CN112630204A - 手持式荧光检测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种手持式荧光检测仪，包括卡槽、第一光电开关、第二光电开关、光源、光路系统，以及依次连接的光电传感器、信号放大电路、峰值保持电路、微处理器和模数转换器。第一光电开关和第二光电开关安装在卡槽上，依次感应插入卡槽的试剂卡。光路系统包括第一凸透镜、二色镜、第二凸透镜、滤光片、第三凸透镜；光源发出的光依次透过第一凸透镜、经二色镜反射向第二凸透镜、透过第二凸透镜并在被测试的试剂卡上形成光斑，激发光依次透过第二凸透镜、二色镜、滤光片和第三凸透镜至光电传感器上。本检测仪具有精密的光学激发和收集检测系统，可以单独采集试剂卡质控线和测试线位置的信号，计算量小，速度快，且测试仪可以做到更小的体积。

Description

手持式荧光检测仪
技术领域
本发明涉及荧光分析仪领域，尤其涉及一种手持式荧光检测仪。
背景技术
免疫分析技术是一种重要的医疗检测手段，是现代医学检测领域的重要组成部分。免疫分析技术基于抗原与抗体的特异性结合现象，通过标记抗原或抗体中的一种物质来测定另外一种物质的含量。多种免疫分析技术中，免疫荧光分析技术由于具有标记物制备简单、多标记、可重复测试等特点，近年来获得了较快的发展。免疫荧光分析技术又分为时间分辨荧光免疫分析(Time resolved fluoroisnmunoassay,TRFIA)、荧光偏振免疫分析(Fluorescence polarization immunoassay,FPIA)、荧光酶免疫分析(Fluorometricenzyme immunoassay analysis,FEIA)等几种，其中TRFIA应用前景较广。TRFIA技术是一种较新的超微量分析方法，该技术将特异性荧光与非特异性荧光进行分离，使得荧光免疫检测精度大大提高。目前国外TRFIA技术已步入第3时代，基本实现全自动化检测功能，并广泛应用于临床诊断中，且新兴技术还在不断发展。目前国内研发免疫荧光分析仪的企业已经较多，但国内相关领域缺乏规范性。另外一个现状是，针对临床检测的大型时间分辨荧光免疫分析检测仪器较多，但针对POCT应用的轻便化仪器研发的还较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是我国小型化免疫荧光分析仪产品较少，设备基本是台式，手持式设备少。
为了解决以上技术问题，本发明提出一种手持式荧光检测仪，其包括卡槽、第一光电开关、第二光电开关、光源、光路系统，以及依次连接的光电传感器、信号放大电路、峰值保持电路、微处理器和模数转换器，第一光电开关和第二光电开关分别连接于微处理器。所述第一光电开关和所述第二光电开关安装在所述卡槽上，依次感应插入卡槽的试剂卡。
所述光路系统包括第一凸透镜、二色镜、第二凸透镜、滤光片、第三凸透镜。所述光源发出的光依次透过所述第一凸透镜、经所述二色镜反射向所述第二凸透镜、透过所述第二凸透镜并在被测试的试剂卡上形成光斑，激发光依次透过所述第二凸透镜、所述二色镜、所述滤光片和所述第三凸透镜至所述光电传感器上。
所述第一光电开关到所述光斑的距离等于所述试剂卡插入前缘到试剂卡的质控线的距离；所述第二光电开关到所述光斑的距离等于所述试剂卡插入前缘到试剂卡的检测线的距离。
作为本发明的手持式荧光检测仪的进一步改进，所述光源为紫外灯，所述荧光检测仪还包括恒流LED驱动电路，所述恒流LED驱动电路连接于所述紫外灯。
作为本发明的手持式荧光检测仪的进一步改进，倾斜45°设置的二色镜的左侧为竖直设置的所述第一凸透镜，下方为水平设置的所述第二凸透镜，上方为水平设置的所述滤光片；所述光源设置于所述第一凸透镜的左侧；所述卡槽设置于所述第二凸透镜的下方；所述第三凸透镜设置于所述滤光片的上方；所述光电传感器设置于所述第三凸透镜的上方。
