手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與開發(fā)

摘?要：文章結(jié)合手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀項(xiàng)目，分析手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)要點(diǎn);針對(duì)手持式生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀存在的熒光微弱與校準(zhǔn)問(wèn)題，項(xiàng)目應(yīng)用靈敏度較高的硅光傳感器與鋁制遮光罩設(shè)計(jì)，采用固定波長(zhǎng)LED燈進(jìn)行傳感器校準(zhǔn)并設(shè)置1%精度的NTC溫度傳感器，提升了手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀的整體性能。

關(guān)鍵詞：手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀;軟件結(jié)構(gòu);硬件結(jié)構(gòu)

一、 引言

ATP生物發(fā)光法，通常指的是依靠ATP試劑里面的若干組分，如熒光素-熒光素酶等跟被測(cè)樣本發(fā)生作用而生成光子，然后再借助專門研制的熒光檢測(cè)儀來(lái)對(duì)發(fā)光值進(jìn)行捕捉以及檢測(cè)，由于被測(cè)樣本里面包含的細(xì)菌之類微生物的數(shù)量會(huì)和相對(duì)應(yīng)的ATP值存在一定的函數(shù)關(guān)系、ATP值與發(fā)光值內(nèi)部存在相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，所以對(duì)發(fā)光值進(jìn)行檢測(cè)，可以獲取被測(cè)標(biāo)本里面包含的細(xì)菌之類微生物的數(shù)量。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需求，手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀在食品安全領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀時(shí)，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格做好設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，保證手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，提升手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀的整體性能。

二、 ?項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)開發(fā)，項(xiàng)目產(chǎn)品主要用于快速檢測(cè)食品中的微生物含量，判斷食物中的微生物含量是否超標(biāo)。特定微生物與生物酶制劑反應(yīng)之后，會(huì)生產(chǎn)ATP熒光反應(yīng)，檢測(cè)儀中的微光采集系統(tǒng)會(huì)快速收集這些RLU數(shù)值，以便準(zhǔn)確測(cè)量定量樣品ATP的含量。該項(xiàng)目應(yīng)用了生物學(xué)應(yīng)用技術(shù)、光感傳感技術(shù)、設(shè)備小型化技術(shù)等，能夠有效提升食品安全檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。

三、 ?手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

（一）軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目進(jìn)行手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用高靈敏度的硅光電傳感器，這種傳感器系統(tǒng)由光源、光學(xué)元件、接收器、比較單元、轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)處理單元、判定單元、輸出端口組成，按照上述順序?qū)⑦@些單元連接在一起，通過(guò)比較單元放大檢測(cè)信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行不失真處理，提升信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，避免檢測(cè)信號(hào)與系統(tǒng)磁場(chǎng)之間出現(xiàn)干擾，提升信號(hào)檢測(cè)的穩(wěn)定性。另外，相較于其他傳感器，硅光傳感器本身具有靈敏度高、頻帶寬、線性度好、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，更適宜應(yīng)用于手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀中。

（二）硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀大致可以分成以下幾部分，分別是光學(xué)檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、 信號(hào)采集放大部分、中央控制單元及其他外圍輔助電路模塊、鍵盤控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通訊模塊、顯示模塊等。該檢測(cè)儀以微控制器作為控制的關(guān)鍵，借助自制光學(xué)檢測(cè)模塊，對(duì)微弱熒光信號(hào)進(jìn)行收集，通過(guò)ADμC834內(nèi)部所集合生成的高精度A/D模塊，在開展轉(zhuǎn)換還有數(shù)據(jù)處理工作后，可以獲得跟被測(cè)樣品ATP濃度相匹配的響應(yīng)信號(hào)。對(duì)于檢測(cè)結(jié)果，不僅能夠借助顯示模塊來(lái)進(jìn)行展示，也能夠借助PMT以及自定設(shè)計(jì)的傳感器接口這兩大結(jié)構(gòu)做到對(duì)反應(yīng)釋放微弱熒光信號(hào)進(jìn)行收集以及轉(zhuǎn)換處理。傳感器接口，一般是以金屬鋁材料來(lái)作為制作基礎(chǔ)，內(nèi)部采用圓柱凹面結(jié)構(gòu)，外部選擇密封式設(shè)計(jì)，可以將外界光還有電磁干擾的不良作用降低到最小值，加強(qiáng)檢測(cè)的靈敏度。對(duì)于光學(xué)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊，一般會(huì)包括以下兩部分：一方面，AMT電源供應(yīng)電路;另一方面，控制電壓提供電路。通常來(lái)說(shuō)，電源供應(yīng)電路的主要作用是維持AMT正常運(yùn)作，為其提供必備的11.5～15.5 V電源電壓，該項(xiàng)目采用鋰子電池供電，工作電壓為3V，滿足降低功耗的設(shè)計(jì)要求。

