0 引言

    免疫層析檢測(cè)技術(shù)綜合了特異性免疫結(jié)合、親和性層析反應(yīng)等檢測(cè)方法^[1],，具有靈敏度高,、特異性強(qiáng)、測(cè)量快速,、操作簡(jiǎn)單和可現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等特點(diǎn)^[2-4],，因此被廣泛運(yùn)用在食品安全檢測(cè)、臨床檢驗(yàn)等領(lǐng)域^[5],。    

    目前國(guó)內(nèi)外有許多基于光電式的免疫層析檢測(cè)系統(tǒng)的研究^[6-7],，在檢測(cè)靈敏度,、檢測(cè)范圍等方面具有很大優(yōu)勢(shì)和靈活性。例如,，文獻(xiàn)[8]的熒光免疫層析定量檢測(cè)系統(tǒng),，采集電路采用12位A/D的PIC單片機(jī)，主控電路以8051F020單片機(jī)為核心,，控制步進(jìn)電機(jī),、A/D和顯示等功能。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種便攜式熒光免疫定量分析儀,，以MSP430F1611微處理器為核心,，搭配內(nèi)部12位A/D，主要控制步進(jìn)電機(jī),、RS232串口傳輸?shù)闰?qū)動(dòng),。但存在以下問(wèn)題：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多種處理器合作,，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì),、測(cè)試的難度；目前免疫層析檢測(cè)系統(tǒng)利用現(xiàn)有處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制,，不能根據(jù)用戶需求定制功能和升級(jí)硬件模塊,。隨著儀器功能不斷提高，當(dāng)系統(tǒng)需要增加無(wú)線傳輸,、二維碼掃描槍,、加樣控制槍等功能時(shí)，需要重新配置引腳功能,、設(shè)計(jì)外圍電路,，甚至更換芯片，系統(tǒng)升級(jí)的靈活度受限,，且延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期,，增加研發(fā)成本。本系統(tǒng)是一種全新的免疫層析信號(hào)采集方案,，可降低免疫層析檢測(cè)儀的復(fù)雜度,，增加儀器的可擴(kuò)展性。

    本文設(shè)計(jì)的光電式免疫層析定量檢測(cè)系統(tǒng)主要由4個(gè)模塊構(gòu)成,，包括機(jī)械傳動(dòng),、光學(xué)、數(shù)據(jù)處理和控制單元,，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和邏輯全部集成在一塊FPGA芯片中,，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。其中,，機(jī)械傳動(dòng)模塊利用步進(jìn)電機(jī)對(duì)試條進(jìn)行精確定位,，實(shí)現(xiàn)光學(xué)模塊對(duì)試條的完整掃描,。同時(shí)，光學(xué)模塊將試條上分布的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，從而得到檢測(cè)結(jié)果,。控制模塊主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng),、A/D采樣和數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)任務(wù)之間的協(xié)同工作,。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

    本研究設(shè)計(jì)的熒光免疫層析定量檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。系統(tǒng)可分為三大功能模塊：免疫層析信號(hào)采集模塊,、FPGA數(shù)字控制模塊和上位機(jī)處理模塊。

    （1）免疫層析信號(hào)采集模塊：采用TM7705為核心的模擬前端電路和信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)免疫層析信號(hào)的采集,、放大,、預(yù)處理的操作。

    （2）FPGA數(shù)字控制模塊：利用FPGA的快速和可自定義設(shè)計(jì)的特點(diǎn),，采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方案控制系統(tǒng)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)工作,。只需修改相應(yīng)的設(shè)計(jì)就能快速升級(jí)系統(tǒng)功能，滿足用戶需求,。

    （3）上位機(jī)模塊：免疫層析信號(hào)處理并與下位機(jī)通信機(jī)制,，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和峰值檢測(cè)功能。按鍵控制系統(tǒng)復(fù)位和啟動(dòng)等操作,。

2 信號(hào)采集模塊

2.1 光電檢測(cè)模塊

    熒光免疫層析檢測(cè)系統(tǒng)光路如圖2所示,，365 nm的激發(fā)光通過(guò)透鏡聚焦后被二向色鏡全反射，再經(jīng)柱面鏡整形為矩形光斑,，隨后電機(jī)線性掃描檢測(cè)窗口,，使試條激發(fā)的熒光信號(hào)通過(guò)二向色鏡和濾光片聚焦到光電傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)^[10]。

