專利名稱：上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀及對樣品試紙條的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀，特別是一種上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀及對樣 品試紙條的檢測方法。
背景技術(shù)：
上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀是一種以上轉(zhuǎn)換磷光材料為標(biāo)記物的新型生物免疫檢測 儀器。具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的材料是由稀土金屬元素摻雜于晶體的晶格中而構(gòu)成的 化合物，其發(fā)光機理是上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料通過吸收兩個或多個紅外光子發(fā)出一個可見 光子。將這種上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料制備成納米級顆粒，標(biāo)記于生物分子，在紅外光激發(fā) 下該顆粒將發(fā)出可見磷光。根據(jù)磷光的有無及其強弱，可判斷被檢生物分子的屬性 及含量。
在先技術(shù)中，上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀所采用的技術(shù)方案，可參見中國科學(xué)院上 海光學(xué)精密機械研究所余琨等人在2006年6月7日申請的實用新型專利"一維多重檢 測上轉(zhuǎn)換磷光生物傳感器"(專利號為ZL200620042469.2)。上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測 儀通常由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、控制系統(tǒng)、驅(qū)動模塊、步進電機和供放置試紙條 的掃描平臺組成。其中的光學(xué)系統(tǒng)包括紅外半導(dǎo)體激光器、激發(fā)光路和磷光接收光 路，由紅外半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激發(fā)光束通過激發(fā)光路照射在試紙條上，磷光接收 光路與光電探測器相連接；光電探測器為光電倍增管；掃描平臺與步進電機相連， 而步進電機通過驅(qū)動模塊與控制系統(tǒng)相連。該實用新型的控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和 控制顯示兩個子系統(tǒng)，以89V51RD型8位單片機為核心。其中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由第一 單片機、AD芯片、外擴RAM、外擴I/0口、 RS232接口和地址鎖存器組成，第一單 片機一方面分別接AD芯片、外擴RAM、外擴I/0口、 RS232接口和地址鎖存器，并 通過地址鎖存器與外擴RAM地址端相連，另一方面還與所述的控制顯示系統(tǒng)相連；掃 描平臺與步進電機相連，而步進電機通過驅(qū)動模塊與第一單片機相連；光電探測器 輸出端通過AD芯片與第一單片機相連。其中的控制顯示系統(tǒng)由第二單片機、液晶顯 示屏、時鐘芯片、薄膜鍵盤、外擴RAM、外擴I/0口、 RS232接口、打印機和地址鎖 存器組成，第二單片機一方面分別與液晶顯示屏、時鐘芯片、薄膜鍵盤、外擴RAM、 外擴I/0口、 RS232接口、打印機和地址鎖存器相連，并通過所述的地址鎖存器與外
5擴RAM地址端相連，另一方面還與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第一單片機相連。
檢測時，試紙條放在步進電機的掃描平臺上，由紅外半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激發(fā)光 束通過激發(fā)光路照射在試紙條表面形成一個長方形光斑，激發(fā)出可見磷光，磷光信 號經(jīng)磷光接收光路和光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。操作人員通過控 制顯示系統(tǒng)設(shè)置試紙條的序列號(以下簡稱試紙ID)、待檢測的生物細菌類別(如 鼠疫菌，以下簡稱檢測物)、判斷被檢物為陰性或陽性所需的閾值(以下簡稱判定 值)、計算被檢物濃度大小的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的斜率參數(shù)A (以下簡稱參數(shù)A)和截距 參數(shù)B (以下簡稱參數(shù)B)。當(dāng)用戶完成參數(shù)設(shè)置并發(fā)送開始檢測命令，控制顯示系 統(tǒng)的第二單片機便向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送開始信號，隨后等待采集完畢信號。數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)的第一單片機接收到該信號后，便采集光電探測器輸出的信號，并通過驅(qū)動 模塊驅(qū)動步進電機帶動掃描平臺移動，同時監(jiān)控步進電機。光電探測器輸出的模擬 信號進入AD芯片的模擬輸入端，此時第一單片機驅(qū)動AD芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將 轉(zhuǎn)換結(jié)果送入外擴RAM。采集結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通知控制顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集已 完畢，等待控制顯示系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)?？刂骑@示系統(tǒng)收到采集完畢信號后，第二單片 機由外擴I/0口讀取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并送液晶顯示屏畫出曲線圖。操作 人員人工干預(yù)確定檢測帶和質(zhì)控帶的位置后，控制顯示系統(tǒng)計算得出檢測結(jié)果，作 出結(jié)果判斷，并由液晶顯示屏顯示檢測報告。 上述在先技術(shù)的缺點是
1) 控制系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)，電路設(shè)計復(fù)雜，調(diào)試不便，浪費資源。數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)和控制顯示系統(tǒng)各為一塊獨立印制電路板(以下簡稱PCB)，各子系統(tǒng)選用的 器件的集成度不高，兩個子系統(tǒng)之間的通訊也增加了額外的硬件和軟件開銷，從而 造成硬件電路設(shè)計復(fù)雜。調(diào)試時必須先分別對兩塊PCB獨立進行調(diào)試，然后將兩塊 PCB連在一起進行調(diào)試。同時，在工作過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集時， 控制顯示系統(tǒng)處于等待狀態(tài)而不做任何操作，直到采集完畢才進行數(shù)據(jù)處理和其他 操作，從而浪費了資源，提高了生產(chǎn)成本。
2) 需要頻繁的人工干預(yù)。每檢測一個試紙條前，操作人員需要設(shè)置試紙ID、檢 測物、判定值、參數(shù)A和參數(shù)B。而且，數(shù)據(jù)采集完畢后，操作人員必須人工干預(yù)確 定檢測帶和質(zhì)控帶的位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的問題，提供一種上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀及對樣品試紙條的檢測方法，該檢測儀具有設(shè)計簡單、調(diào)試方便的控制系統(tǒng)，能快 速、準(zhǔn)確地進行生物免疫檢測。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀，由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、控制系統(tǒng)、驅(qū)動模塊、 步進電機和供放置試紙條的掃描平臺組成，其特點在于-
所述的控制系統(tǒng)包括微處理器、光電探測器接口、信號采集電路、驅(qū)動模塊接口、 液晶顯示模塊、矩陣鍵盤、射頻識別模塊、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(以下簡稱D/A)、儲 存器、安全數(shù)碼卡(以下簡稱SD卡)和微型打印機。其中，光電探測器接口的輸 出接口經(jīng)信號采集電路與微處理器的一個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(以下簡稱A/D)輸入通道 相連；驅(qū)動模塊接口的方向信號、驅(qū)動信號與微處理器的2個輸入/輸出端口 (以下 簡稱I/O 口)相連，步進電機經(jīng)驅(qū)動模塊和驅(qū)動模塊接口與微處理器相連，而掃描 平臺與步進電機連接在一起；液晶顯示模塊的寫信號、讀信號、片選信號與微處理 器的3個I/0口相連，液晶顯示模塊的內(nèi)部寄存器低位地址、高位地址與微處理器 的2個I/O 口相連，液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)端口與微處理器的8個I/O 口相連；矩陣鍵 盤的行信號與微處理器的4個I/O 口相連，矩陣鍵盤的列信號與微處理器的4個I/O 口相連；射頻識別模塊的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送與微處理器的2個I/O 口相連；D/A 的片選信號、時鐘信號、數(shù)據(jù)輸入與微處理器的3個I/O 口相連，D/A的電壓輸出 與光電探測器接口的輸入接口相連；儲存器的片選信號、時鐘信號、數(shù)據(jù)輸出、數(shù) 據(jù)輸入與微處理器的4個I/0 口相連；SD卡的片選信號、時鐘信號、數(shù)據(jù)輸出、命 令輸入與微處理器的4個I/0口相連，SD卡的寫保護狀態(tài)輸出、插入狀態(tài)輸出與微 處理器的2個I/0 口相連；微型打印機的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、忙狀態(tài)輸出與微處 理器的3個I/0口相連。
所述的上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀的檢測對象是試紙條。所述的試紙條由安裝在試紙 條外殼內(nèi)的試紙和射頻識別卡構(gòu)成，所述的試紙含有一個樣品墊、 一個檢測帶、一 個質(zhì)控帶，所述的射頻識別卡中的信息包括試紙ID、檢測物、判定值、參數(shù)A和參 數(shù)B。生產(chǎn)試紙條時，通過信息寫入設(shè)備將上述信息寫入到射頻識別卡中。從而， 工作時控制系統(tǒng)經(jīng)射頻識別模塊訪問射頻識別卡，即可判知有無試紙條和讀入其中 的信息。
所述的微處理器是資源豐富的ARM處理器、混合信號系統(tǒng)級芯片或其他高級處 理器。
7所述的D/A將微處理器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓信號，該電壓信號送至光電探 測器的光電探測器接口的輸入接口以控制光電探測器輸出信號的幅度大小。將信號 幅度的總范圍分為若干個等級，根據(jù)公式(l)可得到不同等級對應(yīng)的控制參數(shù)，公式 (l)如下表示<formula>formula see original document page 8</formula>其中，n為控制參數(shù)，N為控制參數(shù)最大值，a為信號幅度等級，M為總的信號幅 度等級。將計算得到的控制參數(shù)保存在微處理器中存儲器的一個數(shù)組中，即數(shù)組元 素為控制參數(shù)，數(shù)組元素的標(biāo)號為相應(yīng)的信號幅度等級。工作時，微處理器根據(jù)設(shè) 置的信號幅度等級，將數(shù)組元素標(biāo)號所對應(yīng)的控制參數(shù)送至D/A轉(zhuǎn)換成電壓信號。 所述的上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀對樣品試紙條的檢測方法，包括如下步驟
① 準(zhǔn)備
所述的上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀上電后進入檢測界面，所述的控制系統(tǒng)自動檢測掃 描平臺是否在掃描起始位置。如果不在掃描起始位置，控制系統(tǒng)經(jīng)驅(qū)動模塊驅(qū)動步 進電機復(fù)位掃描平臺。試紙條未插入掃描平臺時，在液晶顯示模塊上提示"請插入 試紙條！"；
② 自動檢測
當(dāng)試紙條插入掃描平臺時，所述的控制系統(tǒng)自動讀入試紙條的射頻識別卡中的信 息，按測量鍵進入自動檢測
所述的控制系統(tǒng)經(jīng)驅(qū)動模塊驅(qū)動步進電機帶動掃描平臺向前移動，從質(zhì)控帶的右 側(cè)至檢測帶的左側(cè)對試紙條進行掃描，并在液晶顯示模塊上實時顯示采集到的信號 分布曲線；
待掃描完畢，所述的控制系統(tǒng)經(jīng)驅(qū)動模塊驅(qū)動步進電機復(fù)位掃描平臺；控制系統(tǒng) 利用自適應(yīng)邊界提取算法自動確定檢測帶和質(zhì)控帶的邊界線位置、進行數(shù)據(jù)處理、 檢測結(jié)果顯示和檢測報告的存儲；
③ 若需繼續(xù)檢測，更換試紙條，所述的控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)新的試紙條，即自動讀入新 的試紙條的射頻識別卡中的信息，按測量鍵，即進入自動檢測。
所述的自適應(yīng)邊界提取算法是根據(jù)采集到的信號的特征，即檢測帶和質(zhì)控帶的信 號幅度遠大于本底的信號幅度，質(zhì)控帶位于檢測帶之前以及檢測帶和質(zhì)控帶的信號 幅度變化劇烈而本底的信號幅度變化平緩，首先全局查找第一極大值yl并記錄其位置xl;將第一極大值yl位置xl附近即xl-15至xl+15之間的數(shù)據(jù)賦0，再査找第 二哮大值y2及其位置x2;比較xl和x2的大小，值較小的作為質(zhì)控帶的峰值位置， 值較大的作為檢測帶的峰值位置，并分別確定質(zhì)控帶和檢測帶的峰值大??；從質(zhì)控 帶的峰值位置開始到1進行搜索，判斷相鄰兩個采樣點的數(shù)據(jù)的差值，若小于給定 的幅度閾值，計數(shù)器的值加1，否則將計數(shù)器的值賦0重新開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器的 值達到給定的計數(shù)閾值，則將該位置即此時進行比較的兩個采樣點中序號較小者的 位置作為質(zhì)控帶的左邊界線位置，否則繼續(xù)判斷下兩個相鄰采樣點的數(shù)據(jù)的差值； 從質(zhì)控帶的峰值位置到檢測帶的峰值位置之間搜索質(zhì)控帶的右邊界線位置，方法與 上述步驟相同；同樣地，確定檢測帶的左邊界線位置和右邊界線位置。 所述的數(shù)據(jù)處理方法是
① 根據(jù)自適應(yīng)邊界提取算法確定檢測帶和質(zhì)控帶的邊界線位置，計算檢測帶和 質(zhì)控帶的磷光信號強度ST和Sc，即它們各自的邊界線、信號分布曲線和橫坐標(biāo)所圍 成的圖形的面積，最后得到兩者的比值ST/Sc;
② 判定若St/Sc小于判定信，則為陰性，否則為陽性；
③ 利用ST/SC與待檢試紙條中含有的被檢物濃度呈線性關(guān)系和下列公式計算被 檢物的濃度
濃度=參數(shù)A* St/Sc+參數(shù)B (2)
式中參數(shù)A是計算被檢物濃度的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的斜率，參數(shù)B是計算被檢物
濃度的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的截距。
與在先技術(shù)相比，本發(fā)明有以下技術(shù)效果
1)本發(fā)明的控制系統(tǒng)具有簡單、體積小、成本低和調(diào)試方便的特點。該系統(tǒng)以
資源豐富、性價比高的微處理器為核心，省去了外擴的AD芯片、時鐘芯片、地址
鎖存器和保證兩個子系統(tǒng)之間可靠通訊所需的硬件和軟件開銷，使同類產(chǎn)品的控制
系統(tǒng)由原來的兩塊PCB減少為一塊，精簡了硬件開銷，減小了控制系統(tǒng)的體積，降 低了生產(chǎn)成本。而且，在一塊PCB上即可完成所有的調(diào)試任務(wù)。
.2)檢測操作簡便。只需在液晶顯示模塊上設(shè)定信號幅度等級即可實現(xiàn)對信號幅 度的調(diào)節(jié)，而且根據(jù)信號幅度的等級很容易把握調(diào)節(jié)的幅度大小。備份儀器中記錄 的檢測報告時只需將SD卡插入系統(tǒng)，按輸出鍵即可將系統(tǒng)中記錄的檢測報告以文 檔形式保存到SD卡中。系統(tǒng)能自動讀入試紙條的射頻識別卡中的信息，不再需要 操作人員頻繁地進行檢測參數(shù)的設(shè)置；工作時，試紙條掃描完畢后，系統(tǒng)能自動完 成檢測帶和質(zhì)控帶的邊界線定位、檢測結(jié)果的計算和顯示以及檢測報告的存儲。大大減少了人工干預(yù)，給用戶帶來了極大的方便。


圖1是本發(fā)明上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖。 圖2是本發(fā)明上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 圖3是本發(fā)明采用的試紙條的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本發(fā)明的信號采集電路示意圖。 圖5是本發(fā)明的自適應(yīng)邊界提取算法的流程圖。 圖6是本發(fā)明上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀采集到的典型信號分布曲線圖。 圖7是本發(fā)明的自適應(yīng)邊界提取算法自動確定檢測帶和質(zhì)控帶的邊界線的結(jié)果 示意圖。
圖8是本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程圖。
圖9是本發(fā)明的控制流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護 范圍。
請參閱圖1，圖1是本發(fā)明上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖，也是本發(fā)明的 一個實施例。它由光學(xué)系統(tǒng)l、光電探測器2、控制系統(tǒng)3、驅(qū)動模塊4、步進電機 5和供放鞏試紙條7的掃描平臺6組成。
所述的上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由圖可見，控 制系統(tǒng)包括微處理器301、光電探測器接口 302、信號采集電路303、驅(qū)動模塊接口 304、液晶顯示模塊305、矩陣鍵盤306、射頻識別模塊307、 D/A308、儲存器309、 SD卡310和微型打印機311。其中，光電探測器接口 302的輸出接口O經(jīng)信號采集 電路303與微處理器301的一個A/D輸入通道INO相連；驅(qū)動模塊接口 304的方向 信號DIR、驅(qū)動信號STEP與微處理器301的2個I/O 口 PC8、 PA8相連，步進電機 5經(jīng)驅(qū)動模塊4和驅(qū)動模塊接口 304與微處理器301相連，而掃描平臺6與步進電 機5連接在一起；液晶顯示模塊305的寫信號WR、讀信號RD、片選信號CS與微 處理器301的3個I/O 口 PBll、 PBIO、 PE7相連，液晶顯示模塊305的內(nèi)部寄存器 低位地址AO、高位地址Al與微處理器301的2個I/O 口 PBO、 PB1相連，液晶顯 示模±央305的數(shù)據(jù)端口 D0 7與微處理器301的8個I/O 口 PE8 15相連；矩陣鍵 盤306的行信號R0W1 4與微處理器301的4個I/O 口 PD8 11相連，矩陣鍵盤
10306的列信號C0L1 4與微處理器301的4個I/O 口 PD12 15相連；射頻識別模 塊307的數(shù)據(jù)接收RX、數(shù)據(jù)發(fā)送TX與微處理器301的2個I/O 口 PA9、PA10相連； D/A308的片選信號CS、時鐘信號SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN與微處理器301的3個I/O 口 PC6、 PB13、 PB15相連，D/A308的電壓輸出Vout與光電探測器接口 302的輸入 接口I相連；儲存器309的片選信號CS、時鐘信號SCK、數(shù)據(jù)輸出SO、數(shù)據(jù)輸入 SI與微處理器301的4個I/0 口 PB12、 PB13、 PB14、 PB15相連；SD卡310的片 選信號CS、時鐘信號CLK、數(shù)據(jù)輸出DATAO、命令輸入CMD與微處理器301的4 個I/O 口 PC5、 PA5、 PA6、 PA7相連，SD卡310的寫保護狀態(tài)輸出WP、插入狀態(tài) 輸出CD與微處理器301的2個I/O 口 PA2、 PA3相連；微型打印機311的數(shù)據(jù)接收 RXD、數(shù)據(jù)發(fā)送TXD、忙狀態(tài)輸出CTS與微處理器301的3個1/0 口 PCll、 PCIO、 PC12相連。
請參閱圖3，圖3是上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀的檢測對象試紙條7的結(jié)構(gòu)示意圖。 試紙與射頻識別卡703安裝于試紙條7的外殼702內(nèi)。試紙含一個樣品墊701、 一 個檢測帶T、 一個質(zhì)控帶C。射頻識別卡703中的信息包括試紙ID、檢測物、判定 值、參數(shù)A、參數(shù)B。生產(chǎn)試紙條7時，通過信息寫入設(shè)備將上述信息寫入到射頻 識別卡703中。從而，工作時控制系統(tǒng)3經(jīng)射頻識別模塊307通過訪問射頻識別卡 703，即可判知有無試紙條7并讀入其中的信息。
所述的微處理器301可以采用資源豐富的ARM處理器、混合信號系統(tǒng)級芯片 或其他高級處理器。本實施例采用STM32F103型ARM處理器，它具有128KB內(nèi) 部只讀存儲器、20KB內(nèi)部隨機存取存儲器、實時時鐘、多個高精度高速A/D輸入 通道、5個定時計數(shù)器、2個串行外圍設(shè)備接口、 3個通用同步異步收發(fā)器和豐富的 1/0口，可方便地實現(xiàn)信號采集、外設(shè)管理和系統(tǒng)控制的功能。
所述的信號采集電路303如圖4所示。信號采集電路的輸入端接光電探測器接 口 302的輸出接口 O，信號采集電路的輸出端接微處理器301的一個A/D輸入通道 INO。由圖可見，精密電阻3031和3032組成一個分壓電路，該分壓電路的作用是把 光電探測器輸出的電壓信號變換到A/D的輸入范圍之內(nèi)。分壓電路的輸出節(jié)點串聯(lián) 一個限流電阻3033，防止大電流損壞A/D輸入通道。
所述的驅(qū)動模塊接口 304的方向信號DIR由微處理器301中PC 口的PC8提供， 當(dāng)PC8輸出低電平時，掃描平臺6向前移動進行掃描操作，否則掃描平臺6進行復(fù) 位操作。微處理器301中的PA8 口產(chǎn)生脈沖方波信號，提供驅(qū)動模塊接口 304的驅(qū)動信號STEP。
所述的矩陣鍵盤306工作于掃描方式。它共有4根行信號線和4根列信號線， 最多可控制4x4矩陣鍵盤。工作時，先使所有行信號R0W1 4輸出低電平，讀入 列信號。若所有列信號均為高電平，則沒有按鍵動作發(fā)生；否則，再逐行掃描以確 定哪個按鍵發(fā)生了動作。
所述的D/A 308將微處理器301輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓信號，該電壓信號送 至光電探測器2的光電探測器接口 302的輸入接口 I以控制光電探測器輸出信號的 幅度大小。將信號幅度的總范圍分為若干個等級，根據(jù)公式(l)可得到不同等級對應(yīng) 的控制參數(shù)。將計算得到的控制參數(shù)保存在微處理器301中存儲器的一個數(shù)組中， 即數(shù)組元素為控制參數(shù)，數(shù)組元素的標(biāo)號為相應(yīng)的信號幅度等級。本實施例將信號 幅度的總范圍分為1 99共99個等級，對應(yīng)的控制參數(shù)數(shù)組如下 Contrl_pra[99]={745,775,805，835,865,895,925，955,985,1015,1045,1075,l 106,1136,1166, 1196，1226,1256，1286，1316,1346，1376,1406,1436,1467,1497,1527,1557,1587,1617,1647, 1677，1707,1737,1767，1797，1828，1858，1888,1918，1948,1978,2008,2038,2068,2098，2128,
2640,2670,2700，2730，2760，2790，2820，2850,2880，2910,2941 ，2971 ，3001 ，3031,3061,3091, 3121,3151,3181,3211，3241,3271，3302,3332,3362,3392,3422,3452，3482，3512,3542,3572， 3602,3632,3662,3693}。
工作時，微處理器301根據(jù)設(shè)置的信號幅度等級，將數(shù)組元素標(biāo)號所對應(yīng)的控制 參數(shù)送至D/A308轉(zhuǎn)換成電壓信號。
所述的上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀對試紙條的檢測方法，包括如下步驟
1) 準(zhǔn)備
所述的上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀上電后進入檢測界面，控制系統(tǒng)3自動檢測掃描平 臺6是否在掃描起始位置。如果不在掃描起始位置，控制系統(tǒng)3經(jīng)驅(qū)動模塊4驅(qū)動 步進電機5復(fù)位掃描平臺6。然后，控制系統(tǒng)3經(jīng)射頻識別模塊307實時査詢試紙 條7， 一旦發(fā)現(xiàn)試紙條7插入掃描平臺6，則讀入試紙條7的射頻識別卡703中的信 息；否則在液晶顯示模塊305上提示"請插入試紙條！"。
2) 自動檢測
當(dāng)試紙條7插入掃描平臺6時，控制系統(tǒng)自動讀入試紙條的射頻識別卡中的信息， 按測量鍵進入檢測狀態(tài)。控制系統(tǒng)3經(jīng)驅(qū)動模塊4驅(qū)動步進電機5帶動掃描平臺6向前移動，從質(zhì)控帶C的右側(cè)至檢測帶T的左側(cè)對試紙條7進行掃描，并在液晶顯 示模塊305上實時顯示采集到的信號分布曲線。待掃描完畢，控制系統(tǒng)3經(jīng)驅(qū)動模 塊4驅(qū)動步進電機5復(fù)位掃描平臺6;控制系統(tǒng)3利用自適應(yīng)邊界提取算法自動確 定檢測帶T和質(zhì)控帶C的邊界線位置、進行數(shù)據(jù)處理、檢測結(jié)果顯示和檢測報告的 存儲。
若需繼續(xù)檢測，更換試紙條7，控制系統(tǒng)3發(fā)現(xiàn)新的試紙條7，即自動讀入新的 試紙條7的射頻識別卡703中的信息，按測量鍵，即進入自動檢測。
請參閱圖5，圖5是本發(fā)明的自適應(yīng)邊界提取算法的流程圖。圖6為上轉(zhuǎn)換磷 光生物檢測儀采集到的典型信號分布曲線圖，由圖可見，檢測帶T和質(zhì)控帶C的信 號幅度遠大于本底G的信號幅度，質(zhì)控帶C位于檢測帶T之前以及檢測帶T和質(zhì)控 帶C的信號幅度變化劇烈而本底G的信號幅度變化平緩。根據(jù)上述信號分布曲線的 特征，可如下確定檢測帶T和質(zhì)控帶C的邊界線位置首先全局查找第一極大值yl 并記錄其位置xl;將第一極大值yl位置xl附近即xl-15至xl+15之間的數(shù)據(jù)賦0， 再查找第二極大值y2及其位置x2;比較xl和x2的大小，值較小的作為質(zhì)控帶C 的峰值位置，值較大的作為檢測帶T的峰值位置，并分別確定質(zhì)控帶C和檢測帶T 的峰值大小；從質(zhì)控帶C的峰值位置開始到1進行搜索，判斷相鄰兩個采樣點的數(shù) 據(jù)的差值，若小于給定的幅度閾值10，計數(shù)器的值加l，否則將計數(shù)器的值賦O后 重新開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器的值達到給定的計數(shù)閾值5，則將該位置即此時進行比較 的兩個采樣點中序號較小者的位置作為質(zhì)控帶C的左邊界線位置，否則繼續(xù)判斷下 兩個相鄰采樣點的數(shù)據(jù)的差值；從質(zhì)控帶C的峰值位置到檢測帶T的峰值位置之間 搜索質(zhì)控帶C的右邊界線位置，方法與上述步驟相同；同樣地，確定檢測帶T的左 邊界線位置和右邊界線位置。請參閱圖7，圖7是利用上述的自適應(yīng)邊界提取算法 確定的檢測帶T和質(zhì)控帶C的邊界線位置的結(jié)果示意圖。
請參閱圖8，圖8是本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程圖。首先根據(jù)自適應(yīng)邊界提取算法 確定檢測帶T和質(zhì)控帶C的邊界線位置，然后計算檢測帶T和質(zhì)控帶C的磷光信號 強度St和Sc，即它們各自的邊界線、信號分布曲線和橫坐標(biāo)所圍成的圖形的面積， 最后得到兩者的比值ST/SC。若St/Sc小于判定僮，則為陰性；否則為陽性。由于ST/SC 與待檢試紙條中含有的被檢物的濃度呈線性關(guān)系，從而根據(jù)公式(2)可得到被檢物的 濃度大小。
本發(fā)明的工作過程如下請參閱圖9，儀器上電后進入檢測界面，控制系統(tǒng)3自動檢測掃描平臺6的位置， 若掃描平臺6不在掃描起始位置，控制系統(tǒng)3經(jīng)驅(qū)動模塊4驅(qū)動步進電機5復(fù)位掃 描平臺6。掃描平臺6復(fù)位后，控制系統(tǒng)3經(jīng)射頻識別模塊307實時查詢試紙條7。 若發(fā)現(xiàn)試紙條7插入掃描平臺6，控制系統(tǒng)3經(jīng)射頻識別模塊307讀入試紙條7的 射頻識別卡703中的信息。此時，紅外半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激發(fā)光束經(jīng)過激發(fā)光路 在試紙條7的表面形成一個長方形照明光斑。從而，沉積在試紙條7中試紙上的上 轉(zhuǎn)換磷光納米顆粒在紅外光的激發(fā)下發(fā)出可見磷光，該磷光信號被磷光接收光路和 光電探測器2轉(zhuǎn)換為電壓信號。按測量鍵啟動檢測，控制系統(tǒng)3經(jīng)驅(qū)動模塊4驅(qū)動 步進電機5帶動掃描平臺6向前移動掃描試紙條7，同時控制系統(tǒng)3監(jiān)控掃描平臺6。 光電探測器2輸出的電壓信號經(jīng)信號采集電路303進入A/D輸入通道INO，此時控 制系統(tǒng)驅(qū)動A/D輸入通道INO進行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號送入控制系 統(tǒng)3進行處理，并在液晶顯示模塊305上實時顯示采集到的信號分布曲線。掃描平 臺6每前進一個采樣點距離，控制系統(tǒng)3經(jīng)信號采集電路303和A/D輸入通道INO 對光電探測器2輸出的電壓信號進行一次模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。待掃描完畢，控制系統(tǒng)3 復(fù)位掃描平臺。隨后，控制系統(tǒng)3利用本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理方法計算出檢測結(jié)果并將 檢測報告顯示在液晶顯示模塊305上。
權(quán)利要求
1、一種上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀，由光學(xué)系統(tǒng)(1)、光電探測器(2)、控制系統(tǒng)(3)、驅(qū)動模塊(4)、步進電機(5)和供放置試紙條(7)的掃描平臺(6)組成，其特征在于所述的控制系統(tǒng)(3)包括微處理器(301)、光電探測器接口(302)、信號采集電路(303)、驅(qū)動模塊接口(304)、液晶顯示模塊(305)、矩陣鍵盤(306)、射頻識別模塊(307)、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(308)、儲存器(309)、安全數(shù)碼卡(310)和微型打印機(311)，所述的光電探測器接口(302)的輸出接口O經(jīng)所述的信號采集電路(303)與所述的微處理器(301)的一個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換輸入通道(IN0)相連；所述的驅(qū)動模塊接口(304)的方向信號(DIR)、驅(qū)動信號(STEP)與所述的微處理器(301)的2個輸入/輸出端口(PC8、PA8)相連，所述的步進電機(5)經(jīng)驅(qū)動模塊(4)和驅(qū)動模塊接口(304)與所述的微處理器(301)相連，所述的掃描平臺(6)與所述的步進電機(5)連接在一起；所述的液晶顯示模塊(305)的寫信號(WR)、讀信號(RD)、片選信號(CS)與所述的微處理器(301)的3個I/O口(PB11、PB10、PE7)相連，所述的液晶顯示模塊(301)的內(nèi)部寄存器低位地址(A0)、高位地址(A1)與所述的微處理器的2個I/O口(PB0、PB1)相連，所述的液晶顯示模塊(301)的數(shù)據(jù)端口(D0～7)與所述的微處理器(301)的8個I/O口(PE8～15)相連；所述的矩陣鍵盤(306)的行信號(ROW1～4)與所述的微處理器(301)的4個I/O口(PD8～11)相連，所述的矩陣鍵盤(306)的列信號(COL1～4)與所述的微處理器的4個I/O口(PD12～15)相連；所述的射頻識別模塊(307)的數(shù)據(jù)接收(RX)、數(shù)據(jù)發(fā)送(TX)與所述的微處理器(301)的2個I/O口(PA9、PA10)相連；所述的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(308)的片選信號(CS)、時鐘信號(SCLK)、數(shù)據(jù)輸入(DIN)與所述的微處理器(301)的3個I/O口(PC6、PB13、PB15)相連，所述的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(308)的電壓輸出(Vout)與所述的光電探測器接口(302)的輸入接口(I)相連；所述的儲存器(309)的片選信號(CS)、時鐘信號(SCK)、數(shù)據(jù)輸出(SO)、數(shù)據(jù)輸入(SI)與所述的微處理器(301)的4個I/O口(PB12、PB13、PB14、PB15)相連；所述的安全數(shù)碼卡(310)的片選信號(CS)、時鐘信號(CLK)、數(shù)據(jù)輸出(DATA0)、命令輸入(CMD)與所述的微處理器(301)的4個I/O口(PC5、PA5、PA6、PA7)相連，所述的安全數(shù)碼卡(310)的寫保護狀態(tài)輸出(WP)、插入狀態(tài)輸出(CD)與所述的微處理器的2個I/O口(PA2、PA3)相連；所述的微型打印機(311)的數(shù)據(jù)接收(RXD)、數(shù)據(jù)發(fā)送(TXD)、忙狀態(tài)輸出(CTS)與所述的微處理器(301)的3個I/O口(PC11、PC10、PC12)相連。所述的試紙條(7)由安裝在試紙條外殼(702)內(nèi)的試紙和射頻識別卡(703)構(gòu)成，所述的試紙含有一個樣品墊(701)、一個檢測帶(T)、一個質(zhì)控帶(C)，所述的射頻識別卡(703)中的信息包括試紙ID、檢測物、判定值、參數(shù)A和參數(shù)B。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀，其特征在于所述的微處理器 (301)為資源豐富的ARM處理器、混合信號系統(tǒng)級芯片或其他高級處理器。
3、 利用權(quán)利要求1所述的上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀對樣品試紙條的檢測方法，特 征在于包括如下步驟① 準(zhǔn)備所述的上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀上電后進入檢測界面，所述的控制系統(tǒng)(3)自動 檢測掃描平臺(6)是否在掃描起始位置。如果不在掃描起始位置，控制系統(tǒng)(3) 經(jīng)驅(qū)動模塊(304)驅(qū)動步進電(5)機復(fù)位掃描平臺(6)。試紙條(7)未插入掃描 平臺(6)時，在液晶顯示模塊(305)上提示"請插入試紙條！"；② 自動檢測當(dāng)試紙條(7)已插入掃描平臺(6)時，所述的控制系統(tǒng)(3)自動讀入試紙條 (7)的射頻識別卡(703)中的信息，按測量鍵進入自動檢測控制系統(tǒng)(3)經(jīng)驅(qū)動模塊(304)驅(qū)動步進電機(5)帶動掃描平臺(6)向前移 動，從質(zhì)控帶(C)的右側(cè)至檢測帶(T)的左側(cè)對試紙條(7)進行掃描，并在液 晶顯示模塊(305)上實時顯示采集到的信號分布曲線；待掃描完畢，控制系統(tǒng)(3)經(jīng)驅(qū)動模塊(304)驅(qū)動步進電機(5)復(fù)位掃描平 臺(6);控制系統(tǒng)(3)利用自適應(yīng)邊界提取算法自動確定檢測帶(T)和質(zhì)控帶(C) 的邊界線位置、進行數(shù)據(jù)處理、檢測結(jié)果顯示和檢測報告的存儲；③ 若需繼續(xù)檢測，更換試紙條(7)，所述的控制系統(tǒng)(3)發(fā)現(xiàn)新的試紙條(7)， 即自動讀入新的試紙條(7)的射頻識別卡(703)中的信息，按測量鍵，即進入自 動檢測。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的所述的上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀對樣品試紙條的檢測方 法，特征在于所述的自適應(yīng)邊界提取算法是根據(jù)采集到的信號的特征，即檢測帶(T) 和質(zhì)控帶(C)的信號幅度遠大于本底(G)的信號幅度、質(zhì)控帶(C)位于檢測帶(T)之前以及檢測帶(T)和質(zhì)控帶(C)的信號幅度變化劇烈而本底(G)的信號幅度變化平緩，首先全局査找第一極大值(yl)并記錄其位置(Xl);將第一極大值 (yl)位置(xl)附近即xl-15至xl+15之間的數(shù)據(jù)賦0，再査找第二極大值(y2) 及其位置(x2);比較xl和x2的大小，值較小的作為質(zhì)控帶(C)的峰值位置，值 較大的作為檢測帶(T)的峰值位置，并分別確定質(zhì)控帶(C)和檢測帶(T)的峰 值大??；從質(zhì)控帶(C)的峰值位置開始到1進行搜索，判斷相鄰兩個采樣點的數(shù)據(jù) 的差值，若小于給定的幅度閾值，計數(shù)器的值加1，否則將計數(shù)器的值賦0重新開 始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器的值達到給定的計數(shù)閾值，則將該位置即此時進行比較的兩個采 樣點中序號較小者的位置作為質(zhì)控帶(C)的左邊界線位置，否則繼續(xù)判斷下兩個相 鄰采樣點的數(shù)據(jù)的差值；從質(zhì)控帶(C)的峰值位置到檢測帶(T)的峰值位置之間 搜索質(zhì)控帶(C)的右邊界線位置，方法與上述步驟相同；同樣地，確定檢測帶(T) 的左邊界線位置和右邊界線位置。
5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的所述的上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀對樣品試紙條的檢測方法，特征在于所述的數(shù)據(jù)處理方法是① 根據(jù)自適應(yīng)邊界提取算法確定檢測帶(T)和質(zhì)控帶(C)的邊界線位置，計 算檢測帶(T)和質(zhì)控帶(C)的磷光信號強度St和Sc，即它們各自的邊界線、信 號分布曲線和橫坐標(biāo)所圍成的圖形的面積，最后得到兩者的比值ST/SC;② 判定若St/Sc小于判定僮，則為陰性，否則為陽性；③ 利用ST/SC與待檢試紙條中含有的被檢物濃度呈線性關(guān)系和下列公式計算被 檢物的濃度濃度=參數(shù)A* St/Sc+參數(shù)B 式中參數(shù)A是計算被檢物濃度的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的斜率，參數(shù)B是計算被檢物 濃度的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的截距。
全文摘要
一種上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀及對樣品試紙條的檢測方法，上轉(zhuǎn)換磷光生物檢測儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、控制系統(tǒng)、驅(qū)動模塊、步進電機和供放置試紙條的掃描平臺組成，所述的控制系統(tǒng)包括微處理器、光電探測器接口、信號采集電路、驅(qū)動模塊接口、液晶顯示模塊、矩陣鍵盤、射頻識別模塊、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器、儲存器、安全數(shù)碼卡和微型打印機，所述的試紙條由安裝在試紙條外殼內(nèi)的試紙和射頻識別卡構(gòu)成，所述的試紙含有一個樣品墊、一個檢測帶、一個質(zhì)控帶，所述的射頻識別卡中的信息包括試紙ID、檢測物、判定值、參數(shù)A和參數(shù)B。本發(fā)明具有設(shè)計簡單、調(diào)試方便的控制系統(tǒng)，能快速、準(zhǔn)確地進行生物免疫檢測。
文檔編號G01N21/64GK101539572SQ20091004492
公開日2009年9月23日 申請日期2009年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月6日
發(fā)明者蕾 周, 屈建峰, 張友寶, 楊瑞馥, 謝承科, 郭小嫻, 黃惠杰, 黃立華 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所