何文兵，劉先成，周明，楊力

1.重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶400044；2.深圳普門科技有限公司，廣東 深圳 518055

一種小型集成化的熒光免疫分析儀的研究和開發(fā)

何文兵1，劉先成2，周明2，楊力1

1.重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶400044；2.深圳普門科技有限公司，廣東 深圳 518055

為滿足便攜式移動(dòng)即時(shí)檢測和快速診斷，本文設(shè)計(jì)了集孵育、打印、人機(jī)交互操作等功能于一體的小型便攜式熒光免疫分析儀，分別對孵育和檢測模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)，并對整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測試和驗(yàn)證分析，結(jié)果證明本文研制的熒光免疫分析儀具備較高的靈敏度、重復(fù)性和準(zhǔn)確性，既可應(yīng)用于醫(yī)院臨床檢測，也適用于院外其他場合（如家庭醫(yī)療、野外營救等）。

熒光免疫分析儀；集成化；臨床檢測

熒光免疫分析技術(shù)是一種新型的超微量免疫標(biāo)記分析方法[1]，它繼承并結(jié)合了熒光免疫分析技術(shù)和免疫層析技術(shù)的檢測方法。熒光免疫分析技術(shù)具備檢測靈敏度高、對環(huán)境無污染、無放射性、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[2]，已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，其中較為突出的在醫(yī)學(xué)檢測方面，且已成功研制出多種臨床檢測試劑。為滿足市場需求和應(yīng)用要求，本文研究并開發(fā)出一款適用于臨床快速即時(shí)檢測，同時(shí)操作方便的醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)儀，以減少患者的等待時(shí)間，提高檢驗(yàn)人員的工作效率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)熒光免疫分析儀的小型化和集成化，整機(jī)的設(shè)計(jì)思維采用多功能模塊化設(shè)計(jì)，模塊化的開發(fā)方式符合高效快速發(fā)展的需求，可滿足產(chǎn)品多功能靈活多變。根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)出整機(jī)方案框圖，見圖1。

圖1 熒光免疫分析儀方案設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，在小型化的熒光免疫分析儀中實(shí)現(xiàn)了高度集成化：人機(jī)交互操作—抗原抗體的免疫反應(yīng)—分析檢測—打印檢測報(bào)告，簡化了檢驗(yàn)人員的操作步驟，且其內(nèi)部配置了可充電式電池，提高了分析儀的適用范圍。

2 孵育模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 孵育模塊設(shè)計(jì)

大型全自動(dòng)的醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)儀器中，抗原抗體的免疫反應(yīng)均設(shè)置于機(jī)內(nèi)。然而，為實(shí)現(xiàn)儀器的集成化、便攜式和操作方便，本研究將抗原抗體的免疫復(fù)合反應(yīng)集成于機(jī)內(nèi)。

孵育模塊模型示意圖，見圖2。

為保證免疫反應(yīng)的恒溫反應(yīng)環(huán)境，在孵育模塊中設(shè)計(jì)了一個(gè)特定功率的加熱膜，并通過特殊的保溫材料將孵育存儲器密封，有效地維持了孵育環(huán)境的溫度。孵育存儲器中分別設(shè)置了溫度傳感器、保護(hù)開關(guān)和樣本檢測光耦。

2.2 孵育模塊實(shí)現(xiàn)

為保證抗原抗體免疫復(fù)合反應(yīng)的一致性，需要將孵育模塊維持在某一恒溫環(huán)境。研究表明，孵育恒溫模式的設(shè)定值一般為37 ℃[3]。然而，孵育溫度變化是一個(gè)非線性、復(fù)雜的過程，并且采用傳統(tǒng)的模擬電路控制很難實(shí)現(xiàn)較理想的孵育溫控效果。為保證孵育模塊溫度基本維持恒定不變，本文采用了模糊自適應(yīng)PID控制算法[4]進(jìn)行溫度控制，

其算法控制框圖，見圖3。

根據(jù)控制算法，對孵育模塊進(jìn)行溫度監(jiān)測，得出孵育模塊溫度曲線，見圖4。

圖2 孵育模塊模型示意圖

圖3 模糊自適應(yīng)PID控制圖

圖4 孵育模塊溫度曲線

從監(jiān)測得到的溫度變化曲線可知，當(dāng)孵育模塊達(dá)到恒溫模式后，孵育存儲器的溫度基本恒定不變，波動(dòng)非常微小，即該溫度控制算法對孵育儲存器進(jìn)行恒溫模式控制，取得了較好的控制效果。

