基于STM32的便攜式福氏志賀菌檢測(cè)儀*

吳 暉,趙 磊,伍燕娜,錢 華,曾碧新

(溫州醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系,浙江 溫州 325000)

?

基于STM32的便攜式福氏志賀菌檢測(cè)儀*

吳 暉,趙 磊,伍燕娜,錢 華,曾碧新*

(溫州醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系,浙江 溫州 325000)

福氏志賀菌的檢測(cè)需要專業(yè)設(shè)備和特定的實(shí)驗(yàn)室條件才能進(jìn)行,而且數(shù)天才能得出結(jié)果。本文利用主控器STM32發(fā)出信號(hào)控制三電極傳感器,使其促進(jìn)溶液中樣品發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),從而產(chǎn)生與福氏志賀菌濃度相關(guān)的電流,經(jīng)三電極傳感器采集,處理后傳回STM32,最終在液晶屏上顯示福氏志賀菌的濃度值。該研究對(duì)福氏志賀菌的快速檢測(cè)具有重要意義。

福氏志賀菌;STM32;三電極傳感器;快速檢測(cè)

福氏志賀菌是人類傳染性疾病的主要病原體之一,由福氏志賀菌引起的細(xì)菌性痢疾是我國(guó)法定乙類傳染病。福氏志賀菌的檢測(cè)由于涉及細(xì)菌培養(yǎng)過程常需要數(shù)天才能得出結(jié)果,不利于臨床的早期診斷和治療;另外由于需要專業(yè)儀器設(shè)備和一定的實(shí)驗(yàn)室條件才能進(jìn)行福氏志賀菌的檢測(cè),不利于其在基層醫(yī)院的普及和推廣。本文目的是研制一種便攜式福氏志賀菌檢測(cè)儀,可以實(shí)現(xiàn)便攜式快速檢測(cè)。檢測(cè)流程簡(jiǎn)便、快速,結(jié)果判讀直觀;對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及操作人員無(wú)特殊要求,適合在一般醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室開展,可以有效縮短福氏志賀菌檢測(cè)時(shí)間,提高診斷效率。

1 檢測(cè)原理

該檢測(cè)儀硬件模塊由SMT32開發(fā)板模塊和檢測(cè)電路模塊兩部分組成。檢測(cè)電路模塊由恒電位電路、電化學(xué)反應(yīng)模塊和微電流檢測(cè)單元組成;STM32控制模塊由主控器STM32、D/A激勵(lì)、A/D采樣、鍵盤控制和液晶顯示組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖1中系統(tǒng)通過鍵盤來(lái)控制主控器STM32發(fā)出數(shù)字激勵(lì)信號(hào),經(jīng)DA轉(zhuǎn)換成模擬控制信號(hào)作用于三電極傳感器,促進(jìn)溶液中樣品發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),從而產(chǎn)生與福氏志賀菌濃度相關(guān)的電流,該電流由三電極傳感器采集后通過微電流檢測(cè)電路的處理和AD轉(zhuǎn)換后傳回主控器STM32,最終在液晶屏上顯示福氏志賀菌的濃度。恒電位電路用于維持三電極傳感器的工作電極和參比電極間電位差恒定。其中,主控器STM32可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理和保存。

2 檢測(cè)電路模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)檢測(cè)電路模塊由電化學(xué)反應(yīng)模塊、恒電位電路以及微電流檢測(cè)模塊組成。

