RFID技术在胶体金免疫层析中的应用研究

随着实时临床诊断与实时临床决策的需要，以硝酸纤维素膜为载体的快速免疫分析方法得到了迅速的发展和广泛应用，尤其是胶体金免疫层析，已成为目前最主要的快速免疫分析方法之一。

RFID (射频识别技术)是20世纪90年代开始兴起的一种非接触式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，操作快捷方便，已广泛应用于工业、商业、交通运输控制管理等众多领域。

本文利用射频读卡模块、电子标签和主控单片机，搭建了一个应用于胶体金免疫层析检验的RFID系统。利用RFID技术的自动识别和电子标签的体积小、息容量大等特点，将电子标签和免疫分析试条封装在一起构成试条卡，并在电子标签中存储试条信息(制造厂商、有效期等)、检测结果、被测对象的身份信息、检测日期等数据信息，提高样本管理和数据记录的效率，保证试条的正确使用。通过RS-232接口，电子标签中的信息还可以传输到计算机，实现测量数据的记录和管理。

RFID系统通常由电子标签、读写器和计算机网络组成：电子标签中存储着物品被识别的相关信息，通常放置在需要被识别的物品上，被射频读写器通过非接触方式的读/写获取它存储的信息。

读写器是可以利用射频技术读/写电子标签信息的设备，读出的标签信息通过计算机及网络系统进行管理和信息传输；计算机网络通常用于对数据进行管理，完成通信传输功能。读写器可以通过标准接口与计算机通信网络连接，以便实现通信和数据传输功能。

射频识别系统根据工作频率的不同可分为低频(100kHz"500kHz)、高频(10MHz"15MHz)、超高频(850MHz"960MHz)和微波系统(2.4GHz"5GHz)。低频系统的特点是电子标签成本低，标签保存的数据量较少，阅读距离一般小于10cm，阅读天线方向性不强；高频系统电子标签的数据容量一般较大、阅读距离为10cm"1m，阅读天线及电子标签天线有较强的方向性；超高频系统主要应用于如高速公路收费等读写距离大和读写速度较高的场合。同时，根据电子标签内是否有电池为其供电，又可分为有源系统和无源系统。

本系统需要存储较多的信息，并要求天线具有一定的方向性以避免产生误操作，阅读距离要求为5cm以上。所以，系统采用13.56MHz的高频无源RFID系统。

硬件系统设计

RFID试条卡系统的原理框图如图1所示，试条的显色信息经光电检测器、前置放大器、ADC等，送入到单片机。读写模块通过外接天线模块对接近的电子标签发生感应，并进行读写操作。单片机与读写模块之间采用SPI方式通信，实现对电子标签的读写操作；单片机通过RS-232接口连接到计算机，并将样本身份标识、测试结果、测试时间等信息上传到计算机，进行总体数据的统计、管理。  


图1 RFID试条卡系统的原理框图

读写器

读写器包括射频读写模块和外接天线模块。其中，射频读写模块采用高度集成的FM1702N读卡芯片， 支持ISO14443A协议，模块的引脚分布如图2所示。该模块支持UART、I2C以及SPI等接口，根据控制引脚M1和NSS，可选择与单片机的接口类型。控制模块上电时进入自动寻卡状态，也可由单片机关闭自动寻卡功能，以降低系统功耗。   

  
图2 读写模块管脚分布

电子标签

电子标签采用Mifare ultralight系列，符合ISO14443A标准，工作频率为13.56MHz，数据传输速率可达106kbps，存储容量为512b，共分为16页，每页4个字节。具体的存储器结构如表1所示。

将电子标签和胶体金免疫层析试条封装在一个塑料外壳之内，如图3所示，电子标签采用微型圆盘封装。借助于电子标签的序列号，每个试条卡都有一个唯一的特征标识。出厂前，在电子标签中写入检测病情、试条厂家代码和生产日期及有效日期等；试条测试时可写入检测对象的身份信息、检测结果、检测时间、化验员代码等。  

  
图3 胶体金免疫层析试条卡封装示意图

RFID操作程序的设计

待测样品加入到试条卡，试条显色完全后，将试条卡插入到读写器的读卡区。在单片机控制下，实现对试条显色的阅读以及电子标签的读写操作，操作流程如图4所示。  

  
图4 试条卡操作流程图

试条卡读写器上电后，单片机首先进行初始化，选择读写模块工作在SPI从方式(M1管脚置高电平)，打开INT0中断，等待试条卡的插入中断。当试条卡插入到读写器的读卡区时，SIG置低电平，触发上位机中断INT0，执行中断程序。

在中断程序中，首先读取试条卡的序列号和标志信息，判断是否为经过测试的新卡，若是已经测试过的试条卡，则直接从电子标签中读取记录结果及之前的测试时间，并予以显示。若为新卡，则进一步判断试条的有效期，若已失效，则予以报警。只有没有失效的新卡，才会启动试条的阅读，并将测试结果、测试时间写入到电子标签中。