一種多通道可擴展式熒光免疫分析系統的設計

劉艷萍 黃麗英 王嘉豪

（廣東工貿職業技術學院 廣東省廣州市 510510）

《健康中國行動（2019-2030）》提出，2030年實現全民健康素養水平大幅提升，健康生活方式基本普及，居民主要健康影響因素得到有效控制，因重大慢性病導致的過早死亡率明顯降低，人均健康預期壽命得到較大提高，居民主要健康指標水平進入高收入國家行列，健康公平基本實現。同時，提出分級診療，常見病多發病下沉基層醫院，縣域就診率提高到70%以上，全面提升縣級公立醫院綜合能力[1-4]。

防控重大疾病一般都涉及免疫檢測。免疫檢測有兩種檢測場景，一種是高度自動化、流水線檢測，檢測通量大，一般布局在二級、三級醫院的檢驗科或中心實驗室，檢測時間需要幾個小時或幾天時間；另一種是小型化、檢測快速、操作簡便的設備，一般應用在急診、臨床科室，還有基層醫院、社區醫院，可以幾分鐘或者十幾分鐘出結果[5-6]。

本文基于《健康中國行動（2019-2030）》提出的防控重大疾病和檢測下沉基層醫院的指導思想，設計一款多通道可擴展式熒光免疫分析系統，搭配層析試劑卡進行免疫檢測，可根據不同檢測機構的樣本數量，進行檢測通道的靈活配置，操作簡單，檢測速度快，一般項目可以在15min內出結果。

1 系統設計

本系統包括一個主機和多個從機，主機和從機采用級聯的方式依次通訊連接，如圖 1所示。

圖1：系統連接圖

主機和從機均包括主控模塊、電源模塊、采集模塊以及傳動模塊。主控模塊分別與電源模塊、采集模塊和傳動模塊相連，如圖 2和圖 3所示。每臺機的前殼面板上并排地開設有6個用于放置試劑條的檢測通道，傳動模塊用于驅動采集模塊移動至各檢測通道的上方，然后使用采集模塊分別對各檢測通道內的試劑條進行數據采集。

圖2：主機系統框圖

圖3：從機系統框圖

除了檢測功能，主機還負責人機交互，具有觸摸顯示屏、熱敏打印機、Wi-Fi模塊、Code卡接口等模塊。

2 硬件設計

2.1 主控模塊

在本系統中，主機的主控模塊由核心板IMAX6和控制板STM32F103組成，核心板和控制板通過串口連接。

核心板IMAX6是NXP Cortex-A9四核IMAX6Q處理器，1GHz主頻，1G DDR內存，8G EMMC存儲，運行Linux+Qt5.12系統。核心板主要負責界面顯示、測試流程、數據處理、結果計算、數據存儲、網絡傳輸和系統設置等功能。

主機的控制板STM32F103通過串口與核心板進行數據交互，完成傳動控制、采集數據等。

從機的控制板STM32F103與主機的控制板有相同的功能，不同的是通過CAN總線與核心板進行數據交互。

2.2 傳動模塊

傳動模塊負責驅動采集模塊在檢測通道間橫向移動和檢測通道內縱向采集。傳動模塊的橫向和縱向移動均使用步進電機。

步進電機驅動芯片選用德國Trinamic公司的TMC5160驅動芯片。TMC5160 包含驅動電機所需的全部功能，可配置為位置模式或速度模式，支持 TRINAMICs 獨有的stallGuard2，coolStep，dcStep， spreadCycle 和 stealthChop 功能，優化了驅動器性能，平衡了速度和電機扭矩，優化能源效率、驅動平穩且無噪音[7-8]。

TMC5130提供三種工作模式：全功能運動控制和驅動器、脈沖和方向驅動器、簡單的步進和方向驅動器。本系統使用全功能運動控制和驅動器模式，所有步進電機邏輯完全在 TMC5160 內實現，不需要軟件算法來控制電機，只需提供目標速度和目標位置。

2.3 采集模塊

采集模塊由激發模塊和發射模塊組成。激發模塊的激發光中心波長為365nm，采用韓國首爾半導體公司的單色LED，恒定電流驅動，發光角度為55°。

圖4：電機驅動電路圖

發射光中心波長為610nm，光電探測器為日本濱松公司的光電二極管S1337，感光面積10×10mm，靈敏度0.62A/W，暗電流最大值200pA，光譜響應曲線如圖5所示。

圖5：光電二極管光譜響應曲線

3 軟件設計

3.1 聯機流程

根據檢測樣本數量的多少，本系統可配置為單主機、主機+1從機、主機+2從機和主機+3從機等四種模式。因此，在使用本系統之前需要進行聯機處理，檢測參與聯機的從機數量，聯機流程如圖 6所示。聯機只需要執行一次，如果從機數量發生改變，則需要再次執行聯機處理。

圖6：聯機流程

在從機主面板上有一個LED數碼管顯示從機編號，從機編號范圍為#1～#3。從機編號可通過前面板上的按鍵進行選擇，如果從機編號有重復，會導致聯機不成功。

3.2 測試流程

在進行樣本檢測前，需要按照測試項目的要求處理樣本，并把處理好后的樣本添加到試劑卡上。然后，將試劑卡插入檢測通道，儀器自動檢測試劑卡插入、啟動孵育，孵育完成后，采集熒光信號、計算被測物濃度，圖 7為主機測試流程。

圖7：主機測試流程

只有主機有顯示屏和核心板，從機的檢測流程、數據處理、結果顯示和存儲，均由主機來完成。圖 8為從機測試流程。

圖8：從機測試流程

3.3 數據處理

在進行樣本檢測時，采樣模塊發射出激發光，激發光照射在試劑卡上，試劑卡發射出的熒光被采樣模塊收集。每張試劑卡采集800個數據點，繪制成波形如圖 9所示，縱坐標為AD采樣值，橫坐標為采樣點序號。

圖9：試劑卡采樣波形

在試劑卡的T線（檢測線）和C線（對照線）形成兩個波峰，將兩個波峰分別記為T和C，二者的比值T/C與被測項目的濃度具有相關性。

根據T/C計算被測項目的濃度，需要使用擬合算法。在試劑生產階段，將一組已知濃度的標準品添加到試劑卡上，充分反應后，使用儀器測得濃度和T/C值的對應關系，然后建立函數關系，即擬合方程。將擬合方程寫入Code卡中，隨試劑一起銷售，每批試劑的Code卡內容一致。

在客戶端進行樣本檢測時，儀器需要從Code卡中讀取擬合方程，然后將實測的T/C值代入擬合方程，求得被測項目的濃度。

4 結束語

本項目所設計的免疫分析儀基于熒光免疫層析方法學，具有檢測原理的通用性，可擴展應用于食品安全檢測、農藥殘留檢測、寵物檢測等領域，市場前景廣闊。