皮肤晚期糖基化终末产物的自体荧光光强检测系统



皮肤晚期糖基化终末产物的自体荧光光强检测系统

引文格式： 贺亚茹，肖文香，陈真诚，等.皮肤晚期糖基化终末产物的自体荧光光强检测系统[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(1):56-59.

贺亚茹1，肖文香1，陈真诚1，李路路2

(1.桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林541004；

2.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林541004)

摘要：为了解决光学无创检测血糖仪成本高和体积大的问题，基于皮肤晚期糖基化终末产物自体荧光光谱特性，设计了一种便携式自体荧光光强检测系统。采用TSL230RD芯片作为光电转换器，检测皮肤受激发射的荧光强度，系统灵敏度可调。对系统探头的结构进行优化，提高了光源的利用率，增加了荧光信号的强度。基于Labview图形化软件，实现了荧光数据的显示、保存和回放等功能。利用该系统对皮肤自体荧光光强数据进行采集，结合光谱仪USB2000+在相同条件下采集的数据建立数学模型，并对系统检测光强进行校正。实验结果验证了该设计的可行性与稳定性。

关键词：晚期糖基化终末产物；荧光光强；TSL230RD

晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products，简称AGEs)是指蛋白质、脂质或核酸等大分子在没有酶参与的条件下，自发地与葡萄糖或其他还原单糖反应所生成的稳定的共价加成物[1]。研究证明：皮肤和血清中的AGEs浓度的升高是糖尿病的生物指标和对未来可能患有糖尿病并发症的预警信号[2]。所以有效地检测皮肤中AGEs的浓度，对于糖尿病的预防、监测具有重要意义。然而，传统的糖尿病诊断，每次都需采血，这给患者带来了一定的痛苦和畏惧，患者测量的频率就会降低，从而难以实现对糖尿病的及时监测、治疗和健康调节。

近年来，医学光子学迅速发展，更多的研究者倾向于利用光学无创技术来诊断糖尿病。BICO Inc.公司采用近红外技术生产的Diasensor[3]，能够不受时间的限制，提高检测的频率，患者随时都可以检测自身的血糖情况。检测时，只需将前臂放在测试托盘上，几分钟之内就可以读出血糖，完全无创，减轻了患者的检测疼痛。但此仪器体积较大，不便于携带，经验证，它与传统检测仪器的误差约为25%[4]。美国科罗拉多州Glucon公司研制的Aprise，是一款个人用无创、连续、实时监测血糖的装置，于2005年申请了美国专利[5]。2007年Weiss等对这款产品进行了验证，结果基本满足误差要求。这种仪器虽然灵敏度比较高，但对检测器的要求也较高，而且，仪器需要定制，价格昂贵，不适合大众推广使用。

为了简化光学无创血糖检测仪器的设计难度，降低成本，满足仪器的微型化设计，基于皮肤晚期糖基化终末产物自体荧光光谱的特性，设计了一种便携式自体荧光光强检测系统，通过荧光光强的检测，实现糖尿病的诊断、预测。

1检测方法

利用光谱仪分别采集正常人与糖尿病患者的皮肤光谱数据，测得450、470 nm波长处皮肤发射的自体荧光光强差异较大[6]，且450 nm波长处的荧光强度与血糖浓度的相关性更高。基于此，设计了AGEs荧光光强检测系统，该系统只需采集450 nm处的光强信号。根据比尔朗伯定律，当浓度c很小时，荧光强度与荧光物质的浓度成正比，这是荧光分析法等量分析的依据。因此，可通过测定AGEs的荧光值来反映晚期糖基化终末产物在人体内的累积程度，进而达到监测糖尿病的目的。

