摘 要:生物超弱發(fā)光是生物系統(tǒng)在生命活動中的微弱發(fā)光現(xiàn)象。為了準確測量生物超弱發(fā)光，設計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及光學系統(tǒng)構成，用壓控恒流源調整LED光照強度，通過電子快門精確控制光探測器的采集時間。測量金心吊蘭葉片的延遲發(fā)光結果表明，該系統(tǒng)測量精度高、重復性好。

關鍵詞:生物超弱發(fā)光; 檢測; 電子快門; 壓控恒流源

中圖分類號:TN710-34文獻標識碼:A

文章編號: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?，F(xiàn)在已經證明，它與生理代謝、光合作用和細胞分裂等等許多生命過程有關，并且對環(huán)境極為敏感[2-3]。由于生物超弱發(fā)光蘊涵著豐富的生命信息，對其探測、分析與解讀是近十幾年來許多領域共同關心的課題[4-5]。目前，已有不少研究，展示出其在揭示生命運轉機理以及農業(yè)、環(huán)境保護、醫(yī)療、食品衛(wèi)生等許多領域的應用潛力[3，6-10]。由于生物超弱發(fā)光的強度較弱，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)光的實時測量，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、電子快門和光探測器整合在一起，通過單片機精確控制激發(fā)光源的光照時間與電子快門的開啟時間，使超弱發(fā)光尤其是延遲發(fā)光重復性測量的精度大大提高。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)測量生物超弱發(fā)光的時域信息，采用單光子計數(shù)探測系統(tǒng)。主要包括激發(fā)光源、光源驅動電路、快門控制模塊、光探測器、數(shù)據采集與處理模塊、溫度控制模塊、暗室和計算機。系統(tǒng)總體結構如圖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，中控模塊的單片機精確控制光強和輻照時間，溫度控制器保持樣品處于恒溫狀態(tài)，快門驅動模塊按照預設程序控制電子快門的開閉，PMT進行生物發(fā)光的采集。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控制電路

主控電路負責整個系統(tǒng)的正常運行，進行光照時間、光照強度和快門開閉的控制，結構框圖如圖2所示。主要包括微處理器、壓控電流源、光照時間控制、快門開關控制、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)光源及其驅動電路

生物體的自發(fā)發(fā)光強度較穩(wěn)定，而延遲發(fā)光隨時間衰減很快，若將樣品用激發(fā)光源在暗室外照射后再拿進暗室測量，光照結束時間和測量開始時間的間隔很難控制，對實驗人員的技能要求較高。如果采用光源內置的方法，就能很好地解決這個問題。

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均勻分布。激發(fā)光源采用藍色LED，中心波長為467 nm，帶寬為20 nm，可以滿足一般實驗要求。也可以根據實驗的要求，將藍色LED更換為紅色、綠色和紫色等顏色的LED。

對LED光強的控制通過改變注入LED的電流大小來實現(xiàn)。為了保證實驗的精度，要保證LED驅動電流的恒流性，還要使得電路的電流大小可調，實現(xiàn)光源亮度的調節(jié)。因此，系統(tǒng)選用精密數(shù)控大功率電流源電路作為LED的驅動電路。電路的原理圖如圖3所示。

圖3 LED驅動電路方框圖

驅動電路主要由微處理器、液晶顯示與鍵盤輸入、數(shù)/模轉換與模/數(shù)轉換、壓控恒流源、差動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驅動電路的重要組成部分，它的功能是通過調節(jié)控制電壓來達到對電流的控制，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構成電壓跟隨器，運放的高輸入阻抗，近似可以認為U1B沒有分流作用，則流經V2的電流全部流入負載RL，并且有V3=V2。U1C和電阻R10，R11，R12構成反相器，有V4=-V3=-V2。U1A和電阻R1，R2，R3，R13構成反向加法器電路，輸入信號分別為Vi和V4，輸出電壓V1=-(Vi+V4)，又因為V4=-V2，所以輸出電壓V1=-(Vi-V2)。運放UB1并無分流作用，因此電阻Rm兩端的電壓為Vm=V1-V2=-Vi，流經Rm和負載RL的電流相等，都為I=Vm/Rm=-Vi/Rm?？梢钥闯?，負載上的電流由輸入電壓Vi和電阻Rm共同決定，只要這兩個量不變，電流就會保持恒定。通過改變數(shù)模轉換器的輸出電壓，即可調節(jié)負載RL上的電流。

