一种水质毒性检测仪前置放大电路设计

叶姜瑜 重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆400045 三峡库区生态环境教育部重点实验室 (重庆大学),重庆400045

李书钺 (重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆400045)

陈 宇 (西南大学生命科学学院,重庆400715)

王 琳 (重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆400045)

采用发光细菌作为毒性测试指标的水质毒性检测仪,已经成为一种操作简便、结果可靠和耗费低的毒性检测仪器[1～3]。水质毒性检测仪将发光细菌所发出的光转化成电信号并将电信号予以放大输出,从而得到检测结果。但是,由于发光细菌发光微弱,经转化后得到的微弱电信号可能是微安级甚至是纳安级的电流,其最小值和最大值之间相差1000倍,其动态范围较大。为了对水质毒性检测仪输出的微弱电流信号进行处理和显示,必须首先将信号放大到所要求的强度,而前置放大电路是该类型水质毒性检测仪放大检测电路的核心[4]。为此,笔者设计了一种适用于水质毒性检测仪的前置放大电路,对其进行了模拟仿真,并采用发光细菌毒性监测方法验证其实用性。

1 设计思想

利用光电倍增管作为光电探测器,经分压电路设计,将微弱的光信号转化成电流信号输出时,其干扰源较为广泛,如基底电流、噪声干扰、工频干扰、极化电压等都会产生一定的干扰。由于干扰源的影响,水质毒性检测仪前置放大电路的放大倍数不宜过大,以免电信号被干扰信号淹没。后端电路要实现将光电倍增管的电流信号 (nA或μ A)转换为电压信号,并放大到0～5V,实现截止频率为30kHz的低通滤波。

2 光电探测器

根据发光细菌发光波长的范围,从灵敏度、幅度分辨率等方面综合考虑,选用滨松光子公司侧窗式R105光电倍增管作为光电探测器。该光电倍增管采用特殊设计的抗滞后结构,具有极好的输出稳定性。设计中对光电倍增管进行屏蔽,以防止干扰源对其干扰。根据设计要求,采用负高压电1000V供电,因为此时阴极暗电流输出较少、响应时间快。光电倍增管分压器回路设计中须选用温度特性良好的电阻,其精度要求在±5%,为达到耐压效果,要用有足够大额定功率的电阻,阻值一般约为100kΩ～1MΩ,设计中选择分压电阻为300kΩ。在分压器基板上焊接分压器回路时,基板要使用玻璃环氧制成的耐高压、漏电电流小的制品。信号输出线要尽可能短,最好采用同轴电缆或屏蔽线[5]。通常并联电容为0.002～0.05μ F,设计中取C1=C2=C3=0.01μ F,各个接地线独立接地,接地点互相分开,这样电流互不干扰,可以减少耦合噪声。光电倍增管分压电路设计图如图1所示。

图1 光电倍增管分压电路设计图

3 前置放大电路设计

3.1 前置放大器电路设计

光电倍增管的输出信号是电流信号,由于后接的信号处理系统是以电压信号为对象,所以应将电流信号转换成电压信号。利用高输入阻抗运算放大器构成前置放大器进行电流-电压转换的基本回路如图2所示。电路输出电压为:

由于运算放大器的放大倍数非常高,通常保持逆向输入端子的电位与非逆向输入端子的电位(接地电位)相同的条件下工作,因而运算放大器输出电压和R2两端发生的电压相同,实现电流-电压转换。光电倍增管阳极输出电流控制在1μ A以内可减缓其老化,因而反馈电阻的选择标准是使阳极的最大输出电流小于1μ A[6]。从整体考虑,本级输出最大电压为0.3V,反馈电阻为300kΩ。该设计选择TI公司生产的差动运算放大器OPA124,其噪声水平较低,最大偏置电流为1pA,最大偏置电压为250mV,常用于精密仪器设计。

此外,因为光电倍增管是加载高电压的电子管,为了保护运算放大器,设计有保护电阻R1。

3.2 中间同相比例放大器电路设计

通过中间同相比例放大,将前置放大器输出的正的电压信号放大约10倍。选择R3为10kΩ、R1为91kΩ、平衡电阻R4为9.1kΩ。放大倍数为10.1,输出电压为3.03V。中间同相比例放大器设计电路图如图3所示。

图2 前置放大器电路设计图

图3 中间同相比例放大器电路设计图

3.3 滤波电路的设计

为了加强滤波器滤除噪声的能力,笔者采用巴特沃斯低通滤波器。由于水质传感器的信号多为低频信号,因此可以将低通滤波器的截止频率设计的低一些。根据要达到的响应带宽的要求,选择Cf=30kHz、放大倍数为1.586来设计滤波器。巴特沃斯低通滤波器的归一化系数B=1.42,C=1.1,各元件的设计参数为C=0.33nF,R=16kΩ,R2=82kΩ,R1=51kΩ。输出电压为4.91V。低通滤波器电路设计图如图4所示。

