【作 者】許穎原

上海銘源數(shù)康生物芯片有限公司，上海市，201403

0 前言

全球癌癥發(fā)病率持續(xù)升高，目前用于癌癥篩查的方法主要采用癌癥標(biāo)志物蛋白芯片和單指標(biāo)檢查，癌癥標(biāo)志物蛋白芯片可以對(duì)AFP、CEA、CA199等多種癌癥標(biāo)志物進(jìn)行檢測(cè)，特別適用于體檢。單指標(biāo)檢測(cè)準(zhǔn)確性高，適用于臨床。

癌癥標(biāo)志物蛋白芯片的工作原理是采用化學(xué)發(fā)光分析法，利用生物化學(xué)發(fā)光的強(qiáng)度與反應(yīng)物濃度成正比的原理進(jìn)行測(cè)量。生物芯片閱讀儀采用高性能的進(jìn)口制冷CCD對(duì)生物芯片進(jìn)行拍攝，從而測(cè)量出其化學(xué)發(fā)光信號(hào)值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出樣品的濃度。使用CCD面臨最大的問(wèn)題就是：像場(chǎng)的不均勻度和儀器間的測(cè)量誤差。由于可供放置光源的空間非常有限，在新型標(biāo)準(zhǔn)平面光源研制成功前，校正時(shí)采用的是點(diǎn)光源，就是由單個(gè)LED組成的光源系統(tǒng)。它雖然也能完成校正的任務(wù)，但是每次校正需要由人工完成48個(gè)位置的移動(dòng)，校正工作量大，速度慢，校正一臺(tái)儀器一般大于2 h。另外人工移動(dòng)位置時(shí)，會(huì)造成人為誤差，影響儀器的精度。為了解決上述問(wèn)題，進(jìn)行新型標(biāo)準(zhǔn)平面光源的研制。

1 生物芯片閱讀儀工作原理

生物芯片閱讀儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其核心部件是制冷CCD，生物芯片放置在暗盒內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 生物芯片閱讀儀示意圖Fig.1 The diagram of biochip reader

圖2所示的生物芯片是48人份的，每個(gè)人份中有24個(gè)樣品點(diǎn)，2個(gè)樣品點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)指標(biāo)。樣品信號(hào)經(jīng)過(guò)鏡頭傳送到CCD芯片上成像，由于樣品信號(hào)非常微弱，因此對(duì)CCD的本底噪聲要求非常高，避免對(duì)樣品信號(hào)造成干擾。

2 標(biāo)準(zhǔn)平面光源的研制

圖2 48人份的蛋白芯片F(xiàn)ig.2 The photo of protein chip

2.1 標(biāo)準(zhǔn)平面光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高精度的測(cè)量系統(tǒng)中，CCD像素響應(yīng)不均勻性和鏡頭造成的不均勻性會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)測(cè)量誤差。造成不均勻的原因是多種多樣的，如溝道參雜濃度[1]不均勻、表面態(tài)分步濃度不均勻以及柵氧化物厚度不同造成的開(kāi)啟電壓不同、感光單元有效面積不同，從而引入固定模式噪聲，表現(xiàn)為暗電流和光電響應(yīng)的不均勻。為了提高測(cè)量精度，就必須對(duì)像素響應(yīng)不均勻性和鏡頭造成的不均勻性進(jìn)行校正[2]。

以往對(duì)于CCD的不均勻校正，采用的工具基本上是積分球加上精密直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源[3]。由于生物芯片閱讀儀的暗盒空間非常有限，要求標(biāo)準(zhǔn)光源的長(zhǎng)和寬不能超過(guò)100 mm，厚度不能超過(guò)20 mm，同時(shí)發(fā)光平面的高度盡量與生物芯片的發(fā)光平面接近。因此，無(wú)法采用積分球?qū)CD進(jìn)行不均勻度的校正。這種情況下，只能采用LED陣列來(lái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)平面光源，如圖3所示，每個(gè)LED的位置是生物芯片中每個(gè)人份的幾何中心。由于標(biāo)準(zhǔn)平面光源的高度受到很大限制，所以發(fā)光元件只能采用貼片LED。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)平面光源LED陣列Fig.3 The diagram of LED array in standard plane light source

