張嘯天,倪 屹,郭 瑜,鐘道鴻,李俊緯

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122)

0 引 言

化學(xué)發(fā)光免疫分析(chemiluminescence immunoassay,CLIA)是一種用來檢測人體中多種化學(xué)成分的臨床醫(yī)學(xué)檢測分析技術(shù)[1]。CLIA可用于藥物濃度檢測以及腫瘤標(biāo)志物、激素、抗原、抗體等多種臨床項(xiàng)目的檢測,具有高精確度、高靈敏度、強(qiáng)特異性等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為臨床免疫檢驗(yàn)中的主要方式[2～4]。目前CLIA的研究方向主要體現(xiàn)在兩個方面:1)在理論技術(shù)方面,增強(qiáng)光源發(fā)光效率,提高檢測靈敏度,結(jié)合生物化學(xué)技術(shù),探索新的免疫分析方法；2)優(yōu)化儀器的檢測結(jié)構(gòu),降低系統(tǒng)誤差,縮小體積,提高檢測的速度和穩(wěn)定性。整體趨勢是高速化、自動化、智能化、集成化。為了提高儀器的檢測穩(wěn)定性,本文提出了一種基于ARM的化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的控制系統(tǒng)。采用ARM芯片為主控CPU,通過FPGA和STM32實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動控制算法。具有更低的系統(tǒng)誤差和更高的檢測穩(wěn)定性。

1 化學(xué)發(fā)光免疫分析的原理

化學(xué)發(fā)光反應(yīng)是某類物質(zhì)吸收能量并產(chǎn)生光輻射的現(xiàn)象。化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生足夠的化學(xué)能被特定物質(zhì)分子吸收并躍遷至電子激發(fā)態(tài),其躍遷回穩(wěn)定的基態(tài)時會輻射出光子。免疫分析依據(jù)化學(xué)反應(yīng)發(fā)出的熒光光強(qiáng)與待檢測物質(zhì)的含量呈一定地?cái)?shù)學(xué)關(guān)系而實(shí)現(xiàn)。以標(biāo)記方式的不同CLIA分為化學(xué)發(fā)光標(biāo)記免疫分析法、化學(xué)發(fā)光酶免疫分析法、增強(qiáng)發(fā)光酶免疫分析法等。系統(tǒng)采用化學(xué)發(fā)光標(biāo)記免疫分析法,標(biāo)記物選用吖啶酯類化合物,發(fā)光方式為閃爍型發(fā)光,輻射光波長470 nm,發(fā)光時間0.4 s。此方法無需外接光源,熒光量子效率高,穩(wěn)定性好。

2 化學(xué)發(fā)光免疫分析儀系統(tǒng)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的檢測系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、加樣系統(tǒng)、光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)三個部分構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)用于向控制系統(tǒng)發(fā)送控制命令,接收運(yùn)行狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)處理?？刂葡到y(tǒng)由ARM和電機(jī)控制模塊組成,負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信,運(yùn)動任務(wù)的調(diào)度,精確控制電機(jī)的運(yùn)動參數(shù)等。加樣系統(tǒng)用于樣品注入和傳送反應(yīng)杯。光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)光劑的加注和熒光光子的采集計(jì)數(shù)。

圖1 化學(xué)發(fā)光免疫分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 加樣系統(tǒng)

加樣系統(tǒng)主要由機(jī)械臂和吸液針構(gòu)成。吸液針通過高精度柱塞泵(精度為0.2 μL)將待測樣品定量吸入并注射到反應(yīng)杯中,由機(jī)械臂將反應(yīng)杯傳送至暗室進(jìn)行發(fā)光劑加注與反應(yīng)光的測量。系統(tǒng)中預(yù)置沖洗位,每個加樣動作后由隔膜泵輸送純水和清洗液對吸液針進(jìn)行清洗。為防止輸液管內(nèi)有殘余空氣影響加樣精度,在檢測前,每個液泵要預(yù)先加注1 min的純水。

2.3 光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)

光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)由檢測暗室、聚光器、光子計(jì)數(shù)器組成。發(fā)光反應(yīng)的熒光用普通的光電檢測方式難以被探測到(光強(qiáng)10-15～10-16W左右),因此必須采用單光子計(jì)數(shù)法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了頂部出光式錐型聚光器對反應(yīng)杯頂部的熒光進(jìn)行收集,以降低熒光的光強(qiáng)損失。反應(yīng)杯被送入暗室后加注發(fā)光試劑發(fā)生發(fā)光反應(yīng)釋放出光子。錐型聚光器將光子聚集在光電倍增管(PMT)的陰極窗口,單個光子經(jīng)多級電場加速倍增后以單光子脈沖的形式被陽極接收,脈沖經(jīng)放大濾波后由計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)光脈沖數(shù)量[5～9]。

2.4 光子計(jì)數(shù)器

光子計(jì)數(shù)器由PMT、放大器、甄別器、計(jì)數(shù)器構(gòu)成。選用的PMT是濱松公司的CR275型,該管型在波長470 nm左右量子效率較高。甄別器基于電壓比較器TL3016實(shí)現(xiàn),采用±5 V雙電源驅(qū)動、鎖存端接地。硬件電路如圖2所示。