2.1 電化學(xué)反應(yīng)模塊

電化學(xué)反應(yīng)模塊由電解池、三電極傳感器組成。三電極傳感器作為典型的電流型電化學(xué)傳感器,包含工作電極(WE),參比電極(RE)和輔助電極(CE)。本文采用BVT Technologies公司生產(chǎn)的三電極傳感器,該傳感器的工作電極為鉑制材料,因此穩(wěn)定性很強(qiáng),測(cè)試靈敏度高,適用于本文采用的循環(huán)伏安法檢測(cè)體系。循環(huán)伏安法是電流型電化學(xué)分析測(cè)試系統(tǒng)最常采用的分析方法。通過三電極傳感器,可以直接將溶液中待測(cè)物成分的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。其中工作電極表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng);參比電極用于提供恒定的基準(zhǔn)電位作為測(cè)試中的參照,并在實(shí)驗(yàn)過程中以此參照為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)試或調(diào)整其他電極電位,保證體系中反應(yīng)電位的穩(wěn)定可控性;輔助電極用來(lái)輸出反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號(hào)Ip,并經(jīng)由測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大。本文設(shè)計(jì)工作電極接地,可以防止寄生信號(hào)的干擾,從而提高了電路中電流和電壓的穩(wěn)定性和精確度。三電極傳感器檢測(cè)福氏志賀菌的線性回歸方程為:ΔIp=0.29771(lgC(S.flexneri))-0.6074,線性相關(guān)系數(shù)為R=0.964。本文需要通過三電極傳感器測(cè)出緩沖液和菌液的氧化峰電流值之差ΔIp,將檢測(cè)出的電流ΔIp代入方程即可以計(jì)算出溶液所含的福氏志賀菌的濃度而達(dá)到檢測(cè)福氏志賀菌的目的。檢測(cè)結(jié)果只需比較ΔIp的值是否在0.35與1.88之間,若在該范圍內(nèi),檢測(cè)結(jié)果為陽(yáng)性,否則超出檢測(cè)范圍。

2.2 恒電位電路

在三電極檢測(cè)體系中,即使在實(shí)驗(yàn)一開始就將相對(duì)于參比電極的工作電極電位設(shè)定為一恒定值,但隨著反應(yīng)池內(nèi)電極反應(yīng)的進(jìn)行,電極表面反應(yīng)物濃度逐漸減少,生成物濃度不斷增加,電極電位將與初始設(shè)定電位產(chǎn)生偏移,因此,設(shè)計(jì)恒電位電路可以保證參比電極與工作電極之間的電位差恒定。

恒電位電路是各種三電極電化學(xué)反應(yīng)池的接口,將外部激勵(lì)信號(hào)(工作電壓)準(zhǔn)確地施加于反應(yīng)池的工作電極與參比電極之間,維持工作電極和參比電極間電位差恒定,促進(jìn)溶液中樣品發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),從而產(chǎn)生電流。標(biāo)準(zhǔn)的恒電位電路要求電位控制在0～5 V之間;電位的控制精度要求誤差在5 mV以內(nèi)。為滿足0～5 V的指標(biāo),本文設(shè)計(jì)的恒電位電路的電壓由STM32控制內(nèi)部自帶的D/A模塊產(chǎn)生,輸出電壓范圍為0～3 V,具體工作電壓可方便地由系統(tǒng)軟件進(jìn)行配置;為使電位控制在所要求的精度范圍內(nèi),選用小漂移、低噪聲、高增益、高共模抑制比的集成運(yùn)算放大器組成恒電位電路。如圖2所示,恒電位電路主要由一個(gè)電壓反相器,兩個(gè)電壓跟隨器,控制放大器構(gòu)成。

圖2 恒電位電路

圖2中控制放大器UA用于保持參比電位的恒定,它通過比較基準(zhǔn)電位VC和參比電位VR,實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)這一調(diào)節(jié),放大器選用低噪聲、高開環(huán)增益、高輸入阻抗以及高共模抑制比的運(yùn)算放大器。本文中放大器選用運(yùn)放OP07,利用反饋回路中并聯(lián)的10 μF電容C1,作為相位補(bǔ)償電容,用來(lái)保證在頻率范圍內(nèi),反饋信號(hào)相位的穩(wěn)定。參比電極和輔助電極間通常接一個(gè)大電阻R3,防止因輸入斷開而使放大器開環(huán),造成放大器的損壞。恒電位電路除了保持電位恒定外,若給以指令信號(hào),則可以使電極電位自動(dòng)跟蹤指令信號(hào)發(fā)生變化。如將恒電位電路配以三角波發(fā)生器,則可使電極電位按照給定的波形發(fā)生變化。本文中的三角波由STM32經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生。

