化學(xué)發(fā)光定量免疫分析儀的研究
概述
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/199282.htm長(zhǎng)期以來,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。目前常見的光學(xué)檢測(cè)儀器,如:紅外、可見光、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)喂庾佑?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)來變換標(biāo)準(zhǔn)試劑和病人的采樣樣品;另一方面,通過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)過微孔板,以單光子的形式進(jìn)入光電倍增管PMT,通過高精度的級(jí)聯(lián)放大器NE5205做前置放大,再經(jīng)過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LCD顯示,也可以通過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,使得開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序也極為方便[7、8]。通過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)在近期問世,其靈敏度及線性范圍均大大超過其它常規(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,真正步入安全化、非同位素化的新時(shí)代。
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