磁免疫检测系统及使用方法

摘要

本发明提供磁免疫检测系统及使用方法，其中磁免疫检测系统，由磁阻传感器、模拟前端、中央处理单元和数字信号处理单元四部分组成。磁阻传感器，由两个磁阻器件和一块永久磁铁组成，两个磁阻器件之间串联，永久磁铁将磁场均匀的施加在两个磁阻器件上，在两个磁阻器件的连接处设置了一个输出端子,该端子上的电压称为输出电压Vo，当输入电压Vi施加到MR设备两端时，输出电压大约为输入电压的一半，电压为中值电压。本发明利用磁的特点可以尽可能的减少样本本身的干扰，可以实现对检测样本的定量检测，可以实现设备小型化，进而促进POCT的发展。

权利要求

1.磁免疫检测系统，其特征在于，由磁阻传感器、模拟前端、中央处理单元和数字信号处理单元四部分组成；

磁阻传感器，由两个磁阻器件和一块永久磁铁组成，两个磁阻器件之间串联，永久磁铁将磁场均匀的施加在两个磁阻器件上，在两个磁阻器件的连接中点设置一个输出端子Ⅰ，输出端子Ⅰ与模拟前端相连接；

模拟前端，为二阶有源带通滤波器，二阶有源带通滤波器采用两级运放电路对磁阻传感器检测到的信号进行处理，处理后的信号输入中央处理单元；

中央处理单元，模拟前端检测到的信号由ADC采集并转换为数字信号，存储在中央处理单元的FLASH中，通过串口与数字信号处理单元通信；

数字信号处理单元，完成对信号波形的显示、分析和处理。

2.根据权利要求1所述的磁免疫检测系统，其特征在于，磁阻传感器还包括耦接电路，耦接电路包括电源、电阻R11、电阻R12，电阻R11输出端与电阻R12输入端串接，在电阻R11与电阻R12连接处设置一个输出端子Ⅱ，输出端子Ⅱ与模拟前端相连，电源一端与电阻R11输入端相连接，电源另一端与电阻R12输出端相连。

3.根据权利要求2所述的免疫检测系统，其特征在于，二阶有源带通滤波器：为输入Vin连接电容C1一端，电容C1另一端连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接放大器“‑”端口、电阻R2一端、电容C2一端，电阻R2另一端与电容C2另一端均连接放大器的输出端，VI连接电阻R3一端，电阻R3另一端连接电阻R4一端、放大器“+”端口，电阻R4另一端接地。

4.根据权利要求3所述的免疫检测系统，其特征在于，两个二阶有源带通滤波器：磁阻传感器的输出端子Ⅰ连接1#二阶有源带通滤波器的“‑”输入端，并且与电容C1一端相连，1#二阶有源带通滤波器的输出连接2#有源带通滤波器的电容C3一端相连，耦接电路的输出端子Ⅱ分别连接1#二阶有源带通滤波器的电阻R3相连、2#二阶有源带通滤波器的电阻R7相连接。

5.根据权利要求1所述的免疫检测系统，其特征在于，还包括磁阻传感器安装在磁阻传感器支架上，磁阻传感器支架卡接在外壳上，待测试纸安装在测试卡座中部的凹槽内，测试卡座安装在齿轮板上，齿轮板安装在滑轨上，滑轨安装在外壳中部的安装槽内，测试卡座卡接在外壳的两侧板上，步进电机安装在底座一侧，外壳安装在底座上，步进电机的齿轮与齿轮板啮合，齿轮板在滑轨上滑动，由滑轨限定前进方向，模拟前端、中央处理单元均放置在底座中。

说明书

磁免疫检测系统及使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于检测技术领域，尤其涉及磁免疫检测系统及使用方法。

背景技术

[0002] POCT(现场检测，Point‑of‑care testing)技术具有检测快速、使用简单、节约成本等特点，随着卫生保健的重点转向精准医疗、人口健康和慢性病管理，在过去的十年中
POCT的潜在影响出现了显著加强的趋势。

