專利名稱：微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法與系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及微流控芯片光電檢測技術，尤其涉及微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法與裝置。
背景技術：
對于微流控芯片光電檢測技術而言，光源的穩定性直接影響傳感器檢測的精度， 光源光強在工作過程中會隨著溫度、電壓等因素的變化而變化，進一步導致光譜的基線發生漂移，從而使得檢測數據嚴重的失真。影響光源穩定性的因素有很多，光源電壓或電流的波動、電路元件的老化、外界雜光、環境溫度以及光源自身老化等等都可能造成光源的不穩定。而當光源的能量發生變化時，一般會導致檢測的背景基線發生嚴重的漂移，這一問題會使檢測結果嚴重失真，甚至直接導致多元校正模型失效。對于控制光源穩定性的方法，傳統方法采用“恒溫+恒流”技術來控制光源的穩定性，通過精密恒流源提供電流，同時用制冷器進行控溫，從而穩定光源的輸出光功率。這種方法能夠較好的保證高光源的穩定性，但該方法響應速度慢、靈活性及長期穩定性較差。另外，光源恒溫需要提供專門的溫控設備，在儀器設計上會對光路產生一定影響。專利申請號為200910153383. 5公開了一種高穩定度半導體激光光源穩定性控制系統，該方案是在底層硬件添加反饋電路直接控制光源功率， 采用光功率負反饋控制系統，控制的思想是把一切因素引起的光功率不穩定轉化為通過改變光源的端電壓使光功率保持穩定。這種方式簡化了光源穩定性的控制因素，具備反應直接、快速的特點，但是，對于光源穩定性要求很高的微流控芯片而言，即使微弱的光源波動也會造成較大的檢測數據失真。而供電電源的反饋調整過程并不能避免光源波紋的產生， 因此，無論用何種光源反饋控制方案，光源波紋的影響都是客觀存在的，難以做到真正意義上的補償。而且，傳統方法并不能補償光源由于長時間使用衰變造成的檢測數據失真問題。 此外，電路反饋策略由硬件實現，是一種固化的方式、靈活性較差、成本較高。
發明內容
本發明的目的是針對目前控制方案的不足，針對微流控芯片光電檢測的特殊性， 提出一種微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法與系統，能從電源及光源的微變檢測上直接補償最終的檢測結果，保證數據的檢測精度。本發明微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法的技術方案是采用如下步驟A、通過已知電源的電壓微變量、電流微變量以及溫度微變量建立吸光度瞬態變化檢測試驗，將吸光度瞬態變化檢測試驗結果連同電壓微變量、電流微變量以及溫度微變量作為輸入利用BP神經網絡算法在計算機中建立光譜瞬態微變預測模型；通過已知光源的工作總時間、單次工作時間建立吸光度穩態變化檢測試驗，將吸光度穩態變化檢測試驗結果連同工作總時間、單次工作時間作為輸入利用BP神經網絡算法在計算機中建立光譜穩態微變預測模型；B、將樣品放入微流控芯片的檢測區，設定光源的工作總時間以及單次工作起始時刻并開啟計時程序，光源發出的光通過入射狹縫匯聚到第一凹面鏡上反射和匯聚后投射到全息光柵上，由全息光柵色散成單色光再經第二凹面鏡匯聚和反射后從出射狹縫射出，經平面反射鏡反射到微流控芯片的檢測區的樣品上，再經過匯聚透鏡的匯聚后由光電倍增管接收，最后通過多路A/D轉換電路將原始光譜數據傳送至計算機；C、電壓、電流采樣電路將采集的精密恒流電源的電壓、電流的瞬態變化值通過多路A/D采樣電路傳輸給光譜瞬態微變預測模型；溫度采樣電路將實時采集的光源內的溫度瞬態變化值通過多路A/D 采樣電路傳輸給光譜瞬態微變預測模型；D、計算機通過光譜瞬態微變預測模型結合采集到的溫度、電流和電壓瞬態變化值計算出樣品吸光度檢測結果的光譜瞬態變量值；計算機通過光譜穩態微變預測模型調用光源的工作總時間以及單次工作時間計算出樣品吸光度檢測結果的光譜穩態微變量值；E、計算機將所述原始光譜數據減去所述光譜瞬態變量值以及所述光譜穩態微變量值，最終得到精確的吸光度數據。