便携式植物葡萄糖监测装置的开发

　　摘 要: 为实现对植物葡萄糖的现场、活体、实时监测，设计了一种基于 STM32F103ZET6 单片机的便携式 植物葡萄糖监测装置。以实验室自行开发的针式葡萄糖传感器为基础，采用电化学法进行葡萄糖浓度的 监测。硬件部分完成了各功能模块设计，并提供了恒电位电路的设计方案，以及给出了外围电路电子元器 件选型。软件部分主程序控制仪器对植物进行监测，将监测数据图形化显示在 LCD 上，子程序负责数据 的保存、拷贝以及历史回溯等特定功能。测量结果与电化学工作站进行对比，两组数据线性相关度较高， 表明该监测装置的测试结果准确。

　　关键词: 植物; 葡萄糖; 活体; 实时; 单片机

　　引 言

　　通过研究不同阶段植物相应器官、组织中葡萄糖的含 量可以获取植物的生理状态以及相关生长信息，以便为植 物栽培管理提供理论依据[1，2]。传统的葡萄糖检测方法有 气相色谱法[3]、液相色谱法[4]、近红外光谱法[5]、荧光光谱 法等，需要的仪器设备昂贵且体积大、分析时间长、操作繁 琐。而且，它们都属于离体检测方法，通常反映的是某一时 刻的静态浓度或累积效应，无法反映葡萄糖的实时动态信 息。因此，研究者们希望开发一些新的仪器设备来实现植 物葡萄糖的现场、活体、实时监测。电化学传感器[6] 具有 灵敏度高、选择性好、成本低、便携及易于集成等优点，在活体研究方面具有较大应用潜力。

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　　目前，市场上采用电化学 传感器原理的葡萄糖检测设备有电化学工作站与连续监测 人体血糖用的便携式血糖仪[7]等，电化学工作站是实验室 仪器，使用及分析都较为复杂。人体用的血糖仪虽然具有 小巧、便携、易于操作等优点，但是其检测范围只适用于人 体，无法覆盖植物中的葡萄糖浓度。并且，植物的组织液与 人体的血液环境完全不同，因此，人体用的血糖仪无法在植 物体中应用。 本文基于嵌入式技术和本实验室自制的针式葡萄糖传 感器设计基于 STM32F103ZET6 [8] 的便携式植物葡萄糖监 测装置实现对植物中葡萄糖含量的现场、活体、实时监测。

　　1 总体设计

　　1. 1 葡萄糖检测原理

　　葡萄糖氧化酶在有氧条件下催化 β-D-葡萄糖( 葡萄糖 水溶液状态) 氧化，生成 D-葡萄糖酸-δ-内酯和过氧化氢。 过氧化氢与电极接触产生电流，该电流值与 β-D-葡萄糖的 浓度呈线性关系[9，10]，于是通过测量电流的大小可以间接 得到葡萄糖浓度。式( 1) 和式( 2) 为葡萄糖氧化以及产生 电流的化学式 葡萄糖 + O2 + H2O2 ��→GOD 葡萄糖酸内酯 + H2O2 ( 1) H2O2 + 2H + + 2e - →2H2O ( 2)

　　1. 2 系统总体工作流程

　　将针式葡萄糖电极插入待测部位，葡萄糖电极通过信 号线与恒电位仪连接，单片机发出激励信号驱动恒电位电 路工作，葡萄糖在葡萄糖氧化酶促进作用下发生反应，在传 感器电极间形成电流，电流信号经过硬件电路实现 I/V 转 换、信号放大、滤波调理之后，被模数转换模块采集到单片 机进行浓度值采样，浓度值计算等，计算完成后单片机把浓 度均值、浓度随时间变化图像等相关信息显示在 LCD 屏幕 上，同时通过按键控制是否保存测试数据至 SD 卡中。

　　2 硬件系统设计

　　2. 1 总体设计

　　分为单片机芯片、电源 模块、微电流产生模块、微电流检测模块、液晶显示模块、按 键控制模块、数据存储模块、上位机通信模块。STM32F103ZET6 微处理器为整个系统的核心部件，该 芯片主频高达 72 MHz，具有 64 kB SRAM，512 kB FLASH 以 及丰富的 I 2 C，SPI，定时器、串口等外设资源，性能稳定可 以满足仪器功能设计需求。

　　采用 32 GB SD 卡实现大量监 测数据实时保存。选择 7 寸 TFTLCD 显示屏进行图像的 显示，可以将测到的数据直观化、图形化的显示出来，方 便观察，此屏幕具有触 摸 功 能，可以更好地进行人机交 互。按键模块除了具有开关机按键以外，还设置了进入子 程序的快捷键，比如连续监测，数据回溯等。预留 USB 接 口，方便实验数据的拷贝以及后期代码修改完善。

　　2. 2 微电流产生电路

　　微电流的产生需要仪器提供一个基准电压电路发出激 励信号和一个与三电极传感器相连的恒电位电路。选用 16 位 DAC8830ID 数模转换芯片生成激励信号驱动恒电位电路工作。 恒电位电路起到维持工作电极与参比电极之间的电压 恒定的作用[11]。运算放大器 U5 后面添加缓 冲器 U6，缓冲器是一种宽高比很大的 MOS 管，可以增加输 出电路的驱动能力。同时反馈电路中加入电压跟随器 U7。

　　同时参比电极直接连入电压比较器的反向端信号会衰减， 而加跟随器隔离后，信号能不衰减地传输到运算放大器 U6。工作电极接一个电流跟随器，一方面使得产生的微电 流可测，且工作电极仍处于虚地点，另一方面实现电流电压 转换，以及一级信号放大。放大后的电压如式( 3) 所示。 工作电极相对于参比电极的电势 eref与 R1，R2，VDAC的 关系如 式 ( 4 ) 所 示。 选 择 AD626ARZ 作为电压比较器， AD8638ARZ 作为电压跟随器，BUF634 作为缓冲器，选择 OPA2277UA 作为电流跟随器以及二级放大电路的放大器。Vi = - iR3，- eref = VDAC ( R2 /R1 ) ( 3)

