摘要：生物超弱发光是生物系统在生命活动中的微弱发光现象。为了准确测量生物超弱发光，设计了一种用于生物超微弱发光的专用采集系统。系统的激发光源由单只大功率LED及光学系统构成，用压控恒流源调整LED光照强度，通过电子快门精确控制光探测器的采集时间。测量金心吊兰叶片的延迟发光结果表明，该系统测量精度高、重复性好。
关键词：生物超弱发光；检测；电子快门；压控恒流源

O 引言
    生物超弱发光是生物在生命活动过程中，辐射出的一种极其微弱的光子流，分为自发发光和延迟发光。现在已经证明，它与生理代谢、光合作用和细胞分裂等等许多生命过程有关，并且对环境极为敏感。由于生物超弱发光蕴涵着丰富的生命信息，对其探测、分析与解读是近十几年来许多领域共同关心的课题。目前，已有不少研究，展示出其在揭示生命运转机理以及农业、环境保护、医疗、食品卫生等许多领域的应用潜力。由于生物超弱发光的强度较弱，且延迟发光衰减很快，其采集涉及到外来激发光的精确控制和微弱自体发光的实时测量，至今未见成熟的专用仪器，给研究带来困难。鉴于此，本文开发了一类利用LED激发的生物超弱发光采集系统，将LED激发光源、电子快门和光探测器整合在一起，通过单片机精确控制激发光源的光照时间与电子快门的开启时间，使超弱发光尤其是延迟发光重复性测量的精度大大提高。

1 系统总体设计
    该系统测量生物超弱发光的时域信息，采用单光子计数探测系统。主要包括激发光源、光源驱动电路、快门控制模块、光探测器、数据采集与处理模块、温度控制模块、暗室和计算机。系统总体结构如图1所示。

    样品放在暗室中测量，隔绝外界光线影响。单只大功率超高亮度LED发出的光经过透镜变换为平行光后，均匀照射到样品上，中控模块的单片机精确控制光强和辐照时间，温度控制器保持样品处于恒温状态，快门驱动模块按照预设程序控制电子快门的开闭，PMT进行生物发光的采集。

2 系统硬件设计
2．1 主控制电路
    主控电路负责整个系统的正常运行，进行光照时间、光照强度和快门开闭的控制，结构框图如图2所示。主要包括微处理器、压控电流源、光照时间控制、快门开关控制、LCD显示、键盘接口和温度控制模块。

2．2 激发光源及其驱动电路
    生物体的自发发光强度较稳定，而延迟发光随时间衰减很快，若将样品用激发光源在暗室外照射后再拿进暗室测量，光照结束时间和测量开始时间的间隔很难控制，对实验人员的技能要求较高。如果采用光源内置的方法，就能很好地解决这个问题。
    系统采用单只大功率发光二极管(LED)作为激发光源，通过透镜变换为平行光，保证样品受光面的光强均匀分布。激发光源采用蓝色LED，中心波长为467nm，带宽为20nm，可以满足一般实验要求。也可以根据实验的要求，将蓝色LED更换为红色、绿色和紫色等颜色的LED。
    对LED光强的控制通过改变注入LED的电流大小来实现。为了保证实验的精度，要保证LED驱动电流的恒流性，还要使得电路的电流大小可调，实现光源亮度的调节。因此，系统选用精密数控大功率电流源电路作为LED的驱动电路。电路的原理图如图3所示。

    驱动电路主要由微处理器、液晶显示与键盘输入、数／模转换与模／数转换、压控恒流源、差动放大电路等子模块组成。
2．2．1 压控恒流源
    压控恒流源是LED驱动电路的重要组成部分，它的功能是通过调节控制电压来达到对电流的控制，它的性能决定了LED亮度的稳定程度。压控恒流源的电路如图4所示，U1B和R8，R9构成电压跟随器，运放的高输入阻抗，近似可以认为U1B没有分流作用，则流经V2的电流全部流入负载RL，并且有V3=V2。U1C和电阻R10，R11，R12构成反相器，有V4=-V3=-V2。U1A和电阻R1，R2，R3，R13构成反向加法器电路，输入信号分别为Vi和V4，输出电压V1=-(Vi+V4)，又因为V4=-V2，所以输出电压V1=-(Vi-V2)。运放UB1并无分流作用，因此电阻Rm两端的电压为Vm=V1-V2=-Vi，流经Rm和负载RL的电流相等，都为I=Vm／Rm=-Vi／Rm。可以看出，负载上的电流由输入电压Vi和电阻Rm共同决定，只要这两个量不变，电流就会保持恒定。通过改变数模转换器的输出电压，即可调节负载RL上的电流。