CN1766579A - 上转换磷光免疫层析试纸条检测系统 - Google Patents

Abstract

一种上转换磷光免疫层析试纸条检测系统，其构成包括：照明系统包括一激发光源，在该激发光源的输出光路上依次是光纤束、准直透镜、分色镜、前镜组，直至试纸条，该试纸条位于所述的前镜组的物面上，所述的分色镜的反射面与光轴夹角为45°；成像系统由共光轴的前镜组、分色镜、滤光片和后镜组构成；磷光图像接收器件为CCD，位于后镜组的像面上；所述的CCD的输出端接一数据采集电路，该数据采集电路与一控制系统相连。本发明系统应能对试纸条上被检测区域内UCP颗粒的存在量进行精确检测，提高检测速度，降低功耗，电池长时间供电，便于独立工作。

Description

上转换磷光免疫层析试纸条检测系统

技术领域

本发明涉及上转换磷光标记技术，特别是一种上转换磷光免疫层析试纸条检测系统，该系统可对基于上转换磷光技术的免疫层析试纸条进行结果判读，从而实现对病原体、违禁药品等多种目标被检物的定性与定量检测。

背景技术

上转换磷光技术是基于上转换磷光材料而发展起来的一种新型标记技术。长波长辐射通过特殊机制转换成短波长辐射称为上转换。具有上转换磷光现象的特殊材料被称为上转换磷光材料(Up-Converting Phosphor以下简称UCP)。在红外光激发下，这种材料发射波长远短于激发光的可见光。若将上转换发光颗粒与生物活性分子通过共价键相连接制备成标记物，并使其在层析的过程中通过免疫反应固定于固相载体的表面，便可在红外光激发下，通过对免疫层析试纸条进行判读，实现对生物样品中的目标被检物的测量。

以UCP作为标记物的检测技术可对被检物进行无损伤检测，并且具有检测灵明度高、性能稳定、使用安全等众多优点。同时，UCP发光标记物的特点可与仪器结合对目标被检物进行多重定量检测。因此，需要一个免疫层析试纸条检测系统对试纸条进行结果判读，从而最终实现对多种目标被检物的快速定量检测。

在先技术中，以UCP作为标记物的检测仪器通常将激光聚焦为一焦线，对整个试纸条进行机械扫描，以光电倍增管(PMT)作为信号采集元件，通过PMT将扫描所得信号依次读入PC计算机，然后进行数据处理。在处理过程中，通常需要人工干预以确定试纸条上功能带的位置。

上述在先技术的缺点是：

1、结构复杂，速度慢。激发光聚焦为焦线，使用PMT作为信号采集及光电转换元件，一次只能获取一个点的数据，必须通过机械扫描才能完成整个数据的采集。

2、对激发光源的稳定性要求高。由于信号采集是通过长时间机械扫描完成的，对试纸条上信号的获取不能同步完成，因此激发光源输出性能的不稳定将影响检测结果。

3、信号可靠性受影响。扫描过程中，因机械运动可能使激光器抖动，造成照明光强波动，影响采集。

4、操作复杂。数据处理过程中，需要人工干预，影响了速度，并且增加了操作的复杂性。

5、资源浪费。通过PC计算机进行控制和数据处理，实际上只利用了PC计算机众多功能中的一小部分，而其他功能虽不能利用却仍要占据处理时间和资源，造成了时间和功耗浪费。运行速度受到很大限制，并且由于功耗大，不能采用干电池供电，至使仪器不能独立工作。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的由于扫描所带来的诸多问题，提供一种上转换磷光免疫层析试纸条检测系统，该系统应能对试纸条上被检测区域内UCP颗粒的存在量进行精确检测，提高检测速度，降低功耗，电池长时间供电，便于独立工作。

本发明的技术解决方案如下：

一种上转换磷光免疫层析试纸条检测系统，特征在于其由照明系统、成像系统、磷光图像接收器件、数据采集电路、控制系统组成：

所述的照明系统包括一激发光源，在该激发光源的输出光路上依次是光纤束、准直透镜、分色镜、前镜组，直至试纸条，该试纸条位于所述的前镜组的物面上，所述的分色镜的反射面与光轴夹角为45°；

所述的成像系统由共光轴的前镜组、分色镜、滤光片和后镜组构成，所述的磷光图像接收器件为CCD，位于后镜组的像面上，所述的前镜组和后镜组都采用分离结构；

所述的照明系统的光路在分色镜之前部分与所述的成像系统的光轴垂直，而所述的照明系统的光路在分色镜之后的部分与所述的成像系统共光轴；所述的CCD的输出端接所述的数据采集电路，该数据采集电路与所述的控制系统相连。

