đồ án máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động

CuvétHình 1.4: Cuvet Được dùng trong máy xét nghiệm để dựng mẫu khi đo,vì vậy cuvét phảiđược làm với các đặc tính:  Cho qua tất cả các bước sóng dùng trong xét nghiệm  Có bề mặt quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI: MÁY XÉT NGHIỆM SINH HÓA BÁN

TỰ ĐỘNG

GVHD: THẦY LÊ CAO ĐĂNG

Tp.HCM tháng 11 năm 2015

Lời nói đầu

Có thể nói y tế là một trong những ngành được chú trọng đầu tư hàng đầu ở hầuhết các quốc gia và không riêng ở Việt Nam, thế nên song song với đó là nhu cầu vềthiết bị y tế ngày cũng tăng nhanh về mặt số lượng cũng như là phải đảm bảo chất lượng,

và phải nói đến là chuyên ngành thiết bị y tế về xét nghiệm đặc biệt, máy xét nghiệm sinhhóa có ứng dụng vô cùng rộng rãi (xét nghiệm sinh hóa nhanh chóng, đơn giản và cho kếtquả chính xác cao) Hiện nay, công nghệ đang phát triển, máy xét nghiệm sinh hóa ngàycàng được cải tiến rất nhiều tuy nhiên điều này lại gắn với mức độ phức tạp có tích hợpcao trong máy xét nghiệm sinh hóa Vì vậy hiểu rõ về nguyên lý và cấu tạo của máy xétnghiệm sinh hóa là việc rất cần thiết đối với kỹ sư y sinh cũng như là bác sĩ chuẩn đoán

Trên cơ sở tìm hiểu kiến thức từ các nguồn tài liệu và từ thấy hướng dẫn, nhómsinh viên chúng em đã thiết kế lại máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động , tự thực hiện đốivới các mẫu xét nghiệm và đây cũng là đề tài đồ án môn học của nhóm chúng em

Do kiến thức ở mức độ tương đối và làm việc trong khoảng thời gian có giới hạnnên đề tài này của chúng em còn khá nhiều sai sót và hạn chế Chúng em mong được sựgóp ý và sửa chửa để đề tài được hoàn thiện hơn và khả thi hơn về phương diện kỹ thuậtcũng như là kinh tế

Chúng em chân thành cảm ơn Thầy Lê Cao Đăng đã hướng dẫn và giúp đỡchúng em thiết kế và hoàn thành đề tài này

MỤC LỤC

MỤC LỤC: 5

PHẦN I: MỞ ĐẦU 7

1 Lời nói đầu: 7

2 Tính năng ưu việt của máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động: 7

PHẦN II : NỘI DUNG 7

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

1 Một số dụng cụ cần biết: 7

2 Định luật đo màu: 10

3 Cơ sở quang điện của phương pháp đo màu: 15

4 Tính năng tác dụng của máy xét nghiệm sinh hoá: 21

5 Máy xét nghiệm sinh hoá: 23

6 Các phương pháp đo màu: 27

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN CƠ HỌC 29

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN DÒNG ỔN ĐỊNH 31

1 Cơ sở lý thuyết: 31

2 Tính toán: 32

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI 38

1 Cơ sở lý thuyết: 38

2 Thực hành: 41

CHƯƠNG V: PHOTODIODE VÀ KIỂM TRA TÍN HIỆU 51

1 Đặc điểm của OPT101: 51

2 Kết hợp kiểm tra độ tuyến tính của đèn và OPT101 53

CHƯƠNG VI: LẬP TRÌNH VI XỬ LÝ 56

1 Tổng quát về Arduino 56

2 Lập trình cho Arduino 60

3 Code chạy chương trình: 62

4 Kết quả: 70

CHƯƠNG VII: TÀI KIỆU THAM KHẢO 73

PHẦN III: TỔNG KẾT 73

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1 Lời nói đầu:

Xét nghiệm sinh hóa đóng vai trò quan trọng trong y học trong việc hóa chất miễndịch cũng như trong việc nghiên cứu thay đổi sinh lý, bệnh lý của những hằng số hóa sinhtrong cơ thể người, đặc biêt đóng góp vào việc dự phòng, chẩn đoán và theo dõi điều trị

Vì vậy máy xét nghiệm sinh hóa, đặc biệt là máy xét nghiệm sinh hóa bán tự độngđang được sử dụng rất rộng rãi Nắm bắt được điều này, nên nhóm muốn tìm hiểu và thưc

kế, góp phần đáp ứng nhu cầu nếu vận hành tốt

2 Tính năng ưu việt của máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động:

 Chính xác và định lượng nhiều chất có nồng độ thấp

 Đánh giá kết quả nhanh, nhạy

 Hiện tại thì nhưng có những cải tiến và được cập nhật nhiều công nghệ tiến bộ hơn

sử dụng loại kính lọc này

Chúng được thiết kế bởi nhiều lớp kính được đặt rất gần nhau và khoảng cách giữacác lớp kính bằng 1/2 độ dài của bước sóng mà ta cần lọc ra Nguyên lý lọc màu của

