尿液中熒光標記激素的熒光快速檢測系統

端木路陽 吳再輝 孟祥凱 王哲 郭紅壯

摘 要：我國不孕不育與新生兒流產率嚴重威脅著育齡人口的健康，可以通過檢測育齡人口尿液中的激素達到預防該疾病的目的。針對育齡人口尿液中激素的檢測，提出了小型集成化的熒光物質檢測方法，設計了小型集成化的熒光物質檢測系統，并給出電路實現與部分電路仿真結果。對系統進行了對比標定測試，結果表明：所設計的系統檢測CV值小于10%，檢測誤差小于3%。這對于尿液中激素檢測設備的開發，具有一定的參考意義。

關鍵詞：尿液中激素;熒光物質;檢測系統

Abstract：Infertility and neonatal abortion in China seriously threaten the health of the childbearing population.The purpose of preventing the disease can be achieved by detecting hormones in the urine of the childbearing population.Aiming at the detection of hormones in the urine of the reproductive age population，a small integrated fluorescent substance detection method was proposed，and a small integrated fluorescent substance detection system was designed.The circuit implementation and partial circuit simulation results were given.The system was compared and calibrated.The results show that the designed system has a CV value of less than 10% and a detection error of less than 3%.This has certain reference significance for the development of hormone detection equipment in urine.

Key words：Urine hormone; fluorescent substance; detection system

隨著我國實施全面二孩政策，導致新增可生育二孩的目標人群激增，然而我國仍有較高比率的不孕不育和新生兒流產率。孕齡人口尿液中的黃體生成素可提高臨床妊娠率，[1]卵泡生成素和尿孕酮激素有助于評估卵巢的儲備功能。[2-3]于是通過檢測激素水平達到預防疾病的目的。

相對傳統研究顯色法，熒光法靈敏度高、特異性高，具有更低的檢測限。然而，在醫療場所激素檢測時大多使用分光光度計、多功能酶標儀等大型試驗室類儀器設備。這對于大部分育齡人口小樣本和家庭檢測而言，其儀器價格昂貴，維護成本高，且不方便攜帶，于是，小型集成化的激素熒光檢測系統成為了解決上述問題的一種有效途徑。

針對尿液中激素的檢測問題，本文設計了一種熒光標記激素的熒光快速檢測系統，實現了對熒光產物信號采集、熒光電信號處理，激素結果快速分析。

1 尿液中熒光標記激素快速檢測的基本原理

尿液中熒光物質與激素結合檢測的基本原理如圖1所示，尿液中的激素分子與過量且已知濃度的單抗體結合;剩余的單抗與二抗-熒光物質結合成單抗-二抗-熒光產物，只有單抗-二抗-熒光產物在特定的激發光激發下發出熒光。通過對單抗-二抗-熒光產物的熒光檢測確定尿液中的激素濃度，即熒光信號越強，激素濃度越低，反之亦然。

熒光產物激發光和發射光譜圖如圖2所示，可以看出熒光產物的激發波長范圍為320nm-410nm，熒光發射波長范圍為575nm-650nm。于是選擇波長為360nm光源激發光光源，輔以中心波長為365nm帶寬為40nm的濾光片;熒光檢測端選擇透過中心波長為610nm帶寬為40nm的濾光片。

2 尿液中熒光標記激素的熒光快速檢測系統設計

2.1系統總體結構框圖

熒光標記激素的熒光快速檢測系統的總體結構如圖3所示。主要包括微控制器、恒流源驅動電路、光電轉換電路、信號放大電路、觸摸顯示屏、直線步進電機、串口打印機等幾個部分。

微處理器選擇STM32單片機，該系列單片機專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計，同時集成豐富的資源，例如16位高精度的AD和16位的PWM。非常適合本系統的設計。

本系統將利用LED作為激發光源，同時研究LED的驅動技術，利用恒流控驅動LED燈，消除由于電流不穩定、溫度變化等造成的光源輸出光強變化，降低光斑漂移和抖動，提高光源的準確性、穩定性和可靠性。在熒光信號的探測中，根據熒光光譜，選擇合適的高透過率分色濾光片，提高熒光發射光的收集效率。在探測器方面由于雪崩二級管陣列具有體積小、信噪比高、穩定性好等優點，因此擬利用雪崩二極管作為探測單元。

微處理器控制LED光源發光，將激發光源聚焦于待檢測反應槽上進行激發，之后通過后端的光路采集、光電轉換、電路處理等過程完成熒光信號的獲取。在完成以后通過處理器運算，將結果通過打印機、顯示屏等多種方式進行顯示和存儲。

2.2 系統硬件電路設計與驗證

2.2.1 恒流源驅動電路的設計

光學系統的穩定性和可靠性是熒光檢測儀的最核心保證。其中首要問題為高穩定性光源的設計。因此，系統中采用低紋波、高精度的壓控恒流源作為激發光光源的驅動，[4]同時調整電壓的大小即可調整恒流源的電流大小。

