吳 暉,趙 磊,伍燕娜,錢 華,曾碧新

(溫州醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程系,浙江 溫州 325000)

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基于STM32的便攜式福氏志賀菌檢測儀*

吳 暉,趙 磊,伍燕娜,錢 華,曾碧新*

(溫州醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程系,浙江 溫州 325000)

福氏志賀菌的檢測需要專業(yè)設(shè)備和特定的實驗室條件才能進行,而且數(shù)天才能得出結(jié)果。本文利用主控器STM32發(fā)出信號控制三電極傳感器,使其促進溶液中樣品發(fā)生電化學反應(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。該研究對福氏志賀菌的快速檢測具有重要意義。

福氏志賀菌;STM32;三電極傳感器;快速檢測

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菌性痢疾是我國法定乙類傳染病。福氏志賀菌的檢測由于涉及細菌培養(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)備和一定的實驗室條件才能進行福氏志賀菌的檢測,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儀,可以實現(xiàn)便攜式快速檢測。檢測流程簡便、快速,結(jié)果判讀直觀;對實驗設(shè)備及操作人員無特殊要求,適合在一般醫(yī)院實驗室開展,可以有效縮短福氏志賀菌檢測時間,提高診斷效率。

1 檢測原理

該檢測儀硬件模塊由SMT32開發(fā)板模塊和檢測電路模塊兩部分組成。檢測電路模塊由恒電位電路、電化學反應(yīng)模塊和微電流檢測單元組成;STM32控制模塊由主控器STM32、D/A激勵、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)通過鍵盤來控制主控器STM32發(fā)出數(shù)字激勵信號,經(jīng)DA轉(zhuǎn)換成模擬控制信號作用于三電極傳感器,促進溶液中樣品發(fā)生電化學反應(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可以實現(xiàn)對采集到的信號進行處理和保存。

2 檢測電路模塊設(shè)計

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

2.1 電化學反應(yīng)模塊

電化學反應(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,測試靈敏度高,適用于本文采用的循環(huán)伏安法檢測體系。循環(huán)伏安法是電流型電化學分析測試系統(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物成分的化學信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｆ渲泄ぷ麟姌O表面產(chǎn)生化學反應(yīng);參比電極用于提供恒定的基準電位作為測試中的參照,并在實驗過程中以此參照為標準來測試或調(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;輔助電極用來輸出反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號Ip,并經(jīng)由測量電路實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換和放大。本文設(shè)計工作電極接地,可以防止寄生信號的干擾,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出緩沖液和菌液的氧化峰電流值之差ΔIp,將檢測出的電流ΔIp代入方程即可以計算出溶液所含的福氏志賀菌的濃度而達到檢測福氏志賀菌的目的。檢測結(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),檢測結(jié)果為陽性,否則超出檢測范圍。

2.2 恒電位電路

在三電極檢測體系中,即使在實驗一開始就將相對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反應(yīng)池的接口,將外部激勵信號(工作電壓)準確地施加于反應(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,促進溶液中樣品發(fā)生電化學反應(yīng),從而產(chǎn)生電流。標準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,本文設(shè)計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電壓反相器,兩個電壓跟隨器,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,它通過比較基準電位VC和參比電位VR,實現(xiàn)負反饋調(diào)節(jié)。為實現(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算放大器。本文中放大器選用運放OP07,利用反饋回路中并聯(lián)的10 μF電容C1,作為相位補償電容,用來保證在頻率范圍內(nèi),反饋信號相位的穩(wěn)定。參比電極和輔助電極間通常接一個大電阻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,則可以使電極電位自動跟蹤指令信號發(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 微電流檢測模塊

