皮膚晚期糖基化終末產物的自體熒光光強檢測系統

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皮膚晚期糖基化終末產物的自體熒光光強檢測系統

引文格式： 賀亞茹，肖文香，陳真誠，等.皮膚晚期糖基化終末產物的自體熒光光強檢測系統[J].桂林電子科技大學學報，2016,36(1):56-59.

賀亞茹1，肖文香1，陳真誠1，李路路2

(1.桂林電子科技大學 生命與環境科學學院，廣西 桂林541004；

2.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林541004)

摘要：為了解決光學無創檢測血糖儀成本高和體積大的問題，基于皮膚晚期糖基化終末產物自體熒光光譜特性，設計了一種便攜式自體熒光光強檢測系統。采用TSL230RD芯片作為光電轉換器，檢測皮膚受激發射的熒光強度，系統靈敏度可調。對系統探頭的結構進行優化，提高了光源的利用率，增加了熒光信號的強度?；贚abview圖形化軟件，實現了熒光數據的顯示、保存和回放等功能。利用該系統對皮膚自體熒光光強數據進行采集，結合光譜儀USB2000+在相同條件下采集的數據建立數學模型，并對系統檢測光強進行校正。實驗結果驗證了該設計的可行性與穩定性。

關鍵詞：晚期糖基化終末產物；熒光光強；TSL230RD

晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products，簡稱AGEs)是指蛋白質、脂質或核酸等大分子在沒有酶參與的條件下，自發地與葡萄糖或其他還原單糖反應所生成的穩定的共價加成物[1]。研究證明：皮膚和血清中的AGEs濃度的升高是糖尿病的生物指標和對未來可能患有糖尿病并發癥的預警信號[2]。所以有效地檢測皮膚中AGEs的濃度，對于糖尿病的預防、監測具有重要意義。然而，傳統的糖尿病診斷，每次都需采血，這給患者帶來了一定的痛苦和畏懼，患者測量的頻率就會降低，從而難以實現對糖尿病的及時監測、治療和健康調節。

近年來，醫學光子學迅速發展，更多的研究者傾向于利用光學無創技術來診斷糖尿病。BICO Inc.公司采用近紅外技術生產的Diasensor[3]，能夠不受時間的限制，提高檢測的頻率，患者隨時都可以檢測自身的血糖情況。檢測時，只需將前臂放在測試托盤上，幾分鐘之內就可以讀出血糖，完全無創，減輕了患者的檢測疼痛。但此儀器體積較大，不便于攜帶，經驗證，它與傳統檢測儀器的誤差約為25%[4]。美國科羅拉多州Glucon公司研制的Aprise，是一款個人用無創、連續、實時監測血糖的裝置，于2005年申請了美國專利[5]。2007年Weiss等對這款產品進行了驗證，結果基本滿足誤差要求。這種儀器雖然靈敏度比較高，但對檢測器的要求也較高，而且，儀器需要定制，價格昂貴，不適合大眾推廣使用。

為了簡化光學無創血糖檢測儀器的設計難度，降低成本，滿足儀器的微型化設計，基于皮膚晚期糖基化終末產物自體熒光光譜的特性，設計了一種便攜式自體熒光光強檢測系統，通過熒光光強的檢測，實現糖尿病的診斷、預測。

1檢測方法

利用光譜儀分別采集正常人與糖尿病患者的皮膚光譜數據，測得450、470 nm波長處皮膚發射的自體熒光光強差異較大[6]，且450 nm波長處的熒光強度與血糖濃度的相關性更高。基于此，設計了AGEs熒光光強檢測系統，該系統只需采集450 nm處的光強信號。根據比爾朗伯定律，當濃度c很小時，熒光強度與熒光物質的濃度成正比，這是熒光分析法等量分析的依據。因此，可通過測定AGEs的熒光值來反映晚期糖基化終末產物在人體內的累積程度，進而達到監測糖尿病的目的。

