CN104076009B - 一种生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法，包括以下步骤：制备参考生物样品并测定其反射光谱；计算参考生物样品远红外波段复折射率；测量参考生物样品的含水量；建立生物颗粒远红外波段复折射率测量模型；确定生物颗粒远红外波段复折射率测量模型的参数；计算待测生物颗粒远红外波段复折射率。本发明仅需通过测量待测生物颗粒的含水量，即可快速计算其远红外波段复折射率，实施方便，成本低廉，本发明可为生物颗粒电磁散射特性分析以及不同种类生物颗粒的快速识别提供有效依据。

Description

一种生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法

技术领域

本发明涉及生物及化学探测技术领域，具体是一种生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法。

背景技术

生物颗粒是大气气溶胶的重要组成部分，主要由微生物菌体、微生物孢子以及花粉等组成，由自然界或人类生产、生活产生，对人类的生产、生活产生重要影响，是食品、医疗、卫生甚至公共安全领域的重点关注对象。

目前粒子的复折射率测量方法主要有前向散射光场复折射率测定方法、动-静态光散射测定方法、结合Mie理论及K-K关系的散射反演法、结合T矩阵理论及K-K关系的反演法等。这些方法都以散射理论为基础，需要了解粒子的尺寸分布，并要求粒子为规则的球状、椭球状粒子。而在实际测量过程中，往往无法掌握粒子群的准确尺寸分布数据，并且，生物颗粒形状往往是不规则的，采用上述方法测定其复折射率并不可行。因此，目前生物颗粒远红外波段复折射率的测量主要是通过试验方法获得，存在技术手段复杂、检测耗时长、成本高、检测信号微弱等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法，通过该方法能够采用简洁的测量步骤实现对生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量，克服当前生物颗粒复折射率测量的实施复杂和实时性差等问题。

本发明的技术方案为：

一种生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)制备参考生物样品，并测定其在远红外波段的反射光谱；

(2)根据参考生物样品在远红外波段的反射光谱，计算其在远红外波段的复折射率；

(3)测量参考生物样品的含水量；

(4)建立生物颗粒远红外波段复折射率测量模型：

$m\left(\mathrm{\λ}\right)=m_w\left(\mathrm{\λ}\right)e^{(100-w_w)B};$

其中，m(λ)表示生物颗粒在远红外波段某一波长λ处的复折射率，m_w(λ)表示纯水在波长λ处的复折射率，w_w表示生物颗粒的含水量，B表示待定常数；

(5)将参考生物样品在远红外波段某一波长λ处的复折射率及其含水量w_w代入生物颗粒远红外波段复折射率测量模型，计算得到待定常数B的具体数值；

(6)测量待测生物颗粒的含水量，将其代入生物颗粒远红外波段复折射率测量模型，计算得到待测生物颗粒在远红外波段某一波长λ处的复折射率m(λ)。

所述的生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法，所述步骤(1)具体包括：

(11)采用红外压片机将枯草芽孢杆菌、黑曲霉孢子和黑曲霉菌丝体样品制作成压片，压片直径为30.20mm，压片厚度为3.30mm；

(12)采用显微红外光谱仪采集压片在远红外波段的镜面反射光谱，光谱仪光斑尺寸为100μm×100μm，以镀金反射镜面作为背底，每个压片选取三个采样点进行反射光谱测定，取三次测定结果的平均值。

所述的生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法，所述步骤(5)中，若已知至少两种参考生物样品在远红外波段某一波长λ处的复折射率及其含水量w_w，则待定常数B的具体数值采用以下公式计算得到：

$B=\frac{1}{w_{w2}-w_{w1}}\ln \frac{m_1\left(\mathrm{\λ}\right)}{m_2\left(\mathrm{\λ}\right)};$

其中，w_w1和m₁(λ)分别表示一种参考生物样品在远红外波段某一波长λ处的复折射率及其含水量，w_w2和m₂(λ)分别表示另一种参考生物样品在远红外波段某一波长λ处的复折射率及其含水量。

