生化分析儀的光學(xué)系統(tǒng)

1、2生化分析儀的基本工作原理目前絕大多數(shù)生化分析儀都是基于光電比色法的原理進(jìn)行工作的。其結(jié)構(gòu)可粗略看成是由光電比色計(jì)或分光光度計(jì)加微機(jī)兩部分組成。生化分析儀的基本工作原理如圖 1所示。如圖1,生化分析儀的基本工作原理是由單色光束照射比色皿內(nèi)的有色液體 ，通過被測樣品對 光能量的吸收，由探測器（光電轉(zhuǎn)換器）將光信號轉(zhuǎn)換成相 應(yīng)的電信號，該信號經(jīng)放大、整流、并 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入計(jì)算機(jī)，同時計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動電力驅(qū)動濾光片輪和樣品盤 ，計(jì)算機(jī)再根據(jù)用戶選擇的工作方式對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、分析、保存后，在測完每組本¥品之后.進(jìn)行比色皿清洗2 o|光源試.年1軸取 G 光眼:H itfta

2、;柞萬聞 T L放僻祖；耀超朽換,打印機(jī)同時打印出相應(yīng)的結(jié)果，最清洗出色池和管路用I自冽生化分桁hI ”以平用3生化分析儀光學(xué)系統(tǒng)的分光比色方法生化分析儀有兩種光電比色方法：前分光和后分光。圖2采用的是前分光，即先通過單色器分光后再入射到比色池。圖3采用的是后分光，即從光源發(fā)射的復(fù)合光先通過比色池后再經(jīng)單色器分光。對于前分光式的分光光度計(jì),由于通過吸收池的是單色光，所以沒有其它波長單色光的干擾。其缺點(diǎn)是測試速度相對較慢，不能同時完成多波長測試。對于后分光式的分光光度計(jì)由于光先通過吸收池再由單色器分光,所以可采用面陣ccd、光電二極管陣列等光電探測器同時對幾個波長進(jìn)行測試，速度快。1門冽生化分桁

3、氣"八I ”也可圖后分光技術(shù)一般用于全自動生化分析儀。前分光技術(shù)是早期自動生化分析儀廣泛使用的光電比色方法，現(xiàn)在一般用于半自動生化分析儀中，相對后分光技術(shù)來說結(jié)構(gòu)簡單 ，成本較低，基于,所以采用了這種分光比色方法。我們所研發(fā)的半自動生化分析儀是面向國內(nèi)低消費(fèi)層次市場4 生化分析儀光學(xué)系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)生化分析儀的光學(xué)系統(tǒng)可以粗略地看作是一個分光光度計(jì), 其所要完成的工作簡單的講是將光源所發(fā)出的復(fù)色光分成所需要的單色光, 利用光電探測器將帶有被測樣品信息的單色光的光信號變?yōu)殡娦盘柡? 再通過控制系統(tǒng)將信號送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理計(jì)算。4.1 光源生化分析儀中對光源的基本要求是: 在儀器的

4、工作波段范圍內(nèi)提供連續(xù)輻射, 即光源可以發(fā)射連續(xù)光譜, 以便記錄一個完全的吸收光譜; 光源發(fā)射的輻射能量具有足夠的強(qiáng)度, 其能量隨波長變化盡可能小; 具有較好的穩(wěn)定性; 有較長的壽命3 。實(shí)際上, 這種理想光源是不存在的。臨床項(xiàng)目測定中, 光源 強(qiáng)度保持不變是獲得準(zhǔn)確測定結(jié)果的重要因素, 因此 , 在生化分析儀光學(xué)系統(tǒng)附有使電源電壓穩(wěn)定的裝置（ 穩(wěn)壓器 ） 。它的作用是穩(wěn)定光源發(fā)光強(qiáng)度, 使之不受外界電壓變化的影響。生化分析儀的檢測項(xiàng)目中經(jīng)常要用到波長為340nm的紫外光，所以對光源的紫外光出射有特別的要求。而一般的燈泡發(fā)出的紫外光都相當(dāng)微弱 , 因此 , 我們選用鹵素石英燈。鹵素石英燈的工作

