一種可調固定式金標卡定量儀的研制

詹銘，龐春穎，鄭伯明

（長春理工大學 生命科學技術學院，長春 130022）

膠體金是一種應用于抗原抗體的新型的免疫標記技術，膠體金法研制出的金標檢測卡是將膠體金作為示蹤標志物標記在抗原或抗體上，通過與被測物的抗體或抗原發(fā)生特異性免疫結合形成肉眼可見的金標復合物，進而對待測物做出定性判斷［1-3］。隨著電子信息技術智能化發(fā)展，為滿足對檢測結果精準需求，國內外研究人員開發(fā)多款基于金標卡檢測結果的定量分析儀，依據(jù)定量檢測方法的不同，可分為以下幾種［4］，如表 1所示。

表1 檢測方法比較

通過比較以上三種方法的優(yōu)缺點，本研究設計采用光電檢測法，完成系統(tǒng)搭建。其檢測原理為光源發(fā)出的光照射在金標卡上，根據(jù)金標卡顯色條帶顏色差異，導致對光線出現(xiàn)不同程度的反射與吸收，反射光被光電探測器采集，引起荷電量的變化，從而產(chǎn)生感應電流，通過檢測電流大小和相應的計算，實現(xiàn)對金標卡定量檢測［5］。

1 系統(tǒng)硬件設計

金標卡定量儀的系統(tǒng)設計分為4大功能模塊，分別為光電檢測模塊，信號處理模塊，STM32中央控制模塊，人機交互部分［6］。光電檢測模塊實現(xiàn)了對金標卡顯色區(qū)域信息的提取，信號處理模塊負責對采集到的信號進行調理，STM32中央控制模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)各功能模塊的控制以及對待測物定性分析與定量計算。人機交互部分由微型串口打印機、TFTLCD顯示屏、功能按鍵組成，實現(xiàn)了檢測結果顯示與打印。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案結構框圖

1.1 光電檢測模塊

光電檢測模塊作為系統(tǒng)信號來源，是整個檢測系統(tǒng)的重要組成部分，由光源，光電探測器，掃描導軌，通光孔構成。光電探測器位于通光孔正上方，入射光照射在金標卡上發(fā)生漫反射，反射光穿過通光孔被正上方的光電探測器采集［7］。金標卡顯色線為紅棕色，依據(jù)光吸收原理，紅色物質對于綠色光源具有較強吸收峰值，因此采用四個綠色LED作為光源，置于通光孔的四方位，呈環(huán)形分布［8］。相比于兩側放置，一方面此方法照射在檢測卡上的光均勻分布，待檢測區(qū)域覆蓋全面，使顯色線對光吸收更加完整，另一方面光源光強的提高，反射光強隨之增強，更有利于光電探測器采集微弱反射光信號，提高了檢測系統(tǒng)精確性，光電檢測模塊結構如圖 2 所示［9］。

圖2 光電檢測模塊結構圖

1.2 信號處理電路設計

信號處理電路由I/V轉換電路與放大濾波電路組成，由于光電探測器接收到的光信號與輸出的電流信號呈非線性關系，與輸出的電壓信號呈較好的線性關系，因此采用I/V轉換電路將電流信號轉為電壓信號，通過放大電路對電壓信號進一步放大，以達到AD檢測的閾值范圍。為了濾除信號中干擾與噪聲，采用2階有源低通濾波電路對放大后的信號值進行處理，截止頻率設為2 Hz，信號處理電路原理圖如圖3所示。

1.3 步進電機驅動電路設計

由于通光孔的通光口徑有限，掃描時需試紙條緩慢通過檢測區(qū)域，以便獲取紙條檢測區(qū)完整數(shù)據(jù)。步進電機具有運行平穩(wěn)、精確定位的優(yōu)點，采用兩相四線式永磁步進電機作為傳動源，穩(wěn)定性強且體積較小，步距角3.6°，步長所對應的線位移量為0.012 7 mm，控制精度高，適用于系統(tǒng)精準定位［10］。

圖4 步進電機驅動電路圖

步進電機正常工作所需額定功率較大，因此需要驅動電路對輸入低功率邏輯電平功率放大，文中選用L298N驅動模塊，L298N作為一款雙全橋大電流電機驅動芯片，驅動部分峰值電流可達2 A，啟動性能好，轉換效率高，發(fā)熱量小，具備更強的帶負載能力。以4路不同相位PWM波作為邏輯輸入，驅動穩(wěn)定性好，不占用運行資源，通過定時器溢出中斷脈沖計數(shù)的方式精確控制位移量，實現(xiàn)對金標卡有效區(qū)域精準檢測，步進電機驅動電路原理圖如圖4所示。由于步進電機有著與電感相似的性質，在電源斷開時發(fā)生自感，產(chǎn)生的自感電壓易擊穿電路元件，D11-D18為8個續(xù)流二極管，作為自感電壓的釋放路徑，對每個輸出口起續(xù)流保護的作用。

