膠體金免疫層析定量檢測儀的研究

張小平，劉彤軍

(黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，哈爾濱 150090)

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膠體金免疫層析定量檢測儀的研究

張小平，劉彤軍

(黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，哈爾濱 150090)

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

膠體金免疫層析試紙；光學(xué)比色；自動測量

膠體金免疫層析檢測最早由英國著名物理學(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)。通過多年的發(fā)展，膠體金免疫層析檢測已成為在生物醫(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，通過抗原抗體結(jié)合，并利用膠體金呈現(xiàn)顏色反應(yīng)，檢測抗原/抗體。如圖1所示。

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

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

本文所設(shè)計的基于光學(xué)比色原理對膠體金試紙進(jìn)行檢測的檢測儀在提高檢測準(zhǔn)確度、檢測效率基礎(chǔ)上又豐富了多種應(yīng)用功能，提高了實用價值。

1 膠體金檢測儀結(jié)構(gòu)設(shè)計

膠體金檢測儀由主控處理器、光學(xué)檢測系統(tǒng)、信號處理單元、電容觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)模塊、微型打印機(jī)、存儲器、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)檢測系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 45-0°光學(xué)檢測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目標(biāo)的垂直法線的兩側(cè)，與法線成45°夾角產(chǎn)生均勻的發(fā)光照射在檢測目標(biāo)上，在垂直方向通過導(dǎo)光柱將部分漫反射光線傳送至光電二極管，根據(jù)膠體金反應(yīng)程度不同試紙檢測帶所呈現(xiàn)的棕紅色的顏色會有深淺變化，即反射到光電二極管的光強(qiáng)隨檢測帶顏色深淺也產(chǎn)生強(qiáng)弱變化，通過后級的信號處理量化為AD值，將此數(shù)字量傳送至主控處理器，進(jìn)而可以對檢測結(jié)果進(jìn)行顯示、打印、存儲、傳輸、統(tǒng)計、分析等進(jìn)一步處理。

為保證測量的準(zhǔn)確度，光學(xué)裝置采用步進(jìn)電機(jī)作為動力源，通過齒輪齒條將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，帶動膠體金試紙前后運動，對于檢測窗口進(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，避免信號突變，提高了穩(wěn)定性。

2 信號處理

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

圖4 信號處理電路Fig.4 Signal processing circuit

圖中光電二極管D1串聯(lián)2個阻值相同的電阻以取得差分信號，此毫伏級電壓信號經(jīng)過儀表放大器U18初步放大輸出為原始信號SIG_ORI，該信號經(jīng)過低失調(diào)電壓低溫度漂移的運算放大器U9A與R10～R13組成的減法電路，將信號的基準(zhǔn)值降低，以便使整個電壓信號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)過高精度的運算放大器U7A進(jìn)行信號放大，最后經(jīng)過由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，該芯片用于低頻測量前端，利用Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了16位無丟失代碼性能，可自行進(jìn)行校準(zhǔn)，可滿足使用要求。

3 數(shù)據(jù)處理

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

圖5 信號采集與試紙條對應(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，同一試紙每次檢測時的固定位置存在變化(即使很微小)，光學(xué)機(jī)構(gòu)每次檢測運行產(chǎn)生的微小變化(距離變化、左右晃動等)，所以任意不同的試紙之間及同一試紙多次檢測的情況下背景與信號峰值都是不同的，為了盡量消除這些差異以提高檢測準(zhǔn)確度及重復(fù)精度，減小檢測結(jié)果的變異系數(shù)，本檢測儀采用背景區(qū)與信號峰值比對的自適應(yīng)算法，取得背景區(qū)與信號峰值的相對量進(jìn)行處理，有效避免批次差異帶來的誤差，經(jīng)過實驗，重復(fù)測量的變異系數(shù)CV可控制在1%以內(nèi)，批間差異可控制在2%以內(nèi)。

4 多種附加功能

本檢測儀在保證檢測效率、精度的前提下，增加了多種實用功能：

第一，多樣化檢測模式。可實現(xiàn)自動連續(xù)檢測，操作時可像流水生產(chǎn)線式進(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的用時，且在檢測前會發(fā)音提示，此時可將待檢試紙放入光學(xué)檢測機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備，避免了市面上較普遍的額外采用計時器鬧鐘方式帶來的使用不便。

第二，本地存儲。檢測儀的存儲單元可實時保存每次檢測的數(shù)據(jù)，并可提供歷史記錄查詢功能，可通過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)都記錄下檢測序號、檢測類別、檢測結(jié)果、日歷時間、操作員等有效信息，操作簡潔、方便、一目了然。

第三，現(xiàn)場打印。檢測儀內(nèi)置微型打印機(jī)，可自動打印檢測結(jié)果，包括所有檢測信息，方便紙質(zhì)存檔或票據(jù)留底等。

第四，數(shù)據(jù)共享。可通過串口、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、統(tǒng)計、分析等功能。

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

第六，加密保護(hù)。檢測儀設(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，可通過GPRS模塊與廠商授權(quán)中心進(jìn)行通信解鎖再使用，防止不同廠商利用檢測儀惡意競爭的同時方便了使用。

5 結(jié)語

通過該方法可對膠體金檢測結(jié)果進(jìn)行定量，量化各項檢測指標(biāo)，有助于醫(yī)生對病人進(jìn)行精確診斷，同時該設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)功能，通過結(jié)構(gòu)協(xié)議可連接HIS系統(tǒng)，實現(xiàn)檢測結(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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