CN100491980C - 一种手持式三磷酸腺苷荧光检测装置 - Google Patents

一种手持式三磷酸腺苷荧光检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，它包括由上壳和下壳组成的壳体，壳体上方有一个开/合的盖子，上壳作为装置的面板，面板上分布有液晶窗和键盘；壳体内安装有用于荧光检测的电路版，电路版上还安装有液晶屏，光电二极管，屏蔽罩和避光金属块，光电二极管位于避光金属块内，则另一端连接有试管仓，电路版上还设置设有第一微动开关和第二微动开关。其控制电路包括荧光检测模块、数据采集模块、人机交互界面、供电模块和控制模块等。荧光检测模块检测活微生物体内的ATP与检测试剂中荧光素和荧光素酶反应产生的荧光强度，通过数据采集模块转换成数字量以确定ATP的含量，控制系统分析、处理并保存数据，从而间接确定微生物的存在和含量。

Description

一种手持式三磷酸腺苷荧光检测装置
技术领域
本发明涉及一种检测装置，特别是一种手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，该装置可应用于食品安全，环境检测部门用于现场微生物快速检测，大样本快速筛查，达到重点环节监测，预防传染疾病，保障公共安全，食品安全和环境监测。
背景技术
ATP(Adenosine Triphosphate)，中文名称三磷酸腺苷，作为重要的能量分子存在于从微生物到高等动植物的所有生物体中。鉴于活微生物体内含有ATP，利用如下反应式的ATP荧光反应，通过检测荧光发光强度的方法可以确定样本ATP的含量，从而可以间接确定样本的微生物的存在和含量。
Figure C200710017609D00041
Figure C200710017609D00042
该方法具有广谱、灵敏度高和速度快的优点：灵敏度可达到10-13mol，如能控制某些环节甚至能达到10-18mol；传统表面皿培养法测定细菌数量需要48小时，该方法只需几分钟，手持式设备仅需十几秒钟。
传统方法是使用台式设备进行微生物的ATP荧光检测，台式设备体积大，交流供电，不能方便灵活的应用于现场快速检测的场合。
根据申请人所作的资料检索，还没有基于美国TI(Texas Instruments)公司MSP430超低功耗微控制器制备的手持式ATP荧光检测仪的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种使用电池供电的手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，该装置能够在现场10s内快速检测微生物，并产生检测结果，并且可保存1000个检测结果，使用一次性ATP检测试剂，避免干扰。
为了实现上述功能，本发明采取如下的技术方案：
一种手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，包括由上壳和下壳组成的壳体，其特征在于，所述的壳体上方有一个开/合的盖子，上壳作为装置的面板，面板上分布有液晶窗和键盘；壳体内安装有用于荧光检测的电路板，荧光检测电路板上还安装有液晶屏，光电二极管，屏蔽罩和避光金属块，光电二极管位于避光金属块内，则另一端连接有试管仓，荧光检测电路板上还设置设有第一微动开关和第二微动开关。
所述的荧光检测电路板包括有控制系统(I)、荧光检测与数据采集模块(II)、人机交互界面(III)和供电模块(IV)；
控制系统(I)包括微控制器，该微控制器上集成有12位A/D转换器、I2C总线模块、通用同步和异步串行接收器和转发器、JTAG模块、液晶驱动控制模块和可中断I/O模块；
通用同步和异步串行接收器和转发器与RS232接口相连，用于与计算机联机通讯，JTAG模块通过JTAG接口与计算机连接，I2C模块分别有存储器EEPROM和用于管理时间的实时时钟模块；
荧光检测与数据采集模块(II)连接在控制系统(I)上，包括荧光检测模块和电压基准源，它们分别与控制系统(I)的12位A/D转换器连通；其中荧光检测模块的上方被与地连接的屏蔽罩覆盖，以屏蔽外部电磁干扰；
人机交互界面(III)同样连接在控制系统(I)上，包括第一微动开关、第二微动开关、键盘、蜂鸣器和液晶屏，其中的第一微动开关、第二微动开关(7)和键盘连接在控制系统(I)的可中断I/O模块上，液晶屏与控制系统(I)的液晶驱动控制模块连通；
供电模块(IV)用于装置的供电，包括相互连接电池、DC/DC转换器和低压差线性稳压芯片。
本发明的手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，相比现有的台式ATP荧光检测设备而言，具有检测灵敏度高，快速、便携性、低功耗和广谱的优点，能更方便的应用到微生物现场检测。达到预防传染病，保障公共安全与食品安全以及环境的监测。
附图说明
图1是仪器的结构示意图(正面)；
图2是仪器的结构示意图(侧面)；
图3是ATP荧光检测仪电路总体结构框图；
图4是荧光检测模块一种具体电路实例；
图5是DC/DC模块和软开机/关机模块的一种具体电路实例。
图1、2中的标号分别表示：1、上壳，2、下壳，3、盖子，4、液晶屏，5、试管仓，6、第一微动开关，7、第二微动开关，8、避光金属块，9、电路板，10、键盘，11、RS232接口，12、光电二极管，13、屏蔽罩。
以下将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
具体实施方式
本发明采用光电二极管作为微弱ATP荧光检测的核心器件，设计具有低噪声，高灵敏度，抗干扰能力强特点的前置放大电路，用于检测光电二极管获得的荧光信号；使用美国TI公司MSP430系列超低功耗微控制器实现系统的低功耗设计，设计具有超低静态电流和漏电流的供电电路，使用两节AA电池。
