（生物医学工程专业论文）维生素A荧光检测系统的设计.pdf

a b s t r a c t v i t a m i nai sas o r to fo r g a n i cc o m p o u n dw i t c hi sn e c e s s a f y1 o r m a i n t a i n i n g n o n n a lp h y s j o l o g j c a l 如n c t j o n s ，j n c l u d i n gk e e p i n gd a r kv i s i o na n de p i t h e l j u mh e a l t h y ； p r e s 盯v i n gi m n m n i t ) rs y s t e m sa b i l i t y a n da l s op r o 瑚o t i n g 矿o w t l l d e f i c i e n to f v i t a m i naf 1 0 ral o n gt i m em a yi n d l l c ea na v i t a m i n o s i sa ，a n ds u f f e rd i s e a s e ss u c ha s i l y c t a l o p i aa n dx e r o m a a sc a nb ed e p o s i t e di nt l l el i v e ra n df a t ，a s s i m i l a t i n g s u p e m b u n d a n tv i t a m i nam a ya l s or e s u l ti nh y p e r v i t a m i n o s j sa d e t e 嘶n gt h ec o d t 叻to fb o d yv i t a m i nai ss j 驴i f i c a n t ，e s p e c j a l l yf o rt h ei n f a n t s a n dp r e g n a n tw o m e n ，w h i c hc a nb eu s e d 弱a ni m p o n a n tr e f - e r e n c ei n e s t i m a t i l l g h e a l mc o n d i t i o n s i nt h ed e v e l o p i n gc o u n t r i e sl m ei nt h ea 衔c aa n ds o u t h e a s ta s i a i n f a n t sd e 丘c i e n to fv i t a n l i na i ss e r i o l l s ，t h e r ei st h es 锄ep r o b l e mi nt h ed 印r e s s e d a r e a si nc h i n a 弱w e u s op o p u l a r i z i n g 、，i t a m i na d e t e c t i n gi sh e l p m lt 0i m p r 0 湎g p o p u l a t i o nh e a l t l ll e v e l l t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e ss e v e r a lc o n t e n t sh e i i e i n a r e r ： 1 a c c o r d i n gt om ef l u o r e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i co f 啊t a m i na ，an u l b f e s c e n t d e t e c t i n gm e t h o di sf o l l n d e d ，w h i c hu s e s3 4 5 衄e x c i t 撕o nl i 曲ti i t a d i a t i t l gv i t a 1 i n a ，so 玛a n i cs o l u t i o na n dm e a s 嘶gn u o r e s c e n c ei n t i m s 毋a t4 9 0 衄 2 b a s e d0 n 也ev i t a n l i na sd e t e c t i n gm 武h o dm o t i o n e da b o v e ，纽。砸c a ls y s t 锄 f o rn u o r e s c e n c ed e t e c 妇gi sd e s i 驴e d 1 1 1 es y s t 锄c o n t a i n se x c i t a t i o nl i 曲ts o u e ， 3 4 5 衄觚d4 9 0 n mf i l t e r s l i c e s ，yb r 锄c h e df i b e ra n dp h o t 0d e t e c t o ru s i n ga p h o t o i n u l t i p l i e rt u b e 3 s y s t 锄u s e sas t a n d a r d9 6t i n yh o l eb o a r d ，am e c h 姐i s ms c