基于光电传感器的血清与血细胞分层面的检测*

2012-07-25蔡锦达赵国初宋韫峥

传感器与微系统 2012年2期

蔡锦达，赵国初，宋韫峥

（上海理工大学机械工程学院，上海 200093）

0 引言

样本前处理系统是集读条形码、离心、分样、打码贴标、送入目标区域等工作于一体的临床检测的自动化处理系统。血液样本不加抗凝剂，经过自然凝固、离心后，血清与血红细胞分离，自动移液头即吸取上层的血清进行分类，并对血清处理用来进行免疫、生化、聚合酶链式反应（PCR）等。在前处理系统中，分样是通过自动分样头自动实现的，且不同的样本血清的量并不相同，所以，就要确定分界面的位置，供控制器读取，以此来控制分样头伸入血清中的深度，以避免移液头在深入血清吸取时，吸到血细胞，而不能用于生物分析或者吸取量较少，不够用于分析反应。

血清与血细胞分层面的检测，必须采用非接触的方式，以避免污染样本。目前，对于样本液位的非接触式检测方法较多［1～3］，而用于此类分层面检测的方法主要有图像处理［4］，此方法虽然有效，但需要软件分析处理，占用了一定的软件空间，增加了整个系统的处理时间，因此，本文提出了一种基于光电传感器的血清与血细胞分层面的检测方法，可以在不影响精度的情况下，明显降低检测成本，减少检测时间。

1 原理

1.1 传感器应用原理

透射型传感器以红光或近红外光作为光源，通过调节激励电流，改变光源强度，在透过光吸收率较低的物质后，光强虽经过衰减，但仍能产生光电效应［5］，而驱动接收端电路，达到透射特定物质的目的。

近红外光对于不同材料的透射率不同，在离心后的血液样本中，血清和血细胞的属性区别较大，血清呈现半透明的淡黄色，血细胞呈现不透明的深红色。近红外光可以在玻璃或石英介质中穿透［6］，而血液样本存放在玻璃试管中，因此，经过透过率分析仪的实验分析，得到了在400～1000 nm波长范围内，血清和血细胞的透过率，如图1。

图1 血清与血细胞透过率光谱图Fig 1 Spectrum of serum and blood cells

从以上的光谱图可以得出:当波长约在800～920 nm范围时，即近红外光范围内，不论是上部血清还是下部靠近血细胞的那部分血清，其透过率均在50%以上，而试管底部的血细胞的透过率几乎为零，因此，利用血清和血细胞的对于红外透射率的巨大差异，可以设想出在一定的光强范围内，近红外光可透过血清，而不能透过血细胞，因此，调节激励电流，控制近红外光强，即可在光电传感器接收端中得出两种不同的“0”“1”信号，以此来判断分层面的位置所在。

1.2 检测原理

根据以上理论，即可制定出检测分层面的检测装置，即机械手抓取待检测试管于固定高度，以恒定速度下降，当传感器有信号，说明下层血细胞已进入红外光范围，下降速度放缓，当传感器再次恢复初始信号状态时，说明红外光刚过试管分层面，同时下降停止，即检测出了分层面的位置。检测过程为（a）→（b）→（c），检测原理如图2。

图2 检测过程Fig 2 Detection process

2 软件设计

近红外光在透过血清时信号保持“0”不变，在不能透过血细胞时信号变为“1”，根据这一信号改变的特性来控制电机的启停，并以此信号作为界限来计算试管内血清的深度H，由于红外光自身的照射范围，在红外光的照射部分完全或大部分通过血清部分时才能引起信号的变化，因此，在计算结果中已包括了红外光的照射半径，在计算式需要加上修正系数，具体流程如图3。

图3 软件处理流程图Fig 3 Flow chart of software processing

3 实验

3.1 测试条件

试管内径为10 mm，外径为12 mm，高度L为75 mm;光敏管和近红外LED均为Ф5mm器件，发射端和接收端水平固定于实验台两端，相距100 mm;试管口初始位置与LED中心位置距离L0为100 mm;采用机械手夹取试管，以步长为0.01 mm的直线混合式步进电机控制机械手升降;控制器与数据处理均采用PLC完成;待测液体为已离心的分层面清晰的人体血液。

3.2 测试方法

待测样本置于试管架中，机械手抓取至固定高度，试管口距红外高度为L0，以0.01 m/s的速度下降，当传感器有信号，即试管进入红外检测区域时，下降速度变为0.001 m/s;当过分界面时，传感器信号改变，控制器发脉冲停止，试管停止，此时试管下降距离为L1，由此可得分层面离管口的深度为

式中K为修正系数，即由于电机的响应速度，红外光自身的照射直径与分层面的倾斜度等因素，实际值与测试值会存在误差，因此，在多次测量后，测试程序中需要加上安全范围内的修正系数K。

具体方法示意图如图4所示。

图4 检测方法示意图Fig 4 Schematic diagram of detecting method

3.3 实验结果

用光电传感器作为检测元件，对10个离心后的血液样本进行检测，并在每次自动检测后，以游标卡尺人工重复检测10次，检测结果如表1，表中H1表示自动检测结果，H2为人工检测结果，Δ为H1与H2之差。

表1 血液样本分层面深度检测数据Tab 1 Data of detection over the interface of the blood samples

从表1可以看出:自动检测结果较人工测量结果小，且平均误差为0.286 mm，标准差为0.169 mm，自动测量结果完全可以用于自动分样系统中，因为在取血清样本时，不允许取到血细胞，必须要预留一定的安全范围，此处检测的结果较实际深度小，即运用在自动分样中，分样头可以以此测试结果执行，且完全在安全范围内。