化學發(fā)光定量免疫分析儀的原理與設計

概述

長期以來，人們大多采用光度計作為光信號的主要檢測儀器，其原理為通過光電轉(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，再加以放大。其主要特點為：結構簡單、性能穩(wěn)定，但靈敏度低、線性范圍較窄。目前常見的光學檢測儀器，如：紅外、可見光、紫外分光光度計、熒光分光光度計、酶標儀、照度計等均采用類似原理[1].這類技術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器件。

化學發(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，就構成了目前國內(nèi)唯一的化學發(fā)光免疫分析系統(tǒng)[2]，完全能夠滿足各類臨床及基礎醫(yī)學領域內(nèi)高靈敏度定量和定性免疫測試的要求。

該系統(tǒng)采用32位ARM7.0為控制中心，并通過標準RS-232串口連接及信號傳輸指令實現(xiàn)與PC機的通訊。本機具有操作簡便、靈敏度高、計數(shù)準確、穩(wěn)定性好等特點。

1、系統(tǒng)主要的性能指標

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%重復性：CV≤3%靈敏度：（最低檢測限）≤3×10-14W

2、儀器組成及工作原理

化學發(fā)光免疫分析儀主要有5部分組成：單光子計數(shù)器、機械傳動機構、中央控制單元、上位機管理分析軟件、打印機。光子脈沖數(shù)經(jīng)過控制中心RAM7.0信號處理，一方面，單片機控制X、Y方向的步進電機來變換標準試劑和病人的采樣樣品；另一方面，通過RS—232串口于上位機通信，可以實時的查詢病人的信息、分析結果、質(zhì)控圖等，并且可以通過打印機打印分析的結果。該產(chǎn)品的整機結構框圖以及與外圍設備的連接關系如圖1所示：

圖1儀器系統(tǒng)組成及工作原理示意圖

2.1單光子計數(shù)器的工作原理

該儀器的光檢測部件采用了單光子計數(shù)器，其核心部分是一個特殊類型的光電倍增管，它是一個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的稀有金屬，稱為光陰極；而內(nèi)部還裝有多個以特殊方式排列的電極，稱為打拿極或加速極；其后部另有一個電極稱為陽極，各個電極之間均加有直流高壓[3、4].單光子計數(shù)器的結構及其工作原理示意圖如圖2所示：

圖2單光子計數(shù)器的結構及其工作原理示意圖

當光子打到光陰極時，由于光電效應，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)量級更大的電子[5、6].就這樣經(jīng)過多個打拿極的反復放大，最后使陽極產(chǎn)生了一個能量遠遠高于最初樣品發(fā)射光子的電脈沖信號。該信號經(jīng)前置放大器放大，再經(jīng)過比較器去除噪聲信號，最后由分頻器換算出光子脈沖數(shù)，通常為相對發(fā)光單位，即：RLU（Relative Luminescence Unit）。一般講，一個RLU相當于10個光子。

2.2下位機的設計

本系統(tǒng)采用MC68322（128K Flash，32K Ram）作為控制中心，以FPGA為計數(shù)單元，病人的采樣樣品經(jīng)過微孔板，以單光子的形式進入光電倍增管PMT，通過高精度的級聯(lián)放大器NE5205做前置放大，再經(jīng)過FPGA做信號的比較（主要去處干擾信號）、分頻（得到適當?shù)念l率）最后進入單片機做信號處理；單片機把處理的結果可以通過LCD顯示，也可以通過RS—232串口與計算機通信實現(xiàn)人機交互；利用4個光電傳感器來控制步進電機的狀態(tài)進而改變微孔板的位置。其硬件結構框圖如圖3所示：

圖3硬件結構框圖

2.3上位機管理分析軟件的設計

上位工控機軟件的開發(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)動方式的結構化高級程序設計語言。它不僅編程簡單，界面設計容易，同時自帶的可視化數(shù)據(jù)管理器VisData，使得開發(fā)數(shù)據(jù)庫應用程序也極為方便[7、8].通過RS—232串口與PC機進行通信，使操作人員非常容易的通過化學發(fā)光分析儀在顯示器上能清楚、準確的讀取化驗的結果、打印化驗單、化驗批號、醫(yī)院名稱維護、病人信息管理、病人信息查詢、化驗過程檢測及完善的幫助系統(tǒng)等。該管理系統(tǒng)界面友好、操作方便、直觀、信息涵蓋面廣。化學發(fā)光儀分析管理界面如圖4所示：

圖4化學發(fā)光分析儀管理軟件界面

3、結束語

隨著現(xiàn)代量子物理學的發(fā)展，以及人們對光的微觀特性認識的逐步深入，推動了光電子技術和相關元器件的發(fā)展，一種被稱為單光子計數(shù)器的新型高敏感度光電檢測器已經(jīng)在近期問世，其靈敏度及線性范圍均大大超過其它常規(guī)技術。因此被迅速應用于航空、航天、軍事、公安、科研、醫(yī)療、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等各個領域，成為現(xiàn)代高科技領域的重要組成部分。

由于單光子計數(shù)器具有的卓越性能，它已成為現(xiàn)代光學儀器中最重要的部分之一，也是今后臨床檢驗儀器發(fā)展的方向之一[9].事實上，正是由于它的發(fā)明及應用，使現(xiàn)代免疫及基因分析技術才能從放射性同位素的束縛中解放出來，真正步入安全化、非同位素化的新時代。