máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động

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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN: ĐỒ ÁN THIẾT BỊ Y HỌC -o0o -

ĐỀ TÀI: MÁY XÉT NGHIỆM SINH HÓA BÁN TỰ ĐỘNG

GVHD: THẦY LÊ CAO ĐĂNG

SVTH: NHÓM SINH VIÊN KU12VLY

TP HỒ CHÍ MINH, 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 hầu hết các quốc gia và không riêng ở Việt Nam, thế nên song song với đó là nhu cầu về thiết 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 sinh hóa có ứng dụng vô cùng rộng rãi (xét nghiệm sinh hóa nhanh chóng, đơn giản và cho kết quả chính xác cao) Hiện nay, công nghệ đang phát triển, máy xét nghiệm sinh hóa ngày càng được cải tiến rất nhiều tuy nhiên điều này lại gắn với mức độ phức tạp có tích hợp cao trong máy xét nghiệm sinh hóa Vì vậy hiểu rõ về nguyên lý và cấu tạo của máy xét nghiệm 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, nhóm sinh viên chúng em đã thiết kế lại máy xét nghiệm sinh hóa bán tự động , tự thực hiện đối với 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 hạn nên đề tài này của chúng em còn khá nhiều sai sót và hạn chế Chúng em mong được sự góp ý và sửa chửa để đề tài được hoàn thiện hơn và khả thi hơn về phương diện kỹ thuật cũng như là kinh tế

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

Thành phố Hồ Chí Minh tháng 11 năm 2015

Nhóm sinh viên thực hiện LỚP KU12VLY ĐH BÁCH KHOA TP.HCM

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA 1

PHẦN I: MỞ ĐẦU 2

1 Lời nói đầu 2

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

PHẦN II : NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1 Một số dụng cụ cần biết 3

1.1 Kính lọc giao thoa 3

1.2 Cuvét 5

2 Định luật đo màu 6

2.1 Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch 6

2.2 Định luật Bouguer - Lambert 7

2.3 Định luật Bouguer – Lambert - Beer 8

2.4 Cơ sở quang điện của phương pháp đo màu 10

2.4.1 Hiệu ứng quang điện 10

2.4.2 Các định luật quang điện 12

2.5 Photođiốt 13

3 Máy xét nghiệm sinh hoá 16

3.1 Giới thiệu về xét nghiệm sinh hoá 16

3.2 Khái niệm về máy sinh hóa 18

3.3 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của máy sinh hoá 19

3.3.1 Sơ đồ khối 19

3.3.2 Nguyên lý làm việc từng khối 20

4 Các phương pháp đo màu 22

4.1 Phương pháp điểm cuối 22

4.2 Phương pháp động học (Kinetic) 24

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN CƠ HỌC 25

I Thiết kế và thi công các kết cấu đế, kính lọc, ống chuẩn trực, cuvvette và cảm biến quang 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN DÒNG ỔN ĐỊNH 26

1 Cơ sở lý thuyết 26

2 Tính toán 27

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI 33

1 Cơ sở lý thuyết 33

1.1 Khái niệm 33

1.2 Mạch khuếch đại thuật toán (op-amps) 33

1.3 Nguyên lý hoạt động 34

1.4 Kí hiệu 34

1.5 Mạch khuếch đại không đảo cơ bản 35

2 Thực hành 37

2.1 Mạch khuếch đại 37

2.2 Mạch tín hiệu cho Photodiode 43

2.3 Mạch tín hiệu và khuếch đại 44

CHƯƠNG V: PHOTODIODE VÀ KIỂM TRA TÍN HIỆU 45

1 Đặc điểm của OPT101 45

47

2 Kết hợp kiểm tra độ tuyến tính của đèn và OPT101 47

CHƯƠNG VI: LẬP TRÌNH VI XỬ LÝ 50

1 Tổng quát về Arduino 50

1.1 Khái niệm về Arduino 50

1.2 Bộ phận phần cứng của Arduino 53

2 Lập trình cho Arduino 54

3 Code chạy chương trình 56

4.2 Mục đích đánh giá 64

4.3 Những chỉ số thống kê để đánh giá chất lượng 65

4.5 Nhận xét 66

PHẦN III: TỔNG KẾT 67

1 Đánh giá khách quan về sản phẩm 67

2 Hướng nâng cao và phát triển 67

3 Bài học và kinh nghiệm 67

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1 Cấu tạo kính lọc giao thoa

