化学发光分析仪测光系统的研究

摘 要：全自动化学发光免疫分析仪（化学发光POCT）是我司独立研发的体外诊断仪器，与相应的试剂配合使用，用于人体样本中待测物的定量分析；测光系统是发光POCT仪器的核心系统，直接影响仪器的检测结果的精密度，本文概述了POCT仪器测光系统的测试原理、机构组成以及影响因素等，并根据影响因素提出几种不同的解决方案。根据各个方案的试验结果选取最佳方案在仪器上推广，最终取得了很好的临床效果。

关键词：POCT；测光系统；测光杯；滤光片；精密度

中图分类号：R 446 " " " " " " 文献标志码：A

床旁检测（Point Of Care Testing，POCT）是检验医学发展的新领域，是在患者旁边开展使用的检验医学技术[1]。随着国民经济水平的提高、国家医疗分级诊疗方案的提出以及急救医学的发展，POCT仪器在小型化和检验快速化方面有了新的要求；但在保证仪器小型化和检验快速化的要求下，必然会影响测量结果的精密度；因此保证测光系统高精密度就显得格外重要[2]。

1 测光系统组成

测光系统是化学发光免疫分析仪的核心部分，整体结构如图1所示；主要由PMT（光电倍增管）、测光杯及其中的发光复合物、测光控制结构等构成。PMT是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件，主要用于探测微弱发射源的弱光信号，在测光系统中用来检测发光复合物发光的微弱信号值，其中的发光复合物是包被的磁性微粒与患者体液中物质和项目特异性的试剂结合形成发光复合物，发光复合物作为待测物储存在测光杯容器内；测光控制结构是由测光窗口切换电机和窗口切换传感器及其相应的结构件组成的，用来控制切换光信号进入PMT的路径；发光复合物发出的微弱信号在程序的控制下通过不同的路径进入PMT信号接收端，并输出光信号值。由于采用了基于辣根过氧化物酶和鲁米诺的间接化学发光法，发光复合物发出光的波长均在430nm左右，因此可以认为该波段光子是能被PMT接收到的量，直接决定了PMT输出信号值的大小，保证发光物发出的光子能被PMT准确接收是测光系统的核心技术[3]。

2 理论分析

检测系统的精密度可以用多组检测值的相对标准差CV表示，如公式（1）所示。

（1）

式中：S为多组试样检测值的标准偏差；i为某组试样；n为试样总数；Xi为某组试样检测值；K为PMT检测线性系数；为多组检测值的平均值。

由公式（1）可知，影响CV的主要因素是检测平均值和标准偏差值S；因此，标准偏差S越小，检测信号值的平均值越大，相对标准差CV就越小，检测系统的精密度就越高；而标准偏差的大小直接由PMT本身属性决定；无论是模拟信号的光电倍增管还是数字信号的光电倍增管，其特性都随着检测的信号值的增大，其检测的稳定性越好、精密度越高。目前，常用的方法是通过增加试剂的用量来增加发光复合物的量和挑拣使用精密度更高一级的PMT，但是这2种方法不仅增加了试剂消耗量和检测系统的成本，而且在实际使用中的效果也不理想；因此，考虑在试剂和PMT型号不变的情况下增大进入PMT检测端的光子数成为关键。理论上，如果发光混合物发出的光子在由测光杯传播到PMT检测端的过程中没有损失，那么PMT检测到的信号值为待测发光混合物发出的全部光子数，但在实际工作中，由于受各种因素的影响，PMT实际检测到的信号值远低于待测发光混合物发出的实际发光信号值；对我司现有的化学发光免疫分析仪测光系统来说，待测样本在一些项目的界值附近被PMT检测到的信号值衰减严重，导致检测精密度不能满足需求；针对测光系统分析其影响信号值衰减的因素主要包括测光杯、检测距离、滤波片以及外界光。因此根据这些因素进行分析并设计试验，根据试验结果、成本等因素选取最佳的解决方案。

