近紅外光譜尿液分析儀的原理及實現(xiàn)

劉 薊

（重慶大學(xué)A區(qū)主教學(xué)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(qū)[1]，該范圍內(nèi)，特定的原子群均有其相應(yīng)的特征吸收波長且符合朗伯-比耳定律：即被吸收光量發(fā)熱的數(shù)值與樣品中吸收該波長光的原子聚集度成線性關(guān)系[2-3]。當(dāng)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(huán)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(xué)家在該領(lǐng)域做的相關(guān)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(yīng)用。該文將采用最新的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，針對尿液中的葡萄糖和蛋白質(zhì)成分，提出一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單的近紅外光譜尿液分析儀，實現(xiàn)對尿液成分的快速無損定量分析。

1 硬件設(shè)計

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

按照儀器的組成結(jié)構(gòu)，將其分為光源控制電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路、信號檢測與采樣、單片機(jī)4大模塊，如圖1所示。單片機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路模塊根據(jù)單片機(jī)的控制信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；光源發(fā)光對樣品進(jìn)行透射，檢測器接收到光譜信號，通過數(shù)據(jù)采集卡將信號傳入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算分析。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)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(qū)域具有強(qiáng)吸收，檢測波長應(yīng)避開這2個區(qū)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(zhì)在1000~1700nm的波段范圍內(nèi)，分布有十分豐富的吸收峰[8]。將光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行遺傳算法波長優(yōu)選得到15個波長，并且波長優(yōu)選和重復(fù)性實驗的預(yù)測結(jié)果均得到較小的標(biāo)準(zhǔn)偏差[9]。

因此，該研究優(yōu)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(zhì)成分。

1.2 光路設(shè)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(fā)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(tǒng)采用單一的檢測器，由此產(chǎn)生的問題是光源位置的不同對測量產(chǎn)生的影響。所以采取將4個LED固定分布在圓形的轉(zhuǎn)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(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動圓盤順時針轉(zhuǎn)動，同時光控開關(guān)S開始搜尋圓盤的起始點，即1號LED對準(zhǔn)的帶缺口位置，此時光控開關(guān)接通，系統(tǒng)開始工作。LED發(fā)出的點光經(jīng)凸透鏡變成平行光，再對樣品進(jìn)行透射，檢測器接收，光路的結(jié)構(gòu)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(tǒng)的光路示意圖

系統(tǒng)采用的MCU是STC公司生產(chǎn)的STC89S52RC，它是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的8位單片機(jī)，性價比高，穩(wěn)定性較好[10]。

由于LED的光強(qiáng)決定于通過LED的電流，每支LED都有單獨(dú)的可以調(diào)節(jié)的恒流電路，保證光源的穩(wěn)定。單片機(jī)驅(qū)動LED依次循環(huán)發(fā)光，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動支架轉(zhuǎn)動實現(xiàn)波長切換，以分時獲得樣品在單一波長下的光度值。通過調(diào)整每支LED的電流，使各個波長的光強(qiáng)近似一致。采用集成電路芯片LM317實現(xiàn)LED恒流驅(qū)動，電路原理圖如圖4所示。

圖4 恒流源電路圖

控制系統(tǒng)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)沿順時針方向運(yùn)動，光控開關(guān)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(yīng)波長，只需將步進(jìn)電機(jī)從起始點順時針轉(zhuǎn)動90°即可，其他依此類推。

步進(jìn)電機(jī)采用28BYJ48型減速永磁四相步進(jìn)電機(jī)，雙四拍的工作方式，電壓為DC5V，步距角為7.5°。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)到達(dá)預(yù)定位置后，延時一段時間方便透射光強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集。該步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈要走48 步（360°/7.5°=48），走過 12 步時即轉(zhuǎn)過了 90°，所以只需控制電機(jī)的步數(shù)就可以達(dá)到控制轉(zhuǎn)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(chǎn)的高速型InGaAs光電二極管，型號為FCI-InGaAs-300，響應(yīng)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(shè)計調(diào)理電路對信號放大處理。電路結(jié)構(gòu)如圖5，其中包括跨阻抗前置放大器的電流-電壓轉(zhuǎn)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(chǎn)的運(yùn)算放大器OPA637，按照圖5搭接電路。已知LED光源的響應(yīng)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(jīng)調(diào)理電路處理后得到電壓值0~9V。

數(shù)據(jù)采集卡采用北京阿爾泰公司生產(chǎn)PCI8214，采用量程-10~10V即可。

圖5 調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為單片機(jī)控制軟件設(shè)計和PC上位機(jī)軟件設(shè)計兩部分。單片機(jī)控制軟件實現(xiàn)對電路各模塊的功能驅(qū)動，PC上位機(jī)軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲、圖形顯示及尿液成分預(yù)測、分析。

2.1 單片機(jī)軟件設(shè)計

單片機(jī)軟件源程序采用C51語言編制,由光源控制模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊兩部分構(gòu)成。光源控制模塊使選中的LED一直保持發(fā)光。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)90°延時暫停，使單一波長的LED發(fā)光透射樣品。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，使用89S52 P1口的P1.1-P1.4分別通過驅(qū)動連到步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向和步距，流程圖如圖6所示。其中將步距數(shù)設(shè)置為12，使步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)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(xué)值的代表性樣品，由程序控制點亮光源（LED），同時啟動步進(jìn)電機(jī)使LED圓盤順時針轉(zhuǎn)動。比色皿未加入樣品時，數(shù)據(jù)采集卡記錄空白光路光強(qiáng)值I0；比色皿加入樣品后，數(shù)據(jù)采集卡記錄經(jīng)樣品吸收后的光強(qiáng)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(shù)據(jù)采集卡上傳到PC機(jī)。在PC機(jī)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(shù)傳回儀器，再測量同類樣品時，只要得到樣品的吸收光強(qiáng)I和空白光強(qiáng)I0，就可以預(yù)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(zhuǎn)動，不同波長的光源（LED）輪流發(fā)光，同時對尿液成分光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。為了進(jìn)一步減小誤差，每次測量時對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的數(shù)字濾波，去除奇異數(shù)據(jù)，并取測量值的平均值。最后，保存數(shù)據(jù)。測量過程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測量過程示意圖

2.3 儀器功能的軟件實現(xiàn)

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

圖8 系統(tǒng)程序模塊

3 實驗結(jié)果與分析

樣品為葡萄糖溶液與蛋白質(zhì)溶液，分別由葡萄糖粉末和水、蛋白質(zhì)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(yù)測值與真實值之間的關(guān)系

圖10 蛋白質(zhì)溶液樣品預(yù)測值與真實值之間的關(guān)系

利用該儀器依次測量葡萄糖溶液和蛋白質(zhì)溶液的光譜信息并將信息上傳至PC機(jī)，隨機(jī)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(jīng)逐步回歸分析建立吸光度與葡萄糖濃度（或蛋白質(zhì)濃度）真實值之間的預(yù)測模型。葡萄糖溶液及蛋白質(zhì)溶液的檢驗集樣品預(yù)測值與真實值之間的關(guān)系分別如圖9、圖10所示。從圖中可以看出預(yù)測結(jié)果與真實值基本一致，二者相關(guān)系數(shù)分別為0.89，0.84。

4 結(jié)束語

該文對基于近紅外光譜的尿液成分分析儀的實現(xiàn)進(jìn)行了研究，初步搭建了儀器的軟硬件系統(tǒng)，對實現(xiàn)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(xù)將通過進(jìn)一步的實驗驗證該儀器的有效性和臨床可操作性。

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