化学发光定量免疫分析仪的原理与设计

概述

长期以来，人们大多采用光度计作为光信号的主要检测仪器，其原理为通过光电转换器件将光信号转换为电压或电流信号，再加以放大。其主要特点为：结构简单、性能稳定，但灵敏度低、线性范围较窄。目前常见的光学检测仪器，如：红外、可见光、紫外分光光度计、荧光分光光度计、酶标仪、照度计等均采用类似原理[1].这类技术主要采用光敏二极管、光敏电池、光电耦合器，或者以光电流放大方式工作的常规光电倍增管作为检测器件。

化学发光定量免疫分析仪是我们最新研制推出的新一代高精度、高稳定性的检测仪器。该产品与配套生产的发光免疫分析试剂盒和专用的数据分析管理软件配合使用，就构成了目前国内唯一的化学发光免疫分析系统[2]，完全能够满足各类临床及基础医学领域内高灵敏度定量和定性免疫测试的要求。

该系统采用32位ARM7.0为控制中心，并通过标准RS-232串口连接及信号传输指令实现与PC机的通讯。本机具有操作简便、灵敏度高、计数准确、稳定性好等特点。

1、系统主要的性能指标

电源电压：220V±22V，50Hz±1Hz；最大输入功率：220 VA±10VA本底噪声：0 RLU/S～100RLU/S；线性范围：500 RLU/S～1.8×106RLU/S稳定性：CV≤3%重复性：CV≤3%灵敏度：（最低检测限）≤3×10-14W

2、仪器组成及工作原理

化学发光免疫分析仪主要有5部分组成：单光子计数器、机械传动机构、中央控制单元、上位机管理分析软件、打印机。光子脉冲数经过控制中心RAM7.0信号处理，一方面，单片机控制X、Y方向的步进电机来变换标准试剂和病人的采样样品；另一方面，通过RS—232串口于上位机通信，可以实时的查询病人的信息、分析结果、质控图等，并且可以通过打印机打印分析的结果。该产品的整机结构框图以及与外围设备的连接关系如图1所示：

图1仪器系统组成及工作原理示意图

2.1单光子计数器的工作原理

该仪器的光检测部件采用了单光子计数器，其核心部分是一个特殊类型的光电倍增管，它是一个超高真空的圆柱型玻璃容器，其中向光的一面（称为窗口）涂有一层特殊的具有光电效应的稀有金属，称为光阴极；而内部还装有多个以特殊方式排列的电极，称为打拿极或加速极；其后部另有一个电极称为阳极，各个电极之间均加有直流高压[3、4].单光子计数器的结构及其工作原理示意图如图2所示：

图2单光子计数器的结构及其工作原理示意图

当光子打到光阴极时，由于光电效应，其表面可以产生能量微弱的游离电子，称为光电子；该电子由于直流高压的作用离开光阴极再次打到第一打拿极上，由于其获得了直流高压提供的能量，因而在第一打拿极上又制造出了能量更高、数量级更大的电子[5、6].就这样经过多个打拿极的反复放大，最后使阳极产生了一个能量远远高于最初样品发射光子的电脉冲信号。该信号经前置放大器放大，再经过比较器去除噪声信号，最后由分频器换算出光子脉冲数，通常为相对发光单位，即：RLU（Relative Luminescence Unit）。一般讲，一个RLU相当于10个光子。

2.2下位机的设计

本系统采用MC68322（128K Flash，32K Ram）作为控制中心，以FPGA为计数单元，病人的采样样品经过微孔板，以单光子的形式进入光电倍增管PMT，通过高精度的级联放大器NE5205做前置放大，再经过FPGA做信号的比较（主要去处干扰信号）、分频（得到适当的频率）最后进入单片机做信号处理；单片机把处理的结果可以通过LCD显示，也可以通过RS—232串口与计算机通信实现人机交互；利用4个光电传感器来控制步进电机的状态进而改变微孔板的位置。其硬件结构框图如图3所示：

图3硬件结构框图

2.3上位机管理分析软件的设计

上位工控机软件的开发工具采用面向对象的Visual Basic.NET编程。Visual Basic.NET是一种可视化的面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言。它不仅编程简单，界面设计容易，同时自带的可视化数据管理器VisData，使得开发数据库应用程序也极为方便[7、8].通过RS—232串口与PC机进行通信，使操作人员非常容易的通过化学发光分析仪在显示器上能清楚、准确的读取化验的结果、打印化验单、化验批号、医院名称维护、病人信息管理、病人信息查询、化验过程检测及完善的帮助系统等。该管理系统界面友好、操作方便、直观、信息涵盖面广。化学发光仪分析管理界面如图4所示：

图4化学发光分析仪管理软件界面

3、结束语

随着现代量子物理学的发展，以及人们对光的微观特性认识的逐步深入，推动了光电子技术和相关元器件的发展，一种被称为单光子计数器的新型高敏感度光电检测器已经在近期问世，其灵敏度及线性范围均大大超过其它常规技术。因此被迅速应用于航空、航天、军事、公安、科研、医疗、环保、农业、工业等各个领域，成为现代高科技领域的重要组成部分。

由于单光子计数器具有的卓越性能，它已成为现代光学仪器中最重要的部分之一，也是今后临床检验仪器发展的方向之一[9].事实上，正是由于它的发明及应用，使现代免疫及基因分析技术才能从放射性同位素的束缚中解放出来，真正步入安全化、非同位素化的新时代。