摘 要： 為滿足ATP生物發(fā)光反應的檢測需求，基于CS5532、以PMT(光電倍增管)為光電轉換模塊、用MSP430F1611為微處理器，設計了一套低噪聲、高精度的檢測系統(tǒng)，并采取軟件標準線標定法對檢測到的信號進行降噪處理，提高了精度，完全滿足了對海水中ATP濃度在10-10 mol/L～10-8 mol/L數量級的檢測。
關鍵詞： MSP430F1611；三磷酸腺苷(ATP)；CS5532；PMT(光電倍增管)
深海微生物量的檢測是深海生物圈研究的重要內容，對深海生態(tài)學研究具有重要意義?；罴毎蠥TP與有機碳的比率較穩(wěn)定，通過測定樣品中ATP的濃度就可以推算出微生物濃度[1]。ATP生物發(fā)光法檢測微生物量濃度具有方法簡單、檢測周期短、靈敏度高、線性度高的特點。
海水中ATP的濃度介于10-11～10-7 mol/L數量級之間，ATP生物發(fā)光反應光信號較微弱，具有短暫性、穩(wěn)定性差、發(fā)光曲線呈類拋物線型、信號易被淹沒的特點。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，測量誤差小于1%；(3)ATP濃度分辨率為10-11 mol/L，即轉換電壓分辨率可達0.1 mV。
圖1是儀器檢測系統(tǒng)組成框圖。根據上面的要求，相對于常規(guī)的檢測系統(tǒng)，本儀器要具有超低噪聲和高精度的特點。因此儀器要在對其噪聲進行分析的基礎上，選取低噪聲器件，并采用軟件標準線標定的方法降低噪聲，提高精度。
1 儀器檢測原理
ATP熒光檢測法是利用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ATP濃度介于10-15 mol/L～10-6 mol/L范圍內，熒光素-熒光素酶過量時，發(fā)光強度與ATP的濃度成正比[2]，[3]。反應中發(fā)光強度信號是隨時間變化的拋物線，在反應到5 s左右時，發(fā)光強度最大，然后逐漸減低。儀器在ATP生物發(fā)光反應開始5 s后進行檢測。
2 儀器檢測系統(tǒng)設計
檢測系統(tǒng)硬件主要由五部分組成(如圖1)，即光電倍增管(PMT)、信號轉換模塊、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、高響應速度、極高靈敏度的特點，廣泛應用于微弱光信號的檢測。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。整個模塊包含一個感光直徑為13 mm的光電倍增管以及一個Walton高壓電源。模塊中還包括一個高精度、低噪聲的放大器。模塊的光譜響應范圍185 nm～900 nm，最大響應波長在600 nm(6.0×1010 V/lm)，輸出線性度±0.5%，暗電流在nA級，內部放大器放大倍數為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)信號采集轉換模塊
系統(tǒng)采用CIRRUS LOGIC公司的CS5532作為信號放大轉換設備，信號采集轉換模塊原理圖如圖2。
CS5532是高集成度的ΔΣ模數轉換器，由于運用了電荷平衡技術，其性能可以達到24 bit。該AD轉換器適合過程控制、生化和醫(yī)療等應用領域的單、雙極性小信號。CS5532內部有一個超低噪聲的斬波穩(wěn)定增益可編程放大器，噪聲為
，線性誤差0.0007% FS，無噪聲最大分辨率可達23 bit，校準電壓可選輸入范圍-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換為RS232信號電平與上位機（PC）通信，原理圖如圖3。
3 噪聲分析
檢測系統(tǒng)的噪聲主要由光電倍增管、信號前置放大電路及模數轉換器(ADC)三部分產生。
光電倍增管及信號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]：
在沒有熒光信號時進行了檢測，結果如圖5。
圖5反映了上述干擾噪聲信號以及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，設計對干擾和噪聲的屏蔽能力較強。
4 軟件優(yōu)化設計及結果
要滿足對深海ATP濃度的檢測，系統(tǒng)必須具有高精度，對信號的微弱變化具有高靈敏度。系統(tǒng)采用了軟件標準曲線法來提高檢測精度。
系統(tǒng)采用標定法來對測得的電壓值與ATP濃度進行換算。對一系列一定濃度的標準溶液進行檢測，測得其轉換電壓值。標準液濃度分別是10-7、10-8、10-9、10-10、10-11 mol/L，每次測量連續(xù)采集30組數據后取平均值。這些平均值對應著ATP熒光反應光信號轉換的電壓信號，將轉換電壓取對數得到數值稱為相對轉換值，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ATP濃度與轉換電壓之間有較好的線性關系,將該曲線作為標準曲線。圖6為得到的標準曲線，轉換電壓值V與ATP濃度C分別取對數后的線性回歸方程為lgV=2E+10lgC+0.6815，其相對關系系數為0.9963，具有較好的相關性。在軟件中用標準曲線對測得的電壓數據進行標定，從而提高ATP的濃度檢測精度。
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，用系統(tǒng)對5種已知濃度的溶液進行ATP濃度測量，測得結果如表1。
由表1數據可知，本系統(tǒng)誤差較小，平均約為0.13%，滿足了對ATP生物發(fā)光反應的弱電信號的檢測。
本檢測系統(tǒng)檢測方法簡單、檢測周期短、靈敏度高、噪聲低、滿足深海微生物量原位檢測儀的要求。
參考文獻
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