一種帶磁力攪拌的免疫散射比濁儀的設(shè)計(jì)

楊延麗，潘 峰

(1. 廈門安防科技職業(yè)學(xué)院 福建廈門361026；2. 桂林長(zhǎng)海發(fā)展有限責(zé)任公司 廣西桂林541001)

0 引 言

C反應(yīng)蛋白(CRP)是一種急性時(shí)相反應(yīng)蛋白，在急性和慢性感染、創(chuàng)傷、腫瘤、心肌梗塞時(shí)其血濃度急劇升高，檢測(cè) CRP對(duì)臨床診斷有重要的參考價(jià)值[1]。目前我國臨床試驗(yàn)測(cè)定 CRP特定蛋白的方法主要有兩種，透射比濁法和散射比濁法。在大型全自動(dòng)生化分析儀器中常用的是透射比濁法，但是生化儀受其方法學(xué)的制約只能檢測(cè)到分子量大的蛋白，如免疫球蛋白和白蛋白。而臨床上需要了解的恰恰是分子量精確到 ng/mL或 pg/mL級(jí)別的蛋白含量。對(duì)于門診臨床快速診斷的要求而言，研制便攜式、小體積、快速檢測(cè)的特定蛋白免疫檢測(cè)儀器是非常必要的。這種專門的特定蛋白儀采用免疫散射比濁法，它可以將靈敏度提高到 ng/mL級(jí)別，從而增加了很多具有獨(dú)特臨床價(jià)值的蛋白檢測(cè)項(xiàng)目。

此外，為了適應(yīng)門診臨床診斷的簡(jiǎn)便、快速檢測(cè)需求，最新的CPR試劑通常采用全血進(jìn)行測(cè)試，省去了血清分離的處理過程，這對(duì)分析儀提出了更高的要求。為了適應(yīng)這種需求，本設(shè)計(jì)研制的特定蛋白分析儀器采用免疫比濁檢測(cè)方法，利用自動(dòng)化的攪拌功能，將病人全血與試劑充分混合，使免疫反應(yīng)中抗體抗原的結(jié)合更加充分。本儀器是一種將液相內(nèi)的沉淀反應(yīng)、現(xiàn)代光學(xué)檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)分析技術(shù)相結(jié)合的特定蛋白分析儀器，不僅可以檢驗(yàn) CRP，也可以測(cè)量免疫球蛋白、糖化血紅蛋白等。

1 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)免疫散射比濁檢測(cè)法原理，結(jié)合特定蛋白檢測(cè)試劑，針對(duì)全血檢驗(yàn)的需求，本儀器總體框圖如圖 1所示。儀器由嵌入式處理器、光學(xué)裝置、硅光電二極管、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、恒溫裝置、比色杯檢測(cè)傳感器、試劑IC卡讀卡器、微型打印機(jī)、USB接口、帶觸摸屏的顯示模塊、電源等模塊組成。

圖1 儀器總體框圖Fig.1 Block diagram of the instrument

根據(jù)本儀器所使用的試劑特性，其主要的散射光是前向散射，故本儀器采集前向角為15～25 °的前向散射光，采用兩級(jí)透鏡將搜集到的散射光聚焦，最后將光線投射到硅光電二極管上。光路設(shè)計(jì)如圖 2所示。

圖2 光路設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic of optical path design

2 比濁儀硬件設(shè)計(jì)

為了使儀器獲得較高的靈敏度和效率，光源與光電轉(zhuǎn)換器件的響應(yīng)頻譜范圍做良好的匹配是很重要的。根據(jù)試劑顆粒的尺寸，本儀器選用 LD紅光點(diǎn)狀激光器作為光源，激光器輸出波長(zhǎng)為 650,nm，最小光斑直徑為φ0.3,mm，輸出功率為 200,mW，光束發(fā)散度小，具備一致性好、穩(wěn)定可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。光電轉(zhuǎn)換傳感器采用日本濱松的硅光電二極管 BPW69A，感光面積 5.8,mm×5.8,mm，峰值波長(zhǎng) 660,nm，光譜響應(yīng)范圍 190～1,050,nm，較低的暗電流(小于200,pA)，較高的響應(yīng)速度，較高的穩(wěn)定性。