3 檢測模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

熒光信號的檢測是熒光免疫分析儀的核心，檢測模塊的設(shè)計(jì)是儀器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本研究的檢測模塊采用了非共聚焦型的動(dòng)與靜相結(jié)合的雙光源熒光信號檢測模塊，即自由機(jī)械運(yùn)動(dòng)，固定掃描光路。其機(jī)械傳動(dòng)部分采用直線電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，即電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過絲桿和螺母的配合轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)試劑卡在水平方向上的運(yùn)動(dòng)。其雙光源光學(xué)光路的設(shè)計(jì)，見圖5。

圖5 雙光源光學(xué)光路示意圖

根據(jù)共聚焦型的檢測原理可知，本文設(shè)計(jì)的雙光源模型，其光源位置應(yīng)布置于與試劑卡水平面45°夾角處[1]。同時(shí)，為提高熒光信號檢測的準(zhǔn)確性和靈敏度[5-8]，進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

（1）為實(shí)現(xiàn)小型化，選用了發(fā)光效率高、波長和功率穩(wěn)定的紫外LED作為激發(fā)光光源，相比于傳統(tǒng)的光源（如氙燈）有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

（2）小孔光柵，在接收光路中將熒光匯聚到光電檢測器的敏感區(qū)，提高了光電檢測器檢測的靈敏度。

（3）為避免其他背景光和雜散光的干擾，根據(jù)熒光標(biāo)記物所發(fā)射的熒光特性，選擇了613 nm波長的濾光片，有效地提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 儀器測試驗(yàn)證

4.1 最低檢測限度

本文將10 mg/mL的熒光微球標(biāo)準(zhǔn)品按照100倍比例進(jìn)行多次稀釋，分別得到100 μg/mL、1 μg/mL、10 ng/mL、1 ng/mL四種不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)品溶液，將四種不同濃度的溶液分別用全自動(dòng)Bio-dot噴樣在試紙條上，并做出不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)試劑卡，采用本文設(shè)計(jì)的儀器進(jìn)行檢測，得到熒光信號強(qiáng)度值，見表1。

表1 不同濃度熒光微球標(biāo)準(zhǔn)品測得的信號值

由此說明，本文研制的熒光免疫分析儀的檢測濃度可達(dá)到pg/mL級。儀器檢測系統(tǒng)的檢測靈敏度較高，可適合不同檢驗(yàn)項(xiàng)目的不同檢驗(yàn)范圍要求。

4.2 重復(fù)性檢測

4.2.1 單機(jī)重復(fù)性

眾所周知，只要儀器對相對較低濃度的樣品具有較好的重復(fù)性，對相對較高濃度的樣品必然具有較好的重復(fù)性。本文選取10 ng/mL和100 μg/mL的試劑卡進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證，將兩種不同濃度的試劑卡在相同條件下進(jìn)行多次重復(fù)測試，得到的熒光信號強(qiáng)度值，見表2。

表2 儀器重復(fù)性測試驗(yàn)證

由此說明，本文設(shè)計(jì)的儀器在高濃度樣品檢測方面具有較好的重復(fù)性，而在較低濃度檢測方面重復(fù)性相對偏差。

4.2.2 儀器間重復(fù)性

為驗(yàn)證儀器與儀器之間的一致性，本研究選用8臺儀器，對濃度為10 ng/mL的標(biāo)準(zhǔn)品溶液在相同條件下進(jìn)行多次重復(fù)測試，得到的熒光信號強(qiáng)度值，見表3。

表3 儀器與儀器間重復(fù)性測試驗(yàn)證

根據(jù)儀器與儀器間的測試數(shù)據(jù)得出，儀器之間具有較好的一致性。

4.3 臨床樣本

驗(yàn)證完儀器性能后，為測試熒光免疫分析儀是否能滿足臨床檢測，與具有代表性的Roche電化學(xué)發(fā)光作比對測試，測試數(shù)據(jù)，見表4。

