一種多通道熒光免疫分析儀的設(shè)計(jì)*

余元駿 ，趙 荻 ，周利茗 ，高利宏 △

（1. 重慶市藥品技術(shù)審評(píng)認(rèn)證中心，重慶 401120； 2. 重慶市食品藥品檢驗(yàn)檢測研究院，重慶 401120）

免疫層析技術(shù)（ICA）是將免疫技術(shù)和色譜層析技術(shù)相結(jié)合的分析方法，具有特異性強(qiáng)、操作簡單、快速等特點(diǎn)［1－3］。熒光免疫分析儀用于人體的血清、血漿、全血、尿液樣本的檢測，其結(jié)果多作為心肌損傷、心力衰竭、急性冠狀動(dòng)脈綜合征、心血管炎癥、靜脈血栓栓塞、常規(guī)炎癥、細(xì)菌／病毒感染、急慢性腎病等疾病的輔助診斷依據(jù)［4－8］。目前，已上市的熒光分析儀器多為單通道設(shè)備，無法實(shí)現(xiàn)單樣本多項(xiàng)目的同時(shí)檢測，效率低、速度慢，當(dāng)樣本量較大時(shí)，難滿足檢測需求。且現(xiàn)有多通道熒光分析儀多采用轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，測量結(jié)果準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較差。由于轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)固有的缺陷，易造成進(jìn)卡失敗，分析儀因卡頓而死機(jī)，試劑卡翻轉(zhuǎn)、卡死，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，試劑卡易偏移，影響測量的重復(fù)性；試劑卡和光源相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較差等。鑒于此，本研究中設(shè)計(jì)出一種新型多通道熒光免疫分析儀，其采用一體化設(shè)計(jì)，使用醫(yī)用適配器供電，可在保證光路檢測系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，同時(shí)滿足多個(gè)檢測試劑卡檢測的高通量需求，提高處理效率?，F(xiàn)報(bào)道如下。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)［9－12］

整個(gè)機(jī)械部分由試劑卡放置結(jié)構(gòu)、掃描檢測結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)組成。目前設(shè)計(jì)16 個(gè)通道（見圖1），采用雙層結(jié)構(gòu)模式，每層有8 個(gè)通道（見圖2），每層都包含上述3 個(gè)部分?？筛鶕?jù)需要添加通道數(shù)，相比于現(xiàn)有多通道模式，在擴(kuò)展性上更靈活。

圖1 設(shè)備樣機(jī)示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of analyzer prototype

圖2 機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure model of mechanical design

試劑卡放置結(jié)構(gòu)：用于安放待測試劑卡樣本，采用插卡模式。在試劑卡放置結(jié)構(gòu)末端放置反射式光電收發(fā)管，用于監(jiān)測該卡槽是否有待測樣本，或試劑卡是否安放到位?？ú鄣撞糠胖脧椈善?，用于固定試劑卡，防止振動(dòng)或其他因素造成的檢測過程中試劑卡偏移。整層試劑卡放置結(jié)構(gòu)的底部放置硅膠加熱片，用于檢測前孵育插拔模式放置，試劑卡水平放置，可避免轉(zhuǎn)盤式離心運(yùn)動(dòng)造成的偏差。該檢測模式下，試劑卡放置到位后靜置不動(dòng)，通道掃描檢測結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，避免轉(zhuǎn)盤式相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的偏差。每個(gè)通道上均配1 個(gè)狀態(tài)指示燈（見圖1），用于指示測試狀態(tài)。

掃描檢測結(jié)構(gòu)：由步進(jìn)電機(jī)、限位開關(guān)及采集轉(zhuǎn)換電路安放結(jié)構(gòu)組成。步進(jìn)電機(jī)用于帶動(dòng)采集轉(zhuǎn)換電路裝置，檢測熒光強(qiáng)度。安放結(jié)構(gòu)上存在2 個(gè)孔位用于放置激發(fā)光源及光電接收管，后者內(nèi)部放置650 nm 波長紅光窄帶濾光片，用于消除背景光的干擾。機(jī)構(gòu)的前端安放有輕觸限位開關(guān)，上電時(shí)或通道掃描時(shí)，主機(jī)通過該限位開關(guān)確定起始位置。

導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)：每層的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)均是采用步進(jìn)電機(jī)加皮帶方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該層8 個(gè)通道的橫向逐個(gè)檢測。由于每層導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)獨(dú)立，每層檢測過程也相對(duì)獨(dú)立，故在檢測效率上高于相同通道數(shù)的轉(zhuǎn)盤式設(shè)計(jì)。

1.2 電路

包含數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路和檢測控制電路兩大模塊。整個(gè)電路的數(shù)據(jù)通信采用485 總線方式，包括兩大電路模塊間的通訊及兩者與上位機(jī)軟件的通訊。

