CN103091291B - 生物气溶胶实时监测装置 - Google Patents

Abstract

一种生物气溶胶实时监测装置，该装置由粒子切割器、粒子计数器、粒子缓冲腔、气泵、荧光检测单元和微机控制单元构成。本发明可实时监测大气中生物气溶胶含量并进行预警。具有实时性强、结构简单的特点。

Description

生物气溶胶实时监测装置

技术领域

本发明涉及生物气溶胶实时监测，特别是一种实时性很强的生物气溶胶监测装置，可实时监测大气中生物气溶胶含量并进行预警。

背景技术

近年来，随着社会对大气质量与公众健康越来越关注，气溶胶，尤其是大气生物气溶胶的监测技术已经成为当今热点研究领域之一。

传染性病菌或病毒等微生物都是以气溶胶粒子状态存在于大气中，当大气中传染性病菌或病毒的浓度达到一定阈值时，将对人类和动植物的健康造成威胁。与此同时，由于微生物能产生各种休眠体，可在空气中长时间存活，并借助空气介质扩散和传输，从而导致各种传染病的爆发与蔓延，给社会造成严重危害。所以急需能够实时监测周围环境中生物气溶胶的技术与设备。

检测生物气溶胶浓度的方法主要有传统的采集培养法与单粒子紫外光诱导荧光检测法。

生物粒子内部含有苯基丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和核黄素等表征生物活性的有机分子，在紫外光诱导下会产生本征荧光。这种荧光是区分生物粒子与非生物粒子的重要依据。单粒子紫外光诱导荧光检测法就是基于该原理来检测生物气溶胶含量的。该技术利用气泵对大气进行采样，其采样气路使气溶胶粒子依次单个通过紫外光检测区域。单个气溶胶粒子的荧光被荧光检测系统接收并通过光电转换器转换为电信号。该荧光信号幅值超过设定阈值，则判定待检粒子为生物粒子。在单位采样大气体积内所含的生物粒子的个数即为生物气溶胶的浓度。

上述现有技术主要存在以下缺点和不足：

1、检测灵敏度低，周期长，不具备实时性。传统的检测方法需要经过采集和培养等步骤，且培养过程一般需在要求比较严格的实验室环境下进行，不能在现场环境下操作。单粒子紫外光诱导荧光检测法得到的荧光信号微弱，也会直接造成检测灵敏度低下。

2、检测设备的体积大，使用条件要求高，不便于现场与网状布点监测。单粒子紫外光诱导荧光检测法中，由于单个气溶胶粒子的本征荧光很低，为提高检测灵敏度，需要高功率与高稳定性的紫外激发光源以及高灵敏度的光电探测器。该方法使用的紫外光源一般为由近红外固体激光器（如Nd:YAG激光器）倍频得到的紫外激光器，这类紫外光源功耗高、结构尺寸大，且光路结构复杂。另外，为了保证单粒子受到单次激光脉冲的激发，需要设计较为复杂的同步控制系统且单粒子紫外光诱导荧光检测灵敏度低下，对微弱信号处理电路的设计和光电探测器的选择要求高，这既提高了成本，又增加了系统的不稳定性。

3、结构较为复杂，对气路稳定性要求高，在大气气溶胶浓度过高时不适用。单粒子紫外光诱导荧光检测法需要设计专用的单气溶胶粒子产生气路，且流量较低，在气溶胶浓度过高时会出现较大的重叠误差。

发明内容

鉴于当前技术存在上述问题，本发明旨在提供一种生物气溶胶实时监测装置，该装置具有实时性强、结构简单的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种生物气溶胶实时监测装置，其特点在于该装置包括粒子切割器、粒子计数器、粒子缓冲腔、气泵、两套荧光检测单元和微机控制单元，所述的粒子切割器、粒子计数器、粒子缓冲腔和气泵通过气路管道依次相连，所述的荧光检测单元包括荧光检测第一通道和荧光检测第二通道，每个荧光检测通道的构成包括激发光路和接收光路，所述的激发光路由依次是激发光源、激发光准直镜组、激发光滤光片、分色镜和激发光聚焦镜组组成，所述的接收光路由依次的激发光聚焦镜组、分色镜、荧光滤光片、荧光聚焦镜组、光阑和光电探测器组成；所述的粒子缓冲腔由主腔体上固定安装的一个入口喷嘴和两个出口喷嘴组成；所述的入口喷嘴与所述的粒子计数器相连，两个出口喷嘴通过气路管道与气泵相连，所述的主腔体上还有两个开孔，分别安装两套荧光检测单元的激发光聚焦镜组；所述的粒子计数器、荧光检测单元和气泵与所述的微机控制单元相连。

