《電子技術(shù)應用》
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免疫熒光定量分析儀設(shè)計
2014年電子技術(shù)應用第11期
潘 星1,鄭忠亮2,吳瓊水1
1.武漢大學 電子信息學院,湖北 武漢430072; 2.武漢大學 生命科學學院,湖北 武漢430072
摘要: 設(shè)計了免疫熒光定量分析儀,用以對人體血液和尿液中的各種分析物(CRP、PCT、NT-proBNP、cTnI等)含量進行快速準確的定量分析。光源采用大功率LED燈珠,采用窄帶干涉濾光片對激發(fā)光和熒光進行濾光,采用內(nèi)置運放的光電轉(zhuǎn)換芯片OPT101進行熒光強度的檢測。采用步進電機驅(qū)動,皮帶傳動方式帶動雙排滾珠寬體滑塊在單根精密直線導軌上滑動,實現(xiàn)對檢測樣品的掃描式檢測。通過與標準儀器進行對比試驗,結(jié)果表明樣機在小型化、快速性以及低成本的基礎(chǔ)上,測量結(jié)果準確,測量精度高,穩(wěn)定性好,能滿足臨床應用要求。
中圖分類號: TN29
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)11-0019-04
Design of immunofluorescence quantitative analyzer
Pan Xing1,Zheng Zhongliang2,Wu Qiongshui1
1.School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.College of Life Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,China
Abstract: The design of immunofluorescence quantitative analyzer is for rapid and accurate quantitative analysis of content of each analyte(CRP, PCT, NT-proBNP, cTnI, etc.) in human blood and urine. High-power LED is adopted as light source, narrowband interference filter is used to filter exciting light and fluorescence, and photovoltaic conversion chip with built-in operational amplifier OPT101 is used to test fluorescence intensity. Scanning test for sample is achieved by using stepper motor to drive and make double-row ball wide slide block slide along single precise linear guideway with belt transmission. By comparing commercialized apparatuses, it is found that based on the miniaturization, rapidity and low cost, prototype is able to get accurate test results, meeting requirements of clinical application with high precision and good stability.
Key words : immunofluorescence quantitative analyzer;interference filter;OPT101

0 引言

  免疫熒光分析技術(shù)是新發(fā)展起來的精密的免疫標記檢測技術(shù),與傳統(tǒng)的酶聯(lián)免疫法及金標法相比,免疫熒光分析技術(shù)靈敏度高,特異性強,操作方便,不用放射性物質(zhì)作為標記物,因此具有無放射性、標記物穩(wěn)定、便于長期保存、試驗重復性好、分析速度快、樣品用量少及標準曲線量程寬等優(yōu)點[1]。熒光分析法是測定物質(zhì)吸收了一定頻率的光以后,物質(zhì)本身所發(fā)射的光的強度。熒光的強度與物質(zhì)數(shù)量之間存在正比關(guān)系,可通過測定熒光的光譜和熒光強度,對物質(zhì)進行定性或定量的分析。免疫熒光分析技術(shù)是目前生物醫(yī)學檢驗中常用的快速分析技術(shù),在微生物、病毒抗原或抗體檢測、激素檢測、腫瘤標志物檢測、毒品海洛因、嗎啡、搖頭丸、氯胺酮等檢測領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

1 免疫熒光定量檢測原理

  將特異的熒光抗體先固體于硝酸纖維素膜的某一區(qū)帶,當該干燥的硝酸纖維素一端滴加樣品后,由于毛細管作用,樣品將沿著該膜向前移動,當移動至固定有抗體的區(qū)域時,樣品中相應的抗原即與該熒光體發(fā)生特異性結(jié)合,隨著進一步的層析作用,用此抗原的另一個抗體對此復合物進行捕捉,多余的熒光抗體用其二抗進行捕捉,兩次捕捉的位置分別稱為質(zhì)控線(C線)和檢測線(T線)。當光源照射到檢測卡上時,質(zhì)控線和檢測線分別激發(fā)出不同強度的熒光,光電轉(zhuǎn)換器接收不同強度的熒光產(chǎn)生不同大小的電信號,電信號的強弱反映出待檢測物的濃度,從而實現(xiàn)特異性的免疫診斷。

2 免疫熒光定量分析儀系統(tǒng)設(shè)計

  免疫熒光定量分析儀主要由光學部分、硬件電路部分以及系統(tǒng)軟件部分組成。光學部分是熒光定量分析儀的核心部分,用來激發(fā)出熒光,而硬件電路部分和系統(tǒng)軟件部分則用來進行熒光信號的檢測處理以及控制整個儀器的正常運行。

