溫英利，賈平平，王波，謝清華

（山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司，濟(jì)南 250200）

0 引言

生化檢驗(yàn)即生物化學(xué)檢驗(yàn)，主要用于檢驗(yàn)機(jī)體代謝過(guò)程中涉及的主要物質(zhì)、代謝產(chǎn)物的定性與定量，檢測(cè)物質(zhì)包含排泄物、分泌物、血液、組織液、組織、細(xì)胞等。發(fā)生病變時(shí)，體內(nèi)的血液或者尿液的某些成分就會(huì)發(fā)生改變，以此來(lái)確定病情。生化分析儀是采用光電比色原理來(lái)測(cè)量體液中某種特定化學(xué)成分的儀器，能夠以高速、高準(zhǔn)確度、小的試劑消耗量對(duì)疾病的診斷、治療、預(yù)后及健康狀態(tài)提供信息依據(jù)，在臨床診斷中起到了重要的作用[1]。

全自動(dòng)生化分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)由反應(yīng)盤(pán)、試劑盤(pán)、樣本盤(pán)、試劑針、樣本針、攪拌針組成。光學(xué)測(cè)量機(jī)構(gòu)采用后分光方式對(duì)反應(yīng)杯進(jìn)行實(shí)時(shí)光電采集。其中光學(xué)系統(tǒng)是該儀器的核心組件之一，光學(xué)組件的優(yōu)劣直接影響了儀器的測(cè)試精度。本文介紹了一種全自動(dòng)生化分析上使用的分光器，以全息凹面閃耀平像場(chǎng)光柵作為分光元件，采用后分光技術(shù)，輸出340～800 nm的12路波長(zhǎng)，接收信號(hào)端采用光電二極管陣列探測(cè)器。

1 分光器的設(shè)計(jì)

1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

該光學(xué)系統(tǒng)采用12 V/20 W長(zhǎng)壽命鹵素?zé)?，光源直射方式，波長(zhǎng)范圍為340～800 nm，可實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)同時(shí)檢測(cè)。鹵素?zé)粼谑褂眠^(guò)程中會(huì)散發(fā)大量熱量，采用水循環(huán)方式散熱。

如圖1所示，鹵素?zé)舭l(fā)出的光源，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后，在盛有樣本的比色皿中心位置處形成光斑，比色皿光徑是5.6 mm，選用透紫外光有機(jī)塑料。透射光發(fā)散經(jīng)過(guò)透鏡后，在分光器的入口狹縫處聚焦進(jìn)入，通過(guò)光柵分成12路光，分別進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的陣列探測(cè)器各光電池中，透鏡均采用紫外熔融光學(xué)材料。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)原理圖

1.2 光柵選型

全自動(dòng)生化分析儀需要的波長(zhǎng)范圍為340～800 nm，因此選型參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)選型

1.3 參數(shù)計(jì)算

根據(jù)光柵公式[2]

式中：α為入射角；β為出射角；N為刻線數(shù)；m取一級(jí)光譜，為1；λ為波長(zhǎng)。

將12路波長(zhǎng)代入式（1）中，得到各單色光的衍射角，如表2所示。

表2 衍射角

1.4 光闌計(jì)算

本全自動(dòng)生化分析儀需要的波長(zhǎng)帶寬為8 nm，采用的光柵線色散率倒數(shù)為11.1 nm/mm，那么光闌透光孔的寬度設(shè)計(jì)為0.7 mm。

1.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分光器組件主要包括：光入射單元，即接收入射光，將經(jīng)過(guò)比色杯的發(fā)散光進(jìn)行二次聚焦，有效地提高了光強(qiáng)；光反射單元，即光柵單體組件，將沒(méi)有被色散的零級(jí)光譜定向閃耀為光能集中的一級(jí)光譜，獲得所需的波段；光出射單元，由硅光電二極管接收所獲得的各路波段，輸出為電信號(hào)；入射光遮擋板、干燥劑固定座、屏蔽線固定座、分光器盒、分光器上蓋、狹縫板、分光器盒擋板。所有結(jié)構(gòu)件均為黑色，避免雜散光的干擾。

整體結(jié)構(gòu)包括光入射單元1、光反射單元2、光出射單元3、入射光遮擋板4、干燥劑固定座5、屏蔽線固定座6、分光器盒7、分光器上蓋8、狹縫板9、分光器盒擋板10。