整个手持式ATP荧光检测装置的电路部分包括荧光检测模块、数据采集模块、人机交互界面、供电模块和控制模块等。所说的荧光检测模块包括光电二极管(选自滨松公司)、基于Analog公司AD8605的低噪声，高灵敏度，抗干扰能力强的前置放大电路；所说的数据采集模块包括MSP430内部集成的12位A/D转换器，12位A/D转换器使用的外部参考源电路和用于存储采集数据的基于I2C总线的EEPROM；所说的供电模块包括两节串连AA电池，基于Sipex公司升压型DC/DC芯片SP6641A将两节串连AA电池电压转化成稳定3.3V输出用于整个系统供电的稳压模块，基于Sipex公司的低压差线性稳压(LDO)芯片SPX5205将3.3V电压转化成稳定精度更高的3V输出用于荧光检测模块供电的稳压模块。
参见图1、图2，图中描述了ATP荧光监测装置的外观和内部结构。该装置包括由上壳1和下壳2组成的壳体，壳体上方有一个开/合的盖子3，上壳1作为装置的面板，面板上分布有液晶窗和键盘10；壳体内安装有用于荧光检测的电路板9，荧光检测电路板9上还安装有液晶屏4，光电二极管12，屏蔽罩13和避光金属块8，光电二极管位于避光金属块8内，避光金属块8一端连接有试管仓5，荧光检测电路板9上还设置设有第一微动开关6和第二微动开关7。
所述的荧光检测电路板9包括有控制系统(I)、荧光检测与数据采集模块(II)、人机交互界面(III)、供电模块(IV)；
控制系统(I)包括：微控制器24、和微控制器24集成于一体的12位A/D转换器、I2C总线模块、USART模块、JTAG模块、液晶驱动控制模块和可中断I/O模块；通用同步和异步串行接收器和转发器(USART)与RS232接口11相连，用于与计算机联机通讯，JTAG模块通过JTAG接口23与计算机连接，I2C模块分别有EEPROM存储器22和用于管理时间的实时时钟模块21；
荧光检测与数据采集模块(II)连接在控制系统(I)上，包括荧光检测模块20和电压基准源19，它们分别与控制系统(I)的12位A/D转换器连通；屏蔽罩13覆盖于荧光检测电路板9上的荧光检测模块20的上方并与地连接，以屏蔽外部电磁干扰。
人机交互界面(III)同样连接在控制系统(I)上，包括第一微动开关6和第二微动开关7、键盘10、蜂鸣器14、液晶屏4，其中第一微动开关6和第二微动开关7、键盘10与控制系统(I)的可中断I/O模块连通，液晶屏4与控制系统(I)的液晶驱动控制模块连通；
供电模块(IV)用于装置的供电，包括相互连接电池16、DC/DC转换器17和LDO芯片18。
键盘10为薄膜键盘。
LDO芯片18用于将DC/DC芯片输出电压转换成精度更高电压，为荧光检测模块供电。
第一微动开关6为针状按钮式微动开关，第二微动开关7为摆杆式微动开关。
所述的光电二极管12用于将荧光的电流信号转换为电压信号。
RS232接口11与计算机联机通讯采用4针USB插座。
第一微动开关6和第二微动开关7通过盖子3的关闭和试管插入启动检测装置。
当盖子3关闭时，盖子3上的圆柱状凸起顶住微动第一开关6的顶杆而将其触发；当试管仓5插入试管时，试管将压下第二微动开关7的摆杆而将其触发。由此实现对盖子状态和试管插入的监测。试管仓5末端的透明观察窗伸入避光金属块8，荧光透过观察窗，穿过避光金属块8内部的孔，照射到位于避光金属块8下方的光电二极管12，这样可以屏蔽漏光的影响。RS232接口11采用的是4针Mini USB插座，以节省有限的空间。
参照图3，采用TI公司的MSP430系列微控制器24，该微控制器集成了用于数据采集的12位A/D转换器，用于与PC机通讯的通用同步和异步串行接收器和转发器(USART)，用于与EEPROM存储器芯片22和实时时钟模块21通讯的I2C总线模块，用于驱动和控制段式液晶的液晶驱动控制模块，用于键盘10的电路和系统状态检查的带有中断功能的I/O模块，用于在线编程和在线调试的JTAG模块等。整个ATP荧光检测系统的所有外围模块都围绕微控制器和它的片内外设而设计。
图4是荧光检测模块一种具体电路实施例。荧光检测模块检测活微生物体内的ATP与检测试剂中荧光素和荧光素酶反应产生的荧光强度，通过数据采集模块转换成数字量以确定ATP的含量，控制系统分析、处理并保存数据，从而间接确定微生物的存在和含量。在该实施例中，VCC-3V是向该模块提供的稳定精确的供电电压，集成运放U1提供向后两级放大电路一个偏置电压，该偏置电压通过ADin2输出至AD转换模块。以U2为核心的第一级放大电路把荧光照射光电二极管D1的电流信号转换为电压信号，输出至以U3为核心的第二级放大电路，放大后的信号经ADin1输出至AD转换模块。R5、R6和C6构成一个低通滤波电路，以消除高频干扰和噪声的影响。
图5是DC/DC模块和软开机/关机模块的一种具体电路实例。此例中，U1(片SP6641)与搭配的电感L1、肖特基二极管D1、电容C1构成了DC/DC供电模块，其功能是将电池电压转换为稳定输出的3.3V电压，为整个系统供电。
三极管Q1、Q2、Q3、Q4和若干电阻构成软开机/关机电路，Vbat为电池电压，power_ctr连微控制器的输出引脚，power_off连微控制器的可中断的I/O引脚。系统处于关机时，按下Power键使得Q2导通，于是Q1导通使电池电压Vbat输出到DC/DC模块，DC/DC模块启动并输出3.3V电压供给微控制器，微控制器启动并在与power_ctr连接的引脚输出高电平使得Q3导通，从而使Q1的导通状态得以维持，整个系统进入正常工作状态。如果再按下Power键，则由于Q4导通而使得微控制器与power_off相连的引脚电平由高变低，于是微控制器关机操作，使power_ctr置低电平；当Power键弹起时，由于Q2、Q3均不导通，于是Q1不导通，DC/DC模块电池供电被中断而关闭，整个装置被关闭。

