专利名称：微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法与系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及微流控芯片光电检测技术，尤其涉及微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法与装置。
背景技术：
对于微流控芯片光电检测技术而言，光源的稳定性直接影响传感器检测的精度， 光源光强在工作过程中会随着温度、电压等因素的变化而变化，进一步导致光谱的基线发生漂移，从而使得检测数据严重的失真。影响光源稳定性的因素有很多，光源电压或电流的波动、电路元件的老化、外界杂光、环境温度以及光源自身老化等等都可能造成光源的不稳定。而当光源的能量发生变化时，一般会导致检测的背景基线发生严重的漂移，这一问题会使检测结果严重失真，甚至直接导致多元校正模型失效。对于控制光源稳定性的方法，传统方法采用“恒温+恒流”技术来控制光源的稳定性，通过精密恒流源提供电流，同时用制冷器进行控温，从而稳定光源的输出光功率。这种方法能够较好的保证高光源的稳定性，但该方法响应速度慢、灵活性及长期稳定性较差。另外，光源恒温需要提供专门的温控设备，在仪器设计上会对光路产生一定影响。专利申请号为200910153383. 5公开了一种高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统，该方案是在底层硬件添加反馈电路直接控制光源功率， 采用光功率负反馈控制系统，控制的思想是把一切因素引起的光功率不稳定转化为通过改变光源的端电压使光功率保持稳定。这种方式简化了光源稳定性的控制因素，具备反应直接、快速的特点，但是，对于光源稳定性要求很高的微流控芯片而言，即使微弱的光源波动也会造成较大的检测数据失真。而供电电源的反馈调整过程并不能避免光源波纹的产生， 因此，无论用何种光源反馈控制方案，光源波纹的影响都是客观存在的，难以做到真正意义上的补偿。而且，传统方法并不能补偿光源由于长时间使用衰变造成的检测数据失真问题。 此外，电路反馈策略由硬件实现，是一种固化的方式、灵活性较差、成本较高。
发明内容
本发明的目的是针对目前控制方案的不足，针对微流控芯片光电检测的特殊性， 提出一种微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法与系统，能从电源及光源的微变检测上直接补偿最终的检测结果，保证数据的检测精度。本发明微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法的技术方案是采用如下步骤A、通过已知电源的电压微变量、电流微变量以及温度微变量建立吸光度瞬态变化检测试验，将吸光度瞬态变化检测试验结果连同电压微变量、电流微变量以及温度微变量作为输入利用BP神经网络算法在计算机中建立光谱瞬态微变预测模型；通过已知光源的工作总时间、单次工作时间建立吸光度稳态变化检测试验，将吸光度稳态变化检测试验结果连同工作总时间、单次工作时间作为输入利用BP神经网络算法在计算机中建立光谱稳态微变预测模型；B、将样品放入微流控芯片的检测区，设定光源的工作总时间以及单次工作起始时刻并开启计时程序，光源发出的光通过入射狭缝汇聚到第一凹面镜上反射和汇聚后投射到全息光栅上，由全息光栅色散成单色光再经第二凹面镜汇聚和反射后从出射狭缝射出，经平面反射镜反射到微流控芯片的检测区的样品上，再经过汇聚透镜的汇聚后由光电倍增管接收，最后通过多路A/D转换电路将原始光谱数据传送至计算机；C、电压、电流采样电路将采集的精密恒流电源的电压、电流的瞬态变化值通过多路A/D采样电路传输给光谱瞬态微变预测模型；温度采样电路将实时采集的光源内的温度瞬态变化值通过多路A/D 采样电路传输给光谱瞬态微变预测模型；D、计算机通过光谱瞬态微变预测模型结合采集到的温度、电流和电压瞬态变化值计算出样品吸光度检测结果的光谱瞬态变量值；计算机通过光谱稳态微变预测模型调用光源的工作总时间以及单次工作时间计算出样品吸光度检测结果的光谱稳态微变量值；E、计算机将所述原始光谱数据减去所述光谱瞬态变量值以及所述光谱稳态微变量值，最终得到精确的吸光度数据。