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基本信息
- 項目名稱：
- 毫秒級延遲發(fā)光測定儀
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品采用世界最先進(jìn)的單光子探測技術(shù)，可檢測、顯示10E-19w光流強度的生物超微弱光子。通過特殊的機械系統(tǒng)將生物光源與單光子探測器融為一體，采用Y型光路系統(tǒng)解決了生物光源與單光子檢測器焦點歸一化的難題，通過高精度的測控系統(tǒng)實現(xiàn)了外來生物光的精確控制、單光子超微弱發(fā)光的提取和微弱自體發(fā)光的實時測量，配合自主研發(fā)的生物光子顯示軟件，可根據(jù)檢測到的單光子數(shù)據(jù)繪制成相應(yīng)的植物延遲發(fā)光特性曲線。
- 詳細(xì)介紹：
- 1．概述 隨著光子探測技術(shù)的發(fā)展，大大推進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的研究，眾多研究表明植物的延遲熒光蘊含著豐富的生命信息，與植物的生理代謝、光合作用、細(xì)胞分離等許多生命過程息息相關(guān)，對其探測、分析、解讀在揭示生命運轉(zhuǎn)機理、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療、食品等領(lǐng)域具有較強的應(yīng)用潛力。由于延遲熒光的強度極其微弱且衰減很快，對其采集涉及到外來激勵光的精確控制和微弱自體發(fā)光的實時測量，而且延遲熒光領(lǐng)域的研究起步較晚，目前國內(nèi)沒有較為完善的專用測量儀器。 國外采用電動機驅(qū)動、雙重轉(zhuǎn)盤分離式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對延遲熒光的測量，但電動機轉(zhuǎn)速有限，轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生較強噪音，轉(zhuǎn)速受電壓波動影響太大，都大大影響了延遲熒光測量的準(zhǔn)確性，時間控制的精確性，并且沒有完善的實時測控系統(tǒng)。 針對以上情況，我們設(shè)計了一種新型的延遲發(fā)光測定儀，無論在器件選擇還是結(jié)構(gòu)設(shè)計上，我們都做了大膽的創(chuàng)新，力求完善各部分功能，以此推進(jìn)延遲熒光領(lǐng)域的研究。 在器件選擇方面，我們采用特定波長的新型大功率LED作為生物光源，通過微處理器控制恒流源的導(dǎo)通、關(guān)斷，進(jìn)而實現(xiàn)對生物光源光照開啟、關(guān)閉的控制，時間控制精度達(dá)到微秒級，取代了傳統(tǒng)的雙重轉(zhuǎn)盤分離式光源，消除了電動機轉(zhuǎn)動帶來的巨大噪音，提高了時間控制精度。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，我們采用獨特的一體化設(shè)計，巧妙的將激勵光源與感光模塊融為一體，改變了傳統(tǒng)設(shè)計中光源、感光模塊分離式的結(jié)構(gòu)，配合自行設(shè)計的Y型光纖，成功的實現(xiàn)了延遲熒光采集由對射光到鏡面光的轉(zhuǎn)變，也解決了光纖使用過程中因挪動、扭曲造成的破碎難題。 在系統(tǒng)整體設(shè)計上，我們采用高速、高精度數(shù)據(jù)采集測控系統(tǒng)，保證光照、數(shù)據(jù)采集時間的精確性，采集數(shù)據(jù)的真實性，配合自住開發(fā)的上位機軟件，能夠真實的、實時的繪制延遲熒光特性曲線，為研究人員進(jìn)一步的理論分析提供真實的數(shù)據(jù)支撐。 2. 工作原理 系統(tǒng)原理框圖如上圖所示，毫秒級延遲發(fā)光測定儀主要有光子探測儀器、主處理器設(shè)備、生物光子監(jiān)測軟件組成。通過上位機設(shè)置通訊參數(shù)、光源照射時間、AD采樣時間，微處理器按照上位機設(shè)置的參數(shù)控制流過生物光源的電流，進(jìn)而實現(xiàn)對生物光源周期性導(dǎo)通、關(guān)斷的控制，生物光經(jīng)特制的Y型光纖照射到反應(yīng)器內(nèi)的樣品（植物葉片）上，在光照關(guān)斷1ms后，樣品自身發(fā)射出極其微弱的延遲熒光，經(jīng)過Y型光纖被高靈敏度的感光模塊接收并轉(zhuǎn)換為微弱的電信號，電信號經(jīng)放大模塊轉(zhuǎn)換為AD所能識別的電信號并將其發(fā)送給微處理器，微處理器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為實際的電壓值，并在繪圖區(qū)繪制該點坐標(biāo)，完成一個小周期的采集、轉(zhuǎn)換、顯示，如此循環(huán)，直到測量結(jié)束，繪制出延遲熒光特性曲線，為研究人員提供延遲發(fā)光總強度的時域分析。 3.單元結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 光子探測儀器 光子探測儀器采用獨特的設(shè)計結(jié)構(gòu)，巧妙的將感光模塊、生物光源融為一體，生物光源在主控制器的控制下周期性的導(dǎo)通、關(guān)斷，在光照關(guān)斷1ms后，延遲熒光經(jīng)Y型光纖傳遞到感光模塊，并被感光模塊轉(zhuǎn)換成電信號，從而成功實現(xiàn)了延遲熒光采集由對射光到鏡面光的改進(jìn)，大大提高了采集數(shù)據(jù)的真實性，Y型光纖嵌入到探測器內(nèi)，有效地避免了光纖使用過程中因挪動、扭曲造成的損壞，利用自身金屬外殼解決了大功率生物光源的散熱問題。 3.2 主控制器 主控制器電路協(xié)調(diào)各模塊工作，為探測器生物光源提供周期性的電流，同時完成對微弱電信號的放大、采集轉(zhuǎn)換，并為各部分工作提供精確的時間基準(zhǔn)，保證各部分的控制時間精度達(dá)到微秒級，并保證生物光源導(dǎo)通關(guān)斷、AD采樣轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理發(fā)送在1.2ms以內(nèi)有序的完成。 3.3 生物光子檢測軟件 為了便于研究人員對采集的延遲熒光進(jìn)行理論分析，為后期研究提供具體的數(shù)據(jù)支撐，本產(chǎn)品提供自行研發(fā)的生物光子檢測軟件，該軟件和毫秒延遲發(fā)光測定儀配合使用，可方便設(shè)置生物光源、AD采集、波特率等系統(tǒng)參數(shù)，降低了對操作人員的要求，該軟件可以實時顯示、繪制每一時刻的光子電壓，時間精確到1ms，根據(jù)操作人員的實驗需要系統(tǒng)設(shè)置6個檔位的測量時間和5個檔位的測量電壓供選擇，測量結(jié)束提供數(shù)據(jù)保存功能，供后期研究分析。 3.4 電磁兼容模塊 電磁兼容電路由x電容、電源濾波線圈、y電容等組成，利用元器件的特性，組成共模抑制電路、差模抑制電路，抑制和濾除各種噪聲信號與浪涌的干擾。以及有效抑制本系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲向外界進(jìn)行傳導(dǎo)與輻射，以滿足EMC的技術(shù)指標(biāo)要求，同時保證了該產(chǎn)品的穩(wěn)定性能。 4. 設(shè)備技術(shù)條件 4.1 供電電源：該系統(tǒng)采用220V（1±10%）/50Hz交流電源供電； 4.2 環(huán)境溫度：-20～+50℃； 4.3 環(huán)境濕度：≤80%（25℃）或無凝露； 4.4 大氣壓力：不低于54kPa（海拔高度5000m以下）； 4.5 安全要求： 1）光子探測器工作環(huán)境必須為暗室，強光下操作會導(dǎo)致內(nèi)部感光模塊損壞； 2）不要用手觸摸探測器窗口，窗上的灰塵污垢會造成透光損失； 3）產(chǎn)品設(shè)有獨立的安全接地端子，并標(biāo)有安全接地符號。 4.6 輸入電流：≤1.5A（AC）； 4.7 整機功耗：≤24VA； 4.8 連續(xù)工作溫升：≤45℃（室溫25℃）； 5. 其他技術(shù)參數(shù) 5.1 工作方式：連續(xù) 5.2 電磁兼容：符合國家規(guī)定的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 植物的延遲熒光中蘊含著豐富的生命信息，對延遲發(fā)光的探測、分析與解讀在揭示生命運轉(zhuǎn)機理、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療、食品等許多領(lǐng)域有著很強的應(yīng)用前景。 鑒于此，本團(tuán)隊設(shè)計開發(fā)了一種以特定波長LED作為激勵光源的毫秒級延遲發(fā)光測定儀，將LED激勵光源、單光子計數(shù)探測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路、智能控制系統(tǒng)、計算機組合為一體，通過上位機設(shè)置激勵光源光照時間、采樣時間，處理器精確控制各部分的執(zhí)行，保證時間精度達(dá)到1μs，使延遲發(fā)光重復(fù)性測量的精度大大提高，同時上位機將采集到的數(shù)據(jù)繪制成延遲發(fā)光特性曲線，為進(jìn)一步的理論研究提供真實的數(shù)據(jù)支撐。 創(chuàng)新點： 1.使用特定波長的LED作為生物激勵光源，光照時間控制精度達(dá)到微秒級，操作方便； 2.獨特的一體化設(shè)計，將光纖嵌入到探測器內(nèi)部，解決了光纖使用過程中易碎的問題； 3．采用獨特的Y型光纖結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)了延遲熒光的采集點由相對側(cè)到相同側(cè)的轉(zhuǎn)變； 4.高精度、高速的數(shù)據(jù)采集和傳送以及實時繪圖功能。 技術(shù)關(guān)鍵： 1.LED光源波長的選擇； 2.激勵光源與單光子計數(shù)系統(tǒng)一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計； 3.高精度時間控制，保證光源開關(guān)、采樣轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送、繪圖顯示在限定時間內(nèi)完成。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 和傳統(tǒng)的儀器相比，我們的作品有如下幾個優(yōu)點： 1.使用特定波長的LED作為生物激勵光源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙重轉(zhuǎn)盤分離式光源，消除了傳統(tǒng)儀器電機驅(qū)動帶來的的巨大噪音和電機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定對時間控制帶來的偏差，并使LED光源的導(dǎo)通、關(guān)斷時間精度達(dá)到微秒級，控制簡單，精度較高； 2.獨特的探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計，巧妙的將激勵光源與單光子計數(shù)系統(tǒng)融為一體，縮小了探測器的體積，將光路降低到極至，避免了延遲熒光的損耗，由于Y型光纖嵌入到探測器內(nèi)，成功的解決了傳統(tǒng)光纖使用過程中因挪動、扭曲造成破碎的難題； 3.獨特的Y型光纖結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)光源與單光子計數(shù)系統(tǒng)分離的設(shè)計理念，成功實現(xiàn)了延遲熒光采集點由相對側(cè)到相同側(cè)的轉(zhuǎn)變，極大地提高了測量的精度與靈敏度； 4.高精度、高速數(shù)據(jù)采集、測控系統(tǒng)，保證了激勵光光照時間、數(shù)據(jù)采樣時間的精確性，采集數(shù)據(jù)的真實性，配合自主開發(fā)的上位機軟件，能夠如實的、實時的繪制延遲熒光特性曲線，為進(jìn)一步的理論研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品 現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明： 該儀器探測器工作環(huán)境必須為暗室。 首先將樣品（植物葉片）放入暗室中，暗化一段時間以后，將樣品放入反應(yīng)器，開啟主控制器電源，按下執(zhí)行開關(guān)。 通過上位機進(jìn)行參數(shù)設(shè)置包括通訊設(shè)置（端口號、波特率）、量程設(shè)置（量程選擇、測量時間t）、初始化設(shè)置（LED光照時間t1、采樣時間t2），點擊確定，完成系統(tǒng)設(shè)置。 點擊上位機開始按鍵，系統(tǒng)啟動，開始工作。 直到測量時間到達(dá)設(shè)置的時間t,整個測量過程結(jié)束，繪制出相應(yīng)的延遲熒光特性曲線，系統(tǒng)將提醒用戶保存信息。 用戶可以根據(jù)實際需要選擇保存、刷新或關(guān)閉操作。 測量結(jié)束，取出樣品，關(guān)閉主控制器電源，蓋上探測器保護(hù)罩。 適應(yīng)范圍： 適用于植物生理、生態(tài)和農(nóng)業(yè)光合作用研究，具有廣闊的推廣前景。 市場與經(jīng)濟(jì)效益： 目前各大高校和研究機構(gòu)都在致力于延遲發(fā)光領(lǐng)域的研究，相對國外進(jìn)口儀器價格便宜至少兩倍，而且性能更加完善，適宜在各大研究機構(gòu)普及推廣，具有廣闊的市場前景。
同類課題研究水平概述
- 毫秒級延遲發(fā)光（延遲熒光）是植物在光照關(guān)斷后延遲1ms輻射出的一種極其微弱的光子流，它與植物的生理代謝、光合作用、細(xì)胞分裂等許多生命過程息息相關(guān)，蘊含著豐富的生命信息，并且對環(huán)境極為敏感。對毫秒延遲發(fā)光探測、分析與解讀，已經(jīng)展示出它在揭示生命運轉(zhuǎn)機理、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療、食品等許多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。 由于毫秒延遲發(fā)光的強度非常弱、且衰減很快，其采集涉及到外來激勵光的精確控制和微弱自體發(fā)光的實時測量，我國這方面的研究起步較晚，目前沒有相應(yīng)的儀器，而國外的一些儀器采用的多為雙重轉(zhuǎn)盤分離式結(jié)構(gòu)，電機帶動樣品前后兩個轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，通過光孔的安置，將放在樣品前面轉(zhuǎn)盤上的光源分成具有一定周期的光照區(qū)間，光源透過光孔照射在樣品上，放在樣品背面轉(zhuǎn)盤上的儀器進(jìn)行光子的采集，通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整光照時間以及光子采樣時間。這樣的結(jié)構(gòu)不僅會產(chǎn)生很大的噪聲而且電機運行不穩(wěn)定時會影響數(shù)據(jù)測量的真實結(jié)果，很難保證采集和照射的時間間隔在1ms，甚至要達(dá)到5ms到6ms，并且在樣品背面采集光子受多方因素影響，采集結(jié)果也有很大的誤差；激勵光源和單光子采集系統(tǒng)在國外的儀器中常常是分開連接的，在激勵光源和單光子采集系統(tǒng)中需要很長的光纖進(jìn)行傳輸，這樣就使得光纖在使用中易于損壞，同時在傳輸熒光時也會造成損耗；國外的儀器時間控制和數(shù)據(jù)的采集都不夠精確，儀器結(jié)構(gòu)上也有缺陷，而且成本偏高。 鑒于此，本團(tuán)隊經(jīng)過長時間分析和探索，對儀器進(jìn)行了較大的改進(jìn)，使其性能上更加完善。第一,本產(chǎn)品采用特定波長的LED燈代替雙重轉(zhuǎn)盤分離式光源作為樣品的激勵光源，使光源的關(guān)斷時間達(dá)到微秒級，并且控制簡單，精度高；第二,獨特的Y型光纖嵌入式結(jié)構(gòu)，解決了國外傳統(tǒng)設(shè)計中光纖易碎的問題，同時也把光纖傳輸過程中的熒光損耗降到最低，并成功實現(xiàn)了延遲熒光采集點由相對側(cè)到相同側(cè)的轉(zhuǎn)變；第三,激勵光源和單光子計數(shù)系統(tǒng)的一體化設(shè)計，提高了測量的精度和靈敏度，使采集的數(shù)據(jù)更可靠，同時這樣獨特的設(shè)計也減小了儀器的體積，降低了生產(chǎn)成本；第四,微處理器的的高精度控制和高速的AD轉(zhuǎn)換芯片，保證了數(shù)據(jù)的采集和傳送在極短時間內(nèi)完成，使得數(shù)據(jù)的采集更快速、更精確；第五,采集的數(shù)據(jù)傳送至上位機，能實時的被上位機軟件繪制成延遲發(fā)光特性曲線，幫助研究人員更方便的分析數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步的理論研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。
