CN110095446B - 一种便携式双通道时间分辨荧光装置 - Google Patents

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Abstract

一种便携式双通道时间分辨荧光装置，包括光路模块、LED驱动电路模块、荧光信号检测电路模块、数据通信模块、嵌入式主控模块及电源模块；光路模块用于传递激发光和荧光，提高射入样品的激发光强度，以及提高到达硅光电二极管的荧光强度以及缩短光程；LED驱动电路模块用于产生光脉冲和调整LED光强的大小；荧光信号检测电路模块用于检测pA级的荧光信号电流；数据通信模块提供USB、UART两种通讯模式；嵌入式主控模块用于LED的恒流调节与光脉冲控制，荧光信号的时域检测控制及荧光强度信号数据的处理及传输工作；本发明提供的便携式双通道时间分辨荧光装置，具有小型化、低成本、模块化的优点，单次采样即可满足精度要求，大大缩短了检测时间。

Description

一种便携式双通道时间分辨荧光装置
技术领域
本发明涉及免疫分析技术的生物检测领域，尤其涉及一种便携式双通道时间分辨荧光装置。
背景技术
时间分辨荧光分析法(Time-Resolved Fluorescence Immunoassay，TRFIA)于20世纪80年代被提出，降低了样品中干扰，极大地提高了分析的灵敏度。与其他免疫分析法相比，TRFIA技术有如下优点：灵敏度高、稳定性好、特异性强、标准曲线范围宽、不受背景荧光干扰、非放射性等优点，非常适用于医学、生物学、环境学上的超微量分析。随着研究的深入，该技术不断被医院、科研机构等采用。目前，TRFIA技术在国外已被广泛用于临床检测，其应用场景也在不断扩展，如免疫组织化学、微阵列，多标记免疫分析等。
中国专利及论文文献中现有的时间分辨荧光免疫分析装置的设计方案与本发明存在区别。例如，专利号：CN201711029384.X，名称：《小型全自动时间分辨荧光免疫分析仪》以及专利号：CN201310674089.5，名称：《全自动时间分辨荧光分析装置及使用方法》提供的方案都是全自动高通量仪器，一次检测多个样本，从机械结构到程序设计思路都与本发明不一样，无法做到真正的小型化，本发明是一次进行单个样本检测，并且不存在丝杆、导轨等结构；专利号：CN201711260928.3，名称：《一种用于时间分辨荧光测试的支架》提供的仅是装置的测试支架结构设计，且其激发光和发射光角度由外部控制增加了不定因素，本发明不仅包含结构设计也包含硬件电路和程序设计，同时，两者的结构设计也不一样，本发明的光路结构是固定的，不能进行角度变换控制；专利号：CN201110354794.8，名称：《时间分辨荧光***》采用的光学模块为积分球式和氙灯，无法实现真正的小型化，而本发明采用单双通道检测方法，不仅提高激发光和荧光的强度也缩短了光程，两者的整个实际设计方案并不相同；专利号：CN201610379774.9，名称：《一种时间分辨荧光检测方法》提供的是一种检测方法而非仪器；专利号：CN201610116392.7，名称：《光电探测***及时间分辨荧光免疫分析仪》所述的光路模块只有一个光源，且样品和光源同侧致使整个光路结构与本发明不一样，本发明的双通道检测采用双侧光源激发，并在光源上方设有参考紫外光电二极管进行光强大小的调节；论文：《340nm pulsed UV LED system for europium based time-resolved fluorescence detection of immunoassays》中的主体光路与本发明相似，但其仅为单通道检测不包含双通道检测，且两者参考紫外光电二极管的放置位置不同，调节电流的方法也因此而不同，动态调节范围不同；论文：《Toward sensitive,quantitativepoint-of-care testing(POCT)of protein markers:miniaturization of ahomogeneous time-resolved fluoroimmunoassay for prostate-specific antigendetection》与《A novel luminescence analyser for europium chelates using solid-state excitation and a gated photomultiplier》采用的激发光源与检测元件都与本发明不同，其采用激光器和光电倍增管，虽然功率和检测精度高，但是增加了成本和占用空间。
