一种可调固定式金标卡定量仪的研制

詹铭，庞春颖，郑伯明

（长春理工大学 生命科学技术学院，长春 130022）

胶体金是一种应用于抗原抗体的新型的免疫标记技术，胶体金法研制出的金标检测卡是将胶体金作为示踪标志物标记在抗原或抗体上，通过与被测物的抗体或抗原发生特异性免疫结合形成肉眼可见的金标复合物，进而对待测物做出定性判断［1-3］。随着电子信息技术智能化发展，为满足对检测结果精准需求，国内外研究人员开发多款基于金标卡检测结果的定量分析仪，依据定量检测方法的不同，可分为以下几种［4］，如表 1所示。

表1 检测方法比较

通过比较以上三种方法的优缺点，本研究设计采用光电检测法，完成系统搭建。其检测原理为光源发出的光照射在金标卡上，根据金标卡显色条带颜色差异，导致对光线出现不同程度的反射与吸收，反射光被光电探测器采集，引起荷电量的变化，从而产生感应电流，通过检测电流大小和相应的计算，实现对金标卡定量检测［5］。

1 系统硬件设计

金标卡定量仪的系统设计分为4大功能模块，分别为光电检测模块，信号处理模块，STM32中央控制模块，人机交互部分［6］。光电检测模块实现了对金标卡显色区域信息的提取，信号处理模块负责对采集到的信号进行调理，STM32中央控制模块实现对系统各功能模块的控制以及对待测物定性分析与定量计算。人机交互部分由微型串口打印机、TFTLCD显示屏、功能按键组成，实现了检测结果显示与打印。系统总体方案如图1所示。

图1 系统总体方案结构框图

1.1 光电检测模块

光电检测模块作为系统信号来源，是整个检测系统的重要组成部分，由光源，光电探测器，扫描导轨，通光孔构成。光电探测器位于通光孔正上方，入射光照射在金标卡上发生漫反射，反射光穿过通光孔被正上方的光电探测器采集［7］。金标卡显色线为红棕色，依据光吸收原理，红色物质对于绿色光源具有较强吸收峰值，因此采用四个绿色LED作为光源，置于通光孔的四方位，呈环形分布［8］。相比于两侧放置，一方面此方法照射在检测卡上的光均匀分布，待检测区域覆盖全面，使显色线对光吸收更加完整，另一方面光源光强的提高，反射光强随之增强，更有利于光电探测器采集微弱反射光信号，提高了检测系统精确性，光电检测模块结构如图 2 所示［9］。

图2 光电检测模块结构图

1.2 信号处理电路设计

信号处理电路由I/V转换电路与放大滤波电路组成，由于光电探测器接收到的光信号与输出的电流信号呈非线性关系，与输出的电压信号呈较好的线性关系，因此采用I/V转换电路将电流信号转为电压信号，通过放大电路对电压信号进一步放大，以达到AD检测的阈值范围。为了滤除信号中干扰与噪声，采用2阶有源低通滤波电路对放大后的信号值进行处理，截止频率设为2 Hz，信号处理电路原理图如图3所示。

1.3 步进电机驱动电路设计

由于通光孔的通光口径有限，扫描时需试纸条缓慢通过检测区域，以便获取纸条检测区完整数据。步进电机具有运行平稳、精确定位的优点，采用两相四线式永磁步进电机作为传动源，稳定性强且体积较小，步距角3.6°，步长所对应的线位移量为0.012 7 mm，控制精度高，适用于系统精准定位［10］。

图4 步进电机驱动电路图

步进电机正常工作所需额定功率较大，因此需要驱动电路对输入低功率逻辑电平功率放大，文中选用L298N驱动模块，L298N作为一款双全桥大电流电机驱动芯片，驱动部分峰值电流可达2 A，启动性能好，转换效率高，发热量小，具备更强的带负载能力。以4路不同相位PWM波作为逻辑输入，驱动稳定性好，不占用运行资源，通过定时器溢出中断脉冲计数的方式精确控制位移量，实现对金标卡有效区域精准检测，步进电机驱动电路原理图如图4所示。由于步进电机有着与电感相似的性质，在电源断开时发生自感，产生的自感电压易击穿电路元件，D11-D18为8个续流二极管，作为自感电压的释放路径，对每个输出口起续流保护的作用。

1.4 人机交互部分

（1）微型串口打印机

嵌入式微型热敏打印机串行接口与RS232C标准兼容，识别EIA逻辑电平，而STM32串行接口输出的打印指令与数据为TTL逻辑电平，无法被打印机直接识别，因此需通过电平转化芯片，将TTL电平转化为EIA电平，驱动微型热敏打印机［11］。研究选用SP3232电平转化芯片，传输率120 kps，功耗低，供电电压为3.3 V时，耗电量仅为0.3 mA，使用方便且性价比高，串口打印机驱动电路原理图如图5所示。

图5 串口打印驱动电路图

（2）功能按键

为简化系统操作流程，系统检测、打印、历史查询通过功能按键进行控制，一键完成。系统功能按键与I/O口一对一直接连接，按键对应STM32的I/O口输入端常态为高电位，按键按下输入端转变为低电位，按键间相互独立，通过读取电平的变化检测相应按键操作，电路连接原理图如图6所示。

图6 功能按键电路图

（3）LCD显示屏

TFTLCD显示屏的增设为用户提供良好的人机交互体验，可实时观察采集到的数据，显示检测结果与历史检测数据。为提高显示屏的显示速度，系统采用STM32特有的片上外设FSMC接口模拟8080并口时序，驱动液晶控制器NT35510进而控制TFTLCD显示屏显示。TFTLCD16位的并方式与FSMC连接，其电路原理图如图7所示。

图7 LCD显示屏电路图

1.5 电源模块电路设计

为系统各功能部分正常工作提供稳定可靠输入电压，根据各功能模块所需电压不同，需要提供+12 V、±9 V、+5 V、+3.3 V电压，系统采用12 V锂电池外部供电，电源模块电路由电压极性反转电路与稳压电路组成。电源模块电路示意图如图8所示。

图8 电源模块电路示意图

稳压电路的设计为运算放大器与串口打印机提供所需的+9 V电压，采用GS2678异步直流降压变换器，该变压器可调输出电压范围大，调节方法简单，通过R2与R3比值调节控制输出电压值，为系统所选用。步进电机驱动模块与显示屏所需电压为+5 V，中央控制模块所需电压为+3.3 V，出于低压状态下对系统稳定效果的考虑，选用AMS1117-3.3与AMS1117-5.0正向低压降稳压器固定输出版本，其漏失电压低，稳定精度可达1%，固定输出3.3 V与5 V电压。稳压电路原理图如图9所示。

极性反转电路为双极性放大器工作提供所需负电压。电能转换率是放大器稳定工作的重要保证，所选用的极性反转芯片为ICL7660高效率DC/DC电压变化器，空载的转化率为99.7%，带负载的转化率为95%，正电压输入范围为1.5～10.5 V，输出电流为10～20 mA，满足设计要求。其电路原理图如图10所示，使用C42、C43两个10 μF小体积泵电容可完成电压极性反转效果，C41主要起到滤除杂讯的目的。

图9 稳压电路原理图

图10 极性反转电路原理图

1.6 弹簧卡座设计

根据市面上不同生产厂家生产金标卡无统一标准，尺寸类型多样，为解决定量仪插卡口在检测时受到宽度限制造成的局限性，同时避免检测时金标卡产生晃动，因此在插卡口设计一种弹簧卡座，将金标卡固定在扫描导轨上，提高了系统准确性，实现了对多尺寸金标卡的检测。适用于生物医学、环境、食品安全、农牧业等领域常见2～2.5 cm宽度的金标卡检测。弹簧卡座如图11所示，系统整体结构如图12所示。

图11 弹簧卡座

图12 系统整体结构

2 系统软件设计

2.1 算法选择

使用光电探测器作为传感器，利用金标卡显色深浅的差异所得到的光信号强弱的不同来进行定量分析，目前对于浓度定量分析计算有极值法与面积法两种，极值法的建立是通过寻求T线与C线的波谷值进行计算求解待测物的浓度值。面积法的建立是通过对T线波形与C线波形面积求积分进行计算求解待测物的浓度值，极值法与面积法示意图如图13所示［12］。

图13 极值法与面积法示意图

由于面积法对于有效数据提取完整，经过大量采样数据进行计算而得，引入误差小，算法准确度高，因此本系统选用的面积法进行数据提取计算，系统对金标卡检测信号波形图如图14所示。

图14 金标卡检测信号波形图

2.2 建立曲线模型

本研究所选取的检测物质为三聚氰胺，因此实验中配置不同浓度梯度的三聚氰胺标准溶液，并使用金标卡对其检测，根据不同浓度样品液所产生的T线信号与C线信号比值进行标定，以建立对应的函数浓度曲线［13］。实验配置了10组标准样品液，浓度分别为0.025 μg/mL、0.05 μg/mL、0.1 μg/mL、0.2 μg/mL、0.3 μg/mL、0.4 μg/mL、0.5 μg/mL、0.6 μg/mL、0.7 μg/mL、0.8 μg/mL，准备10个三聚氰胺金标卡，不同浓度三聚氰胺样品液在金标卡的反应结果经过定量系统扫描检测，其检测数据如表2所示。

表2 不同标准溶液浓度下St/Sc检测数据

以3次扫描得到的St/Sc平均值作为横坐标，以三聚氰胺溶液浓度值作为纵坐标，通过样本点采用线性拟合的方法建立浓度定量函数曲线模型，如图15所示，采用多项式拟合的方法建立浓度定量函数曲线模型，如图16所示。

图15 线性拟合图

图16 多项式拟合图

浓度函数模型的建立采用线性拟合与多项式拟合的方法，通过比较对两种方法所建立的函数关系式，可以看出多项式拟合效果优于线性拟合效果，而在多项式拟合中，三次多项式拟合的曲线相比于其他次方多项式拟合曲线较平滑，且与各个样本点之间的偏差最小，为最优的曲线拟合函数模型。

2.3 流程图

为使金标卡定量仪能够高效稳定的运行，不仅需要对底层硬件进行配置调试，还需要给系统提供稳定可靠的程序做中央控制。该检测仪器软件开发平台使用的是Keil5，在搭配好硬件电路基础上，通过该平台对系统进行开发。首先对系统进行初始化设置，将滴入待测液的金标卡置于检测区，由于金标卡的显色会随时间的变化而变化，根据金标卡显色检测最佳时间，设置检测定时，定时结束，系统自动对金标卡进行扫描采集数据，并对采集到的数据自动分析判断，若检测过程中未检测到C线，则直接进入结果显示并存储，本次检测判定为无效，若检测到C线，则对采集到的T线与C线数据进行浓度定量计算，最后将得到的检测结果通过显示屏显示并存入存储器，再根据用户需求选择打印检测结果报告单，系统流程如图17所示。

图17 系统软件流程图

表3 不同浓度下St/Sc值与浓度值

表4 不同浓度下St/Sc值与浓度值

3 测试结果及分析

对系统性能进行测试，通过配置8组浓度为0.05 μg/mL、0.15 μg/mL、0.25 μg/mL、0.35 μg/mL、0.45 μg/mL、0.55 μg/mL、0.65 μg/mL、0.75 μg/mL的标准三聚氰胺溶液，分别滴加到三聚氰胺金标检测卡上，待充分反应后，金标卡通过系统扫描，每组浓度样本检测8次，并将检测得到的St/Sc值与其所对应的浓度值记录下来，检测的数据如表3、表4所示。

通过对以上实验检测数据进行分析，系统稳定性分析如表5所示，系统准确性分析如表6所示。分析结果显示，该系统存在变异系数最大值为3.64%，最小值为1.65%，具有较高的稳定性。绝对误差小于0.033 μg/mL，同时具备较高的准确性，系统对金标卡具有良好的定量效果。

表5 系统稳定性数据分析

表6 系统准确性数据分析

4 结论

本研究设计一款可调固定式金标卡定量检测仪，利用光电探测器采集金标卡显色区域模拟量的变化，经系统建立的浓度关系式推导演算，实现对待测物定量分析。插卡口配有弹簧卡座可对多尺寸金标卡进行固定，可应用于不同领域中不同待测物金标卡检测。经验证，该系统具有较高的稳定性与准确性。