一种双调制旋光型β-葡聚糖检测装置的制作方法

本实用新型属于β-葡聚糖检测技术领域，具体涉及一种测量精确度更高的双调制旋光型β-葡聚糖检测装置。

背景技术：

β-葡聚糖是用独特的工艺开发的一种新的产品，其来源于新鲜的食品啤酒酵母。它是一种多糖，主要化学结构1，3β-葡聚糖和1，6β-葡聚糖，其中前者具有抗肿瘤性质，而且能够极大地提高人体自然免疫力。β-葡聚糖（dextran，glucan）又称右旋糖酐，为一种多糖。存在于某些微生物在生长过程中分泌的粘液中。β-葡聚糖具有较高的分子量，主要由D－葡萄吡喃糖以α，1→6键连接，支链点有1→2、1→3、1→4连接的。随着微生物种类和生长条件的不同，其结构也有差别。β-葡聚糖的活性结构是由葡萄糖单位组成的多聚糖，它能够活化巨噬细胞、嗜中性白血球等，从而提高白细胞素、细胞分裂素和特殊抗体的含量，全面刺激机体的免疫系统。大量实验表明，β-葡聚糖可促进体内IgM抗体的产生，以提高体液的免疫能力。此外，β-葡聚糖尚有清除游离基、抗辐射、溶解胆固醇，预防高脂血症及抵抗滤过性病毒、真菌、细菌等引起的感染等作用，故广泛用于医药、食品、化妆品等行业。近年研究发现，1,3-β-葡聚糖可以作为生命活动中起核心作用的遗传物质，能够控制细胞分裂和分化，调节细胞生长，在治疗肿瘤、肝炎、心血管、糖尿病和降血脂、抗衰老等方面有独特的生物活性。目前世界各国，尤其是在日本、美国、俄罗斯等国，1,3-葡聚已经被广泛应用于食品保健、美容护肤等行业。

像很多天然多糖一样，β-葡聚糖的结构也具有多样化的特点，其结构通常由主链和支链组成。主链是以1→3糖苷键连接的葡萄糖聚合物骨架；支链通常以1→4，1→6糖苷键支链结构最为常见，例如香菇β-葡聚糖具有1→6支链，也有一些种类的β-葡聚糖不具有支链，为直链结构，例如卡德兰胶（curdlan）。β-葡聚糖最主要的来源是酿酒酵母细胞壁β-葡聚糖。β-葡聚糖最显著的结构特征是其在天然状态下保持三股螺旋结构。以直链β-葡聚糖（卡德兰胶）为例，X射线衍射发现干燥状态的β-葡聚糖呈右手61三股螺旋，直径为2.3nm，重复单元为1.8nm。值得注意的是，β-葡聚糖的螺旋参数和双链DNA高度相似。尽管中国2000多年前就开始认为灵芝（一种富含β-葡聚糖的真菌）具有多方面神奇的健康功效，但现代科学对β-葡聚糖的研究开始于20世纪40年代。1940年美国凯斯西储大学的研究者首次发现β-葡聚糖对免疫系统具有调制作用，接下来的70多年，已有超过6000篇论文对β-葡聚糖的免疫调制功能进行了研究报道，发现β-葡聚糖能通过调制免疫系统实现抗菌，抗病毒，抗肿瘤，促进伤口愈合等多种功效。

β-葡聚糖的化学结构和纤维素分子极为相似，具有很多相似的理化性质。两种多糖的结构单元都是右旋葡萄糖C6H10O5；葡萄糖单体链接方式都是β方式，不同的是β-葡聚糖发生聚合的是葡萄糖1号和3号羟基；而纤维素为1号和4号羟基。由于每一个葡萄糖单元中存在3个羟基，β-葡聚糖和纤维素分子内和分子间都存在强大的氢键体系，导致这两种分子都不溶于水和绝大部分有机溶剂。β-葡聚糖在2、4、6号位上有3个羟基：分别为6号位伯醇羟基和2、4号位仲醇羟基。多糖的羟基具有很强的氢键形成能力，由于特殊的羟基空间分布，β-葡聚糖在自然界中通常以三股螺旋结构存在。

