(shù)儀要求用戶在校準完成后的450s內(nèi)注入待檢血樣，如果超時，則不能檢測并給出結(jié)果。

3.1 epoc血氣分析系統(tǒng)的檢測流程。

根據(jù)上面的epoc血氣分析系統(tǒng)的流程圖，可以看出具體的檢測流程為：

1，用epoc主機和epoc讀數(shù)儀建立無線連接。

2，從密封袋中取出新的檢測芯片，并將芯片插入到epoc讀數(shù)儀中。

3，讀數(shù)儀會讀取芯片上面的條形碼信息，識別芯片的檢測種類，有效日期等信息。

4，確認芯片無誤后，讀數(shù)儀內(nèi)部會開始校準程序，其方法是內(nèi)部的電機會釋放預存在芯片上的校準液體，一旦釋放，該校準液體會通過流體網(wǎng)絡(luò)流入到芯片上的傳感器陣列中，并且儀器中的兩個加熱板會緊貼到檢測芯片上的傳感器區(qū)，使得芯片附近維持37度。而這部分的時間是儀器校準的165s，用戶在這段時間內(nèi)可以準備待檢血樣。

5，儀器校準完成后會提示用戶加入待檢血樣，用戶加入血樣30s后讀數(shù)儀給出檢測結(jié)果。

比如對于pH的檢測，采用的是基本原理是，通過電勢測定法對氫離子敏感性電極進行氫離子的電勢測定，并通過Nernst方程來轉(zhuǎn)換為氫離子濃度。每個檢測芯片上都有氫離子敏感電極，該電極上具有氫離子選擇性膜，參比電極和校準電極，該校準電極上具有已知pH的特定濃度的緩沖鹽。

3.2 epoc血氣分析系統(tǒng)檢測的pH檢測范圍和參考范圍。

再如pCO2的檢測，也是通過電勢測定法來檢測膜（包含有碳酸氫鹽的膜，是一種可以透過CO2的膜）覆蓋pH敏感電極，該電極的電壓和溶劑的CO2濃度成正比，再通過Nernst方程進行計算便可以得出檢測結(jié)果。組成結(jié)構(gòu)上和pH檢測電極類似，也是包含有CO2敏感電極，參比電極和包含有一致濃度的溶解CO2組成的校準電極。

3.3 epoc血氣分析系統(tǒng)檢測的pCO2檢測范圍和參考范圍。

對于其他檢測項目，也都是采用類似的電化學檢測方法，此處不再多列舉。

4 芯片的質(zhì)控機制

質(zhì)控機制是芯片檢測中一個非常重要的環(huán)節(jié)，也是確保芯片能夠順利進行檢測，并得出可靠結(jié)果的保障機制，故而各家POCT產(chǎn)品均有其各自的質(zhì)控機制。

目前，在體外診斷儀器中普遍采用的質(zhì)控類型有兩種：傳統(tǒng)質(zhì)控，該方法在原始的CLIA 1988規(guī)則中被定義，等效質(zhì)控（Equivalent QC），該過程在CLIA 于2003年修正的文件中描述到。

傳統(tǒng)質(zhì)控是間歇性地使用質(zhì)控液作為一種偽樣品來進行檢測，根據(jù)CLIA 1988規(guī)則，該指控方式每天要做一次，每次至少要進行兩個不同濃度水平的質(zhì)控液測試。很多POCT儀器或有些IVD大型設(shè)備中采用可重復使用的質(zhì)控卡來進行日常質(zhì)控，但這種質(zhì)控卡會隨著時間的延長而發(fā)生表面污染或降解，有些質(zhì)控卡內(nèi)部的微流體網(wǎng)絡(luò)會發(fā)生阻塞，氣泡等流體問題，故而會造成零零星星的檢測異常或錯誤。

而epoc血氣分析系統(tǒng)所采用的質(zhì)控機制是將質(zhì)控系統(tǒng)嵌入到每個測試卡內(nèi)部的模式，這種質(zhì)控方式已經(jīng)被工業(yè)界廣泛認同，并在2003年的CLIA修正案中命名為等效質(zhì)控，這種質(zhì)控機制背后的原理是質(zhì)控系統(tǒng)和待測樣品同時進行相同的流體處理和生化反應(yīng)步驟，從而可以方便的檢測出何時發(fā)生錯誤，并隨時停止檢測。

由于傳統(tǒng)的IVD檢測設(shè)備是采用一次多個測試的模式，故而發(fā)生的錯誤也會傾向于持續(xù)性相同的錯誤，但像小型POCT儀器是一次進行一個測試，故而發(fā)生的錯誤也會根據(jù)芯片，使用場景等而各不相同，故而傳統(tǒng)質(zhì)控機制在小型POCT儀器上則無能為力。Epoc血氣分析系統(tǒng)內(nèi)部采用的等效質(zhì)控機制在具體操作上是，在每次進行樣品測試之前，先用芯片上的質(zhì)控液對儀器內(nèi)部系統(tǒng)進行校準測試，然后再進行樣品測試，故而每個待測樣品均在新鮮的校準后的傳感器，光學模塊等條件下進行，保證了每個檢測結(jié)果的準確性和可靠性。

基于這種等效質(zhì)控機制，Epoc血氣分析系統(tǒng)內(nèi)部主要采用了三個階段的質(zhì)控：

1，初始階段：在epoc主機和epoc讀數(shù)儀建立連接時，以及測試芯片插入到讀數(shù)儀時，讀數(shù)儀都會對內(nèi)部檢測系統(tǒng)進行至少兩個水平的質(zhì)控測試。

2，校準階段：在樣品加入前，讀數(shù)儀會釋放預存在測試芯片內(nèi)部的質(zhì)控液，并進行讀數(shù)儀和測試芯片的校準。

3，樣品檢測階段：質(zhì)控測試會監(jiān)控用戶操作是否正確，樣品量是否足夠等。

如下圖顯示了對各個不同部分進行各階段的質(zhì)控測試。各階段獲取的校準結(jié)果會和儀器出廠時就已加載的數(shù)據(jù)庫進行比對并數(shù)據(jù)分析，最終在測試完成后給出準確的可靠的測試結(jié)果。

圖4.1 Epoc血氣分析系統(tǒng)內(nèi)部三個質(zhì)控階段可以檢測的環(huán)節(jié)。

如下表顯示了epoc血氣分析系統(tǒng)內(nèi)部質(zhì)控機制的詳細過程，包括有單個檢測芯片測試時的總檢測次數(shù)，基于哪種傳感器進行質(zhì)控，質(zhì)控檢測的類型，在測試時的哪個時間點進行質(zhì)控檢測，檢測可能出現(xiàn)錯誤的類型等等。

圖4.2 Epoc血氣分析系統(tǒng)的質(zhì)控機制的詳細說明。

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