胶体金免疫层析定量检测仪的研究

张小平，刘彤军

(黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨 150090)



胶体金免疫层析定量检测仪的研究

张小平，刘彤军

(黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨 150090)

目前，胶体金免疫层析试纸检测在生物医学、农牧业、食品安全等方面已成为一种常规的检测方法，并得到广泛应用，但多数试纸检测结果的读取还处于依赖人眼目测的定性水平，较难实现准确的定量测量。通过介绍一种基于光学比色原理对胶体免疫层析金试纸条进行快速、准确的定量检测分析方法的检测分析仪，结合“互联网+医疗”概念，深度融合自动化技术、互联网通信技术，从而实现高效、准确、便捷的胶体金免疫层析试纸检测，同时增强了对检测数据的管理、统计、分析功能。

胶体金免疫层析试纸；光学比色；自动测量

胶体金免疫层析检测最早由英国著名物理学家、化学家迈克尔·法拉第发现，从此奠定了胶体金制备和应用的科学基础。通过多年的发展，胶体金免疫层析检测已成为在生物医学、农牧业、食品安全等方面的一种常规的检测方法。

现代医学临床应用的胶体金试纸条以硝酸纤维素膜为载体，利用了微孔膜的毛细血管作用，滴加在膜条一端的液体慢慢向另一端渗移，通过抗原抗体结合，并利用胶体金呈现颜色反应，检测抗原/抗体。如图1所示。

图1 胶体金免疫层析试纸检测Fig.1 Colloidal gold immune chromatography test paper detection

虽然胶体金试纸检测具有快速、方便的优点，但传统人眼目测判断结果存在一些缺点，如个体色觉差异、人为判断误差、环境光线影响判断结果等，而市面上的检测仪普遍存在检测灵敏度不高、重复精度差等缺点，极大地限制了该技术在检验检疫工作中的进一步应用。

本文所设计的基于光学比色原理对胶体金试纸进行检测的检测仪在提高检测准确度、检测效率基础上又丰富了多种应用功能，提高了实用价值。

1 胶体金检测仪结构设计

胶体金检测仪由主控处理器、光学检测系统、信号处理单元、电容触摸屏、网络模块、微型打印机、存储器、其他通信接口组成及壳体，如图2所示。

图2 系统框图Fig.2 System diagram

光学检测系统原理如图3所示。

图3 45-0°光学检测Fig.3 45-0° optical detection

采用45-0°的光反射原理，由于胶体金显色为棕红色，所以采用发光波长为520～550nm的绿色发光二极管作为光源照射到试纸表面上，分布在试纸表面检测目标的垂直法线的两侧，与法线成45°夹角产生均匀的发光照射在检测目标上，在垂直方向通过导光柱将部分漫反射光线传送至光电二极管，根据胶体金反应程度不同试纸检测带所呈现的棕红色的颜色会有深浅变化，即反射到光电二极管的光强随检测带颜色深浅也产生强弱变化，通过后级的信号处理量化为AD值，将此数字量传送至主控处理器，进而可以对检测结果进行显示、打印、存储、传输、统计、分析等进一步处理。

为保证测量的准确度，光学装置采用步进电机作为动力源，通过齿轮齿条将电机的旋转运动转换为直线运动，带动胶体金试纸前后运动，对于检测窗口进行全范围扫描，由于采用的是步进电机，所以可以进行等间距的均匀扫描，避免信号突变，提高了稳定性。

2 信号处理

信号处理单元为整个检测仪的关键组成部分，它的性能直接影响检测仪的最终性能，其电路原理如图4所示。

图4 信号处理电路Fig.4 Signal processing circuit

图中光电二极管D1串联2个阻值相同的电阻以取得差分信号，此毫伏级电压信号经过仪表放大器U18初步放大输出为原始信号SIG_ORI，该信号经过低失调电压低温度漂移的运算放大器U9A与R10～R13组成的减法电路，将信号的基准值降低，以便使整个电压信号的变化范围合理地处于模数转换器(Analog-Digital Converter)的参考电压的量程内，然后经过高精度的运算放大器U7A进行信号放大，最后经过由U7B与R15、R16、C61、C62组成的二阶低通有源滤波器输出给模数转换器ADC，该低通滤波器可有效滤除高频噪声达到抗干扰及提高精度的目的。ADC采用AD7706，该芯片用于低频测量前端，利用Σ-Δ转换技术实现了16位无丢失代码性能，可自行进行校准，可满足使用要求。

3 数据处理

如图5所示，为胶体金试纸检测扫描的数据曲线，由于质控线的颜色较深，故而其AD值相对较大，检测线的颜色一般较浅，AD值相对较小。

图5 信号采集与试纸条对应图Fig.5 Signal acquisition and test strip

由于制作工艺及成本的限制，胶体金试纸之间存在着一定量的批间差异与批内差异，同一试纸每次检测时的固定位置存在变化(即使很微小)，光学机构每次检测运行产生的微小变化(距离变化、左右晃动等)，所以任意不同的试纸之间及同一试纸多次检测的情况下背景与信号峰值都是不同的，为了尽量消除这些差异以提高检测准确度及重复精度，减小检测结果的变异系数，本检测仪采用背景区与信号峰值比对的自适应算法，取得背景区与信号峰值的相对量进行处理，有效避免批次差异带来的误差，经过实验，重复测量的变异系数CV可控制在1%以内，批间差异可控制在2%以内。

4 多种附加功能

本检测仪在保证检测效率、精度的前提下，增加了多种实用功能：

第一，多样化检测模式。可实现自动连续检测，操作时可像流水生产线式进行试纸加样，即在已经加样的试纸进行反应的时间段内继续给新的试纸进行加样操作而不必等其反应完毕，这样可大大缩短批量检测的用时，且在检测前会发音提示，此时可将待检试纸放入光学检测机构准备，避免了市面上较普遍的额外采用计时器闹钟方式带来的使用不便。

第二，本地存储。检测仪的存储单元可实时保存每次检测的数据，并可提供历史记录查询功能，可通过7寸的电容触摸屏方便地进行人机交互，每条数据都记录下检测序号、检测类别、检测结果、日历时间、操作员等有效信息，操作简洁、方便、一目了然。

第三，现场打印。检测仪内置微型打印机，可自动打印检测结果，包括所有检测信息，方便纸质存档或票据留底等。

第四，数据共享。可通过串口、网口或GPRS模块与上位机进行数据传输，利用互联网传输技术、大数据分析技术、云技术达到数据共享的目的，可方便数据备份、存储、统计、分析等功能。

第五，权限管理。检测仪设有登录权限，设置密码保护，非授权人无法随意使用或更改检测仪设置选项等，提高了应用的安全性。

第六，加密保护。检测仪设置有加密锁插口，必须在有加密锁的情况下才可有效使用，而且在加密锁丢失时，可通过GPRS模块与厂商授权中心进行通信解锁再使用，防止不同厂商利用检测仪恶意竞争的同时方便了使用。

5 结语

通过该方法可对胶体金检测结果进行定量，量化各项检测指标，有助于医生对病人进行精确诊断，同时该设备具有网络功能，通过结构协议可连接HIS系统，实现检测结果快速共享。

Study on colloidal gold immune chromatographic quantitative detector

ZHANG Xiao-ping, LIU Tong-jun

(Institute of Automation, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China)

The colloidal gold immune chromatography test paper detection in biomedicine, agriculture, animal husbandry and other aspects of food safety has become a routine detection method and has been widely used. However, most test paper results depends on the qualitative level of visual inspection, and it is difficult to make accurate quantitative measurement. This paper introduces an analysis meter based on optical colorimetric principle, which makes rapid and accurate quantitative detection on colloidal gold immune chromatography test paper, the integration of automation technology and Internet communication technology combined with the concept of “Internet+health”, so as to achieve efficient, accurate and convenient immune colloidal gold test paper, at the same time enhance the function on management, statistics and analysis of the data.

Colloidal gold immune chromatography test paper; Optical colorimetric; Automatic measurement

2016-09-20

张小平(1981-)，男，助理研究员，学士。

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