本发明微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿系统采用的技术方案是光源与精密恒流电源相连，在光源和微流控芯片之间依次是入射狭缝、第一凹面镜、全息光栅、第二凹面镜、出射狭缝及平面反射镜；微流控芯片的检测区处设置汇聚透镜，汇聚透镜前方是光电倍增管，光电倍增管的输出与多路A/D转换电路相连接，多路A/D转换电路的输出连接计算机；精密恒流电源分别与电压采样电路和电流采样电路相连接，光源连接温度采样电路，温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路分别与多路A/D转换电路相连接； 计算机内具有光谱瞬态微变预测模型和光谱稳态微变预测模型。本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点
1、本发明所述的一种微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法，该方法通过人工神经网络算法，将检测精密恒流电源的瞬态微变电压、微变电流及光源微变温度与样品光电检测结果的数据进行反复训练，将精密恒流电源的瞬态微变电压、微变电流及光源微变温度与样品检测的结果数据漂移之间的非线性关系建立光谱瞬态微变预测模型，然后再用建立好的光谱瞬态微变预测模型根据微变电压、微变电流及光源微变温度的大小对直接检测出的包括波长和光强数据在内的光谱数据进行修正补偿，从而保证最终光谱检测数据精度的瞬态稳定性，解决了常规微流控芯片光电检测时由于光源温度、电源电压或者电源电流的瞬态微变造成的检测失真问题。2、本发明所述的一种微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法，该方法同样通过人工神经网络算法建立光谱稳态微变预测模型，即建立光源工作总时间以及单次工作时间与检测结果微变非线性之间预测模型，利用光谱稳态微变预测模型对最终检测出的光谱数据进行修正补偿，从而保证最终光谱检测数据精度的稳态稳定性，解决了常规微流控芯片光电检测时由于光源以及电源长期使用造成的温度、电压或者电源电流的稳态微变而引起的检测失真问题。3、本发明所述的一种微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法，该方法解决了传统反馈式稳定光源方法所不能解决的由于微弱的光源波动造成检测数据失真问题。4、本发明所述的一种微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法，该方法解决了常规检测光源稳定方法中采用反馈硬件电路所带来的方法可移植性差的问题。5、本发明所述的一种微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿系统，该系统无需附加任何常规光源稳定装置中的反馈控制电路，只需要对光源设置瞬态温度采集，对精密恒流电源设置瞬态电压及电流采样电路，并将瞬态采集结果传送至计算机进行数据修正，其余部分和常规微流控芯片光电检测装置相同，大大简化了电路的复杂度，同时也降低了成本，节省了能耗。6、本发明所述的一种微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿系统，该系统无需常规光源稳定装置中得反馈控制电路，只需采集若干参数直接送至计算机进行数据修正，针对微流控芯片的检测不同对象，通过改变数据修正的算法，可以灵活、有效地提高检测精度。