1/2

H×nh 1.1 CÊu t¹o kÝnh läc giao thoa

loại kính này như sau: Khi ta cho một chùm ánh sáng trắng đi qua kính lọc, các tiasáng đi vào kính sẽ tán xạ bởi nhiều lớp kính được đặt cách nhau 1/2 , những tia sángnào có bước sóng không trùng với bước sóng của kính lọc tương ứng thì sẽ bị triệt tiêu

và ở đầu ra ta thu được ánh sáng có bước sóng tương ứng

1.2 Nhiễu xạ cách tử

Cách tử được cấu tạo dựa trên hiện tượng nhiễu xạ.Khi ánh sáng đi qua một khehẹp sẽ xuất hiện hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng.Vùng nhiễu xạ sẽ cho phổ của ánh sángchiếu tới

Một cách tử nhiều xạ gồm một số lượng lớn các rãnh song song cách đều nhauđược khắc gần nhau trên cùng một bề mặt có độ bóng cao như thép, thuỷ tinh hoặcthạch anh Cách tử nhiễu xạ điển hình có 1200 - 2000 vạch/mm, mật độ càng dày thì

độ đơn sắc càng tốt

Khi ánh sáng trắng chiếu lên cách tử, các bước sóng khác nhau sẽ bị chệch theocác góc khác nhau như hình 1.2

1.3 Cuvét

Hình 1.4: Cuvet

Được dùng trong máy xét nghiệm để dựng mẫu khi đo,vì vậy cuvét phảiđược làm với các đặc tính:

 Cho qua tất cả các bước sóng dùng trong xét nghiệm

 Có bề mặt quang học đảm bảo song song và phẳng tuyệt đối để tránh sựphản xạ của ánh sáng chiếu tới

 Phải có độ bền về hoá học, không bị các hoá chất làm hỏng

Trong thực tế có nhiều loại cuvet phụ thuộc vào chất liệu chế tạo.Cuvét thườngđược làm từ thạch anh, thuỷ tinh hoặc nhựa trong, có chiều dày quang học chuẩn là 1 cm

để đảm bảo các tính chất trên

2 Định luật đo màu:

Phương pháp đo màu là một trong những phương pháp phân tích thành phần dungdịch dựa trên việc so sánh cường độ cường độ màu của dung dịch nghiên cứu với cường

độ của dung dịch chuẩn (dung dịch có nồng độ đã biết trước)

Người ta dùng phương pháp đo màu chủ yếu là để xác định lượng nhỏ các của các

xác định ra khỏi thành phần dung dịch Phương pháp đo màu được thực hiện bằng haicách cơ bản:

 Phương pháp đo màu chủ quan ( Quan sát bằng mắt )

 Phương pháp đo màu khách quan ( Đo màu quang điện)

Phương pháp đo màu chủ quan hiện nay không còn được dùng do tính chính xácchỉ mang tính chất tương đối, phụ thuộc vào người quan sát Phương pháp đo màu quangđiện cho kết quả chính xác, khách quan nên được ứng dụng phổ biến trong xét nghiệm

2.1 Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch

Nếu rọi một chùm sáng có cường độ I0 vào một cuvét đựng một dung dịch nào đóthì một phần Ir bị phản xạ trên bề mặt của cuvét, một phần khác Ia bị dung dịch hấp thụ,phần còn lại It đi qua cuvét ra ngoài, giữa các đại lượng cường độ ánh sáng này có các hệthức sau:

I0=Ir+Ia+It (1-1)

Trên thực tế, trong một loại phân tích ta chỉ sử dụng một loại cuvét nên cường độánh sáng phản xạ Ir là không đổi Mặt khác, bề mặt cuvét được làm rất phẳng và ánh sángchiếu vào được tập trung gần như vuông góc với bề mặt cuvét nên Ir là rất nhỏ Vì vậy cóthể bỏ qua thành phần phản xạ Ta có hệ thức đơn giản hơn như sau:

I0= Ia+It (1-2)

Bằng cách đo cường độ ánh sáng tới I0 và cường độ ánh sáng ra khỏi cuvét It, ta cóthể tìm được cường độ ánh sáng bị hấp thụ Ia

Ia It Ir

I0

Hình 2.1 Mô tả đường truyền của ánh sáng qua cuvét chứa dung dịch

2.2 Định luật Bouguer - Lambert

Dựa trên thực nhiệm, P Bouguer và I.Lambert đã thiết lập được mối liên hệ giữaánh sáng truyền trong môi trường với bản chất của môi trường truyền dẫn Định luậtBouguer - Lambert phát biểu như sau:

“Những lớp chất có chiều dày đồng nhất, trong những điều kiện như nhau luôn hấpthụ một tỉ lệ như nhau của dòng sáng rọi vào những lớp chất đó.”

Để giải thích điều này, ta giả thiết một chùm sáng có cường độ 100 lux, qua lớpdung dịch có chiều dày nhất định, chùm sáng bị hấp thụ mất đi 50% ban đầu Như vậy,chùm sáng đó ló ra sau dung dịnh chỉ còn lại 50 lux Ta tiếp tục cho chùm sáng đi quamột lớp dung dịch cùng tính chất và chiều dày như lớp dung dịch trước Sau khi qua lớpthứ hai này, chùm sáng lại bị hấp thụ 50% cường độ và do đó chỉ còn lại 25 lux

Giả sử có một lớp môi trường có bề dày x (hình 1.11) được một chùm sáng đơnsắc chiếu tới mà cường độ sáng trước khi vào môi trường là I0, sau khi đi qua môitrường cường độ ánh sáng là Ix Trường hợp này các yếu tố phản xạ và khúc xạ coi là

vô cùng nhỏ và có thể bỏ qua

Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng trước và sau khi đi qua môi trường được biểudiễn bởi công thức:

Trong đó μx là hệ số hấp thụ của môi trường, phụ thuộc vào bản chất, mật độ môitrường và vào bước sóng của ánh sáng chiếu tới Dấu trừ cho biết cường độ ánh sángqua bề dày x bị giảm đi.