圖2為分光器組件整體結(jié)構(gòu)俯視圖，包括光入射單元1、分光器上蓋8。

圖2 分光器組件整體結(jié)構(gòu)俯視圖

光入射單元1是一種組件，使用4個(gè)螺釘固定在分光器盒7上，分光器上蓋8使用4個(gè)螺釘固定在分光器盒7上。

如圖3所示，光入射單元1包括透鏡固定座1a、透鏡擋圈1b、透鏡1c、透鏡隔圈1d。兩個(gè)透鏡1c凸面相對(duì)安裝，入射的發(fā)散光經(jīng)過(guò)兩透鏡后，聚焦為一光斑，該光斑正好能夠打到狹縫板9上。狹縫板9在光入射單元1固定在分光器盒7上后即被固定住，其方向必須是圖4所示的豎直方向，狹縫寬度決定了光譜的強(qiáng)度及分辨率，一般由出射光闌寬度尺寸決定。

圖3 光入射單元圖

圖4 分光器結(jié)構(gòu)正視圖

入射光經(jīng)過(guò)兩透鏡后聚焦，由于透鏡固定座1a孔徑大，經(jīng)過(guò)透鏡后形成的聚焦光斑小，光傳輸量要比使用孔徑小的光纖多，并且損耗也少，光強(qiáng)明顯增強(qiáng)[5]。

圖5是分光器組件整體結(jié)構(gòu)仰視圖，分光器盒7底部有很多螺釘固定孔，需要固定圖4剖面圖中的結(jié)構(gòu)件光反射單元2、光出射單元3、入射光遮擋板4、干燥劑固定座5、屏蔽線固定座6、分光器盒7，同時(shí)該整體結(jié)構(gòu)也需要通過(guò)分光器盒7底部固定在其他件上以便使用。

圖5 分光器組件整體結(jié)構(gòu)仰視圖

分光器上蓋8、分光器盒擋板10內(nèi)側(cè)需要粘貼厚度為1 mm的黑色單面帶膠密封條，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)起到密封防潮的效果。

如圖6所示，入射光遮擋板4可以有效地將入射光與出射光隔離開(kāi)，避免干涉影響測(cè)試結(jié)果。干燥劑固定座5放置有干燥劑，保證了分光器盒內(nèi)部的干燥性，防止光柵單體受潮影響性能。屏蔽線固定座6用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)通過(guò)屏蔽線輸送至光路放大板。

圖6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖

圖7為光反射單元，包括光柵單體2a、光柵固定底座2b，光柵調(diào)試鋼珠2c。光柵單體2a需要黏結(jié)固定在光柵固定底座2b上，以方便調(diào)試波段。調(diào)試波段需要有基準(zhǔn)點(diǎn)，在光電固定底座2b底部安裝光柵調(diào)試鋼珠2c，然后使用4個(gè)螺釘固定在分光器盒7上，分別擰緊4個(gè)螺釘，可以使得光柵單體以鋼珠為基點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得所需的波段。

圖7 光反射單元

圖8為光柵單體反射原理圖，將沒(méi)有被色散的零級(jí)光譜定向閃耀為光能集中的一級(jí)光譜[3]。

圖8 光柵單體反射原理圖

入射光經(jīng)過(guò)光柵單體反射后，會(huì)將沒(méi)有被色散的零級(jí)光譜定向閃耀為光能集中的一級(jí)光譜，隨之產(chǎn)生的還有與一級(jí)光譜重疊的二級(jí)光譜、三級(jí)光譜等，這樣就需要增加截止濾光片，只允許一級(jí)光譜通過(guò)，避免雜散光的干擾[4]。

圖9是光出射單元，包括濾光片固定座3a、濾光片3b、光闌板3c、硅光電池固定板3d。濾光片3b根據(jù)波段截止要求分為3片，并列排在濾光片固定座3a凹槽處，然后將光闌板3c、硅光電池固定板3d用4個(gè)螺釘固定住。固定完成后，再將焊接有硅電二極管的電路板用4個(gè)螺釘固定在硅光電池固定板3d上，用于將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。

圖9 光出射單元

2 結(jié)論

本文介紹的全自動(dòng)生化分析儀分光器以全息凹面閃耀平像場(chǎng)光柵作為分光元件，采用后分光技術(shù)，信號(hào)接收采用光電二極管陣列探測(cè)器。入射單元為增強(qiáng)光強(qiáng)，采用直耦方式，避免了光纖傳輸?shù)牟环€(wěn)定性，有效地保證了測(cè)試結(jié)果的精度與穩(wěn)定性，已用于全自動(dòng)生化分析儀批量生產(chǎn)計(jì)劃。