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谈谈体外诊断的“光学法”(一)

2021.7.01
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

体外诊断(In Vitro Diagnosis,IVD)是指将血液、体液、组织样本从人体中取出后进行检测而进行的诊断。IVD 在现代社会中扮演着越来越重要的角色,目前临床上80%以上的疾病诊断都依靠它。其在疾病预防、诊断、监测以及指导治疗的全过程中,发挥着极其重要的作用,是现代疾病与健康管理不可或缺的工具,也被人誉为了医生的“眼睛”。


而让这双大“眼睛”真正具备发现和诊断能力的,则是它心中那道“光”,也就是体外诊断中所用的“光学法”。


在传统的实验室中,我们可以通过光的发射、吸收等特性来分析物质的种类、多少;用颗粒物对光的散射特性来分析颗粒物的大小、多少。现在人们把传统分析仪器的方法和血液学、免疫学、生物化学、标记技术结合起来,就形成了目前的临床检验的方法。光学法是一种安全、可靠、非接触的检测方法,测试荧光、分析光谱、读取颜色等都是目前检验医学中对光学法的典型应用。

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就像在传统分析仪器行业一样,光电探测器和光源在体外诊断的仪器中也有着重要的地位,别看探测器在一个设备中可能仅仅是小小的一块,但却是方法学的核心,探测器的性能对于设备功能的实现、性能的好坏会起到非常关键的作用。检验医学设备一般会对传感器探测下限、信噪比、动态范围、抗干扰性能方面有着很高的要求。


那么,体外诊断中“光学法”的种类有哪些?光电探测器、光源等如何对应相关应用?接下来,就让我们进一步走近“光视角”下的体外诊断技术,揭开这些问题的答案吧!

发光法

目前在体外诊断中主要的发光种类有以下几种:


1

化学发光(chemiluminescence)

指伴随化学反应过程所产生的光的发射现象。某些物质(发光剂)在化学反应时,吸收了反应过程中所产生的化学能,使反应的产物分子或反应的中间态分子中的电子跃迁到激发态,当电子从激发态回复到基态时,以发射光子的形式释放出能量,这一现象称为化学发光。其中有酶促反应、电化学发光等,像化学发光免疫分析仪、电化学发光免疫分析仪都是利用的这种方法。

2

生物发光(bioluminescence)

是指发生在生物体内的发光现象,如萤火虫的发光,反应底物为萤火虫荧光素,在荧光素酶的催化下,利用ATP能,生成激发态氧化型荧光素,它在回复基态时多余的能量以光子的形式释放出来。我们可以利用这种方法对一些病毒、细菌进行检测。

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萤火虫的光芒属于生物发光

3

光致发光(photoluminescence)

也就是我们常说的荧光,是指发光剂(荧光素)经短波长的入射光照射后,电子吸收能量跃迁到激发态,在其回复至基态时,发射出较长波长的可见光(荧光)。像经常听到的实时荧光PCR、流式细胞分析仪、时间分辨免疫荧光、生物芯片扫描仪就用到这种方法。


利用免疫学、基因学的方法,我们将特定的标记物加入到要检测的血液、体液、组织等样本上,而这些标记物会在发生化学反应、酶催化作用、电流作用或者光照下发出特定的光,我们通过检测光的强度就可以得到标记物的多少,从而确定样本中含有某种物质的多少,这种方法目前被使用在化学发光免疫分析仪、电化学发光分析仪、流式细胞分析仪、荧光PCR等仪器中。

探测器光源


光电倍增管模块和光子计数探头作为极微弱光检测器件,正在发挥着不可替代的作用,而闪烁氙灯作为大功率紫外光源,也越来越受到仪器厂商的青睐。

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比色法

比色法,同样的是标记物与特定的试剂反应以后会有显色反应,就像我们所熟悉的PH试纸一样,在不同酸碱度下会呈现不同的颜色。体外诊断中也是如此,例如金标仪、尿液分析仪就是一种典型的显色,不同的物质、不同物质含量会让试纸或者试剂显示不同的颜色。


对于传统的方法我们可以通过我们的眼睛去判断颜色,不过不同的人、不同的光线条件下人眼对于颜色的分辨就会有偏差,存在一定的主观性,另外也会消耗大量的人力。现在人们使用光学法,可利用不同颜色对于光的反射不一样这一特点,进行准确的判别。

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探测器光源


我们通过颜色传感器或者光电二极管测试光的反射量,就可以得到颜色的信息,有效的提高检验的准确性。

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色彩传感器

光谱吸收法

光谱吸收法是进行物质种类、多少进行分析的典型方法,广泛应用在实验室设备中,有原子光谱、分子光谱、吸收光谱、发射光谱等。体外诊断中的生化分析仪就使用了这种经典的分析方法,对血清、尿液、脑脊液等不同物质的含量进行分析。生化分析仪可以看成是特殊应用的分光光度计。


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