一种微弱荧光信号检测电路制造技术

本发明专利技术公开了一种微弱荧光信号检测电路，包括光电转换电路、电流/电压转换及调制电路、同向交流放大电路、数控旋转电容滤波电路、检波滤波电路、调零电路和程控直流放大电路，光电转换电路将荧光信号转换为直流电流信号，电流/电压转换及调制电路输出交流电压信号，同相交流放大电路将交流电压信号放大，数控旋转电容滤波电路输出交流滤波电压信号，检波滤波电路输出窄带差频直流电压信号，调零电路输出调零直流电压信号输出，程控直流放大电路输出模拟电压信号；优点是可以消除光电转换电路的暗电流，抑制光电转换电路的内部噪声以及低频噪声对微弱荧光信号的干扰，且可以进一步降低荧光信号的检测下限，提高检测灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种微弱荧光信号检测电路
本专利技术涉及一种检测电路，尤其是涉及一种微弱荧光信号检测电路。
技术介绍
荧光检测技术是应用于生物学、分析化学、地理勘探及环境监测等领域一种常用的信号检测技术。该技术利用某些物质(或被激发后)所诱发出的可反映出该物质特性的荧光，对荧光进行定性或定量检测和分析，从而确定被测物的状况。现有的荧光信号检测电路中用来获取荧光信号器件主要有光电二极管和硅光电倍增管。由于检测物质被激发后所诱发出的荧光极其微弱，光电二极管的检测灵敏度较低，如由光电二极管实现荧光信号获取，其转换得到的对应电流信号在fA～pA级。因此，采用光电二极管难以对微弱荧光信号实现有效检测。虽然硅光电倍增管具有很高的检测灵敏度，但是其具有较大的暗电流和低频噪声，暗电流和抑制噪声会对荧光信号造成干扰，故此采用硅光电倍增管来获取微弱荧光信号的荧光信号检测电路的其他功能模块需要能够提高信号的信噪比和检测精度。文献1(董鸣,殷高方,赵南京,覃志松,赵山,马明俊,肖雪.微弱荧光信号高灵敏大动态范围检测技术及应用[J].量子电子学报,2018,35(04):395-401)提出了一种荧光信号检测电路。如图1所示，该荧光信号检测电路包括光电倍增管、可变增益放大电路、积分放大电路和反相放大电路。光电倍增管将荧光信号转化为电流信号，电流信号经过可变增益放大器实现一级放大，并能够根据电流信号强度自动调节增益模式；可变增益放大电路的输出信号通过积分放大器实现二级同步放大，并对荧光脉冲区域和非荧光脉冲区域的积分结果作减法运算，从背景光中提取出荧光信号；积分放大电路输出信号经过反相放大器反相后被ADC采集。其中可变增益放大电路由电阻网络(R3、R4、R5、R6和CMOS多路模拟开关S1)、负反馈回路(运算放大器U1、反馈电阻R2、相位补偿电容C1)组成，通过单片机输出高低电平控制电阻网络的导通状态，以改变可变增益；积分放大电路由高精密低噪声积分器组成，内可外接积分电容C2，两路微秒量级脉冲可控开关S2、S3，积分时间根据微弱荧光的脉冲特性编程设置，对可变增益的输出信号进行同步积分放大；反相放大电路由髙精密运放U3和电阻R9组成负反馈回路组成，增加积分放大器的输出信号相位，反相放大的输出信号通过ADC输入单片机。结果表明该荧光信号检测电路的最低检测电流为0.09μA，动态检测范围为0.09μA～0.21mA。由此，该荧光信号检测电路的检测下限较高，动态范围较窄，无法检测出pA级电流甚至fA级电流，检测灵敏度并不高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可以消除光电转换电路的暗电流，抑制光电转换电路的内部噪声以及低频噪声对微弱荧光信号的干扰，且可以进一步降低荧光信号的检测下限，提高检测灵敏度的微弱荧光信号检测电路。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种微弱荧光信号检测电路，包括光电转换电路、电流/电压转换及调制电路、同向交流放大电路、数控旋转电容滤波电路、检波滤波电路、调零电路和程控直流放大电路，所述的光电转换电路用于将被检测物质发出的荧光信号转换为低频的pA～nA级的直流电流信号输出，所述的电流/电压转换及调制电路用于将所述的光电转换电路输出的直流电流信号先转换为直流电压信号后，然后将直流电压信号进行放大后采用调制方式实现频谱搬移得到交流电压信号输出，所述的同相交流放大电路用于将所述的电流/电压转换及调制电路输出的交流电压信号进行交流放大后输出交流放大电压信号，所述的数控旋转电容滤波电路用于滤除所述的同相交流放大电路输出的交流放大电压信号中的频带外噪声并提高信噪比后输出交流滤波电压信号，所述的检波滤波电路用于对所述的交流滤波电压信号进行解调处理后输出窄带差频直流电压信号，所述的调零电路用于消除所述的检波滤波电路输出的窄带差频直流电压信号中的暗电流，得到调零直流电压信号输出，所述的程控直流放大电路用于对所述的调零电路输出的调零直流电压信号放大为模数转换器能够采集的模拟电压信号输出。所述的光电转换电路包括硅光电倍增管、第一电阻和第一电容，所述的第一电阻的一端接入工作电压，所述的第一电阻的另一端、所述的第一电容的一端和所述的硅光电倍增管的阳极连接，所述的第一电容的另一端接地，所述的硅光电倍增管的阴极为所述的光电转换电路的输出端，用于输出低频的pA～nA级的直流电流信号。所述的电流/电压转换及调制电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一二选一模拟开关、第二二选一模拟开关、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，所述的第一运算放大器和所述的第二运算放大器分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第一二选一模拟开关和所述的第二二选一模拟开关分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，所述的第二电阻的一端、所述的第三电阻的一端和所述的第一运算放大器的反相输入端连接且其连接端为所述的电流/电压转换及调制电路的输入端，用于接入所述的光电转换电路输出的直流电流信号，所述的第二电阻的另一端和所述的第一二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第三电阻的另一端和所述的第一二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第一二选一模拟开关的公共端、所述的第一运算放大器的输出端、所述的第四电阻的一端和所述的第二二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第一运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第一运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源，所述的第一运算放大器的同相输入端接地，所述的第四电阻的另一端、所述的第五电阻的一端和所述的第二运算放大器的反相输入端连接，所述的第二运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第二运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源，所述的第二运算放大器的同相输入端接地，所述的第五电阻的另一端、所述的第二运算放大器的输出端和所述的第二二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第二二选一模拟开关的公共端为所述的电流/电压转换及调制电路的输出端，用于输出交流电压信号；所述的第二电阻的阻值小于所述的第三电阻的阻值，所述的第一二选一模拟开关的选择端用于接入第一选择信号，所述的第一选择信号为高电平或者低电平，当所述的第一选择信号为高电平时，所述的第一二选一模拟开关的公共端和第二选择端导通，当所述的第一选择信号为低电平时，所述的第一二选一模拟开关的公共端和第一选择端导通，通过所述的第一选择信号选择将所述的第二电阻或者所述的第三电路接入电阻，实现所述的光电转换电路输出的直流电流信号放大倍数的选择，所述的第二二选一模拟开关的选择端接入第一TTL信号，所述的第一TTL信号的频率为1kHz，当所述的第一TTL信号为高电平时，所述的第二二选一模拟开关的公共端与其第一选择端导通，当所述的第一TTL信号为低电平时，所述的第二二选一模拟开关的公共端与其第二选择端导通。该电流/电压转换及调制电路采用基于运算放大器的的I/V转换电路实现电流到电压之间的转换，同时采用TTL信号控制第二二选一模拟电子开关进行信号的双极性调制，实现频谱搬移，不但电路结构简单，而且信号的调制效率高。所述的同相交流放大电路包括第三运算放大器、第六电阻、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于包括光电转换电路、电流/电压转换及调制电路、同向交流放大电路、数控旋转电容滤波电路、检波滤波电路、调零电路和程控直流放大电路，所述的光电转换电路用于将被检测物质发出的荧光信号转换为低频的pA～nA级的直流电流信号输出，所述的电流/电压转换及调制电路用于将所述的光电转换电路输出的直流电流信号先转换为直流电压信号后，然后将直流电压信号进行放大后采用调制方式实现频谱搬移得到交流电压信号输出，所述的同相交流放大电路用于将所述的电流/电压转换及调制电路输出的交流电压信号进行交流放大后输出交流放大电压信号，所述的数控旋转电容滤波电路用于滤除所述的同相交流放大电路输出的交流放大电压信号中的频带外噪声并提高信噪比后输出交流滤波电压信号，所述的检波滤波电路用于对所述的交流滤波电压信号进行解调处理后输出窄带差频直流电压信号，所述的调零电路用于消除所述的检波滤波电路输出的窄带差频直流电压信号中的暗电流，得到调零直流电压信号输出，所述的程控直流放大电路用于对所述的调零电路输出的调零直流电压信号放大为模数转换器能够采集的模拟电压信号输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于包括光电转换电路、电流/电压转换及调制电路、同向交流放大电路、数控旋转电容滤波电路、检波滤波电路、调零电路和程控直流放大电路，所述的光电转换电路用于将被检测物质发出的荧光信号转换为低频的pA～nA级的直流电流信号输出，所述的电流/电压转换及调制电路用于将所述的光电转换电路输出的直流电流信号先转换为直流电压信号后，然后将直流电压信号进行放大后采用调制方式实现频谱搬移得到交流电压信号输出，所述的同相交流放大电路用于将所述的电流/电压转换及调制电路输出的交流电压信号进行交流放大后输出交流放大电压信号，所述的数控旋转电容滤波电路用于滤除所述的同相交流放大电路输出的交流放大电压信号中的频带外噪声并提高信噪比后输出交流滤波电压信号，所述的检波滤波电路用于对所述的交流滤波电压信号进行解调处理后输出窄带差频直流电压信号，所述的调零电路用于消除所述的检波滤波电路输出的窄带差频直流电压信号中的暗电流，得到调零直流电压信号输出，所述的程控直流放大电路用于对所述的调零电路输出的调零直流电压信号放大为模数转换器能够采集的模拟电压信号输出。


2.根据权利要求1所述的一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于所述的光电转换电路包括硅光电倍增管、第一电阻和第一电容，所述的第一电阻的一端接入工作电压，所述的第一电阻的另一端、所述的第一电容的一端和所述的硅光电倍增管的阳极连接，所述的第一电容的另一端接地，所述的硅光电倍增管的阴极为所述的光电转换电路的输出端，用于输出低频的pA～nA级的直流电流信号。


3.根据权利要求1所述的一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于其特征在于所述的电流/电压转换及调制电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一二选一模拟开关、第二二选一模拟开关、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，所述的第一运算放大器和所述的第二运算放大器分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第一二选一模拟开关和所述的第二二选一模拟开关分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，所述的第二电阻的一端、所述的第三电阻的一端和所述的第一运算放大器的反相输入端连接且其连接端为所述的电流/电压转换及调制电路的输入端，用于接入所述的光电转换电路输出的直流电流信号，所述的第二电阻的另一端和所述的第一二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第三电阻的另一端和所述的第一二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第一二选一模拟开关的公共端、所述的第一运算放大器的输出端、所述的第四电阻的一端和所述的第二二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第一运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第一运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源，所述的第一运算放大器的同相输入端接地，所述的第四电阻的另一端、所述的第五电阻的一端和所述的第二运算放大器的反相输入端连接，所述的第二运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第二运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源，所述的第二运算放大器的同相输入端接地，所述的第五电阻的另一端、所述的第二运算放大器的输出端和所述的第二二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第二二选一模拟开关的公共端为所述的电流/电压转换及调制电路的输出端，用于输出交流电压信号；所述的第二电阻的阻值小于所述的第三电阻的阻值，所述的第一二选一模拟开关的选择端用于接入第一选择信号，所述的第一选择信号为高电平或者低电平，当所述的第一选择信号为高电平时，所述的第一二选一模拟开关的公共端和第二选择端导通，当所述的第一选择信号为低电平时，所述的第一二选一模拟开关的公共端和第一选择端导通，通过所述的第一选择信号选择将所述的第二电阻或者所述的第三电路接入电阻，实现所述的光电转换电路输出的直流电流信号放大倍数的选择，所述的第二二选一模拟开关的选择端接入第一TTL信号，所述的第一TTL信号的频率为1kHz，当所述的第一TTL信号为高电平时，所述的第二二选一模拟开关的公共端与其第一选择端导通，当所述的第一TTL信号为低电平时，所述的第二二选一模拟开关的公共端与其第二选择端导通。


4.根据权利要求1所述的一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于所述的同相交流放大电路包括第三运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二电容和第三电容，所述的第三运算放大器具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第二电容的一端为所述的同相交流放大电路的输入端，用于接入所述的电流/电压转换及调制电路输出的交流电压信号，所述的第二电容的另一端、所述的第六电阻的一端和所述的第三运算放大器的同相输入端连接，所述的第六电阻的另一端接地，所述的第三电容的一端接地，所述的第三电容的另一端和所述的第七电阻的一端连接，所述的第七电阻的另一端、所述的第八电阻的一端和所述的第三运算放大器的反相输入端连接，所述的第八电阻的另一端和所述的第三运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的同相交流放大电路的输出端，用于输出交流放大电压信号，所述的第三运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第三运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源。


5.根据权利要求1所述的一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于所述的数控旋转电容滤波电路包括第四运算放大器、第四电容、第九电阻、第十电阻、数字电位器、第三二选一模拟开关和第四二选一模拟开关，所述的第四运算放大器具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的数字电位器具有高端、抽头端和低端，所述的第三二选一模拟开关和所述的第四二选一模拟开关分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，所述的第九电阻的一端为所述的数控旋转电容滤波电路的输入端，用于接入所述的同相交流放大电路输出的交流放大电压信号，所述的第九电阻的另一端、所述的第四运算放大器的反相输入端和所述的三二选一模拟开关的公共端连接，所述的三二选一模拟开关的第一选择端、所述的数字电位器的高...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡振德，谢建军，肖凤明，邬杨波，金庆辉，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33