嚴(yán)榮國(guó) 邵泓燃 程清源

在臨床診斷和治療過程中，通常需要收集患者的血液、體液、分泌物等，除目視觀察外，還可采用物理、化學(xué)、生物化學(xué)、免疫學(xué)等多種手段，對(duì)臨床診斷指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和分析［1-5］。根據(jù)國(guó)家藥品監(jiān)督管理局（National Medical Products Administration，NMPA）發(fā)布的《醫(yī)療器械監(jiān)督管理?xiàng)l例》中的相關(guān)規(guī)定，臨床檢驗(yàn)分析儀器可分為血液學(xué)分析設(shè)備、生化分析設(shè)備、電解質(zhì)及血?dú)夥治鲈O(shè)備、免疫分析設(shè)備等。在上述臨床檢驗(yàn)儀器中，經(jīng)常需要使用定量調(diào)配的溶液，如血細(xì)胞分析中用到的血液、清洗液、稀釋液［6］，流式細(xì)胞術(shù)分析中用到的樣品和鞘液，生化分析中用到的樣品和試劑，免疫分析中用到的抗原、抗體、封閉液等［7］。這些液體可能為稀溶液或濃溶液，其流動(dòng)形式可能為牛頓流體或非牛頓流體，可能呈現(xiàn)穩(wěn)流或湍流。在使用這些液體時(shí)，常需用到液面檢測(cè)技術(shù)（liquid level detection technology），有時(shí)也利用液體中的氣泡進(jìn)行定量檢測(cè)，即氣泡檢測(cè)技術(shù)（bubble measuring technology）［8-10］。

在對(duì)裝有組織液、試劑、封閉液等液體的容器進(jìn)行液位探測(cè)時(shí)，根據(jù)傳感器與液位是否接觸，可分為接觸式和非接觸式，接觸式液位探測(cè)的原理主要有：① 電容法，利用靜電原理和液體電容的介電常數(shù)發(fā)生改變制成；② 電阻法，不同的液體被測(cè)點(diǎn)具有不同的電阻；③ 機(jī)械振動(dòng)法，根據(jù)機(jī)械振動(dòng)原理設(shè)計(jì)；④ 壓力法，通過對(duì)裝有液體容器的底部壓力進(jìn)行檢測(cè)從而得出液位高度。非接觸式液位傳感器的原理主要有：① 光電法，利用光在不同介質(zhì)中折射率不同的原理制成；② 超聲法，利用超聲波特性制成。本文介紹臨床常用的光電式液面檢測(cè)技術(shù)（非接觸式）和電容式液面檢測(cè)技術(shù)（接觸式）。

1 光電式液面檢測(cè)技術(shù)

1.1 工作原理 光電式液面檢測(cè)技術(shù)或氣泡檢測(cè)技術(shù)的工作原理及光路圖見圖1。該裝置主要由發(fā)光管E、接收管R、光闌1和光闌2、凸透鏡1和凸透鏡2組成。光闌1和光闌2起到限制光能的作用；在玻璃管或橡膠管內(nèi)無液體流過光軸（或存在較大氣泡）時(shí)，左側(cè)的凸透鏡1將點(diǎn)光源E發(fā)出的光經(jīng)過光闌變?yōu)槠叫泄庠?，照射到玻璃管或者橡膠管上，而右側(cè)的凸透鏡又將光線匯聚，經(jīng)過光闌2，照射到接收管R上，整個(gè)光路通暢；而當(dāng)有液體經(jīng)過（或無氣泡存在）時(shí)，接收管R接收不到光信號(hào)，或接收到的光信號(hào)十分微弱。在實(shí)際應(yīng)用中，玻璃管或橡膠管的管壁充當(dāng)透鏡。通過改進(jìn)電路或軟件算法，也可以省去光闌。

圖1 光電式液面檢測(cè)技術(shù)工作原理及光路圖

1.2 典型應(yīng)用 光電式液面檢測(cè)技術(shù)在臨床檢驗(yàn)儀器中的典型應(yīng)用包括：① 血漿黏度測(cè)定；② 血細(xì)胞分析技術(shù)；③ 電解質(zhì)分析技術(shù)。