2系統框圖

根據皮膚自體熒光光譜特性與血糖的相關性分析，設計的AGEs熒光光強檢測系統如圖1所示。系統主要包括光源模塊、光路模塊、光電轉換模塊、信號調理模塊和數據處理模塊。

圖1　AGEs熒光光強檢測系統Fig.1　The detection system of AGEs fluorescence intensity

系統激發光源采用370 nm的紫外LED燈，為保證LED燈的強度和穩定性，采用AMC7150恒流芯片進行驅動。激發光通過入射光纖與探頭照射到皮膚表面，皮膚中的熒光物質受激發射的熒光經中心波長為450 nm的窄帶濾光片進入光電轉換模塊。光電轉換模塊選用TSL230RD芯片將光強轉換為相應頻率的信號，該芯片可直接輸出與入射光強成正比的頻率信號，能夠與微處理器直接相連，實現高精度的光強檢測。系統數據分析處理單元由STM32芯片采集、分析頻率信號，并通過USB傳輸單元發送至上位機。系統控制端采用Labview圖形化編程軟件編寫，實現了光強數據的顯示、保存、回放等功能。

3光路優化設計

本系統設計的關鍵點在于激發光強度的增加以及熒光信號的收集。人體皮膚所激發的熒光信號十分微弱，為了能夠最大限度地激發熒光，就需要盡可能地收集光源。在光纖探頭的設計中，采用間接耦合的方式，提高了光源的激發光強度。在熒光信號的收集部分，采用6合1的探頭模型對光強進行處理。采用實驗的方法，逐步調整收集光纖與光電探測器的距離，最終確定最佳的接收位置，此處收集到的熒光信號最強。

3.1光纖探頭結構設計

市面上熒光探頭的結構和形狀比較繁雜[7]，不同的端面結構、不同的探頭結構，都會對熒光的激發與接收產生影響，所以光纖探頭的結構選擇顯得尤為重要。Pfefer等[8]進行了探頭結構的蒙特卡羅(Montecarlo)仿真實驗，發現增大接收光纖的直徑，熒光強度會增強；增大激發光纖的直徑，熒光強度會減弱；增大激發光纖與接收光纖的間距，探測深度會增大，而熒光強度會減弱。在光纖探頭的設計方面，要盡可能增大接收光纖的直徑，減小激發光纖的直徑，并且激發光纖與接收光纖的間距選擇要適當[9]。

根據光纖探頭的功能特性，也就是激發光與接收光的傳輸與接收特性，該光纖探頭的形狀設計成Y型，如圖2(a)所示。6合1簡單排列式熒光光纖探頭如圖2(b)所示，對于中心的1根芯徑為600 μm的接收光纖，周圍有6根芯徑為200 μm的激發光纖，數值孔徑均為0.22。6根激發光纖圍繞在1根接收光纖周圍，相當于6對光纖，增強誘發的熒光強度，提高光強檢測的靈敏度[10]。

3.2光源與光纖的耦合設計

由于光纖的纖芯比較小，只有幾微米到幾百微米，而光源的面積大于纖芯面積，導致部分光發射功率損失。光源與光纖的耦合分為直接耦合和間接耦合。直接耦合是將1根端面為平面的光纖直接放在光源的前面，如圖3(a)所示，因為發光面積不是很大，只要光纖與光源靠得足夠近，光源發出的光都能夠被光纖端面所接收[11]。但是工程實踐中，光纖只能接收一定范圍內的光，大部分光還是被損失掉。這種耦合方式操作簡單，但效率較低。為此，采用間接耦合的方式，如圖3(b)所示，將光源LED置于反射面的中心，經凹面鏡反射，變為平行光，通過6根激發光纖，將最大光強的入射光照射到皮膚表面。

圖2　光纖結構Fig.2　 Fiber structure

圖3　耦合原理圖Fig.3　Coupling principle

3.3接收光纖與光電傳感器的間距確定

為了能夠確定光電傳感器與接收集光纖的最佳位置，最大限度地收集熒光，采用實驗的方法，分別設置接收光纖與探測器的距離為7、9、11、13、15 mm，逐步改變，檢測收集到的光強信號，最終確定最佳接收位置為11 mm處。實驗結果如圖4所示。

