CN106053404A - 一种便携式多波段荧光检测微量物质分析仪 - Google Patents

一种便携式多波段荧光检测微量物质分析仪 Download PDF

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Abstract

一种便携式多波段荧光检测微量物质分析仪，涉及检测技术领域，用于检测环境、食品、保健品、中药、化妆品等中含有的微量有毒有害物质仪器。仪器包括光学系统、电源、放大装置、自动控制与网络传输系统、显示设备及检测单元；光学系统由激发光源、光源滤光镜、光源聚光透镜、比色皿、荧光聚集透镜、二色镜、滤光镜、荧光聚光透镜、光电转换装置等组成。该分析仪设有多个波段的荧光强度检测通路，以其中一个为参比波段的荧光强度，与被检测物探针荧光强度比较，计算出被检测物的含量，可补偿电源、激发光源、探针浓度、检测环境（pH、温度等）的影响，提高检测稳定性和准确性。本发明的仪器体积小、操作简单，可用于现场实时定量分析检测。

Description

一种便携式多波段荧光检测微量物质分析仪
技术领域
本发明涉及一种便携式多波段荧光检测微量物质分析仪，其属于微量检测技术领域。
技术背景
荧光检测方法比红外光谱法、拉曼光谱法，紫外-可见光谱法灵敏度高1000倍以上，可实现ppb级微量物质检测。但是荧光检测方法也存在易受荧光物浓度、激发光强度和波长、检测环境（如pH、温度、极性等）变化的影响，仪器的稳定性和准确性受到影响。与紫外可见吸收方法相比，由于荧光较弱，如果不设置高效聚集荧光透镜，需要使用光电转换效率更高的倍增二极管，或雪崩二极管作为光电转换装置。
中国发明专利200410071135.3，便携式荧光探针农药残留检测仪：检测透过比色皿的激发光强度，用于补偿电源和光源信号的波动，但不能补赏其他因素影响，如荧光探针本身受到pH、探针浓度、温度等变化环境的影响。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种便携式多波段荧光检测微量物质分析仪，该分析仪具有多波段检测通路，透过以其中一个为参比波段的荧光发射强度与被检测物探针荧光强度的比值，计算出被检测物的含量，可补偿电源、激发光源、探针浓度、检测环境（pH、温度等）的影响，以提高检测稳定性和准确率。
本发明采用的技术方案：一种便携式多波段荧光检测微量物质分析仪，它包括电源供电系统和激发单元，它还包括检测单元和数据处理及显示单元，所述激发单元包括激发光源、光源滤光镜、聚光透镜和比色皿；所述检测单元包括荧光滤光镜、检测聚光透镜和光电二极管；所述分析仪设置检测单元的个数与检测荧光波段数量n相同，检测荧光波段数量n=被检测物质种类数量+参比物质1个，n为2-7的整数；通过n-1个荧光聚集透镜和二色镜将光路分成n段，n段光路再对应n个检测单元进行检测； 所述数据处理及显示单元包括数据采集放大系统、自动控制与网络传输系统和显示设备；所述数据采集放大系统用于放大经光电二极管转换后的电信号；所述自动控制与网络传输系统处理数据的方法为：当n =2时，以两个检测单元的光电二极管检测出光信号强度的比值与比色皿中被检测物质浓度建立标准曲线；当n > 2时，根据在每个被检测物质的波段检测出的荧光强度与参比物质测出的荧光强度的比值，分别与相应被检测物质浓度建立各自的标准曲线；所述电源供电系统与激发光源、光电二极管、数据采集放大系统、自动控制与网络传输系统、显示设备进行电连接；激发光源发射的光穿过光源滤光片聚光透镜至装有荧光探针的比色皿；比色皿中的荧光探针产生的荧光经n-1个荧光聚光透镜和n-1个二色镜，将光束依次分为n束光，n束光对应n个检测单元，光束进入检测单元，依次穿过荧光滤光镜检测聚光透镜进入光电二极管，光电二极管将光信号转换成电信号，电信号经数据采集放大系统放大，再经过数据自动控制与网络传输系统处理得到结果，结果显示在显示设备上。
