CN103278607B - 一种利用蜜蜂检测气体的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用蜜蜂检测气体的装置和方法。所述装置包括内置有多个蜜蜂固定座的暗室，用于向暗室中输送待测气体的给进导管，以及用于监测蜜蜂形态的图像采集单元，所述给进导管为多根且与各蜜蜂固定座一一对应；所述图像采集单元包括与各蜜蜂固定座一一对应的检测光源，以及处在所有蜜蜂固定座上方的图像采集器。所述方法包括：对蜜蜂进行巴普洛夫条件反射训练；将被训练蜜蜂固定在蜜蜂固定座内，将待测气体输送到蜜蜂触角前；图像采集器采集检测光源出光口处的蜜蜂喙部图像，并根据采集的图像对待测气体进行判定。与现有技术相比，本发明装置检测精度和准确率高，能对待测气体中的两种或两种以上的气体成分进行检测。

Description

一种利用蜜蜂检测气体的装置和方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种利用蜜蜂检测气体的装置和方法。

背景技术

多数情况下，气体均在实验室中使用化学方法或生化传感器进行检测。特殊情况下通过利用严格训练的动物对某些特定气体（如从毒品或爆炸物中散发的气体）进行快速检测，如在毒品稽查中使用缉毒犬；而这些动物的训练代价昂贵，难以得到普遍利用。

蜜蜂是一种拥有强大嗅觉能力的动物，其触角上布满各种感受器，对于特异性气体异常敏感。而且蜜蜂具有较强的学习和记忆能力，利用蜜蜂对于特定气体的相关性学习，可以构建对于训练气体的巴普洛夫反射。利用巴普洛夫的条件反射原理训练蜜蜂对某种特异性气体产生伸喙和吐舌反射，即在给蜜蜂吹送训练气体之后马上用蔗糖液触碰蜜蜂的触角并给予蔗糖液奖励，蜜蜂会自然地发生伸喙吐舌行为，如此训练多次，直至只吹送训练气体不给予蔗糖液刺激时蜜蜂仍能发生伸喙与吐舌反射；从而将对于气体的检测转化为对蜜蜂的伸喙和吐舌行为的监测。经过训练的蜜蜂对训练气体反应迅速且准确，可被可靠地用于气体检测。

公开号为US7237504B2和US7841226B1的美国专利文献均公开了一种利用蜜蜂的伸喙和吐舌反射来检测气体的方法和装置，所述装置包括气体给进单元和气体检测单元，这两个技术方案的不足之处在于：

（1）装置内部为全光环境，而蜜蜂在全光环境中不利于保持平静，在不含有训练气体的环境中也可能发生伸喙吐舌行为，不仅对检测结果产生干扰，而且全光环境也不利于蜜蜂存活；

（2）摄像头所拍摄的是整个气体检测室或蜜蜂头部的图像，然后再用图像处理技术对图像中蜜蜂的伸喙吐舌动作进行提取，而与周围环境相比，蜜蜂喙部和舌部的体积和面积都很小，识别的难度较大，易出现漏检等错误，不仅操作复杂，对计算机和硬件资源需求也较高；

（3）并且，由于检测过程中蜜蜂的触角不停移动，在对图像进行提取时会对吐舌行为的监测带来干扰，上述专利文献对此未提出有效的解决办法；

（4）当待检测物质同时包含两种及两种以上的标志性气体时，上述专利文献未提出同时检测多种标志性气体以确定待检测物质的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种利用蜜蜂检测气体的装置，利用该装置能够进行简便、快速、准确的气体检测。

一种利用蜜蜂检测气体的装置，包括内置有多个蜜蜂固定座的暗室，用于向暗室中输送待测气体的给进导管，以及用于监测蜜蜂形态的图像采集单元，所述给进导管为多根且与各蜜蜂固定座一一对应；所述图像采集单元包括与各蜜蜂固定座一一对应的检测光源，以及处在所有蜜蜂固定座上方的图像采集器。

将经过巴普洛夫条件反射训练的蜜蜂固定在所述蜜蜂固定座内，整个气体检测过程在密闭不透光的暗室内进行，暗环境有利于使蜜蜂保持平静、易于存活。检测光源的光线由外部环境直接引入，装置内无需使用人造灯光设备；并且只要较为微弱的检测光源即可满足检测需求。

