CN201607408U - 一种三磷酸腺苷的荧光检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三磷酸腺苷的荧光检测装置，所述的装置包括计算控制模块，及依次连接的荧光检测模块、荧光采集模块和信号传输模块；通过光伏接法获取被测三磷酸腺苷与荧光素反应发出的荧光信号，将所述荧光信号通过一级IV转化转成电信号；采用差分输入方式采样电信号并计算分析被测三磷酸腺苷含量。本实用新型所提供的三磷酸腺苷荧光检测装置，由于只用了一级IV转化就可以实现荧光到电压信号的转化，减少了系统元件，降低了系统噪声和不一致性；同时采用高分辨率的采样器件实现了更高的检测精度，使检测精度可以达到10^-15mol，提高了ATP的检测精度，克服了现有技术中在ATP浓度低时存在的假阳性现象；并且降低了成本。

Description

一种三磷酸腺苷的荧光检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种生物仪器，尤其涉及一种用于检查食品及卫生监督中三磷酸腺苷的荧光检测装置。

背景技术

三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate，ATP)是一切生物体新陈代谢的能量源泉，普遍存在于一切生物细胞体内，为细胞内各种需能过程提供能量，是细胞生存的必须因素。

传统测ATP的方法包括高压液相法、放射性同位素法等。其中高压液相法繁琐且昂贵，检测时间需要30分钟以上，且不能直接测定ATP的含量，灵敏度仅为毫摩尔级；放射性同位素方法的灵敏度高，但污染大，需要样品的防护和废弃物处理过程，不适合大量使用。

通过以ATP为能源，荧光素酶催化荧光素氧化发光，如下式：

传统表面皿培养法测定细菌数量需要48小时，但采用荧光检测的原理进行ATP检测，只需几分钟，甚至可以缩短为几十秒钟。因此该荧光检测方法具有速度快、灵敏度高、易于操作的优点。

近年来，采用了如下的荧光检测传感器：光敏二极管(Photo-Diode，PD)，雪崩二极管(Avalanche Photo Diode，APD)，感光成像系统(ChargeCoupled Device，CCD)或光电倍增管(Photomultiplier，PMT)检测荧光信号，进一步检测ATP的含量，使得检测设备易于使用。在以上荧光检测传感器中，由于PD具有可以使用较低的系统供电电压，系统所需能耗小，体积小巧，所以以PD作为光电传感器的检测装置具有小型化、便携化和电池供电的特点。

但是，目前在以PD作为传感器的荧光检测装置中，如图1所示，为了检测微弱的荧光信号，采用了多级放大方式对荧光信号进行放大，由于该方式器件多，存在以下问题：1)系统中会存在较多的器件噪声；2)器件多会使对于同一个荧光强度，不同机器间的检测电压的一致性受到影响。使得现有技术的荧光测量方法中ATP检测精度都不高，一般只能达到10^-13mol。

因此，现有技术还有待改进和发展。

发明内容

本实用新型的目的在于，针对现有技术的上述缺点，提供了一种成本低、具有更高检测精度的用于检测三磷酸腺苷含量的荧光检测装置。

本实用新型的技术方案是：

一种三磷酸腺苷的荧光检测装置，包括计算控制模块，其中，还包括依次连接的荧光检测模块、荧光采集模块和信号传输模块；其中，

所述荧光检测模块，用于通过光伏接法获取被测三磷酸腺苷与荧光素反应发出的荧光信号，并将所述荧光信号通过一级IV转化转成电信号；

所述荧光采集模块，用于采用工作在差分输入模式的AD采样器采样所述电信号；

所述信号传输模块与所述计算控制模块连接，用于将所述荧光采集模块采样的电信号发送到所述计算控制模块；

所述计算控制模块，用于根据所述采样的电信号，计算分析被测三磷酸腺苷含量。

所述的荧光检测装置，其中，还包括电子开关模块，所述电子开关模块连接所述计算控制模块，用于给所述荧光检测模块和荧光采集模块提供稳定的工作电压，并在荧光检测装置开盖时，切断所述荧光检测模块和荧光采集模块的电源。

