專利名稱：三磷酸腺苷生物發(fā)光法檢測微生物總量自動原位監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三磷酸腺苷生物發(fā)光法檢測微生物總量自動原位監(jiān)測儀，屬于光
學(xué)檢測儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在環(huán)境檢測、生物學(xué)、海洋學(xué)和食品衛(wèi)生等領(lǐng)域，微生物檢測是一個重要項目。傳 統(tǒng)的微生物檢測方法，如培養(yǎng)計數(shù)法，也是國家標(biāo)準(zhǔn)方法，檢測細(xì)菌總數(shù)需要2天，酵母和 霉菌需3-5天，在時間上難以滿足在線檢測的要求。而且對于難培養(yǎng)或不可培養(yǎng)的微生物， 很難應(yīng)用該方法來計算活菌總數(shù)。而ATP生物發(fā)光法以其簡便、快速、能夠?qū)崿F(xiàn)自動定量分 析等優(yōu)點，受到越來越多的重視，在環(huán)境檢測、生物學(xué)、海洋學(xué)和食品衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用也 越來越為廣泛。 目前，國外一些公司已經(jīng)有基于ATP生物發(fā)光原理的檢測微生物量的儀器，如美 國Turner BioSystems公司的TD-20/20熒光照度計，但這些儀器功能相對單一，只有光度 檢測，其它添加試劑、標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理等過程都需要人工操作，使其應(yīng)用受到很大的局限。而 很多環(huán)境監(jiān)測需要定點不分晝夜的連續(xù)工作，人工操作很難實現(xiàn)，還有一些極端環(huán)境或危 險環(huán)境下的監(jiān)測，也無法由人工完成。另外食品衛(wèi)生等對衛(wèi)生要求很高的行業(yè)，也需要實時 快速的檢測手段，對生產(chǎn)過程中的微生物含量進(jìn)行監(jiān)控。這些都無法用基于人工操作的儀 器來實現(xiàn)或者需要耗費大量的人力物力。 一種快速簡便的微生物檢測手段及儀器對環(huán)境監(jiān) 測及食品衛(wèi)生等行業(yè)具有重要的意義，而ATP生物發(fā)光法檢測微生物總量自動原位監(jiān)測儀 具有快速及時的特點，能夠自動加樣、檢測，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定及處理等一系列過程，無需人工 操作，可以很好的完成極端環(huán)境或危險環(huán)境下的環(huán)境監(jiān)測和食品行業(yè)生產(chǎn)過程的實時衛(wèi)生 質(zhì)量監(jiān)控，同時也為生物學(xué)和海洋學(xué)等領(lǐng)域的微生物檢測提供新的手段與技術(shù)，具有重要 意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種三磷酸腺苷生物發(fā)光法檢測微生物總量自動原位監(jiān)測 儀。 本發(fā)明可以自動精確加入熒光試劑，采用半導(dǎo)體致冷器產(chǎn)生低溫保存生化試劑， 并對柱塞式反應(yīng)室進(jìn)行恒溫控制，用光敏傳感器對ATP激發(fā)的熒光進(jìn)行檢測。通過切換閥 門組中不同閥門的工作狀態(tài)以及控制步進(jìn)電機(jī)改變柱塞式反應(yīng)室的容積，儀器可以完成自 動加樣、自動高精度光電檢測和自動清洗等功能。 本發(fā)明對標(biāo)準(zhǔn)ATP試劑進(jìn)行檢測，根據(jù)其發(fā)光值進(jìn)行樣品的標(biāo)定，由計算機(jī)處理， 得到樣品中ATP的濃度。最后，根據(jù)ATP與微生物的對應(yīng)關(guān)系，直接估算出微生物的濃度。 儀器能夠?qū)崿F(xiàn)高精度自動加樣、檢測、數(shù)據(jù)記錄等功能，對于極端環(huán)境或危險環(huán)境下的環(huán)境 監(jiān)測和食品行業(yè)生產(chǎn)過程的實時衛(wèi)生質(zhì)量監(jiān)控，具有重要意義，同時也為生物學(xué)和海洋學(xué) 等領(lǐng)域的微生物檢測提供新的手段與技術(shù)。
3