被束缚在蜜蜂固定座内的蜜蜂无法移动身体和头部，只有触角、喙部和舌部可以活动。与各蜜蜂固定座一一对应的多根给进导管和多个检测光源，既保证每只蜜蜂接触到的待测气体的浓度和份量相同，也有利于所述图像采集器准确监测每只蜜蜂是否发生伸喙吐舌行为。

由于经过巴普洛夫条件反射训练的蜜蜂的触角对训练气体最为敏感，作为优选，所述给进导管的出气口与蜜蜂触角正对。如此不仅可保证检测的精确度，还可节约待测气体。

为便于对蜜蜂伸喙吐舌行为进行准确检测，作为优选，所述检测光源的出光口位于蜜蜂喙部的正下方。一旦发生伸喙吐舌行为，检测光源就将蜜蜂的喙部和舌部投射在图像采集器上，采集到的蜜蜂形态图像也较为简单，简化了监测过程。

作为优选，所述检测光源为光导纤维。作为进一步优选，所述光导纤维的内径为2～3mm。光导纤维较为纤细，出光口形成背景点光源，将图像采集部位集中在蜜蜂的喙部和舌部，避免蜜蜂触角对伸喙吐舌行为的监测产生干扰。检测过程中应避免光导纤维的引光处光线过强或光线分布不均匀。

本发明的装置中，所述暗室通过隔离玻璃划分为检测暗室和处在该检测暗室上方的图像采集室，各蜜蜂固定座以及检测光源位于检测暗室内，图像采集器位于图像采集室内。

隔离玻璃既有利于图像采集器进行图像采集，又避免有害的待测气体对图像采集器造成损害。为便于对图像采集器进行维修更换，在所述图像采集室的顶部设有遮光罩。检测过程中将该遮光罩盖上，保证检测暗室内的暗环境。

图像采集器对出光口处的图像进行连续采集，并将图像传输到计算机，计算机上的图像处理程序对发生伸喙吐舌行为的蜜蜂数量进行统计，再根据统计数据对是否检测到训练气体进行判断并将判断结果输出。

为提高气体检测的准确率，作为优选，所述蜜蜂固定座为至少八个。对多只蜜蜂是否发生伸喙吐舌行为进行统计，以对待测气体中是否含有训练气体作概率上的表征；蜜蜂数量越多，则检测结果越加准确。作为进一步优选，所述蜜蜂固定座为交错布置的至少两排。以有效利用检测暗室内的空间。

作为优选，所有给进导管安装在一根给进总管上，并且待测气体从给进总管入气口至到达蜜蜂触角前所经过的路程相同。从而保证每只蜜蜂受到待测气体刺激的时间一致，进一步提高检测准确率。

作为进一步优选，所述给进总管的入气口处安装有气体输送泵。用于将现场环境中的待测气体直接吸入。

作为进一步优选，所述给进总管上还设有气体注入口，该气体注入口带有相配合的密封塞。在现场环境中进行气体检测时关闭该气体注入口；在实验室环境中进行气体检测时，待测气体从所述气体注入口注入，并在入气口泵入普通或净化过的空气，用于带动或稀释待测气体。

检测完成后，为避免有害、易燃或易爆的待测气体直接被排入大气，作为优选，所述暗室的侧壁上带有排气口，排气口处安装有气体过滤器和引风机。所述排气口的高度优选与所述给进导管的高度相适应，给进导管和排气口分别位于蜜蜂固定座的相对两侧。如此待测气体被蜜蜂检测后，可直接通过排气口被气体过滤器过滤再由引风机排出。

本发明还提供了一种利用蜜蜂检测气体的方法，包括：

（1）对蜜蜂进行巴普洛夫条件反射训练，使蜜蜂对训练气体形成伸喙吐舌反射；

（2）将被训练蜜蜂固定在所述装置的蜜蜂固定座内，将待测气体通过给进导管输送到蜜蜂触角前；

（3）图像采集器采集检测光源出光口处的蜜蜂喙部图像，并根据采集的图像对待测气体进行判定：

若待测气体中含有训练气体，则被训练蜜蜂发生伸喙吐舌行为，伸出的喙部或舌部遮挡部分或整个检测光源出光口；反之检测光源出光口不被遮挡。

整个检测过程中，待测气体进入与流出检测暗室的流速应大致相同。

为能对待测气体中的两种或两种以上的气体成分进行检测，本发明方法在检测暗室中放置两种或两种以上被训练蜜蜂，每一种被训练蜜蜂识别一种训练气体，每一种被训练蜜蜂应保证有四只以上。