作为本发明的手持式荧光检测仪的进一步改进，所述第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜均为平凸透镜；所述第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜的凸面均朝向所述二色镜。
作为本发明的手持式荧光检测仪的进一步改进，所述光源设置于所述第一凸透镜的左侧焦点处，所述卡槽设置于所述第二凸透镜的下方焦点处；所述光电传感器设置于所述第三凸透镜的上方焦点处。
作为本发明的手持式荧光检测仪的进一步改进，所述信号放大电路包括相连的电荷灵敏前置放大电路和二级放大电路，所述电荷灵敏前置放大电路连接于所述光电传感器，所述二级放大电路连接于所述峰值保持电路；所述电荷灵敏前置放大电路设置第一集成运算放大器；所述二级放大电路设置第二集成运算放大器。
作为本发明的手持式荧光检测仪的进一步改进，所述第一集成运算放大器通过一引脚接地，通过另一引脚连接双电容；所述电荷灵敏前置放大电路中设置有第一电容，第一电容的两端分别直接连接所述第一集成运算放大器的反相输入端和输出端；所述第一集成运算放大器的同相输入端连接偏置电极。
作为本发明的手持式荧光检测仪的进一步改进，所述第一电容的两端还并联一个反馈电阻；所述第一集成运算放大器的反相输入端还连接第一电阻的输出端，第一电阻的输入端分别连接于所述光电传感器、第一接地电容和二级放大电路；所述第一集成运算放大器的输出端还连接第二电阻，第二电阻连接于所述二级放大电路。
作为本发明的手持式荧光检测仪的进一步改进，所述电荷灵敏前置放大电路输出与光电流呈正比例关系的电压信号，输出电压与输入电流的简化关系为Uout1＝R*IPD，其中Uout1为电路的第一级输出电压信号，R为所述反馈电阻的阻值，IPD为所述光电传感器输入的电流。
作为本发明的手持式荧光检测仪的进一步改进，二级放大电路为正向比例放大电路，放大倍数为Uout2＝2*Uout1-Ubias1V，其中Uout2为电路的第二级输出信号，Ubias1V为偏置电压。
本发明以间接免疫荧光检测法为基础，结合免疫层析技术、时间分辨荧光免疫技术，以及利用嵌入式微处理器技术和光电传感器技术手段，开发了一台具有快速检测功能，操作简单，方便现场检测的小型化手持式荧光检测仪。本发明的手持式荧光检测仪运用时间分辨荧光分析法，根据荧光分析发射的光束来对待测物如违禁药物进行快速检验，具有高信噪比、高分辨率、高波长精度等特点，快速完成检测，可用于毛发痕量毒品的检测，轻松满足人们对于违禁药物的定性定量分析和科学研究的需求。
附图说明
图1为本发明的手持式荧光检测仪光学系统图。
图2为本发明的恒流LED驱动电路的电路图。
图3为接受测试的试剂卡的结构图。
图4为聚焦到光电传感器的荧光强度信号转化为微弱电信号并经过放大的波形图。
图5和图6均为本发明的信号放大电路的电路图。
图7为本发明的第一光电开关和第二光电开关中均设置的光电开关限位电路图。
图8为本发明的峰值保持电路图。
图9为峰值保持前、后的波形图。
附图标记：光源1、光电传感器2、第一凸透镜3、二色镜4、第二凸透镜5、滤光片6、第三凸透镜7、试剂卡8、插入前缘80、电荷灵敏前置放大电路9、二级放大电路10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细介绍。
请参阅图1，本发明提出一种手持式荧光检测仪，其包括卡槽、第一光电开关、第二光电开关、光源1、光路系统，以及依次连接的光电传感器2、信号放大电路、峰值保持电路、微处理器和模数转换器。第一光电开关和第二光电开关安装在卡槽上，依次感应插入卡槽的试剂卡8。第一光电开关和第二光电开关连接于微处理器。
光路系统包括第一凸透镜3、二色镜4、第二凸透镜5、滤光片6、第三凸透镜7。如图1所示，倾斜45°设置的二色镜4的左侧为竖直设置的第一凸透镜3，下方为水平设置的第二凸透镜5，上方为水平设置的滤光片6；光源1设置于第一凸透镜3的左侧；卡槽设置于第二凸透镜5的下方；第三凸透镜7设置于滤光片6的上方；光电传感器2设置于第三凸透镜7的上方。
