毛细管电泳仪激发光源波长自动转换装置的设计

摘要目的：设计和开发激发光源波长自动转换装置，使其初始化时，激发光源波长自动转换组件通过旋转控制起始位置定位和信号反馈。通过计算机程序控制步进电机的正反旋转驱动装有不同波长的LED转盘旋转，完成激发光源LED波长的自动转换，满足不同样品使用不同波长LED激发光源的需求。方法：通过计算机程序控制，VisualC语言编程；PCI插槽连接A/D，D/A转换板来控制毛细管电泳仪；通过步进电机的正反旋转驱动LED波长转换装置旋转，选择LED四种波长；通过调整整体式五轴定位移动台将LED有效聚焦光与光导纤维很好地耦合。结果：LED激发光源波长转换装置采用转盘式结构，由步进电机驱动旋转到测量位置。通过实验表明选用五轴移动定位台，使光纤同轴性更好，提高光的输出能量。结论：该波长转换装置可方便地实现多种激发光源波长的自动转换和控制，提高了光与光导纤维的耦合效率。经过实验和调整，该装置符合设计要求。关键词：毛细管电泳仪；激发光源；半自动生化仪；LED荧光诱导；波长转换。AbstractObjective：Todesignanddevelopmentofexcitationlightwavelengthconversiondeviceautomatically,soinitialization,theexcitationlightwavelengthautomaticconversioncomponentbyrotatingthecontrolofthestartingpositionpositioningandsignalfeedback.TheprosandconsoftherotarydriveofthecomputercontrolledsteppermotorwithadifferentwavelengthLEDturntablerotationtocompletetheautomaticconversionoftheexcitationlightsourceLEDwavelengthtomeetthedifferentsamplestotheneedsofdifferentwavelengthLEDexcitationlightsource.Methods:Thecomputerprogramcontrol,VisualClanguageprogramming；aPCIslottoconnecttheA/DandtheD/Aconverterboardtocontrolcapillaryelectrophoresis；rotatingthroughtheprosandconsofrotationofthesteppermotordriveLEDwavelengthconversiondevice,selecttheLEDfourkindsofwavelength；byadjustingtheoverallfive-axispositioningthemobilestationtotheLEDeffectivelyfocuslightandfiber-opticcoupling.Results：TheLEDexcitationlightwavelengthconversiondeviceisaturntablestructure,tothemeasuringpositionbytherotationofthesteppermotordriver.Experimentstoseetheselectionoffive-axispositioningtable,sothatthefiber-coaxbetter,toimprovelightoutputenergy.Conclusion:Thewavelengthconversiondevicecanbeeasilyautomaticallyconvertandcontrolavarietyofexcitationlightwavelength.Improvethecouplingefficiencyoflightandfiberoptics.Aftertheexperimentandadjustthedevicetomeetthedesignrequirements.Keywords:Capillaryelectrophoresisexcitationsourcesemi-automaticbiochemicalanalyzerLEDfluorescenceinductionwavelengthconversion1前言毛细管电泳(capillaryelectrophoresis,CE)又称高效毛细管电泳(highperformancecapillaryelectrophoresis，HPCE)，是一类以毛细管为分离通道、以高压直流电场为驱动力的新型液相分离技术。