生物超弱發(fā)光采集系統(tǒng)及控制電路設(shè)計(jì)

摘要：生物超弱發(fā)光是生物系統(tǒng)在生命活動(dòng)中的微弱發(fā)光現(xiàn)象。為了準(zhǔn)確測(cè)量生物超弱發(fā)光，設(shè)計(jì)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(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，用壓控恒流源調(diào)整LED光照強(qiáng)度，通過(guò)電子快門精確控制光探測(cè)器的采集時(shí)間。測(cè)量金心吊蘭葉片的延遲發(fā)光結(jié)果表明，該系統(tǒng)測(cè)量精度高、重復(fù)性好。
關(guān)鍵詞：生物超弱發(fā)光；檢測(cè)；電子快門；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。現(xiàn)在已經(jīng)證明，它與生理代謝、光合作用和細(xì)胞分裂等等許多生命過(guò)程有關(guān)，并且對(duì)環(huán)境極為敏感。由于生物超弱發(fā)光蘊(yùn)涵著豐富的生命信息，對(duì)其探測(cè)、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(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理以及農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療、食品衛(wèi)生等許多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。由于生物超弱發(fā)光的強(qiáng)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(cè)量，至今未見(jiàn)成熟的專用儀器，給研究帶來(lái)困難。鑒于此，本文開(kāi)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(cè)器整合在一起，通過(guò)單片機(jī)精確控制激發(fā)光源的光照時(shí)間與電子快門的開(kāi)啟時(shí)間，使超弱發(fā)光尤其是延遲發(fā)光重復(fù)性測(cè)量的精度大大提高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)測(cè)量生物超弱發(fā)光的時(shí)域信息，采用單光子計(jì)數(shù)探測(cè)系統(tǒng)。主要包括激發(fā)光源、光源驅(qū)動(dòng)電路、快門控制模塊、光探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、溫度控制模塊、暗室和計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

樣品放在暗室中測(cè)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(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(jī)精確控制光強(qiáng)和輻照時(shí)間，溫度控制器保持樣品處于恒溫狀態(tài)，快門驅(qū)動(dòng)模塊按照預(yù)設(shè)程序控制電子快門的開(kāi)閉，PMT進(jìn)行生物發(fā)光的采集。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 主控制電路
主控電路負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，進(jìn)行光照時(shí)間、光照強(qiáng)度和快門開(kāi)閉的控制，結(jié)構(gòu)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、快門開(kāi)關(guān)控制、LCD顯示、鍵盤接口和溫度控制模塊。

2．2 激發(fā)光源及其驅(qū)動(dòng)電路
生物體的自發(fā)發(fā)光強(qiáng)度較穩(wěn)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(cè)量，光照結(jié)束時(shí)間和測(cè)量開(kāi)始時(shí)間的間隔很難控制，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的技能要求較高。如果采用光源內(nèi)置的方法，就能很好地解決這個(gè)問(wèn)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(guò)透鏡變換為平行光，保證樣品受光面的光強(qiáng)均勻分布。激發(fā)光源采用藍(lán)色LED，中心波長(zhǎng)為467nm，帶寬為20nm，可以滿足一般實(shí)驗(yàn)要求。也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，將藍(lán)色LED更換為紅色、綠色和紫色等顏色的LED。
對(duì)LED光強(qiáng)的控制通過(guò)改變注入LED的電流大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)的精度，要保證LED驅(qū)動(dòng)電流的恒流性，還要使得電路的電流大小可調(diào)，實(shí)現(xiàn)光源亮度的調(diào)節(jié)。因此，系統(tǒng)選用精密數(shù)控大功率電流源電路作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)電路。電路的原理圖如圖3所示。

驅(qū)動(dòng)電路主要由微處理器、液晶顯示與鍵盤輸入、數(shù)／模轉(zhuǎn)換與模／數(shù)轉(zhuǎn)換、壓控恒流源、差動(dòng)放大電路等子模塊組成。