生物超弱發(fā)光采集系統(tǒng)及控制電路設(shè)計(jì)

摘 要:生物超弱發(fā)光是生物系統(tǒng)在生命活動(dòng)中的微弱發(fā)光現(xiàn)象。為了準(zhǔn)確測(cè)量生物超弱發(fā)光，設(shè)計(jì)了一種用于生物超微弱發(fā)光的專用采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的激發(fā)光源由單只大功率LED及光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，用壓控恒流源調(diào)整LED光照強(qiáng)度，通過電子快門精確控制光探測(cè)器的采集時(shí)間。測(cè)量金心吊蘭葉片的延遲發(fā)光結(jié)果表明，該系統(tǒng)測(cè)量精度高、重復(fù)性好。

關(guān)鍵詞:生物超弱發(fā)光; 檢測(cè); 電子快門; 壓控恒流源

中圖分類號(hào):TN710-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)21-0108-04

Design of Ultra-weak Bioluminescence Measurement System and Control Circuit

FAN Lin-lin1，4， ZHANG Jian-min1， LIU Kai2， XI Gang2， MENG Xiao-li2， ZHANG Xiao-hui3， LI Shao-hua2

(1. College of Physics and Information Technology， Shaanxi Normal University， Xi’an 710062， China;

2. School of Sciences， Xi’an University of Technology， Xi’an 710054， China;

3. Faculty of Automation and Information Engineering， Xi’an University of Technology， Xi’an 710048， China;

4. Mathematics and Physics Section， Xi’an Commanding College of CAPF， Xi’an 710038， China)

Abstract: Ultra-weak bioluminescence is the phenomenon that biological systems weak luminescence during life activities. A certain system for ultra-weak shimmering measurement is designed. The exciting light source is composed of a single high-power LED and optical systems， by means of adjusting the illumination magnitude of LED and electronic shutter，the timing of light detector can be controlled. Measurement of chlorophytum leaf delayed luminescence results show that the system has high accuracy and good repeatability.Keywords: ultra-weak luminescence; detection; electronic shutter; voltage-controlled current source

0 引 言

生物超弱發(fā)光是生物在生命活動(dòng)過程中，輻射出的一種極其微弱的光子流[1]，分為自發(fā)發(fā)光和延遲發(fā)光。現(xiàn)在已經(jīng)證明，它與生理代謝、光合作用和細(xì)胞分裂等等許多生命過程有關(guān)，并且對(duì)環(huán)境極為敏感[2-3]。由于生物超弱發(fā)光蘊(yùn)涵著豐富的生命信息，對(duì)其探測(cè)、分析與解讀是近十幾年來許多領(lǐng)域共同關(guān)心的課題[4-5]。目前，已有不少研究，展示出其在揭示生命運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理以及農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療、食品衛(wèi)生等許多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力[3，6-10]。由于生物超弱發(fā)光的強(qiáng)度較弱，且延遲發(fā)光衰減很快，其采集涉及到外來激發(fā)光的精確控制和微弱自體發(fā)光的實(shí)時(shí)測(cè)量，至今未見成熟的專用儀器，給研究帶來困難。鑒于此，本文開發(fā)了一類利用LED激發(fā)的生物超弱發(fā)光采集系統(tǒng)，將LED激發(fā)光源、電子快門和光探測(cè)器整合在一起，通過單片機(jī)精確控制激發(fā)光源的光照時(shí)間與電子快門的開啟時(shí)間，使超弱發(fā)光尤其是延遲發(fā)光重復(fù)性測(cè)量的精度大大提高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)測(cè)量生物超弱發(fā)光的時(shí)域信息，采用單光子計(jì)數(shù)探測(cè)系統(tǒng)。主要包括激發(fā)光源、光源驅(qū)動(dòng)電路、快門控制模塊、光探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、溫度控制模塊、暗室和計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超弱發(fā)光采集系統(tǒng)原理圖

樣品放在暗室中測(cè)量，隔絕外界光線影響。單只大功率超高亮度LED發(fā)出的光經(jīng)過透鏡變換為平行光后，均勻照射到樣品上，中控模塊的單片機(jī)精確控制光強(qiáng)和輻照時(shí)間，溫度控制器保持樣品處于恒溫狀態(tài)，快門驅(qū)動(dòng)模塊按照預(yù)設(shè)程序控制電子快門的開閉，PMT進(jìn)行生物發(fā)光的采集。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制電路

主控電路負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，進(jìn)行光照時(shí)間、光照強(qiáng)度和快門開閉的控制，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主要包括微處理器、壓控電流源、光照時(shí)間控制、快門開關(guān)控制、LCD顯示、鍵盤接口和溫度控制模塊。

