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专利名称：上转换磷光生物检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉生物免疫检测，特别是一种上转换磷光生物检测仪。
背景技术：
上转换磷光生物检测仪是一种以上转换磷光材料为标记物的新型生物免疫检测 仪器。具有上转换发光性能的材料是由稀土金属元素掺杂于晶体的晶格中而构成的 化合物，其发光机理是上转换发光材料通过吸收两个或多个红外光子发出一个可见 光子。将这种上转换发光材料制备成纳米级颗粒，标记于生物分子，在红外光激发 下该颗粒将发出可见磷光。根据磷光的有无及其强弱，可判断被检生物分子的属性 及含量。
在先技术中，上转换磷光生物检测仪所采用的技术方案，可参见中国科学院上 海光学精密机械研究所余琨等人在2006年6月7日申请的实用新型专利"一维多重检 测上转换磷光生物传感器"(专利号为ZL200620042469.2)。上转换磷光生物检测 仪通常由光学系统、光电探测器、控制系统、驱动�？�、步进电机和供放置试纸条 的扫描平台组成。其中的光学系统包括红外半导体激光器、激发光路和磷光接收光 路，由红外半导体激光器发出的激发光束通过激发光路照射在试纸条上，磷光接收 光路与光电探测器相连接；光电探测器为光电倍增管；扫描平台与步进电机相连， 而步进电机通过驱动模块与控制系统相连。该实用新型的控制系统包括数据采集和 控制显示两个子系统，以89V51RD型8位单片机为核心。其中的数据采集系统由第一 单片机、AD芯片、外扩RAM、外扩I/0口、 RS232接口和地址锁存器组成，第一单 片机一方面分别接AD芯片、外扩RAM、外扩I/0口、 RS232接口和地址锁存器，并 通过地址锁存器与外扩RAM地址端相连，另一方面还与所述的控制显示系统相连；扫 描平台与步进电机相连，而步进电机通过驱动�？橛氲谝坏テ�机相连；光电探测器 输出端通过AD芯片与第一单片机相连。其中的控制显示系统由第二单片机、液晶显 示屏、时钟芯片、薄膜键盘、外扩RAM、外扩I/0口、 RS232接口、打印机和地址锁 存器组成，第二单片机一方面分别与液晶显示屏、时钟芯片、薄膜键盘、外扩RAM、 外扩I/0口、 RS232接口、打印机和地址锁存器相连，并通过所述的地址锁存器与外 扩RAM地址端相连，另一方面还与数据采集系统的第一单片机相连。检测时，试纸条放在步进电机的扫描平台上，由红外半导体激光器发出的激发光 束通过激发光路照射在试纸条表面形成一个长方形光斑，激发出可见磷光，磷光信 号经磷光接收光路和光电探测器转换为电信号送入数据采集系统。操作人员通过控 制显示系统设置试纸条的序列号(以下简称试纸ID)、待检测的生物细菌类别(如 鼠疫菌，以下简称检测物)、判断被检物为阴性或阳性所需的阈值(以下简称判定 值)、计算被检物浓度大小的标准工作曲线的斜率参数A (以下简称参数A)和截距 参数B (以下简称参数B)。当用户完成参数设置并发送开始检测命令，控制显示系 统的第二单片机便向数据采集系统发送开始信号，随后等待采集完毕信号。数据采
集系统的第一单片机接收到该信号后，便采集光电探测器输出的信号，并通过驱动 模块驱动步进电机带动扫描平台移动，同时监控步进电机。光电探测器输出的模拟 信号进入AD芯片的模拟输入端，此时第一单片机驱动AD芯片进行模数转换，并将 转换结果送入外扩RAM。采集结束后，数据采集系统通知控制显示系统数据采集已 完毕，等待控制显示系统获取数据。控制显示系统收到采集完毕信号后，第二单片 机由外扩I/0口续取数据采集系统发送来的数据，并送液晶显示屏画出曲线图。操作 人员人工干预确定检测带和质控带的位置后，控制显示系统计算得出检测结果，作 出结果判断，并由液晶显示屏显示检测报告。 上述在先技术的缺点是-
1) 控制系统分为两个子系统，电路设计复杂，调试不便，浪费资源。数据采集 系统和控制显示系统各为一块独立印制电路板(以下简称PCB)，各子系统选用的 器件的集成度不高，两个子系统之间的通讯也增加了额外的硬件和软件开销，从而 造成硬件电路设计复杂。调试时必须先分别对两块PCB独立进行调试，然后将两块 PCB连在一起进行调试。同时，在工作过程中，当数据采集系统进行数据釆集时， 控制显示系统处于等待状态而不做任何操作，直到采集完毕才进行数据处理和其他 操作，从而浪费了资源，提高了生产成本。
2) 需要频繁的人工干预。每检测一个试纸条前，操作人员需要设置试纸ID、检 测物、判定值、参数A和参数B。而且，数据采集完毕后，操作人员必须人工干预确 定检测带和质控带的位置。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述在先技术的问题，提供一种上转换磷光生物检 测仪，该检测仪具有设计简单、调试方便的控制系统，能快速、准确地进行生物免疫检测。
本实用新型的技术解决方案如下
一种上转换磷光生物检测仪，由光学系统、光电探测器、控制系统、驱动模块、 步进电机和供放置试纸条的扫描平台组成，其特点在于-
所述的控制系统包括微处理器、光电探测器接口、信号采集电路、驱动�？榻涌�、 液晶显示�？�、矩阵键盘、射频识别模块、数字/模拟转换器(以下简称D/A)、储 存器、安全数码卡(以下简称SD卡)和微型打印机。其中，光电探测器接口的输 出接口经信号采集电路与微处理器的一个模拟/数字转换(以下简称A/D)输入通道 相连；驱动�？榻涌诘姆较蛐藕�、驱动信号与微处理器的2个输入/输出端口 (以下 简称I/O 口)相连，步进电机经驱动模块和驱动�？榻涌谟胛⒋�理器相连，而扫描 平台与步进电机连接在一起；液晶显示�？榈男葱藕拧⒍列藕�、片选信号与微处理 器的3个I/0口相连，液晶显示�？榈哪诓考拇嫫鞯臀坏刂�、高位地址与微处理器 的2个I/0 口相连，液晶显示�？榈氖�据端口与微处理器的8个I/0 口相连；矩阵键 盘的行信号与微处理器的4个I/O 口相连，矩阵键盘的列信号与微处理器的4个I/O 口相连；射频识别�？榈氖�据接收、数据发送与微处理器的2个I/O 口相连；D/A 的片选信号、时钟信号、数据输入与微处理器的3个I/O 口相连，D/A的电压输出 与光电探测器接口的输入接口相连；储存器的片选信号、时钟信号、数据输出、数 据输入与微处理器的4个I/0口相连；SD卡的片选信号、时钟信号、数据输出、命 令输入与微处理器的4个I/0 口相连，SD卡的写保护状态输出、插入状态输出与微 处理器的2个I/0 口相连；微型打印机的数据接收、数据发送、忙状态输出与微处 理器的3个I/0 口相连。
所述的上转换磷光生物检测仪的检测对象是试纸条。所述的试纸条由安装在试纸 条外壳内的试纸和射频识别卡构成，所述的试纸含有一个样品垫、 一个检测带、一 个质控带，所述的射频识别卡中的信息包括试纸ID、检测物、判定值、参数A和参 数B。生产试纸条时，通过信息写入设备将上述信息写入到射频识别卡中。从而， 工作时控制系统经射频识别�？榉梦噬淦凳侗鹂ǎ�即可判知有无试纸条和读入其中 的信息。
所述的微处理器是资源丰富的ARM处理器、混合信号系统级芯片或其他高级处 理器。
与在先技术相比，本实用新型有以下技术效果-
61) 本实用新型的控制系统具有简单、体积小、成本低和调试方便的特点。该系 统以资源丰富、性价比高的微处理器为核心，省去了外扩的AD芯片、时钟芯片、 地址锁存器和保证两个子系统之间可靠通讯所需的硬件和软件开销，使同类产品的 控制系统由原来的两块PCB减少为一块，精简了硬件开销，减小了控制系统的体积， 降低了生产成本。而且，在一块PCB上即可完成所有的调试任务。
2) 检测操作简便。只需在液晶显示�？樯仙瓒ㄐ藕欧�度等级即可实现对信号幅 度的调节，而且根据信号幅度的等级很容易把握调节的幅度大小。备份仪器中记录 的检测报告时只需将SD卡插入系统，按输出键即可将系统中记录的检测报告以文 档形式保存到SD卡中。系统能自动读入试纸条的射频识别卡中的信息，不再需要 操作人员频繁地进行检测参数的设置；工作时，试纸条扫描完毕后，系统能自动完 成检测带和质控带的边界线定位、检测结果的计算和显示以及检测报告的存储。大 大减少了人工干预，给用户带来了极大的方便。


图1是本实用新型上转换磷光生物检测仪的结构框图。 图2是本实用新型上转换磷光生物检测仪的控制系统结构框图。 图3是本实用新型采用的试纸条的结构示意图。 图4是本实用新型的信号采集电路示意图。 图5是本实用新型的自适应边界提取算法的流程图。 图6是本实用新型上转换磷光生物检测仪采集到的典型信号分布曲线图。 图7是本实用新型的自适应边界提取算法自动确定检测带和质控带的边界线的 结果示意图。
图8是本实用新型的数据处理流程图。 图9是本实用新型的控制流程图。
具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新 型的保护范围。
请参阅图1，图1是本实用新型上转换磷光生物检测仪的结构框图，也是本实 用新型的一个实施例。它由光学系统l、光电探测器2、控制系统3、驱动�？�4、 步进电机5和供放置试纸条7的扫描平台6组成。
所述的上转换磷光生物检测仪的控制系统结构框图如图2所示。由图可见，控制系统包括微处理器301、光电探测器接口 302、信号采集电路303、驱动�？榻涌� 304、液晶显示�？�305、矩阵键盘306、射频识别�？�307、 D/A308、储存器309、 SD卡310和微型打印机311。其中，光电探测器接口 302的输出接口O经信号采集 电路303与微处理器301的一个A/D输入通道INO相连；驱动�？榻涌� 304的方向 信号DIR、驱动信号STEP与微处理器301的2个I/O 口 PC8、 PA8相连，步进电机 5经驱动�？�4和驱动�？榻涌� 304与微处理器301相连，而扫描平台6与步进电 机5连接在一起；液晶显示�？�305的写信号WR、读信号RD、片选信号CS与微 处理器301的3个I/0 口 PBll、 PBIO、 PE7相连，液晶显示模块305的内部寄存器 低位地址AO、高位地址Al与微处理器301的2个I/O 口 PBO、 PB1相连，液晶显 示�？�305的数据端口 D0 7与微处理器301的8个I/O 口 PE8 15相连；矩阵键 盘306的行信号R0W1 4与微处理器301的4个I/O 口 PD8 11相连，矩阵键盘 306的列信号C0L1 4与微处理器301的4个I/O 口 PD12 15相连；射频识别模 块307的数据接收RX、数据发送TX与微处理器301的2个I/O 口 PA9、PA10相连； D/A308的片选信号CS、时钟信号SCLK、数据输入DIN与微处理器301的3个I/O 口 PC6、 PB13、 PB15相连，D/A308的电压输出Vout与光电探测器接口 302的输入 接口I相连；储存器309的片选信号CS、时钟信号SCK、数据输出SO、数据输入 SI与微处理器301的4个I/0 口 PB12、 PB13、 PB14、 PB15相连；SD卡310的片 选信号CS、时钟信号CLK、数据输出DATAO、命令输入CMD与微处理器301的4 个I/0口PC5、 PA5、 PA6、 PA7相连，SD卡310的写保护状态输出WP、插入状态 输出CD与微处理器301的2个I/O 口 PA2、 PA3相连；微型打印机311的数据接收 RXD、数据发送TXD、忙状态输出CTS与微处理器301的3个I/O 口 PCll、 PCIO、 PC12相连。
请参阅图3，图3是上转换磷光生物检测仪的检测对象试纸条7的结构示意图。 试纸与射频识别卡703安装于试纸条7的外壳702内。试纸含一个样品垫701、 一 个检测带T、 一个质控带C。射频识别卡703中的信息包括试纸ID、检测物、判定 值、参数A、参数B。生产试纸条7时，通过信息写入设备将上述信息写入到射频 识别卡703中。从而，工作时控制系统3经射频识别�？�307通过访问射频识别卡 703，即可判知有无试纸条7并读入其中的信息。
所述的微处理器301可以采用资源丰富的ARM处理器、混合信号系统级芯片 或其他高级处理器。本实施例采用STM32F103型ARM处理器，它具有128KB内部只读存储器、20KB内部随机存取存储器、实时时钟、多个高精度高速A/D输入 通道、5个定时计数器、2个串行外围设备接口、 3个通用同步异步收发器和丰富的 1/0口，可方便地实现信号采集、外设管理和系统控制的功能。
所述的信号采集电路303如图4所示。信号采集电路的输入端接光电探测器接 口 302的输出接口 O，信号采集电路的输出端接微处理器301的一个A/D输入通道 IN0。由图可见，精密电阻3031和3032组成一个分压电路，该分压电路的作用是把 光电探测器输出的电压信号变换到A/D的输入范围之内。分压电路的输出节点串联 一个限流电阻3033，防止大电流损坏A/D输入通道。
所述的驱动�？榻涌� 304的方向信号DIR由微处理器301中PC 口的PC8提供， 当PC8输出低电平时，扫描平台6向前移动进行扫描操作，否则扫描平台6进行复 位操作。微处理器301中的PA8 口产生脉冲方波信号，提供驱动�？榻涌� 304的驱 动信号STEP。
所述的矩阵键盘306工作于扫描方式。它共有4根行信号线和4根列信号线， 最多可控制4x4矩阵键盘。工作时，先使所有行信号R0W1 4输出低电平，读入 列信号。若所有列信号均为高电平，则没有按键动作发生；否则，再逐行扫描以确 定哪个按键发生了动作。
所述的D/A 308将微处理器301输出的数字量转换成电压信号，该电压信号送 至光电探测器2的光电探测器接口 302的输入接口 I以控制光电探测器输出信号的 幅度大小。将信号幅度的总范围分为若干个等级，根据公式(l)可得到不同等级对应 的控制参数。将计算得到的控制参数保存在微处理器301中存储器的一个数组中， 即数组元素为控制参数，数组元素的标号为相应的信号幅度等级。本实施例将信号 幅度的总范围分为1 99共99个等级，对应的控制参数数组如下 Contrl_pra[99]={745,775,805,835,865，895,925,955,985,1015,1045，1075，1106,1136，1166, 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，
2640，2670,2700,2730，2760，2790,2820，2850,2880,2910,2941,2971,3 001,3031 ，3061,3091, 3121，3151,3181，3211,3241,3271，3302,3332,3362,3392,3422,3452，3482,3512,3542，3572, 3602,3632,3662,3693}。
工作时，微处理器301根据设置的信号幅度等级，将数组元素标号所对应的控制
9参数送至D/A 308转换成电压信号。
所述的上转换磷光生物检测仪对试纸条的检测方法，包括如下步骤
1) 准备
所述的上转换磷光生物检测仪上电后进入检测界面，控制系统3自动检测扫描平 台6是否在扫描起始位置。如果不在扫描起始位置，控制系统3经驱动�？�4驱动 步进电机5复位扫描平台6。然后，控制系统3经射频识别�？�307实时查询试纸 条7， 一旦发现试纸条7插入扫描平台6，则读入试纸条7的射频识别卡703中的信 息；否则在液晶显示�？�305上提示"请插入试纸条！"。
2) 自动检测
当试纸条7插入扫描平台6时，控制系统自动读入试纸条的射频识别卡中的信息， 按测量键进入检测状态。控制系统3经驱动�？�4驱动步进电机5带动扫描平台6 向前移动，从质控带C的右侧至检测带T的左侧对试纸条7进行扫描，并在液晶显 示�？�305上实时显示采集到的信号分布曲线。待扫描完毕，控制系统3经驱动模 块4驱动步进电机5复位扫描平台6;控制系统3利用自适应边界提取算法自动确 定检测带T和质控带C的边界线位置、进行数据处理、检测结果显示和检测报告的 存储。
