CN109668865A - 荧光检测器稳定性测定装置及测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种荧光检测器稳定性测定装置的测定方法，该装置具有一个外壳，一个标准光传感器，一个标准光源，外壳内上部设有用于放置荧光检测器的左右两个安装凹槽，两个安装凹槽下方分别设有标准光源、标准光传感器，标准光源和标准光传感器上方分别置有衰减片，标准光源和标准光传感器通过主控板连接上位机，上位机通过主控板连接荧光检测器。本发明利用标准光传感器测定荧光检测器激发光源的稳定性能，利用前置衰减片的标准光源模拟微弱荧光以测定荧光检测模块的稳定性能。在两个测定过程中，均采用更换衰减片的技术方案消除标准光传感器或者标准光源自身漂移对测定结果的影响。本发明公开的测定装置及测定方法，为荧光的定量检测分析提供可靠依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学检测和分析仪器，尤其涉及一种荧光检测器稳定性测定装置及测定方法。
背景技术
随着经济的飞速发展，人们对环境污染、卫生健康、食品安全等领域的关注越来越多，这些领域一般需要根据待检测物的物质特性对其进行定性或定量分析。作为定性或定量分析物质特性的重要方法，荧光分析方法具有灵敏度高、选择性好、信号稳定等特点。实现该方法的关键部件是荧光检测器，作为核心模块已被广泛应用在荧光PCR仪和96孔板荧光分析仪等生化和环境分析仪器中，对食品和水中化学污染物和致病微生物实现快速检测提供设备和技术保障，并能对环境污染和食品安全快速响应，防止污染和不安全因素的进一步扩大，为人类的健康生活提供保障。
近几年，国内的分析仪器行业飞速发展，其关键部件之一的荧光检测器趋于集成化、模块化、产业化，但是荧光检测器的整体发展仍处在研发阶段，虽然其关键性能指标正在追逐甚至超过国外技术水平，但是工程化效果不甚理想，由于荧光检测器自身存在长期漂移导致目前绝大多数荧光检测尚处于相对测量阶段。上述问题不仅给生产荧光检测仪器的厂家带来了很多困难，也给应用荧光检测进行定量分析的用户带来了诸多不便。
发明内容
为了实现相对准确的荧光检测定量分析，保证荧光检测结果的可靠性，有必要对荧光检测器本身的稳定性能进行测定，本发明提供一种荧光检测器稳定性测定装置及测定方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种荧光检测器稳定性测定装置，具有一个安装测定装置的外壳，一个用于测定荧光检测器激发光源稳定性能的标准光传感器，一个用于测定荧光检测器荧光检测稳定性能的标准光源，所述外壳内上部设有用于放置荧光检测器的左右两个安装凹槽，两个安装凹槽下方分别设有标准光源、标准光传感器，标准光源和标准光传感器上方分别置有衰减片，标准光源和标准光传感器通过主控板连接上位机，上位机通过主控板连接荧光检测器。
当荧光检测器安装于右侧安装凹槽时，所述上位机通过主控板控制荧光检测器的激发光源模块发出激发光，激发光经过衰减片衰减后对准标准光传感器的感光元件，并被标准光传感器感测，进而由主控板采集并上传至上位机进行分析处理。
当荧光检测器安装于左侧安装凹槽时，所述上位机通过主控板控制标准光源输出光，所述光经过衰减片衰减后所模拟的微弱荧光进入荧光检测器的荧光检测模块，并被荧光检测模块接收，进而由主控板采集并上传至上位机进行分析处理。
在测定过程中，更换所述衰减片，用于消除标准光传感器或者标准光源自身漂移对测定结果的影响。
一种荧光检测器稳定性测定装置的测定方法，包括步骤如下：
1)将荧光检测器安装于右侧安装凹槽中，利用上位机通过主控板控制荧光检测器的激发光源模块输出强度为I0的激发光；