由于β-葡聚糖高级结构和次级键作用的复杂性，这个领域仍处于一个不断发展的状态。对β-葡聚糖高级结构的研究始于20世纪中叶，和DNA结构的发现息息相关。1920~1930年，人们开始用X射线研究高分子纤维的结构；1962年，沃森、克里克等人通过X射线研究DNA发现其双螺旋结构。之后，科学家们开始用同样的方式来研究天然高分子诸如β-葡聚糖类纤维的高级结构，发现很多天然高分子都具有螺旋结构。1968年Atkins和Parker等人根据初步X射线衍射的数据，在Nature上以简讯形式第一次提出了β-葡聚糖呈三股螺旋结构，而不是之前报道的两股螺旋结构。根据初步核磁和红外数据指出β-葡聚糖2号羟基藏在三股螺旋内部，2 号羟基之间通过氢键连接，不过他们只做了初步的研究，发布的数据非常有限。

大阪大学的Yanaki等人采用粘度法和动态光散射法研究了不同分子量β-葡聚糖三股螺旋在水溶液中的性质。他们通过粘度法测分子量发现β-葡聚糖在水中的分子量是其在二甲基亚砜中分子量的3倍，推测出葡萄糖在水中是以三股螺旋状态存在的。通过光散射分析发现β-葡聚糖三股螺旋呈蠕虫状圆柱体性质，最大可稳定存在的长度是230nm，比双链DNA的60nm和胶原三股螺旋的120nm大很多。总结出β-葡聚糖三股螺旋的直径为2.6±0.4nm，每一个葡萄糖残基长度为0.30±0.02nm。最近二十年，很多研究者开始利用高分辨透射电镜和原子力显微镜研究β-葡聚糖的三股螺旋结构，证实了前人关于β-葡聚糖三股螺旋结构的理论推断。

然而，目前在食品检测领域，还没有套很好的设备就β-葡聚糖食品进行检测和检验。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种准确性更高的具有检测食品中β-葡聚糖功能的双调制旋光型β-葡聚糖检测装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种双调制旋光型β-葡聚糖检测装置，包括激光光源1、起偏器2、法拉第补偿器3、光学狭缝4、β-葡聚糖待测样品5、法拉第调制器6、同步信号发生器7、检偏器8、光探测器9、前置放大器13、锁相放大器10、PID控制器11和驱动放大器12，激光光源的出射光经过起偏器后成为线偏振光，线偏振光进入法拉第补偿器并与法拉第补偿器的轴心重合；线偏振光经过法拉第补偿器后通过光学狭缝照射并穿过β-葡聚糖待测样品后进入法拉第调制器，所述的穿过β-葡聚糖待测样品后的线偏振光与法拉第调制器的轴心重合；经过法拉第调制器的线偏振光通过检偏器测量偏振角，经过检偏器的偏振光由光探测器采集后转化为电信号，光探测器的电信号由前置放大器放大后作为输入信号输入到锁相放大器，锁相放大器输出的DC信号输入PID控制器后由PID控制器调制为输出电压，输出电压经过驱动放大器后导线连接法拉第补偿器的输入端，所述的同步信号发生器为多功能数据采集卡PCI-6713，同步信号发生器分别导线连接激光光源、法拉第调制器和锁相放大器的输入端。

所述的激光光源为波长1310nm的脉冲光源激光器光源或第二激光光源为波长1550nm的脉冲光源激光器光源；所述的起偏器为偏振方向为竖直方向的偏振片或尼科耳棱镜；所述的法拉第补偿器为空心线圈式法拉第补偿器；所述的法拉第调制器为空心线圈式法拉第调试器；所述的光探测器为ALPHALAS UPD Series光探测器。

