一種手持式生物螢光檢測儀及檢測方法
2023-05-21 23:33:01
專利名稱：一種手持式生物螢光檢測儀及檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種手持式生物螢光檢測儀及檢測方法。本發明所提供的檢測方法及 儀器可用於微弱生物螢光的高靈敏檢測及分析，屬於先進位造與自動化技術領域。
背景技術：
螢光檢測技術是分析化學中一種常用的檢測技術，該技術利用某些物質(被激發 後)所誘發出的可反映出該物質特性的螢光，進行定性或定量分析。目前，螢光檢測技術已 被廣泛地應用於生物學、分析化學、勘探及環境監測等領域。在這些領域中，常用的螢光及 分析檢測儀器包括螢光顯微鏡、共聚焦螢光顯微鏡、螢光分光光度計以及螢光光譜儀等。 然而，這些儀器往往功能單一，而且體積龐大，無法便攜，這無法滿足室外複雜現場樣品的 快速實時檢測。同時，環境中的生物螢光信號往往比較複雜螢光的光強變化較大，螢光的 光譜範圍較寬(不同樣品的特徵峰不同)。將特定波長範圍內的螢光光強轉換為電信號的光電轉換模塊是實現手持式螢光 檢測過程的關鍵技術之一。近年來，小型化光電轉換器件的陸續出現，這其中包括光電管 (Phototube)，光電二級管(Photo-Diode)等。目前，有使用這些光電轉換模塊製作手持式 的細菌總數檢測儀，如Hygiena公司的SystemSURE系列產品採用光電管。然而，光電管及 光電二極體暗電流較大，特別是其靈敏度較低，而需檢測的螢光信號往往比較微弱，這樣就 限制了儀器的檢測性能及使用範圍。光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)是一種具 有極高靈敏度，低噪聲和超快時間響應的光探測器件。將小型化的光電倍增管結合適當的 光學及電學模塊，使得手持式的螢光檢測系統成為可能。然而，至今仍未見使用小型化光電 倍增管制作手持式螢光檢測系統的實例。本發明提供一種生物螢光檢測的手持式儀器，該 儀器集成小型化的光電倍增管，結合適當的光學和電學模塊，滿足室外複雜現場樣品的快 速實時螢光檢測。
發明內容
本發明的目的是提供一種手持式生物螢光檢測儀及檢測方法，所述的生物螢光檢 測方法可以用於生物螢光信號(螢光信號的光通量在1皮流明 1毫流明，生物螢光信號 的光譜範圍300nm 750nm)的檢測。本發明的目的是通過以下措施來達到的所述的手持式生物螢光檢測儀，包括光 學檢測模塊、信號採集模塊、信號處理模塊、傳輸模塊和電源模塊。在光學檢測模塊中集成 轉輪式濾光片(覆蓋300nm 750nm範圍)，通過電路控制選用合適的濾光片完成特定波 譜範圍內螢光信號的濾波任務。光電倍增管經外圍電路選擇合適的靈敏度，完成光電轉換， 將此螢光信號換為電信號。信號採集模塊和信號處理模塊完成信號的採集，濾波及處理任 務，並將結果反饋於光學檢測模塊，自動地控制光學檢測模塊的檢測參數；電源模塊具有多 路輸出，提供上述各模塊的工作電壓。①所述的轉輪式濾光片覆蓋300-750nm波長範圍，光電倍增管的響應波長範圍與濾光片波長範圍一致，也為300-750nm ；②光電倍增管的靈敏度在50A/流明-0. 0001A/流明範圍內可調；③信號採集模塊採用電阻和低頻濾波方式，通過二級級聯結構的信號採集放大電 路，有效採集皮安量級的電流信號；④所述的電源模塊採用MAX 856或MAX 743晶片，分別提供5V及士 12V的電壓輸 出，具有多路輸出，分別用於信號處理機和運算放大器的工作電壓。本發明的檢測儀及檢測方法可有效地解決手持式儀器難以檢測弱螢光信號的傳 統問題。所述檢測儀的檢測步驟是(1)被檢測的生物樣品放置在光學檢測模塊中的樣品池內；(2)通過控制電路選擇合適的濾光片；(3)光電倍增管採集生物樣品的螢光信號，將螢光信號轉換為電流輸出信號；(4)信號採集模塊實現光電倍增管電流信號的採集和放大；(5)信號處理模塊具有數字濾波功能和反饋功能，採用單片機結合模數轉換晶片 完成信號的讀入與處理過程，並通過另一數模轉換晶片將結果反饋給光學檢測模塊，以控 制輸出電壓、濾光片的選用及調節光電倍增管檢測靈敏度和增益；(6)最後由信號顯示及傳輸模塊顯示步驟(5)的控制過程和檢測結果。
圖1為細菌總數檢測裝置結構的原理示意圖；圖2為光學檢測模塊的原理示意圖；圖3為信號採集模塊的電路圖；圖4為信號處理模塊的電路圖。
