压电陶瓷技术在生化分析仪中的应用

压电陶瓷技术在生化分析仪中的应用
近三十年来，压电陶瓷技术在生化分析仪的应用越来越多，最早见到的是原Toshiba（即现在的Canon）的生化分析仪中使用的压电振子搅拌棒。但此项技术还是与反应液接触，依然需要冲洗步骤，也就存在污染的可能。15年前Hitachi推出了LaboSpect系列生化仪，采用的是非接触超声混匀技术，其实际上就是压电陶瓷技术的应用。Roche在Cobas系列生化分析仪中全部采用了此项技术。
也许Hitachi玩压电技术上瘾，也许是Roche提出要求，后续的机型c503（Cobas Pro）中样品针的冲洗池带有超声清洗，但这个结构与超声波清洗机类似，与非接触混匀不是一个概念。
同样很早使用压电陶瓷技术的厂家还有BeckmanCoulter，用于化学发光分析仪的移液针清洗和混匀磁微粒。

1 压电陶瓷技术概述
压电效应是140多年前居里兄弟（居里夫人的丈夫和哥哥）发现的，百年来的发展主要形成两大类。第一类就是不含铁电成分的压电石英晶体，就是我们在电子线路中常见的晶振。另一类就是将带有铁电性的陶瓷晶粒进行烧结然后被复电极，然后置于强直流电场中进行极化处理。
压电陶瓷可以将电能和机械能进行相互转换，所以这类结构的产品常常被称为换能器。常见的应用有超声波发生器、声纳、声波传感器、超声马达等等。打火机中的压电器件就是压电陶瓷的最为低端的运用。而仅仅将电能转换成机械能的压电陶瓷，常常被称为振子。生化分析仪采用的压电陶瓷都是这类振子，超声波清洗机中采用的压电元件也是这类单向的振子。而声纳、超声分析仪的探头以及超声传感器则是真正的换能器，电能和机械能相互转换。
压电陶瓷器件结构简单，可靠性高。根据需要可以制作成多种形状和尺寸，以满足不同的要求。但压电驱动电路的设计较为复杂，如果需要监测频率、电流、电压等就更为繁琐。
压电陶瓷不能在水中使用，所以需要进行防水封装。像声纳这样的设备都是经过封装的。
由于是电能和机械能的转换，所以这类技术的使用需要介质，所以医用的超声仪需要使用耦合剂，超声探伤需要接触金属表面。
这种机械能没办法在真空中传播，在空气中最慢，大约340m/s；而在水中的传播速度超过1000m/s；金属中传播速度可以达到数千米每秒。
所以，基于以上的特性，如果单纯的用于检测障碍物的超声传感器，经过简单封装后直接作用于空气中即可，毕竟仅仅是需要一个通断信号，不需要机械能传递。
而像Hitachi那样的非接触混匀应用，就需要将机械能传递到反应杯中的液体使其形成震荡，就非得在液体中使用了，不可能用于空气浴的结构中。否则损耗太大，根本无法看出任何震荡混匀效果。
同样，用于针棒的清洗，也是需要在液体中进行。冲洗池喷水的同时，超声振子启动，形成震荡水泡进行清洗，这个与洗眼镜的清洗机没有什么不同。
2 压电陶瓷技术在反应杯混匀中应用
  2.1 Toshiba生化分析仪中采用压电陶瓷技术
  


当交流电压施加到PZT元件上时，搅拌叶片振动并产生搅拌作用。驱动电压为25VAC，频率为120Hz。洗涤完成时使用70Hz频率摆动风干搅拌叶片。
通过改变电流驱动压电元件，压电元件驱动搅拌叶片形成摆动完成混匀动作。摆动时反应杯的液体呈上下混匀，比起电机搅拌的旋转漩涡混匀效果要好，而且时间短。
电机搅拌和压电摆动搅拌的对比示意图：


    电机搅拌                                   压电搅拌
下图是厂家的一个宣传图片，反应杯中有A-E五种颜色和比重不同的液体，在进行压电搅拌0.6秒后完成混匀，而常规的电机机械搅拌则需要正反转多次2秒以上。


下图是TBA-2000的搅拌驱动板框图，驱动四个搅拌棒叶片：

可以看出压电搅拌驱动比起单纯的电机搅拌要复杂的多。
Toshiba采用的压电搅拌虽然速度快，噪音低，搅拌效果好。但是也有很强的不足：搅拌叶片虽然带有不沾涂层，但仍然会附着污染，所以冲洗池也是必要的，同样冲洗池的水量和定位也很重要，否则也会洗不干净。还有，搅拌叶片不可能是刚性结构，必然是带有弹性的薄片，这种结构会造成由于定位不准或误操作而导致的扭曲弯折，虽然可以勉强捋直继续使用，但涂层已经破坏。还有重要的一点就是贵，单纯一个带有叶片的装置就要数千元，比搅拌棒贵多了，而且寿命还短。

