（生物医学工程专业论文）基于SPR的微创血糖测量系统的设计.pdf

摘要 糖尿病是一种常见的慢性系统新陈代谢疾病，它的发病率较高，己成为世界 上仅次于癌症的第二大杀手。因此对血糖检测快速、准确、实时的要求越来越迫 切。目前，血糖的检测主要采取针刺采血的有创方式，不仅对患者带来身体上的 伤害，而且无法频繁检测；而基于提取光学信息的无创检测技术在精确性和稳定 性上还存在问题；而微创检测仪可以弥补在精度和稳定性方面的不足，同时又很 大程度上减轻对患者的伤害。 血液中的葡萄糖通过组织液传递到人体各组织的细胞中，因此组织液中的葡 萄糖浓度真实反映人体的各组织细胞所能够获得的葡萄糖浓度。本课题根据表面 等离子共振( s p r ) 的技术原理，设计了一套基于s p r 生物传感器的小型微创血 糖检测系统，系统采用主从结构设计，从机利用其内部的1 6 位a d c 和d m a 控 制器对s p r 数据进行采集，同时在l c d 上显示相关信息；主机则控制真空泵、 步进电机等模块，利用真空抽取人体组织液，并采用相应算法对s p r 数据进行 处理得到血糖的浓度值。在软件方面，为了保证程序执行的实时性、可靠性，提 高程序的执行效率，系统的软件采用嵌入式实时操作系统的模块化设计。该系统 不仅可以准确测量血糖浓度，还具有实时时钟显示、保存和查看测量记录等功能。 由于采用真空抽取组织液的方式测量血糖，因此对患者身体的伤害降低至最小， 从而可以更加频繁的对血糖进行检测，为糖尿病患者及时提供血糖信息以采取相 应的措施。 最后，设计了对葡萄糖溶液浓度和人体组织液中葡萄糖浓度的测量实验，通 过对实验结果的研究，分析了绑定蛋白对测量结果准确性的影响。该系统的成功 设计及初步的实验结果为进一步的临床应用奠定了基础。 关键词：微创血糖检测表面等离子共振r t x 51p c o s a b s t r a c t d i a b e t e si sav u l g a rm a l a d yo fc h r o n i cs y s t e m - m e t a b o l i s m ，i t si n c i d e n c ei sh i g h a n di th a sb e e nt h es e c o n dk i l l e rt h a to n l yi n f e r i o rt oc a n c e ra l lo v e rt h ew o r l d s ot h e d e m a n df o raf a s t ，e x a c lr e a lt i m em e a s u r e m e n to fg l u c o s ei sm o r ea n dm o r eu r g e n t l y s of a r , t h ed e t e c to fg l u c o s ei sm o s t l ya d o p tt h ei n v a s i v em e t h o dt h a tu s i n gp i ns t a bt o g e tb l o o d i tn o to n l yb r i n g sb o d y sh u r tt ot h ep a t i e n t s ，a n da l s oc a nn o tm e a s u r e f r e q u e n t l y t h et e c h n o l o g yo fn o n - i n v a s i v ed e t e c t i o nb a s e do np i c k i n g - u po p t i c a l i n f o r m a t i o nh a sp r o b l e mo na c c u r a c ya n ds t a b i l i t y b u tm i r o i n v a s i v ed e t e c t i o ns u p p l y ag a po na c c u r a c ya n ds t a b i l i t y , a n ds i m u l t a n e o u s l y , e a s et h eh u r tf o rp a t i e n t sg r e a t l y t h eg l u c o s ei nb l o o di sd e l i v e r e dt ot h ec e l l so fe a c hh u m a nt i s s u eb yt h e i n t e r s t i t i a lf l u i d ，s ot h ec o n c e n t r a t i o no ft h eg l u c o s ei ni n t e r s t i t i a lf l u i dt r u l yr e f l e c t s t h e c o n c e n t r a t i o no fg l u c o s ei ne a c ht i s s u ec e l lo ft h eb o d y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e o fs