CN101398367A - 气溶胶粒子激光分析仪 - Google Patents

Abstract

一种实时、在线、连续检测空气中逐个气溶胶粒子的空气动力学直径、粒子数量、并鉴别是否为生物粒子的气溶胶粒子激光分析仪，包括一个壳流包裹的粒子束排队加速进样系统；双峰激光空气动力学直径测量系统；紫外激光诱发的生物粒子荧光的检测系统；无效与重叠粒子鉴别电路；和数据处理、显示、存储软件；以及通讯模块。本发明的气溶胶粒子激光分析仪不仅能检测气溶胶粒子的空气动力学直径和粒子数量等物理参数，还能根据活性生物粒子固有的受激发射生物荧光的特征，判别是否为活性生物粒子，以及活性生物粒子的数量和浓度等参数。本发明的气溶胶粒子激光分析仪检测结果准确，方便快速，零部件使用寿命长，体积较小，便于移动使用。

Description

气溶胶粒子激光分析仪

技术领域

本发明涉及一种气溶胶粒子激光分析仪，主要用于检测空气中气溶胶粒子的空气动力学直径、粒子数量、并判别是否为生物粒子及其数量和浓度。

背景技术

自“9.11”以后，恐怖分子不断变化手法，利用生物剂(如炭疽粉末事件)制造事端，对社会安宁和经济发展造成极大的影响，在人们的心里造成严重的创伤；其它敌对势力也可能具有使用高致病性微生物进行袭击的能力，所以，未来国内生物恐怖形势会日益严峻。由于生物恐怖威胁的存在和频繁发生，许多国家已经把生物防御与国家安全紧紧联系在一起，成为国家安全战略的重要组成部分。随着我国改革开放、经济发展和国际地位的提高，国家安全问题尤为重要；特别是2008年北京奥运会、2010年上海世博会举办在即，对防范人为生物恐怖活动提出了更高的要求。

另外，随着人们对资源的过度开发，对环境造成严重的破坏，新发传染病和外来传染病出现的频率越来越高，传播的速度越来越快。无论是过去还是现在，传染病依然是威胁全人类生命的首要因素，特别是发展中国家。据世界卫生组织(WHO)统计，2001年全世界死亡人口约5650万，其中死于传染病的人口至少有1470万，占死亡人数的1/4。自20世纪70年代以来，新发传染病频频出现，多达50多种，公共卫生事件时有发生。世界范围内新、旧发传染病的出现，引起各国政府的高度关注。我国是世界上传染病发病较多的国家之一，地域辽阔、地理景观复杂、环境多样、动植物区系丰富，为自然疫源性疾病的自然循环提供了必要的宿主、媒介和适宜的环境条件。近年的新发传染病和旧传染病的再发是一个重要的预警。2003年爆发的SARS流行和2004年发生高致病性禽流感给我国人民的健康、经济发展乃至国家生物安全造成了现实的和潜在的威胁。

许多动物疾病传染给人，成为人畜共患病。动物疫情的流行，对社会、经济的发展都造成了极大的损失。据统计，目前存在的动物病毒近4000种，其中95％还没有被人类所认识；动物细菌约100万种，人类只对其中的2000种进行过鉴定。这提示人类，在未来还将不断出现许多新的动物传染病。

由于药物的滥用和微生物抗药性的增强，很多疾病无药可治，甚至像结核、脊髓灰质炎等已经被控制或消灭的传染病又死灰复燃。

另外，SARS以后我国相继新建、改建了几十座高级别(BSL3级)生物安全实验室，从事烈性病原体研究，人员感染和泄露事故时有发生。在这些生物安全实验室的生物气溶胶检测方面，仍未采取任何有效措施，也没有任何生物危害监测仪器可用。

生物恐怖是无声、无硝烟的恐怖，在时间、地点上都有极大的不确定性。应对生物恐怖袭击早期预警是关键，把可能给社会和人民带来危害的一切恐怖活动扼杀在萌芽之中，真正做到防患于未然。由此可见，采用具有微生物特异性的实时快速监测系统，对于快速应对突发事件，保障人民身心健康，建立稳定和谐社会是非常重要的。

生物致病物质通过空气传播的范围最广，危害最大。空气有各种各样的悬浮粒子，既有非生物粒子，也有生物粒子，还有生物粒子与非生物粒子吸附在一起的复合体，其中的可吸入粒子可进入人的呼吸系统，沉积在鼻咽部、气管、支气管、细支气管、肺泡，并可通过吞噬细胞的作用，经血液将这些粒子转运至其他器官，引起各种各样的疾病。早期的气溶胶粒子检测仪器只能检测粒子的物理学参数，这种技术是用抽气泵将气溶胶粒子抽到光学检测室，用连续激光对粒子进行照射，当光束照射到粒子时，就会对照射光束产生散射，然后检测和分析这种散射光；这种检测仪器称为光散射式粒子计数器。理论上，不同的粒子大小对入射光的散射强度不同，由此可以检测粒子的大小和数量。但是，由于粒子的形状差别很大，球形、线形、片形等各种不规则的形状；有的表面光滑，有的表面粗糙；形成粒子的材料各异，对光的散射差异很大，所检测的粒子大小不能反映粒子在呼吸道的沉积状态。美国TSI公司生产的空气动力学粒子计数器(Peter P.Hairston et al：Apparatus for measuringparticle sizes and velocities.US Patent，Patent Number：5,561,515，Oct.1，1996.)，是通过检测粒子通过双峰光波的飞行时间来计算粒子的空气动力学直径，这种方法是将不同形状、不同材质、不同密度的粒子统一等效成密度为1的球形粒子来计算粒子的直径，称为空气动力学直径。这种仪器不能区分粒子的性质，仅能检测粒子大小和数量。

生物粒子细胞内含有蛋白质、氨基酸、酶类和核黄素等多种成分。其中有些具有标志其固有荧光的特定的激发和发射光谱。研究表明，生物分子色氨酸、吡哆醇、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(磷酸)(NAD(P)H)和核黄素具有固有的受激荧光发射波长。理想的靶标生物分子应该有区别于其他物质的固有荧光光谱，并有足够的荧光强度，构成强的可检信号。活的细菌含有与能量反应有关的胞内生物分子，NAD(P)H的存在是细菌活性的一个标志，这使它成为区别细菌粒子与非生物物质的一个很好的指标。通过对心肌细胞的研究，发现NADH的荧光与细胞的活性有关。对微球菌细胞周期的研究证明，固有荧光与细胞代谢、即细胞活性有关。采用此种方法不仅可以区分粒子的生物学特性，还可以区分粒子的活性。一般来说，激发光波越短，能量越高，就如同在许多其他类型的材料中那样产生的荧光就越强。NAD(P)H的荧光激发波长集中于340nm，核黄素的激发峰为385，发射峰为525nm，很容易与它们的发射光(400-540nm)区分。

1997年，美国国防部和加拿大国防部在原有的TSI3321空气动力学粒子计数器的基础上，增加了紫外激光脉冲照射系统，研制成功了TSI3312紫外激光空气动力学生物粒子计数器(Jim Yew-Wah Ho：Fluorescentbiological particle detection system.US Patent，Patent Number：5,895,922,Apr.20，1999.)。不仅可以实时检测空气中的粒子浓度，并且能够从中判断出是否含有生物气溶胶粒子。尤其是在生物气溶胶释放或者生物恐怖侵袭的情况下，可以立即检测出危险情况进行报警。从此实现了生物气溶胶的连续、实时、在线检测。该仪器存在的问题是脉冲激光的能量随着触发频率的变化而变化，能量不稳定，检测的模拟信号较弱，易受其他信号的干扰，信噪比差；另外，该它的结构设计使设备体积较大，不便于车载或做其他流动场所的使用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种气溶胶粒子激光分析仪，它能测量检测空气中气溶胶粒子的空气动力学直径、并判别是否为生物粒子及测定粒子浓度。

按本发明的气溶胶粒子激光分析仪包括气路与光路两部分；其中的气路部分包括一套气溶胶进样装置、一套壳流净化、输送和控制装置、一个粒子加速喷口、一个总流收集、净化处理和控制装置。而光路部分包括一个双峰激光空气动力学直径测量系统、一个紫外激光诱发的生物粒子荧光的检测系统、无效与重叠粒子鉴别电路、和数据处理、显示、存储软件，以及通讯模块。

按照本发明气溶胶粒子激光分析仪的一个实施方案，紫外激光光源是一个紫外脉冲激光光源，因此在紫外激光诱发的生物粒子荧光的检测系统中相应配置一个紫外脉冲激光触发装置。

按照本发明的气溶胶粒子激光分析仪的一个优选的实施方案，紫外激光诱发的生物粒子荧光的检测系统还包含一个紫外脉冲校准装置。

本发明至少具有以下优点：

(1)本发明采用紫外激光激发生物粒子产生荧光的技术，对采集的气溶胶粒子进行定性分析，可根据活性生物粒子的固有发光特征区分生物粒子，特征明显，检测结果准确，方便快速。

(2)本发明改变了从浓缩的气溶胶粒子样品气流中分流出部分气流、然后过滤去除气溶胶粒子、从而获得干净的壳流气流的方法，直接从仪器周围环境抽取空气进行过滤，形成包裹气溶胶粒子束的壳流，在不改变采集的空气样品的浓缩比的条件下，大大降低了与之配套的空气样品浓缩分离器的处理流量，也大大降低了壳流气路中空气过滤器被高度浓缩的粒子堵塞的几率，大大延长了空气过滤器的使用寿命。

(3)本发明增加了紫外光强检测器及其紫外光强度和荧光强度校准系统，使紫外脉冲激发光标准化、归一化，提高了检测的荧光强度的准确性。

附图说明

图1是按本发明的激光粒子分析仪的一个优选实施方案的示意图；

图2是按本发明的激光粒子分析仪的气路构成示意图；

图3是按本发明的激光粒子分析仪的光路构成示意图；

图4是按本发明的激光粒子分析仪的电子功能模块示意框图；

图5是单分散气溶胶的粒径分布图；

图6是多分散气溶胶的粒径分布图；

图7是氯化钠气溶胶荧光强度分布图；

图8是白色葡萄球菌荧光强度分布图。

具体实施方式

本发明的一个实际样机所采用的气路为自行设计的壳流包裹粒子加速进样系统，采用质量流量计分别控制壳流和总流的流量；光路部分采用的是红光激光器为650nm的双管芯连续光激光器，紫外激光器为自行研制的349nm的高重复频率脉冲激光器，光电接收转换器件分别为雪崩二极管、光电倍增管和紫外探测器。

参见附图1，按本发明的气溶胶粒子激光分析仪中的气路部分包括3条支路，即含气溶胶粒子的样品进样气流、壳流和总流。

粒子加速喷口3位于光学检测室中的含气溶胶粒子气流进样管2的下末端，是由气溶胶进样管缩口而形成的一个狭小喷口，其狭小程度要使气溶胶粒子从该喷口逐个喷出。气溶胶进样管垂直设立，使从其喷口喷出的气溶胶粒子尽量垂直穿过激光光斑。

壳流净化、输送和控制装置包括一套从环境空气中定量取样、空气过滤净化、压缩的装置、和环绕着气溶胶进样管并与其外侧形成密封的壳流环管8。一般而言，用做壳流的空气取样流量为2--6升/分钟，经过过滤净化后要求达到使0.3微米及以上的粒子滤掉不低于99.99％。壳流环管8引导着壳流环绕着气溶胶进样管2向下环流流动，并在气溶胶粒子从喷口喷出后立即环绕住它，防止它向四周扩散，以便保证气溶胶粒子垂直穿过激光光束。

总流收集、净化处理、控制装置包括一套在光学检测室9中对气溶胶进样气流和环流气流的汇总收集、过滤净化装置、流量控制和排出装置。通常，总流的过滤净化要达到排出气体对人体无害的排放标准；总流流量控制的目的是要与环流的流量控制一起，间接实现对含气溶胶粒子的气流的进样流量的准确控制，使进样流量精度偏差控制在不大于10-20％的范围内。

气溶胶样品将采集的气溶胶粒子经喷口加速后喷出，由于气溶胶粒子有不同大小，因而获得不同的速度，它们穿过光学检测室中的两个红光激光光斑的时间长短就不同；由它们穿过光学检测室中的两个红光激光光斑的时间长短，就能测定它们的空气动力学直径，进行第一步定性和定量检测；然后再通过它们穿过紫外激光光斑时是否受激发出生物荧光，来进一步检测他们是否活性的生物粒子。

参见图2，是按本发明的激光粒子分析仪的气路构成示意图。壳流气路中取自仪器周围环境的空气可以经壳流泵7加压、经壳流泵前后的两个空气过滤器5和6过滤后，送入进样管2外围的壳流环管8，形成包裹样品流的外壳环流，使样品粒子沿直线飞行。总流气路中可以使用总流泵13，将样品流和壳流经两个空气过滤器10和11过滤后一并排出。在壳流和总流气路上可以分别安装了一个压力传感器1和4，用来监测前级空气过滤器的负载情况。

壳流与样品流的体积流量之比通常控制在1:3—1:5范围内，优选为1:4。

关于气路部分的结构和工作方式的详细说明，请见同日提交的、发明名称为“用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统”的中国发明专利申请，有关的公开内容在此声明并入本申请。

参见附图1、3和4，按照本发明一个优选方案的光路部分包括一个双峰激光空气动力学直径测量系统、一个紫外激光发射器诱发的生物粒子荧光的检测系统、无效与重叠粒子鉴别电路、和数据处理、显示、存储软件，以及通讯模块；其中双峰激光空气动力学直径测量系统中的激光光源15是一个双峰红光激光光源，它形成一个双峰红光激光光路；紫外激光诱发的生物粒子荧光的检测系统中的激光光源16是一个紫外脉冲激光光源，因此在紫外激光诱发的生物粒子荧光的检测系统中配置一个紫外脉冲激光触发装置，它形成一个紫外脉冲激光光路。双峰红光光路经过气流喷口的正下方，用来检测粒子的飞行时间；紫外脉冲激光光路经过气流喷口正对的双峰红光光路的正下方，用来激发生物粒子发射荧光。三个光学探测器分别为检测红光散射光的雪崩二极管(APD)17、检测生物粒子荧光强度的光电倍增管18和检测紫外脉冲光强的探测器19。

由于不同大小的粒子经过加速喷口后获得的速度不同，飞过双峰红光光斑的飞行时间也不同，通过检测粒子穿过双峰红光光斑的飞行时间，可以计算粒子的空气动力学直径。通过逻辑电路进行无效信号识别，当在GATE有效期间只检测到一个过零信号时，说明粒子穿过第一束红光时，产生散射光在阈值上，而穿过第二束红光时，产生的散射光在阈值下，这种情况下测量结果无效。当一个有效检测期间产生三个及三个以上过零信号时，说明有粒子重叠，测量结果无效。当在一个有效检测期间，产生两个差分信号，但定时器业已溢出时，说明有大于20μm的粒子到来，所产生信号仍属于无效。逻辑电路除控制定时器、A/D转换、判断无效粒子外，还要对有效粒子和各种无效结果进行分类计数，以确定各种粒子的浓度。

当双峰激光空气动力学直径测量系统和无效与重叠粒子鉴别电路鉴别出穿过双峰红光光斑的检测粒子的空气动力学直径落入仪器检测的空气动力学直径范围(0.5--20μm)时，根据粒子的飞行速度和紫外光与双峰红光的空间距离，紫外脉冲触发电路准确地计算脉冲触发时间，触发紫外光源发射出一个紫外脉冲，并保证紫外脉冲激光能够准确地照射在进入检测室的气溶胶粒子上。若该气溶胶粒子确实是一个活性的生物粒子，则它受到紫外脉冲激光的激发，受激产生出其特定的生物荧光；通过滤光片滤除红光和紫外光后，将粒子所发射的荧光通过光电倍增管检测，按照荧光强度的大小分类存储和显示。

在该优选实施方案中，紫外激光诱发的生物粒子荧光的检测系统中还包括一个紫外脉冲校准装置，它包括一个紫外脉冲光强探测器和一个紫外脉冲校准电路。为了消除紫外脉冲激光随频率和温度的变化所造成的脉冲光强度不稳定而导致的激发光标准不统一的问题，本发明通过采用紫外光强探测器来检测每个激发的脉冲光，并用紫外脉冲校准电路将它统一校准到标准状况下的脉冲强度，进而对检测到的荧光强度进行校准。关于紫外脉冲光强探测器和紫外脉冲校准电路的结构和工作方式的详细说明，请见同日提交的、实用新型名称为“气溶胶颗粒分析仪中的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统”的中国实用新型专利申请，有关的公开内容在此声明并入本申请。

参见图4，对于每一个被检粒子，电子检测系统都测量粒子的空气动力学粒径和荧光信号的幅值，并把这些数据成对地累积，传输到电脑中。当计时器检测到1个有效的飞行时间信号时，就触发1个约1μs的时间窗口，使系统接收气溶胶粒子可能受激产生的荧光信号。由于紫外光束比红光双峰光束离喷嘴稍微远一点，所以有效的荧光信号只在这个时间窗口出现。触发的时间窗口允许忽略到达荧光检测器的杂散光，因为信号测量只能发生在窗口期。

测得的粒子飞行时间由1个校正表转换成粒子大小分布，粒子大小和对应的荧光测量成对地输入到数据缓冲器，例如一个先进先出(first-infirst-out，FIFO)数据缓冲器。数据缓冲器如FIFO接收数据的速度比系统的微处理器分类的速度快得多，并允许系统处理高达10000个/cm³粒子的高浓度的短时脉冲群。内置的微处理器从如FIFO数据缓冲器读取数据，把成对的粒子数据汇集到2个数据库中的一个。在一个数据库收集数据时，另一个数据库把数据传输到外部(个人)计算机上。在定期地把数据传输到(个人)电脑或上位机进行显示和永久储存时，可以连续地查询。微处理器的接口也允许系统(个人)电脑或上位机对系统的操作参数设置控制和监视PMT增益设置，荧光检测器阈值设置和测量系统的本底噪声。

关于按照本发明的光路的结构和工作方式的详细说明，请见同日提交的、实用新型名称为“气溶胶颗粒检测光学系统”的中国实用新型专利申请，有关的公开内容在此声明并入本申请。

用一个抽气泵将拟检测的含气溶胶粒子的空气吸入，采集的样品气流量为1L/分钟，；粒子在进入激光粒子分析仪的光学检测室中后经过一个细小的缩口，使粒子按顺序、沿直线排队，粒子因其质量不同而在出口处获得不同的出口速度。为了保持粒子的飞行方向，在样品流外包裹一层壳流，壳流是取自仪器周围环境的空气、经壳流泵和两个高效过滤器过滤后而得到的洁净空气，不含有仪器可检测的粒子，壳流的流量为4L/分钟。经检测后的气流和壳流汇合到一起，用一个总流泵抽吸、经两个高效过滤器过滤后排出。在壳流和总流气路上分别安装一个流量传感器，通过气流流量控制电路来控制和调节抽气泵和壳流泵的取气量，从而保证样品流和壳流流量的恒定。

粒子进入光学检测室后，先穿过红色双峰光，并对红色双峰光产生散射，将红光散射光通过椭球镜31聚焦在散射光检测器上，通过对红光敏感的光电转换器件检测散射光的信号，得到双峰电流波形。计算双峰电流的波形，即可得到粒子穿过双峰光束间的飞行时间；根据飞行时间即可计算粒子的直径，并统计粒子的数量；同时通过逻辑判断电路分出有效信号和无效信号。

粒子穿过双峰光后，根据粒子的飞行速度，计算紫外激光的脉冲触发时间，适时发出紫外脉冲激光照射，活性生物粒子中的固有发光物质在这种特定波长的激光照射下就会发出特定波长的荧光；通过另一个椭球镜31将紫外散射光和生物粒子发射的荧光聚焦后，再经过光学滤光片将红光和紫外光滤除，将粒子发射的荧光聚焦在光电倍增管上，再用光电倍增管将这些特定波长的荧光转换成电信号。通过紫外光强探测、紫外激光脉冲校准和荧光强度校准后，即可得出粒子发出的校正荧光强度，由此可以判断粒子是否具有生物学特性。

每检测一个粒子，打开个计时窗口，将在同一个窗口期内检测的粒子直径和荧光强度成组配对，作为同一个粒子的数据进行存储。

本发明的激光粒子分析仪可用外界计算机或上位计算机进行控制和监视，并可进行检测结果的显示、存储和查询。

本发明的原理样机所采用的气路为自行设计的壳流包裹粒子加速进样系统，采用质量流量计分别控制壳流和总流的流量。光路部分采用的是红光激光器为650nm的双管芯连续光激光器，紫外激光器为自行研制的349nm的高重复频率脉冲激光器，光电接收转换器件分别为雪崩二极管、光电倍增管和紫外探测器。使用单分散气溶胶对不同大小的粒子直径进行了标定，使用氯化钠气溶胶、细菌繁殖体和芽孢，以及微生物培养介质和各种营养成分进行了试验，部分试验结果见图5-8。

图5所示为实验室发生的单分散DOP(邻苯二甲酸二辛酯)气溶胶粒子粒径检测结果，由图中可以看出，粒子几乎全部集中在3.28微米的通道上。图6所示为实验室发生的氯化钠多分散气溶胶的检测结果，其粒径分布和粒子数量与对比仪器(TSI3321)的测试结果基本一致。图7所示为氯化钠气溶胶的荧光强度检测结果，结果显示，无机盐粒子的荧光强度很弱，主要集中在前3-4个通道上。图8所示为白色葡萄球菌气溶胶荧光强度检测结果，结果表明，在紫外脉冲激光的激发下，生物粒子可发射出较强的荧光。

Claims (7)

1.一种气溶胶粒子激光分析仪，包括气路与光路两部分，其中的气路部分包括一套气溶胶样品进样装置、一套壳流净化、输送和控制装置、一个粒子加速喷口、一个总流收集、净化处理和控制装置；气溶胶样品进样装置包括一个气溶胶进样管；壳流净化、输送和控制装置包括一套定量取样、空气过滤净化、压缩的装置，和环绕着气溶胶进样管的壳流环管；光路部分包括一个双峰激光空气动力学直径测量系统、一个紫外激光诱发的生物粒子荧光的检测系统、无效与重叠粒子鉴别电路、和数据处理、显示、存储软件，以及通讯模块；其特征在于，壳流净化、输送和控制装置从环境空气中定量取样，经过空气过滤净化、压缩后而形成壳流，并引入到其上端与气溶胶进样管外侧形成密封的壳流环管中；光路部分中的双峰激光空气动力学直径测量系统采用一个双峰红光激光光源。

2.按照权利要求1的气溶胶粒子激光分析仪，其特征在于，紫外激光诱发的生物粒子荧光的检测系统还包括一个紫外脉冲校准装置。

3.按照权利要求3的气溶胶粒子激光分析仪，其特征在于，紫外激光诱发的生物粒子荧光的检测系统中的激光光源是一个紫外脉冲激光光源，紫外激光诱发的生物粒子荧光的检测系统还相应配置一个紫外脉冲触发装置。

4.按照权利要求2或3的气溶胶粒子激光分析仪，其特征在于，气溶胶样品进样气流的取样流量为0.5-1.5升/分钟；用作壳流的空气取样流量为2-6升/分钟，净化后使0.3微米以上的粒子滤掉不低于99.99％，气溶胶样品进样气流与壳流的体积比为1:3—1:5。

5.按照权利要求4的气溶胶粒子激光分析仪，其特征在于，气溶胶样品进样气流与壳流的体积比为1:4。

6.按照权利要求5的气溶胶粒子激光分析仪，其特征在于，壳流净化采用过滤器，壳流输送采用壳流泵，壳流控制装置采用压力/流量传感器；总流的处理采用过滤器，控制装置包括流量控制装置和排出装置，流量控制装置采用流量传感器，排出装置采用总流泵。

7.按照权利要求2的气溶胶粒子激光分析仪，其特征在于，紫外脉冲校准装置包括一个紫外脉冲光强探测器和一个紫外脉冲校准电路。

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