基于STM32的便携式福氏志贺菌检测仪*

吴 晖,赵 磊,伍燕娜,钱 华,曾碧新

(温州医科大学生物医学工程系,浙江 温州 325000)



基于STM32的便携式福氏志贺菌检测仪*

吴 晖,赵 磊,伍燕娜,钱 华,曾碧新*

(温州医科大学生物医学工程系,浙江 温州 325000)

福氏志贺菌的检测需要专业设备和特定的实验室条件才能进行,而且数天才能得出结果。本文利用主控器STM32发出信号控制三电极传感器,使其促进溶液中样品发生电化学反应,从而产生与福氏志贺菌浓度相关的电流,经三电极传感器采集,处理后传回STM32,最终在液晶屏上显示福氏志贺菌的浓度值。该研究对福氏志贺菌的快速检测具有重要意义。

福氏志贺菌;STM32;三电极传感器;快速检测

福氏志贺菌是人类传染性疾病的主要病原体之一,由福氏志贺菌引起的细菌性痢疾是我国法定乙类传染病。福氏志贺菌的检测由于涉及细菌培养过程常需要数天才能得出结果,不利于临床的早期诊断和治疗;另外由于需要专业仪器设备和一定的实验室条件才能进行福氏志贺菌的检测,不利于其在基层医院的普及和推广。本文目的是研制一种便携式福氏志贺菌检测仪,可以实现便携式快速检测。检测流程简便、快速,结果判读直观;对实验设备及操作人员无特殊要求,适合在一般医院实验室开展,可以有效缩短福氏志贺菌检测时间,提高诊断效率。

1 检测原理

该检测仪硬件模块由SMT32开发板模块和检测电路模块两部分组成。检测电路模块由恒电位电路、电化学反应模块和微电流检测单元组成;STM32控制模块由主控器STM32、D/A激励、A/D采样、键盘控制和液晶显示组成。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

图1中系统通过键盘来控制主控器STM32发出数字激励信号,经DA转换成模拟控制信号作用于三电极传感器,促进溶液中样品发生电化学反应,从而产生与福氏志贺菌浓度相关的电流,该电流由三电极传感器采集后通过微电流检测电路的处理和AD转换后传回主控器STM32,最终在液晶屏上显示福氏志贺菌的浓度。恒电位电路用于维持三电极传感器的工作电极和参比电极间电位差恒定。其中,主控器STM32可以实现对采集到的信号进行处理和保存。

2 检测电路模块设计

系统检测电路模块由电化学反应模块、恒电位电路以及微电流检测模块组成。

2.1 电化学反应模块

电化学反应模块由电解池、三电极传感器组成。三电极传感器作为典型的电流型电化学传感器,包含工作电极(WE),参比电极(RE)和辅助电极(CE)。本文采用BVT Technologies公司生产的三电极传感器,该传感器的工作电极为铂制材料,因此稳定性很强,测试灵敏度高,适用于本文采用的循环伏安法检测体系。循环伏安法是电流型电化学分析测试系统最常采用的分析方法。通过三电极传感器,可以直接将溶液中待测物成分的化学信号转变为电信号。其中工作电极表面产生化学反应;参比电极用于提供恒定的基准电位作为测试中的参照,并在实验过程中以此参照为标准来测试或调整其他电极电位,保证体系中反应电位的稳定可控性;辅助电极用来输出反应产生的电流信号Ip,并经由测量电路实现信号的转换和放大。本文设计工作电极接地,可以防止寄生信号的干扰,从而提高了电路中电流和电压的稳定性和精确度。三电极传感器检测福氏志贺菌的线性回归方程为:ΔIp=0.29771(lgC(S.flexneri))-0.6074,线性相关系数为R=0.964。本文需要通过三电极传感器测出缓冲液和菌液的氧化峰电流值之差ΔIp,将检测出的电流ΔIp代入方程即可以计算出溶液所含的福氏志贺菌的浓度而达到检测福氏志贺菌的目的。检测结果只需比较ΔIp的值是否在0.35与1.88之间,若在该范围内,检测结果为阳性,否则超出检测范围。

2.2 恒电位电路

在三电极检测体系中,即使在实验一开始就将相对于参比电极的工作电极电位设定为一恒定值,但随着反应池内电极反应的进行,电极表面反应物浓度逐渐减少,生成物浓度不断增加,电极电位将与初始设定电位产生偏移,因此,设计恒电位电路可以保证参比电极与工作电极之间的电位差恒定。