Biểu thức trên cũng là biểu thức biểu diễn định luật Bouguer - Lambert cho biếtqui luật giảm cường độ ánh sáng sau khi truyền qua môi trường Thường người ta viếtđịnh luật Bouguer dưới dạng sau:

giá trị bằng nghịch đảo bề dày mà với nó cường độ ánh sáng bị yếu đi 10 lần Nói khác

đi, nếu lấy chiều dày hấp thụ bằng đại lượng nghịch đảo của hệ số tắt thì cường độ ánhsáng sẽ bị giảm đi 10 lần

2.3 Định luật Bouguer – Lambert - Beer

Khi nghiên cứu sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch, Beer đã thiết lập được mối liên hệgiữa hệ số tắt K với nồng độ của chất hấp thụ ánh sáng như sau:

K = ε C (1-5)

Trong đó:

C: nồng độ chất tan trong dung dịch

: hệ số không phụ thuộc vào nồng độ

Định luật Beer cùng tương tự như định luật Bouguer – Lambert Nhưng nếu định luậtBouguer – Lambert khảo sát sự thay đổi độ hấp thụánh sáng với dung dịch có nồng độ xácđịnh khi thay đổi chiều dày của lớp dung dịch hấp thụ, còn định luật Beer lại khảo sát sựthay đổi độ hấp thụánh sáng của dung dịch với sự thay đổi nồng độ của một lớp dung dịch

có chiều dày không đổi Kết hợp hai định luật này, ta có định luật Bouguer – Lambert –Beer:

“Độ hấp thụ cường độánh sáng của một lớp dung dịch phụ thuộc vào bản chất, nồng

độ và bề dày của lớp dung dịch cóánh sáng rọi qua”

Về mặt toán học, định luật được biểu diễn bằng phương trình:

Ix= I0.10−ε.C L

(1-6)Trong đó:

C: là nồng độ chất tan

L: chiều dày lớp dung dịch

: hệ số tắt không đổi, chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất tan và bước sóng của ánhsáng rọi vào dung dịch

Trong xét nghiệm, chúng ta thường sử dụng một số các thông số gián tiếp từ định luậtBouguer – Lambert – Beer

Tỷ số giữa cường độ chùm sáng sau khi qua dung dịch Ix với cường độ chùm sángchiếu tới I0 được gọi độ truyền qua, ký hiệu là T

Như vậy, ánh sáng truyền qua các cuvet đặt liên tiếp nhau giảm theo cấp số nhân

Với lý do này có thể biểu diễn độ truyền như một phép đo logarit Phép đo này là độ hấp thụ A hay gọi là mật độ quang D hay O.D (Optical Density):

I

Hay A=log

1

T (Định luật Bouguer-Lambert) A=aCL (Định luật Bouguer-Lambert- Beer)

3 Cơ sở quang điện của phương pháp đo màu:

Trên thực tế, trong các máy xét nghiệm, người ta không thể tính toán trực tiếp trên tínhiệu quang mà phải tính trên tín hiệu điện, vì vậy cần phải có những linh kiện chuyển đổicác tín hiệu quang thành tín hiệu điện và dòng điện do linh kiện này tạo ra phải tỷ lệ vớicường độ ánh sáng chiếu tới Các linh kiện này gọi là linh kiện quang điện, hiện tượngbiến đổi quang thành điện gọi là hiện tượng quang điện Vì vậy phương pháp phân tíchthành phần dung dịch dựa trên những linh kiện này còn gọi là phương pháp đo màu quangđiện

3.1 Hiệu ứng quang điện:

Năm 1887, nhà bác học Hexer làm thí nghiệm với tấm kẽm tích điện âm, và ông pháthiện ra rằng chiếu tia hồ quang thì tấm kẽm sẽ bị bớt âm đi Khi thay bằng tấm kẽm tíchđiện dương thì điện tích trên tấm kẽm không đổi Nhưng khi chắn chùm tia hồ quang bằngmột tấm kính trong suốt có tác dụng hấp thụ các tia tử ngoại thì tấm kẽm không bị mấtđiện tích âm Các thí nghiệm với các kim loại khác cho kết quả tương tự đã dẫn tới kếtluận: “Khi chiếu một chùm sáng thích hợp vào mặt kim loại thì làm cho các electron ở

mặt kim loại bị bật ra” Đó chính làhiện tượng quang điện.

