Cơ sở vật lý dùng trong máy xét nghiệm nước tiểu

CƠ SỞ VẬT LÝ  DÙNG TRONG MÁY XÉT NGHIỆM NƯỚC TIỂU.

          Máy nước tiểu hay còn gọi là Quang kế phản xạ. Vì vậy, về cơ sở quang học và quang điện đã được trình bày trong tài liệu máy quang kế, bạn đọc tham khảo thêm. Trong tài liệu này chỉ trình bày một số phần bổ xung.

1. Công thức tính tỷ lệ phản chiếu.

          Tỷ lệ phản chiếu (R) được tính theo công thức:

          R(%)= T­_m.C_s/T_s.C_m

          Trong đó:

          T­_m : hoạt tính phản chiếu của bước sóng đo đối với vùng thử

          T_s : hoạt tính phản chiếu của bước sóng mẫu đối với vùng thử

          C_m : hoạt tính phản chiếu của bước sóng đo với vùng chuẩn

          C_s : hoạt tính phản chiếu của bước sóng mẫu với vùng chuẩn

          Công thức này được sử dụng trong máy quang kế phản xạ để tính nồng độ chất trong vùng thử.

2. Linh kiện điện phát quang.

          Trong máy nước tiểu thường dùng nguồn sáng trắng sau đó lọc để được các dải ánh sáng đơn sắc hoặc sử dụng nhiều điốt phát quang (LED- Light Emitting Diode) phát ra một dải bước sóng đơn sắc nhất định.

          Các nguồn sáng trắng đã được trình bày chi tiết trong tài liệu về máy quang kế, trong tài liệu này chỉ trình bày về nguyên lý và cấu trúc của LED.

          LED là một dụng cụ bán dẫn có một lớp tiếp giáp p-n, trong đó có sự biến đổi năng lượng điện thành năng lượng bức xạ ánh sáng do sự tái hợp của điện tử và lỗ trống.

         

 Khi phân cực thuận, eletron từ bán dẫn n chuyển sang bán dẫn p. Electron nhận năng lượng của điện trường chuyển trạng thái từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao. Electron ở trạng thái kích thích tự phát chuyển xuống mức năng lượng thấp và phát ra bức xạ ánh sáng có năng lượng bằng hf ( h là hằng số Plank, h=6,62.10^-34 J.s, f là tần số ánh sáng).

Khi xảy ra sự tái hợp electron với lỗ trống, electron từ vùng dẫn chuyển xuống vùng hoá trị. Năng lượng của photon tương ứng với sự chuyển dời này được xác định bởi độ rộng vùng cấm của của chất bán dẫn, nó tuỳ thuộc vào vật liệu làm LED.

Các thông số đặc trưng cho LED:

Độ dài bước sóng phát ra: l được xác định bởi hiệu mức năng lượng gây ra sự chuyển dời bức xạ của các electron:

l=h.c/DW_C

Trong đó:  h là hằng số Plank

c =3.10⁸ m/s là vận tốc ánh sáng

DW_C tính bằng eV là khoảng cách giữa hai mức năng lượng xảy ra sự chuyển dời.

Thông thường, LED không phát ra một ánh sáng duy nhất mà nó có khoảng bước sóng tương đối hẹp l+D l. Vì vậy mỗi loại LED thường phát ra một màu sắc xác định.

Bảng dưới đây nêu một số thông số của các điốt phát quang:

Màu	Bước sóng	Vật liệu	UD (10mA)	Công suất (mW)
Hồng ngoại	900	GaAs	1,3-1,5V	100-500
Đỏ	655-665	GaP, GaAsP	1,6-1,8V	100
Vàng	538	GaP, GaAsP	2-2,2v	120
Xanh	565	GaP	2,2-2,4V	120

U_D là điện áp sụt trên LED khi có dòng 10mA chạy qua. Đèn led được dùng khá nhiều trong các máy xét nghiệm nước tiểu hiện nay với ưu điểm là cho độ đơn sắc tốt ngoài ra thì tuổi thọ kéo dài tới 500 000 giờ. Nó có thể được dùng cho khối phát quang hoặc dùng làm đèn chỉ thị kết quả hay một số dạng đèn chỉ thị khác như để báo hiệu.

Đặc trưng von-ampe của LED được trình bày trên hình 1.2

 

Ký hiệu của LED được cho trên hình 1.3a và cách mắc LED trong mạch điện được cho trên 1.3b

Hình 1.3. Kí hiệu và cách mắc LED

Để phát ánh sáng thì LED phải được phân cực thuận, điện trở R được mắc nối tiếp để phân áp cho LED, giá trị của điện trở được xác định tuỳ theo giá trị điện áp nguồn cung cấp V_cc và loại LED được dùng, và được tính theo hệ thức sau:

          R=(V_cc-U_D)/I_D.

Ví dụ: đối với LED màu đỏ dòng qua điốt I_D=5mA. Sụt thế trên điốt là 1,7V, nguồn nuôi là 5V thì R»660W.

3. Một số  linh kiện thu quang

3.1.  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 1.4 a,b.

Hình 1.4. 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_f, 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 1.4 c, và có nguồn nuôi ở mạch ngoài như hình 1.4 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 1.5.

Hình 1.5. 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 f được trình bày trên hình 1.6.

 

Sự phụ thuộc này được biểu diễn bằng công thức: I_f=K_f.f

Trong đó K_f được gọi là độ nhạy tích phân của photođiốt, K_f= I_f/f. 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 photođiốt cũng 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, I_p là dòng quang điện tạo ra từ việc hấp thụ ánh sáng có công suất P_opt tại bước sóng l (tương ứng với năng lượng photon hv). Một trong các hằng số ảnh hưởng tới hiệu suất lượng tử là hằng số hấp thụ a. Vì  a 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 l_c được tạo ra bởi độ rộng vùng cấm, ví dụ bước sóng cắt khoảng 1.8mm với Gemani và cỡ 1.1mm với silic. Với các bước sóng dài hơn l_c, giá trị của a quá nhỏ để xuất hiện sự hấp thụ trong. Với các bước sóng ngắn thì giá trị của a 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 1.8 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 0.8-0.9mm. Tại vùng có bước sóng 1.0-1.6mm, 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 1.8. 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.

3.2.  Phototranzito

Phototranzito cũng là một dụng cụ quang bán dẫn, nó là phần tử nhạy quang có cấu trúc như một tranzito, hoạt động như một photođiốt nhưng có khả năng khuếch đại dòng quang điện.

Ánh sáng có thể rọi vào B, C, E hoặc cả 3 miền tuỳ vị trí của cửa sổ quang. Tương tự như tranzito, phototranzito cũng có hai loại thuận p-n-p và ngược n-p-n. Cấu trúc và kí hiệu của phototranzito được trình bày trên hình 1.9.

Hình 1.9.  Cấu trúc và kí hiệu của phototranzito

Có thể mắc phototranzito trong các sơ đồ đo quang như các tranzito thông thường (hình 1.10 d) hoặc có thể mắc trở tải với các cực EB, BC hoặc EC còn để trống một chân ( hình 1.10. a,b,c)

Hình 1.10.  Sơ đồ mắc phototranzito

Họ các đường đặc trưng von-ampe của phototranzito được trình bày trên hình 1.11.

I­_T: dòng tối khi cường độ ánh sáng f=0

Trong sơ đồ E chung, I_c=b.I_f+I_T

b: hệ số khuếch đại dòng của phototranzito

Với đặc tính độ nhạy cao, phototranzito gần như đã được dùng trong tất cả các máy cần có đầu thu quang, và dần thay thế photođiốt.