CN112986194A - 一种64通道荧光光电仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种64通道荧光光电仪器，包括外壳、采集模块、控制模块和温控模块；采集模块的数量为8组，每组采集模块包括微生物检测管、紫外灯和LED双色光源、照明驱动器、光电传感器和多路复用器；微生物检测管、紫外灯和LED双色光源的数量均为64个；光电传感器接收紫外灯和LED双色光源的光信号，光电传感器的输出端与多路复用器的输入端电连接，多路复用器的输出端与控制模块的输入端之间顺次连接I/V转换电路、放大电路与滤波电路。本发明在不减少通道检测数量的情况下，降低硬件成本。同时，由于接收电路极大地减少了，使得微生物快速检测仪更加小型化、精密化。
Description
技术领域
本发明涉及一种微生物检测装置，尤其是涉及一种64通道荧光光电仪器。
背景技术
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，通过光源、光学通路和光电元件这三个组成部分，将接收到的光信号转变为模拟电信号以实现检测功能。光电传感器具有感应精度高、传输速度快、非接触测量、可测参数多等优越性，同时其结构简单、体积小、形式多样。因而，光电传感器的应用十分广泛，尤其在生产过程的在线检测方面起到了重要的作用，特别是近年来，伴随着电子技术和微电脑技术的快速发展，光电传感器的检测内容越来越丰富，已日渐成为当今检测技术发展的主要方向。
目前在医疗卫生、食品安全和水质环境检测以及实验室的工作中，微生物的检测技术仍然集中于传统检测技术和分子生物学技术。传统检测技术主要是细菌分离培养，该方法不仅费时、费力，而且在生产实践和大规模检测工作中无法做到快速、便捷；除此之外，随着病原体的扩大，检测病原体的平板培养系统的敏感性会大大降低。分子生物技术则主要为PCR技术，其重复性和准确性都很高，但是该方法需要对样品进行处理和纯化，操作步骤繁琐，有较高的技术要求，否则容易出现“假阳性”结果，从而影响检测结果的准确性。因此，使用更快速准确而又便捷的方法对微生物群体进行检测和鉴定是十分必要的。
光电微生物检测技术是近年来新兴的微生物检测技术，它在传统的培养基理论和染色技术的基础上，结合了光电传感器检测技术和计算机控制的模块化分析系统。不仅简化了传统的微生物检测方法，最大化缩短微生物检测的时间，大大提高了检测效率；而且，相对于分子生物学技术来说，此检测方法简化了实验室的操作程序，缩短了准备样品的时间、操作甚至可由非微生物专业人员进行，大大节省了检测成本和劳动效率。目前，比较成熟的微生物光电检测系统主要有BioLumix实时微生物荧光光电快速检测系统和Soleris微生物实时光电检测系统，然而，此两款检测系统需要外接一台电脑控制以完成精密化的检测，导致在检测时不便于携带。此外，现有的微生物光电检测装置只能逐一对样本进行检测，每个样本需要配一个检测电路，当检测通道较多时，无形之中增加了硬件成本。
发明内容
本发明的目的就是提供一种64通道荧光光电仪器，以解决现有的微生物光电检测装置存在的不便于携带和多通道检测时硬件成本高的问题。
本发明的目的是这样实现的：
一种64通道荧光光电仪器，包括外壳、采集模块、控制模块和温控模块，所述采集模块、所述温控模块均与所述控制模块连接，且所述采集模块、所述温控模块均与所述控制模块均设置在所述外壳内；
所述采集模块的数量为8组，8组所述采集模块并联，每组所述采集模块包括微生物检测管、紫外灯和LED双色光源、照明驱动器、光电传感器和多路复用器；所述微生物检测管、紫外灯和LED双色光源的数量均为64个，所述紫外灯和所述LED双色光源均设置在所述微生物检测管上；所述光电传感器接收所述紫外灯和所述LED双色光源的光信号，所述光电传感器的输出端与多路复用器的输入端电连接，所述多路复用器的输出端与所述控制模块的输入端之间顺次连接I/V转换电路、放大电路与滤波电路；
在每组所述采集模块中，微生物检测管、紫外灯和LED双色光源、所述光电传感器的数量均为8个，8个所述光电传感器并联。