圖4 壓控恒流源電路

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

2.2.2 差動放大電路

輸出電流經采樣電阻Rm采樣，接入差動放大電路的輸入端。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電流源的影響;同時又具有較大的共模抑制比，保證采樣的準確性，避免干擾。由于采樣電阻Rm上流經的電流變化范圍是0~300 mA，范圍較大，所以將差動放大電路的放大倍數(shù)設置為1。

2.2.3 數(shù)/模和模/數(shù)轉換

數(shù)/模轉換采用C8051F021單片機內部集成的DAC1，DAC的輸出在每次中斷時根據A/D的采樣值計算后進行更新。

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

圖5 差動放大電路

2.3 快門控制

為了防止LED光強對PMT造成損傷，在樣品室與PMT之間加裝了電子快門來保護PMT。開啟LED時，快門關閉;激發(fā)光源照射樣品結束時，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，為了保證能夠及時采集延遲發(fā)光，該系統(tǒng)采用的電子快門的響應時間為1 μs，快門驅動電壓為(12±0.1)V，電路接通則快門開啟，斷開則快門自動關閉，控制簡單。但電子快門對電壓穩(wěn)定度要求較高，需要采用單獨的穩(wěn)壓電源供電，否則有可能因電壓波動造成快門意外關閉。

電子快門驅動電路如圖6所示，開關管連接單片機P2.7口，由單片機控制快門的開啟和關閉。當單片機P2.7口輸出為“0”時，快門關閉;當單片機P2.7口輸出為“1”時，快門打開。用示波器測量驅動電路的延遲時間在1 μs以內，考慮到快門的延遲也在1 μs，可以認為快門總體的延遲對測量的影響可以忽略。

圖6 快門控制電路

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設計方法，將整個程序劃分為若干模塊，通過主程序對各個子模塊的調用，將模塊連接成一個完整的程序。

根據系統(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，寄存器設定，鍵盤設定初始值(光照時間，快門開啟時間，流過LED的電流值大小)，液晶顯示控制，電子快門控制。根據軟件的功能要求，圖7給出程序總體流程結構圖，圖8表示各模塊之間的邏輯關系。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

圖8 模塊之間的邏輯關系圖

4 儀器測試

系統(tǒng)硬件連接完成，軟件調試通過后。接著對儀器進行了測試。

4.1 光源測試

使LED驅動電路的電流在0~300 mA范圍變化，測試LED的發(fā)光強度。測出驅動電流與光強的關系如圖9所示。

圖9 LED驅動電流與光照強度關系

4.2 暗噪聲測試

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

4.3 樣品測試

圖10 超弱發(fā)光檢測系統(tǒng)本底值

完成系統(tǒng)的研制后，對金心吊蘭葉片的生物光子輻射延遲發(fā)光進行檢測。首先將樣品放入暗室中黑暗處理5 min，而后用藍色LED光源光照1 min，測量其延遲發(fā)光衰減曲線，測量時間50 s，間隔1 s，重復測量三次，探測結果如圖11所示。分別對三組測量數(shù)據之間的相關度進行擬合，結果表明，三組測量數(shù)據之間的相關系數(shù)均接近0.999(見圖12(a)~(c))，結果表明該系統(tǒng)測量具有良好的可重復性，測量精度高。

圖11 金心吊蘭三次延遲發(fā)光曲線對比

圖12 相關曲線

5 結 語

本文設計了用于測量生物超弱發(fā)光的專用測量系統(tǒng)，系統(tǒng)的激發(fā)光源由單顆高亮度大功率LED及光學系統(tǒng)構成，用壓恒流源調整LED光照強度，通過電子快門精確控制光探測器的采集時間，暗室的背景噪聲在50 c/s之下。應用本系統(tǒng)測量金心吊蘭葉片的延遲發(fā)光的結果表明，該系統(tǒng)測量精度高、重復性好，得到了較理想的測量結果。

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