在比色杯孔底座下，各設(shè)計(jì)一套恒溫裝置，包括PTC加熱片，DS18B20數(shù)字溫度傳感器，儀器開機(jī)后嵌入式處理器控制電路開啟加熱片加熱，由DS18B20實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度，使溫度保持在接近人體溫度的 35～37,℃范圍內(nèi)，用于給比色杯內(nèi)的反應(yīng)液加溫。

在儀器的兩個(gè)比色杯位置下面，各設(shè)計(jì)了一套直流電機(jī)+磁鐵裝置，當(dāng)傳感器檢測(cè)到有比色杯插入測(cè)試孔時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)磁力控制電機(jī)，儀器嵌入式處理器控制電磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)比色杯內(nèi)的攪拌子快速攪拌反應(yīng)液，促進(jìn)全血中特定蛋白與試劑的免疫反應(yīng)。

高靈敏度的硅光電二極管將接收到的散射光轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，再由OPA121運(yùn)放對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1253轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，由嵌入式處理器接收并存儲(chǔ)。

嵌入式處理器選用成熟的 ARM32芯片STM32F407，用于儀器的多任務(wù)處理：檢測(cè)比色杯插入取出狀態(tài)、控制恒溫裝置、控制磁力攪拌裝置、控制LED光源、讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、與試劑管理IC卡通信、接收觸摸屏信息、控制顯示屏模組、與 PC通信、將相關(guān)信息和結(jié)果保存打印等。

3 比濁儀軟件設(shè)計(jì)

儀器的軟件設(shè)計(jì)包括嵌入式處理器內(nèi)的軟件和上位機(jī) PC軟件。嵌入式處理器軟件實(shí)現(xiàn)整機(jī)管理，采用 freeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)管理所有任務(wù)，相對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)而言，該軟件系統(tǒng)效率高，能夠有序處理彩色液晶屏幕刷新、觸摸屏輸入、恒溫控制、磁力攪拌、試劑 IC卡管理、與 PC通訊、打印輸出等任務(wù)。上位機(jī) PC的軟件主要完成曲線擬合、與醫(yī)院管理系統(tǒng)聯(lián)機(jī)、臨床檢驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)管理等功能。其中比較重要的部分是利用測(cè)試得到的吸光值，去計(jì)算被測(cè)反應(yīng)液中待測(cè)物含量的功能。

在免疫比濁法的抗原和抗體結(jié)合的過程中，吸光度與濃度之間不呈線性關(guān)系，通常情況是三次方程曲線關(guān)系。免疫比濁法在實(shí)際操作中，根據(jù)所用的終點(diǎn)法或速率法，用五點(diǎn)或七點(diǎn)不同濃度進(jìn)行定標(biāo)，經(jīng)過三次曲線方程擬合求出一條能真實(shí)反映實(shí)際濃度與吸光度關(guān)系的曲線方程，作為定量的工作曲線。如果采用以往單一標(biāo)準(zhǔn)濃度單點(diǎn)定標(biāo)方法，以及采用兩點(diǎn)定標(biāo)方法，誤差較大，尤其是高值濃度范圍內(nèi)，測(cè)定結(jié)果與實(shí)際偏差太大。所以簡(jiǎn)單地采用線性擬合的方式處理免疫比濁數(shù)據(jù)，只能適用于濃度很低的情況。如果采用五點(diǎn)定標(biāo)的方式，使用 logit-log函數(shù)擬合曲線[2]，擬合曲線的精度用相關(guān)系數(shù)(或稱決定系數(shù))R2的大小來判定[3]，只要相關(guān)指數(shù) R2的值控制在0.99以上，則可以得到精確的擬合度、較高的準(zhǔn)確性和較小的誤差。