  2.1 光學部分設(shè)計


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  光學部分設(shè)計如圖1所示,光學部分由光源發(fā)射光路和熒光檢測光路兩部分組成。

  光源發(fā)射光路由LED光源、凸透鏡1、濾光片1和凸透鏡2組成。LED光源的光軸與凸透鏡1、濾光片1以及凸透鏡2的光軸在一條線上。光源為綠色(中心波長為580 nm)高亮度LED光源,LED位于發(fā)射光路凸透鏡1的焦點,這樣光源發(fā)出的光經(jīng)凸透鏡1后變?yōu)槠叫泄?,濾光片1采用中心波長580 nm帶寬為30 nm的窄帶干涉濾光片,平行光經(jīng)過濾光片1后,入射光中565 nm~595 nm范圍以外的光被濾除掉,出射的光為窄帶光(565 nm~595 nm),其經(jīng)過凸透鏡2后,被聚焦到樣品上,激發(fā)出熒光,熒光波長為610 nm。

  熒光檢測光路由凸透鏡3、濾光片2、凸透鏡4和光電轉(zhuǎn)換器組成。光電轉(zhuǎn)換器與凸透鏡3、濾光片2、凸透鏡4的光軸在一條線上。熒光檢測光路光軸和發(fā)射光路光軸成45°角,最大程度地減少了激發(fā)光對熒光信號檢測的影響。熒光檢測光路光軸和發(fā)射光路光軸的交點在檢測試紙上,且交點為凸透鏡2和凸透鏡3的焦點。濾光片2采用中心波長610 nm,帶寬為15 nm的窄帶干涉濾光片。激發(fā)出的熒光被凸透鏡3收集后變?yōu)槠叫泄?,平行光通過濾光片2后,原來的少量激發(fā)光會被濾光片濾除掉,僅剩激發(fā)出的610 nm左右的熒光信號通過[2-3]。通過濾光片后的光被凸透鏡4收集聚焦到熒光檢測模塊上的光電轉(zhuǎn)換器上,實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。

  2.2 系統(tǒng)硬件電路部分設(shè)計

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  系統(tǒng)硬件電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,儀器的測量原理是:處理器控制步進電機帶動待檢測樣本到達檢測器的檢測口上方,通過發(fā)光控制模塊控制LED的發(fā)光強度以符合測量的強度要求,光電傳感器檢測熒光信號的強弱,傳感器輸出信號經(jīng)放大和濾波處理后進入ADS1252轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號交給處理器進行處理[4]。

  圖2中檢測器框中所示的部分包括上文2.1所描述的光學部分以及部分硬件電路,兩部分共同封裝在檢測器內(nèi),提高了檢測信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力。檢測器硬件電路部分由發(fā)光控制模塊和熒光檢測模塊組成。

  為了保證光源的穩(wěn)定性,發(fā)光控制模塊采用了恒流源驅(qū)動方式,這樣可以有效保證光源發(fā)光強度的恒定。對于有的樣品,照射光源不宜太強,因此,恒流源采用的是程控調(diào)節(jié)的恒流源,通過輸入不同的數(shù)字值,可以控制LED的發(fā)光強度。即LED驅(qū)動電流的大小可以通過程序進行控制。

  光電轉(zhuǎn)換器選用內(nèi)置運放的光電轉(zhuǎn)換芯片OPT101。熒光檢測模塊包含了光電轉(zhuǎn)換、信號放大濾波、電壓偏置、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等部分。其中,信號放大采用程控放大,模/數(shù)轉(zhuǎn)換采用24位的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1252,可保證足夠的轉(zhuǎn)換精度和大的動態(tài)檢測范圍。檢測器傳輸給控制器的是數(shù)字電信號,數(shù)字信號比模擬信號有更強的抗干擾能力和準確性,這就大大提高了系統(tǒng)的檢測精度。

