生化参数光电测试系统的研究Word文档格式.docx
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1.4生化分析过程简介5
第二章半自动生化分析仪器的原理7
2.1分光光度法的理论基础—比尔定律7
2.2分光光度计的组成8
2.3分光光度计的指标20
第三章生化元件特性的测试26
3.1组成26
3.2电路原理框图及流程图34
第四章实验36
4.1.AD623的特性测试结果36
结论37
参考文献38
致谢39
第一章前言
1.1生化分析仪的概念
生化分析仪是医疗机构进行临床诊断所必需的仪器之一,主要用于测定人体体液中的各种生化指标,如临床检验血常规、心肌酶谱、血糖血脂、肝功、肾功、免疫球蛋白等常规生化指标。
自动生化分析仪,就是把生化分析中的取样、加试剂、去干扰、混合保温反应、检测、清洗以及结果计算、显示和打印等步骤自动化的仪器。
它完全模仿并代替了手工操作,不仅提高了工作效率,而且减少了主观误差,稳定了检验质量。
由于这类仪器一般都具有灵敏、准确、快速、节省和标准化等优点,使得自动生化分析仪在临床生化分析中得到了广泛应用。
生化分析仪是属于光学式分析仪器,它是基于物质对光的选择性吸收原理,即分光光度分析法,其测量原理如图1-1所示:
图1.1分光光度测量原理
分光光度分析是绝大多数生化分析仪所采用的一类检测方法,它是基于不同分子结构的物质对电磁辐射的选择性吸收而建立起来的方法,属于分子吸收光谱分析。
它以分子吸收某一波长的光为基础,表现为分子的吸光度值(A)为波长(入)的函数关系。
分光光度分析的依据是朗伯一比尔定律,它以被测物质分子吸收某一波长的单色光为基础,其原理是:
单色器将光源发出的复色光分成单色光,特定波长的单色光通过盛有样品溶液的比色皿,样品的吸光度与样品溶液浓度和光通过的距离(即光径)成正比,光电转换器将透射光转换为电信号后经信号处理系统处理得到样品溶液的浓度。
当光通过时吸收的强度与溶质浓度和光通过的距离有一定的关系,布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)在1729年和1760年阐明了光辐射强度和吸收层厚度的关系,1852年比尔(Beer)又提出光辐射强度和吸收物浓度也具有类似的关系;
布格一朗伯一比尔定律的数学表示式为:
A=
(1.1)
其中:
A——光同通过戒指被介质吸收的吸光度
T——透射光强与入射光强之比即透光率
——入射光强度
——透射光强度
——介质摩尔吸光系数(ml
mol
cm
)
c——吸收物的摩尔浓度(mol/mol)
b——吸收层厚度(cm)
上式表明,当特定波长的单色光通过溶液时,样品的吸光度与溶液中吸收物浓度和光通过的距离成正比。
1.2生化分析仪分类
自50年代Skeggs首次介绍一种临床生化分析仪的原理以来,随着科学技术尤其是医学科学的发展,各种生化自动分析仪和诊断试剂均有了很大发展,动化程度有了显著的提高,生化分析仪从自动化程度上,分为半自动型、全自动型。
人们最开始是直接使用通常的分光光度计用于生化分析,和分析其它化学成分过程一样,人工将分析样品放到比色皿(样品池)中,测试样品的吸光度,然后人工计算生化指标。
随着需求的增加,人们在通用分光光度计的基础上研制成专门用于生化分析的分光光度计,既半自动生化分析仪。
所谓半自动生化分析仪是采用流动比色皿,进样系统实现半自动,生化指标的计算和检验结果报告的打印是自动完成的,试剂和样品的混合、比色皿的清洗等均由手工操作完成,特别是利用半自动生化分析仪只能在一个样品的测试完成后才能分析下一个样品,效率低下。
半自动生化分析仪依据分光元件的不同分为滤光片式和光栅扫描式。
