基于arm7半自动生化分析仪的研究与设计_硕士学位毕业论文(编辑修改稿)

基于arm7半自动生化分析仪的研究与设计_硕士学位毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

对生化测试一般原理的分析 ,总结了生化分析仪的原理 ,同时比较几种 常见的生化分析方法 ,并通过对生化分析仪结构的分析 ,阐述了各部分的功能。 生化测试基础 生化分析原理 生化分析仪是属于光学式分析仪器，它是基于物质对光的选择性吸收原理，即分光光度分析法。 分光光度法是绝大多数生化分析仪所采用的一种检测方法，它是基于不同分子结构的物质对电磁辐射的选择性吸收而建立起来的方法，属于分子吸收光谱分析法。 它以分子吸收 某一波长的光为基础，表现为分子的吸光度值 (Α )为 波长 (λ )的函数关系，分光光度分析法的依据是朗伯 — 比尔 定律 [14]，它以被测物质分子吸收某一波长的单色光为基础。 其测量原理如图 所示。 分光光度法的原理是：单色器将光源发出的复色光分成单色光，特定波长的单色光通过盛有样品溶液的比色池，样品的吸光度与样品溶液浓度和光通过的距离 (即光径 )成正比。 光电转换器将透射光转换为电信号，此后经信号处理系统处理，可得到样品溶液的浓度。 当光通过盛有样品溶液的比色杯时，吸收的强度与溶质浓度和光通过的距离有一定的关系。 比色杯光电探测器光源前置光学系统单色器 图 分光光度法的原理图 布格 (Bouguer)和朗伯 (Lambert)在 1729 年和 1760 年阐明了光辐射强度和吸江 苏 大 学 硕 士 学 位 毕 业 论 文 6 收层厚度的关系， 1852 年比尔 (Beer)又提出光辐射 强度和吸收物浓度也具有类似的关系，布格 — 朗伯 — 比尔定律的数学表达式为 [14]： 011lg lgIA bcIT    () 其 中 : A—— 光通过介质被介质吸收的吸光度 T—— 透射光强与入射光强之比即透光率 0I —— 入射光强度 1I —— 透射光强度 ε —— 介质摩尔吸光系数 ( 11ml mol cm) c—— 吸收物的摩尔浓度 (ml/mol) b—— 吸收层厚度 (cm) 上式表明，当特定波长的单色光通过溶液时，样品的吸光度与溶液中吸收物浓度和光通过的距离成正比。 半自动生化分析仪就是通过检测样品对某种单色 光的吸收程度，以及反应过程中吸光度的变化来计算样品中待测成份的含量。 但上式是以下列条件为前提： (1)吸收过程中各物质无相互作用，但各物质的吸光度具有加合性； (2)辐射与物质的作用仅限于吸收过程，没有荧光、散射和光化学现象； (3)吸收物是一种均匀分布的连续体系。 生化分析的 步骤 生化测试是在生化样品中加入分析试剂进行反应 ， 连续监测反应过程中吸光度的变化 ， 通过分析吸光度变化情况进行生化分析 ， 求取待测生化指标浓度。 一个完整的数据分析过程 ,要经过两个步骤 ： 首先 ， 监测生化反应过程的吸光度变 化 ，获取生化反应曲线 ,取得反应吸光度 ； 第二步 ,由 反应吸光度求取生化指标的值 [15]。 生化分析的方法 在不同的生化反应中，反应吸光度的求取方法 也 不同。 根据不同的反应曲线江 苏 大 学 硕 士 学 位 毕 业 论 文 7 特点即形成复合物的速度特点，一般把测定的方法分为 终点法、速率法 、双波长法和两点法 [1618]。 1） 终点法是使用一种或两种试剂，当样品和试剂混合后，待测样品与试剂的物理化学反应到达终点时，测一次吸光度，来计算待测样品的浓度。 在利用终点法进行定量分析时分别需要对空白、标准和待测样品三个试样进行测量，得到三个吸光度值 ，分别为： A空 白 、 A标 准 和 A待 测 样 品 ； 然后按照式 计算得到待测样品浓度。 C待 测 样 品 ＝ C标 准 ( A待 测 样 品 A空 白 ) / ( A标 准 A空 白 ) () 其中 A空 白 ： n 毫升 蒸馏水 加入到 m毫升试剂中，在恒温环境中反应一定时间后，反应液的吸光度。 