由统一积分时间数据提高生化分析仪精度

　　1　引　言

　　近10年来,随着电荷耦合器件(Charge Cou-pled Devices,CCD)和微制作工艺技术的深入研究,光谱分析仪器的微小型化得以迅速发展。但微型光谱仪的灵敏度和动态范围又极大地受制于CCD的性能,即高灵敏度CCD的动态范围均较小,一般只有300 dB左右。为此,本文选用了灵敏度稍低、动态范围较大的光电二极管阵列(Photo Diode Array,PDA),其动态范围可达63dB。在测试过程中通过设置积分时间档来调节积分时间,以适应不同的样品浓度。测量低浓度时,采用高积分时间档,测量高浓度时,采用低积分时间档,由此提高分析仪器的总体测量动态范围。在实际工作中往往需要应用朗伯-比尔定律来测量物质在放入试剂反应前后吸光度的变化,用以测量这种物质的浓度[1]。物质浓度大时,测量的吸光度就大,测量时需要找到一个合适的积分时间档使反应前后的光谱数据都在测量范围内。为了减小相对误差,还需要对被测物反应前后的状态反复测几次,以找到最佳的测量积分时间(在没有统一积分时间数据时,被测物的反应前后状态必须在同一个积分时间且相对误差最小时测定)。以往这项研究常采用人为切换光积分时间的方式进行调整,在各积分时间下暗电流、饱和值等不同,造成不同积分时间获得的数据可比性差,检测过程繁琐,精确度低。

　　针对上述不足,本文提出了统一积分时间数据测量法,在测试过程中通过自动设置积分时间档以调节积分时间[2-3],使用转化公式统一各积分时间档光谱谱线数据,以适应不同的样品浓度测试,以简化检测过程、提高分析仪器的总体测量动态范围和测量结果精度。

　　2　统一积分时间数据处理的基本原理及方法

　　不改变原始入射光,调节积分时间以增加光电转换器件采集光谱信号的灵敏度。根据光电转换原理,输出信号的大小正比于落在器件相应空间位置的光强,同时正比于光积分时间[4]。因此,可以列出如下方程式:

　　式中,Xi为测得光强;Ti为积分时间;a为常数。

　　在本研究中,采用了美国Panavision SVI公司型号为SLIS-2048A-LG-ES的PDA。转换增益为5、动态范围为63 dB[5]。选用ALTERA公司的CPLD芯片EPM7064STC100作为PDA芯片的驱动电路,将积分时间档与积分时间的关系设定为:

　　式中,T为积分时间;n为积分时间档。

　　根据公式1、2推算出测得光强与积分时间档的关系式:

　　式中,Xi为第i积分档光强。

　　由上式可以看出各个积分档光谱数据成正比关系,比例系数为当前积分档值加2除欲转换积分档值加2。

　　2.1　确立线性工作区间

　　通过原理推导已经明确各个积分档光谱数据成正比关系,但是由于PDA器件本身[5]和后续电路的信号线性问题,需要实际测试其线性工作区间。为确认信号在各个积分时间下的线性关系,本文做了如下实验。在光源不变的情况下对一种标准物质进行数据采集,使用16个积分时间档采集的数据,积分时间与相对光强关系如图1。