化學(xué)發(fā)光定量免疫分析儀的研究

概述

長(cháng)期以來(lái)，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(guò)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(diǎn)為：結構簡(jiǎn)單、性能穩定，但靈敏度低、線(xiàn)性范圍較窄。目前常見(jiàn)的光學(xué)檢測儀器，如：紅外、可見(jiàn)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(lèi)似原理[1]。這類(lèi)技術(shù)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(xué)發(fā)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(chǎn)品與配套生產(chǎn)的發(fā)光免疫分析試劑盒和專(zhuān)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(xué)發(fā)光免疫分析系統[2]，完全能夠滿(mǎn)足各類(lèi)臨床及基礎醫學(xué)領(lǐng)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(guò)標準RS-232串口連接及信號傳輸指令實(shí)現與PC機的通訊。本機具有操作簡(jiǎn)便、靈敏度高、計數準確、穩定性好等特點(diǎn)。

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(xiàn)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(xué)發(fā)光免疫分析儀主要有5部分組成：?jiǎn)喂庾佑嫈灯?、機械傳動(dòng)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(jīng)過(guò)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(jìn)電機來(lái)變換標準試劑和病人的采樣樣品；另一方面，通過(guò)RS—232串口于上位機通信，可以實(shí)時(shí)的查詢(xún)病人的信息、分析結果、質(zhì)控圖等，并且可以通過(guò)打印機打印分析的結果。該產(chǎn)品的整機結構框圖以及與外圍設備的連接關(guān)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(gè)特殊類(lèi)型的光電倍增管，它是一個(gè)超高真空的圓柱型玻璃容器，其中向光的一面（稱(chēng)為窗口）涂有一層特殊的具有光電效應的稀有金屬，稱(chēng)為光陰極；而內部還裝有多個(gè)以特殊方式排列的電極，稱(chēng)為打拿極或加速極；其后部另有一個(gè)電極稱(chēng)為陽(yáng)極，各個(gè)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(shí)，由于光電效應，其表面可以產(chǎn)生能量微弱的游離電子，稱(chēng)為光電子；該電子由于直流高壓的作用離開(kāi)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(jīng)過(guò)多個(gè)打拿極的反復放大，最后使陽(yáng)極產(chǎn)生了一個(gè)能量遠遠高于最初樣品發(fā)射光子的電脈沖信號。該信號經(jīng)前置放大器放大，再經(jīng)過(guò)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(fā)光單位，即：RLU（Relative Luminescence Unit）。一般講，一個(gè)RLU相當于10個(gè)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(jīng)過(guò)微孔板，以單光子的形式進(jìn)入光電倍增管PMT，通過(guò)高精度的級聯(lián)放大器NE5205做前置放大，再經(jīng)過(guò)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(jìn)入單片機做信號處理；單片機把處理的結果可以通過(guò)LCD顯示，也可以通過(guò)RS—232串口與計算機通信實(shí)現人機交互；利用4個(gè)光電傳感器來(lái)控制步進(jìn)電機的狀態(tài)進(jìn)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(kāi)發(fā)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(dòng)方式的結構化高級程序設計語(yǔ)言。它不僅編程簡(jiǎn)單，界面設計容易，同時(shí)自帶的可視化數據管理器VisData，使得開(kāi)發(fā)數據庫應用程序也極為方便[7、8]。通過(guò)RS—232串口與PC機進(jìn)行通信，使操作人員非常容易的通過(guò)化學(xué)發(fā)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(chēng)維護、病人信息管理、病人信息查詢(xún)、化驗過(guò)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(guān)、信息涵蓋面廣?；瘜W(xué)發(fā)光儀分析管理界面如圖4所示：

圖4　化學(xué)發(fā)光分析儀管理軟件界面

3、結束語(yǔ)

隨著(zhù)現代量子物理學(xué)的發(fā)展，以及人們對光的微觀(guān)特性認識的逐步深入，推動(dòng)了光電子技術(shù)和相關(guān)元器件的發(fā)展，一種被稱(chēng)為單光子計數器的新型高敏感度光電檢測器已經(jīng)在近期問(wèn)世，其靈敏度及線(xiàn)性范圍均大大超過(guò)其它常規技術(shù)。因此被迅速應用于航空、航天、軍事、公安、科研、醫療、環(huán)保、農業(yè)、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，成為現代高科技領(lǐng)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(xué)儀器中最重要的部分之一，也是今后臨床檢驗儀器發(fā)展的方向之一[9]。事實(shí)上，正是由于它的發(fā)明及應用，使現代免疫及基因分析技術(shù)才能從放射性同位素的束縛中解放出來(lái)，真正步入安全化、非同位素化的新時(shí)代。

參考文獻

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[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(shù)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(xué)出版社，2005

[7]歐陽(yáng)勁松?，F場(chǎng)總線(xiàn)國際標準化概況[J].自動(dòng)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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