其中，第一凸透镜3、第二凸透镜5和第三凸透镜7均为平凸透镜；第一凸透镜3、第二凸透镜5和第三凸透镜7的凸面均朝向二色镜4。
具体的，光源1设置于第一凸透镜3的左侧焦点处，卡槽设置于第二凸透镜5的下方焦点处；光电传感器2设置于第三凸透镜7的上方焦点处。
本发明的光源1为紫外灯，荧光检测仪还包括恒流LED驱动电路，恒流LED驱动电路连接于紫外灯，恒流LED驱动电路的电路图如图2所示，其使紫外灯发出可控的紫外光。
光源1发出的光透过第一凸透镜3，形成平行光射到二色镜4上，经二色镜4反射向第二凸透镜5，透过第二凸透镜5汇聚在被测试的试剂卡8上形成光斑，试剂卡8上激发出来的荧光部分向上透过第二凸透镜5又成为平行光，平行光再透过二色镜4和滤光片6，滤光片6主要是为了过滤不需要波段的光源，主要是紫外光源，留下测试需要的荧光信号。透过滤光片6的平行光继续透过第三凸透镜，汇聚至光电传感器上。
请参考图3，为试剂卡8的结构示意图，试剂卡8又称为免疫层析试剂条，其后端为加样区，用于滴入待测试的试样液，经过层析扩展，扩展区具有检测线和质控线，扩展区上方为试剂卡8设置的多个检测窗口。上述提到第一光电开关和第二光电开关安装在卡槽上，依次感应插入卡槽的试剂卡8，具体设计为第一光电开关到试剂卡8上所形成的光斑的距离等于试剂卡8插入前缘80到试剂卡的质控线(又称为“C线”)的距离；第二光电开关到试剂卡8上所形成的光斑的距离等于试剂卡8插入前缘80到试剂卡的检测线(又称为“T线”)的距离。
本发明中，光源1、光路系统、光电传感器2组成的光学系统是手持式荧光检测仪的核心部分。光源1产生与荧光标记物的吸收波长相近的单色光，单色光通过光学系统后，照射在试剂卡8的单个扫描点(即检测窗口)上。扫描点附近的荧光物质受激发射荧光，采集光路将荧光收集并聚焦到光电传感器2的有效接收靶面内。在测量试剂卡8的过程中，需要检测出试剂卡8的检测线和质控线的荧光强度分布。如果单纯使用光电二极管作为光电转换器件，每次转换只能检测到单个点内的荧光强度。为了能够检测整个试剂条，就需要以扫描的方式检测试剂卡8，试剂卡8通过手动插入检测仪的卡槽过程中，光斑会在试剂卡8上面移动，即以扫描的方式检测试剂卡8，聚焦到光电传感器2的荧光强度信号就会转化为微弱电信号，再经过信号放大电路的放大作用就会成为图4的波形。通过第一光电开关和第二光电开关作为触发点，标记T线和C线的位置，第一光电开关和第二光电开关被触发后，触发信号传输至微处理器，微处理器启动模数转换器将放大的电信号转换为数字信号并送到微处理器进行计算和定量分析。
本发明的手持式荧光检测仪检测该免疫层析试剂条的过程如下：
(1)将待测样品置入层析试剂条的加样区，等待层析作用和免疫反应过程充分完成；将试剂卡8插入卡槽；
(2)利用紫外光源1和光路系统照射试剂卡8的检测窗口中的第一个检测点，检测点中经荧光素标记过的待测结合物激发出荧光；
(3)利用硅光电二极管(即为光电传感器2)将光信号转换为电信号，再将电信号进一步放大并转换为数字信号送至微处理器；
(4)为了能够检测整个试剂条，通过手动插入的方式让系统以扫描的方式检测试剂条；
(5)设备中留有两个光电开关，当试剂卡8插入的过程中，试剂卡8依次遮挡到第一光电开关和第二光电开关，就会触发信号给到微处理器，以这样的方式标记C线和T线的位置，同时也可以作为试剂条插入的检测信号，微处理器收到光电开关的信号开启模数转换器将光电传感器读取扫描点的荧光强度值的电信号转换成数字信号采集记录下来，通过触发的光电开关的先后标记下C线和T线的值，最终经过微控制器将数值计算出来。
其中，本发明的光电传感器2的作用为接收被测的试剂卡8激发的荧光信号，将荧光信号转化为微弱的电信号。
为了能够有效的测量微弱电信号的值，本手持式荧光检测仪设置信号放大电路对电信号进行放大。图5和图6均为信号放大电路的电路图，信号放大电路包括相连的电荷灵敏前置放大电路9(如图5)和二级放大电路10(如图6)。电荷灵敏前置放大电路9连接于光电传感器2，二级放大电路10连接于峰值保持电路。电荷灵敏前置放大电路9设置第一集成运算放大器；二级放大电路10设置第二集成运算放大器。