a 皿i i l gm i m ei s d e s i 印e d u s i n gt 、) i ，op h a s eh y b 瑚s t 印m o t o ru n d e r0 p e n1 0 0 pc o n 仃o lc 加a c c o m p l i s h p r e c i s i o ns c a n n i n g 4 u s e sp i c l6 f 8 7 7 am i c r o c o n o l l e ra st h ec o r eo f 也ec i r c u i t ，a n di n 仃o d u c e s t h es o nw 扣ep r o 伊锄n i n g b r i e f l y d e s i g n i l l gt h es y s t e ma i n l sa te x e r t i n gt h ea d v a n t a g e so fn u o r e s c e n ta n a l y s e s ，l 妇 h i g hs e n s i t i v i 石e sa n dh i 曲c h a r a c t e r i s t i c ，a n dm a k i n gu pas 油l es i n l p l ea c 黜 v i t a m i naf l u o r e s c e n c ed e t e c t i n gs y s t e mm e e t i n g p m c t i c a ln e e d s 1 ( e yw o r d s ： v i 锄【l i na ，f l u o r e s c e i l c ed e t e c t i o n ，yb m c h e d 6 b e r ，p l cm i 溅o n 订妇 独创_ j l 牛声明 本人声明所呈交的学位沦文是本人在导帅指导卜进 j ：的 叶究 ：f 11 刷墩得 研究成果，除了文中特别加以标泞和致酣之处外，论文小4 i 包含其他人已：孓发表 或撰。i 善过的i i j f 究成果，也1 ；包含为获得墨盗盘堂或j 他教阿机构的f t 或缸 虫川过1 l j 材料。j 我一1 l ：1 j 忐对今饼哆锕； c i 的 脚q 多讳次均l 化论爻、j 、 作r 叫确i ，| 勺说i 妇) i f 表乃了埘患。 。学他沦文作抨答辊：签亨f i ! 观： 2 一司 6 0 6 0 3 3y 型光纤的应用( 1 8 】【1 9 】 光学系统中使用y 型光纤构成传光光路，光纤分支分别传输激发光和荧光， 使用y 型光纤的结构使得光路变得简单灵活，可靠性增强。 3 3 1y 型光纤研究简介 y 型光纤( y b m l l c h e d 肋e r ) 在现代科学技术应用中十分常见，在最先进的 分析仪器中y 型光纤被设计成光纤光学传感器( 硒e ro 砸cs e n s o r ) 。由于应用y 型光纤传感器的系统检测速度极快，因此以它为基础可以实现实时的监测。光纤 材料根据传输对象光线的光谱特性不同可以有多种选择。y 型光纤工作原理的示 意图见图3 3 ，光源发出的激发光进入y 型分支的一端，由公共端射出照射检测 样本；发射荧光耦合进入光纤公共端，并从y 型分支的另一端射出进入探测器。 誊源甜”：。 ，一一、离影蔼 二魁滔 探测器 光纤样本 图3 3y 型光纤工作原理的示意图 天津大学硕士学位论文第三章荧光检测光学系统设计方案 已有研究表明将y 型光纤传感器应用到血液检测中可以取得满意的效果。例 如将其应用于血液样本的血气分析和p h 值检测，利用卤钨灯作为光源，光敏二 极管作为探测器，配合使用滤光片，可以获得较好的检测结果。 前期的研究表明，将y 型光纤运用于血液样本的荧光检测中，检测血液中荧 光物质的含量具有令人满意的效果，如应检测血清样本中苯丙氨酸的含量。 3 3 2y 型光纤的设计 一、光纤材料的选择 本文中使用的y 型光纤的结构示意图如图3 4 。激发光传输分支采用石英光 纤束，发射光传输分支采用玻璃光纤束。激发光输入端光纤束为直径o 2 n 瑚的 石英光纤，剥去最外层后粘合而成，光纤束直径为西2 1 l 砌。发射光输入端光纤 束直径为o 0 5 m m 的玻璃光纤，剥去最外层后粘合而成，直径也为2 1 衄。公 共端为两种光纤的组合，直径为3 衄，并在端口设有长约1 2 m m ，直径为3 衄 的自聚焦光纤。该y 型光纤由南京春辉科技实业有限公司定制。 石英光纤柬 遁光直径雪2 1 图3 4y 型光纤结构示意图 激发光传输光纤束采用石英光纤，因为石英光纤传输波长范围宽( 从近紫外 到近红外，波长从0 1 9 1 6um ) ，适用于紫外到红外各波长信号及能量的传输， 此外石英光纤还具有数值孔径大、光纤芯径大、机械强度高、弯曲性能好和很容 易与光源耦合等优点。比较常用的光纤材料，即石英、塑料和玻璃光纤的传光特 性认为石英光纤对于紫外光传输效果最佳，适合3 4 5 衄激发光的传输。在传输 特性满足要求的条件下，综合考虑组装方便和减少成本等因素，发射光传输光纤 束采用了玻璃光纤材料。这样采用两种光纤材料的y 型光纤可以满足系统要求， 天津大学硕士学位论文第三章荧光检测光学系统设计方案 并取得了较好的性价比。 二、自聚焦光纤的应用 在y 型光纤的公共端采用了自聚焦光纤技术。由于进入光纤的激发光，经传 输后从光纤的另一端出射的是发散光，自聚焦光纤的使用提高了出射端的聚焦能 力，提高了激发光照射的光强度。