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酶标分析仪高稳定度窄带标准干涉滤光片的研制

时间:2018-01-20来源:互联网 点击: 百度搜索

【导读】文章详述了酶标仪专用的高稳定度窄带标准干涉滤光片的研制原理和过程。表明了该滤光片是该领域目前国内先进水平,并解决了jjg861-94《酶标分析仪》执行中没有合适的标准物质进行量值传递......
TAG标签: 检定 干涉滤光片 不确定度 窄带

王文光1,王文杰2,简 洁3

(1·黑龙江省计量科学研究院,黑龙江哈尔滨 150036; 2·哈尔滨白光光电技术研究所,黑龙江哈尔滨 150091;3·哈尔滨市香坊区卫生防疫站,黑龙江哈尔滨 150031)

[摘 要]文章详述了酶标仪专用的高稳定度窄带标准干涉滤光片的研制原理和过程。表明了该滤光片是该领域目前国内先进水平,并解决了jjg861-94《酶标分析仪》执行中没有合适的标准物质进行量值传递的一个难题。

[关键词]干涉滤光片;不确定度;窄带;检定

[中图分类号] th74 [文献标识码] b [文章编号] 1002-1183 (2004) 05-0034-03

1 项目的提出

用于医院临床检测及寄生虫病诊断、血液病诊断、动植物生理学和病理学研究等领域的医疗仪器酶标分析仪,其国家计量检定规程jjg861-94《酶标分析仪》(以下简称861规程)至今已执行10年。但据调查,用户常常使用代用品———分光光度计检定用干涉滤光片来检定酶标仪。这样,就有了问题:①有的外型尺寸较大(无论长方形或圆形)和不能固定在被检仪器位置上等原因,使检测过程困难,测量结果可信度低;②有的干涉片峰值波长λm(也叫作干涉片中心波长λ0)不稳定,年漂移量较大,可达3~5nm。这直接影响了测量结果不确定度;③更重要的是:既然是代用品,其峰值波长λm就不是861规程规定的标称峰值波长λm,相差甚远,因而不能真正执行861规程。因此,我们研制了酶标仪检定专用的高稳定度窄带标准干涉滤光片。其独特的外形设计、稳定而准确的峰值波长、严格适度的技术指标,解决了上述问题,取得了满意的效果。

2 原理和技术指标

2·1 酶标仪的工作原理和技术指标[1]

酶标仪是依据酶与底物能产生显色反应,不同物质对可见光区辐射产生的特征吸收光谱不同及遵守朗伯-比尔(lambert-beer)定律[2],对物质进行定性和定量分析的仪器。酶标仪在检定吸光度a的准确度之前,首先要校准峰值波长λm。

按其检定特点, 861规程在可见光区将405、450、492、540及620nm, 5个峰值波长标称值作为酶标仪波长准确度的波长检测点。要求用5只可以复现上述波长的标准干涉滤光片检测酶标仪。

2·2 干涉滤光片原理和主要技术指标

干涉滤光片是成熟的技术[3][4]。即白光入射到干涉滤光片内部时,在多层介子膜上产生了多次反射。由于滤光片的光学玻璃基片和镀的介子膜系的锐截止特性,使得透射过去的光线变成了单色光。本干涉片主要技术指标为:

(1)tm为最大透射比,是通带透射比的峰值,%,应≥45%;

(2)δλ0·5为波长半宽度, 0·5tm处的通带宽度,应≤(5±2·0)nm;

(3)λm为峰值波长,tm处对应的波长[3],位置误差δλm优于±2nm;

(4)扩展不确定度u=1·0nm,k=1·65。

不将波长均匀性δf当作主要技术指标,主要考虑的是①滤光片是诸片定值的,彼此之间没有必然联系;②滤光片外形为长方形,且金属架下面有圆脚,圆脚牢牢地插入被检仪器样品室底板的其它透光孔中,使其测试位置保持准确不变,免去了对波长均匀性不好的顾虑。

3 滤光片的设计[2]

3·1 玻璃基片和膜系的设计

峰值波长λm是按861规程人为设定和制造的,是有一定带宽的(半宽δλ0·5)。宽度越窄,单色光越纯,仪器的灵敏度越高。但其能量(透射比峰值tm)越有向低的方向发展的趋势,影响了使用性能。所以上述3个基本指标既相辅相成,又相互制约。这就要求对玻璃基片和所镀制的介子膜系进行严格的筛选,才能达到要求。

玻璃基片主要选择国产qb系列、jb系列和hb系列等具有较好光学稳定性的光学玻璃。

镀制的介子膜系主要考虑的是在满足上述3个基本技术指标的基础上,对峰值波长λm的年漂移量的控制。使其能在若干个检定周期内正常工作和保存,满足测量结果不确定度的要求。

镀制膜系时要综观其技术/价格比。采用真空镀膜法,镀制全介质膜系(法不里-玻罗)。其中一种膜系定位精度较高[5],峰值波长λm的位置偏差δλm<2nm或<1nm。有较高的tm和很窄的δλ0·5,且背景噪音较小并无次峰,见图1。然后再在镀膜的外面胶合k9玻璃,作为保护层。实测3组滤光片主要数据,和规程规定的标称值对比,列于表1。

