一種高精度分光光度計系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用*

林斌飛，龍 偉，萬漢偉，鄧雅婷

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌330031)

0 引 言

分光光度計是利用物質(zhì)對光的選擇性吸收現(xiàn)象進(jìn)行定性和定量測定的一種分析儀器［1］，常被用于生物醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、醫(yī)藥領(lǐng)域、衛(wèi)生防疫、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以及工業(yè)領(lǐng)域等［2］，例如:在生化分析儀中，分光光度計就是作為核心傳感器部件。

生化分析儀屬于光學(xué)式分析儀器，是臨床檢驗中經(jīng)常使用的重要分析儀器之一［3］。目前大多數(shù)傳統(tǒng)的分析儀均采用濾光片轉(zhuǎn)盤作為單色分光器件，由于濾光片個數(shù)固定且光譜精度不高，致使儀器的生化測試項目非常有限，同時測試結(jié)果準(zhǔn)確性不高。

本文介紹了一種應(yīng)用于生化分析儀中高精度連續(xù)光譜分布的分光光度計系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用了全息凹面光柵的優(yōu)點，并結(jié)合微電子線路和自動控制技術(shù)的運用，不僅能滿足生化分析儀光學(xué)系統(tǒng)光譜連續(xù)分布和1nm高精度分光的技術(shù)指標(biāo)要求，同時大大提高了分析儀的檢測精度，拓展了儀器可測試項目的范圍，對提高國內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、社區(qū)基層醫(yī)院的整體醫(yī)療診斷水平具有重要的現(xiàn)實意義。

1 分光光度計的系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計的生化分析儀光柵式前分光光度計系統(tǒng)的原理如圖1 所示。分光光度計系統(tǒng)主要包括:光源、前置平行光系統(tǒng)、光柵、波長掃描機(jī)構(gòu)、出射狹縫、比色裝置、光電探測器等部分。

圖1 分光光度計系統(tǒng)原理圖Fig 1 Principle diagram of spectrophotometer system

光源發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)過前置平行光系統(tǒng)后會聚為平行光射向光柵，光柵將復(fù)合光進(jìn)行色散。由于自身的聚焦作用，凹面光柵把色散的光聚焦使之成為按波長排列的連續(xù)光譜帶。波長掃描機(jī)構(gòu)帶動光柵轉(zhuǎn)動，使得從出射狹縫射出的單色光按波長連續(xù)線性地分布。通過精確控制波長掃描機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，即可在出射狹縫處得到所需波長的單色光。單色光經(jīng)過比色裝置并被其中的樣品所吸收，最后到達(dá)光電探測器。

2 分光光度計的系統(tǒng)組成

2.1 光 源

用作生化儀分光光度計的光源應(yīng)滿足以下條件［4］:光源需發(fā)射連續(xù)光譜，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(qiáng)度;具有較好的穩(wěn)定性。為此，本文選用了飛利浦公司的石英碘鎢燈作為光源。

2.2 前置平行光系統(tǒng)

比爾定律要求，光度計射入比色裝置的光須是平行光，而光源射出的為發(fā)散光，所以，須在前端采用前置平行光系統(tǒng)(準(zhǔn)直-聚焦裝置)，以獲得平行光光束。

本文設(shè)計的平行光系統(tǒng)如圖2 所示。由光學(xué)器件的作用，光源發(fā)出的發(fā)散光依次經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡，從狹縫射出的光即為平行光。隔熱玻璃用于保護(hù)光學(xué)器件，以免因長期受燈泡高溫的影響而導(dǎo)致?lián)p壞。

圖2 前置平行光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of praevia parallel light system

2.3 色散器件

光柵(也稱衍射光柵)是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散(分解為光譜)的光學(xué)元件。其相對濾光片色散器件而言，具有連續(xù)分光，且光譜分辨率高的優(yōu)點。

本文選用全息凹面反射光柵作為光度計系統(tǒng)的分光色散器件，其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 本文所選光柵的主要參數(shù)Tab 1 Main parameters of chosen grating in this paper