u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，am i c r o - i n v a s i v eg l u c o s em e a s u r es y s t e mb a s e do n s p rb i o l o g i c a ls e n s o rw a sd e s i g n e d ，t h es y s t e ma d o p t e dt h es t r u c t u r eo fh o s t - s l a v e ，t h e s l a v es i n g l e c h i pu s e di t s1 6b i ta d ca n dd m ac o n t r o l l e rt o a c q u i r et h ed a t af r o ms p l la n d d i s p l a y e dt h ec o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o no nt h el c da tt h es a m et i m e ；t h eh o s ts i n g l e c h i pc o n t r o l l e d v a c u u mp u m p ，s t e p p e rm o t o rt oe x t r a c ti n t e r s t i t i a lf l u i db yv a c c u m ，a n du s e dr e l e v a n t a r i t h m e t i ct op r o c e s st h es p rd a t aa n dg o tt h ec o n c e n t r a t i o no fg l u c o s e i nt e r m so f s o f t w a r e ，i no r d e rt oe n s u r et h er e a lt i m e ，r e l i a b i l i t yo ft h ep r o g r a me x e c u t i o na n d i m p r o v et h ee x e c u t i n ge f f i c i e n c yo fp r o g r a m ，t h em o d u l a r i z e dd e s i g no fe m b e d d e d r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mw a sa d o p t e d t h e s y s t e m n o to n l ym e a s u r e dt h e c o n c e n t r a t i o no fg l u c o s ee x a c t l y ，b u ta l s oh a dt h ef u n c t i o n so fc l o c kd i s p l a y ，s a v i n g a n dv i e w i n gt h er e c o r d so fm e a s u r e m e n t b e c a u s et h es y s t e mm e a s u r e dt h e c o n c e n t r a t i o no fg l u c o s eb yu s i n gv a c u u mt oe x t r a c ti n t e r s t i t i a lf l u i d ，t h eh u r tt ot h e p a t i e n t sc a nb er e d u c e dt ol e a s t ，s ot h a tt h eg l u c o s ec a nb em e a s u r e dm o r ef r e q u e n t l y ， a n dp r o v i d e dt h ed i a b e t e sp a t i e n t sw i t hg l u c o s ei n f o r m a t i o ni nt i m es oa st ot a k e m e a s u r e st oc o n t r o lt h ec o n c e n t r a t i o no fg l u c o s e a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t so fm e a s u r i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fg l u c o s es o l u t i o na n d o fg l u c o s ei nt h ei n t e r s t i t i a lf l u i dw e r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt os t u d yo ft h er e s u l t s ，t h e i n f l u e n c eo