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[align=center][size=16px][b]流化床制粒[/b][/size][size=16px][b]发展现状[/b][/size][/align]药品是人们常备的不可或缺的日常用品。近年来,随着国民生活水平的提高,人们对药品质量和药物安全问题广泛关注,制药领域也随之越来越多的进入到我们的视野中。长期以来,制药行业都采用传统的方式进行生产,无论是自动化、信息化水平还是认知观念水平都与其他行业存在着一定的差距。“十三五”规划以来,国家大力发展智能制造,制药行业作为制造业的一部分,需要紧跟发展潮流,朝着信息化、智能化方向发展。固体制剂是目前最常见的剂种之一,其生产过程是将原料通过一系列操作包括粉碎、混合、制粒、包衣及压片等过程转化成药物制剂。无论是制作胶囊还是压片,制粒都是非常重要的关键步骤。制粒是将药物粉末与相关的辅料进行混合,待混合均匀后再喷入润湿剂或者粘合剂,在设备中制成具有颗粒形态的过程。干法制粒和湿法制粒是目前固体制粒中最常用的两种方法[font='calibri'][size=13px][1][/size][/font]。干法制粒不需要使用粘合剂,常用于对水分比较敏感的制剂;湿法制粒是常用的制粒方法,在混合均匀的粉末中喷入粘合剂,将粉末表面打湿,粉末通过粘合剂的媒介作用聚结在一起可以慢慢形成颗粒。流化床制粒是常见的湿法制粒方法之一。流化床制粒过程中使用的工艺参数较少、且操作方法简单,广泛应用于固体制粒中。然而,目前的流化床制粒大多依靠于人工经验,对于制粒过程中颗粒的质量属性的变化都是离线进行分析,严重滞后于生产过程。制粒过程信息不透明,对制粒过程影响因素不能准确把握,容易导致药物疗效达不到预期甚至造成制粒批次的失败。随着计算机信息技术、人工智能、传感器技术的发展,及时获取流化床制粒过程工艺参数与颗粒的关键质量属性,通过数据挖掘出工艺参数变化对于流化床制粒过程的影响,通过质量属性的变化及时调整工艺参数,从而可以大大提高制粒成功率,打破国外技术封锁,实现连续化、智能化生产的目标。针对流化床制粒信息化、自动化水平低,数据采集困难等问题,合理改造设备以及通过机器学习等人工智能算法了解工艺参数的内部机理,达到准确调控,对流化床制粒连续化、智能化生产具有重要指导意义。流化床制粒技术只在一个腔体中就可以完成整个制粒过程。药物粉末和辅料等一次性的投入到密封的腔体中,在腔体内进行混合,直至腔体内的各种物料都混合均匀,接着从底部通入热空气,药物粉末在从下方而来的热空气作用下能够保持悬浮,从而达到理想的流化状态。接着将按照一定比例配成的黏合剂液体在蠕动泵和一定压力的压缩空气作用下,以雾化的形式从喷枪中向流化层喷入,使药物粉末聚结成颗粒。在整个制粒过程中,颗粒只受到流化床内部气流的作用,上下流动,因此形成的颗粒之间的粘合度较低,颗粒密度比较小,粒度比较均匀,并且有较好的可压缩性和流动性。流化床制粒设备的整体情况都大同小异,主要的不同在于雾化的粘合剂喷入的方式。按照喷嘴所在位置的不同,可以大体将流化床分为顶喷式、底喷式和流化床三类,这三类流化床的示意图如下图1-1所示。顶喷式流化床是将喷枪从腔体外部伸入到制粒室中,从流化层的上方自上而下进行喷液。颗粒通过气流的作用上升至喷嘴的位置,雾化的粘合剂从喷嘴喷出并将颗粒包裹起来,颗粒上升到一定的高度后回落,如此往复,顶喷式流化床一般用于制粒。底喷式流化床是喷枪中粘合剂的喷洒方向与进风气流的方向一致,侧喷式流化床的喷嘴安装在制粒室的内壁上,最明显的特点是在其底部安装有布风板,底喷式流化床和侧喷式流化床一般用于包衣。[align=center][font='times new roman']图[/font][font='times new roman']1-[/font][font='times new roman']1 [/font][font='times new roman']制粒[/font][font='times new roman']流化床[/font][font='times new roman']分类[/font][/align][font='times new roman'][size=16px][b]流化床制粒技术研究现状[/b][/size][/font]1959年,美国的Wurst首先提出了流化床技术,该技术以其工艺简单,操作时间短,劳动强度低等特点广泛应用于固体制药领域。我国于上世纪八十年代才引入流化床制粒设备,相对于国外来说起步较晚,因此对于流化床制粒技术的研究也相对较少。