連續(xù)式NC膜劃膜裝置

陳 曦，王 清，蔡姍姍

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

0 引言

20世紀(jì)90年代以來，基于單克隆技術(shù)、免疫層析技術(shù)以及新材料技術(shù)的飛速發(fā)展，且由于其具有快速精確、穩(wěn)定簡潔、不需特殊設(shè)備、結(jié)果判斷直觀等優(yōu)點(diǎn)，免疫層析診斷測試技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)受到人們廣泛重視的新型快速檢測技術(shù)，因此針對劃膜儀的具體劃膜裝置的研究具有廣闊的市場和應(yīng)用前景。免疫層析試紙條是結(jié)合抗原抗體的免疫學(xué)反應(yīng)和層析原理制備而成的，經(jīng)特異性的抗原（或抗體）以條帶狀固定于玻璃纖維膜和硝酸纖維膜的檢測線（T）和質(zhì)控線（C）上，將標(biāo)記試劑吸附到結(jié)合墊上，當(dāng)待測樣品加到試紙條一端的樣品墊后，通過毛細(xì)作用向前移動(dòng)，溶解固化在結(jié)合墊上的標(biāo)記試劑后相互反應(yīng)，再移動(dòng)至固定的抗原（或抗體）的區(qū)域時(shí)，待測物和標(biāo)記試劑的復(fù)合物又與之發(fā)生特異性結(jié)合而被截留，聚集在檢測帶上，通過可目測的標(biāo)記物得到直觀的顯色結(jié)果，從而得出檢測結(jié)果［1］。

免疫層析速測試紙條需以條狀纖維層析材料為固相進(jìn)行溶液的包被，目前常用的即為醋酸纖維膜。醋酸纖維膜又稱NC膜，因其擁有的高蛋白吸附容量和良好的親水性賦予了NC膜快速層析的特性。試紙?jiān)谏a(chǎn)過程中一般有3種溶液的包被處理，其中在免疫層析試紙硝酸纖維素膜表面進(jìn)行檢測線（T）和質(zhì)控線（C）的包被，是試紙生產(chǎn)制作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一［2］。但對醋酸纖維膜進(jìn)行溶液的包被技術(shù)在實(shí)際研究和應(yīng)用中也暴露了一些不足。生產(chǎn)過程中，在NC膜上實(shí)現(xiàn)對待測物的受體（如抗體或抗原）噴液工藝的操作還是較落后的，使得噴液操作的精度低、效率低。市面上的劃膜儀操作復(fù)雜，在運(yùn)行過程中速度、流量不穩(wěn)，精度不夠，劃液不均勻，并且大多設(shè)備是由國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，設(shè)備及配件不能完全滿足國內(nèi)生產(chǎn)實(shí)際需要，不便于更換維修。為此，我們選擇用單片機(jī)MPC82G516A實(shí)現(xiàn)與工業(yè)注射泵的串口通訊，設(shè)計(jì)了一種連續(xù)式NC膜劃膜裝置。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

NC膜劃膜裝置是一個(gè)對整卷連續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)的NC膜進(jìn)行三線劃膜的裝置。方案選擇以連續(xù)式劃膜儀為平臺(tái)，在NC膜勻速運(yùn)動(dòng)的前提下，采用單片機(jī)作為主要的控制核心，通過工業(yè)注射泵在滿足三個(gè)半自由度的調(diào)節(jié)平臺(tái)上固定由纖維管做的劃線頭完成劃線。選擇用于精密流體傳輸?shù)母呔裙I(yè)注射泵，使得噴液量更加精確，劃線更加均勻，配置3個(gè)注射泵，可同時(shí)劃檢測線1、檢測線2和質(zhì)控線。多自由度位置調(diào)節(jié)平臺(tái)設(shè)計(jì)使得整體劃膜操作裝置滿足了不同寬度NC膜劃膜要求且裝置整體位置便于調(diào)整、維修。做劃膜操作時(shí)，劃膜纖維管頭與NC膜之間的距離和劃膜的3條線（檢測線1、檢測線2和質(zhì)控線）之間的距離均手動(dòng)可調(diào)。采用進(jìn)口中空纖維管做的劃線頭柔韌而有彈性，特別適合在膜表面劃線，對微孔膜表面沒有損傷，不會(huì)留下劃痕［3］。實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行簡便調(diào)節(jié)即可避免NC膜劃膜操作產(chǎn)生的印痕或劃痕，滿足生產(chǎn)劃膜要求。劃膜裝置的噴液量、運(yùn)行速度和噴灑精度由單片機(jī)存儲(chǔ)程序進(jìn)行控制，實(shí)際運(yùn)行中由精準(zhǔn)穩(wěn)定的工業(yè)注射泵給予保證。

