近紅外光譜尿液分析儀的原理及實現

劉 薊

（重慶大學A區主教學樓測試中心，重慶 400030）

0 引言

近紅外光譜是波長為780~2526nm的光譜區[1]，該范圍內，特定的原子群均有其相應的特征吸收波長且符合朗伯-比耳定律：即被吸收光量發熱的數值與樣品中吸收該波長光的原子聚集度成線性關系[2-3]。當前尿液分析主要采用生化方法，存在試劑消耗量大、價格昂貴、不環保等缺點[4]，近紅外光譜分析成為尿液分析研究的新焦點。

近年來各國科學家在該領域做的相關研究工作均是采用近紅外光譜儀，所選波長較長，成本高，不利于儀器的推廣應用。該文將采用最新的硬件設計和軟件設計，針對尿液中的葡萄糖和蛋白質成分，提出一種體積小、結構簡單的近紅外光譜尿液分析儀，實現對尿液成分的快速無損定量分析。

1 硬件設計

近紅外光譜儀器主要有濾光片型、發光二極管型、光柵單色器型、傅里葉變換干涉儀型、聲光可調濾光片型等[5]。為了提高效率，減少儀器設計的復雜程度，選用發光二極管作為此儀器的光源。

按照儀器的組成結構，將其分為光源控制電路、步進電機控制電路、信號檢測與采樣、單片機4大模塊，如圖1所示。單片機輸出脈沖信號，通過光源控制電路給光源提供恒定的電流；步進電機驅動電路模塊根據單片機的控制信號驅動步進電機；光源發光對樣品進行透射，檢測器接收到光譜信號，通過數據采集卡將信號傳入微機進行數據運算分析。

圖1 儀器結構框圖

1.1 波長選取

葡萄糖濃度與其吸光度間的最佳建模波段為1 176.5~1 333.3 nm[6]。另外，水在1 440~1 460 nm和1 940~1 960 nm波長區域具有強吸收，檢測波長應避開這2個區域，選取1 500~1 800 nm波段范圍作為葡萄糖的檢測波長[7]。蛋白質在1000~1700nm的波段范圍內，分布有十分豐富的吸收峰[8]。將光譜數據進行遺傳算法波長優選得到15個波長，并且波長優選和重復性實驗的預測結果均得到較小的標準偏差[9]。

因此，該研究優選了4個敏感的檢測波長，分別為 1 050，1 070，1 300，1 550 nm。其中，1 300 nm和1550nm這2個波長用于檢測尿液中的葡萄糖成分，全部4個波長用于檢測尿液中的蛋白質成分。

1.2 光路設計

由于尿液為半透明液體，所以采用近紅外光譜透射分析法。以近紅外發光二極管（LED）為光源，通過一組（4個）波長位于 1050，1070，1300，1 550 nm的LED，形成單色的近紅外光。樣品池采用比色皿，保證近紅外光在樣品中散射吸收后由檢測器接收。

該系統采用單一的檢測器，由此產生的問題是光源位置的不同對測量產生的影響。所以采取將4個LED固定分布在圓形的轉盤上，如圖2，使LED與凸透鏡、比色皿、探測器垂直固定中心在同一直線上。首先驅動步進電機帶動圓盤順時針轉動，同時光控開關S開始搜尋圓盤的起始點，即1號LED對準的帶缺口位置，此時光控開關接通，系統開始工作。LED發出的點光經凸透鏡變成平行光，再對樣品進行透射，檢測器接收，光路的結構如圖3所示。樣品與探測器的距離很近，可以忽略空氣對光的折射。

1.3 光源控制與切換

圖2 LED圓盤

圖3 系統的光路示意圖

系統采用的MCU是STC公司生產的STC89S52RC，它是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的8位單片機，性價比高，穩定性較好[10]。

由于LED的光強決定于通過LED的電流，每支LED都有單獨的可以調節的恒流電路，保證光源的穩定。單片機驅動LED依次循環發光，用步進電機驅動支架轉動實現波長切換，以分時獲得樣品在單一波長下的光度值。通過調整每支LED的電流，使各個波長的光強近似一致。采用集成電路芯片LM317實現LED恒流驅動，電路原理圖如圖4所示。

圖4 恒流源電路圖

控制系統驅動步進電機沿順時針方向運動，光控開關S搜尋到LED圓盤的起始點，即1號LED與凸透鏡、比色皿、探測器中心對齊在同一直線上，其相鄰的2個LED之間的夾角為90°。如需要2號LED所對應波長，只需將步進電機從起始點順時針轉動90°即可，其他依此類推。

步進電機采用28BYJ48型減速永磁四相步進電機，雙四拍的工作方式，電壓為DC5V，步距角為7.5°。當步進電機到達預定位置后，延時一段時間方便透射光強數據的采集。該步進電機每轉1圈要走48 步（360°/7.5°=48），走過 12 步時即轉過了 90°，所以只需控制電機的步數就可以達到控制轉角的目的。

1.4 檢測器及信號采集

檢測器選用與LED光源同一廠家生產的高速型InGaAs光電二極管，型號為FCI-InGaAs-300，響應范圍900~1700nm，覆蓋了儀器光源的4個波長。

檢測器的輸出電流很小，最大值為8 mA，易受干擾及噪聲的影響，因此需要設計調理電路對信號放大處理。電路結構如圖5，其中包括跨阻抗前置放大器的電流-電壓轉換和非反相放大器的電壓放大2個階段。增益的值直接由RF和式（1）確定。放大器采用Burr-Brown公司生產的運算放大器OPA637，按照圖5搭接電路。已知LED光源的響應度Rλ=0.9A/W，取 RF=1kΩ、R1=10kΩ、R2=10kΩ，可得到增益為1800V/W。而LED光源的輻射功率為0~5mW，經調理電路處理后得到電壓值0~9V。