毛细管电泳实际上包含电泳、色谱及其交叉内容，它使分析化学得以从微升水平进入纳升水平，并使单细胞分析，乃至单分子分析成为可能。长期困扰我们的生物大分子如蛋白质的分离分析也因此有了新的转机。传统的电泳作为一种分离技术，是在电场的作用下，不同的溶质由于其不同的迁移速率，以不同的迁移速度向其所带电荷的相反方向移动，从而使得不同的溶质得以分离的方法。而毛细管电泳则是一类以毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力的新型液相分离分析技术，其迅速发展于二十世纪八十年代后期。1.1毛细管电泳的现状溶液中荷电粒子在电场中的泳动现象，早在19世纪初就已被发现，与色谱工作一开始就作为分析方法来研究不同，电泳在Michaelis关于酶的鉴别工作之前，只是作为一种物理化学现象来研究。在十九世纪中叶，对溶液中荷电粒子的电场作用下的泳动现象，Wiedemann和Buff开始进行研究，后来在实验的基础上，Kohlrausch导出了离子移动的理论公式，描述了包括区带电泳，等速电泳和移动界面电泳在内的电泳基本理论，电泳在真正意义上进入分析化学 是在Sverdberg和Tiselius的开拓性研究之后，他们在1925年提出了移动界面电泳技术。然而，只是在Tiselius公布了移动界面电泳技术的细节之后，电泳技术才开始得到较为迅速的发展，并成为生物医学的基础研究手段之一，成功的应用于人血清的分离，获得了血清白蛋白等。1.2毛细管电泳技术的发展毛细管电泳实在传统电泳技术的基础上逐步发展起来的。电泳技术的出现可以追溯到100多年前，早在1879年［1,2，Helmholtz就从数学上推论了Quincke关于电动现象的假说。首先提出了双电层的概念，并依据这个概念导出了在电场作用下电泳(或电渗)的质点移动速度与电位梯度的关系，从而建立了双电层理论。此后，Gouy和Stern等人通过研究对这一理论又作了进一步的发展，并于1924年由Stern建立了漫散双电层理论——平板电容器模型与扩散双电层模型相结合的理论。该理论的确立，是电泳技术开始以其独特的方式和较强的分辨能力应用于大分子分析。由于当时科学技术尚不发达等原因，电泳技术的应用主要以区带电泳和凝胶电泳两种形式出现。在这两种形式中，区带电泳遇到扩散和检测等难题，凝胶电泳有准确定量困难、使用寿命短、难于实现自动化等缺点，推广应用受到限制。直到本世纪80年代初，Jorgenson和Lukacs，4］奠定了毛细管区带电泳的基础理论后，电泳技术才开始重新得到发展，出现了毛细管电泳（亦称高效毛细管电泳）。在毛细管电泳中由于采用了毛细管等新技术，克服了传统区带电泳的热扩散、样品扩散和凝胶电泳灵敏度低等问题，将传统电泳的高分辨能力同高效液相色谱的速度有机地结合起来，大大提高了分离效率和分析速度，如柱效高，塔板数可达百万块/米，分析时间一般少于10min。80年代初，第一次展示的毛细管区带电泳装置，使用的是内径为75回的毛细管，在在线荧光检测器30kV电压下成功地分离了氨基酸和多肽类物质，塔板数高达40万块。此后各种有机自由区带电泳技术和装置得到了进一步发展，同时，针对自由区带电泳（CZE）［5］技术只能分析带电粒子而不能分析中性分子的缺陷，Ferabe［6］等人于1984年提出了胶束电动毛细管色谱（MEKC），从而使毛细管电泳技术的应用范围扩大全中性分子。到目前为止，毛细管电泳除CZE和MEKC夕卜，尚有毛细管凝胶电泳（CGE）、等电聚焦（CIEF）、电动空管色谱（EOTC）。毛细管离子交换电动色谱（CIEEKC）、毛细管电色谱（CEC）和毛细管等速电泳（CITP）等。近年来，毛细管区带电泳与毛细管等速电泳等的联用技术也得到了发展［7-11］。以上各种技术方法虽然在分离原理上具有一定的共性，但在分离过程中却有着各自特有的选择性和应用，扩大了毛细管电泳应用范围。近年来，随着科学技术的发展和毛细管电泳技术应用的深入，毛细管电泳的理论和技术取得了很大进展。