光電型綜合毒性檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

劉剛，許鯉蓉，潘細(xì)明，袁景淇

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，汞、鉻、氰化物等各種重金屬和有機(jī)毒物被大量排放到河流、湖泊等自然水體中，已嚴(yán)重威脅到人們的生活用水安全。因此，對(duì)飲用水進(jìn)行安全檢測(cè)必要而又十分緊迫[1-2]。

目前用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的毒性檢測(cè)一般采用理化分析和生物檢測(cè)兩種方法。常見(jiàn)的毒性檢測(cè)方法是理化分析法，即針對(duì)某種有害化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行物理化學(xué)定量分析。這種方法定量精度高，但是檢測(cè)設(shè)備非常復(fù)雜，檢測(cè)成本高且需要專門的實(shí)驗(yàn)室[3-4]。生物毒性檢測(cè)方法有生物酶活性毒性檢測(cè)法、水生生物毒性檢測(cè)法、微型生物群落毒性檢測(cè)法、細(xì)菌毒性檢測(cè)法，等等[3]。上世紀(jì)七八十年代國(guó)外科學(xué)家首次從海魚(yú)體表分離和篩選出對(duì)環(huán)境敏感的發(fā)光細(xì)菌，發(fā)光強(qiáng)度與重金屬離子、有機(jī)農(nóng)藥等毒性污染物的濃度呈顯著負(fù)相關(guān)[5]。這種方法檢測(cè)的是毒性物質(zhì)的作用而不是其化學(xué)成份，因此檢測(cè)的毒性物質(zhì)種類廣泛[6]。本文給出了基于微生物發(fā)光原理的光電型毒性檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。

1 測(cè)試的原理

熒光素酶與底物和ATP作用時(shí)會(huì)發(fā)出微弱熒光[6]，毒性物質(zhì)則會(huì)抑制發(fā)光的強(qiáng)度。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件把微弱的熒光轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后，通過(guò)比對(duì)無(wú)毒標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)樣品的熒光強(qiáng)度，得到待測(cè)樣品毒性強(qiáng)度。這里需要定義發(fā)光抑制率：

發(fā)光抑制率的大小表征了待測(cè)樣品中毒性的強(qiáng)度：抑制率越高，說(shuō)明對(duì)熒光的抑制越強(qiáng)，毒性越強(qiáng)；反之亦然[2]。對(duì)于某種特定毒性污染物，可以對(duì)抑制率和毒物濃度進(jìn)行定標(biāo)，進(jìn)一步計(jì)算出相關(guān)毒性物質(zhì)的濃度。

2 儀器軟硬件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如上所述，毒性檢測(cè)儀需要解決的核心問(wèn)題是微弱熒光信號(hào)的檢測(cè)。發(fā)光細(xì)菌所產(chǎn)生熒光波長(zhǎng)在490nm～560nm之間。本文采用光電倍增管捕捉這一熒光信號(hào)。光電倍增管在發(fā)光細(xì)菌熒光信號(hào)激勵(lì)下，輸出量級(jí)為10-8～10-7安培的電流。

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原則，儀器的硬件系統(tǒng)主要包括光電傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、通信模塊、液晶顯示、鍵盤模塊以及電源模塊等，見(jiàn)圖1。鑒于發(fā)光菌發(fā)出的熒光和放大器前端電流十分微弱，需要對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行光屏蔽和電磁屏蔽。

圖1 光電型毒性檢測(cè)儀硬件模塊框圖

2.2 硬件的設(shè)計(jì)

光電型毒性檢測(cè)儀的硬件電路中，處理器采用EM78P458單片機(jī)芯片，外圍電路模塊包括：按鍵、電源控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、液晶顯示、串口通訊、EEPROM存貯等模塊。為減小儀器體積，并降低儀器功耗，選用小封裝、低功耗的器件，在不影響性能的前提下，所用芯片盡量采用貼片封裝。

電源采用線性穩(wěn)壓電源，輸入為220V，輸出為6～9V直流電壓。BM1117芯片把6V至9V直流電壓，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的5V直流電壓給單片機(jī)和其它芯片供電。芯片HDN3則把5V直流電壓，轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的±15V直流電壓為光電倍增管供電。

圖2 電流/電壓轉(zhuǎn)換及放大電路

光電倍增管選用日本濱松公司的H5773，敏感波長(zhǎng)范圍為300nm～650nm。H5773提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)1.2V輸出和控制電壓輸入引腳，作用是控制光電倍增管的放大倍數(shù)。用數(shù)字電位器得到控制電壓非常精確，而且可以方便的通過(guò)程序進(jìn)行修改。圖3是相應(yīng)的信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換電路的電路圖。其中前級(jí)放大可以保證光電元件和后級(jí)電路處在最佳工作狀態(tài)[7]。運(yùn)算放大器正輸入端與反相端的進(jìn)行阻抗匹配，可以避免輸出信號(hào)失真[7]。