同样自聚焦光纤提高了y 型光纤对发射荧光 的会聚能力。因此认为y 型光纤的公共端使用自聚焦光纤是最好的选择。 同时，在y 型光纤的公共端，两种光纤得的排列选用随机分布型。因为样品 的荧光发射是各向随机的，故随机分布型光纤的荧光收集能力强，而同心圆型及 半对称型收集能力较差，y 型光纤公共端光纤分布形式如图3 5 所示。 也同心国型 b 半对称翌c 随机垄 图3 5 公共端口两种光纤的分布形式 三、y 型光纤的优点 使用y 型光纤的优点可以概括为以下几个方面：光纤具有抗拉强度大、 可挠性好等特点，降低了继续加工的难度；采用y 型光纤简化了光路的设计， 缩小光路及检测探头的尺寸；光能集中、损耗小、对光源要求较低。对比用 透镜聚焦、采用半透半反膜等传统光学设计方案，采用y 型光纤的荧光检测光 学系统的设计方案结构紧凑、简单合理、机动性好，符合先进技术发展的趋势。 3 4 光电转换器件的选择 光电转换器是用来将光能转换成电能的器件，它们必须满足以下3 个条件： 光电转换须满足恒定的函数关系；波长响应范围宽；灵敏度高，响应速 度快，产生的电信号易于检测和放大，噪声低。 。 常见的光电转换器件主要包括光电池、光电管和光电倍增管等。某些半导体 材料受光照射时，受光面和背光面之间会产生电位差、如果在这两面之间连接上 检流计，会看到有电流通过，这种光电转换器件称为光电池。光电池的优点是稳 定、便宜、使用方便，而其缺点是响应速度慢，内阻小，不便进行信号放大。光 天津大学硕士学位论文 第三章荧光检测光学系统设计方案 电管和光电倍增管都是利用外光电效应而制成的光电转换器件。所谓外光电效应 是指一些金属和非金属物质，受到适当波长的光照射时，其内部电子会因动能增 加而逸出物体表面，产生电子发射的现象。光电倍增管是检测微弱光信号最常用 的光电转换元件，它的灵敏度比光电管高得多。i z o j 对于本系统，由于荧光光强非常微弱，比激发光光强弱5 6 个数量级，要 求荧光检测器应具有：高量子效率，高稳定性，低暗电流，高电流增益，好的偏 振特性等。比较几种光电转换器件，并借鉴分光光度计的结构组成，认为光电倍 增管具有量子效率高、噪声低、通带宽、增益较高、响应时间快、暗电流较低、 信噪比较好以及具有很好的稳定性等特点，是荧光检测的最佳选择。 3 4 1 光电倍增管的工作原理 2 1 】【2 2 】 光电倍增管( p h o t o m u l t i p l i e rt u b e ，简称p m 【t ) 是灵敏度极高，响应速度 极快的光探测器。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、生物发光研究、分光 光度计和生化分析仪等仪器设备中。 - 二、光电倍增管的工作原理 光电倍增管通常由光电发射阴极( 光阴极) 、聚焦电极、电子倍增极及电子 收集极( 阳极) 等组成。其主要工作过程如下：当光照射到光阴极时，光阴极向 真空中激发出光电子；这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的 二次发射得到倍增放大；用阳极收集放大后的电子作为信号输出，整个工作过程 如图3 6 。 光阴极 第二倍增极 图3 6 光电倍增管工作原理示意图 因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外 罗 l雕n 妻耄 羔一 天津大学硕士学位论文第三章荧光检测光学系统设计方案 区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍 增管还具有响应快速、阴极面积大、性价比高等优点。 二、光电倍增管的分类 l 、按接收入射光方式分类 光电倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型( h e a d 一0 n ) 和侧窗型 ( s i d e o n ) 两大类，分别从玻璃壳的侧面和项部接收入射光。 在通常情况下，侧窗型光电倍增管的单价比较便宜，在分光光度计、旋光仪 和常规光度测定方面具有广泛的应用。大部分的侧窗型光电倍增管使用不透明光 阴极( 反射式光阴极) 和环形聚焦型电子倍增极结构，这种结构能够使其在较低 的工作电压下具有较高的灵敏度。 端窗型光电倍增管也称项窗型光电倍增管，它是在其入射窗的内表面上沉积 了半透明的光阴极( 透过式光阴极) ，这使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型 光电倍增管的特点是拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。 2 、按电子倍增系统分类 光电倍增管之所以具有优异的灵敏度，即具有高电流放大和高信噪比，主要 得益于基于多个排列的二次电子发射系统的使用。它可使电子在低噪声条件下得 到倍增。电子倍增系统，包括8 1 9 极的叫做倍增极( 打拿极) 的电极。 现在使用的光电倍增管的电子倍增系统有环形聚焦型、盒栅型、直线聚焦型、 百叶窗型、细网型、微通道板( m c p ) 型、金属通道型和混合型。 三、光电倍增管的基本特性 1 、光谱响应 光电倍增管由阴极吸收入射光子的能量并将其转换为光电子，其转换效率( 阴 极灵敏度) 随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫 做光谱响应特性。