一种便携式多波段荧光检测微量物质分析仪的检测方法，包含以下步骤：
（1）设置光路：根据被检测物质的种类数量n-1确定分析仪的检测通路的数量，由n-1个荧光聚集透镜和二色镜将光路分成n段波段，n段光路再对应n个检测单元进行检测；
（2）建立被检测物质的标准曲线：n个检测单元分别检测出n-1个被检测物质的荧光强度和1个参比物质的荧光强度，通过每个被检测物质检测出的荧光强度与参比物质测出的荧光强度的比值，分别与对应的被检测物质浓度建立各自的标准曲线；
（3）检测n-1种被检测物质的浓度：将n-1中被检测物质及对应检测探针置于比色皿中，激发光源发射的光穿过光源滤光片聚光透镜至比色皿；比色皿中的荧光探针产生的荧光经n-2个荧光聚光透镜和n-2个二色镜，将光束依次分为n-1个荧光波段，n-1个荧光波段对应n-1个检测单元，分别检测得到n-1种被检测物质的荧光强度；荧光强度再分别与相应被检测物质的标准曲线对应，得到相应的被检测物质的浓度。
激发光源可选用单波长LED、多波长LED、激光、汞灯，根据荧光探针激发波长需要，选用可发射350-800 nm的光源。优先选用多波长LED作为激发光源。
根据选用的激发光源发射光的波长，可选用300-800 nm范围内的带通滤光片、窄带滤光片等。
选用光源透镜要求能将透过光聚集于一点，可选用平凸镜、平凹镜、凸凹镜、双凸镜、双凹镜、不规则透镜等。优先选用平凸镜。
根据检测荧光波段数量n，设置n-1个二色镜，n = 2-7。检测2个荧光波段，设置1个二色镜；检测3个荧光波段，设置2个二色镜2个；检测4个荧光波段，设置3个二色镜；根据二色镜设置数量，应相应增减相应的光电管、透镜、滤光镜设置。
二色镜根据不同要求，可选用350-800 nm范围内的短波荧光折射和长波荧光透过、或短波荧光透过和长波荧光折射的二色镜片；
所述比色皿材质为光学玻璃、石英玻璃、PS（聚苯乙烯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）或PP（聚丙烯），形状可设计为方柱、圆柱、锥形等。
荧光聚集透镜要求最大聚集比色皿中探针发射的荧光，并透过发出平行光，可选用平凸镜、平凹镜、凸凹镜、双凸镜、双凹镜、非球面透镜等，设置单独一个或多个组合透镜。优先选用非球面不规则透镜。
根据要求透过荧光的波长范围，可选用350-800 nm范围内的带通滤光片、窄带滤光片等。
光电二极管根据接受荧光强度强弱，可选用二极管、倍增二极管、雪崩二极管等。优先选用普通光电二极管作为光电转换装置。
光电二极管和数据采集放大系统分别与数据处理单元链接，数据处理单元可以与专用显示器连接，也可以通过蓝牙、USB或wifi与手机、ipad或PC机等显示器连接。
本发明的有益效果为：仪器包括光学系统、电源供电系统、放大装置、自动控制与网络传输系统、显示设备及检测单元；光学系统由激发光源、光源滤光镜、光源聚光透镜、比色皿、荧光聚集透镜、二色镜、滤光镜、聚光透镜、光电转换装置等组成。光源发射的光经滤光镜和聚光透镜激发比色皿中的荧光探针分子，探针发出的荧光在与激发光的垂直方向经透镜聚集，在二色镜分为二束光，短波段荧光光折射后经滤光镜和透镜后在光电二极管转换为电信号。长波段荧光透过二色镜经聚光透镜在第二个二色镜再次分为二个光束，较短的荧光折射后经滤光镜和透镜在光电二极管转换为电信号。较长波段荧光透过二色镜，经滤光镜和透镜，在光电二极管转换为电信号；电信号经放大、数据处理，显示被检测物质浓度。其中一个为参比荧光探针发射的荧光，与被检测物探针荧光比较，补偿了电源、激发光源、探针浓度、检测环境（pH、温度等）的影响，提高了检测稳定性和准确率。激发光源功率由37 mW升高到43 mW时，二极管A和B的检测强度分辨变化了6.0%和6.0%，而A/B比值仅仅变化了0.5%，检测准确性提高了12倍。探针浓度由9.5升高到10.5 µM时，二极管A和B的检测强度分辨变化了8.1%和8.2%，而A/B比值仅仅变化了0.4%，检测准确性提高了约20倍。