摘 要： 為滿足ATP生物發(fā)光反應(yīng)的檢測(cè)需求，基于CS5532、以PMT(光電倍增管)為光電轉(zhuǎn)換模塊、用MSP430F1611為微處理器，設(shè)計(jì)了一套低噪聲、高精度的檢測(cè)系統(tǒng)，并采取軟件標(biāo)準(zhǔn)線標(biāo)定法對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行降噪處理，提高了精度，完全滿足了對(duì)海水中ATP濃度在10-10 mol/L～10-8 mol/L數(shù)量級(jí)的檢測(cè)。
關(guān)鍵詞： MSP430F1611；三磷酸腺苷(ATP)；CS5532；PMT(光電倍增管)
深海微生物量的檢測(cè)是深海生物圈研究的重要內(nèi)容，對(duì)深海生態(tài)學(xué)研究具有重要意義?；罴?xì)胞中ATP與有機(jī)碳的比率較穩(wěn)定，通過測(cè)定樣品中ATP的濃度就可以推算出微生物濃度[1]。ATP生物發(fā)光法檢測(cè)微生物量濃度具有方法簡(jiǎn)單、檢測(cè)周期短、靈敏度高、線性度高的特點(diǎn)。
海水中ATP的濃度介于10-11～10-7 mol/L數(shù)量級(jí)之間，ATP生物發(fā)光反應(yīng)光信號(hào)較微弱，具有短暫性、穩(wěn)定性差、發(fā)光曲線呈類拋物線型、信號(hào)易被淹沒的特點(diǎn)。因此，儀器必須滿足以下要求：(1)噪聲電壓在0.01 mV左右；(2)ATP濃度大于10-9 mol/L時(shí)，測(cè)量誤差小于1%；(3)ATP濃度分辨率為10-11 mol/L，即轉(zhuǎn)換電壓分辨率可達(dá)0.1 mV。
圖1是儀器檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖。根據(jù)上面的要求，相對(duì)于常規(guī)的檢測(cè)系統(tǒng)，本儀器要具有超低噪聲和高精度的特點(diǎn)。因此儀器要在對(duì)其噪聲進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，選取低噪聲器件，并采用軟件標(biāo)準(zhǔn)線標(biāo)定的方法降低噪聲，提高精度。
1 儀器檢測(cè)原理
ATP熒光檢測(cè)法是利用ATP-蟲熒光素酶發(fā)光體系。在ATP-蟲熒光素酶生物發(fā)光體系中，當(dāng)ATP濃度介于10-15 mol/L～10-6 mol/L范圍內(nèi)，熒光素-熒光素酶過量時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度與ATP的濃度成正比[2]，[3]。反應(yīng)中發(fā)光強(qiáng)度信號(hào)是隨時(shí)間變化的拋物線，在反應(yīng)到5 s左右時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度最大，然后逐漸減低。儀器在ATP生物發(fā)光反應(yīng)開始5 s后進(jìn)行檢測(cè)。
2 儀器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要由五部分組成(如圖1)，即光電倍增管(PMT)、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、電源管理模塊、通信模塊及微處理器。
(1)光電倍增管
光電倍增管具有高電流增益、高響應(yīng)速度、極高靈敏度的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微弱光信號(hào)的檢測(cè)。系統(tǒng)采用了濱松公司H7712-12型光電倍增管模塊作為光電傳感模塊。整個(gè)模塊包含一個(gè)感光直徑為13 mm的光電倍增管以及一個(gè)Walton高壓電源。模塊中還包括一個(gè)高精度、低噪聲的放大器。模塊的光譜響應(yīng)范圍185 nm～900 nm，最大響應(yīng)波長(zhǎng)在600 nm(6.0×1010 V/lm)，輸出線性度±0.5%，暗電流在nA級(jí)，內(nèi)部放大器放大倍數(shù)為0.1 V/μA。采用該光電倍增管模塊可以滿足降低噪聲、提高精度的要求。
(2)信號(hào)采集轉(zhuǎn)換模塊
系統(tǒng)采用CIRRUS LOGIC公司的CS5532作為信號(hào)放大轉(zhuǎn)換設(shè)備，信號(hào)采集轉(zhuǎn)換模塊原理圖如圖2。