石海涛[font='calibri'][size=13px][3][/size][/font]等人使用流化床制粒技术解决了采用传统的湿法制粒批次间颗粒质量属性差异大,制粒终点难以把握的缺点,制出崩解性能良好的甲磺酸吉米沙星片。申楼[font='calibri'][size=13px][4][/size][/font]等人把颗粒的流动性、表面性状和崩解时限作为衡量颗粒质量的标准,采用正交试验的方法确定出流化床制粒的最佳工艺参数。东北大学的王正松[font='calibri'][size=13px][5][/size][/font]以颗粒的粒度为研究对象,建立并验证了流化床制粒最终颗粒粒度的机理模型,并且建立了预测颗粒粒度的回归模型。浙江大学的周家辉[font='calibri'][size=13px][6][/size][/font]针对流化床制粒室温度难以控制的问题,分析了流化床制粒温度影响因素,对流化床进行了热力学分析,并且设计了温度控制器。在国外近几年的研究中,Neugebauer[font='calibri'][size=13px][7][/size][/font]等人针对流化床分层制粒过程中颗粒形成干燥区的问题,提出了一种用于研究各种工艺参数对粒子动力学和工艺稳定性的影响的模型。Hayashi[font='calibri'][size=13px][8][/size][/font]等人对流化床造粒过程中颗粒生长和破碎的机理进行了研究,提出了一种基于离散元法和计算流体动力学相结合的粒子碰撞频率函数的粒子平衡模型。Heidari[font='calibri'][size=13px][9][/size][/font]等人考虑液滴蒸发过程引起的体积变化等因素,综合考虑粘合剂粘性与液滴表面张力的平衡力,建立了流化床制粒过程中液滴蒸发的力学模型,利用该模型研究了不同温度、蒸汽压力、接触角和液滴直径条件下蒸发速率对液滴扩散时间的影响。Teixeira[font='calibri'][size=13px][10][/size][/font]等人研究了提高姜黄素溶解度的多种策略并且以姜黄素为原料,采用流化床制粒法,制备姜黄素颗粒。国外的流化床技术已经取得了一定的成就,然而国内的流化床制粒领域中相关的文献报道却比较少,这种现状对于我们来说既是机遇也是挑战。通过文献可以看出,越来越多的学者都针对流化床制粒工艺进行研究,这也必将会是未来研究流化床制粒技术的一个趋势。
[align=center][size=16px][b]流化床在线设备改造[/b][/size][/align]常规的顶喷式制粒流化床的主要组成系统分为温度控制系统、喷雾系统以及其他控制系统等。主要的结构有底锅、喷嘴、空气进出口、滤袋、取样口等,需要调整的工艺参数比较少,因此操作比较简单。在制粒过程中,粘合剂在蠕动泵和压缩空气的作用下经过喷嘴喷到处于流化状态的物料上,使得粉末在粘合剂的作用下和周围粉末聚并成粒子核,粒子核与粒子核之间慢慢形成比较大的颗粒。继续向流化床内部喷入粘合剂,使得颗粒和颗粒之间,颗粒与粒子核之间发生聚并作用形成更大的颗粒。同样,粘合剂喷入量过少,在进风量和温度等工艺参数的影响下,聚并的颗粒也会破碎,变成小颗粒和小的粒子核。颗粒生长过程如下。[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/09/202009031750279617_8904_3890113_3.jpeg[/img]本实验采用的是山东新马制药装备有限公司的实验型流化床(LGL 002),设备实物图如上图。此流化床设备操作简单方便,但是缺乏信息采集装置,不能及时准确地得到颗粒的水分含量,而且制粒过程中需要进行操作的实时工艺参数数据也不能够及时记录,这样就无法对每一时刻的工艺参数数据与颗粒的水分含量进行关联分析,影响颗粒水分含量的关键工艺参数不能掌握,对制粒工艺也就不能有更为充分的理解。为了及时获取相关的颗粒水分信息和工艺参数信息,需要对流化床进行改造。安装[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱仪[/color][/url]为了获得流化床制粒过程中颗粒的实时水分数据,需要在流化床设备上添加[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱仪[/color][/url]用于实时在线获取颗粒的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]数据。NIRS在线分析光谱采集方式主要有接触式和非接触式两种,非接触式主要通过从流化床的视镜进行对颗粒的采谱,接触式是将近红外探头安装到流化床底锅内部,直接与颗粒接触进行采谱。