生物超弱发光采集系统及控制电路设计
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摘 要:生物超弱发光是生物系统在生命活动中的微弱发光现象。为了准确测量生物超弱发光,设计了一种用于生物超微弱发光的专用采集系统。系统的激发光源由单只大功率LED及光学系统构成,用压控恒流源调整LED光照强度,通过电子快门精确控制光探测器的采集时间。测量金心吊兰叶片的延迟发光结果表明,该系统测量精度高、重复性好。
关键词:生物超弱发光; 检测; 电子快门; 压控恒流源
中图分类号:TN710-34文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)21-0108-04
Design of Ultra-weak Bioluminescence Measurement System and Control Circuit
FAN Lin-lin1,4, 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
生物超弱发光是生物在生命活动过程中,辐射出的一种极其微弱的光子流[1],分为自发发光和延迟发光。现在已经证明,它与生理代谢、光合作用和细胞分裂等等许多生命过程有关,并且对环境极为敏感[2-3]。由于生物超弱发光蕴涵着丰富的生命信息,对其探测、分析与解读是近十几年来许多领域共同关心的课题[4-5]。目前,已有不少研究,展示出其在揭示生命运转机理以及农业、环境保护、医疗、食品卫生等许多领域的应用潜力[3,6-10]。由于生物超弱发光的强度较弱,且延迟发光衰减很快,其采集涉及到外来激发光的精确控制和微弱自体发光的实时测量,至今未见成熟的专用仪器,给研究带来困难。鉴于此,本文开发了一类利用LED激发的生物超弱发光采集系统,将LED激发光源、电子快门和光探测器整合在一起,通过单片机精确控制激发光源的光照时间与电子快门的开启时间,使超弱发光尤其是延迟发光重复性测量的精度大大提高。
1 系统总体设计
该系统测量生物超弱发光的时域信息,采用单光子计数探测系统。主要包括激发光源、光源驱动电路、快门控制模块、光探测器、数据采集与处理模块、温度控制模块、暗室和计算机。系统总体结构如图1所示。
图1 超弱发光采集系统原理图
样品放在暗室中测量,隔绝外界光线影响。单只大功率超高亮度LED发出的光经过透镜变换为平行光后,均匀照射到样品上,中控模块的单片机精确控制光强和辐照时间,温度控制器保持样品处于恒温状态,快门驱动模块按照预设程序控制电子快门的开闭,PMT进行生物发光的采集。
2 系统硬件设计
2.1 主控制电路
主控电路负责整个系统的正常运行,进行光照时间、光照强度和快门开闭的控制,结构框图如图2所示。主要包括微处理器、压控电流源、光照时间控制、快门开关控制、LCD显示、键盘接口和温度控制模块。
图2 电路系统原理框图
2.2 激发光源及其驱动电路
生物体的自发发光强度较稳定,而延迟发光随时间衰减很快,若将样品用激发光源在暗室外照射后再拿进暗室测量,光照结束时间和测量开始时间的间隔很难控制,对实验人员的技能要求较高。如果采用光源内置的方法,就能很好地解决这个问题。
系统采用单只大功率发光二极管(LED)作为激发光源,通过透镜变换为平行光,保证样品受光面的光强均匀分布。激发光源采用蓝色LED,中心波长为467 nm,带宽为20 nm,可以满足一般实验要求。也可以根据实验的要求,将蓝色LED更换为红色、绿色和紫色等颜色的LED。
对LED光强的控制通过改变注入LED的电流大小来实现。为了保证实验的精度,要保证LED驱动电流的恒流性,还要使得电路的电流大小可调,实现光源亮度的调节。因此,系统选用精密数控大功率电流源电路作为LED的驱动电路。电路的原理图如图3所示。
图3 LED驱动电路方框图
驱动电路主要由微处理器、液晶显示与键盘输入、数/模转换与模/数转换、压控恒流源、差动放大电路等子模块组成。
2.2.1 压控恒流源
压控恒流源是LED驱动电路的重要组成部分,它的功能是通过调节控制电压来达到对电流的控制,它的性能决定了LED亮度的稳定程度。压控恒流源的电路如图4所示,U1B和R8,R9构成电压跟随器,运放的高输入阻抗,近似可以认为U1B没有分流作用,则流经V2的电流全部流入负载RL,并且有V3=V2。U1C和电阻R10,R11,R12构成反相器,有V4=-V3=-V2。U1A和电阻R1,R2,R3,R13构成反向加法器电路,输入信号分别为Vi和V4,输出电压V1=-(Vi+V4),又因为V4=-V2,所以输出电压V1=-(Vi-V2)。运放UB1并无分流作用,因此电阻Rm两端的电压为Vm=V1-V2=-Vi,流经Rm和负载RL的电流相等,都为I=Vm/Rm=-Vi/Rm。可以看出,负载上的电流由输入电压Vi和电阻Rm共同决定,只要这两个量不变,电流就会保持恒定。通过改变数模转换器的输出电压,即可调节负载RL上的电流。