5、波長一般為325800nm, 可以滿足生化分析儀從紫外到可見光的檢測。而且,鹵素?zé)舭l(fā)出的光線強(qiáng)、使用壽命長、發(fā)光效率高和體積小等優(yōu)點(diǎn)。由于光源自身產(chǎn)生熱量較嚴(yán)重, 會導(dǎo)致光源的使用壽命大幅降低, 所以設(shè)計(jì)了特別散熱裝置。4.2 分光裝置生化分析儀采用的光源一般是發(fā)射寬波段范圍的連續(xù)輻射, 然而 , 在實(shí)際測量時, 我們希望采用窄譜帶或單色光，這是由于：采用窄帶輻射才有可能將彼此非常接近的吸收帶分開。采用窄帶才可能在最大吸收波長處進(jìn)行測量，從而提高測定靈敏度。在定量分析時，采用窄帶才能較好地遵守比爾定律。因此, 必 需采用適當(dāng)?shù)难b置將寬波段復(fù)合光分解為窄帶或單色光。單色器是使不同波長的光以不同的

6、角度發(fā)散的組件, 按色散元件的不同, 可分為棱鏡單色器、光柵單色器和 濾光片式單色器。棱鏡單色器簡單又便宜, 但其色散是彎曲且非線性的, 長波色散率較小短波色散率較高, 因此欲得到相同的光譜強(qiáng)度, 狹縫寬度要隨波長而改變 , 并且光譜線間隔不同為非勻排光譜4 。光柵的色散率大, 色散角與波長成線性關(guān)系, 分辨率高, 光譜范圍寬。采用光柵的儀器設(shè)計(jì)時須注意光譜疊級, 檢測靈敏度及光學(xué)布局（ 前分光或后分光） 等因素的影響。光柵的主要缺點(diǎn)是有次級光譜干擾分析, 且雜散光的影響較大。而且, 光柵的價格昂貴。濾光片是一種簡單而廉價的波長選擇器, 其作用是選擇性地透過一定波長范圍的光。濾光片的濾光特性用

7、最大透光波長（ 中心波長） 和譜帶半寬度（ 有效 帶寬 ） 來描述。最大透光波長是指在該波長處輻射有最大透光率, 而譜帶半寬度是指最大透光率的一半處譜帶的波長范圍（ 圖 4）, 以納米 （nm） 表示 , 譜帶半寬度愈小 , 則單色光的純度愈高, 一般濾光片的譜帶半寬度為10nm。放J伴坨，當(dāng)能憶力檢驗(yàn)的準(zhǔn)確度與單色光的名曲麥?zhǔn)怯泻艽箨P(guān)系的，所以，應(yīng)選擇半寬度較小的窄帶濾光片。同時，為了能夠得較好的紫外光強(qiáng)度（340nm）,我們選擇了透過率較高的濾光片。而為了不使578nm和630nm處得到的光強(qiáng)度溢出計(jì)算范圍，選擇了透過率較低的濾光片（如表1）。濾光片的透光特性隨著溫度的變化而變化，溫度升高

8、時，不但它的半寬度會加寬，峰值波長也會起變化。因此在光源燈和濾光片裝置比較接近的光學(xué)系統(tǒng)中，使用隔熱玻璃擋在燈泡和濾光片之間。在安裝光源燈時需要注意，別讓它與隔熱玻璃直接接觸，以減少導(dǎo)熱。4.3 比色皿液體在比色皿中對光能量的吸收，這是生化分析中一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。比色皿的質(zhì)量指標(biāo)主要包括透光面玻璃的光學(xué)性能和比色皿的幾何精度兩個方面。比色皿的內(nèi)徑選擇為 10mmm口圖5） o盡管可以做成各種形狀和尺寸，但國際上規(guī)定，液層厚度（即內(nèi)徑）為10mm的比色皿為標(biāo)準(zhǔn)比色皿。比色皿一般為長方體。另外，還要注意兩窗口間距離要準(zhǔn)確；窗口應(yīng)垂直于光路；使用前后應(yīng)將比色皿徹底清洗；比色皿要有較強(qiáng)的耐腐蝕性；比色皿