2.3 微電流檢測(cè)模塊

由于三電極傳感器采集到的電信號(hào)極其微弱,不利于主控器STM32的處理,增加微電流檢測(cè)模塊可以使微弱的電信號(hào)得到放大、干擾信號(hào)得以濾除。本文設(shè)計(jì)的微電流檢測(cè)模塊主要包括I/V轉(zhuǎn)換后的電壓放大電路、濾波電路和絕對(duì)值輸出電路。微電流檢測(cè)模塊直接面向被測(cè)對(duì)象,放大被測(cè)量電池的電流,并將信號(hào)以0到3.6 V電壓形式輸入到STM32開發(fā)板。圖3為微電流檢測(cè)模塊流程圖。

圖3 微電流檢測(cè)模塊流程圖

(1)放大電路

放大電路主要作用是將轉(zhuǎn)換后的電壓進(jìn)一步增大,便于測(cè)量。電化學(xué)電解池輸出的直流電信號(hào)極其微弱,量程范圍在nA級(jí)甚至更小。放大器的漂移以及電路中的噪聲將是影響測(cè)量精度、靈敏度的重要因素。設(shè)計(jì)要求放大器輸入阻抗要足夠大;噪聲和漂移要小于被測(cè)信號(hào)電流,即高信噪比;同時(shí),放大器的靈敏度要達(dá)到10-15A。通過性能比較,本文選用美國(guó)AD公司的數(shù)據(jù)放大器AD524。該放大器不需要任何外接元件,只需通過不同的引腳組合即可實(shí)現(xiàn)倍數(shù)不等的固定增益,既簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),又保證了電路的精度和穩(wěn)定性。

(2)濾波電路

如圖4所示的濾波電路為二階無(wú)限增益多路反饋有源低通濾波器,屬于平坦的通帶幅值響應(yīng)的巴特沃斯濾波器,是一種非常通用的具有反相增益式的濾波器,電路簡(jiǎn)單,特性穩(wěn)定,輸出阻抗低,其增益Kp=-R14/R12。本文設(shè)置電阻R14與R12均為22 kΩ,電容C3與C4均為100 nF。

圖4 濾波電路

圖5 絕對(duì)值輸出電路

(3)絕對(duì)值輸出電路

為了避免同時(shí)處理正、負(fù)兩種極性的電壓,本文設(shè)計(jì)了絕對(duì)值輸出電路,將可能出現(xiàn)的負(fù)電壓情況轉(zhuǎn)換為等值的正電壓,如圖5所示。

圖5中,當(dāng)正半周電壓輸入時(shí),U4A的輸出為被倒相的Ui與U5A反相相加后的輸出,Uo=—(Ui—2Ui)=+Ui;當(dāng)負(fù)半周電壓輸入時(shí),U4A的輸出被斷開,Uo=—(—Ui+0)=+Ui,輸入信號(hào)被原樣通過。

3 STM32控制模塊設(shè)計(jì)

本文使用的ALIENTEK MiniSTM32開發(fā)板,是以意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的基于ARM Cortex-M3系列配置芯片STM32F103RBT6為核心組成的,是增強(qiáng)型32 bit基于ARM核心的帶218 kbyte閃存的微控制器。

根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)功能的實(shí)際需求,結(jié)合STM32單片機(jī)特點(diǎn),編程實(shí)現(xiàn)A/D采集、D/A控制輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示、按鍵及串口通信等功能。STM32豐富的片內(nèi)資源為檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便,且具有功能強(qiáng)、功耗低、性能可靠等特點(diǎn)。圖6為STM32開發(fā)板外觀圖。

圖6 開發(fā)板外觀圖

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)軟件主要由主程序、D/A激勵(lì)信號(hào)發(fā)生程序、A/D轉(zhuǎn)換控制程序、按鍵模塊程序、液晶顯示程序、參數(shù)計(jì)算處理程序等構(gòu)成。系統(tǒng)軟件具體流程如圖7所示。

