一種小型化低成本免疫熒光分析儀的設(shè)計

沈增貴，鄧紅玉，林學(xué)祥

1.南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院 設(shè)備器材科，廣東 廣州510515；2.南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院 康復(fù)科，廣東 廣州 510000；3.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所，廣東 深圳518055

引言

免疫熒光技術(shù)又稱熒光抗體（抗原）技術(shù)，它是利用抗原、抗體特異性結(jié)合的特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確快速地檢測待測物（抗原）的含量[1]。免疫熒光技術(shù)的原理是在硝酸纖維素膜的測試區(qū)（T）包被BSA與抗原的偶聯(lián)物，標(biāo)記墊上含有預(yù)先包被的熒光標(biāo)記抗體。檢測時，首先用處理試劑將樣本中的抗原與標(biāo)記墊上的熒光標(biāo)記抗體發(fā)生結(jié)合，形成免疫復(fù)合物，復(fù)合物在層析作用下沿著硝酸纖維素膜向前擴(kuò)散至包被有另一種單克隆抗體的檢測區(qū)，從而形成雙抗體夾心復(fù)合物，而游離的熒光抗體則附著在質(zhì)控區(qū)[2]。當(dāng)檢測卡插入干式熒光免疫分析儀后，分析儀自動掃描檢測區(qū)和質(zhì)控區(qū)的熒光強(qiáng)度，通過兩種熒光強(qiáng)度的比值計算待測樣本中的抗原含量。免疫熒光分析技術(shù)具有靈敏度高、特異性強(qiáng)等特點(diǎn)，在床旁即時檢測（Point-of-Care Testing，POCT）領(lǐng)域上應(yīng)用廣泛，比如定量檢測血清、血漿、全血樣本中C-反應(yīng)蛋白、糖化血紅蛋白、甲胎蛋白、降鈣素原等物質(zhì)的含量。免疫熒光耗材保存要求低、操作簡便，適合中小醫(yī)療單位推廣使用[3-4]。

光學(xué)模塊是免疫熒光分析儀的核心模塊。當(dāng)前免疫熒光光學(xué)模塊，大多包括激光光源、二向分色片、透鏡、濾光片、光電轉(zhuǎn)換器件等[5]。光學(xué)器件較多，成本高，安裝與維護(hù)復(fù)雜，對使用環(huán)境有一定的要求。另外，大多光學(xué)模塊采用“電機(jī)-皮帶”或者“電機(jī)-齒輪”的動力與傳動機(jī)構(gòu)[6]。多個運(yùn)動機(jī)構(gòu)的組合，不僅增加了設(shè)備的體積與重量，機(jī)構(gòu)間的間隙還容易帶來誤差。復(fù)雜的光路、運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計使設(shè)備在野戰(zhàn)、救災(zāi)、移動醫(yī)療等領(lǐng)域作用受限[7]。因此，需要提出一種新的設(shè)計方式，簡化光路與運(yùn)動部件，同時具有測試卡插入檢測功能、廢片自動拋棄功能，且性能參數(shù)達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1 硬件部分

硬件部分采用上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)。上位機(jī)負(fù)責(zé)GUI顯示、IC模塊通訊以及連接打印機(jī)；下位機(jī)主要完成測試功能，可連接多個通道，包括控制各個通道的光源恒流電路、電機(jī)控制以及光強(qiáng)檢測。整機(jī)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

（1）上位機(jī)，即控制板，采用工控板為平臺。操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件以及數(shù)據(jù)庫運(yùn)行在該平臺上。應(yīng)用軟件用于與客戶交互，接收操作指令，分解測試步驟，并將測試步驟通過串口下發(fā)到下位機(jī)；獲取下位機(jī)返回的測試數(shù)據(jù)后，應(yīng)用軟件計算出檢測結(jié)果；可以通過打印機(jī)打印，也可以存儲在本地數(shù)據(jù)庫，或者通過網(wǎng)口上傳到LIST系統(tǒng)。

（2）下位機(jī)，即測試板，使用80C51作為MCU，通過RS232與上位機(jī)通訊。下位機(jī)檢測到微動開關(guān)信號后，發(fā)送命令通知上位機(jī)啟動檢測程序；獲得上位機(jī)的檢測參數(shù)后，下位機(jī)通過調(diào)整數(shù)字變阻器來調(diào)整光源亮度，通過電機(jī)控制與AD采樣時序的配合，實現(xiàn)整個測試卡的掃描，并將掃描結(jié)果返回上位機(jī)處理；下位機(jī)還具有開機(jī)復(fù)位、廢片拋樣以及光路異常報警功能。