若需继续检测，更换试纸条7，控制系统3发现新的试纸条7，即自动读入新的 试纸条7的射频识别卡703中的信息，按测量键，即进入自动检测。
请参阅图5，图5是本实用新型的自适应边界提取算法的流程图。图6为上转 换磷光生物检测仪采集到的典型信号分布曲线图，由图可见，检测带T和质控带C 的信号幅度远大于本底G的信号幅度，质控带C位于检测带T之前以及检测带T和 质控带C的信号幅度变化剧烈而本底G的信号幅度变化平缓。根据上述信号分布曲 线的特征，可如下确定检测带T和质控带C的边界线位置首先全局查找第一极大 值yl并记录其位置xl;将第一极大值yl位置xl附近即xl-15至xl+15之间的数据 赋0，再查找第二极大值y2及其位置x2;比较xl和x2的大�。�值较小的作为质控 带C的峰值位置，值较大的作为检测带T的峰值位置，并分别确定质控带C和检测 带T的峰值大�。淮又士卮鳦的峰值位置开始到1进行搜索，判断相邻两个采样点 的数据的差值，若小于给定的幅度阈值10，计数器的值加1，否则将计数器的值赋 O后重新开始计数，当计数器的值达到给定的计数阈值5，则将该位置即此时进行比 较的两个采样点中序号较小者的位置作为质控带C的左边界线位置，否则继续判断下两个相邻采样点的数据的差值；从质控带C的峰值位置到检测带T的峰值位置之 间搜索质控带C的右边界线位置，方法与上述步骤相同；同样地，确定检测带T的 左边界线位置和右边界线位置。请参阅图7，图7是利用上述的自适应边界提取算 法确定的检测带T和质控带C的边界线位置的结果示意图。
请参阅图8，图8是本实用新型的数据处理流程图。首先根据自适应边界提取 算法确定检测带T和质控带C的边界线位置，然后计算检测带T和质控带C的磷光 信号強度St和Sc，即它们各自的边界线、信号分布曲线和横坐标所围成的图形的面 积，最后得到两者的比值ST/Sc。若St/Sc小于判定値，则为阴性；否则为阳性。由
于ST/Sc与待检试纸条中含有的被检物的浓度呈线性关系，从而根据下列公式可得到
被检物的浓度大小
浓度=参数A* St/Sc+参数B 。
本实用新型的工作过程如下
请参阅图9，仪器上电后进入检测界面，控制系统3自动检测扫描平台6的位置， 若扫描平台6不在扫描起始位置，控制系统3经驱动�？�4驱动步进电机5复位扫 描平台6。扫描平台6复位后，控制系统3经射频识别�？�307实时查询试纸条7。 若发现试纸条7插入扫描平台6，控制系统3经射频识别�？�307读入试纸条7的 射频识别卡703中的信息。此时，红外半导体激光器发出的激发光束经过激发光路 在试纸条7的表面形成一个长方形照明光斑。从而，沉积在试纸条7中试纸上的上 转换磷光纳米颗粒在红外光的激发下发出可见磷光，该磷光信号被磷光接收光路和 光电探测器2转换为电压信号。按测量键启动检测，控制系统3经驱动�？�4驱动 步进电机5带动扫描平台6向前移动扫描试纸条7，同时控制系统3监控扫描平台6。 光电探测器2输出的电压信号经信号采集电路303进入A/D输入通道INO，此时控 制系统驱动A/D输入通道INO进行模拟/数字转换。转换得到的数字信号送入控制系 统3进行处理，并在液晶显示�？�305上实时显示采集到的信号分布曲线。扫描平 台6每前进一个采样点距离，控制系统3经信号采集电路303和A/D输入通道INO 对光电探测器2输出的电压信号进行一次模拟/数字转换。待扫描完毕，控制系统3 复位扫描平台。随后，控制系统3利用本实用新型的数据处理方法计算出检测结果 并将检测报告显示在液晶显示�？�305上。
权利要求1、一种上转换磷光生物检测仪，由光学系统(1)、光电探测器(2)、控制系统(3)、驱动�？�(4)、步进电机(5)和供放置试纸条(7)的扫描平台(6)组成，其特征在于所述的控制系统(3)包括微处理器(301)、光电探测器接口(302)、信号采集电路(303)、驱动�？榻涌�(304)、液晶显示�？�(305)、矩阵键盘(306)、射频识别�？�(307)、数字/模拟转换器(308)、储存器(309)、安全数码卡(310)和微型打印机(311)，所述的光电探测器接口(302)的输出接口O经所述的信号采集电路(303)与所述的微处理器(301)的一个模拟/数字转换输入通道(IN0)相连；所述的驱动�？榻涌�(304)的方向信号(DIR)、驱动信号(STEP)与所述的微处理器(301)的2个输入/输出端口(PC8、PA8)相连，所述的步进电机(5)经驱动�？�(4)和驱动�？榻涌�(304)与所述的微处理器(301)相连，所述的扫描平台(6)与所述的步进电机(5)连接在一起；所述的液晶显示�？�(305)的写信号(WR)、读信号(RD)、片选信号(CS)与所述的微处理器(301)的3个I/O口(PB11、PB10、PE7)相连，所述的液晶显示�？�(301)的内部寄存器低位地址(A0)、高位地址(A1)与所述的微处理器的2个I/O口(PB0、PB1)相连，所述的液晶显示模块(301)的数据端口(D0～7)与所述的微处理器(301)的8个I/O口(PE8～15)相连；所述的矩阵键盘(306)的行信号(ROW1～4)与所述的微处理器(301)的4个I/O口(PD8～11)相连，所述的矩阵键盘(306)的列信号(COL1～4)与所述的微处理器的4个I/O口(PD12～15)相连；所述的射频识别�？�(307)的数据接收(RX)、数据发送(TX)与所述的微处理器(301)的2个I/O口(PA9、PA10)相连；所述的数字/模拟转换器(308)的片选信号(CS)、时钟信号(SCLK)、数据输入(DIN)与所述的微处理器(301)的3个I/O口(PC6、PB13、PB15)相连，所述的数字/模拟转换器(308)的电压输出(Vout)与所述的光电探测器接口(302)的输入接口(I)相连；所述的储存器(309)的片选信号(CS)、时钟信号(SCK)、数据输出(SO)、数据输入(SI)与所述的微处理器(301)的4个I/O口(PB12、PB13、PB14、PB15)相连；所述的安全数码卡(310)的片选信号(CS)、时钟信号(CLK)、数据输出(DATA0)、命令输入(CMD)与所述的微处理器(301)的4个I/O口(PC5、PA5、PA6、PA7)相连，所述的安全数码卡(310)的写保护状态输出(WP)、插入状态输出(CD)与所述的微处理器的2个I/O口(PA2、PA3)相连；所述的微型打印机(311)的数据接收(RXD)、数据发送(TXD)、忙状态输出(CTS)与所述的微处理器(301)的3个I/O口(PC11、PC10、PC12)相连，所述的试纸条(7)由安装在试纸条外壳(702)内的试纸和射频识别卡(703)构成，所述的试纸含有一个样品垫(701)、一个检测带(T)、一个质控带(C)，所述的射频识别卡(703)中的信息包括试纸ID、检测物、判定值、参数A和参数B。
2、根据权利要求1所述的上转换磷光生物检测仪，其特征在于所述的微处理器 (301)为资源丰富的ARM处理器、混合信号系统级芯片或其他高级处理器。
专利摘要一种上转换磷光生物检测仪由光学系统、光电探测器、控制系统、驱动�？�、步进电机和供放置试纸条的扫描平台组成，所述的控制系统包括微处理器、光电探测器接口、信号采集电路、驱动�？榻涌�、液晶显示�？�、矩阵键盘、射频识别�？�、数字/模拟转换器、储存器、安全数码卡和微型打印机，所述的试纸条由安装在试纸条外壳内的试纸和射频识别卡构成，所述的试纸含有一个样品垫、一个检测带、一个质控带，所述的射频识别卡中的信息包括试纸ID、检测物、判定值、参数A和参数B。本实用新型具有设计简单、调试方便的控制系统，能快速、准确地进行生物免疫检测。
文档编号G01N33/558GK201331525SQ20092006653
公开日2009年10月21日 申请日期2009年1月6日 优先权日2009年1月6日
发明者蕾 周, 屈建峰, 张友宝, 杨瑞馥, 谢承科, 郭小娴, 黄惠杰, 黄立华 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所