實(shí)現(xiàn)白細(xì)胞五分類的光電檢測電路設(shè)計(jì)

王 坤，施火泉

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

庫爾特原理是以細(xì)胞粒子通過微孔時(shí)電阻抗的變化產(chǎn)生的直流脈沖的幅度來鑒別不同體積的血細(xì)胞，而白細(xì)胞的中性、嗜堿、嗜酸3種細(xì)胞的體積很接近，所以僅由庫爾特原理制成的血細(xì)胞分析儀只能將白細(xì)胞分為3類，故稱為三分類儀器。為達(dá)到五分類的目的，激光光散射、射頻、化學(xué)染色計(jì)數(shù)法相繼被應(yīng)用于對細(xì)胞特性的分析，使儀器和操作變得十分復(fù)雜。龔維燕博士發(fā)明的，一種庫爾特微孔的共軸照明方法，通過檢測前向光散射信號和對細(xì)胞內(nèi)部形態(tài)敏感性更高的后向散射信號，達(dá)到對細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測定[1]，實(shí)現(xiàn)了五分類和更多參數(shù)的綜合檢測分析。文中設(shè)計(jì)了基于該方法的光電檢測電路。

1 檢測電路原理及設(shè)計(jì)

首先由激光照射通過庫爾特微孔的白細(xì)胞粒子，散射的光信號由光電探測器進(jìn)行接收，光電探測器產(chǎn)生一個(gè)與照明度成比例的微弱電流。由于直接從光電探測器接收到的信號非常微弱，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定這些粒子的光散射信號產(chǎn)生的電流只有亞微安級，往往被噪聲淹沒，因此不能直接對這樣微弱的信號進(jìn)行處理，需要通過前置放大、濾波電路和放大電路來實(shí)現(xiàn)輸出幅值合適、并已濾除大部分噪聲的待檢測信號。其原理框圖如圖1所示。

圖1 光散射信號放大處理電路框圖Fig.1 Light scattering amplification processing circuit diagram

1.1 光電探測器

光電檢測器件采用PIN光電二極管。由于PIN光電二極管在半導(dǎo)體的P區(qū)和N區(qū)間增加一層本征半導(dǎo)體Ⅰ區(qū)，增加了PN結(jié)耗盡區(qū)的厚度，提高吸收光子的機(jī)率并減小結(jié)電容，從而提高了探測效率和響應(yīng)速度。此外，PIN光電二極管還具有頻率特性好，靈敏度高和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

在光電精密測量中，被測信號都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。光電二極管工作在光伏模式時(shí)，沒有施加額外的偏壓，暗電流極小，可非常精確的線性工作且光靈敏度較高。

1.2 前置放大電路噪聲分析

光電檢測電路的設(shè)計(jì)要盡量減小內(nèi)部噪聲，提高系統(tǒng)的檢測精度。光電檢測電路的噪聲模型可參考文獻(xiàn)[2]，它由一個(gè)被輻射光激發(fā)的電流源Isc、二極管內(nèi)阻Rd、結(jié)電容Cd、以及放大器的等效輸入噪聲電壓En和等效輸入電流In組成，光電檢測電路輸出信噪比為輸出信號電壓Uso比上輸出噪聲電壓Uno，其公式為：

由上述公式可知，光電檢測電路的輸出信噪比與很多因素有關(guān)。

光電探測器的內(nèi)阻Rd越大，輸出信噪比越大，因此要選擇內(nèi)阻大的光電探測器。同時(shí)選用的光電探測器要與集成運(yùn)放相匹配，以達(dá)到電路的噪聲系數(shù)最小[3]。另外，光電探測器的結(jié)電容Cd與Rd并聯(lián)，Cd越小，其與Rd并聯(lián)后的阻抗越大，輸出信噪比就越大，所以結(jié)電容Cd要盡可能小。由于本設(shè)計(jì)中光電探測器處于無偏壓狀態(tài)，結(jié)電容比反向偏壓狀態(tài)時(shí)大，所以要盡可能選用結(jié)電容Cd小的光電探測器[2]。

