多波長熒光激發免疫檢測系統的研究

鄭超 韓永悅

摘 要：為解決現有的試紙條檢測儀器的耗時及體積問題，設計了一臺熒光檢測儀器，實現了試紙條的快速高精度檢測，并且在功能上拓展了原有不具備的多波長切換功能。

關鍵詞：熒光圖像；免疫檢測；LED

0 引言

近年來，熒光試紙條以其攜帶方便，操作簡單，成本低廉，快速測定等優點在現場檢測中得到廣泛的應用[1]。傳統的檢測判定主要采用人工視覺的檢測方法，但這種判定只是粗略地進行判定，主觀誤差較大[2]，只能定性測量，無法定量測量。

以往，一臺熒光激發試紙條檢測儀只能針對一個波長的試紙條進行檢測[3]，適用范圍被大大局限。對多個波長的試紙條進行檢測時，針對每個檢測波長都有相應的檢測儀，其造價高昂，占用空間大。在此基礎上，本文設計了一種多波長熒光免疫試紙條檢測系統，該系統既承襲了現有熒光檢測系統穩定性好、精度高的優點，又具有連續傳動裝置和多波長切換裝置，從而突破了現階段對試紙條單次單個的測量及每臺熒光儀只針對單一波長的檢測局限，實現了多個波長試紙條的連續檢測。

1 系統原理

本文設計的多波長熒光檢測儀器的檢測對象為熒光激發免疫試紙條，其結構如主要由樣品墊、結合墊、反應膜、吸水墊和外殼幾個部分組成。試紙條上的反應膜上有質控帶和檢測帶[4]。將待測液滴加到加樣區，當待測液中的抗原（或抗體）與試紙條上的抗體（或抗原）發生免疫結合反應后，流經試紙條的檢測帶和質控帶與其上的物質發生反應，在激發光源的照射下，待測物因濃度不同而呈現不同的熒光強度，通過與校準曲線的對比即可得到待測液的濃度。

2 系統結構

2.1 系統連續傳動結構

本文為解決以往試紙條檢測儀器單次單個試紙條檢測手動操作等待時耗長的問題，設計了機械結構，實現了多個試紙條的連續在線監測，大大節省了時間。檢測時，將待檢測的試紙條檢測方向向上依次放入試紙條槽內。接通電源后，步進電機帶動圓盤，試紙條在重力作用下下落沿試紙條滑道運動，激發光源照射在試紙條的檢測區上，進行檢測。

2.2 系統照明結構

本設計的照明結構主要由光源轉盤/光源轉盤手柄、LED激發光源、狹縫、濾光片、聚焦透鏡和CCD傳感器組成。檢測時，可根據所需檢測的試紙條的激發波長對光源的波長進行手動切換。檢測前選定所需波長的激發光源，再打開光源，待試紙條沿試紙條滑道運動到檢測區域時，LED激發光源所發出的光經過透鏡照射在試紙條上[5]，激發的熒光經聚焦透鏡、狹縫和濾光片由CCD傳感器接收。

2.3 系統數據采集和分析電路

本設計的數據采集與分析部分，由CCD傳感器和PC機組成，軟件由信號采集處理、分析計算、人機界面組成。工作時，由CCD傳感器所采集的信號通過USB接口連續傳輸到PC機，經過濾波，自動或手動操作截取熒光標記免疫試紙條圖像，可以精確地讀取質控帶和檢測帶的待測物濃度。

熒光標記免疫試紙條截取圖像的主要噪聲類型是椒鹽噪聲。針對椒鹽噪聲問題，以往都選用中值濾波來達到有效去噪的目的。但是，中值濾波在去噪的同時也將邊緣部分變得模糊，使得邊緣部分的信息丟失，而熒光試紙條的圖像在檢測的有效區域內會有明顯的邊界，這使得中值濾波在熒光試紙條的圖像處理上有很大的信息丟失。因此，本設計選用了自適應中值濾波，既能有效地過濾椒鹽噪聲又能保留邊界的信息，可以使圖像的精度測量精度得到保證。

3 實驗數據與結論

通過攝像機得到熒光標記圖像后，不能馬上對熒光圖像進行分析，首先要在保證熒光標記圖像不失真的情況下，對其進行圖像的預處理；然后，需要對處理后的圖像的有效部分進行截取，從而對目標圖像進行分析。在實驗過程中，需要在計算機顯示器上，通過選擇目標區域，手動截取目標圖像，并保存目標圖像。截取后的圖像都會在顯示器上顯示其規格和大小。

本實驗首先展示了圖像采集、讀取的操作界面，并簡要說明了數字圖像處理和目標圖像截取的過程，然后通過一組熒光試紙條的實驗，對目標熒光標記圖像進行分析，最終得出熒光標記圖像的分析結果。其主要參數有，在目標圖像的灰度圖像中，兩束熒光的灰度值峰值、半峰寬值及其比值、面積比和被測試劑的濃度比，以及目標圖像的彩色圖像的一些重要參數。最終算得的溶液濃度值會顯示在檢測器外殼顯示器上。另外，通過一組重復性試驗，證明了本系統的穩定性。這充分說明，在硬件設計方面，光學成像系統對被測對象的影響很小，達到了改善光電法給測量結果帶來誤差大的目的。

為了進一步驗證系統的穩定性和可靠性，另外做了一組重復性試驗。試驗過程：在檢測一個被測試紙條時，在外界環境條件都相同的情況下，連續采集15幅目標圖像，選擇其中11幅圖像效果較好的圖像進行分析比較。

實驗證明：該系統具有運行速度快，測試精準，穩定性強，自動化程度高，可拓展性強等優點。

本課題具有良好的社會效益：實現熒光標記免疫試紙條的定量檢測，提高我國在熒光免疫檢測方面的技術水平；在科研、商檢、疾控、醫療、食品等方面具有廣闊的應用前景；在醫療衛生方面，可以給出定量化的信息，從而實現對抗原、抗體、病毒等多種目標被檢物的定性與定量檢測。因此加速開展本課題的研究和產業化進程，提高我國在熒光免疫試紙條檢測方面的競爭力具有重要的經濟、社會意義。

參考文獻

[1]馬麗華，田雨，姜瞻梅，等.雙縮脲法檢測奶粉中總蛋白質快速檢測試紙的研制[J].食品工業科技，2012，33（11）：327-329.

[2]丁耀魁，沈娟，馬黎黎.快速檢測試紙條法在大豆轉基因檢測中的應用[J].糧油食品科技，2010，18（2）：45-46.

[3]劉金橋，吳金強.機器視覺系統發展及其應用[J].機械工程與自動化，2010，（1）：215-216.

[4]張佳宜.磺胺類獸藥免疫膠體金快速檢測試紙條的研制[D].天津科技大學，2009.