所述的粒子缓冲腔的主腔体呈锥台形腔结构，所述的入口喷嘴到主腔体的内壁面的距离L满足下列关系式：

${\mathrm{LW}}^2>\frac{2{\mathrm{\ρ}}_p{C}_c{d_p}^{2}Q}{9\mathrm{\π\η}}$

式中：ρ_p是颗粒物密度；C_c是坎宁安修正因子，是颗粒物直径的函数，与颗粒物直径成反比；d_p是颗粒物直径；η为空气的动力粘度，Q是入口喷嘴的喷口处的气流流速，W是入口喷嘴的喷口的孔径。

所述的荧光检测单元包括荧光检测第一通道和荧光检测第二通道的激发光波长与接收荧光波长均不相同，色氨酸的吸收峰在260nm~295nm波长之间，荧光发射峰在300nm~420nm之间；烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的吸收峰在340nm左右，荧光发射峰在420nm~600nm之间。

所述的分色镜对紫外激发光高反，对荧光高透。

所述的分色镜相对激发光源的另一侧放置光陷阱和光强探测器，所述的光陷阱吸收激发光源，所述的光强探测器实时监测激发光源的强度。

所述的微机控制单元由数据采集卡和上位机组成，所述的上位机一方面负责启动所述的气泵工作，同时控制所述的荧光检测单元的两个检测通道的光源交替工作，所述的数据采集卡用于采集粒子计数器获取的粒子浓度值、光电探测器测得的荧光值以及光强探测器的光强值，并将这些数据传送至上位机，所述上位机进行处理数据，同时检查预设定的报警条件是否满足，一旦满足，则进行报警。

所述的粒子切割器滤除所采集的气溶胶中粒径大于10μm的气溶胶粒子，一方面，可以降低本监测方法与系统的误报率，另一方面，大粒子的惯性较大，它们进入粒子缓冲腔后可能会随着气流冲击到光学镜面上，因此，粒子切割器也可以在一定程度上防止镜面被大粒子污染。

所述的粒子计数器采用光散射原理，用以确定被测气溶胶粒子的光学等效粒径及其浓度。

所述的粒子缓冲腔根据惯性原理设计。10μm以上的大粒子会被所述的粒子切割器所滤除，剩余较小粒径的粒子从入气喷嘴进入腔体后，由于惯性较小，会在气流粘性力的作用下，逐渐改变运行轨迹，最终随着气流从出口喷嘴流出。所述的入口喷嘴采用孔径逐渐缩小的锥形结构，它与所述的粒子计数器相连，而与主腔体配合的两个喷嘴为出气口，通过气路管道与气泵相连。所述的主腔体呈锥台形腔结构。所述的主腔体上有两个开孔分别用于安装荧光检测单元两个检测通道的聚焦镜。气溶胶从入口喷嘴流入粒子缓冲腔的主腔体中，当激发光照射到粒子缓冲区域时，气溶胶粒子群能被激发出较高强度的荧光。

在微生物粒子中，常见的荧光物质有苯基丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和核黄素等，其吸收峰值与荧光发射峰也各不相同。相关研究表明，细胞芽孢的荧光峰值主要是由其内部的色氨酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸受激发射所引起的荧光。色氨酸的吸收峰在260nm~295nm波长之间，荧光发射峰在300nm~420nm之间；烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的吸收峰在340nm左右，荧光发射峰在420nm~600nm之间。不同的微生物粒子所含的成分往往不同，且各成分的相对含量也有所不同。通过检测生物粒子中色氨酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的相对含量，可以在一定程度上区分生物粒子所属的种类，且能大大提高检测的特异性。

