用于生物芯片閱讀儀校正的標準平面光源的研制

【作 者】許穎原

上海銘源數(shù)康生物芯片有限公司，上海市，201403

0 前言

全球癌癥發(fā)病率持續(xù)升高，目前用于癌癥篩查的方法主要采用癌癥標志物蛋白芯片和單指標檢查，癌癥標志物蛋白芯片可以對AFP、CEA、CA199等多種癌癥標志物進行檢測，特別適用于體檢。單指標檢測準確性高，適用于臨床。

癌癥標志物蛋白芯片的工作原理是采用化學發(fā)光分析法，利用生物化學發(fā)光的強度與反應物濃度成正比的原理進行測量。生物芯片閱讀儀采用高性能的進口制冷CCD對生物芯片進行拍攝，從而測量出其化學發(fā)光信號值，根據(jù)標準曲線計算出樣品的濃度。使用CCD面臨最大的問題就是：像場的不均勻度和儀器間的測量誤差。由于可供放置光源的空間非常有限，在新型標準平面光源研制成功前，校正時采用的是點光源，就是由單個LED組成的光源系統(tǒng)。它雖然也能完成校正的任務，但是每次校正需要由人工完成48個位置的移動，校正工作量大，速度慢，校正一臺儀器一般大于2 h。另外人工移動位置時，會造成人為誤差，影響儀器的精度。為了解決上述問題，進行新型標準平面光源的研制。

1 生物芯片閱讀儀工作原理

生物芯片閱讀儀的結構如圖1所示，其核心部件是制冷CCD，生物芯片放置在暗盒內進行測量。

圖1 生物芯片閱讀儀示意圖Fig.1 The diagram of biochip reader

圖2所示的生物芯片是48人份的，每個人份中有24個樣品點，2個樣品點對應一個指標。樣品信號經過鏡頭傳送到CCD芯片上成像，由于樣品信號非常微弱，因此對CCD的本底噪聲要求非常高，避免對樣品信號造成干擾。

2 標準平面光源的研制

圖2 48人份的蛋白芯片F(xiàn)ig.2 The photo of protein chip

2.1 標準平面光源的結構設計

在高精度的測量系統(tǒng)中，CCD像素響應不均勻性和鏡頭造成的不均勻性會給系統(tǒng)帶來測量誤差。造成不均勻的原因是多種多樣的，如溝道參雜濃度[1]不均勻、表面態(tài)分步濃度不均勻以及柵氧化物厚度不同造成的開啟電壓不同、感光單元有效面積不同，從而引入固定模式噪聲，表現(xiàn)為暗電流和光電響應的不均勻。為了提高測量精度，就必須對像素響應不均勻性和鏡頭造成的不均勻性進行校正[2]。

以往對于CCD的不均勻校正，采用的工具基本上是積分球加上精密直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源[3]。由于生物芯片閱讀儀的暗盒空間非常有限，要求標準光源的長和寬不能超過100 mm，厚度不能超過20 mm，同時發(fā)光平面的高度盡量與生物芯片的發(fā)光平面接近。因此，無法采用積分球對CCD進行不均勻度的校正。這種情況下，只能采用LED陣列來設計標準平面光源，如圖3所示，每個LED的位置是生物芯片中每個人份的幾何中心。由于標準平面光源的高度受到很大限制，所以發(fā)光元件只能采用貼片LED。

圖3 標準平面光源LED陣列Fig.3 The diagram of LED array in standard plane light source

由于生物芯片的發(fā)光非常微弱，為了提高校正的精度，就要使標準平面光源所發(fā)出的光強與生物芯片接近。但是LED的最小工作電流是有限制的，當?shù)陀谝欢ㄖ禃r，LED發(fā)光的穩(wěn)定性就會大大下降。為了解決這問題，在LED上覆蓋了光學擴散板和光衰減片，使得標準光源的發(fā)光強度與生物芯片基本接近。另外為了避免LED相互之間的影響，在LED之間還安裝隔離膜。

2.2 標準平面光源的電路設計

對于標準平面光源最重要的性能是穩(wěn)定性和均勻性。由于LED的一致性和電路上的差異，無法保證每個LED的亮度是一致的，因此就要求每個LED的亮度可以調節(jié)。另外，要確保標準平面光源LED工作的穩(wěn)定性，要求電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性足夠高。由于標準平面光源放置在暗盒內，而暗盒不允許漏光，因此標準平面光源不能使用外部電源。以上這些要求是設計標準平面光源所面臨的極大挑戰(zhàn)。