图4 压控恒流源电路
负载RL是大功率的LED,所需要的驱动电流一般在0~300 mA,为了保证恒流电路的功率输出,加入了电流扩展电路。该扩展电路采用简单常用的图腾柱式电流扩展方法。功率三极管使用大功率的2N1346,同时连接散热片并加装散热风扇,以保证电路稳定工作。
2.2.2 差动放大电路
输出电流经采样电阻Rm采样,接入差动放大电路的输入端。在电流源电路中,采样电阻的精确程度和温度稳定性直接关系到电流输出的稳定性。因此系统中采样电阻使用精密金属膜电阻,该电阻温漂小于5×10-6 ℃-1,阻值为2 Ω,额定功率为10 W。
差动放大电路使用较常用的仪用放大器,电路原理如图5所示。
仪用放大电路具有较高的输入阻抗,能够避免采样电路对电流源的影响;同时又具有较大的共模抑制比,保证采样的准确性,避免干扰。由于采样电阻Rm上流经的电流变化范围是0~300 mA,范围较大,所以将差动放大电路的放大倍数设置为1。
2.2.3 数/模和模/数转换
数/模转换采用C8051F021单片机内部集成的DAC1,DAC的输出在每次中断时根据A/D的采样值计算后进行更新。
模/数转换采用单片机内部集成的12位逐次逼近寄存器型ADC。A/D和D/A的电压基准VREF由片外的LM336基准稳压源提供。
图5 差动放大电路
2.3 快门控制
为了防止LED光强对PMT造成损伤,在样品室与PMT之间加装了电子快门来保护PMT。开启LED时,快门关闭;激发光源照射样品结束时,LED熄灭,快门打开,PMT开始采集样品的发光。由于延迟发光快速衰减,为了保证能够及时采集延迟发光,该系统采用的电子快门的响应时间为1 μs,快门驱动电压为(12±0.1)V,电路接通则快门开启,断开则快门自动关闭,控制简单。但电子快门对电压稳定度要求较高,需要采用单独的稳压电源供电,否则有可能因电压波动造成快门意外关闭。
电子快门驱动电路如图6所示,开关管连接单片机P2.7口,由单片机控制快门的开启和关闭。当单片机P2.7口输出为“0”时,快门关闭;当单片机P2.7口输出为“1”时,快门打开。用示波器测量驱动电路的延迟时间在1 μs以内,考虑到快门的延迟也在1 μs,可以认为快门总体的延迟对测量的影响可以忽略。
图6 快门控制电路
3 系统软件设计
系统软件部分采用模块化设计方法,将整个程序划分为若干模块,通过主程序对各个子模块的调用,将模块连接成一个完整的程序。
根据系统控制功能的要求,确定了系统软件的主要功能有:系统初始化,寄存器设定,键盘设定初始值(光照时间,快门开启时间,流过LED的电流值大小),液晶显示控制,电子快门控制。根据软件的功能要求,图7给出程序总体流程结构图,图8表示各模块之间的逻辑关系。
图7 系统工作流程图
图8 模块之间的逻辑关系图
4 仪器测试
系统硬件连接完成,软件调试通过后。接着对仪器进行了测试。
4.1 光源测试
使LED驱动电路的电流在0~300 mA范围变化,测试LED的发光强度。测出驱动电流与光强的关系如图9所示。
图9 LED驱动电流与光照强度关系
4.2 暗噪声测试
图10使用本系统测试的本底值,测量时的温度为24 ℃,积分时间为0.5 s,PMT加载负高压1 000 V。由图10可见,暗室的背景噪声在50 c/s (counts per second) 之下,计算得出本底噪声的平均光子计数为2748 c/s,结果较为理想。
4.3 样品测试
图10 超弱发光检测系统本底值
完成系统的研制后,对金心吊兰叶片的生物光子辐射延迟发光进行检测。首先将样品放入暗室中黑暗处理5 min,而后用蓝色LED光源光照1 min,测量其延迟发光衰减曲线,测量时间50 s,间隔1 s,重复测量┤次,探测结果如图11所示。分别对三组测量数据之间的相关度进行拟合,结果表明,三组测量数据之间的相关系数均接近0.999(见图12(a)~(c)),结果表明该系统测量具有良好的可重复性,测量精度高。
图11 金心吊兰三次延迟发光曲线对比
图12 相关曲线
5 结 语
本文设计了用于测量生物超弱发光的专用测量系统,系统的激发光源由单颗高亮度大功率LED及光学系统构成,用压恒流源调整LED光照强度,通过电子快门精确控制光探测器的采集时间,暗室的背景噪声在50 c/s之下。应用本系统测量金心吊兰叶片的延迟发光的结果表明,该系统测量精度高、重复性好,得到了较理想的测量结果。
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