激发光和环境温度可调的超微弱发光探测系统研究

论文摘要

生物超微弱发光是指生物活体持续自发的向外界发射超低强度光子流的现象,它广泛存在于一切生命活动之中,是反映生物体内部机能的一个窗口。研究生物组织在接受外界刺激时延迟发光的变化规律在癌症诊断、病菌的抗药性、农作物的抗逆性、食品安全以及环境污染监测等众多领域具有广泛应用前景。生物超微弱发光携带有大量的生命相关信息,解读这些信息是一条研究细胞分化、信号传递、增殖调控等基本生命现象重要途径,对于生物学中许多基本问题的解决具有重要意义。对超微弱发光的研究通常是把研究对象(样品)对其激励之后,用仪器来探测。用于生物超微弱发光的探测仪器可以归为两大类:一类是以光电倍增管为主的单光子计数探测系统;另一类是以微通道板像增强器为主的超微弱发光图像探测系统。这些仪器都有一个共同的特点,那就是都是单纯的探测仪器,功能比较单一。本文的出发点就是将激励和探测一起考虑,把激励也加到探测仪器中;同时为保证测量过程的一致性,消除测量环境温度的影响,需要对测量环境的温度进行控制。改善现有探测仪器功能单一的缺陷,设计更为实用方便的系统。激励的类型有很多种:温度、氧化剂、代谢抑制剂、金属离子、磁场、PH、辐射、光等。这些因素中的温度和光这两个因素是构成生物的生存环境的重要组成部分,因此本系统的设计中选择了光和温度为激励源。研制了把激励源和探测系统合为一体的低噪声超微弱发光探测系统。以MSP430F149作为核心控制器;半导体制冷器作为加热制冷元件,并选择了半导体制冷器的专用控制芯片LTC1923实现对暗室温度的自动控制;采用高亮度LED作为光源,并选用了LED专用驱动芯片MAX16823结合单片机实现对三种颜色波长的光选择,以及对光强调节。本系统采用多重措施对可能造成噪声的因素进行了有效处理,使系统背景噪声控制在50cps之下。同时实现了对温度和激发光的控制。使得对超微弱的研究更加方便,在实际应用中,对一些常见植物的超微弱发光进行了探测,得到了较为理想的生物超弱发光衰减曲线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 超微弱发光简介
• 1.1.1 超微弱发光研究发展概述
• 1.1.2 生物超微弱发光的主要检测方法
• 1.1.3 影响超微弱发光的因素
• 1.1.4 生物超微弱发光的应用
• 1.2 本文的研究目的和内容
• 1.2.1 本文的研究目的
• 1.2.2 本文的研究的主要内容
• 1.3 小结
• 2 探测系统总体设计
• 2.1 系统设计要求
• 2.2 系统总体方案
• 2.2.1 温度控制方案
• 2.2.2 光源方案
• 2.3 小结
• 3 暗室设计
• 3.1 暗室及重要部件设计
• 3.2 暗室的密封性设计
• 3.3 小结
• 4 温度控制设计与实现
• 4.1 半导体制冷器驱动模式
• 4.2 温度控制电路设计
• 4.2.1 单片机系统
• 4.2.2 键盘显示电路
• 4.2.3 温度控制电路
• 4.3 温度传感器的选择与校准
• 4.4 PID 控制电路
• 4.5 供电电路设计
• 4.6 布线的考虑
• 4.7 小结
• 5 光源设计
• 5.1 LED 光源光学系统设计
• 5.2 LED 光源驱动电路设计
• 5.2.1 LED 驱动方式
• 5.2.2 LED 调光方式
• 5.2.3 光源驱动电路
• 5.2.4 光源光谱测量
• 5.3 小结
• 6 软件设计
• 6.1 主程序
• 6.2 键盘程序
• 6.3 液晶显示程序
• 6.4 DA 转换程序
• 6.5 AD 程序
• 6.6 温度设定程序
• 6.7 温度测量程序
• 6.8 光谱选择程序
• 6.9 光强调节程序
• 6.10 小结
• 7 实验部分
• 7.1 温度控制实验
• 7.2 探测结果
• 8 结论与展望
• 8.1 本文的主要工作
• 8.2 对未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录