CN107389640B - 两点积分式荧光寿命快速检测系统 - Google Patents

两点积分式荧光寿命快速检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种的两点积分式荧光寿命快速检测系统，包括有氧敏感荧光膜、激发光源、光电检测电路、探测器温控电路、主控制器。本发明以LED为光源，以硅光电倍增管为探测器，结合可变增益放大器实现荧光衰减曲线自动放大，采用高速开关型电荷积分器快速测量不同时刻荧光强度，从而实现荧光猝灭过程中荧光衰减曲线多点荧光强度快速高灵敏测量，通过选择荧光衰减曲线的两点强度直接反演氧敏感荧光膜的荧光寿命，获得溶解氧浓度。本发明具有测量快速，检测电路简单易实现，不易受光源波动、老化以及自然光照等外界因素干扰，测量稳定和可靠性强等特点。

Description

两点积分式荧光寿命快速检测系统
技术领域
本发明主要涉及资源与环境、海洋领域，具体涉及一种两点积分式荧光寿命快速检测系统。
背景技术
水体溶解氧是指溶解于水体中分子态的氧气，是水生生物生存不可缺少的条件，是衡量水生生态系统的重要参数。溶解氧高低能够反映水体污染，特别是有机物污染的程度，因此也是水质重要综合性评价指标。准确快速获取水体溶解氧浓度信息，对掌握水体生态环境状况、保障饮用水安全、发展水产养殖业等至关重要。
目前，常用溶解氧检测方法主要有碘量法、电极法、荧光猝灭法等。碘量法是国标ISO5813-1983规定的溶解氧标准化学测定法，测量准确度高，但需要人工操作，常用于实验室测量。电极法又名电流测定法，根据分子氧透过薄膜的扩散速率来测定水中溶解氧的含量，电极法的测量速度快、操作简便、使用成本低，常用于溶解氧的在线监测，但实际应用中存在氧透膜和电极易老化、抗污染和电磁干扰能力差、电极维护量大等问题。荧光猝灭法是基于氧分子对荧光物质的荧光猝灭效应，通过荧光强度或寿命变化测量溶解氧浓度，分为荧光强度法和荧光寿命法。由于荧光寿命是荧光信号的本征参量，不易受到外界因素(包括光源波动、老化以及外界杂散光等)的干扰，因此，荧光寿命法测量溶解氧具有更好的准确性和稳定性，已发展为国际主流溶解氧检测技术。
目前溶解氧检测中多数是通过频域相位法测量荧光寿命，通过将时域上荧光寿命转化为频域上荧光相对激发光的滞后相位进行检测，如ZL201010580318.3公开了一种数字锁相法的荧光寿命检测技术，但频域荧光寿命法水体溶解氧浓度检测技术存在激发光源要求苛刻、相位检测电路复杂、相位差稳定周期长等问题。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种两点积分式荧光寿命快速检测系统，通过测量荧光衰减曲线两点强度直接反演氧敏感荧光膜的荧光寿命，获得溶解氧浓度；该技术测量快速，检测电路简单易实现，不易受光源波动、老化以及自然光照等外界因素干扰，测量稳定和可靠性强。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种的两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：包括有氧敏感荧光膜、激发光源、光电检测电路、探测器温控电路、主控制器；所述激发光源包括LED激发光源、LED驱动器，LED激发光源照射氧敏感荧光膜，LED驱动器与LED激发光源控制连接，主控制器的信号输出端与LED驱动器的信号输入端连接；所述光电检测电路包括光电探测器、前置放大器、可变增益放大器、积分放大器，光电探测器探测光源照射氧敏感荧光膜后的荧光强度，光电探测器、前置放大器、可变增益放大器、积分放大器依次电连接，积分放大器的信号输出端与主控制器连接，主控制器的信号输出端与可变增益放大器、积分放大器控制连接；所述探测器温控电路包括温度传感器、测温电路、高压控制器、高压发生器，温度传感器置于光电探测器一侧，温度传感器与测温电路电连接，高压控制器与光电探测器电连接，高压发生器的信号输出端与高压控制器连接。
所述的两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：所述氧敏感荧光膜采用三层结构，外层为光学隔离层；中间层为荧光物质层，采用反应性钌(Ⅱ)－二亚胺类化合物作用荧光物质，其吸收中心波长在460nm附近，荧光发射波长在620nm附近；内层为透明固定层。
所述的两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：所述LED激发光源采用470nm普通蓝光LED灯，LED驱动器采用通用方波形式驱动，方波信号由主探测器控制的LED驱动器产生，激发方波频率在5KHz以下、占空比低于20％。