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是該三磷酸腺苷生物發(fā)光法檢測微生 物總量自動原位監(jiān)測儀包括柱塞式反應(yīng)室、廢液室、樣品室、清洗液室、試劑室、閥門組、采 集控制系統(tǒng)、計算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和溫度控制系統(tǒng)，其中，廢液室、樣品室、清洗液室、試劑室、 柱塞式反應(yīng)室和采集控制系統(tǒng)分別與閥門組連接，柱塞式反應(yīng)室、步進(jìn)電機(jī)和溫度控制系 統(tǒng)分別與采集控制系統(tǒng)連接，試劑室和柱塞式反應(yīng)室分別與溫度控制系統(tǒng)連接，步進(jìn)電機(jī) 與柱塞式反應(yīng)室連接，所述采集控制系統(tǒng)與所述計算機(jī)連接。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的采集控制系統(tǒng)包括光敏傳感器、程控放大電路、A/D轉(zhuǎn)換 器、參考電壓發(fā)生器、微處理器、存儲單元和通訊接口電路，光敏傳感器與程控放大電路連 接，程控放大器、參考電壓發(fā)生器分別與A/D轉(zhuǎn)換器連接，A/D轉(zhuǎn)換器、程控放大器、存儲單 元、通訊接口電路分別與微處理器連接，通訊接口電路與計算機(jī)連接。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的步進(jìn)電機(jī)電路包括第一D/A轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片 和步進(jìn)電機(jī)，第一 D/A轉(zhuǎn)換器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片連接，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片與步進(jìn)電機(jī)連 接，步進(jìn)電機(jī)與柱塞式反應(yīng)室連接，第一 D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器連接。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的溫度控制系統(tǒng)包第二D/A轉(zhuǎn)換器、第一信號放大調(diào)整電
路、第二信號放大調(diào)整電路、第一功率放大器、第二功率放大器、加熱線圈和半導(dǎo)體制冷器，
第一信號放大調(diào)整電路、第二信號放大調(diào)整電路分別與第二D/A轉(zhuǎn)換器連接，第一功率放
大電路與第一信號放大調(diào)整電路連接，第二功率放大電路與第二信號放大調(diào)整電路連接，
第一功率放大器與加熱線圈連接，第二功率放大器與半導(dǎo)體制冷器連接，第二 D/A轉(zhuǎn)換器
與微處理器連接，加熱線圈與柱塞式反應(yīng)室連接，半導(dǎo)體制冷器與試劑室連接。 本發(fā)明的自動化過程包括如下步驟微處理器通過控制步進(jìn)電機(jī)電路和閥門組，
使樣品和試劑按照一定比例進(jìn)入柱塞式反應(yīng)室，微處理器控制溫度控制系統(tǒng)，使樣品和試
劑混合后在一定溫度進(jìn)行反應(yīng)，發(fā)出光子，光敏傳感器接收到反應(yīng)所發(fā)生的光子，產(chǎn)生相應(yīng)
的電信號，電信號通過程控放大電路進(jìn)行放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號數(shù)據(jù)，微處
理器把檢測數(shù)據(jù)保存到存儲單元中。反應(yīng)完畢后，微處理器控制步進(jìn)電機(jī)電路和閥門組，把
清洗液注入柱塞式反應(yīng)室進(jìn)行清洗，清洗完畢后的廢液注入廢液室。原位檢測工作結(jié)束后，
回收監(jiān)測儀，計算機(jī)通過通訊總線與監(jiān)測儀連接，微處理器把存儲單元中保存的監(jiān)測數(shù)據(jù)
上傳到計算機(jī)中，計算機(jī)通過分析得出原位監(jiān)測結(jié)果。


圖1是本發(fā)明一種實施例的儀器結(jié)構(gòu)框圖；
圖2是本發(fā)明一種實施例的采集控制系統(tǒng)框圖；
圖3是本發(fā)明一種實施例的步進(jìn)電機(jī)控制電路框圖
圖4是本發(fā)明一種實施例的溫度控制系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式
