荧光偏振检测系统上位机软件设计

倪原，赵阳，赵晨，田华，刘凯涛

（1.西安工业大学 电子信息工程学院，西安 710021；2.西安外事学院，医学院，西安 710077）

引言

荧光偏振检测技术应用了荧光标记技术，即把荧光素标记在特定的识别物质分子上，形成荧光探针[1]，当其与被测物质发生结合，同时受到平面偏振光的激发时，可以检测到发射光的偏振程增强，该方法大大提高了检测的灵敏度和特异性[2]。其原理是荧光标记的小分子探针在溶液中旋转速度快，当受到平面偏振光激发时，发射光的偏振度较低，呈现去偏振化，检测到的荧光信号偏振度弱；当荧光标记的小分子探针与溶液中其他大分子物质产生特异性结合后所形成的大分子在溶液中旋转速度变慢，当受到平面偏振光激发时其发射光的去偏振化减弱，检测到的荧光偏振度变强[3]。发射光的偏振度与荧光探针的分子迁移率有关，用光电倍增管检测平行方向和垂直方向的偏振光强，可以计算出荧光的偏振值[4]。

基于这项技术本文设计了荧光偏振检测仪，分为上位机和下位机两部分，其中上位机为主机，下位机为从机。下位机的处理器选择基于Cortex-M3内核的LPC1768，主要负责完成样品盘的定向移动、偏振片的方向改变和偏振光的采集等；上位机负责对荧光偏振检测系统进行通信、管理、控制、计算和打印结果等功能[5]。由于Visual Basic 6.0引入了面向对象的编程机制,巧妙地将Windows编程的复杂性封装起来[6]，只需使用窗体和控件等可视化界面设计程序,从而降低了程序设计的难度[7]。本文就采用了VB来设计上位机软件,以实现荧光偏振检测仪的设计功能。

1 荧光偏振检测系统总体介绍

荧光偏振检测系统主要由上位微型计算机和单片机控制的光学测量系统组成。光学测量系统包括运动控制模块、光学检测模块、信号采集与处理模块。如图1所示，在平面偏振光的激发下，样品中的荧光物质受到激发，发出荧光信号，由光电倍增管将微弱的荧光信号转换成电信号，对此电信号进行放大滤波处理，再经过模数转换进入单片机，单片机对数据进行预处理后，将数据通过串口通信传给上位机管理系统，上位机要能够对接收到的数字信号进行分析与评估，对评估结果进行存储或打印，同时要通过一定指令对下位单片机系统进行控制和管理。

图1检测系统总体框图Fig.1Overall block diagram of a detection system

2 荧光偏振检测系统上位机软件设计

本系统采用Visual Basic 6.0来设计上位机界面，VB是一种面向对象的可视化编程工具，编程直观方便[8]，它提供了MSComm控件进行串口通信，能够支持Access、SQL Server、FoxPro和dBase等数据库[9]，这些特征使得荧光偏振检测系统的上位机软件编程更加容易。

对荧光偏振检测系统上位机管理软件设计要求界面友好、美观，功能全面，操作简单，使用方便。当操作者完成检测方法和检测孔位设定，并对滤光片和样品盘进行选择后，要求系统能够自动进行检测。这就要求上位机能够随时对用户的设置生成相应的指令集，并及时发送给下位机进行检测过程的自动控制。

上位机软件主要包括四个模块，分别是串口通信模块、检测操作模块、仪器参数设置模块和系统测试模块。如图2所示。

2.1 登录门限与上位机主界面设计

登录门限的设置是为了保障整个荧光偏振检测系统的安全性，只有当输入的用户名和密码与数据库中存储的信息数据一致时，才能进入系统上位机软件主界面进行系统操作和管理。用户登录系统流程图如图6所示。

上位机主界面的设计要能够给出项目和仪器两种菜单，在串行端口选择方面，当系统启动成功后不允许修改端口号，只有当系统停止工作时才允许修改端口号。同时主界面还要求能够根据执行结果更新数据库，并设置关灯复位功能，以便在运行出错时可以进行手动停止。根据设计要求设计的上位机主界面如图4所示。

图2上位机软件总体设计框图Fig 2The overall design diagram of the PC software

图3用户登录系统流程图Fig.3The chart of login the system fl ow and modify the password

2.2 串口通信模块设计

串口通信模块的设计，实现了上位机与下位机之间的数据通信。VB中的串行通信组件并不会主动出现在工具箱中，所以在VB6.0安装后，需将MSComm控件添加到窗体中，就可以利用事件驱动或轮回查询方式来实现硬件系统和串行端口的通信[10]。由于每个使用的MSComm控件对应着一个串行端口，如果应用程序需要访问多个串行端口，就必须添加多个MSComm控件。在使用MSComm时，首先要在程序中打开相应的串口，然后对相应的串口通信参数进行设置，通信参数包括串口端口号、每秒位数、数据位、奇偶校验位、停止位和流控制，若设置成功则存入数据库，如果仪器正在使用中，则不允许修改串口设置。串口通信时,无论发送还是接收,都要在通信程序中设置一个Variant类型变量做“中介”。发送时，先将要发送的字符串（传送文本格式时）或单字节数组（传送二进制格式时）赋给一个Variant类型变量，再把该Variant变量赋值给MSComm的Output属性；接收时，先将MSComm的Input属性赋值给Variant变量，再根据不同情况赋值给字符串或单字节数组如图5所示。

图4荧光偏振检测系统上位机主界面Fig.4The main PC interface of fl uorescence polarization detection system

图5串口通信流程图Fig.5Serial Communication Flowchart

2.3 检测操作模块设计

检测操作模块包括检测运行和检测方法设置，主要完成检测过程中荧光素的选取，以及其对应的激发滤光片和发射滤光片的设置。本文选用了两种荧光素R110和TAMRA作为系统默认荧光素，其对应的激发光和发射光的波长如表1所示。

表1检测项目所用荧光素及相对应的滤光片波长Tab.1The fl uorescein and its fi lter wavelength

在检测操作模块设计中，首先应对系统默认荧光素进行参数初始化，将初始数据保存至数据库。在检测方法设置中可选择单荧光素检测或者多荧光素检测，即在同一个检测孔位中可以加入两种荧光素进行同时检测，此时要求对荧光素的检测顺序进行调整编辑。当检测中需用到其他种类荧光素时，就需要进行数据维护，即添加新的荧光素和删除多余的荧光素。在添加过程中要注意添加的荧光素名称不能与系统默认荧光素名称重复，在删除过程中规定系统默认荧光素不能被删除，添加删除完成后需更新数据库。具体设计流程如图6所示。

图6检测操作模块设计流程Fig.6Detection operation module design process

按照图6流程图设计的上位机检测界面如图7所示。

2.4 仪器参数设置模块设计

仪器参数设置模块包括滤光片设置和样品盘设置，主要完成滤光片的位置设置和样品盘的规格设置。滤光片分为发射滤光片和激发滤光片，滤光片滑架有两种类型：长条状滤光片滑条和圆轮状滤光片滑轮。发射滤光片固定在滤光片滑条的孔位中，激发光滤光片固定在滤光片滑轮的孔位中。

滤光片设置包括激发滤光片和发射滤光片的选择以及滤光片位置的设置。在设计中应该将系统默认荧光素对应的滤光片作为初始滤光片，如需选用其他种类的滤光片可以通过数据维护进行添加或删除。更换滤光片时，需要通过MSComm串口通信对下位机实行控制使得滤光片滑架移动到初始位置。在滤光片更换安装完成后，要对上位机软件上偏振片的位置信息进行修改，可以通过拖动或者手动添加来交换位置。滤光片设置部分的设计流程图如图8所示。

图7检测操作上位机界面Fig.7detection operation PC interface

图8滤光片设置流程图Fig.8Filter Setup Flowchart

检测程序中的样品盘是标准化的，因此检测时所用的样品盘的尺寸、类型等相关参数必须和所选择样品盘的设定的参数要一致。样品盘的选取决定了系统一次最多可检测多少样品数，本次设计提供了两种规格的样品盘，16×24的384孔板和8×12的96孔板，根据不同的检测需求可以选用不同的样品盘。在样品盘设计中将384孔板作为系统默认设置，给定参数：每行孔数16，每列孔数24，样品盘厚度14.4mm，第一个孔的坐标为（12,9），每行相邻两孔的距离为4.5mm，每列相邻两孔的距离为4.5mm，将这组参数作为系统初始值存入数据库。同时也可以通过数据维护对样品盘的规格实行添加或删除，添加时不能与系统默认样品盘重名，删除过程中如果全部删除系统会默认设置为初始值，保证检测的顺利进行。

2.5 系统测试模块设计

系统测试模块设计的目的是保证每个模块作为一个单元能够正确运行，并且能够配合下位机完成检测任务。根据荧光素检测中的多荧光素检测方法可以将测试类型分为两种：1、一种荧光素检测完所有孔位换下一种荧光素；2、一个孔位检测完所有荧光素换下一个孔位。本模块设计首先要对主要部件进行位置初始化，主要部件包括滤光镜、偏振片、遮光孔和样品盘。初始化完成后，需要从孔位设置中获得样品盘的点样孔位信息，确定第一个检测孔位的XYZ坐标，从而计算初始位到第一个检测孔位X和Y轴应走的步数。选择合适的测试类型对样品进行检测，对采集到的数据经过分析判断存入数据库，最后能够将数据库中的数据生成Excel文件保存处理。根据要求所设计的测试模块流程图如图9所示。

图9测试模块设计流程图Fig.9Test Module design fl ow

3 软件测试实验

荧光偏振检测系统上位机软件设计完成后，需要和下位机之间联合控制系统进行生物大分子的检测。为了检测本次设计的上位机软件是否能够对整个检测系统进行通信、控制、管理、计算等功能。

表2荧光偏振检测结果Tab.2 fl uorescence polarization test results

本文在384孔板上选择A1～A12孔位实行点样，进行了三组荧光偏振检测实验。并对其检测结果进行均值，标准差和CV值的分析，检测结果如表2所示。

由表2可以看出，荧光偏振检测系统可以对样品进行荧光偏振检测，并测得荧光偏振值，经过三组重复实验的测试结果可以表明：仪器检测精度高，重复性误差（CV）：≤3%，重复性好，满足仪器的设计要求。

4 结论

本文设计的荧光偏振检测系统上位机软件能够通过MSComm串行端口对下位机进行控制和管理。通过检测操作模块和仪器参数设计模块的设计上位机软件能够与下位机协同完成荧光偏振检测任务，并对检测结果进行计算、保存和打印。通过系统对样品的三组荧光偏振检测试验可以看出本系统检测精度高，仪器重复性好，可广泛应用于生物大分子的检测。

[1] 朱广华, 郑洪 ,鞠先. 荧光偏振免疫分析技术的研究进展[J]. 分析化学, 2004, 32(1): 102-106.

[2] 王战辉, 米铁军, 沈建忠. 荧光偏振免疫分析检测粮食及其制品中的真菌毒素研究进展[J]. 中国农业科学, 2012, 45(23): 4862-4872.

[3] Chen X N, Leanna L, Kwork P Y. Fluorescence Polarization in homogeneous Nuleic Acid Analysis. Genome Res, 1999, 9(5): 492-498.

[4] Hong T L, Gang X. Fluorescence polariza as a tool for the detection of a widely usedherbicide,butachlor,in polluted waters[J]. Analytical Methods, 2011, 3: 2334.

[5] 郑阿奇, 丁有和. Visual Basic实用教程（第二版）. 北京: 电子工业出版社, 2003, 241-358.

[6] 林卓然. VB语言程序设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

[7] Jane V K, Collins W L J, Davis D C. High-accuracy analog measurements via interpolated FFT. IEEE Trans. IM, 1979, 28(2):113-122.

[8] Proakis J G, Manolakis D G. Digital Signal Processing-Principles[M]. Algorithms and applications(2ndEdition). N Y:Printice-Hall, 1995.

[9] Tan R K C, Lin A H J. A Time-scale Modi fi cation Algorithm Based on the Subband Time-domain Technique for Broad Band Signal Application. J.Audio ENG. Sco, 2000, 48(5): 436-449.

[10] 范逸之, 陈立元. VisualBasic与Rs-232串行通信控制[M]. 北京: 清华大学出版社, 2001.