蜜蜂对很多气体都较为敏感，对不同气体的感知浓度（或最低伸喙吐舌反应浓度）各不相同且均较低，最低可达ppt数量级。因此，一旦蜜蜂对某一训练气体形成伸喙吐舌反射，只要待测气体中存在高于感知浓度的训练气体，蜜蜂就会发生伸喙吐舌反应。

在需要对现场或者实验室环境中的待测气体是否含有训练气体进行检测时，训练气体的浓度一般均远高于被训练蜜蜂的感知浓度。如果待测气体中训练气体的浓度低于被训练蜜蜂的感知浓度，那该待测气体也不会对环境或人体产生危害，没有检测必要。

本发明的装置和方法可具体用于生物医学领域，对疾病产生气体的成分进行快速检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明装置内部为近全黑暗环境，有利于使蜜蜂保持平静，从而大大提高被固定蜜蜂的寿命（1周左右），且检测暗室内能放置至少八只蜜蜂，大大提高了检测精度；

（2）本发明装置采用光导纤维作为检测光源，光导纤维的出光口形成背景点光源，将图像采集部位集中在蜜蜂的喙部和舌部，既避免蜜蜂触角对伸喙吐舌行为的监测产生干扰，简化后续图像处理的难度；使用实时的计算机图像处理技术，进行图像处理和监控显示，自动地对发生伸喙吐舌行为的蜜蜂进行数量统计，给出气体检测结果，提高了气体的在线检测准确性；

（3）本发明装置中给进导管的出气口与蜜蜂触角正对，不仅可保证检测的精确度，还可节约待测气体；

（4）本发明方法能对待测气体中的两种或两种以上的气体成分进行检测；因为在某些情况下，同时检测到两种或两种以上化学标志性成分才表征成功检测到某待测物质。

附图说明

图1为本发明一种利用蜜蜂检测气体的装置的结构示意图；

图2为本发明一种利用蜜蜂检测气体的装置的结构分拆图；

图3为本发明一种利用蜜蜂检测气体的装置在另一视角下的结构示意图；

图4中图3中的A-A剖试图；

图5为本发明一种利用蜜蜂检测气体的装置在又一视角下的结构示意图；

图6为图5中的B-B剖视图；

图7为被训练蜜蜂不发生伸喙吐舌行为时采集到的图像；

图8为被训练蜜蜂发生伸喙吐舌行为时采集到的图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例一

如图4所示，本发明一种利用蜜蜂检测气体的装置，包括壳体1，壳体1内有四个空间，分别是：气体给进室20，检测暗室30，图像采集室50以及气体过滤室40。

如图6所示，气体给进室20内布置有给进总管25，给进总管25的一端伸出气体给进室20，并在入气口处并安装有气体输送泵21，用于将现场环境中的待测气体泵入装置中；给进总管25上还设有气体注入口22，用于将已采集的待测气体注入装置中。

由图4、图6可见，给进总管25的另一端连接有两根给进支管23，每一根给进支管23上分别连接有四根给进导管24，给进导管24伸入检测暗室30，与蜜蜂固定座33一一对应。

由图6可见，检测暗室30内安装有八个蜜蜂固定座33，并且分成错位布置的两排。给进导管24的出气口与蜜蜂固定座33内蜜蜂的触角正对，且待测气体从给进总管25的入气口或气体注入口22到达蜜蜂触角前所经过的路程相等。

由图4可见，在检测暗室30内还设有与蜜蜂固定座33一一对应的检测光源11，本具体实施方式中，该检测光源11为光导纤维32，且光导纤维32的出光口位于蜜蜂喙部的正下方，如此可将图像采集部位集中在蜜蜂的喙部和舌部，避免蜜蜂触角对伸喙吐舌行为的监测产生干扰。

图像采集室50位于检测暗室30的正上方，图像采集室50与检测暗室30之间设有透明的隔离玻璃51，避免有害的气体对图像采集器12造成损害；图像采集室50的顶部设有遮光罩53，便于对图像采集器12进行维护更新并保证检测暗室30的暗环境。本具体实施方式中，该图像采集器12为摄像机52。摄像机52的镜头垂直向下，位于所有蜜蜂固定座33的正上方。

由图4可见，检测暗室30通过侧壁上的排气口44与气体过滤室40相通，排气口44的高度与给进导管24的高度相适应。气体过滤室40内安装有碳吸附层42，待测气体从排气口44进入气体过滤室40，经碳吸附层42过滤后，被嵌装在气体过滤室40另一侧壁上的引风机41排出。由图3可见，在引风机41的下方设有光导纤维32的安装孔45。

实施例二

本发明一种利用蜜蜂检测气体的方法，是通过如图1～图6所示的装置实现的，具体包括：

（1）捕捉蜜蜂：在蜂巢的出入口附近捕捉外出采蜜的工蜂，一般在早晨或者午后进行捕捉，这时容易捕捉到成熟的工蜂；

（2）固定蜜蜂：将蜜蜂被放置在4℃左右的冷藏环境中5分钟左右，使蜜蜂不能活动；再将蜜蜂放置在留有缺口的固定小管中，剪切合适宽度的胶带将蜜蜂的身躯固定，仅使蜜蜂头部高过固定小管的管壁；然后使用更细的胶带捆绑蜜蜂的头身连接处，固定蜜蜂头部；固定后，只有触角、喙部和舌部可以活动；固定完成后，用蔗糖液喂饱，放置在潮湿无光室温环境下过一夜，使蜜蜂适应固定状态并在实验前保持饥饿；

（3）训练蜜蜂：选取薰衣草油挥发气体作为对蜜蜂进行巴普洛夫条件反射训练的训练气体；

将30μL的薰衣草油滴在滤纸小条（60×20mm）上，然后将滤纸小条放入500mL挥发瓶中，使其在25℃下自主挥发2h，获得薰衣草油挥发气体；用针筒吸取薰衣草油挥发气体，对蜜蜂进行巴普洛夫条件反射训练，具体过程如下：

给蜜蜂吹送4秒钟的薰衣草油挥发气体，在第3秒钟时用蔗糖液触碰蜜蜂的触角，蜜蜂会自然地发生伸喙吐舌行为，马上给予蜜蜂喙部蔗糖液奖励3秒钟，如此训练5～6次，直至只吹送薰衣草油挥发气体而不给予蔗糖液刺激时，蜜蜂仍发生伸喙吐舌行为；选取其中训练效果最好的部分蜜蜂作为检测用蜜蜂；

（4）气体检测：将检测用蜜蜂连同固定小管一起插入到蜜蜂固定座33内，使得蜜蜂的喙部正好位于光导纤维32出光口的上方，并蜜蜂触角与给进导管24的出气口正对；

运行装置，分别以100mL、500mL薰衣草油挥发气体飘散到100×100×100mm³的正方体玻璃空间内获得的气体为待测气体，启动气体输送泵21将待测气体从入气口直接泵入；

待测气体依次经过给进总管25、给进支管23、给进导管24到达检测用蜜蜂的触角前，摄像机52对光导纤维32的出光口处的蜜蜂喙部图像进行采集；

检测用蜜蜂不发生伸喙吐舌行为时采集到的图像如图7所示，检测用蜜蜂的喙部和舌部未遮挡出光口；

当检测用蜜蜂发生伸喙吐舌行为时，伸出的喙部和舌部将光导纤维32的出光口遮挡，如图8所示；

摄像机52通过USB接线将蜜蜂喙部图像传输到计算机，计算机上的图像处理程序对采集图像中发生伸喙吐舌行为的检测用蜜蜂的数量进行统计，再根据统计数据对是否检测到训练气体进行判断并将判断结果输出。当发生伸喙吐舌行为的检测用蜜蜂的数量占所有检测用蜜蜂的75%以上时，则可判定为检测到训练气体。

经监测，所有八只检测用蜜蜂都发生伸喙吐舌行为，表明检测到了待测气体中的薰衣草油挥发气体。

实施例三

以橙油挥发气体（制备方法与薰衣草油挥发气体相同）作为训练气体，分别以100mL、500mL橙油挥发气体飘散到100×100×100mm³的正方体玻璃空间内获得的气体为待测气体，采用与实施例二相同的装置和方法对待测气体进行检测。

经监测，所有八只检测用蜜蜂都发生伸喙吐舌行为，表明检测到了待测气体中的橙油挥发气体。

实施例四

采用与实施例1相同的装置和方法，将实施例一和实施例二中分别经过薰衣草油挥发气体、橙油挥发气体训练的两种检测用蜜蜂放置在左右两侧各4个蜜蜂固定座33内；

分别以100mL薰衣草油挥发气体+100mL橙油挥发气体飘散到100×100×100mm³的正方体玻璃空间内获得的气体、500mL薰衣草油挥发气体+500mL橙油挥发气体飘散到100×100×100mm³的正方体玻璃空间内获得的气体作为待测气体；左侧蜜蜂固定座33内的检测用蜜蜂会对薰衣草油挥发气体产生伸喙吐舌反射，右侧蜜蜂固定座33内的检测用蜜蜂会对橙油挥发气体产生伸喙吐舌反射；

摄像机52对光导纤维32的出光口处的蜜蜂喙部图像进行采集；图像处理程序分别对采集图像中左右两侧各4个蜜蜂固定座33内发生伸喙吐舌行为的检测用蜜蜂进行统计，若每种检测用蜜蜂的吐喙率都达到75%以上，则表明同时检测到薰衣草油挥发气体和橙油挥发气体。本实施例中，左侧蜜蜂固定座33内的检测用蜜蜂均对薰衣草油挥发气体发生伸喙吐舌行为，右侧蜜蜂固定座33内的检测用蜜蜂均对橙油挥发气体发生伸喙吐舌行为。

对比例一

将经过薰衣草油挥发气体和/或橙油挥发气体训练的检测用蜜蜂放置在实施例一中装置的蜜蜂固定座33内；向装置中泵入普通空气，采用与实施例一相同的方法对待测气体（普通空气）进行检测；

摄像机52对光导纤维32的出光口处的蜜蜂形态图像进行采集；图像处理程序对采集图像中发生伸喙吐舌行为的检测用蜜蜂进行统计。经监测，蜜蜂固定座33内的检测用蜜蜂均未发生伸喙吐舌行为。

Claims (7)

1.一种利用蜜蜂检测气体的装置，包括内置有多个蜜蜂固定座(33)的暗室，用于向暗室中输送待测气体的给进导管(24)，以及用于监测蜜蜂形态的图像采集单元，其特征在于，所述给进导管(24)为多根且与各蜜蜂固定座(33)一一对应；所述图像采集单元包括与各蜜蜂固定座(33)一一对应的检测光源(11)，以及处在所有蜜蜂固定座(33)上方的图像采集器(12)；

所述检测光源(11)的出光口位于蜜蜂喙部的正下方；

所述检测光源(11)为光导纤维(32)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述暗室通过隔离玻璃(51)划分为检测暗室(30)和处在该检测暗室(30)上方的图像采集室(50)，各蜜蜂固定座(33)以及检测光源(11)位于检测暗室(30)内，图像采集器(12)位于图像采集室(50)内。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述给进导管(24)的出气口与蜜蜂触角正对。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蜜蜂固定座(33)为至少八个。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述蜜蜂固定座(33)为交错布置的至少两排。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述暗室的侧壁上带有排气口，排气口(44)处安装有气体过滤器和引风机(41)。

7.一种利用蜜蜂检测气体的方法，包括：

(1)对蜜蜂进行巴普洛夫条件反射训练，使蜜蜂对训练气体形成伸喙吐舌反射；

(2)将被训练蜜蜂固定在如权利要求1～6任一所述装置的蜜蜂固定座(33)内，将待测气体通过给进导管(24)输送到蜜蜂触角前；

(3)图像采集器(12)采集检测光源(11)出光口处的蜜蜂喙部图像，并根据采集的图像对待测气体进行判定：

若待测气体中含有训练气体，则被训练蜜蜂发生伸喙吐舌行为，伸出的喙部或舌部遮挡部分或整个检测光源出光口；反之检测光源出光口不被遮挡。