近红外光谱尿液分析仪的原理及实现

刘 蓟

（重庆大学A区主教学楼测试中心，重庆 400030）

0 引言

近红外光谱是波长为780~2526nm的光谱区[1]，该范围内，特定的原子群均有其相应的特征吸收波长且符合朗伯-比耳定律：即被吸收光量发热的数值与样品中吸收该波长光的原子聚集度成线性关系[2-3]。当前尿液分析主要采用生化方法，存在试剂消耗量大、价格昂贵、不环保等缺点[4]，近红外光谱分析成为尿液分析研究的新焦点。

近年来各国科学家在该领域做的相关研究工作均是采用近红外光谱仪，所选波长较长，成本高，不利于仪器的推广应用。该文将采用最新的硬件设计和软件设计，针对尿液中的葡萄糖和蛋白质成分，提出一种体积小、结构简单的近红外光谱尿液分析仪，实现对尿液成分的快速无损定量分析。

1 硬件设计

近红外光谱仪器主要有滤光片型、发光二极管型、光栅单色器型、傅里叶变换干涉仪型、声光可调滤光片型等[5]。为了提高效率，减少仪器设计的复杂程度，选用发光二极管作为此仪器的光源。

按照仪器的组成结构，将其分为光源控制电路、步进电机控制电路、信号检测与采样、单片机4大模块，如图1所示。单片机输出脉冲信号，通过光源控制电路给光源提供恒定的电流；步进电机驱动电路模块根据单片机的控制信号驱动步进电机；光源发光对样品进行透射，检测器接收到光谱信号，通过数据采集卡将信号传入微机进行数据运算分析。

图1 仪器结构框图

1.1 波长选取

葡萄糖浓度与其吸光度间的最佳建模波段为1 176.5~1 333.3 nm[6]。另外，水在1 440~1 460 nm和1 940~1 960 nm波长区域具有强吸收，检测波长应避开这2个区域，选取1 500~1 800 nm波段范围作为葡萄糖的检测波长[7]。蛋白质在1000~1700nm的波段范围内，分布有十分丰富的吸收峰[8]。将光谱数据进行遗传算法波长优选得到15个波长，并且波长优选和重复性实验的预测结果均得到较小的标准偏差[9]。

因此，该研究优选了4个敏感的检测波长，分别为 1 050，1 070，1 300，1 550 nm。其中，1 300 nm和1550nm这2个波长用于检测尿液中的葡萄糖成分，全部4个波长用于检测尿液中的蛋白质成分。

1.2 光路设计

由于尿液为半透明液体，所以采用近红外光谱透射分析法。以近红外发光二极管（LED）为光源，通过一组（4个）波长位于 1050，1070，1300，1 550 nm的LED，形成单色的近红外光。样品池采用比色皿，保证近红外光在样品中散射吸收后由检测器接收。

该系统采用单一的检测器，由此产生的问题是光源位置的不同对测量产生的影响。所以采取将4个LED固定分布在圆形的转盘上，如图2，使LED与凸透镜、比色皿、探测器垂直固定中心在同一直线上。首先驱动步进电机带动圆盘顺时针转动，同时光控开关S开始搜寻圆盘的起始点，即1号LED对准的带缺口位置，此时光控开关接通，系统开始工作。LED发出的点光经凸透镜变成平行光，再对样品进行透射，检测器接收，光路的结构如图3所示。样品与探测器的距离很近，可以忽略空气对光的折射。

1.3 光源控制与切换

图2 LED圆盘

图3 系统的光路示意图

系统采用的MCU是STC公司生产的STC89S52RC，它是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的8位单片机，性价比高，稳定性较好[10]。

由于LED的光强决定于通过LED的电流，每支LED都有单独的可以调节的恒流电路，保证光源的稳定。单片机驱动LED依次循环发光，用步进电机驱动支架转动实现波长切换，以分时获得样品在单一波长下的光度值。通过调整每支LED的电流，使各个波长的光强近似一致。采用集成电路芯片LM317实现LED恒流驱动，电路原理图如图4所示。

图4 恒流源电路图

控制系统驱动步进电机沿顺时针方向运动，光控开关S搜寻到LED圆盘的起始点，即1号LED与凸透镜、比色皿、探测器中心对齐在同一直线上，其相邻的2个LED之间的夹角为90°。如需要2号LED所对应波长，只需将步进电机从起始点顺时针转动90°即可，其他依此类推。

步进电机采用28BYJ48型减速永磁四相步进电机，双四拍的工作方式，电压为DC5V，步距角为7.5°。当步进电机到达预定位置后，延时一段时间方便透射光强数据的采集。该步进电机每转1圈要走48 步（360°/7.5°=48），走过 12 步时即转过了 90°，所以只需控制电机的步数就可以达到控制转角的目的。

1.4 检测器及信号采集

检测器选用与LED光源同一厂家生产的高速型InGaAs光电二极管，型号为FCI-InGaAs-300，响应范围900~1700nm，覆盖了仪器光源的4个波长。

检测器的输出电流很小，最大值为8 mA，易受干扰及噪声的影响，因此需要设计调理电路对信号放大处理。电路结构如图5，其中包括跨阻抗前置放大器的电流-电压转换和非反相放大器的电压放大2个阶段。增益的值直接由RF和式（1）确定。放大器采用Burr-Brown公司生产的运算放大器OPA637，按照图5搭接电路。已知LED光源的响应度Rλ=0.9A/W，取 RF=1kΩ、R1=10kΩ、R2=10kΩ，可得到增益为1800V/W。而LED光源的辐射功率为0~5mW，经调理电路处理后得到电压值0~9V。

