医疗仪器原理第四章临床检验分析仪器光谱法分析仪器精讲课件

1、第四章 临床检验分析仪器 4.1 概述 临床检查：疾病诊断、危险分析、治疗效果和 健康状况检测的手段 临床生化分析：血液中化学成分的定量分析血清学检查血液学检查微生物检查病理组织检查等 临床检验/分析仪器的特点 涉及的技术领域广 结构复杂 技术先进 精度高 对使用环境要求严格 临床检验分析仪器的分类 力学式分析仪器（ 离心机等） 光谱分析检验仪器（ 各种分光光度计等） 电化学分析仪器（ 酸度计，血气分析仪等） 显微镜 色谱仪 其他临床检验仪器 临床检验分析仪器的主要性能指标 灵敏度 误差/精度 最小检测量 可靠性 测量范围 分辨率 线性范围 频率响应范围 本课程介绍内容光谱分析检验仪器电化学分

2、析仪器色谱仪光谱法分析仪器在医学检验中的地位最重要的一类应用最早的一类应用最广泛的一类基本概念光谱（ Spectral ）：复合光经过色散系统分光后，单色光按波长大小而依次排列的图光谱分析（Spectral Analysis）分析光谱中光的波长组成及其各种波长光的能量强度用波长做横坐标，光强度作纵坐标，画出的曲线称光谱的光谱曲线光谱分析技术分类连续光谱与离散光谱（波长分布类型）吸收光谱与发射光谱（分析技术）分子光谱与原子光谱（分析技术）紫外光谱、可见光谱以及红外光谱（分析技术）9 4. 2 光谱法分析仪器射线x射线紫外光红外光微波无线电波10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm

3、0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm可 见 光电磁波的分类（一）基本概念人眼感知 400700 nm 光的能量与光的波长及频率之间的关系 =h=hc/ -为光的能量（尔格） -频率 -为波长 h-普朗克常数，其值为6.625610-27尔格秒 c-光速。 物质与光的相互作用 （1）折射和反射 （2）散射 （3）吸收和发射 光谱法 定义：光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质 内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、 吸收 或散射 辐射的波长和强度进行分析的方法。 分类（常见）：（1）吸收光谱法（2）发射光谱法 利用物质吸收光后所产生的吸收光谱来进行分析的方法。 物质中的粒

4、子原子、分子吸收一定的能量后跃迁到高能级，后当跃迁回低能级时，便产生出特征的发射光谱，利用此发射光谱进行的分析的方法 （二）光吸收定律- 朗伯-比耳定律 光的吸收、反射和透射 当强度为0的一定波长的单色入射光束通过装有均匀待测物的溶液介质时，该光束将被部分吸收a，部分反射r ，余下的则通过待测物的溶液It ，即有： 若吸收介质是溶液（测定中一般是溶液），式中反射光强度主要与器皿的性质及溶液的性质有关，在相同的测定条件下，这些因素是固定不变的，并且反射光强度一般很小。所以可忽略不记，则有：一束平行单色光通过透明的吸收介质后，入射光被分成了吸收光和透过光。待测物的溶液对此波长的光的吸收程度可以透光

5、率T和吸光度A用来表示。透光率T透光率表示透过光强度与入射光强度的比值。 T常用百分比（T%）表示。吸光度A透光率的倒数的对数叫吸光度。比尔定律朗伯比耳定律 当用一束强度为0的单色光垂直通过厚度为b、吸光物质浓度为c的溶液时，溶液的吸光度正比于溶液的厚度b和溶液中吸光物质的浓度c的乘积。A-吸光度，A= lg(I0/I)；K-溶液的吸光系数；C-溶液的浓度；b-光程，即溶液的厚度（有时也以L表示）。定律的适用条件为： （ 1）必须是使用单色光为入射光； （2）溶液为稀溶液； 基于朗伯比耳定律的定量法A=-lgT=KbC分析：分析过程中保持b不变，A与C成正比。利用一个已知浓度的吸光物质溶液（标

6、准液，浓度为Cs），可以通过测出样品液和标准液对同一种色光的吸光度As和Au而测得样品液的浓度 已知浓度的标准溶液： As=KsCsbs 待测浓度的溶液：Ax=KxCxbx 如使 bx= bs，Kx=Ks，即光程和溶液已知，则有 或 ： Cx=(Ax/As) CsAs/Ax=Cs/ Cx光谱分析仪类型及常用光谱分析仪17 分子吸收光谱仪:紫外可见分光光度计 分子光谱仪 分子发射光谱仪:荧光分光光度计光谱分析仪 原子吸收光谱仪：原子吸收分光光度计 原子光谱仪 原子发射光谱仪：火焰光度计（三）紫外可见分光光度计 分光光度计：能从各种波长的混合光中将每一种单色 光分离出来并测量其强度的仪器。 优点：