图1本发明微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿系统的结构示意图2是图1中基于人工神经网络的光谱瞬态微变预测模型17与光谱稳态微变预测模型18的构建流程图3是图1中光谱瞬态微变预测模型17的工作流程图； 图4是图1中光谱稳态微变预测模型18的工作流程图5是图1中微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法的一个具体实施例的工作流程图。图中1.精密恒流电源；2.光源；3.第一凹面镜；4.第二凹面镜；5.计算机；6.入射狭缝；7.温度采样电路；8.电压采样电路；9.电流采样电路；10.平面反射镜；11.微流控芯片；12.检测区；13.汇聚透镜；14.出射狭缝；15.光电倍增管；16.多路A/D转换电路；17.光谱瞬态微变预测模型；18.光谱稳态微变预测模型；19.精确光谱数据；20.全息光栅；21.光谱稳态微变量；22.光谱瞬态微变量；23.原始光谱数据。
具体实施例方式参见图1，图1为本发明一种微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿装置的结构示意图。图中光源2与精密恒流电源1相连，并由精密恒流电源1为光源2提供稳定的电压和电流。在光源2和微流控芯片11之间依次是入射狭缝6、第一凹面镜3、全息光栅20、第二凹面镜4、出射狭缝14及平面反射镜10。光源2的前方是入射狭缝6、入射狭缝6的前方是第一凹面镜3、全息光栅20和第二凹面镜4 ；第二凹面镜4的前方是出射狭缝 14、出射狭缝14的前方是平面反射镜10。光源2发出的光通过入射狭缝6汇聚到固定的第一凹面镜3上，经第一凹面镜3反射和汇聚后投射到全息光栅20上，全息光栅20色散成的单色光再经过第二凹面镜4汇聚和反射后从出射狭缝14射出，出射狭缝14射出的单色光再经过平面反射镜10反射到微流控芯片11的检测区12上。在检测区12处设置汇聚透镜 13，汇聚透镜13前方是光电倍增管15。从微流控芯片11的检测区12的出射光经过汇聚透镜13的汇聚后由光电倍增管15收集。光电倍增管15的输出与多路A/D转换电路16相连接，多路A/D转换电路16的输出连接计算机5。光电倍增管15收集到的模拟信号经过多路 A/D转换电路16转换为数字信号后传送入计算机5。通过该条光路可将原始检测的原始光谱数据23以及光谱微变量数据传送至计算机5。精密恒流电源1分别与电压采样电路8和电流采样电路9相连接。电压采样电路8和电流采样电路9又分别与多路A/D转换电路16相连接。精密恒流电源1通过电压采样电路8和电流采样电路9将采集到的电压微变信号和电流微变信号送入多路A/D转换电路16，多路A/D转换电路16将模拟电压、电流微变信号转换成数字信号送入计算机5，电压、电流采样电流8、9均为常用的开关稳压电源电压电流采样电路。光源2与温度采样电路7相连接，温度采样电路7也与多路A/D转换电路16相连接。光源2通过温度采样电路 7将采集到的模拟温度微变信号送入多路A/D转换电路16，多路A/D转换电路16将模拟温度微变信号转换为数字信号送入计算机5。温度采集电路7采用美国国家半导体公司(NS 公司)生产的LM35精密集成电路温度传感器，它的输出电压与摄氏温度线性成比例，因而 LM35优于用开尔文标准的线性温度传感器，LM35无需外部校准或微调来提供士 1/4°C的常用的温度精度，在-55°C + 150°C温度范围内为士3/4°C，LM35的额定工作温度范围为-55°C + 150°C。计算机5内具有光谱瞬态微变预测模型17和光谱稳态微变预测模型 18。光谱瞬态微变预测模型17是采用人工神经网络的方法将电源的电压、电流以及温度的瞬态变量与光谱的数据漂移量进行反复训练基础上建立的。光谱瞬态微变预测模型17能够根据精密恒流电源1的电压、电流的瞬态变量以及光源2温度的瞬态变量计算出光谱瞬态微变量22。光谱稳态微变预测模型18同样是是采用人工神经网络方法将实验测试光源 2由于长时间使用以及老化所造成衰态变化与检测光谱数据微变量之间建立非线性预测关系，光谱稳态微变预测模型18能够根据光源2的开通时间以及使用年限两个参数计算出光谱的稳态微变量21。计算机5将原始光谱数据23减去光谱瞬态微变量22的值以及光谱稳态微变量值21最终得到精确光谱数据19。参见图2的本发明基于人工神经网络的光谱瞬态微变预测模型17与光谱稳态预测模型18的构建流程图。建模前首先第一步需要进行大量的试验得到待训练的数据，光谱瞬态微变预测模型17的数据主要包括电源微变电压量、微变电流量、微变温度量(网络输入矩阵P)以及光谱瞬态微变量(目标输出矩阵t)。光谱稳态微变预测模型18的数据主要包括光源使用年限、单次使用时间(网络输入矩阵P)以及光谱稳态微变量(目标输出矩阵 t)。第二步将原始数据进行必要的预处理，以便模型可以更快地收敛。这里主要进行归一化处理，即通过一定的线性变换将输入和输出数据统一限制在
