基于光電傳感器的血清與血細(xì)胞分層面的檢測*

蔡錦達(dá)，趙國初，宋韞崢

（上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

樣本前處理系統(tǒng)是集讀條形碼、離心、分樣、打碼貼標(biāo)、送入目標(biāo)區(qū)域等工作于一體的臨床檢測的自動化處理系統(tǒng)。血液樣本不加抗凝劑，經(jīng)過自然凝固、離心后，血清與血紅細(xì)胞分離，自動移液頭即吸取上層的血清進行分類，并對血清處理用來進行免疫、生化、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）等。在前處理系統(tǒng)中，分樣是通過自動分樣頭自動實現(xiàn)的，且不同的樣本血清的量并不相同，所以，就要確定分界面的位置，供控制器讀取，以此來控制分樣頭伸入血清中的深度，以避免移液頭在深入血清吸取時，吸到血細(xì)胞，而不能用于生物分析或者吸取量較少，不夠用于分析反應(yīng)。

血清與血細(xì)胞分層面的檢測，必須采用非接觸的方式，以避免污染樣本。目前，對于樣本液位的非接觸式檢測方法較多［1～3］，而用于此類分層面檢測的方法主要有圖像處理［4］，此方法雖然有效，但需要軟件分析處理，占用了一定的軟件空間，增加了整個系統(tǒng)的處理時間，因此，本文提出了一種基于光電傳感器的血清與血細(xì)胞分層面的檢測方法，可以在不影響精度的情況下，明顯降低檢測成本，減少檢測時間。

1 原理

1.1 傳感器應(yīng)用原理

透射型傳感器以紅光或近紅外光作為光源，通過調(diào)節(jié)激勵電流，改變光源強度，在透過光吸收率較低的物質(zhì)后，光強雖經(jīng)過衰減，但仍能產(chǎn)生光電效應(yīng)［5］，而驅(qū)動接收端電路，達(dá)到透射特定物質(zhì)的目的。

近紅外光對于不同材料的透射率不同，在離心后的血液樣本中，血清和血細(xì)胞的屬性區(qū)別較大，血清呈現(xiàn)半透明的淡黃色，血細(xì)胞呈現(xiàn)不透明的深紅色。近紅外光可以在玻璃或石英介質(zhì)中穿透［6］，而血液樣本存放在玻璃試管中，因此，經(jīng)過透過率分析儀的實驗分析，得到了在400～1000 nm波長范圍內(nèi)，血清和血細(xì)胞的透過率，如圖1。

圖1 血清與血細(xì)胞透過率光譜圖Fig 1 Spectrum of serum and blood cells

從以上的光譜圖可以得出:當(dāng)波長約在800～920 nm范圍時，即近紅外光范圍內(nèi)，不論是上部血清還是下部靠近血細(xì)胞的那部分血清，其透過率均在50%以上，而試管底部的血細(xì)胞的透過率幾乎為零，因此，利用血清和血細(xì)胞的對于紅外透射率的巨大差異，可以設(shè)想出在一定的光強范圍內(nèi)，近紅外光可透過血清，而不能透過血細(xì)胞，因此，調(diào)節(jié)激勵電流，控制近紅外光強，即可在光電傳感器接收端中得出兩種不同的“0”“1”信號，以此來判斷分層面的位置所在。

1.2 檢測原理

根據(jù)以上理論，即可制定出檢測分層面的檢測裝置，即機械手抓取待檢測試管于固定高度，以恒定速度下降，當(dāng)傳感器有信號，說明下層血細(xì)胞已進入紅外光范圍，下降速度放緩，當(dāng)傳感器再次恢復(fù)初始信號狀態(tài)時，說明紅外光剛過試管分層面，同時下降停止，即檢測出了分層面的位置。檢測過程為（a）→（b）→（c），檢測原理如圖2。

