光栅生化分析仪光电数据采集系统实现

　　0　引言

　　传统生化分析仪的分光系统大多采用滤光片获取单色光,缺点是得到的单色光波长跨度较大,易造成测量结果准确度不高。同时其光电信号放大通常采用程控放大,多级放大器自身偏置以及漂移的引入和外界对微弱电流的影响,使得光电信号的检测及放大一直是生化分析仪性能指标提升的瓶颈。

        针对以上问题,提出一种使用由凹面全息光栅作为分光系统,信号放大器采用新型对数放大器Log114,辅以高精度A/D并且从软件上实现数据处理算法等多方面提高生化分析仪用光电检测系统的精度。

　　1　系统原理

　　生化分析仪是根据物质在紫外、可见光区产生的特征吸收光谱和朗伯-比尔定律,用未知浓度的样品与已知浓度标准物质比较或根据摩尔吸光系数方法进行定量分析的仪器[1]。因此重要的就是测得溶液浓度,而由吸光光度法可知测量溶液浓度实际就是测量溶液对单色光的吸光度[2]。下面分析通过对数放大器Log114来测量溶液吸光度的方法。

　　对数放大器Log114内部结构如图1所示。

　　由于在集成电路中,图中2个三极管Q1、Q2性能相近,由对数放大器原理可知:

　　式中:I1、I2为两路输入电流;Kc为一个与温度、电路元器件有关的参数,对于Log114在常温下Kc约为0·375。

　　在光栅式生化分析仪的光电检测系统中,若将一参考电流接入对数放大器的一端输入如I1,将经比色池后的透射光在光电池上产生的光电流接入对数放大器的另一输入端I2,那么经　　对数放大器放大输出的电压Vlogo将直接反映溶液吸光度。

在系统中,采用二次蒸馏水作为空白溶液,则其吸光度A1为0,首先测量单色光经过标准溶液时的对数放大器输出V1,再将吸光度未知的Ax待侧溶液注入比色池中,测得此时对数放大器的输出V2,则

　　根据朗伯-比尔定律:

　　因此利用已知浓度的标准溶液,利用此原理测出其吸光度,在同样环境下再测出某未知浓度溶液的吸光度,则根据吸光光度法即可得出未知溶液的吸光度[2]。

　　2　具体实现

　　2·1　硬件设计

　　为满足电路的性能稳定、光谱范围、频率特性等方面的要求,选取的光电池为S1336-5BQ型硅光电池,其短路电流为4~5μA,暗电流为30 pA.

　　Log114的输入电流信号范围为100 pA~10 mA,光电池的输出可直接接入运放,除去微电流放大等环节,可有效减少运放自身和外部带来的干扰。根据以上分析,系统光电检测部分电路如图1所示。由式(1)可知:

　　在硬件电路制作上,由于前端光电池的输出电流从几nA至几百μA不等,因此在系统装置中不宜将此电流通过长导线引出,设计中采用的方法是在比色皿的前端直接安装包括光电池和前端对数放大部分的电路,电源与输出通过屏蔽线引出接入主控制主板。同时前端电路板的安装应做好屏蔽工作,防止在检测微弱信号时引入外界干扰信号。