恒电位电路是各种三电极电化学反应池的接口,将外部激励信号(工作电压)准确地施加于反应池的工作电极与参比电极之间,维持工作电极和参比电极间电位差恒定,促进溶液中样品发生电化学反应,从而产生电流。标准的恒电位电路要求电位控制在0～5 V之间;电位的控制精度要求误差在5 mV以内。为满足0～5 V的指标,本文设计的恒电位电路的电压由STM32控制内部自带的D/A模块产生,输出电压范围为0～3 V,具体工作电压可方便地由系统软件进行配置;为使电位控制在所要求的精度范围内,选用小漂移、低噪声、高增益、高共模抑制比的集成运算放大器组成恒电位电路。如图2所示,恒电位电路主要由一个电压反相器,两个电压跟随器,控制放大器构成。

图2 恒电位电路

图2中控制放大器UA用于保持参比电位的恒定,它通过比较基准电位VC和参比电位VR,实现负反馈调节。为实现这一调节,放大器选用低噪声、高开环增益、高输入阻抗以及高共模抑制比的运算放大器。本文中放大器选用运放OP07,利用反馈回路中并联的10 μF电容C1,作为相位补偿电容,用来保证在频率范围内,反馈信号相位的稳定。参比电极和辅助电极间通常接一个大电阻R3,防止因输入断开而使放大器开环,造成放大器的损坏。恒电位电路除了保持电位恒定外,若给以指令信号,则可以使电极电位自动跟踪指令信号发生变化。如将恒电位电路配以三角波发生器,则可使电极电位按照给定的波形发生变化。本文中的三角波由STM32经过D/A转换产生。

2.3 微电流检测模块

由于三电极传感器采集到的电信号极其微弱,不利于主控器STM32的处理,增加微电流检测模块可以使微弱的电信号得到放大、干扰信号得以滤除。本文设计的微电流检测模块主要包括I/V转换后的电压放大电路、滤波电路和绝对值输出电路。微电流检测模块直接面向被测对象,放大被测量电池的电流,并将信号以0到3.6 V电压形式输入到STM32开发板。图3为微电流检测模块流程图。

图3 微电流检测模块流程图

(1)放大电路

放大电路主要作用是将转换后的电压进一步增大,便于测量。电化学电解池输出的直流电信号极其微弱,量程范围在nA级甚至更小。放大器的漂移以及电路中的噪声将是影响测量精度、灵敏度的重要因素。设计要求放大器输入阻抗要足够大;噪声和漂移要小于被测信号电流,即高信噪比;同时,放大器的灵敏度要达到10-15A。通过性能比较,本文选用美国AD公司的数据放大器AD524。该放大器不需要任何外接元件,只需通过不同的引脚组合即可实现倍数不等的固定增益,既简化了电路设计,又保证了电路的精度和稳定性。

(2)滤波电路

如图4所示的滤波电路为二阶无限增益多路反馈有源低通滤波器,属于平坦的通带幅值响应的巴特沃斯滤波器,是一种非常通用的具有反相增益式的滤波器,电路简单,特性稳定,输出阻抗低,其增益Kp=-R14/R12。本文设置电阻R14与R12均为22 kΩ,电容C3与C4均为100 nF。

图4 滤波电路

图5 绝对值输出电路

(3)绝对值输出电路

为了避免同时处理正、负两种极性的电压,本文设计了绝对值输出电路,将可能出现的负电压情况转换为等值的正电压,如图5所示。

图5中,当正半周电压输入时,U4A的输出为被倒相的Ui与U5A反相相加后的输出,Uo=—(Ui—2Ui)=+Ui;当负半周电压输入时,U4A的输出被断开,Uo=—(—Ui+0)=+Ui,输入信号被原样通过。

3 STM32控制模块设计

本文使用的ALIENTEK MiniSTM32开发板,是以意法半导体(ST)公司推出的基于ARM Cortex-M3系列配置芯片STM32F103RBT6为核心组成的,是增强型32 bit基于ARM核心的带218 kbyte闪存的微控制器。

根据检测系统功能的实际需求,结合STM32单片机特点,编程实现A/D采集、D/A控制输出、数据存储、液晶显示、按键及串口通信等功能。STM32丰富的片内资源为检测系统的设计带来了极大的方便,且具有功能强、功耗低、性能可靠等特点。图6为STM32开发板外观图。