本文选用微型[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱仪[/color][/url](MicroNIR PAT-U)在流化床制粒过程中采集颗粒的光谱数据进行水分含量的在线监测。与传统的近红外仪器相比,MicroNIR PAT-U体积较小、方便携带、质量较轻,对生产过程不会产生太大影响,因此在实际生产中适合用来对颗粒进行监测。温度对近红外仪器具有较显著的影响[50],同一个仪器在不同的温度条件下采集到的光谱也会所差异。流化床内温度比较高,并且随着实验过程物料温度在不断变化,如果直接将近红外探头与物料进行接触,采集到的光谱会有较大的误差,对实验结果的准确性也会产生影响。因此,为了尽可能地减少温度对近红外仪器的影响,将MicroNIR PAT-U外接探头,让近红外仪器不与物料直接接触,从而可以采集到较为稳定和准确的光谱数据。MicroNIR PAT-U与探头的连接方式为螺纹连接,在距离探头顶端与底锅厚度相同的地方安装材料为聚四氟乙烯的密封圈,保证采集光谱过程中的密封性与可靠性。MicroNIR PAT-U和探头的整体安装图如下图所示。为了采集颗粒的光谱,要将近红外探头伸入流化床内部,这就需要在流化床的底锅上进行打孔,孔的直径要比探头的直径大0.2~0.3mm,使得生产过程中探头不会发生晃动,保证光谱采集位置的一致性。孔的位置要尽量与取样口保持在同一条水平线上,这样可以减小近红外仪器采集的光谱数据与物料离线测量的数据在外部环境条件下的差异,尽可能减少采集数据的误差。探头具体的安装位置如下图所示。近红外探头吹扫装置在物料未成粒之前,粉末状的物料具有很强的粘附性,随着实验的进行,粉末会粘附在近红外探头上,从而对光谱的正确性产生严重的影响。这就要求在制粒过程中及时地清除掉粘附在探头上的粉末以消除这种不利影响。然而,频繁地把探头拿出来手动擦净不但会影响探头地使用寿命,而且由于光谱地采集是一个连续的过程,这样做反而会更加影响光谱数据的准确性。因此,流化床上安装近红外探头吹扫装置是非常有必要的。上节已经提到,近红外探头伸入流化床的长度与底锅的厚度一样,因此,近红外探头与底锅内壁是平行的。在近红外探头孔内径的下方孔壁上开一个直径为5mm的小孔,设计一个端部带螺纹的空心装置,外部接上吹入压缩空气的橡胶管,用于在制粒过程中对探头的吹扫,使物料尽量少的粘附在探头上。吹扫装置的原理示意图及安装实物图如图所示。吹扫装置要设置适当的吹扫频率和吹扫时间,并不是频率越快、时间越长越好。吹扫频率太快,每次吹扫时间过长,可能在探头采集光谱的时间段,刚好物料被吹扫装置吹跑,使得近红外探头实际采集的为空气的光谱,这会对结果造成较大的误差。近红外探头采集光谱的时间大约在2s左右,因此设置吹扫装置的脉冲频率设置在15s吹一次,每次吹1s为最适宜频率。工艺参数采集装置流化床制粒过程中使用的工艺参数比较少,因此每个工艺参数都对颗粒质量属性产生重要的影响。在制粒过程中,流化床的主要工艺参数有雾化压力、蠕动泵流量、进风温度、排风温度、进风量和物料温度。为了获取这些工艺参数数据,需要在流化床的相应位置上安装风量传感器、温度传感器、流速计、压力表等。流化床工艺参数采集装置的原理示意图如下图所示。进风温度、排风温度、风量的传感器,流量计和压力表都是安装在流化床系统内部,只有物料温度传感器需要在制粒的过程中将传感器加入到流化床内部。物料温度传感器采用热电偶式,为了测量流化床制粒过程中物料的温度,也需要在底锅上进行打孔,使温度传感器伸入到流化床内部,通过与物料直接接触的方式感受物料的温度并转换成可用于输出的信号。传感器孔的位置尽可能与近红外测量的位置在同一水平线上,保证测量的物料温度与近红外探头测量的物料是同一状态下的。物料温度传感器如下图所示。 [img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/09/202009031750281516_7229_3890113_3.png[/img][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/09/202009031750284280_7065_3890113_3.png[/img]物料温度传感器暴露在外部,容易受外部环境的影响。为了确保传感器的稳定性和可靠性,保证在制粒过程中传感器不会发生晃动,需要对物料温度传感器增加固定装置。采用管夹作为温度传感器的增固装置,如上图所示。