[0003] ICTSs(免疫层析试纸，Immunochromatographic test strips)是目前最有发展前景的POCT诊断格式，同样具有快速、简便、成本效益高等特点，目前ICTSs已广泛应用于POCT
检测。免疫层析法是一种广泛应用于现场检测的免疫分析方法。主要采用胶体金、荧光微
球、磁纳米颗粒等作为标记物，以免疫层析的方式，配合使用免疫分析仪，实现检测血清、血
浆和全血样本中SAA(血清淀粉样本蛋白A，Serum amyloid A)蛋白等的含量。胶体金由于其
物理稳定性和低成本，是目前最常用的纳米颗粒之一。但是，它只能进行基于视觉观察的半
定量分析，没有具体的数据。普通的免疫荧光技术在对抗原含量进行测定时会存在一定的
局限性，因为在生物流体和血清中的许多复合物和蛋白本身就可以发出荧光，当用荧光物
质标记生物样本时，生物样本本身产生的荧光会对实验产生干扰，使得实验检测的灵敏度
严重下降。这些方法中，有一些是比较耗时的，有些是大型的仪器，只适用于固定场所，并且
需要比较复杂的操作，这些特点限制了其在POCT中的应用。

[0004] 近年来还开发了一种新的标记材料——超顺磁纳米颗粒(SPMNPs)。它可以替代胶体金、乳胶、硒、碳和脂质体等传统标记材料进行定量检测。目前市场上还没有相关的定量
检测产品。磁性纳米颗粒是一种尺寸为1‑100nm的磁性材料。它具有独特的光学、磁、电、热、
机械和化学活性，在基于磁性纳米颗粒的诊断技术中具有广阔的应用前景。与传统的利用
颜色强度来确定信号强度的免疫层析试纸相比，基于超顺磁纳米颗粒的免疫层析可以通过
磁分析阅读确定其信号强度，与免疫层析试纸相比，基于超顺磁纳米颗粒的免疫层析可以
通过磁分析阅读器(MAR)系统读取磁信号来实现定量测量。一般的生物样本，如唾液、血液
等，不含引起顺磁噪声的物质，因此与使用光学传感器的阅读器相比，磁场传感器的定量阅
读器在检测生物样本时几乎不含背景噪声，具有更好的特异性。SPMNPs提供的磁信号相当
稳定，可以对检测结果进行复核。

[0005] 随着传感器技术的进步，越来越多的基于磁疫的定量检测方法被报道，下面列举一些其他文献中的研究。

[0006] (1)磁分析阅读器(MAR)

[0007] Magna Bioscicences LLC(CA,USA)开发和销售的MAR分析系统(magnetic Assay reader,MAR)广泛用于定量分析磁性纳米颗粒标记的样品。HCG、单核细胞增生李斯特菌、炭
疽芽孢杆菌和人类免疫缺陷病毒(HIV)型p24抗原。MAR是由一个C型电磁铁产生外加磁场激
励具有超顺磁特性的MNPs，另外一套薄膜感应线圈作为磁信号收集测量的单元。测量的磁
信号强度与试纸条上累积的MNPs数量一定范围内成线性关系，并使用相关磁单位记录磁信
号强度。

[0008] (2)巨磁阻传感阅读器(GMR)

[0009] 磁饱和指的是铁磁性物质或亚铁磁性物质处于磁极化强度不随磁场强度的增加而显著增大的状态。除了MAR、MIR阅读器外，还有通过磁传感器测量MNPs产生的磁化饱和度
来定量分析目标蛋白的参数。在侧向流免疫分析中，GMR广泛应用于MNPs标记的目标蛋白的
定量分析中，Ryu等人。使用GMR传感器检测心脏标记物cTNl，灵敏度为0.01ng/ml。

[0010] (3)隧道磁阻阅读器(TMR)