采集轉(zhuǎn)換電路：包括熒光收發(fā)電路、放大濾波電路和模擬數(shù)字（AD）采集電路。熒光收發(fā)電路的激發(fā)光源為365 nm 波長紫外發(fā)光二極管，熒光接收傳感器為硅光敏二極管。采用多級(jí)濾波放大電路預(yù)處理硅光敏二極管輸出的光電信號(hào)，放大濾波電路見圖3，根據(jù)輸入信號(hào)的幅值、AD 基準(zhǔn)電壓及掃描電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，采用放大倍數(shù)為20 倍，低通濾波器的截止頻率為10 Hz。AD 電路采用自帶有24 位高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的單片機(jī)（C8051F340 型）。因此，可實(shí)現(xiàn)ADC 轉(zhuǎn)換及中值濾波法對(duì)AD 數(shù)據(jù)預(yù)處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光敏二極管的亮度及開關(guān)控制，同檢測控制電路的通訊，同上位機(jī)軟件的通訊。采集轉(zhuǎn)換電路模塊見圖4。

檢測控制電路：由電源管理電路、電機(jī)控制電路、孵育控制電路、狀態(tài)檢測電路及工控板控制電路組成。電源管理電路用于實(shí)現(xiàn)直流－直流（DC－DC）電平轉(zhuǎn)換，可滿足不同功能模塊或IC 對(duì)電平幅度的要求。電機(jī)控制電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片（安森美 STK682－010－E 型），內(nèi)部集成了細(xì)分、電流調(diào)節(jié)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）功率放大等電路，配合簡單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動(dòng)電路，具有低成本、低振動(dòng)、小噪聲、高速度的特點(diǎn)。孵育控制電路包含溫度采集及加熱控制兩部分，硅膠加熱片的溫度采集傳感器采用高精度的PT1000 型，通過比例－積分－微分（PID）控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)所需孵育溫度的精準(zhǔn)控制。狀態(tài)檢測電路主要用于檢測試劑卡是否安放到位及通道檢測完成情況。工控板控制電路主要用于保證設(shè)備通電或斷電時(shí)工控板電腦的正常開關(guān)機(jī)，避免異常關(guān)機(jī)可能造成的系統(tǒng)崩潰或硬盤損壞。詳見圖5 和圖6。

圖3 放大濾波電路Fig.3 Amplifying and filtering circuit

圖4 采集轉(zhuǎn)換電路模塊實(shí)物Fig.4 The real object of the acquisition and conversion circuit module

圖5 關(guān)機(jī)控制流程Fig.5 Flow chart of shutdown control

1.3 工控板及顯示屏

采用工控板及電容顯示屏作為算法、人機(jī)交互界面及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)打印的載體。相比于商用主板，工控板在尺寸設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性、抗干擾、工作環(huán)境等方面更優(yōu)。液晶屏采用 12.1電容式觸摸屏。目前大部分熒光免疫設(shè)備均配有1 個(gè)數(shù)據(jù)ID 卡，用于存儲(chǔ)批次信息及校準(zhǔn)曲線等參數(shù)。ID 卡內(nèi)部參數(shù)須根據(jù)每批試劑卡的情況進(jìn)行更新，否則易導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。同時(shí)，目前市面上設(shè)備ID 卡存儲(chǔ)方式采用 EEPROM 或FLASH 存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存在丟失或易被篡改等風(fēng)險(xiǎn)。故在工控板內(nèi)置1 個(gè)4G的模塊接口，需要時(shí)，廠商或服務(wù)商可通過4G 網(wǎng)絡(luò)，從公司本部或服務(wù)商數(shù)據(jù)中心的服務(wù)端口，采用短信模式，先激活設(shè)備與數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)連接，然后通過TCP／IP模式，實(shí)現(xiàn)每批次參數(shù)的及時(shí)更新，操作更簡便。

圖6 檢測控制電路的工作流程Fig.6 The working flow of detection control circuitry

2 實(shí)踐論證

將2%熒光納米微球溶液進(jìn)行不同比例稀釋，分別滴加于測試卡的 C 線和T 線上，檢測1 ～16 號(hào)通道的一致性［12］。結(jié)果見表 1。

表1 通道一致性測試結(jié)果Tab.1 Results of channel consistency test

通過計(jì)算，通道間的變異系數(shù)（CV）值多小于1%，通道一致性完全滿足要求。通道1 稀釋1.53 倍時(shí)的數(shù)據(jù)測試曲線見圖7。通過曲線可看出，對(duì)采集信號(hào)的放大濾波、中值濾波預(yù)處理方法有效濾除了50 Hz 工頻干擾、隨機(jī)噪聲等信號(hào)。C 線和T 線的比值采用面積法計(jì)算，公式如下。

圖7 數(shù)據(jù)測試曲線Fig.7 Profile of data test

式中，K 為 C 線和 T 線的比值，Ci為 C 線 AD 采樣值，Ti為T 線AD 采樣值，Q 為C 線包絡(luò)最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置，P 為T 線包絡(luò)最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置，N 為包絡(luò)兩側(cè)取的疊加點(diǎn)數(shù)。

3 小結(jié)

本研究中設(shè)計(jì)的多通道熒光免疫設(shè)備，采用插卡式、一體機(jī)方式，避免了轉(zhuǎn)盤式設(shè)計(jì)的不足，同時(shí)保證了通道一致性及精確性［13－15］。設(shè)備操作簡便、通道數(shù)可擴(kuò)展性強(qiáng)。但設(shè)備加樣等仍需手動(dòng)操作，如何進(jìn)一步提高設(shè)備的自動(dòng)化水平，將是后續(xù)開發(fā)的重點(diǎn)。