化學(xué)發(fā)光分析儀測光系統(tǒng)的研究

摘 要：全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀（化學(xué)發(fā)光POCT）是我司獨(dú)立研發(fā)的體外診斷儀器，與相應(yīng)的試劑配合使用，用于人體樣本中待測物的定量分析；測光系統(tǒng)是發(fā)光POCT儀器的核心系統(tǒng)，直接影響儀器的檢測結(jié)果的精密度，本文概述了POCT儀器測光系統(tǒng)的測試原理、機(jī)構(gòu)組成以及影響因素等，并根據(jù)影響因素提出幾種不同的解決方案。根據(jù)各個(gè)方案的試驗(yàn)結(jié)果選取最佳方案在儀器上推廣，最終取得了很好的臨床效果。

關(guān)鍵詞：POCT；測光系統(tǒng)；測光杯；濾光片；精密度

中圖分類號(hào)：R 446 " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

床旁檢測（Point Of Care Testing，POCT）是檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)發(fā)展的新領(lǐng)域，是在患者旁邊開展使用的檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)技術(shù)[1]。隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的提高、國家醫(yī)療分級(jí)診療方案的提出以及急救醫(yī)學(xué)的發(fā)展，POCT儀器在小型化和檢驗(yàn)快速化方面有了新的要求；但在保證儀器小型化和檢驗(yàn)快速化的要求下，必然會(huì)影響測量結(jié)果的精密度；因此保證測光系統(tǒng)高精密度就顯得格外重要[2]。

1 測光系統(tǒng)組成

測光系統(tǒng)是化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的核心部分，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示；主要由PMT（光電倍增管）、測光杯及其中的發(fā)光復(fù)合物、測光控制結(jié)構(gòu)等構(gòu)成。PMT是一種具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測器件，主要用于探測微弱發(fā)射源的弱光信號(hào)，在測光系統(tǒng)中用來檢測發(fā)光復(fù)合物發(fā)光的微弱信號(hào)值，其中的發(fā)光復(fù)合物是包被的磁性微粒與患者體液中物質(zhì)和項(xiàng)目特異性的試劑結(jié)合形成發(fā)光復(fù)合物，發(fā)光復(fù)合物作為待測物儲(chǔ)存在測光杯容器內(nèi)；測光控制結(jié)構(gòu)是由測光窗口切換電機(jī)和窗口切換傳感器及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件組成的，用來控制切換光信號(hào)進(jìn)入PMT的路徑；發(fā)光復(fù)合物發(fā)出的微弱信號(hào)在程序的控制下通過不同的路徑進(jìn)入PMT信號(hào)接收端，并輸出光信號(hào)值。由于采用了基于辣根過氧化物酶和魯米諾的間接化學(xué)發(fā)光法，發(fā)光復(fù)合物發(fā)出光的波長均在430nm左右，因此可以認(rèn)為該波段光子是能被PMT接收到的量，直接決定了PMT輸出信號(hào)值的大小，保證發(fā)光物發(fā)出的光子能被PMT準(zhǔn)確接收是測光系統(tǒng)的核心技術(shù)[3]。

2 理論分析

檢測系統(tǒng)的精密度可以用多組檢測值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差CV表示，如公式（1）所示。

（1）

式中：S為多組試樣檢測值的標(biāo)準(zhǔn)偏差；i為某組試樣；n為試樣總數(shù)；Xi為某組試樣檢測值；K為PMT檢測線性系數(shù)；為多組檢測值的平均值。

由公式（1）可知，影響CV的主要因素是檢測平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值S；因此，標(biāo)準(zhǔn)偏差S越小，檢測信號(hào)值的平均值越大，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差CV就越小，檢測系統(tǒng)的精密度就越高；而標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小直接由PMT本身屬性決定；無論是模擬信號(hào)的光電倍增管還是數(shù)字信號(hào)的光電倍增管，其特性都隨著檢測的信號(hào)值的增大，其檢測的穩(wěn)定性越好、精密度越高。目前，常用的方法是通過增加試劑的用量來增加發(fā)光復(fù)合物的量和挑揀使用精密度更高一級(jí)的PMT，但是這2種方法不僅增加了試劑消耗量和檢測系統(tǒng)的成本，而且在實(shí)際使用中的效果也不理想；因此，考慮在試劑和PMT型號(hào)不變的情況下增大進(jìn)入PMT檢測端的光子數(shù)成為關(guān)鍵。理論上，如果發(fā)光混合物發(fā)出的光子在由測光杯傳播到PMT檢測端的過程中沒有損失，那么PMT檢測到的信號(hào)值為待測發(fā)光混合物發(fā)出的全部光子數(shù)，但在實(shí)際工作中，由于受各種因素的影響，PMT實(shí)際檢測到的信號(hào)值遠(yuǎn)低于待測發(fā)光混合物發(fā)出的實(shí)際發(fā)光信號(hào)值；對(duì)我司現(xiàn)有的化學(xué)發(fā)光免疫分析儀測光系統(tǒng)來說，待測樣本在一些項(xiàng)目的界值附近被PMT檢測到的信號(hào)值衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致檢測精密度不能滿足需求；針對(duì)測光系統(tǒng)分析其影響信號(hào)值衰減的因素主要包括測光杯、檢測距離、濾波片以及外界光。因此根據(jù)這些因素進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果、成本等因素選取最佳的解決方案。

3 解決方案

試驗(yàn)材料：配比好的標(biāo)定發(fā)光復(fù)合物溶液信號(hào)值約為4×105，黑色測光杯，白色測光杯，內(nèi)白外黑雙色測光杯，430nm窄帶濾光片，全自動(dòng)免疫發(fā)光分析儀，移液槍。

試驗(yàn)方案：12個(gè)測光杯標(biāo)記為1組試樣，利用儀器對(duì)待測測光杯的暗值進(jìn)行檢測，使用移液槍在試樣測光杯中添加配比好的標(biāo)定發(fā)光復(fù)合物，儀器再對(duì)信號(hào)值進(jìn)行檢測；PMT測光鏡頭與測光杯中發(fā)光復(fù)合物的距離為13mm（如圖2所示），每組統(tǒng)計(jì)12個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為每組試樣中PMT檢測到的最終數(shù)據(jù)。

3.1 測光杯

測光杯用來儲(chǔ)存待檢測的發(fā)光復(fù)合物，其在結(jié)構(gòu)上利用杯口上沿的雙環(huán)特征和測光頭進(jìn)行嵌套的方式保證測光系統(tǒng)整體的物理密封性；測光系統(tǒng)要求避免外界光進(jìn)入PMT檢測端，技術(shù)指標(biāo)為暗值（PMT在測光杯為空時(shí)的測量值）小于或等于1000；不同顏色的測光杯對(duì)光的吸收性和反射性不同，為了研究測光杯顏色對(duì)檢測結(jié)果的影響，需要對(duì)黑色、內(nèi)白外黑雙色測光杯進(jìn)行研究分析。

3.1.1 黑色測光杯

黑色測光杯的優(yōu)勢是避光性能良好，可以有效阻止外界所有波段光進(jìn)入測光杯內(nèi)部，從而保證PMT檢測到的光子數(shù)不受外界影響，是測光杯的首選顏色。但是，黑色的測光杯同樣會(huì)使發(fā)光復(fù)合物發(fā)出的光信號(hào)在達(dá)到PMT接收端之前被杯壁吸收一大部分，從而直接導(dǎo)致信號(hào)值嚴(yán)重衰減。為了研究黑色測光杯測光系統(tǒng)的實(shí)際影響，試驗(yàn)采用黑色測光杯測試12組的暗值后，加入相同量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光復(fù)合物，在室溫下再進(jìn)行檢測；由表1可知，儀器測光系統(tǒng)輸出的暗值均滿足要求，輸出的信號(hào)值平均值為7.3萬，衰減了約80%的光信號(hào)，且由于信號(hào)值偏低，因此導(dǎo)致測量結(jié)果的變異系數(shù)CV較大、精密度較差。試驗(yàn)表明，黑色測光杯對(duì)光信號(hào)值的衰減較大，不能滿足測光系統(tǒng)的實(shí)際要求。

3.1.2 內(nèi)白外黑雙色測光杯

雖然黑色測光杯避光性能好，但是黑色對(duì)光吸收率也高，導(dǎo)致PMT檢測到的信號(hào)衰減嚴(yán)重；而白色測光杯對(duì)光的吸收較弱，反射性較好，但是不能完全阻擋外界光的射入；結(jié)合2種顏色測光杯的優(yōu)劣勢，設(shè)計(jì)了內(nèi)白外黑的雙色測光杯，2種測光杯為嵌套結(jié)構(gòu)裝配在一起，外側(cè)的黑色杯子能保證避免外界光的進(jìn)入，內(nèi)測的白色杯子保證發(fā)光復(fù)合物發(fā)出的光能夠盡可能的傳播到PMT信號(hào)檢測端；試驗(yàn)測試了12組試樣，由表2可知，測試暗值均滿足要求，且PMT檢測到的平均信號(hào)值為335505.3，約為總信號(hào)值的83%，信號(hào)值衰減較少；PMT檢測到的數(shù)據(jù)變異系數(shù)CV較小，檢測精密度較好。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，試樣17和試樣22的檢測信號(hào)值數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，檢測到的信號(hào)值遠(yuǎn)低于其他幾組試樣的信號(hào)值，重新更換測光杯測試，試樣17和試樣22檢測信號(hào)值恢復(fù)正常。觀察異常數(shù)據(jù)的測光杯后發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部白色測光杯部分有一側(cè)面隱約露黑，切開后發(fā)現(xiàn)該側(cè)面厚度嚴(yán)重偏薄，該現(xiàn)象表明內(nèi)白外黑雙色測光杯測量值不穩(wěn)定的原因很可能是由杯子加工性能不達(dá)標(biāo)造成的。內(nèi)白外黑雙色測光杯在實(shí)際生產(chǎn)中主要有2種方式：1）使用雙色模具注塑得到，直接出模就是最終的內(nèi)白外黑雙色測光杯；這種方式工藝效率比較高，但是易受加工環(huán)境的影響，可能會(huì)出現(xiàn)白色內(nèi)壁壁厚不均和色差明顯的問題，不同的供應(yīng)商，甚至同一家供應(yīng)商提供的產(chǎn)品都會(huì)有較大的差異，這就會(huì)導(dǎo)致測光數(shù)據(jù)存在較大的差異。2）黑白測光杯分別通過模具生產(chǎn)完后進(jìn)行裝配，裝配工序一般為手工組裝完成，組裝的樣品具有一定的差異，會(huì)導(dǎo)致測光數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，且生產(chǎn)效率較低。因此內(nèi)白外黑測光杯受供應(yīng)商加工工藝和加工能力的影響較大，產(chǎn)品需要良好的質(zhì)量控制方案，同時(shí)設(shè)計(jì)上也要考慮增加內(nèi)部的白色測光杯杯壁的厚度，減少白色杯壁厚度不均對(duì)測試結(jié)果造成的影響。

綜上所述，內(nèi)白外黑測光杯既能避免外界光的影響，又能減少信號(hào)值的衰減；根據(jù)實(shí)際情況，可以采用黑白杯子嵌套裝配的結(jié)構(gòu)。

3.2 測光距離

測光距離是指發(fā)光反應(yīng)物液面到PMT檢測鏡頭的距離，根據(jù)PMT自身的測光特性，測光距離越遠(yuǎn)信號(hào)值衰減越嚴(yán)重[4-5]，為了研究該因素對(duì)檢測信號(hào)值的影響，試驗(yàn)采用黑色測光杯，并利用特殊的透明隔板調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光復(fù)合物在測光杯中的高度，以縮短測光距離；受限于測光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)際的空間局限性，本次試驗(yàn)設(shè)定測光距離為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所允許的最小距離為10mm，測試數(shù)據(jù)見表3。

