用于全自動生化分析儀的分光器結構設計

溫英利，賈平平，王波，謝清華

（山東博科生物產業有限公司，濟南 250200）

0 引言

生化檢驗即生物化學檢驗，主要用于檢驗機體代謝過程中涉及的主要物質、代謝產物的定性與定量，檢測物質包含排泄物、分泌物、血液、組織液、組織、細胞等。發生病變時，體內的血液或者尿液的某些成分就會發生改變，以此來確定病情。生化分析儀是采用光電比色原理來測量體液中某種特定化學成分的儀器，能夠以高速、高準確度、小的試劑消耗量對疾病的診斷、治療、預后及健康狀態提供信息依據，在臨床診斷中起到了重要的作用[1]。

全自動生化分析儀內部結構由反應盤、試劑盤、樣本盤、試劑針、樣本針、攪拌針組成。光學測量機構采用后分光方式對反應杯進行實時光電采集。其中光學系統是該儀器的核心組件之一，光學組件的優劣直接影響了儀器的測試精度。本文介紹了一種全自動生化分析上使用的分光器，以全息凹面閃耀平像場光柵作為分光元件，采用后分光技術，輸出340～800 nm的12路波長，接收信號端采用光電二極管陣列探測器。

1 分光器的設計

1.1 光學系統設計原理

該光學系統采用12 V/20 W長壽命鹵素燈，光源直射方式，波長范圍為340～800 nm，可實現雙波長同時檢測。鹵素燈在使用過程中會散發大量熱量，采用水循環方式散熱。

如圖1所示，鹵素燈發出的光源，經過透鏡聚焦后，在盛有樣本的比色皿中心位置處形成光斑，比色皿光徑是5.6 mm，選用透紫外光有機塑料。透射光發散經過透鏡后，在分光器的入口狹縫處聚焦進入，通過光柵分成12路光，分別進入相對應的陣列探測器各光電池中，透鏡均采用紫外熔融光學材料。

圖1 光學系統原理圖

1.2 光柵選型

全自動生化分析儀需要的波長范圍為340～800 nm，因此選型參數如表1所示。

表1 參數選型

1.3 參數計算

根據光柵公式[2]

式中：α為入射角；β為出射角；N為刻線數；m取一級光譜，為1；λ為波長。

將12路波長代入式（1）中，得到各單色光的衍射角，如表2所示。

表2 衍射角

1.4 光闌計算

本全自動生化分析儀需要的波長帶寬為8 nm，采用的光柵線色散率倒數為11.1 nm/mm，那么光闌透光孔的寬度設計為0.7 mm。

1.5 結構設計

分光器組件主要包括：光入射單元，即接收入射光，將經過比色杯的發散光進行二次聚焦，有效地提高了光強；光反射單元，即光柵單體組件，將沒有被色散的零級光譜定向閃耀為光能集中的一級光譜，獲得所需的波段；光出射單元，由硅光電二極管接收所獲得的各路波段，輸出為電信號；入射光遮擋板、干燥劑固定座、屏蔽線固定座、分光器盒、分光器上蓋、狹縫板、分光器盒擋板。所有結構件均為黑色，避免雜散光的干擾。

整體結構包括光入射單元1、光反射單元2、光出射單元3、入射光遮擋板4、干燥劑固定座5、屏蔽線固定座6、分光器盒7、分光器上蓋8、狹縫板9、分光器盒擋板10。

圖2為分光器組件整體結構俯視圖，包括光入射單元1、分光器上蓋8。

圖2 分光器組件整體結構俯視圖

光入射單元1是一種組件，使用4個螺釘固定在分光器盒7上，分光器上蓋8使用4個螺釘固定在分光器盒7上。

如圖3所示，光入射單元1包括透鏡固定座1a、透鏡擋圈1b、透鏡1c、透鏡隔圈1d。兩個透鏡1c凸面相對安裝，入射的發散光經過兩透鏡后，聚焦為一光斑，該光斑正好能夠打到狹縫板9上。狹縫板9在光入射單元1固定在分光器盒7上后即被固定住，其方向必須是圖4所示的豎直方向，狹縫寬度決定了光譜的強度及分辨率，一般由出射光闌寬度尺寸決定。

圖3 光入射單元圖

圖4 分光器結構正視圖

入射光經過兩透鏡后聚焦，由于透鏡固定座1a孔徑大，經過透鏡后形成的聚焦光斑小，光傳輸量要比使用孔徑小的光纖多，并且損耗也少，光強明顯增強[5]。

圖5是分光器組件整體結構仰視圖，分光器盒7底部有很多螺釘固定孔，需要固定圖4剖面圖中的結構件光反射單元2、光出射單元3、入射光遮擋板4、干燥劑固定座5、屏蔽線固定座6、分光器盒7，同時該整體結構也需要通過分光器盒7底部固定在其他件上以便使用。

圖5 分光器組件整體結構仰視圖

分光器上蓋8、分光器盒擋板10內側需要粘貼厚度為1 mm的黑色單面帶膠密封條，對整個結構起到密封防潮的效果。

如圖6所示，入射光遮擋板4可以有效地將入射光與出射光隔離開，避免干涉影響測試結果。干燥劑固定座5放置有干燥劑，保證了分光器盒內部的干燥性，防止光柵單體受潮影響性能。屏蔽線固定座6用于將光信號轉換成的電信號通過屏蔽線輸送至光路放大板。

圖6 內部結構俯視圖

圖7為光反射單元，包括光柵單體2a、光柵固定底座2b，光柵調試鋼珠2c。光柵單體2a需要黏結固定在光柵固定底座2b上，以方便調試波段。調試波段需要有基準點，在光電固定底座2b底部安裝光柵調試鋼珠2c，然后使用4個螺釘固定在分光器盒7上，分別擰緊4個螺釘，可以使得光柵單體以鋼珠為基點進行旋轉來獲得所需的波段。

圖7 光反射單元

圖8為光柵單體反射原理圖，將沒有被色散的零級光譜定向閃耀為光能集中的一級光譜[3]。

圖8 光柵單體反射原理圖

入射光經過光柵單體反射后，會將沒有被色散的零級光譜定向閃耀為光能集中的一級光譜，隨之產生的還有與一級光譜重疊的二級光譜、三級光譜等，這樣就需要增加截止濾光片，只允許一級光譜通過，避免雜散光的干擾[4]。

圖9是光出射單元，包括濾光片固定座3a、濾光片3b、光闌板3c、硅光電池固定板3d。濾光片3b根據波段截止要求分為3片，并列排在濾光片固定座3a凹槽處，然后將光闌板3c、硅光電池固定板3d用4個螺釘固定住。固定完成后，再將焊接有硅電二極管的電路板用4個螺釘固定在硅光電池固定板3d上，用于將接收的光信號轉變為電信號。

圖9 光出射單元

2 結論

本文介紹的全自動生化分析儀分光器以全息凹面閃耀平像場光柵作為分光元件，采用后分光技術，信號接收采用光電二極管陣列探測器。入射單元為增強光強，采用直耦方式，避免了光纖傳輸的不穩定性，有效地保證了測試結果的精度與穩定性，已用于全自動生化分析儀批量生產計劃。