據麥姆斯咨詢報道，近期，針對大中型醫院使用的全自動生化分析儀體積龐大、操作復雜、造價昂貴，難以在基層醫療機構及偏遠地區普及使用的問題，武漢輕工大學的研究人員提出了一種易攜帶、操作簡單、低成本的全自動生化分析儀設計方案。該方案以朗伯-比爾定律為理論基礎，基于設備離心力和芯片毛細力將血液樣本預處理、輸送、混合以及反應等過程一體化，并以ARM、DSP和FPGA多處理器結構實現人機交互、電機運動控制、恒溫控制等功能，實現了生化分析儀的便攜式功能。此外，經過性能檢測，該系統吸光度重復性、穩定性、溫度準確度和波動度滿足國家標準，因此，為體外即時檢驗提供了一種便攜式的解決方案。相關研究成果以論文形式發表在《應用科技》期刊上。

系統工作原理

生化分析儀主要由檢測單元、控制單元、管理單元3部分組成。用戶可以通過液晶顯示屏查看生化分析儀的工作狀態、樣本檢測的結果。

通過按鍵發送檢測命令給到下位機，下位機執行相關命令，檢測單元各個模塊開始工作，最終將采集到的信息經過算法處理后返回至上位機界面，ARM上預留有RS232接口可同步數據到PC端數據管理軟件。

而控制單元通過控制直流無刷電機的加速、減速、正反轉，為微流控芯片提供離心驅動力，以此來實現芯片中測試樣品離心、混合。在具體的操作過程中，氙燈提供一束白光攝入微流控芯片的反應孔，經過分光、濾光后，硅光電池組成的光檢測器檢測到9個波段的光信號，對信號處理后，依據朗伯-比爾定律，參照標準曲線，可以得到被測樣本中關注物質的濃度。微流控芯片結構以及血液樣本在芯上的分離、定量、流動、反應過程如圖1所示。

圖1 微流控芯片：（a）微流控芯片結構示意圖；（b）加入樣本（紅）和稀釋液（藍）；（c）樣本稀釋液定量和離心分離；（d）血漿（黃）、血細胞（紅）分離完成；（e）稀釋液（藍）、血漿（黃）完成混合（綠）；（f）稀釋液、血漿混合后進入反應孔。

系統硬件設計

如圖2所示，直流無刷電機的正反轉、勻速轉動以及加減速通過專用的電機控制芯片來控制，為微流控芯片提供充足的離心驅動力，以此完成血液樣本的生化檢測反應。直流無刷電機由3個單橋臂電路組成，每個橋臂使用IR公司的IR2101 MOSFET驅動器來驅動，該驅動器是一個雙通道、柵極驅動、高壓高速率驅動器，最高可提供20V的柵極驅動電壓，依靠VCC端的自舉電容，可實行上橋臂的電壓驅動。

圖2 電機驅動電路

盤片定位電路用于提供盤片檢測時精確的定位信號，該系統以發光二極管為光源，硅光電池為光電檢測器，系統為發光二極管提供5V電壓。光信號經硅光電池轉換為電信號后進入運算放大器LT1113，放大電路如圖3所示。調理后的信號進入比較器電路，當放大后電壓信號大于目標電壓信號，輸出高電平，氙燈曝光，完成一次探測。

圖3 定位信號放大電路

系統軟件設計

系統檢測流程如圖4所示，正常啟動后，用戶通過顯示屏點擊檢測按鈕進入檢測流程，掃描二維碼錄入測試信息，放入微流控芯片，添加樣本，確認測試信息后自動進入檢測程序，待倉內溫度達到37℃±0.1℃開始檢測。直流無刷電機轉動驅動盤片轉動，完成樣本離心、定量、樣本和稀釋液混合等工作，下位機與上位機之間通過SPI接口交互數據，數據經過處理后生成檢測報告，在顯示屏上顯示，并自動打印測試報告。

圖4 系統檢測流程

總體而言，該研究為全自動化生化分析儀在社區、醫院、學校等基層組織和偏遠地區的普及提供了便攜式的解決方案。研究人員后續將致力于將硬件系統進一步集成化、小型化，優化軟件，使系統性能更加穩定、準確度更高。