3 解决方案

试验材料：配比好的标定发光复合物溶液信号值约为4×105，黑色测光杯，白色测光杯，内白外黑双色测光杯，430nm窄带滤光片，全自动免疫发光分析仪，移液枪。

试验方案：12个测光杯标记为1组试样，利用仪器对待测测光杯的暗值进行检测，使用移液枪在试样测光杯中添加配比好的标定发光复合物，仪器再对信号值进行检测；PMT测光镜头与测光杯中发光复合物的距离为13mm（如图2所示），每组统计12个试验数据的平均值作为每组试样中PMT检测到的最终数据。

3.1 测光杯

测光杯用来储存待检测的发光复合物，其在结构上利用杯口上沿的双环特征和测光头进行嵌套的方式保证测光系统整体的物理密封性；测光系统要求避免外界光进入PMT检测端，技术指标为暗值（PMT在测光杯为空时的测量值）小于或等于1000；不同颜色的测光杯对光的吸收性和反射性不同，为了研究测光杯颜色对检测结果的影响，需要对黑色、内白外黑双色测光杯进行研究分析。

3.1.1 黑色测光杯

黑色测光杯的优势是避光性能良好，可以有效阻止外界所有波段光进入测光杯内部，从而保证PMT检测到的光子数不受外界影响，是测光杯的首选颜色。但是，黑色的测光杯同样会使发光复合物发出的光信号在达到PMT接收端之前被杯壁吸收一大部分，从而直接导致信号值严重衰减。为了研究黑色测光杯测光系统的实际影响，试验采用黑色测光杯测试12组的暗值后，加入相同量的标准发光复合物，在室温下再进行检测；由表1可知，仪器测光系统输出的暗值均满足要求，输出的信号值平均值为7.3万，衰减了约80%的光信号，且由于信号值偏低，因此导致测量结果的变异系数CV较大、精密度较差。试验表明，黑色测光杯对光信号值的衰减较大，不能满足测光系统的实际要求。

3.1.2 内白外黑双色测光杯

虽然黑色测光杯避光性能好，但是黑色对光吸收率也高，导致PMT检测到的信号衰减严重；而白色测光杯对光的吸收较弱，反射性较好，但是不能完全阻挡外界光的射入；结合2种颜色测光杯的优劣势，设计了内白外黑的双色测光杯，2种测光杯为嵌套结构装配在一起，外侧的黑色杯子能保证避免外界光的进入，内测的白色杯子保证发光复合物发出的光能够尽可能的传播到PMT信号检测端；试验测试了12组试样，由表2可知，测试暗值均满足要求，且PMT检测到的平均信号值为335505.3，约为总信号值的83%，信号值衰减较少；PMT检测到的数据变异系数CV较小，检测精密度较好。

试验过程中发现，试样17和试样22的检测信号值数据出现异常，检测到的信号值远低于其他几组试样的信号值，重新更换测光杯测试，试样17和试样22检测信号值恢复正常。观察异常数据的测光杯后发现，其内部白色测光杯部分有一侧面隐约露黑，切开后发现该侧面厚度严重偏薄，该现象表明内白外黑双色测光杯测量值不稳定的原因很可能是由杯子加工性能不达标造成的。内白外黑双色测光杯在实际生产中主要有2种方式：1）使用双色模具注塑得到，直接出模就是最终的内白外黑双色测光杯；这种方式工艺效率比较高，但是易受加工环境的影响，可能会出现白色内壁壁厚不均和色差明显的问题，不同的供应商，甚至同一家供应商提供的产品都会有较大的差异，这就会导致测光数据存在较大的差异。2）黑白测光杯分别通过模具生产完后进行装配，装配工序一般为手工组装完成，组装的样品具有一定的差异，会导致测光数据不稳定，且生产效率较低。因此内白外黑测光杯受供应商加工工艺和加工能力的影响较大，产品需要良好的质量控制方案，同时设计上也要考虑增加内部的白色测光杯杯壁的厚度，减少白色杯壁厚度不均对测试结果造成的影响。

