生物超弱發(fā)光采集系統(tǒng)及控制電路設(shè)計

摘要：生物超弱發(fā)光是生物系統(tǒng)在生命活動中的微弱發(fā)光現(xiàn)象。為了準(zhǔn)確測量生物超弱發(fā)光，設(shè)計了一種用于生物超微弱發(fā)光的專用采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的激發(fā)光源由單只大功率LED及光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，用壓控恒流源調(diào)整LED光照強(qiáng)度，通過電子快門精確控制光探測器的采集時間。測量金心吊蘭葉片的延遲發(fā)光結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量精度高、重復(fù)性好。
關(guān)鍵詞：生物超弱發(fā)光；檢測；電子快門；壓控恒流源

O 引言
生物超弱發(fā)光是生物在生命活動過程中，輻射出的一種極其微弱的光子流，分為自發(fā)發(fā)光和延遲發(fā)光。現(xiàn)在已經(jīng)證明，它與生理代謝、光合作用和細(xì)胞分裂等等許多生命過程有關(guān)，并且對環(huán)境極為敏感。由于生物超弱發(fā)光蘊(yùn)涵著豐富的生命信息，對其探測、分析與解讀是近十幾年來許多領(lǐng)域共同關(guān)心的課題。目前，已有不少研究，展示出其在揭示生命運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理以及農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療、食品衛(wèi)生等許多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。由于生物超弱發(fā)光的強(qiáng)度較弱，且延遲發(fā)光衰減很快，其采集涉及到外來激發(fā)光的精確控制和微弱自體發(fā)光的實(shí)時測量，至今未見成熟的專用儀器，給研究帶來困難。鑒于此，本文開發(fā)了一類利用LED激發(fā)的生物超弱發(fā)光采集系統(tǒng)，將LED激發(fā)光源、電子快門和光探測器整合在一起，通過單片機(jī)精確控制激發(fā)光源的光照時間與電子快門的開啟時間，使超弱發(fā)光尤其是延遲發(fā)光重復(fù)性測量的精度大大提高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
該系統(tǒng)測量生物超弱發(fā)光的時域信息，采用單光子計數(shù)探測系統(tǒng)。主要包括激發(fā)光源、光源驅(qū)動電路、快門控制模塊、光探測器、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、溫度控制模塊、暗室和計算機(jī)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

樣品放在暗室中測量，隔絕外界光線影響。單只大功率超高亮度LED發(fā)出的光經(jīng)過透鏡變換為平行光后，均勻照射到樣品上，中控模塊的單片機(jī)精確控制光強(qiáng)和輻照時間，溫度控制器保持樣品處于恒溫狀態(tài)，快門驅(qū)動模塊按照預(yù)設(shè)程序控制電子快門的開閉，PMT進(jìn)行生物發(fā)光的采集。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 主控制電路
主控電路負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行，進(jìn)行光照時間、光照強(qiáng)度和快門開閉的控制，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主要包括微處理器、壓控電流源、光照時間控制、快門開關(guān)控制、LCD顯示、鍵盤接口和溫度控制模塊。

2．2 激發(fā)光源及其驅(qū)動電路
生物體的自發(fā)發(fā)光強(qiáng)度較穩(wěn)定，而延遲發(fā)光隨時間衰減很快，若將樣品用激發(fā)光源在暗室外照射后再拿進(jìn)暗室測量，光照結(jié)束時間和測量開始時間的間隔很難控制，對實(shí)驗(yàn)人員的技能要求較高。如果采用光源內(nèi)置的方法，就能很好地解決這個問題。
系統(tǒng)采用單只大功率發(fā)光二極管(LED)作為激發(fā)光源，通過透鏡變換為平行光，保證樣品受光面的光強(qiáng)均勻分布。激發(fā)光源采用藍(lán)色LED，中心波長為467nm，帶寬為20nm，可以滿足一般實(shí)驗(yàn)要求。也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，將藍(lán)色LED更換為紅色、綠色和紫色等顏色的LED。
對LED光強(qiáng)的控制通過改變注入LED的電流大小來實(shí)現(xiàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)的精度，要保證LED驅(qū)動電流的恒流性，還要使得電路的電流大小可調(diào)，實(shí)現(xiàn)光源亮度的調(diào)節(jié)。因此，系統(tǒng)選用精密數(shù)控大功率電流源電路作為LED的驅(qū)動電路。電路的原理圖如圖3所示。

驅(qū)動電路主要由微處理器、液晶顯示與鍵盤輸入、數(shù)／模轉(zhuǎn)換與模／數(shù)轉(zhuǎn)換、壓控恒流源、差動放大電路等子模塊組成。