端木路阳 吴再辉 孟祥凯 王哲 郭红壮

摘 要：我国不孕不育与新生儿流产率严重威胁着育龄人口的健康，可以通过检测育龄人口尿液中的激素达到预防该疾病的目的。针对育龄人口尿液中激素的检测，提出了小型集成化的荧光物质检测方法，设计了小型集成化的荧光物质检测系统，并给出电路实现与部分电路仿真结果。对系统进行了对比标定测试，结果表明：所设计的系统检测CV值小于10%，检测误差小于3%。这对于尿液中激素检测设备的开发，具有一定的参考意义。

关键词：尿液中激素;荧光物质;检测系统

Abstract：Infertility and neonatal abortion in China seriously threaten the health of the childbearing population.The purpose of preventing the disease can be achieved by detecting hormones in the urine of the childbearing population.Aiming at the detection of hormones in the urine of the reproductive age population，a small integrated fluorescent substance detection method was proposed，and a small integrated fluorescent substance detection system was designed.The circuit implementation and partial circuit simulation results were given.The system was compared and calibrated.The results show that the designed system has a CV value of less than 10% and a detection error of less than 3%.This has certain reference significance for the development of hormone detection equipment in urine.

Key words：Urine hormone; fluorescent substance; detection system

隨着我国实施全面二孩政策，导致新增可生育二孩的目标人群激增，然而我国仍有较高比率的不孕不育和新生儿流产率。孕龄人口尿液中的黄体生成素可提高临床妊娠率，[1]卵泡生成素和尿孕酮激素有助于评估卵巢的储备功能。[2-3]于是通过检测激素水平达到预防疾病的目的。

相对传统研究显色法，荧光法灵敏度高、特异性高，具有更低的检测限。然而，在医疗场所激素检测时大多使用分光光度计、多功能酶标仪等大型试验室类仪器设备。这对于大部分育龄人口小样本和家庭检测而言，其仪器价格昂贵，维护成本高，且不方便携带，于是，小型集成化的激素荧光检测系统成为了解决上述问题的一种有效途径。

针对尿液中激素的检测问题，本文设计了一种荧光标记激素的荧光快速检测系统，实现了对荧光产物信号采集、荧光电信号处理，激素结果快速分析。

1 尿液中荧光标记激素快速检测的基本原理

尿液中荧光物质与激素结合检测的基本原理如图1所示，尿液中的激素分子与过量且已知浓度的单抗体结合;剩余的单抗与二抗-荧光物质结合成单抗-二抗-荧光产物，只有单抗-二抗-荧光产物在特定的激发光激发下发出荧光。通过对单抗-二抗-荧光产物的荧光检测确定尿液中的激素浓度，即荧光信号越强，激素浓度越低，反之亦然。

荧光产物激发光和发射光谱图如图2所示，可以看出荧光产物的激发波长范围为320nm-410nm，荧光发射波长范围为575nm-650nm。于是选择波长为360nm光源激发光光源，辅以中心波长为365nm带宽为40nm的滤光片;荧光检测端选择透过中心波长为610nm带宽为40nm的滤光片。

2 尿液中荧光标记激素的荧光快速检测系统设计

2.1系统总体结构框图

荧光标记激素的荧光快速检测系统的总体结构如图3所示。主要包括微控制器、恒流源驱动电路、光电转换电路、信号放大电路、触摸显示屏、直线步进电机、串口打印机等几个部分。

微处理器选择STM32单片机，该系列单片机专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计，同时集成丰富的资源，例如16位高精度的AD和16位的PWM。非常适合本系统的设计。

本系统将利用LED作为激发光源，同时研究LED的驱动技术，利用恒流控驱动LED灯，消除由于电流不稳定、温度变化等造成的光源输出光强变化，降低光斑漂移和抖动，提高光源的准确性、稳定性和可靠性。在荧光信号的探测中，根据荧光光谱，选择合适的高透过率分色滤光片，提高荧光发射光的收集效率。在探测器方面由于雪崩二级管阵列具有体积小、信噪比高、稳定性好等优点，因此拟利用雪崩二极管作为探测单元。

微处理器控制LED光源发光，将激发光源聚焦于待检测反应槽上进行激发，之后通过后端的光路采集、光电转换、电路处理等过程完成荧光信号的获取。在完成以后通过处理器运算，将结果通过打印机、显示屏等多种方式进行显示和存储。

2.2 系统硬件电路设计与验证

2.2.1 恒流源驱动电路的设计

光学系统的稳定性和可靠性是荧光检测仪的最核心保证。其中首要问题为高稳定性光源的设计。因此，系统中采用低纹波、高精度的压控恒流源作为激发光光源的驱动，[4]同时调整电压的大小即可调整恒流源的电流大小。

