一种便携式干式荧光探测仪的制作方法

本实用新型涉及电子医学领域，具体涉及一种便携式干式荧光探测仪。

背景技术：

随着国外生物医疗技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前便携式快速检测技术在人体疾病的快速检测方面己经有了很大的应用。

免疫层析检测技术是一种快速、简便、灵敏、直观、价格低廉、可真正实现现场检测的检测方法。具有很多气相色谱、高效液相色谱、气质联用色谱、液质联用色谱、毛细管电泳等仪器检测方法以及其他传统方法无法企及的优点。在检测领域中处于特殊重要的地位，同时也是传统检测和仪器检测的良好补充。尤其在经济高速发展，生活水平提高的今天，人类重大疾病，环境污染，食品安全等问题日益受到极大的关注，让免疫层析检测技术更具有巨大的潜力和蓬勃的生命力。目前通用的荧光定量检测仪通常体积较大，不便于便携式应用，因此，限制了其在交通不便，不发达地区的发展。即使有一些商品化的产品，也存在着结构复杂，可靠性差，精度不高，操作难度大等缺点。因此，实现仪器便携，同时提高检测的稳定性和灵敏度是本领域需要解决的问题；如何快速便捷的应用这种先进的检测技术显得十分有意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足之处，提供一种价格低廉、功能实用、便于携带、精准测量的便携式干式荧光探测仪。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种便携式干式荧光探测仪，包括荧光激发模块、接收光路模块、扫描光机模块、信号调理模块、WIFI模块、蓝牙模块、信号采集模块以及定量软件系统，所述荧光激发模块、接收光路模块、扫描光机模块、信号调理模块、信号采集模块依次连接，所述信号采集模块分别与WIFI模块、蓝牙模块、定量软件系统连接。

其中，所述的荧光激发模块，包括LED光源、第一透镜、第一滤光片、第二透镜，LED光源位于第一透镜的焦点上，利用LED光源发出一束发散的光束，经过第一透镜后变成平行光，平行光经过第一滤光片后进入第二透镜，经过第二透镜后被聚焦到样品上，激发出荧光。

其中，所述LED光源从竖直方向照射样品，在光源右侧偏45°角方向进行光电转换器的信号接收与检测。

其中，所述的接收光路模块，包括第三透镜、第二滤光片、第四透镜、光电转换器，样品激发出的荧光被第三透镜收集后变为平行光，将平行光通过第二滤光片后，原来的激发光和杂散光将会被第二滤光片滤除掉，仅剩激发出的荧光信号通过，通过第二滤光片后的光被第四透镜收集聚焦到光电转换器上，实现光信号到电信号的转换。

其中，所述的扫描光机模块采用的是反射电式光电传感器，使用中反射电式光电传感器的前端面与被检测的样品表面保持平行，反射电式光电传感器的红外发射管的工作电流在大于等于2mA小于等于10mA。

其中，所述的扫描光机模块采用型号为RER-USB100W03M摄像头，其工作电压为5V，像素可达100万1280*720，支持自动曝光控制(AEC)、自动白平衡(AEB)、自动增益控制(AGC)，同时可调节亮度、对比度、色饱和度、色调、清晰度、白平衡、逆光对比以及曝光度。

其中，所述的信号调理模块采用程控放大器将信号放大以及利用型号为HX711的24位的A/D转换芯片进行信号的模数转换；

所述的信号调理模块中的电路控制部分采用32位的ARM处理器STM32F407ZGT6作为主控芯片，其可实现发光强度的控制、荧光数字信号的采集、电机的控制、数据分析与显示、结果打印、人机界面操作、数据存储、仪器自检、通信。

其中，所述的信号采集模块采用光电传感器OPT101，在单电源+2.7V～36V的宽电压范围内正常运行。

其中，所述的WIFI模块采用LSD4WF-2MD05107WIFI模组，其内部集成了高性能的SOC WIFI芯片，LSD4WF-2MD05107WIFI模组还内置TCP/IP协议栈，支持STA/AP两种工作模式，支持802.11b/g/n协议，支持无线本地升级和OTA远程固件升级；

所述的蓝牙模块采用LSD4BT-P74MSTD1蓝牙模块。

本实用新型的有益效果：

本实用新型所述的便携式干式荧光探测仪，实现一种价低廉、功能实用、便于携带、精确测量的便携式干式荧光探测仪。本实用新型主要具有以下优点：(1)体积小巧，便于携带(2)功能齐全，性能稳定(3)成本低廉，性价比高(4)精准测量，实用性强。

附图说明

图1是本实用新型的组成模块框图。

图2为荧光激发模块和接收光路模块光路设计图。

图3为电路电源12V转8V电路图。

图4为电路电源8V转5V电路图。

图5为电路电源5V转3.3V电路图。

图6为信号采集模块电路图。

图7为限位电路图。

图8为计算机软件交互示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型作进一步说明：

本实用新型正是应用了这种检测技术，以此研发一个具备多路、多种传感器接口的数据采集检测分析仪器，通过快速高效的检测抗原抗体的结合从而对相关疾病进行及时准确的预判。我们可以仅用一个小仪器来实现荧光信号的采集分析处理和结果呈现，因此，其使用的灵活性高，具有较好的应用前景。同时该仪器不仅可用于医疗机构的门、急诊的床旁检测，也可用于社区医院的随访检测，更可以进入人们家中,为疾病检测提供便利。