A标 准 ： n 毫升标准液加入到 m 毫升试剂中，在恒温环境中反应一定时间后，反应液的吸光度。 A待 测 样 品 ： n 毫升待测样品液加入到 m 毫升试剂中，在恒温环境中反应一定时间后，反应液的吸光度。 C标 准 ：试剂盒中标准液的给定浓度。 n， m 的数值由试剂盒给定，或者根据试剂盒按比例确定。 反应温度和反应时间也由试剂盒给定。 不难看出 ,终点分析法中 ,血清中待测物质的含量和反应液的最终吸光度成正比 ,而与反应过程无关。 它属于分析化学中的标准对照法。 在应用时应注意试剂空白的测量 ， 一般当参比溶液选择蒸馏水时 ， 如果采用上式进行计算 ， 要先计算试剂空白的吸光度 ， 然后再从标准和待测样品反应液吸光度中扣除。 也可以直接采用试剂空白作为参比溶液 ， 检测吸光度 ， 即可认定 A空 白 为 0。 2） 速率法 是和终点法相对应的，适用于酶活性和代谢物检测，多有酶的参与。 通过测定单位时间内样品和试剂的吸光度变化来测定酶的反应速率。 原理是 在酶反应的最佳 条件下，用物理、化学或酶促反应的分析方法，在反应速度恒定期（零级反应期）来连续观察和记录一定反应时间内底物或产物量的变化，以单位时间酶反应初速度计算出酶活力的大小和代谢物的浓度，计算方法为： 江 苏 大 学 硕 士 学 位 毕 业 论 文 8 / minssC A F   （ ） 式中， sC ―待测样品的浓度； /minA ―待测样品的吸光度变化率，由线性回归得到； F ―常数，由用户所选择的试剂给出（因素值）或由仪器测量标准样品得到：  / m inSTD STDCF A  （ ） 式中： STDC ―标准样品的浓度值；  / minSTDA―标准样品的吸光度变化率。 3) 双波长测定方法， 其原理是检测待测样品的吸光度时，同时用两个波长检测，用主波长的吸光度减去副波长的吸光度，并与标准样品比较，计算待测样品的浓度，即： 21()s s sC A A F   （ ） 式中， 1sA ―待测样品在副波长下的吸光度； 2sA ―待测样品在 主波长下的吸光度；F ―常数，由用户所选择的试剂给出（因素值）或由仪器测量标准样品得到： 21STDSTD STDCF AA  （ ） 式中，1STDA―标准样品在副波长下的吸光度；2STDA―标准样品在主波长下的吸光度 双波长法不仅可以有效地校准样本的混浊、溶血、黄疸等，还可对电源波动有补偿 效果。 与单波长法不同 ,双波长法 具有排除来自样品内部干扰和降低吸收池误差的优点。 正是因为双波长法有着单波长法无可比拟的优点 ,在许多临床生化检验试剂盒中 ,都同时给出了单波长法和双波长法两种检验参考波长。 4) 两点法 也称固定时间法， 其主要针对某些代谢物（而不是酶）的测定，包括有工具酶参与的动力学反应，以及少数具有典型动力学特征的化学反应。 其测定方式是监测比色池内反应溶液在前后两次时间间隔内的吸光度变化值。 在测量时间内不需要作线性监测，也不需要计算每分钟吸光度变化率。 这种方法的优点是可以消除样品、试剂的 颜色、浊度以及一些干扰物质对测定的干扰。 在样品与试剂混合后，延迟一定的时间读取 1sA （ 某一 时刻的吸光度值），隔一定时间后读江 苏 大 学 硕 士 学 位 毕 业 论 文 9 取 2sA （ 另一 时刻的吸光度值） ，计算： 21s s sA A A   ，然后与标准样品比较，求得待测物的浓度，即： 21()s s sC A A F   （ ） 式中， 1sA ―待测样品的第一点吸光度； 2sA ―待测样品的第二点吸光度； F ―常数，由用户所选择的试剂给出（因素值）或由仪器测量标准样品得到： 21STDSTD STDCF AA  （ ） 式中，1STDA―标准样品的第一点吸光度；2STDA―标准样品的第二点吸光度。 工作曲线与工作方程 工作曲线是反应吸光度随生化项目浓度变化关系的曲线 [19]。 工作方程是工作工作曲线反映的生化项目浓度与反应吸光度的函数关系式。 