医学仪器及系统设计课程讲义课件.ppt
第二部分 医学检验仪器,1.1 医学检验仪器的特点,1. 结构复杂2. 涉及技术领域广3. 技术先进4. 精度高5. 对环境要求高,用于诊断、疾病研究和药物分析的现代化实验室仪器,医学检验仪器,第一章 医学检验仪器概述,主要内容,第二章 光电比色计第三章 分光光度计第四章 自动生化检测仪器第五章 尿液分析仪第六章 电解质分析仪第七章 血气分析仪第八章 血细胞计数仪,第二章 光电比色计,内容提要： 1.比色分析 2.光电比色计的基本结构 3.GD-821型光电比色计,图2.1 电磁辐射波谱,2.1.1 光的基础知识1.光的物理性质由波长和能量来决定。 波长决定了光的颜色，能量决定了光的强度。,2.1 比色分析,比色分析是基于溶液对光的选择性吸收而建立起来的一种分析方法。,2.1.2 朗伯比尔（Lambert-Beer)定律描述溶液颜色的深浅与浓度之间的数量关系,一束单色光通过溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度和液层厚度的乘积成正比。,：入射光的强度：溶液的浓度：液层的厚度：投射光强度：吸光系数：吸光度：透光度,图2.5 光吸收示意图,颜色反应是比色分析的基础：若所测定的溶液无色，需在测定前加入显色剂，通过与待测成分的化学反应使溶液映色；选择合适的吸收光谱：测定光吸收曲线以找出最大吸收波长或特性吸收波长；测定方法使用的浓度范围：宜选择在直线线性段，即浓度与吸光度之比为一常数；观察影响颜色反应的因素：溶液pH的影响、杂质的影响、反应的温度和时间及颜色的稳定性；,2.1.3 比色分析的条件选择,2.1.4 比色分析的测量方法,标准曲线法先配制一系列不同浓度的标准溶液，用选定的显色剂显色，以合适波长的入射光来测定标准液的吸光度。以吸光度为纵坐标，浓度为横坐标作图得到一条通过原点的直线。适用条件：在固定仪器和方法的条件下多次使用。直接比较法先配制一个与被测溶液浓度相近的标准溶液，与被测溶液在相同条件下测定吸光度。根据下式计算被测溶液浓度。,图2.6 维生素B12的A-c标准曲线,适用条件：仅对个别样品进行测定，且A-c曲线线性良好,利用光电池或光电管等光电转换元件作监测器来测量通过有色溶液后透射光的强度，从而求出被测物质含量的方法 光电比色法 ,2.2 光电比色计的基本结构,图2.7 光电比色计的结构图,典型的光电检测器,1）光电管2) 光电倍增管由阴极和多个倍增级组成。灵敏度比光电管强200倍。3)CCD检测器新型多通道光学检测器件，模拟集成电路芯片。,图2.11 光电管及其电路,图2.12 CCD的典型结构,第三章 分光光度计,1. 分光光度法2. 分光光度计的结构3. 分光光度计光学系统4. 分光光度计测定方法5. 721型分光光度计简介6. 分光光度计的维护和保养7. 特殊分光光度计,3.1 分光光度法分子吸收光谱与物质结构有关，而吸光度大小与物质的含量有关，可利用分子的吸收光谱的形状和吸收度的大小定性和定量的分析物质。,表3.1 分光光度计与光电比色计的比较,图3.1 光谱分布与粒子跳跃关系,3.2 分光光度计的基本结构,图3.2 分光光度计方框图,3.4 分光光度计测定方法,分光光度滴定法以一定的标准液滴定待测物溶液，测定滴定中溶液的吸光度变化，通过作图法求得滴定终点，从而计算待测组分含量的方法。1）直接滴定法: 选择被滴定物、滴定剂或反应生成物之一摩尔吸光系数最大的物质的最大吸收波长为吸收波长进行滴定；2）间接滴定法：使用指示剂。,1）高吸收法：测定高浓度溶液用。选用比待测液浓度稍低的已知浓度溶液作标准溶液。2）低吸收法：测定低浓度溶液用。