1.2.1 血漿黏度測(cè)定 當(dāng)血漿在體外以層流形式在半徑為R的毛細(xì)管中流動(dòng)時(shí)，液層之間存在摩擦現(xiàn)象，其流動(dòng)形式符合泊肅葉（Poiseuille）方程。

其中Q為單位時(shí)間內(nèi)流過某一橫截面的液體體積，p為血漿承受的壓力差，L為毛細(xì)管的長(zhǎng)度，η為黏度系數(shù)（或黏度）。由于式中毛細(xì)管半徑R和血漿承受的壓力差p不易被精確測(cè)得，直接用公式（1）計(jì)算容易產(chǎn)生較大誤差。因此在實(shí)際使用中，η值一般對(duì)比兩種液體，采用相對(duì)法進(jìn)行計(jì)算求得，計(jì)算方法及定義公式如下。

取相同體積的兩種液體〔被測(cè)液體p，如血漿（plasma）；參考液體w，如水（water）〕，在重力作用下分別流過同一支毛細(xì)管黏度計(jì)（圖2所示為奧氏毛細(xì)管黏度計(jì)）。若測(cè)得流過相同體積（Va-b）液體所需的時(shí)間為tp與tw，則可得以下公式。

圖2 奧氏毛細(xì)管黏度計(jì)液面檢測(cè)示意圖

由于液體壓強(qiáng)存在公式p＝ρgh（h為液體高度，ρ為液體密度，g為重力加速度），若測(cè)定時(shí)采用同一支液體黏度計(jì)，則根據(jù)式（2）和（3）分別計(jì)算，可得以下公式。

在測(cè)得tp、tw、ρp，ρw后，由于參考液體的黏度為固定值ηw，即可求得該溫度下的被測(cè)液體黏度ηp?？梢娺@種測(cè)定液體黏度方法的關(guān)鍵之處在于精確測(cè)定液體流過毛細(xì)管的時(shí)間tp和tw。

以圖2奧氏黏度計(jì)為例，在a、b處均配有一個(gè)發(fā)光管和接收管，用于液體流動(dòng)時(shí)的液面檢測(cè)，液體從上向下流動(dòng)，當(dāng)流動(dòng)到a處時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)開始，而流動(dòng)到b處時(shí)再次觸發(fā)計(jì)時(shí)結(jié)束。用這種方法分別測(cè)

臨床上血細(xì)胞分析儀器中常用的兩種定量裝置見圖3，其中圖3A為定量管，其負(fù)壓口朝下，在負(fù)壓作用下，經(jīng)過稀釋的血細(xì)胞流經(jīng)寶石微孔（直徑約100 μm）進(jìn)入定量管，當(dāng)?shù)竭_(dá)光電晶體管a處時(shí)觸發(fā)啟動(dòng)計(jì)數(shù)，當(dāng)血細(xì)胞到達(dá)b處時(shí)觸發(fā)停止計(jì)數(shù)，此時(shí)被測(cè)血量可按以下公式計(jì)算得到。

定量管水平放置示意圖見圖3B，定量管內(nèi)液體也呈水平流動(dòng)。此時(shí)采用放氣電磁閥向定量管內(nèi)釋放氣泡，而光電檢測(cè)裝置1和2用來檢測(cè)氣泡的有無，從而對(duì)其進(jìn)行定量檢測(cè)。

圖3 血細(xì)胞分析儀中的兩種液面檢測(cè)定量裝置

1.2.3 電解質(zhì)分析技術(shù) 絕大部分電解質(zhì)分析儀都直接采用離子選擇性電極（ion selective electrode，ISE）技術(shù)分析血清、血漿、全血及尿液中的鈉離子定兩種液體流經(jīng)a、b兩處的時(shí)間，即可根據(jù)式（4）計(jì)算出被測(cè)液體的黏度。該方法通常用于檢測(cè)牛頓流體（如血漿）。