ft h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n tr e s u l t sb yb o n d i n gp r o t e i nc a nb ea n a l y z e d t h es u c c e s so ft h es y s t e md e s i g na n dt h er e s u l t so fp r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t sw o u l d l a yt h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rc l i n i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m i c r o i n v a s i v e ，g l u c o s em e a s u r e m e n t , s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ， r t x 5 1 ，r t c o s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：枫 签字日期：晰年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 新躲似叶 签字日期：加孑午 月日签字日期：力矽年莎月否日 第一章绪论 第一章绪论 糖尿病是一种常见的慢性系统新陈代谢疾病，它的发病率较高，目前己成为 世界上仅次于癌症的第二大杀手。而近年来，随着我国社会经济条件的改善，人 民生活水平的不断提高，饮食结构的改变，劳动强度的降低，人群平均寿命的延 长，应激状态的增多，以及糖尿病检测手段的改进，与世界各国一样，糖尿病患 病率在逐渐上升，对我国人民健康的影响日趋严重，我国虽属世界上糖尿病低患 病率国家，但糖尿病患者的人数已居世界第二位( 仅次于美国) ，增加速度惊人。 糖尿病对人类健康有极大危害，而且这种危害往往是在不知不觉中发生的【1 1 。糖 尿病的危害主要表现在以下几个方面：1 ) 糖尿病急性并发症，可直接危及患者 的生命；2 ) 糖尿病的慢性并发症，包括大血管、微血管及神经并发症，可使人 们的健康水平和劳动能力大大下降，甚至造成残废或过早死亡；3 ) 控制不住的 糖尿病儿童的生长生育可能受到严重影响，造成身材矮小，发育延迟；4 ) 用于 糖尿病治疗的费用可能会给患者本人、家庭、工作单位以及国家带来沉重的经济 负担。因此，人体血糖的实时监控和检测对糖尿病患者的及时治疗具有重要的意 义【2 1 。 1 1 糖尿病的发病机理和特征 糖尿病是以持续高血糖为基本生化特征的一种综合病症，其主要特征是血糖 高及尿中有糖。多种原因造成胰岛素供应不足或胰岛素在靶细胞不能发挥正常生 理作用，使体内糖、蛋白质及脂肪代谢发生紊乱，就发生了糖尿病。随着糖尿病 得病时间的延长，身体内的代谢紊乱如果得不到很好地控制，可导致眼、肾、神 经、血管和心脏等组织、器官的慢性并发症，以致最终发生失明、下肢坏疽、尿 毒症、脑中风或心肌梗塞，甚至危及生命。 糖尿病在临床上分为两种类型：i 型糖尿病，称为胰岛素依赖型或青少年糖 尿病，是因为胰岛1 3 细胞产生胰岛素不够所致。此症多发病在3 0 岁以下，但也 可以在成年甚至老年发病；此型患者发病较晚，病情较重，容易出现酮症酸中毒， 重者昏迷。有些患者通过胰岛素医疗后，胰岛1 3 细胞功能有不同程度的改善；个 别患者甚至在一段时间内不用胰岛素治疗。型糖尿病，称为非胰岛素依赖型或 成人型糖尿病，是由细胞不能正常利用胰岛素所致。此症多发于成年人或老年人， 患者发病较慢，病情较轻，体形多肥胖，血浆胰岛素水平可稍低、正常或偏高， 第一章绪论 型糖尿病发病率很高，约占糖尿病发病人数的9 0 左右。 1 2 血糖检测技术研究现状 由于目前糖尿病的诊断与治疗是通过频繁的检测和胰岛素注射来对血糖浓 度进行人为控制，将血糖浓度控制在正常生理浓度范围内，就可以有效避免糖尿 病综合症的发生。要有效地控制疾病，需要实时检测糖尿病患者的血糖浓度，从 而确定具体的服药量和诊断方案，已成为糖尿病诊断和治疗的关键技术。因此， 方便、准确的血糖检测方法和仪器在控制糖尿病中起到关键性的作用。 目前，血糖检测仪器的种类多种多样，根据受创伤程度可大体分为三大类： 接触痛苦式血糖检测仪器、近无伤害血糖浓度检测仪器和无创伤血糖检测仪器。 1 接触痛苦式检测方法，目前检测患者血糖浓度的方法是刺破病人的手指、提 取血液样品、分析样品的化学成份和含量。这种生化检测方法属于有创伤检测， 有创伤检测给患者带来巨大的痛苦和不便，同时使血液疾病的传染和伤口的感染 机会增加。许多病人因而不愿多次测量血糖，从而延误病情的治疗和控制【3 1 。研 究和探索无接触、无伤害、方便、快捷的方法来探测患者的血糖浓度是目前医学 物理界特别是光学医疗物理界关注的热点，其意义是： ( 1 ) 患者不再有采血的 痛苦，改善病人的生活质量； ( 2 ) 增加测量次数以及血糖控制精确度，减少糖 尿病并发症； ( 3 ) 由于不需要消耗品，因而可降低测量成本；( 4 ) 使建立检测 器和胰岛素注射的闭循环系统成为可能；( 5 ) 检测技术可借鉴到其它体液成分 的测量。