2系统框图

根据皮肤自体荧光光谱特性与血糖的相关性分析，设计的AGEs荧光光强检测系统如图1所示。系统主要包括光源模块、光路模块、光电转换模块、信号调理模块和数据处理模块。

图1　AGEs荧光光强检测系统Fig.1　The detection system of AGEs fluorescence intensity

系统激发光源采用370 nm的紫外LED灯，为保证LED灯的强度和稳定性，采用AMC7150恒流芯片进行驱动。激发光通过入射光纤与探头照射到皮肤表面，皮肤中的荧光物质受激发射的荧光经中心波长为450 nm的窄带滤光片进入光电转换模块。光电转换模块选用TSL230RD芯片将光强转换为相应频率的信号，该芯片可直接输出与入射光强成正比的频率信号，能够与微处理器直接相连，实现高精度的光强检测。系统数据分析处理单元由STM32芯片采集、分析频率信号，并通过USB传输单元发送至上位机。系统控制端采用Labview图形化编程软件编写，实现了光强数据的显示、保存、回放等功能。

3光路优化设计

本系统设计的关键点在于激发光强度的增加以及荧光信号的收集。人体皮肤所激发的荧光信号十分微弱，为了能够最大限度地激发荧光，就需要尽可能地收集光源。在光纤探头的设计中，采用间接耦合的方式，提高了光源的激发光强度。在荧光信号的收集部分，采用6合1的探头模型对光强进行处理。采用实验的方法，逐步调整收集光纤与光电探测器的距离，最终确定最佳的接收位置，此处收集到的荧光信号最强。

3.1光纤探头结构设计

市面上荧光探头的结构和形状比较繁杂[7]，不同的端面结构、不同的探头结构，都会对荧光的激发与接收产生影响，所以光纤探头的结构选择显得尤为重要。Pfefer等[8]进行了探头结构的蒙特卡罗(Montecarlo)仿真实验，发现增大接收光纤的直径，荧光强度会增强；增大激发光纤的直径，荧光强度会减弱；增大激发光纤与接收光纤的间距，探测深度会增大，而荧光强度会减弱。在光纤探头的设计方面，要尽可能增大接收光纤的直径，减小激发光纤的直径，并且激发光纤与接收光纤的间距选择要适当[9]。

根据光纤探头的功能特性，也就是激发光与接收光的传输与接收特性，该光纤探头的形状设计成Y型，如图2(a)所示。6合1简单排列式荧光光纤探头如图2(b)所示，对于中心的1根芯径为600 μm的接收光纤，周围有6根芯径为200 μm的激发光纤，数值孔径均为0.22。6根激发光纤围绕在1根接收光纤周围，相当于6对光纤，增强诱发的荧光强度，提高光强检测的灵敏度[10]。

3.2光源与光纤的耦合设计

由于光纤的纤芯比较小，只有几微米到几百微米，而光源的面积大于纤芯面积，导致部分光发射功率损失。光源与光纤的耦合分为直接耦合和间接耦合。直接耦合是将1根端面为平面的光纤直接放在光源的前面，如图3(a)所示，因为发光面积不是很大，只要光纤与光源靠得足够近，光源发出的光都能够被光纤端面所接收[11]。但是工程实践中，光纤只能接收一定范围内的光，大部分光还是被损失掉。这种耦合方式操作简单，但效率较低。为此，采用间接耦合的方式，如图3(b)所示，将光源LED置于反射面的中心，经凹面镜反射，变为平行光，通过6根激发光纤，将最大光强的入射光照射到皮肤表面。

图2　光纤结构Fig.2　 Fiber structure

图3　耦合原理图Fig.3　Coupling principle

3.3接收光纤与光电传感器的间距确定

为了能够确定光电传感器与接收集光纤的最佳位置，最大限度地收集荧光，采用实验的方法，分别设置接收光纤与探测器的距离为7、9、11、13、15 mm，逐步改变，检测收集到的光强信号，最终确定最佳接收位置为11 mm处。实验结果如图4所示。

图4　接收光纤与光电传感器的间距对光强的影响Fig.4　Light intensity resulted in the distance between receiving optical fiber and photoelectric sensor

4上位机控制界面

系统上位机采用图形化编程软件Labview进行编写，界面简单直观、人性化效果极佳，并能够动态监控实验过程和实时显示实验结果。上位机显示界面设计有3个子窗口，分别为用户信息记录窗口、仪器控制与数据显示窗口、数据调用与回放窗口。

