CN103234921B - 水体细菌微生物快速在线检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水体细菌微生物快速在线检测装置及检测方法，基于细菌微生物的光学散射和吸收特征，以双波长激光二极管为光源，分布在球形空间的光纤阵列为光信号接收器件，CCD为光信号检测器，对我国环境水体中细菌微生物的快速在线检测方法及系统进行了研究，研制了水体细菌微生物快速、在线检测样机一套，在实验室中有效地实现了水体中细菌微生物的快速识别检测，该方法操作简便，无需样品培养与预处理，检测速度快，灵敏度高，能够实现水体细菌与微生物的连续、在线、实时监测和分类，适合于自然水体中细菌微生物的快速、在线检测，以及引用水源地水体中细菌微生物的全面、连续监测预警。

Description

水体细菌微生物快速在线检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及水体检测系统领域，具体为一种水体细菌微生物快速在线检测装置及检测方法。

背景技术

据联合国环境规划署调查显示：世界80%疾病由饮用水污染导致，50％儿童的死亡是由于饮用水被污染造成，污染的水源是人类致病、致死的最大单一原因。

饮用水安全问题是我国面临的突出环境问题，直接关系到人民群众的生命和健康。我国自1986年至2005年发生了152起饮用水污染事故，污染类型以生物污染为主，远远高于化学污染的比例，占69.1%；近一半的事故发生在居民区，以水源污染为主，占56.6%，生活污染是导致饮用水污染的主要因素，占65.1%，其次是工业污染；污染水体的生物种类较多，但造成疾病的主要是肠内微生物，包括细菌（重点是病原菌：沙门氏菌、志贺杆菌、致病性大肠杆菌、李斯特菌、金黄色葡萄球菌、霍乱弧菌、结核杆菌等）、滤过性病毒和原生动物；饮用水污染事故严重影响了居民正常饮水，甚至引发水性疾病的暴发流行或污染物中毒。

现有的检验方法主要有培养皿法、酶法、免疫法、基因法等，为间歇、随机的样品采集和耗时的实验室分析，检测方法步骤多、检测过程长、检测灵敏度低，标准检测程序需要进行一段时间的细菌培养，数小时或数天时间才能得到检测结果，无法实现对水中危害微生物的连续、在线、实时监测和分类；由于随机的样品采集仅能提供某个时刻某个静止位置的水质情况，无法达到全面、连续的水质预警，也无法实现快速的水质超标监测和及时的响应处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种水体细菌微生物快速在线检测装置及检测方法，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

水体细菌微生物快速在线检测装置，其特征在于：包括空心球体状的球形测量室、置于球形测量室中的容纳待测水体的透明的样品池，以及由双波长激光二极管、光源准直透镜组构成的光发射部分，由光纤阵列、光束整形透镜组和CCD探测器构成的光接收部分，所述球形测量室侧壁上设置有处于同一直径两端的进、出光孔，以及处于与进、出光孔所在直径垂直的另一直径两端的进、出水管通孔，样品池自身的进、出水孔分别通过对应从球形测量室侧壁进、出水管通孔穿出的管路进、出待测水体，所述球形测量室侧壁上，以进、出光孔所在直径为中心轴，均匀设置有多个散射光收集与光纤传输通孔组，每个散射光收集与光纤传输通孔组分别由多个散射光收集与光纤传输通孔构成，所述光发射部分中，双波长激光二极管、光源准直透镜组设置在球形测量室进光孔一侧，双波长激光二极管的出射激光束经过光源准直透镜组后入射球形测量室，所述光接收部分中，光纤阵列中的各个光纤一端分别一一对应连接球形测量室侧壁上散射光收集与光纤传输通孔，光纤阵列中的各个光纤另一端分别连接至光束整形透镜组，所述光束整形透镜组通过光纤连接CCD探测器，光纤阵列中各个光纤接收从球形测量室上散射光收集与光纤传输通孔出射的出射光，并将光信号通过光束整形透镜组传送至CCD探测器。

所述的水体细菌微生物快速在线检测装置，其特征在于：所述样品池进水口上的管路上安装有蠕动泵。

所述的水体细菌微生物快速在线检测装置，其特征在于：所述球形测量室出光口一侧设置有光吸收器。

所述的水体细菌微生物快速在线检测装置，其特征在于：所述还包括数据采集与控制系统，所述CCD探测器与数据采集与控制系统输入端连接，数据采集与控制系统输出端分别与蠕动泵控制端、双波长激光二极管控制端连接。