过去几十年里，科学家们探索各种各样的方法来实现无痛苦、无接触、 无伤害、实时、快速测量患者的血糖浓度。 2 近无伤害血糖检测方法，最早的接近无痛苦无伤害方法为反转电离子渗疗法 和孔隙体液提取法两种。反转电离子渗疗法在皮肤表面施加电流、提取体液、分 析体液获得血糖浓度含量。孔隙体液提取法采取微米量级甚至钠米量级的微小管 直接提取体液，当收集多于几微升的体液后，用现有的生化方法分析血糖浓度含 量。由于需要试纸( 耗材) ，因而使用价格并不便宜【4 1 。另一种微创血糖探测方 法为无线血糖传感器，由一个植入病人皮下的感应器和外部测量仪两部分组成， 感应器采用一种磁质弹性材料做成，表面涂有葡萄糖氧化酶，当遇到葡萄糖时会 分解出一种酸，酸使传感器膨胀，从而改变了传感器的磁脉冲震动频率，最终由 测量仪读出血糖数值。但此种传感器植入人体，对患者机体功能的影响以及传感 器使用寿命的问题仍然是个未知别s | 。 3 无创伤血糖检测方法，无创伤血糖检测研究建立在提取光学信息来测量患者 血糖浓度。以光子作为信息的载体，通过分析光子所载信息的方法引起了广泛的 2 第一章绪论 兴趣，各国科学家所研究和探索的光学信息的方法包括近红外光谱的分析、远红 外光谱的分析、拉曼光谱的分析、声光谱的分析、光散射谱的分析以及光偏振谱 的分析掣6 1 。无创伤检测的数据重现性、灵敏度、选择性、对个体的适应性等指 标尚不如微创伤检测的结果，无论是实验室研究，还是仪器的开发和验证都处于 探索和改进阶段。 1 3s p r 技术的发展与现状 表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 技术是一种简单、直 接的传感技术，是表面等离子体在金属和电介质的交界面上形成的一电荷层，在 电磁波的激励下，表面等离子体发生共振现象。在2 0 世纪的初期，w o o d 等人 就利用衍射光栅观测到光栅的反常衍射现象，第一次公开对表面等离子波进行描 述1 7 j 。1 9 0 9 年，索末菲从麦克斯韦的电磁理论出发，引入复介电常数的概念，得 到了表面局部的等离子表面波解，等离子波是一种在表面和界面传播的t m 波。 其振幅随离开界面的距离而按指数规律衰减。1 9 4 1 年，f a n o 用金属与空气界面 的表面电磁波来激励等离子波，并对其进行了解析，1 9 5 7 年，r i t c h i e 发现电子 穿过金属薄膜时产生的“能量降低 现象，第一次提出“金属等离子体 概念， 1 9 5 9 年，p o w e l l 和s w a n 用实验的方法证实了r i t c h i e 的理论。s t e m 和f a r r e l l 称 这种现象为“表面等离子共振 。1 9 8 8 年，k r e t s c h m a n n 和o t t o 用衰减全反射方 法证实了表面等离子共振现象的存在。1 9 8 2 年，n y l a n d e r 和l i e d b e r g 将表面等 离子共振技术应用于气体的检测和生物传感的研究。由于等离子波随介质的折射 率的变化较敏感，如果让被测样品( 如氢气等气体) 与发生表面等离子共振的金 属薄膜相接触，由于存在着先吸附，再吸收，最后可发生化学反应等过程，导致 薄膜的介电常数发生变化【8 】。根据这一原理，人们研究了各种的s p r 传感器。 表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 技术由瑞典科学家 l i e d b e r g 等于8 0 年代首次运用于i g g 抗体与其抗原相互反应的测定i 引。随后， 该技术被引入生物传感器领域并迅速渗透到基础生命科学研究中。基于s p r 技 术的光学生物传感器具有其它相互作用技术所无法比拟的优点，如不需对分子进 行标记、能实时检测生物分子结合反应的全过程等，其发展非常迅速，己经成为 一种成熟的检测生物分子间相互作用的方法。特别是在1 9 9 0 年，瑞典的b i a c o r e a b 公司开发出世界上第一台商业化的s p r 生物传感器b i a c o r e t m 之后，s p r 生 物传感器的研究全面展开并不断深入，其应用范围不断扩大。近几年，s p r 技术 广泛应用于从蛋白、脂类n 4 , 分子、噬菌体、病毒颗粒、细胞等各种生物体系。 商业化的s p r 生物传感器己经从根本上改变了生物分子识别科学，成为生命科 第一章绪论 学和制药研究上的标准工具【1 0 1 。 1 4 本课题的主要内容和意义 本课题根据表面等离子共振的技术原理，设计一套基于采用s p r 生物传感 器的小型微创血糖检测系统，该系统利用真空抽取皮肤下的组织间液，经s p r 生物传感器测量后，对数据进行分析处理，根据血糖浓度值与s p r 响应值之间 的数学关系，采用一系列相应的算法计算出血糖浓度值，从而为糖尿病患者及时 提供血糖信息以便采取相应措施，保持身体的正常机能。全文的主要内容分为如 下几个部分： 绪论部分主要介绍血糖检测研究的发展与现状、各类血糖检测方法的优缺 点，介绍了糖尿病的发病机理和特征，同时对表面等离子共振技术的研究发展做 了简单的介绍，最后提出了本文的主要内容和研究意义。 