上位机控制界面如图5所示。该系统具备硬件设备自检、系统状态显示、光强数据检测灵敏度选择、光源稳定性检测以及数据的处理、显示、储存等功能。系统运行后自动检测下位机连接状态，并将检测结果显示在系统状态栏，用户只需对USB端口进行选择，并根据光强值选择检测灵敏度参数，待光强稳定后，系统提醒用户开始检测。系统控制端设计有数据保存按钮，用户可选择是否对检测数据进行存储。数据调用与回放窗口可查看已保存数据，并通过图像显示某时间段内数据波形图。

图5　上位机控制界面Fig.5　PC control interface

5测试结果与分析

利用商品化光谱仪USB2000+采集未优化探头结构前的荧光光强，由于皮肤受激发出的荧光强度非常微弱，加上传输路径对信号的损耗，光谱仪积分时间设置为500 000 ms，未检测到荧光光强。改用优化后探头和光纤对皮肤反射荧光信号进行采集，设置光谱仪积分时间为300 000 ms，可检测到光强数据。分别采用USB2000+和本仪器检测了10名测试者手臂内侧受激发射的荧光光强值，结果如表1所示，2台仪器测得的光强相对值差异较大。虽然两者测得荧光强度绝对值不同，但是荧光强度绝对值大小并不影响仪器的定量功能。因为用仪器做定量分析时，总是需要先测定一组浓度数据，绘制工作曲线，然后再通过工作曲线定量分析其他需要检测的数据。因此，只要检测器的测定结果与通用仪器的测定结果呈显著线性关系，就说明检测器的测定结果具有一定的准确性。采集50组数据后，利用Origin软件对2组光强数据进行相关性分析，结果如图6所示。两者测得的光强值呈现明显的线性关系，相关系数为0.92，表明本仪器与商品化仪器检测准确度和稳定性非常接近，可用于AGEs荧光光强的检测。

表1　通用仪器光强与本仪器光强

图6　通用仪器测得荧光光强与本仪器测得荧光光强Fig.6　Fluorescence intensity measured by general instrument and this instrument

6结束语

基于皮肤晚期糖基化终末产物自体荧光光谱特性，设计了便携式晚期糖基化终末产物荧光检测系统，通过对光纤探头结构的优化，提高了光源的利用率，增强了激发荧光信号的强度。探测器采用TSL230RD

光频转换芯片，不需要后续电路的处理，可直接输出正比于光强的频率信号。输出信号经整形后连接至STM32频率检测端，最终将检测数据送至PC机进行处理。由于系统采用LED灯作为光源，对AGEs荧光光强检测前，应提前打开设备，待光源稳定后开始检测。该仪器检测灵敏度可调，使用方便，与商品化光谱仪检测强度十分接近。

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[11]李润涛.基于良好散热的LED光纤耦合装置结构设计[D].长春：长春理工大学，2013:8-10.

编辑：翁史振

An autofluorescence intensity detection system of

skin advanced glycation end products

HE Yaru1, XIAO Wenxiang1,CHEN Zhencheng1, LI Lulu2

(1.School of Life and Environmental Sciences, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;

2.School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

Abstract：In order to solve the problem of high cost and large volume of optical noninvasive blood glucose detector, based on skin AGEs aotofluorescence spectra features, a portable autofluorescence intensity detection system is designed. Using TSL230RD chip as photoelectric converter, the fluorescence intensity of skin stimulated emission is detected. The sensitivity of the system is adjustable. By optimizing the structure of probe, the utilization rate of light source is improved and the strength of fluorescence signal is increased. Based on Labview graphical software, the fluorescence data display, save and playback functions are realized. Using the system for collecting skin autofluorescence intensity data, in combination with spectrometer USB2000+ in the same condition data, a mathematical model is established, and the system light intensity is detected. The experimental results verify that the design is feasible and stable.

Key words：AGEs; fluorescence intensity; TSL230RD

中图分类号：TH773

文献标志码：A

文章编号：1673-808X(2016)01-0056-04

通信作者：肖文香(1976-)，女，广西阳朔人，副教授，博士，研究方向为应用化学和环境科学。E-mail:shelly-xiao@126.com

基金项目：国家科技支撑计划(2013BAI03B01)

收稿日期：2015-09-11