由于生物芯片的發(fā)光非常微弱，為了提高校正的精度，就要使標(biāo)準(zhǔn)平面光源所發(fā)出的光強(qiáng)與生物芯片接近。但是LED的最小工作電流是有限制的，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ禃r(shí)，LED發(fā)光的穩(wěn)定性就會(huì)大大下降。為了解決這問(wèn)題，在LED上覆蓋了光學(xué)擴(kuò)散板和光衰減片，使得標(biāo)準(zhǔn)光源的發(fā)光強(qiáng)度與生物芯片基本接近。另外為了避免LED相互之間的影響，在LED之間還安裝隔離膜。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)平面光源的電路設(shè)計(jì)

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)平面光源最重要的性能是穩(wěn)定性和均勻性。由于LED的一致性和電路上的差異，無(wú)法保證每個(gè)LED的亮度是一致的，因此就要求每個(gè)LED的亮度可以調(diào)節(jié)。另外，要確保標(biāo)準(zhǔn)平面光源LED工作的穩(wěn)定性，要求電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性足夠高。由于標(biāo)準(zhǔn)平面光源放置在暗盒內(nèi)，而暗盒不允許漏光，因此標(biāo)準(zhǔn)平面光源不能使用外部電源。以上這些要求是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)平面光源所面臨的極大挑戰(zhàn)。

為了滿足上述要求，所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)平面光源電路由：CPU、通訊接口芯片、LED電流調(diào)節(jié)芯片、高精度穩(wěn)壓芯片和電池等組成，見(jiàn)圖4。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)平面電氣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The electrical diagram of standard plane light source

電源模塊由電池和穩(wěn)壓電路組成。由于受到高度的限制，但又要保證標(biāo)準(zhǔn)平面光源有足夠長(zhǎng)的工作時(shí)間，電池只能采用體積小、容量大的鋰電池。穩(wěn)壓電路的核心器件是高精度穩(wěn)壓芯片。電池隨著使用時(shí)間的增加，輸出電壓將不斷下降，如果不采取穩(wěn)壓措施，那么LED的工作電壓也將隨著電池電壓的下降而發(fā)生變化，這時(shí)其亮度的穩(wěn)定性就得不到保障，所以必須配置穩(wěn)壓電路。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)電池電壓高于穩(wěn)壓電路最低輸入電壓時(shí)，LED的工作電壓非常穩(wěn)定，峰峰值誤差小于3‰，滿足了LED亮度穩(wěn)定的要求。

LED亮度的調(diào)節(jié)是采用通訊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)通過(guò)專用軟件，向標(biāo)準(zhǔn)平面光源發(fā)送亮度調(diào)節(jié)命令或讀取當(dāng)前亮度值等命令。當(dāng)需要調(diào)節(jié)某個(gè)LED亮度時(shí)，上位機(jī)只要選中這個(gè)LED，然后發(fā)送新的亮度值，標(biāo)準(zhǔn)平面光源中的CPU收到修改亮度的命令后，就控制LED的電流控制芯片進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成亮度調(diào)節(jié)的功能。

由于標(biāo)準(zhǔn)平面光源對(duì)LED亮度調(diào)節(jié)要求非常精細(xì)，因此在標(biāo)準(zhǔn)平面光源中安裝了3個(gè)專用的LED電流控制芯片，每個(gè)芯片控制16個(gè)LED，實(shí)現(xiàn)了對(duì)48個(gè)LED的獨(dú)立控制。該芯片對(duì)LED工作電流的調(diào)節(jié)分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩種方式：粗調(diào)是對(duì)LED工作電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，一共分為24級(jí)，即當(dāng)輸入的電流為1 mA時(shí)，每次調(diào)節(jié)是1/24 mA。細(xì)調(diào)是采用PWM方式進(jìn)行，分為4096級(jí)。因此，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)平面光源中的每個(gè)LED都能進(jìn)行非常精細(xì)的調(diào)節(jié)，在標(biāo)準(zhǔn)平面光源校正時(shí)，每個(gè)LED的灰度值與設(shè)定值之間的誤差都能小于5‰。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)平面光源的校正

