化學(xué)發(fā)光定量免疫分析儀的研究

概述

長(zhǎng)期以來(lái)，人們大多采用光度計(jì)作為光信號(hào)的主要檢測(cè)儀器，其原理為通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，再加以放大。其主要特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，但靈敏度低、線性范圍較窄。目前常見(jiàn)的光學(xué)檢測(cè)儀器，如：紅外、可見(jiàn)光、紫外分光光度計(jì)、熒光分光光度計(jì)、酶標(biāo)儀、照度計(jì)等均采用類似原理[1]。這類技術(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(guī)光電倍增管作為檢測(cè)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(wěn)定性的檢測(cè)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用的數(shù)據(jù)分析管理軟件配合使用，就構(gòu)成了目前國(guó)內(nèi)唯一的化學(xué)發(fā)光免疫分析系統(tǒng)[2]，完全能夠滿足各類臨床及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)高靈敏度定量和定性免疫測(cè)試的要求。

該系統(tǒng)采用32位ARM7.0為控制中心，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口連接及信號(hào)傳輸指令實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊。本機(jī)具有操作簡(jiǎn)便、靈敏度高、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

1、系統(tǒng)主要的性能指標(biāo)

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；

線性范圍： 500 RLU/S～1.8×106RLU/S

穩(wěn)定性：CV≤3%

重復(fù)性：CV≤3%

靈敏度：（最低檢測(cè)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)?strong>光子計(jì)數(shù)器、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、中央控制單元、上位機(jī)管理分析軟件、打印機(jī)。光子脈沖數(shù)經(jīng)過(guò)控制中心RAM7.0信號(hào)處理，一方面，單片機(jī)控制X、Y方向的步進(jìn)電機(jī)來(lái)變換標(biāo)準(zhǔn)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(jī)通信，可以實(shí)時(shí)的查詢病人的信息、分析結(jié)果、質(zhì)控圖等，并且可以通過(guò)打印機(jī)打印分析的結(jié)果。該產(chǎn)品的整機(jī)結(jié)構(gòu)框圖以及與外圍設(shè)備的連接關(guān)系如圖1所示：

圖1　儀器系統(tǒng)組成及工作原理示意圖

2.1 單光子計(jì)數(shù)器的工作原理

該儀器的光檢測(cè)部件采用了單光子計(jì)數(shù)器，其核心部分是一個(gè)特殊類型的光電倍增管，它是一個(gè)超高真空的圓柱型玻璃容器，其中向光的一面（稱為窗口）涂有一層特殊的具有光電效應(yīng)的稀有金屬，稱為光陰極；而內(nèi)部還裝有多個(gè)以特殊方式排列的電極，稱為打拿極或加速極；其后部另有一個(gè)電極稱為陽(yáng)極，各個(gè)電極之間均加有直流高壓[3、4]。單光子計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及其工作原理示意圖如圖2所示：

圖2　單光子計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及其工作原理示意圖

當(dāng)光子打到光陰極時(shí)，由于光電效應(yīng)，其表面可以產(chǎn)生能量微弱的游離電子，稱為光電子；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(shù)量級(jí)更大的電子[5、6]。就這樣經(jīng)過(guò)多個(gè)打拿極的反復(fù)放大，最后使陽(yáng)極產(chǎn)生了一個(gè)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最初樣品發(fā)射光子的電脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)前置放大器放大，再經(jīng)過(guò)比較器去除噪聲信號(hào)，最后由分頻器換算出光子脈沖數(shù)，通常為相對(duì)發(fā)光單位，即：RLU（Relative Luminescence Unit）。一般講，一個(gè)RLU相當(dāng)于10個(gè)光子。

2.2 下位機(jī)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MC68322（128K Flash，32K Ram）作為控制中心，以FPGA為計(jì)數(shù)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(jí)聯(lián)放大器NE5205做前置放大，再經(jīng)過(guò)FPGA做信號(hào)的比較（主要去處干擾信號(hào)）、分頻（得到適當(dāng)?shù)念l率）最后進(jìn)入單片機(jī)做信號(hào)處理；單片機(jī)把處理的結(jié)果可以通過(guò)LCD顯示，也可以通過(guò)RS—232串口與計(jì)算機(jī)通信實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；利用4個(gè)光電傳感器來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)而改變微孔板的位置。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

圖3　硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.3 上位機(jī)管理分析軟件的設(shè)計(jì)

上位工控機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)工具采用面向?qū)ο蟮腣isual Basic.NET編程。Visual Basic.NET是一種可視化的面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它不僅編程簡(jiǎn)單，界面設(shè)計(jì)容易，同時(shí)自帶的可視化數(shù)據(jù)管理器VisData，使得開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序也極為方便[7、8]。通過(guò)RS—232串口與PC機(jī)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(zhǔn)確的讀取化驗(yàn)的結(jié)果、打印化驗(yàn)單、化驗(yàn)批號(hào)、醫(yī)院名稱維護(hù)、病人信息管理、病人信息查詢、化驗(yàn)過(guò)程檢測(cè)及完善的幫助系統(tǒng)等。該管理系統(tǒng)界面友好、操作方便、直觀、信息涵蓋面廣。化學(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(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代量子物理學(xué)的發(fā)展，以及人們對(duì)光的微觀特性認(rèn)識(shí)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，一種被稱為單光子計(jì)數(shù)器的新型高敏感度光電檢測(cè)器已經(jīng)在近期問(wèn)世，其靈敏度及線性范圍均大大超過(guò)其它常規(guī)技術(shù)。因此被迅速應(yīng)用于航空、航天、軍事、公安、科研、醫(yī)療、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，成為現(xiàn)代高科技領(lǐng)域的重要組成部分。

由于單光子計(jì)數(shù)器具有的卓越性能，它已成為現(xiàn)代光學(xué)儀器中最重要的部分之一，也是今后臨床檢驗(yàn)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(yīng)用，使現(xiàn)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(xiàn)

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