基于 IVD 设备的耗材转移机构设计与应用

引言

体外诊断设备的自动化水平直接影响检测效率与结果准确性，耗材（TIP 头、反应杯、生物芯片等）的高效转移是连接样本前处理、反应孵育及信号检测的关键环节。随着高通量检测需求增长（如急诊样本 30 分钟出报告）及设备小型化趋势，在有限空间内实现多耗材快速、精准、稳定转移，成为 IVD 设备研发的核心挑战。本文以技术演进为主线，结合检测原理差异、临床场景拓展及集成化需求，分析技术驱动因素，探讨机械式转移机构优化策略，通过应用案例对比为耗材处理模块升级提供支撑。

一、IVD 设备耗材转移机构的技术演进驱动因素

IVD 设备耗材转移机构的技术发展受多重因素协同

·检测原理差异化：不同检测技术（如生化分析的液体处理、单分子检测的微流控芯片操作）对转移精度、负载能力及生物相容性提出差异化要求；

·临床场景多元化：从常规实验室检测到POCT、急诊检验，需匹配不同空间限制与响应速度的转移方案；

·设备集成化需求：全自动化实验室趋势推动转移机构向“高空间利用率、高运动精度”升级；

·检测通量提升：高通量检测（如每小时2000 份样本）要求转移机构在速度（每秒≥3 次抓取）与可靠性（连续8 小时无故障）上同步突破。

当前主流 IVD 设备（如生化分析仪、化学发光仪）的耗材转移技术已相对成熟，但新兴检测技术（如单分子检测）正催生新一代高精度转移机构，其演进既继承传统需求，又适配前沿技术，体现技术与场景的动态适配。1.1 适用于前处理设备的耗材转移机构（移液枪）

前处理设备用于血液、体液等样本预处理，移液枪的对耗材转移方式以机械涨紧式结构为主：通过摩擦力固定 TIP 头实现自动装载，弹簧式弹性卸载机构完成脱吸。该机构技术成熟、维护便捷，适配半自动小型设备，但存在显著局限性：体积大（难以集成至紧凑型设备）、仅适配三轴直角坐标系平台（无法兼容ZR 旋转臂等高集成度结构），在生化/ 化学发光等主流设备中配置率低。

目前，其应用形态分化为两类：独立式移液枪（半自动场景）与集成式多通道移液系统（批量样本处理），仍作为标准化配件在特定场景（如基层实验室）保留价值。

1.2 适用于生化类与化学发光类设备的耗材转移机构

生化类与化学发光类设备作为临床检验“主力机型”，日均处理样本量达数百至数千份，需高频次处理 TIP 头（移液吸头）与反应杯（反应载体）。二者耗材特性差异显著：生化设备反应杯多为玻璃/ 硬质塑料材质且可重复使用（清洗复用），无需独立转移机构；化学发光设备反应杯因需兼容化学发光底物（清洁度、密封性要求高），且 TIP 头直接接触样本 / 试剂（防交叉污染），两类耗材均需一次性单独转移。主流方案采用“凸轮驱动 + 模块化集成”机械抓取机构，通过凸轮结构实现夹爪开合，适配 5.5-12.0mm 外径的 TIP 头及 96 孔板配套反应杯（兼容90% 市售规格），集成于机械臂末端，配合导轨与传感器，抓取容差±2mm，支持每秒 2-3 次高速抓取，确保耗材在加样位、孵育位、检测位间的高效转移。驱动系统选用步进电机配合同步带传动（传动效率＞90%，）电机扭矩反馈可避免耗材损伤。当前向“高兼容、高可靠”优化，如柔性凸轮降低破损率，压力传感器实现自适应夹紧。

凸轮驱动式机械抓取机构结构示意图

1.3 适用于单分子检测设备的耗材转移机构

单分子检测对耗材集成化、精密化要求高，需兼顾 TIP 头、反应杯及微流控芯片的转移。采用双执行机构设计：一侧执行机械抓取常规耗材（TIP 头和反应杯），对称侧执行芯片吸附，真空泵提供负压（- 5 kPa 至 - 50 kPa 负压），电磁阀控制压力方向，通过多孔吸盘实现芯片柔性吸附，结合柔性压力控制（接触应力≤ 0.1 N/mm²），可通过调节吸盘布局形态，兼容市面上 50mm×50mm 至 120mm×120mm生物芯片的转移；双机构协同工作，实现三类耗材的高效无损转移，成本较常规的独立机构降低 50%， 实现连续 8 小时运行稳定性达99.9%。