本文使用光电倍增管r 1 0 5 u h 的典型光谱响应特性曲线如图 3 7 。 天津大学硕士学位论文第三章荧光检测光学系统设计方案 mmm 蕾长， 图3 7r 1 0 5 光谱响应特性曲线 ( 1 ) 辐射灵敏度和量子效率：如图3 7 所示，光谱响应经常以不同波长下的辐 射灵敏度和量子效率来表示。辐射灵敏度( s ) 即为某一波长下的光电倍增管阴 极发射出的光电子电流与该波长的入射光能量的比值，单位为刖w ( 安培瓦) 。 量子效率( q e ) 为光阴极发射出来的光电子数量与入射光光子的数量之比。一 般用百分比来表示量子效率。在给定波长下辐射灵敏度和量子效率有公式( 3 1 ) 的关系： ：幽x 1 0 0 五 ( 3 1 ) 式中s 为给定波长下的辐射灵敏度，单位为刖w ；a 为波长，单位为n m 。 一般情况下，光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料，短波段则取决于入 射窗材料。 ( 2 ) 光阴极材料：光电倍增管的阴极一般是具有低逸出功的碱金属材料形成 的光电发射面。 每一光子的能量为s = 办d ，t ) 是光的频率，五为普朗克常量。根据爱因斯坦光 电效应方程，公式( 3 2 ) ： h d ：! 肌1 ，2 + a 2 ( 3 2 ) a 是电子从材料表面逸出时所需要的逸出功，当阴极中一个自由电子从入射 光中吸收一个光子后，就获得能量加，如果j l t ) 大于电子从金属表面逸出时所需 要的逸出功a ，这个电子就可以从金属表面逸出。当光子能量j i j d 刚好等于表面 逸出功时光子所对应的波长 称为材料表面的阈波长。常用的阴极材料有很多， 如a g o c s 、g 啦s 和双碱材料( s b r b c s ) 等。 ( 3 ) 窗材料：随着入射光子波长的减小，产生光电子发射的效率将增大，但 光电倍增管窗材料对光的吸收也随之增大。 光电倍增管一般使用以下窗材料：硼硅玻璃这是一种常用的玻璃材料， 天津大学硕士学位论文第三章荧光检测光学系统设计方案 可以透过从近红外至3 0 0 n m 的入射光，但不适合于紫外区的探测。透紫玻璃 ( u v 玻璃) 这种玻璃材料可以很好地透过紫外光，和硼硅玻璃一样被广泛使用。 合成石英合成石英可以将透过的紫外光波长延伸至1 6 0 n m ，并且在紫外区比 熔融石英玻璃有更低的吸收。氟化镁( 镁氟化物) 该材料具有极好的紫外线 透过性，但同时也有易潮解的不利因素。 综上光电倍增管的短波响应的极限主要取决于窗材料，而长波响应的极限主 要取决于阴极和打拿极材料的性能。 2 、光照灵敏度 阴极光照灵敏度是每单位通量入射光产生的阴极光电子电流。阳极光照灵敏 度是每单位阴极上的入射光通量产生的阳极输出电流( 经过二次发射极系统倍增 后) 。阴极和阳极的光照灵敏度都是以l m ( 安培流明) 为单位，由于流明是 在可见光区的光通量的单位，所以对于光电倍增管的可见光区以外的光照灵敏度 数值可能是没有实际意义的，对于这些光电倍增管，常常使用蓝光灵敏度和红白 比来表示。 对于光电倍增管通常可以使用阴极蓝光灵敏度和红白比来简单地比较其光 谱响应特性。 阴极蓝光灵敏度是使用钨灯产生的2 8 5 6 k 色温光通过蓝色滤光片后测试的 每单位通量入射光( 实际用1 0 一1 0 0 l m ) 产生的阴极光电子电流。对于光通量， 通过蓝色滤光片后就不能再用流明单位表示了，所以蓝光灵敏度表示为a l m b ( 安培流明蓝光) 。蓝光灵敏度对于能量分辨率是决定性的参数。 红白比用于光谱响应扩展到近红外区的光电倍增管。这个参数是使用钨灯产 生的2 8 5 6 k 色温光通过红色滤光片后测试的阴极光照灵敏度除以去掉上述滤光 片时的阴极光照灵敏度的商。 由于荧光本身很微弱，所以要求光电倍增管具有很高的灵敏度，并需要有适 当的增益。 3 、电流放大( 增益) 光阴极发射出来的光电子被电场加速撞击到第一倍增极，以便发生二次电子 发射，产生多于光电子数目的电子流。这些二次电子发射的电子流又被加速撞击 到下一个倍增极产生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍 增极的二次电子发射被阳极收集，从而达到了电流放大的作用。这时可以观测到， 光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流，已经被放大成较大的阳极输出电 流。 电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。在理想 情况下，具有刀个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射率为万的光电倍增管 天津大学硕士学位论文第三章荧光检测光学系统设计方案 的电流增益为晶。二次电子发射率6 由公式( 3 3 ) 给出： 艿= 彳e 。 ( 3 3 ) 这里的月为一常数，e 为极间电压，口为一由倍增极材料及其几何结构决定 的系数，口的数值一般介于o 7 和o 8 之间。 这样，具有刀个倍增极，阴极和阳极间加入电压y 的光电倍增管，其电流增 益即可用公式( 3 4 ) 表示： 脚”舡计2 熹) 。 2 寿矿罐p 4 ， 般的光电倍增管有9 1 2 个倍增极，所以阳极灵敏度与所加电压可以有 1 0 6 1 0 1 0 的变化。