近两三年，国外杂质如Anal.Chem，J.Chromatogr等发表了许多有关高效毛细管电泳的研究论文和综述，所涉及的内容有分离效率，分离机理，进样、样品浓缩、灵敏度放大技术、精度、准确度和选择性研究，检测、联用技术和热影响等等。此外，尚有许多专著发表12-18］。这些相关理论和技术的进展，使毛细管电泳的灵敏度和分离效率进一步提高，检出限更为降低。如应用毛细管区带电泳与等速电泳的联用技术，可使检出限与单纯区带电泳相比提高10倍，应用区域放大技术在柱上对样品进行浓缩，灵敏度与单纯区带电泳相比可以提高100倍［19］。国内李红旗、李光宾等对毛细管电泳的分离机理、分离效率、进样技术等理论也进行了发展和补充。毛细管电泳仪器近年来发展很快。1988年之前商品仪器尚未出现，1989年就相继推出了五六种型号的商品仪器。近两三年来，随着有关毛细管电泳理论及电子技术的发展，毛细管电泳装置不断发展和变化。紫外、荧光、电化学等多种检测器已成功地应用于毛细管电泳系统。有关质谱、高效液相色谱（HPLC）与毛细管电泳技术联用及毛细管电泳多功能应用设备开发的报道日益增多。此外，有专门用途的毛细管电泳装置也很快，如Waters公司最新推出的毛细管电泳离子分析仪，被视为毛细管电泳装置的第二代产品。这种仪器与第一代产品相比，不仅增加了温度控制、系统全自动化等操作功能，而且特别配置了185nm紫外检测波长及负电源等，使分析方法搞笑、快速、经济。1.2.1分离模式的发展传统的电泳模式只能用于荷电离子的分离。1984年，Terabe［i3］等在CE电解质溶液中加入离子表面活性剂，在溶液中形成离子胶束作假固定相，实现了中性离子的分离，这种模式称为胶束电动色谱(micellarelectrokineticchromatography，MEKC)，此后，又相继发展了环糊精EKC，微乳胶EKC等［14」5］，目前MEKC已成为应用非常广泛的电泳模式之一。1983年，Hjerten首先将聚丙烯酰胺凝胶毛细管用于CE分析，发展了毛细管凝胶电泳(capillaryeletrophoresis，CGE)。CGE具有极高的分辨本领，可用于蛋白质碎片的分离及DNA序列的快速分析。此后随着毛细管电泳研究的深入，其他分离模式如毛细管等电聚焦(capillaryisoelectricfocusing，CIEF)，毛细管等速电泳，毛细管电色谱(capillaryeletrochromatography，CEC)等分离模式不断引入，极大的拓宽了毛细管电泳技术的应用范围。1.2.2毛细管电泳的基础理论CE涉及许多基本的理论问题，如区带展宽，塔板高度，热效应，电渗流，分离度的优化等，深入的对这些问题进入研究，将极大的推进CE技术的进一步提高与应用。针对这些理论问题，国内外许多学者进行了大量的研究。如 Rhodes和Giddings等对影响区带展宽因素进行了定量分析；Andreev等提出了一个数学模型，讨论了电渗流对CE效率的影响；林炳承等也对CE中各种影响区带展宽的因素进行了定量的分析，得到计算CE区带展宽的数学表达式，用计算机对多肽的CE分析进行了全过程模拟。陈义等比较系统的研究了毛细管电泳中存在的理论问题，讨论了电泳过程中物质传输的各种动力和描述方程，区带的迁移过程及其变化，各种影响分离效率的因素，并对毛细管电泳检测器及进样中的理论问题，进行了研究。以上理论的提出，对毛细管电泳的实际应用具有重要的指导意义。1.2.3毛细管电泳的应用领域于传统电泳一样，CE的主要应用领域是生命科学，分离对象设计氨基酸，多肽，蛋白质，核酸等生物分子，对蛋白质结构分析具有重要意义的肽图，对人体基因工程具有决定性作用的DNA测序等许多当代生命科学中分离分析的难题，CE都已设计。在应用于生命科学的同时，CE近年来已迅速扩展到其他领域，包括食品化学，药物化学，环境化学，毒物学，医学和法医学等，特别是在于性分子和生物大分子的分离方面，CE具有独特的优势。1.2.4仪器功能的不断完善CE技术走向成熟的标志是其分析仪器的不断完善和商品仪器的出现，自1989年出现商品仪器依赖，短短几年内，在世界范围内已推出十几种型号的商品化仪器，包括不少自动化性能指标都较完善的仪器，其检测方法也得到了发展，从广泛使用的紫外可见检测，到二极管阵列检测，激光诱导荧光检测，部分仪器还提供了质谱接口。最近，电化学检测，特别是安培检测方法也得到了广泛的应用。