或[_1，1]区间内。第三步是选择合适的网络结构，本发明采用BP神经网络建立光谱微变量预测模型，网络生成的同时，权值和阈值也被赋值。第四步是将处理后的数据输入网络，对网络进行训练。网络训练的过程，就是让网络“记忆”己知数据的过程，训练后网络可以建立网络输入(微变电压量、微变电流量、微变温度量)和目标输出(光谱数据微变量)间的关系，并保存训练好的网络。第五步是对网络进行仿真，这里用网络输入(微变电压量、微变电流量、微变温度量) 去仿真网络，网络会依据建立好的关系得到网络输出(光谱数据微变量)。第六步是计算网络输出和目标输出的误差，判断如果误差满足要求，则模型建立结束，此时可采用该模型对光谱微变量预测模型；如果误差不满足要求，则需要重新调整网络的结构，回到第四步中重新计算。参见图3的本发明光谱瞬态微变预测模型17的工作流程图。当微流控芯片11检测工作开始后，由图1中的电压采样电路8、电流采样电路9以及温度采样电路7将实时采集到的电压微变量、电流微变量以及温度微变量通过多路A/D转换电路16传送给计算机5 内建立好的光谱瞬态微变预测模型17。光谱瞬态微变预测模型17输出光谱瞬态变量值22。参见图4的本发明光谱稳态微变预测模型18的工作流程图。当微流控芯片11检测工作开始时，首先设定好光源2的使用年限并启动光源2的工作计时器，然后光谱稳态微变预测模型18根据光源2的使用年限数据并且从计时器实时调用光源2的工作时间作为输入量进行计算，最终输出光谱稳态微变量21。
参见图1-5，其中图5是以微流控芯片免疫凝集法浊度检测法为例介绍本发明一种微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法的一个具体实施例。首先通过设置的已知电源电压微变量、电流微变量以及温度微变量建立吸光度瞬态变化检测试验，将检测得到的试验结果即吸光度微变数据连同电压微变量、电流微变量以及温度微变量作为输入利用BP神经网络算法建立光谱瞬态微变预测模型17。其次通过已知光源2的工作总时间、单次工作时间建立吸光度稳态变化检测试验，将检测得到的试验结果即吸光度微变数据连同光源2的工作总时间、单次工作时间利用BP神经网络算法建立光谱稳态微变预测模型18。在计算机5中建立好光谱瞬态微变预测模型17以及建立光谱稳态微变预测模型 18之后便可用图1所示的检测系统进行微流控芯片的高精度吸光度检测了。首先将样品放入微流控芯片11的检测区12，开启光电检测程序。之后设定光源2的工作总时间以及单次工作起始时刻并开启计时程序。随后光源2沿图1所示光路传播，通过光电倍增管15 接收，并通过多路A/D转换电路16将原始光谱数据23传送至计算机2。之后电压、电流采样电路8、9实时采集电源电压、电流的瞬态变化，并将采集到的模拟信号通过多路A/D采样电路16传输给计算机5的光谱瞬态微变预测模型17。温度采样电路7实时采集光源2内的温度瞬态变化，并将采集到的模拟信号通过多路A/D采样电路16传输给计算机5的光谱瞬态微变预测模型17。计算机5通过建立好的光谱瞬态微变预测模型17结合采集到的温度、电流和电压变化计算出样品吸光度检测结果的瞬态微变值，即光谱瞬态变量值22。计算机5利用建立好的光谱稳态微变预测模型18调用光源工作总时间以及单次工作时间参数来计算出样品吸光度检测结果的稳态微变值，即光谱稳态微变量值21。最后计算机5将原始光谱数据23减去光谱瞬态变量值22以及光谱稳态微变量值21最终得到精确光谱数据 19，即精确的吸光度数据。由于计算机5开启光电检测程序时同时开启光谱瞬态微变预测模型17以及光谱稳态微变预测模型18，一旦光源2和精密恒流电源1发生微变后，计算机 5能够及时利用光谱稳态微变预测模型18对最终检测出的数据进行修正，从而保证了实时检测数据的稳态稳定性和高精度。权利要求
