免疫层析试纸划液仪的研制

免疫层析试纸划液仪的研制王清，郭雅婕(河北工业大学控制科学与工程学院，天津300130)摘要：针对免疫层析检测试纸C/T线在生产制作上存在的不足，设计了一套对恒线速度运动的NC膜进行划液的专业设备，主要用于在试纸的NC膜表面划上定量均匀的蛋白质液。为了满足划液要求，划液仪以单片机为主要控制核心，设计了自主调节的划液平台和精确稳定的传动装置，通过键盘和液晶显示使操作更加简单直观，检测装置增加了划液仪的精度和稳定性。另外加入RS-485通讯接口，PC机可通过Modbus协议实现对划液仪的控制，便于设备组网后的集中监控。本文提出了一种由双单片机控制的高性价比划液仪。讨论采用最方便实现物液设备应具备的所有基本功能，并从软件硬件两个方面入手，分析系统中各个部分的关系。给出了软件和硬件的方案。并对触摸屏部分实现进行了详细地说明。实验证明：该仪器经济简便、性能稳定、操作精准，具有较高的划液精度和多种模式，智能化程度高，安全性好，适用于各种免疫层析试纸条的科研以及中小型企业的研发。关键词：免疫层析；划液仪；RS485总线；传感器；触摸屏中图分类号：TP273+.5文献标志码：ADesignandImplementationofDispenserDeviceForimmunochromatographicstripWANGQing,GUOYa-jie(SchoolofControlScienceandEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)Abstract:AccordingtotheshortageoftheproductionofimmunochromatographicstripC/Tline,ItdesignedaprofessionaldrawliquidequipmentforasetofconstantlinearvelocitymovementofNCmembrane,mainlyusedtodrawquantitativeproteinsolutioninthestripofNCfilmsurface.Inordertomeettherequirements,dispenserinstrumentusedsinglechipmicrocomputerasmaincontrolcore,manualadjustedthepositionplatformmarkingtheappropriatelocationandspacing.Designedthepositionplatformofindependentlyregulateandpreciseandstablegearing,throughthekeyboardandLCDdisplaymadeoperationmoresimpleandintuitive,liquiddetectiondeviceincreasedtheprecisionandstability.AddtheRS-485communicationinterface,soPCcouldbeeasytocontroltheinstrumentthroughtheModbusprotocolwhenitusedinthenetwork.Practiceproves,theperformanceoftheinstrumentiseconomicalandsimple,performancestableandoperateaccuracy.Itcanbeappliedtotheresearchandthedevelopmentofsmallandmedium-sizedenterprises.Keywords:immunochromatographic;dispenserinstrument;SCM;gearing;stepmotor0引言近年来免疫学快速诊断技术和检测方法得到了迅速的发展并广泛应用于各个领域。目前在医学检验中的应用主要是免疫层析法和快速免疫金渗滤法，用于检测HBsAg、HCG和抗双链DNA抗体等，其中胶体金免疫层析技术凭借其快速、简便、精确、稳定等优点，已经成为近年来生物产业化最成功的产品之一[1]。划液仪做为免疫层析试纸生产的专业设备内的主要设备之一，主要就是用于在NC膜表面划出C/T线，鉴于免疫层析检测试纸的广泛应用，划液设备的研究与开发具有广阔的市场和应用前景。目前国内生产的专业设备远不及国外，主要因为国内的仪器在载体试纸上均匀稳定的喷洒是一个重要问题。划液头将抗体划到膜表面时，由于NC膜本身的物理性质为软脆，划液头很容易在其表面留下印痕。进口的喷液仪由于使用的材料和控制系统较好，所以留下的划痕较轻，而国产仪器较差，留下的划痕也就比较严重。划痕容易对层析试纸上的金标复合物形成阻力，导致假阳性。同时跑板时容易在T线位置出现若有若无一条细线（鬼线），而跑板结束后鬼线消失的奇怪现象。针对这一现象，开发一套控制系统稳定，操作简便，价格便宜且对划液精度有所保障的划液装置显得尤为重要。1系统的整体设计方案本仪器是一款单片机控制下的划液仪器，其活塞型的工作原理有效地保证了划膜精度；划膜回路的精心设计从结构上消除了划膜过程中滴漏和划空的可能。系统采用2片单片机控制，大屏幕触摸屏显示，全中文界面，操作简单。驱动装置由单片机控制精密驱动，除了提供驱动能量外还能对划液状况进行监控。划液仪要求能实现以下功能：(l)可精确测量和控制划液速度；(2)可精确测定和控制划液量；(3)能对气泡、空液、漏液和输液管阻塞等异常情况进行报警，并自动切断划液通路；(4)实现智能控制划液。很好的实现对划液速度，气泡、空液、漏液和划液管阻塞信号的获取。