选用比待测液浓度稍高的已知浓度溶液作标准溶液。3）最精密法：同时用浓度比待测液稍高或稍低的两份已知溶液作标准溶液。,差示分光光度法选用一已知浓度的溶液作参比；,双波长分光光度法测定试样溶液对两波长光吸收后的吸光度差。,3.7 特殊分光光度计,图3.18 分光光度计的类型,第四章 自动生化分析仪,1. 自动生化分析仪简介2. 流动式自动生化分析仪3. 分立式自动生化分析仪4. 离心式自动生化分析仪5. 干片式自动生化分析仪6. 自动生化分析仪的性能评价7. 自动生化分析仪的实验参数8. ISP型半自动生化分析仪9. 生化分析仪的维护和保养,4.1 自动生化分析仪简介,对人的血液和其他体液中的各种生化指标进行分析的医学检验仪器。, 生化分析仪 ,把生化分析中的取样、加试剂、去干扰、混合、保温反应、检测、结果计算、显示和打印，以及清洗等步骤自动化的仪器。, 自动生化分析仪 ,结构形式：流动式（管道式）、离心式、分立式和干片式；自动化程度：全自动、半自动；测定的项目：单通道、多通道；复杂程度: 大型、中型和小型。,4.1.3 临床自动生化分析仪的类型,连续流动式（Continuous Flow Analysis)在反应达到平衡时测定的方式。,4.2 流动式自动生化分析仪待测的反应液在管道中边流动边反应的装置,主要部件：1）样品盘2）比例泵3）混合器4）透析器5）恒温器6）检测部7）记录器,图4.1 连续流动自动生化分析仪原理结构,管道式分析仪的特点是测定项目相同的各待测样品与试剂混合后的化学反应，是在同一管道中经流动过程完成的。这类仪器一般可分为空气分段系统式和非分段系统式。所谓空气分段系统是指在吸入管道的每一个样品、试剂以及混合后的反应液之间，均由一小段空气间隔开；而非分段系统是靠试剂空白或缓冲液来间隔每个样品的反应液。在管道式分析仪中，以空气分段系统式最多，且较典型，整套仪器是由样品盘、比例泵、混合管、透析器、恒温器、比色计和记录器几个部件所组成, 管道内的圆圈表示气泡，气泡可将样品及试剂分隔为许多液柱，并起一定的搅拌作用，但气泡影响比色，必须在比色前除去。,将几个单通道管道式分析仪结合起来，对一个样品同时测定几个项目。著名的有 12 通道分析仪，命名为顺序多项自动分析仪（ sequentialmultipleautoanalyzer ），简称 SMA12/60 。同时发展为 SMAC ， C 为计算机（ computer ）的缩写。这类大型分析仪至今仍有使用者。它对每个样品可同时分析 12 个项目，每小时可分析 60 个样品。后来发现不加入空气泡，更有利于结果的检测，发展为流动注射分析法（ flowinjectionanalysis ）。试剂的流动仍用比例泵驱动，样品用转动阀加入液流，反应后比色检测,流动注射式(Flow Injection Analysis)在反应达到平衡前进行测定的方式。,特点：一种新的高速分析技术，废弃了连续流动方式中用气泡间隔样品和必须使化学反应达到平衡状态的要求，使分析速度大幅度提高，每小时可分析60180个样品。,图4.6 流动注射自动生化分析仪原理结构,4.3 分立式自动生化分析仪(Discrete Analytical System)按手工操作的方式编排程序，并以有节奏的机械操作代替手工，按顺序依次自动操作各环节。,图4.8 分立式自动生化分析仪结构（二）,图4.7 分立式自动生化分析仪结构（一）,表4.1 分立式自动生化分析仪与流动式自动生化分析仪的主要区别,4.4 离心式自动生化分析仪样品和试剂放在特制的圆盘上，圆盘放在离心机上作为转头。