化學發光分析儀測光系統的研究

摘 要：全自動化學發光免疫分析儀（化學發光POCT）是我司獨立研發的體外診斷儀器，與相應的試劑配合使用，用于人體樣本中待測物的定量分析；測光系統是發光POCT儀器的核心系統，直接影響儀器的檢測結果的精密度，本文概述了POCT儀器測光系統的測試原理、機構組成以及影響因素等，并根據影響因素提出幾種不同的解決方案。根據各個方案的試驗結果選取最佳方案在儀器上推廣，最終取得了很好的臨床效果。

關鍵詞：POCT；測光系統；測光杯；濾光片；精密度

中圖分類號：R 446 " " " " " " 文獻標志碼：A

床旁檢測（Point Of Care Testing，POCT）是檢驗醫學發展的新領域，是在患者旁邊開展使用的檢驗醫學技術[1]。隨著國民經濟水平的提高、國家醫療分級診療方案的提出以及急救醫學的發展，POCT儀器在小型化和檢驗快速化方面有了新的要求；但在保證儀器小型化和檢驗快速化的要求下，必然會影響測量結果的精密度；因此保證測光系統高精密度就顯得格外重要[2]。

1 測光系統組成

測光系統是化學發光免疫分析儀的核心部分，整體結構如圖1所示；主要由PMT（光電倍增管）、測光杯及其中的發光復合物、測光控制結構等構成。PMT是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件，主要用于探測微弱發射源的弱光信號，在測光系統中用來檢測發光復合物發光的微弱信號值，其中的發光復合物是包被的磁性微粒與患者體液中物質和項目特異性的試劑結合形成發光復合物，發光復合物作為待測物儲存在測光杯容器內；測光控制結構是由測光窗口切換電機和窗口切換傳感器及其相應的結構件組成的，用來控制切換光信號進入PMT的路徑；發光復合物發出的微弱信號在程序的控制下通過不同的路徑進入PMT信號接收端，并輸出光信號值。由于采用了基于辣根過氧化物酶和魯米諾的間接化學發光法，發光復合物發出光的波長均在430nm左右，因此可以認為該波段光子是能被PMT接收到的量，直接決定了PMT輸出信號值的大小，保證發光物發出的光子能被PMT準確接收是測光系統的核心技術[3]。

2 理論分析

檢測系統的精密度可以用多組檢測值的相對標準差CV表示，如公式（1）所示。

（1）

式中：S為多組試樣檢測值的標準偏差；i為某組試樣；n為試樣總數；Xi為某組試樣檢測值；K為PMT檢測線性系數；為多組檢測值的平均值。

由公式（1）可知，影響CV的主要因素是檢測平均值和標準偏差值S；因此，標準偏差S越小，檢測信號值的平均值越大，相對標準差CV就越小，檢測系統的精密度就越高；而標準偏差的大小直接由PMT本身屬性決定；無論是模擬信號的光電倍增管還是數字信號的光電倍增管，其特性都隨著檢測的信號值的增大，其檢測的穩定性越好、精密度越高。目前，常用的方法是通過增加試劑的用量來增加發光復合物的量和挑揀使用精密度更高一級的PMT，但是這2種方法不僅增加了試劑消耗量和檢測系統的成本，而且在實際使用中的效果也不理想；因此，考慮在試劑和PMT型號不變的情況下增大進入PMT檢測端的光子數成為關鍵。理論上，如果發光混合物發出的光子在由測光杯傳播到PMT檢測端的過程中沒有損失，那么PMT檢測到的信號值為待測發光混合物發出的全部光子數，但在實際工作中，由于受各種因素的影響，PMT實際檢測到的信號值遠低于待測發光混合物發出的實際發光信號值；對我司現有的化學發光免疫分析儀測光系統來說，待測樣本在一些項目的界值附近被PMT檢測到的信號值衰減嚴重，導致檢測精密度不能滿足需求；針對測光系統分析其影響信號值衰減的因素主要包括測光杯、檢測距離、濾波片以及外界光。因此根據這些因素進行分析并設計試驗，根據試驗結果、成本等因素選取最佳的解決方案。