Hình 1.2 Các mức nhiễu xạ trên cách tử phản xạ

Hình 1.3 Cấu trúc của cách tử truyền

Hình 1.4: Cuvet

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

Hình 1.13 Thí nghiệm hiện tượng quang điện

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

Hình 1.18 Đường đặc trưng Von-Ampe của photođiốt

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

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

Hình 2.3 Sơ đồ khối máy xột nghiệm húa sinh

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

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1 Lời nói đầu

Xét nghiệm sinh hóa đóng vai trò quan trọng trong y học trong việc hóa chất miễn dịch cũng như trong việc nghiên cứu thay đổi sinh lý, bệnh lý của những hằng số hóa sinh trong 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 động đang 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 giữa các lớp kính bằng 1/2 độ dài của bước sóng mà ta cần lọc ra Nguyên lý lọc màu của loại kính này như sau: Khi ta cho một chùm ánh sáng trắng đi qua kính lọc, các tia sáng đi vào kính sẽ tán xạ bởi nhiều lớp kính được đặt cách nhau 1/2 , những tia sáng nào 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

Nhiễu xạ cách tử

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

1/2 

H×nh 1.1 CÊu t¹o kÝnh läc giao thoa

Trang 4

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

Nếu chùm sáng khuếch tán sau đó được hội tụ lại trên một khe hẹp thì có thể chọn bước sóng ánh sáng đó bằng cách dịch chuyển khe hẹp đó Cách tử loại này được gọi

là cách tử phản xạ thường dùng để phân tích vùng tử ngoại Trong phân tích ánh sáng khả kiến thường sử dụng cách tử truyền có cấu trúc

1.2 Cuvét

Hình 1.4: Cuvet

Được dùng trong máy xét nghiệm để dựng mẫu khi đo,vì vậy cuvét phải được 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 sự phản xạ của ánh sáng chiếu tới



Trong thực tế có nhiều loại cuvet phụ thuộc vào chất liệu chế tạo.Cuvét thường được 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 dung dịch 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 chất có trong dung dịch.Phân tích bằng phương pháp đo màu tốn ít thời gian hơn so với phương pháp khác, nó cho kết quả chính xác mà không cần phải tách riêng các chất cần xác định ra khỏi thành phần dung dịch Phương pháp đo màu được thực hiện bằng hai cách 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 xác chỉ mang tính chất tương đối, phụ thuộc vào người quan sát Phương pháp đo màu quang điện 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 đó thì 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 hệ thức sau:

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

Trên thực tế, trong một loại phân tích ta chỉ sử dụng một loại cuvét nên cường độ ánh sáng phản xạ Ir là không đổi Mặt khác, bề mặt cuvét được làm rất phẳng và ánh sáng

chiếu vào được tập trung gần như vuông góc với bề mặt cuvét nên Ir là rất nhỏ Vì vậy có thể 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 có thể tìm được cường độ ánh sáng bị hấp thụ Ia

2.2 Định luật Bouguer - Lambert

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

“Những lớp chất có chiều dày đồng nhất, trong những điều kiện như nhau luôn hấp thụ 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 lớp dung 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 qua một lớp dung dịch cùng tính chất và chiều dày như lớp dung dịch trước Sau khi qua lớp

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

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

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 hệ giữa hệ số tắt K với nồng độ của chất hấp thụ ánh sáng như sau:

K = .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 luật Bouguer – Lambert khảo sát sự thay đổi độ hấp thụánh sáng với dung dịch có nồng độ xác định khi thay đổi chiều dày của lớp dung dịch hấp thụ, còn định luật Beer lại khảo sát

sự thay 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:

L C

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 ánh sáng rọi vào dung dịch

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

Tỷ số giữa cường độ chùm sáng sau khi qua dung dịch Ix với cường độ chùm sáng chiếu 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):

A (Định luật Bouguer-Lambert- Beer)

2.4 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 tín hiệu quang mà phải tính trên tín hiệu điện, vì vậy cần phải có những linh kiện chuyển đổi các tín hiệu quang thành tín hiệu điện và dòng điện do linh kiện này tạo ra phải tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu tới Các linh kiện này gọi là linh kiện quang điện, hiện tượng biến đổi quang thành điện gọi là hiện tượng quang điện Vì vậy phương pháp phân tích thành phần dung dịch dựa trên những linh kiện này còn gọi là phương pháp đo màu quang điện

2.4.1 Hiệu ứng quang điện

Năm 1887, nhà bác học Hexer làm thí nghiệm với tấm kẽm tích điện âm, và ông phát hiện ra rằng chiếu tia hồ quang thì tấm kẽm sẽ bị bớt âm đi Khi thay bằng tấm kẽm tích điện dương thì điện tích trên tấm kẽm không đổi Nhưng khi chắn chùm tia hồ quang bằng một tấm kính trong suốt có tác dụng hấp thụ các tia tử ngoại thì tấm kẽm không bị mất điện tích âm Các thí nghiệm với các kim loại khác cho kết quả tương tự đã dẫn tới kết luận: “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 hai bản cực kim loại: bản cực dương anốt (A) và bản cực âm catốt (K) Bản cực âm làm bằng kim 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 giúp cho 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 một dòng điện không đổi, cường độ này được đo bằng điện kế G Điện áp đặt vào AK đo bằng vôn 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 chỉ sảy ra khi các bước sóng này nhỏ hơn một giá trị  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 cũng không tăng

2.4.2 Các định luật quang điện

Từ các kết quả đã thí nghiệm ở trên về hiện tượng quang điện, các nhà bác học như Stoletov, Lenard đã tiếp tục nghiên cứu và phát triển và rút ra 3 định luật gọi là các định luật 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, xêđi 660nm Vì vậy, trong xét nghiệm cần phải chọn loại có đầu thu quang có giới hạn quang điện 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 mặt catôt 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 tính chất 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, còn định luật thứ 3 ta không xét tới trong tài liệu này

2.5 Photođiốt

Photođiốt là một loại linh kiện quang bán dẫn, hoạt động của nó dựa trên 2 hiệu ứng quang dẫn và quang điện trong Cấu trúc và ký hiệu của photođiốt đơn giản được trình bày 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 dẫn nhạy quang có thể xảy ra sự ion hoá các nguyên tử của chất cơ bản và của tạp chất dẫn đến việc sinh ra các cặp điện tử và lỗ trống.Các điện tử và lỗ trống này tập trung ở hai đầu bán dẫn Nếu mạch ngoài ta nối hai đầu bán dẫn thì sẽ có dòng điện chạy qua gọi là dòng quang 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 hình 1.17 c, và có nguồn nuôi ở mạch ngoài như hình 1.17 d Khi mắc với nguồn nuôi một chiều, điện áp đặt vào phải theo chiều phân cực ngược

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

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 của photođiốt càng lớn, có nghĩa là điện trở ngược của photođiốt càng giảm khi chùm sáng rọi càng 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 hiệu suất lượng tử của photođiốt, Hiệu suất lượng tử được định nghĩa là số cặp điện tử - lỗ trống được sinh ra ứng với mỗi photon tới

