CN101672767A - 一种光栅分光光度装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅分光光度装置，包括沿光的传播方向依次设置的光源、前透镜、反应杯、后透镜、入射狭缝、平场凹面光栅和探测器阵列，所述光源的中心、所述前透镜、所述反应杯、所述后透镜、所述入射狭缝和所述平场凹面光栅的光轴位于同一直线上，所述前透镜、所述反应杯、所述后透镜、所述入射狭缝、所述平场凹面光栅和所述探测器阵列的位置关系保证所述光源发出的光束经所述前透镜聚焦、所述反应杯透射、所述后透镜聚焦、所述入射狭缝透射、所述平场凹面光栅反射，最后到达所述探测器阵列上。

Description

一种光栅分光光度装置

技术领域

本发明涉及生化分析仪技术领域，具体涉及一种应用于生化分析仪的光栅分光光度装置。

背景技术

生化分析仪是医院临床常规分析仪器，其主要功能是测量人体体液中的各种生化指标。全自动生化分析仪基于光电比色法，这个方法通过将白光分光实现。其中的分光光度模块就是为了完成这种分光并度量光的能量的装置。对于生化分析仪来说，分光光度模块的性能直接影响整个仪器的性能指标，甚至是整体的功能。

目前已知分光光度的技术主要有下面两种：一种是滤光片结构，一种是光栅式结构。滤光片结构中的核心部件滤色片容易发霉需要定期更换，滤色片中的波长选择也不够灵活。因此滤色片结构的分光技术已经成为落后的技术。而当前的光栅式结构也有很多种的实现方式，其中当前广泛采用的一种先进结构是光源，前透镜、反应杯、后透镜、入射狭缝、反射镜、平场凹面光栅、探测器阵列组成的分光光度装置。由于设计结构的要求，上述分光光度装置中加入了反射镜，使得结构较为复杂，在安装调试中，必须调整反射镜，使之精确满足前后位置和倾斜角度的要求，而反射镜调整不容易实现，且费时费力。而且分光光度装置中增加元器件也造成了结构尺寸增大，不利于装置整体结构安装。还有光学系统中因增加了元器件必然产生新的光的吸收和反射等能量散失，造成信号强度的减小，影响信噪比，进而造成整个分光光度装置精度下降。另外增加物料也会造成成本的提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光栅分光光度装置，克服现有技术应用于生化分析仪的光栅分光光度装置反射镜调整不易实现，且费时费力的缺陷，以及因使用反射镜分光光度装置结构尺寸增大，不利于装置整体结构安装的缺陷，以及因使用反射镜造成信号强度减小，影响信噪比的缺陷，以及因使用反射镜增加物料成本的缺陷。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种光栅分光光度装置，包括沿光的传播方向依次设置的光源、前透镜、反应杯、后透镜、入射狭缝、平场凹面光栅和探测器阵列，所述光源的中心、所述前透镜、所述反应杯、所述后透镜、所述入射狭缝和所述平场凹面光栅的光轴位于同一直线上，所述前透镜、所述反应杯、所述后透镜、所述入射狭缝、所述平场凹面光栅和所述探测器阵列的位置关系保证所述光源发出的光束经所述前透镜聚焦、所述反应杯透射、所述后透镜聚焦、所述入射狭缝透射、所述平场凹面光栅反射，最后到达所述探测器阵列上。

所述的光栅分光光度装置，其中所述光源设为卤钨灯。

所述的光栅分光光度装置的进一步优化是：所述前透镜包括几何尺寸相同的两个平凸结构透镜。

所述的光栅分光光度装置的进一步优化是：所述两个平凸结构透镜的凸面相对设置。

所述的光栅分光光度装置的进一步优化是：所述后透镜设为凸面曲率半径相等的双凸透镜。

所述的光栅分光光度装置的进一步优化是：所述双凸透镜的凸面曲率半径等于所述平凸结构透镜的凸面曲率半径。

所述的光栅分光光度装置的进一步优化是：所述探测器阵列设为光电二极管探测器阵列。

所述的光栅分光光度装置，其中还包括用于模数转换的AD板，所述AD板与所述探测器阵列相连。

所述的光栅分光光度装置的进一步优化是：所述AD板置于独立的安装室内。

所述的光栅分光光度装置的进一步优化是：所述光电二极管探测器阵列设为光电二极管间距不相等的离散式光电二极管探测器阵列。

本发明的有益效果：本发明光栅分光光度装置不使用反射镜，因此消除了因使用反射镜造成的系列缺陷；而且在结构上仍有创新之处：AD板和探测器板之间直接插接，AD板的安装位置与其它光学器件的安装位置隔离，置于独立的安装室内，这样既方便对AD板放大倍率的调整，又减少了对光学系统的干扰；本发明光栅分光光度装置使用光电二极管间距不相等的离散式光电二极管探测器阵列而不使用光电二极管间距相等的集成式光电二极管探测器阵列，这样就不会出现探测器阵列不能满足设计需要的问题；本发明光栅分光光度装置结构紧凑，安装调试方便，运行稳定且利于大批量生产。