[size=24px][font=仿宋][b]摘要[/b]:[/font][font=仿宋]聚合酶链反应分析仪(PCR仪)广泛用于疾控、出入境检测、药监、生物制药企业、医疗机构、专业基因检测和分子生物实验室等。应用于司法鉴定、临床诊断、基因研究、疾病控制等领域。其控温性能直接影响到检测结果的可靠性。而常用的铂电阻温度计、热电偶温度传感器因尺寸问题不适用于聚合酶链反应分析仪(PCR仪)控温性能的校准,所以在检测、校准过程中必须使用专用的检测设备,而此类设备大多依赖进口,价格昂贵,未能普遍应用,使得聚合酶链反应分析仪(PCR仪)实验的数据、结果的可靠性不能得到有效保证。本文依据聚合酶链反应分析仪(PCR仪)的检测、校准项目,结合国家相关计量校准规范,提出一种用于聚合酶链反应分析仪(PCR仪)温度性能校准的专用检测设备。[/font][font=仿宋][b]关键词:[/b][/font][font=仿宋]聚合酶链反应分析仪、温度、校准、检测设备[/font][/size][font=宋体][size=22.0000pt][b] 一、绪论[/b][/size][/font][font=仿宋][size=24px]1、聚合酶链反应分析仪(PCR仪)[/size][/font][font=仿宋][size=24px]1.1聚合酶链反应分析仪(PCR仪)的基本原理[/size][/font][img=,561,467]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006271433435955_7689_1638093_3.jpg!w561x467.jpg[/img][img=,550,269]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006271434048558_6420_1638093_3.jpg!w550x269.jpg[/img][font=宋体][size=18px] [b]图1 基因扩增原理图[/b][/size][/font][size=24px][font=宋体][font=仿宋] 聚合酶链反应分析仪(以下简称PCR仪)就是聚合酶链反应过程中的控温设备,能在变性温度、复性温度、延伸温度之间准确进行温度调整、控制。[/font][/font][font=宋体][font=仿宋]1.2 PCR仪的分类1.2.1按功能分类 a)普通定性PCR仪 仅具备温度控制功能,自动调节温度至不同温度点,完成聚合酶链反应的变性、退火及延伸过程,可自动进行聚合酶链反应,完成基因扩增。 b)荧光定量PCR仪 荧光定量PCR仪是在普通PCR仪的基础上增加一个荧光信号采集系统和计算机分析处理系统的PCR仪,称作荧光定量PCR仪。其PCR扩增原理和普通PCR仪扩增原理相同,只是PCR扩增时加入的引物是利用同位素、荧光素等进行标记,使用引物和荧光探针同时与模板特异性结合扩增。扩增的结果通过荧光信号采集系统实时采集信号连接输送到计算机分析处理系统得出量化的实时结果输出。荧光定量PCR仪有单通道、双通道和多通道。当只用一种荧光探针标记的时候,选用单通道,有多荧光标记的时候用多通道。单通道也可以检测多荧光的标记的目的基因表达产物,因为一次只能检测一种目的基因的扩增量,需多次扩增才能检测完不同目的基因片段的量。[/font][/font][/size][font=仿宋][size=24px]1.2.2按孔数分类[/size][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px] 目前常见的[/size][/font][/font][font=仿宋][size=24px]PCR仪按试验孔数分主要包括:48孔、96孔、384孔。[/size][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px]1.3、PCR仪的检测校准[/size][size=24px]1.3.1 PCR仪的检测校准依据和主要校准项目[/size][size=24px] 目前,PCR仪的校准可执行JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》。主要检测项目包括:[/size][size=24px] a)温度示值误差;[/size][size=24px] b)温度均匀度(孔间温差);[/size][size=24px] c)平均升温速率;[/size][size=24px] d)平均降温速率;[/size][size=24px] e)样本示值误差;[/size][size=24px] f)样本线性。[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px] 其中温度示值误差、温度均匀度、平均升温速率、平均降温速率需使用专用温度测量设备进行校准。