1.4 人機交互部分

（1）微型串口打印機

嵌入式微型熱敏打印機串行接口與RS232C標準兼容，識別EIA邏輯電平，而STM32串行接口輸出的打印指令與數(shù)據(jù)為TTL邏輯電平，無法被打印機直接識別，因此需通過電平轉化芯片，將TTL電平轉化為EIA電平，驅動微型熱敏打印機［11］。研究選用SP3232電平轉化芯片，傳輸率120 kps，功耗低，供電電壓為3.3 V時，耗電量僅為0.3 mA，使用方便且性價比高，串口打印機驅動電路原理圖如圖5所示。

圖5 串口打印驅動電路圖

（2）功能按鍵

為簡化系統(tǒng)操作流程，系統(tǒng)檢測、打印、歷史查詢通過功能按鍵進行控制，一鍵完成。系統(tǒng)功能按鍵與I/O口一對一直接連接，按鍵對應STM32的I/O口輸入端常態(tài)為高電位，按鍵按下輸入端轉變?yōu)榈碗娢?，按鍵間相互獨立，通過讀取電平的變化檢測相應按鍵操作，電路連接原理圖如圖6所示。

圖6 功能按鍵電路圖

（3）LCD顯示屏

TFTLCD顯示屏的增設為用戶提供良好的人機交互體驗，可實時觀察采集到的數(shù)據(jù)，顯示檢測結果與歷史檢測數(shù)據(jù)。為提高顯示屏的顯示速度，系統(tǒng)采用STM32特有的片上外設FSMC接口模擬8080并口時序，驅動液晶控制器NT35510進而控制TFTLCD顯示屏顯示。TFTLCD16位的并方式與FSMC連接，其電路原理圖如圖7所示。

圖7 LCD顯示屏電路圖

1.5 電源模塊電路設計

為系統(tǒng)各功能部分正常工作提供穩(wěn)定可靠輸入電壓，根據(jù)各功能模塊所需電壓不同，需要提供+12 V、±9 V、+5 V、+3.3 V電壓，系統(tǒng)采用12 V鋰電池外部供電，電源模塊電路由電壓極性反轉電路與穩(wěn)壓電路組成。電源模塊電路示意圖如圖8所示。

圖8 電源模塊電路示意圖

穩(wěn)壓電路的設計為運算放大器與串口打印機提供所需的+9 V電壓，采用GS2678異步直流降壓變換器，該變壓器可調輸出電壓范圍大，調節(jié)方法簡單，通過R2與R3比值調節(jié)控制輸出電壓值，為系統(tǒng)所選用。步進電機驅動模塊與顯示屏所需電壓為+5 V，中央控制模塊所需電壓為+3.3 V，出于低壓狀態(tài)下對系統(tǒng)穩(wěn)定效果的考慮，選用AMS1117-3.3與AMS1117-5.0正向低壓降穩(wěn)壓器固定輸出版本，其漏失電壓低，穩(wěn)定精度可達1%，固定輸出3.3 V與5 V電壓。穩(wěn)壓電路原理圖如圖9所示。

極性反轉電路為雙極性放大器工作提供所需負電壓。電能轉換率是放大器穩(wěn)定工作的重要保證，所選用的極性反轉芯片為ICL7660高效率DC/DC電壓變化器，空載的轉化率為99.7%，帶負載的轉化率為95%，正電壓輸入范圍為1.5～10.5 V，輸出電流為10～20 mA，滿足設計要求。其電路原理圖如圖10所示，使用C42、C43兩個10 μF小體積泵電容可完成電壓極性反轉效果，C41主要起到濾除雜訊的目的。

圖9 穩(wěn)壓電路原理圖

圖10 極性反轉電路原理圖

1.6 彈簧卡座設計

根據(jù)市面上不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)金標卡無統(tǒng)一標準，尺寸類型多樣，為解決定量儀插卡口在檢測時受到寬度限制造成的局限性，同時避免檢測時金標卡產(chǎn)生晃動，因此在插卡口設計一種彈簧卡座，將金標卡固定在掃描導軌上，提高了系統(tǒng)準確性，實現(xiàn)了對多尺寸金標卡的檢測。適用于生物醫(yī)學、環(huán)境、食品安全、農牧業(yè)等領域常見2～2.5 cm寬度的金標卡檢測。彈簧卡座如圖11所示，系統(tǒng)整體結構如圖12所示。

圖11 彈簧卡座

圖12 系統(tǒng)整體結構

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 算法選擇

使用光電探測器作為傳感器，利用金標卡顯色深淺的差異所得到的光信號強弱的不同來進行定量分析，目前對于濃度定量分析計算有極值法與面積法兩種，極值法的建立是通過尋求T線與C線的波谷值進行計算求解待測物的濃度值。面積法的建立是通過對T線波形與C線波形面積求積分進行計算求解待測物的濃度值，極值法與面積法示意圖如圖13所示［12］。

