生化分析儀的光學系統(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行工作的。其結構可粗略看成是由光電比色計或分光光度計加微機兩部分組成。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（光電轉換器）將光信號轉換成相應的電信號，該信號經放大、整流、并轉換成數(shù)字信號，送入計算機，同時計算機控制驅動電力驅動濾光片輪和樣品盤，計算機再根據(jù)用戶選擇的工作方式對測量數(shù)據(jù)進行處理、運算、分析、保存后，在測完每組本¥品之后.進行比色皿清洗2o|光源試.年1軸取G光眼:Hitfta;柞萬聞TL放僻祖；耀

2、超朽換,打印機同時打印出相應的結果，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)射的復合光先通過比色池后再經單色器分光。對于前分光式的分光光度計,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行測試，速度快。1門冽生化分桁氣"八I”也可圖后

3、分光技術一般用于全自動生化分析儀。前分光技術是早期自動生化分析儀廣泛使用的光,所以采用了這種分光比色方法。電比色方法，現(xiàn)在一般用于半自動生化分析儀中，相對后分光技術來說結構簡單，成本較低，基于我們所研發(fā)的半自動生化分析儀是面向國內低消費層次市場4生化分析儀光學系統(tǒng)的研究及設計生化分析儀的光學系統(tǒng)可以粗略地看作是一個分光光度計，其所要完成的工作簡單的講是將光源所發(fā)出的復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)殡娦盘柡螅偻ㄟ^控制系統(tǒng)將信號送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理計算。光源生化分析儀中對光源的基本要求是：在儀器的工作波段范圍內提供連續(xù)輻射，即光源可以發(fā)射連續(xù)光譜

4、，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度，其能量隨波長變化盡可能?。痪哂休^好的穩(wěn)定性；有較長的壽命3o實際上，這種理想光源是不存在的。臨床項目測定中，光源強度保持不變是獲得準確測定結果的重要因素，因此，在生化分析儀光學系統(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)光強度，使之不受外界電壓變化的影響。生化分析儀的檢測項目中經常要用到波長為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)出的紫外光都相當微弱，因此，我們選用鹵素石英燈。鹵素石英燈的工作波長一般為325800nm,可以滿足生化分析儀從紫外到可見光的檢測。而且，鹵素燈發(fā)出的光線強

5、、使用壽命長、發(fā)光效率高和體積小等優(yōu)點。由于光源自身產生熱量較嚴重，會導致光源的使用壽命大幅降低，所以設計了特別散熱裝置。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?shù)难b置將寬波段復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

6、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4o光柵的色散率大，色散角與波長成線性關系，分辨率高，光譜范圍寬。采用光柵的儀器設計時須注意光譜疊級，檢測靈敏度及光學布局（前分光或后分光）等因素的影響。光柵的主要缺點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）

7、,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，當能憶力檢驗的準確度與單色光的名曲麥是有很大關系的，所以，應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處得到的光強度溢出計算范圍，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，以減少導熱。比

8、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鍵的環(huán)節(jié)。比色皿的質量指標主要包括透光面玻璃的光學性能和比色皿的幾何精度兩個方面。比色皿的內徑選擇為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（即內徑）為10mm的比色皿為標準比色皿。比色皿一般為長方體。另外，還要注意兩窗口間距離要準確；窗口應垂直于光路；使用前后應將比色皿徹底清洗；比色皿要有較強的耐腐蝕性；比色皿內壁要求光滑，以免光通過時發(fā)生散射，產生雜光。透光面玻璃使用石英玻璃制作。因為石英玻璃能透過紫外線，波長150nm，透過率5%;波長170nm,透過率15%;波長180nm,透過率50%;波長220nm

9、,透過率為80%;波長280nm,透過率90%5惟制薄放大、棒fl樣配沐換9I刈工化分；匚！產以時？生化分析儀在臨床檢測中，進行不同項目的檢測要求液體溫度控制在某一特定數(shù)值，能否按要求準確控制反應液的溫度，直接影響檢測結果的可信度。由于液體與比色皿有迅速的溫度交i奐，實際是通過控制比色池的溫度達到控制液體溫度的目的的。因此，設計了比色皿的溫控裝置通過使用半導體制冷片使比色皿溫度控制誤差在士0.1c范圍內，且能快速升、降溫，即能在10s,最多不超過20s內使比色皿溫度達到指定溫度。光電檢測器在測量中須把光信號的變換轉換成電信號的變化才能定量測量。這種利用光電效應把光能轉化為電能的器件，叫做光電檢

10、測器。在檢驗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：光電轉換必須滿足恒定的函數(shù)關系；波長響應范圍寬；靈敏度高，響應速度快，產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、反應速度快、工作時不需要外加偏壓等優(yōu)點；它在穩(wěn)定的光照下是“安靜”的，它不會增加噪音，與放大器之間可以低阻輸入，從而既使感應噪音有所下降，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6o光學系統(tǒng)的設計基于前分光技術我們設計了兩個光學系統(tǒng)方案。

11、如圖6所示。.二光眼比色皿II策測舞!*_成人、悟流、模敢，?效蛔處-J:：陷fi4生化分桁以并繁產心理困第一種光學系統(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。第二種光學系統(tǒng)如圖6(b)所示，它與第一種光學系統(tǒng)不同的是：它有兩組聚光鏡，平行光通過濾光片后再經過一組聚光鏡成會聚光，然后進入比色皿到達探測器。5實驗研究為了證實上述兩個光學系統(tǒng)在實際測試中的適應性，我們把制造出來的兩個光學裝置，作為方案評生化分析儀光學系統(tǒng)相對孔徑不大，視場較小，對像質的要求不是很高，主要要校正的是單色像差。在第一種系統(tǒng)中，設計的聚光鏡是一個雙膠合透鏡

12、(如圖7)o在第二種系統(tǒng)中，設計的是較為復雜的組合透鏡，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7來說，我們認為第一種光學系統(tǒng)具有更高的可行性。選擇雙膠合物鏡。雙膠合物鏡結構簡單能損失小，合理的選擇玻璃和彎曲能校正球差、彗差和色差rI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的波長進行實驗的數(shù)據(jù)從表2中我們可以看到，在相同的測t條件下，第一種光學系統(tǒng)的期望值明顯比第二種光學系統(tǒng)要高，而且它的方差也較低，所以說第一種光學系統(tǒng)的測量效果比第二種光學系統(tǒng)好。因此，我們最終選用了第一種光學系統(tǒng)。我相處專!川j*一匕分