一、引言

酶标仪（Microplate Reader）广泛用于生命科学研究、医学诊断、食品安全检测等领域，其核心任务是对微孔板内反应产物进行光学信号检测。由于该类检测仪器依赖精密光学与电子电路，在长期使用或环境变化影响下容易产生读数偏差，因此必须定期校准以确保检测精度。随着自动化水平提高，现代酶标仪普遍具备自动校准功能。该功能无需人工干预即可完成光路、电压、温度等系统关键参数的自我调整和误差补偿，是维持仪器性能稳定的关键手段。本文从原理、类型、流程、应用及优化方向等多方面系统剖析酶标仪的自动校准功能。

二、自动校准功能的必要性

1. 保证测量数据准确

光密度（OD）、荧光强度、发光值等检测信号极易受到光源衰减、光路偏移、电压波动等因素影响。若不及时校准，长期累积的微小误差可能导致实验结果失真，影响科研判断或临床诊断。

2. 减少人为干预和操作误差

传统手动校准需使用标准板、比色液、人工调整电位器等手段，费时费力且对操作员技能要求高。自动校准功能通过传感器反馈和算法调节，降低人为误差发生概率。

3. 提高设备运行效率和稳定性

自动校准可设置为开机前自动执行、定时执行或在检测前快速完成，减少仪器维护时间，同时预警潜在硬件故障，避免在关键实验过程中发生意外停机。

三、酶标仪自动校准功能类型

酶标仪的自动校准功能可分为以下几类，每类对应一种核心指标或系统部件：

1. 光强校准（光源强度校准）

用于检测和调整光源发出的光强是否在设定范围内。常见于吸光度检测系统，其流程如下：

• 内部设有参考光电探头（Reference Detector）；

• 仪器开机或每次测量前将光源对准参考探测器；

• 实时测得的光强值与出厂设定标准对比；

• 若偏差超限，系统自动调节光源电流或曝光时间，确保一致性。

2. 零点校准（背景校正）

也称“暗电流校准”或“光路背景校准”，用于扣除仪器本身产生的背景信号，具体流程包括：

• 关闭全部光源或挡光片遮蔽光路；

• 探测器读取无光状态下的本底电压或光电流；

• 将该背景值设为零点或在后续读数中自动扣除。

该功能对检测灵敏度影响显著，特别在荧光、发光检测模式下至关重要。

3. 光路校准（对准与定位）

用于确保光源、滤光片、探测器在空间几何上精准对齐，避免光斑偏移、探测点偏差。

• 通常通过预设校准孔（Calibration Hole）进行；

• 系统移动孔板托盘至校准孔位；

• 采集反射或透过信号判断光斑是否位于孔中心；

• 若发现偏移，则调整电机定位步数或偏移量表。

部分高端设备甚至具备自动成像功能，对焦光学通路进行精确校准。

4. 滤光片校准（波长精度修正）

针对多波长检测或可变波长设备（如单色仪模块），通过校准标准波长孔或内置波长校准板进行自动调整。

• 在仪器内部设有已知波长反射/吸收标准物；

• 切换滤光片至指定波段；

• 检测是否匹配标准信号强度；

• 若偏离则调整滤光片位置或系统波长值进行补偿。

这项功能在紫外检测及多波长动力学实验中非常关键。

5. 温度校准

部分酶标仪带有恒温孵育模块，为保证酶反应活性，需要精确的温控系统。温度校准过程如下：

• 内置多个温度传感器（热敏电阻、热电偶等）；

• 校准时加热器模拟不同温度；

• 系统读取各传感器信号与标准温度对比；

• 修正传感器响应曲线并自动调整PID控制参数。

如未校准，易出现边缘孔温度过高或过低导致检测误差。

6. 电压/增益校准（主要针对PMT）

对于配有光电倍增管（PMT）的设备，校准功能可调节其放大倍数（增益），以保证信号幅度处于理想范围。

• 系统通过标准强度光源激发PMT；

• 采集信号与设定目标电压对比；

• 自动调整偏压电压或增益系数，确保线性输出。

此功能在发光检测、低浓度荧光检测中尤其重要。

四、自动校准实现原理与技术构成

1. 传感器反馈机制

自动校准依赖多个关键传感器实时提供反馈数据，包括：

• 光学传感器（光电二极管、CCD、CMOS等）；

• 温度传感器（NTC、PT100等）；

• 位移传感器或霍尔元件（用于转盘定位）；

• 电压监测电路（监测光源驱动电压、探测器电流）。

这些传感器通过I2C、SPI或ADC通道与主控制器（MCU或FPGA）通信。

2. 嵌入式算法与校正模型

校准过程中的数据处理依赖嵌入式软件算法，如：

• 零点补偿算法：基于最小二乘法对背景漂移进行拟合；

• 增益调节算法：依据校准点信号自动调节放大倍数；

• PID温度调控算法：通过反馈调整加热元件功率；

• 校准矩阵法：对多个波长、孔位等进行多因子补偿；

• 机器学习优化（在高端设备中出现）：训练系统在温度、湿度、电压变化下的非线性误差模型，实现动态预测修正。

3. 校准存储机制

校准后的修正数据需储存在非易失性存储器中，如EEPROM或Flash，通常包括：

• 光源电流校正因子；

• 探测器灵敏度系数；

• 各温度传感器偏差表；

• 波长切换位置偏移值等。

在断电重启后，仪器仍能维持校准状态。

五、自动校准的运行模式与触发机制

1. 开机自检式校准

设备每次上电启动时会自动执行一轮简易校准，包括零点、电压、光源初始状态等。优点是确保每日首次使用前状态一致。

2. 定时循环校准

高端设备可设定每隔固定时间（如24小时）自动执行全功能校准，适合连续运行或无人值守的工作场景。

3. 检测前自动执行

部分实验模式（特别是动力学曲线、发光检测）在每轮检测开始前执行快速校准，防止因温度变化、光源预热状态不同而产生偏差。

4. 手动触发校准

用户可在操作界面中手动启动校准程序，适用于软件升级、硬件更换、实验条件变更等场景。

六、校准状态反馈与异常处理

1. 校准状态指示

仪器面板或软件界面通常会显示校准状态，如：

• 校准中（Calibrating…）；

• 成功（Calibration Passed）；

• 失败（Calibration Failed）；

• 建议重新校准（Warning: Drift Detected）。

2. 常见校准异常原因

• 光源老化，发光不稳定；

• 探测器偏压电路损坏；

• 滤光片驱动马达卡滞；

• 温度传感器误差过大；

• 校准标准块污染、损坏。

一旦校准失败，应检查系统日志、硬件状态、传感器读数，并按仪器说明书或厂商指导进行维护。

七、自动校准与质量控制的关系

1. 自动校准提升质量追踪能力

通过周期性自动校准并记录相关参数（如光源衰减速度、背景噪声曲线），可以形成设备运行质量历史档案，辅助判断仪器性能趋势，避免在临界状态继续使用。

2. 接入LIMS或MES系统

现代仪器支持自动将校准记录上传至实验室信息管理系统（LIMS）或制造执行系统（MES），实现数据溯源、故障追踪与规范审计。

3. 与GLP/GMP规范对接

制药、诊断领域要求设备运行必须合规（如FDA CFR 21 Part 11），自动校准记录为电子签名系统提供关键数据支撑，使设备符合质量管理体系要求。