從表1 可以看出:該光柵的分光能力為300 ～850 nm，能夠滿足設(shè)計指標(biāo)320 ～800 nm 內(nèi)連續(xù)光譜分布的要求。

2.4 光電探測器

光電池和光電倍增管作為光電探測器在光學(xué)儀器中有著廣泛的應(yīng)用。鑒于光電倍增管噪聲大的缺陷，一般不太適合于常用的生化儀器分光光度計中。

本文采用紫藍(lán)硅光電池BS609 作為光度計系統(tǒng)的光電探測器，其具體參數(shù)如表2 所示。

表2 本文所選光電池的主要參數(shù)Tab 2 Main parameters of chosen photovoltaic cell in this paper

從表2 可看出:該光電池的可接收光譜范圍為300 ～880 nm，能夠滿足指標(biāo)規(guī)定的320 ～800 nm 波長檢測范圍。

2.5 波長掃描機(jī)構(gòu)

波長掃描機(jī)構(gòu)的作用是讓分光光度計系統(tǒng)所輸出單色光的波長連續(xù)線性分布。本文采用正弦機(jī)構(gòu)作為波長掃描機(jī)構(gòu)(波長線性)。正弦機(jī)構(gòu)的工作原理如圖3 所示。當(dāng)絲桿轉(zhuǎn)動時，滑塊沿著絲桿軸線方向縱向移動，推動杠桿OA使光柵繞中心O 旋轉(zhuǎn)，從直角三角形AOB 中可得出

當(dāng) L 不變時，則波長正比于 sin θ 和 x，如下式所示

因此，只要保持絲桿作直線線性運動，即可實現(xiàn)光度計系統(tǒng)的光譜波長連續(xù)分布。

圖3 波長掃描機(jī)構(gòu)工作原理圖Fig 3 Operating principle diagram of wavelength scanning mechanism

2.6 步進(jìn)電機(jī)的選型

正弦機(jī)構(gòu)的掃描精度直接決定了光度計系統(tǒng)的精密分光性能。其中，正弦機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)和絲桿的精度尤為關(guān)鍵。

本文采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動正弦機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的伺服執(zhí)行器件［5］。本文選擇了常州運控有限公司生產(chǎn)的42BYG 型1.8°兩相步進(jìn)電機(jī)。此外，選用精密的絲桿作為正弦機(jī)構(gòu)的傳動部分，其直徑參數(shù)d=10 mm。

根據(jù)上述參數(shù)，可得出電機(jī)單步縱向運動的精度p

其中，d 為絲桿軸外徑，θ 為步進(jìn)電機(jī)步距角，m 為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動細(xì)分倍數(shù)。

根據(jù)光柵光譜的勻排性理論，結(jié)合光柵的線色散倒數(shù)指標(biāo)，可以計算出分光系統(tǒng)的理論分光精度λp

其中，p 為步進(jìn)電機(jī)縱向運動的精度，s 為光柵的線色散倒數(shù)(可從表1 中查得)。

式(4)表明，若不進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動電路上的細(xì)分(即m =1)，則系統(tǒng)的分光精度只能達(dá)到1.256 nm，無法滿足指標(biāo)要求。為此，本文選用1/4 作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動細(xì)分倍數(shù)。依據(jù)式(4)，可計算得出系統(tǒng)最終理論分光精度為

式(5)從數(shù)學(xué)計算上論證了當(dāng)滿足步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動細(xì)分倍數(shù)為1/4 時，光度計系統(tǒng)實現(xiàn)1 nm 的分光精度是可行的。

3 分光光度計系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動設(shè)計

3.1 CPLD 的脈沖細(xì)分電路

鑒于步進(jìn)電機(jī)傳統(tǒng)的細(xì)分驅(qū)動器存在細(xì)分倍數(shù)固定、靈活性差和電子線路設(shè)計復(fù)雜的缺陷，本文采用了CPLD可自由編程的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分電路設(shè)計技術(shù)。因CPLD 具有速度快、程序設(shè)計靈活、抗干擾能力強(qiáng)、與外圍電路接口方便等特點［6］，方案不僅提高了系統(tǒng)的靈活性，簡化了電路設(shè)計，同時也改善了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。其中，CPLD 選用了Altera 公司的 EPM3064A 芯片。

3.2 步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制電路

本文設(shè)計的光度計系統(tǒng)分光精度指標(biāo)為:波長準(zhǔn)確度不大于1 nm，重復(fù)性不大于1 nm?？紤]到步進(jìn)電機(jī)在運動過程中可能發(fā)生的失步現(xiàn)象將直接影響到系統(tǒng)的分光精度，因此，本文特別設(shè)計了針對步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制電路，如圖4 所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制方案Fig 4 Closed-loop control scheme of stepping motor

步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制過程如下:控制器S3C2440 把驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)所需要的I/O 信號、PWM 等信號發(fā)送給CPLD，由CPLD 將接收到的信號根據(jù)細(xì)分設(shè)置，轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)實際的控制信號(電機(jī)使能、運轉(zhuǎn)方向、運轉(zhuǎn)速度)輸出給電機(jī)驅(qū)動芯片，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)模塊上裝有檢測步進(jìn)電機(jī)每一步運動的裝置，在電機(jī)的運轉(zhuǎn)過程中，控制器同時檢測步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)動的步數(shù)。如果電機(jī)發(fā)生失步現(xiàn)象時，控制器可以智能追加脈沖，形成一個閉環(huán)控制回路，保證了電機(jī)的準(zhǔn)確定位。本文選用的電機(jī)驅(qū)動芯片是由Allegro MicroSystems 生產(chǎn)的UDN2916 芯片。

4 分光光度計系統(tǒng)的效果圖

在完成系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子線路設(shè)計后，分光光度計系統(tǒng)的設(shè)計效果如圖5 所示。

圖5 分光光度計的設(shè)計效果圖Fig 5 Design effect diagram of spectrophotometer

5 測試數(shù)據(jù)與分析

目前，該分光光度計已成功應(yīng)用到自動生化分析儀樣機(jī)中。樣機(jī)順利通過了國家權(quán)威醫(yī)療器械機(jī)構(gòu)的注冊檢驗，其中，儀器波長準(zhǔn)確度偏倚和重復(fù)性檢驗數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 檢驗數(shù)據(jù)Tab 3 Inspection data

從上表數(shù)據(jù)可看出:儀器波長準(zhǔn)確度偏倚小于1nm 且重復(fù)性小于1nm，完全滿足自動生化分析儀國家醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中波長準(zhǔn)確度偏倚和重復(fù)性要求。同時，檢驗數(shù)據(jù)也驗證了本文設(shè)計的分光光度計系統(tǒng)達(dá)到了1nm 的分光精度。

6 結(jié)束語

本文討論了一種基于全息凹面光柵的生化分析儀用分光光度計系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)通過CPLD 自由編程來完成步進(jìn)電機(jī)細(xì)分電路和電機(jī)定位閉環(huán)控制，實現(xiàn)了光度計為1 nm的高精度分光性能。

［1］ 謝華鋒，徐小力，王小川.分光光度計系統(tǒng)集成化設(shè)計及研究［J］.計算機(jī)測量與控制，2006，14 (1):134 －135.

［2］ 倪 一，黃梅珍，袁 波，等.紫外可見光分光光度計的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2004(3):3 －7.

［3］ 曾照芳.臨床檢驗儀器學(xué)［M］.北京:人民衛(wèi)生出版社，2011.

［4］ 霍建偉.全自動生化分析儀用分光光度計的研究［D］.長春:中國科學(xué)院研究生院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2002.

［5］ Tao Ling，Long Wei，Wang Yanqing.Design and implementation of the control system for an ARM9－based biochemical analyzer［C］∥MVHI2011，Guangzhou，China:Trans Tech Publications，2011:458 －461.

［6］ 張利劍.多參數(shù)全自動三分類血細(xì)胞分析儀的研制［D］.南昌:南昌大學(xué)，2007.