標(biāo)準(zhǔn)平面光源在組裝完成后，首先需要進(jìn)行均勻性校正，即將每一個(gè)LED的灰度值調(diào)節(jié)到規(guī)定值。具體的方法是：(1)將標(biāo)準(zhǔn)光源的通訊接口與電腦相連；(2)把被測(cè)LED放置到專用的生物芯片閱讀儀的中心位置；(3)進(jìn)行測(cè)量，如果其灰度值與設(shè)定值有偏差，操作人員通過(guò)專用軟件，對(duì)該LED的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，一直到符合要求；

把所有的LED全部調(diào)整完后，就完成了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)平面光源的校正。每個(gè)光源在完成校正后，定期需要檢查，以確保其均勻性滿足要求。

2.4 生物芯片閱讀儀的校正

儀器的校正分為：均勻性校正和儀器間校正。

在使用標(biāo)準(zhǔn)平面光源后，儀器均勻性的校正就非常方便，只要拍攝一次，就能獲得48個(gè)位置上的LED灰度值，一般完成一次均勻性校正的時(shí)間不超過(guò)5 min。根據(jù)精度要求的不同，均勻性校正算法可以采取兩種方法：簡(jiǎn)單校正系數(shù)法和二維三價(jià)多項(xiàng)式擬合閾值曲面算法[4]校正。

簡(jiǎn)單校正系數(shù)法就是將48個(gè)位置上LED的灰度值與中心位置上的LED灰度值進(jìn)行比值，計(jì)算出每個(gè)位置上的校正系數(shù)。這樣做的好處是簡(jiǎn)單，運(yùn)算量少，但是比后一種方法的精度低，適合對(duì)精度要求不是特別高的場(chǎng)合。

對(duì)于精度要求高的測(cè)量系統(tǒng)，可以采用二維三價(jià)多項(xiàng)式擬合閾值曲面的方法進(jìn)行校正。利用測(cè)量到的48個(gè)LED灰度值，能夠計(jì)算出整個(gè)像面上每個(gè)像素點(diǎn)上的校正系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)證明，上述兩種方法都滿足生物芯片閱讀儀的均勻性校正。

對(duì)于儀器間的校正，主要是利用標(biāo)準(zhǔn)平面光源中間4個(gè)LED。將標(biāo)準(zhǔn)平面光源放置到標(biāo)準(zhǔn)機(jī)內(nèi)，測(cè)量中間4個(gè)LED灰度值，計(jì)算出平均值。然后，將標(biāo)準(zhǔn)平面光源放入被校儀器中，同樣進(jìn)行拍攝，并測(cè)量中間4個(gè)LED灰度值的平均值。如果其差異超過(guò)規(guī)定要求，則調(diào)節(jié)被校儀器的光圈，使之達(dá)到規(guī)定值。通過(guò)這樣的方法，基本上可以保證被校儀器與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)之間的誤差小于規(guī)定值。

3 結(jié)論

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試證明，新型標(biāo)準(zhǔn)平面光源的各項(xiàng)性能符合對(duì)生物芯片閱讀儀校正的要求，操作簡(jiǎn)單，使用方便，為儀器校正提供了一個(gè)有力的工具。

[1]雪生.用于LCD的LED背光源[J].現(xiàn)代顯示,2005,53: 34-37.

[2]季旭東.LCD用的LED背光源技術(shù)[J].照明工程學(xué)報(bào),2003,14(3): 19-21.

[3]王力,賀庚賢,沈湘衡.基于面陣CCD的光電測(cè)量設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)像面不均勻度測(cè)量系統(tǒng)[J].光電子技術(shù),2008,28(3): 212-215.

[4]田涌濤,李霞,王有慶,等.基于二維三價(jià)多項(xiàng)式擬合的閾值曲面分割法[J].計(jì)算機(jī)工程,2003,29(4): 127-129.