所述的水体细菌微生物快速在线检测装置，其特征在于：所述球形测量室内壁上涂敷有黑色的吸光涂层。

基于水体细菌微生物快速在线检测装置的检测方法，其特征在于：双波长激光二极管光源发出的激光束经光源准直透镜组准直后进入球形测量室，在球形测量室中激光束穿过样品池后进入光吸收器；当激光束穿过样品池时，样品池内待测水体中的细菌微生物将对激光束产生吸收与散射特征，通过连接在球形测量室散射光收集与光纤传输通孔上的光纤阵列接收不同角度上的细菌微生物光散射信号并传输至光束整形透镜组，经光束整形透镜组后进入CCD探测器进行光电信号的转换，然后进入数据采集与控制系统进行数据采集处理；整个装置检测的开始与结束控制指令由数据采集与控制系统发出，首先由数据采集与控制系统控制蠕动泵实现水样的自动进样，进样完成后由数据采集与控制系统控制双波长激光二极管光源中不同波长激光二极管光源的顺序开启与关闭，同时数据采集与控制系统根据双波长激光二极管光源中不同波长激光二极管光源的开启与关闭情况，对CCD探测器采集到的信号进行分类采集、存储与处理。

本发明测量原理为：水体细菌微生物快速在线检测是以双波长激光二极管为光源，将单色光准直后穿过样品池，通过接收细菌微生物在通过光束过程中不同角度上的光散射信号，以不同细菌微生物对光的散射与吸收特征为依据并结合计算机模式识别处理技术，实现对水体细菌微生物的快速识别检测。

本发明装置基于细菌微生物的光学散射和吸收特征，以双波长激光二极管为光源，分布在球形空间的光纤阵列为光信号接收器件，CCD为光信号检测器。本发明方法操作简便，无需样品培养与预处理，检测速度快，灵敏度高，能够实现水体细菌与微生物的连续、在线、实时监测和分类，适合于自然水体中细菌微生物的快速、在线检测，以及引用水源地水体中细菌微生物的全面、连续监测预警。

本发明适用于自然水体以及引用水源地水体中细菌微生物（包括沙门氏菌、志贺杆菌、致病性大肠杆菌、李斯特菌、金黄色葡萄球菌、霍乱弧菌、结核杆菌、滤过性病毒和原生动物等）的快速在线检测，与现有的检测技术方法相比，本发明的优点如下：

（1）操作简便、无需样品培养与预处理；

（2）测量快速、几分钟得到检测结果；

（3）在线、连续检测，适用于饮用水安全预警；

（4）以双波长激光二极管为光源，降低了单一波长光源测量时的误差；

（5）以光纤阵列为光信号接收器件使得系统结构更加简单，保证了各接收角度信号的有效接收与传输；

（6）以CCD为光信号检测器，保证了信号探测的高灵敏度与一致性；

（7）以蠕动泵自动进样，实现水体细菌微生物的在线、连续检测，无需手动水样采集。

附图说明

图1为本发明系统结构原理框图。

图2为本发明球形测量室结构剖视图。

图3为本发明球形测量室上散射光收集与光纤传输通孔分布示意图。

图4为本发明样品池结构剖视图。

图5为本发明CCD探测器像元与不同光纤入射光斑分布图。

具体实施方式

如图1所示。水体细菌微生物快速在线检测装置，包括空心球体状的球形测量室3、置于球形测量室3中的容纳待测水体的透明的样品池4，以及由双波长激光二极管1、光源准直透镜组2构成的光发射部分，由光纤阵列5、光束整形透镜组6和CCD探测器7构成的光接收部分，球形测量室3侧壁上设置有处于同一直径两端的进、出光孔，以及处于与进、出光孔所在直径垂直的另一直径两端的进、出水管通孔，样品池4自身的进、出水孔分别通过对应从球形测量室3侧壁进、出水管通孔穿出的管路进、出待测水体，球形测量室3侧壁上，以进、出光孔所在直径为中心轴，均匀设置有多个散射光收集与光纤传输通孔组，每个散射光收集与光纤传输通孔组分别由多个散射光收集与光纤传输通孔构成，光发射部分中，双波长激光二极管1、光源准直透镜组2设置在球形测量室3进光孔一侧，双波长激光二极管1的出射激光束经过光源准直透镜组2后入射球形测量室3，光接收部分中，光纤阵列5中的各个光纤一端分别一一对应连接球形测量室3侧壁上散射光收集与光纤传输通孔，光纤阵列5中的各个光纤另一端分别连接至光束整形透镜组6，光束整形透镜组6通过光纤连接CCD探测器7，光纤阵列5中各个光纤接收从球形测量室3上散射光收集与光纤传输通孔出射的出射光，并将光信号通过光束整形透镜组6传送至CCD探测器7。

