CN106525733B - 一种空气中微生物气溶胶快速检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气中微生物气溶胶快速检测装置及方法，包括检测装置，检测装置上设置有开关和显示屏，检测装置上部设置有空气采样入口，检测装置上开设有外设接口，检测装置连接计算机，本发明通过空气采样入口对周边空间进行实时采样，能够对空气环境中致病微生物气溶胶进行实时在线监测，并且通过计算机与网络连接，能够实现远程控制与在线监测，本装置节省了大量的人力物力，并且具有单次检测成本较低等优点。

Description

一种空气中微生物气溶胶快速检测装置及方法
技术领域
本发明属于检测装置领域，具体涉及一种空气中微生物气溶胶快速检测装置及方法。
背景技术
当前，国家城市环境空气质量监测网所监测并发布的污染物指标主要包括SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO，然而对于关乎公共健康的空气质量的重要标准之一，空气中微生物浓度的监测却尚未涉及。微生物污染可以引起许多健康问题，例如感染传染性疾病、急性毒性疾病、过敏、以及其他疾病，对人类健康产生威胁。空气中病毒的传播，如：流感病毒H1N1、H2N2，禽流感病毒H5N1、H7N9、H9N2感染人等，对人类健康已产生极大的威胁。
微生物气溶胶在空气中存活时间较长，且传播迅速，可通过空气大面积扩散并迅速发展成为全球性流行病，对人类的健康和生活带来严重危害。根据国标“GBT 18204.3-2013公共场所卫生检验方法”，目前对空气中微生物检测的主要方法仍然是培养法，传统的培养法属于金标准，但是耗时较长，不利于实时在线监控。
美国“Lawrence Livermore National Laboratory”实验室开发的AutonomousPathogen Detection System系统：能够实现远程实时在线控制检测，其特点是将流式细胞仪、实时荧光PCR仪和湿壁悬流采样技术相结合。但是其缺点是造价太高，检测成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种空气中微生物气溶胶快速检测装置及方法，本装置能够实现快速采样，并对样本进行快速精确检测，成本低。
为了达到上述目的，本发明一种空气中微生物气溶胶快速检测装置包括检测装置，检测装置上设置有开关和显示屏，检测装置上部设置有空气采样入口，检测装置上开设有外设接口，检测装置连接计算机；
所述检测装置包括顶部开设有空气采样入口的气泵，气泵连接微生物气溶胶收集装置，微生物气溶胶收集装置通过传输装置连接样本预富集模块，预富集模块通过微流控芯片连接自动加入装置，自动加入装置对应生物传感器阵列，生物传感器阵列通过控制装置将生物传感器送入高光谱检测模块中。
所述高光谱检测模块包括固定在壳体顶部的科研相机，科研相机连接中继镜头，中继镜头通过液晶可调滤光器连接物镜，物镜下方设置有样品台，样品台中心开设有样品孔，样品台下方设置有氙灯光路镜头组，氙灯光路镜头组通过氙灯光源驱动电路控制，氙灯光源驱动电路和科研相机连接计算机。
所述壳体内部的两侧设置有竖向的滑轨，液晶可调滤光器两端固定有用于在滑轨内上下滑动的光路固定杆。
所述氙灯光路镜头组通过氙灯光路镜头组固定架固定在壳体上。
所述样品台固定在壳体内壁上。
所述科研相机、中继镜头、液晶可调滤光器和物镜间均设置有镜头转换柱。
所述微生物气溶胶收集装置底部设置有能够左右滑动的滑轨。
所述样本预富集模块包括微流控泵和微流控芯片。
一种空气中微生物气溶胶快速检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤一，通过计算机设置检测装置的具体参数；
步骤二，通过空气采样入口对附近空气进行采样；
步骤三，样本预富集模块将对富集液自动取样，并通过自动加样控制器将样本加入到生物传感器阵列中；
步骤四，待样本反应充分后，控制装置将生物传感器送入高光谱检测模块中，随后高光谱检测模块开始工作，并提取高光谱图像数据；
步骤五，首先从高光谱图像数据中提取个传感单元的光谱数据，随后进行特征提取，最后利用这些特征进行分类识别，最终确定微生物所属种类。
与现有技术相比，本发明通过空气采样对周边空间进行实时采样，并对采样后的气体进行微生物气溶胶收集，对收集后的气体进行预富集，并将预富集后的样本加入生物传感器阵列中进行反应，反应充分后送入高光谱检测模块中检测，本发明能够对空气环境中致病微生物气溶胶进行实时在线监测，并且通过计算机与网络连接，能够实现远程控制与在线监测，本装置节省了大量的人力物力，并且具有单次检测成本较低等优点。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明的内部结构图；
图3为本发明高光谱检测模块的结构示意图；
图4为本发明检测步骤流程图；
图5位本发明生物传感器阵列的示意图；
图6为本发明特定蛋白在加入到特定传感单元上的光谱变化图；
图7为本发明不同蛋白在各传感单元上的模式变化图；
图8本发明PCA分析结果图；
