CN1338623A - 微型双光谱检测生化分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电光谱探测和光谱生物化学分析技术领域;包括通过光学元件依次连接在同一光路中的自适应可调光源、光学衰减器、第一样品室、第一集成光学微光谱仪以及第一模数转换器,还包括通过光学元件与该光学衰减器连接在另一光路中的第二样品室、第二集成光学微光谱仪以及第二模数转换器;分别连于该两个模数转换器、所说的光学衰减器及自适应可调光源的计算机数据处理系统。本发明可扩大光电光谱探测的动态范围、实现自适应动态调整、系统自标定、实时误差校正等功能。这种微型双光谱检测生化分析仪系统可用于常规生化检测、现场生化分析。在生物医疗、环境监测、材料分析等许多领域都有潜在的应用。

Description

微型双光谱检测生化分析仪

技术领域

本发明属于光电光谱探测和光谱生物化学分析技术领域；特别涉及光谱检测生化分析仪的结构设计。

背景技术

普通生化仪和分光光度计类似的仪器均只有一套单色仪系统，有的系统具有两套单色仪，但探测器为两路共用且不具备线阵探测器的性能。

一种作为颜色传感器的双光谱仪系统(USP5,793,486)是作为纸张颜色测量的仪器。系统采用了两个光谱仪。一个对准纸面的高反射区(白区)，另一个对准纸面的高吸收区(黑区)。两个光谱仪分别同时测量两个区域的全光谱。这个系统适合于在线测量运动纸张的颜色及与颜色相关的特性。系统进行反衬度比率反射测量，提供不透明物体的全光谱的实时校正。由于这种系统的结构所限不能采用共光路结构，同时测量的是样品不同区域的光谱。缺少校准系统基线和噪声自动消除的功能。因此这种系统不适合于进行生物样品的测量和生化分析。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种微型双光谱检测生化分析仪，可扩大光电光谱探测的动态范围、实现自适应动态调整、系统自标定、实时误差校正等功能。

本发明提出的一种微型双光谱检测生化分析仪，其特征在于，包括通过光学元件依次连接在同一光路中的自适应可调光源、光学衰减器、第一样品室、第一集成光学微光谱仪以及第一模数转换器，还包括通过光学元件与该光学衰减器连接在另一光路中的第二样品室、第二集成光学微光谱仪以及第二模数转换器；分别连于该两个模数转换器、所说的光学衰减器及自适应可调光源的计算机数据处理系统。

本发明的自适应可调光源中的光源可以采用发射出宽谱光束的卤素灯等宽谱灯；可控制电源可以通过调节输出电压改变输出功率，使光源获得不同电压和功率的电源供应产生不同的亮度。降温装置可采用风扇，安装在光源附近，通过强制通风使光源发出的热量及时散发，降低环境温度。温度探测器、光谱探测器、光强探测器及光源控制器均可采用常规产品，其中，温度探测器安装在光源附近，将探测到的温度转换成电信号送给控制器。光强探测器安装在光源背面，将探测到的光强信号送给控制器。光谱探测器对特定谱线进行检测，将探测信号送给控制器。光源控制器接收的温度探测器、光强探测器和光谱探测器送来的测量信号后，通过电路反馈降低或升高电源和风扇的电压，增加和减小其功率输入，达到控制亮度和温度的目的。例如当探测器测量到系统中环境温度过高时，控制器提高风扇输入功率增加排风量，降低光源功率减少发热，使环境温度降低。当探测器测量到亮度过高时，控制器会降低光源电源功率，降低亮度。当光谱探测器测量到谱线饱和信噪比太低时，控制器会降低和提高光源功率，或发出警报提示用户更换新灯泡等备件。也可以根据测量样品的要求设定光源的控制参数，如给定电压、功率等。通过全量程动态范围优化、光强/光谱对应点量程优化、其他优化准则，使测量系统始终处于最佳状态。避免了因饱和无法得到峰值数据，同时也避免了因信噪比太差淹没了有用的信号。这种自适应反馈控制提高了测量灵敏度和扩大测量动态范围。