圖1為本三磷酸腺苷生物發(fā)光法檢測微生物總量自動原位監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)框圖，該 檢測儀包括柱塞式反應(yīng)室、廢液室、樣品室、清洗液室、試劑室、閥門組、采集控制系統(tǒng)、計算 機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和溫度控制系統(tǒng)，計算機(jī)通過通訊接口電路與采集控制系統(tǒng)中的微處理器進(jìn) 行通訊，設(shè)定監(jiān)測儀的工作參數(shù)和讀取采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采集控制系統(tǒng)按照計算機(jī)設(shè)定
4的工作參數(shù)控制監(jiān)測儀各個模塊在原位監(jiān)測時的運作，包括控制步進(jìn)電機(jī)、控制閥門組中 各個閥門的工作狀態(tài)、控制溫度控制系統(tǒng)、采集柱塞式反應(yīng)室中的熒光信號等，步進(jìn)電機(jī)在 采集控制系統(tǒng)的控制下能改變柱塞式反應(yīng)室的容積，配合閥門組中各閥門的開啟或關(guān)閉， 使試劑室、清洗液室和樣品室中的液體按比例注入柱塞式反應(yīng)室，或使反應(yīng)后的廢液排出 到廢液室中，閥門可選用市售電磁閥，溫度控制系統(tǒng)能分別加熱柱塞式反應(yīng)室，使柱塞式反 應(yīng)室內(nèi)的混合液達(dá)到合適的反應(yīng)溫度，另一方面能冷卻試劑室，延長試劑的保存時間。
圖2為本發(fā)明一種實施例的采集控制系統(tǒng)框圖，該電路包括光敏傳感器、程控放 大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、參考電壓發(fā)生器、微處理器、存儲單元和通訊接口電路，微處理器為本 發(fā)明的控制核心，可采用DSP系列、ARM系列或51核心系列微處理器，本發(fā)明實施例中選用 了美國TI公司的TMS320C2000系列DSP，該DSP可以達(dá)到40MIPS的處理速度，完全可以滿足 控制及處理速度。光敏傳感器負(fù)責(zé)接收柱塞式反應(yīng)室中產(chǎn)生的熒光，并轉(zhuǎn)化為電信號，光敏 傳感器可采用光電二極管、光電倍增管或光電倍增管模塊，若采用光電二極管或光電倍增 管，所產(chǎn)生的電信號為電流信號，程控放大電路中需帶有電流/電壓轉(zhuǎn)換器，使電流信號轉(zhuǎn) 換為電壓信號，程控放大電路可采用高精度數(shù)字放大器構(gòu)成，微處理器可控制程控放大電 路的增益，使信號強(qiáng)度與A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換電壓匹配，若光敏傳感器采用光電倍增管模塊， 則程控放大電路中不需要具備電流/電壓放大器，只需對光電倍增管模塊所產(chǎn)生的電壓信 號進(jìn)行放大。參考電壓發(fā)生器為A/D轉(zhuǎn)換器提供轉(zhuǎn)換時所需要的參考電壓，A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng) 采用低噪聲高分辨率的器件，有助于提高檢測的精度，本實施例中選用了 Cirrus公司的24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5532。微處理器在原位監(jiān)測工作時把采集數(shù)據(jù)保存到存儲單元中，待監(jiān)測 儀回收后再把數(shù)據(jù)上傳到計算機(jī)中分析，存儲單元可采用閃存芯片實現(xiàn)，如Atmel公司的 閃存芯片AT45DB081B，或市售閃存記憶卡，如SD卡，CF卡等。儀器回收后，微處理器通過通 訊接口電路與計算機(jī)進(jìn)行通訊，通訊接口電路可選用RS-232接口轉(zhuǎn)換電路、RS-485接口轉(zhuǎn) 換電路或CAN接口轉(zhuǎn)換電路，本實施例中采用了 RS-232接口轉(zhuǎn)換電路。
