一種小型集成化的熒光免疫分析儀的研究和開發

何文兵，劉先成，周明，楊力

1.重慶大學 生物工程學院，重慶400044；2.深圳普門科技有限公司，廣東 深圳 518055

一種小型集成化的熒光免疫分析儀的研究和開發

何文兵1，劉先成2，周明2，楊力1

1.重慶大學 生物工程學院，重慶400044；2.深圳普門科技有限公司，廣東 深圳 518055

為滿足便攜式移動即時檢測和快速診斷，本文設計了集孵育、打印、人機交互操作等功能于一體的小型便攜式熒光免疫分析儀，分別對孵育和檢測模塊進行結構設計和功能實現，并對整機系統進行測試和驗證分析，結果證明本文研制的熒光免疫分析儀具備較高的靈敏度、重復性和準確性，既可應用于醫院臨床檢測，也適用于院外其他場合（如家庭醫療、野外營救等）。

熒光免疫分析儀；集成化；臨床檢測

熒光免疫分析技術是一種新型的超微量免疫標記分析方法[1]，它繼承并結合了熒光免疫分析技術和免疫層析技術的檢測方法。熒光免疫分析技術具備檢測靈敏度高、對環境無污染、無放射性、操作簡單等優點[2]，已被廣泛應用于多個領域，其中較為突出的在醫學檢測方面，且已成功研制出多種臨床檢測試劑。為滿足市場需求和應用要求，本文研究并開發出一款適用于臨床快速即時檢測，同時操作方便的醫學檢驗儀，以減少患者的等待時間，提高檢驗人員的工作效率。

1 系統方案設計

為實現熒光免疫分析儀的小型化和集成化，整機的設計思維采用多功能模塊化設計，模塊化的開發方式符合高效快速發展的需求，可滿足產品多功能靈活多變。根據系統要求設計出整機方案框圖，見圖1。

圖1 熒光免疫分析儀方案設計框圖

根據系統方案設計，在小型化的熒光免疫分析儀中實現了高度集成化：人機交互操作—抗原抗體的免疫反應—分析檢測—打印檢測報告，簡化了檢驗人員的操作步驟，且其內部配置了可充電式電池，提高了分析儀的適用范圍。

2 孵育模塊設計和實現

2.1 孵育模塊設計

大型全自動的醫學檢驗儀器中，抗原抗體的免疫反應均設置于機內。然而，為實現儀器的集成化、便攜式和操作方便，本研究將抗原抗體的免疫復合反應集成于機內。

孵育模塊模型示意圖，見圖2。

為保證免疫反應的恒溫反應環境，在孵育模塊中設計了一個特定功率的加熱膜，并通過特殊的保溫材料將孵育存儲器密封，有效地維持了孵育環境的溫度。孵育存儲器中分別設置了溫度傳感器、保護開關和樣本檢測光耦。

2.2 孵育模塊實現

為保證抗原抗體免疫復合反應的一致性，需要將孵育模塊維持在某一恒溫環境。研究表明，孵育恒溫模式的設定值一般為37 ℃[3]。然而，孵育溫度變化是一個非線性、復雜的過程，并且采用傳統的模擬電路控制很難實現較理想的孵育溫控效果。為保證孵育模塊溫度基本維持恒定不變，本文采用了模糊自適應PID控制算法[4]進行溫度控制，

其算法控制框圖，見圖3。

根據控制算法，對孵育模塊進行溫度監測，得出孵育模塊溫度曲線，見圖4。

圖2 孵育模塊模型示意圖

圖3 模糊自適應PID控制圖

圖4 孵育模塊溫度曲線

從監測得到的溫度變化曲線可知，當孵育模塊達到恒溫模式后，孵育存儲器的溫度基本恒定不變，波動非常微小，即該溫度控制算法對孵育儲存器進行恒溫模式控制，取得了較好的控制效果。

3 檢測模塊設計和實現

熒光信號的檢測是熒光免疫分析儀的核心，檢測模塊的設計是儀器設計的重點。本研究的檢測模塊采用了非共聚焦型的動與靜相結合的雙光源熒光信號檢測模塊，即自由機械運動，固定掃描光路。其機械傳動部分采用直線電機來實現，即電機的轉動通過絲桿和螺母的配合轉化為直線運動，從而實現試劑卡在水平方向上的運動。其雙光源光學光路的設計，見圖5。

圖5 雙光源光學光路示意圖

根據共聚焦型的檢測原理可知，本文設計的雙光源模型，其光源位置應布置于與試劑卡水平面45°夾角處[1]。同時，為提高熒光信號檢測的準確性和靈敏度[5-8]，進行了如下設計：