運(yùn)算放大器選用ADI公司的AD8607，滿足微電流信號(hào)低偏置電流、高輸入阻抗、低漂移、高共模抑制比的要求。第一級(jí)放大采用近似零伏偏置電路，可以有效放大光電倍增管產(chǎn)生的納安級(jí)電流信號(hào)，放大倍數(shù)可達(dá)106量級(jí)。第二級(jí)放大采用同相端輸入的電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，避免與第一級(jí)輸出反相。放大倍數(shù)為100倍。兩級(jí)放大獲得了更高放大倍數(shù)，但縮小了測(cè)量范圍。為了擴(kuò)大測(cè)量的范圍，設(shè)計(jì)兩個(gè)檔位，采用CD4052這一四通道模擬開(kāi)關(guān)作為檔位選擇器，圖2中兩級(jí)放大器的輸出Vout1和Vout2分別作為一種選擇送到后續(xù)電路。后級(jí)輸出的分辨率為前級(jí)的100倍。通道選擇器的輸出范圍為0～2.5V，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用MCP3201，通過(guò)SPI總線與MCU通訊。其他模塊中，RS232串口模塊采用UART串口總線，存儲(chǔ)器AT24C256采用I2C總線。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件分上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分。

下位機(jī)軟件用C語(yǔ)言和少量匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器各功能模塊的控制和信號(hào)處理。其功能模塊主要有顯示、存儲(chǔ)器讀寫(xiě)、模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取、按鍵查詢、串口通訊、通道選擇和數(shù)據(jù)處理等模塊。通道選擇模塊默認(rèn)為前級(jí)通道，如果電壓小于設(shè)定值，則改為第二通道以提高精度。上位機(jī)軟件采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，主要實(shí)現(xiàn)的功能是接收下位機(jī)發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并繪制相應(yīng)曲線，同時(shí)記錄采集數(shù)據(jù)，主要包括串口通訊和數(shù)據(jù)處理模塊。

下位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)的處理主要有軟件濾波、發(fā)光抑制率計(jì)算等。下位機(jī)的程序設(shè)計(jì)有兩個(gè)版本，版本一在檢測(cè)時(shí)通過(guò)串口把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到上位機(jī)軟件。版本二可以判定毒性是否超標(biāo)。檢測(cè)時(shí)，儀器先測(cè)3個(gè)無(wú)毒標(biāo)準(zhǔn)樣品的發(fā)光強(qiáng)度，取平均值，然后同樣方法測(cè)3組待測(cè)樣品。測(cè)完后計(jì)算抑制率，判斷是否超標(biāo)。本文研制樣機(jī)在抑制率低于設(shè)定值則輸出“yes”表示有毒，并點(diǎn)亮紅色二極管作為警示。否則顯示“no”。這一設(shè)定值可以通過(guò)串口寫(xiě)到E2ROM中，默認(rèn)值為0.90。

3 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

對(duì)于相同樣品，采用本文研制的樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)室用大型光強(qiáng)度檢測(cè)儀作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行重復(fù)性和線性度測(cè)試。

圖3是檢測(cè)結(jié)果對(duì)數(shù)值關(guān)系曲線，其中“標(biāo)準(zhǔn)值”是用大型光強(qiáng)檢測(cè)儀檢測(cè)得到的結(jié)果。測(cè)試對(duì)象是不同濃度的ATP。結(jié)果表明樣機(jī)重復(fù)性和線性度良好。

圖3 樣機(jī)檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比曲線

圖4是用樣機(jī)對(duì)苯甲醛的檢測(cè)結(jié)果。測(cè)試取反應(yīng)30秒時(shí)的值。先檢測(cè)無(wú)苯甲醛的標(biāo)準(zhǔn)樣品，再檢測(cè)添加了甲拌磷的樣品的相對(duì)發(fā)光值，圖中黑點(diǎn)是實(shí)測(cè)結(jié)果，曲線是二次擬合曲線?？梢钥闯?，檢測(cè)結(jié)果中濃度和發(fā)光抑制率成二次函數(shù)關(guān)系，擬合的回歸系數(shù)為0.9942。

圖4 樣機(jī)測(cè)得苯甲醛發(fā)光抑制率與濃度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

毒性檢測(cè)儀在安全檢測(cè)領(lǐng)域，尤其是飲用水的安全檢測(cè)中，有非常重要的作用。應(yīng)用光電倍增管作為弱光檢測(cè)單元，用兩級(jí)放大器進(jìn)行電壓放大，采用零伏偏置放大電路和電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路并采用濾波等措施，有效抑制了噪聲，提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的毒性檢測(cè)儀重復(fù)性好、靈敏度高、檢測(cè)范圍比較大。

[1]Sagi E，Hever N，Rosen R，et al.Fluorescence and bioluminescence reporter functions in genetically modified bacterial sensor strains[J].Sensors and Actuators B，2003，90:2-8.

[2]尚麗平，張迪，馬越超，等.便攜式生物毒性快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)研究[J].傳感器學(xué)報(bào)，2006，19:633-636.

[3]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法編委會(huì).環(huán)境檢測(cè)分析方法[M].第四版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002:52-55.

[4]Popovtzer R，Neufeld T，Biran D，et al.Novel integrated electrochemical nanobiochip for toxicity detection in water[J].Nano Letters，2005，5:1023-1027.

[5]Liu D.A rapid biochemical test for measuring chemical toxicity[J].Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2002，26（2）:145-149.

[6]Paitan Y，Biran D，Biran I，et al.On-line microbial biosensing and fingerprinting of water pollutants[J].Biosens Bioelectron，2002，17（6-7）: 495-501.

[7]何瑾，劉鐵根，孟卓，等.弱光強(qiáng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)前置級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，9:1904-1906.