淺談基于AD1674集成電路的酶標(biāo)儀的設(shè)計(jì)

引言

在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中，體內(nèi)多類激素水平及其微量代謝產(chǎn)物、藥物及代謝產(chǎn)物、維生素類及疾病相關(guān)抗原的分析測(cè)定總計(jì)可達(dá)幾十至上百種之多。但由于其檢測(cè)靈敏度要求較高，一般免疫技術(shù)難以達(dá)到。因此，長(zhǎng)期以來(lái)一直沿用放射免疫法。

放射免疫法不僅對(duì)操作人員的健康造成了危害，而且其廢棄物對(duì)環(huán)境也有嚴(yán)重的污染。因此需要特殊的防護(hù)及廢物處理系統(tǒng)，同時(shí)由于受到自然衰變的限制，其試劑不便長(zhǎng)期儲(chǔ)存和運(yùn)輸，因而大大地限制了它的發(fā)展。EIA 技術(shù)穩(wěn)定，試劑價(jià)格合理，酶免技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)處于成長(zhǎng)期，開發(fā)一種應(yīng)用酶免技術(shù)用于臨床檢測(cè)的儀器很有必要。

AD1674是美國(guó)AD公司推出的一種完整的12位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換單片集成電路。該芯片內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、10伏基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。

AD1674的基本特點(diǎn)和參數(shù)如下：

帶有內(nèi)部采樣保持的完全12位逐次逼近(SAR)型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;

采樣頻率為100kHz;轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs;

具有±1/2LSB的積分非線性(INL)以及12位無(wú)漏碼的差分非線性(DNL);

滿量程校準(zhǔn)誤差為0.125%;

內(nèi)有+10V基準(zhǔn)電源，也可使用外部基準(zhǔn)源;

四種單極或雙極電壓輸入范圍分別為±5V，±10V，0V～10V和0V～20V;

數(shù)據(jù)可并行輸出，采用8/12位可選微處理器總線接口;

內(nèi)部帶有防靜電保護(hù)裝置(ESD)，放電耐壓值可達(dá)4000V;

采用雙電源供電：模擬部分為±12V/±15V，數(shù)字部分為+5V。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AD1674的引腳按功能可分為邏輯控制端口、并行數(shù)據(jù)輸出端口、模擬信號(hào)輸入端口和電源端口四種類型。圖1所示為AD1674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

 AD1674的工作模式可分為全控(Full-Control)模式和獨(dú)立(Stand-Alone)模式，獨(dú)立模式主要用于具有專門輸入端系統(tǒng)，因而不需要有全總線的接口能力。而采用全控工作模式則有利于和CPU進(jìn)行總線連接。

光子計(jì)數(shù)儀設(shè)計(jì)

總體方案設(shè)計(jì)

基于儀器整體安裝及可維護(hù)性的考慮，儀器采用整體形式。包括對(duì)儀器的控制，鍵盤操作及顯示，儀器的傳動(dòng)部分及硅光電池檢測(cè)部分。采用96微孔板作為測(cè)量載體;為增強(qiáng)測(cè)量的定位準(zhǔn)確度，運(yùn)行的平穩(wěn)性，光電檢測(cè)系統(tǒng)以固定方式檢測(cè)樣品，送樣機(jī)構(gòu)可按要求進(jìn)行Y方向及X方向順序運(yùn)動(dòng)。

采用可視性強(qiáng)的液晶顯示器，可顯示儀器當(dāng)前所處狀態(tài)及每孔測(cè)量結(jié)果。定義20種可選擇的測(cè)量時(shí)間，可對(duì)微孔板的任意行數(shù)定義測(cè)量，數(shù)據(jù)輸出采用外接打印機(jī)。原始數(shù)據(jù)可在主機(jī)獨(dú)立測(cè)量完畢后由打印機(jī)輸出。計(jì)算機(jī)控制測(cè)量可完全替代單機(jī)測(cè)量的功能，同時(shí)可在WINDOWS的操作軟件包下進(jìn)行樣品區(qū)、標(biāo)準(zhǔn)區(qū)、陰陽(yáng)性孔位定義、測(cè)量及數(shù)據(jù)處理。

組件構(gòu)思

采用日產(chǎn)硅光電池作為酶標(biāo)儀檢測(cè)裝置的核心部分。傳動(dòng)系統(tǒng)采用國(guó)際流行、運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確的齒杠、齒輪傳動(dòng)與同步帶、齒輪傳動(dòng)相結(jié)合的形式，送樣器(孔板托盤)、光電檢測(cè)裝置在開機(jī)后及測(cè)量完畢均定位在初始位置;送樣器及光電檢測(cè)裝置的傳采用日產(chǎn)硅光電池作為酶標(biāo)儀檢測(cè)裝置的核心部分。

傳動(dòng)系統(tǒng)采用國(guó)際流行、運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確的齒杠、齒輪傳動(dòng)與同步帶、齒輪傳動(dòng)相結(jié)合的形式，送樣器(孔板托盤)、光電檢測(cè)裝置在開機(jī)后及測(cè)量完畢均定位在初始位置;送樣器及光電檢測(cè)裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)采取互相垂直的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu);采用MGL(S)24064帶背景光綠色顯示屏的顯示器; 89C55單片微機(jī)控制;外接中文打印機(jī)，和微機(jī)通過(guò)RS232通訊。 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件包，控制功能完全可在計(jì)算機(jī)上完成。具體電路原理框圖如圖2?！　?/p>

測(cè)量原理

光是電磁波，波長(zhǎng)100nm～400nm稱為紫外光， 400nm～780nm之間的光可被人眼觀察到，大于780nm稱為紅外光。人們之所以能夠看到色彩，是因?yàn)楣庹丈涞轿矬w上被物體反射回來(lái)。綠色植物之所以是綠色，是因?yàn)橹参镂樟斯庵械募t色光譜。酶標(biāo)儀測(cè)定的原理是在特定波長(zhǎng)下，檢測(cè)被測(cè)物的吸光值。測(cè)量程序流程如圖3所示。

檢測(cè)單位：

光通過(guò)被檢測(cè)物，前后的能量差異即是被檢測(cè)物吸收掉的能量，特定波長(zhǎng)下，同一種被檢測(cè)物的濃度與被吸收的能量成定量關(guān)系。檢測(cè)單位用OD值表示， OD是optical density(光密度)的縮寫，表示被檢測(cè)物吸收掉的光密度， OD=1og(1/trans)，其中trans為檢測(cè)物的透光值。根據(jù)Bouger-amberT-beer法則，OD值與光強(qiáng)度成下述關(guān)系：

E=OD=logΙ0/Ι

其中E表示被吸收的光密度， Ι0 為在檢測(cè)物之前的光強(qiáng)度，Ι為從被檢測(cè)物出來(lái)的光強(qiáng)度。

OD值由下述公式計(jì)算：

E=OD=C×D×E

C為檢測(cè)物的濃度

D為檢測(cè)物的厚度

E為摩爾因子

在特定波長(zhǎng)下測(cè)定每一種物質(zhì)都有其特定的波長(zhǎng)，在此波長(zhǎng)下，此物質(zhì)能夠吸收最多的光能量。如果選擇其它的波長(zhǎng)段，就會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確。因此，在測(cè)定檢測(cè)物時(shí)，我們選擇特定的波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，稱為測(cè)量波長(zhǎng)。

但是每一種物質(zhì)對(duì)光能量還存在一定的非特異性吸收，為了消除這種非特異性吸收，我們?cè)龠x取一個(gè)參照波長(zhǎng)，以消除這個(gè)不準(zhǔn)確性。在參照波長(zhǎng)下，檢測(cè)物光的吸收最小。檢測(cè)波長(zhǎng)和參照波長(zhǎng)的吸光值之差可以消除非特異性吸收。

Anthos 酶標(biāo)儀檢測(cè)值計(jì)算

儀器中的檢測(cè)器接收透過(guò)被檢測(cè)物的光能量，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)位數(shù)字信號(hào)，最大為4095。儀器定義沒有光源下的透光值為 0%，沒有檢測(cè)物的透光值為100%。則實(shí)際檢測(cè)中，檢測(cè)物的透光值均在 0%～100%之間。透光值的計(jì)算如下：

T=(Meas—Min)/(Max—Min)

其中T為透光值， Meas為檢測(cè)的二進(jìn)位數(shù)值， Min為在 0%的情況下檢測(cè)的二進(jìn)位數(shù)值， Max為在100%的情況下檢測(cè)的二進(jìn)位數(shù)值，舉例如下：

Max=3600

Min=20 Meas=30

T=(30-20)/(3600-20)=0.0028

OD=1og(1/T)=1og(1/0.0028)=2.552

軟件設(shè)計(jì)

設(shè)置軟件陷阱

當(dāng)程序進(jìn)入到非程序區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)迫程序回到初始狀態(tài)。如對(duì)CPU的RST指令對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼為0FFH，如果不用的程序存儲(chǔ)區(qū)預(yù)先寫入0FFH，則當(dāng)程序因干擾而“飛”到該區(qū)域執(zhí)行代碼時(shí)，就相當(dāng)于執(zhí)行1條RST指令，從而達(dá)到系統(tǒng)復(fù)位的目的。96孔測(cè)量程序流程如圖(3)。

結(jié)語(yǔ)

整機(jī)無(wú)論從結(jié)構(gòu)到電器性能都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，采用的原理科學(xué)，技術(shù)及關(guān)鍵器件先進(jìn)。通過(guò)一段時(shí)間的使用，從各用戶中反饋的信息都很滿意。該樣機(jī)從主機(jī)到應(yīng)用軟件符合國(guó)際設(shè)計(jì)潮流及臨床操作要求。

參考文獻(xiàn)：

1. 朱根娣，臨床常用檢驗(yàn)儀器——原理.結(jié)構(gòu).維護(hù)，上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2002

2. 美國(guó)Anglog Devices公司的AD1674 datasheet

3. 哈爾濱思創(chuàng)生物酶標(biāo)儀使用說(shuō)明書

4. 梁立森，CF-ZS系列板式酶標(biāo)儀在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)展，航天技術(shù)與民品1998年第1期