图4 低通滤波器电路设计图

3.4 光电倍增管后端电路总体设计图

将上述三级电路相连,形成光电倍增管后端电路总体设计图,如图5所示。后端电路要实现将光电倍增管的电流信号 (nA或μ A)转换为电压信号,并放大到0～5V,实现截止频率为30kHz的低通滤波。

图5 光电倍增管后端电路总体设计图

4 电路仿真

4.1 直流仿真

为了测定设计电路的稳定点,在NI MULTISIM 10环境下对电路进行直流仿真,用-1μ A的电流源代表光电倍增管,第一级输出接通道一,其标准电压为1V;第二级输出接通道二,其标准电压为1V;第三级接通道三,其标准电压为2V。仿真结果如图6所示,1号线为第一级输出,其电压为0.3V,2号线为第二级输出,其电压为3.03V,3号线为第三级输出,其电压为4.91V,确定设计电路稳定点分别为0.3、3.03、4.91V。

4.2 交流仿真

为了验证其滤波效果,对其进行交流仿真。当输入电流为 1μ A,频率分别为 10、20、30、40、50和100kHz时,经交流仿真,输出电压分别为 4.95、4.57、3.42、2.2、1.46和0.327V,实现了截止频率为30kHz的低通滤波功能。交流仿真结果如图7～12所示。

图6 直流仿真结果图

图7 10kHz交流仿真结果

图8 20kHz交流仿真结果

图9 30kHz交流仿真结果

图10 40kHz交流仿真结果

图11 50kHz交流仿真结果

图12 100kHz交流仿真结果

5 试验与讨论

为了证明所设计电路的实用性,以明亮发光杆菌为测试菌种,以光电倍增管R105为光电探测器,采用所设计的前置放大电路,就PbCl2对明亮发光杆菌的毒性效应进行研究。发光细菌采用明亮发光杆菌T3变种,由中国科学院南京土壤研究所提供。笔者自制暗盒,菌种的培养基及培养方法见参考文献 [7]。数据采用origin 7.5处理软件处理,以相对发光度表示发光单位:

试验取用培养24h发光细菌菌液。用于测试的发光菌液与样本体积按1∶1混合,测试方法见参考文献 [8],测试3个平行试样 (包括蒸馏水对照),取其平均值。将试样放入自制暗盒中进行测试,绘制相对发光度与时间关系曲线,如图13所示。

由于发光细菌发光微弱,经转化后得到的是微弱电信号,可能是微安级甚至是纳安级的电流,所以必须首先将信号适度放大,并且要有效防止电信号被干扰信号淹没。根据试验设计要求,将电压信号放大到0～5V,实现截止频率为30kHz的低通滤波。从图 13可以看出,PbCl2对明亮发光杆菌的抑制作用随浓度的增加而加强。在PbCl2与明亮发光杆菌作用前20min,明亮发光杆菌发光不稳定,呈下降趋势,在20min后趋于平稳。从相对发光度的变化来看,该前置放大器放大倍数适中,有效防止电信号被干扰信号淹没。经放大的电压信号变化能够较好地反映PbCl2对明亮发光杆菌的抑制作用。通过上述试验表明,该前置放大电路的设计能够满足水质毒性检测仪的设计要求,且精度较为准确。

图13 PbCl2对明亮发光杆菌的毒性效应曲线图

6 结 语

设计的前置放大电路有效降低了干扰源对测量电路的影响,有较好的滤波作用。通过PbCl2对明亮发光杆菌的毒性效应验证试验得到较为理想的结果,说明该前置放大电路能够满足水质毒性检测仪的设计要求,可以很好地应用于水质毒性监测仪的研制中。

[1]Gu M B,Gil G C,Kim J H.A two-stage minibioreactor sy stem for continuous toxicity monito ring[J].Biosensors and Bioelectronics,1999,14(4):355～361.

[2]Horsburgh a M,Mardlin D P,Turner N L,et al.On-line microbial biosensing and fingerprinting of water pollutants[J].Biosensors and Bioelectronics,2002,17(6):495～501.

[3]Wong K Y,Zhang M Q,Li X M,etal.A luminescence-based scanning respirometer for heavy metal toxicity monitoring[J].Biosensors and Bioelectronics,1997,12(2):125～133.

[4]刘洋,杨威,王佩华,等.一种水质传感器前置放大电路设计与仿真[J].山西农业大学学报 (自然科学版),2008,28(3):342～345.

[5]张理兵,于海,刘敬彪.一种检测重金属毒性的光纤传感器系统的研究 [J].杭州电子科技大学学报,2007,27(1):9～12.

[6]尚丽平,张迪,马越超,等.便携式水质毒性快速检测仪的设计研究 [J].传感技术导报,2006,19(3):633～636.

[7]吴淑杭,周德平,徐亚同,等.二元农药混合物对发光细菌的联合毒性研究 [J].农业环境科学学报,2008,27(5):2028～2032.

[8]GB/T 15441-1995.水质急性毒性的测定:发光细菌法 [S].