手持生物熒光強度檢測儀的設計與開發

摘?要：文章結合手持生物熒光強度檢測儀項目，分析手持生物熒光強度檢測儀的設計要點;針對手持式生物熒光強度檢測儀存在的熒光微弱與校準問題，項目應用靈敏度較高的硅光傳感器與鋁制遮光罩設計，采用固定波長LED燈進行傳感器校準并設置1%精度的NTC溫度傳感器，提升了手持生物熒光強度檢測儀的整體性能。

關鍵詞：手持生物熒光強度檢測儀;軟件結構;硬件結構

一、 引言

ATP生物發光法，通常指的是依靠ATP試劑里面的若干組分，如熒光素-熒光素酶等跟被測樣本發生作用而生成光子，然后再借助專門研制的熒光檢測儀來對發光值進行捕捉以及檢測，由于被測樣本里面包含的細菌之類微生物的數量會和相對應的ATP值存在一定的函數關系、ATP值與發光值內部存在相應的函數關系，所以對發光值進行檢測，可以獲取被測標本里面包含的細菌之類微生物的數量。為了滿足現場快速檢測的需求，手持生物熒光強度檢測儀在食品安全領域得到了廣泛的應用。設計手持生物熒光強度檢測儀時，設計人員要嚴格做好設備的硬件結構和軟件結構設計工作，保證手持生物熒光強度檢測儀能夠實現實時監控，提升手持生物熒光強度檢測儀的整體性能。

二、 ?項目概況

該項目為手持生物熒光強度檢測儀的設計開發，項目產品主要用于快速檢測食品中的微生物含量，判斷食物中的微生物含量是否超標。特定微生物與生物酶制劑反應之后，會生產ATP熒光反應，檢測儀中的微光采集系統會快速收集這些RLU數值，以便準確測量定量樣品ATP的含量。該項目應用了生物學應用技術、光感傳感技術、設備小型化技術等，能夠有效提升食品安全檢測的準確性和效率。

三、 ?手持生物熒光強度檢測儀設計

（一）軟件結構設計

項目進行手持生物熒光強度檢測儀軟件結構設計時，采用高靈敏度的硅光電傳感器，這種傳感器系統由光源、光學元件、接收器、比較單元、轉換單元、信號處理單元、判定單元、輸出端口組成，按照上述順序將這些單元連接在一起，通過比較單元放大檢測信號，對信號進行不失真處理，提升信號檢測的準確性，避免檢測信號與系統磁場之間出現干擾，提升信號檢測的穩定性。另外，相較于其他傳感器，硅光傳感器本身具有靈敏度高、頻帶寬、線性度好、誤差小等優點，更適宜應用于手持生物熒光強度檢測儀中。

（二）硬件結構設計

手持生物熒光強度檢測儀大致可以分成以下幾部分，分別是光學檢測模塊、驅動模塊、 信號采集放大部分、中央控制單元及其他外圍輔助電路模塊、鍵盤控制模塊、數據存儲模塊、通訊模塊、顯示模塊等。該檢測儀以微控制器作為控制的關鍵，借助自制光學檢測模塊，對微弱熒光信號進行收集，通過ADμC834內部所集合生成的高精度A/D模塊，在開展轉換還有數據處理工作后，可以獲得跟被測樣品ATP濃度相匹配的響應信號。對于檢測結果，不僅能夠借助顯示模塊來進行展示，也能夠借助PMT以及自定設計的傳感器接口這兩大結構做到對反應釋放微弱熒光信號進行收集以及轉換處理。傳感器接口，一般是以金屬鋁材料來作為制作基礎，內部采用圓柱凹面結構，外部選擇密封式設計，可以將外界光還有電磁干擾的不良作用降低到最小值，加強檢測的靈敏度。對于光學檢測驅動模塊，一般會包括以下兩部分：一方面，AMT電源供應電路;另一方面，控制電壓提供電路。通常來說，電源供應電路的主要作用是維持AMT正常運作，為其提供必備的11.5～15.5 V電源電壓，該項目采用鋰子電池供電，工作電壓為3V，滿足降低功耗的設計要求。

進行手持生物熒光強度檢測儀設計時，該項目要求采用鋁制遮光罩，設計鋁制遮光罩時，對遮光罩內表面進行遮光處理，將微光鏡反射至傳感器罩上，采用這種方式最大限度上降低外界因素對生物熒光強度檢測精準度造成的影響。該項目鋁制遮光罩的外層為圓柱形，內層各遮擋環間構成圓臺形，右方為射入面，這種設計方式能加深消光部分遮擋環的深度，光線會在遮擋環間反復折射。相較于傳統遮光罩而言，反射次數得到有效增加，能量吸收效率得到有效增強，消光效率有效提升設計人員要嚴格控制光照射面積與增強反射焦點的公差，根據手持生物熒光強度檢測儀的應用要求選擇調整公差，有效抑制外部的雜散光，更好地滿足人們對檢測儀的需求。另外，設計人員進行鋁制遮光罩設計過程中，要保證遮光罩不會遮擋場內的光線，能夠盡可能阻擋場外雜散光的進入，捕捉手持生物熒光，高效檢測熒光強度。同時，設計人員開展設計工作之前，還要計算光學系統的軸外視場PST，結合雜散光系統評估光學系統的雜散光抑制能力，考慮到視場角附近的入射光線、雜散光抑制角內的入射光線，要求遮光罩能夠遮擋角度大于40°的入射光線，提升遮光罩的雜散光抑制能力，滿足手持生物熒光強度檢測儀的使用要求。

四、 手持生物熒光強度檢測儀設計難點及解決

（一）ATP熒光微弱

手持生物熒光強度檢測儀設計過程中，ATP熒光較為微弱，加大了手持生物熒光強度檢測儀設計的難度。對此，我們通過兩種手段進行采集。首先，應用靈敏度較高的硅光傳感器，放大PA級電流信號，使電流信號放大106倍以上，并通過RC電路濾波最大限度上減少外界因素對熒光采集工作造成的干擾，這種傳感器的優勢為靈敏度高、操作簡便、選擇性好等優點。其次，設計鋁制遮光罩，將微弱熒光反射至傳感器的視窗上，采用鏡面拋光方式，最大限度上增加微弱熒光的反射量，有效隔絕外界光線對熒光檢測結果造成的影響，保證PCB版與鋁制遮光罩底部始終處于接觸狀態，將傳感器罩在遮光罩內部，更進一步屏蔽外界干擾，以達到最佳檢測效果。

（二）校準問題

除了熒光微弱這一設計難點之外，校準問題是項目的另一難點。項目采用固定波長LED燈進行傳感器校準，將LED設置在鋁制遮光罩內部，控制LED過程中，采用DAC和MCU引腳控制線性輸出，并對鋁制遮光罩內部進行拋光處理，保證鏡面能達到規定標準，以確保光線能夠全部反射至傳感器上部，對傳感器的線性參數進行校準處理。另外，傳感器的溫度也會影響測量結果的準確性。為了解決這一問題，我們在傳感器的下方設置了NTC溫度傳感器，這種傳感器的精度為1%，需要采用程序進行精準控制，一旦傳感器的溫度大于5°時，傳感器就會自動進行線性校準，保證傳感器線性參數始終符合規定標準。

五、 結語

開展手持生物熒光強度檢測儀設計工作期間，設計人員要選擇高靈敏度的硅光電傳感器，重視鋁制遮光板設計工作，做好檢測儀結構設計工作;采用固定波長的LED燈作為校準傳感器，并設置NTC溫度傳感器，以提高樣品檢測的準確性。

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作者簡介：周春鳴，南京海銘微生物科技有限公司。