Để khảo sát chi tiết hiện tượng quang điện, người ta làm thí nghiệm như sau:

Một bóng đèn có độ chân không cao ( áp suất khoảng 10-6 mmHg) trong bóng đặt haibản cực kim loại: bản cực dương anốt (A) và bản cực âm catốt (K) Bản cực âm làm bằngkim loại cần nghiêm cứu hiệu ứng quang điện Nguồn điện và điện kế được mắc như hình

vẽ Biến trở R để điều chỉnh điện áp nguồn đặt vào hai bản cực A, K

Hình 1.13 Thí nghiệm hiện tượng quang điện

Cho ánh sáng tử ngoại chiếu vào bản cực K, chùm sáng này cấp năng lượng giúpcho các electron bứt khỏi bề mặt kim loại Dưới tác động của điện trường đặt giữa A và

K, các eletron này chuyển động về phía A và tiếp tục đi trong mạch điện tạo thành mộtdòng điện không đổi, cường độ này được đo bằng điện kế G Điện áp đặt vào AK đo bằngvôn kế V

Sau khi làm thí nghiệm với các trường hợp khác nhau, người ta thấy rằng:

- Khi chiếu vào catốt một chùm sáng đơn sắc thì trong mạch xuất hiện dòng điện,đây gọi là dòng quang điện có chiều từ anốt sang catốt

- Dùng các bước sóng khác nhau chiếu vào người ta thấy hiện tượng quang điện chỉsảy ra khi các bước sóng này nhỏ hơn một giá trị 0 nào đó (gọi là giới hạn quang điện)

- Thay đổi hiệu điện thế U đặt vào AK, khi U tăng thì dòng quang điện I cũng tăng,nhưng đến một mức nào đó thì đạt giá trị bão hoà Ibh Khi đó dù U có tăng thì I cũngkhông tăng

3.2 Các định luật quang điện

Từ các kết quả đã thí nghiệm ở trên về hiện tượng quang điện, các nhà bác học nhưStoletov, Lenard đã tiếp tục nghiên cứu và phát triển và rút ra 3 định luật gọi là các địnhluật quang điện

Định luật quang điện thứ nhất ( định luật về giới hạn quang điện)

“Đối với mỗi kim loại dùng làm catốt có một bước sóng giới hạn 0 xác định gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó, hiện tượng quang điện chỉ sảy ra khi bước sóng của ánh sáng kích thích nhỏ hoặc bằng giới hạn quang điện (0 )

Ví dụ: giới hạn quang điện của một số kim loại

Bạc 260nm, đồng 300nm, kẽm 350nm, nhôm 360nm, canxi 450nm, kali 550nm, xêđi660nm Vì vậy, trong xét nghiệm cần phải chọn loại có đầu thu quang có giới hạn quangđiện đủ lớn

Định luật quang điện thứ hai ( định luật về dòng quang điện)

“Đối với một ánh sáng thích hợp, cường độ dòng quang điện bão hoà tỷ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích”

Điều này được Anhstanh giải thích là do số electron quang điện bị bật ra khỏi mặtcatôt trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với số phôtôn đến đập vào mặt catôt trong thời gian

đó Mặt khác số phôtôn này lại tỷ lệ với cường độ chùm sáng chiếu tới Đây là một tínhchất hết sức quan trọng, mà nhờ đó để có thể chế tạo được máy đo màu quang điện

Trên đây là hai định luật quang điện có ý nghĩa ứng dụng trong máy sinh hoá, cònđịnh luật thứ 3 ta không xét tới trong tài liệu này

3.3 Photođiốt

Photođiốt là một loại linh kiện quang bán dẫn, hoạt động của nó dựa trên 2 hiệu ứngquang dẫn và quang điện trong Cấu trúc và ký hiệu của photođiốt đơn giản được trìnhbày như trên hình 1.17 a,b

Hình 1.17 a/ cấu trúc của photođiốt, b/ ký hiệu, c,d/ cách mắc

Dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng, trong miền chuyển tiếp p-n của chất bán dẫnnhạy quang có thể xảy ra sự ion hoá các nguyên tử của chất cơ bản và của tạp chất dẫnđến việc sinh ra các cặp điện tử và lỗ trống.Các điện tử và lỗ trống này tập trung ở hai đầubán dẫn Nếu mạch ngoài ta nối hai đầu bán dẫn thì sẽ có dòng điện chạy qua gọi là dòngquang điện I, hai đầu photođiốt xuất hiện hiệu điện thế U

Có hai cách mắc photođiốt: cách mắc không dùng nguồn nuôi ở mạch ngoài như hình1.17 c, và có nguồn nuôi ở mạch ngoài như hình 1.17 d Khi mắc với nguồn nuôi mộtchiều, điện áp đặt vào phải theo chiều phân cực ngược

Đặc trưng von-ampe của photođiốt được trình bày trên hình 1.18

U3

U2

U1

Hình 1.19 Sự phụ thuộc của dòng quang điện vào cường độ ánh sáng

Hình 1.18 Đường đặc trưng Von-Ampe của photođiốt

Trên hình vẽ ta thấy, cường độ ánh sáng rọi vào mạnh thì dòng ngược củaphotođiốt càng lớn, có nghĩa là điện trở ngược của photođiốt càng giảm khi chùm sáng rọicàng tăng

Đặc trưng biểu diễn sự phụ thuộc của dòng quang điện vào cường độ chiếu sáng được trình bày trên hình 1.19

Sự phụ thuộc này được biểu diễn bằng công thức: I=K.

