張嘯天,倪 屹,郭 瑜,鐘道鴻,李俊緯
(江南大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院,江蘇 無錫 214122)
化學發(fā)光免疫分析(chemiluminescence immunoassay,CLIA)是一種用來檢測人體中多種化學成分的臨床醫(yī)學檢測分析技術[1]。CLIA可用于藥物濃度檢測以及腫瘤標志物、激素、抗原、抗體等多種臨床項目的檢測,具有高精確度、高靈敏度、強特異性等優(yōu)點,目前已經(jīng)成為臨床免疫檢驗中的主要方式[2~4]。目前CLIA的研究方向主要體現(xiàn)在兩個方面:1)在理論技術方面,增強光源發(fā)光效率,提高檢測靈敏度,結(jié)合生物化學技術,探索新的免疫分析方法;2)優(yōu)化儀器的檢測結(jié)構(gòu),降低系統(tǒng)誤差,縮小體積,提高檢測的速度和穩(wěn)定性。整體趨勢是高速化、自動化、智能化、集成化。為了提高儀器的檢測穩(wěn)定性,本文提出了一種基于ARM的化學發(fā)光免疫分析儀的控制系統(tǒng)。采用ARM芯片為主控CPU,通過FPGA和STM32實現(xiàn)電機的運動控制算法。具有更低的系統(tǒng)誤差和更高的檢測穩(wěn)定性。
化學發(fā)光反應是某類物質(zhì)吸收能量并產(chǎn)生光輻射的現(xiàn)象?;瘜W反應產(chǎn)生足夠的化學能被特定物質(zhì)分子吸收并躍遷至電子激發(fā)態(tài),其躍遷回穩(wěn)定的基態(tài)時會輻射出光子。免疫分析依據(jù)化學反應發(fā)出的熒光光強與待檢測物質(zhì)的含量呈一定地數(shù)學關系而實現(xiàn)。以標記方式的不同CLIA分為化學發(fā)光標記免疫分析法、化學發(fā)光酶免疫分析法、增強發(fā)光酶免疫分析法等。系統(tǒng)采用化學發(fā)光標記免疫分析法,標記物選用吖啶酯類化合物,發(fā)光方式為閃爍型發(fā)光,輻射光波長470 nm,發(fā)光時間0.4 s。此方法無需外接光源,熒光量子效率高,穩(wěn)定性好。
化學發(fā)光免疫分析儀的檢測系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、加樣系統(tǒng)、光子計數(shù)系統(tǒng)三個部分構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機用于向控制系統(tǒng)發(fā)送控制命令,接收運行狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)處理??刂葡到y(tǒng)由ARM和電機控制模塊組成,負責與上位機的通信,運動任務的調(diào)度,精確控制電機的運動參數(shù)等。加樣系統(tǒng)用于樣品注入和傳送反應杯。光子計數(shù)系統(tǒng)負責發(fā)光劑的加注和熒光光子的采集計數(shù)。
圖1 化學發(fā)光免疫分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
加樣系統(tǒng)主要由機械臂和吸液針構(gòu)成。吸液針通過高精度柱塞泵(精度為0.2 μL)將待測樣品定量吸入并注射到反應杯中,由機械臂將反應杯傳送至暗室進行發(fā)光劑加注與反應光的測量。系統(tǒng)中預置沖洗位,每個加樣動作后由隔膜泵輸送純水和清洗液對吸液針進行清洗。為防止輸液管內(nèi)有殘余空氣影響加樣精度,在檢測前,每個液泵要預先加注1 min的純水。
光子計數(shù)系統(tǒng)由檢測暗室、聚光器、光子計數(shù)器組成。發(fā)光反應的熒光用普通的光電檢測方式難以被探測到(光強10-15~10-16W左右),因此必須采用單光子計數(shù)法。系統(tǒng)設計了頂部出光式錐型聚光器對反應杯頂部的熒光進行收集,以降低熒光的光強損失。反應杯被送入暗室后加注發(fā)光試劑發(fā)生發(fā)光反應釋放出光子。錐型聚光器將光子聚集在光電倍增管(PMT)的陰極窗口,單個光子經(jīng)多級電場加速倍增后以單光子脈沖的形式被陽極接收,脈沖經(jīng)放大濾波后由計數(shù)器統(tǒng)計光脈沖數(shù)量[5~9]。
光子計數(shù)器由PMT、放大器、甄別器、計數(shù)器構(gòu)成。選用的PMT是濱松公司的CR275型,該管型在波長470 nm左右量子效率較高。甄別器基于電壓比較器TL3016實現(xiàn),采用±5 V雙電源驅(qū)動、鎖存端接地。硬件電路如圖2所示。