由上述技术方案可知，本发明根据参考生物样品在远红外波段的复折射率及其含水量，可以确定生物颗粒远红外波段复折射率测量模型中的待定常数，从而仅需测量待测生物颗粒的含水量，即可快速计算出待测生物颗粒在远红外波段的复折射率，实施方便，成本低廉；本发明建立的生物颗粒远红外波段复折射率测量模型能够预估各类生物颗粒远红外波段复折射率数据，不仅可以为基于生物颗粒电磁散射特性的生物气溶胶的探测提供必要参数，而且还可以在实测数据的基础上实现对生物气溶胶的识别，从而为生物颗粒电磁散射特性分析以及不同种类生物颗粒的快速识别提供有效依据。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法，包括以下步骤：

S1、制备参考生物样品并测定其反射光谱

选择三种典型微生物枯草芽孢杆菌、黑曲霉孢子和黑曲霉菌丝体，将其制备成生物颗粒样品作为参考生物样品。使用红外压片机将枯草芽孢杆菌、黑曲霉孢子和黑曲霉菌丝体这三种样品制作成样品压片，压片直径为30.20mm，压片厚度为3.30mm。利用显微红外光谱仪采集压片在远红外波段(6～14μm)的镜面反射光谱，光谱仪光斑尺寸为100μm×100μm，以镀金反射镜面作为背底，每个压片选取三个采样点进行反射光谱测定，取三次测定结果的平均值。

S2、计算参考生物样品远红外波段复折射率

生物样品远红外波段复折射率方程为m(λ)＝n(λ)+ik(λ)，实部n(λ)和虚部k(λ)可以根据反射率R(λ)和反射相移Θ(λ)计算。

将步骤S1测得的参考生物样品的反射率值代入以下式(1)～(3)，可以计算出三种参考生物样品在远红外波段(6～14μm)内的复折射率m的实部n与虚部k。

$\mathrm{\Θ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}P{\∫}_0^{\∞}\frac{\ln R\left({\mathrm{\λ}}^{\′}\right)}{2({\mathrm{\λ}}^{\′2}-{\mathrm{\λ}}^2)}d{\mathrm{\λ}}^{\′2}---\left(1\right)$

$n\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1-R\left(\mathrm{\λ}\right)}{1+R\left(\mathrm{\λ}\right)+2\sqrt{R\left(\mathrm{\λ}\right)}\cos \mathrm{\Θ}\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(2\right)$

$k\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{-2\sqrt{R\left(\mathrm{\λ}\right)}\sin \mathrm{\Θ}\left(\mathrm{\λ}\right)}{1+R\left(\mathrm{\λ}\right)+2\sqrt{R\left(\mathrm{\λ}\right)}\cos \mathrm{\Θ}\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(3\right)$

其中，R(λ)表示波长λ处的反射率；P表示Cauchy主值函数。

S3、测量参考生物样品的含水量

采用烘干法测量三种参考生物样品：枯草芽孢杆菌、黑曲霉孢子和黑曲霉菌丝体的含水量分别为25％、40.16％和53.15％。

S4、建立生物颗粒远红外波段复折射率测量模型

生物颗粒的主要构成物质是水、蛋白质和核酸。水、蛋白质或核酸在可见光、红外波段的平均吸收系数较小，表明它们在上述波段的复折射率虚部k很小，远小于复折射率实部n。因此，本发明忽略生物颗粒的复折射率虚部k的影响，主要测量生物颗粒远红外波段(6～14μm)复折射率的实部n。

由于生物颗粒的复折射率实部n与其含水量w_w关系密切，通过水的复折射率构建生物颗粒远红外波段复折射率测量模型为：

$m\left(\mathrm{\λ}\right)=m_w\left(\mathrm{\λ}\right)e^{(100-w_w)B}---\left(4\right)$

其中，m(λ)表示生物颗粒在远红外波段某一波长λ处的复折射率，m_w(λ)表示纯水在波长λ处的复折射率，w_w表示生物颗粒的含水量，B表示待定常数；

S5、确定生物颗粒远红外波段复折射率测量模型的参数

根据式(4)，若已知两种或两种以上参考生物样品的含水量及其在远红外波段某一波长λ处的复折射率，则待定常数B的取值计算方法为：

$B=\frac{1}{w_{w2}-w_{w1}}\ln \frac{m_1\left(\mathrm{\λ}\right)}{m_2\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(5\right)$

其中，w_w1和m₁(λ)分别表示一种参考生物样品在远红外波段某一波长λ处的复折射率及其含水量，w_w2和m₂(λ)分别表示另一种参考生物样品在远红外波段某一波长λ处的复折射率及其含水量。