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

圖3 微電流檢測模塊流程圖

(1)放大電路

放大電路主要作用是將轉(zhuǎn)換后的電壓進一步增大,便于測量。電化學電解池輸出的直流電信號極其微弱,量程范圍在nA級甚至更小。放大器的漂移以及電路中的噪聲將是影響測量精度、靈敏度的重要因素。設(shè)計要求放大器輸入阻抗要足夠大;噪聲和漂移要小于被測信號電流,即高信噪比;同時,放大器的靈敏度要達到10-15A。通過性能比較,本文選用美國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現(xiàn)倍數(shù)不等的固定增益,既簡化了電路設(shè)計,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 絕對值輸出電路

(3)絕對值輸出電路

為了避免同時處理正、負兩種極性的電壓,本文設(shè)計了絕對值輸出電路,將可能出現(xiàn)的負電壓情況轉(zhuǎn)換為等值的正電壓,如圖5所示。

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

3 STM32控制模塊設(shè)計

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

根據(jù)檢測系統(tǒng)功能的實際需求,結(jié)合STM32單片機特點,編程實現(xiàn)A/D采集、D/A控制輸出、數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示、按鍵及串口通信等功能。STM32豐富的片內(nèi)資源為檢測系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大的方便,且具有功能強、功耗低、性能可靠等特點。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激勵信號發(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)放置于一個數(shù)組內(nèi),每隔一段時間輸出一個數(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12 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,ADC多達16個外部通道,能夠以單次或掃描模式進行轉(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)換時間計算式為:Tcovn=采樣時間+12.5個周期。

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)觸摸點對應(yīng)的坐標控制相應(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)化時三角波的參數(shù)設(shè)置,同時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自動輸出。當按下A/D采集按鍵后,STM32單片機開始采集福氏志賀菌的數(shù)據(jù)并進行后臺程序計算,將計算結(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

檢測結(jié)果輸出界面如圖9所示。

圖9 檢測結(jié)果輸出界面

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果

4.1 實驗過程

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,傳感器檢測緩沖液得到氧化峰電流值Ip1。

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

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

①若0.35≤ΔIp≤1.88,志賀菌濃度計算公式為:10(ΔIp+0.6074)/0.29771,檢測結(jié)果顯示陽性;

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

③若ΔIp>1.88,志賀菌濃度顯示“超出檢測范圍”,檢測結(jié)果顯示陽性。

4.2 實驗結(jié)果

表格1顯示26個樣本數(shù)的福氏志賀菌檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果。

表1 26個福氏志賀菌樣本檢測結(jié)果

由實驗結(jié)果經(jīng)計算可知,檢測儀準確度在88.5%左右,檢測范圍為103個/mL～108個/mL,限制了檢測儀在微量細菌檢測方面的應(yīng)用,但是能基本滿足對福氏志賀菌檢測設(shè)計指標的要求。本文利用三電極傳感器采集生物信號可以減小實驗的相對誤差,具有較高的靈敏度。研制的檢測儀與傳統(tǒng)的電化學工作站相比,只能完成三角波激勵掃描的檢測方式。

5 結(jié)論

本文研制的檢測儀可以基本實現(xiàn)對福氏志賀菌的檢測,具有較好的特異性、準確性和穩(wěn)定性。該裝置與傳統(tǒng)的電化學工作站相比,體積小巧,可以進行便攜檢測。同時集成了針對傳感器檢測范圍的運算程序,可以自動給出計算結(jié)果,并判斷標本是否含有待測細菌。該方法沒有培養(yǎng)增菌過程,可以在短時間內(nèi)完成檢測,大幅縮短了檢測時間。由于準確度為88.5%,所以在精確度方面,本系統(tǒng)有待于提高。該研究對志賀菌的快速檢測具有重要意義。

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吳暉(1992-),女,漢族,溫州醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程系本科在讀,2012年浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃(新苗人才計劃)資助項目(2012R413001)負責人,854478030@qq.com;

曾碧新(1956-),女,漢族,現(xiàn)任溫州醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程系教授,主要研究方向為醫(yī)學信號檢測與處理,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

項目來源:浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃(新苗人才計劃)項目(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