1.3毛细管电泳的特性高效塔板数目在105-106片/m间，当采用CGE时，塔板数目可达107片/m以上；快速一般在十几分钟内完成分离；微量进样所需的样品体积为nL级；多模式可根据需要选用不同的分离模式且仅需一台仪器；经济实验消耗不过几毫升缓冲溶液，费用很低；自动CE是目前自动化程度较高的分离方法。1.4毛细管的应用目前，CE分析技术被药物分析工作者在药品检验领域迅速推广应用。药物分析大致可以分为两部分。一是对原药的定量、原药中杂质的测定、药剂分析以及对它们稳定性的评价等以药品质量管理为目的的测定方法。这些方法要求有良好的选择性、适当的分析灵敏度和可靠的准确度等。二是对进入人体内的药物或代谢物的吸收、分布、代谢、排泄等体内动态的研究，即临床药物分析。这两部分的测定一般需要分离和检测手段相结合。CE在药物制剂分析中的应用药物制剂中成分复杂，除含有有效成分外，往往还含有一些有效成分的稳定剂或保护剂，一般几毫克的有效成分需要几十毫克的基体。CE法具有能排除高含量复杂基体干扰、检测痕量成分的能力，且样品只需经简单预处理即可分析其有效成分含量，现已广泛应用于片剂、注射剂、糖浆、滴耳液、乳膏剂及复方制剂等各种剂型中主药成分的定量测定。CE在药物杂质检查中的应用药物合成中带入的杂质和药物的降解产物通常与药物有相似的结构，而且一般含量很低。CE作为药物的杂质痕量组分分析方法，具有多组分、低含量和同时分离分析能力，故可以用毛细管电泳作为药物杂质的检测手段。CE也可以用于药物生产过程全方位控制与检测，以保证药物质量，提高工艺水平。已有文献报道用NACE法测定己烯雌酚片及其降解物；CE法定量分析盐酸罗匹尼罗及其潜在杂质；CZE法分析伊班磷酸盐及其相关杂质；CZE和CITP法检测高舍瑞林中缩氨酸和反离子物质的含量；CZE法定量检测半胱胺钠磷酸盐中的杂质。CE在中药分析中的应用中药品种繁多、药材产地各异、成分复杂，无论是药材还是成药的分析，都是一项非常艰难的任务。中药分析工作用现代化仪器设备和科技手段（如薄层色谱、HPLC等）虽取得巨大进展和成就，但往往只是对药材和成药成百上千个成分中的一个或几个成分的分析，实际只是一种象征性的代表式分析，与之化学和药理效应的实际组合成分（起码是有效成分）相比，仍有相当大的距离。随着CE技术对中药材及其有效成分的鉴别与分析的快速发展，建立在此基础上的中成药和中药复方制剂中有效成分的定性、定量分析已有进展，且有希望解决长期困扰中药质量控制中的重大难题。近年，报道CE分析中药材已有18种、成药70种和有效成分120个以上。细管电泳法已经日益广泛的应用到中药有效成分的分离和含量测定中，分离测定的成分包括生物碱、黄酮类、有机酸类、酚类、苷类、蒽醌类、香豆素类等。CE在于性药物分析中的应用手性药物的每个对映异构体在生物环境中表现出不同的药效作用，在药物吸收、分布、代谢、排泄等方面存在立体选择性差异。为了能准确地了解药效和安全用药，发展和建立简单、快速的手性药物对映体的分析方法，并用于临床研究和医药质量控制，显得日益迫切。CE因其高效、快速、选择性强的特点而成为目前最有效的手性拆分方法。各种CE分离模式皆可用于对映异构体分离，因此手性拆分成为CE应用最活跃、最独特的领域。其中，添加剂法只需向电泳缓冲液中加入合适的手性试剂，经过一定的分离条件优化即能实现手性分离。目前，主要的手性添加剂有环糊精类（CDs）、冠醚类、大环抗生素、蛋白质等。1.4.5生物样本中的药物及其代谢产物分析生物体内药物及其代谢物的随时间与位置分布研究，即药物动力学分析，在临床医学中有重要意义。在非水溶剂中可降低被分析物与管壁的作用，降低由于吸附所引起的峰拓宽并改善拖尾，同时可显著提高被分析物的回收率，降低用管壁面积较大的毛细管进行分析时被分析物的损失。近年来，用毛细管电泳法进行生物样本中的药物及其代谢产物的分析已成为研究热点。已有文献报导用CE法监测腺昔及其代谢物含量变化；用CE法测定人血浆中的优降糖、甲福明二甲双肌、苯乙双肌含量；用CE一化学发光法检测人尿中儿茶酚胺的含量；用CZE-安培法测定尿中的L-酪氨酸及其代谢物浓度；用CZE法测定人尿中两种巴比妥盐的浓度；HPCE法测定头抱克罗血浆浓度；CE法测定血浆中蛋氨酸的含量；用CE-电导法检测血清中的丙戊酸含量。CE分析速度快，有良好的时间分辨性，能为治疗机制与用药水平提供可靠的分析，将来一定会加深在此领域内的应用。1.5毛细管电泳的展望从毛细管电泳的发展趋势来看，目前的毛细管电泳越来越侧重于应用研究，特别是与生命科学相关的问题研究。可以预见，随着生命科学研究的推进，毛细管电泳将面临新的机遇和挑战。