随着国内医院要求诊断指标的增多,测试工作量也越来越大,半自动生化分析仪己经远远不能满足需要,人们开始了自动生化分析技术的研究,研制了全自动生化分析仪。
自动生化分析技术是以机械的方式模拟手工操作,完成取样、加试剂、保温、显色、比色、计算结果的报告打印等多个步骤,并接照分析程序,把这些步骤连接起来,使一个分析项目的整个过程按预定的程序自动完成,可对多个样品按同一方式连续处理或对一个样品同时进行多项目检测,实现这些分析技术的仪器称为自动生化分析仪。
本设计中样品的传送方式采用的是连续流动式(管道式),其特点是测定项目相同的各待测样品与试剂混合后的化学反应,是在同一管道中经流动过程完成的,系统利用非分段系统式,靠试剂空白或缓冲液来间隔每个样品的反应液。
1.3生化分析仪的国内外发展状况
1.3.1国外发展状况
国外临床生化分析仪发展从50年代开始,至今己经有了长足的进步,各公司推了种类繁多、性能优良的生化分析仪。
美国在60年代生产了流动式SMA系统自动生化分析仪,由于连续流动式的造价高,结构复杂,样品产生交叉污染的可能大等原因,70年代发展了离心式及分立式的分析仪,并且分立式的自动生化分析仪目前己成为主流。
世界上首台实用的自动生化分析仪是美国Technicon公司在1957年推出的AutoAnalyzer,此后世界上许多家公司都纷纷推出自己的产品,如美国贝克曼、日本日立、岛津、德国拜尔等都相继研制成功全自动生化分析仪,并且己发展了几代,在分析精度、检验速度方面不断提高。
目前较有代表性的半自动生化分析仪器有荷兰研制的microlab300型半自动生化分析仪。
如图1.2所示
图1.2荷兰研制的microlab300型半自动生化分析仪
仪器介绍:
半自动、全中文显示、十二位滤光轮、六片干涉滤光片、程序控制转换、32ul流动比色池、长寿命卤钨灯、比路士吸排液泵、帕尔贴快速升降温、双波长测试;
适用于血清、血浆、尿液以及其它液体样品的分析;
大屏幕LCD彩色显示屏,内置针式打印机。
外形尺寸:
400*170*365mm重量:
8.5kg
光源灯:
石英卤素灯12V-20W
波长范围:
12位滤光片轮自动控制,6块标准干涉滤光片340、450、505、546、578、和620mm另有6个位置可供扩展
测试范围:
从-0.100到2.300Abs
总之,国外生化分析仪器向专业化、通用化、自动化、微量化、组合式和微机化的方向发展。
1.3.2国内发展状况及市场需求
目前国内自研生产的生化分析仪均是半自动型,例如中科院长春光机所的CA958型半自动生化分析仪,它由PC机控制或单机使用,在具有临床生化检验测量功能的同时,还可作吸光度时间扫描测量和连续光谱扫描测量。
再如杭州美迪公司生产的YK100型半自动生化分析仪,仪器配有大屏幕计算机,中文界面,采用先进的操作卡(IC卡)技术,操作存贮检验项目参数,病人结果及图表曲线,每一操作卡能存贮70种生化测试,操作简单,等等。
国内还没有自主生产的全自动生化分析仪,这主要是因为它涉及光、机、电、算、液路、温控、生化分析等多方面的综合技术,系统结构复杂、控制时序要求严格、运行可靠精度要求高等,至今国内还没有研制成功的案例,因此医疗机构的需求100%依靠进口。
近来随着医学的发展,我国医疗机构对自动生化分析仪的要求越来越迫切。
由于半自动生化分析仪有着一机多用,操作简便,测量准确可靠,适用于我过中小型医院。
特别是乡镇农村医院的高性能价格比。
因此国内医用检验和生化分析仪市场前景十分广阔。
而且中小型医院需求量大。
1.4生化分析过程简介
生化分析过程一般包括样品的识别、储存,处理和试剂的存储、传送,化学反应和反应的检测,信号处理、数据报告和结果分析等步骤。
样品(specimen)是从测试对象采取的血液、尿液等,在放入分析仪开始分析前需要对其加以标记、处理,样品经过处理后进入生化分析仪后称为样本(sample)。