  2.3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計


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  系統(tǒng)軟件使用C語言進行編寫,軟件流程圖如圖3所示。系統(tǒng)初始化主要完成系統(tǒng)各外圍模塊的配置以及歷史設(shè)置的讀取和配置。待系統(tǒng)初始化完成后,控制電機帶動樣品卡卡槽出倉,并在顯示屏上提示用戶插入檢測樣品卡。系統(tǒng)循環(huán)檢測樣品卡是否插入卡槽內(nèi),當檢測到樣品卡插入后系統(tǒng)打開二維碼掃描槍并控制電機帶動樣品卡移動至掃描槍處進行二維碼的讀取。二維碼包含檢測項目、產(chǎn)品批號、標準曲線等信息。系統(tǒng)判斷二維碼信息有效后打開LED并根據(jù)二維碼相關(guān)信息調(diào)整LED亮度同時控制電機帶動待檢測樣本移動至檢測器上方進行檢測。采集到的數(shù)據(jù)將以txt文件的形式保存在SD卡內(nèi),經(jīng)一定的算法計算出T線與C線對應波峰的面積比后代入二維碼信息中的標準曲線內(nèi),得出待檢測樣品的濃度并將最終的熒光強度曲線及樣品的濃度檢測結(jié)果顯示到顯示屏上并自動存儲和打印檢測信息[5]。

3 測試結(jié)果及分析

  本文設(shè)計的免疫熒光定量分析儀可以測量血液和尿液中多種物質(zhì)的濃度,本文以NT-proBNP(N末端腦鈉肽前體)的濃度測量為例對儀器的運行效果進行分析。NT-proBNP是由心臟分泌的一種神經(jīng)內(nèi)分泌激素 ,已被證明是臨床上診斷、治療及判斷心力衰竭患者預后的重要指標[6]。

  3.1 熒光信號的采集


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  將樣品卡插到儀器的卡槽內(nèi)進行檢測得到熒光強度曲線如圖4所示。圖中橫坐標代表數(shù)據(jù)個數(shù),縱坐標代表光電轉(zhuǎn)換器輸出的電壓值,單位為mV。

  3.2 標準直線擬合

  得到樣品熒光強度的曲線后,利用高斯擬合可以計算出T線和C線對應的曲線波峰的面積,利用T線和C線對應波峰的面積可以計算出待檢測樣品的濃度。這就需要一組標準濃度校驗品,根據(jù)標準濃度校驗品的測量結(jié)果,建立一定的數(shù)學模型計算出T線和C線對應波峰的面積與樣品濃度之間的數(shù)學關(guān)系。

  根據(jù)標準濃度校驗品得到樣品濃度與T線對應波峰的面積(用AT表示)與C線對應波峰的面積(用AC表示)之比AT/AC的對應關(guān)系如表1所示。

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  由表1中的對應關(guān)系,利用最小二乘法得到的樣品濃度與AT/AC數(shù)學量化關(guān)系,如圖5所示。

  由圖5可以得出,最小二乘法擬合直線的表達式如式1所示:

006.jpg

  y=9 912.156x-84.742 8(1)

  直線擬合相關(guān)系數(shù)R=0.999 92,說明這6種標準濃度校驗品的濃度與AT/AC之間存在良好的線性關(guān)系。

  3.3 系統(tǒng)測量誤差分析

  選擇一組同一批次不同濃度標準濃度樣品,依據(jù)式1對樣品濃度進行測量,分析系統(tǒng)的檢測誤差,得到的測量結(jié)果如表2所示。

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  由表2的實測結(jié)果可以看出,對于標準濃度樣品的測量誤差在±8%以內(nèi),滿足實際的使用要求。下面選取一組醫(yī)院的病人血液樣品,以進口的銳普智能熒光干式定量分析儀作為標準儀器進行對比測量。每個病例取75 L病人血液樣本加到樣品緩沖液中,將溶液充分混勻后取75 ?滋L混勻后的樣本滴加到樣品卡的加樣孔內(nèi),等待15 min后將樣品卡插入到儀器的卡槽內(nèi)得到的測量結(jié)果如表3所示。

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  由表3的對比測量結(jié)果可以看出,本文設(shè)計的免疫熒光定量分析儀與現(xiàn)已商品化的免疫熒光檢測儀相比,測量誤差在±8%以內(nèi),能滿足臨床應用要求。

4 結(jié)論

  本文設(shè)計了免疫熒光定量分析儀,對儀器的光學部分、硬件電路部分以及系統(tǒng)軟件部分進行了詳細介紹。從多個角度對儀器的運行結(jié)果進行了分析,從測試結(jié)果可以看出,儀器可以擬合出線性度良好的標準直線,通過對標準校驗品的測量試驗和與標準儀器的對比試驗表明儀器在小型化、快速性的基礎(chǔ)上,測量誤差能夠控制在±8%以內(nèi),可以滿足臨床應用的要求。

參考文獻

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