光电倍增管的输出信号也特别地容易受到所加电压的波动的 影响，所以供电电压一定要有很好的稳定性、较小的纹波、漂移和温度系数。 4 、阳极暗电流 光电倍增管在完全黑暗的环境下仍有微小的电流输出，这个微小的电流叫做 阳极暗电流，它是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素之一。 阳极暗电流的主要来源有以下几种：电子热发射、残留气体电离( 离子反馈) 、 玻璃发光、漏电电流和场致发射。 衡量光电倍增管噪声的重要指标是等效输入噪声( e m ) 。等效输入噪声是为 了得到与阳极暗电流相等的阳极输出电流所需要的入射光，用瓦特( w ) 或流明 ( l m ) 为单位表示。 对于荧光检测系统，光电倍增管的暗电流是必须认真考虑的参数，由于检测 的荧光强度本身很小，如果暗电流较大，则增加了检测的本底噪声，甚至可能淹 没有效的光电信号。 5 、其它特性 ( 1 ) 磁场影响：大多数光电倍增管会受到磁场的影响，磁场会使光电倍增管 中的发射电子脱离预定轨道而造成增益损失。 ( 2 ) 均匀性：均匀性是指入射光照射光阴极的不同位置时所引起的灵敏度变 化。 ( 3 ) 温度特点：降低光电倍增管使用环境的温度可以减少热电子发射，从而 降低暗电流。另外，光电倍增管的灵敏度也会受到温度的影响。 ( 4 ) 滞后特性：当工作电压或入射光发生变化之后，光电倍增管会有一个几 秒钟到几十秒钟的不稳定输出过程，在达到稳定状态之前，输出信号会出现一些 微过脉冲或欠脉冲现象。这种滞后特性在分光光度测试中需要予以重视。 ( 5 ) 时间特性：在测试脉冲光信号时，阳极输出信号必须真实地再现一个输 入信号的波形。这种再现能力受到电子渡越时间和阳极脉冲上升时间等影响。时 天律太学硕士学位论文 第三章荧光检测光学系统设计方案 问响应特性取决于倍增极结构和工作电压。 ( 6 ) 疲劳和老化：在入射光强度过大或照射时间过长时，光电倍增管会出现 光电流衰减、灵敏度骤降的疲劳现象，这是由于过大的光电流使电极升温而使光 电发射材料蒸发过多所引起。在停歇一段时间后还可全部或部分得到恢复。光电 倍增管由于疲劳效应而灵敏度逐步下降，称为老化，最终不能工作而损坏。 3 4 2c h l 7 2 系列光探测器 荧光检测系统中实际应用的光电转换器件是北京滨松光子技术有限公司的 产品，c h l 7 2 系列光探测器，如图3 8 所示。 图3 8 c h ”2 系列光探测器 c h l 7 2 系列光探测器主要由一个直径为2 8 m m 侧窗型光电倍增管、一个低功 耗小型高压电源及一个低噪声的功能模块i v 变换器组成。其中c h l 7 2 0 1 探测 器使用的核心器件是r 1 0 5 型侧窗光电倍增管。 c h l 7 2 o l 型探测器的主要技术参数见表3 - 2 ： 为了进一步增加探测器的灵敏度，我们在c h l 7 2 一o l 探测器中用r 1 0 5 u h 侧 窗光电倍增管替换了r 1 0 5 型光电倍增管，两种型号光电倍增管性能比较见表 3 3 。 天津大学硕士学位论文第三章荧光检测光学系统设计方案 参数 c h l 7 2 一o l 型单位 低压供电 十1 1 5 + 1 5 5 或1 2 v 控制电压 0 + 5 o ( 电阻调节l o k q ) v 推荐控制电压调整范围十o 5 + 4 o v 光窗面积8 0 x2 4 o m m 最大响应波长 4 0 0咖 典型阴极光照灵敏度 4 0洲m 阴极蓝光灵敏度( c s5 5 8 ) 5 o 阴极幅射灵敏度 4 8n l m m 典型阳极光照灵敏度 4 0 lo |v l m 阳极幅射灵敏度 4 8 0n | 删 典型输出暗噪声1 0m v 响应时间 7 0 脚 表3 3r 1 0 5 u h 和r 1 0 5 光电倍增管比较( 2 5 、1 0 0 0 v d c ) 型号阴极光照灵敏度s k阴极光照灵敏度s p阳极暗电流d b 单位 川m a ，h nn a 最小典型最小典型典型最大 r 1 0 5 2 5 4 05 04 0 0l1 0 r t 0 5 u h3 05 01 0 0 01 5 0 015 0 r 1 0 5 删光电倍增管管脚图和连接方式见图3 9 、3 1 0 。 光的方向 啪 咐 图3 9r 1 0 5 u h 光电倍增管管脚图 2 8 天津大学硕士学位论文第三章荧光检测光学系统设计方案 极。 p 几 ii - in 坤h d 啼- i id y ，- _ l l u 叶 ：州，畸 d v j i id n l d 挖j l l 口y t 乏_ 簟碹 值号螭出：， 毫压电墨蝇f 一) 一只1 0 ：3 3 0 k q 七3 ：o 0 - f 图3 1 0r 1 0 5 u h 光电倍增管管脚图和连接方式。 使用手册中推荐的电压分配比见表3 4 ，表中k - 阴极，d 啪增极，卜阳 表3 4 推荐电压分配比如表格 通过使用c h l 7 2 光探测器，方便的实现了将荧光信号转化为电压信号，电 压信号进入放大调理电路后，最终实现a 仍采样。探测器的引线简单明确，包 括电源和信号线三根以及电压调节线三根。其中电源和信号线分别接+ 1 2 v 直流 电压、地线和信号输出线；电压调节线接1 0 k 调节电位器。 本文中设计的荧光检测光学系统具有灵敏度高，稳定性好等优点，可以满足 实际检测需要。光学系统实物图如图3 1 1 ，图中显示了y 型光纤的使用，左侧 黑箱内装有光探测器，右侧黑箱内装有光源。 