7、精度高，速度快，样品用量少 紫外可见分光光度计：工作在紫外-可见光区的分光光度计 应用领域：分析化学、药物分析和临床医学检验(溶液检测)1. 紫外可见分光光度计的结构和原理0.575光源单色器吸收池检测器显示光学系统 测量系统（1）光源 作用：提供足够强度和稳定的连续光谱。 分类： 热辐射光源 光区：可见光区（340 2500nm） 典型光源：钨灯和卤钨灯 气体放电光源 光区：紫外光区（150 400nm） 典型光源：氢灯、氘灯和氙灯 金属弧灯 光区：紫外光区和可见光区（荧光）（254-734nm） 典型光源：汞灯注意：为了使光源发出的光在测量时稳定，光源的供电一般 都要用稳压电源，即加有一个

8、稳压器。（2）单色器（分光系统） 定义：从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置。 功能：产生光谱纯度高的光波且波长在紫外可见区域内任意 可调。 组成：入射狭缝准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）色散元件（核心部件，起分光作用）聚焦元件出射狭缝等色散元件 （a）棱镜 分类：玻璃（ 350 3200 nm，用于紫外光） 石英（185 4000nm，可用于紫外、可见和近红外） 色散原理：依据不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率 而将不同波长的光分开入射狭缝准直透镜棱镜聚焦透镜出射狭缝混合光红紫12800 600 500400基于棱镜的分光系统（单色器）（b）光栅 原理：光栅是利用光的衍射与干

9、涉作用制成的，一般采用玻 璃片或金属片，表面镀铝膜。 应用范围：用于紫外、可见及红外光域（分辨能力好）。 基于光栅的单色器铝膜12准直镜聚焦镜入射狭缝（3）吸收池（比色皿） 作用：盛放试液的器皿 特点：良好的透光性和耐腐蚀性 分类：玻璃和石英 （4）检测器 作用：检测光信号，利用光电效应将光强度信号转换成电信 号的装置。 分类： 光电管 光电池 光电倍增管 光电二极管阵列 电荷耦合器件光电管 定义：利用碱金属的外光电效应制成的光电转换器件 组成：在抽成真空或充有惰性气体的玻璃或石英泡内装上2个 电极构成。 分类：紫敏光电管和红敏光电管。（阴极） KA（阳极）电阻光电管的工作原理图光电池 定义：

10、半导体材料制成的光电转换器。 特点：产生的光电流大，适于宽度较宽、光能大的光谱，易疲劳 常用类型：硒光电池、硅光电池等硒光电池的结构原理图光电倍增管 组成：有一个表面涂有光敏材料的阴极和若干个发射极组成。 特点：灵敏度高 光电二极管阵列 定义：多道光检测器，可同时检测多个波长的光强度 特点：机械性能好，寿命长，光谱响应动态宽，速度快电荷耦合器件CCD 定义：新型固体多道光检测器，是模拟集成芯片 特点：同时多谱线检测能力，速度快，性能稳定，结实耐用721分光光度计外形及内部结构2. 紫外可见分光光度计的分类 单光束分光光度计、 单波长双光束分光光度计、 双光束双波长分光光度计 （1） 单光束分光

11、光度计特点：（1）结构简单，价格便宜 （2）适于定性分析，不适于作定量分析 （3）结果受电源的波动影响较大0.575光源单色器吸收池检测器显示（2）单波长双光束分光光度计比值 光源 单色器 吸收池 检测器 显示光束分裂器特点： （1）自动比较透过参比溶液和样品溶液的光强度，不 受光源变化影响，最常用。 （2）能进行波长扫描，并自动记录下各波长下的吸光度， 很快就可得到试液的吸收光谱，能用于定量分析(3) 双光束双波长分光光度计光源单色器单色器检测器切光器狭缝吸收池特点： （1）光源的光分层量束后，分别经单色器得到两束不同波 长的单色光，消除了背景吸收。 （2）不用参比溶液，只有待测溶液，提高了

12、准确度。3、紫外可见分光光度计的性能指标波长范围(nm) 185-900 190-900 190-900 190-900性能指标 8450 TU-1221 UV-2501 UV-3000波长准确度(nm) 0.2 0.3 0.3 0.3光谱带宽(nm) 0.1-0.5 0.15-5.0 0.1-5.0 0.1-6.0分辨率(nm) - 0.15 0.1 0.15 杂散光 0.0001% 0.05% 0.003% 0.0015 %光度准确度（A） 0.003 0.002 0.001 0.001基线平直度（A） 0.001 0.002 0.001 0.001基线稳定度（A） 0.002/h 0.0

13、02/h 0.004/h 0.002/h（四）荧光分光光度计 荧光：某些物质吸收光能量后，可发射波长与激发波长相 同或不同的光（当激发光源停止，再发射过程） 荧光分析法：通过测定物质分子产生的荧光强度进行物质 的定性和定量分析的方法 荧光光谱仪：利用荧光分析法对物质进行检测的仪器。 包括荧光光度计、荧光分光光度计 应用领域：生物化学、药物分析、环境保护和无机元素分析荧光分析的基本原理 激发光谱：将激发光源用单色器分光，连续改变激发光 波长，固定荧光发射波长，测定不同波长的激发 光照射下，物质溶液发射的荧光强度的变化 荧光光谱： 选择做ex激发光源，并固定强度，而让物质发射的荧光通过单色器分光，