第一集成运算放大器通过一引脚接地，通过另一引脚连接双电容(并联的C68和C69)；所述电荷灵敏前置放大电路9中设置有第一电容C65，第一电容C65的两端分别直接连接第一集成运算放大器的反相输入端和输出端；第一集成运算放大器的同相输入端连接偏置电极。
第一电容C65的两端还并联第一反馈电阻R28；第一集成运算放大器的反相输入端还连接第一电阻R30的输出端，第一电阻R30的输入端分别连接于光电传感器PD、第一接地电容C70和二级放大电路10；第一集成运算放大器的输出端还连接第二电阻R61，第二电阻R61连接于二级放大电路10。
电荷灵敏前置放大电路9有较快的响应速度，适用于针对时间、能谱的测量系统，缺点是输入阻抗较小。光电二极管产生与光强对应的光电流信号，电荷灵敏前置放大电路9前端为一个电流-电压换电路，能输出与光电流呈正比例关系的电压信号，输出电压与输入电流的简化关系为：
Uout1＝R28*IPD，
其中Uout1为电路的第一级输出电压信号，R28为第一反馈电阻的阻值，IPD为光电传感器输入的电流。公式中忽略了第一电容C65的容抗。C65的作用是使电路更加稳定，抑制电路的振铃现象。当然，过大的C65也会导致电压建立时间过长。电路中，电阻R28不仅仅是直流的反馈电阻，还具有释放电容C65中的电荷的作用。
二级放大电路10电路图如图6所示。二级放大电路10中，第二集成运算放大器的同相输入端连接第三电阻R33的前端和第二接地电容C72，第三电阻R33的输入端连接所述第二电阻R61的输出端以及第二电容C71的输入端和第一电阻R30的输入端；第二集成运算放大器的反相输入端分别连接第四电阻R55和第二反馈电阻R56，第四电阻R55的另一端连接第三接地电容C116和一个偏置电极。第二集成运算放大器的输出端连接第六电阻R31的前端，第六电阻R31的输出端分别连接于所述峰值保持电路以及第二反馈电阻R56和第二电容C71的输出端。
二级放大电路10为正向比例放大电路，放大倍数为Uout2＝2*Uout1-Ubias1V，其中Uout2为电路的第二级输出信号，Ubias1V为偏置电压。
如图7所示，第一光电开关和第二光电开关中均设置有光电开关限位电路，图7的左半图为第一光电开关设置的光电开关限位电路，图7的右半图为第二光电开关设置的光电开关限位电路。测试中，通过手动插试剂卡8，实现以扫描方式测试试剂卡8数据，但是试剂卡8主要是测试数据是C线和T线，试剂卡8插入的时候试剂卡8遮挡到光电开关的信号，图7中的L_SW1和L_SW2就会触发高电平给到微处理器，微处理器收到信号后就知道打开模数转换器将电信号转化为数字信号采集记录下来。
前面说到光电开关是为了定位C线和T线的位置，但是也存在一个问题光电开关的摆放位置会受到组装和焊接方面的影响，位置上出现偏差，不同台的设备测试数据很可能就会偏差，准确性也会降低，所以本手持式荧光检测仪增加了峰值保持电路，峰值保持电路图如图8所示。峰值保持电路连接于信号放大电路和微处理器之间。设置峰值保持电路可以将C线和T线的最高峰电压值保持住，这样子只要保证每个光电开关在各自需要测量的C线或者T线之后即可，光电开关位置定位的准确性就不需要了，峰值保持前、后的波形图如图9所示。当然每次测试完成C线后需要将峰值保持电路的中的电容C73上面的电荷释放掉(插卡时C线在T线前面所以每次测试会先测试C再测试T)，避免影响T线的数据。
目前设备多数是电机拖动试剂条的方式使系统以扫描的方式记录下整个测试的谱图波形，再通过微处理器对采集到的整个谱图进行分析计算得出C线和T线的数据，整个系统复杂。本系统以手动插入的方式触发C线和T线的光电开关，以这样的方式简单识别到C线和T线的位置，判别试剂卡插入的时间，同时增加峰值保持电路提高测试准确性，采集的信息也就不需要整个谱图，只单独采集C线和T线位置的信号，计算量小，速度快，装置和测试方法简单且测试仪可以做到更小的体积。

Claims (10)