由表1实测误差可知, 3组样品中tm实测值均大于45%,δλ0·5最大偏差±2·0nm,峰值波长λm位置最大偏差δλm为±2·0nm,都在设计范围内。

3·2 金属架的设计

根据酶标仪样品室空间窄小的特点和861规程的规定,干涉片的外形被设计成小长方形,镶嵌在长方形金属架内。其金属架下面带小圆脚,检定时圆脚牢固地插入被检仪器样品室的底版孔中,其特点如图1和本文第2·2条所述。这是专门为酶标仪检定用所设计的。其金属架底部的两只小圆脚之间的距离尺寸,机械加工时一定要严格要求。每一块滤光片金属架和其它同类之间要有互换性……等等。这些对金属架的严格要求,都是为了弥补滤光片的玻璃片加工和胶合过程中不可避免的系统效应带来的误差,以及测试过程中位置变化带来的随机效应产生的误差。

4 定值和测量结果不确定度分析

4·1 测量结果不确定度分析

(1)定值装置的波长偏差

定值装置的波长偏差为0·15nm,见表1,这是系统影响的误差,认定为均匀分布,标准偏差为

(2)峰值波长λm长期稳定性的影响

经过我们和全国各地用户几年的试用,认为效果较好。这些用户的地理位置不同,各地的温差和湿度有很大差别,用户的使用频率和自觉保护意识的不同,都会影响滤光片的技术指标。

东北地区温差较大,气候干燥。λm漂移量在0·7nm/年的有2片,在0·8nm的有1片,但该片在其后的13个月中,也只漂移了0·6nm,趋于稳定。其它2片漂移均≤0·2nm。半宽δλ0·5总体趋于稳定状态,最大变化也只有0·7nm。

华北地区温差和湿度适中。在11个月内,λm最大的漂移量是0·6nm。在其后的14个月中漂移量为0·6nm,趋于稳定。半宽δλ0·5有1片最大漂移1·4nm/年,但也不超出设计的技术指标半宽δλ0·5≤|±2·0|nm/年的范围。

华南地区高温高湿,且时间较长。干涉片在规程规定的检定周期内:新制造的干涉片检定周期为6个月,以后为一年, 5片中λm最大的漂移量是0·5nm,在其后的22个月内,最大漂移1·1nm,折算漂移量为0·55nm/年,趋于稳定。半宽δλ0·5有1片最大漂移1·1nm,折算漂移量为0·55nm/年。漂移量的出现概率在检定周期内是均匀的,故取相对较大值求得标准偏差

(3)温度稳定性的影响

考虑滤光片要在各种地区和环境下使用,短时间内温度变化会直接影响测量结果。但如将样品和实验设备一起升温,实验设备的性能也会随温度变化,从而掩盖了样品的信息。使用仪器外面水泵供应恒温循环水的样品架,使实验设备的性能不会随温度变化,只要控制样品的温度就可以了,结果最大的偏差为0·2nm。温度变化的概率是均匀的,故其标准偏差为

(4)波长均匀性δf的影响

由于滤光片金属架别出心裁的设计和对滤光片玻璃片本身质量的严格要求,使得测试操作过程中滤光片在样品室中的位置基本保持不变,使得指标δf已经不用作为重要指标来对待,但其影响还会有。最大误差±0·2nm,概率取均匀分布,标准偏差为

(5)光谱带宽变化的影响

干涉片定值时,定值装置的光谱带宽一般在2nm或3nm。但滤光片在量值传递时,被检仪器的光谱带宽就各不相同,要考虑误差影响。我们用样品a1~a5在同一台实验装置上(上述的实验装置),分别设带宽为2nm和6nm,测试结果λm最大变化为±0·2nm。被检仪器带宽不同的误差分布为均匀出现,标准偏差为

4·2 测量结果不确定度[6]

由4·1的误差分析知,其不确定度分量为若干ui,且各分量互不相关,则合成标准不确定度为单个标准不确定度ui的方和根值。代入其公式:

根据标准物质研制的技术要求[3]和特点,这个不确定度适合所有本滤光片的具体标准值。如表1中一片mb1-1的测量标准值的测量结果为:

5 结论

(1)其别出心裁的外形设计,解决了波长均匀性δf问题,使得测试结果更准确;

(2)先进的膜系设计,使得透射比峰值波长λm具有高的稳定度,年漂移量最大仅0·7nm;使得透射比峰值tm更高更准确、半宽δλ0·5比规程规定的更窄,用户检定λm更便捷;

(3)经过多年的考察,大量的测试工作和积累,使得误差分析具有合适的深度和广度。扩展不确定度u=1·0nm的指标,k=2·18, 3倍于被检仪器波长准确度,这对幅员辽阔的我国在不同气候不同地域环境下的使用,都是一个可靠的保证。

(4)作为酶标仪波长量值传递的标准器(或标准物质),具有很高的技术/价格比,更适合目前我国的国情,在国内具有领先的地位。

[参考文献]

[1] jjg861-94,酶标分析仪[s].

[2] jjg179-96,可见分光光度计[s].

[3] jjg812-93,干涉滤光片[s].

[4] jjg1006-94,一级标准物质技术规范[s].

[5]王文光.分光光度计检定用高稳定度窄带干涉滤光片的研制[j].计量与测试技术2000, (1): 33-34.

[6] jjf1059-1999,测量不确定度评定与表示[s].

[作者简介]王文光(1952-),男,黑龙江哈尔滨人,高级工程师,毕业于哈尔滨师范大学,从事标准物质、机光电一体化仪器设备及环保仪器设备的研制开发。

 
(责任编辑:Labtoday)
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