随着人类基因组计划的顺利实施和趋于成功，后基因组计划已经逐步展开，其中蛋白质组成的研究正引起广泛的重视，毛细管电泳作为高校和灵敏的分离分析方法，可能成为蛋白质组成研究的新工具。利用毛细管电泳所进行的单细胞蛋白质组成探索性的研究结果现实，这是一个非常有前途的方向。单细胞分析必然会快速发展，研究的目标为细胞内部物质。单分子分析可能兴起并受到重视，但能否实现单分子分析是一个挑战性的课题。此外，毛细管电泳的新原理，新方法也会出现，如何利用和吸收其他学科的原理，方法，技术也是推动毛细管电泳的发展所必须思考的问题。总之，任何一种分离分析测定技术的发展都是朝着简单实用，同时又能解决实际问题的方向前进的。2原理和方法近年来，高亮度发光二极管（LED）作为一种经济的微型光源逐渐引起了人们的关注。LED具有输出功率稳定、能耗低（可用电池供电）、体积小、亮度高、波长范围较宽、寿命长（105h）等优点，非常适合于微型化荧光检测仪器。LED作为激发光源性能接近于普通非相十光源，而且高亮度LED几乎覆盖可见区各个波段，近紫外LED也已于近期投入市场，这就可以方便的选择LED以适应成熟荧光探针的最大激发波长，实现对蛋白质、DNA以及氨基酸等生物样品的荧光检测。目前，以LED作为激发光源应用于CE检测已有相关报道，但其LED荧光诱导检测光学结构多采用传统正交、共聚焦型以及共线型结构，这些结构可在一定程度上降低激发光的干扰，不过它们均是将激发光从毛细管外侧照射毛细管检测窗口而激发荧光，难免在毛细管表面产生光的折射和散射作用，使得由LED发出的光不能充分用于激发荧光，进而导致较高的背景噪音，影响荧光激发效率和毛细管电泳仪的灵敏度。2.1开发内容和技术路线诱导荧光检测灵敏度高、选择性高，是衡量样品CE检测的首选方法。目前使用激光器光源，尺寸大，能耗高，寿命短，波长范围局限性高。采用LED从毛细管外侧照射毛细管检测窗口而激发荧光，在毛细管表面产生光的折射和散射，使得由LED发出的光不能充分用于激发荧光，进而导致较高的背景噪音，影响荧光激发效率和毛细管电泳仪的灵敏度。为此，开发组开发出了光纤诱导LED荧光激发的新方法，开发出能够准确自动采样、自动转换激发光源的装置以及毛细管卡槽装置，建立了毛细管电泳新技术样品检测体系，为保证完成项目提供了关键技术。2.1.1光纤诱导LED荧光激发新模式LK7100型光纤诱导荧光毛细管电泳仪采用光纤诱导激发光的模式，利用光纤直接将激发光引入毛细管检测窗口中心，如图2-1所示。这种区别于传统方法（如图2-2）的新的荧光诱导方式避免了由于毛细管管壁所造成的光反射和光散射，使得LED激发光得到了充分利用，从而降低背景噪音，使其灵敏度接近或达到现有激光诱导荧光毛细管电泳的灵敏度。2.1.2自动采样装置的设计采用双运动电机，通过计算机的程序控制电机的升降或旋转，来完成检测过程中样品盘的初始位定位和工作位识别，实现自动更换清洗液、缓冲液和不同的样品进样的操作过程，避免了操作过程中的污染，提高了工作效率，提高

了自动化水平。图2-1光纤诱导荧光激发模式1-狭缝；2-聚焦透镜；3-光纤；4-检测窗口；5-毛细管；6-滤光片.1-狭缝;1-狭缝;6-滤光片2.1.3激发光源自动转换装置的设计采用步进电机，通过计算机的程序控制电机的正反旋转，来完成检测过程中激发光源LED转盘的初始位定位和工作位识别，满足不同样品使用不同波长LED激发光源的需求；通过调整五轴移动精确定位装置将LED有效聚焦光与光导纤维很好地耦合，使光导纤维引导的光在毛细管内快速准确定位全检测窗口，操作简便，提高了工作效率。2.1.4开发了LED激发光源自动转换新装置采用研发设计的LED激发光源自动转换装置可通过单片机控制步进电机的正反旋转，利用较宽波长范围的LED作为激发光源进行光纤发光二极管诱导荧光毛细管电泳测定，可以改变许多生物、临床医学、化学化工和环境等领域的样品因缺乏合适波长的激光光源而只能选择紫外可见吸收等检测模式的局面，为这些样品获得更高的检测灵敏度提供了新型的毛细管电泳分析仪器。2.2半自动生化分析仪半自动生化分析仪是将生化分析中的取样、加试剂、去干扰物、混合、保温、比色、结果计算、书写报告和清理等步骤的部分或全部由模仿手工操作的仪器来完成。它可进行定时法、连续监测法等各种反应类型的分析测定。除了一般的生化项目测定外，有的还可进行激素、免疫球蛋白、血药浓度等特殊化合物的测定以及酶免疫、荧光免疫等分析方法的应用。