微光探測裝置自成暗室設(shè)計開發(fā)

萬宇平　羅曉琴　蔣金峰　何方洋　劉平　張穎

摘要： 針對現(xiàn)有微光檢測系統(tǒng)體積大、避光效果差等不足，對微光探測裝置進(jìn)行全新設(shè)計。采用反應(yīng)杯與光探測頭自成暗室，減少暗室進(jìn)出機(jī)構(gòu)，提高避光效果；采用斬波法扣除本底計數(shù)，從而消除背景光引起的測量誤差。性能測試結(jié)果顯示：該微光探測裝置的光子本底計數(shù)小于等于200光子/s，測光上限平均值達(dá)到1.1×107光子/s，變異系數(shù)（CV）小于等于3%，達(dá)到目前現(xiàn)有的微光檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，可用于化學(xué)發(fā)光免疫分析儀等需要進(jìn)行微光信號檢測的精密儀器開發(fā)，對基于微光探測技術(shù)的儀器行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 微光探測裝置； 暗室； 光子； 化學(xué)發(fā)光免疫分析儀

中圖分類號： TH 741文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.015

引言

微光信號檢測技術(shù)在熒光測量、遙感遙測和生物醫(yī)學(xué)成像等方面都有涉及，廣泛應(yīng)用于軍事安全、科學(xué)研究以及工程技術(shù)等領(lǐng)域[1-2]，對微光探測裝置和相關(guān)儀器的研究與推廣越來越受到生物以及物理技術(shù)領(lǐng)域研究工作者的重視。在微光信號檢測研究中，通常把發(fā)光的生物或化學(xué)樣品置于黑暗的環(huán)境中，用光探測器接收來自樣品的微弱光，將其轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過信號的分析處理，獲得樣品系統(tǒng)的發(fā)光信息[3]。

為了防止測量過程中外部雜散光對測量結(jié)果的干擾，微光檢測裝置和相關(guān)儀器通常采用專門的測量暗室用于對發(fā)光物質(zhì)進(jìn)行測量，傳統(tǒng)的暗室不可拆分，不可移動，占用空間大，四周外壁結(jié)構(gòu)固定，只能安裝在固定的場所，使用不靈活[4]。很多研究工作者對暗室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。王弼陡等[5]發(fā)明一種測量暗室，包括支座、擋光罩、左門檔、右門檔，可作為測量儀器的組成部分安裝在測量儀器上；劉萍等[6]發(fā)明一種測量暗室，暗室上蓋和暗室外壁構(gòu)成封閉且避光的暗室主體，提高暗室避光性能；譚永紅等[7]發(fā)明一種微弱光檢測儀的暗室，暗室蓋和暗室底盤扣合形成暗室。羅剛銀等[8] 在半自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀研制中設(shè)計了專門測量暗室和聚光光路，暗室門打開時，扇形片擋住光孔，插入試管后關(guān)上門，光孔打開，試管中反應(yīng)物發(fā)出的熒光經(jīng)光孔進(jìn)入，照在凸透鏡上，最終到達(dá)光電倍增管進(jìn)行光子測量；李森等[9]在化學(xué)發(fā)光免疫分析儀中設(shè)計了密閉機(jī)箱，暗環(huán)境下測試，最大計數(shù)靈敏度為2.7×105光子/s。這些研究基本上都是在已有獨立暗室的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，測量過程中進(jìn)出機(jī)構(gòu)較多，且體積較大，以目前市場常見含暗室機(jī)構(gòu)儀器（西門子）為例，其暗室的體積為210 mm×170 mm×75 mm。

由于獨立暗室體積較大，進(jìn)出機(jī)構(gòu)多，導(dǎo)致避光效果欠佳，噪聲較大，低濃度物質(zhì)微弱信號易被淹沒，影響儀器靈敏度和可靠性。暗室體積較大，也導(dǎo)致其無法在線應(yīng)用于其他同類儀器，從而影響基于本裝置的檢測儀器行業(yè)的發(fā)展。 因此，本研究針對上述問題，采用反應(yīng)杯與光探測頭自成暗室，取消了獨立暗室，將暗室體積縮小至80 mm×35 mm×70 mm，同時減少暗室進(jìn)出機(jī)構(gòu)，提高避光效果，有效降低噪聲的干擾；采用斬波法扣除本底計數(shù)，從而消除背景光引起的測量誤差，準(zhǔn)確地進(jìn)行光子計數(shù)。

1 微光探測系統(tǒng)設(shè)計

本試驗旨在對微光探測裝置進(jìn)行全新設(shè)計，設(shè)計采用運動式的壓緊機(jī)構(gòu)自成暗室，縮小暗室體積，減少進(jìn)出暗室機(jī)構(gòu)，同時合理壓縮系統(tǒng)視場；在光子計數(shù)過程中，采用斬波法扣除光子計數(shù)本底，從而消除背景光引起的測量誤差，有效提高微光探測裝置的檢測靈敏度。由此，設(shè)計出微光探測系統(tǒng)如圖1所示。

微光探測系統(tǒng)主要由測量暗室、光纖和光電倍增管等部分組成，工作原理如圖2所示。當(dāng)待測反應(yīng)杯傳送至測量位時，驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動壓緊機(jī)構(gòu)和橡膠頭往下運動，和反應(yīng)杯接觸后形成一個密閉的暗室；抽廢液探針在抽廢液泵的作用下，抽出測光后反應(yīng)杯中的廢液，避免環(huán)境污染；光纖負(fù)責(zé)把光信號傳導(dǎo)到光電倍增管模組，然后光信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號由光電倍增管模組輸出至檢測控制電路；檢測電路完成對計數(shù)脈沖的測量后將結(jié)果發(fā)送給主控系統(tǒng)，最后壓緊機(jī)構(gòu)再往上走回到初始位置。這就完成了一次完整的測量過程。

2 具體試驗設(shè)計方案

2.1暗室設(shè)計

本裝置采用壓緊機(jī)構(gòu)與反應(yīng)杯配合自成暗室，測量暗室體積80 mm×35 mm×70 mm，將現(xiàn)有微光檢測暗室體積縮小2/3；自主試制塑料材質(zhì)的反應(yīng)杯，外壁為黑色、內(nèi)部為白色，黑色外殼能保證隔離外界光的干擾，內(nèi)部的白色又能避免發(fā)出的光信號被吸收。壓緊塊的末端采用黑色丁腈橡膠，橡膠的不透光特性和變形能力有效地保證了暗室的密閉效果。

2.2運動機(jī)構(gòu)設(shè)計

在壓緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計上，有一滑塊可上下做升降運動形成開放或閉合暗室，采用滾珠絲杠傳動方式，選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動聯(lián)軸器。聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠，滾珠絲杠通過上下兩個軸承限定位置，保證與電機(jī)軸同心，使其精確移動光纖壓緊密封單元，可以保證傳動機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過實驗測試結(jié)果，定位精度10 μm，光纖直線移動范圍0～200 mm，角度移動范圍90°～120°。

2.3光路選取設(shè)計

反應(yīng)杯在暗室發(fā)出的光信號，經(jīng)光纖傳導(dǎo)到光子計數(shù)模組。暗室形成過程中，運動機(jī)構(gòu)會帶動光纖運動，光纖不可能做直線拉伸，故設(shè)計時光纖是彎成一定角度的。出于抗彎特性考慮，本研究選擇春暉液芯光纖。該光纖最小彎曲半徑60 mm，本裝置設(shè)計的光纖彎曲半徑90～110 mm，大于最小彎曲半徑，宏彎損耗的影響很小，光纖傳導(dǎo)效率大于80%。

2.4光子計數(shù)模組的選取

光子計數(shù)模組主要由光電倍增管、高壓電源、分壓器、脈沖放大器、甄別器等組成。選擇光子計數(shù)模組的兩個重要參考指標(biāo)是：線性計數(shù)范圍和本底計數(shù)率?？紤]底物發(fā)光值的范圍，本裝置線性計數(shù)范圍3×104～4×106光子/s，本底計數(shù)率小于等于1%，即本底小于300光子/s。所以最終選擇使用CH283模組（+12 V電源供電，最大線性計數(shù)值為8×106光子/s，本底小于300光子/s）。當(dāng)光信號非常微弱而光子計數(shù)模組又處于低計數(shù)率工作時，要特別考慮本底噪聲的扣除，它是測量誤差的主要來源。為了消除這種誤差，本研究采用斬波法扣除本底計數(shù)。通過周期的切斷與接通光路，交替地產(chǎn)生“背景”與“信號+背景”的計數(shù)率。斬波器的定時參考方波作為計數(shù)閘門同步計數(shù)器A和B，使計數(shù)器A累加“信號十背景”計數(shù)，計數(shù)器B累加“背景”。計數(shù)電路收集來自光子計數(shù)模組CH283輸出脈沖并進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)時間一般為1 s。模組輸出的脈沖寬度10 ns，屬于高頻信號，在電路設(shè)計時需考慮阻抗匹配，以防止信號的反射。阻抗匹配解決了信號源質(zhì)量的問題，接下來對計數(shù)器A的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。因計數(shù)器A是對“信號+背景光”計數(shù)，測光上限大于等于1×107光子/s，普通的計數(shù)器一般為16位，支持最大65 535的計數(shù)，所以要對原始脈沖進(jìn)行分頻處理。

