内容摘要：为了快速、定量检测肉类食品中瘦肉精含量，采用了一种先进的激光诱导荧光技术进行检测。首先将稀释好的样品滴加在用免疫层析技术制作的试纸卡上，然后使用638 nm波长的半导体激光器照射试纸卡，激发出的荧光通过光敏二极管接收，通过采集荧光强度来实现瘦肉精含量的检测。通过实验验证，该检测系统能够快速、定量、精确的检测瘦肉精的含量，检测时间为6 s，测量量程为0.0～0.3 ppb，检测灵敏度为0.01 ppb。
关键词：瘦肉精;激光诱导荧光技术;免疫层析技术;半导体激光器;光敏二极管
引言
本设计在传统的免疫法基础上进行改良，采用了激光诱导荧光技术和荧光免疫分析法，实现了对瘦肉精的快速、定量、精确检测，具有高分辨率、快速响应、高灵敏度、抗干扰能力强等优点。
1 检测系统的工作原理与组成
1.1 光学检测原理
本设计选用的半导体激光器的光功率最大是5 mW，最大工作电流是40 mA，正常工作电流35 mA，正常工作电压是2.2 V，最大反向工作电压是2 V，波长范围是630～640 nm，中心波长为638 nm。激发出来的荧光波长为680 nm，所选用的光敏二极管S5106能够感应的波长范围是320～1 100 nm，接收灵敏度最高的是960 nm的光，接收荧光的灵敏度约为0.45。
半导体激光器打出的638 nm波长的激光通过二向色镜反射，反射的激光再通过透镜1聚焦到检测试纸卡上，这样激光能量能够最大化地聚集到试纸卡上，此时能最大激发出荧光;激发出来的680 nm的荧光通过二向色镜透射，荧光照射到滤光片上，滤光片透过的光波长为660～700 nm，这样不在这个波长范围的杂散光就能被滤除掉;荧光再通过透镜2聚焦到光阑上面的光孔，光阑也能挡住一部分杂散光，聚焦的荧光能够最大化地聚集到光敏二极管的接收面上，这样设计的光路不仅能够很好地滤除杂散光，而且还能最大化地聚集激光能量和最大化地激发荧光，激发的荧光也能够最大化地聚集到光敏二极管上，这样能最有效地抑制噪声、最有效地激发荧光和接收荧光，有利于荧光信号的采集和测量的精度提高。
光路检测图如图1所示。
1.2 试纸卡制作原理
免疫层析技术是建立在层析技术和抗原-抗体特异性免疫反应基础上的一项新兴免疫检测技术。免疫层析技术以固定有检测线T和控制线C的条状纤维层析材料为固定相，测试液为流动相，通过毛细作用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应，游离物在C线处发生免疫反应。
常用免疫层析荧光法包括竞争法和夹心法，本设计检测法采用竞争法，竞争法主要用于测量小分子抗原，如克伦特罗、莱克多巴胺等。竞争法试纸卡制作示意图如图2所示。
待测样本中的抗原浓度越高，则荧光素标记的抗原与单克隆抗体形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线上捕获的荧光素标记兔抗信号值则相对固定。通过激光对检测卡进行扫描，根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 系统硬件设计
系统硬件主要由控制器、电源、激光器驱动与保护、步进电机驱动、信号处理及采集、按键与显示屏等组成。控制器采用基于ARM Cort ex—M4核的STM32F407VGT6，主频频率为168 MHz。主要硬件框图如图3所示。半导体激光器的驱动采用恒流驱动，驱动电流值由控制器设定，激光诱导的荧光束通过光敏二极管接收后转换成电流值，电流值转换成电压后经过放大和滤波送到A/D芯片采集，采集后转换成浓度值在显示屏上显示，实现定量检测。试纸卡通过步进电机驱动做直线运动，实现整个试纸卡的扫描采样。下面主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主要由电流源组成。激光器对电流冲击的承受能力较差，电流微小的变化将引起光输出的变化，这些变化有可能影响激光器的使用寿命，因此在实际应用中对驱动电流源的性能和安全保护有很高的要求。为了能够很好地观察荧光信号的强弱变化，设计激光器的电流源连续可调节，改变驱动电流大小，同时改变激光器的光功率。该电路的原理图如图4所示，电流源供电通过LDO给其供电，减小电源噪声，使激光器工作在稳定可靠条件下。
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，精密电阻R1、R2、R4、R7和i极管Q1组成。原理如下，根据虚断的概念可得：
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和精密电阻R5、R6相关，驱动电流通过调节输入电压大小实现连续可调。
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值的大小决定了光敏二极管的响应速度。光敏二极管在反向偏置电压作用下工作，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。由于结电容的存在，该结电容延迟了信号的响应，在输出信号端会产生震荡，在取样电阻R2上需并联一个合适容值的电容C4用来对电路进行补偿，消除信号的震荡。
当激光照射在试纸卡上时，激发出来的荧光反射到S5106上形成光电流，通过电阻R2实现I/V转换，将电流转换成电压值。由于荧光信号非常微弱，产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，一般需要选取偏置电流极小的运算放大器，可选取pA级别的。其中I/V转换原理图如图5所示。
1.4 系统软件设计
1.4.1 系统软件总流程
系统软件设计采用C语言开发，主程序结构如图6所示。仪器上电后，进行系统初始化，读取外部EEPROM的保存参数，接着系统开始自检，液晶屏显示“系统自检中”。自检内容包括电源自检、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。自检不通过，则报警，液晶屏显示相应的报警码，否则进入主菜单界面。在主菜单页面中，在“测试”页面中按下ENTER键进入测试流程，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“时间与日期”页面中按下ENTER键进入设置时间与日期流程。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键查看仪器的基本信息。
1.4.2 寻峰算法
(1)寻峰要求
