STM32的瘦肉精含量快速检测体系

摘要：为了快速、定量检测肉类食物中瘦肉精含量，选用了一种先进的激光诱导荧光技能进行检测。首先将稀释好的样品滴加在用免疫层析技能制造的试纸卡上，然后运用638 nm波长的半导体激光器照耀试纸卡，激宣布的荧光经过光敏二极管接纳，经过收集荧光强度来完成瘦肉精含量的检测。经过试验验证，该检测体系可以快速、定量、准确的检测瘦肉精的含量，检测时刻为6 s，丈量量程为0.0～0.3 ppb，检测灵敏度为0.01 ppb。

关键词：瘦肉精;激光诱导荧光技能;免疫层析技能;半导体激光器;光敏二极管

导言

本规划在传统的免疫法根底上进行改进，选用了激光诱导荧光技能和荧光免疫分析法，完成了对瘦肉精的快速、定量、准确检测，具有高分辨率、快速呼应、高灵敏度、抗搅扰能力强等长处。

1 检测体系的作业原理与组成

1.1 光学检测原理

本规划选用的半导体激光器的光功率最大是5 mW，最大作业电流是40 mA，正常作业电流35 mA，正常作业电压是2.2 V，最大反向作业电压是2 V，波长规模是630～640 nm，中心波长为638 nm。激宣布来的荧光波长为680 nm，所选用的光敏二极管S5106可以感应的波长规模是320～1 100 nm，接纳灵敏度最高的是960 nm的光，接纳荧光的灵敏度约为0.45。

半导体激光器打出的638 nm波长的激光经过二向色镜反射，反射的激光再经过透镜1集合到检测验纸卡上，这样激光能量可以最大化地集合到试纸卡上，此刻能最大激宣布荧光;激宣布来的680 nm的荧光经过二向色镜透射，荧光照耀到滤光片上，滤光片透过的光波长为660～700 nm，这样不在这个波长规模的杂散光就能被滤除去;荧光再经过透镜2集合到光阑上面的光孔，光阑也能挡住一部分杂散光，集合的荧光可以最大化地集合到光敏二极管的接纳面上，这样规划的光路不只可以很好地滤除杂散光，并且还能最大化地集合激光能量和最大化地激起荧光，激起的荧光也可以最大化地集合到光敏二极管上，这样能最有效地按捺噪声、最有效地激起荧光和接纳荧光，有利于荧光信号的收集和丈量的精度进步。

光路检测图如图1所示。

1.2 试纸卡制造原理

免疫层析技能是建立在层析技能和抗原-抗体特异性免疫反响根底上的一项新式免疫检测技能。免疫层析技能以固定有检测线T和控制线C的条状纤维层析资料为固定相，测验液为活动相，经过毛细效果使待测物在层析条上移动。其巾待测物在T线处发生特异性免疫反响，游离物在C线处发生免疫反响。

常用免疫层析荧光法包含竞争法和夹心法，本规划检测法选用竞争法，竞争法首要用于丈量小分子抗原，如克伦特罗、莱克多巴胺等。竞争法试纸卡制造示意图如图2所示。

待测样本中的抗原浓度越高，则荧光素符号的抗原与单克隆抗体构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线上捕获的荧光素符号兔抗信号值则相对固定。经过激光对检测卡进行扫描，依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 体系硬件规划

体系硬件首要由控制器、电源、激光器驱动与维护、步进电机驱动、信号处理及收集、按键与显现屏等组成。控制器选用依据ARM Cort ex—M4核的STM32F407VGT6，主频频率为168 MHz。首要硬件框图如图3所示。半导体激光器的驱动选用恒流驱动，驱动电流值由控制器设定，激光诱导的荧光束经过光敏二极管接纳后转化成电流值，电流值转化成电压后经过放大和滤波送到A/D芯片收集，收集后转化成浓度值在显现屏上显现，完成定量检测。试纸卡经过步进电机驱动做直线运动，完成整个试纸卡的扫描采样。下面首要介绍半导体激光器的驱动电路和前置信号处理电路。

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首要由电流源组成。激光器对电流冲击的承受能力较差，电流细小的改动将引起光输出的改动，这些改动有或许影响激光器的运用寿命，因此在实践使用中对驱动电流源的功能和安全维护有很高的要求。为了可以很好地调查荧光信号的强弱改动，规划激光器的电流源接连可调理，改动驱动电流巨细，一起改动激光器的光功率。该电路的原理图如图4所示，电流源供电经过LDO给其供电，减小电源噪声，使激光器作业在安稳牢靠条件下。