圖2 電路系統(tǒng)原理框圖

2.2 激發(fā)光源及其驅(qū)動(dòng)電路

生物體的自發(fā)發(fā)光強(qiáng)度較穩(wěn)定，而延遲發(fā)光隨時(shí)間衰減很快，若將樣品用激發(fā)光源在暗室外照射后再拿進(jìn)暗室測(cè)量，光照結(jié)束時(shí)間和測(cè)量開始時(shí)間的間隔很難控制，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的技能要求較高。如果采用光源內(nèi)置的方法，就能很好地解決這個(gè)問題。

系統(tǒng)采用單只大功率發(fā)光二極管(LED)作為激發(fā)光源，通過透鏡變換為平行光，保證樣品受光面的光強(qiáng)均勻分布。激發(fā)光源采用藍(lán)色LED，中心波長(zhǎng)為467 nm，帶寬為20 nm，可以滿足一般實(shí)驗(yàn)要求。也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，將藍(lán)色LED更換為紅色、綠色和紫色等顏色的LED。

對(duì)LED光強(qiáng)的控制通過改變注入LED的電流大小來實(shí)現(xiàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)的精度，要保證LED驅(qū)動(dòng)電流的恒流性，還要使得電路的電流大小可調(diào)，實(shí)現(xiàn)光源亮度的調(diào)節(jié)。因此，系統(tǒng)選用精密數(shù)控大功率電流源電路作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)電路。電路的原理圖如圖3所示。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)電路方框圖

驅(qū)動(dòng)電路主要由微處理器、液晶顯示與鍵盤輸入、數(shù)/模轉(zhuǎn)換與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、壓控恒流源、差動(dòng)放大電路等子模塊組成。

2.2.1 壓控恒流源

壓控恒流源是LED驅(qū)動(dòng)電路的重要組成部分，它的功能是通過調(diào)節(jié)控制電壓來達(dá)到對(duì)電流的控制，它的性能決定了LED亮度的穩(wěn)定程度。壓控恒流源的電路如圖4所示，U1B和R8，R9構(gòu)成電壓跟隨器，運(yùn)放的高輸入阻抗，近似可以認(rèn)為U1B沒有分流作用，則流經(jīng)V2的電流全部流入負(fù)載RL，并且有V3=V2。U1C和電阻R10，R11，R12構(gòu)成反相器，有V4=-V3=-V2。U1A和電阻R1，R2，R3，R13構(gòu)成反向加法器電路，輸入信號(hào)分別為Vi和V4，輸出電壓V1=-(Vi+V4)，又因?yàn)楠￢4=-V2，所以輸出電壓V1=-(Vi-V2)。運(yùn)放UB1并無分流作用，因此電阻Rm兩端的電壓為Vm=V1-V2=-Vi，流經(jīng)Rm和負(fù)載RL的電流相等，都為I=Vm/Rm=-Vi/Rm。可以看出，負(fù)載上的電流由輸入電壓Vi和電阻Rm共同決定，只要這兩個(gè)量不變，電流就會(huì)保持恒定。通過改變數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，即可調(diào)節(jié)負(fù)載RL上的電流。

圖4 壓控恒流源電路

負(fù)載RL是大功率的LED，所需要的驅(qū)動(dòng)電流一般在0~300 mA，為了保證恒流電路的功率輸出，加入了電流擴(kuò)展電路。該擴(kuò)展電路采用簡(jiǎn)單常用的圖騰柱式電流擴(kuò)展方法。功率三極管使用大功率的2N1346，同時(shí)連接散熱片并加裝散熱風(fēng)扇，以保證電路穩(wěn)定工作。

2.2.2 差動(dòng)放大電路

輸出電流經(jīng)采樣電阻Rm采樣，接入差動(dòng)放大電路的輸入端。在電流源電路中，采樣電阻的精確程度和溫度穩(wěn)定性直接關(guān)系到電流輸出的穩(wěn)定性。因此系統(tǒng)中采樣電阻使用精密金屬膜電阻，該電阻溫漂小于5×10-6 ℃-1，阻值為2 Ω，額定功率為10 W。

差動(dòng)放大電路使用較常用的儀用放大器，電路原理如圖5所示。

儀用放大電路具有較高的輸入阻抗，能夠避免采樣電路對(duì)電流源的影響;同時(shí)又具有較大的共模抑制比，保證采樣的準(zhǔn)確性，避免干擾。由于采樣電阻Rm上流經(jīng)的電流變化范圍是0~300 mA，范圍較大，所以將差動(dòng)放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置為1。

2.2.3 數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換

數(shù)/模轉(zhuǎn)換采用C8051F021單片機(jī)內(nèi)部集成的DAC1，DAC的輸出在每次中斷時(shí)根據(jù)A/D的采樣值計(jì)算后進(jìn)行更新。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換采用單片機(jī)內(nèi)部集成的12位逐次逼近寄存器型ADC。A/D和D/A的電壓基準(zhǔn)VREF由片外的LM336基準(zhǔn)穩(wěn)壓源提供。

