生物超弱發(fā)光采集系統及控制電路設計

摘要：生物超弱發(fā)光是生物系統在生命活動(dòng)中的微弱發(fā)光現象。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(zhuān)用采集系統。系統的激發(fā)光源由單只大功率LED及光學(xué)系統構成，用壓控恒流源調整LED光照強度，通過(guò)電子快門(mén)精確控制光探測器的采集時(shí)間。測量金心吊蘭葉片的延遲發(fā)光結果表明，該系統測量精度高、重復性好。
關(guān)鍵詞：生物超弱發(fā)光；檢測；電子快門(mén)；壓控恒流源

O 引言
生物超弱發(fā)光是生物在生命活動(dòng)過(guò)程中，輻射出的一種極其微弱的光子流，分為自發(fā)發(fā)光和延遲發(fā)光?，F在已經(jīng)證明，它與生理代謝、光合作用和細胞分裂等等許多生命過(guò)程有關(guān)，并且對環(huán)境極為敏感。由于生物超弱發(fā)光蘊涵著(zhù)豐富的生命信息，對其探測、分析與解讀是近十幾年來(lái)許多領(lǐng)域共同關(guān)心的課題。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、醫療、食品衛生等許多領(lǐng)域的應用潛力。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(lái)激發(fā)光的精確控制和微弱自體發(fā)光的實(shí)時(shí)測量，至今未見(jiàn)成熟的專(zhuān)用儀器，給研究帶來(lái)困難。鑒于此，本文開(kāi)發(fā)了一類(lèi)利用LED激發(fā)的生物超弱發(fā)光采集系統，將LED激發(fā)光源、電子快門(mén)和光探測器整合在一起，通過(guò)單片機精確控制激發(fā)光源的光照時(shí)間與電子快門(mén)的開(kāi)啟時(shí)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 系統總體設計
該系統測量生物超弱發(fā)光的時(shí)域信息，采用單光子計數探測系統。主要包括激發(fā)光源、光源驅動(dòng)電路、快門(mén)控制模塊、光探測器、數據采集與處理模塊、溫度控制模塊、暗室和計算機。系統總體結構如圖1所示。

樣品放在暗室中測量，隔絕外界光線(xiàn)影響。單只大功率超高亮度LED發(fā)出的光經(jīng)過(guò)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(shí)間，溫度控制器保持樣品處于恒溫狀態(tài)，快門(mén)驅動(dòng)模塊按照預設程序控制電子快門(mén)的開(kāi)閉，PMT進(jìn)行生物發(fā)光的采集。

2 系統硬件設計
2．1 主控制電路
主控電路負責整個(gè)系統的正常運行，進(jìn)行光照時(shí)間、光照強度和快門(mén)開(kāi)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(shí)間控制、快門(mén)開(kāi)關(guān)控制、LCD顯示、鍵盤(pán)接口和溫度控制模塊。

2．2 激發(fā)光源及其驅動(dòng)電路
生物體的自發(fā)發(fā)光強度較穩定，而延遲發(fā)光隨時(shí)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(jìn)暗室測量，光照結束時(shí)間和測量開(kāi)始時(shí)間的間隔很難控制，對實(shí)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(gè)問(wèn)題。
系統采用單只大功率發(fā)光二極管(LED)作為激發(fā)光源，通過(guò)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(cháng)為467nm，帶寬為20nm，可以滿(mǎn)足一般實(shí)驗要求。也可以根據實(shí)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(guò)改變注入LED的電流大小來(lái)實(shí)現。為了保證實(shí)驗的精度，要保證LED驅動(dòng)電流的恒流性，還要使得電路的電流大小可調，實(shí)現光源亮度的調節。因此，系統選用精密數控大功率電流源電路作為L(cháng)ED的驅動(dòng)電路。電路的原理圖如圖3所示。

驅動(dòng)電路主要由微處理器、液晶顯示與鍵盤(pán)輸入、數／模轉換與模／數轉換、壓控恒流源、差動(dòng)放大電路等子模塊組成。