具體實施例方式下面針對微量三磷酸腺苷(ATP)檢測的需求，採用本發明提出的檢測儀器及檢測 方法，結合附圖，說明符合本發明的具體實施方案。檢測儀器主要包括光學檢測模塊1、信號採集模塊2、信號處理模塊3、信號顯示及 傳輸模塊4和電源模塊5。光學檢測模塊1主要包括濾光片8和光電倍增管9兩部分，其 中光電倍增管PMT選用日本濱松公司的H6780光電倍增管。該光電倍增管的響應範圍為 300nm 750nm之間，且靈敏度為50A/流明。光學檢測模塊1組裝在由金屬鋁材料加工的 密封腔體10內，有效地屏蔽外界光及電磁幹擾的影響，提高了檢測靈敏度；檢測時，生物樣 品放入光學檢測模塊1中的樣品池6內，通過控制電機7旋轉轉輪，選取合適的濾光片8 ( 600nm)。然後，光電倍增管採集生物樣品的螢光信號，將其轉換為電流輸出信號。信號採集 模塊2用於實現PMT輸出電流信號採集及放大。由於低濃度ATP反應釋放螢光信號極其微 弱，PMT有效輸出為低頻的pA nA級的電流信號。因此信號採集模塊2採用基於採樣電 阻11和低頻濾波12方式、二級級聯結構的信號採集放大電路，其中，第一級11放大倍數 為1 X 108V/A,第二級12放大倍數為100倍。信號處理模塊3採用單片機STC89C5213結合 模數轉換晶片MAX19715完成信號的讀入與處理過程，數模轉換晶片MAX53014用於輸出控 制電壓，完成濾光片的選用及調節PMT模塊檢測靈敏度和增益。傳輸模塊4採用大連佳顯電子有限公司的液晶顯示模塊YMU864J，用於顯示控制過程及檢測結果。電源模塊5採用 MAX856及MAX743晶片，分別提供5V及士 12V的電壓輸出。
權利要求
1.一種手持式生物螢光檢測儀，其特徵在於所述的檢測儀包括光學檢測模塊、信號採 集模塊、信號處理模塊、顯示及傳輸模塊和電源模塊；光學檢測模塊中集成轉輪式濾光片， 通過電路控制選擇合適的濾光片完成特定波譜範圍內螢光信號的濾出任務；光電倍增管經 過外圍電路選擇合適的靈敏度，完成光電轉換，並將此螢光信號轉為電信號；信號採集模塊 和信號處理模塊完成信號的採集，濾波和處理，並將結果反饋於光學模塊，自動地控制光學 模塊的檢測參數；電源模塊具有多路輸出，提供上述個模塊的工作電壓。
2.按權利要求1所述的檢測儀，其特徵在於所述的轉輪式濾光片覆蓋300-750nm波長 範圍，光電倍增管的響應波長範圍與濾光片波長範圍一致，也為300-750nm。
3.按權利要求2所述的檢測儀，其特徵在於光電倍增管的靈敏度在50A/流 明-0. 0001A/流明範圍內可調。
4.按權利要求1所述的檢測儀，其特徵在於信號採集模塊採用電阻和低頻濾波方式， 通過二級級聯結構的信號採集放大電路，有效採集皮安量級的電流信號。
5.按權利要求1所述的檢測儀，其特徵在於第一級電阻放大倍數為1X 108V/A，第二級 放大倍數為100倍。
6.按權利要求1所述的檢測儀，其特徵在於所述的電源模塊採用MAX856或MAX743芯 片，分別提供5V及士 12V的電壓輸出，具有多路輸出，分別用於信號處理機和運算放大器的 工作電壓。
7.使用權利要求1-6中任一項所述的檢測儀的檢測方法，其特徵在於具體步驟為(1)被檢測的生物樣品放置在光學檢測模塊中的樣品池內；(2)通過控制電路選擇合適的濾光片；(3)光電倍增管採集生物樣品的螢光信號，將螢光信號轉換為電流輸出信號；(4)信號採集模塊實現光電倍增管電流信號的採集和放大；(5)信號處理模塊具有數字濾波功能和反饋功能，採用單片機結合模數轉換晶片完成 信號的讀入與處理過程，並通過另一數模轉換晶片將結果反饋給光學檢測模塊，以控制輸 出電壓、濾光片的選用及調節光電倍增管檢測靈敏度和增益；(6)最後由信號顯示及傳輸模塊顯示步驟(5)的控制過程和檢測結果。
8.按權利要求7所述的方法，其特徵在於檢測三磷酸腺苷時，①選用光電倍增管為日 本賓松公司的H6780光電倍增管；②選用濾光片波長為600nm ；③信號處理模塊採用的單片 機為STC89C52 ；用於輸出控制電壓的數模轉換晶片型號為MAX530，完成信號的讀入與處理 過程的模數轉換晶片的型號為MAX197。
全文摘要
本發明涉及一種手持式生物螢光檢測儀及檢測方法。其特徵在於所述的手持式儀器包括光學檢測模塊1、信號採集模塊2、信號處理模塊3、信號顯示及傳輸模塊4和電源模塊5。該手持式儀器的檢測方法特徵在於光學檢測模塊1將待檢測的生物螢光信號轉化為電信號，此電信號經信號採集模塊2傳輸至信號處理模塊3，信號處理模塊完成結果的顯示以及傳輸任務，同時向光學檢測模塊1提供反饋控制量。電源模塊5用於向上述各模塊提供適合的工作電壓。使用本發明的檢測儀以及檢測方法能有效地解決手持儀器難以檢測弱螢光信號的傳統問題。
文檔編號G01N21/64GK102147365SQ201010607460
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月22日 優先權日2010年12月22日
發明者周洪波, 葛玉卿, 趙建龍, 金慶輝 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所