所述的荧光检测装置，其中，所述荧光检测模块包括光电二极管和一运算放大器，所述光电二极管并联在所述运算放大器的两输入端；

所述光电二极管的正极通过第一RC并联网络接参考电压；

所述光电二极管的负极通过第二RC并联网络接所述运算放大器的输出端。

所述的荧光检测装置，其中，所述荧光采集模块包括工作于差分输入模式的AD采样器；

所述AD采样器的正差分输入端通过第一保护电阻(R4)连接所述运算放大器的输出端；

所述AD采样器的负差分输入端通过第二保护电阻(R5)连接所述运算放大器的同相输入端；

所述AD采样器的两差分输入端之间连接有低通滤波网络，用于滤除所述电信号中的高频成分。

所述的荧光检测装置，其中，所述低通滤波网络的3DB截至频率为10Hz。

所述的荧光检测装置，其中，所述低通滤波网络由第六电阻(R6)和第三电容(C3)组成。

所述的荧光检测装置，其中，所述第一保护电阻(R4)和第二保护电阻(R5)的阻值小于第六电阻(R6)。

本实用新型所提供的三磷酸腺苷荧光检测装置，由于只用了一级IV转化就可以实现荧光到电压信号的转化，减少了系统元件，降低了系统噪声和不一致性；同时采用高分辨率的采样器件实现了更高的检测精度，使得检测精度可以达到10^-15mol，提高了ATP的检测精度，克服了现有技术中在ATP浓度低时存在的假阳性现象；并且降低了成本。

附图说明

图1是现有技术传统的荧光检测电路结构示意图；

图2是本实用新型实施例的荧光检测仪的总体结构框架图；

图3是本实用新型实施例的荧光检测模块的一种具体实现电路原理图；

图4是本实用新型实施例的荧光检测模块电路与荧光采样模块电路连接图；

图5是本实用新型实施例的电子开关电路。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型实施例的用于检测三磷酸腺苷含量的荧光检测装置，如图2所示，其包括计算控制模块200，还包括依次连接的荧光检测模块130、荧光采集模块120和信号传输模块110。其中，荧光检测模块130通过光伏接法获取被测三磷酸腺苷与荧光素反应发出的荧光信号，并将所述荧光信号通过一级IV转化转成电信号。荧光采集模块120用于采用差分输入方式采样所述电信号。信号传输模块110用于将所述荧光采集模块采样的电信号发送到所述计算控制模块。计算控制模块200用于根据所述采样的电信号，计算分析被测三磷酸腺苷含量。

为了减少器件产生的噪声和漂移影响，应尽量在前端采用较少的器件实现荧光信号的获取。本实施例中，荧光检测模块130的一种具体实现电路原理图如图3所示，其包括光电二极管PD和运算放大器U6，光电二极管PD并联在所述运算放大器的两输入端。光电二极管PD的正极通过第一RC并联网络接参考电压Vref；光电二极管PD的负极通过第二RC并联网络接所述运算放大器的输出端。其中第二RC并联网络由第一电阻R_f和第一滤波电容C1组成，第一RC并联网络由第二电阻R2和第二滤波电容C2组成。

由于采用光电二极PD管作为微弱ATP荧光检测的传感器元件，并采用了光伏接法，在此接法中光电二级管PD两端的偏置电压为零。在光伏模式时，增益较小，光电二极管PD可以非常精确地线性工作，此时输出电压V_O为：

V_O＝I_PD*(Rf+R2)+Vref  (1)

为了可以分辨荧光的微小变化，采用高分辨率的AD采样器件，在器件的选择上考虑具有分辨率高、输入阻抗大、抗干扰能力强的特点，可以实现荧光信号的微小分辨。本实施例中，荧光采集模块120与荧光检测模块130电路连接图如图4所示，其中荧光采集模块电路120包括工作于差分输入模式的AD采样器；AD采样器的正差分输入端(如图4所示的AIN+)通过第一保护电阻R4连接所述运算放大器的输出端；AD采样器的负差分输入端(如图4所示的AIN-)通过第二保护电阻R5连接所述运算放大器的同相输入端；AD采样器的两差分输入端之间(AIN+，AIN-)连接有低通滤波网络，用于滤除所述电信号中的高频成分。

由上可见，在本实施例中IV转换之后直接用高分辨率的采样器件，比图1所示的现有技术传统的荧光检测电路，精减了一级放大电路，且可达到更好的检测效果。本实用新型只用了一级IV转化就可以实现荧光到电压信号的转化。这样，就可以克服器件多产生的噪声和不一致性，进而提高系统检测的一致性。

由于被测三磷酸腺苷与荧光素反应发出的荧光信号为低频缓变信号，本实施例中，C1，C2是滤波电容，由第六电阻R6和第三电容C3组成低通滤波网络，其3DB截止频率选择为10Hz。其中，第一保护电阻R4和第二保护电阻R5为限流保护电阻，其阻值远小于R6。

其中，AD采样器选择考虑具有高的输入阻抗，高的分辨率，在实现中采用了∑-Δ型24位AD采样器，并且AD采样器工作于差分输入模式，此时AD采样器的输出为：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{in}+}-V_{\mathrm{in}-}}{2^{24}}*(V_{\mathrm{ref}+}-V_{\mathrm{ref}-})---\left(2\right)$

V_in+＝I_PD*(R_f+R₂)+V_ref            (3)

V_in-＝V_ref                        (4)

V_ref+＝V_DDA                       (5)

V_ref-＝GND                        (6)

综合(2)、(3)、(4)、(5)、(6)可得到：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}=\frac{I_{\mathrm{PD}}*(R_f+R_2)}{2^{24}}*V_{\mathrm{DDA}}---\left(7\right)$

由式(7)可以看到，荧光采集模块电路采样回来的数据与电阻R_f、R2和V_DDA相关，在荧光检测模块部分可采用选择精度好的电阻R_f和R2和良好的电路布板工艺，以减少漏电流的影响。在电路中控制V_DDA的精度就可以使AD采样器的输出如实的跟踪荧光的微弱变化，达到好的采样精度和灵敏度。实现V_DDA的精度的措施可以采用性能指标很好的低压差线性稳压处理器件(LDO)。

由于被测三磷酸腺苷与荧光素反应发出的荧光信号光强十分微弱，在荧光检测装置开盖插入拭子棒时，在光电二极管PD上就会感应出光电流；此时光电流就会在电路中产生电流的充放电效应，由于在检测模块电路中存在很高的阻抗和分布电容，整个放电时间常数就会很大，此电流就会造成对荧光电流的影响。

因此，本实用新型实施例中的荧光检测装置，还采用电子开关模块来缩短电流泻放的时间。其中，所述电子开关模块140，如图2所示，该电子开关模块140连接所述计算控制模块200，用于给荧光检测模块130和荧光采集模块120提供稳定的工作电压，并在荧光检测装置开盖时，切断荧光检测模块130和荧光采集模块120的电源，这样，就缩短了电流泻放的时间，降低了非荧光的杂散光的干扰。

可通过采用计算控制模块200的引脚PC0控制低压差线性稳压器的控制端来实现本实施例的电子开关模块，如图5所示，当PC0的输出管脚配置为高电平时，线性稳压器SPX5205M5-30工作于正常模式，OUT输出正常的3V电压，该电压为荧光检测模块和荧光采集模块供电，可以实现对荧光信号的检测和采集；当PC0的输出管脚配置为低电平时，此线性稳压器处于未选通状态，OUT输出电压为0，此时荧光检测模块和荧光采集模块没有供电电压，在图4中，光电二极管PD两端的并联电阻和分布电容达到最小，这样就可以使得PD感应的光电流得到很快的泄放。

