1、引言

食品安全是一個直接關系到人民群眾生命健康和社會穩定的重大公共安全問題，而細菌性污染又是其中極為重要的因素。如何能夠快速、有效的檢測食品中細菌的含量，是當今食品安全必然涉及的技術課題。目前檢測細菌含量的主要方法如下：

（1）傳統培養檢測方法：傳統培養法檢測被稱為“金標方法”，但其培養時間長且對檢測條件以及檢測人員的專業水平要求較高。

（2）ATP(三磷酸腺苷)生物化學發光法：利用細胞的特征來測定細菌數，是快速檢測菌落總數的一個發展方向。這種方法可以在幾分鐘內得出結果，大大縮短了檢測時間。

（3）其他檢測方法：除了上述兩種檢測方法外，還有許多檢測方法正在迅速發展。其中包括免疫學方法，分子生物學方法以及其他生物化學方法[1]。這些檢測方法各有千秋，但許多檢測方法或因設備試劑比較昂貴、或因操作過程復雜、或因實驗條件較為嚴格，不適用于食品衛生狀況的現場檢測。

可見ATP生物化學發光法具有極大的優點。但是目前大部分ATP衛生檢測儀采用了光電倍增管（PMT）作為熒光探測器[2-3]，閃光型熒光素酶作為檢測試劑，導致體積較大，價格昂貴，僅適合實驗室的驗證工作，極大的限制了其在食品生產衛生檢測過程中的應用。為了克服其缺點，本文采用新型硅光電二極管作為熒光探測器，輝光型熒光素酶作為檢測試劑，設計出一種新型的ATP食品衛生檢測儀，具有便攜性、功耗低、高靈敏度和速度快的優點。

2、ATP生物化學發光檢測方案

2.1 ATP生物化學發光檢測原理

ATP是包括微生物在內的一切活生物細胞能量的來源。它在蟲熒光素酶的催化作用下，與熒光素在有氧環境及二價鎂離子的作用下釋放出熒光，其反應式為[4]：

強度呈線性關系，用光度計測出發光強度，也就得到了細菌總數[5]。這種方法可以在幾分鐘內得到結果，大大縮短了檢測時間。

2.2 ATP生物發光酶的選擇

當前商業化的ATP螢火蟲熒光素-蟲熒光素酶主要分為閃光型和輝光型兩種：

（1）閃光型（Flash） 光在幾秒鐘內就能發射完。發光過程中光強很快到達峰值然后迅速下降（1-3s）[2]。

（2）輝光型（Glow） 有些商業化的熒光素酶檢測系統采用特殊的方法，使得酶的活性高，產生的光強度強，在測試的幾分鐘之內可以保持穩定。

由于閃光型發光持續時間短，對此類型光進行測試必須要采用自動加樣系統，這使得檢測儀的體積增大，攜帶不方便，不利于對食品生產環境進行實時現場檢測。本文采用輝光型酶作為檢測試劑，只要在兩分鐘之內對試樣檢測即可，不需要自動加樣系統克服了閃光型酶的缺點。

3、系統設計

3.1 硬件設計

儀器的硬件部分主要由取樣測試室、電源模塊、微弱熒光檢測模塊、校準模塊、單片機控制模塊、通信模塊和人機對話模塊等部分組成。儀器硬件結構如圖1所示。

此測試儀在設計過程中面臨的兩個突出的難點在于儀器近乎苛刻的超低功耗要求和對超微弱熒光的檢測。針對這兩點，本文對電源模塊和微弱熒光檢測模塊采取如下設計方案。

（1）電源模塊 由于儀器的便攜特性，采用兩節普通的1.5V堿性電池作為儀器的電源。利用具有電池反接保護功能的升壓開關電源芯片MAX1833，將電池電壓轉化整個硬件系統的3.3V工作電壓，和最大150mA的電流輸出。此芯片靜態電流為4μA，關斷電流小于1μA，電源轉換效率高達90%。

微弱熒光檢測模塊需要精度和穩定性要求更高的電源供電，本文選用美國國家半導體公司生產的低壓差線形穩壓芯片LP2982，可提供精準的3V電壓和最大50mA的電流輸出，具有輸出電壓精度1%，低噪聲和關斷電流小于1μA等特點。電源模塊電路如圖2所示。

以上供電模塊的設計，具有電源轉換效率高，靜態漏電流低等優點。計算證明這樣的設計可使儀器待機長達6個月。

（2）微弱熒光檢測模塊 傳統ATP檢測儀采用PMT作為光電傳感器，對試樣所發出的熒光強度進行檢測。由于PMT工作時需要正負高壓電源供電，使得用其作為光電探測器的衛生檢測儀體積較大且價格昂貴，不方便攜帶，極大的限制了此種檢測儀的應用。本文采用日本濱松生產的s1227系列硅光電二極管作為光電傳感器，具有體積較小，靈敏度高，暗電流小等優點。與PMT相比，硅光電二極管本身沒有電流的放大作用，因此需要設計良好的放大電路將光電二極管輸出的微弱電流進行放大。本文采取以下兩種措施，很好的解決了微弱電流信號的放大問題：

① 選用高性能的集成運算放大器 本文采用ADI公司生產的AD8605運算放大器芯片作為放大器。此放大器具有偏置電壓低，輸入電流低（pA級），電壓電流噪聲低等優點，是光電二極管放大電路的最佳選擇。光電二極管采用光伏模式，可以非常精確的線性工作，無暗電流，整個電路的噪聲低。

② 對整個微弱熒光檢測模塊進行屏蔽 本文采用的特殊設計的鋁殼進行屏蔽的方法取得了很好的效果。信號放大后，由具有16位Δ-ΣA/D轉換器的MAX1407數據采集芯片進行采樣。整個信號調理電路如圖3所示。

此外，放大器的增益漂移也是一個必須考慮的問題。本文設計了校準模塊來解決此問題：

光電二極管內阻和反饋電阻R的溫度特性會導致整個電路的放大倍數隨著溫度而變化。本文采用綠光LED（發射出560nm左右的光，與ATP生物化學發光光譜非常匹配）作為校準光源來解決此問題。LED發光具有穩定的低漂移，在一定范圍內發光強度與電流成正比。設電流為I1，I2為通過LED的電流，放大電路輸出電壓分別為V1，V2，利用公式（1）：

可以計算出當前環境下的放大系數β，與標準放大倍數相乘就可以得到當前放大倍數。此校準模塊，具有自動校準的特點，不需要人工干預。

采用6鍵簿膜開關作為儀器的輸入部分，輸出部分為字符型LCD。具有打印接口以及與上位機進行通信的RS232接口。按鍵少，界面友好，操作簡單。

3.2 軟件設計

由于整個系統功能比較復雜，為了充分利用系統的硬件資源，方便對程序的管理以及升級，儀器采用μC/OS-II嵌入式操作系統管理整個軟件系統。整個軟件系統采用三層結構，由內向外分別是操作系統層、應用層、硬件層，如圖4所示。

應用層是依據系統的基本功能以及對硬件的依賴來劃分的。主要有以下五個任務：信號采集處理任務、命令處理任務、顯示任務、數據存儲任務和通信任務。根據自身的性質和對實時性要求的不同，應對這五項任務分配不同的優先級。

（1）信號采集處理任務 控制MAX1407對試樣的發光值進行采樣并對獲得的數據進行處理。是整個系統的核心，在本系統中具有最高優先級。平時處于掛起狀態，由命令處理任務激活,數據采集完成后，激活數據存儲任務，然后掛起。

（2）命令處理任務 根據鍵值和系統當前所處狀態激活其他任務，任務優先級較高，在本系統中處于第二優先級。

（3）顯示任務 在LCD上實時顯示各種數據及狀態，任務優先級較高，為第三優先級。

（4）數據存儲任務 通過SPI總線與25AA640芯片進行通信，存儲檢測數據。

（5）通信任務 與上位機通信，傳送檢測數據或接收上位機命令。

系統運行時，首先進行系統初始化操作，即初始化所有數據結構，分配堆棧空間，然后建立任務間通信的信號量或者消息郵箱，進而創建任務，所有任務被置于就緒態。多任務環境開始運行，命令處理任務根據鍵盤狀態激活其他任務，從而實現系統的各個功能。

4、測量結果與分析

常見的微生物如真菌類，其ATP含量的數量級為10-11mol/細胞，細菌類為10-18mol/細胞[5]。根據食品生產過程中對環境衛生的要求，本儀器的設計目標是能夠準確檢測10-15-10-11mol的ATP。當ATP的量在此范圍時，儀器應該具有良好的重復性和線性。

為了測試儀器的性能，采用美國普洛麥格公司生產的輝光型熒光素-熒光素酶作為檢測試劑，將配置的不同量的ATP標準液（10-16-10-7mol）加入到螢火蟲-熒光素酶中，用儀器進行測量。為了避免偶然性，對不同數量級的ATP量進行多次試驗。將測到的數據進行處理，繪制不同物質的量的ATP與發光值的對應曲線如圖5所示：

可以看出，發光曲線明顯的分為三個部分，下面分別對這三個部分進行分析：

（1）區域A 此部分發光量隨ATP量的增加而稍微增加但不成線性關系。這是因為儀器和酶存在背景噪聲，當ATP的量很小時，發出的光十分微弱，被背景噪聲淹沒。

（2）區域B 在此區域內發光量與ATP的量成7個數量級的線性關系。因此，可以用發光值作為評判ATP量的方法之一。

（3）區域C 在此區域內的ATP量大，而參與反應的酶的含量一定，造成ATP剩余，發光量漸趨飽和。

由測量曲線可以得出，本文所設計的ATP食品衛生檢測儀在檢測10-15-10-11mol量的ATP時，具有良好的線性和可重復性，達到了設計要求。因此，本檢測儀可以實現對細菌含量的現場快速檢測。

5、結論

本儀器采用ATP生物化學發光法與嵌入式系統相結合的方法，使得對微生物含量的檢測時間大大縮短，只需要兩分鐘即可得到測試結果。特別由于采用硅光電二極管作為光電傳感器，解決了通常使用PMT光電倍增管體積大，價格昂貴，不方便攜帶的缺點。測試儀的體積小，方便攜帶，功耗低，待機時間長，檢測精度高，能夠方便的對試樣進行實時檢測，在食品生產衛生檢測領域具有很好的應用前景。