[0011] 隧道磁阻(tunneling magnetoresistance reader,TMR)传感。Lei等人，研究开发了一种非接触式传感器系统，用于定量检测累积在LFTSs上的MNPs。在C型电磁铁上施加直
流电流产生一个垂直磁场，C型电磁铁间隙区中加入两个平行相邻的TMR元件，该微分结构
对试纸条方向上MNPs引起的杂散磁场的变化敏感。在检测器件，通过滑动导轨将试纸条沿
水平方向移动，然后TMR传感器将磁信号的变化转换为电压信息。最后结合HCG的检测，该装
置达到了25mlU/mL的检测限，充分说明在非接触传感器模式下，TMR传感器依旧能达到一个
很好的灵敏度和精确性要求。

[0012] 现有技术一的缺点

[0013] 在上述设备中，MAR无法自动定位需要手动校正位置。GMR检测轮可能会破坏试纸条的结构，给结果带来误差。TMR传感器体积庞大，这些都制约基于磁免疫的蛋白检测系统
的POCT发展。

发明内容

[0014] 本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，本发明可以通过定位检测算法对试纸的位置进行自动检测与调整，采用lnSb单结晶作为磁阻元素的磁阻传感器，整个系
统机械机构的体积可以只有98mm×62mm×78mm，并且可以实现与待测试纸的无接触检测，
不会破坏试纸条的结构。

[0015] 本发明采用如下技术方案：

[0016] 磁免疫检测系统，由磁阻传感器、模拟前端、中央处理单元和数字信号处理单元四部分组成。

[0017] 磁阻传感器，有两个磁阻器件(MR1，MR2)和一块永久磁铁组成，两个磁阻器件之间串联，永久磁铁将均匀的磁场施加在两个磁阻器件上，在两个磁阻器件的连接处设置了一
个输出端子Ⅰ，输出端子Ⅰ与模拟前端相连接；

[0018] 该端子上的电压称为输出电压Vo，当输入电压Vi施加到磁阻器件两端时，输出电压大约为输入电压的一半，电压为中值电压。但是，如果强度不同的磁场作用与两个磁阻器件
上时，由于器件的电阻值不同，由于器件的电阻值不同，因此输出与中值电压会有所不同。

[0019] 模拟前端，为二阶有源带通滤波器，二阶有源带通滤波器采用两级运放电路对磁阻传感器检测到的信号进行处理，处理后的信号输入中央处理单元；

[0020] 中央处理单元，由ADC采集并转换为数字信号，存储在中央处理单元的FLASH中，通过串口与数字信号处理单元通信；

[0021] 数字信号处理单元：完成对信号波形的显示、分析和处理。

[0022] 进一步的技术方案是，磁阻传感器还包括耦接电路，耦接电路包括电源、电阻R11、电阻R12，电阻R11输出端与电阻R12输入端串接，在电阻R11与电阻R12连接处设置一个输出
端子Ⅱ，输出端子Ⅱ与模拟前端相连，电源一端与电阻R11输入端相连接，电源另一端与电
阻R12输出端相连。

[0023] 进一步的技术方案是，二阶有源带通滤波器，为一阶电容滤波器改进而来，改进之处在于，在电阻R1与输入Vin之间安装电容C1，在放大器“+”端引入输入Vi，具体为“+”端连
接电阻R3一端、电阻R4一端，电阻R4另一端接地，电阻R3接输入VI。

[0024] 进一步的技术方案是，模拟前端为两个二阶有源带通滤波器，磁阻传感器的输出端子Ⅰ连接1#二阶有源带通滤波器的“‑”输入侧，具体与电容C1一端相连，1#二阶有源带通
滤波器的输出连接2#有源带通滤波器的“‑”输入侧，具体与电容C1一端相连，磁阻传感器的
输出端子Ⅱ分别连接1#二阶有源带通滤波器的“+”输入侧和2#二阶有源带通滤波器的“+”
输入侧，具体和1#二阶有源带通滤波器的电阻R3相连接，和2#二阶有源带通滤波器的电阻
R7相连接。