所述的前置放大器为差分式前置放大电路，包括第一高速集成运放31、第二高速集成运放32、第三高速集成运放40、第一电阻33、第二电阻34、第一电容50、第二电容51、第三电阻35、第四电阻36、第五电阻37、第六电阻38、第七电阻39，第三电阻的两端分别连接第一高速集成运放和第二高速集成运放的负向输入端，第一高速集成运放的正向端为负电压端；第一高速集成运放的负向输入端还分别连接第一电阻和第一电容一端，第一高速集成运放的正向端为输出端，第一高速集成运放的输出端分别连接第一电阻和第一电容的另一端，第一电阻和第一电容的另一端还分别连接第四电阻的一端；第二高速集成运放的负向输入端还分别连接第二电阻和第二电容一端，第二高速集成运放的正向端为输出端，第二高速集成运放的输出端分别连接第二电阻和第二电容的另一端，第二电阻和第二电容的另一端分别连接第五电阻的一端，第四电阻的另一端连接第三高速集成运放的负向输入端，第五电阻的另一端连接第三高速集成运放的正向输入端，第七电阻的一端连接第三高速集成运放的正向输入端，另一端接地；第六电阻的一端连接第三高速集成运放的负向输入端，第六电阻的另一端连接第三高速集成运放的输出端，第三高速集成运放的输出端作为前置放大器整体电路的输出端。

所述的第一高速集成运放、第二高速集成运放和第三高速集成运放分别为OPA637型；所述的第一电阻和第二电阻的阻值为5KΩ，所述的第三电阻的阻值为101Ω，所述的第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻的阻值为25KΩ，所述的第一电容和第二电容为3pF。

所述的驱动放大器包括光耦41、第八电阻42、第九电阻43、P型半导体场效应晶体管44、N型半导体场效应晶体管45、第一二极管46、第二二极管47、电磁铁48、第十电阻49，光耦的阳极为输入端，阴极接地，光耦的集电极分别连接第八电阻的一端和P型半导体场效应晶体管的G极，光耦的发射极分别连接第九电阻的一端、P型半导体场效应晶体管的S极、N型半导体场效应晶体管的G极、电磁铁的一端和第一二极管的负极，第八电阻的另一端连接P型半导体场效应晶体管的D极并作为输出端；第九电阻的另一端分别连接第一二极管的正极和N型半导体场效应晶体管的G极；电磁铁的另一端分别连接第二二极管的正极和N型半导体场效应晶体管的D极；第二二极管的负极与P型半导体场效应晶体管的D极连接；第十电阻的一端连接N型半导体场效应晶体管的G极，第十电阻的另一端接地。

所述的第八电阻、第九电阻和第十电阻的电阻值为5KΩ，第一二极管和第二二极管的击穿电压为60V，所述的光耦为PC817A-C系列。

所述的锁相放大器为UHFLI锁相放大器；所述的β-葡聚糖待测样品为两玻片夹持的食品样本的溶解样液。

本实用新型的有益效果在于：本专利针对现有葡聚糖测量系统目前存在的问题，提出一种利用激光强度调制结合同步法拉第偏振矢量调制，来提高锁相放大器锁频信号的频率的双调制测量系统。本装置降低了系统配置的复杂性，使系统所需探测器数量减少，同时使系统不再需要个分光器和带宽前置放大器及光波带通滤波器；同时提高了系统锁频信号的频率，结合优化的PID参数，加快系统的响应速度，减小系统的响应时间，即减少控制系统达到稳定所需的响应时间，有利于减轻时变双折射所产生的噪声的影响；最后，激光采取交流电压AC驱动结合同步的法拉第偏振矢量调制，有利于克服双波长偏振测量系统的噪声和EMI，有提高系统SNR的潜力。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为前置放大器结构示意图。