表4 臨床測試對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，此熒光免疫分析檢測結(jié)果與Roche檢測結(jié)果間的誤差＜10%，即符合臨床檢測。

5 結(jié)論

本文研究并開發(fā)了一款小型的集成化熒光免疫分析儀。該熒光免疫分析儀具備以下特點(diǎn)：① 儀器內(nèi)部集成了微型打印機(jī)、人機(jī)交互、檢測模塊以及抗原抗體復(fù)合免疫反應(yīng)的孵育模塊，并配置了可充電的鋰電池；② 采用了模糊自適應(yīng)PID恒溫模式控制，有效控制了孵育存儲器的溫度波動(dòng)，為待測樣本的熒光檢測提供了保障；③ 采用了非共聚焦型的動(dòng)與靜相結(jié)合的雙光源檢測模塊，且選用紫外LED作為激發(fā)光光源；④ 在實(shí)現(xiàn)激發(fā)和熒光檢測的同時(shí)，檢測模塊結(jié)構(gòu)緊湊、光學(xué)光路結(jié)構(gòu)簡單化，降低了生產(chǎn)制造成本，更具有產(chǎn)業(yè)化的可行性。

通過測試和驗(yàn)證得出，本文研制的熒光免疫分析儀具有較高的檢測靈敏度和較好的重復(fù)性，且可滿足臨床檢測?；诒疚牡难芯砍晒裳芯坎㈤_發(fā)出更具自動(dòng)化、更多孵育通道和多檢測通道同時(shí)檢測的免疫產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)快速檢測。

[1] 謝夢圓,張軍,谷穩(wěn),等.便攜式定量熒光免疫分析儀[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014,(12):25-28.

[2] 王澤洲,吳俊清,張永寧,等.時(shí)間分辨熒光免疫分析技術(shù)的研究進(jìn)展[J].四川獸牧獸醫(yī),2015,(7):34-37.

[3] 熊玉林,李妙君,陳贊烽,等.一抗孵育溫度對Pgq、MRP1免疫組化染色的影響[J].診斷病理學(xué)雜志,2015,22(2):128.

[4] 李瑞霞.模糊自適應(yīng)整定PID控制設(shè)計(jì)及其仿真研究[J].機(jī)械管理開發(fā),2009,24(2):192-193.

[5] 任冰強(qiáng),黃立華,黃惠杰.基于免疫層析技術(shù)的時(shí)間分辨熒光免疫分析儀研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2009,30(6):1331-1335.

[6] 歐輝彬,傅昇.基于自體熒光診斷技術(shù)的早期腫瘤檢測系統(tǒng)的研究[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2015,30(4):28-31.

[7] 周曉聰,王少毅,劉向,等.免疫標(biāo)記技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)信息,2015,(17):208.

[8] 張懷雯.便攜式免疫層析試紙檢測儀的研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2014.

Research and Development of a Compact and Integrated Fluorescence Immunoassay Analyzer

HE Wen-bing1, LIU Xian-cheng2, ZHOU Ming2, YANG Li1
1. Department of Biological Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. Shenzhen Lifotronic Technology Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518055, China

To meet the requirements of portable and instant detection of diseases and rapid diagnosis, this paper designed a compact portable fuorescence immunoassay analyzer that could be used for incubation, print, human interaction, andetc. The paper analyzed the incubation and detection module respectively and examined the process of function realization. Then testing and validating analysis were conducted on the whole system. The immunoassay analyzer developed by this research was characterized by high sensitivity, reproducibility, and accuracy. The fuorescence immunoassay analyzer can not only be applied to clinical testing, but also be used for the other occasions outside the hospital, such as home health care and rescueetc.

fuorescence immunoassay analyzers; integration; clinical testing

R446.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.07.009

1674-1633(2016)07-0030-03

2016-01-19

深圳市海外高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金（KQTD20140630 10175739）；國家“111”計(jì)劃項(xiàng)目（B06023）；國家自然科學(xué)基金（30870608，11532004）。

楊力，教授，重慶大學(xué)生物工程學(xué)院院長，主要從事醫(yī)學(xué)工程與醫(yī)療器械方面的研究。

通訊作者郵箱：yanglibme@cqu.edu.cn