图6 开发板外观图

图7 系统软件流程图

系统软件主要由主程序、D/A激励信号发生程序、A/D转换控制程序、按键模块程序、液晶显示程序、参数计算处理程序等构成。系统软件具体流程如图7所示。

3.1 D/A激励模块和A/D采样模块

调用三角波流程,通过设置将一组三角波的数据放置于一个数组内,每隔一段时间输出一个数据到DAC,完成数模转化。通过调节内部参数来改变三角波的频率和幅值。数字输入经过DAC被线性地转换为模拟电压输出,通过设置可以满足电压在±5 V范围内调节,符合三电极传感器的要求。

STM32芯片自带一个12 bit的模数转换器,ADC多达16个外部通道,能够以单次或扫描模式进行转换。随着频率的变化,采样得到的AD值组成变化的曲线。由于AD值随着频率的增加而减小,因此如果检测到AD值从最小变到最大后,再由最大值返回最小值,则可以判断其已经接收完一种频率。STM32的AD最大转换速率为1 MHz,总转换时间计算式为:Tcovn=采样时间+12.5个周期。

3.2 键盘控制和液晶显示模块

键盘控制模块采用触屏液晶上的按键,根据触摸点对应的坐标控制相应的功能。按键功能包括初始化键、返回键、频率设置键、A/D采集键、0到9数字键、取消键、确定键等。

在初始界面中选择D/A转化时三角波的参数设置,同时还可以通过触摸屏设置频率等参数。参数设置完成后,D/A自动输出。当按下A/D采集按键后,STM32单片机开始采集福氏志贺菌的数据并进行后台程序计算,将计算结果显示在液晶屏上。图8为液晶显示模块流程图。

图8 液晶显示模块流程图

检测结果输出界面如图9所示。

图9 检测结果输出界面

4 系统调试与结果

4.1 实验过程

步骤1:在含有浓度为5.0 mmol/L硫堇,浓度为0.5 mmol/L H2O2的pH5.0醋酸-醋酸钠缓冲液中,用传感器初次检测,传感器检测缓冲液得到氧化峰电流值Ip1。

步骤2:将传感器与待测样品(不同浓度的福氏志贺菌菌液)在37 ℃孵育30 min后进行第2次检测,得到氧化峰电流值Ip2。

步骤3:仪器计算出峰电流变化值ΔIp=Ip1-Ip2。由传感器线性方程ΔIp=0.29771(lgC(S.flexneri))-0.6074计算出福氏志贺菌浓度。

①若0.35≤ΔIp≤1.88,志贺菌浓度计算公式为:10(ΔIp+0.6074)/0.29771,检测结果显示阳性;

②若ΔIp<0.35,志贺菌浓度显示“超出检测范围”,检测结果显示阴性;

③若ΔIp>1.88,志贺菌浓度显示“超出检测范围”,检测结果显示阳性。

4.2 实验结果

表格1显示26个样本数的福氏志贺菌检测系统的检测结果。

表1 26个福氏志贺菌样本检测结果

由实验结果经计算可知,检测仪准确度在88.5%左右,检测范围为103个/mL～108个/mL,限制了检测仪在微量细菌检测方面的应用,但是能基本满足对福氏志贺菌检测设计指标的要求。本文利用三电极传感器采集生物信号可以减小实验的相对误差,具有较高的灵敏度。研制的检测仪与传统的电化学工作站相比,只能完成三角波激励扫描的检测方式。

5 结论

本文研制的检测仪可以基本实现对福氏志贺菌的检测,具有较好的特异性、准确性和稳定性。该装置与传统的电化学工作站相比,体积小巧,可以进行便携检测。同时集成了针对传感器检测范围的运算程序,可以自动给出计算结果,并判断标本是否含有待测细菌。该方法没有培养增菌过程,可以在短时间内完成检测,大幅缩短了检测时间。由于准确度为88.5%,所以在精确度方面,本系统有待于提高。该研究对志贺菌的快速检测具有重要意义。

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吴晖(1992-),女,汉族,温州医科大学生物医学工程系本科在读,2012年浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)资助项目(2012R413001)负责人,854478030@qq.com;

曾碧新(1956-),女,汉族,现任温州医科大学生物医学工程系教授,主要研究方向为医学信号检测与处理,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

项目来源:浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)项目(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