3 解決方案

試驗材料：配比好的標定發光復合物溶液信號值約為4×105，黑色測光杯，白色測光杯，內白外黑雙色測光杯，430nm窄帶濾光片，全自動免疫發光分析儀，移液槍。

試驗方案：12個測光杯標記為1組試樣，利用儀器對待測測光杯的暗值進行檢測，使用移液槍在試樣測光杯中添加配比好的標定發光復合物，儀器再對信號值進行檢測；PMT測光鏡頭與測光杯中發光復合物的距離為13mm（如圖2所示），每組統計12個試驗數據的平均值作為每組試樣中PMT檢測到的最終數據。

3.1 測光杯

測光杯用來儲存待檢測的發光復合物，其在結構上利用杯口上沿的雙環特征和測光頭進行嵌套的方式保證測光系統整體的物理密封性；測光系統要求避免外界光進入PMT檢測端，技術指標為暗值（PMT在測光杯為空時的測量值）小于或等于1000；不同顏色的測光杯對光的吸收性和反射性不同，為了研究測光杯顏色對檢測結果的影響，需要對黑色、內白外黑雙色測光杯進行研究分析。

3.1.1 黑色測光杯

黑色測光杯的優勢是避光性能良好，可以有效阻止外界所有波段光進入測光杯內部，從而保證PMT檢測到的光子數不受外界影響，是測光杯的首選顏色。但是，黑色的測光杯同樣會使發光復合物發出的光信號在達到PMT接收端之前被杯壁吸收一大部分，從而直接導致信號值嚴重衰減。為了研究黑色測光杯測光系統的實際影響，試驗采用黑色測光杯測試12組的暗值后，加入相同量的標準發光復合物，在室溫下再進行檢測；由表1可知，儀器測光系統輸出的暗值均滿足要求，輸出的信號值平均值為7.3萬，衰減了約80%的光信號，且由于信號值偏低，因此導致測量結果的變異系數CV較大、精密度較差。試驗表明，黑色測光杯對光信號值的衰減較大，不能滿足測光系統的實際要求。

3.1.2 內白外黑雙色測光杯

雖然黑色測光杯避光性能好，但是黑色對光吸收率也高，導致PMT檢測到的信號衰減嚴重；而白色測光杯對光的吸收較弱，反射性較好，但是不能完全阻擋外界光的射入；結合2種顏色測光杯的優劣勢，設計了內白外黑的雙色測光杯，2種測光杯為嵌套結構裝配在一起，外側的黑色杯子能保證避免外界光的進入，內測的白色杯子保證發光復合物發出的光能夠盡可能的傳播到PMT信號檢測端；試驗測試了12組試樣，由表2可知，測試暗值均滿足要求，且PMT檢測到的平均信號值為335505.3，約為總信號值的83%，信號值衰減較少；PMT檢測到的數據變異系數CV較小，檢測精密度較好。

試驗過程中發現，試樣17和試樣22的檢測信號值數據出現異常，檢測到的信號值遠低于其他幾組試樣的信號值，重新更換測光杯測試，試樣17和試樣22檢測信號值恢復正常。觀察異常數據的測光杯后發現，其內部白色測光杯部分有一側面隱約露黑，切開后發現該側面厚度嚴重偏薄，該現象表明內白外黑雙色測光杯測量值不穩定的原因很可能是由杯子加工性能不達標造成的。內白外黑雙色測光杯在實際生產中主要有2種方式：1）使用雙色模具注塑得到，直接出模就是最終的內白外黑雙色測光杯；這種方式工藝效率比較高，但是易受加工環境的影響，可能會出現白色內壁壁厚不均和色差明顯的問題，不同的供應商，甚至同一家供應商提供的產品都會有較大的差異，這就會導致測光數據存在較大的差異。2）黑白測光杯分別通過模具生產完后進行裝配，裝配工序一般為手工組裝完成，組裝的樣品具有一定的差異，會導致測光數據不穩定，且生產效率較低。因此內白外黑測光杯受供應商加工工藝和加工能力的影響較大，產品需要良好的質量控制方案，同時設計上也要考慮增加內部的白色測光杯杯壁的厚度，減少白色杯壁厚度不均對測試結果造成的影響。