Trong đó K được gọi là độ nhạy tích phân của photođiốt, K= I/ Sự phụ thuộc của

độ nhạy vào bước sóng ánh sáng được gọi là đặc trưng phổ của photođiốt Với các bước

sóng khác nhau thì độ nhạy của photođiốtcũng khác nhau Độ nhạy còn được hiểu là hiệusuất lượng tử của photođiốt, Hiệu suất lượng tử được định nghĩa là số cặp điện tử - lỗtrống được sinh ra ứng với mỗi photon tới

Hiệu suất lượng tử được tính theo công thức

η=[I p

q ][P opt

hνν ]−1

Trong đó, Ip là dòng quang điện tạo ra từ việc hấp thụ ánh sáng có công suất Popt tại

bước sóng  (tương ứng với năng lượng photon hv) Một trong các hằng số ảnh hưởng tới

hiệu suất lượng tử là hằng số hấp thụ  Vì  là một hàm phụ thuộc rất lớn vào bướcsóng mà dải bước sóng là yếu tố quy định giới hạn dòng quang điện Độ dài bước sóng cắt

c được tạo ra bởi độ rộng vùng cấm, ví dụ bước sóng cắt khoảng 1.8m với Gemani và

cỡ 1.1m với silic Với các bước sóng dài hơn c, giá trị của  quá nhỏ để xuất hiện sựhấp thụ trong Với các bước sóng ngắn thì giá trị của  rất lớn (~105 cm-1), và vì vậy việcphát xạ chủ yếu bởi các hấp thụ gần bề mặt, nơi thời gian tái hợp rất ngắn Do đó, các hạtdẫn có thể tái hợp trước khi chúng bị tập trung tại lớp tiếp giáp p-n

Hình 1.20 là giản đồ điển hình của hiệu suất lượng tử theo bước sóng của một sốđiốt quang tốc độ cao Ta thấy rằng, trong vùng cực tím và vùng khả kiến, các điốt quangbán dẫn kim loại có hiệu suất lượng tử cao, trong vùng cận hồng ngoại, các điốt quangsilic (có phủ lớp chống phản xạ) có thể đạt hiệu suất tới 100% tại vùng bước sóng 0.8-0.9m Tại vùng có bước sóng 1.0-1.6m, các điốt quang Gemani và điốt quang nhómIII-V (loại GaInAs) cho hiệu suất cao Với các bước sóng dài hơn, các điốt quang có thểđược làm lạnh (khoảng 77K) để tăng hiệu suất quang tử

Hình 1.20 Hiệu suất lượng tử phụ thuộc bước sóng của các bộ thu quang

Do có cấu tạo đơn giản, độ nhạy cao và kích thước nhỏ nên photođiốt được dùngnhiều trong máy sinh hoá hiện nay, đặc biệt là các máy xét nghiệm xách tay

4 Tính năng tác dụng của máy xét nghiệm sinh hoá:

4.1 Giới thiệu về xét nghiệm sinh hoá

Xét nghiệm sinh hoá được thực hiện từ rất lâu trong việc chẩn đoán lâm sàng.Bằng việc dựa trên cơ sở y sinh về các chất trong cơ thể con người kết hợp với việcnghiên cứu các phản ứng hoá học đặc trưng của các chất này với một số chất nào đó,người ta có thể tính toán định lượng của các chất cần nghiên cứu trong cơ thể con người.Ngày nay, người ta dùng các máy phân tích sinh hoá để có được định lượng các chất cầnphân tích một cách chính xác và đơn giản Dựa vào sự xuất hiện các chất dị thường, tănggiảm của các chất thông thường có người ta có thể chẩn đoán nhiều bệnh liên quan đếncác cơ quan trong cơ thể con người

Xét nghiệm sinh hoá được thực hiện với nhiều loại mẫu bệnh phẩm như máu, nướctiểu, phân, dịch não tuỷ, các loại dịch khác

Xét nghiệm sinh hoá máu là các xét nghiệm được dùng phổ biến nhất hiện nay tạicác bệnh viện, cơ sở y tế Cho phép xác định định tính các chất hoá học trong máu Vìmáu được dẫn khắp cơ thể, có liên quan mật thiết với tất cả các cơ quan trong cơ thể, vìvậy cũng chịu ảnh hưởng của tất cả các cơ quan này Về phương diện vật lý, máu là một

tổ chức lỏng lưu động trong hệ tuần hoàn nhưng luôn có sự trao đổi mật thiết với cácchất dịch gian bào, làm nhiệm vụ vận chuyển các nguyên liệu dinh dưỡng và các sảnphẩm chuyển hoá cho các tổ chức, cơ quan trong cơ thể Người ta phân biệt trong máu

có 2 thành phần: Thành phần lỏng gọi là huyết tương là một loại dung dịch keo baogồm nước, các muối, các chất gluxit, protit, vitamin, và hooc môn; thành phần đặc,còn gọi là thành phần hữu hình bao gồm các tế bào máu như hồng cầu, tiểu cầu vàbạch cầu Khi ly tâm máu, phần tế bào sẽ ở dưới cùng, huyết tương chia làm 2 phần,phần đặc sánh màu vàng và phần dung dịch trong phía trên cùng gọi là huyết thanh,Xét nghiệm sinh hoá máu sẽ xác định nồng độ các chất trong huyết tương hoặc huyếtthanh, còn việc xác định số lượng, chất lượng, kích thước của các tế bào sẽ là phầnxét nghiệm công thức máu được đề cập ở một tài liệu khác

