CN102135492A - 一种连续光激光粒子分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连续光激光粒子分析仪，采用的激光是连续激光，并且所述连续光激光粒子分析仪采用交流或直流电源供电，供电系统同时设计有保护电路。一次分析能同时得到空气样本中的气溶胶粒子尺寸和荧光强度的分布。该连续光激光粒子分析仪采用单个连续激光光源，通过连续激光对空气样本中气溶胶的照射，同步分析空气样本中气溶胶粒子尺寸和荧光强度的分布，并对空气样本中的可疑微生物实时监测并做出预警。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光散射特性和生物粒子的荧光特性同时对空气样本中气溶胶粒子尺寸和荧光强度分布进行分析，并对空气样本中的可疑微生物实时监测并做出预警的仪器。
背景技术
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 measuring particle sizes andvelocities.US Patent，Patent Number：5,561,515，Oct.1，1996.从文献可查阅吗)，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所述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TSI 3321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TSI 3312紫外激光空气动力学生物粒子计数器(Jim Yew-Wah Ho：Fluorescent biological particledetection system.US Patent，Patent Number：5,895,922，Apr.20，1999.从文献可查阅吗)。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。所述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，所述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。
2009年4月1日公开的发明专利气溶胶粒子激光分析仪(专利公开号：CN101398367A)克服了上述缺点，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。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。
但是此发明专利公开的气溶胶粒子激光分析仪荧光和散射光分析系统分别采用了不同的发射光源和光路，这样的气溶胶粒子激光分析仪不但光路冗杂，仪器的体积也相对较大，而且采用两套光源和光路，散射和荧光通道的之间的同步难以实现，这样实际上测得的粒径参数和生物荧光特性不是同步的，生物粒子的判定和监测就不能达到非常准确。
发明内容
本发明针对2009年4月1日公开的发明专利气溶胶粒子激光分析仪(专利公开号：CN 101398367A)的上述缺点进行了改进，目的在于提供一种实时分析监测的便携生物监测仪器，所述仪器可以同步监测到微生物的粒子大小和生物两种特性，并综合两种特性对可疑微生物作出准确判断和预警。
一种连续光激光粒子分析仪，采用的激光是连续激光，一次分析能同时得到空气样本中的气溶胶粒子尺寸和荧光强度的分布。
实时对空气样本中的可疑微生物监测并对可疑微生物做出预警。
对空气样本中的可疑微生物监测是同时根据可疑微生物粒子的粒径和荧光强度两个特征及其分布确定的。
对可疑微生物做出预警是通过同时分析可疑微生物粒子的粒径分布和荧光强度分布作出的。
所述连续光激光粒子分析仪采用交直两用电源供电的结构设计。
所述连续光激光粒子分析仪的供电系统设计有保护电路。
所述连续光激光粒子分析仪的光探测器设计有高精度温度控制系统。
所述连续光激光粒子分析仪光探测器温度控制系统保证光探测器在宽温度范围的一致性。
所述连续光激光粒子分析仪采用了并行处理电路系统。
所述连续光激光粒子分析仪采用的并行处理电路系统产生一个门控信号同步分析粒径和荧光强度信号。
所述连续光激光粒子分析仪激发散射光和荧光信号共用一套光路系统。
所述连续光激光粒子分析仪的光路系统中气溶胶粒子与连续激光相互作用产生散射光的同时激发出生物荧光，并同时由双椭球镜分别收集到散射光探测器和荧光探测器上。
所述仪器采用散射光和荧光共用光路设计，连续光激光同时激发散射光和荧光，便于采用散射和荧光信号并行处理系统，不仅简化光路，节省了光学元件，而且结构更加紧凑，提高了仪器的便携性能。
所述仪器采用散射通道和荧光通道并行处理设计，门信号控制散射信号处理通道和荧光信号处理通道同步并行工作，这样做的好处在于可以同时监测到微生物的粒子大小和生物两种特性，并同时综合两种特性对可疑微生物作出更准确判断和预警。
所述仪器中光探测器高精度温控系统的设计保证光探测器在宽温范围内的探测结果的一致性，提高了监测的环境适应性和稳定性。
所述仪器中交直流供电系统及保护电路系统、电量监测、顺序加电控制、欠压关断、过压保护等多种功能，充分保证仪器供电系统的安全可靠。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1图示了本发明的散射和荧光两部分并行处理系统。
图2图示了本发明中散射光荧光共用光路系统。
图3图示了本发明中光探测器高精度温控系统。
图4图示了本发明的电池供电系统及保护电路。
图中：1.散射光探测器 2.导热套管 3.温度传感器 4.帕米尔制冷器 5.绝热套筒 6.散热片 7.高精度温控电路。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细描述：
图1图示了本发明的散射和荧光两部分并行处理系统的一个实施例。散射光和荧光通过散射光和荧光共用光路分别进入到散射信号处理通道和荧光信号处理通道中，门信号电路产生的门信号同步控制散射信号处理通道和荧光信号处理通道并行工作。
在散射信号处理通道，散射光经散射光探测器转换成微弱电信号后通过散射信号放大电路放大，放大后的散射信号经过门信号电路产生门信号，散射峰值保持电路在门信号的控制下对放大后的散射信号进行峰值保持。峰值保持散射信号在A/D1中量化成数字信号并在散射通道甄别与计数电路中进行甄别和统计处理。
同时，在荧光信号处理通道，荧光经荧光探测器转换成微弱电信号后通过荧光信号放大电路放大，在前述门信号的控制下在荧光信号峰值保持电路中对放大后的荧光信号进行峰值保持。峰值保持荧光信号在A/D2中量化成数字信号并在荧光通道甄别与计数电路中进行甄别和统计处理。
微生物监测报警系统同时结合散射信号处理通道和荧光信号处理通道两个通道的甄别和统计结果实时分析和监测气溶胶样本中的微生物的浓度，并对可疑微生物并做出预警
图2图示了本发明散射光荧光共用光路系统的一个实施例。激光光源采用连续激光器。连续激光器发出的连续激光光束经整形光路扩展为扁椭圆形光斑，气溶胶粒子在探测区的椭球镜焦点处与激光相互作用产生散射，散射光由椭球镜收集会聚在椭球镜的一个焦点位置的散射光探测器上进行探测，在气溶胶粒子在探测区与激光相互作用产生散射的同时也激发出荧光，激发荧光由椭球镜收集会聚在椭球镜的另一个焦点上，并由整形滤波光路将荧光整形为近平行光束后再经过滤光光路滤除背景光的干扰，经过滤光后荧光由荧光探测器探测。
图3图示了本发明光探测器高精度温控系统的一个实施例。散射光探测器1外套导热套管2，温度传感器3紧贴探测散射光探测器1表面并探测散射光探测器1表面温度，帕米尔制冷器的冷面和导热套管连接，并通过导热套管2对散射光探测器1进行加热或者制冷，散热片6和帕米尔制冷器4的热面紧密接触以便对帕米尔制冷器的热面更好地散热，绝热套筒5套在导热套管2和帕米尔制冷器4的外部尽量减少此温控系统和外界环境的热对流或传导，高精度温控电路7对光探测器温控系统的温度进行精密控制。
图4图示了本发明电池供电系统及保护电路的一个实施例。它包括电源、充电电路、电量监测电路、电压转换电路、顺序加电控制电路以及欠压关断电路和过压保护电路。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换，如各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换都应包含在本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种连续光激光粒子分析仪，其特征在于采用的激光是连续激光，并且所述连续光激光粒子分析仪可采用交直两种电源供电，供电系统同时设计有保护电路。
2.根据权利要求1所述的连续光激光粒子分析仪，其特征在于所述连续光激光粒子分析仪的光探测器设计有高精度温度控制系统。
3.根据权利要求1所述的连续光激光粒子分析仪，其特征在于所述连续光激光粒子分析仪采用了并行处理电路系统。
4.根据权利要求1所述的连续光激光粒子分析仪，其特征在于所述连续光激光粒子分析仪采用的并行处理电路系统产生一个门控信号同步分析粒径和荧光强度信号。
5.根据权利要求4所述的连续光激光粒子分析仪，其特征在于所述连续光激光粒子分析仪激发散射光和荧光信号共用一套光路系统。
6.根据权利要求1所述的连续光激光粒子分析仪，其特征在于所述连续光激光粒子分析仪的光路系统中气溶胶粒子与连续激光相互作用产生散射光的同时激发出生物荧光，并同时由双椭球镜分别收集到散射光探测器和荧光探测器上。
7.根据权利要求1所述的连续光激光粒子分析仪，其特征在于连续激光器发出的连续激光光束经整形光路扩展为扁椭圆形光斑，气溶胶粒子在探测区的椭球镜焦点处与激光相互作用产生散射，散射光由椭球镜收集会聚在椭球镜的一个焦点位置的散射光探测器上进行探测，气溶胶粒子在探测区与激光相互作用产生散射的同时也激发出荧光，激发荧光由椭球镜收集会聚在椭球镜的另一个焦点上，并由整形滤波光路将荧光整形为近平行光束后再经过滤光光路滤除背景光的干扰，经过滤光后荧光由荧光探测器探测。
8.根据权利要求4或5所述的连续光激光粒子分析仪，其特征在于，散射光和荧光通过散射光和荧光共用光路分别进入到散射信号处理通道和荧光信号处理通道中，门信号电路产生的门信号同步控制散射信号处理通道和荧光信号处理通道并行工作。
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