所说的光学衰减器的连续或阶梯变化透射率光学元件可以是矩形玻璃采用公知技术镀上不均匀的渐变的金属膜层，其透光率也是渐变。光束照到不同位置具有不同的光透过率。通过机械调节机构，如采用已知的微型移动台移动连续或阶梯变化透射率光学元件，则可以实现光束的透过率和衰减变化。同样连续或阶梯变化透射率光学元件也可以制成圆形盘状连续渐变透过率分布。将装在一个具有转轴的机械调节机构的转轴上，光束射到光衰减盘上，当光衰减盘旋转时，透过率发生变化，实现了对光束的调节。若本发明是由其他光电、声光、光学偏振等元器件构成的光学衰减器。通过改变起偏器和检偏器相对角度等，可以使光束通过光学衰减器的衰减系数发生变化。其调节机构可通过控制器受到检测信号的反馈控制，通过机械移动、转动、声光调制器频率调节、光学偏振器件相对角度改变调整光透过率，实现对光强进行特定参数或实时的调节。

本发明采用的集成光学微光谱仪是光电光谱基础部件，光束经光纤耦合进入光谱仪后射向衍射色散光栅，经色散光栅散射形成连续光谱的光强分布到达阵列光电接收器表面。接收器的每个单元对应不同的谱线成份，探测到对应的谱线强度信号。通常采用256单元的阵列探测器。光谱分辨率优于7nm。动态范围优于104。一个微光谱仪用于测量样品光谱分布，另一个微光谱仪用于测量对比样品。对比样品可以是真空、空气、标准样品和其他参照样品等。参考信号被用于进行实时反馈控制、系统自标定、误差校正等。也可以用两个微光谱仪同时测量一个样品。取得多谱线数据进行数据处理，实现降低噪声等功能。

所说的数据处理系统可以是一台通用微型计算机及存储在其中的采用常规技术专门设计的生化指标的探测、分析、评价计算机软件系统。并具备必要的参数和样品数据库。能够进行实时检测、测量数据处理、生化指标分析、智能化数据诊断与评价、文档管理等。

本发明的工作原理如下：

宽谱光源发出的光被耦合进入光学系统。光束穿过样品被样品吸收、散射和反射。经过样品盒的光束经光纤耦合进入光谱仪。光束经微型光谱仪色散元件的散射到达探测器阵列表面，阵列探测器接收光谱分布，将光谱信号转变成电信号。

光束进入样品室前穿过光学衰减器。这个光学衰减器由连续或阶梯变化透射率光学元件和机械调节机构组成。也可由其他光电、声光、学学偏振等元器件组成。光学衰减器使进入样品室的光束受到一定的衰减。调节机构受到检测信号的反馈控制，对透过光强进行特定参数或实时的调节。一方面样品不同，其透过率不同；另一方面各个谱线的强度差异很大，而探测器的动态范围有限。为适应各种光强的探测和将所有谱线表征清楚，根据吸收光谱的变化和谱线的强度调整光学衰减器，使到达探测器强度令其始终工作在最佳动态范围。

本发明的测量方法与基于同样原理的分光光度计双波长测量法相同。

普通单、双光束分光光度计不能消除非特征吸收信号的影响，因而引起测量误差。双波长测量法在测量高浓度试样和浑浊试样以及多组分混合样品的定量分析时提高了灵敏度和准确度。

双波长分光光度计原理如下：来自同一光源的光分为两束，分别经过两个单色器，得到两束具有不同波长(λ₁、λ₂)的单色光，利用切光器使两束光以一定的时间间隔交替的照射到同一样品池。测量到的两束光的吸光度差ΔA＝A₁₂-A₁₁。只要λ₁、λ₂选择得适当，即一个波长为吸收物质最大，另一个波长为吸收很少或不吸收，ΔA为消除了非特征吸收影响的吸收光度(扣除了“背景吸收”)。

设在双波长测量中，入射到样品池的两束光强相同，对应波长分别为λ₁和λ₂，两种样品的吸光度课表示为：

A₁₁＝ε₁₁Cb+A_s1

A₁₂＝ε₁₂Cb+A_s2

式中A_s为背景吸收。ε₁₁和ε₁₂为摩尔吸收系数，当溶液浓度以摩尔浓度(mol/L)为单位时，透光厚度以cm为单位，吸收定律表示为：A＝εCb。ε表示溶液浓度为1mol/L，透光层厚度1cm时该物质的吸光度，ε越大表示这种物质吸光能力越强。C为溶液浓度，b为透光液层厚度。