第二章着重介绍了本文所开发的微创血糖仪所采用的检测原理表面等 离子共振技术，对其产生的物理原理、产生的条件方法以及检测方法进行了详细 的说明。 第三章主要对微创血糖仪的硬件部分进行了详细的介绍，对主从机内部各个 主要功能模块和器件分别做出了介绍说明。 第四章详细介绍了设计过程中的软件开发，对系统采用的操作系统及其本地 移植简单进行了介绍，对于各个功能模块的程序设计也做出了相应的分析。 第五部分主要介绍了使用微创血糖检测系统测量葡萄糖溶液和人体组织液 浓度的实验，并对s p r 数据的预处理和蛋白绑定与否对测量结果的影响进行了 分析。 第六章进行了课题的总结和展望。 4 第二章表面等离子共振的原理与检测 第二章表面等离子共振的原理与检测 2 1 表面等离子共振的原理 2 1 1 表面等离子体波 根据d r u d e 的金属自由电子气模型，金属中的自由电子和理想气体分子一 样，符合波耳兹曼分布律，若电子群在某一时刻偏移了其平衡位置x 。，产生了a x 的位移量，那么电子群将会产生指向平衡位置的恢复力，当回到平衡位置的时候， 电子群的动能最大，势能最小，则其通过平衡位置之后继续运动，动能转化 为势能。如此反复持续运动就产生了电子集体振荡。而位于金属表面的自由电子 振荡，其横向( 垂直于表面) 振荡受到了表面的阻碍，表现为局限于表面的等离 子体振荡( s u r f a c ep l a s m o n ) ，这种振荡被局限在垂直于金属表面的方向上，并 产生了沿金属表面方向的传播的电磁波，这种电磁波就被称之为表面等离子体波 ( su r f a c ep i a s m o nw a v e ) 。 如图2 1 所示为表面等离子波沿金属表面的传播分布，波沿x 方向和z 方向 传播，并都呈指数衰减。 z j f 图2 1 金属与介质表面的表面等离子波 表面等离子波可以用式( 2 1 ) 来表示： e = 霹* e x p + i ( k x x k z z - - ( o f ) 】， ( 2 1 ) 根据m a x w e l l 方程，设金属层为介质l ，普通介质层为介质2 ，则在金属 和界面处的s p w 的色散方程满足： 现：鱼+ 堕：0 ( 2 2 ) 。 蜀岛 o 第二章表面等离子共振的原理与检测 式( 2 - 2 ) 表明，由于波矢均为正值，故表面等离子波只能存在于介电常数 符号相反的两种介质表面。 在金属和介质中，波矢都满足条件： 砰：岛( 竺) 2 ( - 1 ，2 ) ( 2 3 ) 并且 砰= + 砭 ( i = l ，2 ) ( 2 4 ) 由于通过不同介质的界面时，电矢量的平行分量是连续的，故可以导出s p w 的色散方程的另一个表达方式： t ：c o ( ) ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中，金属的介电常数蜀是复数，故实际的t 是由实部和虚部组成，若 设金属的介电常数为蜀= 蜀+ 嵋。，并且一般的，有l 吖i 毛。，式( 2 - 5 ) 的实部和 虚部分别为： r e ( 吒) ：竺( 粤尹 ( 2 6 ) c 蜀+ 岛 h c 驴詈舞声南 协7 ， c + 岛2 ( 晶。) 2 根据金属中电磁波的传播规律可知，实部决定了s p w 波的振动频率，虚部 则代表了衰减因子，s p w 在金属表面传播的时候，其振幅呈指数规律 e x p 2 i m ( k 。) x 衰减。故可以用k x 虚部来表征其s p w 在x 方向上的衰减长度： t 2 网1 ( 2 - 8 ) 其表现为振幅衰减为原来强度的时候的传播长度。 根据式( 2 1 ) 可知，在z 方向的传播深度应该为： 南 q 。9 ) s p w 在z 方向的传播深度是一个很重要的参数，它对s p r 现象的产生有着 重要的影响。 2 1 2 光激发表面等离子波耦合理论 根据2 1 1 讨论的内容可知，当光波在一定条件下入射到金属与介质的表面 时，金属表面的电子平衡状态被打破，就在金属与介质表面产生了表面等离子波 ( s p w ) 。表面等离子波具有p 波特性，因为，波在金属表面仅有平行于金属界 6 第二章表面等离子共振的原理与检测 面方向的分量。但是这并不是说，任何具有p 偏振特性的入射光波都能与表面等 离子波发生耦合。根据s p w 表达式( 2 6 ) 可知，只有当入射光的x 方向的波矢 满足式( 2 1 0 ) 条件时，才能引发表面等离子波的耦合。 ：r e ( k x ) ：竺( 生) 吉 ( 2 1 0 ) c 蜀+ 岛 若空气中一束p 偏振光以口角度入射到金属表面，则其x 方向的波矢可以表 述为式( 2 1 1 ) k ：一t os 1 n 岛 1 ， s p w 的x 方向波矢有： r e ( k x ) ：一c o ( 粤生) b 竺 ( 2 1 2 ) c s i + s 2 c 所以光从空气中或者真空中直接入射，将不能够发生耦合。若引入其他介质， 使得入射光的x 方向波矢增大，即： k ：一t o s m 一t o ( 2 1 3 ) fc 满足耦合条件，将发生表面等离子共振( s p r ) 。 从波矢的色散曲线图2 2 上可以直观地看出如何引入其他介质来增大入射光 波矢，以满足共振条件的。在图2 2 中，我们可以看到，s p w 的色散曲线与空 气或者真空中的光波色散曲线不存在交点，如图所示，斜率为c s i n 护以及斜率 为c 的两条直线为空气或者真空中的光波色散曲线。另外两条直线表示在某介质 折射率为n ，时的色散曲线，此时该色散曲线与s p w 色散曲线存在交点，即在该 范围内的波矢能够满足x 方向和s p w 波矢相当，发生耦合，产生s p r 。 图2 - 2 表面等离子波色散曲线与入射光波矢色散曲线图 7 第二章表面等离子共振的原理与检测 为了产生s p r ，常用的方法就是通过折射率较大的介质来增加到达界面的入 射光子的能量，从而使其与s p w 的色散曲线相交，这种方法称为衰减全反射法 ( a t t e n u a t et o t a lr e f l e c t i o n ，a t r ) 。o t t o 和k r e t s c h m a n n 首先采用了棱镜耦合 的a t r 方法产生了s p r 。 如图2 3 ，o t t o 型s p r 模型在金属薄膜和介质( 棱镜) 界面之间留有空隙， 将被测物质放在此空隙中，增加了另一个界面，入射光从棱镜中入射，在第一个 界面上发生全反射，由于两个界面之间距离很小，倏逝波穿透进入第二个界面( 被 测物质和金属薄膜的界面) ，这时倏逝波的k 比在空气中要大，有可能满足波矢 匹配条件，激发产生s p r ，从而造成反射光强急剧减小。但是，这种方法需要在 棱镜与金属薄膜间留有空隙，制作比较困难，实际使用中较少。被广泛应用的是 另一种棱镜耦合方式：k r e t s c h m a n n 方式【l1 1 。 二 图2 - 3o t t o 棱镜式s p r 结构 k r e t s c h m a n n 棱镜方式与o t t o 棱镜方式不同，金属薄膜直接镀在棱镜上，被 测物质只与金属薄膜接触，如图2 4 ，这种结构相对于o t t o 结构来说，制作简单， 因此受到了广泛应用。 ；一 d 【一 图2 4k r e t c h s m a n n 棱镜式s p r 结构 在k r e t s c h m a n n 棱镜方式中，入射光从棱镜中射到棱镜与金属薄膜分界面上， 第二章表面等离子共振的原理与检测 发生全反射，由于金属薄膜厚度只有几十纳米，倏逝波能够穿透金属薄膜，在满 足一定条件下激发产生s p w ，反射光能量减小，在棱镜的出射端由光电探测器 件检测光强。金属薄膜表面的被测物质会对s p w 产生影响，通过探测入射光与 出射光的变化，可以检测被测物质的信息，达到测量的目的。 2 2s p r 的激发与检测方式 2 2 1s p r 的激发方式 现有s p r 传感器有几种不同的类型，从激发s p w 耦合的方式上来分，主要 有棱镜型、波导型和光纤型。 1 棱镜型 使用棱镜作为耦合器件，基本都是采用o t t o 型和k r e t s c h m a n n 型结构。在 o t t o 型中，在棱镜底面与金属膜之间有一适当的间隙，用于放置待测定物质于此 间隙中。在待测物和金属膜界面激发s p r 现象。此结构在制作和使用上都有一 定难度，所以在实际中使用较少。k r e t s c h m a n n 型是将几十纳米厚的金属薄膜直 接覆盖在棱镜的底部，待测定物质在金属薄膜下，这种结构在目前的产品化的表 面等离子体子共振仪器中被广泛采用。 2 光纤型 在纤芯表面镀上一层金属膜，光纤就可以作为s p r 测量的敏感器件。有两 种形式的光纤表面等离子体传感装置。一种是终端反射式，另一种是在线传输式。 在线传输式光纤s p r 传感装置是将光纤中间一段的外层剥去，在纤芯上沉 积一层金属膜。终端反射式光纤传感装置是在光纤的一端沉积一层厚度约3 0 0 n m 的金属膜，作微反射镜。将此端一段长5 m m 左右的光纤包层剥去，并在纤芯上 沉积5 0 n m 左右的一层金属膜。光纤表面等离子体传感器在化学、生物学、环境 科学以及医学领域的文献报道逐年增多。目前见于探测气体物质浓度的研究中。 3 波导型 集成光波导结构是激发s p r 的新技术。在介质层上镀上金属薄膜，当满足 波矢匹配的条件时，在介质与金属的界面就可以激发出表面等离子波。 2 2 2s p r 的检测方式 s p r 传感器从调制方式以及检测信号的方式上划分，有强度调制型、波长调 制型、角度调制型以及相位调制型四种类型。 1 角度调制型 9 第二章表面等离子共振的原理与检测 选择一个特定的入射光波长，被测物质为某一折射率时，扫描入射角，只有 达到某个角度时，表面等离子体波矢与入射光波矢匹配，产生s p r 现象，全反 射光强达到最小，此时的入射角称为共振角0 ，改变被测物质的折射率，再一次 扫描入射角，找到与此折射率对应的共振角0 。 角度测量型s p r 传感器中，要求光的单色性要好，通常采用h e - n e 激光器 或者发光二极管，h e - n e 激光器是一种理想的单色光源，发光波长6 3 2 8 n m ，发 光强度高；发光二极管的波长为9 6 0 n m ，价格便宜、体积小、单色性好，使用寿 命长。不过，由于这种方式要求对角度进行扫描，机械装置等可动部件较大，造 成仪器整体庞大。 2 波长调制型 与角度测量型不同，在波长测量型中，固定的是入射光的入射角鼠，改变的 是入射光波长五。选择一个特定的入射角度，被测物质为某一折射率时，改变不 同入射波长，只有在特定波长处，表面等离子体波矢与入射光波矢匹配，才会产 生s p r 现象，全反射光强达到最小，此时的入射波长称为共振波长。改变被测 物质的折射率，再一次扫描入射波长，找到与此折射率对应的共振波长，最终建 立共振波长与被测物质折射率的对应关系。 波长测量型s p r 传感器中，光源需要能够发出各个波长的光，并且强度稳 定，完全理想的这种强度大、稳定性好的连续光源很难找到。在各种连续光源中， 卤素灯具有较为接近的条件，在可见光区域，卤素灯能够发射各种波长的光，并 且光强强度大，但是由于其原理结构，电流直接流入灯丝中，因此卤素灯的稳定 性受电压波动影响较大，必须采用稳压器作为其电源，保证发射光强的稳定性。 在探测反射光强时，需要将不同波长的光强分开，因此需要分光光谱仪进行分光， 如图2 5 ，常用的有棱镜和光栅两类，棱镜分光原理是根据玻璃对不同波长光的 色散率不同而分光的，如图2 - 5 ( a ) ；光栅分光原理是光的衍射，当复色光照射光 栅时，不同波长的同一级亮线，除零级外，均不重合，如图2 - 5 ( b ) 。 ( a ) 缘 苴 ( b ) 图2 5 棱镜和光栅的分光原理 l o 第二章表面等离子共振的原理与检测 3 强度调制型 入射角口固定、入射波长允固定，测量折射率变化引起的共振光强的变化， 建立反射光强与折射率之间的关系。强度调制检测方法简单，检测装置成本低廉， 但是系统的稳定性差，不能区别所检测的光强信号变化是否只是由折射率变化引 起，因此检测误差较大，检测系统的抗干扰性不好且检测灵敏度低，理想情况强 度调制的灵敏度仅达1 x1 0 - sr i u 。 4 相位调制型 先寻找被测样品的折射率一定时的表面等离子共振点时的扫描入射角o ，根 据此时反射光强和相位变化原理，测量共振相位，当被测样品的折射率变化时重 复测量，根据所建立共振相位和折射率之间关系，得到被测样品的折射率大小。 相位调制是一种很有潜力的检测方法，它的信噪比好，检测灵敏度高，缺点是系 统的检测装置复杂，难以实现表面等离子共振传感器的便携化。 除了相位调制尚处于起步阶段外，角度调制、波长调制和强度调制技术已经 比较成熟，在表面等离子共振s p r 传感器以及基于此原理设计的监测分析系统 中得到广泛应用。角度调制由于检测精度高、原理简单等优点，成为现今最流行 的一种s p r 检测技术。目前很多大公司如b i a c o r e 推出的商业化仪器，用的也 是该方法。但角度调制往往需要一套高精度的角度调制装置，难于实现仪器便携 化，不方便用于现场在线监测。许多学者一直致力于研究新型的基于表面等离子 共振原理的调制检测技术，使之能够满足精度需求、可以应用于实时监测和可移 动的在线分析中，并最大程度的降低传感器的设计成本。现在，己有一些研究人 员提出基于角度调制和波长调制的拓展结构，在某些特定的场合得到了应用。 2 3 影响s p r 光谱的因素 s p r 共振信号既可以通过改变入射光角度的方式来得到，也可以通过改变入 射波长的方式得到。在角度测量方式中，s p r 共振峰与选用玻璃、金属薄膜等材 料的性质相关，也与所选用的波长相关。波长测量方式中，光波波长短的方向， 灵敏度较低，光波波长长的方向，灵敏度较高，且随着波长的增加而急剧增大。 研究s p r 共振光谱的性质，主要有三个特征参数：共振角( 或共振波长) 、共 振峰半宽度、共振深度。共振峰半宽度是指共振峰高度降到一半时的波宽，共振 深度是指共振峰的高度【1 2 1 4 1 ，如图2 - 6 所示。 共振深度反映了全反射时反射光能量损失的大小。s p r 共振光谱的三个特征 参数与构成s p r 结构中金属薄膜、被测物质的性质密切相关，金属薄膜表面为 空气或真空时，金属薄膜的厚度d 、折射率n 和吸收系数k 是决定s p r 光谱的主 第二章表面等离子共振的原理与检测 要因素；金属薄膜表面存在介质( 即被测物质) 时，影响s p r 光谱的既有金属 薄膜的厚度d 、折射率n 、吸收系数k ，还有介质的h 、n 、k ，如果介质膜层越多， 则影响参数越多。 t j 膏 芸量 饵 t j 2 一 o 入i l 囊c 。 图2 - 6s p r 共振曲线的特征参数 2 4s p r 技术在生物检测领域的应用 生物分子的特性由溶液状态下过分子间的相互作用来体现，常规的生物检测 方法有同位素标记法、荧光标记法、酶标记法等，这些方法都需要对生物分子进 行某种标记，操作复杂、耗时长、步骤繁琐，而且标记物有可能与所研究的分子 相互作用，影响检测结果。 将生物学识别机制与s p r 技术相结合，通过s p r 共振角的检测，可以把生 物信号转化为光信号，进而转化为电信号进行检测。在生物检测中应用s p r 技 术可以研究生物分子的实时相互作用，能够检测特异性结合的生物物质的浓度， 可以原位无损地对生物分子之间的相互作用的进行实时动态过程监测。综合目前 国内外使用s p r 技术进行生物分析的内容来看，s p r 检测能够获得生物分子特 异性( 体现参加生物分子相互作用的种类) 、生物样品浓度、分子亲和性( 体现 生物分子相互作用的程度) 、动力学( 包括生物分子相互作用的结合速率、解离 常数和结合常数等) 、协同作用、相对结合模式等特征。 1 2 第三章系统硬件设计 3 1 系统整体设计 第三章系统硬件设计 本文所设计的微创血糖检测装置的主要功能是利用真空产生负压抽取前臂 皮肤下的组织间液，在由泵、步迸电机、阀等部分构成的进样系统的控制下，使 组织间液通过管路流过s p r 生物传感器测量样池，以测量组织间液的葡萄糖浓 度，然后s p r 测量数据通过相应算法处理后得到组织间液的葡萄糖浓度，显示 在l c d 上，整个过程患者可以通过键盘和显示屏对系统进行设置和操作。为了 使整个装置可佩戴在前臂处，且便携方便家庭使用，整个装置的体积设计得要尽 量小，因此系统分为腕带部分、主机部分。各部分的主要功能如下： 1 腕带部分，实现对组织液的定量抽取、测量、人机接口等功能。 2 主机部分，实现对整机操作程序、进样系统的控制、数据计算处理、数 据存储等。 其中腕带部分主要由s p r 生物传感器、单片机、键盘、l c d 显示器、步进 电机、阀等部分组成；主机部分主要由a r m 、真空泵、电机驱动、实时时钟芯 片、e 2 p r o m 、气体压力传感器、电源等组成。图3 1 和图3 2 分别为腕带部分 和主机部分的系统框图。 接真空泵 图3 - 1 腕带部分总体结构 第三章系统硬件设计 图3 2 主机部分总体结构 腕带部分的单片机担任从机角色，主要负责s p r 数据采集和人机接口；主 机部分的则控制进样系统模块、实时时钟、数据存储、电源模块。下面就分别进 行介绍。 3 2 从机模块 3 2 1 腕带微控制器 s p r 生物传感器的测量数据的采集是腕带微控制器的主要工作之一，由于 s p r 传感器的测量数据的输出频率最低为2 5 k h z ，同时考虑到腕带体积最小化和 功耗，必须选用片内集成a d 转换器的微控制器，所以这就对其a d 的采样率 提出了很高的要求。而m s p 4 3 0 系列和a d u c 8 x x 系列的a d 采样率过低或是分 辨率不足，不能满足系统的要求，所以最后选用了s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司的一 款高集成度混合信号单片机c 8 0 5 1 f 0 6 0 ，其主要具有以下几个特点 1 5 - 1 6 】： ( 1 ) c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机内核流水线结构，工作在最大系统时钟频率2 5 m h z 时，其峰值性能可达2 5 m i p s ，比普通的5 1 单片机快1 0 倍；其指令与标准 系列5 1 单片机兼容，因而掌握开发过程非常容易；该芯片的j t a g 调试方 式支持在系统、全速、非插入调试和编程，且不占用片内资源。 ( 2 ) 其片内集成的两个1 6 位逐次逼近型a d c ，最高采样速度可达1 m s p s 。 完全满足s p r 生物传感器对a d 采样率的要求，同时，c 8 0 5 1 f 0 6 0 还集成 有d m a 控制器，可以将a d 转换后的数据直接存储到内部或外部r a m 。 ( 3 ) c 8 0 5 1 f 0 6 0 片上还集成有6 4 k bf l a s h 、4 k 内部r a m ( 2 5 6 + 4 k b ，可外 扩至6 4 k b ) 、5 9 个i o 口、内电源监视和看门狗等功能。其内部资源丰富。 最独特的是引入了数字交叉开关，利用交叉开关可以对单片机管脚进行 1 4 第三章系统硬件设计 灵活配置。 1 c i p 5 l 微控制器核 c 8 0 5 1 f 0 6 0 采用s i l i c o nl a b 的专利c i p 一5 1 微控制器内核。c i p 5 l 与m c s 5 1 指 令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编译器进行软件开发。c i p 5 1 内核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括5 个定时器、两个全双工u a r t 、2 5 6 字 节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄存器( s f r ) 地址空间及5 9 个i o 端口。c i p 5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大的提高。在标准 8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有指令都需要1 2 或2 4 个系统时钟周期，最大系统时 钟频率1 2 2 4 m h z 。而对于c i p 5 1 内核，7 0 的指令的执行时间为1 或2 个系统时钟 周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周期【1 7 】。 2 带d m a 接口的1 6 位a d c c 8 0 5 1 f 0 6 0 有两个片内1 6 位s a r a d c ( a d c 0 和a d c l ) ，可以分别工作在单 端方式或组合工作在差分方式。当a d c t 作在1 m s p s 的最