CS5532是高集成度的ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由于運(yùn)用了電荷平衡技術(shù)，其性能可以達(dá)到24 bit。該AD轉(zhuǎn)換器適合過程控制、生化和醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域的單、雙極性小信號(hào)。CS5532內(nèi)部有一個(gè)超低噪聲的斬波穩(wěn)定增益可編程放大器，噪聲為
，線性誤差0.0007% FS，無(wú)噪聲最大分辨率可達(dá)23 bit，校準(zhǔn)電壓可選輸入范圍-5 mV～5 V，可選字速率7.5 Hz～3 840 Hz。
系統(tǒng)采用15 Hz的字速率、16倍增益，CS5532的典型RMS(有效位)噪聲誤差27 nV，無(wú)噪聲分辨率為22 bit。
(3)其他模塊
系統(tǒng)選用的微處理器是TI公司的MSP430F1611。MSP430通過MAX3222芯片把異步串口通信總線的邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS232信號(hào)電平與上位機(jī)（PC）通信，原理圖如圖3。
3 噪聲分析
檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲主要由光電倍增管、信號(hào)前置放大電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)三部分產(chǎn)生。
光電倍增管及信號(hào)前置放大電路的等效電路圖如圖4。
其中光電倍增管等效噪聲電壓Ea由(2)式得到[4～7]：
在沒有熒光信號(hào)時(shí)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如圖5。
圖5反映了上述干擾噪聲信號(hào)以及PMT自身基底的綜合情況。由圖5可以看到，本系統(tǒng)的噪聲電壓在0.098 mV左右，設(shè)計(jì)對(duì)干擾和噪聲的屏蔽能力較強(qiáng)。
4 軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果
要滿足對(duì)深海ATP濃度的檢測(cè)，系統(tǒng)必須具有高精度，對(duì)信號(hào)的微弱變化具有高靈敏度。系統(tǒng)采用了軟件標(biāo)準(zhǔn)曲線法來提高檢測(cè)精度。
系統(tǒng)采用標(biāo)定法來對(duì)測(cè)得的電壓值與ATP濃度進(jìn)行換算。對(duì)一系列一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得其轉(zhuǎn)換電壓值。標(biāo)準(zhǔn)液濃度分別是10-7、10-8、10-9、10-10、10-11 mol/L，每次測(cè)量連續(xù)采集30組數(shù)據(jù)后取平均值。這些平均值對(duì)應(yīng)著ATP熒光反應(yīng)光信號(hào)轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)，將轉(zhuǎn)換電壓取對(duì)數(shù)得到數(shù)值稱為相對(duì)轉(zhuǎn)換值，該值作為縱軸，ATP濃度作為橫軸，得到曲線如圖6。由曲線可見，在一定范圍內(nèi)ATP濃度與轉(zhuǎn)換電壓之間有較好的線性關(guān)系,將該曲線作為標(biāo)準(zhǔn)曲線。圖6為得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線，轉(zhuǎn)換電壓值V與ATP濃度C分別取對(duì)數(shù)后的線性回歸方程為lgV=2E+10lgC+0.6815，其相對(duì)關(guān)系系數(shù)為0.9963，具有較好的相關(guān)性。在軟件中用標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)測(cè)得的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，從而提高ATP的濃度檢測(cè)精度。
基于上述方法，在光電倍增管模塊的光電增益為4×1014 V/lm時(shí)，用系統(tǒng)對(duì)5種已知濃度的溶液進(jìn)行ATP濃度測(cè)量，測(cè)得結(jié)果如表1。
由表1數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)誤差較小，平均約為0.13%，滿足了對(duì)ATP生物發(fā)光反應(yīng)的弱電信號(hào)的檢測(cè)。
本檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、檢測(cè)周期短、靈敏度高、噪聲低、滿足深海微生物量原位檢測(cè)儀的要求。
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