图3为驱动放大器结构示意图。

图4为待测样品结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-4对本实用新型做进一步描述。

一种双调制旋光型β-葡聚糖检测装置，包括激光光源1、起偏器2、法拉第补偿器3、光学狭缝4、β-葡聚糖待测样品5、法拉第调制器6、同步信号发生器7、检偏器8、光探测器9、前置放大器13、锁相放大器10、PID控制器11和驱动放大器12，激光光源的出射光经过起偏器后成为线偏振光，线偏振光进入法拉第补偿器并与法拉第补偿器的轴心重合；线偏振光经过法拉第补偿器后通过光学狭缝照射并穿过β-葡聚糖待测样品后进入法拉第调制器，所述的穿过β-葡聚糖待测样品后的线偏振光与法拉第调制器的轴心重合；经过法拉第调制器的线偏振光通过检偏器测量偏振角，经过检偏器的偏振光由光探测器采集后转化为电信号，光探测器的电信号由前置放大器放大后作为输入信号输入到锁相放大器，锁相放大器输出的DC信号输入PID控制器后由PID控制器调制为输出电压，输出电压经过驱动放大器后导线连接法拉第补偿器的输入端，所述的同步信号发生器为多功能数据采集卡PCI-6713，同步信号发生器分别导线连接激光光源、法拉第调制器和锁相放大器的输入端。

本专利针对现有葡聚糖测量系统目前存在的问题，提出一种利用激光强度调制结合同步法拉第偏振矢量调制，来提高锁相放大器锁频信号的频率的双调制测量系统。本装置降低了系统配置的复杂性，使系统所需探测器数量减少，同时使系统不再需要个分光器和带宽前置放大器及光波带通滤波器；同时提高了系统锁频信号的频率，结合优化的PID参数，加快系统的响应速度，减小系统的响应时间，即减少控制系统达到稳定所需的响应时间，有利于减轻时变双折射所产生的噪声的影响；最后，激光采取交流电压AC驱动结合同步的法拉第偏振矢量调制，有利于克服双波长偏振测量系统的噪声和EMI，有提高系统SNR的潜力。结构如图1所示。入射光来自半导体激光器。驱动激光光源的正弦载波信号的偏置电压为0.8/0.4,该载波信号是由虚拟同步正弦信号发生器产生，载波信号对激光进行强度调制，需要运算放大器组成的线性驱动放大器满足激光发光的要求。起偏器起偏后变为沿竖直方向偏振的线偏振光。线偏振光通过空心法拉第补偿器，其作为补偿器来实现对由葡聚糖引起的偏转角的补偿，仅存在于闭环合路中。法拉第补偿器是由光学晶体TGG放置在螺线管内构成，由于光学晶体TGG是市场上具有最大维尔德常数的磁光材料之一，且其光学损耗与其他材料相比较低。螺线管是由缠绕在一个定制加工成的塑料空心筒子上制成的。

线偏振光通过试样，试样内盛放被测葡萄糖溶液。经样品后的光由空心线圈法拉第调制器进行偏振矢量调制，由正弦波调制信号经放大器功率放大后驱动，调制信号的频率与载波信号来自于相同的虚拟同步正弦信号发生器。然后包含葡聚糖浓度信息的信号光通过偏振方向与起偏器偏振方向相垂直的检偏器，探测器将透射过检偏器的光强度信号接收并转化为电信号，电信号由带宽前置放大器放大后作为输入信号输入到数字锁相放大器，数字锁相放大器基于相干解调精确检测边频信号的振幅，同时抑制低频信号以及高频的电磁干扰，输出与边频信号的幅值成正比的直流电压信号，其是PID数字控制器的输入信号，PID控制器决定对直流电压信号采取的运算过程达到消除由葡聚糖引起的偏转角的目的。经线性放大电路放大PID控制器输出的信号的电流来驱动法拉第补偿器，以消除由葡聚糖溶液引起的旋转角，该电压由计算机记录下来，其大小与样品溶液的浓度成正比。利用PID控制系统使反馈系统稳定，同时使系统具有最优的动态响应来来实现实时、闭环反馈的作用。

所述的激光光源为波长1310nm的脉冲光源激光器光源或第二激光光源为波长1550nm的脉冲光源激光器光源；所述的起偏器为偏振方向为竖直方向的偏振片或尼科耳棱镜；所述的法拉第补偿器为空心线圈式法拉第补偿器；所述的法拉第调制器为空心线圈式法拉第调试器；所述的光探测器为ALPHALAS UPD Series光探测器。