仪器主要参数如下：总量：l60~0m；背景量(划液速度)：l/h400~ml/h01.0m；行程控制精度：%5（满行程）；通讯接口：RS485电源：DC24.0V；工作温湿度：5~40℃，30%~75%RH；储存温湿度：-10~60℃，10%~93%RH；大气压力：700~1060hpa；划膜装置配用注射器规格：1mL\3mL\5mL\10mL\20mL\30mL\60mL。划液仪需满足对恒速度运动中的NC膜划液的要求，其具体操作需要精准稳定的供给装置给予保证，满足不同宽度的NC膜划液。划液头与NC膜之间的距离为2mm～3mm,最大不能超过5mm，不允许出现印痕或划痕。主要设计思路是：设计一个位置调节平台用于固定和调节划液头，调节方向可在多个自由度内移动做划膜操作时，划液头与NC膜之间的距离和检测线与质控线之间的距离手动可调。主控装置采用STC89C52作为主控芯片进行数据处理和整体控制，通过按键来选择功能菜单，液晶屏显示所选中的功能并在运行中显示相关运行参数。单片机控制步进电机带动丝杠上的滑块按照设定参数或动作运动，实现均匀稳定的划液操作。在装置的后电路板上设计RS485接口，便于PC通过RS485连接控制划液仪。在PC机控制多个仪器通讯模式中，需设定每个划液仪的地址和相同的波特率。2系统的硬件构成2.1机械装置注射器活塞释放按钮推动滑块注射器固定装置注射器夹紧螺母图1注射器固定装置示意图Fig.1Schematicdiagramofthesyringefixingdevice驱动电路步进电机传动装置丝杠图2传动装置示意图Fig.2Schematicdiagramoftransmissiondevice系统的运动由单片机控制，步进电机在单片机的指令下开始工作。步进电机（1）将旋转运动经传动轮（2）连接丝杠（3）转动再传递到推动滑块（4），从而实现由旋转运动转换为直线运动的过程。装配后，推动活塞固定住注射器的活塞（5）后部分后在前端形成一个活塞腔，在活塞往复运动的作用下，形成吸液、划液过程。[1]针对一些注射器其边缘是一个圆角，这会使得注射器在注射器导轨上有翘起的趋势。为了保证安全和精度，使注射器能平坦的固定，设计了注射器固定装置用于压紧注射器。在使用时，首先旋转螺母松开注射器夹紧夹子，将注射器放入V型槽内，拧紧螺母使注射器稳固安全的安装在注射器槽内。然后按下释放钮（1），手动拖动推动滑块沿着导轨活动，使滑块挨住注射器的活塞，旋转钮（1）将滑块和活塞固定在一起。当旋钮上的白线对着注射器的活塞时驱动按钮被固定，白线朝向键盘方向时旋钮松开。划液仪的机械装置包括位置调节装置，传动装置和注射器固定装置。注射器固定装置与划液仪的传动系统设计如图1和图2。其中位置调节平台符合四个半的自由度要求。其中平台本身满足三个自由度：X\Y\Z三维，两个划液头满足一个半的自由度：升降和靠近。手动调节平台使其在正确的位置划液，平台设计为交叉滚珠导轨，侧面可锁紧，很好的保证了每轴运动的平行度和垂直度。位移调整采用差动测微头，使得装置精度保证在纳米级的微位移调整。划液头采用中空纤维管，因其柔韧而有弹性，特别适合在NC膜表面划液，对微孔膜表面没有损伤，不易留下划痕[2]。工作时，将注射器固定在装置上的V型槽内并旋转螺母夹紧注射器，按下释放按钮推动滑块在丝杠上滑动，并和注射器的活塞固定在一起，单片机控制驱动电路提供步进电机所需的脉冲与电压，丝杠将回转运动转化为直线运动，继而推动注射器完成划液操作。2.2主控系统主控系统的硬件组成如图2：单片机STC89C52声光报警、状态显示键盘与开关液晶显示EEPROMRS485通讯电路电源与晶振串行A/D状态检测电路步进电机驱动器步进电机丝杠副图3硬件系统组成图Fig.2thehardwaresystem装置设计由外部交流电源供电，提供8-12V的电压。在划液装置的设计中，要实现对多个负载的控制，系统占用I/O口数量较多，且考虑到单片机功耗和开发环境及功能等因素，系统选用STC89C52单片机作为主控制器，STC89C52具有八位数据处理功能，具有很好的兼容性，许多的外围接口芯片都可以与之匹配[3]，并且具有功耗低、功能强大、价格低、性能稳定等特点。装置设置了两种分配模式:1、总量分配模式：划液仪保持设定流量跟踪分配，当达到设定的注射目标容量后自动停止。2、运行模式：划液仪按照设定速率运行直到手动停止或失步紧急停止。当在运行中出现断电恢复时，划液装置设定为保持停止直到给予新指令。为了方便快捷的操作，所有设置信息都存储在EEPROM内，这样可以有效的减少划液仪设置次数。2.2.1液晶、键盘与开关划液仪中的液晶和键盘用于显示和输入命令，液晶用于实时显示各种参数和运行状态,如注射器直径，划液速度、目标划液容量、划液状态、已划液容量、划液时间等,使操作者能够实时掌握划液仪的工作状态,同时为人工控制划液仪提供良好的人机交互界面。由于液晶显示界面的特殊性,设计采用定制的液晶,预先把要显示的参数、字符定制到液晶里面。液晶显示采用芯片HT1621控制,HT1621直接与微控制器4线串行接口,控制简单。划液仪上电运行前需设定的参数包括注射器直径，划液速度和划液目标容量，设定完成后划液仪按照分配模式1进行工作，若没有设定注射目标容量则按照分配模式2工作。键盘电路主要用于划液仪的各种参数或动作的设定,设计四个按键分别是:UP、DOWN、Select和RUN/STOP。设置地址拨码开关用于设置仪器的地址，便于实现多机配合使用。多机模式中最多可连接15台划液仪，地址拨码开关保证每个仪器有唯一的地址，便于上位机与每台仪器分别通讯。2.2.2检测电路状态检测主要完成检测注射器活塞运动位置、划液阻塞判断等任务。报警系统报警电路用于当装置在工作过程中出现供电错误、划液完毕、划液阻塞、压力不正常等不正常工作情况时提供声光报警功能，以此提醒操作员进行处理。在报警系统中,报警声音由蜂鸣器提供,发光二极管提供光报警功能。为了简化电路设计采用驱动电流不大的小型蜂鸣器。灯光警示主要包括:外接电源指示灯、脱落指示灯、系统报警灯以及正常工作指示灯。划液仪主要有供电错误、阻塞报警和异常状态报警等报警要求。这些参数是否达到要求关系着生产的精