基本信息
所属科技项目名称:建设“设计之都”促进文化科技融合(科研)
项目主管部门:北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会
科技成果信息
科技成果名称:基于微流控技术的快速检测设备设计研发
关键词:微流控、生化、免疫、一体机
科技成果类型:原始创新
科技成果所处阶段:实验室研究
科技成果应用领域:卫生和社会工作
科技成果简介:生化免疫一体机是京东方科技集团基于人体工程学设计理念与微流控芯片设计技术,研发生化/免疫多功能的检测系统。该项目设计搭建血糖、血脂四项,炎症四项一体化检测设备,满足操作简便、设备精准、轻巧便携等基层医疗场景需求。
生化免疫一体机的研发主要包括工业设计、芯片设计、试剂研发和整机设计四个方面。
1.生化免疫一体机工业设计
本课题在医疗器械设计中用到工业设计研究方法,通过对一体机的使用人群分析、使用环境分析、使用过程分析、人机工程分析、竞品分析及结合企业品牌形象的分析入手,对一体机的工业设计方面进行了研究。
根据临床检测流程并结合基层、家庭多场景等检测需求,对生化免疫一体机的颜色、造型、外观进行设计,使之能很好的融于医院环境中,减少医生视觉中的杂乱感,能帮急诊医生在忙乱的救治现场多一分静心,减少医疗事故。针对一体机的集成功能,对组装方式、设备空间占用率进行研究,使之满足社区医院对性价比的要求和急诊室的空间占用要求。同时在设计过程中,考虑到临床医护人员使用习惯,产品操控区的尺寸设定都参考了人机工程学中的尺寸,以适应各类人群的使用要求。
2.集成化微流控检测芯片设计
以全自动、样本微量检测、用户操作简单便捷等工艺设计理念出发,首先确定不同疾病检测方法统一设计思路。基于生化与免疫检测项目不同的检测原理,芯片上流道设计与液体进入时序并不相同,设计时需要考虑两者的不同点,并需要考虑两者的兼容性,从而实现机械操控的统一性。将检测试剂预置于芯片内,通过上下端的机械压力实现液体驱动。通过流道高度与宽度的比例调整,拐角设计等,实现液体试剂配合工装件驱动,并避免气泡的产生。芯片结构将通过机械加工的方式加工,通过液体试剂配合工装件驱动,观测芯片内液体流动,从而验证芯片设计的合理性。同时,生化检测与免疫检测对于芯片的材料性能要求并不相同,根据检测项目不同,调整各部分流道、检测结构的材料,并键合集成为完整芯片。通过调节以上各种参数指标,调整设计方案,实现芯片上液体驱动的性能验证。
3.进行适配芯片结构的检测试剂研发
本课题借鉴临床上传统的血糖、血脂和炎症四项指标的检测原理,进行综合分析和改良,并与微流控芯片的检测方法学进行适配,初步确认适用于本研究的反应原理,梳理相关的试剂原料清单。试剂开发分为四个部分:液体检测试剂原理验证和配方优化,试剂冻干辅料的初步筛选,试剂冻干工艺开发和冻干辅料配方优化,冻干试剂性能验证。首先,配制液体试剂,在传统检测设备上进行液体试剂原理验证,利用标准品对液体试剂进行性能验证,并对配方进行初步调整优化。然后,在液体试剂的基础上进行冻干辅料的初筛,剔除影响试剂反应的辅料,利用初筛到的辅料进行冻干工艺和冻干辅料配方的进行阶段性摸索。通过对冻干工艺和辅料配方进行循环调整,不断改进,开发出适用于微流控芯片检测和满足性能要求的冻干试剂。
4.基于芯片检测需求,进行生化免疫一体机设备设计
进行工程原型机的设计开发工作,目标完整实现芯片于设备内的自动化检测全流程。基于芯片设计与信号采集方式,设计机械结构设计,开发嵌入式软件程序,设计电子电路,光学模块,ID设计。
设备整体设计方案:光学检测模块由恒流控制的光源和光学传感器组成,激发和检测来自试剂卡的检测信号;信号处理和数据采集电路由信号调理和ADC电路组成,实现对检测信号的调理和模数转换并发送给主控模块完成数据预处理和计算;流体的控制模块由控制电路和柱塞泵及传感器组成,接收自主控模块发送的流体控制命令,完成试剂在试剂卡中的反应;阀泵控制模块由气泵和气阀组成,接收主控模块发送的控制命令,完成试剂卡中液体流道的切换;运动控制模块由控制电路和运动部件组成,接收主控制模块的命令,完成光学模块的扫描运动;嵌入式和软件模块由嵌入式工控、软件组件、触控屏幕和信息化接口组成,和主控模块交互下发检测流程的交互控制命令,接收、处理、分析经过预处理的检测信息,实现检测过程的信息化显示和交互。
对生化免疫一体机的研发可提高实验室产出效率,使实验室能够快速适应日常变化和长期规划;直观而通用的全新设计将提供更简单的操作体验,实验室员工可以轻松地实现无障碍跨系统工作;全自动“傻瓜式”操作可智能避免人为差错,使高性能实验室能够保持稳定和最佳运行状态。
在现有实验室空间紧张的情况下,该设备可以帮助实验室增加检测量的同时减少空间需求,帮助医院检验科更好地管理资源,提高检测效率和检测质量,使患者受益。
此外,生化免疫一体机作为床旁快速检测(POCT)小型便携化产品,利用便携式分析仪器及配套试剂快速得到检测结果,匹配基层医疗、家庭医疗等多场景使用需求。
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