所述的数据采集电路由单片机、集成运放、AD芯片、外扩RAM、外扩I/O口、RS232接口和地址锁存器组成，所述的单片机一方面分别接AD芯片、外扩RAM数据端、外扩I/O口、RS232接口和地址锁存器相连，所述的单片机还通过地址锁存器与外扩RAM地址端相连，另一方面还与CCD控制端和所述的控制系统相连，所述的CCD输出端通过集成运放与AD芯片再与所述的单片机相连。

所述的控制系统由单片机、LCD、时钟芯片、键盘、外扩RAM、外扩I/O口、RS232接口、打印机和地址锁存器组成，该单片机一方面分别与LCD、时钟芯片、键盘、外扩RAM、外扩I/O口、RS232接口、打印机和地址锁存器相连，另一方面还与所述的数据采集电路的单片机相连。

所述的激发光源是一半导体激光器。

所述的光纤束将所述的激发光源发出的激发光分成有一定间距的两束光，以分别照明位于所述的前镜组物面上的试纸条的检测带和质控带。

所述的分色镜是一对红外激发光全反和对可见磷光全透的介质膜板。

本发明系统的工作情况如下：所述的半导体激光器所发出的激发光经过光纤束后分为有一定间距的两束光，经分色镜反射并通过前镜组对光斑大小调整后照射在试纸条表面，两束激发光分别照明试纸条的检测带和质控带两功能带，激发出可见磷光。

被激发出的可见磷光依次透过分色镜和滤光片去噪后由后镜组成像在一维CCD的光敏面上，从而使试纸条上的磷光分布由CCD光敏面上的像素大小分布体现。

所述的磷光图像接收器即一维CCD。试纸条发射的磷光分布完整成像于CCD光敏面上，并由CCD将光信号转换为电信号，送入数据采集电路进行分析。

所述的数据采集电路主要由单片机、集成运放、AD芯片、外扩RAM、外扩I/O口和RS232接口等组成。CCD驱动脉冲由单片机通过对IO口软件编程实现，同时单片机监控CCD移位寄存器工作状况，以即时驱动AD芯片转换经集成运放放大后的CCD数据。CCD每移出一位数据，AD芯片就进行一次转换，直至CCD将一次采集的数据全部移出。采集结果数据由外扩RAM存储。一次采集完毕后，单片机再将数据从外扩RAM中取出进行分析和处理。数据采集电路通过外扩IO与控制电路进行数据交换。

所述的控制电路由单片机、LCD、时钟芯片、键盘、外扩RAM、外扩I/O口、RS232接口和打印机等组成。单片机通过不断扫描键盘接受用户指令，并转入相应的子程序进行处理。时间由时钟芯片每分钟通过外部中断送入单片机。用户的操作步骤，输入数据和检测结果等都由LCD进行显示。

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1、采用一维CCD作为磷光图像转换器件，可以一次获得试纸条上的磷光颗粒分布，检测时间短，对激发光源的稳定性要求低。

2、照明系统中用光纤束来传导激发光，形成两个均匀光斑，分别照明检测带与质控带，照明效率高、均匀性好。

3、照明系统与成像系统共光路，结构简单，调试方便。

4、无需人工干预，简化操作。采用特定的算法，可自行查找出检测带和质控带的位置。

5、系统电路部分由单片机系统构成，功能专一，无资源浪费，执行速度快，控制能力强，操作简单，功耗低，由干电池供电，可独立工作。

6、成像系统均采用分离单透镜，可以传输高强度的激发光。

7、CCD驱动脉冲由单片机软件编程实现，省去了繁复的驱动电路，并能实现单片机对CCD的即时控制，保证信号采集的时效性。

附图说明

图1是本发明实施例的结构框图及光路图。

图2是本发明采用的试纸条的结构示意图。

图3是本发明的数据采集电路结构框图。

图4是本发明的控制电路结构框图。

图5是本发明的信号数据处理算法流程图。

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是本发明实施例的结构框图及光路图，由图可见，本发明上转换磷光免疫层析试纸条检测系统，由照明系统、成像系统、一维CCD11、数据采集电路8、控制系统9组成：

所述的照明系统包括一半导体激光器1，在该半导体激光器1的输出光路上依次是光纤束2、准直透镜3、分色镜4、前镜组5，直至试纸条10，该试纸条10位于所述的前镜组5物面上，所述的分色镜4反射面与光轴夹角为45°；

所述的成像系统由共光轴的前镜组5、分色镜4、滤光片6和后镜组7构成，所述的CCD11位于后镜组7的像面上，所述的前镜组5和后镜组7都采用分离结构；

所述的照明系统的光路在分色镜4之前部分与所述的成像系统的光轴垂直，而所述的照明系统的光路在分色镜4之后的部分与所述的成像系统共光轴；

所述的CCD11的输出端接所述的数据采集电路8，该数据采集电路8与所述的控制系统9相连。

所述的数据采集电路8由单片机801、集成运放802、AD芯片803、外扩RAM804、外扩I/O口805、RS232接口806和地址锁存器807组成，所述的单片机801一方面分别接AD芯片803、外扩RAM804数据端、外扩I/O口805、RS232接口806和地址锁存器807相连，所述的单片机801还通过地址锁存器807与外扩RAM804地址端相连，另一方面还与CCD11控制端和所述的控制系统9相连，所述的CCD11输出端通过集成运放802与AD芯片803再与单片机801相连。

所述的控制系统9由单片机901、LCD902、时钟芯片903、键盘904、外扩RAM905、外扩I/O口906、RS232接口907、打印机908和地址锁存器909组成，该单片机901一方面分别与LCD902、时钟芯片903、键盘904、外扩RAM905、外扩I/O口906、RS232接口907、打印机908和地址锁存器909相连，另一方面还与所述的数据采集电路8的单片机801相连。

所述的光纤束2将所述的一半导体激光器1发出的激发光分成有一定间距的两束光，以分别照明位于所述的前镜组5前焦面上试纸条10的检测带1001和质控带1002。

所述的分色镜4是对红外激发光全反和对可见磷光全透的介质膜板。

其工作情况如下：

半导体激光器1发射的红外激光经过光纤束2分为两束有一定间距，强度相同的激光束后由照明透镜3准值为两束平行光，入射到分色镜4表面。该分色镜4的反射面与光轴夹角为45°，其作用为反射激发光并透过磷光。红外激发光被分色镜4反射后通过三分离结构的前镜组5照射在试纸条10表面，两激光光斑的中心距与试纸条两功能带的中心距相等，即两激光光斑正好同时照明试纸条10的检测带1001和质控带1002，请参阅图2。这两条带上的磷光发射强度就是本发明所要检测的信号。此时，沉积在试纸条两功能带上的UCP颗粒受到红外激光激发后，通过上转换发出可见磷光。该磷光又经前镜组5入射到分色镜4表面，透过分色镜4，并经滤光片6滤除杂光后，由分离结构的后镜组7成像在CCD11光敏面上。CCD11上对应于两条功能带成像位置处的像素值会不同于周围的像素值，对应的由CCD转换得到的各个电信号的强度值也会有同样的分布。图1中，8位数据采集电路，9位控制电路。

请参阅图3，单片机801接收到由控制电路发送来的采集开始信号后，便启动CCD11转换已成像在其光敏面上的光信号，并驱动CCD11移位寄存器工作，同时对其进行实时监控，CCD11输出的模拟信号通过集成运放802后到达AD芯片803的模拟输入端，此时单片机801驱动AD芯片802进行模数转换，并将转换的结果送入外扩RAM804，807为地址锁存器，用以锁存选定的地址。采集结束后，单片机801再从外扩RAM 804中取出信号数据进行处理。处理完毕后，得到试纸条两功能带UCP颗粒的浓度比，数据采集电路将所得的结果送至外扩IO口805，并通知控制电路数据采集已完毕，等待控制电路获取结果数据。附图3中806为RS232，可通过它实现单片机与PC计算机的通讯。

请参阅图4，系统上电后，单片机901便控制LCD902显示用户提示，通过扫描键盘904等待用户输入命令，用户可以输入修改时间、设定阈值、设定检测ID号(标号)、发送检测命令、查看和打印检测报告等指令。单片机901接收到相应的指令后便驱动相应的外围芯片工作。时间的修改由单片机901向时钟芯片903进行读写完成，时间的更新由时钟芯片903通过外部中断送入单片机901。当用户完成参数设置并发送检测命令后，单片机901便向数据采集电路8发送启动信号，随后等待采集完毕信号。采集完毕后，单片机901由外扩IO口906读取数据采集电路8发送来的数据，将其与设定阈值R1进行比较后，做出结果判断，并由LCD902显示检测报告，此时用户可选择打印。附图4中的909、905、907、908分别为地址锁存器、外扩RAM、RS232接口、微型打印机。

图5是对采集信号进行数据处理的流程图。CCD一次采集到的全部信号经转换后的电强度分布反映了采集时刻试纸条被激发后的磷光强度分布，也就是试纸条上UCP颗粒的浓度分布。获得了UCP颗粒的浓度分布，就可以获得检测带和质控带的位置，以及两功能带上被检测物的浓度值，他们的比值就是本发明最终所要得到的结果。首先，由于采集过程中不可避免的随机噪声的存在，必须先对信号进行去噪处理，本发明采用了3点平滑去噪。其次，采用求区域最大值法，求得两个有一定间隔的磷光强度峰值位置，这个间隔对于符合本发明要求的试纸条而言是在一个确定范围内的，图5中的n为对应这个确定范围下限的像素点数，N为CCD的所有像素数，m1为所找到的磷光强度最大值所对应的像素点在CCD一次采集的所有像素点中的顺序排位。然后，由于功能带本身有1mm的宽度，对应于CCD的50个像素点，本发明分别取两峰值位置周围50个点求平均，作为这两个功能带发射的磷光强度值。最后获得检测带和质控带发射的磷光强度的比值。将这一比值与用户输入的阈值R1进行比较便可作出结果判断。