數據采集卡采用北京阿爾泰公司生產PCI8214，采用量程-10~10V即可。

圖5 調理電路結構圖

2 軟件設計

系統的軟件設計分為單片機控制軟件設計和PC上位機軟件設計兩部分。單片機控制軟件實現對電路各模塊的功能驅動，PC上位機軟件實現對數據采集卡傳輸的數據進行存儲、圖形顯示及尿液成分預測、分析。

2.1 單片機軟件設計

單片機軟件源程序采用C51語言編制,由光源控制模塊和步進電機驅動模塊兩部分構成。光源控制模塊使選中的LED一直保持發光。

步進電機驅動模塊驅動電機順時針轉動，每轉90°延時暫停，使單一波長的LED發光透射樣品。根據步進電機的工作原理，使用89S52 P1口的P1.1-P1.4分別通過驅動連到步進電機的A、B、C、D相，用軟件控制P1口輸出一脈沖序列，來控制步進電機的轉速、方向和步距，流程圖如圖6所示。其中將步距數設置為12，使步進電機每轉90°延時，并且延時時間要大于采集卡的1個采樣周期。

圖6 步進電機控制模塊流程圖

2.2 測量過程

儀器主程序初始化完成以后，首先測量一批已知化學值的代表性樣品，由程序控制點亮光源（LED），同時啟動步進電機使LED圓盤順時針轉動。比色皿未加入樣品時，數據采集卡記錄空白光路光強值I0；比色皿加入樣品后，數據采集卡記錄經樣品吸收后的光強值I。由公式A=-log（I/I0）計算得到每個波長處的吸光度，保存在存儲器中。最后得到這一批樣本的光譜集，通過數據采集卡上傳到PC機。在PC機上建立樣品各個成分的濃度與光譜之間的模型，然后將模型的系數傳回儀器，再測量同類樣品時，只要得到樣品的吸收光強I和空白光強I0，就可以預測出不同成分的濃度。

測量過程中，首先提示用戶將樣品放好，然后程序控制光源圓盤轉動，不同波長的光源（LED）輪流發光，同時對尿液成分光譜數據進行采集。為了進一步減小誤差，每次測量時對數據進行簡單的數字濾波，去除奇異數據，并取測量值的平均值。最后，保存數據。測量過程如圖7所示。

圖7 系統測量過程示意圖

2.3 儀器功能的軟件實現

儀器功能在VC++6.0的環境下,基于實用性，力求界面友好，操作方便。系統所用的程序模塊以及它們之間的層次關系如圖8所示。

圖8 系統程序模塊

3 實驗結果與分析

樣品為葡萄糖溶液與蛋白質溶液，分別由葡萄糖粉末和水、蛋白質粉末和水按比例均勻混合成的，按梯度配制40個樣品，濃度范圍是100~4000mg/dL。

圖9 葡萄糖溶液樣品預測值與真實值之間的關系

圖10 蛋白質溶液樣品預測值與真實值之間的關系

利用該儀器依次測量葡萄糖溶液和蛋白質溶液的光譜信息并將信息上傳至PC機，隨機取出32個樣品的光譜信息作為校正集，剩下的8個樣品作為檢驗集，經逐步回歸分析建立吸光度與葡萄糖濃度（或蛋白質濃度）真實值之間的預測模型。葡萄糖溶液及蛋白質溶液的檢驗集樣品預測值與真實值之間的關系分別如圖9、圖10所示。從圖中可以看出預測結果與真實值基本一致，二者相關系數分別為0.89，0.84。

4 結束語

該文對基于近紅外光譜的尿液成分分析儀的實現進行了研究，初步搭建了儀器的軟硬件系統，對實現臨床無試劑的尿液多成分快速檢測與分析具有重要意義，后續將通過進一步的實驗驗證該儀器的有效性和臨床可操作性。

[1]高榮強，范世福.現代近紅外光譜分析技術的原理及應用[J].分析儀器，2002（3）：9-12.

[2]陸婉珍，袁洪福，徐廣通，等.現代近紅外光譜分析技術[M].北京：中國石化出版社，2000.

[3]嚴衍祿.近紅外光譜分析基礎與應用[M].北京：中國輕工業出版社，2005.

[4]李健楨，汪仁煌，李貌，等.智能馬桶中近紅光尿液分析的方案探討[J].廣東工業大學學報，2005，22（3）：91-94.

[5]吉海彥.近紅外光譜儀器技術[J].現代科學儀器，2001（6）：25-28.

[6]張洪艷.近紅外光譜技術在人體血糖無創檢測中的應用研究[D].長春：中國科學院長春光學精密機械和物理研究所，2005.

[7]王健.便攜式全光纖激光無創血糖檢測儀的研制[D].天津：天津大學，2007.

[8]王麗杰.快速檢測牛奶成分的近紅外光譜測量方法及系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2006.

[9]楊小麗.牛奶中營養物質含量的近紅外檢測技術的研究[D].秦皇島：燕山大學，2005.

[10]宏晶科技.STC89C51RC/RD+系列手冊[DB/OL].[2010-08-23].http://www.mcu-memory.com/.