CN102778455B - 一种胶体金免疫层析试纸用的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种胶体金免疫层析试纸用的检测系统，包括信息采集单元和与之相连的信息处理分析单元；信息采集单元用于对试纸进行光学扫描，其向试纸投射出射光束，以接收试纸的反射光束，并将反射光束汇聚后转换为电信号；信息处理分析单元用于对电信号进行处理分析，从而输出检测结果。本发明与现有技术相比，能够解决人眼只能定性判断，不能定量分析存在的技术问题，同时也避免了人为主观因素的影响，保证了检测结果准确稳定；另外，相比CCD成像技术，本发明的信息处理运算量较小，只需普通单片机即可完成运算，光源采用单颗LED；因此本发明系统具有成本低廉、灵敏度高、体积小、重量轻、便于携带等优点。

Description

一种胶体金免疫层析试纸用的检测系统

技术领域

本发明属于医疗检测技术领域，具体涉及一种胶体金免疫层析试纸用的检测系统。

背景技术

胶体金免疫层析试纸是近几年来国外兴起的一种快速诊断技术，其原理是将胶体金快速检测技术应用于抗原抗体反应，将特异的抗体先固定于硝酸纤维素膜的某一区带，当干燥的硝酸纤维膜一端浸入样品后，由于毛细管作用，样品将沿着该纤维膜向前移动，当移动至固定有抗体的区域时，样品中相应的抗原即与该抗体发生特异性结合，通过反应区域颜色变化来实现特异性的免疫诊断。胶体金免疫层析试纸具有检测效率高、方法简便、成本低廉等特点，目前该技术已经广泛应用于食品、药品、水质、医疗等各个领域。

目前胶体金免疫层析试纸的检测方法主要是依靠人眼观察判断，这种方式具有一定的缺陷，如测试结果只能定性判断，不能定量分析；当待检测物质浓度处于临界范围时，试纸条条纹质控区带和待测区带的颜色对比不明显，目测难以判断，存在假阳性和假阴性问题；当外界环境光线较暗时，人眼难以目测判读，并且人眼容易疲劳，主观因素会影响结果判定，人眼检测速度较慢，也无法进行大批量检测。

针对这一技术缺陷，目前现有技术大多采用CCD成像技术来检测胶体金免疫层析试纸，这种技术方法通过CCD采集试纸条的图像信息，再运用图像处理技术进行处理分析。但由于对图像处理操作运算量很大，对处理器的要求很高，普通的单片机难以完成，若采用嵌入式系统，则设备成本较高，不易于胶体金免疫层析试纸诊断技术的推广和使用。采用CCD成像技术，其照明光源一般采用白色LED光源，照明光源为单一光源时则存在照明均匀性的问题，胶体金免疫层析试纸条上部分区域的中心较亮，周围较暗，若待测区带恰好落在中心区域，由于背景亮度很高，图像采集后可能无法分辨出待测区带，或者待测区带与背景对比不明显，这样会严重影响检测结果。若采用多光源照明，对光源稳定性有较高的要求，需要具有较高稳定度的供电电源，为使得照明区域亮度均匀，对LED的摆放位置、角度亦有要求。此外，多颗LED同时工作时，LED温度上升会影响光源稳定性，还需要考虑LED散热的问题。考虑到这些问题，仪器体积重量会明显增加，设备便携性会受到影响。由于一般采用白光LED作为光源，而胶体金免疫层析试纸条的待测区带呈品红色，选择性吸收绿光，但绿光在白光中占的比例有限，因此待测区带与背景的反射光差别不明显，待测区带与背景的颜色对比度不高。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种胶体金免疫层析试纸用的检测系统，结构简单，体积小，质量轻，成本低，检测结果可靠。

一种胶体金免疫层析试纸用的检测系统，包括：信息采集单元和与之相连的信息处理分析单元；

所述的信息采集单元用于对试纸进行光学扫描，其向试纸投射出射光束，以接收试纸的反射光束，并将所述的反射光束汇聚后转换为电信号；

所述的信息处理分析单元用于对所述的电信号进行处理分析，从而输出检测结果。

优选地，所述的信息采集单元通过第一反射镜将出射光束投射于试纸上；能够减少系统占用的垂直空间。

所述的信息采集单元包括：

光源，用于通过狭缝光栅出射光束；

第一透镜，用于接收光源出射的光束，并对该光束进行汇聚；

半透半反射器件，用于接收经第一透镜汇聚后的光束，并对该光束进行反射；

第二透镜，用于接收经半透半反射器件反射的光束，并对该光束进行汇聚后向试纸投射出射光束；

第三透镜和第一光伏探测器；

所述的第二透镜接收试纸的反射光束，并对该反射光束进行汇聚；

所述的半透半反射器件透射经第二透镜汇聚后的反射光束；

所述的第三透镜用于接收经半透半反射器件透射的反射光束，并对该反射光束进行汇聚；

所述的第一光伏探测器用于接收经第三透镜汇聚后的反射光束，并将该反射光束转换为电信号。

进一步优选地，所述的第三透镜通过第二反射镜接收经半透半反射器件透射的反射光束；能够减小信息采集单元的长度及体积。

进一步优选地，所述的信息采集单元还包括一消光槽，所述的消光槽用于吸收第一透镜汇聚后的光束经半透半反射器件透射的那部分光束；能够降低背景杂散光，减小背景噪声，提高系统灵敏度。

进一步优选地，所述的光源采用绿光LED；能够使试纸上的待测区带与背景的反射光强度对比更明显，提高光伏探测器对待测区带颜色变化的灵敏度。

进一步优选地，所述的信息采集单元还包括第二光伏探测器，所述的第二光伏探测器用于采集光源出射的光束，并将该光束转换为反馈信号提供给信息处理分析单元，信息处理分析单元根据所述的反馈信号以对光源的工作电压进行闭环控制；以保证光源出射光束亮度光强恒定，系统检测可靠。

所述的信息处理分析单元连接有传动装置，信息处理分析单元通过驱动传动装置带动信息采集单元在试纸正上方平移；以使信息采集单元对试纸进行光学扫描。

所述的半透半反射器件采用上表面镀有光学薄膜的光学玻璃；光伏探测器采用光电二极管；信息处理分析单元采用单片机。

本发明检测系统的工作原理为：比尔-郎伯定律指出，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。因此，当吸收层厚度一定时，试纸测试区域物质吸收的光强程度仅与该区域的吸光物质的浓度有关。当入射光的强度一定时，吸收的光强程度越大则反射光的强度就越小，反射光强度减弱的程度仅与测试区域对光的吸收有关。反射光强度越弱，样本的浓度越高；反之，反射光强度越强，样本的浓度越低。由于物体光谱特性不同，胶体金免疫层析试纸的质控线，检测线与背景区域的吸光度均有差异。通过对胶体金试纸各区域反射光光强的检测，就可定量分析出试纸上的样本浓度。

本发明与现有技术相比，能够解决人眼只能定性判断，不能定量分析存在的技术问题，同时也避免了人为主观因素的影响，保证了检测结果准确稳定；另外，相比CCD成像技术，本发明的信息处理运算量较小，只需普通单片机即可完成运算，光源采用单颗LED；因此本发明系统具有成本低廉、灵敏度高、体积小、重量轻、便于携带等优点，有益于社会推广胶体金免疫层析检测技术。

附图说明

图1为本发明检测系统的结构示意图。

图2为图1沿AA’方向的剖面图。

图3为胶体金免疫层析试纸的示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图1所示，一种胶体金免疫层析试纸用的检测系统，包括：信息采集单元、信息处理分析单元、第一反射镜和传动装置；其中：

信息采集单元用于对试纸进行光学扫描，其向试纸投射出射光束，以接收试纸的反射光束，并将反射光束汇聚后转换为电信号；其外壳固定于传动装置上，传动装置与信息处理分析单元连接，信息处理分析单元通过驱动传动装置带动信息采集单元在试纸正上方平移。

本实施方式中，传动装置采用马达带动齿条运行的方式实现传动。

如图2所示，信息采集单元包括：绿光LED 1、狭缝光栅2、第一透镜3、半透半反射器件4、第二透镜5、第二反射镜7、第三透镜8、消光槽9、第一光电二极管10和第二光电二极管11；其中：

绿光LED 1通过狭缝光栅2出射光束；本实施方式中，光源1与信息处理分析单元连接，且绿光LED 1产生的光束为峰值波长为530nm的绿光；

第二光电二极管11与信息处理分析单元连接，其采集绿光LED 1出射的光束，并将该光束转换为反馈信号提供给信息处理分析单元，信息处理分析单元根据反馈信号以对绿光LED 1的工作电压进行闭环控制，以保证绿光LED 1出射光束亮度光强恒定；

第一透镜3接收绿光LED 1出射的光束，并对该光束进行汇聚；

半透半反射器件4接收经第一透镜3汇聚后的光束，并对该光束进行反射，本实施方式中，半透半反射器件4采用上表面镀有光学薄膜的光学玻璃，其入射角为45度。

消光槽9吸收第一透镜汇聚后的光束经半透半反射器件4透射的那部分光束；其结构如图2所示，由多个与入射光束的保持一定倾角的斜面构成，并且斜面采用涂黑处理。当光束进入消光槽后，部分光束多次经过斜面反射后进入消光槽死角，光束无法再被反射回半透半反射器件，同时由于多次反射使得光束的光强急剧下降，故达到吸收杂散光的目的。

第一反射镜6接收经半透半反射器件4反射的光束，并将该光束垂直反射至试纸上；本实施方式中，第一反射镜6的入射角为45度。

出射光束照射在试纸上形成一光斑，同时该光斑的反射光束垂直回射至第一反射镜6上，第一反射镜6对该反射光束进行反射；

第二透镜5接收经第一反射镜6反射的反射光束，并对该反射光束进行汇聚；

半透半反射器件4透射经第二透镜5汇聚后的反射光束；第二反射镜7接收经半透半反射器件4透射的反射光束，并对该反射光束进行反射；本实施方式中，第二反射镜7的入射角为45度。

第三透镜8接收经第二反射镜7反射的反射光束，并对该反射光束进行汇聚；

第一光电二极管10接收经第三透镜8汇聚后的反射光束，并将该反射光束转换为电信号，第一光电二极管10与信息处理分析单元连接。

为消除信息采集单元中光学零件和信息采集单元壳体内壁产生的杂散光，本实施方式中，光学零件的非工作面以及壳体内壁均采用涂黑处理；视加工要求，壳体材料可以为塑料或金属。

狭缝光栅2与胶体金试纸上的光斑具有物象关系，出射光路的光学系统(包括第一透镜3，半透半反射器件4，第二透镜5)的放大系数约为2～3倍。胶体金试纸上的光斑与光电二极管上的光斑亦具有物象关系，反射光路的光学系统(包括第二透镜5，半透半反射器件4，第二反射镜7，第三透镜8)的放大系数约为0.2～0.3倍；为收集尽量多的反射光，提高系统的灵敏度，需要保证两光路共轴；同时为了简化光路结构，本实施方式，采用了两光路共用第二透镜5的光路结构，故第一光电二极管10与绿光LED 1位置互换也应在本发明的保护范围之内。

信息处理分析单元包括信号处理模块、稳压模块、驱动模块和显示模块；其中：

信号处理模块与第一光电二极管10连接，其对第一光电二极管10输出的电信号进行处理分析，从而输出检测结果；

显示模块与信号处理模块连接，其对信号处理模块输出的检测结果进行显示；

稳压模块与第二光电二极管11和绿光LED 1连接，其对第二光电二极管11输出的反馈信号进行比较分析，进而向绿光LED 1输出稳压控制信号，以对绿光LED 1的工作电压进行闭环控制，以保证绿光LED 1出射光束亮度光强恒定；

驱动模块与传动装置中的马达连接，其向马达输出驱动信号，使马达以某一恒定的功率转速运行，以使传动装置带动信息采集单元在试纸正上方匀速平移，以对试纸进行光学扫描。

本实施方式中，信息处理分析单元采用单片机；信号处理模块、稳压模块、驱动模块均为在该单片机上编程实现的程序模块。

本实施方式的检测流程为：信息采集单元的出射光束由第一反射镜聚焦在胶体金试纸上呈一狭长型光斑；同时，该光斑的反射光束经第一反射镜反射，汇聚到信息采集单元中的第一光电二极管上；信息采集单元由传动装置带动进行直线运动，光斑随之在试纸条上进行扫描，当光斑通过试纸上的待测区带时，反射光束光强发生变化，信息采集单元中的第一光电二极管将这种光强变化转换成电信号的变化，并输出至信息处理分析单元中进行处理分析，最后得到检测结果。

如图3所示，绿色LED发出的光束经过出射光路聚焦在胶体金试纸上，形成一光斑。此时单片机控制马达开始运转，信息采集单元随之进行直线运动，光斑在试纸上直线扫描，当光斑扫描经过待测区带和质控区带时，由于光斑背景颜色变为品红色，品红色的试纸选择性吸收绿光，故反射光束光强迅速降低；同时，反射光束沿射光路聚焦在第一光电二极管上，第一光电二极管对探测到的光强变化转换为电信号的变化输出至单片机中。

信号处理模块先对输入电信号进行模数变换，然后对所得的数字信号进行处理分析，最后将处理后的结果输出。信号处理模块得到待测区带和质控区带反射光强对应的数字信号后，计算出两者的比值，记为R。用户事前通过对已知检测样本浓度的胶体金试纸定标，得到样本浓度C与其对应的R值，根据数值拟合出样本浓度曲线，并计算出拟合函数C＝kR，并将该函数形式存入信号处理模块的寄存器中；信号处理模块调用出该拟合函数，经过计算得到待测样本浓度C。

Claims (2)

1.一种胶体金免疫层析试纸用的检测系统，包括传动装置、第一反射镜、信息采集单元和与之相连的信息处理分析单元；其特征在于：

所述的信息采集单元固定于传动装置上，所述的传动装置与信息处理分析单元连接；

所述的信息采集单元用于对试纸进行光学扫描，其向试纸投射出射光束，以接收试纸的反射光束，并将所述的反射光束汇聚后转换为电信号；

所述的信息处理分析单元用于对所述的电信号进行处理分析，从而输出检测结果；

所述的信息采集单元包括光源、狭缝光栅、第一透镜、半透半反射器件、消光槽、第二透镜、第二反射镜、第三透镜、第一光伏探测器和第二光伏探测器；其中：

所述的光源用于通过狭缝光栅出射光束，其光源采用绿光LED；

所述的第二光伏探测器用于采集光源出射的光束，并将该光束转换为反馈信号提供给信息处理分析单元；

所述的第一透镜用于接收光源出射的光束，并对该光束进行汇聚；

所述的半透半反射器件用于接收经第一透镜汇聚后的光束，并对该光束进行反射；

所述的消光槽用于吸收第一透镜汇聚后的光束经半透半反射器件透射的那部分光束，其由多个与透射的那部分光束保持一定倾角的斜面构成且斜面采用涂黑处理；

所述的第二透镜用于接收经半透半反射器件反射的光束，并对该光束进行汇聚后通过第一反射镜投射于试纸上；同时接收试纸的反射光束，并对该反射光束进行汇聚；

所述的半透半反射器件透射经第二透镜汇聚后的反射光束；

所述的第三透镜用于通过第二反射镜接收经半透半反射器件透射的反射光束，并对该反射光束进行汇聚；

所述的第一光伏探测器用于接收经第三透镜汇聚后的反射光束，并将该反射光束转换为电信号；

所述的信息处理分析单元包括信号处理模块、稳压模块、驱动模块和显示模块；其中：

所述的信号处理模块与第一光伏探测器连接，其对第一光伏探测器输出的电信号进行处理分析，从而输出检测结果；

所述的显示模块与信号处理模块连接，其对信号处理模块输出的检测结果进行显示；

所述的稳压模块与第二光伏探测器和光源连接，其对第二光伏探测器输出的反馈信号进行比较分析，进而向光源输出稳压控制信号，以对光源的工作电压进行闭环控制；

所述的驱动模块与传动装置中的马达连接，其向马达输出驱动信号，使马达以恒定的功率转速运行，以使传动装置带动信息采集单元在试纸正上方匀速平移，以对试纸进行光学扫描。

2.根据权利要求1所述的胶体金免疫层析试纸用的检测系统，其特征在于：所述的信息处理分析单元采用单片机。