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

2．1 多自由度位置調(diào)節(jié)平臺(tái)

多自由度位置調(diào)節(jié)平臺(tái)符合四個(gè)半的自由度要求，并且能按預(yù)定軌跡準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可靠性高。手動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本低，可以快速調(diào)節(jié)以滿足不同厚度、不同寬度的NC膜劃膜要求。

其中整體劃膜操作裝置應(yīng)具有3個(gè)自由度（X、Y、Z），用以滿足不同寬度NC膜的不同位置劃膜，且使裝置整體位置便于調(diào)整、維修。整體劃膜平臺(tái)采用交叉滾珠導(dǎo)軌，機(jī)構(gòu)緊湊，壽命長，可很好地保證每軸運(yùn)動(dòng)的直線度、運(yùn)行平行度和垂直度。加入側(cè)面鎖緊設(shè)計(jì)，位移調(diào)整采用差動(dòng)測微頭，使得裝置精度高，可以保證調(diào)節(jié)裝置納米級的微位移調(diào)整。

3個(gè)劃膜纖維管頭應(yīng)具有一個(gè)半自由度（升降和靠近），用于滿足與NC膜之間距離和3條劃線之間距離的調(diào)節(jié)要求。其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也采用交叉滾珠導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超薄，能在小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升降和靠近操作。做劃膜操作時(shí)，劃膜纖維管頭與NC膜之間的距離手動(dòng)調(diào)節(jié)至合理、準(zhǔn)確位置，避免NC膜上出現(xiàn)印痕或劃痕，且劃膜的3條線之間的距離可有效控制為2mm～3mm，最大不會(huì)超過5mm。

2．2 控制和通信模塊

單片機(jī)具有其本身的體積優(yōu)勢［4］，故劃膜裝置采用單片機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)選用MPC82G516A作為系統(tǒng)的控制芯片，實(shí)現(xiàn)與工業(yè)注射泵的串口通信。MPC82G516A是基于80C51的高效1－T結(jié)構(gòu)的單芯片微處理器，與8051指令集兼容，因此在與標(biāo)準(zhǔn)8051有同樣的處理能力的情況下運(yùn)行速度非常低，能很大程度地減少耗電量。其擁有64kB的內(nèi)置Flash存儲(chǔ)器，用于保存代碼和數(shù)據(jù)，除具有8051MCU的標(biāo)準(zhǔn)功能外，還集成了很多系統(tǒng)級的功能。這些功能能夠有效地減少電路板面積和系統(tǒng)成本，使得MPC82G516A作為一個(gè)強(qiáng)有力的微控制器能很好地應(yīng)用在劃膜裝置中。

劃膜裝置選取工業(yè)注射泵來實(shí)現(xiàn)裝置的蛋白質(zhì)試劑的劃膜，所以通信模塊的穩(wěn)定、可靠是非常重要的。MPC82G516A單片機(jī)內(nèi)部具有1個(gè)全雙工口的串行通訊口，可同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。根據(jù)工業(yè)注射泵的配置，可選用RS232或RS485兩種接口，由于劃膜裝置設(shè)計(jì)時(shí)使用3個(gè)注射泵工作，即多站收發(fā)，而且要求儀器精度高、傳輸快、抗干擾能力強(qiáng)，考慮到RS－485可以很好地滿足這些要求，所以采用RS－485串行通信接口進(jìn)行通信設(shè)計(jì)。工業(yè)注射泵采用標(biāo)準(zhǔn)RS－485接口，而單片機(jī)串口的電平為TTL電平，因此必須在單片機(jī)串口和注射泵RS－485接口之間加上電平轉(zhuǎn)換電路。這里采用SN75176BP完成從TTL電平到RS－485電平的相互轉(zhuǎn)換。

2．3 工業(yè)注射泵工作參數(shù)

選用的工業(yè)注射泵是一款結(jié)構(gòu)緊湊、用于精密流體傳輸?shù)漠a(chǎn)品。其對于精度要求有可靠保障，擁有大范圍的噴液速度和多種容量選擇，可配以多種類型的閥，實(shí)現(xiàn)多泵配合使用；且其擁有強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，用戶可自行對注射泵設(shè)置工作模式和參數(shù)，也可發(fā)送錯(cuò)誤代碼并且查詢狀態(tài)。

劃膜裝置對于工業(yè)注射泵注射器類型提供了很多種選擇，分別有50μL、100μL、250μL、500μL、1mL、2．5mL、5mL，可滿足不同的劃線劑量要求；適用閥包括3口Y型閥、T型閥、3口分配閥、Y型直通閥等；滿行程為30mm（3 000步），線速度范圍可達(dá)到16．67 μm／s～25mm／s（即最慢30min走完滿行程，最快1．2 s走完滿行程）；行程控制精度≥30%行程時(shí)，誤差≤5‰，行程控制誤差＜30%行程時(shí)，誤差≤1% 。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

用C語言編寫的目標(biāo)程序編譯速度快，有良好的可移植性，因此，劃膜裝置選擇用C語言對單片機(jī)進(jìn)行串口異步通信程序設(shè)計(jì)。裝置采用總線型主從式結(jié)構(gòu)，單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)可以被各個(gè)工業(yè)注射泵接收。而各個(gè)工業(yè)注射泵發(fā)送出來的命令只能由單片機(jī)接收，各個(gè)泵之間不能夠交換數(shù)據(jù)［5］。在單片機(jī)的多機(jī)通信過程中，主機(jī)程序采用中斷方式實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收。單片機(jī)的主機(jī)程序分為變量定義、初始化、向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)接收（中斷方式）4個(gè)整體模塊，為方便調(diào)用，它們均編寫為子程序形式。當(dāng)系統(tǒng)接通電源或復(fù)位后，首先對中斷方式和串口進(jìn)行初始化，啟動(dòng)主程序后，單片機(jī)設(shè)定工業(yè)注射泵參數(shù)，給予控制指令，并可以實(shí)時(shí)查詢工業(yè)注射泵的工作狀態(tài)和錯(cuò)誤代碼，保證系統(tǒng)工作正常。以Keil＿u Vision3為軟件開發(fā)環(huán)境完成系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，便于以后系統(tǒng)的維護(hù)和升級。單片機(jī)通信程序框圖如圖1所示。

圖1 單片機(jī)通信程序框圖

4 結(jié)束語

依托連續(xù)式劃膜儀，采用單片機(jī)作為主要的控制核心對工業(yè)注射泵進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了連續(xù)式NC膜劃膜裝置，該裝置具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、輕巧簡便、劃膜準(zhǔn)確、維護(hù)便捷等特點(diǎn)。經(jīng)測試表明設(shè)備工作可靠、穩(wěn)定，手動(dòng)操作精準(zhǔn)、便捷，滿足免疫層析試紙條C／T劃膜的生產(chǎn)要求，以更為經(jīng)濟(jì)的自動(dòng)化生產(chǎn)手段彌補(bǔ)了目前劃膜裝置的不足之處，滿足大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)快速的生產(chǎn)要求，可廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域當(dāng)中。

［1］ 付海霞．免疫層析快速檢測技術(shù)的研究［D］．杭州：浙江大學(xué)，2008：7－18．

［2］ 黃芬，葉紹輝，龔振明．免疫層析快速診斷試紙條的制備及其應(yīng)用［J］．當(dāng)代畜牧，2006（8）：20－22．

［3］ 陳曦，代丙媛，李玲．往復(fù)式NC膜劃膜儀［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2012（1）：24－25．

［4］ 陳慧勃．NC膜涂膜機(jī)的研制與開發(fā)［D］．天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007：11－12．

［5］ 李寧．基于PC機(jī)和單片機(jī)主從式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］．西安：西安理工大學(xué)，2008：33－34．