14、测定不同波长的荧光强度。em-荧光强度最强的波长ex-发生荧光强度最强的激发波长物质的分子结构和激发光谱、发射光谱及荧光强度密切相关对某一荧光物质的稀溶液，在激发光的频率、强度以及液层厚度 不变时，荧光强度与溶液的浓度成正比关系。2. 荧光分光光度计的结构和光路图荧光单色器电源激发单色器光度计记录器光源吸收池光电倍增管激发光源：汞灯、氢灯、氘灯 （五）原子吸收分光光度计 原子光谱仪：利用原子光谱对物质进行检测的仪器。 包括原子吸收光谱仪、原子发射光谱仪、原子荧光光谱仪 作用：金属元素分析尤其是痕量金属元素检测 1.原子吸收法（原子吸收光谱法AAS、原子吸收分光光度法） 原理： 从光源中发射出一

15、束特定波长的入射光，在原子化器中待测元素的基态原子对其产生吸收。通过测定特定波长下被吸收光量的大小，来求待测元素的含量。 特点：用途：可测70多种金属和半金属元素，从超微量到高浓度灵敏度高精确度高选择性好，干扰少速度快可测元素多，范围广检测显示系统光源原子化器单色器原子化系统雾化器样品液废液切光器助燃气燃气 2. 原子吸收分光光度计（原子吸收光谱仪） 结构：光源、原子化系统、分光系统及检测显示系统光源系统 组成：光源和光源供电 功能：发射被测元素的特征共振辐射 基本要求： 类型：空心阴极灯、蒸气放电灯和无极放电灯（1）光谱纯度高（2）发射较窄的谱线，且辐射强度足够（3）稳定性好（4）起辉电压低

16、（5）坚固，寿命长光源：空心阴极灯（气体放电管） 工作原理：高压直流电（300V）-阴极电子-撞击隋性原子-电离(二次电子维持放电)-正离子-轰击阴极-待测元素原子溅射-聚集空心阴极内被激发-待测元素发射特征共振光谱灯座阳极石英窗内充惰性气体（氖或氩）空心阴极（内涂待测物质）原子化器作用：将液体试样中的待测元素干燥蒸发使之转变为原子态的蒸汽（一）火焰原子化器(利用气体燃烧形成的火焰来进行原子化) 1. 结构：喷雾器、雾化室和燃烧器灯座试样废液及液封助燃气燃气2. 原子化过程： MeX 脱水 MeX 蒸发 MeX 分解 Me X （溶液） （固体微粒） （气态分子） (基态原子)3火焰 作用：

17、火焰的作用是将试液中的待测元素原子化 组成： 空气乙炔火焰，温度在2500K左右 N2O乙炔火焰，温度可达到3000K左右 空气氢气火焰，最高温度2300K左右（二）非火焰原子化法： 分类：电热高温石墨管原子化法、化学原子化法等 1. 石墨炉原子化器进样器石英窗光束氩气（一）结构 电源：1025V，500A。用于产生高温。 保护系统： 保护气（Ar）分成两路 管外气：防止空气进入，保护石墨管不被氧化、烧蚀 管内气：流经石墨管两端及加样口，排出空气并驱除蒸汽 冷却水：金属炉体周围通水，以保护炉体。 石墨管：将样品原子化 （二）原子化过程 干 燥：去除溶剂，防样品溅射 灰 化： 使基体和有机物尽量

18、挥发除去 原子化：待测物化合物分解为基态原子 净 化：样品测定完成，高温去残渣，净化石墨管2. 化学原子化 原理：应用化学反应将被测元素的化合物转变为气态，再 通过合适的方法原子化1）汞蒸汽原子化（测汞仪） 将试样中汞的化合物以还原剂（如SnCl2）还原为汞蒸汽，并通过Ar 或N2 将其带入吸收池进行测定。2）氢化物原子化 将待测物从在一定酸度条件下，将试样以还原剂（NaBH4）还原为元素的气态氢化物，并通过Ar或N2将其带入热的石英管内原子化并测定。 三光学系统 分光系统一般用光栅来进行分光。 光谱通带： W=DS10-3 W为光谱通带（单位nm）D为光栅的倒线色散率（单位nm/mm-1）S为狭缝宽度（单位m）四检测系统 包括检测器、放大器、对数转换器、显示器几部分（六）火焰光度计 火焰光度计：利用火焰作为能源，使样品液中的物质转化成原子蒸汽，通过测定其中的受激态原子返回基态时放出的光子的光强度，确定该元素在样品中浓度的一种仪器 应用：血和尿中