圖2 檢測過程Fig 2 Detection process

2 軟件設(shè)計

近紅外光在透過血清時信號保持“0”不變，在不能透過血細(xì)胞時信號變?yōu)椤?”，根據(jù)這一信號改變的特性來控制電機的啟停，并以此信號作為界限來計算試管內(nèi)血清的深度H，由于紅外光自身的照射范圍，在紅外光的照射部分完全或大部分通過血清部分時才能引起信號的變化，因此，在計算結(jié)果中已包括了紅外光的照射半徑，在計算式需要加上修正系數(shù)，具體流程如圖3。

圖3 軟件處理流程圖Fig 3 Flow chart of software processing

3 實驗

3.1 測試條件

試管內(nèi)徑為10 mm，外徑為12 mm，高度L為75 mm;光敏管和近紅外LED均為Ф5mm器件，發(fā)射端和接收端水平固定于實驗臺兩端，相距100 mm;試管口初始位置與LED中心位置距離L0為100 mm;采用機械手夾取試管，以步長為0.01 mm的直線混合式步進電機控制機械手升降;控制器與數(shù)據(jù)處理均采用PLC完成;待測液體為已離心的分層面清晰的人體血液。

3.2 測試方法

待測樣本置于試管架中，機械手抓取至固定高度，試管口距紅外高度為L0，以0.01 m/s的速度下降，當(dāng)傳感器有信號，即試管進入紅外檢測區(qū)域時，下降速度變?yōu)?.001 m/s;當(dāng)過分界面時，傳感器信號改變，控制器發(fā)脈沖停止，試管停止，此時試管下降距離為L1，由此可得分層面離管口的深度為

式中K為修正系數(shù)，即由于電機的響應(yīng)速度，紅外光自身的照射直徑與分層面的傾斜度等因素，實際值與測試值會存在誤差，因此，在多次測量后，測試程序中需要加上安全范圍內(nèi)的修正系數(shù)K。

具體方法示意圖如圖4所示。

圖4 檢測方法示意圖Fig 4 Schematic diagram of detecting method

3.3 實驗結(jié)果

用光電傳感器作為檢測元件，對10個離心后的血液樣本進行檢測，并在每次自動檢測后，以游標(biāo)卡尺人工重復(fù)檢測10次，檢測結(jié)果如表1，表中H1表示自動檢測結(jié)果，H2為人工檢測結(jié)果，Δ為H1與H2之差。

表1 血液樣本分層面深度檢測數(shù)據(jù)Tab 1 Data of detection over the interface of the blood samples

從表1可以看出:自動檢測結(jié)果較人工測量結(jié)果小，且平均誤差為0.286 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.169 mm，自動測量結(jié)果完全可以用于自動分樣系統(tǒng)中，因為在取血清樣本時，不允許取到血細(xì)胞，必須要預(yù)留一定的安全范圍，此處檢測的結(jié)果較實際深度小，即運用在自動分樣中，分樣頭可以以此測試結(jié)果執(zhí)行，且完全在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文的創(chuàng)新之處在于利用透射型光電傳感器，調(diào)節(jié)紅外光的光強在一定范圍內(nèi)，能夠透射血清，且不能透射血細(xì)胞，而造成信號的“0”與“1”的差別，檢測出血清與血細(xì)胞的分層面，且檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，從而為生物檢測的自動分樣提供了可靠的保障。

［1］田學(xué)隆，林芳?xì)J.基于光電傳感器的液位檢測方法與裝置［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（10）:73 －74，78.

［2］范準(zhǔn)峰，莫建華，高永強，等.基于光電位置傳感器的激光液位檢測系統(tǒng)研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006（12）:44－45，48.

［3］林海軍，滕召勝，楊圣潔，等.毛細(xì)管粘度計自適應(yīng)液位檢測方法研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2009，30（3）:625 －630.

［4］郭 建.全自動樣本前處理系統(tǒng)與臨床實驗室自動化.［J］.中華檢驗醫(yī)學(xué)雜志，2005，28（10）:981 －982.

［5］王元慶.新型傳感器原理及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002:1 －4.

［6］陸婉珍，袁洪福，徐廣通，等.現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)［M］.北京:中國石化出版社，2000:5－12.