1.一种手持式荧光检测仪，其特征在于：包括卡槽、第一光电开关、第二光电开关、光源、光路系统，以及依次连接的光电传感器、信号放大电路、峰值保持电路、微处理器和模数转换器，第一光电开关和第二光电开关分别连接于微处理器；所述第一光电开关和所述第二光电开关安装在所述卡槽上，依次感应插入卡槽的试剂卡；
所述光路系统包括第一凸透镜、二色镜、第二凸透镜、滤光片、第三凸透镜；所述光源发出的光依次透过所述第一凸透镜、经所述二色镜反射向所述第二凸透镜、透过所述第二凸透镜并在被测试的试剂卡上形成光斑，激发光依次透过所述第二凸透镜、所述二色镜、所述滤光片和所述第三凸透镜至所述光电传感器上；
所述第一光电开关到所述光斑的距离等于所述试剂卡插入前缘到试剂卡的质控线的距离；所述第二光电开关到所述光斑的距离等于所述试剂卡插入前缘到试剂卡的检测线的距离。
2.根据权利要求1所述的手持式荧光检测仪，其特征在于：所述光源为紫外灯，所述荧光检测仪还包括恒流LED驱动电路，所述恒流LED驱动电路连接于所述紫外灯。
3.根据权利要求1所述的手持式荧光检测仪，其特征在于：倾斜45°设置的二色镜的左侧为竖直设置的所述第一凸透镜，下方为水平设置的所述第二凸透镜，上方为水平设置的所述滤光片；所述光源设置于所述第一凸透镜的左侧；所述卡槽设置于所述第二凸透镜的下方；所述第三凸透镜设置于所述滤光片的上方；所述光电传感器设置于所述第三凸透镜的上方。
4.根据权利要求3所述的手持式荧光检测仪，其特征在于：所述第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜均为平凸透镜；所述第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜的凸面均朝向所述二色镜。
5.根据权利要求3所述的手持式荧光检测仪，其特征在于：所述光源设置于所述第一凸透镜的左侧焦点处，所述卡槽设置于所述第二凸透镜的下方焦点处；所述光电传感器设置于所述第三凸透镜的上方焦点处。
6.根据权利要求1所述的手持式荧光检测仪，其特征在于：所述信号放大电路包括相连的电荷灵敏前置放大电路和二级放大电路，所述电荷灵敏前置放大电路连接于所述光电传感器，所述二级放大电路连接于所述峰值保持电路；所述电荷灵敏前置放大电路设置第一集成运算放大器；所述二级放大电路设置第二集成运算放大器。
7.根据权利要求6所述的手持式荧光检测仪，其特征在于：所述第一集成运算放大器通过一引脚接地，通过另一引脚连接双电容；所述电荷灵敏前置放大电路中设置有第一电容，第一电容的两端分别直接连接所述第一集成运算放大器的反相输入端和输出端；所述第一集成运算放大器的同相输入端连接偏置电极。
8.根据权利要求7所述的手持式荧光检测仪，其特征在于：所述第一电容的两端还并联一个反馈电阻；所述第一集成运算放大器的反相输入端还连接第一电阻的输出端，第一电阻的输入端分别连接于所述光电传感器、第一接地电容以及二级放大电路；所述第一集成运算放大器的输出端还连接第二电阻，第二电阻连接于所述二级放大电路。
9.根据权利要求8所述的手持式荧光检测仪，其特征在于：所述电荷灵敏前置放大电路输出与光电流呈正比例关系的电压信号，输出电压与输入电流的简化关系为Uout1＝R*IPD，其中Uout1为电路的第一级输出电压信号，R为所述反馈电阻的阻值，IPD为所述光电传感器输入的电流。
10.根据权利要求9所述的手持式荧光检测仪，其特征在于：二级放大电路为正向比例放大电路，放大倍数为Uout2＝2*Uout1-Ubias1V，其中Uout2为电路的第二级输出信号，Ubias1V为偏置电压。
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CN114252421A (zh) * 2021-12-21 2022-03-29 南京长健生物科技有限公司 一种手持式荧光检测仪
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