,图4.9 离心式自动生化分析仪的转盘截面图,特点：1）样品与试剂的混合、反应和检测等步骤几乎同时完成；2）微量级的样品量（150l）和试剂量（120300l)；3）快速反应，连续比色，1秒内可进行多次测定；4）转头（现为一次成型的塑料制品）。,离心式分析仪是 1969 年以后发展起来的一种分析仪，由 Anderson 设计，其特点是化学反应器装在离心机的转子位置，该圆形反应器称为转头，先将样品和试剂分别置于转头内，当离心机开动后，圆盘内的样品和试剂受离心力的作用而相互混合发生反应，最后流入圆盘外圈的比色槽内，通过比色计进行检测.这类分析仪特点是： 在整个分析过程中，各样品与试剂的混合、反应和检测等每一步骤，几乎都是同时完成的，不同于管道式和分立式分析仪的 “ 顺序分析 ” ，而是基于 “ 同步分析 ” 的原理而设计。 样品量和试剂量均为微量级（样品用 1-50l ，试剂 120-300l ），快速分析（每小时可分析 600 个样品以上）。 转头是这类分析仪的特殊结构。早期的转头由转移盘、比色槽、上下玻璃卷和上下套壳六个部件组成，现已被一次成型的塑料制品代替。转头转动时，各比色槽被轮流连续监测，如转速为 960r/min ，转头上有 20 个比色槽，则每分钟可接受 19200 个电信号，配有微机进行控制和数据处理。,4.5 干片式自动生化分析仪采用干化学法进行测定。,图4.10 干片试剂结构示意图,特点：1）革除了液体试剂，采用干式试剂片；2）可进行电解质测定（干片由电极构成）；3）生化分析仪的新发展方向。,干片式分析仪是 80 年代问世的。首先 EastmanKodak 公司以其精湛的化学工艺造出了测定血清中血糖、尿素、蛋白质、胆固醇等的干式试剂片。当加上定量的血清后，在干片的前面产生颜色反应，用反射光度计检测即可进行定量。这类方法完全革除了液体试剂，故称干化学法。 BoehringerMannheim 公司推出了用全血的干征试剂。即将血细胞排除于滤膜之外，而血浆与试剂发生反应后显色检测。,1.色谱法的产生和发展2.色谱法的原理、优缺点和分类3.气相色谱仪的工作原理、结构和重要部件4.液相色谱仪的工作原理、结构和重要部件5.质谱仪的作用、原理和主要部件,第六章 色谱仪和质谱仪,6.2.1 色谱分离分析方法1）主要原理：基于各被分离物在固定相、流动相间的分配差异或其他亲和性质的差异，使流动相在比其表面巨大的固定相表面上流动，促使物质在两相间多次来回转移，将这种差异反复累加而变得很大，结果各物质随流动相移动的速率发生明显差别，从而使各物质按一定的顺序实现分离。,6.2 色谱法（层析法）高效的分离技术与灵敏的检测技术相结合，使得色谱技术几乎可以分析所有已知物质，在所有学科领域得到广泛应用。,2）基本工作过程,色谱流出曲线可提供的信息：色谱峰个数组分的最少个数；色谱峰保留值（或位置）定性分析；色谱峰面积、峰高定量分析；位置及区域宽度分离效能；两峰间距固定相（和流动相）选择是否合适。,图6.1 色谱法工作过程示意图,色谱行为的研究涉及到热力学和动力学,按流动相状态分按固定相的性质、形状分柱色谱（填充柱色谱和空心毛细管柱色谱）纸色谱、薄层色谱按分离过程的物理、化学原理分吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱,6.2.3 色谱法的分类,表6.2 色谱法按流动相状态的分类,6.5 质谱仪通过对被测样品离子的质荷比的测定进行分析的仪器。,质谱仪已有近90年历史，早期主要用于同位素测定和无机元素分析；20世纪40年代开始用于有机物分析；60年代出现气相色谱质谱联用仪，使质谱仪的应用领域扩展，开始成为有机物分析的重要仪器；70年代开始，计算机的应用使质谱分析法发生了飞跃变化，技术更加成熟、使用更方便；80年代以后又出现了新的质谱技术及比较成熟的液相色谱质谱联用仪、傅立叶变换质谱仪等等。