　　2. 3 微电流检测电路

　　1) 二级放大电路: 由于所测量的电流为 10 - 8 ～ 10 - 6 A， 需要很大的电阻才能转换为所需的信号量级但若电阻过 大，电阻器本身温度系数、电压系数和介质吸收现象会造成 实际阻值和测量阻值不同，从而造成测量误差，因此电阻的 大小是受限的。可以通过二级放大电路，以及 T 型电阻网 络来实现采用小阻值电阻实现减小漂移误差[12]，获得较大 的增益倍数的目的。

　　2) 滤波电路: 经过从电流转换为电压，以及电压二次 放大后，电路产生高频噪声，为了防止噪声对所测量信号产 生干扰，应该进行电路滤波和数字滤波，所测量信号的频率 为 50 ～ 100 Hz，因此设计不会产生自激振荡的压控电源二 阶低通滤波模块。滤波模块放大器选择 TLC4501IDR。

　　3) 模数转换电路: 转换后的电压需要先转换为数字量 才能被主控芯片识别。由于最小检测到 10 - 8 A 级电流，所 以至少选择 24 位的高精度 ADC 才能确保精度。选取单通 道 ADS1259 与 2. 5v 基准电压组成模数转换电路将检测到的电压值转换为数字量输入到主控芯片。

　　3 系统软件设计

　　软件部分设计同样进行模块化处理，包括主程序和多 个子程序，子程序通过外部按键进入，包括监测子程序、历 史记录回溯子程序、数据保存子程序、数据传输子程序等。 便携式植物葡萄糖监测装置的主程序实现的功能包 括: 按下启动按键后，处理器芯片与时钟先被唤醒，接着对 整个硬件系统进行供电以及初始化，显示开机画面，开机之 后仪器首先进入低功耗模式等待下一步操作。

　　在没有按键 按下且无执行的子程序时继续保持低功耗模式; 在没有按 键按下且正在执行某一项子程序时，执行完成子程序之后 进入低功耗模式; 在有按键按下的情况下，程序先进行判断 是否是检测按键，若按下的是检测按键，仪器开始执行葡萄 糖浓度监测子程序，通过检测监测结束键控制检测是否完 成，结束检测之后再一次检测是否有按键按下; 如果按下的 是其它按键，进入相应子程序，然后通过判断子程序执行完 成之后进入低功耗模式。 监测子程序实现的功能包括: 进入监测子程序后，首先 进行参数设置。这里，仪器支持 0. 1，1，10 s 三种采样间隔 模式。

　　DAC 产生激励信号，驱动硬件电路进行工作。经过 硬件电路信号调理后，由 ADC 将响应信号采集到单片机处 理器对信号进行处理，将电压值通过公式转换换算成葡萄糖溶液浓度，并将葡萄糖浓度值与测试时间的浓度变化曲 线在 LCD 上进行显示，同时自动保存数据。之后，检测是 否有检测暂停键按下，没有检测到按键信号继续进行监测; 检测到按键信号，则暂停监测，直到检测暂停键( 检测暂停 与继续检测由同一按键控制) 再次按下继续进行监测，由 检测结束键控制跳出检测子程序完成一次测量。

　　4 对比实验与结果分析

　　将装置测试结果与上海辰华 CH1760E 电化学工作站 进行比较。利用 pH7. 4 的磷酸盐缓冲液配制葡萄糖浓度 分别为 10，20，30，40，50，60，70，80 mmol /L 的待测溶液，将 各个浓度的待测液平均分成两个样本，在室温下，分别使用 便携式葡萄糖监测装置与电化学工作站对同一浓度两份样 本待测液进行测量。首先对浓度为 10mmol /L 的葡萄糖溶 液进行连续监测，测量时间为 720 s，每 10 s 取一个数据。 由于电化学工作站测得的数据为电流—时间数据，需要先建 立标准曲线，然后根据标准曲线将电流转换为浓度。而分 析仪内置了符合植物检测要求的标准曲线，因而可以直接 读出浓度数值。

　　5 结 论

　　本文所设计的便携式植物葡萄糖监测装置具有以下 优势: 1) 小巧便携，可以进行植物葡萄糖的现场、活体、实 时监测; 2) 灵敏度高，准确性好，成本低廉; 3) 直接读取浓 度数值，操作简单。装置经过测试，性能稳定，精度高，实 用性强，满足植物葡萄糖连续监测功能，具有较高的应用 前景。

　　参考文献:

　　[1] 金同铭. 非破坏评价西红柿的营养成分—蔗糖、葡萄糖、果糖 的近红外分析[J]. 仪器仪表与分析监测，1997( 2) : 33 - 37.

　　[2] 赵轶鹏，赵新勇. 植物体可溶性糖测定方法的优化[J]. 安徽 农业科学，2018，46( 4) : 184 - 185.

　　[3] RUIZ-ACEITUNO L，CARRERO-CARRALERO C，RAMOS L，et al. Development of a carbohydrate silylation method in ionic liquids for their gas chromatographic analysis[J]. Anal Chim Acta，2013，787: 87 - 92.

　　[4] OUCHEMOUKH S，SCHWEITZER P，BACHIR BEY M，et al. HPLC sugar profiles of Algerian honeys[J]. Food Chemistry， 2010，121( 2) : 561 - 568.

　　作者：郑宗南1，2 ，周亚男2 ，李爱学2 ，王 成2