手持生物荧光强度检测仪的设计与开发

摘 要：文章结合手持生物荧光强度检测仪项目，分析手持生物荧光强度检测仪的设计要点;针对手持式生物荧光强度检测仪存在的荧光微弱与校准问题，项目应用灵敏度较高的硅光传感器与铝制遮光罩设计，采用固定波长LED灯进行传感器校准并设置1%精度的NTC温度传感器，提升了手持生物荧光强度检测仪的整体性能。

关键词：手持生物荧光强度检测仪;软件结构;硬件结构

一、 引言

ATP生物发光法，通常指的是依靠ATP试剂里面的若干组分，如荧光素-荧光素酶等跟被测样本发生作用而生成光子，然后再借助专门研制的荧光检测仪来对发光值进行捕捉以及检测，由于被测样本里面包含的细菌之类微生物的数量会和相对应的ATP值存在一定的函数关系、ATP值与发光值内部存在相应的函数关系，所以对发光值进行检测，可以获取被测标本里面包含的细菌之类微生物的数量。为了满足现场快速检测的需求，手持生物荧光强度检测仪在食品安全领域得到了广泛的应用。设计手持生物荧光强度检测仪时，设计人员要严格做好设备的硬件结构和软件结构设计工作，保证手持生物荧光强度检测仪能够实现实时监控，提升手持生物荧光强度检测仪的整体性能。

二、  项目概况

该项目为手持生物荧光强度检测仪的设计开发，项目产品主要用于快速检测食品中的微生物含量，判断食物中的微生物含量是否超标。特定微生物与生物酶制剂反应之后，会生产ATP荧光反应，检测仪中的微光采集系统会快速收集这些RLU数值，以便准确测量定量样品ATP的含量。该项目应用了生物学应用技术、光感传感技术、设备小型化技术等，能够有效提升食品安全检测的准确性和效率。

三、  手持生物荧光强度检测仪设计

（一）软件结构设计

项目进行手持生物荧光强度检测仪软件结构设计时，采用高灵敏度的硅光电传感器，这种传感器系统由光源、光学元件、接收器、比较单元、转换单元、信号处理单元、判定单元、输出端口组成，按照上述顺序将这些单元连接在一起，通过比较单元放大检测信号，对信号进行不失真处理，提升信号检测的准确性，避免检测信号与系统磁场之间出现干扰，提升信号检测的稳定性。另外，相较于其他传感器，硅光传感器本身具有灵敏度高、频带宽、线性度好、误差小等优点，更适宜应用于手持生物荧光强度检测仪中。

（二）硬件结构设计

手持生物荧光强度检测仪大致可以分成以下几部分，分别是光学检测模块、驱动模块、 信号采集放大部分、中央控制单元及其他外围辅助电路模块、键盘控制模块、数据存储模块、通讯模块、显示模块等。该检测仪以微控制器作为控制的关键，借助自制光学检测模块，对微弱荧光信号进行收集，通过ADμC834内部所集合生成的高精度A/D模块，在开展转换还有数据处理工作后，可以获得跟被测样品ATP浓度相匹配的响应信号。对于检测结果，不仅能够借助显示模块来进行展示，也能够借助PMT以及自定设计的传感器接口这两大结构做到对反应释放微弱荧光信号进行收集以及转换处理。传感器接口，一般是以金属铝材料来作为制作基础，内部采用圆柱凹面结构，外部选择密封式设计，可以将外界光还有电磁干扰的不良作用降低到最小值，加强检测的灵敏度。对于光学检测驱动模块，一般会包括以下两部分：一方面，AMT电源供应电路;另一方面，控制电压提供电路。通常来说，电源供应电路的主要作用是维持AMT正常运作，为其提供必备的11.5～15.5 V电源电压，该项目采用锂子电池供电，工作电压为3V，满足降低功耗的設计要求。

