髓过氧化物酶便携式检测系统的硬件设计与研究*

莫利明 虞 成 杨 攀 王清波 马 霄

髓过氧化物酶(myeloperoxidase，MPO)是人体一种重要的含铁溶酶体。目前研究发现，MPO与动脉粥样硬化斑块的稳定性有相当密切的关系，血液中MPO的增高与动脉粥样硬化斑块由稳定转为不稳定相关[1-3]。动脉粥样硬化斑块的破裂是多数急性冠状动脉综合症(acute coronary syndrome，ACS)的病理基础[4]。因此，及时对人体血液中的MPO进行检测，对于有效预防ACS具有十分重要的意义[5-8]。

1 髓过氧化物酶便携式检测系统

目前，国内外尚未见便携式MPO髓过氧化物酶检测设备的报道。本系统设计是基于电化学理论，通过对于MPO生物传感器的研发，采用循环伏安法(cyclic voltammetry，CV)等多种特异电压下可获得的MPO浓度相关的机制，开发出MPO便携式检测系统[9-10]。实验研究表明，本系统具有便携式检测MPO的能力，可作为电化学原理检测的便携式检测的平台，具有广泛的应用价值。

1.1 MPO便携式检测系统设计

MPO的检测系统的设计，采用16位微处理器作为系统控制模块，检测前端采用三电极电化学体系实现，通过特定的三电极电路、差分放大电路、程控放大电路、抬压电路等构成微弱信号放大检测，达到满足MPO生物传感器电化学呈高阻抗特征的要求，MPO的浓度特性是通过特异电压下不同的电流进行表征响应而体现反映。由于电化学机制的特殊性，需要通过软件的计算方法处理得到最终被测浓度的相关数据。

1.2 MPO便携式检测系统硬件系统的实现

本系统采用TI公司的16位MCU微处理器控制作为核心控制芯片，DA模块选择TI公司16位电压输出型数模转换器DAC8831，使用AD8571芯片完成微信号采集，LCD显示模块为12864G-189F液晶模块，硬件系统结构如图1所示。

1.3 MPO便携式检测系统硬件系统的工作原理

图1 MPO便携式检测系统硬件系统结构框图

在系统软件的控制下由微处理器控制器根据测试要求发送一组输出电压数据给DA模块，DAC8831数模根据MCU微处理器传出的电压数据，精确输出一组输出特定电压施加至MPO生物传感器的工作电极，经被测MPO浓度影响生物传感器获得其特定表征的响应(MPO生物传感器测试技术另有论文专著)，差分放大电路从MPO生物传感器的工作电极获得一组含有被测MPO浓度响应特征的微电流信号，经过差分放大、程控增益控制完成对微信号的放大，经过电平处理最终将信号输入MCU微处理器A/D输入端口，完成检测数据的采集工作，软件程序将信号进行采样存储，并通过相应算法进行处理和计算，并将最终的结果显示在液晶屏上，实现计算MPO浓度的目标。

2 MPO生物传感器的检测原理及检测三电极系统结构

MPO生物传感器的设计采用双纳米材料技术对丝网印刷电极的层层修饰和优化，将髓过氧化物酶抗体固载到电极表面，从而获得一种新型的对于MPO特定敏感的生物传感器电极，方法是在丝网印刷电极(SPE)上层层修饰上多壁碳纳米管(MWNTs)与纳米金(Nano-Au)，利用纳米金固载髓过氧化物酶抗体(anti-MPO)后用BSA封闭纳米金上非特异位点，构建了一种用于MPO检测的新型电流型免疫传感器，然后采用CV等多种方法对修饰过程进行表征检测获得MPO的相关浓度信息数据[11-14]。

MPO生物传感器的检测原理是基于电化学分析中的三电极体系而设计开发。三电极体系优于传统的两电极体系。电极结构包括工作电极(WE)、参比电极(RE)和对电极(CE)。参比电极用来定点位零点，电流流经工作电极和对电极工作电极和参比电极构成一个不通或基本少通电的体系，利用参比电极电位的稳定性测量工作电极的电极电势。工作电极和辅助电极构成一个通电的体系，用来测量工作电极通过的电流。利用三电极测量体系研究工作电极的点位和电流的关系。本系统采用AD8571芯片完成三电极测量功能，其输入偏执电流为20～70 pA，输入偏执电压为1 μV，共模抑制比达到120～140 dB，可满足本设计对于I/V转换输入级的性能要求。设计跨接电容用于滤除环境中的50 Hz干扰。