Hiệu suất lượng tử được tính theo công thức

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 bước sóng 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 sự hấp thụ trong Với các bước sóng ngắn thì giá trị của  rất lớn (~105 cm-1), và vì vậy việc phát xạ chủ yếu bởi các hấp thụ gần bề mặt, nơi thời gian tái hợp rất ngắn Do đó, các hạt dẫn 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 số điốt quang tốc độ cao Ta thấy rằng, trong vùng cực tím và vùng khả kiến, các điốt quang bán dẫn kim loại có hiệu suất lượng tử cao, trong vùng cận hồng ngoại, các điốt quang silic (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 nhóm III-V (loại GaInAs) cho hiệu suất cao Với các bước sóng dài hơn, các điốt quang có thể được 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 dùng nhiều trong máy sinh hoá hiện nay, đặc biệt là các máy xét nghiệm xách tay

3 Máy xét nghiệm sinh hoá

3.1 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 việc nghiên 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 cần phân tích một cách chính xác và đơn giản Dựa vào sự xuất hiện các chất dị thường, tăng giảm của các chất thông thường có người ta có thể chẩn đoán nhiều bệnh liên quan đến các cơ quan trong cơ thể con người

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

Xét nghiệm sinh hoá máu là các xét nghiệm được dùng phổ biến nhất hiện nay tại các bệnh viện, cơ sở y tế Cho phép xác định định tính các chất hoá học trong máu Vì máu được dẫn khắp cơ thể, có liên quan mật thiết với tất cả các cơ quan trong cơ thể, vì vậy 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 các chất dịch gian bào, làm nhiệm vụ vận chuyển các nguyên liệu dinh dưỡng và các sản phẩm 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 bao gồm 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 và bạch 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 huyết thanh, còn việc xác định số lượng, chất lượng, kích thước của các tế bào sẽ là phần xét 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 các bệnh viện Tuy nhiên, ngày nay với tiến bộ khoa học kỹ thuật, người ta đã thực hiện phương pháp sinh hoá khô dùng que thử để xác định định tính hoặc bán định lượng với các 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 tài liệu máy xét nghiệm nước tiểu, các bạn quan tâm có thể đọc tham khảo Với những chất mà que thử không giải quyết được thì cần phải dùng tới xét nghiệm sinh hoá ở phòng thí nghiệm, tất nhiên nếu không có máy xét nghiệm nước tiểu thì bạn vẫn có thể dùng máy xét nghiệm sinh hoá để xác định các chất trong nước tiểu một cách định lượng, và đôi khi nếu nghi ngờ kết quả của máy nước tiểu, bạn có thể khẳng định lại nhờ xét nghiệm sinh hoá tại phòng thí nghiệm

Xét nghiệm sinh hoá phân có giá trị chẩn đoán các bệnh đường tiêu hoá Nhưng hiện nay xét nghiệm này ít được dùng vì lý do vệ sinh, người ta chỉ thực hiện với phân nếu 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 trung ương trước các biến đổi về áp lực và các chấn động Dịch não tuỷ được phân cách với máu bởi một màng ngăn không cho các tế bào máu và phần lớn protein huyết tương vào dịch não tuỷ, trong khi các phần tử nhỏ tan trong nước như gluco thì thấm qua màng Dịch não tuỷ tiếp cận mật thiết với não và tuỷ nên những tổn thương của hai cơ quan này đều có ảnh hưởng tới dịch Nghiên cứu dịch não tuỷ có thể chẩn đoán một số bệnh thần kinh và theo dõi tiến triển của bệnh

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

3.2 Khái niệm về máy sinh hóa

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trên tất cả các lĩnh vực, 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, ủ hoá chất như trong các máy quang kế, hoặc chỉ pha, máy sẽ tự ủ và tính toán kết quả trong các máy sinh hoá bán tự động, hoặc chỉ là thao tác vận hành máy còn các công việc hút mẫu, pha mẫu và ủ mẫu và tính toán do máy làm hoàn toàn trong các máy sinh hoá tự động Vì vậy, máy sinh hoá trở thành một công cụ đắc lực trong các phòng xét nghiệm, giúp cho công việc xét nghiệm trở nên đơn giản, người làm xét nghiệm không còn phải nhớ từng hoá chất, cách pha chế Công việc chỉ đơn giản là cho tất cả mẫu vào các khay chứa mẫu, chọn loại xét nghiệm và nhấn nút cho máy tự đo đạc, tính toán, 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 cần một kỹ thuật viên với các máy xét nghiệm là đủ