測定傳感器的微小電流時(shí)常采用I-V轉(zhuǎn)換電路，即圖2的前置放大級。其中影響電路性能的關(guān)鍵是Rf和Δf，它們會影響光檢測電路的噪聲性能和頻率穩(wěn)定性。提高Rf的阻值，輸出信噪比會增大，同時(shí)也提高了信號的增益，根據(jù)不同的應(yīng)用Rf的數(shù)值可以從幾十千歐到幾百兆歐甚至到幾十G。但Rf并不是越大越好，因?yàn)檫\(yùn)算放大器有數(shù)pf到數(shù)十pf的輸入寄生電容 Cin，和反饋電阻Rf構(gòu)成頻率特性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[4]，Rf越大，相位滯后越大，電路越容易自激振蕩。在選用元器件時(shí)，Rf最好采用噪聲小的金屬膜電阻。

提高信噪比的另一個(gè)方法是減小通頻帶Δf，電容Cf與Rf并聯(lián)，其作用就是減小電路的通頻帶Δf，Rf和Cf組成了一個(gè)濾波電路，其高頻截止頻率fc為1/2π·Rf·Cf。因此電路通頻帶Δf=1/2π·Rf·Cf。Rf和Cf越大，通頻帶越小，但電路通頻帶不能太小，否則輸出信號會產(chǎn)生頻率失真。另外，Cf不能太大，否則會造成系統(tǒng)響應(yīng)過慢[2]。電容Cf還具有相位超前作用，改善電路的相位裕度，提高穩(wěn)定性，消除輸入寄生電容Cin和Rf造成的相位滯后而引起的振蕩。一般根據(jù)Cf>Cin來選取Cf的值，但由于光電探測器也有電容成分，故需要更大的Cf來進(jìn)行相位補(bǔ)償。在選用元器件時(shí)，Cf最好采用溫度補(bǔ)償型的陶瓷電容。

1.3 前置放大電路設(shè)計(jì)

集成運(yùn)放的選擇在精密系統(tǒng)應(yīng)用中十分重要。由于集成運(yùn)放的偏置電流也會產(chǎn)生噪聲，所以要選用低偏置電流的運(yùn)算放大器如以場效應(yīng)管為輸入級的運(yùn)放，其開環(huán)輸入阻抗很高，輸入偏置電流就很小，而且偏置電流不易隨溫度改變，這種運(yùn)放的功耗也很小[4]。值得注意的一點(diǎn)是常用的微小電流放大器如OPA128并不適用本電路，雖然OPA128是JFET作為輸入的運(yùn)放，偏置電流很小，但是其帶寬只有1 MHz，使得反饋電阻Rf不能太大；白細(xì)胞的脈沖寬度約為50μs左右，而OPA128的最大轉(zhuǎn)換速率為3 V/us，加上反饋電容的作用使得系統(tǒng)響應(yīng)變慢，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得其上升時(shí)間較長，細(xì)胞波形失真，故無法較好地獲得白細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。本設(shè)計(jì)采用低噪聲精密運(yùn)放OPA2140設(shè)計(jì)了前置放大器，OPA2140為JFET輸入的高精度低噪聲運(yùn)放，偏置電流也很低，其帶寬有11 MHz，轉(zhuǎn)換速率為20 V/μs，這樣就可以滿足要求，如圖2前置放大級所示。

圖2 完整的光電檢測電路Fig.2 Complete photoelectric detection circuit

OPA2140內(nèi)部為雙運(yùn)放，另一個(gè)運(yùn)放用作電壓跟隨器，利用電路輸入阻抗高及輸出阻抗低的特點(diǎn)，使它的高輸入阻抗與前級的高輸出阻抗匹配；低輸出阻抗與后級的低輸入阻抗相匹配，起到緩沖作用，減少了前后級之間的影響。

1.4 濾波器電路的設(shè)計(jì)