所述的荧光检测单元包括荧光检测第一通道和荧光检测第二通道，它们交替激发所述的粒子缓冲腔中粒子缓冲区域内气溶胶粒子团的本征荧光。两个检测通道的激发光波长与接收荧光波长均不同，它们依据不同生物有机分子具有不同吸收光谱与荧光光谱的原理而设计。

每个荧光检测单元包括激发光路与荧光接收光路。基于目前的光学荧光检测技术与激发效率，一般可采用波长在266nm~280nm左右的紫外光源激发色氨酸产生荧光，采用波长在355nm~365nm左右的紫外光源激发烟酰胺腺嘌呤二核苷酸产生荧光。为此，所述的荧光检测单元两个检测通道的激发光路均可采用配有窄带滤光片的氙灯光源，但两个通道所选用的窄带滤光片的透射波段有所不同。两个通道的荧光接收光路的荧光光谱检测范围也不相同，检测色氨酸的荧光波段为300nm~420nm，检测烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的荧光波段为420nm~600nm。

荧光检测激发光路构成包括激发光源，沿该光源的光输出方向依次是激发光准直镜组、激发光滤光片、激发光聚焦镜组，直达所述的粒子缓冲区域；在激发光路中放置有低透射率反射镜，在该低透射率反射镜的透射方向设置光强探测器；所述的接收光路由激发光聚焦镜组、荧光滤光片、荧光聚焦镜组、光阑和光电探测器组成。在接收光路中，激发光聚焦镜组起荧光准直的作用，光电探测器将荧光强度转换为电信号并传送至所述的微机控制单元，光电探测器前的光阑用于消除杂散光，提高系统检测的信噪比。

所述的微机控制单元由数据采集卡和上位机组成。所述的上位机一方面负责启动工作气泵，另一方面控制荧光检测单元的两个检测通道的光源交替工作。所述的数据采集卡用于采集粒子计数器获取的粒子浓度值、光电探测器测得的荧光值以及光强探测器得到的光强值，并将这些数据传送至上位机。这些数据传送至上位机后，上位机即处理数据，然后检查预设定的报警条件是否满足，一旦满足，则进行报警。

与在先技术相比，本发明有以下优点：

1、灵敏度较高：本发明所采用的方法监测的是气溶胶粒子团的荧光，其强度远远大于单个气溶胶粒子，因此检测的灵敏度较高。从而，对微弱信号处理电路的设计要求和光电探测器的性能要求相对单粒子检测也低得多。

2、系统结构紧凑，使用条件要求低，便于实现网络布点。

系统不需要设计复杂的气路系统，只需要采用简单的粒子缓冲腔结构；通过检测气溶胶粒子团获得较高强度的荧光，对激发光源的功率要求也相对较低。因此，系统结构紧凑，成本低，便于实现小型化和传感器网络布点。

3、系统结构简单，对气路稳定性要求低。

本发明监测流程简单，结构简单，所以系统稳定且寿命较长。气溶胶浓度较高时，可以监测到较强的荧光值。由于具有上述诸多优点，本发明可以广泛用于环境监测。

附图说明

图1是本发明生物气溶胶实时监测装置的结构示意图。

图2是本发明粒子缓冲腔在x-y平面上的结构图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是本发明荧光检测单元的光学系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明生物气溶胶实时监测装置的结构示意图。由图可见，本发明生物气溶胶实时监测装置，该装置包括粒子切割器1、粒子计数器2、粒子缓冲腔3、气泵4、荧光检测单元5和微机控制单元6，所述的粒子切割器1、粒子计数器2、粒子缓冲腔3和气泵4通过气路管道依次相连，所述的荧光检测单元5包括荧光检测第一通道和荧光检测第二通道，每个荧光检测通道的构成包括激发光路和接收光路，所述的激发光路由依次是激发光源501、激发光准直镜组502、激发光滤光片503、分色镜504和激发光聚焦镜组505组成，所述的接收光路由依次的激发光聚焦镜组505、分色镜504、荧光滤光片506、荧光聚焦镜组507、光阑508和光电探测器509组成；所述的粒子缓冲腔3由主腔体32上固定安装的一个入口喷嘴31和两个出口喷嘴33组成；所述的入口喷嘴31与所述的粒子计数器2相连，两个出口喷嘴33通过气路管道与气泵4相连，所述的主腔体上还有两个开孔，分别安装两套荧光检测单元的激发光聚焦镜组505；所述的粒子计数器2、荧光检测单元5和气泵4与所述的微机控制单元6相连。

