CN105092836B - 上转换发光免疫层析检测装置和检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种上转换发光免疫层析检测装置和检测方法，检测装置包括照明单元、成像单元、控制单元、试纸条和试纸条承载框，该发明试纸条上的光功率密度较均匀，提高了检测结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及上转换发光免疫层析检测，特别是一种上转换发光免疫层析检测装置和检测方法。
背景技术
上转换发光是将长波长辐射转换为短波长辐射的特殊发光机制，具有上转换发光现象的特殊材料被称为上转换磷光材料(Up-Converting phosphor，简称UCP)，该材料在红外光的激发下可发射出可见光。
上转换发光免疫层析检测技术是一种以上转换发光材料为标记物的固相标记免疫层析检测技术。生物样品中的目标检测物与UCP颗粒相结合后形成目标被检物-UCP颗粒结合物，在层析过程中通过免疫反应被固定在固相载体表面，并在红外光激发下发射出可见光，通过对可见光的定量检测和分析，即可得出生物样品中目标检测物的浓度。上转换发光免疫层析检测技术具有灵敏度高、灵活性大、特异性强、检测速度快、所需样品量少等特点，现已被广泛应用于临床检验、食品安全、生物安全、违禁药品筛查等诸多领域。
在先技术1“上转换磷光免疫层析试纸条检测系统”(专利申请号：200510030549.6)和在先技术2“上转换发光免疫层析分析仪及检测方法”(专利申请号：201410345156.3)中，均采用红外半导体激光器作为激发光源，半导体激光器发射的红外光照射在试纸条上以激发UCP颗粒，试纸条发光图像被图像传感器采集，通过对采集到的发光图像进行分析与处理，实现对目标检测物浓度的测量。但在先技术1和2存在以下不足：
1)照射在试纸条上的激发光斑的照明均匀性未校正，降低了检测结果的准确性。
2)采用红外半导体激光器作为激发光源，成本较高。
除此以外，在先技术3“金标条阅读仪及检测方法”(专利申请号：201310213501.3)中，采用硬件和软件两方面来消除照明不均匀性的影响，即对照明均匀性进行被动的校正，而未主动对照明均匀性进行调节，主要存在以下不足：
1)采用匀光板对多个LED出射光均匀化，匀光板会对LED出射光功率衰减，所以此种方法不能用于对光功率具有较高要求的荧光检测仪器的照明光路中。而且，匀光板对光束均匀化的效果非常有限。
2)采集照明均匀性校正试纸条的图像，用待测金标试纸条图像直接除以照明均匀性校正试纸条图像以得到相对图像。由于照明均匀性校正试纸条是一个空白试纸条，其图像中各点像素灰度值很高，所以相对图像中每个像素的值均小于1。受到控制模块中处理器计算位数的限制，在先技术3得到的被检物浓度的精度将会降低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种上转换发光免疫层析检测装置及检测方法。该发明试纸条上的光功率密度较均匀，提高了检测结果的准确性。
本发明的技术解决方案如下：
一种上转换发光免疫层析检测装置，包括照明单元、成像单元、控制单元、试纸条和试纸条承载框，其特点在于：
所述的照明单元包括2n个LED模组，n为大于零的整数，每个LED模组由一个LED、一个散热片、一个聚光透镜和一个柱面镜组成。2n个LED模组分为两部分，每部分均包括n个LED模组，而且镜像分布在所述的待测试纸条的检测带和质控带的等距离线的两侧。在每个LED模组中，所述的散热片紧贴在LED后部助其散热，LED发出的光依次通过所述的聚光透镜和所述的柱面镜后投射在所述的待测试纸条上。每个LED模组中，LED位于所述的聚光透镜的前焦面上，所述的聚光透镜将LED的出射光进行会聚以减小其发散角，所述的柱面镜的母线方向与待测试纸条上功能带的长轴方向平行，所述的柱面镜可将LED经过所述的聚光透镜会聚后的光进一步地沿着试纸条功能带的长轴方向进行一维会聚，从而最终使得LED照射到所述的待测试纸条上光斑的长轴方向与试纸条功能带的长轴方向一致。而且，所述的镜像分布在待测试纸条检测带与质控带的等距离线两侧的每个LED模组投射在待测试纸条上的光斑均覆盖了待测试纸条上的检测带和质控带区域。
