一種多通道熒光免疫分析儀的設計*

余元駿 ，趙 荻 ，周利茗 ，高利宏 △

（1. 重慶市藥品技術審評認證中心，重慶 401120； 2. 重慶市食品藥品檢驗檢測研究院，重慶 401120）

免疫層析技術（ICA）是將免疫技術和色譜層析技術相結合的分析方法，具有特異性強、操作簡單、快速等特點［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，其結果多作為心肌損傷、心力衰竭、急性冠狀動脈綜合征、心血管炎癥、靜脈血栓栓塞、常規炎癥、細菌／病毒感染、急慢性腎病等疾病的輔助診斷依據［4－8］。目前，已上市的熒光分析儀器多為單通道設備，無法實現單樣本多項目的同時檢測，效率低、速度慢，當樣本量較大時，難滿足檢測需求。且現有多通道熒光分析儀多采用轉盤式結構，其結構復雜，可靠性差，測量結果準確性和穩定性較差。由于轉盤式結構固有的缺陷，易造成進卡失敗，分析儀因卡頓而死機，試劑卡翻轉、卡死，轉盤轉動時，試劑卡易偏移，影響測量的重復性；試劑卡和光源相對運動，造成測量結果的準確性和穩定性較差等。鑒于此，本研究中設計出一種新型多通道熒光免疫分析儀，其采用一體化設計，使用醫用適配器供電，可在保證光路檢測系統穩定的情況下，同時滿足多個檢測試劑卡檢測的高通量需求，提高處理效率。現報道如下。

1 系統設計方案

1.1 機械結構［9－12］

整個機械部分由試劑卡放置結構、掃描檢測結構及導軌結構組成。目前設計16 個通道（見圖1），采用雙層結構模式，每層有8 個通道（見圖2），每層都包含上述3 個部分。可根據需要添加通道數，相比于現有多通道模式，在擴展性上更靈活。

圖1 設備樣機示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of analyzer prototype

圖2 機械設計結構Fig.2 Structure model of mechanical design

試劑卡放置結構：用于安放待測試劑卡樣本，采用插卡模式。在試劑卡放置結構末端放置反射式光電收發管，用于監測該卡槽是否有待測樣本，或試劑卡是否安放到位。卡槽底部放置彈簧片，用于固定試劑卡，防止振動或其他因素造成的檢測過程中試劑卡偏移。整層試劑卡放置結構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，可避免轉盤式離心運動造成的偏差。該檢測模式下，試劑卡放置到位后靜置不動，通道掃描檢測結構運動，避免轉盤式相對運動造成的偏差。每個通道上均配1 個狀態指示燈（見圖1），用于指示測試狀態。

掃描檢測結構：由步進電機、限位開關及采集轉換電路安放結構組成。步進電機用于帶動采集轉換電路裝置，檢測熒光強度。安放結構上存在2 個孔位用于放置激發光源及光電接收管，后者內部放置650 nm 波長紅光窄帶濾光片，用于消除背景光的干擾。機構的前端安放有輕觸限位開關，上電時或通道掃描時，主機通過該限位開關確定起始位置。

導軌結構：每層的導軌結構均是采用步進電機加皮帶方式，可實現對該層8 個通道的橫向逐個檢測。由于每層導軌結構獨立，每層檢測過程也相對獨立，故在檢測效率上高于相同通道數的轉盤式設計。

1.2 電路

包含數據采集轉換電路和檢測控制電路兩大模塊。整個電路的數據通信采用485 總線方式，包括兩大電路模塊間的通訊及兩者與上位機軟件的通訊。

采集轉換電路：包括熒光收發電路、放大濾波電路和模擬數字（AD）采集電路。熒光收發電路的激發光源為365 nm 波長紫外發光二極管，熒光接收傳感器為硅光敏二極管。采用多級濾波放大電路預處理硅光敏二極管輸出的光電信號，放大濾波電路見圖3，根據輸入信號的幅值、AD 基準電壓及掃描電機轉數，采用放大倍數為20 倍，低通濾波器的截止頻率為10 Hz。AD 電路采用自帶有24 位高精度模擬數字轉換器（ADC）的單片機（C8051F340 型）。因此，可實現ADC 轉換及中值濾波法對AD 數據預處理，同時實現對光敏二極管的亮度及開關控制，同檢測控制電路的通訊，同上位機軟件的通訊。采集轉換電路模塊見圖4。

檢測控制電路：由電源管理電路、電機控制電路、孵育控制電路、狀態檢測電路及工控板控制電路組成。電源管理電路用于實現直流－直流（DC－DC）電平轉換，可滿足不同功能模塊或IC 對電平幅度的要求。電機控制電路的電機驅動芯片采用兩相步進電機驅動芯片（安森美 STK682－010－E 型），內部集成了細分、電流調節、互補金屬氧化物半導體（CMOS）功率放大等電路，配合簡單的外圍電路即可實現高性能、多細分、大電流的驅動電路，具有低成本、低振動、小噪聲、高速度的特點。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）控制算法實現對所需孵育溫度的精準控制。狀態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備通電或斷電時工控板電腦的正常開關機，避免異常關機可能造成的系統崩潰或硬盤損壞。詳見圖5 和圖6。

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

圖4 采集轉換電路模塊實物Fig.4 The real object of the acquisition and conversion circuit module

圖5 關機控制流程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、人機交互界面及數據存儲打印的載體。相比于商用主板，工控板在尺寸設計、穩定性、抗干擾、工作環境等方面更優。液晶屏采用 12.1電容式觸摸屏。目前大部分熒光免疫設備均配有1 個數據ID 卡，用于存儲批次信息及校準曲線等參數。ID 卡內部參數須根據每批試劑卡的情況進行更新，否則易導致檢測結果不準確。同時，目前市面上設備ID 卡存儲方式采用 EEPROM 或FLASH 存儲，數據存在丟失或易被篡改等風險。故在工控板內置1 個4G的模塊接口，需要時，廠商或服務商可通過4G 網絡，從公司本部或服務商數據中心的服務端口，采用短信模式，先激活設備與數據中心的網絡連接，然后通過TCP／IP模式，實現每批次參數的及時更新，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 實踐論證

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

表1 通道一致性測試結果Tab.1 Results of channel consistency test

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

圖7 數據測試曲線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 線包絡最大值點對應的位置，P 為T 線包絡最大值點對應的位置，N 為包絡兩側取的疊加點數。

3 小結

本研究中設計的多通道熒光免疫設備，采用插卡式、一體機方式，避免了轉盤式設計的不足，同時保證了通道一致性及精確性［13－15］。設備操作簡便、通道數可擴展性強。但設備加樣等仍需手動操作，如何進一步提高設備的自動化水平，將是后續開發的重點。