1.一种微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法，其特征是采用如下步骤A、通过已知电源的电压微变量、电流微变量以及温度微变量建立吸光度瞬态变化检测试验，将吸光度瞬态变化检测试验结果连同电压微变量、电流微变量以及温度微变量作为输入利用BP神经网络算法在计算机(5)中建立光谱瞬态微变预测模型(17);通过已知光源的工作总时间、单次工作时间建立吸光度稳态变化检测试验，将吸光度稳态变化检测试验结果连同工作总时间、单次工作时间作为输入利用BP神经网络算法在计算机(5)中建立光谱稳态微变预测模型(18)；B、将样品放入微流控芯片(11)的检测区(12)，设定光源(2)的工作总时间以及单次工作起始时刻并开启计时程序，光源(2)发出的光通过入射狭缝(6)汇聚到第一凹面镜(3)上反射和汇聚后投射到全息光栅(20)上，由全息光栅(20)色散成单色光再经第二凹面镜(4) 汇聚和反射后从出射狭缝(14)射出，经平面反射镜(10)反射到微流控芯片(11)的检测区 (12)的样品上，再经过汇聚透镜(13)的汇聚后由光电倍增管(15)接收，最后通过多路A/D 转换电路(16 )将原始光谱数据(23 )传送至计算机(2 )；C、电压、电流采样电路(8、9)将采集的精密恒流电源(1)的电压、电流的瞬态变化值通过多路A/D采样电路(16)传输给光谱瞬态微变预测模型(17);温度采样电路(7)将实时采集的光源(2)内的温度瞬态变化值通过多路A/D采样电路(16)传输给光谱瞬态微变预测模型(17)；D、计算机(5)通过光谱瞬态微变预测模型(17)结合采集到的温度、电流和电压瞬态变化值计算出样品吸光度检测结果的光谱瞬态变量值(22)；计算机(5)通过光谱稳态微变预测模型(18)调用光源(2)的工作总时间以及单次工作时间计算出样品吸光度检测结果的光谱稳态微变量值(21);E、计算机(5)将所述原始光谱数据(23 )减去所述光谱瞬态变量值(22 )以及所述光谱稳态微变量值(21 )，最终得到精确的吸光度数据。
2.一种实现权利要求1所述微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法的系统，光源(2)与精密恒流电源(1)相连，其特征是在光源(2)和微流控芯片(11)之间依次是入射狭缝(6)、第一凹面镜(3)、全息光栅(20)、第二凹面镜(4)、出射狭缝(14)及平面反射镜(10)；微流控芯片(11)的检测区(12)处设置汇聚透镜(13)，汇聚透镜(13)前方是光电倍增管(15)，光电倍增管(15)的输出与多路A/D转换电路(16)相连接，多路A/D转换电路(16)的输出连接计算机(5)；精密恒流电源(1)分别与电压采样电路(8)和电流采样电路(9)相连接，光源(2)连接温度采样电路(7)，温度采样电路(7)、电压采样电路(8)和电流采样电路(9 )分别与多路A/D转换电路(16 )相连接；计算机(5 )内具有光谱瞬态微变预测模型(17)和光谱稳态微变预测模型(18)。
全文摘要
本发明公开一种微流控芯片光电检测光源稳定性自动修正补偿方法与系统，用BP神经网络算法在计算机中建立光谱瞬态微变预测模型和光谱稳态微变预测模型；光源发出的光依次通过射狭缝、第一凹面镜、全息光栅、第二凹面镜、出射狭缝及平面反射镜反射到微流控芯片的检测区的样品上，再经过汇聚透镜的汇聚后由光电倍增管接收，最后通过多路A/D转换电路将原始光谱数据传送至计算机；计算机将原始光谱数据减去光谱瞬态变量值以及光谱稳态微变量值得到精确的吸光度数据；简化了电路的复杂度，节省了能耗，只需采集若干参数直接送至计算机进行数据修正，针对微流控芯片的检测不同对象，通过改变数据修正的算法，可以灵活、有效地提高检测精度。
文档编号G01N21/01GK102519878SQ20111041389
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者张荣标, 徐长琴, 杨宁 申请人:江苏大学