样品池4进水口上的管路上安装有蠕动泵9。

球形测量室3出光口一侧设置有光吸收器10。

还包括数据采集与控制系统8，CCD探测器7与数据采集与控制系统8输入端连接，数据采集与控制系统8输出端分别与蠕动泵9控制端、双波长激光二极管1控制端连接。

球形测量室3内壁上涂敷有黑色的吸光涂层。

水体细菌微生物快速在线检测方法为：双波长激光二极管光源发出的激光束经光源准直透镜组准直后进入球形测量室，在球形测量室中激光束穿过样品池后进入光吸收器；当激光束穿过样品池时，样品池内待测水体中的细菌微生物将对激光束产生吸收与散射特征，通过连接在球形测量室散射光收集与光纤传输通孔上的光纤阵列接收不同角度上的细菌微生物光散射信号并传输至光束整形透镜组，经光束整形透镜组后进入CCD探测器进行光电信号的转换，然后进入数据采集与控制系统进行数据采集处理；整个装置检测的开始与结束控制指令由数据采集与控制系统发出，首先由数据采集与控制系统控制蠕动泵实现水样的自动进样，进样完成后由数据采集与控制系统控制双波长激光二极管光源中不同波长激光二极管光源的顺序开启与关闭，同时数据采集与控制系统根据双波长激光二极管光源中不同波长激光二极管光源的开启与关闭情况，对CCD探测器采集到的信号进行分类采集、存储与处理。

本发明中系统各部件功能与实现如下：

1. 双波长激光二极管光源：由两个不同中心波长的激光二极管构成，本装置采用中心波长分别为380nm和650nm的两个激光二极管。由于不同细菌微生物对不同波长光的吸收与散射特性不同，采用两种不同波长的光能够更加有效的鉴别不同细菌微生物对光的吸收与散射特征，实现更加准确的识别。

2. 光源准直透镜组：将双波长激光二极管光源1中两个不同波长激光二极管发出的激光束进行准直，并保证两个波长的激光束沿同一位置、同一方向和同一光斑尺寸传播。

3. 球形测量室：是一空心的球形壳体，左、右分别开有激光束进、出通光孔，上下分别开有出水管和进水管通孔，如图2所示。球形测量室内壁涂有黑色的吸光涂层，使无需探测的散射光被内壁涂层完全吸收，使之不发生反射或漫射；球形测量室外壁开有散射光收集与光纤传输通孔，沿激光束进入或穿出方向，散射光收集与光纤传输通孔相邻两排呈60度均匀分布在球形测量室外壁上，如图3所示。

4. 样品池：将待测水样储存在样品池中，样品池下端接进水管，上端接出水管，进水管另一端接蠕动泵9，通过控制蠕动泵流量使样品池中充满水样，待测量后蠕动泵9重新开始进样，以使样品池中的待测水样更新。样品池材料为石英玻璃，形状为球形壳体状，上下端开有出水与进水管接口。如图4所示。

5. 光纤阵列：是多根光纤的规则组合，一端连接球形测量室3散射光收集与光纤传输孔，另一端连接光束整形透镜组6。

6. 光束整形透镜组：用于将光纤阵列5收集到的散射光信号进行空间整形，使之相配于CCD探测器7像元尺寸。

7. CCD探测器：将经过光束整形透镜组6后的光信号实现光电信号转换。将CCD探测器7不同像元分成若干组，分别对应于光纤阵列5中的每一根光纤信号。如图5所示。

8. 数据采集与控制系统：用于CCD探测器7转换后的光电信号数据采集与处理，并进行整个系统的工作指令执行控制。包括蠕动泵9和双波长激光二极管光源1，实现蠕动泵自动进样、双波长激光二极管光源中不同波长激光二极管的开启与关闭控制。

9. 蠕动泵：用于实现待测水样的自动进样，进样时间和进样流量由数据采集与控制系统8控制。

10.光吸收器：用于吸收从球形测量室3透过的激光。

利用上述系统在线进行水体细菌微生物的快速识别检测，避免了手动采样、样品培养与预处理，操作简便，测量快速，灵敏度高，能够有效用于自然水体中细菌与微生物的连续、在线、快速检测和分类，以及引用水源地水体中细菌微生物的全面、连续监测安全预警。

根据本发明中提出的水体细菌微生物快速在线检测装置及方法，在实验室中有效地实现了水体中细菌微生物（包括沙门氏菌、志贺杆菌、致病性大肠杆菌、李斯特菌、金黄色葡萄球菌、霍乱弧菌、结核杆菌、滤过性病毒和原生动物等）快速测量。系统主要性能指标如表1所示。

表1 水体细菌微生物快速在线检测装置性能指标

Claims (5)

1.水体细菌微生物快速在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述水体细菌微生物快速在线检测装置包括空心球体状的球形测量室、置于球形测量室中的容纳待测水体的透明的样品池，以及由双波长激光二极管、光源准直透镜组构成的光发射部分，由光纤阵列、光束整形透镜组和CCD探测器构成的光接收部分，所述球形测量室侧壁上设置有处于同一直径两端的进、出光孔，以及处于与进、出光孔所在直径垂直的另一直径两端的进、出水管通孔，样品池自身的进、出水孔分别通过对应从球形测量室侧壁进、出水管通孔穿出的管路进、出待测水体，所述球形测量室侧壁上，以进、出光孔所在直径为中心轴，均匀设置有多个散射光收集与光纤传输通孔组，每个散射光收集与光纤传输通孔组分别由多个散射光收集与光纤传输通孔构成，所述光发射部分中，双波长激光二极管、光源准直透镜组设置在球形测量室进光孔一侧，双波长激光二极管的出射激光束经过光源准直透镜组后入射球形测量室，所述光接收部分中，光纤阵列中的各个光纤一端分别一一对应连接球形测量室侧壁上散射光收集与光纤传输通孔，光纤阵列中的各个光纤另一端分别连接至光束整形透镜组，所述光束整形透镜组通过光纤连接CCD探测器，光纤阵列中各个光纤接收从球形测量室上散射光收集与光纤传输通孔出射的出射光，并将光信号通过光束整形透镜组传送至CCD探测器；

该装置的检测方法为双波长激光二极管光源发出的激光束经光源准直透镜组准直后进入球形测量室，在球形测量室中激光束穿过样品池后进入光吸收器；当激光束穿过样品池时，样品池内待测水体中的细菌微生物将对激光束产生吸收与散射特征，通过连接在球形测量室散射光收集与光纤传输通孔上的光纤阵列接收不同角度上的细菌微生物光散射信号并传输至光束整形透镜组，经光束整形透镜组后进入CCD探测器进行光电信号的转换，然后进入数据采集与控制系统进行数据采集处理；整个装置检测的开始与结束控制指令由数据采集与控制系统发出，首先由数据采集与控制系统控制蠕动泵实现水样的自动进样，进样完成后由数据采集与控制系统控制双波长激光二极管光源中不同波长激光二极管光源的顺序开启与关闭，同时数据采集与控制系统根据双波长激光二极管光源中不同波长激光二极管光源的开启与关闭情况，对CCD探测器采集到的信号进行分类采集、存储与处理。

2.根据权利要求1所述的水体细菌微生物快速在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述样品池进水口上的管路上安装有蠕动泵。

3.根据权利要求1所述的水体细菌微生物快速在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述球形测量室出光口一侧设置有光吸收器。

4.根据权利要求1所述的水体细菌微生物快速在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述CCD探测器与数据采集与控制系统输入端连接，数据采集与控制系统输出端分别与蠕动泵控制端、双波长激光二极管控制端连接。

5.根据权利要求1所述的水体细菌微生物快速在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述球形测量室内壁上涂敷有黑色的吸光涂层。