本發明微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償系統采用的技術方案是光源與精密恒流電源相連，在光源和微流控芯片之間依次是入射狹縫、第一凹面鏡、全息光柵、第二凹面鏡、出射狹縫及平面反射鏡；微流控芯片的檢測區處設置匯聚透鏡，匯聚透鏡前方是光電倍增管，光電倍增管的輸出與多路A/D轉換電路相連接，多路A/D轉換電路的輸出連接計算機；精密恒流電源分別與電壓采樣電路和電流采樣電路相連接，光源連接溫度采樣電路，溫度采樣電路、電壓采樣電路和電流采樣電路分別與多路A/D轉換電路相連接； 計算機內具有光譜瞬態微變預測模型和光譜穩態微變預測模型。本發明與已有方法和技術相比，具有如下優點
1、本發明所述的一種微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法，該方法通過人工神經網絡算法，將檢測精密恒流電源的瞬態微變電壓、微變電流及光源微變溫度與樣品光電檢測結果的數據進行反復訓練，將精密恒流電源的瞬態微變電壓、微變電流及光源微變溫度與樣品檢測的結果數據漂移之間的非線性關系建立光譜瞬態微變預測模型，然后再用建立好的光譜瞬態微變預測模型根據微變電壓、微變電流及光源微變溫度的大小對直接檢測出的包括波長和光強數據在內的光譜數據進行修正補償，從而保證最終光譜檢測數據精度的瞬態穩定性，解決了常規微流控芯片光電檢測時由于光源溫度、電源電壓或者電源電流的瞬態微變造成的檢測失真問題。2、本發明所述的一種微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法，該方法同樣通過人工神經網絡算法建立光譜穩態微變預測模型，即建立光源工作總時間以及單次工作時間與檢測結果微變非線性之間預測模型，利用光譜穩態微變預測模型對最終檢測出的光譜數據進行修正補償，從而保證最終光譜檢測數據精度的穩態穩定性，解決了常規微流控芯片光電檢測時由于光源以及電源長期使用造成的溫度、電壓或者電源電流的穩態微變而引起的檢測失真問題。3、本發明所述的一種微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法，該方法解決了傳統反饋式穩定光源方法所不能解決的由于微弱的光源波動造成檢測數據失真問題。4、本發明所述的一種微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法，該方法解決了常規檢測光源穩定方法中采用反饋硬件電路所帶來的方法可移植性差的問題。5、本發明所述的一種微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償系統，該系統無需附加任何常規光源穩定裝置中的反饋控制電路，只需要對光源設置瞬態溫度采集，對精密恒流電源設置瞬態電壓及電流采樣電路，并將瞬態采集結果傳送至計算機進行數據修正，其余部分和常規微流控芯片光電檢測裝置相同，大大簡化了電路的復雜度，同時也降低了成本，節省了能耗。6、本發明所述的一種微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償系統，該系統無需常規光源穩定裝置中得反饋控制電路，只需采集若干參數直接送至計算機進行數據修正，針對微流控芯片的檢測不同對象，通過改變數據修正的算法，可以靈活、有效地提高檢測精度。
圖1本發明微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償系統的結構示意圖2是圖1中基于人工神經網絡的光譜瞬態微變預測模型17與光譜穩態微變預測模型18的構建流程圖3是圖1中光譜瞬態微變預測模型17的工作流程圖； 圖4是圖1中光譜穩態微變預測模型18的工作流程圖5是圖1中微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法的一個具體實施例的工作流程圖。圖中1.精密恒流電源；2.光源；3.第一凹面鏡；4.第二凹面鏡；5.計算機；6.入射狹縫；7.溫度采樣電路；8.電壓采樣電路；9.電流采樣電路；10.平面反射鏡；11.微流控芯片；12.檢測區；13.匯聚透鏡；14.出射狹縫；15.光電倍增管；16.多路A/D轉換電路；17.光譜瞬態微變預測模型；18.光譜穩態微變預測模型；19.精確光譜數據；20.全息光柵；21.光譜穩態微變量；22.光譜瞬態微變量；23.原始光譜數據。
具體實施例方式參見圖1，圖1為本發明一種微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償裝置的結構示意圖。圖中光源2與精密恒流電源1相連，并由精密恒流電源1為光源2提供穩定的電壓和電流。在光源2和微流控芯片11之間依次是入射狹縫6、第一凹面鏡3、全息光柵20、第二凹面鏡4、出射狹縫14及平面反射鏡10。光源2的前方是入射狹縫6、入射狹縫6的前方是第一凹面鏡3、全息光柵20和第二凹面鏡4 ；第二凹面鏡4的前方是出射狹縫 14、出射狹縫14的前方是平面反射鏡10。光源2發出的光通過入射狹縫6匯聚到固定的第一凹面鏡3上，經第一凹面鏡3反射和匯聚后投射到全息光柵20上，全息光柵20色散成的單色光再經過第二凹面鏡4匯聚和反射后從出射狹縫14射出，出射狹縫14射出的單色光再經過平面反射鏡10反射到微流控芯片11的檢測區12上。在檢測區12處設置匯聚透鏡 13，匯聚透鏡13前方是光電倍增管15。從微流控芯片11的檢測區12的出射光經過匯聚透鏡13的匯聚后由光電倍增管15收集。光電倍增管15的輸出與多路A/D轉換電路16相連接，多路A/D轉換電路16的輸出連接計算機5。光電倍增管15收集到的模擬信號經過多路 A/D轉換電路16轉換為數字信號后傳送入計算機5。通過該條光路可將原始檢測的原始光譜數據23以及光譜微變量數據傳送至計算機5。精密恒流電源1分別與電壓采樣電路8和電流采樣電路9相連接。電壓采樣電路8和電流采樣電路9又分別與多路A/D轉換電路16相連接。精密恒流電源1通過電壓采樣電路8和電流采樣電路9將采集到的電壓微變信號和電流微變信號送入多路A/D轉換電路16，多路A/D轉換電路16將模擬電壓、電流微變信號轉換成數字信號送入計算機5，電壓、電流采樣電流8、9均為常用的開關穩壓電源電壓電流采樣電路。光源2與溫度采樣電路7相連接，溫度采樣電路7也與多路A/D轉換電路16相連接。光源2通過溫度采樣電路 7將采集到的模擬溫度微變信號送入多路A/D轉換電路16，多路A/D轉換電路16將模擬溫度微變信號轉換為數字信號送入計算機5。溫度采集電路7采用美國國家半導體公司(NS 公司)生產的LM35精密集成電路溫度傳感器，它的輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，因而 LM35優于用開爾文標準的線性溫度傳感器，LM35無需外部校準或微調來提供士 1/4°C的常用的溫度精度，在-55°C + 150°C溫度范圍內為士3/4°C，LM35的額定工作溫度范圍為-55°C + 150°C。計算機5內具有光譜瞬態微變預測模型17和光譜穩態微變預測模型 18。光譜瞬態微變預測模型17是采用人工神經網絡的方法將電源的電壓、電流以及溫度的瞬態變量與光譜的數據漂移量進行反復訓練基礎上建立的。光譜瞬態微變預測模型17能夠根據精密恒流電源1的電壓、電流的瞬態變量以及光源2溫度的瞬態變量計算出光譜瞬態微變量22。光譜穩態微變預測模型18同樣是是采用人工神經網絡方法將實驗測試光源 2由于長時間使用以及老化所造成衰態變化與檢測光譜數據微變量之間建立非線性預測關系，光譜穩態微變預測模型18能夠根據光源2的開通時間以及使用年限兩個參數計算出光譜的穩態微變量21。計算機5將原始光譜數據23減去光譜瞬態微變量22的值以及光譜穩態微變量值21最終得到精確光譜數據19。參見圖2的本發明基于人工神經網絡的光譜瞬態微變預測模型17與光譜穩態預測模型18的構建流程圖。建模前首先第一步需要進行大量的試驗得到待訓練的數據，光譜瞬態微變預測模型17的數據主要包括電源微變電壓量、微變電流量、微變溫度量(網絡輸入矩陣P)以及光譜瞬態微變量(目標輸出矩陣t)。光譜穩態微變預測模型18的數據主要包括光源使用年限、單次使用時間(網絡輸入矩陣P)以及光譜穩態微變量(目標輸出矩陣 t)。第二步將原始數據進行必要的預處理，以便模型可以更快地收斂。這里主要進行歸一化處理，即通過一定的線性變換將輸入和輸出數據統一限制在
或[_1，1]區間內。第三步是選擇合適的網絡結構，本發明采用BP神經網絡建立光譜微變量預測模型，網絡生成的同時，權值和閾值也被賦值。第四步是將處理后的數據輸入網絡，對網絡進行訓練。網絡訓練的過程，就是讓網絡“記憶”己知數據的過程，訓練后網絡可以建立網絡輸入(微變電壓量、微變電流量、微變溫度量)和目標輸出(光譜數據微變量)間的關系，并保存訓練好的網絡。第五步是對網絡進行仿真，這里用網絡輸入(微變電壓量、微變電流量、微變溫度量) 去仿真網絡，網絡會依據建立好的關系得到網絡輸出(光譜數據微變量)。第六步是計算網絡輸出和目標輸出的誤差，判斷如果誤差滿足要求，則模型建立結束，此時可采用該模型對光譜微變量預測模型；如果誤差不滿足要求，則需要重新調整網絡的結構，回到第四步中重新計算。參見圖3的本發明光譜瞬態微變預測模型17的工作流程圖。當微流控芯片11檢測工作開始后，由圖1中的電壓采樣電路8、電流采樣電路9以及溫度采樣電路7將實時采集到的電壓微變量、電流微變量以及溫度微變量通過多路A/D轉換電路16傳送給計算機5 內建立好的光譜瞬態微變預測模型17。光譜瞬態微變預測模型17輸出光譜瞬態變量值22。參見圖4的本發明光譜穩態微變預測模型18的工作流程圖。當微流控芯片11檢測工作開始時，首先設定好光源2的使用年限并啟動光源2的工作計時器，然后光譜穩態微變預測模型18根據光源2的使用年限數據并且從計時器實時調用光源2的工作時間作為輸入量進行計算，最終輸出光譜穩態微變量21。
參見圖1-5，其中圖5是以微流控芯片免疫凝集法濁度檢測法為例介紹本發明一種微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法的一個具體實施例。首先通過設置的已知電源電壓微變量、電流微變量以及溫度微變量建立吸光度瞬態變化檢測試驗，將檢測得到的試驗結果即吸光度微變數據連同電壓微變量、電流微變量以及溫度微變量作為輸入利用BP神經網絡算法建立光譜瞬態微變預測模型17。其次通過已知光源2的工作總時間、單次工作時間建立吸光度穩態變化檢測試驗，將檢測得到的試驗結果即吸光度微變數據連同光源2的工作總時間、單次工作時間利用BP神經網絡算法建立光譜穩態微變預測模型18。在計算機5中建立好光譜瞬態微變預測模型17以及建立光譜穩態微變預測模型 18之后便可用圖1所示的檢測系統進行微流控芯片的高精度吸光度檢測了。首先將樣品放入微流控芯片11的檢測區12，開啟光電檢測程序。之后設定光源2的工作總時間以及單次工作起始時刻并開啟計時程序。隨后光源2沿圖1所示光路傳播，通過光電倍增管15 接收，并通過多路A/D轉換電路16將原始光譜數據23傳送至計算機2。之后電壓、電流采樣電路8、9實時采集電源電壓、電流的瞬態變化，并將采集到的模擬信號通過多路A/D采樣電路16傳輸給計算機5的光譜瞬態微變預測模型17。溫度采樣電路7實時采集光源2內的溫度瞬態變化，并將采集到的模擬信號通過多路A/D采樣電路16傳輸給計算機5的光譜瞬態微變預測模型17。計算機5通過建立好的光譜瞬態微變預測模型17結合采集到的溫度、電流和電壓變化計算出樣品吸光度檢測結果的瞬態微變值，即光譜瞬態變量值22。計算機5利用建立好的光譜穩態微變預測模型18調用光源工作總時間以及單次工作時間參數來計算出樣品吸光度檢測結果的穩態微變值，即光譜穩態微變量值21。最后計算機5將原始光譜數據23減去光譜瞬態變量值22以及光譜穩態微變量值21最終得到精確光譜數據 19，即精確的吸光度數據。由于計算機5開啟光電檢測程序時同時開啟光譜瞬態微變預測模型17以及光譜穩態微變預測模型18，一旦光源2和精密恒流電源1發生微變后，計算機 5能夠及時利用光譜穩態微變預測模型18對最終檢測出的數據進行修正，從而保證了實時檢測數據的穩態穩定性和高精度。權利要求
1.一種微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法，其特征是采用如下步驟A、通過已知電源的電壓微變量、電流微變量以及溫度微變量建立吸光度瞬態變化檢測試驗，將吸光度瞬態變化檢測試驗結果連同電壓微變量、電流微變量以及溫度微變量作為輸入利用BP神經網絡算法在計算機(5)中建立光譜瞬態微變預測模型(17);通過已知光源的工作總時間、單次工作時間建立吸光度穩態變化檢測試驗，將吸光度穩態變化檢測試驗結果連同工作總時間、單次工作時間作為輸入利用BP神經網絡算法在計算機(5)中建立光譜穩態微變預測模型(18)；B、將樣品放入微流控芯片(11)的檢測區(12)，設定光源(2)的工作總時間以及單次工作起始時刻并開啟計時程序，光源(2)發出的光通過入射狹縫(6)匯聚到第一凹面鏡(3)上反射和匯聚后投射到全息光柵(20)上，由全息光柵(20)色散成單色光再經第二凹面鏡(4) 匯聚和反射后從出射狹縫(14)射出，經平面反射鏡(10)反射到微流控芯片(11)的檢測區 (12)的樣品上，再經過匯聚透鏡(13)的匯聚后由光電倍增管(15)接收，最后通過多路A/D 轉換電路(16 )將原始光譜數據(23 )傳送至計算機(2 )；C、電壓、電流采樣電路(8、9)將采集的精密恒流電源(1)的電壓、電流的瞬態變化值通過多路A/D采樣電路(16)傳輸給光譜瞬態微變預測模型(17);溫度采樣電路(7)將實時采集的光源(2)內的溫度瞬態變化值通過多路A/D采樣電路(16)傳輸給光譜瞬態微變預測模型(17)；D、計算機(5)通過光譜瞬態微變預測模型(17)結合采集到的溫度、電流和電壓瞬態變化值計算出樣品吸光度檢測結果的光譜瞬態變量值(22)；計算機(5)通過光譜穩態微變預測模型(18)調用光源(2)的工作總時間以及單次工作時間計算出樣品吸光度檢測結果的光譜穩態微變量值(21);E、計算機(5)將所述原始光譜數據(23 )減去所述光譜瞬態變量值(22 )以及所述光譜穩態微變量值(21 )，最終得到精確的吸光度數據。
2.一種實現權利要求1所述微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法的系統，光源(2)與精密恒流電源(1)相連，其特征是在光源(2)和微流控芯片(11)之間依次是入射狹縫(6)、第一凹面鏡(3)、全息光柵(20)、第二凹面鏡(4)、出射狹縫(14)及平面反射鏡(10)；微流控芯片(11)的檢測區(12)處設置匯聚透鏡(13)，匯聚透鏡(13)前方是光電倍增管(15)，光電倍增管(15)的輸出與多路A/D轉換電路(16)相連接，多路A/D轉換電路(16)的輸出連接計算機(5)；精密恒流電源(1)分別與電壓采樣電路(8)和電流采樣電路(9)相連接，光源(2)連接溫度采樣電路(7)，溫度采樣電路(7)、電壓采樣電路(8)和電流采樣電路(9 )分別與多路A/D轉換電路(16 )相連接；計算機(5 )內具有光譜瞬態微變預測模型(17)和光譜穩態微變預測模型(18)。
全文摘要
本發明公開一種微流控芯片光電檢測光源穩定性自動修正補償方法與系統，用BP神經網絡算法在計算機中建立光譜瞬態微變預測模型和光譜穩態微變預測模型；光源發出的光依次通過射狹縫、第一凹面鏡、全息光柵、第二凹面鏡、出射狹縫及平面反射鏡反射到微流控芯片的檢測區的樣品上，再經過匯聚透鏡的匯聚后由光電倍增管接收，最后通過多路A/D轉換電路將原始光譜數據傳送至計算機；計算機將原始光譜數據減去光譜瞬態變量值以及光譜穩態微變量值得到精確的吸光度數據；簡化了電路的復雜度，節省了能耗，只需采集若干參數直接送至計算機進行數據修正，針對微流控芯片的檢測不同對象，通過改變數據修正的算法，可以靈活、有效地提高檢測精度。
文檔編號G01N21/01GK102519878SQ20111041389
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者張榮標, 徐長琴, 楊寧 申請人:江蘇大學