数据采集卡采用北京阿尔泰公司生产PCI8214，采用量程-10~10V即可。

图5 调理电路结构图

2 软件设计

系统的软件设计分为单片机控制软件设计和PC上位机软件设计两部分。单片机控制软件实现对电路各模块的功能驱动，PC上位机软件实现对数据采集卡传输的数据进行存储、图形显示及尿液成分预测、分析。

2.1 单片机软件设计

单片机软件源程序采用C51语言编制,由光源控制模块和步进电机驱动模块两部分构成。光源控制模块使选中的LED一直保持发光。

步进电机驱动模块驱动电机顺时针转动，每转90°延时暂停，使单一波长的LED发光透射样品。根据步进电机的工作原理，使用89S52 P1口的P1.1-P1.4分别通过驱动连到步进电机的A、B、C、D相，用软件控制P1口输出一脉冲序列，来控制步进电机的转速、方向和步距，流程图如图6所示。其中将步距数设置为12，使步进电机每转90°延时，并且延时时间要大于采集卡的1个采样周期。

图6 步进电机控制模块流程图

2.2 测量过程

仪器主程序初始化完成以后，首先测量一批已知化学值的代表性样品，由程序控制点亮光源（LED），同时启动步进电机使LED圆盘顺时针转动。比色皿未加入样品时，数据采集卡记录空白光路光强值I0；比色皿加入样品后，数据采集卡记录经样品吸收后的光强值I。由公式A=-log（I/I0）计算得到每个波长处的吸光度，保存在存储器中。最后得到这一批样本的光谱集，通过数据采集卡上传到PC机。在PC机上建立样品各个成分的浓度与光谱之间的模型，然后将模型的系数传回仪器，再测量同类样品时，只要得到样品的吸收光强I和空白光强I0，就可以预测出不同成分的浓度。

测量过程中，首先提示用户将样品放好，然后程序控制光源圆盘转动，不同波长的光源（LED）轮流发光，同时对尿液成分光谱数据进行采集。为了进一步减小误差，每次测量时对数据进行简单的数字滤波，去除奇异数据，并取测量值的平均值。最后，保存数据。测量过程如图7所示。

图7 系统测量过程示意图

2.3 仪器功能的软件实现

仪器功能在VC++6.0的环境下,基于实用性，力求界面友好，操作方便。系统所用的程序模块以及它们之间的层次关系如图8所示。

图8 系统程序模块

3 实验结果与分析

样品为葡萄糖溶液与蛋白质溶液，分别由葡萄糖粉末和水、蛋白质粉末和水按比例均匀混合成的，按梯度配制40个样品，浓度范围是100~4000mg/dL。

图9 葡萄糖溶液样品预测值与真实值之间的关系

图10 蛋白质溶液样品预测值与真实值之间的关系

利用该仪器依次测量葡萄糖溶液和蛋白质溶液的光谱信息并将信息上传至PC机，随机取出32个样品的光谱信息作为校正集，剩下的8个样品作为检验集，经逐步回归分析建立吸光度与葡萄糖浓度（或蛋白质浓度）真实值之间的预测模型。葡萄糖溶液及蛋白质溶液的检验集样品预测值与真实值之间的关系分别如图9、图10所示。从图中可以看出预测结果与真实值基本一致，二者相关系数分别为0.89，0.84。

4 结束语

该文对基于近红外光谱的尿液成分分析仪的实现进行了研究，初步搭建了仪器的软硬件系统，对实现临床无试剂的尿液多成分快速检测与分析具有重要意义，后续将通过进一步的实验验证该仪器的有效性和临床可操作性。

[1]高荣强，范世福.现代近红外光谱分析技术的原理及应用[J].分析仪器，2002（3）：9-12.

[2]陆婉珍，袁洪福，徐广通，等.现代近红外光谱分析技术[M].北京：中国石化出版社，2000.

[3]严衍禄.近红外光谱分析基础与应用[M].北京：中国轻工业出版社，2005.

[4]李健桢，汪仁煌，李貌，等.智能马桶中近红光尿液分析的方案探讨[J].广东工业大学学报，2005，22（3）：91-94.

[5]吉海彦.近红外光谱仪器技术[J].现代科学仪器，2001（6）：25-28.

[6]张洪艳.近红外光谱技术在人体血糖无创检测中的应用研究[D].长春：中国科学院长春光学精密机械和物理研究所，2005.

[7]王健.便携式全光纤激光无创血糖检测仪的研制[D].天津：天津大学，2007.

[8]王丽杰.快速检测牛奶成分的近红外光谱测量方法及系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2006.

[9]杨小丽.牛奶中营养物质含量的近红外检测技术的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2005.

[10]宏晶科技.STC89C51RC/RD+系列手册[DB/OL].[2010-08-23].http://www.mcu-memory.com/.