9、內(nèi)壁要求光滑，以免光通過時發(fā) 生散射，產(chǎn)生雜光。透光面玻璃使用石英玻璃制作。因?yàn)槭⒉Ａ芡高^紫外線，波長150nm，透過率5%;波長170nm,透過率15%;波長180nm,透過率50%;波長220nm,透過率為 80%;波長280nm,透過率90%5惟制薄放大、棒fl樣配沐換9 I 刈工化分；匚！產(chǎn)以時？生化分析儀在臨床檢測中，進(jìn)行不同項(xiàng)目的檢測要求液體溫度控制在某一特定數(shù)值，能否按要求準(zhǔn)確控制反應(yīng)液的溫度，直接影響檢測結(jié)果的可信度。由于液體與比色皿有迅速的溫度交i奐，實(shí)際是通過控制比色池的溫度達(dá)到控制液體溫度的目的的。因此，設(shè)計(jì)了比色皿的溫控裝置通過使用半導(dǎo)體制冷片使比色皿溫度控制誤差在

10、士 0.1 c范圍內(nèi)，且能快速升、降溫，即能在10s,最多不超過20s內(nèi)使比色皿溫度達(dá)到指定溫度。4.4 光電檢測器在測量中須把光信號的變換轉(zhuǎn)換成電信號的變化才能定量測量。這種利用光電效應(yīng)把光能 轉(zhuǎn)化為電能的器件，叫做光電檢測器。在檢驗(yàn)儀器中常用的光電檢測器有光電池、光電管、光電 倍增管等。生化分析儀用光電檢測器必須滿足以下三個條件：光電轉(zhuǎn)換必須滿足恒定的函數(shù)關(guān)系；波長響應(yīng)范圍寬；靈敏度高，響應(yīng)速度快，產(chǎn)生的電信號易于檢測和放大，噪音低。我們選用了硅光電池作為探測器。硅光電池性能優(yōu)良，具有工作穩(wěn)定、體積小、反應(yīng)速度快、工作時不需要外加偏壓等優(yōu)點(diǎn)；它在穩(wěn)定的光照下是“安靜”的，它不會增加噪音，與

11、放大器之間可以低阻輸入，從而既使感應(yīng)噪音有所下降，又使屏蔽線上的高頻損耗可以忽略，這些對于提高信噪比減少故障和改善頻響都是十分有利的，并且光電換能的裝置簡單和使用方便6 o4.5 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于前分光技術(shù)我們設(shè)計(jì)了兩個光學(xué)系統(tǒng)方案。如圖6所示。.二光眼比色皿I I策測舞!* _成人、悟流、模敢，? 效蛔處-J :：陷 fi4生化分桁以并繁產(chǎn)心理困第一種光學(xué)系統(tǒng)如圖 6(a)所示，只有一組聚光鏡，光源發(fā)出的光會聚成平行光然后分別通過濾光片和比色皿，直接照射在探測器上。第二種光學(xué)系統(tǒng)如圖6(b)所示，它與第一種光學(xué)系統(tǒng)不同的是：它有兩組聚光鏡，平行光通過濾光片后再經(jīng)過一組聚光鏡成會聚光，然后進(jìn)

12、入比色皿到達(dá)探測器。5實(shí)驗(yàn)研究為了證實(shí)上述兩個光學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際測試中的適應(yīng)性，我們把制造出來的兩個光學(xué)裝置 ，作為方案評生化分析儀光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑不大 ，視場較小，對像質(zhì) 的要求不是很高，主要要校正的是 單色像差。在第一種系統(tǒng)中 ，設(shè)計(jì)的聚光鏡是一個雙膠合透鏡 (如圖7) o在第二種系統(tǒng)中，設(shè)計(jì) 的是較為復(fù)雜的組合透鏡 ，使用 的玻璃片數(shù)較第一種多，整個系統(tǒng)的尺寸較大。所以 ，從理論上來說，我們認(rèn)為第一種光學(xué)系統(tǒng)具有更高的可行性。選擇雙膠合物鏡。雙膠合物鏡結(jié)構(gòu)簡單7能損 失小，合理的選擇玻璃和彎曲能校正球差、彗差和色差r I 理涓沈出色 池和菁路“ 比二迎L，血人.忡.士拽/科超1x'.1門動7比仆析儀.r :以比監(jiān)下面是在相同的測試條件下使用兩種系統(tǒng)對510nm的波長進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)從表2中我們可以看到，在相同的測t條件下，第一種光學(xué)系統(tǒng)的期望值明顯比第二種光學(xué)系統(tǒng)要高，而且它的方差也較低，所以說第一種光學(xué)系統(tǒng)的測量效果比第二種光學(xué)系統(tǒng)好。因此，我們最終選用了第一種光學(xué)系統(tǒng)。我相處專!