圖5 差動(dòng)放大電路

2.3 快門控制

為了防止LED光強(qiáng)對(duì)PMT造成損傷，在樣品室與PMT之間加裝了電子快門來保護(hù)PMT。開啟LED時(shí)，快門關(guān)閉;激發(fā)光源照射樣品結(jié)束時(shí)，LED熄滅，快門打開，PMT開始采集樣品的發(fā)光。由于延遲發(fā)光快速衰減，為了保證能夠及時(shí)采集延遲發(fā)光，該系統(tǒng)采用的電子快門的響應(yīng)時(shí)間為1 μs，快門驅(qū)動(dòng)電壓為(12±0.1)V，電路接通則快門開啟，斷開則快門自動(dòng)關(guān)閉，控制簡(jiǎn)單。但電子快門對(duì)電壓穩(wěn)定度要求較高，需要采用單獨(dú)的穩(wěn)壓電源供電，否則有可能因電壓波動(dòng)造成快門意外關(guān)閉。

電子快門驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，開關(guān)管連接單片機(jī)P2.7口，由單片機(jī)控制快門的開啟和關(guān)閉。當(dāng)單片機(jī)P2.7口輸出為“0”時(shí)，快門關(guān)閉;當(dāng)單片機(jī)P2.7口輸出為“1”時(shí)，快門打開。用示波器測(cè)量驅(qū)動(dòng)電路的延遲時(shí)間在1 μs以內(nèi)，考慮到快門的延遲也在1 μs，可以認(rèn)為快門總體的延遲對(duì)測(cè)量的影響可以忽略。

圖6 快門控制電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)程序劃分為若干模塊，通過主程序?qū)Ω鱾€(gè)子模塊的調(diào)用，將模塊連接成一個(gè)完整的程序。

根據(jù)系統(tǒng)控制功能的要求，確定了系統(tǒng)軟件的主要功能有:系統(tǒng)初始化，寄存器設(shè)定，鍵盤設(shè)定初始值(光照時(shí)間，快門開啟時(shí)間，流過LED的電流值大小)，液晶顯示控制，電子快門控制。根據(jù)軟件的功能要求，圖7給出程序總體流程結(jié)構(gòu)圖，圖8表示各模塊之間的邏輯關(guān)系。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

圖8 模塊之間的邏輯關(guān)系圖

4 儀器測(cè)試

系統(tǒng)硬件連接完成，軟件調(diào)試通過后。接著對(duì)儀器進(jìn)行了測(cè)試。

4.1 光源測(cè)試

使LED驅(qū)動(dòng)電路的電流在0~300 mA范圍變化，測(cè)試LED的發(fā)光強(qiáng)度。測(cè)出驅(qū)動(dòng)電流與光強(qiáng)的關(guān)系如圖9所示。

圖9 LED驅(qū)動(dòng)電流與光照強(qiáng)度關(guān)系

4.2 暗噪聲測(cè)試

圖10使用本系統(tǒng)測(cè)試的本底值，測(cè)量時(shí)的溫度為24 ℃，積分時(shí)間為0.5 s，PMT加載負(fù)高壓1 000 V。由圖10可見，暗室的背景噪聲在50 c/s (counts per second) 之下，計(jì)算得出本底噪聲的平均光子計(jì)數(shù)為2748 c/s，結(jié)果較為理想。

4.3 樣品測(cè)試

圖10 超弱發(fā)光檢測(cè)系統(tǒng)本底值

完成系統(tǒng)的研制后，對(duì)金心吊蘭葉片的生物光子輻射延遲發(fā)光進(jìn)行檢測(cè)。首先將樣品放入暗室中黑暗處理5 min，而后用藍(lán)色LED光源光照1 min，測(cè)量其延遲發(fā)光衰減曲線，測(cè)量時(shí)間50 s，間隔1 s，重復(fù)測(cè)量三次，探測(cè)結(jié)果如圖11所示。分別對(duì)三組測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)度進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，三組測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)均接近0.999(見圖12(a)~(c))，結(jié)果表明該系統(tǒng)測(cè)量具有良好的可重復(fù)性，測(cè)量精度高。

圖11 金心吊蘭三次延遲發(fā)光曲線對(duì)比

圖12 相關(guān)曲線

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了用于測(cè)量生物超弱發(fā)光的專用測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)的激發(fā)光源由單顆高亮度大功率LED及光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，用壓恒流源調(diào)整LED光照強(qiáng)度，通過電子快門精確控制光探測(cè)器的采集時(shí)間，暗室的背景噪聲在50 c/s之下。應(yīng)用本系統(tǒng)測(cè)量金心吊蘭葉片的延遲發(fā)光的結(jié)果表明，該系統(tǒng)測(cè)量精度高、重復(fù)性好，得到了較理想的測(cè)量結(jié)果。

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