所述的荧光检测单元包括荧光检测第一通道和荧光检测第二通道的激发光波长与接收荧光波长均不相同，分别对应于色氨酸的吸收峰在260nm~295nm波长之间，荧光发射峰在300nm~420nm之间；烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的吸收峰在340nm左右，荧光发射峰在420nm~600nm之间。

所述的分色镜504对紫外激发光高反，对荧光高透。

所述的分色镜504相对激发光源501的另一侧放置光陷阱510和光强探测器511，所述的光陷阱510吸收激发光源，所述的光强探测器511实时监测激发光源501的强度。

所述的微机控制单元6由数据采集卡和上位机组成，所述的上位机一方面负责启动所述的气泵4工作，同时控制所述的荧光检测单元的两个检测通道的光源交替工作，所述的数据采集卡用于采集粒子计数器2获取的粒子浓度值、光电探测器509测得的荧光值以及光强探测器511的光强值，并将这些数据传送至上位机，所述上位机进行处理数据，同时检查预设定的报警条件是否满足，一旦满足，则进行报警。

本发明的粒子切割器1可以过滤掉采样气溶胶中的粒径大于10μm的粒子与水滴、油滴以及烟雾颗粒，避免可产生荧光的非生物气溶胶带来的干扰，从而降低装置的误报率。

本发明的粒子计数器2可以采用采用光散射原理。粒子计数器2置于气路中的粒子缓冲腔3之前和粒子切割器1之后，用以确定被测气溶胶粒子的光学等效粒径范围和浓度。

如图2所示，本发明的粒子缓冲腔3由入口喷嘴31、主腔体32和两个出口喷嘴33装配而成，入口喷嘴31与粒子计数器通过气路管道相连，两个出口喷嘴33与气泵14相连。图3是图2的A-A剖视图。主腔体32上开有两个安装孔用于安装荧光检测单元5的两个检测通道的激发光聚焦镜505。两个安装孔的中心线所在平面与两个出口喷嘴33的中心线所在平面相互垂直，从而防止气路中的气溶胶粒子污染激发光聚焦镜505的镜面。在安放粒子缓冲腔3时，保证z方向为竖直方向。装配完成后需要保证粒子缓冲腔3的气密性。

本发明的荧光检测单元5包括两个检测通道。两个检测信道均采用斜入射的方式，用于检测图2所示的粒子缓冲腔3的粒子缓冲区域内气溶胶粒子团的荧光强度。荧光检测单元5的两个检测通道采用相同形式的光学系统，但所采用的光学组件和光学工艺不同。其光学系统由激发光路与荧光接收光路组成，两条光路采用共光路设计。

图4是本发明荧光检测单元的光学系统示意图。激发光路由激发光源501、激发光准直镜组502、激发光滤光片503、分色镜504和激发光聚焦镜组505组成，接收光路由激发光聚焦镜组505、分色镜504、荧光滤光片506、荧光聚焦镜组507、光阑508和光电探测器509组成。该系统通过分色镜504将激发光路和荧光接收光路分开。分色镜504对紫外激发光高反，对荧光高透。激发光滤光片503用于提取光源中的荧光激发波段，荧光滤光片506用于滤除荧光信号中的杂散光，光阑508用于消除系统中的杂散光，它们都可以提高荧光检测的性噪比。在分色镜504相对激发光源501的另一侧放置光陷阱510与光强探测器511，光强探测器511可实时监测激发光源501的强度，并为荧光检测结果的修正提供参考，光陷阱510可以吸收杂散光，防止干扰。