所述的前置放大器为差分式前置放大电路，包括第一高速集成运放31、第二高速集成运放32、第三高速集成运放40、第一电阻33、第二电阻34、第一电容50、第二电容51、第三电阻35、第四电阻36、第五电阻37、第六电阻38、第七电阻39，第三电阻的两端分别连接第一高速集成运放和第二高速集成运放的负向输入端，第一高速集成运放的正向端为负电压端；第一高速集成运放的负向输入端还分别连接第一电阻和第一电容一端，第一高速集成运放的正向端为输出端，第一高速集成运放的输出端分别连接第一电阻和第一电容的另一端，第一电阻和第一电容的另一端还分别连接第四电阻的一端；第二高速集成运放的负向输入端还分别连接第二电阻和第二电容一端，第二高速集成运放的正向端为输出端，第二高速集成运放的输出端分别连接第二电阻和第二电容的另一端，第二电阻和第二电容的另一端分别连接第五电阻的一端，第四电阻的另一端连接第三高速集成运放的负向输入端，第五电阻的另一端连接第三高速集成运放的正向输入端，第七电阻的一端连接第三高速集成运放的正向输入端，另一端接地；第六电阻的一端连接第三高速集成运放的负向输入端，第六电阻的另一端连接第三高速集成运放的输出端，第三高速集成运放的输出端作为前置放大器整体电路的输出端。

前置放大器需具有对二次场信号进行放大，同时也具有抑制零点漂移及干扰噪声的能力，可以进一步提高系统的灵敏度，所以前置放大器的噪声系数对整个系统的噪声特性具有决定性作用。与普通集成运放相比，应选用噪声水平及性能指标更好的集成运放，本结构采用了BB公司生产的超低噪声水平的高速集成运放OPA637构成的差分式放大电路。该电路输入级由于采用差分式结构，当系统引入的共模噪声、电源噪声和电磁干扰噪声都会在同一时间以相同的幅度增加到同向输入端和反向输入端，这些干扰噪声信号的互为同向。此放大电路对二次场进行放大时，因其具有只能对差模信号放大的特性，所有噪声信号共模成分都会在差分信号中进行平衡抵消，保留二次场的原始信号，从而抑制了干扰噪声，并且对原始信号进行了有效放大。

所述的第一高速集成运放、第二高速集成运放和第三高速集成运放分别为OPA637型；所述的第一电阻和第二电阻的阻值为5KΩ，所述的第三电阻的阻值为101Ω，所述的第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻的阻值为25KΩ，所述的第一电容和第二电容为3pF。

所述的驱动放大器包括光耦41、第八电阻42、第九电阻43、P型半导体场效应晶体管44、N型半导体场效应晶体管45、第一二极管46、第二二极管47、电磁铁48、第十电阻49，光耦的阳极为输入端，阴极接地，光耦的集电极分别连接第八电阻的一端和P型半导体场效应晶体管的G极，光耦的发射极分别连接第九电阻的一端、P型半导体场效应晶体管的S极、N型半导体场效应晶体管的G极、电磁铁的一端和第一二极管的负极，第八电阻的另一端连接P型半导体场效应晶体管的D极并作为输出端；第九电阻的另一端分别连接第一二极管的正极和N型半导体场效应晶体管的G极；电磁铁的另一端分别连接第二二极管的正极和N型半导体场效应晶体管的D极；第二二极管的负极与P型半导体场效应晶体管的D极连接；第十电阻的一端连接N型半导体场效应晶体管的G极，第十电阻的另一端接地。与传统的驱动放大电路相比，上述结构增加了光耦用于隔离数字量输入与模拟驱动级，提高控制器的抗干扰性能；增加分压电阻实现开关管MOSFET-P和MOSFET-N的同步启闭。

所述的第八电阻、第九电阻和第十电阻的电阻值为5KΩ，第一二极管和第二二极管的击穿电压为60V，所述的光耦为PC817A-C系列。

所述的锁相放大器为UHFLI锁相放大器；所述的β-葡聚糖待测样品为两玻片夹持的食品样本的溶解样液。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。此外需要说明的是，本实用新型仅保护所公开的机械结构，而该机械结构工作所需的其他机构、信号采集装置和程序等因均为本领域技术人员的公知内容，如光探测器、同步信号发生器为市场购买，其使用的软件为自带软件，当然凡能够达到此目的的机构和软件可配合本实用新型装置使用。