检测缓冲溶液pH由6.5升高到8.0时，二极管A和B的检测强度分辨变化了1.5%和1.3%，而A/B比值仅仅变化了0.4%，检测准确性提高了约3倍。检测溶液温度由27升高到32度时，二极管A和B的检测强度分辨变化了5.6%和5.2%，而A/B比值仅仅变化了0.4%，检测准确性提高了约13倍。单独根据二极管检测的荧光强度得到的铜或汞离子浓度误差变化较大，在10%左右，通过与参比强度比值计算的结果的误差都在3%以内，因此，该分析仪具有更高的检测精度、检测稳定性和准确率。本发明的仪器体积小、操作简单，可用于现场实时定量分析检测。
附图说明
图1是一种便携式三条检测通路微量物质分析仪的示意图。
图2是一种便携式七条检测通路微量物质分析仪的示意图。
图中：1、激发光源，2、光电二极管，2a、第一光电二极管，2b、第二光电二极管，2c、第三光电二极管，2d、第四光电二极管，2e、第五光电二极管，2f、第六光电二极管，2g、第七光电二极管，3、光源滤光镜，4、聚光透镜，5、荧光滤光镜，5a、第一荧光滤光镜，5b、第二荧光滤光镜，5c、第三荧光滤光镜，5d、第四荧光滤光镜，5e、第五荧光滤光镜，5f、第六荧光滤光镜，5g、第七荧光滤光镜，6、二色镜，6a、第一二色镜，6b、第二二色镜，6c、第三二色镜，6d、第四二色镜，6e、第五二色镜，6f、第六二色镜，6g、第七二色镜，7、荧光聚集透镜，7a、第一荧光聚集透镜，7b、第二荧光聚集透镜，7c、第三荧光聚集透镜，7d、第四荧光聚集透镜，7e、第五荧光聚集透镜，7f、第六荧光聚集透镜，8、比色皿，9、电源供电系统，10、数据采集放大系统，11、自动控制与网络传输系统，12、显示设备，13、检测聚光透镜，13a、第一检测聚光透镜，13b、第二检测聚光透镜，13c、第三检测聚光透镜，13d、第四检测聚光透镜，13e、第五检测聚光透镜，13f、第六检测聚光透镜，13g、第七检测聚光透镜。
具体实施方式
本发明便携式多荧光检测通路微量物质分析仪，涉及微量检测技术领域，是基于荧光探针技术用于现场实时分析检测环境、食品、保健品、中药、化妆品等中含有的微量有毒有害物质仪器。仪器由光学系统、电源供电系统、放大装置、数据处理单元、显示单元组成；光学系统由激发光源、光源滤光镜、光源聚光透镜、比色皿、荧光聚集透镜、二色镜、透滤光镜、光电转换装置组成；光源发射的光经滤光镜和聚光透镜激发比色皿中的荧光探针分子，探针发出的荧光在与激发光的垂直方向经透镜聚集，在二色镜分为二束光，短波段荧光光折射后经滤光镜和透镜后在光电二极管转换为电信号。长波段荧光透过二色镜经聚光透镜在第二个二色镜再次分为二个光束，较短的荧光折射后经滤光镜和透镜在光电二极管转换为电信号。较长波段荧光透过二色镜，经滤光镜和透镜，在光电二极管转换为电信号；电信号经放大、数据处理，显示被检测物质浓度。其中一个为参比荧光探针发射的荧光，与被检测物探针荧光比较，可补偿电源、激发光源、探针浓度、检测环境（pH、温度等）的影响，提高检测稳定性和重复率。本发明的仪器体积小、操作简单，可用于现场实时定量分析检测。
实施例1：荧光聚集透镜筛选
实验条件：选用2个荧光检测通道模式（n = 2，在水平和垂直方向各有一各光电二极管A和B)，铜离子荧光探针（10 µM，中国发明专利ZL200410082745.3中的化合物1，最大激发波长450 nm，探针发射525 nm波长的荧光，探针与铜离子结合后发射475 nm波长的荧光），LED激发光源（发射波长450 nm，额定功率40 mW），激发电源功率 40 mW，50 mM HEPES缓冲水-乙醇溶液（ pH 7.2，30 oC），铜离子浓度（5 µM），方形标准比色皿，各种荧光聚集透镜，二色镜（500 nm），A路荧光滤镜（475 nm，窄带滤光片），B路荧光滤镜（525 nm，带通滤光片），聚光透镜（平凸镜），放大倍数10 M。