压控恒流源电路图如图4所示，通过电阻R1和电阻R2的分压产生一个电压V1，根据运放虚短虚断的原理可以得出电压V1等于V2，且电流不从U2的反向端留出，于是I2=V2R4，激发光源D1与电阻R4位于同一个电路上，电流I2=I1，于是可以通过控制电压V1和电阻R4的大小来控制恒流源输出电流的大小。STM32单片机通过io口控制整个恒流源的通断;从而实现对稳定激发光源的控制。

2.2.2 光电转换电路与滤波电路

光电转换电路主要将光电信号转换成电信号，包括光电二极管和流压转换电路。因为荧光信号非常微弱，这就对光电探测器及其后续电路的灵敏度提出了很高的要求。由于光电二极管的PN结有一个结电容和一个寄生电阻，结电容和采样电阻构成了一个RC充电回路，RC值的大小决定了光敏二极管的响应速度，结电容还可能产生信号震荡，在取样电阻上并联一个电容用来对电路进行补偿，消除信号的震荡。[5]电路直接采用采样电阻R5和补偿电容C1并联的形式得到电压信号，如图5（a）所示。当激發光信号照射在反应槽上时，荧光产物发射出荧光，照射在光敏二极管上行程光电流，通过电阻实现流压转换。

光电转换得到的电压信号，含有高频、工频噪声以及其他干扰量，传统的一阶低通滤波电路并不能有效地滤除高频分量，于是选用二阶有源低通滤波器能够把工频干扰与其他高频噪声有效的抑制，如图5（b）所示。

经二阶有源低通滤波器滤除的信号可认为是去除工频以及其他高频干扰的信号，[6]此信号需要放大至AD模块检测的范围内，以提高检测精度和分辨率。后置二级放大电路采用常规比例放大电路，此放大电路相对简单，此处便不做给出具体电路和设计分析。

2.2.3 驱动步进电机电路与串口外围电路

步进电机用于拖动承载器，承载器上放有反应槽，随着承载器均匀运动，激发光照射在反应槽上。因此，步进电机稳定均匀的运行也关系着整个光电信号转换部分的稳定。选用丰源威特的25BYZ电机，该电机为2相微型直线步进电机，步长仅为0.0254mm;选用LV8729驱动模块，该驱动模块最大支持128细分，最大输出1.6A，具有过热关断，电路简洁，性能稳定，[7]使用此模块驱动微型直线步进电机，不仅能保证步进电机平稳的运行，还能保证步进电机的承载能力。步进电机驱动芯片的驱动电路如图6所示。

其功能和状态指示控制如表1所示：

为了更方便地使用，系统还集成了串口打印机和可触摸显示屏。

2.2.4 恒流源的验证

对本系统设计压控恒流源进行了Protues软件仿真，如图7所示，R3为光源内阻，选取与光源内阻相似的电阻R4，运放选择LF353。本系统选用光源的额定电压为3.3V，额定电流为20毫安，则设计恒流源输出电流为20毫安，即I1=I2=V1R4;在光源发光的过程中由于光源温度的升高将会导致光源的内阻减小，选取一系列光源等效阻值得出仿真数据为表2，从表中可以看出本系统设计的压控恒流源输出电流稳定。

2.3 数据采集处理

经过信号处理后的荧光信号电压，由STM32微处理器的16通道的AD进行模数转换。为了进一步提高精度，对采集到的数据进行小样平均处理。对每0.0254mm的距离采样4次，取平均值作为此点的采样值，以此得到的所有采样值，作为输入量拟合得到浓度计算公式，得到尿液中激素浓度。

3 实验结果与分析

利用自制的试验系统连续对标定1mmol/L的荧光溶液检测9次，得到数据如下表3，计算CV值得到0.62%。

将1mmol/L浓度的荧光物质等比例稀释至0.125mmol/L，做成4个标准荧光样本，使用本系统进行检测，得出如表4。计算相对误差均小于3%。

4 结语

针对育龄人口尿液中激素的检测问题，利用荧光物质与激素结合检测的基本原理，设计了通过检测样本中的荧光物质，得到样本中激素的浓度。设计了硬件电路，使用软件仿真了部分电路，搭建了检测系统。为了验证系统的性能，对标定的荧光样本连续检测了10次和等比例稀释后不同浓度的样本进行测试，结果表明所涉及的系统CV值<10%，检测误差<3%，满足设计要求，这对尿液中激素检测设备的开发，具有一定参考意义。

参考文献：

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