為了滿足上述要求，所設計的標準平面光源電路由：CPU、通訊接口芯片、LED電流調節(jié)芯片、高精度穩(wěn)壓芯片和電池等組成，見圖4。

圖4 標準平面電氣結構示意圖Fig.4 The electrical diagram of standard plane light source

電源模塊由電池和穩(wěn)壓電路組成。由于受到高度的限制，但又要保證標準平面光源有足夠長的工作時間，電池只能采用體積小、容量大的鋰電池。穩(wěn)壓電路的核心器件是高精度穩(wěn)壓芯片。電池隨著使用時間的增加，輸出電壓將不斷下降，如果不采取穩(wěn)壓措施，那么LED的工作電壓也將隨著電池電壓的下降而發(fā)生變化，這時其亮度的穩(wěn)定性就得不到保障，所以必須配置穩(wěn)壓電路。實驗證明，當電池電壓高于穩(wěn)壓電路最低輸入電壓時，LED的工作電壓非常穩(wěn)定，峰峰值誤差小于3‰，滿足了LED亮度穩(wěn)定的要求。

LED亮度的調節(jié)是采用通訊方式來實現(xiàn)。上位機通過專用軟件，向標準平面光源發(fā)送亮度調節(jié)命令或讀取當前亮度值等命令。當需要調節(jié)某個LED亮度時，上位機只要選中這個LED，然后發(fā)送新的亮度值，標準平面光源中的CPU收到修改亮度的命令后，就控制LED的電流控制芯片進行調節(jié)，完成亮度調節(jié)的功能。

由于標準平面光源對LED亮度調節(jié)要求非常精細，因此在標準平面光源中安裝了3個專用的LED電流控制芯片，每個芯片控制16個LED，實現(xiàn)了對48個LED的獨立控制。該芯片對LED工作電流的調節(jié)分為粗調和細調兩種方式：粗調是對LED工作電流的大小進行調節(jié)，一共分為24級，即當輸入的電流為1 mA時，每次調節(jié)是1/24 mA。細調是采用PWM方式進行，分為4096級。因此，對標準平面光源中的每個LED都能進行非常精細的調節(jié)，在標準平面光源校正時，每個LED的灰度值與設定值之間的誤差都能小于5‰。

2.3 標準平面光源的校正

標準平面光源在組裝完成后，首先需要進行均勻性校正，即將每一個LED的灰度值調節(jié)到規(guī)定值。具體的方法是：(1)將標準光源的通訊接口與電腦相連；(2)把被測LED放置到專用的生物芯片閱讀儀的中心位置；(3)進行測量，如果其灰度值與設定值有偏差，操作人員通過專用軟件，對該LED的亮度進行調節(jié)，一直到符合要求；

把所有的LED全部調整完后，就完成了對標準平面光源的校正。每個光源在完成校正后，定期需要檢查，以確保其均勻性滿足要求。

2.4 生物芯片閱讀儀的校正

儀器的校正分為：均勻性校正和儀器間校正。

在使用標準平面光源后，儀器均勻性的校正就非常方便，只要拍攝一次，就能獲得48個位置上的LED灰度值，一般完成一次均勻性校正的時間不超過5 min。根據(jù)精度要求的不同，均勻性校正算法可以采取兩種方法：簡單校正系數(shù)法和二維三價多項式擬合閾值曲面算法[4]校正。

簡單校正系數(shù)法就是將48個位置上LED的灰度值與中心位置上的LED灰度值進行比值，計算出每個位置上的校正系數(shù)。這樣做的好處是簡單，運算量少，但是比后一種方法的精度低，適合對精度要求不是特別高的場合。

對于精度要求高的測量系統(tǒng)，可以采用二維三價多項式擬合閾值曲面的方法進行校正。利用測量到的48個LED灰度值，能夠計算出整個像面上每個像素點上的校正系數(shù)。

實驗證明，上述兩種方法都滿足生物芯片閱讀儀的均勻性校正。

對于儀器間的校正，主要是利用標準平面光源中間4個LED。將標準平面光源放置到標準機內，測量中間4個LED灰度值，計算出平均值。然后，將標準平面光源放入被校儀器中，同樣進行拍攝，并測量中間4個LED灰度值的平均值。如果其差異超過規(guī)定要求，則調節(jié)被校儀器的光圈，使之達到規(guī)定值。通過這樣的方法，基本上可以保證被校儀器與標準機之間的誤差小于規(guī)定值。

3 結論

通過長時間的測試證明，新型標準平面光源的各項性能符合對生物芯片閱讀儀校正的要求，操作簡單，使用方便，為儀器校正提供了一個有力的工具。

[1]雪生.用于LCD的LED背光源[J].現(xiàn)代顯示,2005,53: 34-37.

[2]季旭東.LCD用的LED背光源技術[J].照明工程學報,2003,14(3): 19-21.

[3]王力,賀庚賢,沈湘衡.基于面陣CCD的光電測量設備光學系統(tǒng)像面不均勻度測量系統(tǒng)[J].光電子技術,2008,28(3): 212-215.

[4]田涌濤,李霞,王有慶,等.基于二維三價多項式擬合的閾值曲面分割法[J].計算機工程,2003,29(4): 127-129.