化学发光免疫检测系统的研究
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摘 要
随着人们对自身健康的不断关注，生活节奏的不断加快，全自动的免疫分析
仪正在逐步取代传统的手动及半自动免疫分析仪。全自动的化学发光免疫分析仪
作为一种新型的免疫检测系统，具有检测快速、稳定、结果准确等特性，它是以
化学发光免疫分析法(Chemiluminescence Immunoassay,CLIA)为基础的血清检测方
法。CLIA 具有灵敏度高、线性范围宽、易操作、易于实现自动化等优点。本课题
所研究的化学发光免疫分析仪集成了免疫检验过程中的取样、加样、加试剂、混
合、温育、信号检测、固相载体分离、数据处理、打印检测报告等步骤。
本课题是“全自动管式化学发光免疫检测系统”的子课题，通过对该子课题
所涉及到的领域进行研究和调研，提出了基于光电倍增管(PMT)的化学发光免疫检
测系统设计方案，包括光子测量以及光子采集平台、数据处理、PMT 的标定、软
件平台，为全自动化学发光免疫分析仪的研制，提供了技术基础。
本文的工作主要体现在以下几个方面：
1、查阅了大量资料，深入了解了化学发光分析仪以及光电探测器发展的概况，
重点分析了化学发光分析仪的工作流程、工作原理以及化学发光免疫检测过程。
比较了 PMT、CCD、SiPM 和APD 三类光电探测器，最后提出了基于 PMT 的化
学发光免疫检测系统设计方案。
2、设计了信号测量系统，为化学发光测量系统的研究提供了一个实验和验证
平台。同时也为 PMT 的标定提供了一个基础和平台。
3、设计了基于 DSP+FPGA 的高速计数模块与数据处理平台。对软件平台的
主程序以及子程序进行了设计，同时用 Visual C++对人机界面进行了设计。
4、对 CR110 型PMT 的绝对增益、线性度以及频率响应进行标定，对血清样
本进行了测试以及结果的比较，为本课题的后续研究工作提供了技术以及数据方
面的支持。
5、论文最后客观地总结了课题所取得的成果以及存在的问题，提出了课题后
续的研究方向和内容。
关键词：化学发光免疫分析仪 光电倍增管(PMT) 信号测量系统
信号采集系统 单光子计数 标定
ABSRACT
With the continuous attention of people in their own health and accelerating the
pace of life, the full automatic chemiluminescence immune analyzer is gradually taking
place of traditional manual and semi-auto immune analyzer. CLIA has many advantage,
such as high sensitivity, wide linear range, easy operation and easy to realize automation
etc. The chemiluminescence immune analyzer of this subject which integrate the
sampling, and sample, add reagent, mix, incubate, signal detection, solid phase carrier
separation, data processing, printing detects the report steps of the process in test the
immune.
The research work of this paper lies in the following areas：
1. Access to lots of reference material, then went deep to understand the
development situation of chemiluminescence immune analyzer and the photoelectric
detector, mainly analyzed the work flow and the working principle of
chemiluminescence immune analyzer, and the process of the chemiluminescence
immune detection. Compared three kinds of photoelectric detector, and a
forward-looking thinking and design for chemiluminescence immune detection system
based on PMT at last.
2. Designed the signal measuring system, providing an experiment and test
platform to the study about chemiluminescence measurement system. And provided the
calibrating of PMT with the foundation and platform.
3. Designed the high speed count module and the data processing platform, which
based on DSP+FPGA. Designed the main program and subroutine of the software
platform, and designed the man-machine interface which was compiled by Visual C++.
4. Calibrated the PMT, which include the absolute gain calibration, the linearity
and the frequency response. Detected the sample of serum, and compared the result of
detection, providing the technical and data to the subsequent research work of the topic.
5、Finally, the thesis objectively summarizes the achieved results as well as the
presented problems, put forward follow-up research content and direction.
