STM32的瘦肉精含量快速检测系统

肖泓，曹明勤，张涛，王健,

(1. 杭州电子科技大学 电子信息学院，杭州 310018；2. 杭州聚光科技股份有限公司)



肖泓1，曹明勤1，张涛2，王健1,2

(1. 杭州电子科技大学 电子信息学院，杭州 310018；2. 杭州聚光科技股份有限公司)

为了快速、定量检测肉类食品中瘦肉精含量，采用了一种先进的激光诱导荧光技术进行检测。首先将稀释好的样品滴加在用免疫层析技术制作的试纸卡上，然后使用638 nm波长的半导体激光器照射试纸卡，激发出的荧光通过光敏二极管接收，通过采集荧光强度来实现瘦肉精含量的检测。通过实验验证,该检测系统能够快速、定量、精确的检测瘦肉精的含量，检测时间为6 s，测量量程为0.0～0.3 ppb，检测灵敏度为0.01 ppb。

瘦肉精；激光诱导荧光技术；免疫层析技术；半导体激光器；光敏二极管

引 言

本设计在传统的免疫法基础上进行改良，采用了激光诱导荧光技术和荧光免疫分析法，实现了对瘦肉精的快速、定量、精确检测，具有高分辨率、快速响应、高灵敏度、抗干扰能力强等优点。

1 检测系统的工作原理与组成

1.1 光学检测原理

本设计选用的半导体激光器的光功率最大是5 mW，最大工作电流是40 mA，正常工作电流35 mA，正常工作电压是2.2 V，最大反向工作电压是2 V，波长范围是630～640 nm，中心波长为638 nm。激发出来的荧光波长为680 nm，所选用的光敏二极管S5106能够感应的波长范围是320～1 100 nm，接收灵敏度最高的是960 nm的光，接收荧光的灵敏度约为0.45。

半导体激光器打出的638 nm波长的激光通过二向色镜反射，反射的激光再通过透镜1聚焦到检测试纸卡上，这样激光能量能够最大化地聚集到试纸卡上，此时能最大激发出荧光；激发出来的680 nm的荧光通过二向色镜透射，荧光照射到滤光片上，滤光片透过的光波长为660～700 nm，这样不在这个波长范围的杂散光就能被滤除掉；荧光再通过透镜2聚焦到光阑上面的光孔，光阑也能挡住一部分杂散光，聚焦的荧光能够最大化地聚集到光敏二极管的接收面上，这样设计的光路不仅能够很好地滤除杂散光，而且还能最大化地聚集激光能量和最大化地激发荧光，激发的荧光也能够最大化地聚集到光敏二极管上，这样能最有效地抑制噪声、最有效地激发荧光和接收荧光，有利于荧光信号的采集和测量的精度提高。

光路检测图如图1所示。

图1 光路检测图

1.2 试纸卡制作原理

免疫层析技术是建立在层析技术和抗原-抗体特异性免疫反应基础上的一项新兴免疫检测技术。免疫层析技术以固定有检测线T和控制线C的条状纤维层析材料为固定相，测试液为流动相，通过毛细作用使待测物在层析条上移动。其中待测物在T线处发生特异性免疫反应，游离物在C线处发生免疫反应。

常用免疫层析荧光法包括竞争法和夹心法，本设计检测法采用竞争法，竞争法主要用于测量小分子抗原，如克伦特罗、莱克多巴胺等。竞争法试纸卡制作示意图如图2所示。

图2 竞争法试纸制作示意图

待测样本中的抗原浓度越高，则荧光素标记的抗原与单克隆抗体形成抗原抗体复合物的量就越少，T线上荧光免疫复合物的量也就越少，待测样本中克伦特罗的浓度与T 线信号成负相关。而C线上捕获的荧光素标记兔抗信号值则相对固定。通过激光对检测卡进行扫描，根据克伦特罗浓度与荧光信号强度成负相关，获得待测样本中克伦特罗的准确浓度。

1.3 系统硬件设计

系统硬件主要由控制器、电源、激光器驱动与保护、步进电机驱动、信号处理及采集、按键与显示屏等组成。控制器采用基于ARM Cortex-M4核的STM32F407VGT6，主频频率为168 MHz。主要硬件框图如图3所示。半导体激光器的驱动采用恒流驱动，驱动电流值由控制器设定，激光诱导的荧光束通过光敏二极管接收后转换成电流值，电流值转换成电压后经过放大和滤波送到A/D芯片采集，采集后转换成浓度值在显示屏上显示，实现定量检测。试纸卡通过步进电机驱动做直线运动，实现整个试纸卡的扫描采样。下面主要介绍半导体激光器的驱动电路和前置信号处理电路。

