专利名称:显微荧光系统输出信号的增强的制作方法
本发明的前景1.本发明的范围概括地说，本发明是关于增强显微荧光系统的改进的测量信号。具体地说(不失一般性)，是关于由有源滤波器、放大器和具有高性能工作参数的光电倍增管组成的电路系统。
2.先验技术的简介现在已有若干个技术专利企图提高光电倍增管的信号响应，特别是关于在暗电流情况下提高有效信号的清晰度。美国专利No.4，436，994，(名Van Vliet)发明了一种光电倍增检测系统，它采用负反馈回路保持光电倍增检测器的输出低于预定值。此电路产生一个控制电压用于控制加到光电倍增管电极上的高电压，从而可以保持光电倍增管的灵敏度控制，同时避免损坏光电探测器。名为Brown的美国专利NO.4，279，510发明了另一种电路结构，它能补偿光电倍增管中暗电流的变化。它将光电倍增管的输出电压数字化，通过微机产生模拟校正信号，加到光电倍增管输出前置放大器的倒相输入。此电路起产生比例信号的作用，增大信号的增盖补偿光电倍增管的暗电流。和它类同的美国专利NO.4，310，243讲述了一种类似的补偿光电倍增管暗电流的方法。
名为Chevalier的美国专利NO.3，900，731发明一种光电倍增管增盖稳定系统。通过改进光电阴极的照明补偿光电倍增管电流的变化，此系统将光电倍增管输出电流的平均值保持为常值。这种装置需一种结构，它将一个光源耦合到光电倍增管的阴极上去，例如，一种对入辐射响应的闪烁器。所有这些企图改善光电倍增管的信号响应的先验技术都是采用改变光电信增管内部参数的方法导致光电倍增管暗电流的变化。本发明采用可称为被动式的方法，通过选择特殊的光电倍增管和选择有源滤波器和放大器，提高获取弱信号的能力。
本发明的概要本发明是关于改进光电倍增管系统，特别是关于混在高噪音输出中微弱信号。
正如在敏感油母岩(或其他类同的)的显微荧光响应时遇到那种问题，通过选择特殊的光电倍增管，可以改进在规定频谱范围内微弱信号的检测。再通过可选的多级有源低通过滤波器和随后的放大器可将这些信号增强。在一种择优的结构中，光电倍增管的输出信号通过混合放大器和有源四极点、低通、巴特沃兹滤波器，这种滤波器能使信号良好地恢复。在另一种结构中滤波-放大混合电路由多个双极点、低通、巴特沃兹滤波器组成，逐级串联放大，各级可选择地复合在一起，以便连续获得较高的增益范围。
因此，本发明的目的是提供一种电路系统和选择光电倍增管的指示，以既经济又可靠的方式增强系统的输出。
本发明的另一个目的是提供增强光电倍增管的输出信号所需的电路系统，此光电倍增管工作于性能的上限，信噪比的固有特性低劣。
提供可靠的显微荧光信号输出指示也是本发明的目的。这些信号由具有良好信噪比的光电倍增管进行巡回检测。
最后，本发明的目的是提供相对简单的和被选的光电倍增管匹配的有源滤波器以便从弱信号中提取可再现的数据。
从下面详细地描述和表明的附图中，可明显地看出本发明的另些目的和优点。
附图简述图1是方块图，包含按本发明构成的检测电路的原理图。
图2是用于本发明的一种可供选择的有源滤波电路图。
本发明的详细描述图1表明一种高灵敏度的光电检测电路10，它特别适用于分析油母岩的那种显微荧光分析系统。检测电路10包含一个光电倍增管12，它通过一个专门滤波器14给放大器16提供输入信号，放大器16的输出进入计算机18。在那里面，显微荧光数据被多方面地校验，并被编排成输出显示的格式。
油母岩的分析是用市场上可以买到的那种显微荧光系统进行的，例如ZONAX系统，可以从纽约Thornwood的Carl Zeiss公司买到。但是为了油母岩分析，此系统必须改装，使得它能光电分析非常低量级的样品，在特定波段范围内检测和记录油母岩样品的放射光谱，从而能决定样品的生成期和碳氢化合物的结构。用100W水银灯照明油母岩样品，灯泡强烈地放射365毫微米波，因而必须检测在400至700毫微米波段内非常低量级的荧光反应。为了正确地检测出这种低量级的反应，必须有一个高灵敏度和低噪音的光电倍增管和放大电路，当存在噪音和光电倍增量工作于高电极电压而引起干扰时，此放大电路能区别出并输出正确的响应信号。
在构造检测电路10时，必须选择特种光电倍增管，它的暗电流和输出信号中的噪音最小。因此，根据保证具有高灵敏度和低暗电流的品质因数选择光电倍增管12，它产生的输出信号输给滤波器14。当有用信号通过时，滤波器降低无用频率的信号。滤波器14备有有源滤波器，可以选择它的组成，使半功率点频率和截止频率最优化。放大器16将输出放大，输入给计算机18，进行数字信号处理。
可以从Hamamatsu公司制造的一组光电倍增管中选择光电倍增管12。根据实用的品质因素，该公司的质量证明是合格的。虽然一般材料和参数可被严格控制，但它的特殊工作特点会有很大变化，这是构造光电倍增管的条件。因此，已经发现，Hamamatsu的R928，R955和R1477型会含有特殊的管子，它能满足所需的品质因素。同样，另外一些光电倍增管，无论是端式还是侧式，都可能具有如此品质。
