CN109596583A - 生物荧光快速检测装置 - Google Patents

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周哲
刘敏
付威威
董月芳
张洋
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
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Abstract

本发明公开一种生物荧光快速检测装置，其包括控制器、分别通信连接到控制器的LED发射单元、积分放大单元以及时序控制单元。LED发射单元用于产生恒流的LED光。积分放大单元用于接收LED光转换成电流信号输入以及将电流信号转换成第一电压信号输出至控制器；时序控制单元用于受控制器控制定时触发产生控制时序。积分放大单元设有将电流信号转换成第一电压信号的积分电路，积分电路上设有电容值可调的电容模块；控制器根据第一电压信号的大小，调节控制时序，以分别调节LED的亮灭和电流大小、调节电容模块的电容值，从而有效地解决荧光发光强度弱、光强连续性等问题，探测灵敏度、信噪比均有效提高。

Description

生物荧光快速检测装置
技术领域
本发明涉及生物试剂检测的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种生物荧光快速检测装置。
背景技术
快速型生物指示剂检测装置，主要用于检测生物指示剂被杀灭的程度，用于评估灭菌的效果。将灭菌后的生物指示剂放置于培养基中培养，如果生物指示剂没有被完全杀灭，生物指示剂中的芽孢复苏后产生酶促反应，经过一段时间以后菌种会大量繁殖。采用特定的荧光染料对细菌细胞进行染色，细菌大量繁殖以后，将携带大量荧光染料。
生物荧光检测装置，由光源激发与探测接收两部分组成。激发光源采用与荧光染料相应的波长的激发光，由LED灯构成，再配置具有数模转换的压控恒流控制电路，用于使激发光源产生恒定的电流点亮LED灯，从而光强保持恒定。探测接收通常采用光电二极管进行光电转换，并采用TIA互阻放大器实现电流到电压的转换，再经过电压缓冲器滤除不必要的高频、低频信号，可选的进行二次电压放大，经过ADC数据转化器转换成数字信号以后，由微处理器进行数据运算与处理。
现有的光电检测或者光电传感技术，通过特定波长的光源激发，细菌繁殖后携带大量的荧光染料，被激发后就会产生另一种波长的荧光，通过荧光检测、荧光判读，准确测定生物菌种的繁殖情况，就可以准确评价灭菌效果的好坏。具体地，生物试剂的检测都是通过荧光进行判读，探测都是采用光电二极管(PD)，后端采用互阻抗放大器(TIA)进行设计。传统的互阻放大电路，具有很高的动态特性与实时性，用于实时信号的提取与时频域分析，通常用于各种光电传感、生物传感等，通过高动态信号放大与实时的时频域分析，进而对信号特征进行提取，进行成分含量等的测定，或者生物特征的分析。然而这样的高动态性与实时性，并不适合于生物指示剂的快速检测，相对而言，生物指示剂的检测时间长，通常以小时论，而实时的动态检测并没有实际意义，相反地，通过长时间、稳定地荧光测量，通过对荧光数据进行统计判读才能准确反映生物试剂灭菌的效果。另外，互阻放大器电路，通过调节互阻放大的倍数，来提高信号放大的强度，但是同时也放大了噪声信号，对于较弱的荧光信号探测，信噪比较低，会出现噪声淹没测量信号的情况。因此，现有的基于电流放大的光电探测方式，对于较弱的荧光信号探测，信噪比较低、灵敏度下降，动态特性高却无法解决荧光发光强度弱、光强连续性等问题，无法避免测量过程中光强的不确定变化与外部环境干扰等，而且生物试剂测量时间长、对实时性要求并不高。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种生物荧光快速检测装置，有效地解决荧光发光强度弱、光强连续性等问题，探测灵敏度、信噪比均有效提高。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供一种生物荧光快速检测装置，其包括：
控制器；
LED发射单元，其通信连接到所述控制器，用于产生恒流的LED光；
积分放大单元，其通信连接到所述控制器，用于接收所述LED光转换成电流信号输入以及将所述电流信号转换成第一电压信号输出至所述控制器；
时序控制单元，其通信连接到所述控制器，用于受所述控制器控制定时触发产生控制时序；
其中，所述积分放大单元设有将所述电流信号转换成所述第一电压信号的积分电路，所述积分电路上设有电容值可调的电容模块；