2 光學(xué)部分

光學(xué)設(shè)計上使用非共聚焦光路方式[8]，如圖2所示。LED光源與試紙條成45°夾角放置，相互對稱，使照射到試紙條上的激發(fā)光盡量均勻。光電二極管位于試紙條正上方，檢測試紙條上被激發(fā)的熒光[9]。LED光源的出射方向上裝有激發(fā)波長濾光片以濾除干擾雜散光，光電二極管前方裝有發(fā)射波長濾光片，讓需要的熒光信號完全通過，同時最大程度地阻止激發(fā)光和各種雜散光進(jìn)入檢測系統(tǒng)[10]。這種光路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，光學(xué)器件都固定在硬件上，間隙小，抗震抗摔能力強(qiáng)[11]。

圖2 非共聚焦光路

在光源選擇上，采用直徑為5.5 mm的圓子彈頭LED冷光源。濾光片方面，根據(jù)熒光波長，選用中心波長在620 nm、帶寬在10 nm的帶通濾光片。采用硅光二級光作為光電傳感器，傳感器在620 nm上有一定的感光靈敏度[12]。光學(xué)模塊3D效果圖如圖3所示。

圖3 光學(xué)模塊3D效果圖

傳統(tǒng)的光學(xué)檢測法常用激光作為激發(fā)光源[13]。激光光源優(yōu)點(diǎn)是波長精度高、雜波少、信號強(qiáng)，在第值區(qū)間分辨率高；同時缺點(diǎn)也明顯，例如熱漂移明顯，發(fā)光效率隨著使用時間變長而變?nèi)酰枰答?補(bǔ)償電路來確保光強(qiáng)一致，并且聚焦距離大，體積大[14]。目前，越來越多熒光分析儀采用LED作為光源。本設(shè)計采用高亮度LED燈，配合前端的帶通濾光片得到單色激發(fā)光，在運(yùn)動方面采用直接推桿電機(jī)，克服傳統(tǒng)的“電機(jī)+皮帶”的運(yùn)動結(jié)果，有效降低機(jī)械運(yùn)動帶來的測試誤差，因此能有效保證測試的精密度與準(zhǔn)確性[15]。

3 算法部分

以C反應(yīng)蛋白項目為例，先對8組定標(biāo)品測試，獲得對應(yīng)的測試值，然后采用擬合方程[16]。具體的方法步驟如下。

（1）使用可溯源定標(biāo)品，濃度為200 mg/L，標(biāo)定為#1號定標(biāo)液。使用芬蘭QuikRead產(chǎn)品測試定標(biāo)液五次，取平均值202.3 mg/L作為參考值。

（2）取#1號定標(biāo)液100 μL，加入100 μL稀釋液稀釋，定義為#2號定標(biāo)液。使用芬蘭QuikRead產(chǎn)品測試定標(biāo)液五次，取平均值98.4 mg/L作為參考值。

（3）取#2號定標(biāo)液100 μL，加入100μL稀釋液稀釋，定義為#3號定標(biāo)液。使用芬蘭QuikRead產(chǎn)品測試定標(biāo)液五次，取平均值49.5 mg/L作為參考值。

（4）取#3號定標(biāo)液100 μL，加入100μL稀釋液稀釋，定義為#4號定標(biāo)液。使用芬蘭QuikRead產(chǎn)品測試定標(biāo)液五次，取平均值23.8 mg/L作為參考值。

（5）取#4號定標(biāo)液100 μL，加入100 μL稀釋液稀釋，定義為#5號定標(biāo)液。使用芬蘭QuikRead產(chǎn)品測試定標(biāo)液五次，取平均值12.2 mg/L作為參考值。

（6）取#5號定標(biāo)液100 μL，加入100 μL稀釋液稀釋，定義為#6號定標(biāo)液。使用芬蘭QuikRead產(chǎn)品測試定標(biāo)液五次，取平均值5.9 mg/L作為參考值。

（7）取#6號定標(biāo)液100 μL，加入100μL稀釋液稀釋，定義為#7號定標(biāo)液。使用芬蘭QuikRead產(chǎn)品測試定標(biāo)液五次，取平均值2.5 mg/L作為參考值。

（8）取#7號定標(biāo)液100 μL，加入100 μL稀釋液稀釋，定義為#8號定標(biāo)液。使用芬蘭QuikRead產(chǎn)品測試定標(biāo)液五次，取平均值1.1 mg/L作為參考值。

各定標(biāo)品濃度與散射值列表，見表1。通過測試，獲取標(biāo)準(zhǔn)液的測試結(jié)果，并在二維坐標(biāo)上描點(diǎn)（圖4）。

