CN115825046A - 一种用于生物毒性检测仪的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生物毒性检测仪的校准方法，其包括将光源发生装置置于生物毒性检测仪的测量仓中；以可检测光强量程范围和光强精度为标准使用所述光源发生装置按该光强精度从最小量程光强到最大量程光强产生相应的光强；所述光源发生装置每发出一个光强都通过生物毒性检测仪内部的各个部件进行采样、放大和转换，输出相应的电压，测量和记录该输出电压值；将产生的每一光强值作为基于最小二乘法的曲线拟合函数的输出变量，将对应于该光强的输出电压作为基于最小二乘法的曲线拟合函数的输入变量，求出该曲线拟合函数的系数；将求得系数值的所述曲线拟合函数作为校准参数，对生物毒性检测仪的测量数据进行校准。

Description

一种用于生物毒性检测仪的校准方法

技术领域

本发明涉及检测设备领域，具体为一种用于生物毒性检测仪的校准方法。

背景技术

生物毒性检测仪是检测样本毒性强弱的检测设备，这种检测设备依靠微生物发光强度随着毒性物质抑制的变化率来检测样本的毒性。这种微生物可以是例如明亮发光杆菌，其遇到毒性物质的抑制后自身发光产生变化。因为微生物的发光很微弱，生物毒性检测仪检测样本毒性时需要对微生物的发光强度进行线性放大处理，所以生物毒性检测仪检测样本毒性强弱的准确性依赖于该检测仪在满量程范围进行检测所得到的信号是否为线性信号。只有检测所得到的信号为线性信号，检测出的样本毒性强弱的准确性才是可靠的。

在实际工作中，市场上销售的生物毒性检测仪都默认在满量程范围内检测所得到的信号为线性信号。然而，由于生物毒性检测仪自身系统性的非线性问题、满量程的极端范围的非线性问题、以及元器件的老化或环境变化引起的元器件的参数漂移等，所以市场上销售的生物毒性检测仪多少都存在非线性问题，尤其是使用一段时间后产生的系统非线性问题。上述存在的系统非线性会造成对微生物的发光强度的放大不完全是线性放大，存在一定偏差，这也使得检测出的样本毒性强弱的准确性存在一定偏差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于生物毒性检测仪的校准方法。

所述用于生物毒性检测仪的校准方法包括：

S1将光源发生装置放置于生物毒性检测仪的测量仓中；

S2以生物毒性检测仪工作时可检测的光强量程范围和光强精度为标准，使用所述光源发生装置按该光强精度或N倍光强精度从最小量程处的光强值到最大量程处的光强值逐一或随机产生相应的光强；

S3所述光源发生装置每发出一个光强即被生物毒性检测仪内部的光电装置采集并转换成相应的电流信号，该电流信号经过放大和模数转换处理，由模数转换器输出相应电压，测量和记录该输出电压值；

S4将产生的每一光强值作为基于最小二乘法的曲线拟合函数的输出变量y，将对应于该光强的输出电压作为基于最小二乘法的曲线拟合函数的输入变量x，求出该曲线拟合函数的系数，所述曲线拟合函数为：y＝a0+a1*x+a2*x²+a3*x³+…+an*xⁿ，其中a0、a1、a2、a3……an是曲线拟合函数的系数；

S5将求得系数值的所述曲线拟合函数作为校准参数，对生物毒性检测仪的测量数据进行校准。

其中，在步骤S2中，使用所述光源发生装置按该光强精度产生比最大量程处的光强值高的光强，逐一产生2或3个高光强，相邻2个光强之间相差一个光强精度值或一个N倍光强精度。

其中，在步骤S3中，对测量的输出电压进行去噪处理，其包括：

A)在所述光源发生装置每发出一个相同光强下，在一秒钟内采集多个输出电压，一共执行5次相同的采集操作以形成5组输出电压数据集；

B)针对采集的5组输出电压数据集，对每一组输出电压数据集进行低通滤波，然后将低通滤波后得到的该组输出电压数据按数值大小排序，去掉三分之一排序靠前的数据和去掉三分之一排序靠后的数据，留下的三分之一数据为排序在中间部分的数据；