3 可编程数字模拟转换器(DAC)电压源控制电路

可编程电压源控制模块主要用于电流型免疫传感器检测，当进行CV等多种方式检测时需要提供可编程控制电压源。本设计采用TI公司的16位电压输出型数模转换器DAC8831，具有转换速度快、超低功耗(最低15 μW)、高精度(DAC8831ICD最大线性误差≤±1 LSB)、a.jpg低输出噪声、高速SPI接口(最高可达50 MHz)、上电自动校零等优势，为了使数模转换芯片的输出更加稳定，对DAC8831芯片的基准源选用低温溧、高精度和高稳定性，通用基准源芯片TL431，温漂系数基本可达到20～30 ppm/℃。

4 信号放大电路设计

由于所检测到的是微电流信号，需经过一定的放大后才适合A/D采集，本设计采用的放大电路是由差分放大电路、程控放大电路、后级滤波及放大电路组成。

差分放大电路必须设计有足够高的共模抑制比和稳定的放大性能，本系统采用opa2277芯片可以有效地保证电路稳定工作，达到完成前置信号放大的设计要求。

本设计为了适应多种检测对象的需要，采用了可变放大倍数的电路以利于系统功能的扩展。选用BURR-BROWN公司的PGA202芯片，其内部集成了程控的增益改变逻辑电路，放大倍数稳定精确，为后续的数据处理提供了方便。程控放大电路设计的放大倍数根据系统特性进行选择，最终信号放大至2 V左右，可满足A/D采样要求。

5 微处理器控制部分

本系统微处理器控制部分采用TI公司16位控制处理器MSP430F449芯片，这是一种中低端的单片机，具有2 K字节的RAM，60 K字节的FLASH，48个I/O口，3个16位定时器，1个“看门狗”定时器，2个串行通讯口，1个集成LCD驱动模块，1个模/数转换模块(ADC12)，1个16位的硬件乘法器，运用非常灵活，同时具备功耗低、存储容量大、集成度高及在线支持性强等特点，具有极高性价比。MSP430F449在本系统完成整个软件程序的运行、D/A控制、放大控制、A/D转换、数据处理以及LCD显示模块驱动等工作。

6 系统软件程序流程

本系统研制的MPO便携检测系统通过IAR System集成开发环境进行软件设计，编程通过C语言实现，其核心程序的流程图如图2所示。

图2 MPO便携式检测系统程序流程图

系统上电后程序先关闭“看门狗”，对定时器、模数转换模块、液晶屏以及微处理器各个管脚进行初始化定义，随后等待按键信号。启动测量，即按下按键后，程序通过改变微处理器MSP430F449一系列管脚的电平输出来驱动数模转换芯片DAC8831，使其依照不同的检测模式循环输出特定电压，用于三电极系统的电化学反应。通过定时器中断程序来调用微处理器自带的模数转换功能，对硬件电路最终输出信号进行采样并储存于寄存器中。在完成预先设定的电压输出循环次数后依照不同的检测模式，采用不同的算法对模数采集的数据进行处理和计算，最终得到被检测液体中MPO的浓度结果。根据浓度结果调用液晶程序查表得到每位数字的点阵数据，并将最终结果显示于液晶屏幕上。经过这样的软件处理流程完成MPO浓度数据的计算和显示。

数字模拟转换器(DAC)控制程序如下：

7 实验结果

(1)标准液测试。利用CV对传感器响应电流及所制得的纳米物质进行表征，测试采用经典三电极体系，即MPO抗体修饰的SPE为工作电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，导电银轨(碳浆附着)为对电极，在含5 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-和0.1 mol/L KCl的0.1 mol/LPBS溶液(pH=7.0)缓冲液中进行循环伏安扫描(电压范围：-0.2～0.8 V；扫描速度：50 mV/s)，所有的测试缓冲液温度均在30 ℃下进行。该缓冲液提供一个标准环境，用于观察电流变化。

(2)参照。由于需要校准抬压及输出电压/输入电阻比例，使用10 K精密电阻(0.1%)进行校准。将扫描电压通过10 K电阻连接到工作电极(如图3所示)。

图3 实验装置测试结果曲线

8 结论

本研究课题采用双纳米材料技术、生物传感器技术、电化学检测技术以及微处理机技术，研制了一种新型的一次性MPO免疫传感器及便携式电化学检测装置。该装置为使用者提供了一个人体血液MPO检测设备和电化学检测平台，具有特异性好、便携式等特点。经样机测试试验，该便携式硬件检测系统达到预期的设计技术要求。目前，该装置在生物传感器纸片制作工艺方面有待进一步改进，以提高其测试数据的重现性、稳定性以及抗干扰的性能，使该装置的检测数据更加符合临床检测要求。

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