一種智能麥氏比濁計設計分析

倪曉強

（珠海貝索生物技術有限公司，廣東珠海 519015）

0 引言

細菌菌液濃度測量是臨床微生物實驗室的日常工作之一，細菌懸浮在液體中，整體為渾濁狀液體，其濃度采用專用的麥氏濃度來表示，普通比濁計無法測量，因此臨床上常采用肉眼與不同麥氏濃度標準管比濁估算或專用麥氏比濁計測量。目前市場上所供應的比濁計產品大多為國外進口產品，價格較昂貴，導致很多國內實驗室因負擔不起而仍用人工目測比濁，直接影響到試驗的效果和準確性。同時部分細菌，如結核分枝桿菌在配制菌液時需要使用磨菌管（依靠內裝的小玻璃珠之間的互相碰撞、碾磨將菌團打散）磨菌，然后再吸出懸液比濁，不僅增加操作步驟而且存在潛在的生物安全問題。細菌比濁的目的基本都是需要配制成指定濃度，現有麥氏比濁計在測量后需要客戶自行計算或多次嘗試來達到目的，操作復雜、效率低，也容易導致操作人員的困惑。

1 對于開發智能麥氏比濁計的意義

鑒于目前存在的情況，開發了一款智能麥氏比濁計，功能在進口儀器基礎上做了技術改良，不僅具有已有比濁儀的功能，而且還具有可直接對磨菌管進行比濁的功能，同時可以適應2種管徑，可實現計算功能，可滿足更多使用要求，更適合于廣大國內微生物實驗室使用。

2 當下國內外研究現狀

國外一些知名廠商（如梅里埃、BD）已研制開發出性能穩定的濁度計，在國外市場占有一定份額，但價格較昂貴，難以在國內普及應用。國內一些廠商制造的濁度計穩定性相對較差，難以保證檢測結果的準確性。同時現有產品均無磨菌管直接測量、自動計算功能。

3 智能麥氏比濁計硬件設計結構

（1）智能麥氏比濁計基于濁度測試的比濁原理設計。比濁原理的光學系統如圖1所示，某一波長的光線，通過菌懸液后，其光強度將被減弱。由朗伯-比爾定律可知，入射光與透過光的強度比，與樣品液的濁度和液體的厚度相關。若樣品液層厚度一定，則吸光度與樣品的濁度相關。據此，控制系統可根據光電池因透過樣品池的光信號的強弱輸出的不同電信號，來計算樣品濁度。

圖1 濁度法結構

（2）設計難點。在一定的樣品濁度范圍內，系統要對光電池的電信號進行線性化補償與校正，以達到測試結果的精度要求（±0.1 McF）；低功耗設計，盡可能延長充電電池的單次使用時間；采用低成本雙面板達到國家標準對醫療器械的強制性的電磁兼容性測試認證要求。

（3）為解決上述難點及存在問題，在硬件電路上，設計了全新的方案：硬件電路部分主要由電源模塊、主控模塊、光路模塊、采樣模塊、顯示模塊、按鍵模塊、RS232模塊組成。功能框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路框圖

3.1 電源模塊

采用鋰電池供電進行單+5 V電壓源設計。該模塊由充電管理電路、電池和升壓電路組成。充電管理部分，具有過壓、過流、過充、過溫保護功能，保證了產品的安全可靠。鋰電池容量為1800 mA·h，可供儀器正常使用30 d以上。另外，安全環保的鋰電池代替原設計的堿性電池，也符合可持續綠色環保設計理念。升壓部分，采用電荷泵升壓原理，功耗低，轉換效率高（90%）。

3.2 主控模塊

采用高性能、低功耗的8位AVR（Alf-Egil Bogen，Vegard Wollan，RISC；Alf-Egil Bogen，Vegard Wollan，精簡指令集）單片機ATmega64A-AU作為主控芯片，控制系統的充電、按鍵檢測、數據采樣與計算、結果顯示與保存、結果輸出、參數設置與保存。

3.3 光路模塊

主要由恒流電路組成，為比濁法光路系統的光源提供恒定電流?；谶\放加場效應管的恒流源，可提供精度較高的恒定電流，在保證LED（Light-Emitting Diode，發光二極管）發光光強的同時，也延長了LED光源的壽命。采用波長為590 nm的單色LED，可省去濾光片，簡化了結構。且使用短波長的光，對于小顆粒的散射更為靈敏，利于測量。

為了實現直接測量磨菌管的功能，在光路設計上采用了高位單光徑設計，避開了底部玻璃珠的干擾，實現直接測量功能。

3.4 采樣模塊

通過光電池采集透過樣品池的光信號，并轉化為電信號，經放大后輸入到單片機。采樣模塊是整個設計的難點之一。光電池輸出的是微弱的電信號，需要保證放大后提供給單片機的電信號不失真，即保持其線性關系，否則無法計算出正確的濁度值。

3.5 顯示模塊

LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）液晶顯示模組，通過SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍設備接口）協議與主控芯片通信，顯示儀器的運行狀態、測量結果、參數等。

3.6 按鍵模塊

通過按鍵檢測，實現對儀器的校準、測量、參數設置等操作。

3.7 RS232模塊

實現對測量結果的輸出。通過串口，可連接熱敏打印機打印測試結果。

4 智能麥氏比濁計軟件設計特點

軟件系統功能框圖，如圖3所示。其中最大的特點，就是解決了自動計算和多途徑校準功能。

圖3 軟件功能框圖

計算功能根據客戶設定的初始體積和目標濁度，自動計算需要增加的液體量，較人工計算更準確更高效。

多途徑校準功能使得客戶不用經常使用標準菌株進行多點校準，可以直接回復初始校準值，采用單點校正的方式保證測量值的準確性。

5 總結

隨著智能麥氏比濁計的實際應用，其本身所具備的優勢與特點逐漸被深入的開發出來，并且進行廣泛的運用，使得實驗室工作更加準確、便利。