天津大学硕士学位论文 第三章荧光检测光学系统设计方案 圉3 1 1 光学系统实物图 天律大学硕士学位论文 第四章机械扫描结构的设计与实现方案 第四章机械扫描结构的设计与实现方案 在维生素a 荧光检测系统中，机械扫描结构承担的作用是承载装有待检测样 品试剂的微孔板。完成进仓、出仓，井携带微孔板在水平面x 、y 方向精确定位 对每个孔中试剂进行荧光检测。 4 1 扫描结构简介 机械扫描结构示意图如图4 - 1 ，它主要由步进电机、平行双轨道、定位传感 器、微孔板托架、微孔板、同步皮带以及附属定位结构组成。两个步进电机位于 扫描装置的右下角和左上角，通过同步皮带分别与微孔板托架和平行双轨道相 连，从而控制微孔板的x 、y 方向移动。4 个定位传感器分别用于标识扫描机构 运动的极限位置同时也是微孔板运动位置的定标点和参考点。 ：智裟；孺鬻“：篇警嚣器 图舡1 机械扫描结构示意图 天津大学硕士学位论文第四章机械扫描结构的设计与实现方案 系统用于承载样品试剂的微孔板采用目前医学分析仪器比较常用的标准9 6 微孔板。其外形尺寸如图4 2 所示。 圣7 + j 1 2 4 7 - ，l l o ooo ooo o ooo 彩 o ooo ooo o o o o o o ooo ooo o ooo o o ooo ooo o o o o o ! 5 8 1；弘 o ooo ooo o o o o o o ooo ooo o ooo o o o o o ooo o o o o o 1 l o o o o ooo o o o o o r ，。 7 如 l 1_ i 。t斗7 8 1 1 2 7 4 j 7 图4 2 标准9 6 微孔板( 单位衄) 根据微孔板的尺寸以及扫描范围的要求，扫描结构的整体结构尺寸图如图 4 _ 3 所示，其实物图如图4 - 4 所示。 图4 - 3 扫描结构的整体结构尺寸图 天津大学硕士学位论文第四章机械扫描结构的设计与实现方案 图4 4 扫描结构的实物图 4 2 步进电机的应用和控制 步进电动机本质上属于断续运转的同步电动机，是数字控制系统中的一种执 行元件。步进电机的功能是将输入的脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位 移，也就是说给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步。使用步进电 机可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以 通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 常见的步进电机可分为永磁式( p m ) ，反应式( v r ) 和混合式( 皿) 三类。 其中永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为75 度或1 5 度：反应式步进一般为三相，可实现丈转矩输出，步进角一般为l5 度，但噪声 和振动都很大在欧美等发达国家8 0 年代己被淘汰；混合式步进是指混合了永 磁式和反应式的优点，它又可以有两相和五相，其中两相步进角一般为18 度而 五相步进角一般为07 2 度，混合式步进电机在当代应用中最为广泛。本系统中 使用的便是二相混合式步进电机。唧】吲 4 2 1 二相混合式步进电机简介 二相混合式步进电机发展的早期( 2 0 世纪7 0 年代) ，将原应正、负通电的a 天津大学硕士学位论文 第四章机械扫描结构的设计与实现方案 相绕组分成正向绕向的a 相和反向绕向的c 相，b 相绕组也同样分成正向绕向 的b 相和反向绕向的d 相，成为一台四相混合式步进电机，确切应称为二相四 绕组混合式步进电机。二相混合式步进电机实现了能够使用单极性的驱动电源， 使驱动电路结构简单，成本降低，多采用双线并绕的相绕组。 本系统选择使用了常州市三协电机电器有限公司生产的2 相5 7 h s m ( 0 9 0 0 4 5o ) 系列混合式步进电机，详细说明如表4 1 ： 步距角误差( s t 印a c c m c y ) 士5 温升( t 锄卿眦m ) 8 0 使用环境温度( a m b i c i l tt e m p e r 砷er a n g e ) 2 0 一斗5 5 绝缘电阻( i i l s u l a t i o nr e s i s t 如c e ) l o o m qm 附5 0 0 vd c 绝缘介电强度( d i e l e c 研cs 廿蜘g 山) 5 0 0 v a clm i n u t e 选择步进电机时需要考虑精度、保持力矩和定位力矩等。通常步进电机的精 度为步进角的3 5 ，且不累积。保持力矩( h o l d gt o r q u e ) 是指步进电 机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一， 通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的 增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量 步进电机最重要的参数之一。定位力矩( d e 踟t o r q u e ) 是指步进电机没 有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。 