专利名称：一种手持式生物荧光检测仪及检测方法
技术领域：
本发明涉及一种手持式生物荧光检测仪及检测方法。本发明所提供的检测方法及 仪器可用于微弱生物荧光的高灵敏检测及分析，属于先进制造与自动化技术领域。
背景技术：
荧光检测技术是分析化学中一种常用的检测技术，该技术利用某些物质(被激发 后)所诱发出的可反映出该物质特性的荧光，进行定性或定量分析。目前，荧光检测技术已 被广泛地应用于生物学、分析化学、勘探及环境监测等领域。在这些领域中，常用的荧光及 分析检测仪器包括荧光显微镜、共聚焦荧光显微镜、荧光分光光度计以及荧光光谱仪等。 然而，这些仪器往往功能单一，而且体积庞大，无法便携，这无法满足室外复杂现场样品的 快速实时检测。同时，环境中的生物荧光信号往往比较复杂荧光的光强变化较大，荧光的 光谱范围较宽(不同样品的特征峰不同)。将特定波长范围内的荧光光强转换为电信号的光电转换模块是实现手持式荧光 检测过程的关键技术之一。近年来，小型化光电转换器件的陆续出现，这其中包括光电管 (Phototube)，光电二级管(Photo-Diode)等。目前，有使用这些光电转换模块制作手持式 的细菌总数检测仪，如Hygiena公司的SystemSURE系列产品采用光电管。然而，光电管及 光电二极管暗电流较大，特别是其灵敏度较低，而需检测的荧光信号往往比较微弱，这样就 限制了仪器的检测性能及使用范围。光电倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)是一种具 有极高灵敏度，低噪声和超快时间响应的光探测器件。将小型化的光电倍增管结合适当的 光学及电学模块，使得手持式的荧光检测系统成为可能。然而，至今仍未见使用小型化光电 倍增管制作手持式荧光检测系统的实例。本发明提供一种生物荧光检测的手持式仪器，该 仪器集成小型化的光电倍增管，结合适当的光学和电学模块，满足室外复杂现场样品的快 速实时荧光检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种手持式生物荧光检测仪及检测方法，所述的生物荧光检 测方法可以用于生物荧光信号(荧光信号的光通量在1皮流明 1毫流明，生物荧光信号 的光谱范围300nm 750nm)的检测。本发明的目的是通过以下措施来达到的所述的手持式生物荧光检测仪，包括光 学检测模块、信号采集模块、信号处理模块、传输模块和电源模块。在光学检测模块中集成 转轮式滤光片(覆盖300nm 750nm范围)，通过电路控制选用合适的滤光片完成特定波 谱范围内荧光信号的滤波任务。光电倍增管经外围电路选择合适的灵敏度，完成光电转换， 将此荧光信号换为电信号。信号采集模块和信号处理模块完成信号的采集，滤波及处理任 务，并将结果反馈于光学检测模块，自动地控制光学检测模块的检测参数；电源模块具有多 路输出，提供上述各模块的工作电压。①所述的转轮式滤光片覆盖300-750nm波长范围，光电倍增管的响应波长范围与滤光片波长范围一致，也为300-750nm ；②光电倍增管的灵敏度在50A/流明-0. 0001A/流明范围内可调；③信号采集模块采用电阻和低频滤波方式，通过二级级联结构的信号采集放大电 路，有效采集皮安量级的电流信号；④所述的电源模块采用MAX 856或MAX 743芯片，分别提供5V及士 12V的电压输 出，具有多路输出，分别用于信号处理机和运算放大器的工作电压。本发明的检测仪及检测方法可有效地解决手持式仪器难以检测弱荧光信号的传 统问题。所述检测仪的检测步骤是(1)被检测的生物样品放置在光学检测模块中的样品池内；(2)通过控制电路选择合适的滤光片；(3)光电倍增管采集生物样品的荧光信号，将荧光信号转换为电流输出信号；(4)信号采集模块实现光电倍增管电流信号的采集和放大；(5)信号处理模块具有数字滤波功能和反馈功能，采用单片机结合模数转换芯片 完成信号的读入与处理过程，并通过另一数模转换芯片将结果反馈给光学检测模块，以控 制输出电压、滤光片的选用及调节光电倍增管检测灵敏度和增益；(6)最后由信号显示及传输模块显示步骤(5)的控制过程和检测结果。
图1为细菌总数检测装置结构的原理示意图；图2为光学检测模块的原理示意图；图3为信号采集模块的电路图；图4为信号处理模块的电路图。
