摘 要： 為滿足ATP生物發(fā)光反應(yīng)的檢測需求,，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、高精度的檢測系統(tǒng),，并采取軟件標(biāo)準(zhǔn)線標(biāo)定法對檢測到的信號進(jìn)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(shù)量級的檢測,。
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是深海生物圈研究的重要內(nèi)容,，對深海生態(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(diǎn),。
海水中ATP的濃度介于10-11～10-7 mol/L數(shù)量級之間，ATP生物發(fā)光反應(yīng)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(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是儀器檢測系統(tǒng)組成框圖,。根據(jù)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(diǎn),。因此儀器要在對其噪聲進(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(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,。
2 儀器檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(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(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)波長在600 nm(6.0×1010 V/lm),，輸出線性度±0.5%,，暗電流在nA級，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)信號采集轉(zhuǎn)換模塊
系統(tǒng)采用CIRRUS LOGIC公司的CS5532作為信號放大轉(zhuǎn)換設(shè)備,，信號采集轉(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,。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信號電平與上位機(jī)（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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)三部分產(chǎn)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(shí)進(jìn)行了檢測,，結(jié)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(shè)計(jì)對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(biāo)準(zhǔn)曲線法來提高檢測精度,。
系統(tǒng)采用標(biāo)定法來對測得的電壓值與ATP濃度進(jìn)行換算,。對一系列一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行檢測，測得其轉(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，每次測量連續(xù)采集30組數(shù)據(jù)后取平均值,。這些平均值對應(yīng)著ATP熒光反應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換的電壓信號,，將轉(zhuǎn)換電壓取對數(shù)得到數(shù)值稱為相對轉(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分別取對數(shù)后的線性回歸方程為lgV=2E+10lgC+0.6815,，其相對關(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)曲線對測得的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)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(shí),，用系統(tǒng)對5種已知濃度的溶液進(jìn)行ATP濃度測量,，測得結(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ATP生物發(fā)光反應(yīng)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。
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