因考虑到聚合酶链反应过程中,反映酶在温度较高的条件下会发生活性下降甚至失活,对试验结果造成影响的问题,在校准过程中还应加入温度过冲项目的校准。所以用于校准聚合酶链反应分析仪温度性能的检测设备需具备校准:温度示值误差、温度均匀度(孔间温差)、平均升温速率、平均降温速率和温度过冲的功能。[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px]1.3.2 PCR仪检测仪的功能和技术要求 依据JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》的要求,用于校准PCR仪的校准设备,其温度测量性能需满足: a)测温范围:(0~120)℃; b)温度测量结果的不确定度:[i]U[/i]≤0.1℃([i]k[/i]=2); c)可同时测量多个孔的温度。[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px] 同时为方便平均升温速率、平均降温速率和温度过冲项目的校准,还应具备自动计时、最高温度点自动记录、检测数据定时记录等功能。[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px]1.4、PCR仪检测仪的发展现状 PCR仪由于实验室应用的特点,其样品槽较小,温度测量中常用的铂电阻温度计、热电偶传感器因尺寸问题,一般不适用于PCR仪温度性能的检测、校准,要实现PCR仪温度性能的检测、校准必须使用专用的检测设备。目前用于PCR仪温度计量性能检测的设备主要分为有线式检测和无线式检测,其中:[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px] a)有线检测。有线检测的准确度较高,基本满足量传溯源的要求,但因连接线影响PCR仪温度环境的密闭性,使用过程中经常出现因控温环境不密闭,造成检测、校准结果不能真实反应仪器实际控温性能的问题,并且不适用于必须在密闭条件下使用的PCR仪的校准,不具备自动检测和记录功能。 b)无线检测。无线检测设备随能实现自动检测、自动记录检测结果,一次实验可完成多个参数的检测、校准,但目前多依赖于进口,而且准确度较低,不能满足量传溯源的要求。同时此类无线检测设备多为PCR仪生产企业针对本公司仪器开发的专用检测设备,主要用于对本公司产品的质量控制,对其他品牌的PCR仪不具备广泛适用性。 我国第一台PCR仪温场检测仪由成都市计量检定测试院于2013年引进。目前,已有50余家计量检测机构配置了此类设备,开展PCR仪的温度校准工作。但大多计量检测机构配的设备均为PCR仪生产厂家开发的仅适用于本公司产品的检测设备,不能适用于多种品牌、不同型号的PCR仪的校准,而且准确度相对较低,不能满足JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》对标准器的要求。由于进口设备,价格昂贵(售价数十万元),不仅一般PCR仪使用机构难以配置,而且专业计量检测机构也极少配置,检测、校准能力严重不足。即便具备PCR仪检测、校准能力的计量检测机构也因检测设备购置成本较高,在开展此项检测、校准工作中也会收取较高的检测费用,致使目前PCR仪的定期溯源率相对较低。[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px]1.5、发展趋势 随着JJF 1527-2015 《聚合酶链反应分析仪校准规范》的发布,各实验室对PCR仪温度计量性能校准的需求日渐增强,同时对校准系统的适用性、准确性和规范性要求越来越高,市场亟需一套适用广泛,满足现行国家计量校准规范,满足计量溯源体系的,售价在大多数检测机构承受范围内的专用校准系统。[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px][b]二、技术路线和技术方案[/b] 依据国家校准规范JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》规定,PCR仪温场检测设备至少需要15个精密温度传感器,同时完成PCR仪温度计量性能的校准,测温范围:(0~120)℃,温度测量不确定度[i]U[/i]≤0.1℃([i]k[/i]=2)。因此温度采集器选用微小尺寸的高精度耐腐蚀同时具备线性的铂电阻PT1000作为传感器,探头按照PP标准反应管尺寸设计,PT1000涂导热胶后封于探头内。