高性价比の便携式荧光免疫分析仪

非诚勿扰孟非

最近一个月，好几位朋友先后跟我询荧光免疫分析仪，都说需求量很大，要求也很一致——尽量便宜，在核算评估的过程中，我也把这员老将捋了一下。


免疫荧光分析仪问世至今近四十年，基本原理没有什么变化，技术上已经是非常成熟了。2021年底到2022年初的国内新冠抗原热潮，包括华大在内的三家企业独辟蹊径的选择了荧光免疫路线，一度引起热议。

免疫荧光技术的原理是在硝酸纤维素膜的测试区（T）包被 BSA 与抗原的偶联物，标记垫上含有预先包被的荧光标记抗体。



免疫层析原理示意图

检测时，首先用处理试剂将样本中的抗原与标记垫上的荧光标记抗体发生结合，形成免疫复合物，复合物在层析作用下沿着硝酸纤维素膜向前扩散至包被有另一种单克隆抗体的检测区，从而形成双抗体夹心复合物，而游离的荧光抗体则附着在质控区。当检测卡插入荧光免疫分析仪后，光源照射到检测卡上，通过模块控制LED的发光强度以符合测量的强度要求，分析仪自动扫描检测区和质控区的荧光强度，传感器输出信号经放大和滤波处理后，进入转换芯片转化为数字信号交给处理器进行处理，通过两种荧光强度的比值计算待测样本中的抗原含量。

免疫荧光分析技术具有灵敏度高、特异性强、耗材保存简单、操作简便等特点，在床旁即时检测（POCT）领域应用广泛，比如检测病毒、激素、毒品、C- 反应蛋白、糖化血红蛋白、甲胎蛋白、降钙素原等。

本篇介两款低成本、高灵敏的便携荧光免疫分析仪。其主要由光学检测部分、硬件部分、系统软件以及机械结构部分构成。
从模块上划分，有显示模组、硬件控制模组、采集以及插卡机构、打印模组、外壳、电池等。

①光学检测

光学检测部分是免疫荧光分析仪的核心，在光学暗箱结构中，由光源、激发光路、采集光路、光电传感器、放大系统等组成。

光源产生与荧光标记物的吸收波长相近的单色光，单色光通过激发光路，照射在试剂条特定的扫描点上。扫描点附近的荧光物质受激发发射荧光，采集光路（也叫接受光路）将荧光收集并聚焦到光电探测器的有效接收靶面内。采集光路除了透镜实现聚焦功能外，还设置了滤光片来滤除非特定波段光的干扰。

光路有共聚焦光路和非共聚焦光路



共聚焦光路

非聚焦光路（V型光路）是比较低成本的一种光路，如图所示，两个相同的光源分别与试剂条水平面成 45°和 135°夹角，对称的激发光源经过透镜和滤光片等光学器件后，聚焦于试剂条平面形成光斑。激发出的荧光则沿着垂直于试剂条的光路通过滤光片、透镜等光学器件到达光阑，并被光电探测器采集。



非共聚焦光路（V型）

光电探测器接受光信号后，将荧光强度转换为微弱电信号。为了能够有效的测量微弱电信号的值，系统中的信号放大电路对电信号进行放大。之后模数转换器将电信号结果转换为数字信号并送给送到微处理器进行计算和定量分析。

V型光路结构简单、成本低，抗震能力强。不足的是杂散光和热噪声会大一些。

光源有激光光源、LED、氙气灯、汞灯、卤素灯等。
LED属于半导体照明光源，体积小、功耗小、驱动电路简单、响应频率高，比如常见的圆子弹头LED冷光源。
同时，为了保证光源的稳定性，大多采用恒流电源驱动方式。

光电传感器有光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管(APD)、硅光二极管(SiPIN)等。
雪崩光电二极管暗电流较小、体积小、灵敏度高、驱动电路简单，比较适合小体积的荧光免疫分析仪，它的原理是利用半导体中载流子的雪崩效应实现电流放大，这种放大能使信号在未被其它电路噪声干扰的情况下得到放大。



雪崩光电二极管

其次是硅光二极管，其具有十分敏感的光电效应，响应快，货源相对稳定。其内部核心是一个面积固定的 PN 结，在经过不同强度的光照后，能够产生不同大小的反向电流，且电流的大小与光强成正比。



硅光二极管



几种光电传感器的参数对比

滤光片方面，根据荧光波长，采集光路选用中心波长在610 ~ 620 nm、带宽在 10 nm 的滤光片（如下图）；激发光路选用中心波长低于600nm的滤光片。



滤光片光谱图（苏州众为光电）
（插播一下，临床输血小编老邓目前在众为光电就职，找他！！！）


②硬件

硬件部分采用上下位机的结构。上位机负责GUI显示、IC 模块通讯以及连接打印机；下位机主要完成测量功能，可连接多个通道，还包括控制各个通道的光源电路、电机控制以及光强检测。



①推杆电机；②复位光耦；③微动开关；④光源；
⑤光电二极管；⑥检测卡
来自《中国医疗装备》

上位机：以工控板为平台，操作系统、应用软件以及数据库运行在该平台上。应用软件用于与客户交互、接收操作指令、显示运行信息，并将测试步骤通过串口下发到下位机 ，获取下位机返回的测试数据后，应用软件计算出检测结果，检测结果可以通过打印模组打印出来，以及通过网口上传到 LIS 系统，数据结果也可以存储在本地。

下位机：MCU通过RS232与上位机通讯，下位机检测到微动开关信号后，发送指令通知上位机启动检测程序 ；获得上位机的检测参数后，下位机通过调整数字变阻器来调整光源亮度，通过电机控制与AD采样时序的配合，实现整个测试卡的扫描，并将扫描结果返回上位机处理 ；下位机还具有开机复位、废卡弹出以及光路异常报警等功能。



控制示意图
来自《中国医疗装备》

③软件算法介绍

算法设计以C 反应蛋白项目为例，设定至少8组定标品测试，获得对应的测试值（具体测试用例略过）；
通过测试，获取标准液的测试结果，并在二维坐标上描点形成散点图，建立回归模型，求出回归方程，然后进行线性函数的回归分析，得到最后结果。计算获得标准曲线后，存入到 IC 卡中，随试剂发送到用户。用户在使用前，先刷 IC 卡，仪器获得标准曲线，然后将待测样本的测试值，代入标准曲线计算，得到浓度值。



线性结果图

④丐中丐

为了进一步降低成本及增加便携性，还可以将工控显示屏和打印模组取消掉，硬件中增加蓝牙模块，利用蓝牙与手机进行通讯连接，将检测结果直接通过手机微信APP/小程序读取和存储。

经测试：CV值≤5%，低值与中值的准确性方面偏差≤5%，在线性范围内梯度液相关系数＞0.99。

无屏丐版的结构相对简单，‍一般由插卡采集机构，硬件控制模组（含蓝牙模块）以及外壳组成。





内部结构图

如上图所示，插卡采集机构是这款产品的核心，通常由底座， 丝杆电机（动力源）、 插卡光电开关、采集模块导向杆、采集电路、LED光源、压紧弹片等组成。



外壳一般采用塑料，通过开模注塑成型制成。

如上介绍，基本可以形成对POCT荧光免疫产品的整体架构，软件、硬件、结构等一个简单的概述，目前行业里这种单通道的荧光免疫分析仪选择比较多，开发技术条件已经也很成熟，但市面上这种开放型的仪器也会存在一些问题，比如仪器的稳定性、台间差、重复性、信号噪声、光源衰减等等，这些都决定着仪器的可靠性可用性。

目前荧光免疫分析仪价格难以压缩的还是硬件部分，芯片、电子元器件等价格居高不下，货期还不稳。据说有直接照射，白光激发，不需要特定波长的产品，连滤光片啥的都不要了（参考验钞笔


），如果不是糊弄人，那成本确实可以再砍一刀。

其实，再简单的产品，做出来容易；想要做好，也没那么简单。
参考资料：《中国医疗装备》

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/560398332

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