摘 要：为满足ATP生物发光反应的检测需求，基于CS5532、以PMT(光电倍增管)为光电转换模块、用MSP430F1611为微处理器，设计了一套低噪声、高精度的检测系统，并采取软件标准线标定法对检测到的信号进行降噪处理，提高了精度，完全满足了对海水中ATP浓度在10-10 mol/L～10-8 mol/L数量级的检测。
关键词：MSP430F1611；三磷酸腺苷(ATP)；CS5532；PMT(光电倍增管)
深海微生物量的检测是深海生物圈研究的重要内容，对深海生态学研究具有重要意义。活细胞中ATP与有机碳的比率较稳定，通过测定样品中ATP的浓度就可以推算出微生物浓度[1]。ATP生物发光法检测微生物量浓度具有方法简单、检测周期短、灵敏度高、线性度高的特点。
海水中ATP的浓度介于10-11～10-7mol/L数量级之间，ATP生物发光反应光信号较微弱，具有短暂性、稳定性差、发光曲线呈类抛物线型、信号易被淹没的特点。因此，仪器必须满足以下要求：(1)噪声电压在0.01 mV左右；(2)ATP浓度大于10-9mol/L时，测量误差小于1%；(3)ATP浓度分辨率为10-11mol/L，即转换电压分辨率可达0.1 mV。
图1是仪器检测系统组成框图。根据上面的要求，相对于常规的检测系统，本仪器要具有超低噪声和高精度的特点。因此仪器要在对其噪声进行分析的基础上，选取低噪声器件，并采用软件标准线标定的方法降低噪声，提高精度。
1 仪器检测原理
ATP荧光检测法是利用ATP-虫荧光素酶发光体系。在ATP-虫荧光素酶生物发光体系中，当ATP浓度介于10-15mol/L～10-6mol/L范围内，荧光素-荧光素酶过量时，发光强度与ATP的浓度成正比[2]，[3]。反应中发光强度信号是随时间变化的抛物线，在反应到5 s左右时，发光强度最大，然后逐渐减低。仪器在ATP生物发光反应开始5 s后进行检测。
2 仪器检测系统设计
检测系统硬件主要由五部分组成(如图1)，即光电倍增管(PMT)、信号转换模块、电源管理模块、通信模块及微处理器。
(1)光电倍增管
光电倍增管具有高电流增益、高响应速度、极高灵敏度的特点，广泛应用于微弱光信号的检测。系统采用了滨松公司H7712-12型光电倍增管模块作为光电传感模块。整个模块包含一个感光直径为13 mm的光电倍增管以及一个Walton高压电源。模块中还包括一个高精度、低噪声的放大器。模块的光谱响应范围185 nm～900 nm，最大响应波长在600 nm(6.0×1010V/lm)，输出线性度±0.5%，暗电流在nA级，内部放大器放大倍数为0.1 V/μA。采用该光电倍增管模块可以满足降低噪声、提高精度的要求。
(2)信号采集转换模块
系统采用CIRRUS LOGIC公司的CS5532作为信号放大转换设备，信号采集转换模块原理图如图2。
CS5532是高集成度的ΔΣ模数转换器，由于运用了电荷平衡技术，其性能可以达到24 bit。该AD转换器适合过程控制、生化和医疗等应用领域的单、双极性小信号。CS5532内部有一个超低噪声的斩波稳定增益可编程放大器，噪声为
，线性误差0.0007% FS，无噪声最大分辨率可达23 bit，校准电压可选输入范围-5 mV～5 V，可选字速率7.5 Hz～3 840 Hz。
系统采用15 Hz的字速率、16倍增益，CS5532的典型RMS(有效位)噪声误差27 nV，无噪声分辨率为22 bit。
(3)其他模块
系统选用的微处理器是TI公司的MSP430F1611。MSP430通过MAX3222芯片把异步串口通信总线的逻辑电平转换为RS232信号电平与上位机（PC）通信，原理图如图3。
3 噪声分析
检测系统的噪声主要由光电倍增管、信号前置放大电路及模数转换器(ADC)三部分产生。
光电倍增管及信号前置放大电路的等效电路图如图4。
其中光电倍增管等效噪声电压Ea由(2)式得到[4～7]：
在没有荧光信号时进行了检测，结果如图5。
图5反映了上述干扰噪声信号以及PMT自身基底的综合情况。由图5可以看到，本系统的噪声电压在0.098 mV左右，设计对干扰和噪声的屏蔽能力较强。
4 软件优化设计及结果
要满足对深海ATP浓度的检测，系统必须具有高精度，对信号的微弱变化具有高灵敏度。系统采用了软件标准曲线法来提高检测精度。
系统采用标定法来对测得的电压值与ATP浓度进行换算。对一系列一定浓度的标准溶液进行检测，测得其转换电压值。标准液浓度分别是10-7、10-8、10-9、10-10、10-11mol/L，每次测量连续采集30组数据后取平均值。这些平均值对应着ATP荧光反应光信号转换的电压信号，将转换电压取对数得到数值称为相对转换值，该值作为纵轴，ATP浓度作为横轴，得到曲线如图6。由曲线可见，在一定范围内ATP浓度与转换电压之间有较好的线性关系,将该曲线作为标准曲线。图6为得到的标准曲线，转换电压值V与ATP浓度C分别取对数后的线性回归方程为lgV=2E+10lgC+0.6815，其相对关系系数为0.9963，具有较好的相关性。在软件中用标准曲线对测得的电压数据进行标定，从而提高ATP的浓度检测精度。
基于上述方法，在光电倍增管模块的光电增益为4×1014V/lm时，用系统对5种已知浓度的溶液进行ATP浓度测量，测得结果如表1。
由表1数据可知，本系统误差较小，平均约为0.13%，满足了对ATP生物发光反应的弱电信号的检测。
本检测系统检测方法简单、检测周期短、灵敏度高、噪声低、满足深海微生物量原位检测仪的要求。
参考文献
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