1.2.2 血細(xì)胞分析 由于血細(xì)胞是電的不良導(dǎo)體，若將血細(xì)胞放入盛有稀釋液的樣品杯中，當(dāng)其因負(fù)壓作用進(jìn)入由寶石組成的小孔時(shí)，溶液的等效電阻會(huì)瞬間增大。如果此時(shí)回路中接入了恒流電源，則電壓隨之增大。電壓變化的幅度與血細(xì)胞的大小有關(guān)，而脈沖的多少與細(xì)胞個(gè)數(shù)有關(guān)。

臨床上血細(xì)胞計(jì)數(shù)通常需要將檢測(cè)到的血細(xì)胞數(shù)量轉(zhuǎn)換為每1 mL溶液中所包含的紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板數(shù)量。設(shè)被檢出的血量為Y（mL），稀釋倍數(shù)為C，計(jì)數(shù)結(jié)果為S，則每1 mL內(nèi)細(xì)胞個(gè)數(shù)X的計(jì)算公式如下。（Na+）、鉀離子（K+）、氯離子（Cl-）等濃度。在電解質(zhì)分析技術(shù)中，選擇銀或氯化銀（AgCl）作為參考電極，其產(chǎn)生的參考電位能夠穩(wěn)定在一定的數(shù)值；而用于測(cè)量的電極，其電極電位會(huì)隨著測(cè)得的樣品濃度變化而發(fā)生改變，變化的電位和濃度呈對(duì)數(shù)關(guān)系，可用能斯特方程表示。

其中E為樣品溶液中的電極電位，E0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電極電位，RT/nF是一個(gè)與電極反應(yīng)值有關(guān)的常量，γ為溶液中的離子活度，C為溶液中的離子濃度。

圖4為典型的電解質(zhì)分析裝置原理圖，其中有測(cè)量電極K+、Na+、Cl-以及氣泡檢測(cè)裝置B。氣泡檢測(cè)裝置左側(cè)為發(fā)光管，右側(cè)為接收管，用于判定電解質(zhì)溶液吸樣是否到位［11-12］。

圖4 電解質(zhì)分析中的液面檢測(cè)定量裝置

2 電容式液面檢測(cè)技術(shù)

生化分析在各級(jí)醫(yī)院都發(fā)揮著重要作用，可用于測(cè)定血紅蛋白、膽固醇、肌酐、無機(jī)磷、淀粉酶、白蛋白等［13］。某生化分析儀器自動(dòng)采樣器外形見圖5。

圖5 某生化分析儀器自動(dòng)采樣器外形圖

自動(dòng)加樣模塊是生化分析儀的重要組成部分，其準(zhǔn)確度和精密度對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大影響。液位探測(cè)是自動(dòng)加樣模塊中不可或缺的部分，可以通過控制加液針插入液體的深度來實(shí)現(xiàn)。生化分析中較為普遍使用的是接觸式液位探測(cè)。電容式液位探測(cè)原理如圖6所示［14-15］，主要基于加液針接觸到液體后電容值發(fā)生變化的原理制成［16-21］。

圖6 電容式液面檢測(cè)技術(shù)原理圖

加液針作為電容器，ε1為空氣介電常數(shù)，ε2為待測(cè)液體的介電常數(shù)，L為加液針有效長(zhǎng)度，L'為加液針進(jìn)入待測(cè)液體的深度，r、R分別為加液針金屬管內(nèi)徑和外徑，Ctotal為總電容值，Cair為待測(cè)液體上方空氣所在部分的電容值，Cliquid為待測(cè)液體部分的電容值。按照公式（8）～（10）計(jì)算。

整理上述3式，可得

對(duì)同一加液針而言，式中L、ε1、ε2、r和R都保持不變，所以總電容值Ctotal與加液針進(jìn)入待測(cè)液體的深度L'呈線性關(guān)系，即可根據(jù)電容的變化確定加液針進(jìn)入液體的深度。

在生化分析儀的實(shí)際應(yīng)用中，電容式液位傳感器經(jīng)過電容/電壓轉(zhuǎn)換電路，放大濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換（analog to digital converter，A/D轉(zhuǎn)換），進(jìn)入中央處理器（central processing unit，CPU）進(jìn)行計(jì)算。樣本進(jìn)樣量為μL級(jí)，精度高，速度快，污染低。

