生物超弱发光采集系统及控制电路设计

摘要：生物超弱发光是生物系统在生命活动中的微弱发光现象。为了准确测量生物超弱发光，设计了一种用于生物超微弱发光的专用采集系统。系统的激发光源由单只大功率LED及光学系统构成，用压控恒流源调整LED光照强度，通过电子快门精确控制光探测器的采集时间。测量金心吊兰叶片的延迟发光结果表明，该系统测量精度高、重复性好。
关键词：生物超弱发光；检测；电子快门；压控恒流源

O 引言
生物超弱发光是生物在生命活动过程中，辐射出的一种极其微弱的光子流，分为自发发光和延迟发光。现在已经证明，它与生理代谢、光合作用和细胞分裂等等许多生命过程有关，并且对环境极为敏感。由于生物超弱发光蕴涵着丰富的生命信息，对其探测、分析与解读是近十几年来许多领域共同关心的课题。目前，已有不少研究，展示出其在揭示生命运转机理以及农业、环境保护、医疗、食品卫生等许多领域的应用潜力。由于生物超弱发光的强度较弱，且延迟发光衰减很快，其采集涉及到外来激发光的精确控制和微弱自体发光的实时测量，至今未见成熟的专用仪器，给研究带来困难。鉴于此，本文开发了一类利用LED激发的生物超弱发光采集系统，将LED激发光源、电子快门和光探测器整合在一起，通过单片机精确控制激发光源的光照时间与电子快门的开启时间，使超弱发光尤其是延迟发光重复性测量的精度大大提高。

1 系统总体设计
该系统测量生物超弱发光的时域信息，采用单光子计数探测系统。主要包括激发光源、光源驱动电路、快门控制模块、光探测器、数据采集与处理模块、温度控制模块、暗室和计算机。系统总体结构如图1所示。

样品放在暗室中测量，隔绝外界光线影响。单只大功率超高亮度LED发出的光经过透镜变换为平行光后，均匀照射到样品上，中控模块的单片机精确控制光强和辐照时间，温度控制器保持样品处于恒温状态，快门驱动模块按照预设程序控制电子快门的开闭，PMT进行生物发光的采集。

2 系统硬件设计
2．1 主控制电路
主控电路负责整个系统的正常运行，进行光照时间、光照强度和快门开闭的控制，结构框图如图2所示。主要包括微处理器、压控电流源、光照时间控制、快门开关控制、LCD显示、键盘接口和温度控制模块。

2．2 激发光源及其驱动电路
生物体的自发发光强度较稳定，而延迟发光随时间衰减很快，若将样品用激发光源在暗室外照射后再拿进暗室测量，光照结束时间和测量开始时间的间隔很难控制，对实验人员的技能要求较高。如果采用光源内置的方法，就能很好地解决这个问题。
系统采用单只大功率发光二极管(LED)作为激发光源，通过透镜变换为平行光，保证样品受光面的光强均匀分布。激发光源采用蓝色LED，中心波长为467nm，带宽为20nm，可以满足一般实验要求。也可以根据实验的要求，将蓝色LED更换为红色、绿色和紫色等颜色的LED。
对LED光强的控制通过改变注入LED的电流大小来实现。为了保证实验的精度，要保证LED驱动电流的恒流性，还要使得电路的电流大小可调，实现光源亮度的调节。因此，系统选用精密数控大功率电流源电路作为LED的驱动电路。电路的原理图如图3所示。

驱动电路主要由微处理器、液晶显示与键盘输入、数／模转换与模／数转换、压控恒流源、差动放大电路等子模块组成。