圖13 極值法與面積法示意圖

由于面積法對于有效數(shù)據(jù)提取完整，經(jīng)過大量采樣數(shù)據(jù)進行計算而得，引入誤差小，算法準確度高，因此本系統(tǒng)選用的面積法進行數(shù)據(jù)提取計算，系統(tǒng)對金標卡檢測信號波形圖如圖14所示。

圖14 金標卡檢測信號波形圖

2.2 建立曲線模型

本研究所選取的檢測物質為三聚氰胺，因此實驗中配置不同濃度梯度的三聚氰胺標準溶液，并使用金標卡對其檢測，根據(jù)不同濃度樣品液所產(chǎn)生的T線信號與C線信號比值進行標定，以建立對應的函數(shù)濃度曲線［13］。實驗配置了10組標準樣品液，濃度分別為0.025 μg/mL、0.05 μg/mL、0.1 μg/mL、0.2 μg/mL、0.3 μg/mL、0.4 μg/mL、0.5 μg/mL、0.6 μg/mL、0.7 μg/mL、0.8 μg/mL，準備10個三聚氰胺金標卡，不同濃度三聚氰胺樣品液在金標卡的反應結果經(jīng)過定量系統(tǒng)掃描檢測，其檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同標準溶液濃度下St/Sc檢測數(shù)據(jù)

以3次掃描得到的St/Sc平均值作為橫坐標，以三聚氰胺溶液濃度值作為縱坐標，通過樣本點采用線性擬合的方法建立濃度定量函數(shù)曲線模型，如圖15所示，采用多項式擬合的方法建立濃度定量函數(shù)曲線模型，如圖16所示。

圖15 線性擬合圖

圖16 多項式擬合圖

濃度函數(shù)模型的建立采用線性擬合與多項式擬合的方法，通過比較對兩種方法所建立的函數(shù)關系式，可以看出多項式擬合效果優(yōu)于線性擬合效果，而在多項式擬合中，三次多項式擬合的曲線相比于其他次方多項式擬合曲線較平滑，且與各個樣本點之間的偏差最小，為最優(yōu)的曲線擬合函數(shù)模型。

2.3 流程圖

為使金標卡定量儀能夠高效穩(wěn)定的運行，不僅需要對底層硬件進行配置調試，還需要給系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的程序做中央控制。該檢測儀器軟件開發(fā)平臺使用的是Keil5，在搭配好硬件電路基礎上，通過該平臺對系統(tǒng)進行開發(fā)。首先對系統(tǒng)進行初始化設置，將滴入待測液的金標卡置于檢測區(qū)，由于金標卡的顯色會隨時間的變化而變化，根據(jù)金標卡顯色檢測最佳時間，設置檢測定時，定時結束，系統(tǒng)自動對金標卡進行掃描采集數(shù)據(jù)，并對采集到的數(shù)據(jù)自動分析判斷，若檢測過程中未檢測到C線，則直接進入結果顯示并存儲，本次檢測判定為無效，若檢測到C線，則對采集到的T線與C線數(shù)據(jù)進行濃度定量計算，最后將得到的檢測結果通過顯示屏顯示并存入存儲器，再根據(jù)用戶需求選擇打印檢測結果報告單，系統(tǒng)流程如圖17所示。

圖17 系統(tǒng)軟件流程圖

表3 不同濃度下St/Sc值與濃度值

表4 不同濃度下St/Sc值與濃度值

3 測試結果及分析

對系統(tǒng)性能進行測試，通過配置8組濃度為0.05 μg/mL、0.15 μg/mL、0.25 μg/mL、0.35 μg/mL、0.45 μg/mL、0.55 μg/mL、0.65 μg/mL、0.75 μg/mL的標準三聚氰胺溶液，分別滴加到三聚氰胺金標檢測卡上，待充分反應后，金標卡通過系統(tǒng)掃描，每組濃度樣本檢測8次，并將檢測得到的St/Sc值與其所對應的濃度值記錄下來，檢測的數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

通過對以上實驗檢測數(shù)據(jù)進行分析，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析如表5所示，系統(tǒng)準確性分析如表6所示。分析結果顯示，該系統(tǒng)存在變異系數(shù)最大值為3.64%，最小值為1.65%，具有較高的穩(wěn)定性。絕對誤差小于0.033 μg/mL，同時具備較高的準確性，系統(tǒng)對金標卡具有良好的定量效果。

表5 系統(tǒng)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)分析

表6 系統(tǒng)準確性數(shù)據(jù)分析

4 結論

本研究設計一款可調固定式金標卡定量檢測儀，利用光電探測器采集金標卡顯色區(qū)域模擬量的變化，經(jīng)系統(tǒng)建立的濃度關系式推導演算，實現(xiàn)對待測物定量分析。插卡口配有彈簧卡座可對多尺寸金標卡進行固定，可應用于不同領域中不同待測物金標卡檢測。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性與準確性。