计算控制模块200则根据本实施例的荧光检测装置的盖的开闭控制PC0端的输出。当拭子放入，舱盖闭合时，PC0的输出管脚配置为高电平，电子开关闭合，荧光检测模块和荧光采集模块的电压恢复，PD的感应电流就可以在R_f和AD的回路中流过，流向为从R_f流向PD流向R2，此时，感应电压如式(3)表达。当舱盖打开，未放入拭子时，PC0的输出管脚配置为低电平，电子开关打开，荧光检测模块和荧光采集模块没有供电电压，PD感应的电流就不能在R_f和AD的回路中流过，此光电流就不会在Rf上产生影响，因此，可以降低非荧光的杂散光干扰。

本实用新型实施例所提供的三磷酸腺苷荧光检测装置，由于只用了一级IV转化就可以实现荧光到电压信号的转化，减少了系统元件，降低了系统噪声和不一致性；同时采用高分辨率的采样器件实现了更高的检测精度，使得检测精度可以达到10^-15mol，提高了ATP的检测精度，克服了现有技术中在ATP浓度低时存在的假阳性现象；并且降低了成本。本实用新型的三磷酸腺苷荧光检测装置，可应用于食品及卫生监督中的微生物检查，包括食品、饮品及空气卫生检测中细菌总数的现场测定；也可被用于企业自检；还可供工商、质检、检疫、环保等单位用于卫生学监控。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种三磷酸腺苷的荧光检测装置，包括计算控制模块，其特征在于，还包括依次连接的荧光检测模块、荧光采集模块和信号传输模块；其中，

所述荧光检测模块，用于通过光伏接法获取被测三磷酸腺苷与荧光素反应发出的荧光信号，并将所述荧光信号通过一级IV转化转成电信号；

所述荧光采集模块，用于采用工作在差分输入模式的AD采样器采样所述电信号；

所述信号传输模块与所述计算控制模块连接，用于将所述荧光采集模块采样的电信号发送到所述计算控制模块；

所述计算控制模块，用于根据所述采样的电信号，计算分析被测三磷酸腺苷含量。

2.如权利要求1所述的荧光检测装置，其特征在于，还包括电子开关模块，所述电子开关模块连接所述计算控制模块，用于给所述荧光检测模块和荧光采集模块提供稳定的工作电压，并在荧光检测装置开盖时，切断所述荧光检测模块和荧光采集模块的电源。

3.如权利要求1所述的荧光检测装置，其特征在于，所述荧光检测模块包括光电二极管和一运算放大器，所述光电二极管并联在所述运算放大器的两输入端；

所述光电二极管的正极通过第一RC并联网络接参考电压；

所述光电二极管的负极通过第二RC并联网络接所述运算放大器的输出端。

4.如权利要求3所述的荧光检测装置，其特征在于，所述荧光采集模块包括工作于差分输入模式的AD采样器；

所述AD采样器的正差分输入端通过第一保护电阻(R4)连接所述运算放大器的输出端；

所述AD采样器的负差分输入端通过第二保护电阻(R5)连接所述运算放大器的同相输入端；

所述AD采样器的两差分输入端之间连接有低通滤波网络，用于滤除所述电信号中的高频成分。

5.如权利要求4所述的荧光检测装置，其特征在于，所述低通滤波网络的3DB截至频率为10Hz。

6.如权利要求4所述的荧光检测装置，其特征在于，所述低通滤波网络由第六电阻(R6)和第三电容(C3)组成。

7.如权利要求6所述的荧光检测装置，其特征在于，所述第一保护电阻(R4)和第二保护电阻(R5)的阻值小于第六电阻(R6)。

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