[0025] 进一步的是，磁阻传感器安装在磁阻传感器支架上，磁阻传感器支架卡接在外壳上，待测试纸安装在测试卡座中部的凹槽内，测试卡座安装在齿轮板上，齿轮板安装在滑轨
上，滑轨安装在外壳中部的安装槽内，测试卡座卡接在外壳的两侧板上，步进电机安装在底
座一侧，外壳安装在底座上，步进电机的齿轮与齿轮板啮合，齿轮板在滑轨上滑动，由滑轨
限定前进方向，模拟前端、中央处理单元均放置在底座中。

[0026] 磁免疫检测系统的使用方法，包括如下步骤：

[0027] 步骤1.将待测试纸经过免疫层析反应；

[0028] 步骤2.将待测试纸安装在测试卡座中部的凹槽内，由中央处理单元发送相应指令，控制步进电机运转，带动齿轮板水平运动，使通过磁阻传感器支架固定在外壳上的磁阻
传感器扫描整个待测试纸，进而将检测到的信号传送到中央处理单元处理；

[0029] 步骤3.存储在中央处理单元的FLASH中，通过串口与数字信号处理单元通信，数字信号处理单元上建立图形用户界面，对信号波形进行显示、分析和处理。

[0030] 本发明的有益效果：

[0031] 本发明研究并设计了一种采用磁阻传感器，检测基于SPMNPs探针的检测样本的系统，该系统使用STM32单片机作为主控芯片，控制步进电机带动试纸座运动，磁阻传感器扫
描试纸上的弱磁信号，并通过差分放大滤波电路对弱磁信号进行滤波、放大处理，处理过的
信号采用12位高精度ADC进行数据采集。使用Python建立了一个方便使用的简单的图形用
户界面，用来进行快速执行重复测试、检测波形的显示和分析观察。本发明使用不同浓度的
检测样本进行了多次的测试，结果具有很好的重复性。整个系统具有小巧、检测快速、特异
性强、简便等优点，在POCT、环境检测、食物分析等方面具有良好的应用前景。

附图说明

[0032] 图1(a)为本发明的免疫层层析试纸结构示意图；

[0033] 图1(b)为本发明的免疫层层析试纸发生阳性反应时的示意图；

[0034] 图1(c)为本发明的免疫层层析试纸发生阴性反应时的示意图；

[0035] 图2(a)为InSb单结晶磁阻传感器内部结构图；

[0036] 图2(b)为磁阻传感器的检测原理图；

[0037] 图3(a)为没有待检测磁性物质时的电路状态图；

[0038] 图3(b)为待检测磁性物质移动到MR2处时的电路状态图；

[0039] 图3(c)为待检测磁性物质移动到MR1处时的电路状态图；

[0040] 图3(d)为待检测磁性物质整个移动过程中的输出V0示意图；

[0041] 图4(a)为典型的一阶积分电路图；

[0042] 图4(b)为在典型的一阶积分电路图上改进的电路图；

[0043] 图5(a)为系统的整体结构框图；

[0044] 图5(b)为系统的机械结构3D示意图；

[0045] 图5(c)为系统的机械结构爆照示意图。

[0046] 图中，101‑磁阻传感器、102‑步进电机、103‑测试卡座、104‑传动机构、105‑待测试纸、106‑底座、107‑磁阻传感器支架、108‑外壳、109‑齿轮板、1010‑滑轨；

[0047] A‑样品垫、B‑共轭垫、C‑NC膜、D‑检测线、E‑控制线、F‑PVC板、G‑吸附垫。

具体实施方式

[0048] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0049] 如图1(a)‑图1(c)所示，本发明的免疫层层析纸(ICTS)，主要由样品垫A、共轭垫B、NC膜C、检测线D、控制线E、PVC板F和吸附垫G组成。