若λ₁和λ₂，选择适当，则可认为A_si＝A_S2＝A_S，即背景吸收相同，透射样品池的两束光的吸收度差值为：

ΔA＝A₁₂-A₁₁＝(ε₁₂-ε₁₁)Cb

显然ΔA∝C。这就是双波长分光光度法定量分析的依据。

本发明的微型生化仪由两个结构和性能相同的集成光学微光谱仪组成。一个微光谱仪用于测量样品的光谱分布，将光谱信号转化成电信号，送入计算机进行处理。另一个微光谱仪用于测量对比样品。比对样品可以是真空、空气、标准样品、参考样品等。所测量的参考信号经光电转换进入计算机进行处理。参考信号数据作为进行光学衰减器反馈控制、系统自标定、实时误差校正等的依据。也可以用两个微光谱仪同时测量一个样品。取得多谱线数据进行数据处理，实现降低噪声等功能。

本发明具有如下特点：

1.自适应可调光源可以根据测量时对温度，亮度等的要求对功率进行反馈调整。其作用在于提高灵敏度和扩大测量动态范围。

2.光学衰减器受到检测信号的反馈控制，对透过光强进行特定参数或实时的调节。其作用在于调整入射光强，是测量系统处于最佳状态。

3.两套性能相同的集成光学微光谱仪组成本微型生化仪系统。一个用于测量样品，另一个用于作为参考信号进行实时反馈控制、自标定、误差校正等。

4.数据处理系统能够进行实时检测、测量数据处理、生化指标分析、智能化数据诊断与评价、文档管理等。并具备对整个测量系统，包括光源、光学衰减器、微光谱仪参数设定等，进行实时自适应控制的功能。

5.由于采用了双集成光学微光谱仪系统，系统标定、实时误差校正实现全自动化，无需人工干预。仪器更加稳定更加可靠。

6.由于采用了集成光学微光谱仪技术，整个仪器系统体积小、结构紧凑、便于携带。

本发明可用于常规生化检测、现场生化分析。在生物医疗、环境监测、材料分析等许多领域都有潜在的应用。

附图说明：

图1为本发明的微型双光谱检测生化分析仪实施例1结构示意图。

图2为本发明的微型双光谱检测生化分析仪实施例2结构示意图。

图3为本发明的自适应可调光源实施例示意图。

图4为本发明的光学衰减器实施例示意图。

图5为本发明的集成光学微型光谱仪实施例结构示意图。

图6为本实施例的数据处理软件程序框图。

具体实施方式

本发明提出的微型双光谱检测生化分析仪结合实施例及附图详细说明如下：

实施例1的结构如图1所示。本实施例的微型生化仪由两个结构和性能相同的集成光学微光谱仪组成。一个用于测量样品，另一个测量参考比对样品。也可以用两个微光谱仪同时测量一个样品。通过参考信号的处理能够进行实时反馈控制、自标定、误差校正、降低噪声功能等。

图1中自适应可调光源1发射出宽谱光束，经聚焦准直透镜2和光学衰减器3到达分光镜4。透射光束进入被测样品室5，被样品吸收、反射和散射。从样品室出射的光束经会聚透镜6进入光纤7。光纤7将光束引进第一集成光学微型光谱仪8。经色散元件散射后光束被阵列光电探测器9接收并转换成电信号。电信号经模数转换器10转换成数字信号送入计算机18。经分光镜4反射的光束经反射镜11反射后进入比对样品室12，出射光经聚光镜13进入光纤14后被耦合进入微光谱仪15，经阵列光电探测器16转换成电信号送入模数转换器17，再送入计算机18。计算机18对两个光谱仪送来的测量数据进行处理、分析、评价。同时计算机还对光强、信号饱和、信噪比等数据进行分析，根据测量要求向自适应可调光源1和光学衰减器2发出反馈控制信号19和20。

本发明的一种改进型实施例2，如图2所示。本实施例包括两独立的微光谱仪，其结构主要是在实施例1的基本光路中加入分光镜101和分光镜102。微光谱仪8和15能够分别对被测样品5和参考样品12同时测量进行比对，也可以由微光谱仪8和15对同一样品5同时进行连续光谱扫描测量。由于采用阵列光电扫描器件，光谱扫描和光电信号转换以很高的频率进行。例如：1KHz以上。使环境和样品不稳定性的影响很小，噪声很低。