综合考虑步进电机提供的保持力矩、定位力矩、精度、引线数和尺寸等各方 面参数选择二相步进电机的具体型号为5 7 h s 5 6 m f 0 2 ，其具体参数如表4 2 。 表格4 25 7 h s 5 6 m f 0 2 型二相步进电机参数 步距角s t e p a n d e ( 。) o 9 机身长m o t o rl g t l l ( m m ) 5 6 电流l h t e d c 咖t ( a ) 2 o 电阻p h a r e s i s t a i l c e ( 囝 1 4 电感p h a s ei n d u c t 锄c e ( m 聊 3 2 保挣力矩h o l d i n gt 0 r q l 圮噼g 锄) 9 5 定位力矩d e t e n tt 0 r q ( g c i n ) 3 5 0 转动惯量r o t o ri n e n i a ( g c m 2 ) 2 8 0 引线数l e a d w 砘( n 0 ) 4 重量m o t o r w e i g l l t 心) 6 8 0 天津大学硕士学位论文第四章机械扫描结构的设计与实现方案 2 相5 7 h s m ( o 9 。o 4 5 。) 系列二相步进电机的外形图如图4 5 ，接线图如图4 6 图4 52 相5 7 h s m ( 0 9 0 o 4 5 。) 系列外形图 o 肌丑 虹臼 蓝 r 0w h tb l u o 门首 豇 壅 r e d 8 l u 图4 62 相5 7 h s m ( 0 9 0 o 4 5o ) 系列接线图 机械加工中，需要根据步进电机的外形和轴的尺寸精确定位，加工齿轮以及 使用匹配的同步带，实现机械结构的平稳运行。 4 2 2 步进电机驱动器说明 通常对驱动电路有如下要求：能够改善电流、波形的上升沿和下降沿， 产生接近矩形的电流波形，并考虑电路简单，成本低等因素。设置供截止期 间释放电流流通的回路，降低绕组两端产生的反电势，加快电流衰减。要求 驱动电路的功耗低、效率高。为了提高步进电机定位的分辨率，减少过冲和 抑制振荡，要求驱动电路具有细分功能，将常规的矩形波供电改变成阶梯波供电 虽然使用步进电机驱动器的成本较高，但是使步进电机的驱动更加容易，提 高了扫描结构工作的稳定性，同时大大缩短了开发时间。 系统中选择了与5 7 h s m 系列步进电机配套的s h 全系列步进电机细分驱动 器。s h 全系列步进电机细分驱动器是由美国s h a p h o n 公司推出的高科技产品。 其产品工艺和性能也随着高科技的发展不断的更新和升级，采用了超大规模的硬 a a 罢 鳋 k n l r b g 几 0 一a 黑簧蛾 k l 川 驯 吼 删 天津大学硕士学位论文第四章机械扫描结构的设计与实现方案 件集成电路，具有高度的抗干扰性及快速的响应性，不会像单片机控制那样易产 生死机和丢步的现象，具有高细分数，是目前国内市场普遍使用的步进电机驱动 器。 一、输入信号接口 本驱动器的输入信号共有三个，它们是：步进脉冲信号c p 、方向电平信号 d i r 、脱机信号f r e e 。它们在驱动器内部分别通过2 7 0 q 的限流电阻接入光耦 的负输入端，且电路形式完全相同，见图4 7 。o p t o 端为三路信号的公共正端 ( 三路光耦的正输入端) ，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以0 p t o 端须接外部系统的v c c ，如果v c c 是+ 5 v 则可直接接入：如果v c c 不是+ 5 v 则须外部另加限流电阻r ，保证给驱动器内部光耦提供8 一1 5 i n a 的驱动电流，参 见图年7 和表4 - 3 。 公共f 日 信号擀 端 图4 - 7 输入信号接口电路 表4 3 驱动器外接限流电阻r 的选择 信号幅值 外接限流电阻r ( 不加 1 2 v 6 8 0 2 4 v1 8 k 步进脉冲信号c p ：步进脉冲信号c p 用于控制步进电机的位置和速度。驱动 器每接受一个c p 脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角( 细分时为一个细分步距 角) ，c p 脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变，控制c p 脉冲的个数， 则可以使步进电机精确定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目 的。本驱动器的c p 信号为低电平有效，要求c p 信号的驱动电流为8 - 1 5 m a ，对 c p 的脉冲宽度也有一定的要求，一般不小于5 u s ，如图4 8 。 天津大学硕士学位论文 第四章机械扫描结构的设计与实现方案 刊 脉冲充度5 芦s 图4 8c p 的脉冲宽度及高低电平方式 a 哼5 f a 爿孵 方向电平信号d l r ：方向电平信号d i r 用于控制步进电机的旋转方向。此端 为高电平时，电机一个转向；此端为低电平时，电机为另一个转向。电机换向必 须在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在前_ 个方向的最后一个c p 脉冲 结束后以及下一个方向的第一个c p 脉冲前发出，如图4 9 。 