2.2 Hitachi生化分析仪中采用压电陶瓷技术


这是实拍的照片。
根据机型的不同，超声混匀器可以配备1个、2个、4个、6个等等。一般在S+R1和R2/R3加入后立即搅拌，也有机型重复两次混匀。
Hitachi的超声混匀器采用PZT材料（Piezoelectric），目前应用的广泛的是锆钛酸铅压电陶瓷（lead zirconate titanate piezoelectric ceramics）。


黑色框中的所有部分都在孵育槽内，而中空的PZT槽口就是压电陶瓷部分，通过槽口的厚度进行定向，对面的金属块是反射板，用于将穿透过反应杯的超声波反射回反应杯。而再次穿过反应杯的超声波会被屏蔽板阻挡反射回去，同时防止混匀到不相关的反应杯。前后反射板的缝隙就是反应杯通过的路径。
PZT一共14组上下排列，通过SUS不锈钢（Steel Use Stainless，日本JIS标准）膜阻挡防水。SUS膜破损会使压电陶瓷进水损坏，所以膜后带有漏液检测电极，一旦发生漏液则会禁用该超声混匀器。同样，如果水浴槽的浮式开关监测到液面不足，超声混匀器将会在空气中使用，可能会造成损坏，所以厂家设计成在水浴液面不足的情况下，输出功率极低，从而保护混匀器。
在维护拆卸时尽可能的确保不要损坏SUS膜，也不要碰撞PZT，防止其脱落，毕竟是粘合剂粘在膜上的。
这是c702中六组超声混匀器中的三组：


这是剖面示意图：

之所以使用连接球与FPC柔性带接触连接，是因为Hitachi采用的压电陶瓷振子电极没有引线，而是镀银膜，使用金属球与FPC的镀金触点接触，完成连接。
PZT结构示意图：


要注意的是，施加到PZT上的峰值电压高达100-240V，因此在没有断电的情况下尽可能的不要触摸混匀器，特别是工作的时候。好在电流较低，而且由于频率的加持，在工作时如果手触摸水浴槽中的水，会感觉到刺痛。因为在自己制作的时候，放到水里试了试，那还是只有60V，2Mhz的频率调制到800Hz后的结构。



超声频率是1.5-1.65MHz，频移范围±40Hz，激发占空比3：7，扫频800Hz。
超声混匀动作描述：

PZT压电陶瓷组件有14个子段，也就是由14片压电陶瓷组成，上下排列的PZT可以照顾到反应杯中不同的容量。从最低反应量80-100ul，到最大反应量200-250ul都能顾及到。
    系统根据参数设置，自动判断启用14个子段中的上面哪几个段启动混匀。混匀步骤分为三步：第一步是选择上面子段间歇发射超声波，经过水浴和反应杯传导后作用到反应液表面，并在反射板的协助下将上部反应液向下部移动，并产生气泡。这一步的时间最长，大约1.8秒；第二步是使用中部的子段发射超声波，通过反射板的协助下，横向震荡气泡，形成彻底混匀；第三步是通过最下部的消泡子段，在反射板的协助下，将所有气泡推上液面顶部消泡。同时将反应杯外部的可能附着的气泡消除掉，以便通过光度计检测。而后两步的时间很短，只有0.1秒。
    整个混匀过程必须在反应盘停转的时候执行，同时监测驱动电流，超过阈值会报警。而在反应盘旋转时，超声并不工作，但电流监测仍然进行，防止可能的故障发生。
    PZT的驱动电路通过改变频率和电流电压大小，决定超声功率，形成弱搅拌到强搅拌的效果，Hitachi设计了15级功率。这也就是在电机机械搅拌的机型中，排除了其它原因的情况下，结果好于超声搅拌的原因。因为很多用户并不清楚什么溶液成分、多少容量采用多大的功率级别。而厂家又没有给出这些级别的具体使用说明，试剂厂家也没有做出相应的测试，数据不足则导致应用问题过多。
    1-15级是从低到高排列的，除Roche原厂试剂的混匀级别可以参考外，Hitachi的认证试剂（特别是国产的）几乎没有任何参考价值，应用人员只能反复测试来获得数据支撑。混匀不足和过度混匀的反应曲线有时很难分别，而且不同反应量，不同试剂成份，不同的混匀级别更是让人头疼。
   这是Hitachi的内部人员发表的公开文献截图，可以看出超声混匀的状态：