3.1 D/A激勵(lì)模塊和A/D采樣模塊

調(diào)用三角波流程,通過設(shè)置將一組三角波的數(shù)據(jù)放置于一個(gè)數(shù)組內(nèi),每隔一段時(shí)間輸出一個(gè)數(shù)據(jù)到DAC,完成數(shù)模轉(zhuǎn)化。通過調(diào)節(jié)內(nèi)部參數(shù)來(lái)改變?nèi)遣ǖ念l率和幅值。數(shù)字輸入經(jīng)過DAC被線性地轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出,通過設(shè)置可以滿足電壓在±5 V范圍內(nèi)調(diào)節(jié),符合三電極傳感器的要求。

STM32芯片自帶一個(gè)12 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,ADC多達(dá)16個(gè)外部通道,能夠以單次或掃描模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。隨著頻率的變化,采樣得到的AD值組成變化的曲線。由于AD值隨著頻率的增加而減小,因此如果檢測(cè)到AD值從最小變到最大后,再由最大值返回最小值,則可以判斷其已經(jīng)接收完一種頻率。STM32的AD最大轉(zhuǎn)換速率為1 MHz,總轉(zhuǎn)換時(shí)間計(jì)算式為:Tcovn=采樣時(shí)間+12.5個(gè)周期。

3.2 鍵盤控制和液晶顯示模塊

鍵盤控制模塊采用觸屏液晶上的按鍵,根據(jù)觸摸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)控制相應(yīng)的功能。按鍵功能包括初始化鍵、返回鍵、頻率設(shè)置鍵、A/D采集鍵、0到9數(shù)字鍵、取消鍵、確定鍵等。

在初始界面中選擇D/A轉(zhuǎn)化時(shí)三角波的參數(shù)設(shè)置,同時(shí)還可以通過觸摸屏設(shè)置頻率等參數(shù)。參數(shù)設(shè)置完成后,D/A自動(dòng)輸出。當(dāng)按下A/D采集按鍵后,STM32單片機(jī)開始采集福氏志賀菌的數(shù)據(jù)并進(jìn)行后臺(tái)程序計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果顯示在液晶屏上。圖8為液晶顯示模塊流程圖。

圖8 液晶顯示模塊流程圖

檢測(cè)結(jié)果輸出界面如圖9所示。

圖9 檢測(cè)結(jié)果輸出界面

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)過程

步驟1:在含有濃度為5.0 mmol/L硫堇,濃度為0.5 mmol/L H2O2的pH5.0醋酸-醋酸鈉緩沖液中,用傳感器初次檢測(cè),傳感器檢測(cè)緩沖液得到氧化峰電流值Ip1。

步驟2:將傳感器與待測(cè)樣品(不同濃度的福氏志賀菌菌液)在37 ℃孵育30 min后進(jìn)行第2次檢測(cè),得到氧化峰電流值Ip2。

步驟3:儀器計(jì)算出峰電流變化值ΔIp=Ip1-Ip2。由傳感器線性方程ΔIp=0.29771(lgC(S.flexneri))-0.6074計(jì)算出福氏志賀菌濃度。

①若0.35≤ΔIp≤1.88,志賀菌濃度計(jì)算公式為:10(ΔIp+0.6074)/0.29771,檢測(cè)結(jié)果顯示陽(yáng)性;

②若ΔIp<0.35,志賀菌濃度顯示“超出檢測(cè)范圍”,檢測(cè)結(jié)果顯示陰性;

③若ΔIp>1.88,志賀菌濃度顯示“超出檢測(cè)范圍”,檢測(cè)結(jié)果顯示陽(yáng)性。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表格1顯示26個(gè)樣本數(shù)的福氏志賀菌檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果。

表1 26個(gè)福氏志賀菌樣本檢測(cè)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)計(jì)算可知,檢測(cè)儀準(zhǔn)確度在88.5%左右,檢測(cè)范圍為103個(gè)/mL～108個(gè)/mL,限制了檢測(cè)儀在微量細(xì)菌檢測(cè)方面的應(yīng)用,但是能基本滿足對(duì)福氏志賀菌檢測(cè)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。本文利用三電極傳感器采集生物信號(hào)可以減小實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差,具有較高的靈敏度。研制的檢測(cè)儀與傳統(tǒng)的電化學(xué)工作站相比,只能完成三角波激勵(lì)掃描的檢測(cè)方式。

5 結(jié)論

本文研制的檢測(cè)儀可以基本實(shí)現(xiàn)對(duì)福氏志賀菌的檢測(cè),具有較好的特異性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。該裝置與傳統(tǒng)的電化學(xué)工作站相比,體積小巧,可以進(jìn)行便攜檢測(cè)。同時(shí)集成了針對(duì)傳感器檢測(cè)范圍的運(yùn)算程序,可以自動(dòng)給出計(jì)算結(jié)果,并判斷標(biāo)本是否含有待測(cè)細(xì)菌。該方法沒有培養(yǎng)增菌過程,可以在短時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè),大幅縮短了檢測(cè)時(shí)間。由于準(zhǔn)確度為88.5%,所以在精確度方面,本系統(tǒng)有待于提高。該研究對(duì)志賀菌的快速檢測(cè)具有重要意義。

[1]余華麗,常昭瑞,張立實(shí),等. 國(guó)家監(jiān)測(cè)點(diǎn)2005年志賀菌菌型分布和藥敏結(jié)果分析[J]. 中華流行病學(xué)雜志,2007,28(4):370-373.

[2]董杰. 志賀菌檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志,2007,18(14):504-506.

[3]姚毓升,解永平,文濤. 三電極電化學(xué)傳感器的恒電位儀設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2009,9(1):23-25.

[4]張學(xué)記,鞠熀先,約瑟夫·王. 電化學(xué)與生物傳感器:原理、設(shè)計(jì)及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[M]. 2009:189-200.

[5]陳坤,孟麗婭,賴小峰,等. 基于電流鏡的電化學(xué)CMOS恒電位儀的設(shè)計(jì)[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2011,30(5):107-109.

[6]馮業(yè)銘. 恒電位儀電路原理及其應(yīng)用[M]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994:64-68.

[7]盧小泉,薛中華,劉秀輝. 電化學(xué)分析儀器[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社,2010:115-123.

[8]朱浩宇. 鉛酸蓄電池極板檢測(cè)用反極表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 科技傳播,2010,18:102-104.

[9]袁佑新,劉洋,奉潛江,等. 新型恒電位儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(10):67-69.

[10]陳英,韓九強(qiáng),許宏斌. 精密儀用放大器AD524及其應(yīng)用[J]. 電子測(cè)量技術(shù),1996(2):27-31.

[11]劉軍. 例說(shuō)STM32[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011:11-19.

[12]蒙博宇. STM32自學(xué)筆記[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012:14-27.

吳暉(1992-),女,漢族,溫州醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系本科在讀,2012年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012R413001)負(fù)責(zé)人,854478030@qq.com;

曾碧新(1956-),女,漢族,現(xiàn)任溫州醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系教授,主要研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理,929467139@qq.com。

PortableShigellaFlexneriDetectionInstrumentBasedonSTM32*

WUHui,ZHAOLei,WUYanna,QIANHua,ZENGBixin*

(Department of Biomedical Engineering of Wenzhou Medical University,Wenzhou Zhejiang 325000,China)

The detection of Shigella flexneri needs the professional equipment and specific laboratory conditions,and the detection usually takes several days to get results. The main controller STM32 sends signals to control the three electrode sensor,which promote the solution of the sample to occurs electrochemical reactions,and result in current which is relative to Shigella flexneri concentration. The current through the acquisition of three electrode sensor,flows back to the STM32 after the treatment. The concentration of Shigella flexneri value will be displayed on the LCD screen. The study has important implications for the rapid detection of Shigella flexneri.

Shigella flexneri;STM32;three electrode sensor;rapid detection

項(xiàng)目來(lái)源:浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)項(xiàng)目(2012R413001)

2013-10-16修改日期:2014-04-07

TP368

:A

:1005-9490(2014)06-1125-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.024