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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 毫秒級(jí)延遲發(fā)光測(cè)定儀
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品采用世界最先進(jìn)的單光子探測(cè)技術(shù)，可檢測(cè)、顯示10E-19w光流強(qiáng)度的生物超微弱光子。通過(guò)特殊的機(jī)械系統(tǒng)將生物光源與單光子探測(cè)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(cè)器焦點(diǎn)歸一化的難題，通過(guò)高精度的測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了外來(lái)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(shí)時(shí)測(cè)量，配合自主研發(fā)的生物光子顯示軟件，可根據(jù)檢測(cè)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(cè)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(yùn)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(guò)程息息相關(guān)，對(duì)其探測(cè)、分析、解讀在揭示生命運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療、食品等領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。由于延遲熒光的強(qiáng)度極其微弱且衰減很快，對(duì)其采集涉及到外來(lái)激勵(lì)光的精確控制和微弱自體發(fā)光的實(shí)時(shí)測(cè)量，而且延遲熒光領(lǐng)域的研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有較為完善的專用測(cè)量?jī)x器。 國(guó)外采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、雙重轉(zhuǎn)盤分離式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)延遲熒光的測(cè)量，但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有限，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生較強(qiáng)噪音，轉(zhuǎn)速受電壓波動(dòng)影響太大，都大大影響了延遲熒光測(cè)量的準(zhǔn)確性，時(shí)間控制的精確性，并且沒(méi)有完善的實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。 針對(duì)以上情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的延遲發(fā)光測(cè)定儀，無(wú)論在器件選擇還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǎng)的新型大功率LED作為生物光源，通過(guò)微處理器控制恒流源的導(dǎo)通、關(guān)斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物光源光照開啟、關(guān)閉的控制，時(shí)間控制精度達(dá)到微秒級(jí)，取代了傳統(tǒng)的雙重轉(zhuǎn)盤分離式光源，消除了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的巨大噪音，提高了時(shí)間控制精度。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，我們采用獨(dú)特的一體化設(shè)計(jì)，巧妙的將激勵(lì)光源與感光模塊融為一體，改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中光源、感光模塊分離式的結(jié)構(gòu)，配合自行設(shè)計(jì)的Y型光纖，成功的實(shí)現(xiàn)了延遲熒光采集由對(duì)射光到鏡面光的轉(zhuǎn)變，也解決了光纖使用過(guò)程中因挪動(dòng)、扭曲造成的破碎難題。 在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)上，我們采用高速、高精度數(shù)據(jù)采集測(cè)控系統(tǒng)，保證光照、數(shù)據(jù)采集時(shí)間的精確性，采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性，配合自住開發(fā)的上位機(jī)軟件，能夠真實(shí)的、實(shí)時(shí)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(shí)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(jí)延遲發(fā)光測(cè)定儀主要有光子探測(cè)儀器、主處理器設(shè)備、生物光子監(jiān)測(cè)軟件組成。通過(guò)上位機(jī)設(shè)置通訊參數(shù)、光源照射時(shí)間、AD采樣時(shí)間，微處理器按照上位機(jī)設(shè)置的參數(shù)控制流過(guò)生物光源的電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)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(hào)，電信號(hào)經(jīng)放大模塊轉(zhuǎn)換為AD所能識(shí)別的電信號(hào)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(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電壓值，并在繪圖區(qū)繪制該點(diǎn)坐標(biāo)，完成一個(gè)小周期的采集、轉(zhuǎn)換、顯示，如此循環(huán)，直到測(cè)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(qiáng)度的時(shí)域分析。 3.單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 光子探測(cè)儀器 光子探測(cè)儀器采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)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(hào)，從而成功實(shí)現(xiàn)了延遲熒光采集由對(duì)射光到鏡面光的改進(jìn)，大大提高了采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性，Y型光纖嵌入到探測(cè)器內(nèi)，有效地避免了光纖使用過(guò)程中因挪動(dòng)、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(wèn)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(cè)器生物光源提供周期性的電流，同時(shí)完成對(duì)微弱電信號(hào)的放大、采集轉(zhuǎn)換，并為各部分工作提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，保證各部分的控制時(shí)間精度達(dá)到微秒級(jí)，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(cè)軟件 為了便于研究人員對(duì)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(cè)軟件，該軟件和毫秒延遲發(fā)光測(cè)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(duì)操作人員的要求，該軟件可以實(shí)時(shí)顯示、繪制每一時(shí)刻的光子電壓，時(shí)間精確到1ms，根據(jù)操作人員的實(shí)驗(yàn)需要系統(tǒng)設(shè)置6個(gè)檔位的測(cè)量時(shí)間和5個(gè)檔位的測(cè)量電壓供選擇，測(cè)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(hào)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(shí)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(wú)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(cè)器工作環(huán)境必須為暗室，強(qiáng)光下操作會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部感光模塊損壞； 2）不要用手觸摸探測(cè)器窗口，窗上的灰塵污垢會(huì)造成透光損失； 3）產(chǎn)品設(shè)有獨(dú)立的安全接地端子，并標(biāo)有安全接地符號(hào)。 4.6 輸入電流：≤1.5A（AC）； 4.7 整機(jī)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(guó)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(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 植物的延遲熒光中蘊(yùn)含著豐富的生命信息，對(duì)延遲發(fā)光的探測(cè)、分析與解讀在揭示生命運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)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(qiáng)的應(yīng)用前景。 