所述控制器根据所述第一电压信号的大小，调节所述控制时序，以分别调节所述LED的亮灭和电流大小、调节所述电容模块的电容值。
优选的是，所述积分电路包括：
放大器，其反相输入端和输出端之间设置有第一开关；
电容模块，其包括分别并联到所述放大器反相输入端与输出端之间的若干个电容组；
其中，每个所述电容组设有一个电容和控制电容通断的第二开关；
所述微控制器通过调节所述控制时序分别控制所述第一开关和所述第二开关的开关动作。
优选的是，所述积分放大单元还包括：
第三开关；
光电二极管，其用于接收所述LED光转换成电流信号；
其中，所述光电二极管的阳极同时接地端和所述放大器的同相输入端，所述光电二极管的阴极通过所述第三开关连接到所述放大器的反相输入端；
所述控制器通过调节所述控制时序控制所述第三开关的开关动作。
优选的是，所述积分放大单元还包括：
电压缓冲器，其通信连接到所述积分电路的输出端，用于对所述积分电路输出的所述第一电压信号进行阻抗匹配。
优选的是，所述LED发射单元包括：
光源，其包括依次串联的LED灯、第四开关以及LED光源；
DAC转换电路，其通信连接到所述控制器，用于在所述控制器的控制下产生第二电压信号；
压控恒流源电路，其一端连接到所述DAC转换电路、另一端依次通过所述LED光源和所述第四开关连接到所述LED灯，用于根据接收的所述第二电压信号产生恒流至所述LED光源以点亮所述LED灯；
其中，所述控制器根据所述第一电压信号的大小，调节所述控制时序，以调节所述第二电压信号的大小、调节点亮所述LED灯恒流的大小；
所述控制器根据所述第一电压信号大小控制所述第四开关的开关动作。
优选的是，还包括含有I2C和SPI的控制接口；所述控制器通过所述控制接口连接到所述LED发射单元，调节所述第二电压信号的大小。
优选的是，还包括：
模数转换器，其通信连接到所述积分放大单元的输出端，用于将输出的所述第一电压信号进行模数转换；
FIFO存储器，其通信连接到所述模数转换器和所述控制器之间，用于缓存模数转换后的第一电压信号供所述控制器读取。
优选的是，还包括：
电压放大模块，其通信连接到所述电压缓冲器和所述模数转换器之间，用于对滤波后的第一电压信号进行二次放大。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明提供的生物荧光快速检测装置，包括控制器、用于产生恒流LED光的LED发射单元、用于接收LED光转换成电流信号输入以及将电流信号转换成第一电压信号输出至控制器的积分放大单元、用于受控制器控制定时触发产生控制时序的时序控制单元；其中，积分放大单元设有将电流信号转换成第一电压信号的积分电路，积分电路上设有电容值可调的电容模块；一方面，调节电容模块的电容值，即调节积分的斜率以调节第一电压信号的大小，达到理想的信号强度，可以有效地解决荧光发光强度弱、光强连续性等问题；另一方面，有效的通过调节积分电容的大小，调节信号的放大倍数，通过调节积分时间，实现更长时间的积分，大大提高信噪比。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为生物荧光快速检测装置的通信示意图；
10-控制器；
20-LED发射单元；
21-LED灯；22-第四开关；23-LED光源；24-DAC转换电路；
25-压控恒流源电路；
30-积分放大单元；31-光电二极管；32-第二开关；33-放大器；
34-第一开关；35-第三开关；
40-时序控制单元；
50-控制接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本实施方式提供一种生物荧光快速检测装置，其包括控制器10、LED发射单元20、积分放大单元30以及时序控制单元40。其中，控制器10是微控制器MCU。LED发射单元20通信连接到控制器10，用于产生恒流的LED光。积分放大单元30通信连接到控制器10，用于接收LED光转换成电流信号输入以及将电流信号转换成第一电压信号输出至控制器10。时序控制单元40通信连接到控制器10，用于受控制器10控制定时触发产生控制时序。
积分放大单元30设有将电流信号转换成第一电压信号的积分电路，积分电路上设有电容值可调的电容模块。
控制器10根据第一电压信号的大小，调节控制时序，以分别调节LED的亮灭和电流大小、调节电容模块的电容值。