2.2 模擬信號(hào)處理模塊

    模擬信號(hào)處理模塊主要由模擬放大電路,、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和減法電路組成,。光信號(hào)經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其幅值約為nA級(jí)電流信號(hào),，因此,，在模擬放大電路中，采用OPA657設(shè)計(jì)的跨阻放大器對(duì)微弱的電流信號(hào)進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換,，再經(jīng)OP07運(yùn)算放大器二級(jí)放大為伏級(jí)電壓,。同時(shí)，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路根據(jù)試條的背景熒光信號(hào)大小產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓,，通過(guò)減法電路將模擬放大的電壓信號(hào)中的背景基值電壓減掉,，最終得到的電壓信號(hào)被送至A/D轉(zhuǎn)換電路。

2.3 ADC采樣電路

    ADC采樣電路由TM7705及其外圍電路構(gòu)成,。TM7705的精度為16 bit,，最高采樣速率達(dá)到500 Hz,。數(shù)字控制模塊通過(guò)SPI總線與AD芯片通信，實(shí)現(xiàn)芯片復(fù)位,、初始化,、寄存器配置和AD數(shù)據(jù)讀取等操作。

2.4 傳動(dòng)掃描平臺(tái)

    傳動(dòng)掃描平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)試條槽線性運(yùn)動(dòng),，主要包括試條槽,、步進(jìn)電機(jī)(28BYJ-48)、驅(qū)動(dòng)電路板及傳動(dòng)平臺(tái)等,。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為5 V,，以四相八拍方式運(yùn)轉(zhuǎn)，并采用ULN2003功率放大器實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),。

3 FPGA數(shù)字控制模塊設(shè)計(jì)

    FPGA數(shù)字控制模塊是定量檢測(cè)系統(tǒng)的核心,，主要由ADC驅(qū)動(dòng)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元,、串口發(fā)送單元和控制單元組成,。數(shù)字控制單元作為系統(tǒng)核心單元，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí),，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)一拍,；ADC驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)SPI總線控制AD芯片對(duì)免疫層析試條采樣，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中,，直至試紙條檢測(cè)窗口全部掃描完,，電機(jī)反轉(zhuǎn)到初始位置，再將RAM中的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī),?？刂茊卧ぷ髁鞒倘鐖D3所示。

3.1 ADC驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

    ADC驅(qū)動(dòng)單元作為主設(shè)備通過(guò)SPI接口data_in,、sclk_in,、Dout與從設(shè)備ADC芯片TM7705通信，sclk_in 為讀寫(xiě)的同步時(shí)鐘信號(hào),，data_in和Dout分別為數(shù)據(jù)輸入和輸出信號(hào),。ADC驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)start控制TM7705的讀與寫(xiě)，當(dāng)start高位為1時(shí),，向TM7705寫(xiě)入配置數(shù)據(jù),，實(shí)現(xiàn)芯片初始化，DRDY為ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位,，DRDY為0表示TM7705采樣完成,，設(shè)計(jì)中將DRDY轉(zhuǎn)換頻率設(shè)置為250 Hz（DRDY每4 ms置為0）。當(dāng)start低位為1、且DRDY為0時(shí),，通過(guò)Dout串行口讀取采樣數(shù)據(jù)輸出至雙口RAM中,。圖4為TM7705驅(qū)動(dòng)示意圖。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

    如圖5所示,，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)direction,、motor_driver信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。direction為正反轉(zhuǎn)控制信號(hào),，高位置1正轉(zhuǎn),，低位置1反轉(zhuǎn)。其中adc_start為TM7705轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào),，addr_num提供雙口RAM的寫(xiě)地址,。步進(jìn)電機(jī)每運(yùn)行一拍啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換并將寫(xiě)地址值addr_num更新。

3.3 控制單元

    控制單元主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作,，圖6為控制單元框圖,。控制單元產(chǎn)生RAM的讀使能信號(hào)和地址值,，將RAM中采集數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送出去。該單元控制系統(tǒng)開(kāi)始與結(jié)束狀態(tài),，保證系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確性,；在采樣時(shí)間內(nèi)，該單元控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一次的同時(shí)完成對(duì)試條的采樣和存儲(chǔ),。其中fid_start是系統(tǒng)工作使能信號(hào),，fid_done表示結(jié)束信號(hào)。

4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果

4.1 系統(tǒng)仿真

    利用Altera-Modelsim軟件進(jìn)行時(shí)序仿真,，為了讓仿真圖直觀可見(jiàn),，系統(tǒng)采樣完成后直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖7為采樣結(jié)束與信號(hào)傳輸開(kāi)始的時(shí)序仿真圖,，并在測(cè)試時(shí)模擬TM7705的Dout采樣值全部為0xAAF0,。該圖體現(xiàn)了系統(tǒng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、A/D采樣和串口傳輸3個(gè)任務(wù)協(xié)調(diào)工作的方式,，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,，當(dāng)光頭走過(guò)檢測(cè)窗口后，將RAM中保存的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī),。其中對(duì)Dout放大可見(jiàn),，Dout在32個(gè)SCLK時(shí)鐘周期內(nèi)的模擬輸入值為0xAAF0，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)在SCLK上升沿,，并延遲了1/4個(gè)時(shí)鐘周期保證數(shù)據(jù)正確讀取,。最后TXD接收的數(shù)據(jù)為0fAAF0,與本文模擬的Dout值相同，證明系統(tǒng)運(yùn)行的正確性和可行性。