所述的两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：所述光电探测器采用的是硅光电倍增管，积分放大器采用的是IVC102高速开关型电荷积分器，硅光电倍增管输出光电流信号经I/V前置放大和可变增益放大器放大，放大倍数可根据光电流强弱自动调节，放大后信号输出给IVC102高速开关型电荷积分器，在荧光猝灭过程中主控制器控制积分放大器快速测量不同时刻的荧光强度。
所述的两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：所述温度传感器采用的是pt100温度传感器。
所述的两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：所述主控制器的核心采用ARM-CORTEX-M4为内核的32位MCU。
本发明的原理是：
荧光寿命法测量溶解氧是利用氧气分子对氧敏感荧光膜的荧光猝灭效应，引起荧光寿命缩短，从而实现水体溶解氧浓度的测量。无氧条件下氧敏感荧光膜的荧光寿命τ0和某溶解氧浓度[O2]下氧敏感荧光膜的荧光寿命τ满足Stern-Volmer猝灭方程(1)，其中K为比例常数：
Figure BDA0001361684500000031
用短脉冲光激发氧敏感荧光膜，氧敏感荧光膜原子受激发后跃迁到高能态，并以发射荧光的形式返回基态，激发光源关闭后，荧光发光强度随时间按指数规律衰减，在荧光衰减曲线上选取t1和t1’两个时刻，测量两个时间点Δ时间间隔内的荧光强度A1和A1’，利用(2)式可直接荧光寿命τ：
Figure BDA0001361684500000032
依据上述原理，准确测量荧光衰减曲线上两个时刻的荧光强度是关键所在。
不同浓度溶解氧条件下氧敏感荧光膜寿命在几十微秒至几百微秒，荧光信号采样周期直接影响荧光寿命测量灵敏度和准确性。本发明设计的积分式荧光寿命快速检测系统，单个荧光信号积分和AD采样时间不超过10μs。按10μs计算，单条荧光衰减曲线便可获得几个至几十个荧光强度，任择两个荧光强度，利用(2)式便可得到荧光寿命，因此荧光寿命的测量周期约为几百微秒。为提高测量结果的准确性和稳定性，将同一荧光猝灭曲线测得的荧光强度两两组合，计算获得多个荧光寿命，再连续测量多条荧光猝灭曲线，扩大荧光寿命测量结果数量，通过统计分析剔除三倍标准偏差以外的数据，获得更为稳定的荧光寿命测量结果，进而深度抑制光电探测器件、电路和外界环境带来的随机噪声。
本发明提出积分式荧光寿命快速检测系统，直接获得氧敏感荧光膜的荧光寿命，实现水体溶解氧浓度快速测量，其优点简述如下：
本发明以LED为光源，以硅光电倍增管为探测器，结合可变增益放大器实现荧光衰减曲线前置放大，采用高速开关型电荷积分器快速测量荧光衰减曲线上两点荧光强度，在时域上直接获得荧光寿命。本发明测量快速，可在一个激发周期(几百微秒)内测得荧光寿命；测量结果不易受激发光源强度与环境光照等因素影响，在保证荧光检测速度和灵敏度条件下有效降低了开发成本。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种的两点积分式荧光寿命快速检测系统，包括有氧敏感荧光膜1、激发光源、光电检测电路、探测器温控电路、主控制器5；激发光源包括LED激发光源21、LED驱动器22，LED激发光源21照射氧敏感荧光膜1，LED驱动器22与LED激发光源21控制连接，主控制器5的信号输出端与LED驱动器22的信号输入端连接；光电检测电路包括光电探测器31、前置放大器32、可变增益放大器33、积分放大器34，光电探测器31探测光源照射氧敏感荧光膜1后的荧光强度，光电探测器31、前置放大器32、可变增益放大器33、积分放大器34依次电连接，积分放大器34的信号输出端与主控制器5连接，主控制器5的信号输出端与可变增益放大器33、积分放大器34控制连接；探测器温控电路包括温度传感器41、测温电路42、高压控制器43、高压发生器44，温度传感器41置于光电探测器31一侧，温度传感器41与测温电路42电连接，高压控制器43与光电探测器31电连接，高压发生器44的信号输出端与高压控制器43连接。
氧敏感荧光膜1采用三层结构，外层为光学隔离层；中间层为荧光物质层，采用反应性钌(Ⅱ)－二亚胺类化合物作用荧光物质，其吸收中心波长在460nm附近，荧光发射波长在620nm附近；内层为透明固定层。
LED激发光源21采用470nm普通蓝光LED灯，LED驱动器22采用通用方波形式驱动，方波信号由主探测器控制的LED驱动器产生，激发方波频率在5KHz以下、占空比低于20％。
光电探测器31采用的是硅光电倍增管，积分放大器34采用的是IVC102高速开关型电荷积分器，硅光电倍增管输出光电流信号经I/V前置放大和可变增益放大器放大，放大倍数可根据光电流强弱自动调节，放大后信号输出给IVC102高速开关型电荷积分器，在荧光猝灭过程中主控制器控制积分放大器快速测量不同时刻的荧光强度。
温度传感器41采用的是pt100温度传感器。
主控制器5的核心采用ARM-CORTEX-M4为内核的32位MCU。