Key Words：Chemiluminescence immune analyzer, PMT,
Signal measurement system, Signal acquisition system,
Single photon counting, Calibration
目 录
中文摘要
ABSRACT
第一章 绪 论 ...............................................................................................................1
§1.1 课题背景及意义 ...............................................................................................1
§1.2 化学发光免疫检测系统概述 ............................................................................2
§1.2.1 化学发光免疫分析技术介绍 ..................................................................2
§1.2.2 化学发光免疫检测原理 ..........................................................................3
§1.3 化学发光免疫分析仪工作流程 ........................................................................4
§1.4 国内外发展概况 ................................................................................................5
§1.4.1 化学发光免疫分析仪的国内外发展状况[3][9-14] ................................... 5
§1.4.2 光电探测器的发展状况[4][17-18] ..............................................................7
§1.5 课题目标和主要研究内容 ...............................................................................8
§1.5.1 课题目标 .................................................................................................8
§1.5.2 课题的主要研究内容 .............................................................................9
§1.6 本章小结 ...........................................................................................................9
第二章 检测系统方案选择 .........................................................................................10
§2.1 化学发光免疫检测系统总体设计 .................................................................10
§2.2 化学发光免疫检测特性分析 .........................................................................10
§2.2.1 化学发光免疫检测动力学过程 ...........................................................10
§2.2.2 化学发光参数计算 ...............................................................................11
§2.3 光电探测器的选择 .........................................................................................12
§2.3.1 光电倍增管 ............................................................................................12
§2.3.2CCD 和CMOS ....................................................................................... 14
§2.3.3APD 和SiPM ......................................................................................... 16
§2.3.4 特性比较 ................................................................................................17
§2.5 本章小结 .........................................................................................................19
第三章 基于 PMT 的信号测量系统设计 .................................................................. 20
§3.1 PMT 在化学发光免疫检测系统中的应用 .................................................... 20
§3.1.1 PMT 应用特性 ...................................................................................... 20
§3.1.2 PMT 的选择 .......................................................................................... 21
§3.1.3 CR110 结构及特性 ............................................................................... 21
§3.2 基于 PMT 的信号测量系统总体设计 ........................................................... 23
§3.3 基于 PMT 的信号测量系统主要器件选型 ................................................... 26
§3.3.1 放大器的选型 .......................................................................................26
§3.3.2 高速比较器的选型 ................................................................................28
§3.4 PMT 的高压电源与分压电路设计 ................................................................ 29
§3.4.1 PMT 的高压电源 .................................................................................. 29
§3.4.2 分压电路设计 ........................................................................................31
§3.5 PMT 的信号调理电路设计 ............................................................................ 32
§3.5.1 PMT 阳极反馈电阻
F
R
.........................................................................32