根据品质因素，可利用制造过程中正规地获得的测试参数选择光电倍增管。在相同类型的管子中，具有高品质因数的管子能提供良好的信噪比。
品质因数＝ (板极灵敏度)/(板极暗电流)式中板极光照灵敏度的单位是安培/流明，板极暗安流的单位是安培(以毫微安为代表)
根据品质因素选择的R955型的参数如下品质因素＝ 6640/(2.0×10-9) ＝3.32×1012应用下列最低参数可以获得更好的品质因素暗电流小于或等于5×10-9安培阴极灵敏度大于或等于200×10-6安培电流增益＝ (板极灵敏度)/(阴极灵敏度) ≥20×106＝146db式中板极灵敏度的单位是安培/流明，阴极灵敏度的单位是安培/流明(以毫微安/流明为代表)品质因素指标已一直应用于各种不同类型的光电倍增管，它也是选择用途特殊、工作参数类似的管型指标。用这些公式评价的一些管子是R928，R955和R1477。它们都是类似的，可以概括为具有多碱光电阴极的侧式光电倍增管。
品质因素指标是基于管子的噪音输出与板极的暗电流有关。具有高阴极灵敏度和高电流增益的管子一般都趋向有强暗电流。因此按品质因素的选择标准，倾向于选择增益最高和暗电流最小的管子。
具体来说，从光电倍增管和任何相联的前置放大器19输出的检测信号通过滤波器旁路开关20加到滤波器的第一级-国产的型号为LH0022的半导体运算放大器。旁路开关20，起的作用是将检测信号通过导线24，绕过滤波器14。或在通常实用的情况下，通过电阻26，接点28和电阻30将检测信号加到运算放大器的管脚3，作为负输入。运算放大器22的正输入的管脚12接地或接到公共点。电容32连接在公共点和结点28之间。
运算放大器22管脚8的输出，经过输出导线34和电容36反馈到输入管脚3，同时通过电阻38回到结点28。导线34上的输出经过电阻40，结点42和电阻44加到第二级有源滤波运算放大器40的负输入管脚了。运算放大器46也是型号为LH0022的国产半导体运算放大器。电容48连接在结点42和运算放大器46的公共连接的正输入管脚12之间。
在导线50上的运算放大器46的输出通过电容52回到运算放大器46的输入管脚3，该输出通过串联的电位器54和电阻56还回到输入结点42。利用调整电阻54，56和电阻40之比值电位器54提供滤波器输出的全量程控制，这是一种直流增益控制。电位器58分配在运算放大器46的输入管脚6和10之间，提供直流零位调整。分析表明，噪音干扰的绝大部分处在0至10赫之间，在此范围内，滤波器14设计成高度有效，如下所述。
在导线50上滤波输出再加到运算放大器16的输入管脚2，这是一个型号为AD524的模拟装置，是一个精确的测量放大器。一个单点回位置的增益开关59可选择以1，10，100和1000为单位的增益系数，这时运算放大器16的管脚3分别可选择地与管脚11，12和13短接，开关59的1号位置是空的。然后，运算放大器16的输出通过从管脚10引出的导线60和成对的导线62输入到计算机18，进行处理和显示。一个电压分配电位器64连接在运算放大器管脚4和5之间，提供输入零位控制，同时，一个在管脚14和15之间的同样结构的电位器66提供输出零位控制。
工作时，图1的检测电路为显微荧光分析系统提供良好的检测能力，因为四极点的巴特沃兹滤波器14提供必要的低频滤波，从而在放大器16的输入端产生强信号低噪音的输入信号，一种优选的巴特沃兹滤波器14在半功率点频率为2.5赫处有效地产生40db/decade的滚降率。从而提高效率的低通滤波。通过单纯改变36，48，32和52的电容量可以容易地调整半功率点频率。一个最佳滤波器14的各元件参数的例子如下电阻26-130KΩ电阻30-360KΩ电阻38-130KΩ电阻40-47KΩ电阻44-68KΩ电阻56-47KΩ电位器54，56-10KΩ电容32-1μf电容36-0.068μf电容48-1μf电容52-0.33μf将光电倍增管致冷可以进一步提高灵敏度的降低噪音。例如在图1中，用虚线68表示一个合适的致冷套，可将光电倍增整12冷却，它的光电敏感器的板极可冷至-20℃。这样的零下致冷可以大大地提高光电倍增管的信噪比。
可以设计另一种可替代有源滤波器70(图2)，体现出组合有源滤波器和平衡放大器的一些原则，另外，在增益选择方面此电路设计具有若干灵活性。因此，有源滤波器70采用四个运算放大器72，74和78，它们可选地串接，获得相当高的增益比。这就是增益开关80，它动作在1，10，100和1000位置之间，逐个地将一个或更多个运算放大器(72-78)接入输出引线82，为了在相联的计算机或图象系统中作进一步处理。