一般认为，工作方程是线性函数 A=kC+B，一个典型的工作曲线如图 所示。 其中 B 是空白吸光度，对应浓度为 0（蒸馏水）时，加入试剂后的吸光度。 对曲线上的任一点，曲线的横坐标对应浓度为 C1，纵坐标对应反应吸光度 A1。 0BC1A1浓度反应吸光度A=kC+B 图 工作曲线图 生化校准 生化校准是通过测试已知浓度的标准物来确定工作曲线的过程。 按照校准的方法可以分成两点线性法、多点线性法、一点线性法。 与生化测试过程中的错误值影响一次测试不同，校准过程中的错误将通过工作曲线参数的形势记忆下来，从而影响以后所有生化测试的结果，直到下一次校江 苏 大 学 硕 士 学 位 毕 业 论 文 10 准才终止。 所以，校准过程的正确性尤其重要。 为了尽可能避免记忆错误的校准结果，每次校准都进行两次重复实验，只有完全合格的数据才被接受。 半自动化 生化 分析仪的 结构 生化分析仪主要用来对人的血液和其他体 液中的各种生化指标进行分析。 首先需要医务人员进行样品的采集 、 识别 、 处理和存储。 从测试对象处采取血液等 ,分离出有用成分 ， 将所取得的样品用标记将其和受试者联系起来 [20 21]。 对于半自动生化分析仪而言 ， 在加样品 、 加试剂 、 混匀等操作上 ， 需要手工完成。 而另一部分工作 ， 如吸入反应液 、 保温 、 波长选择 、 吸光度检测 、 结果的计算 、 打印等功能 ,则仍可由仪器自动完成。 生化分析仪主要由液路控制系统 、 光路控制系统 、 恒温控制系统 、 数据采集 A R M 7 微 控 制 器 ( M C U )数 据存 储实 时时 钟L C D显 示键 盘 打 印 机A / D温 度控 制A / D电 机驱 动电 机驱 动程控放大器放大器电机泵电机光 源透镜A透镜B透镜C1 0孔滤光盘光电池A D5 9 0零位检测电 源比 色 池管 道 图 系统结构图 系统和人 机交互系统等组成。 生化分析系统结构框图如图。 ARM7 微处理器 作为整个生化分析仪的控制核心 ， 对整个分析仪工作进行调控。 液路控制系统包括进、排液管道、蠕动泵及比色池 ， 蠕动泵由步进电动机带江 苏 大 学 硕 士 学 位 毕 业 论 文 11 动来吸取检液进入比色池 ， 及检后排除废液 ， 亦可用于清洗。 光路控制系统包括光源和单色器 ， 另一台步进电动机带 动滤光轮转动使其上的干涉滤光片从卤钨灯发出的光中滤出不同波长的 单色光，以满足不同试剂的需要。 为纠正因步进电机失步造成的滤光片位置偏差，安装有光电位置的 零位检测器，滤光盘 每 转动周进行一次 位置校 准。 样品和试剂混匀后吸入到比色池中 ， 比色池存放在恒温环境中 ，因为只有恒定在指定的温度下检测才能保证生化检验结果的可靠性 ， 现行的标准检测温度有常温、 250C 、 30 0C 及 370C ，恒温控制系统正是起到恒定溶液温度值的作用 ， 它包括温度检测装置和控温元件帕尔贴。 数据采集系统包括光电检测器 、放大器和 A/D 转换器 ， 光电二极管将透过比色池的光信号转化成电 信号 ， 经过放大后进行检测 ， 再根据预定的方法如终点法 、 两点速率法 和 动态法等进行数据的处理 ， 分析 ， 得出检验结果。 人机交互系统包括键盘 、 LCD 显示屏及微型打印机 ,提供友好的人机接口 ,方便医务人员的操作。 本章小结 本章 讲述了 生化分析仪的 相关知识，介绍了生化分析的 基础 ，分析 测试基础，讲解了生化分析的步骤和过程，并详细介绍 了几种主要的生化分析方法 ，并对几种方法的使用进行比较。 根据生化分析仪器的需求，对仪器进行了系统总体的结构设计，提出了以 ARM7为核心的控制系统 ， 并对系统的各部分做了详细的规划。 江 苏 大 学 硕 士 学 位 毕 业 论 文 12 第三章 半自动生化分析仪的硬件设计 现有的半自动生化分析仪多以一片或多片 8位单片机为主控制器，控制各功能模块，协调各部分的工作，再以一。