綜上所述，內白外黑測光杯既能避免外界光的影響，又能減少信號值的衰減；根據實際情況，可以采用黑白杯子嵌套裝配的結構。

3.2 測光距離

測光距離是指發光反應物液面到PMT檢測鏡頭的距離，根據PMT自身的測光特性，測光距離越遠信號值衰減越嚴重[4-5]，為了研究該因素對檢測信號值的影響，試驗采用黑色測光杯，并利用特殊的透明隔板調節標準發光復合物在測光杯中的高度，以縮短測光距離；受限于測光系統結構實際的空間局限性，本次試驗設定測光距離為系統結構所允許的最小距離為10mm，測試數據見表3。

從試驗組數據上可以看出，測試信號值的平均值為17784，約為設定總信號值的44%，信號值衰減比黑色測光杯子小，精密度略有提升；因此，縮短測光距離可以提高測試信號值，但是提高的幅度很有限；在考慮該方案時，可以在PMT和測光杯相對位置不變的情況下，采取加大測光杯口徑或者增加發光復合物的體積等措施來縮短測光距離，達到減小信號值衰減的目的。

3.3 430nm窄帶濾光片配合白色測光杯

白色測光杯良好的反射性使其對信號值的衰減影響較小，但是白色測光杯的透光性使其容易受到外界光的干擾，造成暗值超標，因此根據標準發光溶液的發光波長約為430nm的特點，在PMT測光鏡頭前增加430nm的窄帶濾光片，使其既能允許標準發光復合物的發光信號透過濾光片進入PMT接收端，又能盡可能地阻止透過白色測光杯的外界光進入PMT接收端；雖然加載濾光片后進入測光杯的外界光源中其他波段的光被過濾掉，但是仍然有少量波長在430nm附近的外界光會通過濾光片進入PMT接收端，這就可能導致測量暗值超標，從而會對檢測數據造成一定影響。為了驗證使用濾波片對檢測結果的影響，試驗選取透光性較差的聚苯乙烯白色測光杯進行試驗。

由表4可知，檢測暗值整體上滿足要求，但是比較接近臨界值（1000）；如果實驗室中光線過強，暗值則會出現超標的風險，測試信號值平均為206678，約為標準值的50%，相比內白外黑的雙色測光杯衰減有所增加，精密度也有所降低；其原因是430nm的窄帶濾光片對波長430nm附近的光透過率達不到100%，從而抑制了一部分光信號的透過，因此使用濾光片時需要充分考慮其通透率。

4 結果討論

綜上所述，黑色測光杯會導致發光復合物的信號值衰減較大，不能滿足測光系統現有使用要求，內白外黑雙色測光杯能最大限度地減小信號值衰減（接近標準值），測量精密度相對較高，且只需要對耗材測光杯進行結構修改，不影響測光系統整體結構。但是采用該方案時須控制耗材工藝質量、采用自動化裝配，并適當增加白色內壁的壁厚，減少測光杯之間的差異；其余幾套方案都對減少信號值衰減的效果很有限，使用濾波片的方案結構簡單，但是對測光杯的透光性有一定的要求且需要避免實驗室中光線的強度過大，測光距離受制于測光系統結構兒改變幅度較小。因此根據實際情況考慮，最終選取內黑外白的嵌套反應杯結構的方案，并在心肌三項臨床使用中取得了很好的效果。

5 結語

測光系統是全自動化學發光分析儀（發光POCT）的核心技術，準確把握測光系統的各項影響參數，保證檢測數據的準確度，及時提高儀器測量數據的精密度[6]。POCT檢測對疾病診斷、治療、預防及健康和亞健康監測將會有廣闊的應用前景。該儀器可以彌補傳統臨床實驗室流程煩瑣不能實施床旁檢測的缺點，實現了儀器小型化、操作程序簡便化以及檢測現場實時化等特點化[7-9]。

參考文獻

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通信作者：尚曉京（1987—），男，河南許昌人，工程師，碩士研究生，研究方向為醫療器械研發設計工作。

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