一种高精度分光光度计系统的设计与应用*

林斌飞，龙 伟，万汉伟，邓雅婷

(南昌大学 信息工程学院，江西 南昌330031)

0 引 言

分光光度计是利用物质对光的选择性吸收现象进行定性和定量测定的一种分析仪器［1］，常被用于生物医学、临床医学、医药领域、卫生防疫、农业领域以及工业领域等［2］，例如:在生化分析仪中，分光光度计就是作为核心传感器部件。

生化分析仪属于光学式分析仪器，是临床检验中经常使用的重要分析仪器之一［3］。目前大多数传统的分析仪均采用滤光片转盘作为单色分光器件，由于滤光片个数固定且光谱精度不高，致使仪器的生化测试项目非常有限，同时测试结果准确性不高。

本文介绍了一种应用于生化分析仪中高精度连续光谱分布的分光光度计系统。系统充分利用了全息凹面光栅的优点，并结合微电子线路和自动控制技术的运用，不仅能满足生化分析仪光学系统光谱连续分布和1nm高精度分光的技术指标要求，同时大大提高了分析仪的检测精度，拓展了仪器可测试项目的范围，对提高国内乡镇、社区基层医院的整体医疗诊断水平具有重要的现实意义。

1 分光光度计的系统工作原理

本文设计的生化分析仪光栅式前分光光度计系统的原理如图1 所示。分光光度计系统主要包括:光源、前置平行光系统、光栅、波长扫描机构、出射狭缝、比色装置、光电探测器等部分。

图1 分光光度计系统原理图Fig 1 Principle diagram of spectrophotometer system

光源发出的发散光经过前置平行光系统后会聚为平行光射向光栅，光栅将复合光进行色散。由于自身的聚焦作用，凹面光栅把色散的光聚焦使之成为按波长排列的连续光谱带。波长扫描机构带动光栅转动，使得从出射狭缝射出的单色光按波长连续线性地分布。通过精确控制波长扫描机构的转动，即可在出射狭缝处得到所需波长的单色光。单色光经过比色装置并被其中的样品所吸收，最后到达光电探测器。

2 分光光度计的系统组成

2.1 光 源

用作生化仪分光光度计的光源应满足以下条件［4］:光源需发射连续光谱，以便记录一个完全的吸收光谱;光源发射的辐射能量具有足够的强度;具有较好的稳定性。为此，本文选用了飞利浦公司的石英碘钨灯作为光源。

2.2 前置平行光系统

比尔定律要求，光度计射入比色装置的光须是平行光，而光源射出的为发散光，所以，须在前端采用前置平行光系统(准直-聚焦装置)，以获得平行光光束。

本文设计的平行光系统如图2 所示。由光学器件的作用，光源发出的发散光依次经过准直透镜、聚焦透镜，从狭缝射出的光即为平行光。隔热玻璃用于保护光学器件，以免因长期受灯泡高温的影响而导致损坏。

图2 前置平行光系统结构示意图Fig 2 Structure diagram of praevia parallel light system

2.3 色散器件

光栅(也称衍射光栅)是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。其相对滤光片色散器件而言，具有连续分光，且光谱分辨率高的优点。

本文选用全息凹面反射光栅作为光度计系统的分光色散器件，其主要参数如表1 所示。

表1 本文所选光栅的主要参数Tab 1 Main parameters of chosen grating in this paper

从表1 可以看出:该光栅的分光能力为300 ～850 nm，能够满足设计指标320 ～800 nm 内连续光谱分布的要求。

2.4 光电探测器

光电池和光电倍增管作为光电探测器在光学仪器中有着广泛的应用。鉴于光电倍增管噪声大的缺陷，一般不太适合于常用的生化仪器分光光度计中。

本文采用紫蓝硅光电池BS609 作为光度计系统的光电探测器，其具体参数如表2 所示。

表2 本文所选光电池的主要参数Tab 2 Main parameters of chosen photovoltaic cell in this paper

从表2 可看出:该光电池的可接收光谱范围为300 ～880 nm，能够满足指标规定的320 ～800 nm 波长检测范围。

2.5 波长扫描机构

波长扫描机构的作用是让分光光度计系统所输出单色光的波长连续线性分布。本文采用正弦机构作为波长扫描机构(波长线性)。正弦机构的工作原理如图3 所示。当丝杆转动时，滑块沿着丝杆轴线方向纵向移动，推动杠杆OA使光栅绕中心O 旋转，从直角三角形AOB 中可得出