1.4 适用于多场景的多耗材兼容机构( 高集成化整合形态)

双执行机构结构示意图

第四代机构实现多耗材兼容与移液功能融合，优化移液杆结构：底部球头式涨紧结构（4-5.5 mm）适配 TIP 头，中段 O 型圈卡槽稳固夹持反应杯（密封精度 ±0.1mm），顶部集成微型移液泵（50-200 μL，精度 ±0.5%），实现“一杆三用”。体积较传统移液枪减小30%，功能集成度提升 50%，支持 90% 以上市售耗材，移液误差≤±0.5%，连续运行无故障，已在多组学检测平台应用。

经临床测试，该机构在多组学检测场景中表现优异：支持50-200μL TIP 头（5 种主流品牌）、5-50mL 反应杯（3 种材质）转移，适配90% 以上市售IVD 设备耗材；移液误差≤±0.5%，重复性CV ＜5%（n=50 次测试）；连续8 小时运行（处理样本500 份）无故障，TIP 头破损率＜ 0.01%，反应杯卡阻率＜ 0.02%。与前代机械抓取机构相比，其功能集成度提升 50%、体积减小 30%，支持“转移 + 移液”一体化操作，显著缩短多组学检测流程时间（从 30 分钟 / 样本降至 15 分钟 / 样本），已在国内三甲医院的多组学检测平台实现临床应用，为多场景自动化检测提供了高效解决方案。

多耗材兼容机构结构示意图

二、IVD 设备耗材转移机构的核心设计原理

IVD 设备耗材转移机构的设计需兼顾高精度抓取、多耗材兼容与紧凑集成，其核心原理围绕“机械结构适配”与“控制逻辑协同”展开。以下从核心抓取机构设计、多耗材集成设计、驱动与控制原理三方面重点解析。

2.1 抓取机构设计：适配不同耗材的力学逻辑

机械抓取（凸轮开合式）：通过凸轮 - 夹爪联动 - 位移传感器，将旋转运动转化为夹爪开合，利用刚性接触摩擦力抓取。步进电机驱动凸轮（曲率半径 5-10 mm，升程 30° -60°），夹爪分体式设计（圆弧倒角 1.0 mm），预压缩弹簧提供 0.5-1 N 可调夹持力，覆盖 90%市售耗材，挤压变形量＜0.1 mm，位移偏差＜0.1 mm。

机械涨紧（弹性形变式）：通过弹性形变硬性与软性接触，适配异质耗材。TIP 头拾取部采用球型凸起（10.0-10.5 mm）涨紧，径向涨紧力≤ 0.1 N/mm² ；反应杯拾取部用 O 型圈（6.0-8.0 mm），压缩变形 0.3-0.5 mm，接触应力波动＜ 10%，兼容 90% 耗材，横向尺寸减小 40%，支持≥1 次 / 秒高速转移。

2.2 多耗材集成设计：结构复用与空间优化

IVD 设备的小型化与高通量需求推动耗材转移机构向“多任务集成”方向发展，核心通过结构复用与空间优化实现 TIP 头、反应杯、生物芯片及移液功能的协同运行。

1. 多耗材抓取兼容设计

借鉴移液枪模块化设计思路，通过优化移液杆结构，创新性实现 TIP 头拾取与反应杯拾取的同轴装载方案——二者共用驱动模块，运动轨迹重合度≥ 99.9%（误差叠加＜ 0.1mm），显著提升抓取精度；针对生物芯片的负压吸附特性，将驱动模块对称布置于结构另一侧，形成“TIP 头+ 反应杯+ 生物芯片”全兼容抓取体系，解决了传统分体式设计需多套驱动的问题。