      上图可以看出混匀开始、横向震荡以及反射消泡的状态。
      比起Toshiba，Hitachi的超声驱动更为复杂，驱动电路板和监测电路板多而且庞大。

上图是以c702为例的，驱动六个超声混匀器，后期版本改为四个超声混匀器，取消了R2，只有R1和R3。C702和Labospect008都采用两组搅拌，R1和R3各2套。其它机型只有一套。
US-CONT2板通过VEM总线与CPU板通讯，通过RS422连接US-DIST板控制四块USAMP板和六块USR板。
US-DIST板是隔离板，将模拟信号和数字信号隔离。
US-Power是超声电源板，产生DC100V、15V、12V和±5V电压。
US-AMP板是超声放大板，产生1.5-1.65MHz和峰值240VAC的正弦波，用来驱动PZT。监测信号通过RS232直接交给CPU板。
US-USR板式开关板，通过15个线圈继电器切换各PZT子段的通电。同时混匀器的漏水检测也在这里。厂家宣称该板可以检测继电器触点的附着力，从而判断继电器的寿命。但是我个人并不知道如何检测的。是通过压降还是电流变化？不得而知。
下图就是这组电路在仪器上的位置和大致大小，可窥一般。

这是US-AMP和US-Power还有US-DIST三组板的位置和仪器大小的比对，相当的庞大。

而US-USR板则有4-6块，安装在超声混匀器附近。
监测时阻抗频率损耗关系图：


2.3 Hitachi机型的ISE模块超声混匀结构
Hitachi的ISE一直采用超声混匀方式，只不过超声装置比较简单，因为ISE的反应量是恒定的，所以没有复杂的驱动和子段，就一片PZT贴在ISE稀释杯的金属外壳上，通过金属传导产生液体震荡。
这是超声混匀器和驱动板以及稀释杯：


3 冲洗池超声混匀应用
在Roche的c503（Cobas Pro）中，虽然测试速度只有1000T/h，但拥有两根采样针，一根是血清针，一根是全血针，分别采集不同类型的样品。 而血清针除了有水洗的冲洗池外，附加一个稀释碱液的冲洗池，这个冲洗池带有超声发生器，激发清洗剂气泡进行样品针的清洗，洗完之后负压干燥。
这个超声发生器也是比较简单，与ISE单元混匀的发生器类似，但是功率更大。  


这种技术并不难，但是什么原因导致设计者在血清针冲洗时采用超声清洗，厂家没有给出具体的解释。如果穿刺针或者全血针采用超声清洗还好理解，血清针是否有些过了？常规的加强冲洗不足以完成吗？！
4 超声混匀器DIY
简单说下自己购买PZT后进行制作测试，从而获得某些信心或知识。全球的PZT元件大多出自国内，而且很多厂家可以给你定制成多段组合形式，有片状、管状、柱状等等。管状PZT多用于针，移液针套在管状PZT上可以完成混匀，超声清洗等功能，至于电路怎么设计那是另外一回事。



这种结构的振子多用于超声清洗机上，超小型的可以用在ISE混匀和冲洗池清洗上。
而反应杯的混匀就需要分段了，单独一个振子是无法完成的。常见的片状振子如下：


这种是压接方式的，表面是镀银膜，与Hitachi的类似。

这种是焊接引线的，我对压接方式没有信心，所以选择的这种。采用的尺寸是10×3×0.5mm的片状PZT，10片上下紧密排列，使用普通的粘合剂粘贴到金属膜上（不锈钢膜没有，用的是厨房常用的锡箔）。驱动电路是现成的可调高压脉冲驱动器，所有PZT并联，但是中间接了几个开关，因为10片PZT并不是同时工作，所以需要开关切换一下。上面8片PZT作为混匀使用，下面2片PZT作为消泡子段使用。反射板采用15mm厚的不锈钢板，由于本身就有弧度，所以也就没有加工什么反射角度，反射到哪就是哪。
先将粘有PZT的锡箔贴在玻璃试管上，试管内装有液体，对面是不锈钢反射板。通电调整电压后，得到与Hitachi的文献中五张图中左侧2张类似的混匀效果。切换发射子段，调整发射板的位置，可以得到中间图的横向震荡类似的效果。切换到下部的发射子段，调整反射板的位置，可以得到后2张图的消泡效果。
由于驱动器最大只有130V，所以从60V-130V都可以观察到类似的现象，电压越高效果越明显。
然后将粘有PZT的锡箔贴在小烧杯外壁上，烧杯加入液体模拟孵育槽，插入玻璃和塑料的反应杯，反应杯也装入液体，反射板也插入烧杯中，进行上述同样的测试，可以得到相应的混匀效果。但塑料反应杯的效果好像好于玻璃反应杯，仅仅是肉眼观察。
呵呵，准备了半个月，测试了1个小时左右，一屋子人无语，原来真的很简单。不过实话实说，商品化真的很难，做到与电机搅拌相同的可靠性和寿命几乎不可能。当然，成本也真的吓人。整机其它部件不过硬，光考虑这一项亮点真的没有任何意义。

学习了

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看完之后，受益匪浅，膜拜大佬！！！

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