实验结果：
结果显示，非球面透镜聚集荧光量与平凸镜、平凹镜、平凸与平凹镜组合镜相比提高3倍以上。
实施例2：激发光强度影响
实验条件：选用2个荧光检测通道模式（n = 2，在水平和垂直方向各有一各光电二极管A和B)，铜离子荧光探针（同实例一），LED激发光源（发射波长450 nm，额定功率40 mW），激发电源功率 37 ~ 43 mW，50 mM HEPES缓冲水-乙醇溶液（ pH 7.2，30 oC），铜离子浓度（5 µM），方形标准比色皿，荧光非球面聚集透镜，二色镜（500 nm），A路荧光滤镜（475 nm，窄带滤光片），B路荧光滤镜（525 nm，带通滤光片），聚光透镜（平凸镜），放大倍数10 M。
实验结果：
激发光源功率由37 mW升高到43 mW时，二极管A和B的检测强度分辨变化了6.0%和6.0%，而A/B比值仅仅变化了0.5%，检测准确性提高了12倍。
实施例3：荧光探针浓度的影响
实验条件：选用2个荧光检测通道模式（n = 2，在水平和垂直方向各有一各光电二极管A和B)，铜离子荧光探针（9.5 ~ 10.5 µM，同实例一），LED激发光源（发射波长450 nm，额定功率40 mW），激发电源功率 40 mW，50 mM HEPES缓冲水-乙醇溶液（pH 7.2，30 oC），铜离子浓度（5 µM），方形标准比色皿，荧光非球面聚集透镜，二色镜（500 nm），A路荧光滤镜（475nm，窄带滤光片），B路荧光滤镜（525 nm，带通滤光片），聚光透镜（平凸镜），放大倍数10 M。
实验结果：
探针浓度由9.5升高到10.5 µM时，二极管A和B的检测强度分辨变化了8.1%和8.2%，而A/B比值仅仅变化了0.4%，检测准确性提高了约20倍。
实施例4：检测溶液pH的影响
实验条件：选用2个荧光检测通道模式（n = 2，在水平和垂直方向各有一各光电二极管A和B)，铜离子荧光探针（10.0 µM，同实例一），LED激发光源（发射波长450 nm，额定功率40mW），激发电源功率 40 mW，50 mM HEPES缓冲水-乙醇溶液（pH 6.5 - 8.0，30 oC），铜离子浓度（5 µM），方形标准比色皿，荧光非球面聚集透镜，二色镜（500 nm），A路荧光滤镜（475nm，窄带滤光片），B路荧光滤镜（525 nm，带通滤光片），聚光透镜（平凸镜），放大倍数10 M。
实验结果：
检测缓冲溶液pH由6.5升高到8.0时，二极管A和B的检测强度分辨变化了1.5%和1.3%，而A/B比值仅仅变化了0.4%，检测准确性提高了约3倍。
实施例5：检测溶液温度影响
实验条件：选用2个荧光检测通道模式（n = 2，在水平和垂直方向各有一各光电二极管A和B)，铜离子荧光探针（10.0 µM，同实例一），LED激发光源（发射波长450 nm，额定功率40mW），激发电源功率 40 mW，50 mM HEPES缓冲水-乙醇溶液（ pH 7.2，27 ~ 32 oC），铜离子浓度（5 µM），方形标准比色皿，荧光非球面聚集透镜，二色镜（500 nm），A路荧光滤镜（475nm，窄带滤光片），B路荧光滤镜（525 nm，带通滤光片），聚光透镜（平凸镜），放大倍数10 M。
实验结果：
检测溶液温度由27升高到32度时，二极管A和B的检测强度分辨变化了5.6%和5.2%，而A/B比值仅仅变化了0.4%，检测准确性提高了约13倍。
实施例6：微量铜离子浓度检测
实验条件：选用2个荧光检测通道模式（n = 2，在水平和垂直方向各有一各光电二极管A和B)，铜离子荧光探针（10.0 µM，同实例一），LED激发光源（发射波长450 nm，额定功率40mW），激发电源功率 40 mW，50 mM HEPES缓冲水-乙醇溶液（ pH 7.2，30 oC），铜离子浓度（1~ 10 µM），方形标准比色皿，荧光非球面聚集透镜，二色镜（500 nm），A路荧光滤镜（475 nm，窄带滤光片），B路荧光滤镜（525 nm，带通滤光片），聚光透镜（平凸镜），放大倍数10 M。