荧光检测单元5的两个检测通道分别主要用于检测气溶胶粒子中的色氨酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸等物质，激发光源501均采用氙灯光源。针对不同的荧光物质，两个通道采用不同特性的光学组件。光电探测器509可采用光电倍增管，用于获取检测通道的气溶胶缓冲腔中的气溶胶粒子团512被激发光激发的本征荧光强度值。通过对比两个通道荧光检测结果，可以增大检测对象范围，在一定程度上区分微生物的种类，同时，也能大大降低检测误报率。

本发明的微机控制单元6包括一块数据采集卡和上位机。数据采集卡用于接收粒子计数器2的所测得的粒子浓度值、荧光检测单元5的光电探测器509的荧光强度值以及光强探测器511的激发光强值，并将这些数据传送至上位机。上位机由光强探测器511测得的光强值修正荧光强度数据，并根据荧光浓度数据和荧光强度的大小是否超过自定义阈值，判断当前环境下生物气溶胶是否超标，如果超标立即进行报警。上位机还负责开启工作气泵4，控制荧光检测单元5的两个光源501交替工作。

本方法的工作过程：系统开始工作时，在气泵4的吸力作用下，大气中的气溶胶粒子依次通过粒子切割器1、粒子计数器2和粒子缓冲腔3，最后由气泵4排出。气流在经过粒子缓冲腔3的过程中，会通过粒子缓冲腔3的入口喷嘴31喷射到粒子缓冲区域。由于气溶胶中10μm以上的大粒子已经被粒子切割器1滤除，所以进入粒子缓冲腔3的气溶胶粒子的惯性较小，它们会随着气流从两个出口喷嘴流出，最后进入气泵4。另外，由于两个激发光聚焦镜505的中心线所在平面与两个出口喷嘴33的中心线所在平面相互垂直，且荧光检测单元5的两个检测信道均采用斜入射的方式，因此，即使有少部分未被滤除的大粒子进入粒子缓冲腔，它们也只会冲击到主腔体32的内壁，或者靠重力作用散落到出口喷嘴33中并随气流进入气泵4，而并不会污染镜面。

与此同时，荧光检测单元5发出的激发光的聚集光斑照射到粒子缓冲腔3内，激发腔内粒子缓冲区域的气溶胶粒子团产生荧光，荧光又会进入荧光检测单元5的荧光接收光路，并到达光电探测器509的探测面，光电探测器将光信号强度转换为电信号作为荧光值。微机控制单元6的数据采集卡会将接收到的荧光值传送到上位机并进行数据处理。为了防止激发荧光相互干扰，本发明通过上位机控制两个检测通道的激发光源501不断交替工作，从而分别获取两个检测通道的荧光强度值。

如图2所示，本发明中，粒子缓冲腔3的结构有两个关键设计参数：一是入口喷嘴31在喷口处的孔径W，另一个是沿气溶胶粒子的喷射方向上，入口喷嘴31到主腔体32的内壁面的距离L。

载带颗粒物的空气流经入口喷嘴31射出后，由于受到阻挡将作曲线运动以绕开障碍物。当气流发生转弯时，气流中所有大小的颗粒物因其惯性作用，都要在原方向上保持直线运动的趋势。这种直线运动一直要保持到出射速度为零时才停止，然后颗粒物才有可能跟随气流偏转。从入口喷嘴31射出的颗粒物继续保持直线运动的最大距离是颗粒物的截止距离S_stop。颗粒物的截止距离可表示为：

$S_{\mathrm{stop}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_p{C}_c{d_p}^{2}U}{18\mathrm{\η}}=\frac{2{\mathrm{\ρ}}_p{C}_c{d_p}^{2}Q}{9\mathrm{\π\η}{W}^2}$

式中：ρ_p是颗粒物密度；C_c是坎宁安修正因子，是颗粒物直径的函数，与颗粒物直径成反比；d_p是颗粒物直径；U是入口喷嘴31的喷口处气流的速度；η为空气的动力粘度，Q是入口喷嘴31的喷口处的气流流量，W是入口喷嘴31的喷口的孔径。

