半导体制冷控温酶反应检测仪

　　1　引　　言

　　酶是生物化学催化剂,酶催化反应具有较高灵敏度和特效性。酶反应不仅用来测量酶的活性,也用来测量底物、活化剂和抑制剂的浓度。这种测量是以测量反应物浓度与反应速率之间的定量关系为基础的,即所谓动力学分析法。分光光度法是进行动力学分析的重要方法之一。但是普通分光光度计不能完全满足酶催化动力学分析的需要,因为在检测过程中容易受到温度的影响,而温度又是化学反应的重要参数。一般地说,化学反应的速度随温度的升高而加快,如同Ar-rhenius公式所预示地那样[1～2]:

　　取其积分形式,K=Ae-Ea/RT,这里K为反应速度常数,T为绝对温度,R为气体常数,A为系数,Ea为特定反应系统的活化能。Arrhenius公式虽是用来描写温度对化学反应速度的影响的,但在一定温度范围(低于45℃)内,也适用于酶促反应,只是当温度高于45℃时通常还伴随酶变性的问题。对于大多数均相反应,温度每升高10K,反应速度常数增加2～3倍[3～4],即KT+10/KT=2～3。

　　因此,在分析中必须严格地控制温度,一般需要控制在±0.1K内,以获得良好的可重复的结果[5]。在以前的研究和分析实验中,人们几乎都是采用恒温水浴来控温,在检测过程中,将反应池置于恒温水浴中,当用连续法检测时,在不同的反应时间取出反应液以用于比色分析;当用终止法检测时,在不同的反应时间终止反应后再进行分光光度法分析。由于将反应液从水浴中拿出到从分光光度计上读取检测数据,需要一定时间,而且常常水浴温度和环境温度不一样,所以必然产生检测误差;对于终止法,无论采取哪种终止法,终止反应总是需要一定时间,因此,检测数据并没有真实反映实时的反应情况。终止反应所需要的时间越长,产生的误差也就越大。在连续法检测中,为了减少误差,可对普通分光光度计比色皿架进行改造,将其改为可装水的架子,并通过泵与恒温水浴相连,让恒温水在比色皿架中循环[6]。这种方法只适合实验室使用,不能满足现场检测的需要。然而,越来越多的场合需要进行现场检测,比如对市场上的果蔬中的农药残留的检测[7]。

　　利用酶反应进行分析时,常常需要进行动力学分析,而在动力学分析中时间是十分重要的参数。但是,普通检测仪不能自动实时存储数据,在酶反应检测中使用不方便。这里采用半导体制冷器,高精密仪器放大器,单片计算机等现代电子、计算机技术,构成可控温的,可改变自动存储数据时间间隔的适合于动力学分析和现场检测的仪器。

　　2　仪器工作原理

　　2.1　仪器结构

　　仪器的机械构成和光路系统如图1所示。系统主要由光源1、反射-透射组件(2-4),棱镜5、光波长选择部件(6-9)、出射狭缝组件(10-11)、可控温活动比色皿架组件(12-14)和光探测器组件(15-17)组成。仪器采用玻璃棱镜5作色散元件,与反射镜7、透镜8、波长调节器9和出射狭缝10一起组成单色器。反射镜7和透镜8装在转盘6上,而转盘6由波长调节器9带动;旋转波长调节器9就可以在出射狭缝10后面得到任意波长的单色光。单色光的带宽为20～30nm。光从光源1出发,经入射狭缝2照射到反射镜3上,3的反射光经准直透镜4投射到60°角棱镜5,经棱镜分光,具有不同波长的光投射到反射镜7上,7的反射光经聚焦透镜8聚焦后,穿过出射狭缝10(出射狭缝10置于透镜8的聚焦平面上),照射到吸光池(比色皿)上。光透过吸光池后,经保护玻璃15和光闸门16照射到光探测器17上。保护玻璃11和15将试样室与其它零部件隔开,使检测室的温度不影响其它元件。活动比色皿架上装有半导体制冷器,每个比色皿槽的两边各装一块微型半导体制冷器,以减少比色皿架中的温度梯度,使每个比色皿中的反应尽可能在相同的温度下进行。比色皿架采用热导率高的材料铝合金制成。光闸门16是为防止光探测器的衰变而设置的。平时光闸门关闭,没有光照射到光探测器上;只有当检测时,光闸门才打开,光才照射到探测器上,使光探测器输出信号。微型风扇13位于试样室中,以对半导体制冷器的放热端进行强制对流换热,确保半导体制冷器制冷效果良好,使温度控制在设定温度,减小温度的波动。