圖2 放大甄別器原理圖

計(jì)數(shù)器主要由加法器74HC161和單片機(jī)PIC16F917上的16位計(jì)數(shù)器Time1組成。計(jì)數(shù)程序使用異步清零法,當(dāng)MR端輸入低電平時清零。使用外部門控信號輸入,時鐘周期20MHz。由于串行外設(shè)模塊不是MSSP,要通過軟件控制IO口線模擬實(shí)現(xiàn)啟動和停止。硬件原理如圖3所示。

圖3 計(jì)數(shù)器原理圖

2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個系統(tǒng)包括3個模塊:基于ARM的主控模塊、基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)控制模塊、基于STM32的伺服電機(jī)控制模塊。主控CPU是TI公司的AM3352BZCZD80芯片,上位機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口與主控模塊通信。主控模塊分別使用CANopen和CAN總線控制伺服控制器和步進(jìn)電機(jī)控制模塊,同時還要用于控制液泵的進(jìn)樣速度。FPGA模塊用于設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的S型運(yùn)動曲線。采用LATTICE的LCMXO2—7000HC芯片為步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動信號。由于物理距離較短噪聲影響低,各步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器間采用SPI完成通信。伺服控制器基于STM32F405設(shè)計(jì),采用三環(huán)控制模式實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精確運(yùn)動。為了實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性與高速化在通信中省去了繁雜的CRC校驗(yàn),將CAN總線的負(fù)載率控制在40 %,這個負(fù)載率下既不會出現(xiàn)丟包也能滿足儀器的通信速度需求。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2.6 運(yùn)動控制程序設(shè)計(jì)

伺服控制器和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制模塊的程序設(shè)計(jì)是通過移植μC/OS II操作系統(tǒng)并利用其任務(wù)調(diào)度功能實(shí)現(xiàn)。μC/OS II系統(tǒng)是專為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,其本身具有很強(qiáng)的移植性。移植過程簡單只需要改寫os_cpu_a.asm和os_cpu.c等文件即可。運(yùn)動控制程序用于電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)向、位置控制及協(xié)調(diào)多臺電機(jī)工作。運(yùn)動控制共5個任務(wù)。1)AD檢測:對電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的反饋信號進(jìn)行采集；2)中斷檢測:檢測是否有控制命令發(fā)出；3)錯誤診斷:對電機(jī)位置信息進(jìn)行采集,沒有達(dá)到預(yù)測值或運(yùn)動超時則報(bào)錯并停止運(yùn)動；4)狀態(tài)通信:將運(yùn)動結(jié)果上傳至主控CPU。在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將中斷檢測的優(yōu)先級設(shè)定為最高,因?yàn)槠潢P(guān)系到命令的接收和喚醒其他任務(wù)。程序采用高頻中斷計(jì)算延時方式控制電機(jī)加減速?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

圖5 運(yùn)動控制流程

3 實(shí)驗(yàn)測試

對儀器的關(guān)鍵性能參數(shù)[10]按照國標(biāo)進(jìn)行測試,主要測試項(xiàng)目為線性相關(guān)性和批內(nèi)測試重復(fù)性(CV)。測試設(shè)備如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備

3.1 線性相關(guān)性

將測試專用的高值發(fā)光劑用稀釋液按一定濃度梯度稀釋成6個樣品,混合均勻后分別檢測相對光子強(qiáng)度(RLU)。每個樣品重復(fù)測定3次,計(jì)算三次樣品檢測結(jié)果的平均值。數(shù)據(jù)顯示儀器線性檢測范圍達(dá)到了103～106數(shù)量級。結(jié)果如表1所示。

表1 線性度測試數(shù)據(jù)

用最小二乘法對6組樣品進(jìn)行曲線擬合。擬合曲線圖以稀釋比例為自變量,以每次檢測結(jié)果的均值為因變量,得出線性回歸方程并導(dǎo)出線性回歸的相關(guān)系數(shù)R2。擬合曲線如圖7所示。算得R2=0.999 22高于0.99符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 線性度數(shù)據(jù)擬合曲線圖

3.2 批內(nèi)變異系數(shù)對比測試

為驗(yàn)證儀器的檢測穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了與市場主流分析儀的檢測變異系數(shù)(CV)對比測試。使用臨床測試AFP標(biāo)準(zhǔn)品重復(fù)測試20次,并根據(jù)式(1)計(jì)算出CV值

(1)

表2 批內(nèi)變異系數(shù)對比測試 %

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了以ARM為核心的控制系統(tǒng)。以ARM為主控芯片,分別通過CAN和CANopen控制FPGA模塊和伺服控制模塊,通過測試設(shè)置了合適的總線負(fù)載率。通過FPGA模塊和伺服控制器的協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)了電機(jī)高速、低噪聲、低失步率的運(yùn)行。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性,低系統(tǒng)誤差,高響應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)測試表明:在該控制系統(tǒng)下儀器的檢測線性相關(guān)系數(shù),線性檢測范圍均達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。儀器的檢測CV降低至1.37 %～3.86 %。檢測穩(wěn)定性,檢測速度均能滿足使用要求。