進(jìn)行手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)時(shí)，該項(xiàng)目要求采用鋁制遮光罩，設(shè)計(jì)鋁制遮光罩時(shí)，對(duì)遮光罩內(nèi)表面進(jìn)行遮光處理，將微光鏡反射至傳感器罩上，采用這種方式最大限度上降低外界因素對(duì)生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)精準(zhǔn)度造成的影響。該項(xiàng)目鋁制遮光罩的外層為圓柱形，內(nèi)層各遮擋環(huán)間構(gòu)成圓臺(tái)形，右方為射入面，這種設(shè)計(jì)方式能加深消光部分遮擋環(huán)的深度，光線會(huì)在遮擋環(huán)間反復(fù)折射。相較于傳統(tǒng)遮光罩而言，反射次數(shù)得到有效增加，能量吸收效率得到有效增強(qiáng)，消光效率有效提升設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格控制光照射面積與增強(qiáng)反射焦點(diǎn)的公差，根據(jù)手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀的應(yīng)用要求選擇調(diào)整公差，有效抑制外部的雜散光，更好地滿足人們對(duì)檢測(cè)儀的需求。另外，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行鋁制遮光罩設(shè)計(jì)過(guò)程中，要保證遮光罩不會(huì)遮擋場(chǎng)內(nèi)的光線，能夠盡可能阻擋場(chǎng)外雜散光的進(jìn)入，捕捉手持生物熒光，高效檢測(cè)熒光強(qiáng)度。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員開展設(shè)計(jì)工作之前，還要計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的軸外視場(chǎng)PST，結(jié)合雜散光系統(tǒng)評(píng)估光學(xué)系統(tǒng)的雜散光抑制能力，考慮到視場(chǎng)角附近的入射光線、雜散光抑制角內(nèi)的入射光線，要求遮光罩能夠遮擋角度大于40°的入射光線，提升遮光罩的雜散光抑制能力，滿足手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀的使用要求。

四、 手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決

（一）ATP熒光微弱

手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)過(guò)程中，ATP熒光較為微弱，加大了手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)的難度。對(duì)此，我們通過(guò)兩種手段進(jìn)行采集。首先，應(yīng)用靈敏度較高的硅光傳感器，放大PA級(jí)電流信號(hào)，使電流信號(hào)放大106倍以上，并通過(guò)RC電路濾波最大限度上減少外界因素對(duì)熒光采集工作造成的干擾，這種傳感器的優(yōu)勢(shì)為靈敏度高、操作簡(jiǎn)便、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。其次，設(shè)計(jì)鋁制遮光罩，將微弱熒光反射至傳感器的視窗上，采用鏡面拋光方式，最大限度上增加微弱熒光的反射量，有效隔絕外界光線對(duì)熒光檢測(cè)結(jié)果造成的影響，保證PCB版與鋁制遮光罩底部始終處于接觸狀態(tài)，將傳感器罩在遮光罩內(nèi)部，更進(jìn)一步屏蔽外界干擾，以達(dá)到最佳檢測(cè)效果。

（二）校準(zhǔn)問(wèn)題

除了熒光微弱這一設(shè)計(jì)難點(diǎn)之外，校準(zhǔn)問(wèn)題是項(xiàng)目的另一難點(diǎn)。項(xiàng)目采用固定波長(zhǎng)LED燈進(jìn)行傳感器校準(zhǔn)，將LED設(shè)置在鋁制遮光罩內(nèi)部，控制LED過(guò)程中，采用DAC和MCU引腳控制線性輸出，并對(duì)鋁制遮光罩內(nèi)部進(jìn)行拋光處理，保證鏡面能達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，以確保光線能夠全部反射至傳感器上部，對(duì)傳感器的線性參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)處理。另外，傳感器的溫度也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了解決這一問(wèn)題，我們?cè)趥鞲衅鞯南路皆O(shè)置了NTC溫度傳感器，這種傳感器的精度為1%，需要采用程序進(jìn)行精準(zhǔn)控制，一旦傳感器的溫度大于5°時(shí)，傳感器就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行線性校準(zhǔn)，保證傳感器線性參數(shù)始終符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

五、 結(jié)語(yǔ)

開展手持生物熒光強(qiáng)度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)工作期間，設(shè)計(jì)人員要選擇高靈敏度的硅光電傳感器，重視鋁制遮光板設(shè)計(jì)工作，做好檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作;采用固定波長(zhǎng)的LED燈作為校準(zhǔn)傳感器，并設(shè)置NTC溫度傳感器，以提高樣品檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]周洪波，金慶輝，葛玉卿，等.一種手持式生物熒光檢測(cè)儀及檢測(cè)方法[J].愛(ài)學(xué)術(shù);2011.

[2]趙鋰，楊帆，沈晨，等.應(yīng)用ATP生物熒光檢測(cè)儀檢測(cè)水中細(xì)菌實(shí)驗(yàn)研究[C]// 中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑給水排水研究分會(huì)全體會(huì)員大會(huì)暨學(xué)術(shù)交流會(huì)，2014.

[3]胡鵬飛.手持式腫瘤熒光標(biāo)記物快速檢測(cè)設(shè)備研究與設(shè)計(jì)[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2018.

作者簡(jiǎn)介：周春鳴，南京海銘微生物科技有限公司。