[0050] 免疫层析一般原理是基于抗体抗原特异性相互作用。SMNPs最初在抗体(Ab)上标记形成SMNPs‑Ab结合物，并可固定在共轭垫G上。

[0051] 在免疫层析试纸上的检测线(TL)中含有能捕获目标抗原的靶标半抗原，而特异性免疫球蛋白抗体(Ab1)固定在控制线(CL)上。当含有抗原的测试样品涂在样品垫A上时，样
品通过毛细管力流向吸附垫G。在这个过程中，抗原与磁性纳米颗粒标记的抗体结合形成一
个偶联物(Ag‑MNPs‑Ab)。由于竞争限制，靶标半抗原在检测线D(TL)中无法捕获流动的Ag‑
SMNPs‑Ab，而Ag‑SMNPs‑Ab继流向控制线E(CL)，被控制线E(CL)中的Ab1捕获。最后，剩余的
测试样品达到测试条末端的吸附垫G。测试结果显示在NC膜C上的检测线D(TL)和控制线E
(CL)中。

[0052] 因此，随着Ab浓度的增加，检测线D(TL)上的信号会减少。基于这一特性，可以通过检测检测线D(TL)和控制线E(CL)中的磁场强度来定量分析样品的特性。

[0053] 如图1(b)所示当含有抗原的测试样品涂在样品垫上时，样品通过毛细管力流向吸附垫G。在这个过程中，抗原与磁性纳米颗粒标记的抗体结合形成一个偶联物(Ag‑MNPs‑
Ab)。由于竞争限制，靶标半抗原在检测线(TL)中无法捕获流动的Ag‑SMNPs‑Ab，而Ag‑
SMNPs‑Ab继流向控制线E(CL)，被控制线E(CL)中的Ab1捕获。此时仪器在CL上可以检测到较
强的磁信号，此为阳性。

[0054] 如图1(c)所示，当不含有抗原的测试样品涂在样品垫上时，样品通过毛细管力流向吸附垫G。在这个过程中，抗原与磁性纳米颗粒标记的抗体结合形成一个偶联物(Ag‑
MNPs‑Ab)。由于竞争限制，靶标半抗原在检测线D(TL)和控制线E(CL)中均能捕获到流动的
Ag‑SMNPs‑Ab，此时仪器在检测线D(TL)和控制线E(CT)上均可以检测到较强的磁信号，此为
阴性。

[0055] 为了待测试纸中检测线D(TL)和控制线E(CL)上的磁场强度，本发明采用InSb单结晶作为磁阻元素的磁阻传感器，利用磁阻效应可以检测磁场变化，其内部结构如图2(a)所
示，传感器由两个磁阻器件(MR1,MR2)和一块永久磁铁组成，两个磁阻之间串联，永久磁铁
将均匀的磁场施加在两个MR设备上，在两个MR设备的连接处设置了一个输出端子，该端子
上的电压称为输出电压Vo，当输入电压Vi施加到MR设备两端时，输出电压大约为输入电压
的一半，电压为中值电压。但是，如果强度不同的磁场作用于两个MR器件上时，由于器件的
电阻值不同，因此输出与中值电压会有所不同。例如，如图2(b)所示，当磁性材料通过MR1
时，通过MR1的磁力线会增多，从而电阻值比MR2增大的更多，因此输出电压小于中值电压，
相反，如果对MR2施加强磁场，则输出电压将大于中值电压。

[0056] 假定磁材料在MR传感器的前表面移动。图3(d)描述了当磁性材料通过图3(a)‑图3(c)中绘制的位置时MR传感器的输出。图3(d)中的箭头表示此材料与上图MR传感器对应位
置关系的响应。从图中可以看出，当没有磁性材料经过时，输出相对平坦；这是中值电压。当
磁性材料通过MR2向上移动时，输出电压相对于中值电压增加。当它移动到MR2的中心时，输
出电压达到最大值。当磁性材料移动到MR1和MR2中间位置时，输出为中值电压，磁性材料继
续移动。当它移动到MR1的中心位置时，输出电压下降到最低，最后返回到中值电压。根据这
一原理，可以对磁性试纸条进行定量分析。