Claims (6)

1.一种两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：包括有氧敏感荧光膜、激发光源、光电检测电路、探测器温控电路、主控制器；所述激发光源包括LED激发光源、LED驱动器，LED激发光源照射氧敏感荧光膜，LED驱动器与LED激发光源控制连接，主控制器的信号输出端与LED驱动器的信号输入端连接；所述光电检测电路包括光电探测器、前置放大器、可变增益放大器、积分放大器，光电探测器探测光源照射氧敏感荧光膜后的荧光强度，光电探测器、前置放大器、可变增益放大器、积分放大器依次电连接，积分放大器的信号输出端与主控制器连接，主控制器的信号输出端与可变增益放大器、积分放大器控制连接；所述探测器温控电路包括温度传感器、测温电路、高压控制器、高压发生器，温度传感器置于光电探测器一侧，温度传感器与测温电路电连接，高压控制器与光电探测器电连接，高压发生器的信号输出端与高压控制器连接。
2.根据权利要求1所述的两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：所述氧敏感荧光膜采用三层结构，外层为光学隔离层；中间层为荧光物质层，采用反应性钌（Ⅱ）－二亚胺类化合物作用荧光物质，其吸收中心波长在460nm附近，荧光发射波长在620nm附近；内层为透明固定层。
3.根据权利要求1所述的两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：所述LED激发光源采用470nm普通蓝光LED灯，LED驱动器采用通用方波形式驱动，方波信号由主探测器控制的LED驱动器产生，激发方波频率在5KHz以下、占空比低于20%。
4.根据权利要求1所述的两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：所述光电探测器采用的是硅光电倍增管，积分放大器采用的是IVC102高速开关型电荷积分器，硅光电倍增管输出光电流信号经I/V前置放大和可变增益放大器放大，放大倍数可根据光电流强弱自动调节，放大后信号输出给IVC102高速开关型电荷积分器，在荧光猝灭过程中主控制器控制积分放大器快速测量不同时刻的荧光强度。
5.根据权利要求1所述的两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：所述温度传感器采用的是pt100温度传感器。
6.根据权利要求1所述的两点积分式荧光寿命快速检测系统，其特征在于：所述主控制器的核心采用ARM-CORTEX-M4为内核的32位MCU。
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