基本信息
- 项目名称：
- 毫秒级延迟发光测定仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品采用世界最先进的单光子探测技术，可检测、显示10E-19w光流强度的生物超微弱光子。通过特殊的机械系统将生物光源与单光子探测器融为一体，采用Y型光路系统解决了生物光源与单光子检测器焦点归一化的难题，通过高精度的测控系统实现了外来生物光的精确控制、单光子超微弱发光的提取和微弱自体发光的实时测量，配合自主研发的生物光子显示软件，可根据检测到的单光子数据绘制成相应的植物延迟发光特性曲线。
- 详细介绍：
- 1．概述 随着光子探测技术的发展，大大推进了相关领域的研究，众多研究表明植物的延迟荧光蕴含着丰富的生命信息，与植物的生理代谢、光合作用、细胞分离等许多生命过程息息相关，对其探测、分析、解读在揭示生命运转机理、农业、环境保护、医疗、食品等领域具有较强的应用潜力。由于延迟荧光的强度极其微弱且衰减很快，对其采集涉及到外来激励光的精确控制和微弱自体发光的实时测量，而且延迟荧光领域的研究起步较晚，目前国内没有较为完善的专用测量仪器。 国外采用电动机驱动、双重转盘分离式结构实现对延迟荧光的测量，但电动机转速有限，转动过程中产生较强噪音，转速受电压波动影响太大，都大大影响了延迟荧光测量的准确性，时间控制的精确性，并且没有完善的实时测控系统。 针对以上情况，我们设计了一种新型的延迟发光测定仪，无论在器件选择还是结构设计上，我们都做了大胆的创新，力求完善各部分功能，以此推进延迟荧光领域的研究。 在器件选择方面，我们采用特定波长的新型大功率LED作为生物光源，通过微处理器控制恒流源的导通、关断，进而实现对生物光源光照开启、关闭的控制，时间控制精度达到微秒级，取代了传统的双重转盘分离式光源，消除了电动机转动带来的巨大噪音，提高了时间控制精度。 在结构设计方面，我们采用独特的一体化设计，巧妙的将激励光源与感光模块融为一体，改变了传统设计中光源、感光模块分离式的结构，配合自行设计的Y型光纤，成功的实现了延迟荧光采集由对射光到镜面光的转变，也解决了光纤使用过程中因挪动、扭曲造成的破碎难题。 在系统整体设计上，我们采用高速、高精度数据采集测控系统，保证光照、数据采集时间的精确性，采集数据的真实性，配合自住开发的上位机软件，能够真实的、实时的绘制延迟荧光特性曲线，为研究人员进一步的理论分析提供真实的数据支撑。 2. 工作原理 系统原理框图如上图所示，毫秒级延迟发光测定仪主要有光子探测仪器、主处理器设备、生物光子监测软件组成。通过上位机设置通讯参数、光源照射时间、AD采样时间，微处理器按照上位机设置的参数控制流过生物光源的电流，进而实现对生物光源周期性导通、关断的控制，生物光经特制的Y型光纤照射到反应器内的样品（植物叶片）上，在光照关断1ms后，样品自身发射出极其微弱的延迟荧光，经过Y型光纤被高灵敏度的感光模块接收并转换为微弱的电信号，电信号经放大模块转换为AD所能识别的电信号并将其发送给微处理器，微处理器将采集到的数据发送给上位机，上位机对数据进行处理，转换为实际的电压值，并在绘图区绘制该点坐标，完成一个小周期的采集、转换、显示，如此循环，直到测量结束，绘制出延迟荧光特性曲线，为研究人员提供延迟发光总强度的时域分析。 3.单元结构设计 3.1 光子探测仪器 光子探测仪器采用独特的设计结构，巧妙的将感光模块、生物光源融为一体，生物光源在主控制器的控制下周期性的导通、关断，在光照关断1ms后，延迟荧光经Y型光纤传递到感光模块，并被感光模块转换成电信号，从而成功实现了延迟荧光采集由对射光到镜面光的改进，大大提高了采集数据的真实性，Y型光纤嵌入到探测器内，有效地避免了光纤使用过程中因挪动、扭曲造成的损坏，利用自身金属外壳解决了大功率生物光源的散热问题。 