将温度传感器、信号放大采集、数据处理,数据存储集成到一个电路板产品上,非常有效的缩短传感器信号的距离,系统的抗干扰性和准确的提高,同时实现集成化小型化。 参照PCR仪温度控制标准程序,温度采集器将用恒温槽分段标定30℃、50℃、60℃、70℃、90℃、95℃六个温度点,其它温度通过线性换色,可以满足测温范围(0~120)℃,显示分辨率0.01℃,温度测量误差≤0.2℃,通过定期校准,进行修正后,可实现30℃、50℃、60℃、70℃、90℃、95℃六个温度点的测量结果的不确定度[i]U[/i]≤0.1℃([i]k[/i]=2)。 为了实现小型化集成化和无线连接等智能化,PCR仪温场检测设备设计包括温度采集器,无线信号接收器,电脑软件,手机软件;温度采集器功能包括温度传感器,信号放大采集,单片机数据采集和处理,蓝牙无线收发,锂电池充放电管理,USB数据通信等功能,系统复杂功能强大,物理尺寸很小方便工作人员使用;无线信号接收器通过USB插入电脑,用于无线连接温度采集器,实现动态实时数据交互,完成校准工作;电脑软件用于控制和数据接收工作,公司完成数据分析和报告;手机软件用于移动监控和数据下载。[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px][b]三、技术创新点[/b] 3.1、设计开发的PCR仪温场检测设备,在满足我国JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》的基础上,实现集成化、小型化,并采用无线连接,适用性较强;[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][font=仿宋][img=,520,308]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006271440249432_2417_1638093_3.jpg!w520x308.jpg[/img][/font][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=18px] [b] 图2 采用无线传输方式的PCR仪温度校准系统[/b][/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px] 3.2、设计选用微小尺寸的高精度铂电阻RTD传感器,并将温度传感器、信号放大采集、数据存储集成到一个电路板产品上,系统的抗干扰性和准确度提高,同时实现小型化。温度传感器分布符合JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》对温度传感器的分布要求,各温度传感器间距、尺寸与市场主流PCR仪相匹配,可直接替代PCR仪专用孔板嵌入PCR仪进行测量。[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][font=仿宋][img=,548,365]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006271441522860_8625_1638093_3.jpg!w548x365.jpg[/img][/font][/font][/font][font=仿宋][size=18px] [b] 图3 PCR仪温度校准系统温度传感器的分布[/b][/size][/font][font=仿宋][size=24px][img=,325,228]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006271442214388_1285_1638093_3.jpg!w325x228.jpg[/img][/size][/font][size=18px][b][font=仿宋]图4 [/font][font=仿宋]JJF1527-2015[/font][font=仿宋]规定的温度传感器布点要求[/font][/b][/size][font=仿宋][size=24px] 3.3、PCR仪温度校准系统包括温度采集器,无线信号接收器,电脑软件,手机软件;温度采集器集成了温度传感器,信号放大采集,单片机数据计算,蓝牙无线收发,锂电池充放电管理,USB通信等功能; 3.4、本系统可采用恒温槽和标准温度计对实际校准点,30℃、50℃、60℃、70℃、90℃、95℃六个温度点进行温度分段标定,提高测量准确度;[/size][/font][font=仿宋][size=24px][font=仿宋] 