当 L 不变时，则波长正比于 sin θ 和 x，如下式所示

因此，只要保持丝杆作直线线性运动，即可实现光度计系统的光谱波长连续分布。

图3 波长扫描机构工作原理图Fig 3 Operating principle diagram of wavelength scanning mechanism

2.6 步进电机的选型

正弦机构的扫描精度直接决定了光度计系统的精密分光性能。其中，正弦机构的驱动电机和丝杆的精度尤为关键。

本文采用步进电机驱动正弦机构。步进电机是一种将脉冲信号转换成角位移的伺服执行器件［5］。本文选择了常州运控有限公司生产的42BYG 型1.8°两相步进电机。此外，选用精密的丝杆作为正弦机构的传动部分，其直径参数d=10 mm。

根据上述参数，可得出电机单步纵向运动的精度p

其中，d 为丝杆轴外径，θ 为步进电机步距角，m 为步进电机驱动细分倍数。

根据光栅光谱的匀排性理论，结合光栅的线色散倒数指标，可以计算出分光系统的理论分光精度λp

其中，p 为步进电机纵向运动的精度，s 为光栅的线色散倒数(可从表1 中查得)。

式(4)表明，若不进行电机驱动电路上的细分(即m =1)，则系统的分光精度只能达到1.256 nm，无法满足指标要求。为此，本文选用1/4 作为步进电机驱动细分倍数。依据式(4)，可计算得出系统最终理论分光精度为

式(5)从数学计算上论证了当满足步进电机驱动细分倍数为1/4 时，光度计系统实现1 nm 的分光精度是可行的。

3 分光光度计系统中步进电机驱动设计

3.1 CPLD 的脉冲细分电路

鉴于步进电机传统的细分驱动器存在细分倍数固定、灵活性差和电子线路设计复杂的缺陷，本文采用了CPLD可自由编程的步进电机细分电路设计技术。因CPLD 具有速度快、程序设计灵活、抗干扰能力强、与外围电路接口方便等特点［6］，方案不仅提高了系统的灵活性，简化了电路设计，同时也改善了系统的工作稳定性。其中，CPLD 选用了Altera 公司的 EPM3064A 芯片。

3.2 步进电机闭环控制电路

本文设计的光度计系统分光精度指标为:波长准确度不大于1 nm，重复性不大于1 nm。考虑到步进电机在运动过程中可能发生的失步现象将直接影响到系统的分光精度，因此，本文特别设计了针对步进电机的闭环控制电路，如图4 所示。

图4 步进电机闭环控制方案Fig 4 Closed-loop control scheme of stepping motor

步进电机的闭环控制过程如下:控制器S3C2440 把驱动步进电机所需要的I/O 信号、PWM 等信号发送给CPLD，由CPLD 将接收到的信号根据细分设置，转换成步进电机实际的控制信号(电机使能、运转方向、运转速度)输出给电机驱动芯片，驱动步进电机转动。步进电机模块上装有检测步进电机每一步运动的装置，在电机的运转过程中，控制器同时检测步进电机已经转动的步数。如果电机发生失步现象时，控制器可以智能追加脉冲，形成一个闭环控制回路，保证了电机的准确定位。本文选用的电机驱动芯片是由Allegro MicroSystems 生产的UDN2916 芯片。

4 分光光度计系统的效果图

在完成系统机械结构和电子线路设计后，分光光度计系统的设计效果如图5 所示。

图5 分光光度计的设计效果图Fig 5 Design effect diagram of spectrophotometer

5 测试数据与分析

目前，该分光光度计已成功应用到自动生化分析仪样机中。样机顺利通过了国家权威医疗器械机构的注册检验，其中，仪器波长准确度偏倚和重复性检验数据如表3 所示。

表3 检验数据Tab 3 Inspection data

从上表数据可看出:仪器波长准确度偏倚小于1nm 且重复性小于1nm，完全满足自动生化分析仪国家医药行业标准中波长准确度偏倚和重复性要求。同时，检验数据也验证了本文设计的分光光度计系统达到了1nm 的分光精度。

6 结束语

本文讨论了一种基于全息凹面光栅的生化分析仪用分光光度计系统的设计。系统通过CPLD 自由编程来完成步进电机细分电路和电机定位闭环控制，实现了光度计为1 nm的高精度分光性能。

［1］ 谢华锋，徐小力，王小川.分光光度计系统集成化设计及研究［J］.计算机测量与控制，2006，14 (1):134 －135.

［2］ 倪 一，黄梅珍，袁 波，等.紫外可见光分光光度计的发展与现状［J］.现代科学仪器，2004(3):3 －7.

［3］ 曾照芳.临床检验仪器学［M］.北京:人民卫生出版社，2011.

［4］ 霍建伟.全自动生化分析仪用分光光度计的研究［D］.长春:中国科学院研究生院长春光学精密机械与物理研究所，2002.

［5］ Tao Ling，Long Wei，Wang Yanqing.Design and implementation of the control system for an ARM9－based biochemical analyzer［C］∥MVHI2011，Guangzhou，China:Trans Tech Publications，2011:458 －461.

［6］ 张利剑.多参数全自动三分类血细胞分析仪的研制［D］.南昌:南昌大学，2007.