圖2 放大甄別器原理圖
計數(shù)器主要由加法器74HC161和單片機PIC16F917上的16位計數(shù)器Time1組成。計數(shù)程序使用異步清零法,當MR端輸入低電平時清零。使用外部門控信號輸入,時鐘周期20MHz。由于串行外設模塊不是MSSP,要通過軟件控制IO口線模擬實現(xiàn)啟動和停止。硬件原理如圖3所示。
圖3 計數(shù)器原理圖
控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個系統(tǒng)包括3個模塊:基于ARM的主控模塊、基于FPGA的步進電機控制模塊、基于STM32的伺服電機控制模塊。主控CPU是TI公司的AM3352BZCZD80芯片,上位機通過USB轉(zhuǎn)串口與主控模塊通信。主控模塊分別使用CANopen和CAN總線控制伺服控制器和步進電機控制模塊,同時還要用于控制液泵的進樣速度。FPGA模塊用于設計步進電機的S型運動曲線。采用LATTICE的LCMXO2—7000HC芯片為步進電機提供驅(qū)動信號。由于物理距離較短噪聲影響低,各步進電機驅(qū)動器間采用SPI完成通信。伺服控制器基于STM32F405設計,采用三環(huán)控制模式實現(xiàn)機械臂的精確運動。為了實現(xiàn)高穩(wěn)定性與高速化在通信中省去了繁雜的CRC校驗,將CAN總線的負載率控制在40 %,這個負載率下既不會出現(xiàn)丟包也能滿足儀器的通信速度需求。
圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
伺服控制器和步進電機運動控制模塊的程序設計是通過移植μC/OS II操作系統(tǒng)并利用其任務調(diào)度功能實現(xiàn)。μC/OS II系統(tǒng)是專為嵌入式應用而設計的,其本身具有很強的移植性。移植過程簡單只需要改寫os_cpu_a.asm和os_cpu.c等文件即可。運動控制程序用于電機的速度、轉(zhuǎn)向、位置控制及協(xié)調(diào)多臺電機工作。運動控制共5個任務。1)AD檢測:對電機運行參數(shù)的反饋信號進行采集;2)中斷檢測:檢測是否有控制命令發(fā)出;3)錯誤診斷:對電機位置信息進行采集,沒有達到預測值或運動超時則報錯并停止運動;4)狀態(tài)通信:將運動結(jié)果上傳至主控CPU。在操作系統(tǒng)設計中將中斷檢測的優(yōu)先級設定為最高,因為其關系到命令的接收和喚醒其他任務。程序采用高頻中斷計算延時方式控制電機加減速??刂屏鞒倘鐖D5所示。
圖5 運動控制流程
對儀器的關鍵性能參數(shù)[10]按照國標進行測試,主要測試項目為線性相關性和批內(nèi)測試重復性(CV)。測試設備如圖6所示。
圖6 實驗測試設備
將測試專用的高值發(fā)光劑用稀釋液按一定濃度梯度稀釋成6個樣品,混合均勻后分別檢測相對光子強度(RLU)。每個樣品重復測定3次,計算三次樣品檢測結(jié)果的平均值。數(shù)據(jù)顯示儀器線性檢測范圍達到了103~106數(shù)量級。結(jié)果如表1所示。
表1 線性度測試數(shù)據(jù)
用最小二乘法對6組樣品進行曲線擬合。擬合曲線圖以稀釋比例為自變量,以每次檢測結(jié)果的均值為因變量,得出線性回歸方程并導出線性回歸的相關系數(shù)R2。擬合曲線如圖7所示。算得R2=0.999 22高于0.99符合使用標準。
圖7 線性度數(shù)據(jù)擬合曲線圖
為驗證儀器的檢測穩(wěn)定性,設計了與市場主流分析儀的檢測變異系數(shù)(CV)對比測試。使用臨床測試AFP標準品重復測試20次,并根據(jù)式(1)計算出CV值
(1)
表2 批內(nèi)變異系數(shù)對比測試 %
本文設計了以ARM為核心的控制系統(tǒng)。以ARM為主控芯片,分別通過CAN和CANopen控制FPGA模塊和伺服控制模塊,通過測試設置了合適的總線負載率。通過FPGA模塊和伺服控制器的協(xié)同工作實現(xiàn)了電機高速、低噪聲、低失步率的運行。系統(tǒng)實現(xiàn)了高穩(wěn)定性,低系統(tǒng)誤差,高響應速度。實驗測試表明:在該控制系統(tǒng)下儀器的檢測線性相關系數(shù),線性檢測范圍均達到使用標準。儀器的檢測CV降低至1.37 %~3.86 %。檢測穩(wěn)定性,檢測速度均能滿足使用要求。