图3 主要硬件框图

1.3.1 半导体激光器的驱动电路

半导体激光器的驱动电路主要由电流源组成。激光器对电流冲击的承受能力较差，电流微小的变化将引起光输出的变化，这些变化有可能影响激光器的使用寿命，因此在实际应用中对驱动电流源的性能和安全保护有很高的要求[4]。为了能够很好地观察荧光信号的强弱变化，设计激光器的电流源连续可调节，改变驱动电流大小，同时改变激光器的光功率。该电路的原理图如图4所示，电流源供电通过LDO给其供电，减小电源噪声，使激光器工作在稳定可靠条件下。

图4 电流源电路原理图

U1为数字转化为模拟信号芯片，输出电压在0～4.096 V 可调，电流源由运算放大器U2A,精密电阻R1、R2、R4、R7和三极管Q1组成。原理如下，根据虚断的概念可得：

(1)

(2)

根据虚断可得：

(3)

其中R1=R2=R4=R7，由式(1)～式(3)可求得：

(4)

则b点的节点电流为：

(5)

将式(1)和式(4)代入可得：

(6)

由于R7>>30Ω，后面一项可忽略，得到半导体激光器的驱动电流为：

(7)

由式(7)可以得知，半导体激光器的驱动电流与激光器的阻抗无关，只与输入电压VIN和精密电阻R5、R6相关，驱动电流通过调节输入电压大小实现连续可调。

1.3.2 信号处理电路

光敏二极管的PN结有一个结电容和一个寄生电阻，结电容和采样电阻组成了一个RC充电回路，RC值的大小决定了光敏二极管的响应速度。光敏二极管在反向偏置电压作用下工作，再加上寄生电阻的存在，在没有光信号输入时，光敏二极管仍然会流出电流，该电流称为暗电流。S5106的暗电流正常值为0.2nA。由于结电容的存在，该结电容延迟了信号的响应，在输出信号端会产生震荡，在取样电阻R2上需并联一个合适容值的电容C4用来对电路进行补偿，消除信号的震荡。

当激光照射在试纸卡上时，激发出来的荧光反射到S5106上形成光电流，通过电阻R2实现I/V转换，将电流转换成电压值。由于荧光信号非常微弱，产生的光电流值一般都为几个nA，再加上运算放大器输入级偏置电流的存在，为减小偏置电流对光电流的影响，一般需要选取偏置电流极小的运算放大器，可选取pA级别的。其中I/V转换原理图如图5所示。

图5 I/V转换原理图

1.4 系统软件设计

1.4.1 系统软件总流程

系统软件设计采用C语言开发，主程序结构如图6所示。仪器上电后，进行系统初始化，读取外部EEPROM的保存参数，接着系统开始自检，液晶屏显示“系统自检中”。自检内容包括电源自检、外部RTC自检、外部EEPROM自检、电机自检、激光器自检、电路自检、温度传感器自检。自检不通过，则报警，液晶屏显示相应的报警码，否则进入主菜单界面。在主菜单页面中，在“测试”页面中按下ENTER键进入测试流程，在“查询”页面中按下ENTER键进入历史记录流程，在“设置”页面中按下ENTER键则进入设置流程。在设置页面中，在“时间与日期”页面中按下ENTER键进入设置时间与日期流程。在“清空历史记录”页面中按下ENTER键进入清空历史记录流程。在“信息”页面中按下ENTER键查看仪器的基本信息。

图6 主程序结构

1.4.2 寻峰算法

(1) 寻峰要求

① 任意寻峰范围：通过测试试纸条得知，共300个点，从START到END，如200～500。

② 若为选取的峰，则峰高必须大于一个阈值THRESHOLD，如100 mV。

③ 寻峰完毕后，峰的个数必须为2个，否则寻峰失败。

④ 峰的宽度通过测试试纸得知，是一个定值WIDTH，如60。

⑤ 通过计算峰高之比来求得比值。

⑥ 可在本底不平滑的情况进行。

(2) 自动寻峰算法

自动寻峰方法有多种,如高斯乘积函数法，导数法(一阶、二阶、三阶)，对称零面积法，协方差法等。其中，高斯乘积函数寻峰法可靠性较差；导数法(一阶、二阶、三阶)，比较简单；对称零面积法可准确识别弱峰；协方差法较为复杂。而这些高级的寻峰方法主要用于光谱分析中识别弱峰、重峰、假峰等。