本发明中的微光谱仪为连续光谱扫描，根据所测量的样品任意组分特征吸收数据，采用任意数量和任意特定波长数值进行数据处理，实现比双波长更加复杂的数据处理。如原理部分所述，若λ₁和λ₂，选择适当，则可认为A_s1＝A_s2＝A，即背景吸收相同，经过前述的简单计算，则可以消除背景噪声，提高灵敏度。

本发明上述两种实施例采用的自适应可调光源实施例如图3所示，由光源35、可控制电源37、风扇32、温度探测器36、光强探测器33、光谱探测器34、光源控制器38组成。其中，光源35可以是卤素灯等宽谱灯，发射出宽谱光束作为本发明的光源。可控制电源37可以通过调节输出电压改变输出功率，使光源35获得不同电压和功率的电源供应产生不同的亮度。风扇32安装在光源35附近，通过强制通风使光源35发出的热量及时散发，降低环境温度。温度探测器36安装在光源35附近，将探测到的温度转换成电信号送给控制器38。光强探测器33安装在光源背面，将探测到的光强信号送给控制器38。光谱探测器34对特定谱线进行检测，将探测信号送给控制器38。控制器38与计算机39连接。光源控制器38接收的温度探测器36、光强探测器33和光谱探测器34送来的测量信号后，将信号送入计算机39，由计算机发出相应的指令通过光源控制器38降低或升高电源35和风扇32的电压，增加和减小其功率输入，达到控制亮度和温度的目的。例如当探测器测量到系统中环境温度过高时，控制器38提高风扇32输入功率增加排风量，降低光源功率减少发热，使环境温度降低。当探测器33测量到亮度过高时，控制器38会降低光源35电源功率，降低亮度。当光谱探测器34测量到谱线饱和信噪比太低时，控制器38会降低和提高光源功率，或发出警报提示用户更换新灯泡等备件。也可以根据测量样品的要求设定光源的控制参数，如给定电压、功率等。通过全量程动态范围优化、光强/光谱对应点量程优化、其他优化准则，使测量系统始终处于最佳状态。避免了因饱和无法得到峰值数据，同时也避免了因信噪比太差淹没了有用的信号。这种自适应反馈控制提高了测量灵敏度和扩大测量动态范围。

本发明的三种光学衰减器的实施例如图4所示。

实施例1如图4a所示，其中，光束41穿过光学衰减器42，光学衰减器42是具有可以连续变化透射率和阶跃变化透射率的光学元件。通过与光学衰减器相连的位移驱动装置43可以改变光学衰减器透光的位置来达到改变系统的透射率的目的。

实施例2如图4b所示，其中，光学衰减器45是具有可以连续变化透射率的圆形光学元件。当光学衰减器45通过驱动装置围绕其轴线46旋转时入射光44穿过衰减器45的不同位置，则透过率不同。

实施例3如图4c所示，其中，光学衰减器由置于同轴位置的起偏器48和检偏器49构成，当起偏器48和检偏器49通过驱动装置围绕轴线50相对旋转时，透射光会改变。

上述三种实施例的光学衰减器42的位置、圆盘衰减器45的旋转角和起偏器48和检偏器49相对旋转角都对应透射率参数并受到自适应系统的控制。位移驱动和旋转驱动装置与计算机连接，由计算机发出控制信号实现反馈控制。

本发明的集成光学微型光谱仪的实施例结构和原理如图5所示。其结构由集成光学色散光栅53与阵列光电探测器54构成。整个微型光谱仪是采用集成光学的技术制作在一片集成光电芯片中，结构紧凑、体积小、可靠性提高。其工作原理为：入射光束51耦合进入光纤52，光纤将光束传入微光谱仪。进入光谱仪的光束55射到集成光学色散光栅53上。经过光栅的色散作用和反射，光束56的光谱呈现在阵列光电探测器54上。阵列光电探测器54将光谱分布转换成电信号57送到计算机。光纤耦合使光路稳定性提高。

上述微光谱仪可以选购德国MicroParts公司的微光谱仪芯片产品。微光谱仪的技术指标可以如下：光谱范围：300-800nm或增加到280-1900nm；闪耀波长：560nm；级次：第一级；分辨率：7nm；外形尺寸：14mm×23mm；耦合光纤：50-125μm；数值孔径：0.22；光纤长度：1-1.5m；阵列探测器：256点；场扫描频率1KHz。