為了去除干擾信號(hào)以及本底的影響，本儀器測(cè)試前先用空比色杯測(cè)試一次光值，然后以實(shí)際測(cè)試比色杯反應(yīng)液的光值減去空杯光值的方法扣除本底。在測(cè)試比色杯反應(yīng)液光值時(shí)，每隔 10,s測(cè)試一次數(shù)值，一共測(cè)試12次，然后將12次數(shù)據(jù)求平均值，提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因?yàn)楸粶y(cè)物含量與反應(yīng)液中抗體抗原結(jié)合物濃度有關(guān)，結(jié)合物的濃度與硅光電二極管所測(cè)得的散射光強(qiáng)度有關(guān)，本儀器將硅光電二極管測(cè)得電流轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過高性能運(yùn)動(dòng)放大轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，儀器將該信號(hào)傳送到PC機(jī)，PC機(jī)根據(jù)五點(diǎn)定標(biāo) logit-log函數(shù)計(jì)算出參數(shù)，用確定參數(shù)的logistic4P方程計(jì)算待測(cè)物的濃度。PC機(jī)將待測(cè)物濃度數(shù)據(jù)回傳給儀器的嵌入式處理器，再結(jié)合所用試劑類型、試劑批號(hào)、測(cè)試時(shí)間等信息，生成免疫比濁檢驗(yàn)報(bào)告，通過微型熱敏打印機(jī)打印出來作為診斷依據(jù)。

為了檢驗(yàn)本儀器測(cè)試特定蛋白指標(biāo)的準(zhǔn)確性，將一組 10個(gè)已知濃度的測(cè)試液(3.01,μg/mL、3.23,μg/mL、6.57,μg/mL、8.73,μg/mL、16.79,μg/mL、18.39,μg/mL、 46.83,μg/mL、 57.09,μg/mL、130.76,μg/mL、141.18,μg/mL)分別使用本儀器和全自動(dòng)生化儀測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本儀器測(cè)試光值再通過擬合曲線計(jì)算出的濃度數(shù)據(jù)，誤差都在該測(cè)試液允許的范圍內(nèi)，但是總體誤差比全自動(dòng)生化儀大，特別是低端的 3個(gè)濃度的測(cè)試液，用本儀器無法區(qū)分。但是從醫(yī)院門診做初步判斷需要快速出結(jié)果的要求角度而言，本儀器能夠在10,min內(nèi)給出檢驗(yàn)結(jié)果，相比生化儀需要隔天甚至幾天出結(jié)果，檢驗(yàn)速度上明顯優(yōu)于生化儀。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)本儀器的主要目的是為了滿足快速檢驗(yàn)的需求，在采樣現(xiàn)場(chǎng)即刻進(jìn)行分析，省去標(biāo)本在實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)時(shí)的復(fù)雜處理程序，快速得到檢驗(yàn)結(jié)果。本儀器主要適用于新型的使用全血進(jìn)行 C反應(yīng)蛋白的免疫檢驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了磁力攪拌、帶觸摸屏的液晶屏、微型打印機(jī)等適應(yīng)快速出結(jié)果的檢驗(yàn)要求的功能模塊。為了達(dá)到檢驗(yàn)性能指標(biāo)的要求，采用了與上位機(jī)PC聯(lián)機(jī)進(jìn)行精確的曲線擬合計(jì)算，從而達(dá)到在測(cè)量范圍內(nèi) 10個(gè)濃度測(cè)試液誤差都在允許范圍內(nèi)的指標(biāo)，滿足了快速檢驗(yàn)的需求。■

［1］王慧，羅煒，陳濤. 免疫透射比濁法CPR檢測(cè)試劑盒的性能評(píng)價(jià)[J]. 中國熱帶醫(yī)學(xué)，2006，6(8)：1479-1480.

［2］張弢，許培仁，雷素萍. 膠乳增強(qiáng)免疫比濁實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)曲線的模式[J]. 第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(3)：392.

［3］周記薌. 實(shí)用回歸分析方法[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1990：48-50.