淺談基于A(yíng)D1674集成電路的酶標儀的設計

引言

在醫學(xué)檢驗中，體內多類(lèi)激素水平及其微量代謝產(chǎn)物、藥物及代謝產(chǎn)物、維生素類(lèi)及疾病相關(guān)抗原的分析測定總計可達幾十至上百種之多。但由于其檢測靈敏度要求較高，一般免疫技術(shù)難以達到。因此，長(cháng)期以來(lái)一直沿用放射免疫法。

放射免疫法不僅對操作人員的健康造成了危害，而且其廢棄物對環(huán)境也有嚴重的污染。因此需要特殊的防護及廢物處理系統，同時(shí)由于受到自然衰變的限制，其試劑不便長(cháng)期儲存和運輸，因而大大地限制了它的發(fā)展。EIA 技術(shù)穩定，試劑價(jià)格合理，酶免技術(shù)在中國市場(chǎng)處于成長(cháng)期，開(kāi)發(fā)一種應用酶免技術(shù)用于臨床檢測的儀器很有必要。

AD1674是美國AD公司推出的一種完整的12位并行模/數轉換單片集成電路。該芯片內部自帶采樣保持器(SHA)、10伏基準電壓源、時(shí)鐘源以及可和微處理器總線(xiàn)直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。

AD1674的基本特點(diǎn)和參數如下：

帶有內部采樣保持的完全12位逐次逼近(SAR)型模/數轉換器;

采樣頻率為100kHz;轉換時(shí)間為10μs;

具有±1/2LSB的積分非線(xiàn)性(INL)以及12位無(wú)漏碼的差分非線(xiàn)性(DNL);

滿(mǎn)量程校準誤差為0.125%;

內有+10V基準電源，也可使用外部基準源;

四種單極或雙極電壓輸入范圍分別為±5V，±10V，0V～10V和0V～20V;

數據可并行輸出，采用8/12位可選微處理器總線(xiàn)接口;

內部帶有防靜電保護裝置(ESD)，放電耐壓值可達4000V;

采用雙電源供電：模擬部分為±12V/±15V，數字部分為+5V。

內部結構

AD1674的引腳按功能可分為邏輯控制端口、并行數據輸出端口、模擬信號輸入端口和電源端口四種類(lèi)型。圖1所示為AD1674的內部結構框圖。

AD1674的工作模式可分為全控(Full-Control)模式和獨立(Stand-Alone)模式，獨立模式主要用于具有專(zhuān)門(mén)輸入端系統，因而不需要有全總線(xiàn)的接口能力。而采用全控工作模式則有利于和CPU進(jìn)行總線(xiàn)連接。

光子計數儀設計

總體方案設計

基于儀器整體安裝及可維護性的考慮，儀器采用整體形式。包括對儀器的控制，鍵盤(pán)操作及顯示，儀器的傳動(dòng)部分及硅光電池檢測部分。采用96微孔板作為測量載體;為增強測量的定位準確度，運行的平穩性，光電檢測系統以固定方式檢測樣品，送樣機構可按要求進(jìn)行Y方向及X方向順序運動(dòng)。

采用可視性強的液晶顯示器，可顯示儀器當前所處狀態(tài)及每孔測量結果。定義20種可選擇的測量時(shí)間，可對微孔板的任意行數定義測量，數據輸出采用外接打印機。原始數據可在主機獨立測量完畢后由打印機輸出。計算機控制測量可完全替代單機測量的功能，同時(shí)可在WINDOWS的操作軟件包下進(jìn)行樣品區、標準區、陰陽(yáng)性孔位定義、測量及數據處理。

組件構思

采用日產(chǎn)硅光電池作為酶標儀檢測裝置的核心部分。傳動(dòng)系統采用國際流行、運行平穩、定位準確的齒杠、齒輪傳動(dòng)與同步帶、齒輪傳動(dòng)相結合的形式，送樣器(孔板托盤(pán))、光電檢測裝置在開(kāi)機后及測量完畢均定位在初始位置;送樣器及光電檢測裝置的傳采用日產(chǎn)硅光電池作為酶標儀檢測裝置的核心部分。

傳動(dòng)系統采用國際流行、運行平穩、定位準確的齒杠、齒輪傳動(dòng)與同步帶、齒輪傳動(dòng)相結合的形式，送樣器(孔板托盤(pán))、光電檢測裝置在開(kāi)機后及測量完畢均定位在初始位置;送樣器及光電檢測裝置的傳動(dòng)系統采取互相垂直的獨立運動(dòng)機構;采用MGL(S)24064帶背景光綠色顯示屏的顯示器; 89C55單片微機控制;外接中文打印機，和微機通過(guò)RS232通訊。 計算機數據處理軟件包，控制功能完全可在計算機上完成。具體電路原理框圖如圖2?！　?/p>

測量原理

光是電磁波，波長(cháng)100nm～400nm稱(chēng)為紫外光， 400nm～780nm之間的光可被人眼觀(guān)察到，大于780nm稱(chēng)為紅外光。人們之所以能夠看到色彩，是因為光照射到物體上被物體反射回來(lái)。綠色植物之所以是綠色，是因為植物吸收了光中的紅色光譜。酶標儀測定的原理是在特定波長(cháng)下，檢測被測物的吸光值。測量程序流程如圖3所示。

檢測單位：

光通過(guò)被檢測物，前后的能量差異即是被檢測物吸收掉的能量，特定波長(cháng)下，同一種被檢測物的濃度與被吸收的能量成定量關(guān)系。檢測單位用OD值表示， OD是optical density(光密度)的縮寫(xiě)，表示被檢測物吸收掉的光密度， OD=1og(1/trans)，其中trans為檢測物的透光值。根據Bouger-amberT-beer法則，OD值與光強度成下述關(guān)系：

E=OD=logΙ0/Ι

其中E表示被吸收的光密度， Ι0 為在檢測物之前的光強度，Ι為從被檢測物出來(lái)的光強度。

OD值由下述公式計算：

E=OD=C×D×E

C為檢測物的濃度

D為檢測物的厚度

E為摩爾因子

在特定波長(cháng)下測定每一種物質(zhì)都有其特定的波長(cháng)，在此波長(cháng)下，此物質(zhì)能夠吸收最多的光能量。如果選擇其它的波長(cháng)段，就會(huì )造成檢測結果的不準確。因此，在測定檢測物時(shí)，我們選擇特定的波長(cháng)進(jìn)行檢測，稱(chēng)為測量波長(cháng)。

但是每一種物質(zhì)對光能量還存在一定的非特異性吸收，為了消除這種非特異性吸收，我們再選取一個(gè)參照波長(cháng)，以消除這個(gè)不準確性。在參照波長(cháng)下，檢測物光的吸收最小。檢測波長(cháng)和參照波長(cháng)的吸光值之差可以消除非特異性吸收。

Anthos 酶標儀檢測值計算

儀器中的檢測器接收透過(guò)被檢測物的光能量，轉換成二進(jìn)位數字信號，最大為4095。儀器定義沒(méi)有光源下的透光值為 0%，沒(méi)有檢測物的透光值為100%。則實(shí)際檢測中，檢測物的透光值均在 0%～100%之間。透光值的計算如下：

T=(Meas—Min)/(Max—Min)

其中T為透光值， Meas為檢測的二進(jìn)位數值， Min為在 0%的情況下檢測的二進(jìn)位數值， Max為在100%的情況下檢測的二進(jìn)位數值，舉例如下：

Max=3600

Min=20 Meas=30

T=(30-20)/(3600-20)=0.0028

OD=1og(1/T)=1og(1/0.0028)=2.552

軟件設計

設置軟件陷阱

當程序進(jìn)入到非程序區，只要在非程序區設置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強迫程序回到初始狀態(tài)。如對CPU的RST指令對應的字節碼為0FFH，如果不用的程序存儲區預先寫(xiě)入0FFH，則當程序因干擾而“飛”到該區域執行代碼時(shí)，就相當于執行1條RST指令，從而達到系統復位的目的。96孔測量程序流程如圖(3)。

結語(yǔ)

整機無(wú)論從結構到電器性能都達到了設計要求，采用的原理科學(xué)，技術(shù)及關(guān)鍵器件先進(jìn)。通過(guò)一段時(shí)間的使用，從各用戶(hù)中反饋的信息都很滿(mǎn)意。該樣機從主機到應用軟件符合國際設計潮流及臨床操作要求。

參考文獻：

1. 朱根娣，臨床常用檢驗儀器——原理.結構.維護，上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社，2002

2. 美國Anglog Devices公司的AD1674 datasheet

3. 哈爾濱思創(chuàng )生物酶標儀使用說(shuō)明書(shū)

4. 梁立森，CF-ZS系列板式酶標儀在市場(chǎng)競爭中發(fā)展，航天技術(shù)與民品1998年第1期