本发明主腔体呈锥台形腔结构。为了防止气流中的颗粒物冲击到主腔体32的内壁，使颗粒物直接随气流而排出，所述的入口喷嘴31到主腔体32的内壁面的距离L如图2所示，需要满足：

L＞S_stop

因此L与W的关系需要满足：

${\mathrm{LW}}^2>\frac{2{\mathrm{\ρ}}_p{C}_c{d_p}^{2}Q}{9\mathrm{\π\η}}.$

Claims (6)

1.一种生物气溶胶实时监测装置，该装置包括粒子切割器(1)、粒子计数器(2)、气泵(4)、两套荧光检测单元(5)和微机控制单元(6)，其特征在于还有粒子缓冲腔(3)，该粒子缓冲腔(3)由主腔体(32)上固定安装的一个入口喷嘴(31)和两个出口喷嘴(33)组成；所述的粒子切割器(1)、粒子计数器(2)、粒子缓冲腔(3)和气泵(4)通过气路管道依次相连，所述的荧光检测单元(5)包括荧光检测第一通道和荧光检测第二通道，该荧光检测单元(5)与所述的粒子缓冲腔(3)相连，每个荧光检测通道的构成包括激发光路和接收光路，所述的激发光路由依次是激发光源(501)、激发光准直镜组(502)、激发光滤光片(503)、分色镜(504)和与所述的粒子缓冲腔(3)构成一体的激发光聚焦镜组(505)组成，所述的接收光路由依次的激发光聚焦镜组(505)、分色镜(504)、荧光滤光片(506)、荧光聚焦镜组(507)、光阑(508)和光电探测器(509)组成；所述的入口喷嘴(31)与所述的粒子计数器(2)相连，两个出口喷嘴(33)通过气路管道与气泵(4)相连，所述的主腔体上还有两个开孔，分别安装两套荧光检测单元的激发光聚焦镜组(505)；所述的粒子计数器(2)、荧光检测单元(5)和气泵(4)与所述的微机控制单元(6)相连。

2.根据权利要求1所述的生物气溶胶实时监测装置，其特征在于所述的粒子缓冲腔(3)的主腔体(32)呈锥台形腔结构，所述的入口喷嘴(31)到主腔体(32)的内壁面的距离L满足下列关系式：

${\mathrm{LW}}^2>\frac{2{\mathrm{\ρ}}_p{C}_c{d}_p^{2}Q}{9\mathrm{\π}\mathrm{\η}}$

式中：ρ_p是颗粒物密度；C_c是坎宁安修正因子，是颗粒物直径的函数，与颗粒物直径成反比；d_p是颗粒物直径；η为空气的动力粘度，Q是入口喷嘴(31)的喷口处的气流流速，W是入口喷嘴的喷口的孔径。

3.根据权利要求1所述的生物气溶胶实时监测装置，其特征在于所述的荧光检测单元包括荧光检测第一通道和荧光检测第二通道，两个通道的激发光波长与接收荧光波长均不相同，色氨酸的吸收峰在260nm～295nm波长之间，荧光发射峰在300nm～420nm之间；烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的吸收峰在340nm，荧光发射峰在420nm～600nm之间。

4.根据权利要求1所述的生物气溶胶实时监测装置，其特征在于所述的分色镜(504)对紫外激发光高反，对荧光高透。

5.根据权利要求1所述的生物气溶胶实时监测装置，其特征在于所述的分色镜(504)相对激发光源(501)的另一侧放置光陷阱(510)和光强探测器(511)，所述的光陷阱(510)吸收激发光源，所述的光强探测器(511)实时监测激发光源(501)的强度。

6.根据权利要求1至5任一项所述的生物气溶胶实时监测装置，其特征在于所述的微机控制单元(6)由数据采集卡和上位机组成，所述的上位机一方面负责启动所述的气泵(4)工作，同时控制所述的荧光检测单元的两个检测通道的光源交替工作，所述的数据采集卡用于采集粒子计数器(2)获取的粒子浓度值、光电探测器(509)测得的荧光值以及光强探测器(511)的光强值，并将这些数据传送至上位机，所述上位机进行处理数据，同时检查预设定的报警条件是否满足，一旦满足，则进行报警。