圖3為本發(fā)明一種實施例的步進(jìn)電機(jī)控制電路框圖，包括第一D/A轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動芯片和步進(jìn)電機(jī)，第一 D/A轉(zhuǎn)換器受微處理器控制，把微處理器所給的數(shù)字信號轉(zhuǎn) 換為模擬信號，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片根據(jù)第一 D/A轉(zhuǎn)換器所輸出的模擬信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)， 使柱塞式反應(yīng)室的容積發(fā)生變化，配合微處理器控制閥門組中各閥門的工作狀態(tài)，可實現(xiàn) 柱塞式反應(yīng)室中注液、排液等動作。 圖4為本發(fā)明一種實施例的溫度控制系統(tǒng)框圖，包括第二D/A轉(zhuǎn)換器、第一信號放 大調(diào)整電路、第二信號放大調(diào)整電路、第一功率放大器、第二功率放大器、加熱線圈和半導(dǎo) 體制冷器，第二 D/A轉(zhuǎn)換器受微處理器控制，把微處理器所給的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號， 本實施例中第二 D/A轉(zhuǎn)換器能分別輸出兩路模擬信號，分別連接到第一信號放大調(diào)整電路 和第二信號放大調(diào)整電路，第一信號放大調(diào)整電路把第二D/A轉(zhuǎn)換器輸出的用于控制加熱 線圈的模擬信號進(jìn)行放大和濾波整流，成為模擬控制信號，第一功率放大器把模擬控制信 號轉(zhuǎn)換為功率輸出，驅(qū)動加熱線圈，可對柱塞式反應(yīng)室進(jìn)行溫度控制，第二信號放大調(diào)整電 路把第二D/A轉(zhuǎn)換器輸出的用于控制半導(dǎo)體制冷器的模擬信號進(jìn)行放大和濾波整流，成為 模擬控制信號，第二功率放大器把模擬控制信號轉(zhuǎn)換為功率輸出，驅(qū)動半導(dǎo)體制冷器，可對 試劑室進(jìn)行冷卻。 以西湖水體微生物量的測量為例，實施三磷酸腺苷生物發(fā)光法檢測微生物總量自動原位監(jiān)測儀的自動原位檢測過程如下
a)測量位點的布置 以西湖水體微生物作為測量對象，選取測量位點時考慮到各種特征位點，如進(jìn)水 口、出水口、湖心、旅游景點等。具體布置為斷橋(l)-大華飯店(2)、柳浪聞鶯(3)_湖心 (4) _平湖秋月(5)、樓外樓(6)-湖心(7)-三潭印月_雷峰塔(8)、南湖(進(jìn)水口 ) (9)-西
里湖(i)-曲苑風(fēng)荷(10)。 b)測量過程與結(jié)果 將監(jiān)測儀取樣管置于水面下50cm，啟動儀器進(jìn)行檢測，由控制器控制進(jìn)入自動化 過程，吸取水樣和試劑進(jìn)入柱塞式反應(yīng)室后，發(fā)出光子的通過光電傳感器進(jìn)行檢測，經(jīng)過 光電轉(zhuǎn)換，所得到的信號值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對，通過數(shù)據(jù)處理，即可得到樣品的ATP濃度， 按照平均每個細(xì)胞5x10—16g ATP的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到微生物的濃度。湖心的微生物濃度為 5. 8 X 106個/ml ，沿岸各景點的平均微生物濃度為9. 1 X 106個/ml ，進(jìn)水口的微生物濃度為 0. 8Xl()6個/ml。 測量結(jié)果與西湖水體微生物的分布情況基本一致，沿岸各景點受人為因素的影響
較大，水體微生物濃度較高，而進(jìn)水口的水體經(jīng)過前處理，微生物濃度較低。 本發(fā)明所涉及的三磷酸腺苷生物發(fā)光法檢測微生物總量自動原位監(jiān)測儀能完整
地實現(xiàn)進(jìn)樣、反應(yīng)控制、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果分析與記錄的一整套自動化過程，改變了傳統(tǒng)的手
工操作模式，對環(huán)境監(jiān)測、食品衛(wèi)生、生命科學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義。
權(quán)利要求