样品的识别、处理和存储。
样品的识别开始在采样品处,将所取得样品用标记将其和受试者联系起来,这部分工作主要由护士完成。
目前绝大多数生化分析液不以全血,而是以血清(浆)为测定对象,血清由检验人员从全血中分离出来转放到另一个仪器再放入分析仪。
在存储时为防止样品由于体积减少而浓缩,一些分析仪在样品放置部分加盖并可控制在低温环境中。
样本和试剂的存储、传送。
样本和试剂的采取、运送可分为流式和分立式。
流式是将样品引入一个连续流动的液体管道中,流式仪器中广泛使用分配泵,根据管道口径粗细不同决定了标本和试剂的相对比例,其加注样本的绝对量的控制不如分立式那样可靠。
而分立式中样本进入独立的反应杯中,加入试剂后混匀进行化学反应。
分立式多采用注射器装置进行标本和试剂的吸取并加入反应杯中。
一般分析仪中使用液体试剂,存储在适合不同分析仪要求的各种塑料试剂瓶中,放在5到15℃冷室中保存,需要在不开主机或待命下可维持此姑度。
化学反应和反应的检测。
反应容器使用比色杯,即是化学反应发生处又另光度测量处。
在反应容器中加入反应液(标本和试剂),并对其进行充分混匀,在不同时间分别测定其吸光度,反应容器存放在恒温水浴中,保证整个反应名一定的恒温(30℃或37℃)下进行。
信号处理、数据报告和结果分析。
计算机作为生化分析仪的控制核心,又整个分析仪工作进行调控。
计算机能够对系统的工作状态进行实时监控,及比发现错误并自动纠正或通知操作人员。
在进行检验时,计算机可以自动安排测定步骤和程序。
接收并存储测量结果数据,经过分析,得出检验结果。
第二章半自动生化分析仪器的原理
分光光度计作为生化分析仪的核心部件之一,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进行处理计算。
目前绝大多数的生化分析仪都是用分光光度法对化学物质进行测量,有一些仪器还使用其它测定方法,如双波长或三波长法、荧光偏振法、比浊法等。
本项目采用分光光度法,它是以比尔定律为理论基础的。
2.1分光光度法的理论基础—比尔定律
当光通过溶液时,被吸收的强度与溶质浓度和光通过的距离有一定的关系,布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后在1729年和1760年阐明光辐射强度和吸收层厚度的关系,1852年比尔(Beer)又提出光辐射强度和吸收物浓度也具有类似的关系;
布格一朗伯一比尔定律的数学表示A=
(2.1)
其含义是:
特定波长的单色光通过溶液时,单色光被吸收的强度与溶液中吸收物浓度和光通过的距离成正比。
此定律广泛地应用于紫外一可见一红外光谱区吸收测量,实际应用时,研究吸收与物质浓度的关系更为重要,因而习惯上简称比尔定律。
但上式是以下列条件为前提:
(1)吸收过程中各物质无相互作用,但各物质的吸光度具有加合性;
(2)辐射与物质的作用仅限于吸收过程,没有荧光、散射和光化学现象;
(3)吸收物是一种均匀分布的连续体系。
实际工作中,如偏离以上任意一点,吸光度与浓度(或吸收层厚度)的线性关系将受影响,从而影响分析结果的准确度。
波长和吸收池光程一定时,透光率T对浓度作图,得到一指数关系曲线,但吸光度对浓度作图,得到一直线(如图2.1所示)。
由此可见,引入吸光度这一概念,对于用分光光度法作成分的定量测定极为方便,也便于研究分光光度的准确度和精密度。
图2.1透光率,浓度和吸光度的关系
还应指出,对给定物质而言,其摩尔吸光系数随波长、溶剂和温度而改变,而与吸收物质的浓度和吸收池的光程无关。
摩尔吸光系数直接用于比较己知分子量的不同物质的吸收,当物质的分子量未知时,如分离出新的化合物,则以g/L(克/升)表示浓度为宜,这时以a代替ε,a称作比吸光系数。
2.2分光光度计的组成
