CN101698822B - 三磷酸腺苷生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三磷酸腺苷(ATP)生物发光检测微生物总量自动原位监测仪的设计方案。本发明包括柱塞式反应室、废液室、样品室、清洗液室、试剂室、阀门组、采集控制系统、计算机、步进电机和温度控制系统，废液室、样品室、清洗液室、试剂室、反应室和采集控制系统分别与阀门组连接，反应室、计算机、步进电机和温度控制系统分别与采集控制系统连接，试剂室和柱塞式反应室分别与温度控制系统连接，步进电机与柱塞式反应室连接。本发明可以自动精确加入荧光试剂，采用半导体致冷器产生低温保存生化试剂，并对柱塞式反应室进行恒温控制，对ATP激发的荧光进行检测，根据ATP与微生物的对应关系，直接估算出微生物的浓度，检测完毕后自动清洗。
Description
技术领域
本发明涉及一种三磷酸腺苷生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪，属于光学检测仪器领域。
背景技术
在环境检测、生物学、海洋学和食品卫生等领域，微生物检测是一个重要项目。传统的微生物检测方法，如培养计数法，也是国家标准方法，检测细菌总数需要2天，酵母和霉菌需3-5天，在时间上难以满足在线检测的要求。而且对于难培养或不可培养的微生物，很难应用该方法来计算活菌总数。而ATP生物发光法以其简便、快速、能够实现自动定量分析等优点，受到越来越多的重视，在环境检测、生物学、海洋学和食品卫生等领域的应用也越来越为广泛。
目前，国外一些公司已经有基于ATP生物发光原理的检测微生物量的仪器，如美国Turner BioSystems公司的TD-20/20荧光照度计，但这些仪器功能相对单一，只有光度检测，其它添加试剂、标定、数据处理等过程都需要人工操作，使其应用受到很大的局限。而很多环境监测需要定点不分昼夜的连续工作，人工操作很难实现，还有一些极端环境或危险环境下的监测，也无法由人工完成。另外食品卫生等对卫生要求很高的行业，也需要实时快速的检测手段，对生产过程中的微生物含量进行监控。这些都无法用基于人工操作的仪器来实现或者需要耗费大量的人力物力。一种快速简便的微生物检测手段及仪器对环境监测及食品卫生等行业具有重要的意义，而ATP生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪具有快速及时的特点，能够自动加样、检测，进行数据标定及处理等一系列过程，无需人工操作，可以很好的完成极端环境或危险环境下的环境监测和食品行业生产过程的实时卫生质量监控，同时也为生物学和海洋学等领域的微生物检测提供新的手段与技术，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种三磷酸腺苷生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪。
本发明可以自动精确加入荧光试剂，采用半导体致冷器产生低温保存生化试剂，并对柱塞式反应室进行恒温控制，用光敏传感器对ATP激发的荧光进行检测。通过切换阀门组中不同阀门的工作状态以及控制步进电机改变柱塞式反应室的容积，仪器可以完成自动加样、自动高精度光电检测和自动清洗等功能。
本发明对标准ATP试剂进行检测，根据其发光值进行样品的标定，由计算机处理，得到样品中ATP的浓度。最后，根据ATP与微生物的对应关系，直接估算出微生物的浓度。仪器能够实现高精度自动加样、检测、数据记录等功能，对于极端环境或危险环境下的环境监测和食品行业生产过程的实时卫生质量监控，具有重要意义，同时也为生物学和海洋学等领域的微生物检测提供新的手段与技术。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：该三磷酸腺苷生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪包括柱塞式反应室、废液室、样品室、清洗液室、试剂室、阀门组、采集控制系统、计算机、步进电机和温度控制系统，其中，废液室、样品室、清洗液室、试剂室、柱塞式反应室和采集控制系统分别与阀门组连接，柱塞式反应室、步进电机和温度控制系统分别与采集控制系统连接，试剂室和柱塞式反应室分别与温度控制系统连接，步进电机与柱塞式反应室连接，所述采集控制系统与所述计算机连接。
进一步地，本发明所述的采集控制系统包括光敏传感器、程控放大电路、A/D转换器、参考电压发生器、微处理器、存储单元和通讯接口电路，光敏传感器与程控放大电路连接，程控放大器、参考电压发生器分别与A/D转换器连接，A/D转换器、程控放大器、存储单元、通讯接口电路分别与微处理器连接，通讯接口电路与计算机连接。