附图说明

本发明包括如下附图：

图1为本发明光栅分光光度装置示意图；

图2为本发明光栅分光光度装置光学尺寸示意图；

图3为本发明光栅分光光度装置实施例示意图；

图4为本发明离散式光电二极管探测器阵列与现有技术集成式光电二极管探测器阵列对照示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

如图1、图2和图3所示，本发明光栅分光光度装置包括沿光的传播方向依次设置的光源1、前透镜2、反应杯3、后透镜4、入射狭缝5、平场凹面光栅6、探测器阵列7、AD板8。光源1的中心、前透镜2、反应杯3、后透镜4、入射狭缝5、平场凹面光栅6的光轴位于同一直线上，光源1、前透镜2、反应杯3、后透镜4、入射狭缝5、平场凹面光栅6、探测器阵列7的位置关系保证光源1发出的光束经前透镜2聚焦、反应杯3透射、后透镜4聚焦、入射狭缝5透射、平场凹面光栅6反射，最后到达探测器阵列7上。

探测器阵列7与光轴夹一角度α，α角的角度由平场凹面光栅6唯一确定，而且探测器7距离平场凹面光栅6中心(光轴与凹球面的交点)的距离L也是唯一由平场凹面光栅6确定，使用不同的平场凹面光栅6一般来说a、L值是不同的，必须严格按照平场凹面光栅6最初设计值来放置探测器阵列7。而且探测器阵列7上各个波长的位置也是被平场凹面光栅6唯一确定的。

工作原理：光源1发出白光(复色光)被前透镜2聚焦于反应杯3中心处，通过反应杯3后的光将携带了反应杯3中溶液浓度等信息。在经过后透镜4再一次聚焦到入射狭缝处5，通过入射狭缝5后的光将投射到平场凹面光栅6上，经过光栅分光，在探测器阵列7所在处探测出各路波长的光强，其中在探测器阵列7前有个狭缝阵列，它的功能就是选择透过需要的各路波长，不需要的波长则被它遮挡。探测器阵列7探测出各路光电信号(模拟信号)传给AD板8，AD板8在完成模数转换后，将数字信号传给主控单元。

在本发明的具体实施例中卤钨灯的灯丝的像成在反应杯中心位置，并尽量减小像差特别是球差，在反应杯中心处得到一个灯丝精细锐利的像点，像点要达到尽量小并且尽量集中，这样，进入反应杯中的能量会尽量多，同时像点越小则需要的反应杯中溶液最小反应体积就小，而最小反应体积对于生化分析仪是个至关重要的指标，能大量节省试剂等耗材。为此特别使用了平凸结构的前透镜组，而平凸结构透镜具有结构简单，加工方面，像差校正好等优点，在本发明的具体实施例中两个平凸结构透镜完全相同。如图2所示，l和l′满足高斯公式，即：

$\frac{1}{l}-\frac{1}{l^{\′}}=\frac{1}{f^{\′}},$ 通过高斯公式就可以计算出成像的具体数据。

后透镜将反应杯中的光点成像在入口狭缝处，由于狭缝阵列开口尺寸是平场凹面光栅决定的，其入口尺寸非常小，无论如何该狭缝透过的光也只是成像在此处的光的局部抽样。因此为了简化，后透镜采用单片透镜结构已经能满足需要，为了节省加工费用，后透镜使用两凸面曲率半径相等的双凸透镜，并且这个曲率半径和平凸结构前透镜凸面曲率半径相同，这样只需要一个加工样板就可以完成前透镜和后透镜的加工，加工方便价格当然便宜。这个成像关系也满足高斯公式，可以同样计算出成像具体数据。

平场凹面光栅决定了狭缝阵列的大小、狭缝阵列与平场凹面光栅的距离、探测器阵列安装时与光轴所夹角度和以及探测器阵列面和平场凹面光栅的距离，因此选择不同的平场凹面光栅则这些上述的尺寸和角度就被唯一决定了。

光电二极管探测器阵列上对应选定的波长方案中的不同波长，选用不同的探测器阵列像元来探测光电信号，并将各路光电信号(模拟信号)送到AD板8中，经过AD板模数转换后，将数字信号上传到主控单元，则光栅分光光度模块的全部功能完成。

