生化参数光电测试系统的研究

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个样品的测试完成后才能分析下个样品，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，可对多个样品按同方式连续处理或对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。

生化分析仪的国内外发展状况国外发展状况国外临床生化分析仪发展从年代开始，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。

美国在年代生产了流动式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，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公司在年推出的，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型半自动生化分析仪。

如图所示图荷兰研制的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彩色显示屏，内置针式打印机。

外形尺寸重量光源灯石英卤素灯波长范围位滤光片轮自动控制，块标准干涉滤光片和另有个位置可供扩展测试范围从到总之，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。

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型半自动生化分析仪，它由机控制或单机使用，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，采用先进的操作卡卡技术，操作存贮检验项目参数，病人结果及图表曲线，每操作卡能存贮种生化测试，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。

生化分析过程简介生化分析过程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。

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，些分析仪在样品，对于个值，偏向角有个最小值。

经计算表明，只有当，时，即光线在棱镜第面的入射角在数值上等于光线在第二折射面上的折射角时，偏向角最小。

此时光线在第面上的入射线与第二面上的折射线是对称的。

在以棱镜为色散元件的仪器中，最小偏向角位置极为重要。

在设计和使用时，都是使色散棱镜处于最小偏向角位置上工作的，这样做有下列优点光路对称时棱镜产生的象差如球差和象散最小，可使谱线成象质量好，分辨率高光路对称时，棱镜不产生附加的横向放大率对个满足条件的特定波长而言在定的孔径时，可使有效棱镜的形状对称，尺寸最小光路对称便于设计和使用方便。

由色散棱镜的分光原理知，不同波长的色光经过棱镜后有不同的偏向角。

偏向角的微小增量与波长的微小增量之比，即称为棱镜角色散率。

棱镜角色散率可表示为式中是制造棱镜材料的色散率，它表示介质的折射率随波长变化的程度。

上式是棱镜色散率的般公式，可用于入射光束以任何角度射到棱镜上的情况，当然也适用于棱镜位于最小偏向角的情况。

对于后者，还可以直接用棱镜的折射顶角来表达。

当棱镜对于波长而言，处于最小偏向角时，式可变为当有个相同棱镜依次排列均处于最小偏向角的位置，则总的角色散率为由上式可以看到，光谱棱镜的角色散率与棱镜的折射顶角制造棱镜所用介质的折射率材料的色散率以及光线射入棱镜的角度棱镜个数等因素有关。

分辨率是表明光谱仪器分开波长极为接近的两条谱线的能力，这是光谱仪器极为重要的性能指标。

棱镜的分辨率可表示为两条谱线波长的平均数与这两条刚好能分辨开的谱线之间的波长差之比，即是可分辨的两条谱线的波长差，是相应两谱线的平均波长。

根据瑞利判据，在最小偏向角条件下，棱镜的分辨率由下式确定式中是棱镜的底宽。

光栅的色散作用自从年弗朗和费发明光栅的刻划技术，直到第二次世界大战结束后的个时期，光栅在光谱仪器中应用很少。

近三十年来，由于光栅刻划技术和复制技术进步得到提高，光栅作为分光元件应用越来越广。

光栅与棱镜比较具有色散率大分辨率高工作光谱范围广反射式光栅不受材料透过率的影响的优点，所以本系统采用此装置。

光栅的种类很多，有平面光栅凹面光栅和阶梯光栅等。

平面衍射光栅又有透射式与反射式两种。

透射式光栅是在块玻璃或其他透明材料上刻划系列平行而等距离的刻线凹槽，制造这种母光栅需要精密的光学机械设备，成本高昂利用母光栅作模子而制得复制光栅则比较便宜，其性能虽不如母光栅好，但基本上可满足般分光仪器的要求。

反射光栅是在抛光的金属表面上刻划系列平行等距离刻线或在复制光栅表面喷镀层铝薄膜而制成。

图平面光栅的色散原理以反射式平面衍射光栅为例，介绍光栅的分光原理。

反射式平面衍射光栅是在高精度平面上刻划系列等宽等间隔的刻痕所形成的元件。

光栅作为分光元件是工作在平行光束中。

如图所示。

当束平行的复合光入射到光栅上，光栅能将它按波长在空间分解为光谱，这是由于多缝衍射和干涉的结果。

光栅产生的光谱，其谱线的位置是由多缝衍射图样中的主最大条件决定的。

我们规定垂直光栅刻痕的平面称为光栅的主截面。

首先考虑光线在主截面内入射和衍射的情形。

由上图可见，相邻刻痕对应的光线和的光程差为从波动光学可知，相干光束干涉极大值的条件为由上两式可得相邻两光线干涉极大值的条件光栅方程式为其中为入射角为衍射角为刻痕间距，通常称为光栅常数为光谱级次，为整数，式可改为由上式可明显的看出，当光栅的光栅常数及入射角定时，除零级外，在确定的光谱级中，波长越长的光束衍射角越大。

这样不同波长的同级主最大，自零级开始向左右两侧按波长次序由短波长向长波长散开。

当时，没有色散，称零级光谱。

其位置相应于反射方向，即在零级光谱两边的光谱称为正级光谱的光谱称为负级光谱。

对于给定光栅，可观察到的最高光谱级次是受条件所限制的，既这就是光栅的角色散率公式。

由此式可见光谱的角色散率与光栅常数成反比，在遵守式的条件下，选用光栅常数小的光栅，可获得大的角色散光栅的角色散率与光谱级次成正比，但对定的光栅而言，各工作波段范围所利用的级次受到衍射角的限制光栅的角色散率与衍射角的余弦成反比，当改变入射角以增大衍射角时，也可增大角色散率在靠近光栅平面法线的范围内，衍射角很小，值随的变化很小，且近似等于，这时式可变为常数即与差不多成线性关系。

这种色散为常数的光谱称为正常光谱或均排光谱，是光栅光谱的个重要特点。

在棱镜光谱中，由于棱镜材料的色散率不是常数，所以偏向角与波长不是线性关系而是短波区的偏折比长波区的偏折大得多。

光栅光谱种均排特性在实际使用中可简单地按线性比例关系求取谱线的位置。

光栅的线色散率为角色散率与成象物镜焦距的乘积实际中常用逆线色散率线色散率的倒数来表示，单位般用光栅的分辨率是以来表示的。

如下式上式就是光栅的理论分辨率的公式。

光栅的理论分辨率等于光谱级次和光栅总刻线数的乘积。

为了提高分辨率，应采用高光谱级次及增加总刻线数。

增加总刻线数有两种途径是增大光栅刻划面的宽度，则可在保持定的光栅常数时使增大，但光栅刻划面宽度的增大受到光栅刻划机工艺过程限制，目前光栅刻划面积可达二是减小光栅刻划间距，可在同样大小的刻划面上增加总可线数目。

目前机械刻划光栅的刻痕密度可达条，全息光栅可达条。

然而从式可知，减小光栅常数和采用高级次光谱存在着矛盾。

应用光栅常数大的粗光栅，采用高级次光谱也能够提高分辨率。

将光栅方程式带入式，得在入射角大于或等于衍射角