C)最后对保留下来的5组输出电压数据做滑动平均处理，得到一个平均输出电压值。

其中，采用FIR型滤波器进行低通滤波，低通截至频率为5Hz。

其中，在步骤S4中，使用范德蒙行列式求出所述曲线拟合函数的系数。其中，在步骤S5中，所述对生物毒性检测仪的测量数据进行校准包括：

1)在生物毒性检测仪对测量数据进行RLI＝St/Ct*100％的处理时，校准后的处理方式为：

RLI＝(a0+a1*St+a2*St²+…+an*Stⁿ)/(a0+a1*Ct+a2*Ct²+…+an*Ctⁿ)*100％

其中RLI是相对发光度，Ct是空白样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度，St为采样样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度；

2)在生物毒性检测仪对测量数据进行RLI＝(St/S0)*(Ct/C0)*100％的处理时，校准后的处理方式为：

RLI＝{(a0+a1*St+a2*St²+…+an*Stⁿ)/(a0+a1*S0+a2*S0²+…+an*S0ⁿ)}*

{(a0+a1*Ct+a2*Ct²+…+an*Ctⁿ)/(a0+a1*C0+a2*C0²+…+an*C0ⁿ)}*100％

其中RLI是相对发光度，Ct是空白样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度，St为采样样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度，C0是空白样本和发光细菌混合后在0时刻的发光强度，S0为采样样本和发光细菌混合后在0时刻的发光强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的用于生物毒性检测仪的校准方法，确定了拟合曲线的校准系数，可实现对生物毒性检测仪获取的发光读数进行实时校准，也就是说生物毒性检测仪工作时显示的最终读数是经过了内部校准系数的校准，实现了对测量数据的实时修正，改善了减小了因生物毒性检测仪自身系统性的非线性问题、满量程的极端范围的非线性问题、以及元器件的老化或环境变化引起的元器件的参数漂移等引起的非线性问题所带来的测量误差，从而提高了生物毒性检测仪的检测精度，提高了对毒性的测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明提供的用于生物毒性检测仪的校准方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供的一种用于生物毒性检测仪的校准方法包括：

S1将光源发生装置放置于生物毒性检测仪的测量仓中。

将光源发生装置放置于生物毒性检测仪的测量仓中，当其发光相当于所述生物毒性检测仪工作时置于测量仓中的发光细菌溶液在发光。

本发明可以使用现有已知的任意的光强发生装置。这里简单介绍光强发生装置的结构，一般至少包括供电装置、稳压恒流装置、控制装置、发光单元和透镜组，所述控制装置用于控制或改变所述稳压恒流装置输出的电流大小，进而使得发光单元能够发出不同光强的光。

S2以生物毒性检测仪工作时可检测的光强量程范围和光强精度为标准，使用所述光源发生装置按该光强精度或N倍光强精度从最小量程处的光强值到最大量程处的光强值逐一或随机产生相应的光强。

假设某一生物毒性检测仪的光强量程范围是0-120000000光子，光强精度是5000光子/秒，通过光强发生装置内部的控制装置来控制稳压恒流装置输出的电流值，继而使得发光单元以从0开始，每次以5000光子/秒的光强递增式发出光，例如0光子、5000光子/秒、10000光子/秒……120000000光子/秒，这样所述光源发生装置实现了按光强精度从最小量程处的光强值到最大量程处的光强值逐一产生相应的光强；当然也可以随机产生相应的光强，例如0光子、5000光子/秒、15000光子/秒、35000光子/秒……120000000光子/秒。

为了减少后面步骤中做曲线拟合的运算量，还可以使用所述光源发生装置按N倍光强精度从最小量程处的光强值到最大量程处的光强值逐一或随机产生相应的光强。继续上面的例子，例如假设选取4倍光强精度，则每次以20000光子/秒的光强递增式发出光，例如0光子、20000光子/秒、40000光子/秒、60000光子/秒……120000000光子/秒，这样所述光源发生装置实现了按4倍的光强精度从最小量程处的光强值到最大量程处的光强值逐一产生相应的光强；当然也可以随机产生相应的光强例如0光子、20000光子/秒、80000光子/秒、240000光子/秒……120000000光子/秒。