该实施方式中，积分电路上设有电容值可调的电容模块，一方面，调节积分电路的电容大小，可调节积分的斜率以达到理想的信号强度，从而有效地解决荧光发光强度弱、光强连续性等问题，还能有效避免动态实时性测量过程中光强的不确定变化与外部干扰等；另一方面，调节积分电路电容的大小，可调节信号的放大倍数，更有效的是可以通过调节积分时间，通过更长时间的积分可以大大的提高信噪比，这是传统互阻放大器所不具有的，而对于生物指示剂判别而言，积分时间的长短远远小于判读所经历的数个小时，配合时序控制单元40的定时触发，因此，非常适用于生物试剂测量这种测量时间长的场合。
作为上述实施方式的优选，积分电路包括放大器33和电容模块。具体地，放大器33的反相输入端和输出端之间设置有第一开关(S1)34。
电容模块包括分别并联到放大器33反相输入端与输出端之间的若干个电容组；每个电容组设有一个电容和控制电容通断的第二开关(S2)32；微控制器10通过调节控制时序分别控制第一开关(S1)34和第二开关(S2)32的开关动作，以调节电容模块中电容接入的个数和组合，从而进一步调节积分电路的电容大小。至于若干个电容组中的电容大小可以相同也可以不同，只要通过控制第二开关(S2)32的开关动作实现不同电容个数接入和组合从而完成积分电路电容大小调节即可。图1给出了三个电容组的示例，三个电容组的电容大小均不同，分别为C110pF、C230pF、C360pF，可以实现多种不同电容大小的组合。
作为上述实施方式的优选，积分放大单元30还包括第三开关(S3)35和光电二极管31。光电二极管31的阳极同时接地端和放大器33的同相输入端，光电二极管31的阴极通过第三开关(S3)35连接到放大器33的反相输入端，使得光电二极管31接收LED光并将其转换成电流信号。控制器10通过调节控制时序控制第三开关(S3)35的开关动作，以实现对光电二极管31是否接入积分放大单元30进行光电转换工作的控制。
作为上述实施方式的优选，积分放大单元30还包括通信连接到积分电路输出端的电压缓冲器，用于对积分电路输出的第一电压信号进行阻抗匹配。
作为上述实施方式的优选，LED发射单元20包括光源、DAC转换电路24以及压控恒流源电路25。光源包括依次串联的LED灯21、第四开关(S4)22以及LED光源23。DAC转换电路24通信连接到控制器10，用于在控制器10的控制下产生第二电压信号。压控恒流源电路25一端连接到DAC转换电路24、另一端依次通过LED光源23和第四开关(S4)22连接到LED灯21，用于根据接收的第二电压信号产生恒流至LED光源23以点亮LED灯21。具体地，控制器10根据第一电压信号的大小，调节控制时序，以调节第二电压信号的大小、调节点亮LED灯21恒流的大小。控制器10根据第一电压信号大小控制第四开关(S4)22的开关动作，以控制LED灯21的点亮与熄灭。
作为上述实施方式的优选，生物荧光快速检测装置还包括含有I2C和SPI的控制接口50；控制器10通过该控制接口50连接到LED发射单元20，可以实现调节第二电压信号的大小。
作为上述实施方式的优选，生物荧光快速检测装置还包括模数转换器和FIFO存储器。模数转换器通信连接到积分放大单元30的输出端，用于将输出的第一电压信号进行模数转换。FIFO存储器通信连接到模数转换器和控制器10之间，用于缓存模数转换后的第一电压信号供控制器10读取。
作为上述实施方式的优选，生物荧光快速检测装置还包括通信连接到电压缓冲器和模数转换器之间的电压放大模块，用于对滤波后的第一电压信号进行二次放大。
需要补充说明的是，本发明实施方式中，为了保证时序控制单元40的定时和触发，时序控制单元40设置有定时器和触发器。控制器10通过设置定时器的定时时长，并通过触发器来控制各个模块中开关的切换，控制整个测量过程的时序，则可有效地控制多个开关的开通与闭合，并由定时器配合动作，稳定而精确地测量一段时间内生物试剂的荧光发光强度总和，并通过长时间的连续间隔检测，来统计荧光数据，并进行数据分析与结果的判别。
下面，具体阐述生物荧光快速检测装置的工作流程：
控制器10控制时序控制单元40定时触发产生控制指令，触发第一开关(S1)34断开，至少一个第二开关(S2)32闭合，第三开关(S3)35以及第四开关(S4)22闭合，则：
控制器10通过控制接口给LED发射单元20发出点亮指令，DAC转换电路24接收该指令产生第二电压信号，压控恒流源电路25接收第二电压信号产生恒流至LED光源23以点亮LED灯21。
光电二极管31接收LED光转换成电流信号输入给放大器33进行放大和转换，输出第一电压信号。第一电压信号依次经电压缓冲器的阻抗匹配、电压放大模块的二次放大、模数转换器的模数转换以及FIFO存储器的缓存，最后供控制器10读取。