從試驗(yàn)組數(shù)據(jù)上可以看出，測試信號(hào)值的平均值為17784，約為設(shè)定總信號(hào)值的44%，信號(hào)值衰減比黑色測光杯子小，精密度略有提升；因此，縮短測光距離可以提高測試信號(hào)值，但是提高的幅度很有限；在考慮該方案時(shí)，可以在PMT和測光杯相對(duì)位置不變的情況下，采取加大測光杯口徑或者增加發(fā)光復(fù)合物的體積等措施來縮短測光距離，達(dá)到減小信號(hào)值衰減的目的。

3.3 430nm窄帶濾光片配合白色測光杯

白色測光杯良好的反射性使其對(duì)信號(hào)值的衰減影響較小，但是白色測光杯的透光性使其容易受到外界光的干擾，造成暗值超標(biāo)，因此根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光溶液的發(fā)光波長約為430nm的特點(diǎn)，在PMT測光鏡頭前增加430nm的窄帶濾光片，使其既能允許標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光復(fù)合物的發(fā)光信號(hào)透過濾光片進(jìn)入PMT接收端，又能盡可能地阻止透過白色測光杯的外界光進(jìn)入PMT接收端；雖然加載濾光片后進(jìn)入測光杯的外界光源中其他波段的光被過濾掉，但是仍然有少量波長在430nm附近的外界光會(huì)通過濾光片進(jìn)入PMT接收端，這就可能導(dǎo)致測量暗值超標(biāo)，從而會(huì)對(duì)檢測數(shù)據(jù)造成一定影響。為了驗(yàn)證使用濾波片對(duì)檢測結(jié)果的影響，試驗(yàn)選取透光性較差的聚苯乙烯白色測光杯進(jìn)行試驗(yàn)。

由表4可知，檢測暗值整體上滿足要求，但是比較接近臨界值（1000）；如果實(shí)驗(yàn)室中光線過強(qiáng)，暗值則會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，測試信號(hào)值平均為206678，約為標(biāo)準(zhǔn)值的50%，相比內(nèi)白外黑的雙色測光杯衰減有所增加，精密度也有所降低；其原因是430nm的窄帶濾光片對(duì)波長430nm附近的光透過率達(dá)不到100%，從而抑制了一部分光信號(hào)的透過，因此使用濾光片時(shí)需要充分考慮其通透率。

4 結(jié)果討論

綜上所述，黑色測光杯會(huì)導(dǎo)致發(fā)光復(fù)合物的信號(hào)值衰減較大，不能滿足測光系統(tǒng)現(xiàn)有使用要求，內(nèi)白外黑雙色測光杯能最大限度地減小信號(hào)值衰減（接近標(biāo)準(zhǔn)值），測量精密度相對(duì)較高，且只需要對(duì)耗材測光杯進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，不影響測光系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。但是采用該方案時(shí)須控制耗材工藝質(zhì)量、采用自動(dòng)化裝配，并適當(dāng)增加白色內(nèi)壁的壁厚，減少測光杯之間的差異；其余幾套方案都對(duì)減少信號(hào)值衰減的效果很有限，使用濾波片的方案結(jié)構(gòu)簡單，但是對(duì)測光杯的透光性有一定的要求且需要避免實(shí)驗(yàn)室中光線的強(qiáng)度過大，測光距離受制于測光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兒改變幅度較小。因此根據(jù)實(shí)際情況考慮，最終選取內(nèi)黑外白的嵌套反應(yīng)杯結(jié)構(gòu)的方案，并在心肌三項(xiàng)臨床使用中取得了很好的效果。

5 結(jié)語

測光系統(tǒng)是全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光分析儀（發(fā)光POCT）的核心技術(shù)，準(zhǔn)確把握測光系統(tǒng)的各項(xiàng)影響參數(shù)，保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，及時(shí)提高儀器測量數(shù)據(jù)的精密度[6]。POCT檢測對(duì)疾病診斷、治療、預(yù)防及健康和亞健康監(jiān)測將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。該儀器可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)臨床實(shí)驗(yàn)室流程煩瑣不能實(shí)施床旁檢測的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了儀器小型化、操作程序簡便化以及檢測現(xiàn)場實(shí)時(shí)化等特點(diǎn)化[7-9]。

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通信作者：尚曉京（1987—），男，河南許昌人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)獒t(yī)療器械研發(fā)設(shè)計(jì)工作。

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