所述控制模块包括微控制器、模数转换器和电源模块，所述模数转换器的输入端与所述滤波电路连接，所述模数转换器的输出端与所述微控制器的输入端连接，所述微控制器的输出端与所述多路复用器的输入端电连接，所述微控制器的输出端通过I2C总线与所述照明驱动器连接；
所述电源模块的输出端分别与所述采集模块、所述温控模块电连接。
所述温控模块包括温度传感器、功率开关MOS管和PTC加热片，所述功率开关MOS管的输入端与所述微控制器的输出端电连接，所述功率开关MOS管的输出端与所述PTC加热片的输入端连接，所述PTC加热片将热量传递给所述温度传感器，所述温度传感器的输出端与所述微控制器的输入端电连接。
所述温控模块还包括风扇，所述风扇的输入端与所述微控制器的输出端电连接。
所述外壳内由保温隔板分隔为4个温区，64个所述微生物检测管平均分布在4个所述温区内，所述温控模块的数量为4个，且与所述温区一一对应。
所述控制模块通过python程序对所接收的光学信号强度数据进行实时拟合。
所述微控制器的型号为STM32F103vet6。
所述光电传感器选用光电二极管。
所述照明驱动器采用型号为TLC59116的LED驱动端器。
所述温度传感器采用型号为DS18B20的温度传感器。
本发明的有益效果是：
本发明的一种64通道荧光光电仪器的采集模块的数量为8组，8组采集模块并联，每组采集模块包括微生物检测管、紫外灯和LED双色光源、照明驱动器、光电传感器和多路复用器，在每组采集模块中，微生物检测管、紫外灯和 LED双色光源、光电传感器的数量均为8个，8个光电传感器并联。这样，本发明的荧光光电仪器有64个通道，平均分成8组，在检测第一组时，每八个光电传感器检测到的光信号产生电流信号，然后经过MUX选通，将输出的一个电流信号经过I/V转换电路转换，然后将转换成电压信号，再经过一个放大电路将电压放大，再通过滤波电路进行低通滤波，最后经过模数转换器将模拟信号转换成数字信号传输至微控制器进行处理，重复以上过程进行该组其他通道的检测，该检测方法为扫描检测，该组通道全部测完为1个周期。然后剩余的七组通道均按照上述过程依次检测。利用上述扫描检测的方法，使得64个通道只需 8个周期就可检测完毕。本申请取代了传统的直接检测64个通道的检测方法，只需要较少的接收电路即可完全检测64通道，在不减少通道检测数量的情况下，降低硬件成本。同时，由于接收电路极大地减少了，减小了空间，能够将外接的台式电脑与检测仪融为一体，使得微生物快速检测仪更加小型化、精密化。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的温区结构示意图；
图3是本发明中光电传感器的结构示意图；
图4是其中一温区中大肠杆菌在设定检测时间内相应光学信号强度的信号曲线；
图5是另一温区中大肠杆菌在设定检测时间内相应光学信号强度的信号曲线；
图6是再一温区中大肠杆菌在设定检测时间内相应光学信号强度的信号曲线；
图7是又一温区中大肠杆菌在设定检测时间内相应光学信号强度的信号曲线；
图8为本发明中外壳结构设计三维示意图；
图9为本发明中外壳结构设计侧视图；
图10为本发明中外壳结构设计正视图；
图11为本发明中外壳结构设计俯视图；
图12为本发明中外壳结构设计后视图。
图中：1、外壳；2、采集模块；3、控制模块；4、温控模块；5、保温隔板； 6、温区；11、固定孔；21、紫外灯；22、LED双色光源；23、照明驱动器；24、光电传感器；25、多路复用器；26、I/V转换电路；27、放大电路；28、滤波电路；31、微控制器；32、模数转换器；33、电源模块；34、I2C总线；41、温度传感器；42、功率开关MOS管；43、PTC加热片；44、风扇。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一种64通道荧光光电仪器，包括外壳1、采集模块2、控制模块3和温控模块4，采集模块2、温控模块4均与控制模块3连接，且采集模块2、温控模块4均与控制模块3均设置在外壳1内。
采集模块2的数量为8组，8组采集模块2并联，每组采集模块2包括微生物检测管、紫外灯21和LED双色光源22、照明驱动器23、光电传感器24和多路复用器25。其中，LED双色光源22、用于放置检测样品的微生物检测管、光电传感器24沿光线方向依次设置。在本实施例中，紫外灯21放置于微生物检测管底部，LED双色光源22包括黄光LED和蓝光LED，LED双色光源22放置于微生物检测管侧边；照明驱动器23采用恒流模式来控制LED双色光源22的亮度，并通过开关来控制其开启、关闭以及灯色转换；I2C总线34的地址信号用于控制信号的传输。光电传感器24选用光电二极管，较佳地采用滨松公司的光电二极管。照明驱动器23采用型号为TLC59116的LED驱动端器。微生物检测管、紫外灯21和LED双色光源22的数量均为64个，紫外灯21和LED双色光源22均设置在微生物检测管上。在每组采集模块2中，微生物检测管、紫外灯 21和LED双色光源22、光电传感器24的数量均为8个，8个光电传感器24并联。光电传感器24接收紫外灯21和LED双色光源22的光信号，光电传感器24 的输出端与多路复用器25的输入端电连接，多路复用器25的输出端与控制模块3的输入端之间顺次连接I/V转换电路26、放大电路27与滤波电路28。如图3所示，光电二极管的基本电流-电压转换放大电路采用了由一个电压模式下的跨阻抗放大电路、一个普通放大电路、一个同向放大电路和一个普通放大电路依次多级串联组成。该放大电路保证了较大的输入阻抗、带宽和差分增益，以及较小的输入电容、输出阻抗和噪声，最大程度上避免了信号的失真和电压、电流的失调。电压模式下的跨阻抗放大电路由U3A、R12、R13、R14、R16、R19、 R21、C10、组成，第一放大电路(普通)由U3B组成，同向放大电路由U4A、R15、 R18、R22、C11、LF353组成，第二放大电路(普通)有U4B组成。
控制模块3包括微控制器31、模数转换器32和电源模块33，模数转换器32的输入端与滤波电路连接，模数转换器32的输出端与微控制器31的输入端连接，微控制器31的输出端与多路复用器25的输入端电连接，微控制器31的输出端通过I2C总线34与照明驱动器23连接。电源模块33的输出端分别与采集模块2、温控模块4电连接。微控制器31的型号为STM32F103vet6。控制模块3通过python程序对所接收的光学信号强度数据进行实时拟合。
温控模块4包括温度传感器41、功率开关MOS管42和PTC加热片43，功率开关MOS管42的输入端与微控制器31的输出端电连接，功率开关MOS管42 的输出端与PTC加热片43的输入端连接，PTC加热片43将热量传递给温度传感器41，温度传感器41的输出端与微控制器31的输入端电连接。温控模块4还包括风扇44，风扇44的输入端与微控制器31的输出端电连接。温度传感器41 采用型号为DS18B20的温度传感器。
如图2所示，外壳1内由保温隔板5分隔为4个温区6，64个微生物检测管平均分布在4个温区6内，温控模块4的数量为4个，且与温区6一一对应。如图4-图7所示，图4-图7分别表示各温区中微生物检测管内检测样本的大肠杆菌在设定检测时间内相应光学信号强度的信号曲线，该信号曲线是通过 python程序对所接收的光学信号强度数据进行实时拟合所得到的。其中，图中，横坐标表示在设定检测时间内对各检测样本(各微生物检测管内的检测样本) 进行检测的轮数(也成检测的次数)，纵坐标为反应的荧光强度，是光信号转换成电信号的一个相对值，每条曲线均表示所对应样本在所设定的检测时间内光学信号强度的拟合曲线，每条曲线上的点表示该检测样本在相应的检测轮数中的菌落荧光检测的od值。在该曲线中，通过拐点值计算对应样本的细菌浓度，拐点出现时，所在的图像会有红框提醒，拐点所用的时间越短，细菌浓度越高。在本实施例中，位于拐点之前的曲线为上升曲线，拐点之后的曲线为一水平的直线。
另外在本实施例中：微生物检测管包括特异性液体培养基、培养管体和用于封闭所述培养管的管盖；其中，培养管体和管盖形成一个密封的腔体，在密封的腔体内设有特异性液体培养基。培养管体三维结构的整体直径为10.5mm，高度为32.5mm，其中培养管体上部为孵育区，底部为检测区；管盖三维外径为 17.8mm，高度为9.5mm。每个温区6可以设置不同的温度，温区内采用基于H桥驱动电路的半导体制冷热片恒温控制系统，可调温度范围为10～60℃，温度分辨率为0.5℃，因此，本发明的64通道荧光光电仪器的工作和储存温度范围也为10～60℃；温度传感器41采用数字温度传感器，精密度达到±0.5℃，温度传感器41采用接口与主控系统连接通信。如图8-图12所示，无螺钉结构的外壳包括pad复位开关、罩壳、底盖、不透光顶盖、USB接口、触摸屏、检测管固定盒、仪器总开关、密封圈、散热孔，外壳1的三维结构长度为412mm，宽度为 390mm，高度为154mm。其中，不透光顶盖采用内扣结构，同时使用硅胶密封；外壳内设置有64个用于插接微生物检测管的固定孔11；散热孔采用隐藏式对流散热孔；仪器总开关所需的供电电源是12V外接电源适配器。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种64通道荧光光电仪器，其特征在于，包括外壳、采集模块、控制模块和温控模块，所述采集模块、所述温控模块均与所述控制模块连接，且所述采集模块、所述温控模块均与所述控制模块均设置在所述外壳内；
所述采集模块的数量为8组，8组所述采集模块并联，每组所述采集模块包括微生物检测管、紫外灯和LED双色光源、照明驱动器、光电传感器和多路复用器；所述微生物检测管、紫外灯和LED双色光源的数量均为64个，所述紫外灯和所述LED双色光源均设置在所述微生物检测管上；所述光电传感器接收所述紫外灯和所述LED双色光源的光信号，所述光电传感器的输出端与多路复用器的输入端电连接，所述多路复用器的输出端与所述控制模块的输入端之间顺次连接I/V转换电路、放大电路与滤波电路；
在每组所述采集模块中，微生物检测管、紫外灯和LED双色光源、所述光电传感器的数量均为8个，8个所述光电传感器并联。
2.根据权利要求1所述的64通道荧光光电仪器，其特征在于，所述控制模块包括微控制器、模数转换器和电源模块，所述模数转换器的输入端与所述滤波电路连接，所述模数转换器的输出端与所述微控制器的输入端连接，所述微控制器的输出端与所述多路复用器的输入端电连接，所述微控制器的输出端通过I2C总线与所述照明驱动器连接；
所述电源模块的输出端分别与所述采集模块、所述温控模块电连接。
3.根据权利要求2所述的64通道荧光光电仪器，其特征在于，所述温控模块包括温度传感器、功率开关MOS管和PTC加热片，所述功率开关MOS管的输入端与所述微控制器的输出端电连接，所述功率开关MOS管的输出端与所述PTC加热片的输入端连接，所述PTC加热片将热量传递给所述温度传感器，所述温度传感器的输出端与所述微控制器的输入端电连接。
4.根据权利要求3所述的64通道荧光光电仪器，其特征在于，所述温控模块还包括风扇，所述风扇的输入端与所述微控制器的输出端电连接。
5.根据权利要求3所述的64通道荧光光电仪器，其特征在于，所述外壳内由保温隔板分隔为4个温区，64个所述微生物检测管平均分布在4个所述温区内，所述温控模块的数量为4个，且与所述温区一一对应。
6.根据权利要求1所述的64通道荧光光电仪器，其特征在于，所述控制模块通过python程序对所接收的光学信号强度数据进行实时拟合。
7.根据权利要求2所述的64通道荧光光电仪器，其特征在于，所述微控制器的型号为STM32F103vet6。
8.根据权利要求1所述的64通道荧光光电仪器，其特征在于，所述光电传感器选用光电二极管。
9.根据权利要求1所述的64通道荧光光电仪器，其特征在于，所述照明驱动器采用型号为TLC59116的LED驱动端器。
10.根据权利要求3所述的64通道荧光光电仪器，其特征在于，所述温度传感器采用型号为DS18B20的温度传感器。
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