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

3.3 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 có ánh 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 đo chuyển thành tín hiệu điện, từ tín hiệu điện này máy có thể tính toán và hiển thị kết quả

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

3.3.1 Sơ đồ khối

Nguồn

ổn áp

Hệ thống quang

Buồng

Chỉ thị kết quả

3.3.2 Nguyên lý làm việc từng khối

- Nguồn sáng

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

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

- Bộ lọc bước sóng

Bộ lọc bước sóng dùng để chọn lấy một bước sóng yêu cầu cho từng xét nghiệm Sở dĩ người ta dùng nguồn sáng trắng và các bộ lọc mà không dùng các linh kiện phát ra các bước sóng cố định là do dùng bộ lọc có thể dễ dàng thêm các bộ lọc theo yêu cầu xét nghiệm tức là có tính mở đối với xét nghiệm hơn là dùng linh kiện phát ra bước sóng cố định Trong các máy xét nghiệm sinh hoá hiện nay, bộ lọc thường là một bánh xe trên có gắn một số kính lọc , số kính lọc trên bánh xe này tuỳ thuộc vào loại máy Các bộ lọc này là các cách tử, kính lọc, lăng kính kết hợp với các thấu 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 xét nghiệm bằng cách dùng bộ lọc (2), tập trung chùm sáng đơn sắc vào đúng vị trí trong buồng đo

- Buồng đo: trong đặt một giá đỡ cuvét.Buồng đo được bao kín để tránh tạp nhiễu khi 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 thành tín hiệu điện Tế bào quang điện là một trong các linh kiện quang- điện đã xét ở phần trước, trên thực tế hiện nay thường dùng là photo điốt hay photo tranzito do kích thước nhỏ, 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 đo thành 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 cho mạch khuếch đại và hiển thị

4 Các phương pháp đo màu

4.1 Phương pháp điểm cuối

Phương pháp này chỉ đo độ hấp thụ của hỗn hợp phản ứng một lần, đó là lúc phản ứng tạo màu đã sảy ra hoàn toàn, và nồng độ các chất trong dung dịch sau phản ứng đã ổn định 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 cài đặt 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:

blank dard

s

dard s Blank Sample

Sample

A A

C A A

- 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 ra nồng 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 dung dịch 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

4.2 Phương pháp động học (Kinetic)

Phương pháp động học được sử dụng để đo độ hoạt động của enzym Đặc điểm của 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 độ hấp thụ giữa phép đo sau với phép đo trước, kết quả cuối cùng là tính được giá trị chênh lệch 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

độ hấp thụ là cố định

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN CƠ HỌC

I Thiết kế và thi công các kết cấu đế, kính lọc, ống chuẩn trực, cuvvette và cảm biến quang

Cắt 3 phôi sắt hình hộp chữ nhật 24x36x10 mm

- 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:

𝑅 𝑠𝑐 (*) Với 0.7 là áp rơi qua RSC

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

2 Tính toán

 Mạch ổn dòng hồi tiếp transitor

Sử dụng mạch current limiting

Mạch không dùng opam vì mạch đơn giản và không cần độ chính xác cao

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= 𝐼𝐸

1+𝛽= 1,6

1+3= 0,4 (𝐴) Điều kiện bão hòa:

 Kết quả thực tế đo được

Mạch mô phỏng:

Áp đèn: 11,85 V

Áp nguồn: 13V

Dòng đèn: 1,674 A

Sai số là do sai số trong việc chon linh kiện và sai số của linh kiện Nhưng sai số

có thể chấp nhận được

Vẽ đồ thị: