临床检验仪器中常用的液面检测技术

严荣国 邵泓燃 程清源

在临床诊断和治疗过程中，通常需要收集患者的血液、体液、分泌物等，除目视观察外，还可采用物理、化学、生物化学、免疫学等多种手段，对临床诊断指标进行检测和分析［1-5］。根据国家药品监督管理局（National Medical Products Administration，NMPA）发布的《医疗器械监督管理条例》中的相关规定，临床检验分析仪器可分为血液学分析设备、生化分析设备、电解质及血气分析设备、免疫分析设备等。在上述临床检验仪器中，经常需要使用定量调配的溶液，如血细胞分析中用到的血液、清洗液、稀释液［6］，流式细胞术分析中用到的样品和鞘液，生化分析中用到的样品和试剂，免疫分析中用到的抗原、抗体、封闭液等［7］。这些液体可能为稀溶液或浓溶液，其流动形式可能为牛顿流体或非牛顿流体，可能呈现稳流或湍流。在使用这些液体时，常需用到液面检测技术（liquid level detection technology），有时也利用液体中的气泡进行定量检测，即气泡检测技术（bubble measuring technology）［8-10］。

在对装有组织液、试剂、封闭液等液体的容器进行液位探测时，根据传感器与液位是否接触，可分为接触式和非接触式，接触式液位探测的原理主要有：① 电容法，利用静电原理和液体电容的介电常数发生改变制成；② 电阻法，不同的液体被测点具有不同的电阻；③ 机械振动法，根据机械振动原理设计；④ 压力法，通过对装有液体容器的底部压力进行检测从而得出液位高度。非接触式液位传感器的原理主要有：① 光电法，利用光在不同介质中折射率不同的原理制成；② 超声法，利用超声波特性制成。本文介绍临床常用的光电式液面检测技术（非接触式）和电容式液面检测技术（接触式）。

1 光电式液面检测技术

1.1 工作原理 光电式液面检测技术或气泡检测技术的工作原理及光路图见图1。该装置主要由发光管E、接收管R、光阑1和光阑2、凸透镜1和凸透镜2组成。光阑1和光阑2起到限制光能的作用；在玻璃管或橡胶管内无液体流过光轴（或存在较大气泡）时，左侧的凸透镜1将点光源E发出的光经过光阑变为平行光源，照射到玻璃管或者橡胶管上，而右侧的凸透镜又将光线汇聚，经过光阑2，照射到接收管R上，整个光路通畅；而当有液体经过（或无气泡存在）时，接收管R接收不到光信号，或接收到的光信号十分微弱。在实际应用中，玻璃管或橡胶管的管壁充当透镜。通过改进电路或软件算法，也可以省去光阑。

图1 光电式液面检测技术工作原理及光路图

1.2 典型应用 光电式液面检测技术在临床检验仪器中的典型应用包括：① 血浆黏度测定；② 血细胞分析技术；③ 电解质分析技术。

1.2.1 血浆黏度测定 当血浆在体外以层流形式在半径为R的毛细管中流动时，液层之间存在摩擦现象，其流动形式符合泊肃叶（Poiseuille）方程。

其中Q为单位时间内流过某一横截面的液体体积，p为血浆承受的压力差，L为毛细管的长度，η为黏度系数（或黏度）。由于式中毛细管半径R和血浆承受的压力差p不易被精确测得，直接用公式（1）计算容易产生较大误差。因此在实际使用中，η值一般对比两种液体，采用相对法进行计算求得，计算方法及定义公式如下。

取相同体积的两种液体〔被测液体p，如血浆（plasma）；参考液体w，如水（water）〕，在重力作用下分别流过同一支毛细管黏度计（图2所示为奥氏毛细管黏度计）。若测得流过相同体积（Va-b）液体所需的时间为tp与tw，则可得以下公式。

图2 奥氏毛细管黏度计液面检测示意图

由于液体压强存在公式p＝ρgh（h为液体高度，ρ为液体密度，g为重力加速度），若测定时采用同一支液体黏度计，则根据式（2）和（3）分别计算，可得以下公式。

在测得tp、tw、ρp，ρw后，由于参考液体的黏度为固定值ηw，即可求得该温度下的被测液体黏度ηp。可见这种测定液体黏度方法的关键之处在于精确测定液体流过毛细管的时间tp和tw。

以图2奥氏黏度计为例，在a、b处均配有一个发光管和接收管，用于液体流动时的液面检测，液体从上向下流动，当流动到a处时触发计时开始，而流动到b处时再次触发计时结束。用这种方法分别测

临床上血细胞分析仪器中常用的两种定量装置见图3，其中图3A为定量管，其负压口朝下，在负压作用下，经过稀释的血细胞流经宝石微孔（直径约100 μm）进入定量管，当到达光电晶体管a处时触发启动计数，当血细胞到达b处时触发停止计数，此时被测血量可按以下公式计算得到。

定量管水平放置示意图见图3B，定量管内液体也呈水平流动。此时采用放气电磁阀向定量管内释放气泡，而光电检测装置1和2用来检测气泡的有无，从而对其进行定量检测。

图3 血细胞分析仪中的两种液面检测定量装置

1.2.3 电解质分析技术 绝大部分电解质分析仪都直接采用离子选择性电极（ion selective electrode，ISE）技术分析血清、血浆、全血及尿液中的钠离子定两种液体流经a、b两处的时间，即可根据式（4）计算出被测液体的黏度。该方法通常用于检测牛顿流体（如血浆）。

1.2.2 血细胞分析 由于血细胞是电的不良导体，若将血细胞放入盛有稀释液的样品杯中，当其因负压作用进入由宝石组成的小孔时，溶液的等效电阻会瞬间增大。如果此时回路中接入了恒流电源，则电压随之增大。电压变化的幅度与血细胞的大小有关，而脉冲的多少与细胞个数有关。