为了进一步减少后面步骤中做曲线拟合的运算量，还可以使用所述光源发生装置按光强精度或N倍光强精度从最小量程处的光强值到最大量程处的光强值随机产生相应的光强。

使用所述光源发生装置按该光强精度产生比最大量程处的光强值高的光强，逐一产生2或3个高光强，相邻2个光强之间相差一个光强精度值或一个N倍光强精度。之所以在高于最大量程之外再产生2-3个光强作为冗余的测量数据，是因为在后续步骤中做相关性曲线拟合时，多出的2-3个冗余测量数据可以确保线性范围覆盖不同批次制造合格的生物毒性检测仪所允许的量程误差。

S3所述光源发生装置每发出一个光强即被生物毒性检测仪内部的光电装置采集并转换成相应的电流信号，该电流信号经过放大和模数转换处理，由模数转换器输出相应的电压，测量和记录该输出电压值。

光电装置可以是光电管、光电倍增管等，其采集所述光源发生装置发出的光并转换成电流信号，该电流信号经放大装置被放大，再经由模数转换装置转换成数字信号，并由该模数转换器输出对应的电压信号，使用电压测量装置来测量该输出电压值，并做好记录。

由于生物毒性检测仪检测的光强范围很宽，在弱光强时，电流信号很微弱，基本是fA(10^-15A)级别的电流，微弱的光电流很容易受到器件噪声的干扰。因此，有必要在输出电压信号被测量之前进行去噪处理。

本发明提供一种对待测量的输出电压进行去噪处理的方法，其包括：

A)在所述光源发生装置每发出一个相同光强下，在1秒钟内采集多个输出电压，一共执行5次相同的采集操作以形成5组输出电压数据集。

换句话说，需要采集至少5组相应的电压信号，每一组采集电压信号的持续时间至少为1秒钟。这样，在光源发生装置发出的同一光强下，在1秒钟内采集多个输出电压值，一共执行5次相同的采集操作，花费5秒钟时间，也就是在5秒钟内采集5组输出电压数据，每1秒钟采集的多个输出电压值为1组输出电压数据集。

B)针对采集的5组输出电压数据集，对每一组输出电压数据集进行低通滤波，然后将低通滤波后得到的该组输出电压数据按数值大小排序，去掉三分之一排序靠前的数据和去掉三分之一排序靠后的数据，留下的三分之一数据为排序在中间部分的数据，其目的是去掉可能的波动数据，选择中间的稳定数据。

可以采用FIR型滤波器进行低通滤波，低通截至频率为5Hz。因为光电流是低频直流信号，器件噪声和电源噪声都是交变信号，采用截至频率是5Hz的低通滤波措施可以很好的去除器件噪声和电源噪声。

在所采用的FIR型滤波器中，可以采用梳状滤波器，梳状滤波器传递函数中零点位置的选择可以很好的对工频干扰实现陷波目的，对于直流的光电流信号也不会损坏其信号特征。

C)最后对保留下来的5组输出电压数据做滑动平均处理，得到一个平均输出电压值。换句话说，对保留下来的5组输出电压数据求平均值，计算得出一个输出电压均值。

因为输出电压是直流信号，采用滑动平均处理方法，对于抑制噪声、去掉随机性的干扰是最优的方式。

S4将产生的每一光强值作为基于最小二乘法的曲线拟合函数的输出变量y，将对应于该光强的输出电压作为基于最小二乘法的曲线拟合函数的输入变量x，求出该曲线拟合函数的系数，所述曲线拟合函数为：y＝a0+a1*x+a2*x²+a3*x³+…+an*xⁿ，其中a0、a1、a2、a3……an是曲线拟合函数的系数。

可以使用公知方法实现最小二乘法的曲线拟合。下面做个简单介绍：

对于拟合多项式的选择如下：

y＝a0+a1*x+a2*x²+a3*x³+…+an*xⁿ

其最小偏差表达式为：

对拟合多项式系数依次求解偏导为0。

使用在步骤S3中采集的多组输入值x(输出电压)和输出值y(光强)，使用范德蒙行列式求解得到所述曲线拟合函数的系数a0、a1、a2、a3……an。

在这里，拟合多项式y＝a0+a1*x+a2*x²+a3*x³+…+an*xⁿ的n次幂的取值以及系数an的数量与步骤2)由光源发生装置发出的光强的个数相关，或者说与模拟产生在光强量程范围内的光强个数相关，拟合多项式中的n等于光源发生装置发出的光强的个数。这是因为系数a0……an的值是通过求解n个拟合多项式来获得，例如n＝9，则需要光源发生装置发出9个不同的光强，然后按照步骤2和3分别测量得到9个光强值和相对应的9个输出电压平均值，通过9个拟合多项式就可以得到系数a0……a9的各个值。

S5将求得系数值的所述曲线拟合函数作为校准参数，对生物毒性检测仪的测量数据进行校准。

生物毒性检测仪的测量数据以得到毒性大小的方法有2种：

1)RLI＝St/Ct*100％，其中RLI是相对发光度，Ct是空白样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度，St为采样样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度。

2)RLI＝(St/S0)*(Ct/C0)*100％，其中RLI是相对发光度，Ct是空白样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度，St为采样样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度，C0是空白样本和发光细菌混合后在0时刻的发光强度，S0为采样样本和发光细菌后混合在0时刻的发光强度，所谓0时刻一般定义为给样本(包括空白样本和采样样本)中加入发光细菌菌液的时刻，C0就是在空白样本中加入发光细菌菌液时获得的发光强度值，S0就是在采样样本中加入发光细菌菌液时获得的发光强度值。

在以上的测量方法中，空白样本是指无毒性样本，即不含毒性物质的样本，一般用纯净水作为空白样本，人为地将空白样本和采样样本中的发光细菌的初始浓度控制为相同，因为样本中的毒性物质能够抑制发光细菌的新陈代谢，进而抑制了发光细菌的发光强度，所以这个RLI值就表示了采样样本的毒性大小，该RLI值越小，采样样本的毒性越大。

所述对生物毒性检测仪的测量数据进行校准包括：

1)在生物毒性检测仪对测量数据进行RLI＝St/Ct*100％的处理时，校准后的处理方式为：

RLI＝(a0+a1*St+a2*St²+…+an*Stⁿ)/(a0+a1*Ct+a2*Ct²+…+an*Ctⁿ)*100％

其中RLI是相对发光度，Ct是空白样本和发光细菌混合在t时刻的发光强度，St为采样样本和发光细菌混合在t时刻的发光强度；

2)在生物毒性检测仪对测量数据进行RLI＝(St/S0)*(Ct/C0)*100％的处理时，校准后的处理方式为：

RLI＝{(a0+a1*St+a2*St²+…+an*Stⁿ)/(a0+a1*S0+a2*S0²+…+an*S0ⁿ)}*

{(a0+a1*Ct+a2*Ct²+…+an*Ctⁿ)/(a0+a1*C0+a2*C0²+…+an*C0ⁿ)}*100％

其中RLI是相对发光度，Ct是空白样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度，St为采样样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度，C0是空白样本和发光细菌混合后在0时刻的发光强度，S0为采样样本和发光细菌混合后在0时刻的发光强度。

本领域技术人员都知道，本发明提供的用于生物毒性检测仪的校准方法的步骤S2中介绍了使用所述光源发生装置按该光强精度或N倍光强精度从最小量程处的光强值到最大量程处的光强值逐一或随机产生相应的光强，当生物毒性检测仪的可检测的光强量程范围较大时，为了减少后面步骤中做曲线拟合的工作量和运算量的同时兼顾校准精度，也可以在满量程范围内随机选取n个光强值，由光源发生装置进行模拟产生，此时n可以是5-10中的任意正数或5-20或更多中的任意正数，优选n个光强值中包含有满量程范围内的两个端值，即最小量程处的光强值和最大量程处的光强值。

本发明提供的用于生物毒性检测仪的校准方法，确定了拟合曲线的校准系数，可实现对生物毒性检测仪获取的发光读数进行实时校准，也就是说生物毒性检测仪工作时显示的最终读数是经过了内部校准系数的校准，实现了对测量数据的实时修正，改善了减小了因生物毒性检测仪自身系统性的非线性问题、满量程的极端范围的非线性问题、以及元器件的老化或环境变化引起的元器件的参数漂移等引起的非线性问题所带来的测量误差，从而提高了生物毒性检测仪的检测精度，提高了对毒性的测量结果的准确性。

以上内容是结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以作出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于生物毒性检测仪的校准方法，其包括：

S1将光源发生装置放置于生物毒性检测仪的测量仓中；

S2以生物毒性检测仪工作时可检测的光强量程范围和光强精度为标准，使用所述光源发生装置按该光强精度或N倍光强精度从最小量程处的光强值到最大量程处的光强值逐一或随机产生相应的光强；

S3所述光源发生装置每发出一个光强即被生物毒性检测仪内部的光电装置采集并转换成相应的电流信号，该电流信号经过放大和模数转换处理，由模数转换器输出相应电压，测量和记录该输出电压值；

S4将产生的每一光强值作为基于最小二乘法的曲线拟合函数的输出变量y，将对应于该光强的输出电压作为基于最小二乘法的曲线拟合函数的输入变量x，求出该曲线拟合函数的系数，所述曲线拟合函数为：y＝a0+a1*x+a2*x²+a3*x³+…+an*xⁿ，其中a0、a1、a2、a3……an是曲线拟合函数的系数；

S5将求得系数值的所述曲线拟合函数作为校准参数，对生物毒性检测仪的测量数据进行校准。

2.根据权利要求1所述的校准方法，其中：在步骤S2中，使用所述光源发生装置按该光强精度产生比最大量程处的光强值高的光强，逐一产生2或3个高光强，相邻2个光强之间相差一个光强精度值或一个N倍光强精度。

3.根据权利要求1所述的校准方法，其中：在步骤S3中，对测量的输出电压进行去噪处理，其包括：

A)在所述光源发生装置每发出一个相同光强下，在一秒钟内采集多个输出电压，一共执行5次相同的采集操作以形成5组输出电压数据集；

B)针对采集的5组输出电压数据集，对每一组输出电压数据集进行低通滤波，然后将低通滤波后得到的该组输出电压数据按数值大小排序，去掉三分之一排序靠前的数据和去掉三分之一排序靠后的数据，留下的三分之一数据为排序在中间部分的数据；

C)最后对保留下来的5组输出电压数据做滑动平均处理，得到一个平均输出电压值。

4.根据权利要求3所述的校准方法，其中：采用FIR型滤波器进行低通滤波，低通截至频率为5Hz。

5.根据权利要求1所述的校准方法，其中：在步骤S4中，使用范德蒙行列式求出所述曲线拟合函数的系数。

6.根据权利要求1所述的校准方法，其中：在步骤S5中，所述对生物毒性检测仪的测量数据进行校准包括：

1)在生物毒性检测仪对测量数据进行RLI＝St/Ct*100％的处理时，校准后的处理方式为：

RLI＝(a0+a1*St+a2*St²+…+an*Stⁿ)/(a0+a1*Ct+a2*Ct²+…+an*Ctⁿ)*100％

其中RLI是相对发光度，Ct是空白样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度，St为采样样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度；

2)在生物毒性检测仪对测量数据进行RLI＝(St/S0)*(Ct/C0)*100％的处理时，校准后的处理方式为：

RLI＝{(a0+a1*St+a2*St²+…+an*Stⁿ)/(a0+a1*S0+a2*S0²+…+an*S0ⁿ)}*

{(a0+a1*Ct+a2*Ct²+…+an*Ctⁿ)/(a0+a1*C0+a2*C0²+…+an*C0ⁿ)}*100％

其中RLI是相对发光度，Ct是空白样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度，St为采样样本和发光细菌混合后在t时刻的发光强度，C0是空白样本和发光细菌混合后在0时刻的发光强度，S0为采样样本和发光细菌混合后在0时刻的发光强度。

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