關(guān)于多通道抗凝血藥物篩選檢測儀設(shè)計解析

介紹一種以透射比濁法為設(shè)計原理，單片機89C52為核心的96通道高速抗凝血藥物篩選平臺。

該儀器自動完成血液（血漿）凝血時間的實時檢測及數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集的精度、速度及靈敏度較傳統(tǒng)的凝血時間測量儀器有較大的提高。提出了將凝血時間測量用于相關(guān)藥物篩選的新途徑。

血液凝固的過程非常復(fù)雜的。生物體在正常生理狀態(tài)下，血液中的凝血系統(tǒng)與抗凝血系統(tǒng)處于自我調(diào)節(jié)的一種平衡狀態(tài)，如果這種平衡被破壞，就會形成凝血系統(tǒng)疾病。現(xiàn)在臨床上最常用的抗凝血類藥物是肝素，這種藥物雖然有很好的抗凝血效果，卻伴隨著血和血小板減少等副作用，而且當(dāng)患者本身患有彌散性血管內(nèi)凝血等疾病時便無法采用。現(xiàn)有的口服類抗凝血藥物（如節(jié)丙酮香豆素[1]）的使用效果又不甚理想。因此，新型抗凝血藥物的研制工作是非常必要的。

進行抗凝血藥物開發(fā)的第一步就是要檢驗藥物的抗凝效果，也就是凝血時間的檢測?，F(xiàn)在際上普通認可的測量凝血時間的指標(biāo)主要有兩個：凝血酶原時間（Prothrombin Time,PT）和活化部分凝血活酶時間（Actived Partial Thromboplastin Time,APTT）。這兩個指標(biāo)是

由國際血液學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化委員會（ICSH）、估計血檢與止血委員會（ICTH）和美國臨床檢驗標(biāo)準(zhǔn)委員會（NCCLS）聯(lián)合制定分布的[2]。PT和APTT不僅能取代傳統(tǒng)的Duke法出血時間和玻片法凝血時間而作為新的臨床止血功能指標(biāo)，并且能為抗凝血藥物開發(fā)過程提供更好的監(jiān)控指標(biāo)。

正常的凝血過程時間很短，即使加入抗凝劑，也不會超過1分鐘。正常情況下，PT不會超過20秒，這給手工測量帶來了很大的困難。為了尋求方便的檢測途徑，國內(nèi)外許多企業(yè)已經(jīng)開始研制相關(guān)的自動化凝血時間測量儀，并且已經(jīng)投

放市場如德國TECO公司的TEChrom IV plus 4通道半自動血栓/止血測定儀；法國BIOCHEM公司STAGO全自動血栓/止血分析儀等。這些凝血測量儀雖然可以完成一個或幾個樣品的同時檢測，但是仍然沿用臨床檢測的套路，檢測速度有限，樣品用量比較大，樣品波大都固定于儀器上，清洗不方便，同時價格也相當(dāng)昂貴，不適用于藥物開發(fā)。

為了提高凝血測量儀的性能，同時滿足高通量的藥物篩選的需求，我們利用單片機設(shè)計了一套新型的凝血時間自動檢測儀，目的在于為新藥開發(fā)質(zhì)量控制提供便利。這臺小型的凝血時間測量裝置（體積僅30cm×20cm×12cm）不僅能夠進行96路并行實時檢測，而且樣品用量少（20μl），靈敏度高（0.1秒），具有很好的應(yīng)用前景。

1 測量原理

血液的凝固從物理上來講就是非溶性纖維蛋白形成的過程，而且在很短的時間內(nèi)非溶性纖維蛋白的數(shù)量會陡然增加。這樣，整個血液的透光率就會迅速降低（濁度升高），一段時間后就會漸漸變緩。通常我們所測量的凝血時間也就是指非溶性纖維蛋白形成的起始階段，即濁度變化達到三倍信澡比的時間。

透射比濁法正是利用了血液在凝血過程中濁度突然升高的原理來設(shè)計的。只要檢測器件具有足夠的靈敏度，就可以檢測出血液凝固的時間。

2 檢測儀設(shè)計

2.1 樣品池設(shè)計

檢測儀采用標(biāo)準(zhǔn)平底透明96孔板作為樣品池，其上、下方分別為一一對應(yīng)光敏二極管和發(fā)光二極管，樣品池采用抽屜式結(jié)構(gòu)。每次使用可以將抽屜拉出，放上96孔板，再加入凝血試劑和血液（血漿），然后啟動檢測開關(guān)，開始數(shù)據(jù)采集。

2.2 電路設(shè)計

由于通過光敏二極管接收到的電壓信號變化量往往比較低（幾個mV），對于光源手檢測器件的選擇至關(guān)重要的。因此，在儀器設(shè)計以前，首先選用了幾個不同的發(fā)光二極管（以下簡稱LED）和與其對應(yīng)的光敏二極管對凝血過程透光率進行了實測相應(yīng)的理論計算。

圖1所示為光敏二極管的基本電路。二極管兩端的電流為：

式中，I為通過不敏二極管的電流，Is為反向飽和電流，VD為二極管兩端電壓，VT=kT/q稱為混度進行當(dāng)量，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，q為電子的電量。在300K時，VT≈26mV。反向偏置時，只要|VD|大于VT幾倍以上，I=-Is，其中負號表示反向電流。

實驗證明，光敏二極管的反向電流在一定范圍內(nèi)與LED上的加載電壓存在正比的函數(shù)關(guān)系，如圖2所示。這是因為LED正常發(fā)光過程中，LED加載電壓與輸出光強存在正比關(guān)系；光敏二極管的反向電流與其吸收光強也存在正比的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)這一點我們可以做如下推斷：

假設(shè)通過光敏二極管的吸收光強為φ，則

I=-Is=Cφ+m≈Cφ

其中，C與m為僅隨溫度而變化的因子，m≈0。

與光敏二極管串聯(lián)的電阻R兩端電壓V=IR=CφR，并有：φ=φ0+Δφ，V=V0+ΔV,V0=CRφ0, ΔV=CRΔφ。其中，V0和φ0為凝血反應(yīng)開始之前R電阻兩端的電壓與光敏二極管的吸收光強。