Claims (7)

1.一种手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，包括由上壳(1)和下壳(2)组成的壳体，所述的壳体上方有一个开/合的盖子(3)，上壳(1)作为装置的面板，面板上分布有液晶窗和键盘(10)；壳体内安装有荧光检测电路板(9)，荧光检测电路板(9)上还安装有液晶屏(4)、光电二极管(12)、屏蔽罩(13)和避光金属块(8)，光电二极管(12)位于避光金属块(8)内，避光金属块(8)一端连接有试管仓(5)，荧光检测电路板(9)上还设置设有第一微动开关(6)和第二微动开关(7)；其特征在于：
所述的荧光检测电路板(9)包括有控制系统(I)、荧光检测与数据采集模块(II)、人机交互界面(III)和供电模块(IV)；
控制系统(I)包括微控制器(24)，该微控制器(24)上集成有12位A/D转换器、I2C总线模块、通用同步和异步串行接收器和转发器、JTAG模块、液晶驱动控制模块和可中断I/O模块；
通用同步和异步串行接收器和转发器与RS232接口(11)相连，用于与计算机联机通讯，JTAG模块通过JTAG接口(23)与计算机连接，I2C模块分别有存储器EEPROM(22)和用于管理时间的实时时钟模块(21)；
荧光检测与数据采集模块(II)连接在控制系统(I)上，包括荧光检测模块(20)和电压基准源(19)，它们分别与控制系统(I)的12位A/D转换器连通；其中荧光检测模块(20)的上方被与地连接的屏蔽罩(13)覆盖，以屏蔽外部电磁干扰；
人机交互界面(III)同样连接在控制系统(I)上，包括第一微动开关(6)、第二微动开关(7)、键盘(10)、蜂鸣器(14)和液晶屏(4)，其中的第一微动开关(6)、第二微动开关(7)和键盘(10)连接在控制系统(I)的可中断I/O模块上，液晶屏(4)与控制系统(I)的液晶驱动控制模块连通；
供电模块(IV)用于装置的供电，包括相互连接电池(16)、DC/DC转换器(17)和低压差线性稳压芯片(18)。
2.如权利要求1所述的手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，其特征在于，所述的键盘(10)为薄膜键盘。
3.如权利要求1所述的手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，其特征在于，所述的低压差线性稳压芯片(18)用于将DC/DC转换器(17)输出电压转换成精度更高电压，为荧光检测模块供电。
4.如权利要求1所述的手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，其特征在于，所述的第一微动开关(6)为针状按钮式微动开关，所述的第二微动开关(7)为摆杆式微动开关。
5.如权利要求1所述的手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，其特征在于，所述的光电二极管(12)用于将荧光的电流信号转换为电压信号。
6.如权利要求1所述的手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，其特征在于，所述的RS232接口(11)与计算机联机通讯采用4针USB插座。
7.如权利要求1或4所述的手持式三磷酸腺苷荧光检测装置，其特征在于，所述的第一微动开关(6)通过盖子(3)的关闭启动检测装置，第二微动开关(7)通过试管插入启动检测装置。
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