本设计采用常见的一阶导数法来进行自动寻峰，该方法非常简单且比较准确，很容易在嵌入式处理器中用软件实现。

自动寻峰算法流程如下：

① 取得300点寻峰范围内的各索引值的电压值V。

② 分别求得(300-1)个相邻数值之间的差值d。

③ 在(WIDTH/2，END-START-WIDTH/2)范围内开始寻峰。

④ 取得极大值后，其索引值为i，分别求得左右索引值LEFT和RIGHT。

⑤ 通过左右索引值及各对应的电压值拟合一条直线，并求出i+1处对应的峰高。

⑥ 若该峰高大于阈值THRESHOLD,且峰的个数≤2， 则将该峰高存入数组中，并将索引值i加上WIDTH/2。

⑦ 寻峰完毕或者出现峰的个数大于2，则退出寻峰。

⑧ 寻峰结束后，如果峰的个数为2个，则通过计算峰高的比值即C/T，将该比值代入公式中即可求出待测物质的浓度值。

导数法示意图如图7所示。

图7 导数法示意图

2 系统测试结果

试纸卡在步进电机的驱动下做直线运动，通过光学检测系统对其进行逐步扫描和信号采集，采集到的信号值通过上位机软件显示，采样到的信号值在T线和C线处形成两个波峰，克伦特罗的浓度与T线信号成负相关，而C线上捕获的荧光素标记兔抗信号值则相对固定，C线峰值用作参照，通过寻找T线和C线处的峰值，再通过T线和C线峰值的比值来计算克伦特罗的浓度。

现以测试的一组克伦特罗浓度值为例，采样到的信号值上位机显示波形图如图8所示。检测时间总共耗时6 s，其中横坐标为采样的点数，总共采样1 500个点，1 ms采样一个点，纵坐标为每点所对应的采样电压值，两个波峰分别为T线和C线处的波峰，T线所对应的峰高与被测样品浓度成负相关，C线所对应的峰高是用作参照的，用来消除背景干扰。

图8 采样波形图

结 语

本文介绍了一种以激光技术、荧光免疫层析技术和激光诱导荧光技术为基础的定量瘦肉精检测系统。该系统实现了瘦肉精的快速定量检测，检测灵敏度达到了0.01 ppb，同时检测时间短，能够大批量检测，是一个实用且完整的系统，对瘦肉精的精确检测具有很大的参考意义。

[1] 张振亚，梅兴国. 现代荧光免疫分析技术应用及其新发展[J].生物技术通讯，2006(4).

[2] 刘舒书，单文涛．一种实用的大功率激光二极管驱动电源[J]．激光与红外，1998，28(3):153-155.

[3] 江文杰，曾学文，施建华．光电技术[M]．北京：科学出版社，2009.

[4] 朴德慧，郭玉彬，王天枢.大功率半导体激光器驱动电路及防护[J].激光与红外，2007,37(3):230-233.

肖泓、曹明勤(硕士研究生)，主要研究方向为电路与系统；张涛(总工)、王健(教授)，主要研究方向为仪器仪表。

Xiao Hong1,Cao Mingqin1, Zhang Tao2,Wang Jian1,2

(1. School of Electronic Information, Hangzhou Electronic Science Technology University,Hangzhou 310018, China; 2. Hang Zhou Focused Photonics Inc.)

In order to detect concentration of clenbuterol fast and quantitatively in meat food, we adopt an advanced laser induced fluorescence technique. First, a diluted sample is dropped on the reagent card made by immunochromatographic technique. Then we irradiates the reagent card with a 638 nm wavelength laser diode to excite the fluorescence received by the photodiode. Finally, the author collects the fluorescence intensity to achieve the detection of clenbuterol's concentration. Experiment shows that the detection system is rapid and quantitative, accurate in detection of concentration of clenbuterol. Detection time is 6, the measurement range is 0.0～0.3 ppb and detection sensitivity is 0.01 ppb.

clenbuterol; laser induced fluorescence technique; immunochromatography technique; laser diode; photodiode

TN98

A

迪娜

2013-11-01)