目前质谱分析法广泛应用于化工、材料、环境、药物、生命科学、运动医学等各个领域。,6.5.1 质谱仪的分类种类繁多，工作原理和范围有很大不同,6.5.2 质谱仪的结构和工作原理,图6.15 质谱仪的结构方框图,工作原理,送入样品,原子、分子电离,按质荷比大小分离,离子流强度检测,记录成质谱图,工作过程,图6.16 单聚焦质谱仪的示意图,液相色谱质谱串联检测蛋白质,第七章 电泳仪,1. 电泳分离分析方法2. 电泳仪的基本结构3. DYY-III2型稳压稳流电泳仪4. 电泳分析仪的现状,什么叫电泳技术？在电场的作用下，由于待分离样品中各种分子带电性质以及分子本身大小、形状等性质的差异，使带电分子产生不同的迁移速度，从而对样品进行分离、鉴定或提纯的技术。应用领域电泳技术广泛的用于临床诊断、工业制备和基础理论研究中。,7.1 电泳分离分析方法溶液中带电粒子在直流电场中向电性相反电极移动的现象称为电泳。,对一系列与生物有关的物质的鉴别、分离、提纯都离不开电泳技术。,7.1.1 电泳原理由于电荷、质量等差异的存在，使得溶液中的离子或其他带电颗粒在电场中具有不同的迁移电泳原理,图8.1 电泳工作原理图,电泳原理的数学表示,在两个平行电极上加一定的电压V，就会在电极中间产生电场强度E，在稀溶液中，电场对带电分子的作用力F，等于所带净电荷q与电场强度E的乘积，即：,对于球状分子，阻滞力F的大小服从Stokes定律，即：,示例：用电泳法分离血清蛋白的各种蛋白质,图8.2 正常人血清蛋白电泳示意图,根据被分离样品的多少，分为分析电泳和制备电泳；根据电泳电压的高低，分为1）高压电泳：电压500V，分离速度快，但产热多，必须使用冷却装置； 适用于小分子物质的分离；2）常压电泳：电压500V，医学检验使用的电泳分析多属这一类。,7.1.3 电泳的分类,根据是否使用介质，分为1）自由电泳：不用支持介质，电泳在溶液中进行；2）区带电泳：使用支持介质，目前应用最广泛的一种。,根据电泳系统的组成是否均一，分为1）连续电泳（均相电泳）：整个电泳系统使用相同的支持介质和缓冲液；2）不连续电泳（多相电泳）：使用不同的支持介质和缓冲液。,滤纸电泳最早应用，仪器简单，操作方便。醋酸纤维素薄膜电泳适用于所有的生物样品；电泳区带清晰、分辨率高、样品用量少、电泳时间短、检测灵敏度高，但吸水性较差。琼脂糖凝胶电泳广泛用于同工酶、血浆脂蛋白分离，也可用于免疫电泳。聚丙烯酰胺凝胶电泳主要用于特殊蛋白质的研究，特别用于基因变异或同工酶的研究。,7.1.4 常用电泳技术电泳过程必须在一种支持介质中进行。凝胶作为支持介质的引入促进了电泳技术的发展，使电泳技术成为分析蛋白质、核酸等生物大分子的重要手段。,等电聚焦电泳利用具有线性pH梯度的电泳介质来分离等电点不同的蛋白质的一种电泳新技术，是电泳技术中分辨率最高、灵敏度最好的一种，特别适用于分子量相同而电荷不同的蛋白质的分离。,7.1.5 电泳新技术简介,双向电泳先把样品从一个方向进行电泳分离（按电荷性质） ，再在与其成90度方向上进行第二次电泳分离（按分子量）。它是一种高分辨率的分离分析手段，特别在遗传学和分子病的研究方面具有重要意义。,转移电泳将凝胶电泳的高分辨率与放射标记或酶标等免疫化学方法的高灵敏度结合起来，为生物化学和分子生物学研究提供了一种新的分析手段。,IEF/SDS-PAGE双向电泳法对蛋白质的分离极为精细，特别适合于分离细菌或细胞中复杂的蛋白质成分。,毛细管电泳为DNA片段、蛋白质及多肽等生物大分子的分离、回收提供了快速、有效的途径。,