§3.5.2 信号调理电路电源 ................................................................................33
§3.5.3 信号调理电路 ........................................................................................34
§3.6 本章总结 .........................................................................................................35
第四章 PMT 的信号处理系统 ................................................................................... 36
§4.1 信号处理系统的要求 .....................................................................................36
§4.2 高速计数器 ......................................................................................................37
§4.2.1 DSP 芯片选型 ....................................................................................... 37
§4.2.2 TMS320F2812 ....................................................................................... 37
§4.3 计数模块 .........................................................................................................38
§4.3.1 计数模块方案 .......................................................................................38
§4.3.2 FPGA 选型 ............................................................................................ 38
§4.3.3 计数模块电路设计 ...............................................................................39
§4.4 数据处理 .........................................................................................................40
§4.5 本章总结 .........................................................................................................43
第五章 CR110 型PMT 的标定 .................................................................................. 45
§5.1 PMT 标定简介 ................................................................................................ 45
§5.2 光源 .................................................................................................................45
§5.3 CR110 绝对增益的标定 ................................................................................. 47
§5.3.1 偏置电压的确定 ...................................................................................47
§5.3.2 高压响应 ...............................................................................................48
§5.3.3 绝对增益的确定[47] .............................................................................. 49
§5.4 CR110 线性度的标定 ..................................................................................... 52
§5.5 CR110 频率响应的标定 ................................................................................. 53
§5.6 本章小结 .........................................................................................................54
第六章 软件平台设计 .................................................................................................55
§6.1 软件平台总体设计 .........................................................................................55
§6.2 程序设计 .........................................................................................................55
§6.2.1 主程序设计 ...........................................................................................55
§6.2.2 温控模块 ................................................................................................56
§6.2.3 逻辑控制模块 ........................................................................................57
§6.2.4 计数模块 ................................................................................................57
§6.2.5 人机界面模块 ........................................................................................58
§6.3 实验及其结果分析 .........................................................................................58
§6.4 本章小结 .........................................................................................................61
第七章 总结与展望 .....................................................................................................62
§7.1 结论及创新点 .................................................................................................62
