一种智能麦氏比浊计设计分析

倪晓强

（珠海贝索生物技术有限公司，广东珠海 519015）

0 引言

细菌菌液浓度测量是临床微生物实验室的日常工作之一，细菌悬浮在液体中，整体为浑浊状液体，其浓度采用专用的麦氏浓度来表示，普通比浊计无法测量，因此临床上常采用肉眼与不同麦氏浓度标准管比浊估算或专用麦氏比浊计测量。目前市场上所供应的比浊计产品大多为国外进口产品，价格较昂贵，导致很多国内实验室因负担不起而仍用人工目测比浊，直接影响到试验的效果和准确性。同时部分细菌，如结核分枝杆菌在配制菌液时需要使用磨菌管（依靠内装的小玻璃珠之间的互相碰撞、碾磨将菌团打散）磨菌，然后再吸出悬液比浊，不仅增加操作步骤而且存在潜在的生物安全问题。细菌比浊的目的基本都是需要配制成指定浓度，现有麦氏比浊计在测量后需要客户自行计算或多次尝试来达到目的，操作复杂、效率低，也容易导致操作人员的困惑。

1 对于开发智能麦氏比浊计的意义

鉴于目前存在的情况，开发了一款智能麦氏比浊计，功能在进口仪器基础上做了技术改良，不仅具有已有比浊仪的功能，而且还具有可直接对磨菌管进行比浊的功能，同时可以适应2种管径，可实现计算功能，可满足更多使用要求，更适合于广大国内微生物实验室使用。

2 当下国内外研究现状

国外一些知名厂商（如梅里埃、BD）已研制开发出性能稳定的浊度计，在国外市场占有一定份额，但价格较昂贵，难以在国内普及应用。国内一些厂商制造的浊度计稳定性相对较差，难以保证检测结果的准确性。同时现有产品均无磨菌管直接测量、自动计算功能。

3 智能麦氏比浊计硬件设计结构

（1）智能麦氏比浊计基于浊度测试的比浊原理设计。比浊原理的光学系统如图1所示，某一波长的光线，通过菌悬液后，其光强度将被减弱。由朗伯-比尔定律可知，入射光与透过光的强度比，与样品液的浊度和液体的厚度相关。若样品液层厚度一定，则吸光度与样品的浊度相关。据此，控制系统可根据光电池因透过样品池的光信号的强弱输出的不同电信号，来计算样品浊度。

图1 浊度法结构

（2）设计难点。在一定的样品浊度范围内，系统要对光电池的电信号进行线性化补偿与校正，以达到测试结果的精度要求（±0.1 McF）；低功耗设计，尽可能延长充电电池的单次使用时间；采用低成本双面板达到国家标准对医疗器械的强制性的电磁兼容性测试认证要求。

（3）为解决上述难点及存在问题，在硬件电路上，设计了全新的方案：硬件电路部分主要由电源模块、主控模块、光路模块、采样模块、显示模块、按键模块、RS232模块组成。功能框图如图2所示。

图2 硬件电路框图

3.1 电源模块

采用锂电池供电进行单+5 V电压源设计。该模块由充电管理电路、电池和升压电路组成。充电管理部分，具有过压、过流、过充、过温保护功能，保证了产品的安全可靠。锂电池容量为1800 mA·h，可供仪器正常使用30 d以上。另外，安全环保的锂电池代替原设计的碱性电池，也符合可持续绿色环保设计理念。升压部分，采用电荷泵升压原理，功耗低，转换效率高（90%）。

3.2 主控模块

采用高性能、低功耗的8位AVR（Alf-Egil Bogen，Vegard Wollan，RISC；Alf-Egil Bogen，Vegard Wollan，精简指令集）单片机ATmega64A-AU作为主控芯片，控制系统的充电、按键检测、数据采样与计算、结果显示与保存、结果输出、参数设置与保存。

3.3 光路模块

主要由恒流电路组成，为比浊法光路系统的光源提供恒定电流。基于运放加场效应管的恒流源，可提供精度较高的恒定电流，在保证LED（Light-Emitting Diode，发光二极管）发光光强的同时，也延长了LED光源的寿命。采用波长为590 nm的单色LED，可省去滤光片，简化了结构。且使用短波长的光，对于小颗粒的散射更为灵敏，利于测量。

为了实现直接测量磨菌管的功能，在光路设计上采用了高位单光径设计，避开了底部玻璃珠的干扰，实现直接测量功能。

3.4 采样模块

通过光电池采集透过样品池的光信号，并转化为电信号，经放大后输入到单片机。采样模块是整个设计的难点之一。光电池输出的是微弱的电信号，需要保证放大后提供给单片机的电信号不失真，即保持其线性关系，否则无法计算出正确的浊度值。

3.5 显示模块

LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）液晶显示模组，通过SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）协议与主控芯片通信，显示仪器的运行状态、测量结果、参数等。

3.6 按键模块

通过按键检测，实现对仪器的校准、测量、参数设置等操作。

3.7 RS232模块

实现对测量结果的输出。通过串口，可连接热敏打印机打印测试结果。

4 智能麦氏比浊计软件设计特点

软件系统功能框图，如图3所示。其中最大的特点，就是解决了自动计算和多途径校准功能。

图3 软件功能框图

计算功能根据客户设定的初始体积和目标浊度，自动计算需要增加的液体量，较人工计算更准确更高效。

多途径校准功能使得客户不用经常使用标准菌株进行多点校准，可以直接回复初始校准值，采用单点校正的方式保证测量值的准确性。

5 总结

随着智能麦氏比浊计的实际应用，其本身所具备的优势与特点逐渐被深入的开发出来，并且进行广泛的运用，使得实验室工作更加准确、便利。