目前商用化TRFIA分析仪主要以高通量、超高灵敏度的中大型仪器为主，便携式甚至手持式的产品极少，不利于POCT即时检测。同时，大型TRFIA分析仪所使用的光源为氙灯或激光，功耗大且成本高。因此，手持式的TRFIA分析仪仍然有很大的研究价值和市场空间，且随着个性化医疗理念的推广，其市场将更为广阔。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明的目的在于提出一种便携式双通道时间分辨荧光装置，在保证灵敏度的情况下实现低成本与小型化，采用紫外发光二极管UV-LED作为激发光源，检测模块更换为硅光电二极管PD，使其提高了灵敏度的情况下，也降低了成本；小型化体现在模块小型化、光路小型化与电路小型化，模块小型化是指采用纯光路的方式进行双通道采集，取代了电机带动光学模块的方式来切换采集通道，同时，创新性地提出了基于荧光激发-衰减模型与脉冲LED驱动电路的多点采样拟合法，以及通过数学模型找出了MOSFET的最优工作区间，并优化了LED恒流驱动与脉冲控制方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种便携式双通道时间分辨荧光装置，包括光路模块1、LED驱动电路模块2、荧光信号检测电路模块3、数据通信模块4、嵌入式主控模块5和为前述除光路模块1之外的所有模块进行供电的电源模块6；
所述的光路模块1用于将LED驱动电路模块2的激发光传递照射到样品，提高射入样品的激发光强度；将激发出的荧光传递到荧光信号检测电路模块3的硅光电二极管PD8上，提高到达硅光电二极管PD8的荧光强度以及缩短光程；
所述的LED驱动电路模块2对UV-LED12进行驱动产生光脉冲，并调整光强大小，然后通过光路模块1的光路传递UV-LED12激发光，用于激发稀土螯合物，并使荧光落在较大的量程内；
所述的荧光信号检测电路模块3灵敏度高，用于检测通过光路模块1传递到硅光电二极管PD 8的pA级的荧光信号电流，且具有1MHz左右的信号输入带宽，以及较低的失调电流；
所述的数据通信模块4将数据进行标准化封装以便于多种上位机(PC机嵌入式***)传递数据指令控制嵌入式主控模块5，通过USB、UART两种通讯模式将嵌入式主控模块5处理后的荧光检测数据传输到上位机进行显示；
所述的嵌入式主控模块5用于完成对LED驱动电路模块2的LED进行恒流调节与光脉冲控制；对荧光信号检测电路模块3的时域检测控制，以及对荧光信号检测电路模块3检测到的荧光强度信号数据进行后续处理及传输工作；对数据通信模块4传递的控制指令进行操作，并通过数据通信模块4向上位机传递检测数据。
所述的电源模块6满足各级电路的供电要求。
所述的光路模块1包含单通道检测光路和双通道检测光路，所述单通道检测光路为第一UV-LED12-1输出一束激发光先经第一Rf-PD 7-1调整输出光通量，然后激发光经过第一组合透镜13-1平行射在第一二向色镜9-1上，激发光反射后经过第一平凸透镜11-1聚光于检测对象中进行激发，激发出的荧光经过第一平凸透镜11-1形成平行光经过50％分光镜15射入第一二向色镜9-1，透射后经过第二平凸透镜11-2聚光在第一硅光电二极管PD8-1上进行荧光检测；
所述双通道检测光路是指两侧的第一UV-LED12-1、第二UV-LED12-2各输出一束激发光经两侧的第一Rf-PD 7-1、第二Rf-PD 7-2调整光通量后，分别射入第一组合透镜13-1和第二组合透镜13-2，成为平行光经各第一二向色镜9-1、第二二向色镜9-2分别进行反射，其中一束反射光透过50％分光镜15，另一束反射光经下方的反射镜14反射在50％分光镜15后再次反射，此时两束光重合经第一平凸透镜11-1会聚于检测对象中进行荧光激发，激发出的荧光经过第一平凸透镜11-1后一束荧光透过50％分光镜15和第一二向色镜9-1经第二平凸透镜11-2直接会聚于第一个通道的第一硅光电二极管PD8-1进行荧光检测，另一束荧光在50％分光镜15和反射镜14上反射后透过第二二向色镜9-2经第三平凸透镜11-3后直接会聚于第二个通道的第二硅光电二极管PD8-2进行荧光检测。
所述第一组合透镜13-1和第二组合透镜13-2结构相同，第二组合透镜13-2由第四平凸透镜11-4、第五平凸透镜11-5同方向紧靠，其平面一侧对着第二UV-LED12-2的凸面，第二UV-LED12-2放置于第二组合透镜13-2的物方焦点处；所述第二UV-LED12-2波段范围为395-405nm；所述第四平凸透镜11-4、第五平凸透镜11-5为K9；所述第一二向色镜9-1、第二二向色镜9-2的型号为FF506-Di03，在350-400低频波段表现良好。
所述的第一UV-LED12-1、第二UV-LED12-2斜上方各放置了一个第一Rf-PD 7-1、第二Rf-PD 7-2，能够通过LED驱动电路模块2调整UV-LED12的输出光通量，避免UV-LED12由于老化或工艺差异引起的***误差。
所述的LED驱动电路模块2采用PID软件反馈控制器实现电流调节，栅源极电压VGS可实现0～3.3V范围的调控，能关断UV-LED12。LED驱动电路模块2为荧光激发检测的最前端，整个LED驱动过程可分为恒流调节与光脉冲控制。恒流调节能够调整UV-LED12光强的大小，使荧光落在较大的量程内；光脉冲控制产生光脉冲，用于激发稀土螯合物；所述LED驱动电路模块2采用CSD15571Q2芯片，该MOSFET在4.2V电源的供电下，恒流驱动功率为3W的UV-LED12，并且保持较低的发热功率，DAC电压输出的动态范围为1.45～2.25V。在LED照明时间短，温升忽略的情况下，LED驱动***近似为时不变因果***，进行开环控制UV-LED12，进一步缩短LED光脉冲的脉宽。UV-LED12的调光利用查表法进行，建立一张DAC跳变设定值与UV-LED12电流关系表来进行人工标定UV-LED12的电流，随后通过查表法控制UV-LED12。根据实测，得到每个档位下所测得电流与参考PD8测得的UV-LED12相对光强图。UV-LED12电流在0～0.8A范围内时，MOSFET始终工作在饱和区域，参照图3；UV-LED12电流与光通量基本呈线性关系，参照图4，即UV-LED12灌入电流与UV-LED12的光功率基本呈线性关系。
所述的荧光信号检测电路模块3采用双运放放大电路和硅光电二极管PD8，检测方法为脉冲法，所述双运放放大电路用于扩展带宽和降低该电路的输出电阻与输出噪声；所述硅光电二极管PD8用于光信号检测时作为电流信号源，采取零偏获得最优的线性关系。由于嵌入式主控模块5的主控芯片上的片内ADC的输入信号通常为电压信号，所以使用电流-电压转换电路将硅光电二极管PD8输出的电流信号转换为电压信号后再输出。荧光信号检测电路模块3的最大输出电压为2.048V，光电二极管PD8的最大光电流约为2.56uA。所述的荧光信号检测电路模块3所能实现的稳定带宽为0.65MHz，由反馈RF、放大器的增益带宽积fc(65MHz)和放大器输入端的总电容CIN决定。
所述的数据通信模块4采用的与外部通讯的方式有CAN与串口；所述CAN主要用于与嵌入式***通信；所述串口用于与PC机通信，两种通讯方式所用的数据结构为联合体中的结构体。
所述的嵌入式主控模块5采用的主控芯片为STM32F405RGT6，使用片上DAC，所用的控制算法主要有PID控制器与多点采样数据拟合法。PID控制器为增量式PID，用于UV-LED12调光，其数据结构采用结构体的形式，参数中另增了输出最大值与输出最小值，以对输出加以限制。增量式PID的表达式为Δuk＝uk-uk-1＝Aek+Bek-1+Cek-2，其中
Figure GDA0003017717860000061
Figure GDA0003017717860000062
k——采用序号；T——两次采样间的间隔。因此只需用KP，Ki和Kd确定A、B、C这三个参数后，并获得连续三组测量偏差值，即可得到控制量。
所述的多点采样数据拟合法通过计算能够推求衰减方程中的两个参数：相对荧光强度与荧光寿命。多点采样数据拟合法包括步骤：
S1、荧光浓度与荧光检测强度之间有
Figure GDA0003017717860000063
对其两边取自然对数可得
Figure GDA0003017717860000064
其中αC即为t＝0时刻的相对荧光强度。
S2、对所采得的数据取自然对数后，进行一元线性回归分析，能够得到荧光寿命与相对初始荧光强度。
S3、使用最小二乘法对转换后的数据进行拟合，其中ei为样本(Xi,Yi)的误差，
Figure GDA0003017717860000065
与
Figure GDA0003017717860000066
表示需拟合的参数。存在关系式
Figure GDA0003017717860000067
式中：ei——样本(Xi,Yi)的误差；
Figure GDA0003017717860000068
——拟合参数1；
Figure GDA0003017717860000069
——拟合参数2。因此误差ei可表示为：
Figure GDA00030177178600000610
则平方损失函数可表示为式5-9，其中Q为残差平方和，得到
Figure GDA00030177178600000611
当Q值最小时，所确定的直线即为最佳拟合直线。Q关于两个待估参数的偏导数方程为：
Figure GDA00030177178600000612
求解上式，可求得
Figure GDA00030177178600000613
与
Figure GDA00030177178600000614
为：
Figure GDA00030177178600000615
即可完成数据拟合，得到荧光寿命与t＝0时刻的相对荧光强度，并求出荧光衰减方程。
有益效果
本发明实施例提供的便携式双通道时间分辨荧光装置，弥补了对比技术的不足，具体具有如下优点：
(1)使用电流峰值加电流脉宽的双自由度调光法；
(2)单次采样即可满足精度要求，可大大缩短采样时间；
(3)测控模块实现了小型化、低成本、模块化；
(4)荧光光强变异系数CV<3.4％，荧光寿命变异系数CV<5.8％；
(5)以Eu(TTA)3phen荧光探针为检测对象，检测限<0.185mg/L。
附图说明
表1为本发明实施例的利用查表法的DAC设定值与LED灌入电流测定表；
图1为本发明的便携式双通道时间分辨荧光装置的模块示意图；
图2为本发明的便携式双通道时间分辨荧光装置的内部结构图；
图3为本发明实施例的利用查表法的DAC设定值与LED1灌入电流关系图；
图4为本发明实施例的利用查表法的LED1灌入电流与相对光强关系图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种便携式双通道时间分辨荧光装置，包括光路模块1、LED驱动电路模块2、荧光信号检测电路模块3、数据通信模块4、嵌入式主控模块5和为前述除光路模块1之外的所有模块进行供电的电源模块6；
所述的光路模块1用于将LED驱动电路模块2的激发光传递照射到样品，提高射入样品的激发光强度；将激发出的荧光传递到荧光信号检测电路模块3的硅光电二极管PD8上，提高到达硅光电二极管PD8的荧光强度以及缩短光程；
所述的LED驱动电路模块2对UV-LED12进行驱动产生光脉冲，并调整光强大小，然后通过光路模块1的光路传递UV-LED12激发光，用于激发稀土螯合物，并使荧光落在较大的量程内；
所述的荧光信号检测电路模块3灵敏度高，用于检测通过光路模块1传递到硅光电二极管PD8的pA级的荧光信号电流，且具有1MHz左右的信号输入带宽，以及较低的失调电流；
所述的数据通信模块4将数据进行标准化封装以便于多种上位机(PC机嵌入式***)传递数据指令控制嵌入式主控模块5，可通过USB、UART两种通讯模式将嵌入式主控模块5处理后的荧光检测数据传输到上位机进行显示；
所述的嵌入式主控模块5用于对LED驱动电路模块2的LED进行恒流调节与光脉冲控制；对荧光信号检测电路模块3的时域检测控制，以及对荧光信号检测电路模块3检测到的荧光强度信号数据进行后续处理及传输工作；对数据通信模块4传递的控制指令进行操作，并通过数据通信模块4向上位机传递检测数据。
所述的电源模块6满足各级电路的供电要求。
所述的光路模块1包含单通道检测光路和双通道检测光路，所述单通道检测光路为第一UV-LED12-1输出一束激发光先经第一Rf-PD 7-1调整输出光通量，然后激发光经过第一组合透镜13-1平行射在第一二向色镜9-1上，激发光反射后经过第一平凸透镜11-1聚光于检测对象中进行激发，激发出的荧光经过第一平凸透镜11-1形成平行光经过50％分光镜15射入第一二向色镜9-1，透射后经过第二平凸透镜11-2聚光在第一硅光电二极管PD8-1上进行荧光检测；
所述双通道检测光路是指两侧的第一UV-LED12-1、第二UV-LED12-2各输出一束激发光经两侧的第一Rf-PD 7-1、第二Rf-PD 7-2调整光通量后，分别射入第一组合透镜13-1和第二组合透镜13-2，成为平行光经各第一二向色镜9-1、第二二向色镜9-2分别进行反射，其中一束反射光透过50％分光镜15，另一束反射光经下方的反射镜14反射在50％分光镜15后再次反射，此时两束光重合经第一平凸透镜11-1会聚于检测对象中进行荧光激发，激发出的荧光经过第一平凸透镜11-1后一束荧光透过50％分光镜15和第一二向色镜9-1经第二平凸透镜11-2直接会聚于第一个通道的第一硅光电二极管PD8-1进行荧光检测，另一束荧光在50％分光镜15和反射镜14上反射后透过第二二向色镜9-2经第三平凸透镜11-3后直接会聚于第二个通道的第二硅光电二极管PD8-2进行荧光检测。
所述第一组合透镜13-1和第二组合透镜13-2结构相同，第二组合透镜13-2由第四平凸透镜11-4、第五平凸透镜11-5同方向紧靠，其平面一侧对着第二UV-LED12-2的凸面，第二UV-LED12-2放置于第二组合透镜13-2的物方焦点处；所述第二UV-LED12-2波段范围为395-405nm；所述第四平凸透镜11-4、第五平凸透镜11-5为K9；所述第一二向色镜9-1、第二二向色镜9-2的型号为FF506-Di03，在350-400低频波段表现良好。所述的第一UV-LED12-1、第二UV-LED12-2斜上方各放置了一个第一Rf-PD 7-1、第二Rf-PD 7-2，能够通过LED驱动电路模块2调整UV-LED12的输出光通量，避免UV-LED12由于老化或工艺差异引起的***误差。
所述的LED驱动电路模块2采用PID软件反馈控制器实现电流调节，栅源极电压VGS可实现0～3.3V范围的调控，能关断UV-LED12。LED驱动电路模块2为荧光激发检测的最前端，整个LED驱动过程可分为恒流调节与光脉冲控制。恒流调节能够调整UV-LED12光强的大小，使荧光落在较大的量程内；光脉冲控制产生光脉冲，用于激发稀土螯合物；所述LED驱动电路模块2采用CSD15571Q2芯片，该MOSFET在4.2V电源的供电下，恒流驱动功率为3W的UV-LED12，并且保持较低的发热功率，DAC电压输出的动态范围为1.45～2.25V。在LED照明时间短，温升忽略的情况下，LED驱动***近似为时不变因果***，进行开环控制UV-LED12，进一步缩短LED光脉冲的脉宽。UV-LED12的调光利用查表法进行，建立一张DAC跳变设定值与UV-LED12电流关系表来进行人工标定UV-LED12的电流，随后通过查表法控制UV-LED12，参照表1，
表1
Figure GDA0003017717860000091
Figure GDA0003017717860000101
根据实测，得到每个档位下所测得电流与参考PD8测得的UV-LED12相对光强图。UV-LED12电流在0～0.8A范围内时，MOSFET始终工作在饱和区域，参照图3；UV-LED12电流与光通量基本呈线性关系，参照图4，即UV-LED12灌入电流与UV-LED12的光功率基本呈线性关系。
所述的荧光信号检测电路模块3采用双运放放大电路和硅光电二极管PD8，检测方法为脉冲法，所述双运放放大电路用于扩展带宽和降低该电路的输出电阻与输出噪声；所述硅光电二极管PD8用于光信号检测时作为电流信号源，采取零偏获得最优的线性关系。由于嵌入式主控模块5的主控芯片上的片内ADC的输入信号通常为电压信号，所以使用电流-电压转换电路将硅光电二极管PD8输出的电流信号转换为电压信号后再输出。荧光信号检测电路模块3的最大输出电压为2.048V由ADS8328的参考电压决定)，光电二极管PD8的最大光电流约为2.56uA。所述的荧光信号检测电路模块3所能实现的稳定带宽为0.65MHz，由反馈RF、放大器的增益带宽积fc65MHz)和放大器输入端的总电容CIN决定。
所述的数据通信模块4采用的与外部通讯的方式有CAN与串口；所述CAN主要用于与嵌入式***通信；所述串口用于与PC机通信，两种通讯方式所用的数据结构为联合体中的结构体。
所述的嵌入式主控模块5采用的主控芯片为STM32F405RGT6，使用片内DAC，所用的控制算法主要有PID控制器与多点采样数据拟合法。PID控制器为增量式PID，用于UV-LED12调光，其数据结构采用结构体的形式，参数中另增了输出最大值与输出最小值，以对输出加以限制。增量式PID的表达式为Δuk＝uk-uk-1＝Aek+Bek-1+Cek-2，其中
Figure GDA0003017717860000102
Figure GDA0003017717860000103
k——采用序号；T——两次采样间的间隔。因此只需用KP，Ki和Kd确定A、B、C这三个参数后，并获得连续三组测量偏差值，即可得到控制量。
电源模块6外接电源为5V，经TLV62084降压转换器供给各电路4.2V电压，经LP5907稳压器和RT9193稳压器供给运放电路3.3V电压。所述电源模块的电源类型涉及了线性电源、电荷泵与开关电源。
所述的多点采样数据拟合法弥补了传统检测法的采样时间长的问题，通过计算能够推求衰减方程中的两个参数：相对荧光强度与荧光寿命。多点采样数据拟合法包括步骤：
S1、荧光浓度与荧光检测强度之间有
Figure GDA0003017717860000111
对其两边取自然对数可得
Figure GDA0003017717860000112
其中αC即为t＝0时刻的相对荧光强度。
S2、对所采得的数据取自然对数后，进行一元线性回归分析，能够得到荧光寿命与相对初始荧光强度。
S3、使用最小二乘法对转换后的数据进行拟合，其中ei为样本(Xi,Yi)的误差，
Figure GDA0003017717860000113
与
Figure GDA0003017717860000114
表示需拟合的参数。存在关系式
Figure GDA0003017717860000115
式中：ei——样本(Xi,Yi)的误差；
Figure GDA0003017717860000116
——拟合参数1；
Figure GDA0003017717860000117
——拟合参数2。因此误差ei可表示为：
Figure GDA0003017717860000118
则平方损失函数可表示为式5-9，其中Q为残差平方和，得到
Figure GDA0003017717860000119
当Q值最小时，所确定的直线即为最佳拟合直线。Q关于两个待估参数的偏导数方程为：
Figure GDA00030177178600001110
求解上式，可求得
Figure GDA00030177178600001111
与
Figure GDA00030177178600001112
为：
Figure GDA00030177178600001113
即可完成数据拟合，得到荧光寿命与t＝0时刻的相对荧光强度，并求出荧光衰减方程。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本职脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种便携式双通道时间分辨荧光装置，其特征在于，包括光路模块(1)、LED驱动电路模块(2)、荧光信号检测电路模块(3)、数据通信模块(4)、嵌入式主控模块(5)和为前述除光路模块(1)之外的所有模块进行供电的电源模块(6)；
所述的光路模块(1)用于将LED驱动电路模块(2)的激发光传递照射到样品，提高射入样品的激发光强度；将激发出的荧光传递到荧光信号检测电路模块(3)的硅光电二极管PD(8)上，提高到达硅光电二极管PD(8)的荧光强度以及缩短光程；
所述的LED驱动电路模块(2)对UV-LED(12)进行驱动产生光脉冲，并调整光强大小，然后通过光路模块(1)的光路传递UV-LED(12)激发光，用于激发稀土螯合物，并使荧光落在较大的量程内；
所述的荧光信号检测电路模块(3)用于检测通过光路模块(1)传递到硅光电二极管PD(8)的pA级的荧光信号电流，且具有1MHz左右的信号输入带宽，以及较低的失调电流；
所述的数据通信模块(4)将数据进行标准化封装以便于多种上位机传递数据指令控制嵌入式主控模块(5)，通过USB、UART两种通讯模式将嵌入式主控模块(5)处理后的荧光检测数据传输到上位机进行显示；
所述的嵌入式主控模块(5)用于完成对LED驱动电路模块(2)的LED进行恒流调节与光脉冲控制；对荧光信号检测电路模块(3)的时域检测控制，以及对荧光信号检测电路模块(3)检测到的荧光强度信号数据进行后续处理及传输工作；对数据通信模块(4)传递的控制指令进行操作，并通过数据通信模块(4)向上位机传递检测数据；
所述的光路模块(1)包含单通道检测光路和双通道检测光路，所述单通道检测光路为第一UV-LED(12-1)输出一束激发光先经第一Rf-PD(7-1)调整输出光通量，然后激发光经过第一组合透镜(13-1)平行射在第一二向色镜(9-1)上，激发光反射后经过第一平凸透镜(11-1)聚光于检测对象中进行激发，激发出的荧光经过第一平凸透镜(11-1)形成平行光经过50％分光镜(15)射入第一二向色镜(9-1)，透射后经过第二平凸透镜(11-2)聚光在第一硅光电二极管PD(8-1)上进行荧光检测；
所述双通道检测光路是指两侧的第一UV-LED(12-1)、第二UV-LED(12-2)各输出一束激发光经两侧的第一Rf-PD(7-1)、第二Rf-PD(7-2)调整光通量后，分别射入第一组合透镜(13-1)和第二组合透镜(13-2)，成为平行光经各第一二向色镜(9-1)、第二二向色镜(9-2)分别进行反射，其中一束反射光透过50％分光镜(15)，另一束反射光经下方的反射镜(14)反射在50％分光镜(15)后再次反射，此时两束光重合经第一平凸透镜(11-1)会聚于检测对象中进行荧光激发，激发出的荧光经过第一平凸透镜(11-1)后一束荧光透过50％分光镜(15)和第一二向色镜(9-1)经第二平凸透镜(11-2)直接会聚于第一个通道的第一硅光电二极管PD(8-1)进行荧光检测，另一束荧光在50％分光镜(15)和反射镜(14)上反射后透过第二二向色镜(9-2)经第三平凸透镜(11-3)后直接会聚于第二个通道的第二硅光电二极管PD(8-2)进行荧光检测。
2.根据权利要求1所述的一种便携式双通道时间分辨荧光装置，其特征在于，所述第一组合透镜(13-1)和第二组合透镜(13-2)结构相同，第二组合透镜(13-2)由第四平凸透镜(11-4)、第五平凸透镜(11-5)同方向紧靠，其平面一侧对着第二UV-LED(12-2)的凸面，第二UV-LED(12-2)放置于第二组合透镜(13-2)的物方焦点处；所述第二UV-LED(12-2)波段范围为395-405nm；所述第四平凸透镜(11-4)、第五平凸透镜(11-5)为K9；所述第一二向色镜(9-1)、第二二向色镜(9-2)的型号为FF506-Di03。
3.根据权利要求1所述的一种便携式双通道时间分辨荧光装置，其特征在于，所述的第一UV-LED(12-1)、第二UV-LED(12-2)斜上方各放置了一个第一Rf-PD(7-1)、第二Rf-PD(7-2)，能够通过LED驱动电路模块(2)调整UV-LED(12)的输出光通量，避免UV-LED(12)由于老化或工艺差异引起的***误差。
4.根据权利要求1所述的一种便携式双通道时间分辨荧光装置，其特征在于，所述的LED驱动电路模块(2)采用PID软件反馈控制器实现电流调节，栅源极电压VGS实现0～3.3V范围的调控，能关断UV-LED(12)；LED驱动电路模块(2)为荧光激发检测的最前端，整个LED驱动过程可分为恒流调节与光脉冲控制；恒流调节能够调整UV-LED(12)光强的大小，使荧光落在较大的量程内；光脉冲控制产生光脉冲，用于激发稀土螯合物；所述LED驱动电路模块(2)采用CSD15571Q2芯片，CSD15571Q2芯片在4.2V电源的供电下，恒流驱动功率为3W的UV-LED(12)，并且保持较低的发热功率，DAC电压输出的动态范围为1.45～2.25V；在LED照明时间短，温升忽略的情况下，LED驱动***近似为时不变因果***，进行开环控制UV-LED(12)，进一步缩短LED光脉冲的脉宽；UV-LED(12)的调光利用查表法进行，建立一张DAC跳变设定值与UV-LED(12)电流关系表来进行人工标定UV-LED(12)的电流，随后通过查表法控制UV-LED(12)。
5.根据权利要求1所述的一种便携式双通道时间分辨荧光装置，其特征在于，所述的荧光信号检测电路模块(3)采用双运放放大电路和硅光电二极管PD(8)，检测方法为脉冲法，所述双运放放大电路用于扩展带宽和降低该电路的输出电阻与输出噪声；所述硅光电二极管PD(8)用于光信号检测时作为电流信号源，采取零偏获得最优的线性关系；使用电流-电压转换电路将硅光电二极管PD(8)输出的电流信号转换为电压信号后再输出；荧光检测电路模块(3)的最大输出电压为2.048V，硅光电二极管PD(8)的最大光电流为2.56uA；所述的荧光信号检测电路模块(3)所能实现的稳定带宽为0.65MHz，由反馈RF、放大器的增益带宽积fc和放大器输入端的总电容CIN决定。
6.根据权利要求1所述的一种便携式双通道时间分辨荧光装置，其特征在于，所述的数据通信模块(4)采用的与外部通讯的方式有CAN与串口；所述CAN主要用于与嵌入式***通信；所述串口用于与PC机通信，两种通讯方式所用的数据结构为联合体中的结构体。
7.根据权利要求1所述的一种便携式双通道时间分辨荧光装置，其特征在于，所述的嵌入式主控模块(5)采用的主控芯片为STM32F405RGT6，使用片上DAC，所用的控制算法有PID控制器与多点采样数据拟合法；PID控制器为增量式PID，用于UV-LED(12)调光。
8.根据权利要求7所述的一种便携式双通道时间分辨荧光装置，其特征在于，所述的多点采样数据拟合法包括步骤：
S1、荧光浓度与荧光检测强度之间有
Figure FDA0003017717850000041
对其两边取自然对数可得
Figure FDA0003017717850000042
其中αC即为t＝0时刻的相对荧光强度；
S2、对所采得的数据取自然对数后，进行一元线性回归分析，能够得到荧光寿命与相对初始荧光强度；
S3、使用最小二乘法对转换后的数据进行拟合，其中ei为样本(Xi,Yi)的误差，
Figure FDA0003017717850000043
与
Figure FDA0003017717850000044
表示需拟合的参数；存在关系式
Figure FDA0003017717850000045
式中：ei——样本(Xi,Yi)的误差；
Figure FDA0003017717850000046
——拟合参数1；
Figure FDA0003017717850000047
——拟合参数2；因此误差ei表示为：
Figure FDA0003017717850000048
则平方损失函数用Q表示，其中Q为残差平方和，得到
Figure FDA0003017717850000049
当Q值最小时，所确定的直线即为最佳拟合直线；Q关于两个待估参数的偏导数方程为：
Figure FDA00030177178500000410
求解上式，可求得
Figure FDA00030177178500000411
与
Figure FDA00030177178500000412
为：
Figure FDA00030177178500000413
即可完成数据拟合，得到荧光寿命与t＝0时刻的相对荧光强度，并求出荧光衰减方程。
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