化學發光定量免疫分析儀的研究

概述

長期以來，人們大多采用光度計作為光信號的主要檢測儀器，其原理為通過光電轉換器件將光信號轉換為電壓或電流信號，再加以放大。其主要特點為：結構簡單、性能穩定，但靈敏度低、線性范圍較窄。目前常見的光學檢測儀器，如：紅外、可見光、紫外分光光度計、熒光分光光度計、酶標儀、照度計等均采用類似原理[1]。這類技術主要采用光敏二極管、光敏電池、光電耦合器，或者以光電流放大方式工作的常規光電倍增管作為檢測器件。

化學發光定量免疫分析儀是我們最新研制推出的新一代高精度、高穩定性的檢測儀器。該產品與配套生產的發光免疫分析試劑盒和專用的數據分析管理軟件配合使用，就構成了目前國內唯一的化學發光免疫分析系統[2]，完全能夠滿足各類臨床及基礎醫學領域內高靈敏度定量和定性免疫測試的要求。

該系統采用32位ARM7.0為控制中心，并通過標準RS-232串口連接及信號傳輸指令實現與PC機的通訊。本機具有操作簡便、靈敏度高、計數準確、穩定性好等特點。

1、系統主要的性能指標

電源電壓：220Ｖ±22Ｖ，50Ｈz±1Ｈz；

最大輸入功率：220 VA±10VA

本底噪聲：0 RLU/S～100RLU/S；

線性范圍： 500 RLU/S～1.8×106RLU/S

穩定性：CV≤3%

重復性：CV≤3%

靈敏度：（最低檢測限）≤3×10-14W

2、儀器組成及工作原理

化學發光免疫分析儀主要有5部分組成：單光子計數器、機械傳動機構、中央控制單元、上位機管理分析軟件、打印機。光子脈沖數經過控制中心RAM7.0信號處理，一方面，單片機控制X、Y方向的步進電機來變換標準試劑和病人的采樣樣品；另一方面，通過RS—232串口于上位機通信，可以實時的查詢病人的信息、分析結果、質控圖等，并且可以通過打印機打印分析的結果。該產品的整機結構框圖以及與外圍設備的連接關系如圖1所示：

圖1　儀器系統組成及工作原理示意圖

2.1 單光子計數器的工作原理

該儀器的光檢測部件采用了單光子計數器，其核心部分是一個特殊類型的光電倍增管，它是一個超高真空的圓柱型玻璃容器，其中向光的一面（稱為窗口）涂有一層特殊的具有光電效應的稀有金屬，稱為光陰極；而內部還裝有多個以特殊方式排列的電極，稱為打拿極或加速極；其后部另有一個電極稱為陽極，各個電極之間均加有直流高壓[3、4]。單光子計數器的結構及其工作原理示意圖如圖2所示：

圖2　單光子計數器的結構及其工作原理示意圖

當光子打到光陰極時，由于光電效應，其表面可以產生能量微弱的游離電子，稱為光電子；該電子由于直流高壓的作用離開光陰極再次打到第一打拿極上，由于其獲得了直流高壓提供的能量，因而在第一打拿極上又制造出了能量更高、數量級更大的電子[5、6]。就這樣經過多個打拿極的反復放大，最后使陽極產生了一個能量遠遠高于最初樣品發射光子的電脈沖信號。該信號經前置放大器放大，再經過比較器去除噪聲信號，最后由分頻器換算出光子脈沖數，通常為相對發光單位，即：RLU（Relative Luminescence Unit）。一般講，一個RLU相當于10個光子。

2.2 下位機的設計

本系統采用MC68322（128K Flash，32K Ram）作為控制中心，以FPGA為計數單元，病人的采樣樣品經過微孔板，以單光子的形式進入光電倍增管PMT，通過高精度的級聯放大器NE5205做前置放大，再經過FPGA做信號的比較（主要去處干擾信號）、分頻（得到適當的頻率）最后進入單片機做信號處理；單片機把處理的結果可以通過LCD顯示，也可以通過RS—232串口與計算機通信實現人機交互；利用4個光電傳感器來控制步進電機的狀態進而改變微孔板的位置。其硬件結構框圖如圖3所示：

圖3　硬件結構框圖

2.3 上位機管理分析軟件的設計

上位工控機軟件的開發工具采用面向對象的Visual Basic.NET編程。Visual Basic.NET是一種可視化的面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言。它不僅編程簡單，界面設計容易，同時自帶的可視化數據管理器VisData，使得開發數據庫應用程序也極為方便[7、8]。通過RS—232串口與PC機進行通信，使操作人員非常容易的通過化學發光分析儀在顯示器上能清楚、準確的讀取化驗的結果、打印化驗單、化驗批號、醫院名稱維護、病人信息管理、病人信息查詢、化驗過程檢測及完善的幫助系統等。該管理系統界面友好、操作方便、直觀、信息涵蓋面廣。化學發光儀分析管理界面如圖4所示：

圖4　化學發光分析儀管理軟件界面

3、結束語

隨著現代量子物理學的發展，以及人們對光的微觀特性認識的逐步深入，推動了光電子技術和相關元器件的發展，一種被稱為單光子計數器的新型高敏感度光電檢測器已經在近期問世，其靈敏度及線性范圍均大大超過其它常規技術。因此被迅速應用于航空、航天、軍事、公安、科研、醫療、環保、農業、工業等各個領域，成為現代高科技領域的重要組成部分。

由于單光子計數器具有的卓越性能，它已成為現代光學儀器中最重要的部分之一，也是今后臨床檢驗儀器發展的方向之一[9]。事實上，正是由于它的發明及應用，使現代免疫及基因分析技術才能從放射性同位素的束縛中解放出來，真正步入安全化、非同位素化的新時代。

參考文獻

[1]袁濤，李月香等。單片機C高級語言程序設計及其應用[M].北京航天航空大學出版社，2002.

[2]王幸之。單片機應用系統抗干擾技術[M].北京航天航空大學出版社，2001.

[3]Ramachandran N,Oblad R P.The role of a signal interface in supporting instrument intechangeability[Z].IEEE,2000:400-410.

[4]Pcwner E T ,Intelligent sensor:structure And system[J].Sensor Review,1995,15（3）

:30-34.

[5]單片機軟件抗干擾編程技術的探討[J].計算機測量與控制，2003，11（4）：290-298

[6]周立功。ARM嵌入式系統系列教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005

[7]歐陽勁松。現場總線國際標準化概況[J].自動化儀表，2004（3）：163-164.

[8]Klan Nilsson.Integrated Architecture for Industrial Robot Programming and Control[J].Robotics and Autonomous Systems，1999，29（4）：205-226.

[9] 龔沛曾。Visual Basic.NET程序設計教程[M].北京：高等教育出版社，2007

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