摘 要 化学发光定量免疫分析仪是以单光子计数器为核心, 采用 32 位 ARM7.0 单片机作为控制中心, 并通过标准的 RS- 232串口连接及信号传输指令, 实现与 PC 机的通讯。该产品与发光免疫分析试剂盒和专用的免疫数据分析管理系统配合使用,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。
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。
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, 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: 220VA±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由 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 ARM7.0 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。
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。单光子计数器的结构及其工作原理示意图如图 2 所示。
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。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 Lumi-nescence 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。
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。通过 RS- 232 串口与 PC 机进行通信, 使操作人员非常容易地通过化学发光分析仪在显示器上能清楚、准确地读取化验的结果、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。
3 结束语
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。
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本文作者：徐振方 王玉德 孟艳花