根据工作波段的不同,分光光度计可分为真空紫外分光光度计、可见分光光度计,紫外一可见分光光度计和紫外一可见一近红外分光光度计,其工作波段分别为0.1nm一200nm,350nm一700nm,185nm一900nm和185nm一2500nm。
真空紫外(远紫外)分光光度计在仪器制造上还有一些问题,目前还没有成熟的商品仪器,因此,真空紫外分光光度计还没有成为分析化学的重要工具。
生化分析仪所需的波长范围是从340nm到800nm,属于紫外一可见分光光度计。
现以紫外一可见分光光度计为例介绍分光光度计的组成。
[1]
典型的紫外一可见分光光度计是由光源、单色器、样品室、检测器、信号处理系统组成,其结构特征是六个部分按直线排列方式组合。
按光路结构的不同可分为前分光和后分光类型,图2-2采用的是前分光,既分光后再入射到吸收池。
图2-3采用的是后分光,即从光源发射的复合光先通过吸收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。
但是它不能同时完成多波长测试,而且测试速度慢。
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,速度快生化分析过程中,测试一个波长而其它波长的影响可忽略不计时采用后分光式可实现快速试。
图2.2(前分光)
图2.3(后分光)
从1941年世界上第一台分光光度计问世到现在,几十年来,随着光学和电子学技术的发展,上述几个组件在不断更新和发展,使仪器的测量精度、功能和自动化程度不断提高,但其结构排列方式仍基本不变。
2.2.1光源
用作紫外一可见分光光度计的光源应满足以下条件:
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;
具有较好的稳定性;
有较长的使用寿命。
表2-1列出了紫外一可见一红外分光光度计中常用的光源。
氢灯是最早的紫外分光光度计的光源,目前已被氖灯所取代,氖灯发射185nm-400nm的连续光谱,其发射强度和使用寿命比氢灯大3-5倍,且氢灯在300nm以上能量已很低,而氖灯则可使用到350nm。
当用石英作灯壳材料时,氖灯可透过200nm以上的光,而用熔融二氧化硅作灯壳材料财可透过185nm以上的光。
表2-1紫外一可见一红外分光光度计中常用的光源
光源
波长范围
光子输出强度
氢灯
氚灯
卤钨灯
钨灯
能斯特灯
炭化桂棒
185-375
185-400
250-2000
320-2500
1000-35000
1000-50000
弱,360nm以上不能用
中等强度(是氢灯的3-5倍)
用玻璃灯壳时,320nm以下无输出
最好输出为400-1200nm
10000nm以上输出为弱
钨灯是可见和近红外光谱区的光源,适用的波长范围是320nm-2500nm。
在一般分光仪器中,灯丝的温度约为2870K,此时发射的能量大部分在近红外区,当温度升高到4000K时,发射的能量大部分在可见区,但此时灯的寿命显著减小。
为克服这一缺点,人们研究出卤钨灯,即在钨丝灯内壳充入一定卤素(如碘、漠),在250℃-650℃温度区间,碘与蒸发到灯壁上的钨反应,生成气态碘钨化合物,使灯壁保持透明,同时生成的碘钨化合物又向灯泡中心扩散,在灯丝附近的高温区分解成碘和物,抑制了钨的蒸发,游离的碘重新扩散到灯壁,再与蒸发的钨化合,实现碘钨循环。
这种碘钨灯具有更大的发光强度和更长的使用寿命,在近代紫外一可见分光光度计中广泛用作可见光谱区光源,由于碘钨循环需要较高的温度,因而灯壳一般采用石英玻璃或耐高温玻璃制成。
无论钨灯或碘钨灯,在可见区发射的能量约与工作电压4次方成比例。
因此欲使光源稳定,必需有一个很好的稳压电源。
[2]
2.2.2单色器
分光光度计采用的光源一般是发射宽波段范围的连续辐射,然而在实际测量时希望采用窄谱带或单色光,这是因为:
(1)采用窄谱带辐射才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,从而提高测量灵敏度;
(3)在定量分析时,采用窄带才能较好的遵守比尔定律。
因此,必须采用合适的装置将复合光分解为窄带或单色光,单色器就是将光源辐射的复合光分解为单色光并可从中分出任一波长单色光的光学装置;
单色器由入射狭缝、准直装置(透镜或反射镜)、色散元件(棱镜或光栅)、聚焦装置(透镜或凹面反射镜)和出射狭缝等五部分组成的一个完整色散系统,安装在一个不透光的暗盒中[3]。
单色器输出波长的有效带宽决定于色散元件的线色散、入射和出射狭缝的宽度,窄小的狭缝有利于获得窄带:
但是,狭缝宽度又限制到达检测器的光强。
因此最小的带宽取决于检测器的灵敏度。
色散元件是单色器的核心部件,棱镜和光栅是应用最广的两种色散元件,有时也可用滤光片获取单色光。
棱镜和光栅的分光能力用色散率来描述。
对于经典的光谱仪器,色散率表明从色散系统中输出的不同波长的光线在空间彼此分开的程度,或者会聚到焦平面上的彼此分开的距离。
前者可用角色散率表述,后者用线色散率表述。
2.2.2.1滤光片
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。
谱带半宽度越小,则单色光的纯度越高。
在分光光度计中,滤光片可用以消除杂光,在光栅单色器中用一以消除光谱级重叠,在双波长分光光度法中用以平衡不同波长光束强度[4]。
常用的滤光片有以下几种:
中性滤光片,又称中性密度滤光片。
此种滤光片对一定范围的不同波长的光具有相同的吸光度。
两个光学平面完全平行的中性滤光片又称减光屏:
两光学平面间成一定角度的称为中性光楔。
将碳黑或金属悬浮于明胶中即可制成中性滤光片。
在分光光度计中,中性滤光片用来使光束强度均匀减弱,作衰减片用。
截止滤光片。
这种滤光片使波段一侧的光几乎全部透过,而另一侧波段的光则几乎不能透过或仅有很小部分透过。
在分光光度计中常用于削减杂散光或不需要的波长的光。
校正滤光片,又叫作标准滤光片。
这种滤光片用于校正分光光度计波长标度和吸光度标度,前者如钦玻璃滤光片、谱一钦滤光片;
后者则是精密制造的在特定波长具有恒定吸光度的滤光片,故又称标准滤光片。
干涉滤光片。
利用光的干涉原理以获得狭窄光谱带的器件,通常由多块玻璃之间附着两层或多层金属膜构成,干涉滤光片的优点是透射光的波长范围窄,透光率高,透射光的波长决定于金属膜之间的距离,多层千涉滤光片由5-25层膜组成,有效带宽可达8nm,目前可制成紫外到红外光谱区的各种谱带的干涉滤光片。
2.2.2.2棱镜的折射
各种透明介质具有不同的折射率,而同一种介质对于不同波长的光也有不同的折射率。
棱镜对不同波长的光的折射率不同,复合光通过棱镜后,不同波长的光产生不同的偏向角,从而将不同波长的光分开。
对于一个顶角为a的等腰三角形的棱镜如图2.4,若波长为λ(设棱镜对人波长处的光的折射率为n)的一束平行光以i1角射到棱镜的第一面上,光线在穿过它后发生折射,i1和i2分别为光线在第一面的折射角和第二面上的入射角,式为第二面的折射角。
把光束的入射方向和出射方向的夹角。
称为偏向角。
经推导,偏向角e可表示为式(2.2):
(2.2)
图2.4棱镜主截面的示意图
由上式可看出,对于a角已定的棱镜,当入射角i1不变时,偏向角θ是折射率n的函数。
因为n是波长λ的函数,所以。
随波长不同而不同。
对于一束包括各种波长的复合光以i1角入射到棱镜面上,通过棱镜折射后,各波长对应的偏向角。
不同,即在空间上被分解开来。
对于所有透明材料,折射率n一般是随着波长的减
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