综上所述，内白外黑测光杯既能避免外界光的影响，又能减少信号值的衰减；根据实际情况，可以采用黑白杯子嵌套装配的结构。

3.2 测光距离

测光距离是指发光反应物液面到PMT检测镜头的距离，根据PMT自身的测光特性，测光距离越远信号值衰减越严重[4-5]，为了研究该因素对检测信号值的影响，试验采用黑色测光杯，并利用特殊的透明隔板调节标准发光复合物在测光杯中的高度，以缩短测光距离；受限于测光系统结构实际的空间局限性，本次试验设定测光距离为系统结构所允许的最小距离为10mm，测试数据见表3。

从试验组数据上可以看出，测试信号值的平均值为17784，约为设定总信号值的44%，信号值衰减比黑色测光杯子小，精密度略有提升；因此，缩短测光距离可以提高测试信号值，但是提高的幅度很有限；在考虑该方案时，可以在PMT和测光杯相对位置不变的情况下，采取加大测光杯口径或者增加发光复合物的体积等措施来缩短测光距离，达到减小信号值衰减的目的。

3.3 430nm窄带滤光片配合白色测光杯

白色测光杯良好的反射性使其对信号值的衰减影响较小，但是白色测光杯的透光性使其容易受到外界光的干扰，造成暗值超标，因此根据标准发光溶液的发光波长约为430nm的特点，在PMT测光镜头前增加430nm的窄带滤光片，使其既能允许标准发光复合物的发光信号透过滤光片进入PMT接收端，又能尽可能地阻止透过白色测光杯的外界光进入PMT接收端；虽然加载滤光片后进入测光杯的外界光源中其他波段的光被过滤掉，但是仍然有少量波长在430nm附近的外界光会通过滤光片进入PMT接收端，这就可能导致测量暗值超标，从而会对检测数据造成一定影响。为了验证使用滤波片对检测结果的影响，试验选取透光性较差的聚苯乙烯白色测光杯进行试验。

由表4可知，检测暗值整体上满足要求，但是比较接近临界值（1000）；如果实验室中光线过强，暗值则会出现超标的风险，测试信号值平均为206678，约为标准值的50%，相比内白外黑的双色测光杯衰减有所增加，精密度也有所降低；其原因是430nm的窄带滤光片对波长430nm附近的光透过率达不到100%，从而抑制了一部分光信号的透过，因此使用滤光片时需要充分考虑其通透率。

4 结果讨论

综上所述，黑色测光杯会导致发光复合物的信号值衰减较大，不能满足测光系统现有使用要求，内白外黑双色测光杯能最大限度地减小信号值衰减（接近标准值），测量精密度相对较高，且只需要对耗材测光杯进行结构修改，不影响测光系统整体结构。但是采用该方案时须控制耗材工艺质量、采用自动化装配，并适当增加白色内壁的壁厚，减少测光杯之间的差异；其余几套方案都对减少信号值衰减的效果很有限，使用滤波片的方案结构简单，但是对测光杯的透光性有一定的要求且需要避免实验室中光线的强度过大，测光距离受制于测光系统结构儿改变幅度较小。因此根据实际情况考虑，最终选取内黑外白的嵌套反应杯结构的方案，并在心肌三项临床使用中取得了很好的效果。

5 结语

测光系统是全自动化学发光分析仪（发光POCT）的核心技术，准确把握测光系统的各项影响参数，保证检测数据的准确度，及时提高仪器测量数据的精密度[6]。POCT检测对疾病诊断、治疗、预防及健康和亚健康监测将会有广阔的应用前景。该仪器可以弥补传统临床实验室流程烦琐不能实施床旁检测的缺点，实现了仪器小型化、操作程序简便化以及检测现场实时化等特点化[7-9]。

参考文献

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通信作者：尚晓京（1987—），男，河南许昌人，工程师，硕士研究生，研究方向为医疗器械研发设计工作。

电子邮箱：shangxiaojing@autobio.com.cn。