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，精细电阻R1、R2、R4、R7和i极管Q1组成。原理如下，依据虚断的概念可得：

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和精细电阻R5、R6相关，驱动电流经过调理输入电压巨细完成接连可调。

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值的巨细决议了光敏二极管的呼应速度。光敏二极管在反向偏置电压效果下作业，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0.2 nA。因为结电容的存在，该结电容延迟了信号的呼应，在输出信号端会发生震动，在取样电阻R2上需并联一个适宜容值的%&&&&&%C4用来对电路进行补偿，消除信号的震动。

当激光照耀在试纸卡上时，激宣布来的荧光反射到S5106上构成光电流，经过电阻R2完成I/V转化，将电流转化成电压值。因为荧光信号十分弱小，发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，一般需求选取偏置电流极小的运算放大器，可选取pA等级的。其间I/V转化原理图如图5所示。

1.4 体系软件规划

1.4.1 体系软件总流程

体系软件规划选用C言语开发，主程序结构如图6所示。仪器上电后，进行体系初始化，读取外部EEPROM的保存参数，接着体系开端自检，液晶屏显现“体系自检中”。自检内容包含电源自检、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。自检不经过，则报警，液晶屏显现相应的报警码，不然进入主菜单界面。在主菜单页面中，在“测验”页面中按下ENTER键进入测验流程，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“时刻与日期”页面中按下ENTER键进入设置时刻与日期流程。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键检查仪器的基本信息。

1.4.2 寻峰算法

(1)寻峰要求

①恣意寻峰规模：经过测验试纸条得知，共300个点，从START到END，如200～500。

②若为选取的峰，则峰高有必要大于一个阈值THRESHOLD，如100 mV。

③寻峰完毕后，峰的个数有必要为2个，不然寻峰失利。

④峰的宽度经过测验试纸得知，是一个定值WIDTH，如60。

⑤经过核算峰高之比来求得比值。

⑥可往本底不滑润的状况进行。

(2)主动寻峰算法

主动寻峰办法有多种，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。其间，高斯乘积函数寻峰法牢靠性较差;导数法(一阶、二阶、三阶)，比较简略;对称零面积法可准确辨认弱峰;协方差法较为杂乱。而这些高档的寻峰办法首要用于光谱分析中辨认弱峰、重峰、假峰等。

本规划选用常见的一阶导数法来进行主动寻峰，该办法十分简略且比较准确，很简单在嵌入式处理器顶用软件完成。

主动寻峰算法流程如下：

①获得300点寻峰规模内的各索引值的电压值V。

②别离求得(300—1)个相邻数值之间的差值d。

③在(WIDTH/2，END—START—WIDTH/2)规模内开端寻峰。

④获得极大值后，其索引值为i。别离求得左有索引值LEFT和RIGHT。

⑤经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寻峰完毕或许呈现峰的个数大于2，则退出寻峰。

⑧寻峰完毕后，假如峰的个数为2个，则经过核算峰高的比值即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。

2 体系测验成果

试纸卡在步进电机的驱动下做直线运动，经过光学检测体系对其进行逐渐扫描和信号收集，收集到的信号值经过上位机软件显现，采样到的信号值在T线和C线处构成两个波峰，克伦特罗的浓度与T线信号成负相关，而C线上捕获的荧光素符号兔抗信号值则相对固定，C线峰值用作参照，经过寻觅T线和C线处的峰值，再经过T线和C线峰值的比值来核算克伦特罗的浓度。

现以测验的一组克伦特罗浓度值为例，采样到的信号值上位机显现波形图如图8所示。检测时刻一共耗时6 s，其间横坐标为采样的点数，一共采样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，两个波峰别离为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，用来消除布景搅扰。

依据寻峰算法可得T线峰高为0.564 V，C线峰高为0.258 V，比值为2.186，代入

。其间y为浓度值，x为比值，得出克伦特罗浓度为0.137 ppb。检丈量程为0.0～0.3 ppb，检测灵敏度为0.01 ppb。

结语

本文介绍了一种以激光技能、荧光免疫层析技能和激光诱导荧光技能为根底的定量瘦肉精检测体系。该体系完成了瘦肉精的快速定量检测，检测灵敏度达到了0.01 ppb，一起检测时刻短，可以大批量检测，是一个有用且完好的体系，对瘦肉精的准确检测具有很大的参阅含义。