3 兩種液面檢測(cè)技術(shù)的比較

由于光在不同的測(cè)量介質(zhì)之間傳播時(shí)會(huì)發(fā)生反射與折射等現(xiàn)象，因此根據(jù)該光學(xué)原理，可以制成光電式液位傳感器。從傳感器與液體是否接觸來看，光電式液位傳感器是一種非接觸式液位傳感器，在使用過程中具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、使用便捷、敏感度高、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，且可對(duì)耐熱、耐壓容器中的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿液體進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)檢測(cè)液體的影響較小。光電式液位測(cè)量傳感器不會(huì)受到被測(cè)液體的相關(guān)特性影響，包括被測(cè)液體的溫度、壓力、密度、電流等參數(shù)。

光電測(cè)量傳感器的液位探頭由于本身體積比較小巧，所以通?？稍谝粋€(gè)被測(cè)容器上同時(shí)安裝多個(gè)光電傳感探頭，制成可進(jìn)行多點(diǎn)液位探測(cè)的多點(diǎn)式液位測(cè)量傳感器。與其他液位檢測(cè)傳感器相比，光電元件的特性決定了光電式液位檢測(cè)傳感器具有更高的測(cè)量可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命，免除了調(diào)試和維護(hù)過程，可以自動(dòng)測(cè)量和校驗(yàn)，且安裝后即可直接使用，因其便捷性得到廣泛應(yīng)用。在許多裝有低黏度潔凈液體容器的重要檢測(cè)點(diǎn)，如液位上下限位點(diǎn)都可以安裝利用光學(xué)特性制成的光電液位檢測(cè)傳感器，以達(dá)到測(cè)量、監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警、定點(diǎn)自動(dòng)控制、判斷是否存在污染等目的。本文詳細(xì)介紹了幾種新型光電式液位傳感器在臨床檢驗(yàn)儀器中的主要應(yīng)用，包括以下幾方面：① 在血漿黏度測(cè)定中的應(yīng)用；② 在血細(xì)胞分析技術(shù)中的應(yīng)用；③ 在電解質(zhì)分析技術(shù)中的應(yīng)用。

電容式液位傳感器是利用被檢測(cè)液體與介質(zhì)液位表面的液體導(dǎo)電系數(shù)不同而直接引起液位變化的一種液位傳感器，具有檢測(cè)敏感度高、反饋和響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、溫度變化穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)過載能力強(qiáng)，可適用于惡劣環(huán)境。電容式液位傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以直接通過任何一種介質(zhì)來檢測(cè)容器內(nèi)部液位或液體溫度的改變，容器內(nèi)有污垢和沉淀物不會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。

本文介紹了電容式液位檢測(cè)傳感器在生化分析中的應(yīng)用。該方法在微量檢測(cè)（如血漿、血清上樣等）中應(yīng)用較多。臨床常用的液面檢測(cè)技術(shù)對(duì)比見表1。

表1 臨床常用液面檢測(cè)技術(shù)比較

3 結(jié)論

臨床檢驗(yàn)儀器針對(duì)血、尿、便、分泌物等樣本進(jìn)行測(cè)定和分析，這些研究樣本常存在病毒、細(xì)菌等病原體的交叉感染和污染問題，因此需采用自動(dòng)化、智能化的形式實(shí)現(xiàn)樣本、試劑等液體的上樣或定量檢測(cè)。用于檢測(cè)液體用量的液面探測(cè)技術(shù)往往是這類儀器必不可少的功能。本文介紹了臨床檢驗(yàn)儀器常用的液面檢測(cè)技術(shù)，可用于以下方面：① 對(duì)樣品、試劑、稀釋液等進(jìn)行吸樣探測(cè)；② 對(duì)樣品體積進(jìn)行定量檢測(cè)；③ 判定溶液是否吸樣到位。以幾類常用的醫(yī)用檢驗(yàn)儀器為例，概述了液面檢測(cè)技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)儀器中的應(yīng)用。另外，還有很多醫(yī)用檢驗(yàn)儀器也會(huì)用到此類液面檢測(cè)技術(shù)，如血?dú)夥治觥⒚嘎?lián)免疫分析技術(shù)、發(fā)光免疫分析等也用到了類似的液面檢測(cè)技術(shù)。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突