下面是本发明实施例的具体器件及结构参数：激发光源1选用峰值波长为980nm的半导体激光器。激发光经光纤束2后分为两中心距为3mm，强度相等的光束，可同时照亮中心距也为3mm的检测带1001和质控带1002。。被激发磷光的峰值波长为541.5nm。分色镜4在980nm处的透过率约为0.88％，若不计光能吸收损失，其反射率约为99.12％，而它对荧光波长的透过率在85～95％之间。对541.5nm波长的荧光，滤光片6的透过率大于85％，而对于干扰最大的980nm杂光信号，其透过率接近0。一维CCD 11光敏面长为6.4mm，具有256个像素，像素宽度为25μm。单片机801和901选用的是Philips的89V51RD型号，其具有1kbit的内部RAM和64kbit的内部ROM，能充分满足系统需要。AD芯片803具有12位精度，满量程为10V，精度可达2.44mV。

本发明的采样频率为5kHz，系统完成一次检测仅用3秒钟时间，非常适合需要对免疫试纸条进行快速检测的场合。本系统电源功率不超过3W，功耗低，仅用干电池供电即可，并可长时间工作，适合携带和野外作业。另外，本系统使用一维CCD和单片机系统取代了在先技术中的PMT和PC机，大大降低了成本。这些特点都优于在先技术，令该仪器可广泛应用于各检测领域。

Claims (6)

1、一种上转换磷光免疫层析试纸条检测系统，特征在于其由照明系统、成像系统、磷光图像接收器件(11)、数据采集电路(8)、控制系统(9)组成：

所述的照明系统包括一激发光源(1)，在该激发光源(1)的输出光路上依次是光纤束(2)、准直透镜(3)、分色镜(4)、前镜组(5)，直至试纸条(10)，该试纸条(10)构成物面；

所述的成像系统由共光轴的前镜组(5)、分色镜(4)、滤光片(6)、后镜组(7)构成，所述的分色镜(4)反射面与光轴夹角成45°；所述的磷光图像接收器件CCD(11)位于后镜组(7)的像面上；

所述的前镜组(5)和后镜组(7)都采用分离结构；

所述的照明系统的光路在分色镜(4)之前部分与所述的成像系统的光轴垂直，而所述的照明系统的光路在分色镜(4)之后的部分与所述的成像系统共光轴；

所述的CCD(11)的输出端接所述的数据采集电路(8)，该数据采集电路(8)与所述的控制系统(9)相连。

2、根据权利要求1所述的上转换磷光免疫层析试纸条检测系统，其特征在于所述的数据采集电路(8)由单片机(801)、集成运放(802)、AD芯片(803)、外扩RAM(804)、外扩I/O口(805)、RS232接口(806)和地址锁存器(807)组成，所述的单片机(801)一方面分别与AD芯片(803)、外扩RAM(804)数据端、外扩I/O口(805)、RS232接口(806)和地址锁存器(807)相连，所述的单片机(801)还通过地址锁存器(807)与外扩RAM(804)地址端相连，另一方面还与CCD(11)控制端和所述的控制系统(9)相连，所述的CCD(11)输出端通过集成运放(802)与AD芯片(803)再与单片机(801)相连。

3、根据权利要求1所述的上转换磷光免疫层析试纸条检测系统，其特征在于所述的控制系统(9)由单片机(901)、LCD(902)、时钟芯片(903)、键盘(904)、外扩RAM(905)、外扩I/O口(906)、RS232接口(907)、打印机(908)和地址锁存器(909)组成，该单片机(901)一方面分别与LCD(902)、时钟芯片(903)、键盘(904)、外扩RAM(905)、外扩I/O口(906)、RS232接口(907)、打印机(908)和地址锁存器(909)相连，另一方面还与所述的数据采集电路(8)的单片机(801)相连。

4、根据权利要求1所述的上转换磷光免疫层析试纸条检测系统，其特征在于所述的激发光源(1)是一半导体激光器。

5、根据权利要求1所述的上转换磷光免疫层析试纸条检测系统，其特征在于所述的光纤束(2)将所述的激发光源(1)发出的激发光分成有一定间距的两束光，以分别照明位于所述的前镜组(5)物面上试纸条(10)的检测带(1001)和质控带(1002)。

6、根据权利要求1所述的上转换磷光免疫层析试纸条检测系统，其特征在于所述的分色镜(4)是对红外激发光全反和对可见磷光全透的介质膜板。

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