2)在标准光传感器前安装透过率为τ1的衰减片，标准光传感器的感光元件接收激发光源模块输出经衰减后的激发光，由主控板采集并上传至上位机；
3)上位机长时间接收存储标准光传感器感测的数据DN值，并计算得到安装透过率为τ1的衰减片时的平均DN值，由于荧光检测器激发光源模块的滤光片带宽为20nm，理想情况下标准光传感器响应的DN值与激发光强度I成线性关系，线性系数为K，再考虑到标准光传感器前放置的衰减片以及激发光源模块的自身漂移ΔI1和标准光传感器的漂移ΔDN1，可以得到标准光传感器第i次采集的响应值为：
DN1i＝Kτ1(I0+ΔI1i)+ΔDN1i (1)
进而由公式(1)求得平均DN值的计算公式为：
4)在标准光传感器前安装透过率为τ2，τ2>τ1的衰减片，重复步骤2)～3)，计算得到安装透过率为τ2的衰减片时的平均DN值，并同理推导出的计算公式为：
5)对于荧光检测器固定光强输出为I0的激发光源和标准光传感器，相同的一长段时间内可以认为这两者的漂移固定，即 和可以由上位机的存储数据计算得到，再由公式(2)和公式(3)即可计算出消除标准光传感器漂移后的激发光源的自身漂移为：
即表征荧光检测器的激发光源模块输出激发光源的稳定性能；
6)将荧光检测器安装于左侧安装凹槽中，利用上位机通过主控板控制标准光源输出强度为I0'的光；
7)在标准光源前安装透过率为τ3的衰减片，标准光源经过衰减片衰减后所模拟的荧光进入荧光检测器的荧光检测模块，被荧光检测模块接收，进而由主控板采集并上传至上位机；
8)上位机长时间接收存储荧光检测模块感测的数据DN值，并计算得到安装透过率为τ3的衰减片时的平均DN值，由于荧光检测器荧光检测模块的滤光片带宽也为20nm，理想情况荧光检测模块响应的DN值与荧光强度I成线性关系，线性系数为K'，再考虑到标准光源前放置的衰减片以及荧光检测模块的自身漂移ΔDN3和标准光源的漂移ΔI3，可以得到荧光检测模块第i次采集的响应值为：
DN3i＝K'τ3(I0'+ΔI3i)+ΔDN3i (5)
进而由公式(5)求得平均DN值的计算公式为：
9)在标准光源前安装透过率为τ4(τ4>τ3)的衰减片，重复步骤7)～8)，计算得到安装透过率为τ4的衰减片时的平均DN值，并同理推导出的计算公式为：
10)对于固定光强输出为I0'的标准光源和荧光检测模块，相同的一长段时间内可以认为这两者的漂移固定，即 和可以由上位机的存储数据计算得到，再由公式(6)和公式(7)即可计算出消除标准光源漂移后的荧光检测模块的自身漂移为：
即表征荧光检测器的荧光检测模块的稳定性能。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明应用灵活，可以用于不同通道荧光检测器的稳定性测定。
以可见光谱段为例，传统的标准光传感器和标准光源基本都能覆盖，因此通道激发和发射光谱均设计在可见光范围内的荧光检测器，无需更换标准光传感器和标准光源即可实现不同通道荧光检测器的稳定性测定。对于其它谱段的荧光检测器，根据通道激发和发射光谱设计合理选择光谱范围匹配的标准光传感器和标准光源，即可实现稳定性测定。
(2)在设计生产阶段，利用本发明对核心元部件进行筛选，在核心元部件层面上初步保证荧光检测器的性能稳定。
荧光检测器的核心是激发光源和荧光检测两个模块，因此激发光源和光电传感器的性能将极大影响荧光检测器的稳定性能。在设计生产阶段，利用本发明筛选性能满足要求的核心元部件，可以在核心元部件层面上初步保证荧光检测器的性能稳定。
附图说明
图1是荧光检测器稳定性测定装置；
其中：1.荧光检测器；2.安装凹槽；3.标准光传感器；4.标准光源；5.衰减片；6.主控板；7.外壳；8.上位机；11.激发光源模块；12.荧光检测模块；31.感光元件；
图2是共聚焦式荧光检测器示意图。
具体实施方式
下面结合图1给出本发明的一个较好实例，主要作进一步详细说明，而非用来限定本发明的范围。
荧光检测器主要由激发光源模块和荧光检测模块两部分构成，这两个模块的稳定性能对于荧光的实时定量检测至关重要。因此，本发明技术解决思路如下：
如图1所示，一种荧光检测器稳定性测定装置，包括荧光检测器1，安装凹槽2，标准光传感器3，标准光源4，衰减片5，主控板6，外壳7以及上位机8。
标准光传感器3、标准光源4、衰减片5和主控板6安装在外壳7内，其中衰减片5安装于标准光源4和标准光传感器3之前；外壳7上方设计有两个安装凹槽2，荧光检测器1可以安装于安装凹槽2中；上位机8放置于外壳7外。
荧光检测器1安装于右侧安装凹槽2时，上位机8通过主控板6控制荧光检测器1的激发光源模块11发出激发光，这个激发光经过衰减片5衰减后可以对准标准光传感器3的感光元件31，并被标准光传感器3感测，进而由主控板6采集并上传至上位机8进行分析处理。
荧光检测器1安装于左侧安装凹槽2时，上位机8通过主控板6控制标准光源4输出光，这个光经过衰减片5衰减后所模拟的微弱荧光可以进入荧光检测器1的荧光检测模块12，并被荧光检测模块12接收，进而由主控板6采集并上传至上位机8进行分析处理。
本发明所述的荧光检测器稳定性测定装置的测定方法包括步骤如下：
(1)将荧光检测器1安装于右侧安装凹槽2中，利用上位机8通过主控板6控制荧光检测器1的激发光源模块11输出强度为I0的激发光；
(2)在标准光传感器3前安装透过率为τ1的衰减片5，标准光传感器3的感光元件31接收激发光源模块11输出经衰减后的激发光，由主控板6采集并上传至上位机8；
(3)上位机8长时间接收存储标准光传感器3感测的数据DN值，并计算得到安装透过率为τ1的衰减片5时的平均DN值，由于荧光检测器激发光源模块11的滤光片带宽为20nm，因此理想情况下标准光传感器3响应的DN值与激发光强度I成线性关系线性系数为K，再考虑到标准光传感器3前放置的衰减片5以及激发光源模块11的自身漂移ΔI1和标准光传感器3的漂移ΔDN1，可以得到标准光传感器3第i次采集的响应值为
DN1i＝Kτ1(I0+ΔI1i)+ΔDN1i (1)
进而由公式1求得平均DN值的计算公式为
(4)在标准光传感器3前安装透过率为τ2τ2>τ1的衰减片5，重复步骤2～3，计算得到安装透过率为τ2的衰减片5时的平均DN值，并同理推导出的计算公式为
(5)对于荧光检测器固定光强输出为I0的激发光源和标准光传感器3，相同的一长段时间内可以认为这两者的漂移固定，即 和可以由上位机8的存储数据计算得到，再由公式2和公式3即可计算出消除标准光传感器3漂移后的激发光源的自身漂移为
即表征荧光检测器1的激发光源模块11输出激发光源的稳定性能；
(6)将荧光检测器1安装于左侧安装凹槽2中，利用上位机8通过主控板6控制标准光源4输出强度为I0'的光；
(7)在标准光源4前安装透过率为τ3的衰减片5，标准光源4经过衰减片5衰减后所模拟的荧光进入荧光检测器1的荧光检测模块12，被荧光检测模块12接收，进而由主控板6采集并上传至上位机8；
(8)上位机8长时间接收存储荧光检测模块12感测的数据DN值，并计算得到安装透过率为τ3的衰减片5时的平均DN值，由于荧光检测器荧光检测模块12的滤光片带宽也为20nm，因此理想情况荧光检测模块12响应的DN值与荧光强度I成线性关系线性系数为K'，再考虑到标准光源4前放置的衰减片5以及荧光检测模块12的自身漂移ΔDN3和标准光源4的漂移ΔI3，可以得到荧光检测模块12第i次采集的响应值为
DN3i＝K'τ3(I0'+ΔI3i)+ΔDN3i (5)
进而由公式5求得平均DN值的计算公式为
(9)在标准光源4前安装透过率为τ4τ4>τ3的衰减片5，重复步骤7～8，计算得到安装透过率为τ4的衰减片5时的平均DN值，并同理推导出的计算公式为
(10)对于固定光强输出为I0'的标准光源4和荧光检测模块12，相同的一长段时间内可以认为这两者的漂移固定，即 和可以由上位机8的存储数据计算得到，再由公式6和公式7即可计算出消除标准光源4漂移后的荧光检测模块12的自身漂移为
即表征荧光检测器1的荧光检测模块12的稳定性能。
本发明设计荧光检测器稳定性测定装置，利用标准光传感器测定荧光检测器激发光源的稳定性能，利用前置衰减片的标准光源模拟微弱荧光以测定荧光检测模块的稳定性能，并且在两个测定过程中，均采用更换衰减片的技术方案消除标准光传感器或者标准光源自身漂移对测定结果的影响以有效测定荧光检测器自身的稳定性能，为荧光的定量检测分析提供可靠依据。具体实现如下：
将本发明应用于如图2所示的共聚焦式荧光检测器的稳定性测定，该荧光检测器设计在FAM通道，激发波长为465nm，发射波长为530nm。标准光传感器选择TI公司的光传感器，型号OPT301、光谱范围400～1000nm。标准光源选择杭州优睐科技有限公司的辐照度标准灯，型号HL-2000、光谱范围360nm～2500nm、稳定性±0.2％/h，标准值可溯源中国计量院(NIM)。衰减片选择长富科技(北京)有限公司的衰减片，型号K9-ZXLGP、光谱范围250～700nm、透过率τ1＝79％、τ2＝90％、τ3＝3.2％、τ4＝5％。主控板采用STM32作为主控芯片，通过串口与荧光检测器通讯，通过网口与上位机通讯。上位机软件采用LabVIEW图形化语言编程。
将荧光检测器安装于右侧安装凹槽中，利用上位机通过主控板控制荧光检测器输出强度为I0的激发光，在标准光传感器OPT301的前面分别安装透过率为τ1和τ2的滤光片，标准光传感器OPT301的感光元件接收荧光检测器输出的激发光，并由主控板采集上传至上位机进行分析处理。上位机将OPT301感测的数据按照公式(4)计算消除标准光传感器漂移后激发光源的自身漂移此即表征荧光检测器激发光源模块输出激发光源的稳定性能；
将荧光检测器安装于左侧安装凹槽中，利用上位机通过主控板控制标准光源HL-2000输出强度为I0'的光，分别经过透过率为τ3和τ4的滤光片衰减后模拟的微弱荧光进入荧光检测器的荧光检测模块，被荧光检测模块接收，进而由主控板采集并上传至上位机进行分析处理。上位机将荧光检测模块感测的数据按照公式(8)计算消除标准光源漂移后荧光检测模块的自身漂移此即表征荧光检测器荧光检测模块的稳定性能。
Claims (5)
1.一种荧光检测器稳定性测定装置，具有一个安装测定装置的外壳(7)，一个用于测定荧光检测器激发光源稳定性能的标准光传感器(3)，一个用于测定荧光检测器荧光检测稳定性能的标准光源(4)，其特征在于：所述外壳(7)内上部设有用于放置荧光检测器(1)的左右两个安装凹槽(2)，两个安装凹槽(2)下方分别设有标准光源(4)、标准光传感器(3)，标准光源(4)和标准光传感器(3)上方分别置有衰减片(5)，标准光源(4)和标准光传感器(3)通过主控板(6)连接上位机(8)，上位机(8)通过主控板(6)连接荧光检测器(1)。
2.根据权利要求1所述的荧光检测器稳定性测定装置，其特征在于：当荧光检测器(1)安装于右侧安装凹槽(2)时，所述上位机(8)通过主控板(6)控制荧光检测器(1)的激发光源模块(11)发出激发光，激发光经过衰减片(5)衰减后对准标准光传感器(3)的感光元件(31)，并被标准光传感器(3)感测，进而由主控板(6)采集并上传至上位机(8)进行分析处理。
3.根据权利要求1所述的荧光检测器稳定性测定装置，其特征在于：当荧光检测器(1)安装于左侧安装凹槽(2)时，所述上位机(8)通过主控板(6)控制标准光源(4)输出光，所述光经过衰减片(5)衰减后所模拟的微弱荧光进入荧光检测器(1)的荧光检测模块(12)，并被荧光检测模块(12)接收，进而由主控板(6)采集并上传至上位机(8)进行分析处理。
4.根据权利要求2或3所述的荧光检测器稳定性测定装置，其特征在于：在测定过程中，更换所述衰减片(5)，用于消除标准光传感器(3)或者标准光源(4)自身漂移对测定结果的影响。
5.一种权利要求1所述的荧光检测器稳定性测定装置的测定方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)将荧光检测器(1)安装于右侧安装凹槽(2)中，利用上位机(8)通过主控板(6)控制荧光检测器(1)的激发光源模块(11)输出强度为I0的激发光；
2)在标准光传感器(3)前安装透过率为τ1的衰减片(5)，标准光传感器(3)的感光元件(31)接收激发光源模块(11)输出经衰减后的激发光，由主控板(6)采集并上传至上位机(8)；
3)上位机(8)长时间接收存储标准光传感器(3)感测的数据DN值，并计算得到安装透过率为τ1的衰减片(5)时的平均DN值，由于荧光检测器激发光源模块(11)的滤光片带宽为20nm，理想情况下标准光传感器(3)响应的DN值与激发光强度I成线性关系，线性系数为K，再考虑到标准光传感器(3)前放置的衰减片(5)以及激发光源模块(11)的自身漂移ΔI1和标准光传感器(3)的漂移ΔDN1，可以得到标准光传感器(3)第i次采集的响应值为：
DN1i＝Kτ1(I0+ΔI1i)+ΔDN1i (1)
进而由公式(1)求得平均DN值的计算公式为：
4)在标准光传感器(3)前安装透过率为τ2，τ2>τ1的衰减片(5)，重复步骤2)～3)，计算得到安装透过率为τ2的衰减片(5)时的平均DN值，并同理推导出的计算公式为：
5)对于荧光检测器固定光强输出为I0的激发光源和标准光传感器(3)，相同的一长段时间内可以认为这两者的漂移固定，即 和可以由上位机(8)的存储数据计算得到，再由公式(2)和公式(3)即可计算出消除标准光传感器(3)漂移后的激发光源的自身漂移为：
即表征荧光检测器(1)的激发光源模块(11)输出激发光源的稳定性能；
6)将荧光检测器(1)安装于左侧安装凹槽(2)中，利用上位机(8)通过主控板(6)控制标准光源(4)输出强度为I0'的光；
7)在标准光源(4)前安装透过率为τ3的衰减片(5)，标准光源(4)经过衰减片(5)衰减后所模拟的荧光进入荧光检测器(1)的荧光检测模块(12)，被荧光检测模块(12)接收，进而由主控板(6)采集并上传至上位机(8)；
8)上位机(8)长时间接收存储荧光检测模块(12)感测的数据DN值，并计算得到安装透过率为τ3的衰减片(5)时的平均DN值，由于荧光检测器荧光检测模块(12)的滤光片带宽为20nm，理想情况荧光检测模块(12)响应的DN值与荧光强度I成线性关系，线性系数为K'，再考虑到标准光源(4)前放置的衰减片(5)以及荧光检测模块(12)的自身漂移ΔDN3和标准光源(4)的漂移ΔI3，可以得到荧光检测模块(12)第i次采集的响应值为：
DN3i＝K'τ3(I0'+ΔI3i)+ΔDN3i (5)
进而由公式(5)求得平均DN值的计算公式为：
9)在标准光源(4)前安装透过率为τ4(τ4>τ3)的衰减片(5)，重复步骤7)～8)，计算得到安装透过率为τ4的衰减片(5)时的平均DN值，并同理推导出的计算公式为：
10)对于固定光强输出为I0'的标准光源(4)和荧光检测模块(12)，相同的一长段时间内可以认为这两者的漂移固定，即 和可以由上位机(8)的存储数据计算得到，再由公式(6)和公式(7)即可计算出消除标准光源(4)漂移后的荧光检测模块(12)的自身漂移为：
即表征荧光检测器(1)的荧光检测模块(12)的稳定性能。
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