表1 定標(biāo)品濃度與散射值列表

圖4 標(biāo)準(zhǔn)品溶液濃度與散射值關(guān)系

如果試劑測試標(biāo)準(zhǔn)物所得的濃度與散射值之間呈現(xiàn)某種線性關(guān)系，可以使用一元線性回歸模型來估算樣本的定量結(jié)果。對于所測得的原始數(shù)據(jù)，建立一元一次線性回歸模型。

設(shè)在一次試驗中，取得n對數(shù)據(jù)（xi,yi）（i=1,2,…n），這n對數(shù)據(jù)（xi,yi）就是一組樣本值，根據(jù)這一組樣本值可以尋求一對系數(shù)a和b。但由于y是一個隨機(jī)變量，所以如果通過另一組試驗又可得到一對a和b的值[6]，也就是說，可以通過一組數(shù)據(jù)所得到的是系數(shù)a和b的估計值，記作通過一組試驗數(shù)據(jù)所求出的回歸方程如式 (2)。

對于每次試驗取得n對數(shù)據(jù)（xi,yi），記yi是隨機(jī)變量y對應(yīng)于xi的試驗值，記是試驗值yi的回歸值。每一個試驗值yi與回歸值之間的差，可表示為兩個縱坐標(biāo)之差，這個差有正有負(fù)，其絕對值為我們目的是找到一條使所有這些距離之和為最小的一條直線，即最小。但由于絕對值在處理上比較麻煩，所以代之以平方和。

上式或?qū)懗?/p>

如果散點(diǎn)圖上看，接近是二次曲線，則使用一元二次回歸，具體算法是將一元二次回歸轉(zhuǎn)化為二元一次回歸。

設(shè)一元二次多項式回歸方程為

然后進(jìn)行二元線性函數(shù)的回歸分析，得到最后結(jié)果。

計算獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線后，存入到IC卡中，隨試劑發(fā)送到用戶。用戶在使用前，先刷IC卡，儀器獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后將待測樣本的測試值，代入標(biāo)準(zhǔn)曲線計算，得到濃度值。

4 性能測試

使用精密度、準(zhǔn)確性、線性相關(guān)性來對儀器的性能進(jìn)行評估[17]。

4.1 精密度

精密度以變異系數(shù)CV表示。選取C反應(yīng)蛋白項目作為測試項目，隨機(jī)抽取免疫熒光分析儀一臺，使用濃度為10 mg/L的可溯源質(zhì)控品按正常測試條件共測試10次[18]。按式(10)計算10次結(jié)果的變異系數(shù)CV。

精密度測試結(jié)果，見表2。計算得到儀器精密度為CV=3.9837%，滿足CV不大于5%的要求。

表2 精密度測試結(jié)果

4.2 準(zhǔn)確性

選取C反應(yīng)蛋白項目作為測試項目，隨機(jī)抽取免疫熒光分析儀一臺，分別使用濃度為20、70 mg/L的可溯源質(zhì)控品按正常測試條件共測試5次。按式(12)計算低值樣本、中值樣本的準(zhǔn)確性。

準(zhǔn)確性測試結(jié)果數(shù)據(jù)，見表3。

表3 準(zhǔn)確性測試結(jié)果

4.3 線性相關(guān)性測試

選取C反應(yīng)蛋白項目作為測試項目，隨機(jī)抽取免疫熒光分析儀一臺，分別使用濃度為200、103、49.6、25.6、14.4、6.7、3.1 mg/L幾種濃度梯度血清樣本檢測，其中樣本濃度經(jīng)過邁瑞B(yǎng)S-380測試確認(rèn)靶值。按照式(13)計算各梯度濃度值與標(biāo)稱濃度值的線性系數(shù)。

線性相關(guān)性測試數(shù)據(jù)，見表4。標(biāo)稱值與實測值在測試范圍內(nèi)兩者的相關(guān)系數(shù)大于0.99（圖5）。

表4 線性系數(shù)測試結(jié)果

圖5 線性相關(guān)性結(jié)果

5 總結(jié)

一臺專業(yè)的免疫熒光分析儀具有檢測線性范圍寬、重復(fù)性好、靈敏度高、檢測速度快的優(yōu)點(diǎn)，本文所描述的一種低成本免疫熒光分析儀的設(shè)計方案，具有良好的抗震性能，成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡單。經(jīng)過測試，儀器的精密度、準(zhǔn)確性、線性范圍等主要指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)平均水平。隨著免疫熒光技術(shù)的不斷成熟，除了在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用外，還在動植物檢疫、食品安全、農(nóng)藥殘留檢測方面得到了擴(kuò)展，市場也越來越大，其前景越來越好。