鑒于此，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種以特定波長(zhǎng)LED作為激勵(lì)光源的毫秒級(jí)延遲發(fā)光測(cè)定儀，將LED激勵(lì)光源、單光子計(jì)數(shù)探測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路、智能控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組合為一體，通過(guò)上位機(jī)設(shè)置激勵(lì)光源光照時(shí)間、采樣時(shí)間，處理器精確控制各部分的執(zhí)行，保證時(shí)間精度達(dá)到1μs，使延遲發(fā)光重復(fù)性測(cè)量的精度大大提高，同時(shí)上位機(jī)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(shí)的數(shù)據(jù)支撐。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.使用特定波長(zhǎng)的LED作為生物激勵(lì)光源，光照時(shí)間控制精度達(dá)到微秒級(jí)，操作方便； 2.獨(dú)特的一體化設(shè)計(jì)，將光纖嵌入到探測(cè)器內(nèi)部，解決了光纖使用過(guò)程中易碎的問(wèn)題； 3．采用獨(dú)特的Y型光纖結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了延遲熒光的采集點(diǎn)由相對(duì)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(shí)時(shí)繪圖功能。 技術(shù)關(guān)鍵： 1.LED光源波長(zhǎng)的選擇； 2.激勵(lì)光源與單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 3.高精度時(shí)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(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)： 1.使用特定波長(zhǎng)的LED作為生物激勵(lì)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(jī)驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的的巨大噪音和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定對(duì)時(shí)間控制帶來(lái)的偏差，并使LED光源的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間精度達(dá)到微秒級(jí)，控制簡(jiǎn)單，精度較高； 2.獨(dú)特的探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，巧妙的將激勵(lì)光源與單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)融為一體，縮小了探測(cè)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(cè)器內(nèi)，成功的解決了傳統(tǒng)光纖使用過(guò)程中因挪動(dòng)、扭曲造成破碎的難題； 3.獨(dú)特的Y型光纖結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)光源與單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)分離的設(shè)計(jì)理念，成功實(shí)現(xiàn)了延遲熒光采集點(diǎn)由相對(duì)側(cè)到相同側(cè)的轉(zhuǎn)變，極大地提高了測(cè)量的精度與靈敏度； 4.高精度、高速數(shù)據(jù)采集、測(cè)控系統(tǒng)，保證了激勵(lì)光光照時(shí)間、數(shù)據(jù)采樣時(shí)間的精確性，采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性，配合自主開發(fā)的上位機(jī)軟件，能夠如實(shí)的、實(shí)時(shí)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(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明： 該儀器探測(cè)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(shí)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(guò)上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置包括通訊設(shè)置（端口號(hào)、波特率）、量程設(shè)置（量程選擇、測(cè)量時(shí)間t）、初始化設(shè)置（LED光照時(shí)間t1、采樣時(shí)間t2），點(diǎn)擊確定，完成系統(tǒng)設(shè)置。 點(diǎn)擊上位機(jī)開始按鍵，系統(tǒng)啟動(dòng)，開始工作。 直到測(cè)量時(shí)間到達(dá)設(shè)置的時(shí)間t,整個(gè)測(cè)量過(guò)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(shí)際需要選擇保存、刷新或關(guān)閉操作。 測(cè)量結(jié)束，取出樣品，關(guān)閉主控制器電源，蓋上探測(cè)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(chǎng)與經(jīng)濟(jì)效益： 目前各大高校和研究機(jī)構(gòu)都在致力于延遲發(fā)光領(lǐng)域的研究，相對(duì)國(guó)外進(jìn)口儀器價(jià)格便宜至少兩倍，而且性能更加完善，適宜在各大研究機(jī)構(gòu)普及推廣，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
同類課題研究水平概述
- 毫秒級(jí)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(guò)程息息相關(guān)，蘊(yùn)含著豐富的生命信息，并且對(duì)環(huán)境極為敏感。對(duì)毫秒延遲發(fā)光探測(cè)、分析與解讀，已經(jīng)展示出它在揭示生命運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)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(qiáng)度非常弱、且衰減很快，其采集涉及到外來(lái)激勵(lì)光的精確控制和微弱自體發(fā)光的實(shí)時(shí)測(cè)量，我國(guó)這方面的研究起步較晚，目前沒(méi)有相應(yīng)的儀器，而國(guó)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(jī)帶動(dòng)樣品前后兩個(gè)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)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(guò)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(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整光照時(shí)間以及光子采樣時(shí)間。這樣的結(jié)構(gòu)不僅會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲而且電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定時(shí)會(huì)影響數(shù)據(jù)測(cè)量的真實(shí)結(jié)果，很難保證采集和照射的時(shí)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(lì)光源和單光子采集系統(tǒng)在國(guó)外的儀器中常常是分開連接的，在激勵(lì)光源和單光子采集系統(tǒng)中需要很長(zhǎng)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(shí)在傳輸熒光時(shí)也會(huì)造成損耗；國(guó)外的儀器時(shí)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(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間分析和探索，對(duì)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(zhǎng)的LED燈代替雙重轉(zhuǎn)盤分離式光源作為樣品的激勵(lì)光源，使光源的關(guān)斷時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)，并且控制簡(jiǎn)單，精度高；第二,獨(dú)特的Y型光纖嵌入式結(jié)構(gòu)，解決了國(guó)外傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中光纖易碎的問(wèn)題，同時(shí)也把光纖傳輸過(guò)程中的熒光損耗降到最低，并成功實(shí)現(xiàn)了延遲熒光采集點(diǎn)由相對(duì)側(cè)到相同側(cè)的轉(zhuǎn)變；第三,激勵(lì)光源和單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，提高了測(cè)量的精度和靈敏度，使采集的數(shù)據(jù)更可靠，同時(shí)這樣獨(dú)特的設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)，能實(shí)時(shí)的被上位機(jī)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。