进一步地，本发明所述的步进电机电路包括第一D/A转换器、步进电机驱动芯片和步进电机，第一D/A转换器与步进电机驱动芯片连接，步进电机驱动芯片与步进电机连接，步进电机与柱塞式反应室连接，第一D/A转换器与微处理器连接。
进一步地，本发明所述的温度控制系统包第二D/A转换器、第一信号放大调整电路、第二信号放大调整电路、第一功率放大器、第二功率放大器、加热线圈和半导体制冷器，第一信号放大调整电路、第二信号放大调整电路分别与第二D/A转换器连接，第一功率放大电路与第一信号放大调整电路连接，第二功率放大电路与第二信号放大调整电路连接，第一功率放大器与加热线圈连接，第二功率放大器与半导体制冷器连接，第二D/A转换器与微处理器连接，加热线圈与柱塞式反应室连接，半导体制冷器与试剂室连接。
本发明的自动化过程包括如下步骤：微处理器通过控制步进电机电路和阀门组，使样品和试剂按照一定比例进入柱塞式反应室，微处理器控制温度控制系统，使样品和试剂混合后在一定温度进行反应，发出光子，光敏传感器接收到反应所发生的光子，产生相应的电信号，电信号通过程控放大电路进行放大后，由A/D转换器转换成数字信号数据，微处理器把检测数据保存到存储单元中。反应完毕后，微处理器控制步进电机电路和阀门组，把清洗液注入柱塞式反应室进行清洗，清洗完毕后的废液注入废液室。原位检测工作结束后，回收监测仪，计算机通过通讯总线与监测仪连接，微处理器把存储单元中保存的监测数据上传到计算机中，计算机通过分析得出原位监测结果。
附图说明
图1是本发明一种实施例的仪器结构框图；
图2是本发明一种实施例的采集控制系统框图；
图3是本发明一种实施例的步进电机控制电路框图；
图4是本发明一种实施例的温度控制系统框图。
具体实施方式
图1为本三磷酸腺苷生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪的结构框图，该检测仪包括柱塞式反应室、废液室、样品室、清洗液室、试剂室、阀门组、采集控制系统、计算机、步进电机和温度控制系统，计算机通过通讯接口电路与采集控制系统中的微处理器进行通讯，设定监测仪的工作参数和读取采集数据进行分析，采集控制系统按照计算机设定的工作参数控制监测仪各个模块在原位监测时的运作，包括控制步进电机、控制阀门组中各个阀门的工作状态、控制温度控制系统、采集柱塞式反应室中的荧光信号等，步进电机在采集控制系统的控制下能改变柱塞式反应室的容积，配合阀门组中各阀门的开启或关闭，使试剂室、清洗液室和样品室中的液体按比例注入柱塞式反应室，或使反应后的废液排出到废液室中，阀门可选用市售电磁阀，温度控制系统能分别加热柱塞式反应室，使柱塞式反应室内的混合液达到合适的反应温度，另一方面能冷却试剂室，延长试剂的保存时间。
图2为本发明一种实施例的采集控制系统框图，该电路包括光敏传感器、程控放大电路、A/D转换器、参考电压发生器、微处理器、存储单元和通讯接口电路，微处理器为本发明的控制核心，可采用DSP系列、ARM系列或51核心系列微处理器，本发明实施例中选用了美国TI公司的TMS320C2000系列DSP，该DSP可以达到40MIPS的处理速度，完全可以满足控制及处理速度。光敏传感器负责接收柱塞式反应室中产生的荧光，并转化为电信号，光敏传感器可采用光电二极管、光电倍增管或光电倍增管模块，若采用光电二极管或光电倍增管，所产生的电信号为电流信号，程控放大电路中需带有电流/电压转换器，使电流信号转换为电压信号，程控放大电路可采用高精度数字放大器构成，微处理器可控制程控放大电路的增益，使信号强度与A/D转换器的转换电压匹配，若光敏传感器采用光电倍增管模块，则程控放大电路中不需要具备电流/电压放大器，只需对光电倍增管模块所产生的电压信号进行放大。参考电压发生器为A/D转换器提供转换时所需要的参考电压，A/D转换器应采用低噪声高分辨率的器件，有助于提高检测的精度，本实施例中选用了Cirrus公司的24位模数转换器CS5532。微处理器在原位监测工作时把采集数据保存到存储单元中，待监测仪回收后再把数据上传到计算机中分析，存储单元可采用闪存芯片实现，如Atmel公司的闪存芯片AT45DB081B，或市售闪存记忆卡，如SD卡，CF卡等。仪器回收后，微处理器通过通讯接口电路与计算机进行通讯，通讯接口电路可选用RS-232接口转换电路、RS-485接口转换电路或CAN接口转换电路，本实施例中采用了RS-232接口转换电路。
图3为本发明一种实施例的步进电机控制电路框图，包括第一D/A转换器、步进电机驱动芯片和步进电机，第一D/A转换器受微处理器控制，把微处理器所给的数字信号转换为模拟信号，步进电机驱动芯片根据第一D/A转换器所输出的模拟信号驱动步进电机，使柱塞式反应室的容积发生变化，配合微处理器控制阀门组中各阀门的工作状态，可实现柱塞式反应室中注液、排液等动作。