进行手持生物荧光强度检测仪设计时，该项目要求采用铝制遮光罩，设计铝制遮光罩时，对遮光罩内表面进行遮光处理，将微光镜反射至传感器罩上，采用这种方式最大限度上降低外界因素对生物荧光强度检测精准度造成的影响。该项目铝制遮光罩的外层为圆柱形，内层各遮挡环间构成圆台形，右方为射入面，这种设计方式能加深消光部分遮挡环的深度，光线会在遮挡环间反复折射。相较于传统遮光罩而言，反射次数得到有效增加，能量吸收效率得到有效增强，消光效率有效提升设计人员要严格控制光照射面积与增强反射焦点的公差，根据手持生物荧光强度检测仪的应用要求选择调整公差，有效抑制外部的杂散光，更好地满足人们对检测仪的需求。另外，设计人员进行铝制遮光罩设计过程中，要保证遮光罩不会遮挡场内的光线，能够尽可能阻挡场外杂散光的进入，捕捉手持生物荧光，高效检测荧光强度。同时，设计人员开展设计工作之前，还要计算光学系统的轴外视场PST，结合杂散光系统评估光学系统的杂散光抑制能力，考虑到视场角附近的入射光线、杂散光抑制角内的入射光线，要求遮光罩能够遮挡角度大于40°的入射光线，提升遮光罩的杂散光抑制能力，满足手持生物荧光强度检测仪的使用要求。

四、 手持生物荧光强度检测仪设计难点及解决

（一）ATP荧光微弱

手持生物荧光强度检测仪设计过程中，ATP荧光较为微弱，加大了手持生物荧光强度检测仪设计的难度。对此，我们通过两种手段进行采集。首先，应用灵敏度较高的硅光传感器，放大PA级电流信号，使电流信号放大106倍以上，并通过RC电路滤波最大限度上减少外界因素对荧光采集工作造成的干扰，这种传感器的优势为灵敏度高、操作简便、选择性好等优点。其次，设计铝制遮光罩，将微弱荧光反射至传感器的视窗上，采用镜面抛光方式，最大限度上增加微弱荧光的反射量，有效隔绝外界光线对荧光检测结果造成的影响，保证PCB版与铝制遮光罩底部始终处于接触状态，将传感器罩在遮光罩内部，更进一步屏蔽外界干扰，以达到最佳检测效果。

（二）校准问题

除了荧光微弱这一设计难点之外，校准问题是项目的另一难点。项目采用固定波长LED灯进行传感器校准，将LED设置在铝制遮光罩内部，控制LED过程中，采用DAC和MCU引脚控制线性输出，并对铝制遮光罩内部进行抛光处理，保证镜面能达到规定标准，以确保光线能够全部反射至传感器上部，对传感器的线性参数进行校准处理。另外，传感器的温度也会影响测量结果的准确性。为了解决这一问题，我们在传感器的下方设置了NTC温度传感器，这种传感器的精度为1%，需要采用程序进行精准控制，一旦传感器的温度大于5°时，传感器就会自动进行线性校准，保证传感器线性参数始终符合规定标准。

五、 结语

开展手持生物荧光强度检测仪设计工作期间，设计人员要选择高灵敏度的硅光电传感器，重视铝制遮光板设计工作，做好检测仪结构设计工作;采用固定波长的LED灯作为校准传感器，并设置NTC温度传感器，以提高样品检测的准确性。

参考文献：

[1]周洪波，金庆辉，葛玉卿，等.一种手持式生物荧光检测仪及检测方法[J].爱学术;2011.

[2]赵锂，杨帆，沈晨，等.应用ATP生物荧光检测仪检测水中细菌实验研究[C]// 中国建筑学会建筑给水排水研究分会全体会员大会暨学术交流会，2014.

[3]胡鹏飞.手持式肿瘤荧光标记物快速检测设备研究与设计[D].天津：天津工业大学，2018.

作者简介：周春鸣，南京海铭微生物科技有限公司。