它具有快速、简便、灵敏、准确、标准化、微量等特点。2.2.1半自动生化仪的分类自动生化分析仪有多种分类方法，最常用的是按其反应装置的结构进行分类。按此法可将自动生化分析仪分为流动式和分立式两大类。所谓流动式自动生化分析仪是指测定项目相同的各待测样品与试剂混合后的化学反应在同一管道流动的过程中完成，这是第一代自动生化分析仪。过去说的多少通道的生化分析仪指的就是这一类，存在较严重的交叉污染，结果不太准确，现已淘汰。分立式自动生化分析仪与流动式的主要差别是每个待测样品与试剂混合间的化学反应都是分别在各自的反应皿中完成的，不易出现交叉污染，结果可靠。2.2.2自动生化分析仪的构成因为自动生化分析仪是模仿手工操作的过程，所以无论哪一类的自动生化分析仪，其结构组成均与手工操作的一些器械设备相似，一般可有以下几个部分组成：（1） 样品器：放置待测样本、标准品、质控液、空白液和对照液等；（2） 取样装置：包括稀释器、取样探针和输送样品和试剂的管道等；（3） 反应池或反应管道：一般起比色皿（管）的作用；（4） 保温器：为化学反应提供恒定的温度；（5） 检测器：如比色计、分光光度计、荧光分光光度计、火焰光度计、电化学测定仪等。不同仪器配置不同；（6） 微处理器：是分析仪的电脑部分，又叫程序控制器。控制仪器所有的动作和功能，使用者可通过键盘与仪器“对话”，同时电脑还能接受从各部件反馈来的信号，并作出相应的反应，对异常情况发出一定的指示信号。分析软件和分析结果一般贮存在磁盘中，可共查询；（7） 打印机：可绘制反应动态曲线和打印检验报告单等。显示屏就是功能监测器其中一部分，可查看反应状态、人机“对话”的情况、当前仪器工作状态、分析结果等。2.2.3半自动生化仪工作原理XD811仪器是一种基于工业586电脑主板上的生化分析仪，586主板分别控制键盘，鼠标器，显示器，打印机，RS232C通讯口，DOC系统应用软件等。586主板上的COM2串口接MCU主板，此板比较关键，控制着人/D转换器和I/O端口，接受由光换能器件和前置放大器传来的光电信号，同时驱动小键盘，连接温度控制板和电机驱动板，此光换能器件由硅光电池实现响应，范围在连接温度控制板和电机驱动板，此光换能器件由硅光电池实现响应，范围在320nm〜700nm之间。温度控制板控制玻尔贴加热器件，电机驱动板控制滤光片转换电机，蠕动泵电机和光耦定位器。以上是该机的电路部分，光路部分则由光源灯，透镜，滤光片（340、380、405、510、545、578、630nm基本满足要求），中性灰片和比色池组成，灰片是该机与其它机型不同之处，使用中性灰玻璃片综合平衡各波长光能量，从而实现放大电路对各个波长使用同一增益，简化了电路。其余是液路部分，由吸液管，泵管和废液管组成。大部分半自动生化仪的构成都是大同小异，根据原理分析问题，故障就可以迎刃而解了。半自动生化仪产品由于问世较早，其中央处理器一般为运算能力较弱的单板机、单片机等，显示器以液晶屏为主，人机交互能力差，数据处理性能低。而生化检验种类多样，操作过程复杂，使用中检验人员不得不记忆操作流程，工作高度紧张，容易出错。用功能强大的主流Pc机作为仪器控制和数据处理中心，开发出的智能型半自动生化仪，可以大大提高整机性能。图2-3智能型半自动生化仪的组成示意图[20]智能型半自动生化仪的主要组成可用图2-3表示。仪器可分为4个部分：生化仪主机；接口板；转换卡；计算机。其中，生化仪主机可自制或由旧式生化仪截断后续数据处理和控制部分改造而成，接口板为自制，转换卡和计算机为外购产品。仪器光电部分工作原理如图2-4所示，采用碘钨灯S为光源，它发出紫外-可见光波段的照明光，经透镜LA会聚后形成细光束投射到内含待测样品液的石英比色池C的窗口处，透射光经透镜LB后，射向同轴安装并成45。角倾斜的8路分光镜BSI-BS8上；8路分光镜表面分别镀有对340nm、380nm、405nm、492nm、510nm、546nm、578nm、630nm波长具有高反射率的光学薄膜，其反射光经过上述通光波长的8块干涉滤光片Fl-F8后，就成为对应于以上波长的8路单色束。具有选择反射/透射功能的8块分光镜和8块干涉滤光片组成了单色器，透过单色器后的8路单色光束再分别由小透镜L1-L8，信号由紫外/可见光硅光二极管PD1——PD8,分别接收，进行光电转换，前置放大，然后经8选1模拟开关选择、对数放大，由接口板上的选通电路选择，再经A/D转换后送往PC机做分析处理。图2-4生化仪工作原理图[21]前置放大器是决定生化仪性能指标的关键部件之一，和光学系统同为仪器的核心，其精度、稳定性、线性范围直接影响本机后级的工作与整机性能。本机前置放大器选用低噪声、高阻抗运算放大器LF356H，电路形式为单臂桥式放大器，其优点在于充分发挥低噪声、低漂移和高输人阻抗的特性。生化仪一般只在一个波长下工作，有时需要两个波长（双波长工作状态），为了加快数据处理速度，在线性放大之后安排了8选1模拟开关电路仅选择工作波长主控模块的信号送往计算机，并设计了对数放大电路取代软件计算。生化反应的速度和结果对温度极为敏感，每项测量都要求在各自恒定的温度下进行，我们在接口板上设计了专门的电路对比色池的温度进行恒温控制，简化了控制软件的设计。安装在比色池上的热敏电阻作为温度传感器，阻值随池中液体温度的变化而变化，引起控温电路输人电压的变化；计算机将预先分别在25°C、30°C、35°C、37°。四个温度值下的电压值作为温度标准值，根据测量要求选择其中之一作控制信号，经D/A转换器发出一个控制温度的电压，加在控温电路上。当PC机发出的控温电压信号和温度传感器上得到的电压信号有微小差别时，差值将被放大，驱动PLTIER元件制冷或加热，直至温度达到稳定。生化样品和试剂溶液的定量吸取通过步进电机带动蠕动泵并精确控制吸液时间来实现。步进电机的转动由4个D触发器为核心组成的方波发生电路产生的4列方波信号驱动，4列方波彼此相差1/4个周期，推动步进电机以4相8拍工作方式转动。计算机只要通过FO定时发出高、低电平信号就可以控制步进电机的转动和停止。没有用PC机以编程方式输出方波驱动信号是由于Windows是一个多任务操作系统，难以产生稳定准确不受其它事件干扰的方波。PC机与生化仪之间进行数据传输和控制的转换卡选用外购的AC1451卡。它由16路单端/8路差分输人的四位半双积分A/D变换器，8位D/A变换器，可编程的双向数字1/0口，ISA总线接口等电路组成。检测处理生化仪信号和对系统各部分进行监控的计算机选用Celeon1GCPU，128M内存，40G硬盘，17寸彩显，外配HPLaserjet1000激光打印机，操作系统为Windows2000。系统配置在当前计算机市场中属普通经济型主流配置，在保证性能的基础上控制了整机成本。3.结果3.1波长转换装置的设计传统的半自动生化仪光源波长选择一般是滤光片，光源可以透过不同波长滤光片，通过旋转滤光片选择不同波长，从滤光片出来的光进入比色池进行样品的测试。所以，借鉴半自动生化仪波长转换装置的原理，本实验通过在PCB板面上焊接10支不同波长的高亮LED发光二极管，形成LED组件，作为光源。发光二极管直径为5mm，发光角小于30度。发光二极管平均分布在直径为41mm的同心圆上。在PCB板的焊接面上均布有与LED发光二极管阳极对应连接的10段镀金覆铜线段，还有一个与10支LED发光二极管阴极共连的圆环镀金覆铜线。图3-1LED组件主视图

3.2控制波长自动转换装置流程，如图3-2：图3-2控制波长自动转换装置流程图3.3波长自动转换定位装置，如图3-3：图3-3波长自动转换组件定位装置示意图LED装置上的豁口为波长定位标志，当转盘的豁口旋转到一定位置时，光电传感器导通，进行定位；其他位置均不导通，不进行定位。

3.4整体波长自动转换装置，如图3-4：图3-4整体波长转换装置结构示意图1-步进电机；2-不同波长的LED；3-透镜；4-五轴定位移动台；5-光纤；6-检测窗口；7-毛细管；8-滤光片3.5结构设计特点本实验将装有不同波长LED的组件作为光源由步进电机的旋转来带动LED组件，LED发出不同波长的光通过透镜，进入五轴定位移动台与光纤耦合；然后光由光纤送往毛细管，从毛细管出来的光经过滤光片直接进入到光电倍增管，保证了输入的光是实验所需频带的光；最后光通过光电倍增管完成信号转换，将数字信号输入PC电脑，测试结果。实现了波长范围510-850nm，波长精度土2nm。图3-5五轴定位移动台工作图五轴定位移动台通过自身的两个方向的旋转、三个方向的移动来保证光与光导纤维更好的耦合，提高耦合效率。光源波长自动转换组件用螺钉固定在整体式五轴定位位移动台上。通过调整整体式五轴定位移动台将LED有效聚焦光与光导纤维很好地耦合；整体式五轴位移台用螺钉固定在地板上。整体式五轴位移台TSMW-XYZT-l(L)的参数是：调整轴数：五维；行程：Tx/Ty/Tz：13mm；Oy/Oz：±5°；最小读数：0.01mm；灵敏度：0.001mm。3.6激发光源波长自动转换装置功能的实现电刷组件是有两片电刷焊接在PCB板上，为不同波长的LED提供电源，并引出两条连接电源的导线，电刷组件固定在电机支架上。电刷的使用主要是保证装有不同波长LED的转盘可以旋转，如果电刷用导线代替，则转盘不能正常旋转。连接轴与LED板组件用胶粘剂固定，然后与步进电机的旋转轴连接并用顶丝固定。调整连接轴与步进电机轴的轴向相关位置和电刷的形状，使电刷与相对应的LED板组件的两条镀金覆铜线接触良好，当电刷组件的两条导线接通电源时，与镀金覆铜线相对应的LED发光二极管应被点亮。与LED发光二极管阳极对应连接的10段镀金覆铜弧线是以直径中34mm同心圆均布的弧线段。步进电机选用35BYG005(2相4线，电流0.5A，电阻20欧姆)，步距角为1.8度，步进电机控制LED旋转一步所产生的弧长为0.644mm。如图3-6：图3-6LED组件中电刷分布图

步进电机用螺丝固定在电机架上。将安装有LED组件、电机连接轴、电刷组件、步进电机的电机架用螺丝固定在镜头座上。电机连接图如图3-7：图3-7电机与LED组合件连接示意图1-步进电机；2-电机连接轴；3-装有不同波长的LED圆盘；4-LED发出的光；5-光导纤

维；6-电机架图3-8LED组件PCB板实物图

3.7测定光耦合效率实验结果表3-1未加入五轴定位移动台时光的耦合效率参数光的波长（nm）LED的发光功率P]（mw）光与光纤耦合后功率P2（mw）光耦合效率P2/P1（%）51023.336.3627.25%65025.337.6230.07%78027.3314.1351.70%85031.338.3426.63%表3-2在发光LED与光纤之间加入五轴定位移动台后光耦合效率参数光的波长（nm）LED的发光功率P]（mw）光经过五轴定位移动台与光纤耦合后功率P3（mw）光耦合效率P3/P1（%）51023.3316.3169.91%65025.3310.7542.43%78027.3320.9576.67%85031.3322.8372.87%3.8实验结果分析本实验通过直接测试510nm、650nm、780nm、850nm四种波长的光功率来间接测定光耦合效率。未加入五轴定位移动台时，光耦合效率仅为30%——50%左右，说明光耦合效率较低；加入五轴定位移动台后，光耦合效率保持在70%左右，仅有很少情况低于50%，说明五轴定位移动台可以提高光与光纤的耦合效4结论LED激发光源采用转盘式结构，可方便地实现激发光源波长的自动转换和控制，通过五轴定位移动台的调整，提高了光与光导纤维的耦合效率。经过实验及调整，该装置符合设计要求。5讨论5.1五轴定位移动台的不足五轴定位移动台内部结构复杂，调试起来比较费时，所以实验时需要购置成品，但是成品的五轴定位移动台价格比较昂贵，用于实验成本较高，而且当轻微挪动五轴定位移动台的时候容易引起耦合角度偏差，影响实验结果。所以需要在以后的实验中进行改进。历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师一老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学--，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版等过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！参考文献付小云，吕建德.毛细管电泳.杭州：浙江大学出版社，1997：186-195.⑵PurvesRD.微电极方法.北京：北京大学出版社，1985：2.JorgensonJW，LukacsKD.DeterminationofS-nitrosoglutathioneinerythrocytesbycapillaryzoneelectrophoresis.AnalChem，1981，53(8)：1298.JorgensonJW，LukacsKD.Proteinabsorptiontothebaresilicawallincapillaryelectrophoresesquantitativestudyonthechemicalcompositionofthebackgroundelectrolyteforminimizingthephenomenon.Scien