突破传统“转移- 移液”分步操作限制，将微型移液泵（流量 5-200μL，精度±0.5%）直接集成于耗材拾取机构本体。装载 TIP 头后，通过高精度活塞运动（行程控制精度±0.02mm）完成样本/ 试剂精准转移，省去换枪步骤，同步实现“转移- 移液- 液面检测”全流程集成，大幅提升操作效率。

2.3 驱动与控制原理：嵌入式系统的实时协同

嵌入式控制器（如 STM32F4 系列，ARM Cortex-M4 内核）基于实时操作系统（RTOS），集成以下核心功能：

运动规划：通过 S 型加减速曲线（加速度 0-1000mm/s²）规划电机运动轨迹，减少机械冲击（振动幅值＜0.05mm）；

传感器反馈：集成扭矩传感器（精度±0.5%FS）监测夹爪负载，超阈值（如 TIP 夹爪负载＞5N）时触发过载保护；光电编码器（分辨率 1000P/R）实时反馈电机转速，确保位置精度（±0.01mm）；

智能交互：通过 UART/USB 接口与上位机通信，接收移液指令（如“吸取 100μL 样本”），并反馈执行状态（如“移液完成”）；

故障诊断：预设异常阈值（如电机堵转电流＞2A），触发保护停机并上报错误代码（如“TIP 头未装载”），提升维护效率。

该方案兼顾小型化（嵌入式控制器体积仅为 PLC 的 1/3）与实时性（响应延迟＜1ms），适配 IVD 设备对紧凑布局与高精度控制的双重需求，支撑多场景检测的高效运行。

三、IVD 设备耗材转移机构的应用场景与技术优势

3.1 不同检测类型中的适配性

化学发光免疫分析：凸轮开合式结构实现 ±5 mm 容错偏差，0.5-1.0 N 稳定夹持力，检测重复性 CV ＜0.5%。

单分子检测：机械涨紧结构实现 ±2 mm 容错偏差，纳升级液体处理误差≤±0.5%，提升检测灵敏度。

分子诊断：多耗材兼容机构通过柔性吸盘转移生物芯片，兼容 90% 芯片耗材，简化设备结构。

生化检测：优化凸轮结构实现单次抓取＜0.5 秒，样本处理量提升 20

3.2 技术优势总结

集成化提升：功能模块的一体化设计显著降低设备复杂度。例如，生化类分析仪中反应杯与 TIP 头抓取功能集成，零部件数量减少

30% 以上，装配工时缩短 40%，平均无故障运行时间（MTBF）从 500 小时提升至 1000 小时，大幅降低运维成本。效率优化：流程简化与并行处理能力是关键。多功能机构可在单次运动中完成“抓取（TIP 头和反应杯）- 移液”多操作（如单分子

检测设备），检测周期缩短 25% ；紧凑的耗材存储布减少转移路径长度（降低 30%），高通量设备每小时处理样本量提升 20%（从 150 份

→180 份），耗材存储容量增加 50%，减少人工补料频次。

兼容性增强：多耗材适配能力降低设备使用门槛。通过可调节组件（如更换O 型圈/ 吸盘），机构可适配 90% 以上标准耗材（TIP 头、反应杯、生物芯片等），减少实验室设备重复购置成本（降低 40%）；操作培训时间缩短 50%，推动 IVD 技术在基层医疗机构的普及。

四、结语

IVD 设备耗材抓取（转移）机构的发展是市场需求与技术创新协同驱动的结果。从早期前处理设备的基础机械涨紧结构，到化学发光设备的凸台开合式抓取，再到单分子检测的高精度集成机构，技术演进始终围绕“多耗材兼容”“高精度转移”“高通量处理”三大需求。涨紧接触式结构、同轴设计、嵌入式控制等技术的应用，推动了 IVD 设备向小型化、智能化转型。

未来，随着 AI 视觉、柔性机器人等技术的融合，耗材转移机构将向“智能决策、自适应调节”方向发展。例如，通过机器视觉实时识别耗材类型（TIP 头 / 反应杯 / 芯片）并动态调整抓取策略（如软质芯片的柔性夹持、硬质反应杯的刚性定位），进一步提升检测效率与准确性，为精准医疗提供更可靠的技术支撑。

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