3.2 主控制器 主控制器电路协调各模块工作，为探测器生物光源提供周期性的电流，同时完成对微弱电信号的放大、采集转换，并为各部分工作提供精确的时间基准，保证各部分的控制时间精度达到微秒级，并保证生物光源导通关断、AD采样转换、数据处理发送在1.2ms以内有序的完成。 3.3 生物光子检测软件 为了便于研究人员对采集的延迟荧光进行理论分析，为后期研究提供具体的数据支撑，本产品提供自行研发的生物光子检测软件，该软件和毫秒延迟发光测定仪配合使用，可方便设置生物光源、AD采集、波特率等系统参数，降低了对操作人员的要求，该软件可以实时显示、绘制每一时刻的光子电压，时间精确到1ms，根据操作人员的实验需要系统设置6个档位的测量时间和5个档位的测量电压供选择，测量结束提供数据保存功能，供后期研究分析。 3.4 电磁兼容模块 电磁兼容电路由x电容、电源滤波线圈、y电容等组成，利用元器件的特性，组成共模抑制电路、差模抑制电路，抑制和滤除各种噪声信号与浪涌的干扰。以及有效抑制本系统产生的噪声向外界进行传导与辐射，以满足EMC的技术指标要求，同时保证了该产品的稳定性能。 4. 设备技术条件 4.1 供电电源：该系统采用220V（1±10%）/50Hz交流电源供电； 4.2 环境温度：-20～+50℃； 4.3 环境湿度：≤80%（25℃）或无凝露； 4.4 大气压力：不低于54kPa（海拔高度5000m以下）； 4.5 安全要求： 1）光子探测器工作环境必须为暗室，强光下操作会导致内部感光模块损坏； 2）不要用手触摸探测器窗口，窗上的灰尘污垢会造成透光损失； 3）产品设有独立的安全接地端子，并标有安全接地符号。 4.6 输入电流：≤1.5A（AC）； 4.7 整机功耗：≤24VA； 4.8 连续工作温升：≤45℃（室温25℃）； 5. 其他技术参数 5.1 工作方式：连续 5.2 电磁兼容：符合国家规定的电磁兼容标准
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 植物的延迟荧光中蕴含着丰富的生命信息，对延迟发光的探测、分析与解读在揭示生命运转机理、农业、环境保护、医疗、食品等许多领域有着很强的应用前景。 鉴于此，本团队设计开发了一种以特定波长LED作为激励光源的毫秒级延迟发光测定仪，将LED激励光源、单光子计数探测系统、数据采集转换电路、智能控制系统、计算机组合为一体，通过上位机设置激励光源光照时间、采样时间，处理器精确控制各部分的执行，保证时间精度达到1μs，使延迟发光重复性测量的精度大大提高，同时上位机将采集到的数据绘制成延迟发光特性曲线，为进一步的理论研究提供真实的数据支撑。 创新点： 1.使用特定波长的LED作为生物激励光源，光照时间控制精度达到微秒级，操作方便； 2.独特的一体化设计，将光纤嵌入到探测器内部，解决了光纤使用过程中易碎的问题； 3．采用独特的Y型光纤结构，成功实现了延迟荧光的采集点由相对侧到相同侧的转变； 4.高精度、高速的数据采集和传送以及实时绘图功能。 技术关键： 1.LED光源波长的选择； 2.激励光源与单光子计数系统一体式结构设计； 3.高精度时间控制，保证光源开关、采样转换、数据发送、绘图显示在限定时间内完成。
科学性、先进性
- 和传统的仪器相比，我们的作品有如下几个优点： 1.使用特定波长的LED作为生物激励光源，代替传统的双重转盘分离式光源，消除了传统仪器电机驱动带来的的巨大噪音和电机运转不稳定对时间控制带来的偏差，并使LED光源的导通、关断时间精度达到微秒级，控制简单，精度较高； 2.独特的探测器结构设计，巧妙的将激励光源与单光子计数系统融为一体，缩小了探测器的体积，将光路降低到极至，避免了延迟荧光的损耗，由于Y型光纤嵌入到探测器内，成功的解决了传统光纤使用过程中因挪动、扭曲造成破碎的难题； 3.独特的Y型光纤结构，改变了传统光源与单光子计数系统分离的设计理念，成功实现了延迟荧光采集点由相对侧到相同侧的转变，极大地提高了测量的精度与灵敏度； 4.高精度、高速数据采集、测控系统，保证了激励光光照时间、数据采样时间的精确性，采集数据的真实性，配合自主开发的上位机软件，能够如实的、实时的绘制延迟荧光特性曲线，为进一步的理论研究提供可靠的数据支撑。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 该仪器探测器工作环境必须为暗室。 首先将样品（植物叶片）放入暗室中，暗化一段时间以后，将样品放入反应器，开启主控制器电源，按下执行开关。 通过上位机进行参数设置包括通讯设置（端口号、波特率）、量程设置（量程选择、测量时间t）、初始化设置（LED光照时间t1、采样时间t2），点击确定，完成系统设置。 点击上位机开始按键，系统启动，开始工作。 直到测量时间到达设置的时间t,整个测量过程结束，绘制出相应的延迟荧光特性曲线，系统将提醒用户保存信息。 用户可以根据实际需要选择保存、刷新或关闭操作。 测量结束，取出样品，关闭主控制器电源，盖上探测器保护罩。 适应范围： 适用于植物生理、生态和农业光合作用研究，具有广阔的推广前景。 市场与经济效益： 目前各大高校和研究机构都在致力于延迟发光领域的研究，相对国外进口仪器价格便宜至少两倍，而且性能更加完善，适宜在各大研究机构普及推广，具有广阔的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 毫秒级延迟发光（延迟荧光）是植物在光照关断后延迟1ms辐射出的一种极其微弱的光子流，它与植物的生理代谢、光合作用、细胞分裂等许多生命过程息息相关，蕴含着丰富的生命信息，并且对环境极为敏感。对毫秒延迟发光探测、分析与解读，已经展示出它在揭示生命运转机理、农业、环境保护、医疗、食品等许多领域的应用潜力。 由于毫秒延迟发光的强度非常弱、且衰减很快，其采集涉及到外来激励光的精确控制和微弱自体发光的实时测量，我国这方面的研究起步较晚，目前没有相应的仪器，而国外的一些仪器采用的多为双重转盘分离式结构，电机带动样品前后两个转盘转动，通过光孔的安置，将放在样品前面转盘上的光源分成具有一定周期的光照区间，光源透过光孔照射在样品上，放在样品背面转盘上的仪器进行光子的采集，通过调节电机的转速来调整光照时间以及光子采样时间。这样的结构不仅会产生很大的噪声而且电机运行不稳定时会影响数据测量的真实结果，很难保证采集和照射的时间间隔在1ms，甚至要达到5ms到6ms，并且在样品背面采集光子受多方因素影响，采集结果也有很大的误差；激励光源和单光子采集系统在国外的仪器中常常是分开连接的，在激励光源和单光子采集系统中需要很长的光纤进行传输，这样就使得光纤在使用中易于损坏，同时在传输荧光时也会造成损耗；国外的仪器时间控制和数据的采集都不够精确，仪器结构上也有缺陷，而且成本偏高。 鉴于此，本团队经过长时间分析和探索，对仪器进行了较大的改进，使其性能上更加完善。第一,本产品采用特定波长的LED灯代替双重转盘分离式光源作为样品的激励光源，使光源的关断时间达到微秒级，并且控制简单，精度高；第二,独特的Y型光纤嵌入式结构，解决了国外传统设计中光纤易碎的问题，同时也把光纤传输过程中的荧光损耗降到最低，并成功实现了延迟荧光采集点由相对侧到相同侧的转变；第三,激励光源和单光子计数系统的一体化设计，提高了测量的精度和灵敏度，使采集的数据更可靠，同时这样独特的设计也减小了仪器的体积，降低了生产成本；第四,微处理器的的高精度控制和高速的AD转换芯片，保证了数据的采集和传送在极短时间内完成，使得数据的采集更快速、更精确；第五,采集的数据传送至上位机，能实时的被上位机软件绘制成延迟发光特性曲线，帮助研究人员更方便的分析数据，为进一步的理论研究提供可靠的数据支撑。