圖4　接收光纖與光電傳感器的間距對光強的影響Fig.4　Light intensity resulted in the distance between receiving optical fiber and photoelectric sensor

4上位機控制界面

系統上位機采用圖形化編程軟件Labview進行編寫，界面簡單直觀、人性化效果極佳，并能夠動態監控實驗過程和實時顯示實驗結果。上位機顯示界面設計有3個子窗口，分別為用戶信息記錄窗口、儀器控制與數據顯示窗口、數據調用與回放窗口。

上位機控制界面如圖5所示。該系統具備硬件設備自檢、系統狀態顯示、光強數據檢測靈敏度選擇、光源穩定性檢測以及數據的處理、顯示、儲存等功能。系統運行后自動檢測下位機連接狀態，并將檢測結果顯示在系統狀態欄，用戶只需對USB端口進行選擇，并根據光強值選擇檢測靈敏度參數，待光強穩定后，系統提醒用戶開始檢測。系統控制端設計有數據保存按鈕，用戶可選擇是否對檢測數據進行存儲。數據調用與回放窗口可查看已保存數據，并通過圖像顯示某時間段內數據波形圖。

圖5　上位機控制界面Fig.5　PC control interface

5測試結果與分析

利用商品化光譜儀USB2000+采集未優化探頭結構前的熒光光強，由于皮膚受激發出的熒光強度非常微弱，加上傳輸路徑對信號的損耗，光譜儀積分時間設置為500 000 ms，未檢測到熒光光強。改用優化后探頭和光纖對皮膚反射熒光信號進行采集，設置光譜儀積分時間為300 000 ms，可檢測到光強數據。分別采用USB2000+和本儀器檢測了10名測試者手臂內側受激發射的熒光光強值，結果如表1所示，2臺儀器測得的光強相對值差異較大。雖然兩者測得熒光強度絕對值不同，但是熒光強度絕對值大小并不影響儀器的定量功能。因為用儀器做定量分析時，總是需要先測定一組濃度數據，繪制工作曲線，然后再通過工作曲線定量分析其他需要檢測的數據。因此，只要檢測器的測定結果與通用儀器的測定結果呈顯著線性關系，就說明檢測器的測定結果具有一定的準確性。采集50組數據后，利用Origin軟件對2組光強數據進行相關性分析，結果如圖6所示。兩者測得的光強值呈現明顯的線性關系，相關系數為0.92，表明本儀器與商品化儀器檢測準確度和穩定性非常接近，可用于AGEs熒光光強的檢測。

表1　通用儀器光強與本儀器光強

圖6　通用儀器測得熒光光強與本儀器測得熒光光強Fig.6　Fluorescence intensity measured by general instrument and this instrument

6結束語

基于皮膚晚期糖基化終末產物自體熒光光譜特性，設計了便攜式晚期糖基化終末產物熒光檢測系統，通過對光纖探頭結構的優化，提高了光源的利用率，增強了激發熒光信號的強度。探測器采用TSL230RD

光頻轉換芯片，不需要后續電路的處理，可直接輸出正比于光強的頻率信號。輸出信號經整形后連接至STM32頻率檢測端，最終將檢測數據送至PC機進行處理。由于系統采用LED燈作為光源，對AGEs熒光光強檢測前，應提前打開設備，待光源穩定后開始檢測。該儀器檢測靈敏度可調，使用方便，與商品化光譜儀檢測強度十分接近。

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編輯：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

中圖分類號：TH773

文獻標志碼：A

文章編號：1673-808X(2016)01-0056-04

通信作者：肖文香(1976-)，女，廣西陽朔人，副教授，博士，研究方向為應用化學和環境科學。E-mail:shelly-xiao@126.com

基金項目：國家科技支撐計劃(2013BAI03B01)

收稿日期：2015-09-11