具体实施例方式下面针对微量三磷酸腺苷(ATP)检测的需求，采用本发明提出的检测仪器及检测 方法，结合附图，说明符合本发明的具体实施方案。检测仪器主要包括光学检测模块1、信号采集模块2、信号处理模块3、信号显示及 传输模块4和电源模块5。光学检测模块1主要包括滤光片8和光电倍增管9两部分，其 中光电倍增管PMT选用日本滨松公司的H6780光电倍增管。该光电倍增管的响应范围为 300nm 750nm之间，且灵敏度为50A/流明。光学检测模块1组装在由金属铝材料加工的 密封腔体10内，有效地屏蔽外界光及电磁干扰的影响，提高了检测灵敏度；检测时，生物样 品放入光学检测模块1中的样品池6内，通过控制电机7旋转转轮，选取合适的滤光片8 ( 600nm)。然后，光电倍增管采集生物样品的荧光信号，将其转换为电流输出信号。信号采集 模块2用于实现PMT输出电流信号采集及放大。由于低浓度ATP反应释放荧光信号极其微 弱，PMT有效输出为低频的pA nA级的电流信号。因此信号采集模块2采用基于采样电 阻11和低频滤波12方式、二级级联结构的信号采集放大电路，其中，第一级11放大倍数 为1 X 108V/A,第二级12放大倍数为100倍。信号处理模块3采用单片机STC89C5213结合 模数转换芯片MAX19715完成信号的读入与处理过程，数模转换芯片MAX53014用于输出控 制电压，完成滤光片的选用及调节PMT模块检测灵敏度和增益。传输模块4采用大连佳显电子有限公司的液晶显示模块YMU864J，用于显示控制过程及检测结果。电源模块5采用 MAX856及MAX743芯片，分别提供5V及士 12V的电压输出。
权利要求
1.一种手持式生物荧光检测仪，其特征在于所述的检测仪包括光学检测模块、信号采 集模块、信号处理模块、显示及传输模块和电源模块；光学检测模块中集成转轮式滤光片， 通过电路控制选择合适的滤光片完成特定波谱范围内荧光信号的滤出任务；光电倍增管经 过外围电路选择合适的灵敏度，完成光电转换，并将此荧光信号转为电信号；信号采集模块 和信号处理模块完成信号的采集，滤波和处理，并将结果反馈于光学模块，自动地控制光学 模块的检测参数；电源模块具有多路输出，提供上述个模块的工作电压。
2.按权利要求1所述的检测仪，其特征在于所述的转轮式滤光片覆盖300-750nm波长 范围，光电倍增管的响应波长范围与滤光片波长范围一致，也为300-750nm。
3.按权利要求2所述的检测仪，其特征在于光电倍增管的灵敏度在50A/流 明-0. 0001A/流明范围内可调。
4.按权利要求1所述的检测仪，其特征在于信号采集模块采用电阻和低频滤波方式， 通过二级级联结构的信号采集放大电路，有效采集皮安量级的电流信号。
5.按权利要求1所述的检测仪，其特征在于第一级电阻放大倍数为1X 108V/A，第二级 放大倍数为100倍。
6.按权利要求1所述的检测仪，其特征在于所述的电源模块采用MAX856或MAX743芯 片，分别提供5V及士 12V的电压输出，具有多路输出，分别用于信号处理机和运算放大器的 工作电压。
7.使用权利要求1-6中任一项所述的检测仪的检测方法，其特征在于具体步骤为(1)被检测的生物样品放置在光学检测模块中的样品池内；(2)通过控制电路选择合适的滤光片；(3)光电倍增管采集生物样品的荧光信号，将荧光信号转换为电流输出信号；(4)信号采集模块实现光电倍增管电流信号的采集和放大；(5)信号处理模块具有数字滤波功能和反馈功能，采用单片机结合模数转换芯片完成 信号的读入与处理过程，并通过另一数模转换芯片将结果反馈给光学检测模块，以控制输 出电压、滤光片的选用及调节光电倍增管检测灵敏度和增益；(6)最后由信号显示及传输模块显示步骤(5)的控制过程和检测结果。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于检测三磷酸腺苷时，①选用光电倍增管为日 本宾松公司的H6780光电倍增管；②选用滤光片波长为600nm ；③信号处理模块采用的单片 机为STC89C52 ；用于输出控制电压的数模转换芯片型号为MAX530，完成信号的读入与处理 过程的模数转换芯片的型号为MAX197。
全文摘要
本发明涉及一种手持式生物荧光检测仪及检测方法。其特征在于所述的手持式仪器包括光学检测模块1、信号采集模块2、信号处理模块3、信号显示及传输模块4和电源模块5。该手持式仪器的检测方法特征在于光学检测模块1将待检测的生物荧光信号转化为电信号，此电信号经信号采集模块2传输至信号处理模块3，信号处理模块完成结果的显示以及传输任务，同时向光学检测模块1提供反馈控制量。电源模块5用于向上述各模块提供适合的工作电压。使用本发明的检测仪以及检测方法能有效地解决手持仪器难以检测弱荧光信号的传统问题。
文档编号G01N21/64GK102147365SQ201010607460
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者周洪波, 葛玉卿, 赵建龙, 金庆辉 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所