心梗心衰是21世纪最常见的心血管疾病之一，其快速检测对于减轻疾病带来的人身伤害以及提供救治的黄金时间具有重要意义。本实用新型的特色在于：所研究的便携式干式荧光探测仪，通过良好的设计，具有体积小巧、便于携带、操作简单等特点，能够快速准确的检测血液中的心肌损伤标志物的含量，同时也可通过WIFI模块、蓝牙模块快速检测标志物。

如图1所示，本实用新型是一种便携式干式荧光探测仪，包括荧光激发模块、接收光路模块、扫描光机模块、信号调理模块、WIFI模块、蓝牙模块、信号采集模块以及定量软件系统，所述荧光激发模块、接收光路模块、扫描光机模块、信号调理模块、信号采集模块依次连接，所述信号采集模块分别与WIFI模块、蓝牙模块、定量软件系统连接。

所述的荧光激发模块，是利用LED光源发出一束发散的光束，LED光源位于第一透镜的焦点上，从而经过第一透镜后变成平行光。平行光经过第一滤光片后，入射光中580nm以上(注：不同的检测需求，可换不同的滤光片，因此，该波长并不固定)的光将被滤除掉，出射的光仅为短波光或窄带光(580nm以下)，其经过第二透镜后，被聚焦到样品上，激发出荧光。

所述的接收光路模块，是让激发出的荧光被第三透镜收集后变为平行光后，将平行光通过第二滤光片后，原来的激发光和杂散光将会被第二滤光片滤除掉，仅剩激发出的荧光信号通过。通过第二滤光片后的光被第四透镜收集聚焦到荧光检测模块上的光电转换器上，实现光信号到电信号的转换。

所述的扫描光机模块，采用的是二维码检测器，二维码检测是用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。它具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化的优点。其包含有多个发光二极管和光电检测管，当没有被标记的荧光物质出现在扫描光路中或只有黑色的目标位于光路中时，光电检测管将会检测到一个比较微弱的本底信号，当有荧光物质出现在扫描光路中时，就会有光反射回来，被光电检测管接收，从而可以检测出是否有荧光物质存在扫描光路中。其中，所述的RER-USB100W03M摄像头的工作电压为5V，像素可达100万1280*720。

所述的信号调理模块，是利用了程控放大器将信号放大以及利用24位的A/D转换芯片进行信号的模数转换。光电转换实现荧光信号到电信号的转换，此时的信号还比较微弱，并伴有噪声，需要经过信号放大和滤波。放大和滤波后的信号一般基线比较高，通过电压偏置，将基线降下来，然后通过模数转换电路，实现信号的数字化，被微处理器进行后续的处理，可保证足够的转换精度和大的动态检测范围。其中的控制电路采用了32位的ARM(Advanced RISC Machines)处理器作为主控芯片，其可实现发光强度的控制、荧光数字信号的采集、电机的控制、数据分析与显示、结果打印、人机界面操作、数据存储、仪器自检、通信等功能。

所述的信号采集模块，是利用试纸从检测器的光电反射面扫过，从而引起检测光强的变化，通过检测这个光强来完成信号采集。使用光电传感器OPT101，在单电源+2.7V～36V的宽电压范围内正常运行，为此使用+8V单电源作为OPT101的工作电源。在OPT101的引脚4和引脚5之间跨接电阻R2来进一步提高OPT101内部运放的放大倍数，电容C1起到低通滤波的作用来滤除外界信号的干扰。光电传感器OPT101内部集成了光电二极管和跨阻放大器，输出电压随着光强线性增大。跨阻放大器为单电源或者双电源设计，使得能够用于电池操作设备。集成光电二极管和跨阻放大器在单一芯片上，在离散设计中，能减少常见的问题，比如漏电流误差，噪声和由于杂散电容引起的增益峰值。而且0.09*0.09inch的光电二极管工作在光导模式，能够有很好的线性度和极低的暗电流OPT101工作电压为2.7到36V，静态电流只有120uA。

所述的WIFI模块采用了LSD4WF-2MD05107WIFI模组，其内部集成了高性能的SOC WIFI芯片。该模组能够方便的将传统串口设备或MCU控制设备接入网络，从而实现无线联网控制。LSD4WF-2MD05107WIFI模组还内置了TCP/IP协议栈，支持STA/AP两种工作模式，支持802.11b/g/n协议，支持无线本地升级和OTA远程固件升级。

所用的蓝牙模块采用了LSD4BT-P74MSTD1蓝牙模块，具有功耗低、体积小、抗干扰能力强等特点。

所述的定量软件系统，是通过对光强的检测，便可利用中央处理器(由机器内部的检测控制算法程序与基于PC平台的分析与数据库等软件组成)算出荧光物的量进而测出心肌标志物的含量。

如图2所示，是系统的光路部分设计图。光路部分是便携式干式荧光仪中最为关键的部分，它一方面是用来激发出荧光，另一方面用来实现荧光信号的检测。光路部分由光源发射光路和荧光检测光路两部分组成。光源发射光路由LED光源、第一透镜、第一滤光片和第二透镜组成。荧光检测光路由第三透镜、第二滤光片、第四透镜和光电转换器组成。LED光源的光轴与第一透镜、第一滤光片以及第二透镜的光轴在一条线上。光源为绿色(中心波长在525nm)高亮度LED光源。LED光源位于发射光路第一透镜的焦点，LED光源发出的光经第一透镜后变为平行光，第一滤光片采用中心波长580nm带宽为30nm的窄带干涉滤光片，平行光经过第一滤光片后，入射光中565nm-595nm范围以外的光被滤除掉，出射的光为窄带光(565nm-595nm)，其经过第二透镜后，被聚焦到样品上，激发出荧光，荧光波长为610nm。光电转换器与第三透镜、第二滤光片、第四透镜的光轴在一条线上。

荧光发射光路光轴和荧光检测光路光轴成45度角，最大程度的减少了激发光对光电转换器的影响。荧光检测光路光轴和荧光发射光路光轴的交点在检测试纸上，且交点为第二透镜和第三透镜的焦点。第二滤光片采用中心波长610nm，带宽为15nm的窄带干涉滤光片。激发出的荧光被第三透镜收集后变为平行光，平行光通过第二滤光片后，原来的少量激发光会被滤光片滤除掉，仅剩激发出的610nm左右的荧光信号通过。通过第二滤光片后的光被第四透镜收集聚焦到荧光检测模块上的光电转换器上，从而实现光信号到电信号的转换。

本方案中的控制电路模块，主要包括电源电路、信号采集电路、AD转换电路和限位电路等。其中需要的电源电压值有12V、8V、5V、3.3V，使用的稳压器为LM317D2T-D2PARK，8V转5V和5V转3.3V采用的均是线性电压源REG1117。

图3、图4、图5为本设计的电路电源转换电路图。其中8V转5V和5V转3.3V采用的均是线性稳压电源REG1117，电路图分别如图4和图5所示。图中的L2为10mH的磁珠，用于抑制电源线上的噪声干扰，吸收静电脉冲。

图6所示为本设计的信号采集模块电路图。其中引脚4和引脚5之间通过跨接电阻R18来进一步提高OPT101内部运放的放大倍数，电容C17起到低通滤波的作用来滤除外界信号的干扰。

图7为本设计的限位电路图。本电路主要由光电开关U4，比较器U3，状态指示灯D7和外围电阻电容组成。光电开关U4由发射器和接收器两部分组成，在限位片没有挡住发射器和接收器之间的光路时，接收器接收到发射器的照射处于导通状态。在接收器处于导通状态时，型号为LM393比较器U3的正相输入端电压比负相输入端电压要高，比较器U3输出电压为高电平，状态指示灯D7为熄灭状态。当限位片挡住发射器和接收器之间的光路时，接收器没有接收到发射器发出的光而处于截止状态。在接收器处于截止状态时，比较器U3正相输入端电压比负相输入端电压低，比较器U3输出电压为低电平，状态指示灯D7为点亮状态。比较器U3输出端的电平信号输入给计算机处理器，计算机处理器根据电平信号的高低来判断是否处于限位状态。

图8为本设计的计算机软件示意图。计算机上的软件主要实现的功能是控制步进电机的移动，反馈仪器的限位状态，对A/D信号进行采样，绘制A/D信号的采样曲线，保存A/D采样数据等。上位机软件程序需要与主控板(下位机)程序配合，设定好相应的通信协议和指令协议。为此，采用C++、C#等编程软件进行编写，最终可形成如图8所示的界面。

利用了光路设计与透镜的搭配实现荧光的激发，利用滤光片滤除干扰光线，采用条码检测器作为扫描光机模块检测光路中是否存在白色目标，再通过程控放大器以及24位的A/D转换器芯片将信号进行模数转换，其中的主控芯片采用的是32位的ARM处理器。利用光强变化情况可以完成信号的采集，再通过计算机上的定量软件系统测量出心肌标志位的含量。

为了使计算机处理器能够完成A/D转换、电机驱动、外部信号的控制、通信等功能，采用了开源硬件Arduino Due来作为主控板，其价格低廉，电路简单，自身集成有A/D、D/A、I/O控制、通信功能，适用于本实用新型。Arduino Due是一种基于单片机板Atmel的ARM Cortex-M3CPU sam3x8e。它是基于一个32位ARM核微控制器的第一个Arduino电路板。其中，Arduino Due的工作电压为3.3V，I/O引脚能够承受的最大电压也为3.3V。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型的范围进行限定，故在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型所述的构造、特征及原理所做的等效变化或装饰，均应落入本实用新型的保护范围内。