[0057] 由于传感器输出的特性(如图3(d)所示)，图中显示了两种波形。为了便于负载电路的设计，采用传统的一阶积分算法电路对输出信号进行简化，如图4(a)所示。考虑到传感
器输出信号非常微弱，信噪比低，根据信号的特异性，如一个特定的频率分量，为了减少噪
音和放大的特定频率分量的信号，使用一个带通电路来实现。在传统的一阶积分算法电路
中增加了一个电容，使电路具有高通特性。由于积分算法电路本身具有低通特性，得到所需
的二阶有源带通滤波器，如图4(b)所示。为了减少不稳定的电力供应的影响，输出电阻热噪
声，使用微分放大器使用采样电压的特点两个电阻相同电阻传感器模拟干扰并使用它们作
为输入同一个方向输入。最后，该电路实现了信号的滤波放大。

[0058] 本发明电路部分主要由磁阻传感器、模拟前端、中央处理单元和数字信号处理单元四部分组成。图5(a)给出了系统架构的功能模块。首先给出了磁阻传感器的等效电路。虽
然生物样本不含磁背景噪声，但周围环境中仍然存在磁噪声，磁阻传感器采集的原始信号
也会有较大的噪声干扰。模拟前端采用两级运放电路对传感器检测到的信号进行处理。处
理后的信号由ADC采集并转换为数字信号，存储在中央处理单元(单片机)的FLASH中，然后
通过串口与数字信号处理单元(电脑机)通信。本发明使用Python在数字信号处理单元(电
脑)上建立了一个简单的图形用户界面，可以对信号波形进行显示、分析和处理。

[0059] 下面简述本发明系统的检测过程，将已经进行了免疫层析的试纸放置到测试卡座103上，中央处理单元通过向控制电路发送相应指令，控制步进电机102并带动传动机构104
运动，使结构上方的磁阻传感器101扫描整个试纸，试纸上测试线(TL)和控制线(CL)上的磁
纳米颗粒浓度信息将转换为电信号，经过二阶有源带通滤波器放大处理后被模数转换器
(ADC)转换为数字信号并被中央处理单元所采集、存储、通过串口上传至数字信号处理单元
(电脑)端，并使用Python建立的图形用户界面对波形进行显示、分析和处理。

[0060] 本发明中，采用结构如图5(b)所示的系统机械结构(尺寸为98mm×62mm×78mm)。主要部件有磁阻传感器101、步进电机102、测试卡座103和传动机构104。传动机构包括齿轮
板109、滑轨1010，所述磁阻传感器101固定在底座106上方，所述待测试纸105放置在所述测
试卡座103上，磁阻传感器101可采集所述待测试纸105中的磁信号。为了减少步进电机102
在运行过程中产生的磁信号对系统的干扰，步进电机102被设计成尽可能远离磁阻传感器
101，系统电路放置在底座106中。由两级运放组成的差分放大滤波电路的作用是消除环境
中共模信号的干扰，对信号进行放大。该滤波器为带通滤波器。调节滤波器的中心频率，可
以抑制干扰，突出信号。

[0061] 如图5(c)，下面将详细介绍机械结构，磁阻传感器101安装在磁阻传感器支架107上，磁阻传感器支架107卡接在外壳108上，待测试纸105安装在测试卡座103中部的凹槽内，
测试卡座103安装在齿轮板109上，齿轮板109安装在滑轨1010上，滑轨1010安装在外壳108
中部的安装槽内，测试卡座103卡接在外壳108的两侧板上，步进电机102安装在底座106一
侧，外壳108安装在底座106上，步进电机102的齿轮与齿轮板109啮合，齿轮板109在滑轨
1010上滑动，由滑轨1010限定前进方向。所有部件均通过3mm螺丝进行固定。

[0062] 系统操作方法：待测试纸105经过免疫层析反应之后，将待测试纸105安装在测试卡座103中部的凹槽内，由中央处理单元发送相应指令，控制步进电机102运转，带动齿轮板
109水平运动，使通过磁阻传感器支架107固定在外壳108上的磁阻传感器101扫描整个待测
试纸105，进而将检测到的信号传送到中央处理单元处理。

[0063] 本发明利用磁的特点可以尽可能的减少样本本身的干扰，可以实现对检测样本的定量检测，可以实现设备小型化，进而促进POCT的发展。

[0064] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。