4.2 上位機(jī)測(cè)試軟件

    采集系統(tǒng)將檢測(cè)結(jié)果傳送至上位機(jī),，上位機(jī)采用MFC（Microsoft Foundation Classes）設(shè)計(jì),，包括峰值檢測(cè)、中值平滑濾波和Vt/Vc計(jì)算等算法處理,，并顯示相應(yīng)的檢測(cè)波形,。其中中值濾波能有效克服基線漂移，平滑濾波能較好地抑制周期信號(hào)的干擾,，濾除工頻干擾及高頻噪聲,。圖8表示CRP（C-reactionprotein）試條濃度為250 μg/mL的檢測(cè)波形，兩個(gè)波峰分別為測(cè)試線峰值和檢測(cè)線峰值,。

4.3 線性度和靈敏度測(cè)試

    本文選擇CRP試條作為測(cè)試對(duì)象,，配置250 μg/mL、125 μg/mL,、62.5 μg/mL,、31.25 μg/mL、15.6 μg/mL,、7.81 μg/mL,、3.91 μg/mL、1.95 μg/mL的8種不同濃度試條,，采集裝置測(cè)量5次取平均值作為檢測(cè)結(jié)果,，進(jìn)行線性方程擬合，擬合曲線如圖9所示,。

    線性回歸方程為：

其中y為測(cè)試線與質(zhì)控線比值(Vt/Vc),，x為待測(cè)液濃度。線性相關(guān)系數(shù)R²=0.998,，靈敏度為0.027 11 mL/μg,。以上結(jié)果表明在1.95～250 μg/mL濃度范圍內(nèi)，系統(tǒng)具有很好的線性響應(yīng)特性和精確的靈敏度,。

4.4 重復(fù)性和最低檢測(cè)濃度測(cè)試

    系統(tǒng)重復(fù)性測(cè)量是指在所有外部環(huán)境不變的條件下,，短時(shí)間內(nèi)反復(fù)測(cè)量同一根試條10次，求10次檢測(cè)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)CV(Coefficient of Variance)表示檢測(cè)結(jié)果,。選擇250 μg/mL,、31.25 μg/mL、1.95 μg/mL和0.95 μg/mL的4種代表性試紙條作為測(cè)試樣本,，分別測(cè)量10次并計(jì)算CV值,，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

    因?yàn)榈蜐舛葴y(cè)量峰值時(shí),，T線的峰值可能小于噪聲,，濃度為0.95 μg/mL的試條Vt/Vc變異系數(shù)較大,，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)判定為無(wú)效。本文選取CV值<10%測(cè)量值作為檢測(cè)的最低濃度,，可見(jiàn)本系統(tǒng)的最低檢測(cè)濃度1.95 μg/mL,。在1.95～250 μg/mL的線性檢測(cè)范圍時(shí)，該系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的CV值小于5%,，具有較好的重復(fù)性,。

5 結(jié)論

    本研究中采用FPGA作為主控單元，利用 FPGA可配置和現(xiàn)場(chǎng)可編程的優(yōu)點(diǎn),，使電機(jī)定位精準(zhǔn),，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)可以改進(jìn)現(xiàn)有處理器引腳固定的缺點(diǎn),，使增加功能更加方便,。本設(shè)計(jì)的FPGA控制單元部分采用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，為研發(fā)免疫層析檢測(cè)定制芯片提供設(shè)計(jì)思想,。本系統(tǒng)控制單元全部采用Verilog HDL硬件語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),，可以靈活設(shè)計(jì)I/O接口和系統(tǒng)功能模塊，只需通過(guò)修改FPGA代碼便可實(shí)現(xiàn)所需功能,，滿足特殊化定制需求,；系統(tǒng)所有邏輯由一塊FPGA實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量可知,，在1.95～250 μg/mL的檢測(cè)范圍內(nèi)線性度R²=0.998，CV值小于5%,，符合儀器設(shè)計(jì)要求。

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作者信息：

李國(guó)慶1，2,，魏建崇1,，2，王志炯3,，高躍明1,，2，韋孟宇2,，3,，杜  民1，2,，潘少恒3

（1．福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院,，福建 福州350116,；2．福建省醫(yī)療器械與醫(yī)藥技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州350116,；

3．澳門大學(xué) 模擬與混合信號(hào)超大規(guī)模集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，澳門999078）