一種三磷酸腺苷生物發(fā)光法檢測微生物總量自動原位監(jiān)測儀，其特征在于包括柱塞式反應(yīng)室、廢液室、樣品室、清洗液室、試劑室、閥門組、采集控制系統(tǒng)、計算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和加熱制冷系統(tǒng)，廢液室、樣品室、清洗液室、試劑室、柱塞式反應(yīng)室和采集控制系統(tǒng)分別與閥門組連接，柱塞式反應(yīng)室、計算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和溫度控制系統(tǒng)分別與采集控制系統(tǒng)連接，試劑室和柱塞式反應(yīng)室分別與溫度控制系統(tǒng)連接，步進(jìn)電機(jī)與柱塞式反應(yīng)室連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三磷酸腺苷生物發(fā)光法檢測微生物總量自動原位監(jiān)測儀，其特征在于所述的采集控制系統(tǒng)包括光敏傳感器、程控放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、參考電壓發(fā)生器、微處理器、存儲單元和通訊接口電路，光敏傳感器與程控放大電路連接，程控放大器、參考電壓發(fā)生器分別與A/D轉(zhuǎn)換器連接，A/D轉(zhuǎn)換器、程控放大電路、存儲單元和通訊接口電路分別與微處理器連接，通訊接口電路與計算機(jī)連接，步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)的控制電路控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三磷酸腺苷生物發(fā)光法檢測微生物總量自動原位監(jiān)測儀，其特征在于所述的步進(jìn)電機(jī)的控制電路包括第一D/A轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片，第一D/A轉(zhuǎn)換器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片連接，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片與步進(jìn)電機(jī)連接，第一 D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三磷酸腺苷生物發(fā)光法檢測微生物總量自動原位監(jiān)測儀，其特征在于所述的溫度控制系統(tǒng)包括第二D/A轉(zhuǎn)換器、第一信號放大調(diào)整電路、第二信號放大調(diào)整電路、第一功率放大器、第二功率放大器、加熱線圈和半導(dǎo)體制冷器，第一信號放大調(diào)整電路、第二信號放大調(diào)整電路分別與第二D/A轉(zhuǎn)換器連接，第一功率放大電路與第一信號放大調(diào)整電路連接，第二功率放大電路與第二信號放大調(diào)整電路連接，第一功率放大器與加熱線圈連接，第二功率放大器與半導(dǎo)體制冷器連接，第二 D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器連接，加熱線圈與柱塞式反應(yīng)室連接，半導(dǎo)體制冷器與試劑室連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三磷酸腺苷(ATP)生物發(fā)光檢測微生物總量自動原位監(jiān)測儀的設(shè)計方案。本發(fā)明包括柱塞式反應(yīng)室、廢液室、樣品室、清洗液室、試劑室、閥門組、采集控制系統(tǒng)、計算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和溫度控制系統(tǒng)，廢液室、樣品室、清洗液室、試劑室、反應(yīng)室和采集控制系統(tǒng)分別與閥門組連接，反應(yīng)室、計算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和溫度控制系統(tǒng)分別與采集控制系統(tǒng)連接，試劑室和柱塞式反應(yīng)室分別與溫度控制系統(tǒng)連接，步進(jìn)電機(jī)與柱塞式反應(yīng)室連接。本發(fā)明可以自動精確加入熒光試劑，采用半導(dǎo)體致冷器產(chǎn)生低溫保存生化試劑，并對柱塞式反應(yīng)室進(jìn)行恒溫控制，對ATP激發(fā)的熒光進(jìn)行檢測，根據(jù)ATP與微生物的對應(yīng)關(guān)系，直接估算出微生物的濃度，檢測完畢后自動清洗。
文檔編號G01N21/64GK101698822SQ20091015369
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者葉樹明, 李頂立, 楊俊毅, 樓凱凱, 蔣凱 申請人:浙江大學(xué)