本发明采用的计算机可为一般的微型计算机，其中存储的数据处理软件程序如图6所示。该数据处理程序是采用常规技术手段专门设计的生化指标的探测、结果分析、数据评价计算机软件系统。并具备必要的参数和样品数据库。软件由3部分组成：测量与数据处理；试剂样品库；光源及光学衰减器控制模块。测量与数据处理模块由系统初始参数设置；测量数据；特征光谱数据分析；生化指标分析；结果分析疾病诊断；结果显示；建立数据文档；数据输出；数据网络传输等组成。试剂样品库模块由试剂数据库；样品数据库；校正系数；计算公式等组成。光源及光学衰减器控制模块由光源探测数据；光源控制数据；光学衰减器控制等组成。

系统初始参数设置可以包括：光源设置、测量范围、测量周期、样品温度、仪器基准数据，用户信息数据等。测量数据为仪器测量的样品吸收数据、样品温度数据、环境温度数据等。特征光谱数据分析模块对测量数据进行分析。分析时调用标准试剂数据库、样品数据库、校正系数、计算公式。这些均采用生化分析标准数据和方法。根据吸收测量数据进行生化指标分析。测量结果被分析并对可能的疾病进行诊断。测量和分析结果可以显示和保存为文档输出和网络传输。数据库可以更新，做统计分析，建立统计样本和模板等。

该软件系统同时能够根据系统参数设置和光源探测数据发出光源控制数据，例如：提高和降低灯泡电压，提高和降低风扇转速等。也可以发出关于衰减器的控制数据，使光学衰减器移动或转动到特定位置，透射光按所需要的一定比例衰减。

本发明可以完成各种生化指标的测试；光纤耦合进入微光谱仪能够实现微区光谱分析；双光谱仪能够实现自标定、光强、检测等误差自动校正处理和自适应动态调整；256点测量1KHz的场扫描速度得到连续光谱信息能够实现光强一光谱分析；智能化数据系统进行光谱和生化指标的数据分析与处理。

本发明微型双光谱检测生化分析仪系统可用于常规生化检测、现场生化分析。在生物医疗、环境监测、营养学、医药学、材料分析、半导体、司法鉴定等许多领域都具有潜在的应用价值。

Claims (7)

1.一种微型双光谱检测生化分析仪，其特征在于，包括通过光学元件依次连接在同一光路中的自适应可调光源、光学衰减器、第一样品室、第一集成光学微光谱仪以及第一模数转换器，还包括通过光学元件与该光学衰减器连接在另一光路中的第二样品室、第二集成光学微光谱仪以及第二模数转换器；分别连于该两个模数转换器、所说的光学衰减器及自适应可调光源的计算机数据处理系统。

2.如权利要求1所述的微型双光谱检测生化分析仪，其特征在于，所说的自适应可调光源包括光源，与该光源相连可调节输出电压的控制电源，靠近该光源设置的降温装置、温度探测器、光谱探测器、光强探测器，以及与所说的降温装置、温度探测器、光谱探测器、光强探测器相连的光源控制器；所说的光源为宽谱灯。

3.如权利要求1所述的微型生化分析仪，其特征在于，所说的光学衰减器包括连续或阶梯变化透射率光学元件和与其相连的受检测信号反馈控制的机械调节机构组成。

4.如权利要求1所述的微型生化分析仪，其特征在于，所说的光学衰减器包括光电、声光或光学偏振元件和与其相连的受检测信号反馈控制的机械调节机构组成。

5.如权利要求1所述的微型生化分析仪，其特征在于所说的计算机数据处理系统包括一台微型计算机及预选存储在其中的实时检测、测量数据处理、生化指标分析、智能化数据诊断与评价、文档管理；软件模块。

6.如权利要求1所述的微型生化分析仪，其特征在于，所说的光学元件包括设置在该光源与光学衰减器之间的聚焦准直透镜，分别设置在该光学衰减器与第一、第二样品室一侧的第一、第二分光镜，分别设置在该第一、第二样品室另一侧的两个会聚透镜，以及设置在两个会聚透镜与两个微型光谱仪之间的两端带有耦合器的光纤。

7.如权利要求6述的集成光学微光谱仪，其特征在于，所说的光学元件还包括分别设置在该两个样品室与两个会聚透镜之间的第三、第四分光镜。

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