ul ju 喜：吝笛少i 勋荦 后一个c p 脉冲 图4 9 换向信号d m 起作用的时刻 脱机电平信号f i 也e ：当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态( 未施加c p 脉冲时) 或运行状态( 施加c p 脉冲时) ，但当需要手动调整电机而又不想关闭 驱动器电源时，通过设置此信号实现。当此信号起作用时( 低电平有效) ，电机 处于自由无力矩状态；当此信号为高电平或悬空不接时，取消脱机状态。此信号 可以选用，如果不需要此功能，此端不接即可。 规范的输入信号驱动电路示意图如图4 1 0 ，从中我们可以看出，通过使用步 进电机驱动器，可以方便的实现通过1 几电平驱动步进电机，也就提供了简单 的单片机对步进电机的控制途径。 天津大学硕士学位论文第四章机械扫描结构的设计与实现方案 图4 1 0 输入信号驱动电路示意图 二、拨位开关设定 s h 2 h 0 9 0 m 型驱动器的拨位开关共有8 位，1 3 位用于设定驱动器的细分 数：6 8 位用于设定驱动器的输出电流，第4 、5 位须拨在o f f 位置。 细分数设定：s h 2 h 0 9 0 m 型驱动器拨位开关的1 3 位用于设定驱动器的细分 数，只需根据面板上的提示设定即可。在系统频率允许的情况下，可尽量选用高 细分数。细分后电机的步距角得计算关系为：对于两相和四相电机，细分后的步 距角等于电机的整步步距角除以细分数。 细分驱动：这种驱动方式也叫做微步驱动。它将电机绕组中的电流细分，由 常规的矩形波供电改为阶梯波供电。这时，绕组中的电流或经过若干个阶梯上升 到额定值，或以同样的方式从额定值下降到零。虽然这种驱动电源的结构比较复 杂，但是有如下特点： ( 1 ) 在不改变电机内部参数的情况下，能使步距角减小，步进误差减小，提 高了分辨率和步距精度。 ( 2 ) 减弱了低频振荡问题。经过细分后，驱动电流的变化幅度大大减少，故 转子到达平衡位置时的过剩能量也大为减少；另一方面，控制信号的频率提高了 n 倍( 细分数) ，故可远离转子的低频谐振频率。因此，运用细分驱动不仅能使电 机运行平稳，而且还能减弱或消除振荡。 电机相电流设定：使用步进电机前，必须确定所使用电机的相电流( 额定电 流) ，把驱动器的输出电流设定为电机的相电流，如果找不到与电机相电流完全 相同的值，可以按最接近的值设定，电机运行可不会受影响。 三、驱动器的电源 s h 2 h 0 9 0 m 型驱动器需要外部提供二组交流电源，通常由一个变压器的两 个独立绕组提供，如图4 _ 1 1 ，而不能用中心抽头方式。其中一组交流 天津大学硕士学位论文第四章机械扫描结构的设计与实现方案 a c l ( 1 6 v o 6 a ) 为驱动器控制用电源；另一组交流a c 2 ( 2 4 4 0 v ) 为驱动器驱动用 电源。a c 2 电流值根据电机相电流确定，一般选择为与电机相电流相同。如果 电机转速较低，可以选择为较低的驱动电压：如果电机转速较高，可以选择为较 高的驱动电压。实际使用中选用了与驱动器配套的变压器。 d 2 2 0 v ： p j 广口 事a c l ( 16 v o 6 a ) ， 、7 、l o 广回 三 a c 2 1 尸 图4 1 l 采用独立绕组的变压器形式 4 2 3 二相步进电机的控制【2 6 】【2 7 】 利用上述二相5 7 h s 5 6 m f 0 2 混合式步进电机以及5 7 h s m 驱动器，可以通过 步进脉冲信号c p 、方向电平信号d 瓜、脱机信号f i 汪e ，利用开环控制方式可 以方便地实现扫描结果运行状态的控制。 从步进电机产生的早期，步进电机的控制就是通过开环系统实现，现在工业 大量使用的仍然是开环控制，这是由于步进电机运行速度与控制脉冲频率呈严格 的正比关系，转过的角度与控制脉冲的个数成严格的正比关系，因此其开环控制 下的运行精度极高。 本系统中扫描机构的运行精度估算如下：步进电机基本步进角为0 9 0 ，步进 电机齿轮直径为1 5 n l m ，当选择最小细分数时，步进电机对应于每个步进脉冲信 号的步进距离约为0 0 1 2 m m ，当选择较大的细分数时，运行精度将进一步提高。 考虑到系统中微孔板的孔径为7 咖，因此认为系统中的机械扫描结构的运行精 度完全可以满足扫描运动的实际需要。 4 3 定位传感器光电检测 定位传感器在机械扫描机构中的作用是：标示扫描机械机构运动的极限位 置；同时也是微孔板运动位置的定标点和参考点。 天津大学硕士学位论文第四章机械扫描结构的设计与实现方案 考虑到机械结构的匹配和电气特性的匹配，选用m o c 7 0 t 3 槽型光电开关 ( s 1 0 n e do p t i c a ls w i t c h e s ) 作为定位的光电传感器。其因具有采用高发射功率红 外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成；能有效防止可见光干扰；两侧带固定 孔，槽距宽度固定为4 咖等特点，广泛用于电力仪表、电子仪器仪表、计数器、 转速测量、位置测量等各种工业和民用场合。又m o c 7 0 t 3 构成的定位传感器光 电检测电路如图4 1 2 。 图4 - 1 2 定位传感器光电检测电路 若光电开关光路没有被阻挡，其输出高电平；若光电开关光路被阻挡，其输 出为低电平。这样通过在运动机构上设置挡板，就可以标志出运动的极限位置。 为了提高光电开关检测位置的抗干扰能力，将光电开关的输出通过迟滞比较 器电路，图4 1 3 。迟滞比较器特点是利用