图4为本发明一种实施例的温度控制系统框图，包括第二D/A转换器、第一信号放大调整电路、第二信号放大调整电路、第一功率放大器、第二功率放大器、加热线圈和半导体制冷器，第二D/A转换器受微处理器控制，把微处理器所给的数字信号转换为模拟信号，本实施例中第二D/A转换器能分别输出两路模拟信号，分别连接到第一信号放大调整电路和第二信号放大调整电路，第一信号放大调整电路把第二D/A转换器输出的用于控制加热线圈的模拟信号进行放大和滤波整流，成为模拟控制信号，第一功率放大器把模拟控制信号转换为功率输出，驱动加热线圈，可对柱塞式反应室进行温度控制，第二信号放大调整电路把第二D/A转换器输出的用于控制半导体制冷器的模拟信号进行放大和滤波整流，成为模拟控制信号，第二功率放大器把模拟控制信号转换为功率输出，驱动半导体制冷器，可对试剂室进行冷却。
以西湖水体微生物量的测量为例，实施三磷酸腺苷生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪的自动原位检测过程如下：
a)测量位点的布置
以西湖水体微生物作为测量对象，选取测量位点时考虑到各种特征位点，如进水口、出水口、湖心、旅游景点等。具体布置为：断桥(1)-大华饭店(2)、柳浪闻莺(3)-湖心(4)-平湖秋月(5)、楼外楼(6)-湖心(7)-三潭印月-雷峰塔(8)、南湖(进水口)(9)-西里湖(1)-曲苑风荷(10)。
b)测量过程与结果
将监测仪取样管置于水面下50cm，启动仪器进行检测，由控制器控制进入自动化过程，吸取水样和试剂进入柱塞式反应室后，发出光子的通过光电传感器进行检测，经过光电转换，所得到的信号值与标准值进行比对，通过数据处理，即可得到样品的ATP浓度，按照平均每个细胞5x10-16g ATP的转换关系，得到微生物的浓度。湖心的微生物浓度为5.8×106个/ml，沿岸各景点的平均微生物浓度为9.1×106个/ml，进水口的微生物浓度为0.8×106个/ml。
测量结果与西湖水体微生物的分布情况基本一致，沿岸各景点受人为因素的影响较大，水体微生物浓度较高，而进水口的水体经过前处理，微生物浓度较低。
本发明所涉及的三磷酸腺苷生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪能完整地实现进样、反应控制、数据采集、结果分析与记录的一整套自动化过程，改变了传统的手工操作模式，对环境监测、食品卫生、生命科学等领域具有重要意义。
Claims (4)
1.一种三磷酸腺苷生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪，其特征在于：包括柱塞式反应室、废液室、样品室、清洗液室、试剂室、阀门组、采集控制系统、计算机、步进电机和温度控制系统，废液室、样品室、清洗液室、试剂室、柱塞式反应室和采集控制系统分别与阀门组连接，柱塞式反应室、计算机、步进电机和温度控制系统分别与采集控制系统连接，试剂室和柱塞式反应室分别与温度控制系统连接，步进电机与柱塞式反应室连接。
2.根据权利要求1所述的一种三磷酸腺苷生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪，其特征在于所述的采集控制系统包括光敏传感器、程控放大电路、A/D转换器、参考电压发生器、微处理器、存储单元和通讯接口电路，光敏传感器与程控放大电路连接，程控放大电路、参考电压发生器分别与A/D转换器连接，A/D转换器、程控放大电路、存储单元和通讯接口电路分别与微处理器连接，通讯接口电路与计算机连接，步进电机通过步进电机的控制电路控制。
3.根据权利要求2所述的一种三磷酸腺苷生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪，其特征在于所述的步进电机的控制电路包括第一D/A转换器、步进电机驱动芯片，第一D/A转换器与步进电机驱动芯片连接，步进电机驱动芯片与步进电机连接，第一D/A转换器与微处理器连接。
4.根据权利要求2所述的一种三磷酸腺苷生物发光法检测微生物总量自动原位监测仪，其特征在于所述的温度控制系统包括第二D/A转换器、第一信号放大调整电路、第二信号放大调整电路、第一功率放大器、第二功率放大器、加热线圈和半导体制冷器，第一信号放大调整电路、第二信号放大调整电路分别与第二D/A转换器连接，第一功率放大电路与第一信号放大调整电路连接，第二功率放大电路与第二信号放大调整电路连接，第一功率放大器与加热线圈连接，第二功率放大器与半导体制冷器连接，第二D/A转换器与微处理器连接，加热线圈与柱塞式反应室连接，半导体制冷器与试剂室连接。
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