物理学导论报告.docx

现代物理学导论课程报告半自动化学发光分析仪设计机械工程学院测试计量与仪器5杨晓琦2014 10目录1 绪论21.1 免疫分析技术发展现状21.2 化学发光免疫分析技术的研究现状31.2.1 化学发光免疫分析的原理和分类31.2.2 化学发光免疫分析的关键技术61.3 化学发光免疫分析仪的研究现状与发展前景72 嵌入式系统17102.1 概述102.2基于ARM处理器的嵌入式系统112.3嵌入式网络协议栈122.3.1 InterNich132.3.2AVE-TCP132.3.3uIP132.3.4LwIP133 化学发光分析仪整体设计143.1仪器的设计参数及基本功能143.1.1 仪器设计指标及基本参数143.1.2仪器基本功能143.2仪器总体设计153.3.1 机械系统153.3.2 硬件系统173.3.3 软件系统17参考文献191 绪论1.1 免疫分析技术发展现状免疫分析法，是基于抗体和抗原之间的特异性反应，来测定与分析特定物质的生物化学方法。在免疫反应中免疫分析试剂所表现出的极低的检测限和独特的选择性，使这种分析方法在生物制药、临床检验以及环境化学等领域得到了非常广泛的应用1。免疫分析技术根据其是否被标记可以分为非标记免疫分析法以及标记免疫分析法。而标记免疫分析法根据标记物又可分为放射免疫技术、酶免疫技术、荧光免疫技术、化学发光免疫技术等2。（1）放射免疫技术（RIA）放射免疫技术是将放射性同位素测量的精确性和高度灵敏性与免疫分析技术相结合测定体外超微量物质的技术。经典的放射免疫技术是利用标记抗原和未标记抗原来竞争有限的抗体，通过测定抗体与标记抗原相结合的复合物中的放射性强度，以测出未被标记的抗原量。随着免疫分析技术的发展，各类免疫分析技术如时间分辨荧光免疫分析，化学发光免疫等非放射性标记技术的出现以及完善，放射免疫技术正在逐步被取代3。放射免疫技术的现状及未来的发展前景值得关注。（2）酶免疫技术（EIA）酶免疫技术是利用抗体抗原的特异性结合，以酶作为标记物，再利用酶的高效催化作用原理而建立的。抗原或者抗体与酶的结合，既不会改变抗原或者抗体免疫反应的特异性能，也不会对酶的活性产生影响。酶标抗原或者抗体和相应的抗体或者抗原进行结合后，就会形成酶标抗原-抗体复合物。当复合物中的酶遇到与之相对应的底物时，就会催化底物分解，氧化供氢体进而形成有色物。而有色物的出现，也客观地证明了酶的存在。再根据是否存在有色物以及其浓度，即可推测被测抗体或者抗原的存在以及它的数量4。（3）荧光免疫技术（FIA）荧光免疫技术就是将免疫学方法和荧光标记技术相结合来分析和研究特定物质的方法，它的原理与酶免疫技术很相似。荧光免疫技术可以对液体中或者组织切片中的抗体与抗原进行定性与定量。由于样品以及试剂本身的荧光与激发光的散射，导致其本底荧光较高，进而影响其测定精度。一般采用镧系元素作为其荧光标记物（示踪剂）。抗体或者抗原与相应的示踪剂结合后，再利用荧光检测仪器检测荧光现象或者荧光强度，进而判断出抗体或者抗原的存在、定位以及分布情况还可以定量检测抗体或者抗原的含量5。（4）化学发光免疫技术（CLIA）化学发光免疫分析，是利用化学发光技术的高灵敏度与免疫学方法的高特异性进行结合，来检测分析各种抗体、抗原、激素、酶和药物等的技术。化学发光免疫分析是以化学发光物质作为其标记物（示踪剂），具有快速、简便、重复性好、无放射性污染等优点。化学发光免疫分析技术发展至今已成为一种先进并且成熟的超微量物质的检测技术，应用非常广泛，近几年发展迅猛6，也是目前发展最快、技术最先进、推广最为广泛的免疫分析方法，其精确度和灵敏度比荧光法、酶免法等高出几个数量级，完全可以替代放免法、淘汰酶免法。它还具有特异性强、试剂稳定性高且有效期长、试剂价格低、检测范围宽、方法快速稳定、自动化程度高、操作简单等优点。酶免疫技术、荧光免疫技术、放射免疫技术与化学发光免疫技术在灵敏度、线性范围和试剂有效期方面的对比如图1-1所示。图1-1 酶标免疫技术、荧光免疫技术、放射免疫技术与化学发光免疫技术的特性对比图1.2 化学发光免疫分析技术的研究现状1.2.1 化学发光免疫分析的原理和分类化学发光免疫分析包括两部分：化学发光分析系统与免疫反应系统。化学发光分析系统主要是利用化学发光物质经过氧化剂氧化或催化剂催化后，形成处于激发态的中间体，而当这种中间体由激发态回到相对稳定的基态时，就会同时放出光子（hv）7，再利用测量仪器测量光量子数量，化学发光的基本过程如图1-2所示。免疫反应系统就是在抗原或抗体上标记化学发光物质（处于激发态中间体），或者使用酶作用于发光底物。图1-2 化学发光的基本过程化学发光免疫分析法可以根据标记物的种类分为三类：化学发光免疫分析法（CLIA）、化学发光酶免疫分析法（CLEIA）、电化学发光免疫分析法（ECLIA）。（1）化学发光免疫分析法（CLIA）化学发光免疫分析法是利用化学发光试剂对抗原或抗体进行标记的一种免疫分析方法，该方法也被称作直接化学发光分析法或者非酶促化学发光免疫分析法8。其中鲁米诺类与吖啶酯类是最为常用的标记试剂，发光试剂是带有标记的物质，在发光过程中会消耗标记物，导致发光时间比较短，属于闪光型发光，所以只能进行一次测量，重复性比较差9。（2）化学发光酶免疫分析法（CLEIA）从标记免疫分析的角度上看，化学发光酶免疫分析法（CLEIA），应当属于酶免疫分析，不过酶反应的底物是发光剂，和酶免疫分析的操作步骤完全一致：首先用酶对生物活性物质标记，然后进行免疫反应产生复合物，而复合物上的酶再作用于发光底物，最后通过测定发光信号来进行定性或者定量分析10。其优点是发光强并且稳定，发光时间较长，属于辉光型发光，其缺点是动力学曲线可能会随时间产生漂移，并且低端斜率比较容易成非线性下移。目前，最为常用的酶标记物有碱性磷酸酶（ALP）以及辣根过氧化物酶（HRP），它们都有自己的发光底物。碱性磷酸酶（ALP）具有稳定性好、分子量小、活性高以及易分离提纯的特点，已经广泛的应用于核酸杂交分析与酶联免疫分析的标记物中。1,2-二氧杂环丁烷类（AMPPD）是一种超级灵敏的碱性磷酸酶（ALP）底物，其性质非常稳定，而且试剂本身不会发光，碱性磷酸酶（ALP）和1,2-二氧杂环丁烷类（AMPPD）所构成的发光体系已成为目前最灵敏、最重要的化学发光体系之一11。辣根过氧化物酶（HRP）是目前应用广泛的一种酶标试剂，其发光底物为鲁米诺及其衍生物，在化学发光酶免疫分析过程中，利用过氧化物酶来对抗体进行标记，在免疫反应后，发光底物使用鲁米诺，在启动发光试剂（H2O2与NaOH）和过氧化物酶的催化下，鲁米诺发射光子，其发光强度取决于反应中酶的浓度。（3）电化学发光免疫分析法（ECLIA）电化学发光（ECL）是指由于电化学反应所产生的化学发光过程。当电极上有电压或者电流时，则电极上就会发生电化学反应，在电极的反应物中间或者电极的反应产物和溶液中的某种组分中间产生化学反应进而形成激发状态的中间体12，当中间体由激发状态回归到基态时就会产生发光现象。总的来说，ECLIA是免疫测定与化学发光的结合体，其包含了化学发光和电化学两个过程。目前，实际应用的主要是钌联吡啶Ru(bpy)32+电化学发光体系。钌联吡啶Ru(bpy)32+电化学发光的过程如图1-3所示。图1-3 钌联吡啶电化学发光的过程在钌联吡啶电Ru(bpy)32+化学发光的过程中，钌联吡啶Ru(bpy)32+与三丙胺（TPA）在阳极表面分别被氧化成Ru(bpy)33+与三丙胺阳离子自由基（TPA+ ）13，（TPA+ ）会立即脱去一个质子变成三丙胺自由基（TPA ），三丙胺自由基（TPA ）有还原性，进而会把Ru(bpy)33+还原回激发状态的钌联吡啶Ru(bpy)32+；此过程中钌联吡啶Ru(bpy)32+会发射出波长为620nm的光子返回基态，进而再次参与下一次的化学发光反应。电化学发光免疫分析的突出优点是：灵敏度很高、标记物非常稳定，可以实现多元化检测，可以进行均相免疫分析，可以实现全自动化14。电化学发光免疫分析法（ECLIA）的灵敏度非常高，具有较好的发展前景，所以日益受到人们关注和重视。但是其缺点也比较明显，主要是测量方式比较复杂，冲洗过程过于繁琐严重影响其检测效率的提高，另外仪器维护成本也比较高。上述三种化学发光免疫分析技术，其关键技术的特征总结如下表1.1所示。表1.1 不同化学发光免疫分析方法比较类型CLIACLEIAECLIA标记物鲁米诺、吖啶酯ALP、HRP钌联吡啶影响结果因素较少较多较少光信号闪光型辉光型电激发闪光简便快捷快速较快最快发光底物NaOH-H2O2金刚烷、鲁米诺电激发半自动开放否能否检测成本较高较低较高1.2.2 化学发光免疫分析的关键技术根据化学发光免疫分析技术原理，一般的化学发光免疫分析检测都要经历加样、孵育、洗涤、光检这四个步骤，分别完成样本和试剂的加注、抗原抗体在恒温下的特异性结合、免疫磁珠等的洗涤以及分离、闪光检测15。其中所涉及到的关键技术有化学发光试剂的制备、微量试剂的精确加样、反应物的无损分离以及微弱闪光的检测。（1）化学发光试剂的制备化学发光的物质大多数为有机物，作为化学发光的试剂必须要满足以下条件：（a） 能够与抗体或者抗原偶联形成较为稳定的结合体；（b） 偶联后依然能够保持较高的发光量子和动力；（c） 最小程度的改变被标记物的理化性质，特别是免疫活性；（d） 在试剂所用的浓度下对人体无毒无害。而且需要具备灵敏度高、线性动力学范围宽、光信号持续时间长、结果稳定、误差小、环境友好、行业技术的统一性和规范性等特点。（2）微量试剂的精确加样化学发光免疫分析仪检测精度的提高就同时要求加样精度的提高，主要表现在：病人血清的加注量会直接影响到待检测物的浓度计算，要保证计算精确就需要加样的精确，另外从成本的角度考虑，有些试剂的成本较高（如磁珠），加样量少，会造成测量不精确，加样量过多会提高成本造成浪费。（3）反应物的无损分离由于反应物中存在没有参与反应的杂质，若需要获取精确的检测结果，就必须在进行发光检测前除去这些杂质，就需要进行反应物的无损分离，反应物的分离过程由以下几个过程构成的：（a）吸附过程：将反应物颗粒吸引至反应杯侧壁；（b）冲洗过程：对反应物颗粒进行冲洗；（c）吸液过程：将残留液体吸走。主要的分离技术有离心法、磁分离法和纤维网法。其中磁分离法的分离纯度最高，也是目前国际上最主流的分离技术。磁分离法的主要原理是在复合物中加入微型磁珠，使复合物可被磁场吸引，复合物在磁场的作用下发生移动，进而使含有磁珠的复合物与其他的物质分离。然后即可进行冲洗和吸液。（4）微弱闪光的检测根据化学发光的特性可知，发光物的发光时间极短，发光强度也很弱。反应过程中反应物的发光强度在10-5lm量级，外界光线会对测量结果造成很大的影响，因此测量环境必须严格避免外界光线，因此需要完全密闭的黑暗环境。而发光物的发光时间极短，这又要求激发液的加注时间足够短。总之，要获得精确可靠的数据必须消除外界光的影响以及严格控制激发液的加样时间。对发光物进行检测的原理较为简单，只需利用光电倍增管（PMT）检测单位时间内的光子数就可以得到发光物的光强。再由光强经过数据处理计算得到待测物的浓度。1.3 化学发光免疫分析仪的研究现状与发展前景（1）化学发光免疫分析仪的现状化学发光免疫分析仪因具有特异性强、灵敏度高等特点，越来越受到人们的重视和青睐。化学发光免疫分析仪的反应速度快、操作简单、易实现自动化，现在大多采用全自动方式，但是适合城乡基层使用的小型半自动方式也得到了较快的发展。无论半自动还是全自动方式，整个检测过程均需要12小时。许多机型采用磁性或者非磁性微粒包被，增加反应物表面积，以增加灵敏度和提高反应速度，通过这种方式检测时间可以缩短到20分钟，大大提高了检测效率。（a）全自动化学发光免疫分析仪目前国内外有很多全自动免疫分析仪，临床比较常用的全自动化学发光免疫分析仪比较著名的有：美国拜耳公司的ACS:180SE分析系统（如图1-4所示）、美国贝克曼库尔特公司的ACCESS2（如图1-5所示）、瑞士罗氏公司生产的ELECSYS2010（如图1-6所示）等，国内的有：山东威海威高生产的AutoLumoA2000（如图1-7所示）等。 图1-4 ACS-180SE化学发光分析仪 图1-5 ACCESS2化学发光分析仪 图1-6 ACS-180E化学发光分析仪 图1-7 AutoLumoA2000化学发光分析仪（b）半自动化学发光免疫分析仪半自动化学发光免疫分析仪一般要手动加样、分别温育、独立离心，操作过程比较繁琐，特别是加样量、温育时间、离心程度受人为因素影响比较大，会造成测量结果的稳定性和精确度较差，但是半自动化学发光免疫分析仪有其固有的优势，价格低、体积小、功耗低等优点，成为城乡等基层医疗机构的首选。目前比较常用的半自动化学发光免疫分析仪主要有：德国斯泰特公司生产的LUMINO型（如图1-8所示），美国的BK28-MMY型（如图1-9所示）；国产的有康普生的KPS-II型（如图1-10所示），北京源德的MPC-1型（如图1-11所示）等等。 图1-8 LUMINO型化学发光分析仪 图1-9 BK28-MMY型化学发光分析仪 图1-10 KPS-II型化学发光分析仪 图1-11 MPC-1型化学发光分析仪（2）化学发光免疫分析仪存在的问题（a）化学发光免疫分析仪的原理和检测方式与放射性免疫分析并不相同，造成其测定的结果与临床的正常值有所差异，特别是这些仪器大都采用单克隆抗体，与采用多抗的放射性免疫分析相比，交叉反应严重降低。因此其检测值一般要比放射性免疫检测要低。（b）现在大多数的化学发光免疫分析仪厂家都采用内建标准曲线加修正的方式来产生工作曲线，虽然这样减少了工作量并且降低了成本，但是其准确性以及科学依据还有待于探讨。（c）一些外在的因素（比如温度、密闭性、金属离子等等）都会对发光反应产生影响。（3）化学发光分析仪的发展前景（a）化学发光免疫分析与其他免疫分析技术相结合实现免疫分析的智能化和集成化。不同免疫技术的结合将极大的扩展其应用范围。微流控芯片与CL/ECL结合是当前化学发光免疫分析的一个研究热点。化学发光不用外加光源，而且其检测系统相对于激光诱导来说更易集成化和微型化，特别适合给微流控芯片作检测器。随着微流控芯片的不断完善，微流控芯片与化学发光的结合将是最具潜力的研究方向。（b）全实验室自动化。随着分子克隆、生物芯片和基因工程等分子生物技术的发展，以及各种自动化智能化仪器的产生大大增大了临床的检测范围，提高了检测效率。在此基础上，临床实验室提出了“全自动实验室”的概念。它是指将实验组中的各类自动化仪器整合串联在一起，构成流水线式的检测，进而构成一个自动化程度极高的工作环境。全实验室自动化已经成为大型综合医院及医学检验中心发展的必然趋势16。今后，化学发光免疫分析仪的开发和研制也将向着这个方向发展。（c）加快国产化学发光仪器的研究和开发。长期以来，由于国内对仪器制造工艺及基础技术重视不够，一些影响产品可靠性和稳定性的关键技术，如密封技术、焊接技术、精密加工等比较落后，导致仪器的稳定性和可靠性与国外同类产品相比还有很大差距，因此临床应用较多的产品大多是国外产品。所以我们需要加快国产化学发光仪器的研究和开发，尽快赶上国际先进水平。2 嵌入式系统172.1 概述嵌入式系统的定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗都严格要求的专用计算机系统。含有嵌入式系统的设备在生活中随处可见：电子表、手机、MP3播放器、遥控器等，涵盖了生产、工业控制、通信、网络、消费电子、汽车电子、军工等领域。嵌入式系统具有以下特点：（1）专用性强、生命周期长；（2）软件、硬件可剪裁；（3）对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求。嵌入式技术的发展日新月异，经历了单片机（SCM）、微控制器（MCU）、系统级芯片（SoC）3个阶段。SCM又称单片微型计算机，随着大规模集成电路的出现及发展，计算机的CPU、RAM、ROM、定时器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机。这个阶段主要是“寻求”单片形态嵌入式系统的最佳体系结构，也是从这个阶段起，嵌入式计算机技术与通用计算机技术走上了两条不同的道路。MCU即微控制器阶段通常是指不运行操作系统、功能相对单一的嵌入式系统。其特征是：“满足”各类嵌入式应用，根据对象系统要求扩展各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。随着设计与制造技术的发展，集成电路设计从晶体管得集成发展到逻辑门的集成，现在又发展到IP（Intellectual Property）的集成，及SoC（System on a Chip）设计技术。SoC可以有效降低电子/信息系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力，是未来工业界将采用的主要的产品开发方式。随着嵌入式处理器性能的快速提高，以往单一功能的设备逐渐被淘汰，各种设备都向着多功能发展，而嵌入式系统结构越来越复杂，功能越来越全面。尤其是近年来网络技术的发展，因特网已越来越成熟，人们开始转向无线市场，同样嵌入式系统为适应网络发展的要求，新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCP/IP协议，有的还支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。软件方面系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网18。2.2基于ARM处理器的嵌入式系统嵌入式处理器种类繁多，有ARM、MIPS、PPC等多种架构。ARM架构具有内核小、性能高、成本低和功耗低等显著优点。因此，ARM架构在嵌入式系统中获得广泛应用。目前比较常用的ARM架构处理器系列有ARM7、ARM9、SecurCore、StrongARM、XScale、ARM11、Cortex-M、Cortex-A等等。本课题采用的是ST公司生产的Cortex-M3系列的STM32F103ZE芯片。随着技术的发展及人们需求的增加，各类设备功能越来越大，使用操作系统就变得很有必要。操作系统的作用有：统一管理系统资源、为用户提供访问硬件的接口、调度多个应用程序、管理文件系统等。在嵌入式领域可以选择的操作系统很多，比如Linux、VxWorks、Windows CE、uC/OS-II、RT-thread等。VxWorks19是美国WindRiver公司开发的嵌入式实时操作系统。单就性能而言，它是非常优秀的系统，具有可裁剪的微内核结构、高效的任务管理、灵活的任务间通信、微秒级的中断处理。缺点是它支持的硬件相对较少，并且源码不开放，并且授权费比较高。Windows CE20是微软公司针对嵌入式设备开发的32位、多任务、多线程的操作系统。它支持x86、ARM、MIPS、SH等架构的CPU，硬件驱动程序丰富；可以灵活剪裁以减小系统体积；与PC机上的Windows系统相通，开发、调试工具使用方便。但是其源码没有开放，占用内存较多，整个系统庞大；版权费也比较高。Linux21是遵循GPL协议的开放源码操作系统。内核可任意裁剪，几乎支持所有32位、64位CPU；内核中支持的硬件种类繁多，几乎可以从网络上找到所有硬件的驱动程序；支持几乎所有网络协议；有大量的应用程序可用，从编译工具、调试工具到GUI程序，几乎都有遵循GPL协议的相关版本；有庞大的开发人员群体，有数量众多的技术论坛，大多数问题都可以得到快速而免费的解答。uC/OS-II22是一个完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式实时多任务内核。uC/OS-II绝大部分的代码是用ANSI的C语言编写的，包含有一小部分汇编代码，使之可供不同架构的微处理器使用。至今，从8位到64位，uC/OS-II已在超过40种不同架构上的微处理器上运行。uC/OS-II已经在世界范围内得到广泛应用，包括很多领域，如手机、路由器、集线器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控制等。实际上，uC/OS-II已经通过了非常严格的测试，并且得到了美国航空管理局(Federal Aviation Administration)的认证，可以用在飞行器上。这说明uC/OS-II是稳定可靠的，可用于与人性命攸关的安全紧要(safety critical)系统。除此以外，uC/OS-II的鲜明特点就是源码公开，便于移植和维护。RT-thread是一款由国内RT-thread工作室开发的实时操作系统。由国内一些专业开发人员开发、维护。它不仅仅是一款高效、稳定的实时操作系统内核，也是一套面向嵌入式系统的软件平台，覆盖了全抢占的实时操作系统内核，小巧而与底层具体实现无关的文件系统，轻型的TCP/IP协议栈，C语言的shell命令行，轻型的多窗口多线程图形用户界面。是一款可用于产品并稳定运行的嵌入式实时操作系统。2.3嵌入式网络协议栈由于越来越多的设备需要通过Internet进行通信或者控制23，因此互联和安全功能成为除操作系统之外，设计者们所面临的主要设计需求。基于以上情况，一些符合RFC要求适用于嵌入式设备的微型协议栈应运而生。比较著名的有InterNiche24，AVE-TCP，uIP25和LwIP26，其中后两种是开源项目。2.3.1 InterNichInterNiche的TCP/IP协议套件具有代码小、高移植性和兼容性，包含ANSIC代码、一个Socket API和全部技术文档。InterNiche的IP层软件可以构造成一个标准的客户机、一个IP路由器或一个多主机服务器。InterNiche的TCP/IP协议套件支持ARP、IP、ICMP等基本协议和BOOTP协议。2.3.2AVE-TCPAVE-TCP是由爱可信开发的基于RFC规范的协议栈，是最早一批支持下一代IPv6标准的协议栈之一。AVETCP支持IPv6/IPv4双协议栈，可以构建两种环境。另外，它也支持IPsec以及WAP 2.0规范中的WAP Wireless Profiled TCP，为2.5G/3G蜂窝电话提供了一个优化选项。AVE-TCP还支持下一代蜂窝电话及家庭网络等信息设备的IP连通。2.3.3uIPuIP是应用于8位和16位微控制器的开源TCP/IP协议栈。它提供了连入Internet必要的协议，而且只占用很少的存储资源。它可以免费获得，既可以将它用于非商业的研究，也可以用于商业产品，是它不能移植到操作系统上。2.3.4LwIPLwIP(Light weight IP)是瑞士计算机科学院(Swedish Institute of Computer Science)的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LwIP既可以移植到操作系统上，可以在无操作系统的情况下独立运行。LwIP支持多网络接口下的IP转发，支持ICMP27协议，包括实验性扩展的UDP (User Datagram Protocol，用户数据报协议)，包括拥塞控制，RTT估算和快速恢复和快速转发的TCP28(Transmission Control Protocol，传输控制协议)，提供专门的内部回调接口(Raw API)用于提高应用程序性能，可选择的Berkeley接口API(多线程情况下)在最新的版本中支持PPP，新版本中增加了的IP fragment的支持，支持DHCP协议，动态分配IP地址。可以看出微型协议栈也是在工业应用中非常广泛的。在以后的嵌入式发展中，对于可移植协议栈的研究将会引起人们更广泛的兴趣。其中LwIP作为一个开源项目的产物，是被研究的比较多的协议栈。3 化学发光分析仪整体设计3.1仪器的设计参数及基本功能3.1.1 仪器设计指标及基本参数（1）测量系统：单光子计数器（PMT）；（2）波长范围：300nm650nm（峰值420nm）； （3）检测原理：化学发光微粒子免疫分析技术；（4）分离技术：包被珠分离法；（5）检测速度：100200测试/小时； （6）定标曲线：适用于所有标准曲线参数已存储于试剂盒内条码上，只需两点定标，自动修正标准曲线和给出曲线类型以及标准液进行自行计算标准曲线参数两种类型；（7）检测项目：肝炎病毒标记物、心血管疾病标志物（包括肌钙蛋白I、肌酸激素、肌红蛋白、MPO髓过氧化物酶、BNP）、贫血三项、甲状腺功能、性激素、肿瘤标记物、优生优育项目和药物浓度等；（8）试剂类型：开放；（9）试剂性能：试剂28储存，试剂在机可稳定90天； （10）样品类型：血清、血浆和其它液体；（11）重复性：CV<3（12）通讯接口：USB通讯、RS232通讯和以太网通信。3.1.2仪器基本功能化学发光免疫分析仪是基于化学发光免疫分析原理设计的，化学发光免疫分析一般包含以下几个环节：加样、温育、洗涤、分离、光检等步骤20。半自动化学发光仪主要是针对基层医疗机构和小型医院使用，从成本、功耗等因素考虑，一般只进行光强检测，其他环节需要在仪器外完成。所以本仪器的基本功能如下：（1）数据采集：本仪器主要是通过对光强进行检测，来分析计算待测物的浓度。因此本系统的数据采集部分是完成对单光子计数器输出信号的采集。单光子计数器的最高计数速率可达100MHz，所以对数据采集部分由较高的要求。（2）数据处理：数据采集完成后，还需要对数据进行标准曲线拟合，然后由标准曲线计算出待测物的浓度。（3）人机交互：数据处理完成后，还需要将数据显示、打印给用户。另外，在测试时还需要用户输入或者选择不同的参数，以及进行测试等指令，这就需要人机交互系统。（4）数据管理：处理后的数据需要进行保存和传输，以方便用户日后管理。3.2仪器总体设计为了满足半自动化学发光分析仪的设计指标和基本功能，并结合用户的需求和仪器的发展方向，数据采集采用能够采集高速信号的CPLD模块。人机交互采用的是七寸彩屏加薄膜键盘的组合，但薄膜键盘由于按键个数的限制，当输入字符串或者汉字等时就会变得比较繁琐，所以仪器在设计时特别预留了USB键盘接口，方面用户外接键盘。在保存数据时，本仪器可以将数据保存在本机内，通过USB接口保存在用户的存储设备中，如U盘。通信接口采用USB、RS232接口和以太网接口。本仪器的用户群主要是医疗机构，需要将数据记录下来方便医生诊断，所以本仪器还增加了一个微型热敏打印机。这些设计在满足本仪器基本要求的同时，也更加人性化，在市场竞争中更加有优势。系统整体设计框图如图2-1所示，本仪器主要包含机械系统、硬件系统、软件系统三个部分，下面将逐一对这三个部分进行阐述。图3-1 系统整体框图3.3.1 机械系统（1） 测量室：根据化学发光免疫分析的特性可知，发光物的发光时间极短，发光强度也很弱。外界光线会对测量结果造成很大的影响，因此测量环境必须严格避免外界光线，而且待测物经常具有腐蚀性等，这就对测量室提出了较高的要求：（a）测量室的加工精度要很高，这样才能保证其密闭性；（b）要选择抗酸抗碱、耐腐蚀性的材料；（c）要有良好的几何学设计来确保待测物发出的光能够达到最好的采集效果。（2） 光电倍增管模块：光电倍增管主要功能就是光强检测，以往的光信号检测仪器大部分都是利用光电池、电荷耦合器（CCD）、光电二极管等作为检测器件。随着现代物理学的发展，一种高敏感度的光学检测系统被研制开发，并被广泛应用，这种检测系统就是单光子计数器。单光子计数器的核心部件为光电倍增管。单光子计数器的详细原理以及组成部分，本文将在下章进行详细的阐述，这里就不在赘述。本系统所采用的单光子计数器是由北京滨松公司生产的CH254，如图3-2所示。图3-2 CH254型单光子计数器（3） 打印机：为了使测量结果能够实时的打印出来，需要在仪器上设计安装打印机。本系统用的是微型热敏打印机，它具有体积小、功耗低、打印速度快、噪声小等优点，特别适合微小型仪器使用。热敏打印机的基本原理是，在打印头上安装半导体加热器件，而热敏打印纸覆盖了一层透明的膜，这种膜在加热后会变色（一般是黑色或者蓝色）。膜变色主要是由于膜中发生了化学反应导致的。这种化学反应需要在一定的温度下才能进行。当温度较高时会加速化学反应，当温度低于60时，膜需要经过很长时间（可达几年）才能发生变色；而当温度达到200时，这种化学反应几微秒内即可完成。热敏打印机选择性地在热敏纸上加热，就会产生相应的图形。（4） 仪器底台以及外壳：仪器底台和外壳主要是固定和承载仪器的测量室、供电电源、单光子计数器、打印机、电路板等等内部器件。3.3.2 硬件系统硬件系统是整个仪器的基础，硬件系统的元器件选型和设计，都直接影响到仪器的功能和稳定。根据仪器的设计设计指标和功能，本系统的硬件系统主要包括主控制系统、数据采集分析、数据存储等部分。（1） 主控单元：主控单元需要对大量的数据进行分析计算和存储，并且扩展了很多外接接口和功能，这对处理器的要求比较高，本系统选用的是基于ARM Cortex-M3内核的32位STM32F103系列处理器。ARM的Cortex-M3处理器是新一代的嵌入式ARM处理器，它提供了低成本的平台、较低的系统功耗，同时还提供卓越的计算性能以及先进的中断系统响应。（2） 传感器接口：单光子计数器输出的计数速率最高可以达到100M以上，即使本仪器用于弱光测量，信号计数率较低，采集峰值也会达到40M。