（1）為實現小型化，選用了發光效率高、波長和功率穩定的紫外LED作為激發光光源，相比于傳統的光源（如氙燈）有體積小、結構簡單、易于實現、壽命長等優點。

（2）小孔光柵，在接收光路中將熒光匯聚到光電檢測器的敏感區，提高了光電檢測器檢測的靈敏度。

（3）為避免其他背景光和雜散光的干擾，根據熒光標記物所發射的熒光特性，選擇了613 nm波長的濾光片，有效地提高檢測結果的準確性。

4 儀器測試驗證

4.1 最低檢測限度

本文將10 mg/mL的熒光微球標準品按照100倍比例進行多次稀釋，分別得到100 μg/mL、1 μg/mL、10 ng/mL、1 ng/mL四種不同濃度的標準品溶液，將四種不同濃度的溶液分別用全自動Bio-dot噴樣在試紙條上，并做出不同濃度的標準試劑卡，采用本文設計的儀器進行檢測，得到熒光信號強度值，見表1。

表1 不同濃度熒光微球標準品測得的信號值

由此說明，本文研制的熒光免疫分析儀的檢測濃度可達到pg/mL級。儀器檢測系統的檢測靈敏度較高，可適合不同檢驗項目的不同檢驗范圍要求。

4.2 重復性檢測

4.2.1 單機重復性

眾所周知，只要儀器對相對較低濃度的樣品具有較好的重復性，對相對較高濃度的樣品必然具有較好的重復性。本文選取10 ng/mL和100 μg/mL的試劑卡進行重復性驗證，將兩種不同濃度的試劑卡在相同條件下進行多次重復測試，得到的熒光信號強度值，見表2。

表2 儀器重復性測試驗證

由此說明，本文設計的儀器在高濃度樣品檢測方面具有較好的重復性，而在較低濃度檢測方面重復性相對偏差。

4.2.2 儀器間重復性

為驗證儀器與儀器之間的一致性，本研究選用8臺儀器，對濃度為10 ng/mL的標準品溶液在相同條件下進行多次重復測試，得到的熒光信號強度值，見表3。

表3 儀器與儀器間重復性測試驗證

根據儀器與儀器間的測試數據得出，儀器之間具有較好的一致性。

4.3 臨床樣本

驗證完儀器性能后，為測試熒光免疫分析儀是否能滿足臨床檢測，與具有代表性的Roche電化學發光作比對測試，測試數據，見表4。

表4 臨床測試對比

通過對比發現，此熒光免疫分析檢測結果與Roche檢測結果間的誤差＜10%，即符合臨床檢測。

5 結論

本文研究并開發了一款小型的集成化熒光免疫分析儀。該熒光免疫分析儀具備以下特點：① 儀器內部集成了微型打印機、人機交互、檢測模塊以及抗原抗體復合免疫反應的孵育模塊，并配置了可充電的鋰電池；② 采用了模糊自適應PID恒溫模式控制，有效控制了孵育存儲器的溫度波動，為待測樣本的熒光檢測提供了保障；③ 采用了非共聚焦型的動與靜相結合的雙光源檢測模塊，且選用紫外LED作為激發光光源；④ 在實現激發和熒光檢測的同時，檢測模塊結構緊湊、光學光路結構簡單化，降低了生產制造成本，更具有產業化的可行性。

通過測試和驗證得出，本文研制的熒光免疫分析儀具有較高的檢測靈敏度和較好的重復性，且可滿足臨床檢測。基于本文的研究成果，可研究并開發出更具自動化、更多孵育通道和多檢測通道同時檢測的免疫產品，實現全自動快速檢測。

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Research and Development of a Compact and Integrated Fluorescence Immunoassay Analyzer

HE Wen-bing1, LIU Xian-cheng2, ZHOU Ming2, YANG Li1
1. Department of Biological Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. Shenzhen Lifotronic Technology Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518055, China

To meet the requirements of portable and instant detection of diseases and rapid diagnosis, this paper designed a compact portable fuorescence immunoassay analyzer that could be used for incubation, print, human interaction, andetc. The paper analyzed the incubation and detection module respectively and examined the process of function realization. Then testing and validating analysis were conducted on the whole system. The immunoassay analyzer developed by this research was characterized by high sensitivity, reproducibility, and accuracy. The fuorescence immunoassay analyzer can not only be applied to clinical testing, but also be used for the other occasions outside the hospital, such as home health care and rescueetc.

fuorescence immunoassay analyzers; integration; clinical testing

R446.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.07.009

1674-1633(2016)07-0030-03

2016-01-19

深圳市海外高層次人才創新創業資金（KQTD20140630 10175739）；國家“111”計劃項目（B06023）；國家自然科學基金（30870608，11532004）。

楊力，教授，重慶大學生物工程學院院長，主要從事醫學工程與醫療器械方面的研究。

通訊作者郵箱：yanglibme@cqu.edu.cn