多波长荧光激发免疫检测系统的研究

郑超 韩永悦

摘 要：为解决现有的试纸条检测仪器的耗时及体积问题，设计了一台荧光检测仪器，实现了试纸条的快速高精度检测，并且在功能上拓展了原有不具备的多波长切换功能。

关键词：荧光图像；免疫检测；LED

0 引言

近年来，荧光试纸条以其携带方便，操作简单，成本低廉，快速测定等优点在现场检测中得到广泛的应用[1]。传统的检测判定主要采用人工视觉的检测方法，但这种判定只是粗略地进行判定，主观误差较大[2]，只能定性测量，无法定量测量。

以往，一台荧光激发试纸条检测仪只能针对一个波长的试纸条进行检测[3]，适用范围被大大局限。对多个波长的试纸条进行检测时，针对每个检测波长都有相应的检测仪，其造价高昂，占用空间大。在此基础上，本文设计了一种多波长荧光免疫试纸条检测系统，该系统既承袭了现有荧光检测系统稳定性好、精度高的优点，又具有连续传动装置和多波长切换装置，从而突破了现阶段对试纸条单次单个的测量及每台荧光仪只针对单一波长的检测局限，实现了多个波长试纸条的连续检测。

1 系统原理

本文设计的多波长荧光检测仪器的检测对象为荧光激发免疫试纸条，其结构如主要由样品垫、结合垫、反应膜、吸水垫和外壳几个部分组成。试纸条上的反应膜上有质控带和检测带[4]。将待测液滴加到加样区，当待测液中的抗原（或抗体）与试纸条上的抗体（或抗原）发生免疫结合反应后，流经试纸条的检测带和质控带与其上的物质发生反应，在激发光源的照射下，待测物因浓度不同而呈现不同的荧光强度，通过与校准曲线的对比即可得到待测液的浓度。

2 系统结构

2.1 系统连续传动结构

本文为解决以往试纸条检测仪器单次单个试纸条检测手动操作等待时耗长的问题，设计了机械结构，实现了多个试纸条的连续在线监测，大大节省了时间。检测时，将待检测的试纸条检测方向向上依次放入试纸条槽内。接通电源后，步进电机带动圆盘，试纸条在重力作用下下落沿试纸条滑道运动，激发光源照射在试纸条的检测区上，进行检测。

2.2 系统照明结构

本设计的照明结构主要由光源转盘/光源转盘手柄、LED激发光源、狭缝、滤光片、聚焦透镜和CCD传感器组成。检测时，可根据所需检测的试纸条的激发波长对光源的波长进行手动切换。检测前选定所需波长的激发光源，再打开光源，待试纸条沿试纸条滑道运动到检测区域时，LED激发光源所发出的光经过透镜照射在试纸条上[5]，激发的荧光经聚焦透镜、狭缝和滤光片由CCD传感器接收。

2.3 系统数据采集和分析电路

本设计的数据采集与分析部分，由CCD传感器和PC机组成，软件由信号采集处理、分析计算、人机界面组成。工作时，由CCD传感器所采集的信号通过USB接口连续传输到PC机，经过滤波，自动或手动操作截取荧光标记免疫试纸条图像，可以精确地读取质控带和检测带的待测物浓度。

荧光标记免疫试纸条截取图像的主要噪声类型是椒盐噪声。针对椒盐噪声问题，以往都选用中值滤波来达到有效去噪的目的。但是，中值滤波在去噪的同时也将边缘部分变得模糊，使得边缘部分的信息丢失，而荧光试纸条的图像在检测的有效区域内会有明显的边界，这使得中值滤波在荧光试纸条的图像处理上有很大的信息丢失。因此，本设计选用了自适应中值滤波，既能有效地过滤椒盐噪声又能保留边界的信息，可以使图像的精度测量精度得到保证。

3 实验数据与结论

通过摄像机得到荧光标记图像后，不能马上对荧光图像进行分析，首先要在保证荧光标记图像不失真的情况下，对其进行图像的预处理；然后，需要对处理后的图像的有效部分进行截取，从而对目标图像进行分析。在实验过程中，需要在计算机显示器上，通过选择目标区域，手动截取目标图像，并保存目标图像。截取后的图像都会在显示器上显示其规格和大小。

本实验首先展示了图像采集、读取的操作界面，并简要说明了数字图像处理和目标图像截取的过程，然后通过一组荧光试纸条的实验，对目标荧光标记图像进行分析，最终得出荧光标记图像的分析结果。其主要参数有，在目标图像的灰度图像中，两束荧光的灰度值峰值、半峰宽值及其比值、面积比和被测试剂的浓度比，以及目标图像的彩色图像的一些重要参数。最终算得的溶液浓度值会显示在检测器外壳显示器上。另外，通过一组重复性试验，证明了本系统的稳定性。这充分说明，在硬件设计方面，光学成像系统对被测对象的影响很小，达到了改善光电法给测量结果带来误差大的目的。

为了进一步验证系统的稳定性和可靠性，另外做了一组重复性试验。试验过程：在检测一个被测试纸条时，在外界环境条件都相同的情况下，连续采集15幅目标图像，选择其中11幅图像效果较好的图像进行分析比较。

实验证明：该系统具有运行速度快，测试精准，稳定性强，自动化程度高，可拓展性强等优点。

本课题具有良好的社会效益：实现荧光标记免疫试纸条的定量检测，提高我国在荧光免疫检测方面的技术水平；在科研、商检、疾控、医疗、食品等方面具有广阔的应用前景；在医疗卫生方面，可以给出定量化的信息，从而实现对抗原、抗体、病毒等多种目标被检物的定性与定量检测。因此加速开展本课题的研究和产业化进程，提高我国在荧光免疫试纸条检测方面的竞争力具有重要的经济、社会意义。

参考文献

[1]马丽华，田雨，姜瞻梅，等.双缩脲法检测奶粉中总蛋白质快速检测试纸的研制[J].食品工业科技，2012，33（11）：327-329.

[2]丁耀魁，沈娟，馬黎黎.快速检测试纸条法在大豆转基因检测中的应用[J].粮油食品科技，2010，18（2）：45-46.

[3]刘金桥，吴金强.机器视觉系统发展及其应用[J].机械工程与自动化，2010，（1）：215-216.

[4]张佳宜.磺胺类兽药免疫胶体金快速检测试纸条的研制[D].天津科技大学，2009.