有源滤波器70体现一种设计思想，每个运算放大器的复合级都包含一个20db/decade、双级点、半功率点频率为2赫的低通巴特沃兹滤波器。在1-1000增益范围内逐次选择增益时，每次提高增益可获得20db/dceode的滤波效果。可以预计，精确地调整带通半功率点频率将最优化和进一步提高高灵敏检测电路的总响应。
这样，跨在引线84和86上的从相联的光电倍增管来的输入信号通过由电阻88、结点90和电阻92组成的双极点输入结构，加到运算放在器72的输入管脚12。在引线94上，从管脚8出来的输出，通过结点96和电容98反馈到结点90，电容100接在输入管脚12和地或公共结点之间。输出引线94加到增益开关80的1号接点，电位器102和电阻104串联接地，利用电位器102进行全量程调整控制，而用电位器103进行相对或零位调整。
每个运算放大器74，76和78的结构类似，常有公共输出106，108和110，利用相应的电阻112，114和116将这些运算放大器串联联接。运算放大器为国产的半导体运算放大器，型号为LH0022，都有调零电位器118，120和122。类似的阻容极点网络136，138和140接在每个运算放大器74，76和78的输出和输入管脚12之间。
在实用中，此有源滤波电路70(图2)也能有效地、高灵敏地检测低量级的显微荧光，增益选择开关80使增益在宽带范围内变化，当逐个运算放大器附加地组合在一起，增益系数的变化从1至1000，每个运算放大器的结构都相似地包含一个双极点巴特沃兹滤波器，它具最佳的低通特性。理应指望进一步增大灵敏度，将相关的光电倍增管维护在约-20℃的致冷套68内(图1)即可增大输出的信噪比。
前述事项揭示了有源滤波器和放大电路的一种新颖的组合，它适应于从光电倍增管来的微弱信号，光电倍增管是根据品质因素选择的一种特殊形式，为了保证在具体应用中具有高级性能。滤波放大电路用于处理显微荧光分析系统中光电倍增管的输出，在那里需要非常高的灵敏度来处理低量级荧光激励产生的光电响应，本发明采用和放大电路相联系的巴特沃兹式的多极点滤波网络。为了最有效地处理信号，可以很容易调整滤波器，获得任何不同频率的带宽和范围。
可以改变前面在技术说明书中提到的和在附图中画出的各元件的组合和配置方式。应懂得，在具体实现中的那种变更不会脱离本发明的思想范围，正如在下列权项中所规定的那样。
勘误表 85040118510164权利要求
1.在显微荧光分析系统中组合式的高灵敏度检测电路包含一个被选择的光电倍增管，它敏感诱发的在预定波长范围内的荧光并输出一个检测信号，所述的光电倍增管是根据品质因素选择的；有源滤波装置，它接收输入的上述的检测信号并输出一个滤波后的信号，放大装置，它接收上述滤波后的信号并输出低噪音的输出信号，以作进一步处理。
2.根据权利要求
1所述的检测电路，其特征是包含致冷装置，安置在上述光电倍增管周围，保持内部温度为零下。
3.根据权利要求
1所述的检测电路，其中所述的有源滤波装置包含一个巴特沃兹结构的四极点、低通滤波器，它的半功率点频率为2.5赫。
4.根据权利要求
3所述的检测电路，其特征是包含开关装置，用于调整上述放大装置，这是为了从多元增益系数中选择一种。
5.根据权利要求
1所述的检测电路，其中所述的有源滤波装置包含至少一个双极点、低通巴特沃兹有源滤波器，具有可变的半功率点频率，滚降率近似20db/decade。
6.根据权利要求
5所述的检测电路进一步包含多个双极点、低通巴特沃兹有源滤波器，可选择地级接，具有可选择的较高的增益系数。
7.根据权利要求
1所述的检测电路，其中所述的品质因数等于光电倍增管板极的灵敏度与板极暗电流之比。
8.根据权利要求
7所述的检测电路，其中板极灵敏度的单位是安倍/流明，板极暗电流的单位是毫微安。
9.根据权利要求
7所述的检测电路，其中所述的光电倍增管为侧式、9级式，具有多碱光电阴极。
10.根据权利要求
1所述的检测电路，进一步包括前置放大装置，接收输入探测信号，并产生输出信号，输给有源滤波装置。
11.根据权利要求
3所述的检测电路，其中所述的放大装置包含具有输入和输出的运算放大器，多位置的开关装置，用于控制上述运算放大器的增益。
专利摘要
一种用于增强输出信号的检测电路。此输出信号的信噪比低劣，它是在显微荧光分析系统中光电倍增管工作在性能上限情况的特点。此电路包含一个可选择的固有噪音低的光电倍增管，它的输出通过一个多极点有源滤波器输给高增益的运算放大器。该有源滤波器调谐到低半功率点频率，具有最大下降特性。
文档编号H01J40/14GK85101644SQ85101644
公开日1987年1月24日 申请日期1985年4月1日
发明者罗杰哎·伍德, 罗伊·科尔曼, 蒂莫西·安德鲁 申请人:科纳科公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan