定量分析儀的製作方法

2023-10-06 22:54:49

本發明涉及醫療檢測儀器領域，特別是涉及一種定量分析儀。

背景技術：

尿液分析是臨床最常用的化驗指標之一，不僅對泌尿系統疾病的診斷、療效觀察提供參考，而且對凡是能引起血液生化成分改變的其它系統疾病的診斷也很有幫助。此外，尿液分析還可以用於安全用藥檢測和健康狀態初評。

作為傳統方式而言，尿液檢查往往是根據試紙條上試劑區與尿樣本中生化成分反應所產生的顏色變化，定性或定量檢測尿液樣本中尿膽原、膽紅素、酮體、血、蛋白質、白細胞、維生素C(或微白蛋白)等的含量及尿樣本的比重、酸鹼度等。檢測尿液中碘的含量成為現代人普遍關注的焦點，從而反應出不同地區、不同人群對碘的需求量及健康水平。

現今，尿液分析儀產品市場迎來快速發展時期，已經可以進行多個項目的檢測。但尿液分析儀的關鍵部分是光學系統，其原理是將光線照射到尿樣本反應區產生反射光，反射光的強度與各個測試項目的反應顏色有關，通過反射光的情況分析尿液中各種物質的含量。現有的尿液分析儀基本是手動操作光源來照射尿樣本，聚光效果差且操作步驟複雜，準確度低，然而使用高精度尿液檢測儀通常設備昂貴，結構複雜，不能滿足各個層級的醫療機構檢測需求，因此亟需提供一種新型的定量分析儀來解決上述問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種定量分析儀，操作簡便，分析速度快。

為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是：提供一種定量分析儀，包括殼體，殼體內設有電路控制系統、比色池、光學傳感裝置、微型印表機；

電路控制系統包括控制模塊、與控制模塊相連的數據採集模塊、開關電源、顯示裝置、RS-232通訊模塊，數據採集模塊包括光源發射驅動電路、與光源發射驅動電路輸出端相連的光源發射電路、光源接收電路、與光源接收電路輸出端相連的光源接收放大電路，光源發射電路的輸入端、光源接收放大電路的輸出端均與控制模塊相連，微型印表機與控制模塊相連；光學傳感裝置包括設置在比色池側面的光源發射電路板、光源接收電路板；

比色池為長方體實心結構，上部設有比色池蓋，中部開有等距的三個試管槽，位於試管槽底部相對應的兩側面分別開有三個小孔。

在本發明一個較佳實施例中，控制模塊包括MCU。

進一步的，MCU採用STM32F103VBT6單片機，其內部包括AD轉換模塊，能夠將光源接收放大電路輸出的電壓信號進行模數轉換，進而對數據進行計算，得出樣品的檢測結果。

在本發明一個較佳實施例中，顯示裝置包括設置在殼體上表面的液晶顯示屏、4×4矩陣鍵盤。

在本發明一個較佳實施例中，光源發射電路用於發射檢測所需的光源，其包括位於光源發射電路板上的三個發光二極體LED-1、LED-2、LED-3，光源接收電路用於接收經過試管內檢測溶液吸收後的光源，其包括位於光源接收電路板上的三個矽光電池T1—T3。

在本發明一個較佳實施例中，光源發射驅動電路用於驅動光源發射電路發射光源，其包括三極體Q2、Q3、Q5、電阻R42—R44、電位器R26—R28，電阻R42—R44分別與三極體Q2、Q3、Q5的基極相連，電位器R26—R28分別與三極體Q2、Q3、Q5的集電極相連，三極體Q2、Q3、Q5的發射極分別與三個發光二極體LED-1、LED-2、LED-3相連。

在本發明一個較佳實施例中，光源接收放大電路用於將光源接收電路輸出的電流信號進行轉換及放大，其包括三個運算放大器CA3140及外圍電路，輸入端為引腳OPTI_IN_0、OPTI_IN_1、OPTI_IN_2，與光源接收電路相連，輸出端連接至控制模塊。

在本發明一個較佳實施例中，比色池蓋的下部設有密封試管口的腰型槽，使裝有待測尿液樣本的試管被放置在一個密閉不透光的空間內。

進一步的，比色池的材質為黑色不透光材料，使待測尿液樣本處於一個密閉不透光的反應環境。

在本發明一個較佳實施例中，殼體後面板上設有與開關電源相連的開關按鍵、電源接口、保險絲、RS-232串口，殼體的側面設有通風口，便於散熱。

本發明的有益效果是：本發明結構簡單，成本低，通過設置比色池及對光學傳感裝置的巧妙設計，可快速而精確地檢測尿液的碘含量，操作簡便，準確度高，靈敏度高，重複性好且檢測線性範圍寬，適用於各個層級的醫療機構檢測使用。

附圖說明

圖1是本發明定量分析儀一較佳實施例的立體結構示意圖之一；

圖2是本發明定量分析儀一較佳實施例的立體結構示意圖之二；

圖3是所述定量分析儀的內部結構示意圖；

圖4是所述比色池的結構示意圖；

圖5是所述比色池的剖面圖；

圖6是所述比色池蓋的結構示意圖；

圖7是所述定量分析儀的原理框圖；

圖8是所述定量分析儀的電路框架圖；

圖9是所述開關電源的電路原理圖；

圖10是所述控制模塊的電路原理圖；

圖11是所述光源發射電路的電路原理圖；

圖12是所述光源發射驅動電路的電路原理圖；

圖13是所述光源接收電路的電路原理圖；

圖14是所述光源接收放大電路的電路原理圖；

圖15是所述RS-232通訊模塊的電路原理圖。

附圖中各部件的標記如下：1、殼體，2、電路控制系統，3、比色池，31、試管槽，32、小孔，33、比色池蓋，34、腰型槽，4、微型印表機，5、液晶顯示屏，6、4×4矩陣鍵盤，7、開關按鍵，8、電源接口，9、保險絲，10、RS-232串口，11、通風口，12、光源發射電路板，13、光源接收電路板，14、開關電源。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵能更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。

請參閱圖1至圖3，本發明實施例包括：

一種定量分析儀，殼體內設有電路控制系統2、比色池3、光學傳感裝置、微型印表機4。電路控制系統2包括控制模塊、與控制模塊相連的數據採集模塊、開關電源14、顯示裝置、RS-232通訊模塊；控制模塊包括MCU，數據採集模塊包括光源發射驅動電路、與光源發射驅動電路輸出端相連的光源發射電路、光源接收電路、與光源接收電路輸出端相連的光源接收放大電路，光源發射電路的輸入端、光源接收放大電路的輸出端均與控制模塊相連。殼體1上表面設有比色池蓋33、微型印表機4的列印口；殼體1後面板上設有與開關電源14相連的開關按鍵7、電源接口8、保險絲9，殼體1的側面設有通風口11，便於散熱。

光學傳感裝置包括光源發射電路板12、光源接收電路板13，兩塊電路板通過螺絲固定在比色池3的側面，光源發射電路板12上設有光源發射電路，光源發射電路用於發射檢測所需的光源，其包括三個發光二極體LED-1、LED-2、LED-3，光源接收電路板13上設有光源接收電路，光源接收電路用於接收經過試管內檢測溶液吸收後的光源，其包括三個光電接收器，優選的，光電接收器採用矽光電池2DU3。

結合圖4和圖5，比色池3為長方體實心結構，中部開有等距的三個試管槽31，用於放置裝有待測尿液標本的試管，位於試管槽31底部相對應的兩側面分別開有三個小孔32，因而所述定量分析儀設有三個檢測通道，可同時檢測三個尿液標本。一側面用於放置光源發射電路板12上的發光二極體，另一側面用於放置光源接收電路板13上的光電接收器，發光二極體發射的光照射到試管後，發射光直接被光電接收器接收，聚光效果好，檢測精度高。比色池3的材質為黑色不透光材料，同時比色池蓋33的下部設有密封試管口的腰型槽34，如圖6所示，使待測尿液樣本處於一個密閉不透光的反應環境。

顯示裝置包括設置在殼體1上表面的液晶顯示屏5、4×4矩陣鍵盤6，RS-232通訊模塊包括設置在殼體1後面板的RS-232串口10，可與電腦進行通信。

請參閱圖7，光電接收器的輸出端連接運算放大器的輸入端，運算放大器、濾波器、AD轉換模塊、MCU依次連接，液晶顯示屏5、4×4矩陣鍵盤6、微型印表機4、開關電源14、RS-232通訊模塊均與MCU相連。MCU採用32位ARM微控制器STM32F103，內部資源豐富，作為電路控制系統的控制核心。發光二極體發出的光線經比色池3內試管中的溶液吸收後，反射的光被光電接收器接收轉換為電信號，電信號經運算放大器進行信號放大，濾波器對放大後的電信號濾波處理後被AD轉換器接收，由AD轉換模塊進行模數轉換後發送到MCU。

下面結合圖8分別具體描述所述電路控制系統2中各模塊的電路結構及原理：

請參閱圖9，所述開關電源14的輸入端為220V交流電，分別經過保險絲、開關、變壓器、整流橋、濾波單元、穩壓模塊後為整個系統提供12V、5V電壓，5V電壓穩壓為3.3V直流電供給電路控制系統的主板。

請參閱圖10，所述MCU採用ST公司的STM32F103VBT6型號單片機，該單片機通過串口通訊模塊，IO輸入輸出模塊，AD轉換模塊，讀取矩陣鍵盤的操作信息、控制發射光源設置的發射光光強、接收轉換並計算接收光源設置的數據、控制液晶顯示屏顯示最終結果及對設備的參數設置信息，控制RS-232通訊電路來控制印表機列印出檢測結果、並控制檢測結果上傳電腦端數據統計軟體。其包括驅動光源發射電路發出光源的控制引腳LED_CON_0、LED_CON_1、LED_CON_2，CA3140放大轉換信號的輸入引腳A_SIGN_IN_0、A_SIGN_IN_1、A_SIGN_IN_2，矩陣鍵盤信號的輸入引腳ROW_0、ROW_1、ROW_2、ROW_3、LINE_0、LINE_1、LINE_2、LINE_3，印表機信號的輸入引腳UART_1_TX、UART_1_RX，上傳電腦端信息的輸入引腳UART_4_TX、UART_4_RX，液晶顯示屏控制信號的輸入引腳LCD_DB0—LCD_DB7、LCD_RST、LCD_INT、LCD_RS、LCD_RW、LCD_RD、LCD_CS1、LCD_CS2、LCD_BSY。

請參閱圖11，所述光源發射電路採用三個發光二極體LED-1、LED-2、LED-3作為光源發射器，三個光源發射器LED-1、LED-2、LED-3分別通過JP2與MCU上的控制IO口中LED導通和關閉控制信號腳LED_CON_0、LED_CON_1、LED_CON_2連接。請參閱圖12，光源發射驅動電路用於驅動光源發射電路發射光源，其包括三極體Q2、Q3、Q5、電阻R42—R44、電位器R26—R28，各電路元器件的連接關係如圖12所示，電阻R42—R44分別與三極體Q2、Q3、Q5的基極相連，電位器R26—R28分別與三極體Q2、Q3、Q5的集電極相連，三極體Q2、Q3、Q5的發射極分別與三個發光二極體LED-1、LED-2、LED-3相連。MCU分別通過控制LED_CON_0、LED_CON_1、LED_CON_2三個引腳控制三個發光源的開與關，然後通過調節電位器R26、R27、R28的阻值大小來調節經過發光源的電流大小，從而改變發光源的亮度，通過三極體Q2、Q3、Q5將電信號放大後驅動三個發光二極體LED-1、LED-2、LED-3。三個光源發射器LED-1、LED-2、LED-3發出630nm光，穿過被檢測樣品後分別照射在圖13中對應的光源接收電路中。

請參閱圖13，所述光源接收電路採用三個矽光電池T1—T3作為光源接收器，三個矽光電池T1—T3分別通過JP1與所述光源接收放大電路中的OPTI_IN_0、OPTI_IN_1、OPTI_IN_2三個引腳相連。矽光電池2DU3會根據接收到的光強輸出正相關大小的電流，輸出的電流通過JP1與所述光源接收放大電路中的OPTI_IN_0、OPTI_IN_1、OPTI_IN_2三個引腳相連。請參閱圖14，所述光源接收放大電路用於將光源接收電路輸出的電流信號進行轉換及放大，其包括三個運算放大器CA3140及外圍電路，各電路元器件的連接關係如圖14所示，輸入端為引腳OPTI_IN_0、OPTI_IN_1、OPTI_IN_2，輸出端連接至MCU的引腳A_SIGN_IN_0、A_SIGN_IN_1、A_SIGN_IN_2，其中二極體D4連接在A_SIGN_IN_1與3.3V之間、D7連接在GND與A_SIGN_IN_1之間，D4與D7這樣的連接方式作用是限制運算放大器CA3140的輸出電壓在0—3.3V之間，對MCU的引腳A_SIGN_IN_0、A_SIGN_IN_1、A_SIGN_IN_2起保護作用，二極體D5與D8、D6與D9的作用同理。由於2DU3的信號很微弱，屬於毫安級別電流，通過運算放大器CA3140及外圍電路將接收到的2DU3輸出的電流信號轉變成電壓信號同時放大，然後通過A_SIGN_IN_0、A_SIGN_IN_1、A_SIGN_IN_2三個引腳傳輸至MCU中，通過MCU內部的AD轉換模塊對CA3140輸出的信號進行模數轉換，進而對數據進行計算，得出樣品的檢測結果。

請參閱圖15，所述RS-232通訊模塊包括電平轉換晶片MAX3232及外圍電路，各電路元器件的連接關係如圖15所示，輸入端UART_1_RX、UART_1_TX、UART_4_RX、UART_4_TX分別與MCU的對應引腳連接，輸出端RS232_RX、RS232_TX與印表機相連，RS232_1_RX、RS232_1_TX與外部電腦端相連。定量分析儀經過MCU內部計算得出檢測結果後，經晶片MAX3232轉換電平後，通過RS232_RX、RS232_TX發送給印表機列印檢測結果，通過RS232_1_RX、RS232_1_TX將檢測結果發送到電腦端軟體進行存儲。

所述定量分析儀的工作原理是採用定量比色法原理，將預處理並顯色的尿液樣本放入該儀器中後，利用發光二極體作為光源發射特定波長的光，經比色池3後，對635nm波長的光產生吸收，根據光的吸收程度計算相應的檢測濃度，吸光度與樣品濃度在一定條件下成線性關係。

尿液碘濃度計算如下：

C1＝A1/A2×C2

其中：C1—尿液碘濃度；

A1—尿液吸光度；

A2—標準液吸光度；

C2—標準液濃度。

本發明結構簡單，成本低，通過設置比色池及對光學傳感裝置的巧妙設計，可快速而精確地檢測尿液的碘含量，操作簡便，準確度高，靈敏度高，重複性好且檢測線性範圍寬。

所述定量分析儀僅用於體外檢測，廣泛適用於醫療機構的中心實驗室、門/急診化驗室、臨床科室和其它醫療服務點(如社區醫療點)、體檢中心等，也適用於科研實驗室檢測。其相關性能如下：

1)對空白試劑的吸光度≤0.04；

2)檢測線性範圍為(50～500)μg/L，線性回歸方程相關係數r≥0.990；

3)準確度所得結果的相對偏差≤15％；

4)檢測重複性的變異係數CV≤10％；

5)一個標本操作時間小於2分鐘，1h可測50—90個標本。

當然本發明除了可以檢測尿液中的碘之外，還可以檢測其它樣品中的碘含量或者任何可以通過比色法定量分析的物質。

以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。