在步骤S3中已测得参考生物样品枯草芽孢杆菌、黑曲霉孢子和黑曲霉菌丝体的含水量分别为25％、40.16％和53.15％，将枯草芽孢杆菌、黑曲霉孢子和黑曲霉菌丝体两两组合，将其含水量及其在远红外波段(6～14μm)某一波长λ处的复折射率代入式(5)，计算得到三组B值，取其平均值B＝0.00135作为生物颗粒远红外波段复折射率测量模型中的B参数。从而，式(4)可写为：

$m\left(\mathrm{\λ}\right)=m_w\left(\mathrm{\λ}\right)e^{0.00135\×(100-w_w)}---\left(6\right)$

根据式(6)，当生物颗粒的w_w等于100时，m(λ)＝m_w(λ)；当生物颗粒的w_w等于0时，m(λ)＝1.1445m_w(λ)；当w_w在(0,100)范围内时，随着w_w的增大，生物颗粒的复折射率m(λ)减小。上述结果符合规律，并与参考生物样品折射率变化规律相符。因此，该测量方法能够表征生物颗粒复折射率特征。

S6、计算待测生物颗粒远红外波段复折射率

测量待测生物颗粒的含水量w_w，将其代入式(6)，即可计算得到待测生物颗粒在远红外波段某一波长λ处的复折射率m(λ)。

注：纯水在任意波长λ处的复折射率m_w(λ)为已知值，可查阅现有的相关资料获得。

本发明采用显微红外光谱仪测定枯草芽孢杆菌、黑曲霉孢子和黑曲霉菌丝体这三种微生物样品的红外反射光谱，保证了样品压片在单个光斑范围内表面平滑度较好，使谱线测试结果的准确性大大提高。采用常数外推方法拓宽样品反射光谱并利用K-K关系反射相移Θ(λ)和复折射率m(λ)的实部n(λ)与虚部k(λ)。结果表明，基于反射光谱法计算得到的微生物样品在6～14μm波段范围内的实部n值与其真实值相符合。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)制备参考生物样品，并测定其在远红外波段的反射光谱；

(2)根据参考生物样品在远红外波段的反射光谱，计算其在远红外波段的复折射率；

(3)测量参考生物样品的含水率；

(4)忽略生物颗粒的复折射率虚部的影响，建立生物颗粒远红外波段复折射率测量模型：

$m\left(\mathrm{\λ}\right)=m_w\left(\mathrm{\λ}\right)e^{(100-w_w)B};$

其中，m(λ)表示生物颗粒在远红外波段某一波长λ处的复折射率，m_w(λ)表示纯水在波长λ处的复折射率，w_w％表示生物颗粒的含水率，B表示待定常数；

(5)将参考生物样品在远红外波段某一波长λ处的复折射率及相应的w_w代入生物颗粒远红外波段复折射率测量模型，计算得到待定常数B的具体数值；

(6)测量待测生物颗粒的含水率，将其代入生物颗粒远红外波段复折射率测量模型，计算得到待测生物颗粒在远红外波段某一波长λ处的复折射率m(λ)。

2.根据权利要求1所述的生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

(11)采用红外压片机将枯草芽孢杆菌、黑曲霉孢子和黑曲霉菌丝体样品制作成压片，压片直径为30.20mm，压片厚度为3.30mm；

(12)采用显微红外光谱仪采集压片在远红外波段的镜面反射光谱，光谱仪光斑尺寸为100μm×100μm，以镀金反射镜面作为背底，每个压片选取三个采样点进行反射光谱测定，取三次测定结果的平均值。

3.根据权利要求1所述的生物颗粒远红外波段复折射率的快速测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中，若已知至少两种参考生物样品在远红外波段某一波长λ处的复折射率及相应的w_w，则待定常数B的具体数值采用以下公式计算得到：

$B=\frac{1}{w_{w2}-w_{w1}}ln\frac{m_1\left(\mathrm{\λ}\right)}{m_2\left(\mathrm{\λ}\right)};$

其中，m₁(λ)和w_w1％分别表示一种参考生物样品在远红外波段某一波长λ处的复折射率及其含水率，m₂(λ)和w_w2％分别表示另一种参考生物样品在远红外波段某一波长λ处的复折射率及其含水率。