实验结果：
计算公式：Y = k × A + b, A强度计算结果：k = -0.008, b = 11.91, 相关系数R2 = 0.97；
计算公式：Y = k × B + b, B强度计算结果：k = 0.014, b = -6.327, 相关系数R2 = 0.94；
计算公式：Y = k × A/B + b, k = -4.598, b = 10.47, 相关系数R2 = 0.99；
在实验室标准条件下，单独根据光电二极管A或B检测的荧光强度得到的铜离子浓度误差结果大部分在10%左右，通过A/B值计算的结果误差在2.3%以下。
实施例7：微量铜、汞离子浓度检测
实验条件：选用3个荧光检测通道模式（n = 3，在水平设置有一个光电二极管A，在垂直方向设有2个光电二极管B和C)，铜离子荧光探针（10.0 µM，同实例一），汞离子探针（10.0 µM，探针结构参见J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 2272.)，LED激发光源（发射波长450 nm，额定功率40 mW），激发电源功率 40 mW，50 mM HEPES缓冲水-乙醇溶液（ pH 7.2，30 oC），铜离子浓度（2 ~ 10 µM），汞离子浓度（0.1 ~ 5 µM），方形标准比色皿，荧光非球面聚集透镜，二色镜（B光路为500 nm，C光路为540 nm，短波长荧光折射，长波长荧光透过），A路荧光滤镜（475 nm，窄带滤光片），B路荧光滤镜（525 nm，带通滤光片），C路荧光滤镜（555 nm，带通滤光片），聚光透镜（平凸镜），放大倍数10 M。
实验结果：
计算公式：Y = k × A + b, A强度计算结果：k = -0.008, b = 11.91, 相关系数R2 = 0.97；
计算公式：Y = k × B + b, B强度计算结果：k = 0.014, b = -6.327, 相关系数R2 = 0.94；
计算公式：Y = k × A/B + b, k = -4.598, b = 10.47, 相关系数R2 = 0.99；
在实验室标准条件下，单独根据光电二极管A或B检测的荧光强度得到的铜离子浓度误差结果大部分在10%左右，通过A/B值计算的结果误差在1.7%以下。
实验结果：
注： 检测汞浓度前，体系加有10 µM铜离子，并以铜离子探针与铜结合后的发射荧光强度B（在475 nm处发射荧光）作为参比。
计算公式：Y = k × C + b, k = 0.007, b = 0.11, 相关系数R2 = 0.98；
计算公式：Y = k × C/B + b, k = 10.13, b = 0.021, 相关系数R2 = 0.99；
在实验室标准条件下，单独根据光电二极管C检测的荧光强度得到的汞离子浓度误差变化很大达到0.24~67%，通过C/B值计算的结果误差在1.6%以下。
实施例8
如图2所示，以检测荧光波段数量n=7为例，该分析仪的光路为：激发光源1发出的光经光源滤光镜3、聚光透镜4激发比色皿8中的荧光探针分子，探针发出的荧光与激发光垂直方向经第一荧光聚光透镜7a，光在第一二色镜6a分为光束A和光束B，短波段荧光光束A经第一荧光滤光镜5a、第一聚光透镜13a后由第一光电二极管2b转换为电信号b；光束B在第二二色镜6b分为光束B1和光束C，光束B1经第二荧光滤光镜5b、第二聚光透镜13b后由第二光电二极管2c转换为电信号c；光束C在第三二色镜6c分为光束C1和光束D，光束C1经第三荧光滤光镜5c、第三聚光透镜13c后由第三光电二极管2d转换为电信号d；光束D在第四二色镜6d分为光束D1和光束E，光束D1经第四荧光滤光镜5d、第四聚光透镜13d后由第四光电二极管2e转换为电信号e；光束F在第五二色镜6f分为光束F1和光束G，光束F1经第五荧光滤光镜5f、第五聚光透镜13f后由第五光电二极管2g转换为电信号g；光束G经第六荧光滤光镜5g、第六聚光透镜13g后由第六光电二极管2a转换为电信号a；
