張小平，劉彤軍

(黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，哈爾濱 150090)

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膠體金免疫層析定量檢測(cè)儀的研究

張小平，劉彤軍

(黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，哈爾濱 150090)

目前，膠體金免疫層析試紙檢測(cè)在生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)牧業(yè)、食品安全等方面已成為一種常規(guī)的檢測(cè)方法，并得到廣泛應(yīng)用，但多數(shù)試紙檢測(cè)結(jié)果的讀取還處于依賴(lài)人眼目測(cè)的定性水平，較難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量測(cè)量。通過(guò)介紹一種基于光學(xué)比色原理對(duì)膠體免疫層析金試紙條進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的定量檢測(cè)分析方法的檢測(cè)分析儀，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”概念，深度融合自動(dòng)化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、便捷的膠體金免疫層析試紙檢測(cè)，同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的管理、統(tǒng)計(jì)、分析功能。

膠體金免疫層析試紙；光學(xué)比色；自動(dòng)測(cè)量

膠體金免疫層析檢測(cè)最早由英國(guó)著名物理學(xué)家、化學(xué)家邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)，從此奠定了膠體金制備和應(yīng)用的科學(xué)基礎(chǔ)。通過(guò)多年的發(fā)展，膠體金免疫層析檢測(cè)已成為在生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)牧業(yè)、食品安全等方面的一種常規(guī)的檢測(cè)方法。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用的膠體金試紙條以硝酸纖維素膜為載體，利用了微孔膜的毛細(xì)血管作用，滴加在膜條一端的液體慢慢向另一端滲移，通過(guò)抗原抗體結(jié)合，并利用膠體金呈現(xiàn)顏色反應(yīng)，檢測(cè)抗原/抗體。如圖1所示。

圖1 膠體金免疫層析試紙檢測(cè)Fig.1 Colloidal gold immune chromatography test paper detection

雖然膠體金試紙檢測(cè)具有快速、方便的優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)人眼目測(cè)判斷結(jié)果存在一些缺點(diǎn)，如個(gè)體色覺(jué)差異、人為判斷誤差、環(huán)境光線(xiàn)影響判斷結(jié)果等，而市面上的檢測(cè)儀普遍存在檢測(cè)靈敏度不高、重復(fù)精度差等缺點(diǎn)，極大地限制了該技術(shù)在檢驗(yàn)檢疫工作中的進(jìn)一步應(yīng)用。

本文所設(shè)計(jì)的基于光學(xué)比色原理對(duì)膠體金試紙進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)儀在提高檢測(cè)準(zhǔn)確度、檢測(cè)效率基礎(chǔ)上又豐富了多種應(yīng)用功能，提高了實(shí)用價(jià)值。

1 膠體金檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膠體金檢測(cè)儀由主控處理器、光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)處理單元、電容觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)模塊、微型打印機(jī)、存儲(chǔ)器、其他通信接口組成及殼體，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 System diagram

光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 45-0°光學(xué)檢測(cè)Fig.3 45-0° optical detection

采用45-0°的光反射原理，由于膠體金顯色為棕紅色，所以采用發(fā)光波長(zhǎng)為520～550nm的綠色發(fā)光二極管作為光源照射到試紙表面上，分布在試紙表面檢測(cè)目標(biāo)的垂直法線(xiàn)的兩側(cè)，與法線(xiàn)成45°夾角產(chǎn)生均勻的發(fā)光照射在檢測(cè)目標(biāo)上，在垂直方向通過(guò)導(dǎo)光柱將部分漫反射光線(xiàn)傳送至光電二極管，根據(jù)膠體金反應(yīng)程度不同試紙檢測(cè)帶所呈現(xiàn)的棕紅色的顏色會(huì)有深淺變化，即反射到光電二極管的光強(qiáng)隨檢測(cè)帶顏色深淺也產(chǎn)生強(qiáng)弱變化，通過(guò)后級(jí)的信號(hào)處理量化為AD值，將此數(shù)字量傳送至主控處理器，進(jìn)而可以對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示、打印、存儲(chǔ)、傳輸、統(tǒng)計(jì)、分析等進(jìn)一步處理。

為保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，光學(xué)裝置采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)齒輪齒條將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)膠體金試紙前后運(yùn)動(dòng)，對(duì)于檢測(cè)窗口進(jìn)行全范圍掃描，由于采用的是步進(jìn)電機(jī)，所以可以進(jìn)行等間距的均勻掃描，避免信號(hào)突變，提高了穩(wěn)定性。

2 信號(hào)處理

信號(hào)處理單元為整個(gè)檢測(cè)儀的關(guān)鍵組成部分，它的性能直接影響檢測(cè)儀的最終性能，其電路原理如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理電路Fig.4 Signal processing circuit

圖中光電二極管D1串聯(lián)2個(gè)阻值相同的電阻以取得差分信號(hào)，此毫伏級(jí)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)儀表放大器U18初步放大輸出為原始信號(hào)SIG_ORI，該信號(hào)經(jīng)過(guò)低失調(diào)電壓低溫度漂移的運(yùn)算放大器U9A與R10～R13組成的減法電路，將信號(hào)的基準(zhǔn)值降低，以便使整個(gè)電壓信號(hào)的變化范圍合理地處于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-Digital Converter)的參考電壓的量程內(nèi)，然后經(jīng)過(guò)高精度的運(yùn)算放大器U7A進(jìn)行信號(hào)放大，最后經(jīng)過(guò)由U7B與R15、R16、C61、C62組成的二階低通有源濾波器輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，該低通濾波器可有效濾除高頻噪聲達(dá)到抗干擾及提高精度的目的。ADC采用AD7706，該芯片用于低頻測(cè)量前端，利用Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了16位無(wú)丟失代碼性能，可自行進(jìn)行校準(zhǔn)，可滿(mǎn)足使用要求。