壓控恒流源電路圖如圖4所示，通過電阻R1和電阻R2的分壓產生一個電壓V1，根據運放虛短虛斷的原理可以得出電壓V1等于V2，且電流不從U2的反向端留出，于是I2=V2R4，激發光源D1與電阻R4位于同一個電路上，電流I2=I1，于是可以通過控制電壓V1和電阻R4的大小來控制恒流源輸出電流的大小。STM32單片機通過io口控制整個恒流源的通斷;從而實現對穩定激發光源的控制。

2.2.2 光電轉換電路與濾波電路

光電轉換電路主要將光電信號轉換成電信號，包括光電二極管和流壓轉換電路。因為熒光信號非常微弱，這就對光電探測器及其后續電路的靈敏度提出了很高的要求。由于光電二極管的PN結有一個結電容和一個寄生電阻，結電容和采樣電阻構成了一個RC充電回路，RC值的大小決定了光敏二極管的響應速度，結電容還可能產生信號震蕩，在取樣電阻上并聯一個電容用來對電路進行補償，消除信號的震蕩。[5]電路直接采用采樣電阻R5和補償電容C1并聯的形式得到電壓信號，如圖5（a）所示。當激發光信號照射在反應槽上時，熒光產物發射出熒光，照射在光敏二極管上行程光電流，通過電阻實現流壓轉換。

光電轉換得到的電壓信號，含有高頻、工頻噪聲以及其他干擾量，傳統的一階低通濾波電路并不能有效地濾除高頻分量，于是選用二階有源低通濾波器能夠把工頻干擾與其他高頻噪聲有效的抑制，如圖5（b）所示。

經二階有源低通濾波器濾除的信號可認為是去除工頻以及其他高頻干擾的信號，[6]此信號需要放大至AD模塊檢測的范圍內，以提高檢測精度和分辨率。后置二級放大電路采用常規比例放大電路，此放大電路相對簡單，此處便不做給出具體電路和設計分析。

2.2.3 驅動步進電機電路與串口外圍電路

步進電機用于拖動承載器，承載器上放有反應槽，隨著承載器均勻運動，激發光照射在反應槽上。因此，步進電機穩定均勻的運行也關系著整個光電信號轉換部分的穩定。選用豐源威特的25BYZ電機，該電機為2相微型直線步進電機，步長僅為0.0254mm;選用LV8729驅動模塊，該驅動模塊最大支持128細分，最大輸出1.6A，具有過熱關斷，電路簡潔，性能穩定，[7]使用此模塊驅動微型直線步進電機，不僅能保證步進電機平穩的運行，還能保證步進電機的承載能力。步進電機驅動芯片的驅動電路如圖6所示。

其功能和狀態指示控制如表1所示：

為了更方便地使用，系統還集成了串口打印機和可觸摸顯示屏。

2.2.4 恒流源的驗證

對本系統設計壓控恒流源進行了Protues軟件仿真，如圖7所示，R3為光源內阻，選取與光源內阻相似的電阻R4，運放選擇LF353。本系統選用光源的額定電壓為3.3V，額定電流為20毫安，則設計恒流源輸出電流為20毫安，即I1=I2=V1R4;在光源發光的過程中由于光源溫度的升高將會導致光源的內阻減小，選取一系列光源等效阻值得出仿真數據為表2，從表中可以看出本系統設計的壓控恒流源輸出電流穩定。

2.3 數據采集處理

經過信號處理后的熒光信號電壓，由STM32微處理器的16通道的AD進行模數轉換。為了進一步提高精度，對采集到的數據進行小樣平均處理。對每0.0254mm的距離采樣4次，取平均值作為此點的采樣值，以此得到的所有采樣值，作為輸入量擬合得到濃度計算公式，得到尿液中激素濃度。

3 實驗結果與分析

利用自制的試驗系統連續對標定1mmol/L的熒光溶液檢測9次，得到數據如下表3，計算CV值得到0.62%。

將1mmol/L濃度的熒光物質等比例稀釋至0.125mmol/L，做成4個標準熒光樣本，使用本系統進行檢測，得出如表4。計算相對誤差均小于3%。

4 結語

針對育齡人口尿液中激素的檢測問題，利用熒光物質與激素結合檢測的基本原理，設計了通過檢測樣本中的熒光物質，得到樣本中激素的濃度。設計了硬件電路，使用軟件仿真了部分電路，搭建了檢測系統。為了驗證系統的性能，對標定的熒光樣本連續檢測了10次和等比例稀釋后不同濃度的樣本進行測試，結果表明所涉及的系統CV值<10%，檢測誤差<3%，滿足設計要求，這對尿液中激素檢測設備的開發，具有一定參考意義。

參考文獻：

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