基于微流控技术的全自动生化分析仪设计方案

据麦姆斯咨询报道，近期，针对大中型医院使用的全自动生化分析仪体积庞大、操作复杂、造价昂贵，难以在基层医疗机构及偏远地区普及使用的问题，武汉轻工大学的研究人员提出了一种易携带、操作简单、低成本的全自动生化分析仪设计方案。该方案以朗伯-比尔定律为理论基础，基于设备离心力和芯片毛细力将血液样本预处理、输送、混合以及反应等过程一体化，并以ARM、DSP和FPGA多处理器结构实现人机交互、电机运动控制、恒温控制等功能，实现了生化分析仪的便携式功能。此外，经过性能检测，该系统吸光度重复性、稳定性、温度准确度和波动度满足国家标准，因此，为体外即时检验提供了一种便携式的解决方案。相关研究成果以论文形式发表在《应用科技》期刊上。

系统工作原理

生化分析仪主要由检测单元、控制单元、管理单元3部分组成。用户可以通过液晶显示屏查看生化分析仪的工作状态、样本检测的结果。

通过按键发送检测命令给到下位机，下位机执行相关命令，检测单元各个模块开始工作，最终将采集到的信息经过算法处理后返回至上位机界面，ARM上预留有RS232接口可同步数据到PC端数据管理软件。

而控制单元通过控制直流无刷电机的加速、减速、正反转，为微流控芯片提供离心驱动力，以此来实现芯片中测试样品离心、混合。在具体的操作过程中，氙灯提供一束白光摄入微流控芯片的反应孔，经过分光、滤光后，硅光电池组成的光检测器检测到9个波段的光信号，对信号处理后，依据朗伯-比尔定律，参照标准曲线，可以得到被测样本中关注物质的浓度。微流控芯片结构以及血液样本在芯上的分离、定量、流动、反应过程如图1所示。

图1 微流控芯片：（a）微流控芯片结构示意图；（b）加入样本（红）和稀释液（蓝）；（c）样本稀释液定量和离心分离；（d）血浆（黄）、血细胞（红）分离完成；（e）稀释液（蓝）、血浆（黄）完成混合（绿）；（f）稀释液、血浆混合后进入反应孔。

系统硬件设计

如图2所示，直流无刷电机的正反转、匀速转动以及加减速通过专用的电机控制芯片来控制，为微流控芯片提供充足的离心驱动力，以此完成血液样本的生化检测反应。直流无刷电机由3个单桥臂电路组成，每个桥臂使用IR公司的IR2101 MOSFET驱动器来驱动，该驱动器是一个双通道、栅极驱动、高压高速率驱动器，最高可提供20V的栅极驱动电压，依靠VCC端的自举电容，可实行上桥臂的电压驱动。

图2 电机驱动电路

盘片定位电路用于提供盘片检测时精确的定位信号，该系统以发光二极管为光源，硅光电池为光电检测器，系统为发光二极管提供5V电压。光信号经硅光电池转换为电信号后进入运算放大器LT1113，放大电路如图3所示。调理后的信号进入比较器电路，当放大后电压信号大于目标电压信号，输出高电平，氙灯曝光，完成一次探测。

图3 定位信号放大电路

系统软件设计

系统检测流程如图4所示，正常启动后，用户通过显示屏点击检测按钮进入检测流程，扫描二维码录入测试信息，放入微流控芯片，添加样本，确认测试信息后自动进入检测程序，待仓内温度达到37℃±0.1℃开始检测。直流无刷电机转动驱动盘片转动，完成样本离心、定量、样本和稀释液混合等工作，下位机与上位机之间通过SPI接口交互数据，数据经过处理后生成检测报告，在显示屏上显示，并自动打印测试报告。

图4 系统检测流程

总体而言，该研究为全自动化生化分析仪在社区、医院、学校等基层组织和偏远地区的普及提供了便携式的解决方案。研究人员后续将致力于将硬件系统进一步集成化、小型化，优化软件，使系统性能更加稳定、准确度更高。

审核编辑：郭婷