電路中存在著由直流分量和電源雜波信號引起的低頻干擾信號，同時(shí)還存在著高頻噪聲的干擾，為了從光電轉(zhuǎn)換信號里提取有用的電信號，本設(shè)計(jì)在前置放大電路后加入一個(gè)帶通濾波電路，通過帶通濾波器對這些干擾信號進(jìn)行衰減，以除去有用信號頻帶以外的噪聲。

濾波電路帶寬的確定也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，為使濾波效果達(dá)到最好，帶寬應(yīng)越小越好，但過小又會造成有用信號的失真，以數(shù)量最多時(shí)的細(xì)胞來計(jì)算，白細(xì)胞平均出現(xiàn)的間隔為133μs[5]，經(jīng)過多次計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了帶寬較小且能滿足系統(tǒng)需要的帶通濾波器，該頻帶范圍為11～160 kHz。本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器由一個(gè)單位增益的二階高通濾波器和一個(gè)單位增益的二階低通濾波器組成，見圖2的濾波級。其中高通濾波器的傳遞函數(shù)：

其中

a，b可通過查帶通紋波3 dB的切比雪夫系數(shù)表獲得[6]，當(dāng)C8=C9=68 nF，則由公式：

可得 R7=30 kΩ，R8=4.42 kΩ

低通濾波器的傳遞函數(shù)：

其中

a1，b1可通過查帶通紋波3 dB的切比雪夫系數(shù)表獲得[6]，當(dāng)

則由公式

可得 R9=43.8 kΩ，R10=71.5 kΩ，R9取標(biāo)準(zhǔn)電阻 4 3.2 kΩ。

1.5 完整的檢測電路設(shè)計(jì)

完整的光電檢測電路如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將泰克示波器TDS2024C的兩個(gè)探頭分別接到兩路運(yùn)放放大電路的輸出端output，在液路中建立240 P的負(fù)壓，保證稀釋后的白細(xì)胞樣本在負(fù)壓下均勻的通過庫爾特微孔，此時(shí)示波器記錄的白細(xì)胞前向和后向光散射信號波形如圖3所示。

圖3中上下的波形分別是白細(xì)胞后向光和前向光散射的信號，由圖3可知白細(xì)胞的光散射信號已經(jīng)由微安級放大到了微處理器所能檢測的電壓范圍，且信噪比較好，大幅度提高了對不同種類細(xì)胞的鑒別能力。

圖4是示波器所測得的直流信號，前向光散射信號，和后向光散射信號。因?yàn)椴煌悇e的細(xì)胞會在體積、表面特征內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面呈現(xiàn)明顯的不同，將這些特征信息定義到以VCS為三維坐標(biāo)所形成的立體空間散點(diǎn)圖中，這5類細(xì)胞可在三維空間中形成特定的細(xì)胞群，通過計(jì)算某群細(xì)胞數(shù)量占白細(xì)胞總數(shù)的百分比，即可得到五項(xiàng)白細(xì)胞分類結(jié)果[7]。

圖3 白細(xì)胞前向和后向光散射信號Fig.3 Leukocyte forward and backward lingt scattering singal

圖4 白細(xì)胞直流、前向、后向三路信Fig.4 Leukocyte DC、forward and backward scattering signal

3 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)激光照射白細(xì)胞所產(chǎn)生的微弱光電信號的檢測，文中研究了光電檢測原理和方法，設(shè)計(jì)了一套完整的光電檢測系統(tǒng)。為了減小噪聲的影響，并根據(jù)白細(xì)胞產(chǎn)生的光散射信號特點(diǎn)，確定了電路中主要元件的值，從而使淹沒在噪聲背景下的光散射信號檢測得以實(shí)現(xiàn)，并為后續(xù)處理做好準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路可使亞微安級電流信號放大到適合微處理器處理的幅值范圍，并具有電路噪聲小，通頻帶寬，系統(tǒng)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)白細(xì)胞五分類的測定，也為微弱光電信號在其他場合的應(yīng)用提供了參考。

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