Xét nghiệm sinh hoá nước tiểu cũng là một xét nghiệm thường thấy trong cácbệnh viện Tuy nhiên, ngày nay với tiến bộ khoa học kỹ thuật, người ta đã thực hiệnphương pháp sinh hoá khô dùng que thử để xác định định tính hoặc bán định lượng vớicác máy xét nghiệm nước tiểu hoặc tự so sánh trên bảng màu chuẩn cho kết quả nhanh,

có thể thực hiện tại gia đình dễ dàng Phần này đã được trình bày chi tiết trong phần tàiliệu máy xét nghiệm nước tiểu, các bạn quan tâm có thể đọc tham khảo Với nhữngchất mà que thử không giải quyết được thì cần phải dùng tới xét nghiệm sinh hoá ởphòng thí nghiệm, tất nhiên nếu không có máy xét nghiệm nước tiểu thì bạn vẫn có thểdùng máy xét nghiệm sinh hoá để xác định các chất trong nước tiểu một cách địnhlượng, và đôi khi nếu nghi ngờ kết quả của máy nước tiểu, bạn có thể khẳng định lạinhờ xét nghiệm sinh hoá tại phòng thí nghiệm

Xét nghiệm sinh hoá phân có giá trị chẩn đoán các bệnh đường tiêu hoá Nhưnghiện nay xét nghiệm này ít được dùng vì lý do vệ sinh, người ta chỉ thực hiện với phânnếu xét nghiệm về tế bào, vi khuẩn hoặc ký sinh trùng.

Dịch não tuỷ là lớp dịch bao quanh não và tuỷ bảo vệ cho hệ thần kinh trungương trước các biến đổi về áp lực và các chấn động Dịch não tuỷ được phân cách vớimáu bởi một màng ngăn không cho các tế bào máu và phần lớn protein huyết tươngvào dịch não tuỷ, trong khi các phần tử nhỏ tan trong nước như gluco thì thấm quamàng Dịch não tuỷ tiếp cận mật thiết với não và tuỷ nên những tổn thương của hai cơquan này đều có ảnh hưởng tới dịch Nghiên cứu dịch não tuỷ có thể chẩn đoán một sốbệnh thần kinh và theo dõi tiến triển của bệnh

Các loại dịch khác như dịch mật, dịch màng phổi, dịch màng bụng giúp chẩnđoán khá chính xác các bệnh liên quan trực tiếp đến các cơ quan này

5 Máy xét nghiệm sinh hoá:

5.1 Khái niệm về máy sinh hóa

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trên tất cả các lĩnhvực, trong các phòng xét nghiệm, con người đã không phải tự làm các xét nghiệm nữa

mà dựa vào các máy xét nghiệm Con người chỉ phải làm một số công việc như pha, ủhoá chất như trong các máy quang kế, hoặc chỉ pha, máy sẽ tự ủ và tính toán kết quảtrong các máy sinh hoá bán tự động, hoặc chỉ là thao tác vận hành máy còn các côngviệc hút mẫu, pha mẫu và ủ mẫu và tính toán do máy làm hoàn toàn trong các máysinh hoá tự động Vì vậy, máy sinh hoá trở thành một công cụ đắc lực trong các phòngxét nghiệm, giúp cho công việc xét nghiệm trở nên đơn giản, người làm xét nghiệmkhông còn phải nhớ từng hoá chất, cách pha chế Công việc chỉ đơn giản là cho tất cảmẫu vào các khay chứa mẫu, chọn loại xét nghiệm và nhấn nút cho máy tự đo đạc, tínhtoán, và hiển thị kết quả còn họ có thể đi làm cmác công việc khác như lấy mẫu máu,thực hiện các loại xét nghiệm khác Vì vậy thay bằng cả phòng xét nghiệm, chỉ cầnmột kỹ thuật viên với các máy xét nghiệm là đủ

Hình 2.3 Sơ đồ khối máy xột nghiệm húa sinh

Phần này xin giới thiệu nguyên lý cấu tạo của một máy sinh hoá Nắm đượcnguyên lý này, bạn có thể hiểu được hoạt động của một máy sinh hoá bất kỳ từ đơngiản đến phức tạp, từ đó dễ dàng phân tích hoạt động của chúng

5.2 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của máy sinh hoá

Các máy xét nghiệm sinh hoá từ đơn giản đến hiện đại đều dựa trên nguyên tắc

là phương pháp đo màu Dung dịch cần đo được đưa vào cuvét Một nguồn sáng cóánh sáng trắng đi qua bộ lọc để thu được một bước sóng phù hợp với dung dịch cần

đo, Bộ phát hiện quang thu cường độ ánh sáng đi qua cuvét chứa dung dịch cần đochuyển thành tín hiệu điện, từ tín hiệu điện này máy có thể tính toán và hiển thị kếtquả

Sơ đồ nguyên lý của máy sinh hoá được trình bày đơn giản như sau:

5.2.1 Sơ đồ khối

5.2.2 Nguyên lý làm việc từng khối

- Nguồn sáng

Nguồn sáng có nhiệm vụ phát ra ánh sáng trắng có cường độ đủ mạnh Lý dodùng nguồn sáng trắng ở đây chính là do mỗi một xét nghiệm khi phản ứng sẽ cho mộtmàu đặc trưng của xét nghiệm đó, và nó sẽ hấp thụ mạnh nhất một dải bước sóngtương ứng, vì vậy khi đo sự hấp thụ ta chỉ dùng một bước sóng cơ bản Với nhiều xétnghiệm ta sẽ dùng nhiều bước sóng khác nhau và nguồn sáng trắng sẽ cấp đầy đủ cácbước sóng này cho tất cả các xét nghiệm

 Đèn Halogen: cung cấp dải bước sóng 320800nm cho các xét nghiệm Máydùng loại đèn 12V-20W

- Hệ thống quang học:

- Bộ lọc bước sóng

Bộ lọc bước sóng dùng để chọn lấy một bước sóng yêu cầu cho từng xétnghiệm Sở dĩ người ta dùng nguồn sáng trắng và các bộ lọc mà không dùng các linhkiện phát ra các bước sóng cố định là do dùng bộ lọc có thể dễ dàng thêm các bộ lọctheo yêu cầu xét nghiệm tức là có tính mở đối với xét nghiệm hơn là dùng linh kiệnphát ra bước sóng cố định Trong các máy xét nghiệm sinh hoá hiện nay, bộ lọcthường là một bánh xe trên có gắn một số kính lọc , số kính lọc trên bánh xe này tuỳthuộc vào loại máy Các bộ lọc này là các cách tử, kính lọc, lăng kính kết hợp với cácthấu kính để thu được một dải rất hẹp bước sóng: 340nm, 405nm, 505nm, 546nm,570nm, 600nm, 650nm, 700nm

Hình 2.4 Cấu tạo hệ thống quang học của quang kế 722.

1 Nguồn sáng; 2 Hệ thống kính lọc; 3,6 Gương cầu lõm; 4,8 Khe sáng; 5,7.Gương phẳng; 9.Thấu kính hội tụ; 10.Buồng đo; 11.ống nhân quang

Hệ thống quang học có chức năng chính là tạo ra chùm sáng đơn sắc cho từng xétnghiệm bằng cách dùng bộ lọc (2), tập trung chùm sáng đơn sắc vào đúng vị trí trongbuồng đo

- Buồng đo: trong đặt một giá đỡ cuvét.Buồng đo được bao kín để tránh tạp nhiễukhi đo, phía trên có lắp mở để cho mẫu vào Khi tiến hành đo cần đóng kín lắp này lại

- Tế bào quang điện:

Có chức năng là biến đổi tín hiệu quang thu được khi ánh sáng đi qua cuvét thànhtín hiệu điện Tế bào quang điện là một trong các linh kiện quang- điện đã xét ở phầntrước, trên thực tế hiện nay thường dùng là photo điốt hay photo tranzito do kích thướcnhỏ, thích hợp cho các máy xách tay hoặc những máy có cấu trúc nhỏ Đồng thời lại

có độ nhạy cao hơn các linh kiện khác

Sử dụng loại photodiod Có chức năng chuyển đổi tín hiệu quang khi qua buồng đothành tín hiệu điện để đưa đến bộ khuếch đại

- Nguồn ổn áp:

Có chức năng tạo ra điện áp một chiều 12 V cấp cho nguồn sáng, 5 V cấp chomạch khuếch đại và hiển thị

6 Các phương pháp đo màu:

6.1 Phương pháp điểm cuối:

Phương pháp này chỉ đo độ hấp thụ của hỗn hợp phản ứng một lần, đó là lúc phảnứng tạo màu đã sảy ra hoàn toàn, và nồng độ các chất trong dung dịch sau phản ứng đã ổnđịnh Có thể đo độ hấp thụ ở một bước sóng (monochromatic) hoặc hai bước sóng(bichromatic) Sử dụng dung dịch chuẩn (Standard) để dựng đường chuẩn hay hệ số càiđặt trước

Chia theo số dung dịch chuẩn sử dụng khi đo ta có 3 loại:

- Phép đo chỉ sử dụng một dung dịch chuẩn: nồng độ của mẫu cũng được tính theo

công thức:

C Sample=(A Sample−A Blank)C stan dard

A s tandard−A blank

- Phép đo sử dụng nhiều dung dịch chuẩn (multistandard): nồng độ của mẫu được xác

định từ đường cong chuẩn Đường cong này dựng được từ các dung dịch chuẩn đã biết

trước nồng độ và độ hấp thụ đo được:

(Astandard- Ablank).TR

TR là chiều của phản ứng : +1 nếu chiều phản ứng tăng

-1 nếu chiều phản ứng giảm

Nồng độ của mẫu được nội suy từ đường cong chuẩn: (Asample- Ablank).TR

- Phép đo sử dụng hệ số:

Khi đo không sử dụng các dung dịch chuẩn mà sử dụng một hệ số cho trước để tính ranồng độ của dung dịch Nồng độ mẫu được tính theo công thức:

Csample = (Asample- Ablank).F

Với F là hệ số cho trước

Chia theo số bước sóng sử dụng khi đo ta có 2 loại:

- Phép đo một bước sóng: đo độ hấp thụ của dung dịch Trắng, Chuẩn và Mẫu tại một

bước sóng

- Phép đo hai bước sóng: đo độ hấp thụ của Trắng (Blank), Chuẩn và mẫu (Sample)

tại hai bước sóng, một bước sóng chính và một bước sóng phụ, độ hấp thụ của các dungdịch được tính theo công thức sau:

Asample, Astandard, Ablank=Amain- Aref

A: độ hấp thụ

main: Bước sóng chính

ref: Bước sóng phụ

6.2 Phương pháp động học (Kinetic)

Phương pháp động học được sử dụng để đo độ hoạt động của enzym Đặc điểmcủa phương pháp này là đo ngay khi bắt đầu phản ứng, sau một khoảng thời gian trễ(Delay time) nào đó, không có thời gian đợi phản ứng ổn định

- Phương pháp đo động học (K):

Độ hấp thụ của hỗn hợp phản ứng được đo n lần trong thời gian phản ứng t(Reaction time), khoảng cách giữa n lần đo là t/n giây và tính giá trị chênh lệch của các độhấp thụ giữa phép đo sau với phép đo trước, kết quả cuối cùng là tính được giá trị chênhlệch trung bình/phút (DA/min)

Độ hoạt động của enzym được tính theo công thức:

Độ hoạt động của Enzym =DA/min.K.

Trong đó, K là hệ số thường được cho trước với từng loại hoá chất

Đơn vị đo độ hoạt động enzym là U/L, ngoài ra còn sử dụng đơn vị mới là kat(katal) là lượng men xúc tác sự biến đổi 1 mol cơ chất trong 1 giây

- Phương pháp đo thời gian cố định (Fixed Time):

Cũng tương tự như phép đo động học, nhưng chỉ khác là thời gian giữa các lần đo

- Tiến hành thực hiên các kết cấu cố định cuvet, kính lọc và quang trở.

Khối đựng cuvet: phay rãnh dài 12mm, rộng 12mm, sâu 24 tạo dạng hình chữ U.Hai khối chứa kính lọc và cảm biến quang trở: khoan tạo lỗ đường kính 10mm

Khối đựng cuvet Khối chứa kính lọc Khối cố định cảm biến quang

- Hàn các khối lại với nhau

- Khoan các lỗ ứng với các vị trí để cố định kính lọc, ống chuẩn trực lên trên kết cấu:

Ống chuân trực Kính lọc

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN DÒNG ỔN ĐỊNH

1 Cơ sở lý thuyết:

Trong mạch nguồn thông dụng cần phải có mạch bảo vệ ngắn mạch hoặc quá tải Mộttrong những mạch bảo vệ đó được gọi là current limiting, ở đây mạch giới hạn dòng được thiết kế đặc trưng để mà có thể ngăn cho mạch không vượt quá dòng lớn nhất của mạch, thậm chí trong cả trường hợp bị ngắn mạch

Figure 1: Current limiting

Figure 1 biểu diễn một mạch current limiting phổ biến có sử dụng opam Khi dòng tảităng, điện thế rơi trên điện trở RSC tăng RSC mắc song song với mối nối BE của transitor

Q2 Nếu dòng trên tải tăng đủ để tạo điện áp rơi khoảng 0.7V đi qua RSC, khi đó Q2 bắt đầudẫn Hay nói cách khác, khi đó điện áp rơi không đủ để cho Q1 dẫn và bị ngắn mạch, dòng

sẽ đi qua Q2 Theo cách này, transitor đã ngăn chặn cung cấp dòng qua tải Dòng qua tải lớn nhất được tính bằng công thức:

IL(MAX)=0.7R

sc (*)Với 0.7 là áp rơi qua RSC

Như vậy Q1 là transitor dẫn,Q2 là transitor bảo vệ

=>Vcc=12+1+0.7=13.7 (V)

Vậy chọn Vcc=14 V

Tra bảng thông số

Dựa trên cơ sở lý thuyết

+Với transitor C2073 ta có hệ số khuếch đại nhỏ nhấtβ=3

+Theo định luật Kirchhoff : IE=IB+IC=(1+β)IB =>IB= I E

1+ β=

1,61+3=0,4 ( A)

Điều kiện bão hòa:

Ta có thể chọn R2= 0,1 Ω

 Kết quả thực tế đo được

Mạch mô phỏng:

Figure 2: Quan hệ giữa áp và dòng

Figure 4: Quan hệ giữa áp và Lux

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI

1 Cơ sở lý thuyết:

1.1 Khái niệm

Mạch khuếch đại là một thiết bị hoặc linh kiện bất kỳ nào, sử dụng một lượng côngsuất rất nhỏ ở đầu vào để điều khiển một luồng công suất lớn ở đầu ra Trong các ứngdụng thông dụng, thuật ngữ này hiện nay được dùng chủ yếu cho các bộ khuếch đại điện

tử và thông thường là các ứng dụng thu và tái tạo âm thanh Mối liên quan giữa đầu vào

và đầu ra của một bộ khuếch đại, thường được diễn giải như là một hàm của tần số, đượcgọi là hàm truyền và biên độ của hàm truyền được gọi là độ lợi

1.2 Mạch khuếch đại thuật toán (op-amps)