卤钨灯、前透镜组、透紫外有机玻璃反应杯、后透镜、入射狭缝和平场凹面光栅光轴共轴。附图2显示的机械结构实现光轴同轴。

而卤钨灯为20W，而前透镜组中两个透镜完全相同，曲率半径一个为平面一个为20.137mm，厚度为5.97mm，材料为K9，两镜片中心重心距为10.05mm。光源距前透镜组的距离是43mm，前透镜组距反应杯为27.5mm。后透镜的两面曲率半径均为20.137mm，中心距离5mm，它分别距离反应杯和入射狭缝为32mm、28mm。入射狭缝距平场凹面光栅中心为98.2mm，而平场凹面光栅距探测器阵列为98.2mm。探测器阵列面与光轴夹70度角。平场凹面光栅产生的光谱分布是固定的，则对应一个波长必须将探测器放在特定位置。

前透镜组，后透镜都采用K9玻璃制成，入射狭缝宽度为0.5mm，高度为5mm，光电二极管探测器阵列采用35像元，谱面宽度34.9mm，能够检测出的12个波长的光强，对应波长为340nm、375nm、405nm、455nm、505nm、540nm、572nm、605nm、670nm、700nm、748nm、794nm。

如图4所示，现有技术的集成式光电二极管阵列72具有光电二极管721间距相等的特点，对于分光光度模块设计中波长选择有较大的限制，使得选择波长不能完全自由，受到光电二极管721间尺寸的限制。本发明实施例采用光电二极管711间距不相等的离散式光电二极管探测器阵列71，则完全不存在这个问题，可以根据算定的波长方案来放置每个光电二极管711。采用离散式光电二极管探测器阵列71还能大大节约成本，定制离散式光电二极管探测器阵列71可以通过制作一个满足尺寸要求的电路板，然后贴片上每个光电二极管711就可以了，非常方便，而且价格便宜。采用离散式光电二极管探测器阵列71还有一个很大的好处，可以将狭缝阵列以及滤色片直接贴在定制的离散式光电二极管探测器阵列71上，简单方便精度高，利于大批量生产。如果采用集成式光电二极管探测器阵列72，在其上粘贴狭缝阵列和滤色片不但麻烦而且精度也不容易保证，操作困难，非常费时费力。

为了提高信号信噪比，降低信号传输过程中的衰减和干扰，探测器后的AD板和探测器板之间是直接插接的，并且电路板完全被屏蔽在内部，干扰也小。由于和其它光学器件处在分开的两室空间内，互相之间没有干扰，AD板需要经常调整放大倍率，这种设计不会造成打开主光学系统室而干扰光学系统，又能打开AD板室进行放大倍率的调整。本发明光栅分光光度装置满足如下性能要求：

测量波长范围：340～850nm；

波长准确度：±2nm；

半波宽(FWHM)：6nm+2nm；

检测波长数：12个；

线性测量范围：0～3.0(线性误差±5％)；

吸光度准确度(如表1所示)：

表1

吸光度值	允许误差
		0.5	±0.02
1	±0.04

吸光度稳定性：对吸光度为0.2的溶液连续测定1小时，最大值与最小值之差不大于0.01；

吸光度重复性：对吸光度为1.0的溶液重复测量20次，用变异系数CV表示，不大于1％；

吸光度分辨率：0.001A；

检测的最小反应体积：150ul。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1、一种光栅分光光度装置，其特征在于：包括沿光的传播方向依次设置的光源、前透镜、反应杯、后透镜、入射狭缝、平场凹面光栅和探测器阵列，所述光源的中心、所述前透镜、所述反应杯、所述后透镜、所述入射狭缝和所述平场凹面光栅的光轴位于同一直线上，所述前透镜、所述反应杯、所述后透镜、所述入射狭缝、所述平场凹面光栅和所述探测器阵列的位置关系保证所述光源发出的光束经所述前透镜聚焦、所述反应杯透射、所述后透镜聚焦、所述入射狭缝透射、所述平场凹面光栅反射，最后到达所述探测器阵列上。

2、根据权利要求1所述的光栅分光光度装置，其特征在于：所述光源设为卤钨灯。

3、根据权利要求2所述的光栅分光光度装置，其特征在于：所述前透镜包括几何尺寸相同的两个平凸结构透镜。

4、根据权利要求3所述的光栅分光光度装置，其特征在于：所述两个平凸结构透镜的凸面相对设置。

5、根据权利要求4所述的光栅分光光度装置，其特征在于：所述后透镜设为凸面曲率半径相等的双凸透镜。

6、根据权利要求5所述的光栅分光光度装置，其特征在于：所述双凸透镜的凸面曲率半径等于所述平凸结构透镜的凸面曲率半径。

7、根据权利要求6所述的光栅分光光度装置，其特征在于：所述探测器阵列设为光电二极管探测器阵列。

8、根据权利要求7所述的光栅分光光度装置，其特征在于：还包括用于模数转换的AD板，所述AD板与所述探测器阵列相连。

9、根据权利要求8所述的光栅分光光度装置，其特征在于：所述AD板置于独立的安装室内。

10、根据权利要求9所述的光栅分光光度装置，其特征在于：所述光电二极管探测器阵列设为光电二极管间距不相等的离散式光电二极管探测器阵列。

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