电信号a-g进入到数据采集放大系统10中，经自动控制与网络传输系统11处理，得到被检测物质浓度，通过蓝牙、USB或wifi将数据在手机、ipad或PC机等显示设备上显示。

Claims (3)

1.一种便携式多波段荧光检测微量物质分析仪，它包括电源供电系统（9）和激发单元，其特征在于：它还包括检测单元和数据处理及显示单元，所述激发单元包括激发光源（1）、光源滤光镜（3）、聚光透镜（4）和比色皿（8）；所述检测单元包括荧光滤光镜、检测聚光透镜和光电二极管；所述分析仪设置检测单元的个数与检测荧光波段数量n相同，检测荧光波段数量n=被检测物质种类数量+参比物质1个，n为2-7的整数；通过n-1个荧光聚集透镜和二色镜将光路分成n段，n段光路再对应n个检测单元进行检测； 所述数据处理及显示单元包括数据采集放大系统（10）、自动控制与网络传输系统（11）和显示设备（12）；所述数据采集放大系统（10）用于放大经光电二极管转换后的电信号；所述自动控制与网络传输系统（11）处理数据的方法为：每个被检测物质的波段检测出的荧光强度与参比荧光波段测出的荧光强度的比值，分别与相应被检测物质浓度建立各自的标准曲线；所述电源供电系统（9）与激发光源（1）、光电二极管（2）、数据采集放大系统（10）、自动控制与网络传输系统（11）、显示设备（12）进行电连接；激发光源（1）发射的光穿过光源滤光片（3）聚光透镜（4）至装有荧光探针的比色皿（8）；比色皿（8）中的荧光探针产生的荧光经n-1个荧光聚光透镜和n-1个二色镜，将光束依次分为n束光，n束光对应n个检测单元，光束进入检测单元，依次穿过荧光滤光镜（5）检测聚光透镜（13）进入光电二极管（2），光电二极管（2）将光信号转换成电信号，电信号经数据采集放大系统（10）放大，再经过数据自动控制与网络传输系统（11）处理得到结果，结果显示在显示设备（12）上。
2.根据权利要求1所述的一种便携式多波段荧光检测微量物质分析仪的检测方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）设置光路：根据被检测物质的种类数量n-1确定分析仪的检测通路的数量，由n-1个荧光聚集透镜和二色镜将光路分成n段波段，n段光路再对应n个检测单元进行检测；
（2）建立被检测物质的标准曲线：n个检测单元分别检测出n-1个被检测物质的荧光强度和1个参比物质的荧光强度，通过每个被检测物质检测出的荧光强度与参比荧光波段测出的荧光强度的比值，分别与对应的被检测物质浓度建立各自的标准曲线；
（3）检测n-1种被检测物质的浓度：将n-1中被检测物质及对应检测探针置于比色皿中，激发光源发射的光穿过光源滤光片聚光透镜至比色皿；比色皿中的荧光探针产生的荧光经n-2个荧光聚光透镜和n-2个二色镜，将光束依次分为n-1个荧光波段，n-1个荧光波段对应n-1个检测单元，分别检测得到n-1种被检测物质的荧光强度；荧光强度再分别与相应被检测物质的标准曲线对应，得到相应的被检测物质的浓度。
3.根据权利要求1所述的一种便携式多波段荧光检测微量物质分析仪，其特征在于：所述激发光源为发射350-800 nm的光源，激发光源选自单波长LED、多波长LED、激光或汞灯；所述光电二极管选自普通二极管、倍增二极管或雪崩二极管；所述二色镜为短波荧光折射和长波荧光透过二色镜或短波荧光透过和长波荧光折射二色镜；所述荧光聚集透镜选自平凸镜、平凹镜、凸凹镜、双凸镜、双凹镜、非球面透镜中的一种或多种；所述比色皿材质为光学玻璃、石英玻璃、PS、PMMA或PP，比色皿的形状为方柱、圆柱或锥形；所述显示设备为仪器配备显示器、手机、平板电脑或PC电脑。
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