本发明涉及生化样品检测仪器领域，尤其是涉及了一种结合量子点荧光标记方法与多光谱相机实现多目标多样品用于生化检测的装置与方法。
背景技术
在生化检测领域，基于光学原理的方法占据了重要位置。迄今为止，已有大量使用吸收、散射、表面等离子体共振、荧光等多种光学方法用于对蛋白质、核酸等生物目标检测的文献发表，表现出了相比于其他方法的独有特点。其中，基于荧光的检测方法具有灵敏度高、特异性好以及检测快速等优点，据报道有优于其他方法的检测限。然而这种方法的检测效果极大的依赖所使用的荧光素的性质，传统的有机荧光染料由于荧光寿命较短和激发光发射光之间的距离过近造成的互相干扰，使得荧光检测方法一直对检测装置有极高的性能要求，这也使得该种检测方法的成本居高不下。
量子点作为一种新兴的荧光标记材料，有许多突出优点。首先，这种材料的发射光具有尺寸相关的特性，即可以通过人工调制合成时的尺寸，改变发射光的波长；其次，量子点往往具有较大的斯托克斯位移，即激发光与发射光之间的波长距离较大，不易互相干扰；另外，量子点具有较宽的激发光谱和较窄的发射光谱，这种特性使得利用单一激发光源激发多种不同发射波长量子点然后同时进行检测，也就是多种目标物的同时检测成为可能；最后，量子点有大大超过传统有机荧光染料的荧光寿命与量子效率，对于检测装置的性能要求大大降低。
广泛应用于生化实验室的荧光检测仪器，以荧光仪、酶标仪为代表。这些装置针对实验室应用设计，体积庞大，价格高昂。得益于量子点较高的量子效率，xu等(2015)使用微型光谱仪对量子点标记的四种食源性病菌进行荧光检测，在光学检测上避免了运动部件的使用，最后取得较好结果。wang等(2016)随后基于此完成一种基于量子点荧光标记的便携式生化快速检测系统的设计。然而该系统体积仍然较大，且需要使用电机实现检测样品的切换，容易引入新的系统误差，在野外运输现场使用时存在可靠性隐患。
综上，现有的针对量子点荧光标记的便携式检测装置仍然相对匮乏。传统荧光检测装置一般用于实验室用途，体积大造价高；现有的新设计检测装置，由于运动部件的存在，整体体积、质量仍然较大，耗电量较高，且在搬运过程中有可靠性隐患，对于现场使用仍然较为困难。
技术实现要素：
本发明的目的，在于针对现有技术的不足，提供一种使用多光谱相机作为检测装置，以量子点为标记物，基于荧光分析方法，结合机械电子与软件控制技术，实现多目标多样品同时检测的便携式装置与检测方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案主要包含：
一、一种结合量子点荧光与多光谱相机的高通量检测装置：
装置包括箱体和安装在箱体内的电源模块、架空支架、控制电路板、光源汇聚块、多光谱相机模块和试管放置台，电源模块放置于箱体底部，架空支架位于电源模块上方并且固定于箱体底部，控制电路板位于架空支架上并与电源模块通过导线电气连接，光源汇聚块位于控制电路板上并通过连接铜柱螺栓与控制电路板和架空支架的四个角固定连接，多光谱相机模块位于控制电路板上且位于光源汇聚块内部，试管放置台通过箱体内壁的工型槽固定于箱体内顶面。
所述控制电路板上设有主控模块、光源模块、相机控制模块、通讯模块和电路板定位孔；主控模块分别与光源模块、相机控制模块和通讯模块电气连接，相机控制模块布置于贯穿通孔的中心，光源模块主要由若干颗均匀排布于相机控制模块周围的led灯珠组成，光源模块中的led灯珠固定于控制电路板顶面，电路板定位孔布置在控制电路板的四角；
所述光源汇聚块上设有相机通孔、光源通孔、光源汇聚透镜和光源汇聚块定位孔；光源汇聚块中心设有用于放置多光谱相机模块的贯穿通孔作为相机通孔，多光谱相机模块的几何中心置于贯穿通孔中且底部置于控制电路板上，多光谱相机模块的几何中心和贯穿通孔的圆心重合；所述光源通孔均匀排布开设于所述相机通孔周围的光源汇聚块上，每个光源通孔顶部安装有光源汇聚透镜，底部安装光源模块；所述光源汇聚块定位孔开设于所述光源汇聚块四角；
所述多光谱相机模块包括相机模块连接插件、多光谱相机和相机镜头；相机镜头安装在多光谱相机顶端，相机镜头朝向正上方，多光谱相机与相机镜头电气连接组成完整的图像采集设备，多光谱相机经相机模块连接插件和控制电路板电气连接。
所述的箱体的顶面设置试管放置台，试管放置台由若干个均匀分布的试管放置位组成，用于检测时放置盛有待测样品的试管。
所述的架空支架和电源模块之间留有空隙。
所述的箱体为黑箱结构，使得外部光不透过进入箱体内部。
所述通讯模块包括wi-fi、蓝牙等无线通讯器件，用于所述检测装置与用户端，例如智能手机、云端服务器等进行命令收发与数据交换。
所述多光谱相机对若干光谱波段同时具有较高感应灵敏度，可根据检测目标物的不同，换用对应响应波段型号的相机。
所述相机镜头同样可根据实际应用，换用不同焦距、光圈等性能参数的型号。
不同型号的所述多光谱相机与所述相机镜头互相配合，使得拍摄得到的图像能完整覆盖所述试管放置台中所有所述试管内的待测样品且待测样品的图像质量足够，同时标记于所有待测样品中的所有待测目标物上的所有不同量子点所发出的不同光谱波段的荧光均能被多光谱相机高效率的感应。据此实现多样品多目标物的同时检测。
所述箱体由遮光材料组成，减少环境光照条件变化对于荧光图像质量的影响。
所述试管放置台的试管放置位、安装于所述光源汇聚块的光源通孔顶端的光源汇聚透镜、与所述控制电路板的光源模块中的led灯珠，三者几何中心在竖直方向上重合。
二、一种结合量子点荧光与多光谱相机的高通量检测方法，包括以下过程：
(1)配置待测样品，使用若干种不同发射波长的量子点标记相同的目标物配置成不同待测样品，将待测样品分别置于若干只所述试管中，再放入所述试管放置台的所述试管放置位中，然后将所述试管放置台放入所述检测装置中；
所述的目标物包括细胞、细菌、蛋白质对象等。
(2)启动光源模块，光源模块中的各个led灯珠发出激发光，光线通过光源汇聚块顶部的光源汇聚透镜的汇聚作用后，照射到试管，激发其中待测样品的量子点发出荧光；
(3)主控模块控制相机控制模块驱动多光谱相机模块动作，拍摄采集所述试管放置台中所有待测样品中被激发的荧光图像，并存储于主控模块；
(4)主控模块中对采集所得的荧光图像行图像处理，计算得到各个待测样品中目标物的浓度值。
所述步骤(4)具体过程为：
(4.1)感兴趣区域获取
先将原始图片转化为灰度图，接着进行中值和高斯滤波处理以滤除干扰噪声，再使用霍夫圆变换检测出各个所述试管所在的图像区域；利用所得图像区域分割原始图片，提取出仅含有试管底部被光源模块激发后的荧光图像部分，并编号分别对应单只试管的荧光图像；
(4.2)感兴趣波段图像分割
根据所述试管所盛有待测样品中所使用的量子点的发光波长的不同，选取多光谱相机中特定波段图像进行处理：对于步骤(4.1)得到的单只试管的荧光图像部分，所盛有的待测样品中有若干种不同发射波长的量子点，发射波长分别记为l1、l2、l3；对于每个发射波长的量子点，从所述多光谱相机的响应光谱波段范围中，选取与发射波长l最邻近的三个中心波长da、db、dc对应的波段进行图像采集，将这三条波段对应采集的三幅图像传送至主控模块进行后续处理；
(4.3)目标荧光强度值计算
对于步骤(4.2)中得到的每个发射波长为的量子点对应的la、lb、lc波段的三幅图像，分别计算每幅图像中所有像素点的平均强度值，采用与待测样品相同的方式处理计算得到空白对照样品的相同波段图像中所有像素点的平均强度值，
所述的空白对照样品是指未加目标物且未用量子点标记的缓冲液，所述的待测样品是指是指加有目标物且用量子点标记的缓冲液。
将相同波段下待测样品和空白对照样品的平均强度值相减得到的三个结果，分别记为p1a，p1b，p1c，采用以下公式计算量子点的目标荧光强度值：
i1＝ap1a+bp1b+cp1c
其中，a,b,c分别为第一、第二、第三像素换算系数，a,b,c均为预设常数；
(4.4)目标浓度值计算
将步骤(4.3)中每个所述试管中所有量子点的荧光强度值分别代入相应的事先实验建立的标准模型中，转换得到每种量子点所标记的不同目标物的浓度值并记录，作为检测结果。
标准模型是通过已知目标物的浓度值情况下通过实验拟合获得的标准曲线。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明实现了量子点荧光标记检测的多样品多目标同时检测，提高了检测效率，避免了逐个检测时存在的系统误差。
2、本发明设计的荧光检测装置没有任何运动部件，保证了检测时检测装置的稳定性，避免了电机运动引起的震动、电磁干扰等因素的影响，提高了检测结果的准确性与检测装置整体的可靠性。
3、本发明设计的荧光检测装置外壳有遮光材料组成，保证了检测时光线条件的可控性，避免了环境光的影响，提高了检测结果的准确性。
4、本发明结构简单，体积较小，可以直接使用电池供电，有较好的便携性与广泛的适用性，且成本较低。
附图说明
图1是本发明检测装置的整体结构图。
图2是本发明控制电路板的原理图。
图3是本发明光源汇聚块的结构图。
图4是本发明光源汇聚块与多光谱相机模块的配合安装图。
图5是本发明试管放置台的结构图。
图6是本发明检测装置的检测光路示意图。
图7是本发明的检测流程图。
图中：电源模块1，架空支架2，控制电路板3，光源汇聚块4，多光谱相机模块5，试管放置台6，主控模块301，光源模块302，相机控制模块303，通讯模块304，电路板定位孔305，相机通孔401，光源通孔402，光源汇聚透镜403，光源汇聚块定位孔404，相机模块连接插件501，多光谱相机502，相机镜头503，试管放置位601，试管602。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明具体实施包括箱体和安装在箱体内的电源模块1、架空支架2、控制电路板3、光源汇聚块4、多光谱相机模块5和试管放置台6，箱体为黑箱结构，使得外部光不透过进入箱体内部。箱体由遮光材料组成，减少环境光照条件变化对于荧光图像质量的影响。
如图1所示，电源模块1放置于箱体底部，架空支架2位于电源模块1上方并且固定于箱体底部，控制电路板3位于架空支架2上并与电源模块1通过导线电气连接，架空支架2和电源模块1之间留有空隙用于散热，光源汇聚块4位于控制电路板3上并通过连接铜柱螺栓与控制电路板3和架空支架2的四个角固定连接，多光谱相机模块5位于控制电路板3上且位于光源汇聚块4内部，试管放置台6通过箱体内壁的工型槽固定于箱体内顶面。具体实施中，固定有多光谱相机模块5的控制电路板3和光源汇聚块4依次放置于架空支架2上方，通过对齐各自相应的定位孔，使用连接铜柱一起螺栓固定于架空支架2上方。
如图2所示，控制电路板3上设有主控模块301、光源模块302、相机控制模块303、通讯模块304和电路板定位孔305；主控模块301分别与光源模块302、相机控制模块303和通讯模块304电气连接，相机控制模块303布置于贯穿通孔的中心，光源模块302主要由若干颗均匀排布于相机控制模块303周围的led灯珠组成，，根据pwm控制信号的不同，发出不同强度的激发光。光源模块302由主控模块301控制为荧光检测提供激发光源，光源模块302中的led灯珠固定于控制电路板3顶面，电路板定位孔305布置在控制电路板3的四角，为螺纹通孔。
如图3所示，光源汇聚块4上设有相机通孔401、光源通孔402、光源汇聚透镜403和光源汇聚块定位孔404；光源汇聚块4中心设有用于放置多光谱相机模块5的贯穿通孔作为相机通孔401，相机通孔401用于放置多光谱相机模块5，作为控制电路板3中光源模块302的光线通路，多光谱相机模块5的几何中心置于贯穿通孔中且底部置于控制电路板3上，多光谱相机模块5的几何中心和贯穿通孔的圆心重合，从而使得多光谱相机模块5贯穿地放置于光源汇聚块4内部并且底部置于控制电路板3上；光源通孔402均匀排布开设于相机通孔401周围的光源汇聚块4上，每个光源通孔402顶部安装有光源汇聚透镜403，底部安装光源模块302；光源汇聚透镜403安装于光源通孔402顶端，用于将光源模块302发出的激发光汇聚成平行光。光源汇聚块定位孔404开设于光源汇聚块4四角，为螺纹通孔。
如图4所示，多光谱相机模块5包括相机模块连接插件501、多光谱相机502和相机镜头503；相机镜头503安装在多光谱相机502顶端，相机镜头503朝向正上方，多光谱相机502与相机镜头503电气连接组成完整的图像采集设备，用于获得试管放置台6中的检测结果图像，多光谱相机502经相机模块连接插件501和控制电路板3电气连接，使得多光谱相机502的参数和动作被控制电路板3通过所载相机控制模块303所控制。
如图6所示，箱体的顶面设置试管放置台6，试管放置台6由若干个均匀分布的试管放置位601组成，用于检测时放置盛有待测样品的试管602。试管放置台6通过箱体内壁的工型槽固定于箱体靠近顶部位置。试管放置位601底部镂空，用于激发光与发射光的光线通过。
通讯模块304包括wi-fi、蓝牙等无线通讯器件，用于检测装置与用户端，例如智能手机、云端服务器等进行命令收发与数据交换。
箱体一面可打开，用于放置、安装电源模块1、架空支架2、控制电路板3、光源汇聚块4、多光谱相机模块5和试管放置台6的位置。
如图6所示，控制电路板3上光源模块302中的led灯珠、光源汇聚块4中的光源通孔402和试管放置台6上放置的试管602，均一一对应，既数目相等，同时各自保持竖直方向上同心。led灯珠发出的激发光，经过光源通孔402和光源汇聚透镜403后可以最大程度的到达试管602，激发盛有的待测样品中的待测目标所结合的量子点标记，用以获得较强的荧光信号。同时，根据当前检测所使用的量子点的发射波长的不同，选用对相应光谱波段响应更为灵敏的多光谱相机502，并配合焦段适当的相机镜头503，保证图像足够完整覆盖试管放置台6上所有试管602，且所得到图像的尺寸与质量足够高。实际使用中，可以使用6支、12支等数量的试管，但不限于此，根据实际检测需求而选用不同检测孔位数量的光源汇聚块4、试管放置台6、光源模块302相互配合。
如图6所示，固定完成后，试管放置台6的试管放置位601、安装于光源汇聚块4的光源通孔402顶端的光源汇聚透镜403、与控制电路板3的光源模块302中的led灯珠，三者几何中心在竖直方向上重合，使得光源模块302的led灯珠发出的光源能量经过光源汇聚透镜403的汇聚作用后可以到达试管602后最大限度的激发所盛有待测样品内的量子点发出荧光。
本发明的具体实施例及其实施过程如下：
(1)按照一般量子点荧光标记方法配置待测样品，使用若干种不同发射波长的量子点标记相同的目标物配置成不同待测样品，将待测样品分别置于若干只试管602中，再放入试管放置台6的试管放置位601中，然后将试管放置台6放入检测装置中；
①按照传统量子点荧光标记检测方法，将待测目标物配置成量子点-修饰物-待测目标物形如“三明治”型结构物。根据检测要求，每一种样品溶液中使用若干种不同发射波长的量子点，与待测目标物一一对应；
②根据检测要求，选择合适数目的试管放置位601的试管放置台6，然后将配置完成的待测样品混合溶液移入试管602中，注意每一轮检测时，须存在一支试管602盛装缓冲液，用作空白对照样品；
(2)将架空支架2两侧紧贴装置内壁固定于装置底部。将已经装入试管602的试管放置台6通过装置内壁的工型槽固定于装置靠近顶端位置。根据所使用的试管放置台6的试管放置位601的分布，选用相对应的拥有相同分布的led灯珠的光源模块302的控制电路板3与光源通孔402的光源汇聚块4，并将控制电路板3与光源汇聚块4使用连接铜柱11分别固定于架空支架2上方，保持相对应的led灯珠、光源通孔402和试管602在竖直方向上同心。根据检测要求，选择合适型号的多光谱相机502和相机镜头503，组装后通过相机模块连接插件501固定于控制电路板3上相应位置。将电源模块1与控制电路板3通过导线电气相连。最后关上装置侧门，避免外侧光照对内部的影响。
(3)实验员通过智能手机、笔记本等带有蓝牙或互联网连接功能模块的终端，通过无线通讯方式与检测装置进行数据交换。通讯模块304将接收到的信号数据传送至主控模块301，主控模块301按照信号数据，启动光源模块302，光源模块302中的各个led灯珠发出激发光，光线通过光源汇聚块4顶部的光源汇聚透镜403的汇聚作用后，照射到试管602，激发其中待测样品的量子点发出对应的荧光。
(4)主控模块301控制相机控制模块303驱动多光谱相机模块5动作，使用适当的光圈、快门时间、感光度等参数，拍摄采集试管放置台6中所有待测样品中被激发的荧光图像，并存储于主控模块301。
(5)主控模块301中对采集所得的荧光图像通过虑噪、分割、各通道强度计算等步骤进行图像处理，计算得到各个待测样品中目标物的浓度值，能实现多个待测样品的多个目标物的检测，完成高通量检测。
(5.1)感兴趣区域获取
先将原始图片转化为灰度图，接着进行中值和高斯滤波处理以滤除干扰噪声，再使用霍夫圆变换检测出各个试管602所在的图像区域，具体是以试管放置位601底部露出的可被光源模块302激发到的圆尺寸在原始图片中通过拟合获得各个试管602在图像中所在的圆区域；
利用所得图像区域分割原始图片，提取出仅含有试管602底部被光源模块302激发后的荧光图像部分，并编号分别对应单只试管602的荧光图像；
(5.2)感兴趣波段图像分割
根据试管602所盛有待测样品中所使用的量子点的发光波长的不同，选取多光谱相机中特定波段图像进行处理：
对于步骤(5.1)得到的单只试管602的荧光图像部分，所盛有的待测样品中有若干种不同发射波长的量子点，发射波长分别记为l1、l2、l3；对于每个发射波长的量子点，从多光谱相机502的响应光谱波段范围中，根据发射波长l与中心波长d之间差的绝对值小为标准，选取与发射波长l最邻近的三个中心波长da、db、dc对应的波段进行图像采集，将这三条波段对应采集的三幅图像传送至主控模块301进行后续处理；
例如对于每个发射波长为l1的量子点，从多光谱相机502的响应光谱波段范围中，根据发射波长l与中心波长d之间差的绝对值小为标准，选取与发射波长l最邻近的三个中心波长da、db、dc对应的波段进行图像采集，分别记为波段l1a、l1b、l1c，将这三条波段对应采集的三幅图像传送至主控模块301进行后续处理；对于其他发射波长为l2、l3的量子点与其余试管602中的量子点，同样处理分别得到每一种量子点对应的三幅图像。
(5.3)目标荧光强度值计算
对于步骤(5.2)中得到的每个发射波长为的量子点对应的la、lb、lc波段的三幅图像，分别计算每幅图像中所有像素点的平均强度值，采用与待测样品相同的方式处理计算得到空白对照样品的相同波段图像中所有像素点的平均强度值，
将相同波段下待测样品和空白对照样品的平均强度值相减得到的三个结果，分别记为p1a，p1b，p1c，采用以下公式计算量子点的目标荧光强度值：
i1＝ap1a+bp1b+cp1c
其中，a,b,c分别为第一、第二、第三像素换算系数，a,b,c均为预设常数，通过事先实验建立的模型确定；
对于该试管602中的其他量子点，以及其他试管602中的所有量子点，采用相同的处理方法，得到每种量子点对应的目标荧光强度值。
(5.4)目标浓度值计算
将步骤(5.3)中每个试管602中所有量子点的荧光强度值分别代入相应的事先实验建立的标准模型中，转换得到每种量子点所标记的不同目标物的浓度值并记录，作为检测结果。
重复该动作，直至当前所有待测样品中的所有待测目标物的浓度全部计算完毕，结束检测。
6)结果记录，结束检测
主控模块301通过通讯模块304使用蓝牙、wi-fi等通讯方式，将所得检测结果发送至智能手机，或者云端数据库，分享记录检测结果。
然后打开检测装置侧门，换用下一批待测样品，或者结束检测。
上述具体实施方式是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改版，都落入本发明的保护范围。