若第一电压信号不满足检测要求，则控制器10根据第一电压信号的大小，发出用于调节指令给时序控制单元40和LED发射单元20。通过时序控制单元40的定时器和触发器定时触发发出调节后的控制时序，以分别调节LED灯21的亮灭和电流大小、调节电容模块的电容值，直到第一电压信号满足目标强度，所有的控制均
具体地，LED光的亮灭和电流大小，是通过控制器10调节时序控制单元40定时触发的控制时序来调节第三开关(S3)35的通断，从而控制LED的亮灭；通过控制器10发出调节指令给LED发射单元20的压控恒流源电路25，从而调节LED灯21电流的大小。
电容模块的电容值的大小，是通过控制调节时序控制单元40定时触发的控制时序来调节第一开关(S1)34和第二开关(S2)32的通断，实现电容模块中不同数量和容值组合的电容接入电路。
尽管本发明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发明的领域。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，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种生物荧光快速检测装置，其特征在于，其包括：
控制器；
LED发射单元，其通信连接到所述控制器，用于产生恒流的LED光；
积分放大单元，其通信连接到所述控制器，用于接收所述LED光转换成电流信号输入以及将所述电流信号转换成第一电压信号输出至所述控制器；
时序控制单元，其通信连接到所述控制器，用于受所述控制器控制定时触发产生控制时序；
其中，所述积分放大单元设有将所述电流信号转换成所述第一电压信号的积分电路，所述积分电路上设有电容值可调的电容模块；
所述控制器根据所述第一电压信号的大小，调节所述控制时序，以分别调节所述LED的亮灭和电流大小、调节所述电容模块的电容值。
2.如权利要求1所述的生物荧光快速检测装置，其特征在于，所述积分电路包括：
放大器，其反相输入端和输出端之间设置有第一开关；
电容模块，其包括分别并联到所述放大器反相输入端与输出端之间的若干个电容组；
其中，每个所述电容组设有一个电容和控制电容通断的第二开关；
所述微控制器通过调节所述控制时序分别控制所述第一开关和所述第二开关的开关动作。
3.如权利要求2所述的生物荧光快速检测装置，其特征在于，所述积分放大单元还包括：
第三开关；
光电二极管，其用于接收所述LED光转换成电流信号；
其中，所述光电二极管的阳极同时接地端和所述放大器的同相输入端，所述光电二极管的阴极通过所述第三开关连接到所述放大器的反相输入端；
所述控制器通过调节所述控制时序控制所述第三开关的开关动作。
4.如权利要求1所述的生物荧光快速检测装置，其特征在于，所述积分放大单元还包括：
电压缓冲器，其通信连接到所述积分电路的输出端，用于对所述积分电路输出的所述第一电压信号进行阻抗匹配。
5.如权利要求1所述的生物荧光快速检测装置，其特征在于，所述LED发射单元包括：
光源，其包括依次串联的LED灯、第四开关以及LED光源；
DAC转换电路，其通信连接到所述控制器，用于在所述控制器的控制下产生第二电压信号；
压控恒流源电路，其一端连接到所述DAC转换电路、另一端依次通过所述LED光源和所述第四开关连接到所述LED灯，用于根据接收的所述第二电压信号产生恒流至所述LED光源以点亮所述LED灯；
其中，所述控制器根据所述第一电压信号的大小，调节所述控制时序，以调节所述第二电压信号的大小、调节点亮所述LED灯恒流的大小；
所述控制器根据所述第一电压信号大小控制所述第四开关的开关动作。
6.如权利要求5所述的生物荧光快速检测装置，其特征在于，还包括含有I2C和SPI的控制接口；所述控制器通过所述控制接口连接到所述LED发射单元，调节所述第二电压信号的大小。
7.如权利要求1所述的生物荧光快速检测装置，其特征在于，还包括：
模数转换器，其通信连接到所述积分放大单元的输出端，用于将输出的所述第一电压信号进行模数转换；
FIFO存储器，其通信连接到所述模数转换器和所述控制器之间，用于缓存模数转换后的第一电压信号供所述控制器读取。
8.如权利要求7所述的生物荧光快速检测装置，其特征在于，还包括：
电压放大模块，其通信连接到所述电压缓冲器和所述模数转换器之间，用于对滤波后的第一电压信号进行二次放大。
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