§7.1.1 课题总结 ...............................................................................................62
§7.1.2 创新点 ...................................................................................................63
§7.2 研究展望 .........................................................................................................63
参考文献 .........................................................................................................................64
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................67
致 谢 .............................................................................................................................68
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题背景及意义
随着人们生活水平的日益提高以及现代科技的高速发展，社会的各方面都在
追求现代化、效率化、自动化、人性化。免疫分析仪也在人们的需求中逐渐发展
与完善。免疫分析仪是人们在医院看病、体检经常要用到的检测仪器，其检测效
率的高低、检测结果的准确性、仪器稳定性的好坏都是研发人员和医护工作者所
关注的。
免疫分析仪是一种通过检测患者或体检者的血清，从而对人体各项生理指标
进行免疫分析的医学检测设备。当前，免疫分析仪在现代医学与检测领域已经是
不可或缺的医疗设备。为了适应医学检验中自动、快速、简便的要求，各种免疫
分析技术相继出现，相应的免疫分析仪器也不断问世[1-3]。
目前国内外使用的自动免疫分析仪按其标记物的种类可分为酶免疫分析仪、
免疫发光分析仪两大类；按其自动化程度分有全自动、半自动两种（手动的分析
仪已经逐步退出了人们的视野）。全自动免疫分析仪在性能等各方面均好于半自动
免疫分析仪，半自动免疫分析仪的位置正逐渐被取代。全自动免疫发光分析仪的
占有率比全自动酶免疫分析仪多得多。全自动免疫发光分析仪的发展尤为突出，
国内现有的全自动免疫发光分析仪属中低档产品[1]。
全自动免疫发光分析仪可分为自动化荧光免疫分析仪、自动化化学发光免疫
分析仪和电化学免疫发光分析仪[2]。由于自动化化学发光免疫分析仪在医学上的应
用价值高，很多研发机构都在对其进行深入研究。本课题所研究的化学发光免疫
分析仪属于全自动类型。
化学发光免疫分析仪是基于化学发光免疫技术（Chemiluminescence Immunoas-
say，CLIA），集成免疫检验过程中的取样、加样、加试剂、混合、温育、固相载
体分离、信号检测、数据处理、打印检测报告等步骤流程。
化学发光免疫分析仪作为血清检测的工具，具有以下优良特性：
与放射免疫分析、酶免疫分析、荧光免疫分析为检测原理的分析仪相比，
化学发光免疫分析仪没有辐射、标记物有效期长并且易于实现全自动化；
灵敏度高。当前国内外的化学发光免疫分析仪的灵敏度一般都达到甚至超
过RIA 的灵敏度，测定极限达
-19-17 1010 —
mol/L；
速度快。最大检测速度可达 200/h；
检测模式多样化。有常规检测模式和急诊检测模式，满足各个医院的检测
需求；
化学发光免疫检测系统的研究
2
可测定的样本浓度范围宽，样品可以在不稀释的情况下检测；
自动化程度高。液面自动检测、条码自动扫描、温度自动控制、检测后自
动在 PC 上显示相关信息、自动上下料等。
我国的大部分分析仪器，在仪器的性能、制造及安装精度、灵敏度、稳定性、
自动化程度等方面均不如西方发达国家，我们的产品尽管占有少量市场，但这从
根本上限制了我国免疫分析仪的发展。
化学发光免疫分析试剂昂贵，一套完整的化学发光免疫分析系统，它需要与
之配套的试剂。而涉及临床分析研究的仪器大多依赖进口，限制了这一研究内容
的开展。而化学发光免疫分析的诸多优点吸引了大量的用户，造成了研究成果不
能很好地满足产业化以及临床检测需要之间的矛盾[3]。
鉴于以上原因，上海理工大学机械自动化研究所与上海裕隆生物科技有限公
司共同合作研发“全自动管式化学发光免疫检测系统”。本课题是项目“全自动管
式化学发光免疫检测系统”的子课题“化学发光免疫检测系统的研究”。
“全自动管式化学发光免疫检测系统”的研制，将从很大程度上减轻实验室
人员的劳动强度，大幅度提高血清检测的准确性和重复性；推进我国免疫分析前
进的步伐，尽可能达到国际先进免疫分析技术水平；研发出拥有自主知识产权的
CLIA 自动分析仪，具有重要的现实意义。而化学发光免疫检测系统的研究将为化
学发光免疫分析仪的检测结果提供更好的保障，提高检测精度，增大检测结果准
确率。为全自动化学发光免疫检测分析仪的研究提供了技术和数据基础。
§1.2 化学发光免疫检测系统概述
§1.2.1 化学发光免疫分析技术介绍
化学发光免疫分析技术（CLIA）诞生于 1977 年，它是高灵敏度的化学发光技
术与高特异性的免疫反应的结合[7]。免疫分析，是利用抗体、抗原之间的特异性结
合来测定、分析特定物质的方法；化学发光，是在免疫反应结束后，加入定量的
氧化剂以及酶的发光底物。由于化学反应后会产生多个处于激发态的中间体，中
间体在氧化剂或者酶的诱发下，通过电子跃迁回到稳定的基态。在这一过程中，
中间体会发射光子并且释放能量，发光底物吸收这些能量后就会发光。发光强度
可以用发光信号测量仪器或者光电探测器进行检测，根据在发光强度和被测对象
之间建立函数关系，利用标定的工作曲线可计算出被测物的含量[2][6-7]。
化学发光免疫分析技术是继酶免疫分析、放射性免疫分析、荧光免疫分析之
后发展起来的一项新型检测技术。从诞生到现在，CLIA 已广泛应用于临床检测、
第一章 绪 论
3
药物分析等分析检测领域。化学发光免疫分析技术是一种结合方法、仪器、试剂
三位一体的检测技术，其发展趋势与相关科学的发展密不可分，其中尤其以生物
技术和材料科学最为紧密。CLIA 检测的是中间体发出的光或者能量转换，所以不
需要外部光源（外部光源的介入将影响检测结果）；其信噪比可以达到荧光免疫分
析（IFA）水平，甚至更高，最低限度可以检测的光子数为 100；自动化程度高，
首个样品在 20 分钟左右就可以测定结束，提高了检测效率；其灵敏度比放射免疫
分析（RIA）或酶免疫分析（EIA）高 1至2个数量级，检测范围广，最大可达 6
个数量级。CLIA 是一种非常优秀的定量分析检测对象含量的方法，化学发光免疫
分析仪的发展跟相关学科密切相关。随着光电探测器的迅速发展，化学发光免疫
分析仪出现了两个截然不同的发展方向，一是朝着商业化方向发展，高效率、高
可靠性的免疫分析仪可以满足医院等检测机构对效率的需求，如多通道同时检测
的大型检测系统；另一个方向是朝着大众化方向发展，便携式、小型化的免疫分
析仪可以满足个人或私人诊所的需求，如便捷实用型的个人医疗诊断设备[1][4][7-8]。
§1.2.2 化学发光免疫检测原理
化学发光免疫检测步骤是：
(1) 将患者的血清定量的吸取到反应杯中；
(2) 根据检测要求加入相应的试剂、标记物、磁珠，在恒温下反应；
(3) 对反应产物进行清洗及吸走废液；
(4) 加入激发底物 1、2；
(5) 用光电探测器对反应产物所发出的光进行处理；
(6) 控制器进行数据处理；
(7) 上位机显示结果以及打印等与结果相关的操作。
如图 1-1 所示，为化学发光免疫检测原理。
图1-1 化学发光免疫检测原理
摘要：
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摘要随着人们对自身健康的不断关注，生活节奏的不断加快，全自动的免疫分析仪正在逐步取代传统的手动及半自动免疫分析仪。全自动的化学发光免疫分析仪作为一种新型的免疫检测系统，具有检测快速、稳定、结果准确等特性，它是以化学发光免疫分析法(ChemiluminescenceImmunoassay,CLIA)为基础的血清检测方法。CLIA具有灵敏度高、线性范围宽、易操作、易于实现自动化等优点。本课题所研究的化学发光免疫分析仪集成了免疫检验过程中的取样、加样、加试剂、混合、温育、信号检测、固相载体分离、数据处理、打印检测报告等步骤。本课题是“全自动管式化学发光免疫检测系统”的子课题，通过对该子课题所涉及到的...
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2025-01-09 21
作者：牛悦
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：71 页
大小：4.26MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