3 性能測試與結(jié)果分析

3.1暗室密封性測試

儀器開機(jī)預(yù)熱5 min后，把一空的反應(yīng)杯傳送到測光位，使用PC機(jī)的用戶軟件控制儀器對1～12號孔依次進(jìn)行測量。光電倍增管測試時間為1 s，得到本底計數(shù)值數(shù)據(jù)見表1。

3.2測光上限測試

制備高濃度酶標(biāo)抗原。取100 μL發(fā)光底物及高濃度樣品，依次加入到一空反應(yīng)杯的12個孔內(nèi)，用PC機(jī)調(diào)試軟件操作機(jī)器，將反應(yīng)杯傳到測光位進(jìn)行測光，觀察并記錄數(shù)據(jù)見表2。

3.3重復(fù)性測試

將標(biāo)準(zhǔn)光源裝入測試反應(yīng)杯中，傳送反應(yīng)杯，使光源到達(dá)測光位的正下方，使用PC機(jī)的調(diào)試軟件，啟動測量模塊測定光源的發(fā)光光子數(shù)。在10 d內(nèi)不定期測試，共測試12組，每組測量10次。數(shù)據(jù)。測試間隔期間系統(tǒng)處于工作或停機(jī)狀態(tài)。

檢測項目檢測結(jié)果現(xiàn)有探測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)光測本底/（光子·s-1）136個≤300個測光上限/（光子·s-1）1.1×107≥8×106線性范圍/（光子·s-1）600萬≥500萬光纖傳導(dǎo)效率/%8080重復(fù)性/% 2.08≤3

從以上數(shù)據(jù)可以看出，變異系數(shù)小于3%，符合微光檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求。綜合結(jié)果分析見表4。

4實驗結(jié)論

針對以往微光探測系統(tǒng)獨立暗室體積大、進(jìn)出機(jī)構(gòu)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及避光效果欠佳等問題，本研究對微光探測裝置進(jìn)行全新設(shè)計。采用反應(yīng)杯與光探測頭自成暗室減少暗室進(jìn)出機(jī)構(gòu)，提高避光效果，有效降低噪聲的干擾；采用斬波法扣除本底計數(shù)，從而降低背景光引起的測量誤差，準(zhǔn)確地進(jìn)行光子計數(shù)。該微光探測裝置經(jīng)測試，光子本底計數(shù)小于等于200光子/s，測光上限平均值達(dá)到1.1×107光子/s，變異系數(shù)（CV）小于等于3%，光纖傳導(dǎo)效率80%，達(dá)到目前現(xiàn)有的微光檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，對基于微光探測技術(shù)的儀器行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯宏穎.提高微光信號檢測靈敏度的新方法[D].天津：天津大學(xué)，2012.

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[5]王弼陡，吳再輝，白志紅.測量暗室：中國，200910066538.1[P].2009-07-15.

[6]劉萍，欒大偉，程曉宇，等.一種檢測暗室：中國，201320288740.0[P].2013-10-23.

[7]譚永紅，申玲.一種微弱光檢測儀的暗室：中國，201320023428.9[P].2013-07-31.

[8]羅剛銀，王弼陡，唐玉國，等.基于單光子計數(shù)的半自動化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的研究[J].光電子技術(shù)，2012，2（3）：190-194.

[9]李森，劉偉強(qiáng).高靈敏度化學(xué)發(fā)光免疫分析儀的設(shè)計與功能實現(xiàn)[J].北京醫(yī)學(xué)生物工程，2009（6）：622-626.

3 性能測試與結(jié)果分析

3.1暗室密封性測試

儀器開機(jī)預(yù)熱5 min后，把一空的反應(yīng)杯傳送到測光位，使用PC機(jī)的用戶軟件控制儀器對1～12號孔依次進(jìn)行測量。光電倍增管測試時間為1 s，得到本底計數(shù)值數(shù)據(jù)見表1。

3.2測光上限測試

制備高濃度酶標(biāo)抗原。取100 μL發(fā)光底物及高濃度樣品，依次加入到一空反應(yīng)杯的12個孔內(nèi)，用PC機(jī)調(diào)試軟件操作機(jī)器，將反應(yīng)杯傳到測光位進(jìn)行測光，觀察并記錄數(shù)據(jù)見表2。

3.3重復(fù)性測試

將標(biāo)準(zhǔn)光源裝入測試反應(yīng)杯中，傳送反應(yīng)杯，使光源到達(dá)測光位的正下方，使用PC機(jī)的調(diào)試軟件，啟動測量模塊測定光源的發(fā)光光子數(shù)。在10 d內(nèi)不定期測試，共測試12組，每組測量10次。數(shù)據(jù)。測試間隔期間系統(tǒng)處于工作或停機(jī)狀態(tài)。

檢測項目檢測結(jié)果現(xiàn)有探測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)光測本底/（光子·s-1）136個≤300個測光上限/（光子·s-1）1.1×107≥8×106線性范圍/（光子·s-1）600萬≥500萬光纖傳導(dǎo)效率/%8080重復(fù)性/% 2.08≤3

從以上數(shù)據(jù)可以看出，變異系數(shù)小于3%，符合微光檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求。綜合結(jié)果分析見表4。

4實驗結(jié)論

針對以往微光探測系統(tǒng)獨立暗室體積大、進(jìn)出機(jī)構(gòu)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及避光效果欠佳等問題，本研究對微光探測裝置進(jìn)行全新設(shè)計。采用反應(yīng)杯與光探測頭自成暗室減少暗室進(jìn)出機(jī)構(gòu)，提高避光效果，有效降低噪聲的干擾；采用斬波法扣除本底計數(shù)，從而降低背景光引起的測量誤差，準(zhǔn)確地進(jìn)行光子計數(shù)。該微光探測裝置經(jīng)測試，光子本底計數(shù)小于等于200光子/s，測光上限平均值達(dá)到1.1×107光子/s，變異系數(shù)（CV）小于等于3%，光纖傳導(dǎo)效率80%，達(dá)到目前現(xiàn)有的微光檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，對基于微光探測技術(shù)的儀器行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

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3 性能測試與結(jié)果分析

3.1暗室密封性測試

儀器開機(jī)預(yù)熱5 min后，把一空的反應(yīng)杯傳送到測光位，使用PC機(jī)的用戶軟件控制儀器對1～12號孔依次進(jìn)行測量。光電倍增管測試時間為1 s，得到本底計數(shù)值數(shù)據(jù)見表1。

3.2測光上限測試

制備高濃度酶標(biāo)抗原。取100 μL發(fā)光底物及高濃度樣品，依次加入到一空反應(yīng)杯的12個孔內(nèi)，用PC機(jī)調(diào)試軟件操作機(jī)器，將反應(yīng)杯傳到測光位進(jìn)行測光，觀察并記錄數(shù)據(jù)見表2。

3.3重復(fù)性測試

將標(biāo)準(zhǔn)光源裝入測試反應(yīng)杯中，傳送反應(yīng)杯，使光源到達(dá)測光位的正下方，使用PC機(jī)的調(diào)試軟件，啟動測量模塊測定光源的發(fā)光光子數(shù)。在10 d內(nèi)不定期測試，共測試12組，每組測量10次。數(shù)據(jù)。測試間隔期間系統(tǒng)處于工作或停機(jī)狀態(tài)。

檢測項目檢測結(jié)果現(xiàn)有探測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)光測本底/（光子·s-1）136個≤300個測光上限/（光子·s-1）1.1×107≥8×106線性范圍/（光子·s-1）600萬≥500萬光纖傳導(dǎo)效率/%8080重復(fù)性/% 2.08≤3

從以上數(shù)據(jù)可以看出，變異系數(shù)小于3%，符合微光檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求。綜合結(jié)果分析見表4。

4實驗結(jié)論

針對以往微光探測系統(tǒng)獨立暗室體積大、進(jìn)出機(jī)構(gòu)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及避光效果欠佳等問題，本研究對微光探測裝置進(jìn)行全新設(shè)計。采用反應(yīng)杯與光探測頭自成暗室減少暗室進(jìn)出機(jī)構(gòu)，提高避光效果，有效降低噪聲的干擾；采用斬波法扣除本底計數(shù)，從而降低背景光引起的測量誤差，準(zhǔn)確地進(jìn)行光子計數(shù)。該微光探測裝置經(jīng)測試，光子本底計數(shù)小于等于200光子/s，測光上限平均值達(dá)到1.1×107光子/s，變異系數(shù)（CV）小于等于3%，光纖傳導(dǎo)效率80%，達(dá)到目前現(xiàn)有的微光檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，對基于微光探測技術(shù)的儀器行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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