在这种速率下普通的处理器已经无法保证测量精度了，所以本系统采用CPLD进行信号采集。使用CPLD进行高速计数的优势是能够达到通用处理器难以达到的速度。（3） 存储单元：由于需要保存标定和检测的数据，此数据的容量较大，处理器内部存储完全不够，需要在外部扩展。本系统扩展了一片2MB的串行Flash，另外由于本仪器使用的彩屏，在制作菜单时需要保持大量的图片、字模等数据，所以外扩了一片NorFlash用来保存这些数据。（4） 人机交互单元：作为人机交互的最重要的组成部分之一，本系统采用的是7寸彩屏和薄膜键盘方便用户查看数据和操作。屏幕后面带有背光，方便用户夜间查看。（5） 接口单元：为了方便仪器与计算机通信，及时将数据等发送到上位机，或者接收上位机的指令，仪器预留了很多接口，如：USB接口、串口、网口等。同时仪器还有USB主机模式接口可以将数据写入到U盘，或者接入键盘、鼠标等器件控制仪器。接口单元还包含单光子计数器的信号输入接口以及打印机接口等等。3.3.3 软件系统（1） 嵌入式系统：由于仪器需要完成数据采集、数据处理、数据保存、显示、通信等等一系列的任务，需要操作系统来统一调度CPU来完成这些任务，而且还需要保证测量的实时性，因此选用嵌入式实时操作系统。有了操作系统，就可以实现对系统资源统一管理、为用户提供访问硬件的接口、管理文件系统、多个应用程序的调度等功能。（2） 嵌入式图形系统：本仪器的人机交互系统采用的是七寸LCD显示屏，为了保证用户的视觉体验和简化操作，所以引入了嵌入式图形系统。这种面向客户的工程设计不仅优化了仪器的性能，而且使操作更加人性化，同时还减轻了使用者的认知负担，使其更加适合用户操作需求，也直接提升了产品的市场竞争力。（3） 嵌入式文件系统：简单来说，文件系统就是操作系统为了方便管理和存储数据，而在存储单元（如硬盘和光盘等等）所建立的结构的总和。前文提到的一项功能就是将数据存储或者复制到U盘内，U盘是已经被FAT32格式化了的一块存储介质，如果本仪器没有文件系统的话是无法存储或者读取U盘。（4） USB协议：USB是通用串行总线的缩写，USB具有传输速度快、热插拔、即插即用等特点，开始逐渐占据主导地位，成为一种不可或缺的接口。本仪器含有两个USB接口，分别作为主机模式（用来读写U盘和键盘）和从机模式（与PC机通信）。要实现这些功能就必须编写好USB总线协议。（5） 以太网协议栈：以太网是当前应用最为广泛的局域网技术。由于其成本低、简单、可扩展性强、能与IP网进行很好地结合等特点，以太网的应用正在从企业内部网络向着公用网络领域迈进。为顺应潮流，仪器上加入了以太网口。单纯接口并不能工作，还需要加入以太网协议栈来实现其功能。（6） 底层驱动及应用程序：操作系统要调用某一模块就必须有其底层驱动才能使其工作，因此必须要为硬件上的每一模块编写其底层驱动。同样需要完成什么任务，就要编写相应的任务也就是应用程序，然后让操作系统来执行。参考文献1 金仁耀. 抗克百威三唑磷双特异性单克隆抗体研究D. 杭州:浙江大学, 2008.2 孙峰. 脲类除草剂异丙隆残留酶联免疫分析方法的建立D. 南京:南京工业大学, 2006.3 郑柳. 放射免疫检测技术面临的现状与前景J. 当代医学, 2010, 16(3):31-32.4 李明.血清学诊断的免疫标记技术J.养殖技术顾问,2012,(8):146.5 徐晓丽. 对虾白斑症病毒和鱼类淋巴囊肿病毒检测抗体芯片的制备与应用D.中国海洋大学,2011.6 李细芬. 盐酸克伦特罗化学发光酶免疫分析方法的研究D.天津科技大学,2010.7 吴东梅. 流动酶催化化学发光新体系的研究与应用D.南昌大学,2007.8 章仁杰. 半自动化学发光免疫分析仪的研究D.长春理工大学,2011.9 陈朋芳. 基于分布式架构的全自动免疫分析仪控制系统D.东南大学,2013.10 赵利霞,李振甲,魏彦林,林金明. 化学发光免疫分析J. 世界科技研究与发展,2004,04:24-33.11 陈扬,陆祖宏. 发光标记分析及其在核酸检测中的应用J. 化学通报,2001,09:537-546.12 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