所述的成像单元包括前透镜组、滤光片、后透镜组和图像传感器，所述的待测试纸条位于所述的成像单元的物面上，所述的图像传感器位于所述的成像单元的像面上。所述的待测试纸条的功能带上发出的光依次通过所述的前透镜组、所述的滤光片和所述的后透镜组后最终成像在所述的图像传感器的光敏面上。所述的滤光片用于滤除所述的照明单元中LED的出射光而只允许UCP颗粒发出的可见光通过。所述的图像传感器能响应所述的待测试纸条功能带上UCP颗粒发出的可见光，亦能响应所述的照明单元中LED的出射光。
所述的图像传感器在所述的控制单元控制下输出所述的待测试纸条的发光图像。
所述的控制单元主要用于：控制所述的LED模组中的各个LED的光功率；采集所述的图像传感器输出的发光图像；进行数据处理并得到滴加在所述的待测试纸条上的目标被检物的浓度。
所述的试纸条承载框用于承载待测试纸条，并使得所述的待测试纸条位于所述的成像单元的物面上。所述的试纸条承载框表面与所述的成像单元光轴垂直，并使所述的待测试纸条检测带和质控带等距离线的中点位于所述的成像单元的光轴上。
所述的激发光斑均匀性校正试纸条是一个空白试纸条。
本发明上转换发光免疫层析检测装置所使用的检测方法如下：
1)微调所述的照明单元中各个LED的出射光功率，使所述的待测试纸条上的光功率密度分布均匀性调整至可接受的范围内；
①将所述的激发光斑均匀性校正试纸条放置在所述的试纸条承载框上，并将所述的滤光片从所述的成像单元中取出；
②所述的控制单元采集所述的激发光斑均匀性校正试纸条图像；
③以所述的激发光斑均匀性校正试纸条图像的中心像素的灰度值作为基准，将图像中每个像素点的灰度值除以中心像素点的灰度值，得到均匀性校正的相对图像，其中所述的激发光斑均匀性校正试纸条图像的中心像素是指该图像中位于中心位置的像素；
④使均匀性校正相对图像中每个像素的相对灰度值减去1获得相对偏差图像数据，如果对应像素点的相对偏差图像数据大于e％或者小于-e％，则微调距离此像素最近的LED的出射光功率，使对应像素点的相对偏差图像数据处于[-e％,e％]之间；
⑤再次采集所述的激发光斑均匀性校正试纸条的图像；
⑥重复上述③、④和⑤，直到相对偏差图像数据中与每个像素对应的值均处于[-e％,e％]之间；
⑦所述的控制单元保存均匀性校正相对图像数据，将所述的滤光片放进所述的成像单元内，并使所述的滤光片的光轴与所述的成像单元的光轴重合；
2)对待测试纸条进行检测：
①将所述的激发光斑均匀性校正试纸条从在所述的试纸条承载框上取下，将待测试纸条放置在所述的试纸条承载框上；
②所述的控制单元采集所述的待测试纸条的图像；
③所述的控制单元采集到的所述的待测试纸条的图像数据除以所述的控制单元保存的均匀性校正相对图像数据得到待测试纸条均匀性补偿图像，提取待测试纸条均匀性补偿图像中检测带和质控带区域的像素点的灰度值，计算所提取出检测带和质控带两个区域中像素点的灰度值均值，分别记为ST和SC，并计算待测试纸条均匀性补偿图像中检测带和质控带两区域之外的像素点的灰度值均值Nb，根据公式得到检测结果，最后将检测结果保存并输出。
本发明与在先技术相比有以下技术效果：
1、采用多个红外LED照明试纸条，且每个LED的出射光经聚光透镜和柱面镜后均会覆盖试纸条上功能带区域，这有利于试纸条上获得相对较均匀的光功率密度，也简化了后续调节LED出射光功率的工作量。
2、对照射到试纸条上的红外激发光光斑进行光功率密度分布均匀性的调整，从而提高检测结果的准确性。
3、对采集到的待测试纸条发光图像进行均匀性补偿，可进一步提高检测结果的准确性。
4、采用价格低廉的LED作为照明光源，能较大幅度降低装置的成本。
5、经过照明均匀性校正后的待测试纸条均匀性补偿图像与原始获得的待测试纸条图像相比像素灰度值改动不大，很好地保留了原始信号的大小，有利于获得较高计算精度的结果。
附图说明
图1是本发明上转换发光免疫层析检测装置的结构示意图。
图2是本发明采用的激发光斑均匀性校正试纸条结构示意图。
图3是本发明采用的待测试纸条的结构示意图。
图4是本发明中激发光斑均匀性校正流程图。
图5是本发明对待测试纸条开展检测的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明上转换发光免疫层析检测装置的结构示意图，本发明上转换发光免疫层析检测装置包括照明单元、成像单元、控制单元3、试纸条4和试纸条承载框5，所述的照明单元包括2n个LED模组，n为大于零的整数，每个LED模组包括一个LED 101、一个散热片102、一个聚光透镜103和一个柱面镜104。2n个LED模组分为两部分，每部分均包括n个LED模组，而且镜像分布在所述的试纸条4的检测带402和质控带401的等距离线404的两侧。在每个LED模组中，所述的散热片102紧贴在LED 101后部助其散热，LED 101发出的光依次通过所述的的聚光透镜103和所述的柱面镜104后投射在所述的试纸条4上。每个模组中，所述的的LED 101位于所述的的聚光透镜103的前焦面上，所述的聚光透镜103将LED 101的出射光进行会聚。所述的的柱面镜104的母线方向与试纸条4上功能带的长轴方向平行，所述的的柱面镜104可将所述的LED 101经过所述的聚光透镜103会聚后的光进一步地沿着所述的试纸条4功能带的长轴方向进行一维会聚，从而使得光斑的长轴方向与所述的的试纸条4的功能带的长轴方向一致。而且，所述的的镜像分布在待测试纸条42检测带402与质控带401的等距离线404两侧的每个LED模组投射在待测试纸条42上的光斑均覆盖了待测试纸条42上的检测带402和质控带401区域。
所述的成像单元包括前透镜组201、滤光片202、后透镜组203和图像传感器204，所述的的试纸条4位于所述的的成像单元的物面上，所述的的图像传感器204位于所述的成像单元的像面上，所述的试纸条4的功能带上发出的可见光依次通过所述的前透镜组201、所述的滤光片202和所述的后透镜组203最后成像在所述的图像传感器204的光敏面上。所述的滤光片202用于滤除所述的照明单元中LED的出射光而只允许UCP颗粒发出的可见光通过。所述的图像传感器204能响应所述的待测试纸条42功能带上UCP颗粒发出的可见光，亦能响应所述的照明单元中LED的出射光。
所述的图像传感器204在所述的控制单元3控制下输出试纸条4的发光图像。
所述的控制单元3主要用于：控制所述的LED模组中的每个LED 101的出射光功率；采集所述的图像传感器204输出的发光图像；开展数据处理并得到滴加在待测试纸条42上的目标被检物的浓度。
所述的试纸条承载框5用于承载试纸条4，并使得试纸条4位于所述的成像单元的物面上。所述的试纸条承载框5表面与所述的成像单元的光轴垂直，并使所述的试纸条4的检测带402和质控带401的等距离线404的中点处在所述的成像单元的光轴上。
所述的激发光斑均匀性校正试纸条41是一个空白试纸条。
图1是本发明的具体实施例示意图，其具体参数如下：
所述的照明单元由6个LED模组组成，每个LED 101均是采用电功率为1W、主波长为980nm、出射光发散角为120°的大功率红外LED；所采用的聚光透镜103的聚光角度为15°，能将LED 101的120°的出射光发散角会聚减小到15°；所采用的滤光片202是以541nm为中心波长、半波宽100nm的滤光片；所采用的图像传感器204是对绿光最敏感的CMOS图像传感器OV9650；所采用的控制单元的主芯片为Ti公司的OMAP-L138，此芯片包含ARM9+DSP架构，可运行Linux或DSP/BIOSTM实时内核，还与TMS320C674x DSP引脚兼容，所以控制单元不仅可实现良好的人机交互，而且还可利用OMAP-L138中的DSP实现快速的图像采集和分析。
图2和图3分别是本发明中采用的激发光斑均匀性校正试纸条41和待测试纸条42的结构示意图。其中，401是质控带，402是检测带，403是样品垫，用于滴加样品，404是质控带401与检测带402的等距离线。
利用所述的上转换发光免疫层析检测装置对待测试纸条42进行检测，该检测方法包括下列步骤：
1)、微调所述的照明单元中各个LED 101的出射光功率，使待测试纸条42上光功率密度分布调整均匀至可接受的范围内。图4是本发明中激发光斑均匀性校正流程图。
①将所述的激发光斑均匀性校正试纸条41放置在所述的试纸条承载框5上，并将所述的滤光片202从所述的成像单元中取出。
②所述的控制单元3采集所述的激发光斑均匀性校正试纸条41图像。
③以所述的激发光斑均匀性校正试纸条41图像的中心像素的灰度值作为基准，使得图像中每个像素点的灰度值除以中心像素点的灰度值，得到均匀性校正相对图像，其中所述的激发光斑均匀性校正试纸条41图像的中心像素是指该图像中位于中心位置的像素。
④使均匀性校正相对图像中每个像素的相对灰度值减去1获得相对偏差图像数据，如果对应像素点的相对偏差图像数据大于5％或者小于-5％，则微调距离此像素最近的LED的出射光功率。
⑤再次采集所述的激发光斑均匀性校正试纸条41的图像。
⑥重复上述③、④和⑤，直到相对偏差图像数据中与每个像素对应的值均处于[-5％,5％]之间，此时可认为照射到所述的激发光斑均匀性校正试纸条41上的光斑的光功率密度分布已调整均匀至可接受的范围内。
⑦所述的控制单元3保存均匀性校正相对图像。将所述的滤光片202放进所述的成像单元内，并使所述的滤光片202的光轴与所述的成像单元的光轴重合。
2)、对所述的待测试纸条42进行检测。图5是本发明对待测试纸条开展检测的流程图。
①将所述的激发光斑均匀性校正试纸条41从在所述的试纸条承载框5上取下，将所述的待测试纸条42放置在所述的试纸条承载框5上。
②所述的控制单元3采集所述的待测试纸条42的图像。
③所述的控制单元3采集到的所述的待测试纸条42图像数据除以所述的控制单元3保存的均匀性校正相对图像数据得到待测试纸条均匀性补偿图像，提取待测试纸条均匀性补偿图像中检测带和质控带区域，计算所提取出的两个区域中像素点的灰度值均值，分别记为为ST和SC；计算待测试纸条均匀性补偿图像中检测带和质控带两区域之外的像素点的灰度值均值Nb；根据公式得到检测结果，最后将检测结果保存并输出。
Claims (1)
1.一种利用上转换发光免疫层析检测装置对待测试纸条上转换发光的检测方法，所述的上转换发光免疫层析检测装置，包括照明单元、成像单元、控制单元、待测试纸条和试纸条承载框，所述的照明单元包括2n个LED模组，n为大于零的整数，每个LED模组由一个LED、一个散热片、一个聚光透镜和一个柱面镜组成，2n个LED模组分为两部分，每部分均包括n个LED模组，而且镜像分布在所述的待测试纸条的检测带和质控带的等距离线的两侧，在每个LED模组中，所述的散热片紧贴在LED后部助其散热，LED发出的光依次通过所述的聚光透镜和所述的柱面镜后投射在所述的待测试纸条上，每个LED模组中，LED位于所述的聚光透镜的前焦面上，所述的聚光透镜将LED的出射光进行会聚以减小其发散角，所述的柱面镜的母线方向与待测试纸条上功能带的长轴方向平行，所述的柱面镜将LED经过所述的聚光透镜会聚后的光进一步地沿着试纸条功能带的长轴方向进行一维会聚，从而使得LED发出的光照射到所述的待测试纸条上的光斑的长轴方向与试纸条功能带的长轴方向一致，而且，所述的镜像分布在待测试纸条检测带与质控带的等距离线两侧的每个LED模组投射在待测试纸条上的光斑均覆盖了待测试纸条上的检测带和质控带区域；
所述的成像单元包括前透镜组、滤光片、后透镜组和图像传感器，所述的待测试纸条位于所述的成像单元的物面上，所述的图像传感器位于所述的成像单元的像面上，所述的待测试纸条的功能带上发出的光依次通过所述的前透镜组、所述的滤光片和所述的后透镜组后最终成像在所述的图像传感器的光敏面上，所述的滤光片用于滤除所述的照明单元中LED的出射光而只允许UCP颗粒发出的可见光通过，所述的图像传感器能响应所述的待测试纸条功能带上UCP颗粒发出的可见光，亦能响应 所述的照明单元中LED的出射光；
所述的图像传感器在所述的控制单元控制下输出所述的待测试纸条的发光图像；
所述的控制单元的功能是：控制所述的LED模组中的各个LED的光功率；采集所述的图像传感器输出的发光图像；开展数据处理并得到滴加在所述的待测试纸条上的目标被检物的浓度；
所述的试纸条承载框用于承载待测试纸条，使所述的待测试纸条位于所述的成像单元的物面上，所述的试纸条承载框的表面与所述的成像单元的光轴垂直，所述的待测试纸条检测带和质控带的等距离线的中点位于所述的成像单元的光轴上，特征在于该方法包括如下步骤：
1)、微调所述的照明单元中各个LED的出射光功率，使所述的待测试纸条上光功率密度分布均匀性调整至可接受的范围内：
①将激发光斑均匀性校正试纸条放置在所述的试纸条承载框上，并将所述的滤光片从所述的成像单元中取出；
②所述的控制单元采集所述的激发光斑均匀性校正试纸条图像；
③以所述的激发光斑均匀性校正试纸条图像的中心像素的灰度值作为基准，使得图像中每个像素点的灰度值除以中心像素点的灰度值，得到均匀性校正相对图像，所述的激发光斑均匀性校正试纸条图像的中心像素是指该图像中位于中心位置的像素；
④使均匀性校正相对图像中每个像素的相对灰度值减去1，获得相对偏差图像数据，如果对应像素点的相对偏差图像数据大于e％或者小于-e％，则微调距离此像素最近的LED的出射光功率；
⑤再次采集所述的激发光斑均匀性校正试纸条的图像；
⑥重复上述③、④和⑤，直到相对偏差图像数据中每个像素对应的相对偏差图像数据值均处于[-e％,e％]之间；
⑦所述的控制单元保存均匀性校正相对图像，将所述的滤光片放进所述的成像单元内，并使所述的滤光片的光轴与所述的成像单元的光轴重合；
2)、对所述的待测试纸条进行检测：
①将所述的激发光斑均匀性校正试纸条从所述的试纸条承载框上取下，将所述的待测试纸条放置在所述的试纸条承载框上；
②所述的控制单元采集所述的待测试纸条图像；
③所述的控制单元将采集到的所述的待测试纸条的图像除以所述的控制单元保存的均匀性校正相对图像得到待测试纸条均匀性补偿图像，计算待测试纸条均匀性补偿图像中检测带区域和质控带区域的灰度值均值，分别记为ST和SC，并计算待测试纸条均匀性补偿图像中检测带和质控带两区域之外的像素点的灰度值的均值Nb，根据公式得到检测结果，最后将检测结果保存或输出。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| 基于一维 CCD 的免疫层析试纸条检测系统;刘蕾等;《仪器仪表学报》;20070228;第28卷(第2期);246-251 * |
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