RFID技術(shù)在膠體金免疫層析中的應(yīng)用設(shè)計

　　隨著實時臨床診斷與實時臨床決策的需要，以硝酸纖維素膜為載體的快速免疫分析方法得到了迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，尤其是膠體金免疫層析，已成為目前最主要的快速免疫分析方法之一。

　　RFID (射頻識別技術(shù))是20世紀(jì)90年代開始興起的一種非接觸式的自動識別技術(shù)。它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，操作快捷方便，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域。

　　本文利用射頻讀卡模塊、電子標(biāo)簽和主控單片機(jī)，搭建了一個應(yīng)用于膠體金免疫層析檢驗的RFID系統(tǒng)。利用RFID技術(shù)的自動識別和電子標(biāo)簽的體積小、息容量大等特點，將電子標(biāo)簽和免疫分析試條封裝在一起構(gòu)成試條卡，并在電子標(biāo)簽中存儲試條信息(制造廠商、有效期等)、檢測結(jié)果、被測對象的身份信息、檢測日期等數(shù)據(jù)信息，提高樣本管理和數(shù)據(jù)記錄的效率，保證試條的正確使用。通過RS-232接口，電子標(biāo)簽中的信息還可以傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的記錄和管理。

　　RFID系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、讀寫器和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成：電子標(biāo)簽中存儲著物品被識別的相關(guān)信息，通常放置在需要被識別的物品上，被射頻讀寫器通過非接觸方式的讀/寫獲取它存儲的信息。

　　讀寫器是可以利用射頻技術(shù)讀/寫電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，讀出的標(biāo)簽信息通過計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和信息傳輸;計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通常用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，完成通信傳輸功能。讀寫器可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)連接，以便實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳輸功能。

　　射頻識別系統(tǒng)根據(jù)工作頻率的不同可分為低頻(100kHz~500kHz)、高頻(10MHz~15MHz)、超高頻(850MHz~960MHz)和微波系統(tǒng)(2.4GHz~5GHz)。低頻系統(tǒng)的特點是電子標(biāo)簽成本低，標(biāo)簽保存的數(shù)據(jù)量較少，閱讀距離一般小于10cm，閱讀天線方向性不強(qiáng);高頻系統(tǒng)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)容量一般較大、閱讀距離為10cm~1m，閱讀天線及電子標(biāo)簽天線有較強(qiáng)的方向性;超高頻系統(tǒng)主要應(yīng)用于如高速公路收費等讀寫距離大和讀寫速度較高的場合。同時，根據(jù)電子標(biāo)簽內(nèi)是否有電池為其供電，又可分為有源系統(tǒng)和無源系統(tǒng)。

　　本系統(tǒng)需要存儲較多的信息，并要求天線具有一定的方向性以避免產(chǎn)生誤操作，閱讀距離要求為5cm以上。所以，系統(tǒng)采用13.56MHz的高頻無源RFID系統(tǒng)。

　　硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　RFID試條卡系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，試條的顯色信息經(jīng)光電檢測器、前置放大器、ADC等，送入到單片機(jī)。讀寫模塊通過外接天線模塊對接近的電子標(biāo)簽發(fā)生感應(yīng)，并進(jìn)行讀寫操作。單片機(jī)與讀寫模塊之間采用SPI方式通信，實現(xiàn)對電子標(biāo)簽的讀寫操作;單片機(jī)通過RS-232接口連接到計算機(jī)，并將樣本身份標(biāo)識、測試結(jié)果、測試時間等信息上傳到計算機(jī)，進(jìn)行總體數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、管理。

　　圖1 RFID試條卡系統(tǒng)的原理框圖

　　讀寫器

　　讀寫器包括射頻讀寫模塊和外接天線模塊。其中，射頻讀寫模塊采用高度集成的FM1702N讀卡芯片， 支持ISO14443A協(xié)議，模塊的引腳分布如圖2所示。該模塊支持UART、I2C以及SPI等接口，根據(jù)控制引腳M1和NSS，可選擇與單片機(jī)的接口類型。控制模塊上電時進(jìn)入自動尋卡狀態(tài)，也可由單片機(jī)關(guān)閉自動尋卡功能，以降低系統(tǒng)功耗。

　　圖2 讀寫模塊管腳分布

　　電子標(biāo)簽

　　電子標(biāo)簽采用Mifare ultralight系列，符合ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為13.56MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)106kbps，存儲容量為512b，共分為16頁，每頁4個字節(jié)。具體的存儲器結(jié)構(gòu)如表1所示。

　　將電子標(biāo)簽和膠體金免疫層析試條封裝在一個塑料外殼之內(nèi)，如圖3所示，電子標(biāo)簽采用微型圓盤封裝。借助于電子標(biāo)簽的序列號，每個試條卡都有一個唯一的特征標(biāo)識。出廠前，在電子標(biāo)簽中寫入檢測病情、試條廠家代碼和生產(chǎn)日期及有效日期等;試條測試時可寫入檢測對象的身份信息、檢測結(jié)果、檢測時間、化驗員代碼等。

　　圖3 膠體金免疫層析試條卡封裝示意圖

　　RFID操作程序的設(shè)計

　　待測樣品加入到試條卡，試條顯色完全后，將試條卡插入到讀寫器的讀卡區(qū)。在單片機(jī)控制下，實現(xiàn)對試條顯色的閱讀以及電子標(biāo)簽的讀寫操作，操作流程如圖4所示。

　　圖4 試條卡操作流程圖

　　試條卡讀寫器上電后，單片機(jī)首先進(jìn)行初始化，選擇讀寫模塊工作在SPI從方式(M1管腳置高電平)，打開INT0中斷，等待試條卡的插入中斷。當(dāng)試條卡插入到讀寫器的讀卡區(qū)時，SIG置低電平，觸發(fā)上位機(jī)中斷INT0，執(zhí)行中斷程序。

　　在中斷程序中，首先讀取試條卡的序列號和標(biāo)志信息，判斷是否為經(jīng)過測試的新卡，若是已經(jīng)測試過的試條卡，則直接從電子標(biāo)簽中讀取記錄結(jié)果及之前的測試時間，并予以顯示。若為新卡，則進(jìn)一步判斷試條的有效期，若已失效，則予以報警。只有沒有失效的新卡，才會啟動試條的閱讀，并將測試結(jié)果、測試時間寫入到電子標(biāo)簽中。

　　結(jié)語

　　在膠體金免疫層析儀器中，通過將電子標(biāo)簽和免疫分析試條封裝在一起構(gòu)成試條卡，在電子標(biāo)簽中存儲試條有效期、試條數(shù)據(jù)等信息，可以保證試條的正確使用。在檢測完之后，及時存儲檢測結(jié)果、被測對象的身份信息、檢測日期等信息，可以提高樣本采集和數(shù)據(jù)記錄的效率，在大范圍的疫情普查、生化偵測方面提高工作效率，具有很好的應(yīng)用前景，并可推廣到其它領(lǐng)域。