3.5[/font][font=仿宋]、[/font][font=仿宋]本[/font][font=仿宋]系统的温度采集[/font][font=仿宋]器[/font][font=仿宋]采用[/font][font=仿宋]锂电池[/font][font=仿宋]供电[/font][font=仿宋],[/font][font=仿宋]方便[/font][font=仿宋]产品的[/font][font=仿宋]无线[/font][font=仿宋]连接[/font][font=仿宋]和[/font][font=仿宋]移动工作[/font][font=仿宋];[/font][font=仿宋]通过[/font][font=仿宋]电池[/font][font=仿宋]采用直流电压[/font][font=仿宋]供电提高了温度信号采集的稳定性,[/font][font=仿宋]隔离[/font][font=仿宋]了工频电源的[/font][font=仿宋]干扰;[/font][font=仿宋]通过USB[/font][font=仿宋]接口[/font][font=仿宋]给温度采集[/font][font=仿宋]器的[/font][font=仿宋]锂电池进行充电[/font][font=仿宋];[/font][font=仿宋] 3.6[/font][font=仿宋]、本[/font][font=仿宋]系统的温度采集[/font][font=仿宋]器设计数据[/font][font=仿宋]存储芯片,[/font][font=仿宋]用[/font][font=仿宋]电池供电工作自动[/font][font=仿宋]进行[/font][font=仿宋]温度采集[/font][font=仿宋]存储,校准工作[/font][font=仿宋]完成后,[/font][font=仿宋]再[/font][font=仿宋]连接电脑读出数据[/font][font=仿宋]做[/font][font=仿宋]分析[/font][font=仿宋]和[/font][font=仿宋]报告[/font][font=仿宋],可[/font][font=仿宋]实现[/font][font=仿宋]多台[/font][font=仿宋]机器同时校准工作;[/font][font=仿宋] 3.7[/font][font=仿宋]、[/font][font=仿宋]本[/font][font=仿宋]系统的温度采集[/font][font=仿宋]器设计USB[/font][font=仿宋]数据接口[/font][font=仿宋]和[/font][font=仿宋]无线[/font][font=仿宋]蓝牙;[/font][font=仿宋]可通过USB[/font][font=仿宋]或者[/font][font=仿宋]无线蓝牙[/font][font=仿宋]对[/font][font=仿宋]温度采集器进行监控[/font][font=仿宋]和[/font][font=仿宋]数据读取[/font][font=仿宋]。[/font][/size][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px][b]四、产品功能[/b] 4.1、具有无线连接功能,可以使用USB无线接收器进行工作,也可以用手机APP进行操作工作; 4.2、采用高精度铂电阻RTD传感器,测温范围(0~120)℃,分辨率0.01℃,温度测量误差≤0.2℃,通过校准,进行修正后,可实现测量结果的不确定度[i]U[/i]≤0.1℃([i]k[/i]=2); 4.3、温度采集器设计了锂电池,通过USB充电; 4.4、温度采集器设计了数据存储芯片,用电池供电工作自动进行温度采集存储,校准工作完成后,再连接电脑读取数据,自动完成数据处理,生成校准报告。并根据采集得到的数据自动生成热成像图,通过热成像图直观体现PCR仪各加温孔内温度的偏移情况,为试验人员提供参考,避免使用温度明显偏移温度设定点的加温孔进行试验。同时可实现多台仪器同时校准,集中读取校准数据;[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][font=仿宋][img=,563,395]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006271444186719_9018_1638093_3.jpg!w563x395.jpg[/img][/font][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=18px] [b]图5 PCR温场检测系统依据检测数据自动生成热成像图[/b][/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px] 4.5、温度采集器设计了无线蓝牙;电脑可通过USB或者无线蓝牙对温度采集器进行监控和数据读取。