3 數(shù)據(jù)處理

如圖5所示，為膠體金試紙檢測(cè)掃描的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，由于質(zhì)控線(xiàn)的顏色較深，故而其AD值相對(duì)較大，檢測(cè)線(xiàn)的顏色一般較淺，AD值相對(duì)較小。

圖5 信號(hào)采集與試紙條對(duì)應(yīng)圖Fig.5 Signal acquisition and test strip

由于制作工藝及成本的限制，膠體金試紙之間存在著一定量的批間差異與批內(nèi)差異，同一試紙每次檢測(cè)時(shí)的固定位置存在變化(即使很微小)，光學(xué)機(jī)構(gòu)每次檢測(cè)運(yùn)行產(chǎn)生的微小變化(距離變化、左右晃動(dòng)等)，所以任意不同的試紙之間及同一試紙多次檢測(cè)的情況下背景與信號(hào)峰值都是不同的，為了盡量消除這些差異以提高檢測(cè)準(zhǔn)確度及重復(fù)精度，減小檢測(cè)結(jié)果的變異系數(shù)，本檢測(cè)儀采用背景區(qū)與信號(hào)峰值比對(duì)的自適應(yīng)算法，取得背景區(qū)與信號(hào)峰值的相對(duì)量進(jìn)行處理，有效避免批次差異帶來(lái)的誤差，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，重復(fù)測(cè)量的變異系數(shù)CV可控制在1%以?xún)?nèi)，批間差異可控制在2%以?xún)?nèi)。

4 多種附加功能

本檢測(cè)儀在保證檢測(cè)效率、精度的前提下，增加了多種實(shí)用功能：

第一，多樣化檢測(cè)模式。可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)，操作時(shí)可像流水生產(chǎn)線(xiàn)式進(jìn)行試紙加樣，即在已經(jīng)加樣的試紙進(jìn)行反應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)繼續(xù)給新的試紙進(jìn)行加樣操作而不必等其反應(yīng)完畢，這樣可大大縮短批量檢測(cè)的用時(shí)，且在檢測(cè)前會(huì)發(fā)音提示，此時(shí)可將待檢試紙放入光學(xué)檢測(cè)機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備，避免了市面上較普遍的額外采用計(jì)時(shí)器鬧鐘方式帶來(lái)的使用不便。

第二，本地存儲(chǔ)。檢測(cè)儀的存儲(chǔ)單元可實(shí)時(shí)保存每次檢測(cè)的數(shù)據(jù)，并可提供歷史記錄查詢(xún)功能，可通過(guò)7寸的電容觸摸屏方便地進(jìn)行人機(jī)交互，每條數(shù)據(jù)都記錄下檢測(cè)序號(hào)、檢測(cè)類(lèi)別、檢測(cè)結(jié)果、日歷時(shí)間、操作員等有效信息，操作簡(jiǎn)潔、方便、一目了然。

第三，現(xiàn)場(chǎng)打印。檢測(cè)儀內(nèi)置微型打印機(jī)，可自動(dòng)打印檢測(cè)結(jié)果，包括所有檢測(cè)信息，方便紙質(zhì)存檔或票據(jù)留底等。

第四，數(shù)據(jù)共享?？赏ㄟ^(guò)串口、網(wǎng)口或GPRS模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、云技術(shù)達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的，可方便數(shù)據(jù)備份、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析等功能。

第五，權(quán)限管理。檢測(cè)儀設(shè)有登錄權(quán)限，設(shè)置密碼保護(hù)，非授權(quán)人無(wú)法隨意使用或更改檢測(cè)儀設(shè)置選項(xiàng)等，提高了應(yīng)用的安全性。

第六，加密保護(hù)。檢測(cè)儀設(shè)置有加密鎖插口，必須在有加密鎖的情況下才可有效使用，而且在加密鎖丟失時(shí)，可通過(guò)GPRS模塊與廠(chǎng)商授權(quán)中心進(jìn)行通信解鎖再使用，防止不同廠(chǎng)商利用檢測(cè)儀惡意競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)方便了使用。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該方法可對(duì)膠體金檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行定量，量化各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)，有助于醫(yī)生對(duì)病人進(jìn)行精確診斷，同時(shí)該設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)功能，通過(guò)結(jié)構(gòu)協(xié)議可連接HIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果快速共享。

Study on colloidal gold immune chromatographic quantitative detector

ZHANG Xiao-ping, LIU Tong-jun

(Institute of Automation, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China)

The colloidal gold immune chromatography test paper detection in biomedicine, agriculture, animal husbandry and other aspects of food safety has become a routine detection method and has been widely used. However, most test paper results depends on the qualitative level of visual inspection, and it is difficult to make accurate quantitative measurement. This paper introduces an analysis meter based on optical colorimetric principle, which makes rapid and accurate quantitative detection on colloidal gold immune chromatography test paper, the integration of automation technology and Internet communication technology combined with the concept of “Internet+health”, so as to achieve efficient, accurate and convenient immune colloidal gold test paper, at the same time enhance the function on management, statistics and analysis of the data.

Colloidal gold immune chromatography test paper; Optical colorimetric; Automatic measurement

2016-09-20

張小平(1981-)，男，助理研究員，學(xué)士。

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