临床上血细胞计数通常需要将检测到的血细胞数量转换为每1 mL溶液中所包含的红细胞、白细胞和血小板数量。设被检出的血量为Y（mL），稀释倍数为C，计数结果为S，则每1 mL内细胞个数X的计算公式如下。（Na+）、钾离子（K+）、氯离子（Cl-）等浓度。在电解质分析技术中，选择银或氯化银（AgCl）作为参考电极，其产生的参考电位能够稳定在一定的数值；而用于测量的电极，其电极电位会随着测得的样品浓度变化而发生改变，变化的电位和浓度呈对数关系，可用能斯特方程表示。

其中E为样品溶液中的电极电位，E0为标准状态下的电极电位，RT/nF是一个与电极反应值有关的常量，γ为溶液中的离子活度，C为溶液中的离子浓度。

图4为典型的电解质分析装置原理图，其中有测量电极K+、Na+、Cl-以及气泡检测装置B。气泡检测装置左侧为发光管，右侧为接收管，用于判定电解质溶液吸样是否到位［11-12］。

图4 电解质分析中的液面检测定量装置

2 电容式液面检测技术

生化分析在各级医院都发挥着重要作用，可用于测定血红蛋白、胆固醇、肌酐、无机磷、淀粉酶、白蛋白等［13］。某生化分析仪器自动采样器外形见图5。

图5 某生化分析仪器自动采样器外形图

自动加样模块是生化分析仪的重要组成部分，其准确度和精密度对测试结果有较大影响。液位探测是自动加样模块中不可或缺的部分，可以通过控制加液针插入液体的深度来实现。生化分析中较为普遍使用的是接触式液位探测。电容式液位探测原理如图6所示［14-15］，主要基于加液针接触到液体后电容值发生变化的原理制成［16-21］。

图6 电容式液面检测技术原理图

加液针作为电容器，ε1为空气介电常数，ε2为待测液体的介电常数，L为加液针有效长度，L'为加液针进入待测液体的深度，r、R分别为加液针金属管内径和外径，Ctotal为总电容值，Cair为待测液体上方空气所在部分的电容值，Cliquid为待测液体部分的电容值。按照公式（8）～（10）计算。

整理上述3式，可得

对同一加液针而言，式中L、ε1、ε2、r和R都保持不变，所以总电容值Ctotal与加液针进入待测液体的深度L'呈线性关系，即可根据电容的变化确定加液针进入液体的深度。

在生化分析仪的实际应用中，电容式液位传感器经过电容/电压转换电路，放大滤波，模数转换（analog to digital converter，A/D转换），进入中央处理器（central processing unit，CPU）进行计算。样本进样量为μL级，精度高，速度快，污染低。

3 两种液面检测技术的比较

由于光在不同的测量介质之间传播时会发生反射与折射等现象，因此根据该光学原理，可以制成光电式液位传感器。从传感器与液体是否接触来看，光电式液位传感器是一种非接触式液位传感器，在使用过程中具有结构简单、体积小巧、使用便捷、敏感度高、定位准确等优点，且可对耐热、耐压容器中的强酸、强碱液体进行检测，同时对检测液体的影响较小。光电式液位测量传感器不会受到被测液体的相关特性影响，包括被测液体的温度、压力、密度、电流等参数。

光电测量传感器的液位探头由于本身体积比较小巧，所以通常可在一个被测容器上同时安装多个光电传感探头，制成可进行多点液位探测的多点式液位测量传感器。与其他液位检测传感器相比，光电元件的特性决定了光电式液位检测传感器具有更高的测量可靠性和更长的使用寿命，免除了调试和维护过程，可以自动测量和校验，且安装后即可直接使用，因其便捷性得到广泛应用。在许多装有低黏度洁净液体容器的重要检测点，如液位上下限位点都可以安装利用光学特性制成的光电液位检测传感器，以达到测量、监控、自动报警、定点自动控制、判断是否存在污染等目的。本文详细介绍了几种新型光电式液位传感器在临床检验仪器中的主要应用，包括以下几方面：① 在血浆黏度测定中的应用；② 在血细胞分析技术中的应用；③ 在电解质分析技术中的应用。

电容式液位传感器是利用被检测液体与介质液位表面的液体导电系数不同而直接引起液位变化的一种液位传感器，具有检测敏感度高、反馈和响应速度快、结构简单、安装方便、温度变化稳定性好等优点，同时过载能力强，可适用于恶劣环境。电容式液位传感器的主要优点之一是可以直接通过任何一种介质来检测容器内部液位或液体温度的改变，容器内有污垢和沉淀物不会影响检测结果。

本文介绍了电容式液位检测传感器在生化分析中的应用。该方法在微量检测（如血浆、血清上样等）中应用较多。临床常用的液面检测技术对比见表1。

表1 临床常用液面检测技术比较

3 结论

临床检验仪器针对血、尿、便、分泌物等样本进行测定和分析，这些研究样本常存在病毒、细菌等病原体的交叉感染和污染问题，因此需采用自动化、智能化的形式实现样本、试剂等液体的上样或定量检测。用于检测液体用量的液面探测技术往往是这类仪器必不可少的功能。本文介绍了临床检验仪器常用的液面检测技术，可用于以下方面：① 对样品、试剂、稀释液等进行吸样探测；② 对样品体积进行定量检测；③ 判定溶液是否吸样到位。以几类常用的医用检验仪器为例，概述了液面检测技术在医学检验仪器中的应用。另外，还有很多医用检验仪器也会用到此类液面检测技术，如血气分析、酶联免疫分析技术、发光免疫分析等也用到了类似的液面检测技术。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突