[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px][b]五、技术指标[/b][/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px] 5.1、集成化小型化。温度传感器,检测探头,信号放大采集,数据计算,数据存储,无线蓝牙连接,USB通信接口,锂电池供电及充放电控制;实现以上功能产品,并且设计可以放入PCR仪([url=https://insevent.instrument.com.cn/t/jp][color=#3333ff][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/jp][color=#3333ff]基因扩增仪[/color][/url][/color][/url])的物理尺寸。[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][font=仿宋][img=,379,269]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006271445178540_2384_1638093_3.jpg!w379x269.jpg[/img][/font][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=18px] [b]图6 直接以PCR温场检测仪代替孔板放入PCR仪[/b][/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px] 5.2、实现无线接收器,可以无线连接温度采集器,发送控制命令,或者将温度数据通过USB转发给电脑。 5.3、实现电脑软件,用于人机控制,对PCR仪校准过程中的数据动态监控,数据分析和数据报告的输出。 5.4、实现手机软件,用于移动状态监控和数据监控。 5.5、适用于48孔、96孔PCR仪的检测、校准,温度采集共15个通道,分辨率0.01℃,测量误差≤0.2℃。 5.6、温度采集15个通道,每个通道温度数据10sps,即每秒实现采集10个温度数据。预估整个校准工作25分钟需要产生:10sps * (25 * 60)seconds * 15channel = 225000个温度数据。数据存储选择4Mbit闪存芯片。 5.7、PCR仪温度校准系统的温度采集器工作电流估算30mA,峰值电流估算50mA,电池工作有效时间设计2小时,选择输出3.7V的锂电池容量大于100mAh。 5.8、USB数据读取闪存芯片中的温度数据,不超过30秒。无线蓝牙传输温度数据,不低于每秒150(10sps*15channel)个温度数据。[/size][/font][/font][font=仿宋][font=仿宋][size=24px][b]六、市场分析[/b] 目前,我国在用PCR仪约300万台,并逐年递增。主要分布于疾控、出入境检测、药监、生物制药企业、医疗机构、专业基因检测和分子生物实验室等。应用于司法鉴定、临床诊断、基因研究、疾病控制等领域,特别是在病毒性传染病筛查过程中发挥着至关重要的作用。由于目前专用的PCR仪温场检测设备价格昂贵,全国仅50余家计量检测机构具备检测能力,无法满足每年PCR仪的检测需求。而此套检测设备的开发成功,在技术性能满足JJF1527-2015《聚合酶链反应分析仪校准规范》,达到国外同类产品技术水平的条件下,产品价格预计可降低50%,为中小型计量检测机构购置PCR仪温场检测设备开展校准工作提供了可能,同时也可用于PCR仪使用机构定期核查PCR仪温度性能,合理选用反应试剂,提高检测可靠性。[/size][/font][/font][size=24px]结束语[/size][font=仿宋][font=仿宋][size=24px] PCR仪专用检测仪是以实现PCR仪的计量校准为目的开发的专用检测设备,解决了长期以来此类设备依赖进口的问题,有助于PCR仪量值溯源体系的建立和完善,通过定期校准的方式保证PCR仪检测结果的可靠性。能够为我国基因研究、食品安全检测、医学诊断等领域提供必要的技术保障。[/size][/font][/font][size=32px][color=#cc0000][i]注:此套检测设备已于2020年实现技术成果转化,并开始小规模生产。[/i][/color][/size]