光纤扫描式激光诱导荧光检测系统

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1、第1期杨晓博等：光纤扫描式激光诱导荧光检测系统的设计731．2荧光信号检测光路电源及外围电路激光器发出的绿色激光束经激发光纤照射至多通道毛细电STM32控制芯片管电泳芯片表面，当光束照至电泳芯片上的微通道时，微通道中的荧光染料在激光的激发下产生荧光信号，该荧光信号通过接收光纤传输至光电转换单元进行处理。1．3光电转换单元癸ll霉／／螭数据盔流自}—+IRS接一2[由于毛细管电泳芯片采用的是玻璃材料，不可避免的在其模拟信号L二=二二工唰皿一表面会产生光的反射和折射现象，因此，接收光纤中传播的不光电转换单元仅仅有荧光染料受激发产生的荧光，同时芯片表面部分反射和散射的激发光也会通过

2、接收光纤传输至信号处理单元。反射图3嵌入式控制系统整体结构框图光及散射光是与被测荧光信号无关的干扰信号，需要在信号处偏置高压源。雪崩二极管高压偏置电路原理图如图4所示，其理单元中将其滤除掉以提高系统的信噪比(SignaltoNoiseRati—中为高压模块控制信号输入端，输入电压范围为0～5V，O，SNn)。i为12V电源输入引脚，HV为高压输出引脚，输出电压范围1．4多通道识别单元为0—400V．此电路通过改变高精度电位器。的阻值来调节多通道识别单元由光调制板、发光二极管(LightEmitting输出偏置电压。图中C、C为电源滤波电容，集成运放LM358Diode，LED

3、)、光电接收器及信号处理电路组成。其中，光调制为电压跟随器，多圈高精度电位器R。的电压信号通过电压跟板上白色的透光区域和黑色的遮光区域相间排列，透光区域间随器送至高压模块的控制输入端．的距离与多通道毛细管电泳芯片微分离通道之间的距离具有+12V相同的对应关系。当LED发出的光束照射至光调制板上的透光区域时，光电接收器检测到光信号，输出高电平；反之，当光束照射至遮光区域时，光电接收器检测不到光信号，输出低电平。这样，当光调制板在扫描轴的带动下在毛细管电泳芯片上方往返扫描时，光电接收器的输出端就得到一个脉冲序列。通道识别脉冲如图2所示，当扫描轴从左向右扫描时，脉冲1和2之间对应的

4、是毛细管电泳芯片最左端的分离通道1，脉冲2和3之间对应分离图4雪崩二极管高压偏置电路原理图通道2，依此类推；反之，当扫描轴从右向左扫描时，脉冲5和42．2信号放大电路之间对应分离通道4，脉冲4和3之问对应分离通道3，依此类针对雪崩二极管的特性，电路采用低噪声、高输入阻抗的推。当扫描轴往复扫描时即实现了多通道识别功能。OPA337放大器作为前置放大器，在A／D转换前对前置放大器信号进行二次放大和二阶滤波。信号放大电路由两级放大电路组成，电路原理图如图5所示。由于雪崩二极管输出信号为电流信号，为实现低噪声、高灵敏度放大，电路采用负反馈电流图2毛细管电泳芯片通道识别脉冲序列图输入前

5、置放大器J。其中，电位器、R用来调节运算放2控制系统及硬件电路设计大器的参考端电压，用于对微弱被测信号进行无失真放大；运控制系统采用STM32F103微处理器为核心芯片，利用其内算放大器U7A和电阻R构成负反馈电流输入放大器，用于对置的DMA、ADC、USB和UART控制器等实现数据的雪崩二极管输出的微弱电流信号进行放大；电容C为相位补采集和上传等功能。系统的总体结构框图如图3所示，由偿电容；运算放大器U8A和电阻R、R构成反向比例放大电STM32F103微处理器、光电转换单元(包括光电传感器、低噪声路，用于对第一级放大器的输出信号进行二次放大。2．3低通滤波电路放大器、低通

6、滤波器)、电源及外围电路、RS一232接口电路和在扫描式毛细管电泳芯片LIF检测系统中，荧光信号的检USB接口电路等组成。2．1雪崩二极管偏置电路测是通过对扫描得到的多通道脉冲信号采集来实现的。为了设计采用体积小、灵敏度较高的雪崩二极管作为光电转换最大程度上抑制噪声信号对数据采集的影响，需要对输出脉冲器件。雪崩二极管与光电倍增管相比具有偏置电压低的优点，的信号进行滤波，因此，设计采用的滤波器为二阶压控电压源(VoltageControlledVoltageSource，vcvs)有源低通滤波器⋯。与PIN光电二极管相比又具有较大的增益，非常适合微弱电泳荧光信号的测量。由奈奎斯

7、特采样定理可知，在进行模拟／数字信号的转换电路采用C30902E型雪崩二极管。它的击穿电压较高，增过程中，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，即益对外加偏压变化敏感，因此需采用定制的专用高压模块作为≥Z厂m，则采样之后的数字信号便可完整保留原始信号中的信74InstrumentTechniqueandSensorJan．2014E5V06鹕lllLED2l＼图7通道识别电路原理图平台，结合STM32Firmware函数库及IxCOS内核实现设备控制图5信号放大电路原理图及数据采集功能。在Pc端采用Vi