生化分析仪的光学系统

2 生化分析仪的基本工作原理

目前绝大多数生化分析仪都是基于光电比色法的原理进行工作的。其结构可粗略看成是由光电比色计或分光光度计加微机两部分组成。生化分析仪的基本工作原理如图1所示。

如图1,生化分析仪的基本工作原理是由单色光束照射比色皿内的有色液体,通过被测样品对光能量的吸收,由探测器(光电转换器)将光信号转换成相应的电信号,该信号经放大、整流、并转换成数字信号,送入计算机,同时计算机控制驱动电力驱动滤光片轮和样品盘,计算机再根据用户选择的工作方式对测量数据进行处理、运算、分析、保存,打印机同时打印出相应的结果,最后,在测完每组样品之后.进行比色皿清洗[2]。

3 生化分析仪光学系统的分光比色方法

生化分析仪有两种光电比色方法:前分光和后分光。图2采用的是前分光,即先通过单色器分光后再入射到比色池。图3采用的是后分光,即从光源发射的复合光先通过比色池后再经单色器分光。对于前分光式的分光光度计,由于通过吸收池的是单色光,所以没有其它波长单色光的干扰。其缺点是测试速度相对较慢,不能同时完成多波长测试。对于后分光式的分光光度计,由于光先通过吸收池再由单色器分光,所以可采用面阵ccd、光电二极管阵列等光电探测器同时对几个波长进行测试,速度快。

后分光技术一般用于全自动生化分析仪。前分光技术是早期自动生化分析仪广泛使用的光电比色方法,现在一般用于半自动生化分析仪中,相对后分光技术来说结构简单,成本较低,基于我们所研发的半自动生化分析仪是面向国内低消费层次市场,所以采用了这种分光比色方法。

4 生化分析仪光学系统的研究及设计

生化分析仪的光学系统可以粗略地看作是一个分光光度计,其所要完成的工作简单的讲是将光源所发出的复色光分成所需要的单色光,利用光电探测器将带有被测样品信息的单色光的光信号变为电信号后,再通过控制系统将信号送到数据处理系统进行处理计算。

4.1 光源

生化分析仪中对光源的基本要求是:①在仪器的工作波段范围内提供连续辐射,即光源可以

发射连续光谱,以便记录一个完全的吸收光谱;②光源发射的辐射能量具有足够的强度,其能量随波长变化尽可能小;③具有较好的稳定性;④有较长的寿命[3]。实际上,这种理想光源是不存在的。临床项目测定中,光源强度保持不变是获得准确测定结果的重要因素,因此,在生化分析仪光学系统附有使电源电压稳定的装置(稳压器)。它的作用是稳定光源发光强度,使之不受外界电压变化的影响。生化分析仪的检测项目中经常要用到波长为340nm的紫外光,所以对光源的紫外光出射有特别的要求。而一般的灯泡发出的紫外光都相当微弱,因此,我们选用卤素石英灯。卤素石英灯的工作波长一般为325~800nm,可以满足生化分析仪从紫外到可见光的检测。而且,

卤素灯发出的光线强、使用寿命长、发光效率高和体积小等优点。

由于光源自身产生热量较严重,会导致光源的使用寿命大幅降低,所以设计了特别散热装

置。

4.2 分光装置

生化分析仪采用的光源一般是发射宽波段范围的连续辐射,然而,在实际测量时,我们希望采用窄谱带或单色光,这是由于:①采用窄带辐射才有可能将彼此非常接近的吸收带分开。②采用窄带才可能在最大吸收波长处进行测量,从而提高测定灵敏度。③在定量分析时,采用窄带才能较好地遵守比尔定律。因此,必需采用适当的装置将宽波段复合光分解为窄带或单色光。单色器是使不同波长的光以不同的角度发散的组件,按色散元件的不同,可分为棱镜单色器、光栅单色器和滤光片式单色器。棱镜单色器简单又便宜,但其色散是弯曲且非线性的,长波色散率较小,短波色散率较高,因此欲得到相同的光谱强度,狭缝宽度要随波长而改变,并且光谱线间隔不同为非匀排光谱[4]。

光栅的色散率大,色散角与波长成线性关系,分辨率高,光谱范围宽。采用光栅的仪器设计时须注意光谱叠级,检测灵敏度及光学布局(前分光或后分光)等因素的影响。光栅的主要缺点是有次级光谱干扰分析,且杂散光的影响较大。而且,光栅的价格昂贵。

滤光片是一种简单而廉价的波长选择器,其作用是选择性地透过一定波长范围的光。滤光片的滤光特性用最大透光波长(中心波长)和谱带半宽度(有效带宽)来描述。最大透光波长是指在该波长处辐射有最大透光率,而谱带半宽度是指最大透光率的一半处谱带的波长范围(图4),以

纳米(nm)表示,谱带半宽度愈小,则单色光的纯度愈高,一般滤光片的谱带半宽度为10nm。

检验的准确度与单色光的纯度是有很大关系的,所以,应选择半宽度较小的窄带滤光片。同时,为了能够得较好的紫外光强度(340nm),我们选择了透过率较高的滤光片。而为了不使578nm 和630nm处得到的光强度溢出计算范围,选择了透过率较低的滤光片(如表1)。

滤光片的透光特性随着温度的变化而变化,温度升高时,不但它的半宽度会加宽,峰值波长也会起变化。因此在光源灯和滤光片装置比较接近的光学系统中,使用隔热玻璃挡在灯泡和滤光片之间。在安装光源灯时需要注意,别让它与隔热玻璃直接接触,以减少导热。

4.3 比色皿

液体在比色皿中对光能量的吸收,这是生化分析中一个关键的环节。比色皿的质量指标主要包括透光面玻璃的光学性能和比色皿的几何精度两个方面。比色皿的内径选择为10mm(如图5)。尽管可以做成各种形状和尺寸,但国际上规定,液层厚度(即内径)为10mm的比色皿为标准比色皿。比色皿一般为长方体。另外,还要注意两窗口间距离要准确;窗口应垂直于光路;使用前后应将比色皿彻底清洗;比色皿要有较强的耐腐蚀性;比色皿内壁要求光滑,以免光通过时发生散射,产生杂光。透光面玻璃使用石英玻璃制作。因为石英玻璃能透过紫外线,波长150nm,透过率5%;波长170nm,透过率15%;波长 180nm,透过率50%;波长220nm,透过率为80%;波长>280nm,透过率>90%[5]。

生化分析仪在临床检测中,进行不同项目的检测要求液体温度控制在某一特定数值,能否按要求准确控制反应液的温度,直接影响检测结果的可信度。由于液体与比色皿有迅速的温度交换,实际是通过控制比色池的温度达到控制液体温度的目的的。因此,设计了比色皿的温控装置:通过使用半导体制冷片使比色皿温度控制误差在±0.1℃范围内,且能快速升、降温,即能在

10s,最多不超过20s内使比色皿温度达到指定温度。

4.4 光电检测器

在测量中须把光信号的变换转换成电信号的变化才能定量测量。这种利用光电效应把光能转化为电能的器件,叫做光电检测器。在检验仪器中常用的光电检测器有光电池、光电管、光电倍增管等。

生化分析仪用光电检测器必须满足以下三个条件:①光电转换必须满足恒定的函数关系;②波长响应范围宽;③灵敏度高,响应速度快,产生的电信号易于检测和放大,噪音低。

我们选用了硅光电池作为探测器。硅光电池性能优良,具有工作稳定、体积小、反应速度快、工作时不需要外加偏压等优点;它在稳定的光照下是“安静”的,它不会增加噪音,与放大器之间可以低阻输入,从而既使感应噪音有所下降,又使屏蔽线上的高频损耗可以忽略,这些对于提高信噪比减少故障和改善频响都是十分有利的,并且光电换能的装置简单和使用方便[6]。

4.5 光学系统的设计

基于前分光技术我们设计了两个光学系统方案。如图6所示。

第一种光学系统如图6(a)所示,只有一组聚光镜,光源发出的光会聚成平行光然后分别通过滤光片和比色皿,直接照射在探测器上。第二种光学系统如图6(b)所示,它与第一种光学系统不同的是:它有两组聚光镜,平行光通过滤光片后再经过一组聚光镜成会聚光,然后进入比色皿,到达探测器。

5 实验研究

为了证实上述两个光学系统在实际测试中的适应性,我们把制造出来的两个光学装置,作为方案评生化分析仪光学系统相对孔径不大,视场较小,对像质的要求不是很高,主要要校正的是单色像差。在第一种系统中,设计的聚光镜是一个双胶合透镜(如图7)。在第二种系统中,设计的是较为复杂的组合透镜,使用的玻璃片数较第一种多,整个系统的尺寸较大。所以,从理论上