其中，101、检测装置；102、开关；103、显示屏；104、空气采样入口；105、外设接口；106、计算机；110、气泵；111、微生物气溶胶收集装置；112、传输装置；113、样本预富集模块；114、自动加样控制器；115、自动加样头；116、生物传感器阵列；117、控制装置；118、高光谱检测模块；121、科研相机；122、镜头转接环；123、滑轨；124、光路固定杆；125、中继镜头；126、液晶可调滤光器；127、物镜；128、样品台；129、样品孔；130、固定架；131、氙灯光路镜头组；132、氙灯光源；133氙灯光源驱动电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1至图5，一种空气中微生物气溶胶快速检测装置,包括检测装置101，检测装置101上设置有开关102和显示屏103，检测装置101上部设置有空气采样入口104，检测装置101上开设有外设接口105，检测装置101连接计算机106；
检测装置101包括顶部开设有空气采样入口104的气泵110，气泵110连接微生物气溶胶收集装置111，微生物气溶胶收集装置111通过传输装置112连接样本预富集模块113，预富集模块113通过微流控芯片及设备实现对样本的预富集，并通过自动加样控制器114控制自动加样头115，将样本加入到对应生物传感器阵列116中，生物传感器阵列116通过控制装置117将生物传感器送入高光谱检测模块118中，微生物气溶胶收集装置111底部设置有能够左右滑动的滑轨，样本预富集模块113包括微流控泵和微流控芯片。
高光谱检测模块118包括固定在壳体顶部的科研相机121，科研相机121连接中继镜头125，中继镜头125通过液晶可调滤光器126连接物镜127，物镜127下方设置有样品台128，样品台128中心开设有样品孔129，样品台128下方设置有氙灯光路镜头组131，氙灯光路镜头组131通过氙灯光源驱动电路133控制，氙灯光源驱动电路133和科研相机121连接计算机106，壳体内部的两侧设置有竖向的滑轨123，液晶可调滤光器126两端固定有用于在滑轨123内上下滑动的光路固定杆124，氙灯光路镜头组131通过氙灯光路镜头组固定架130固定在壳体上，样品台128固定在壳体内壁上，科研相机121、中继镜头125、液晶可调滤光器126和物镜127间均设置有镜头转换柱122。
一种空气中微生物气溶胶快速检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤一，通过计算机106设置检测装置101的具体参数；
步骤二，通过空气采样入口104对附近空气进行采样；
步骤三，样本预富集模块113将对富集液自动取样，并通过自动加样控制器115将样本加入到生物传感器阵列116中；
步骤四，待样本反应充分后，控制装置117将生物传感器116送入高光谱检测模块118中，随后高光谱检测模块开始工作，并提取高光谱图像数据；
步骤五，首先从高光谱图像数据中提取个传感单元的光谱数据，随后进行特征提取，最后利用这些特征进行分类识别，最终确定微生物所属种类。
一、利用蛋白质开展检测研究
由于微生物表面含有大量的蛋白质，因此我们首先利用不同蛋白质开展研究，实验结果表明，本发明可以实现对多种蛋白质的识别。
利用我们设计的传感器阵列和高光谱检测系统，我们首先对多种蛋白(5μm)进行了实验研究，采样范围为490nm–1000nm，共采集处理了1万多张图片数据。通过图像处理和光谱重建，可以得到如图6所示的光谱图。
通过实验发现，可以利用我们设计的传感器阵列对实验用的五种蛋白较好的区分，如图7分别是五种蛋白加入到不同的传感单元后所引起的四个特征变化(1和3分别是不同传感单元在加入不同蛋白后横向和纵向吸收峰处的波长偏移变化图，2和4分别是不同传感单元在加入不同蛋白后横向和纵向吸收峰处的ABS值比值图，实验中利用的是不同尺寸的金纳米棒设计的传感器阵列)。
随后，利用多种分类算法分别进行识别研究，发现朴素贝叶斯分类器具有最好的分类效果,如表所示：
表1多种分类方法结果对比
随后，对样本做了PCA主成份分析，结果表明可以将蛋白较好的区分开，如图8所示：
通过实验我们发现，利用所设计的基于金纳米棒的传感器阵列，结合高光谱成像检测技术，可以对蛋白样本进行很好的识别。

Claims (8)

1.一种空气中微生物气溶胶快速检测装置，其特征在于，包括检测装置(101)，检测装置(101)上设置有开关(102)和显示屏(103)，检测装置(101)上部设置有空气采样入口(104)，检测装置(101)上开设有外设接口(105)，检测装置(101)连接计算机(106)；
所述检测装置(101)包括顶部开设有空气采样入口(104)的气泵(110)，气泵(110)连接微生物气溶胶收集装置(111)，微生物气溶胶收集装置(111)通过传输装置(112)连接样本预富集模块(113)，预富集模块(113)通过微流控芯片及设备实现对样本的预富集，并通过自动加样控制器(114)控制自动加样头(115)，将样本加入到对应生物传感器阵列(116)中，并通过控制装置(117)将生物传感器(116)送入高光谱检测模块(118)中；
所述高光谱检测模块(118)包括固定在壳体顶部的科研相机(121)，科研相机(121)连接中继镜头(125)，中继镜头(125)通过液晶可调滤光器(126)连接物镜(127)，物镜(127)下方设置有样品台(128)，样品台(128)中心开设有样品孔(129)，样品台(128)下方设置有氙灯光路镜头组(131)，氙灯光路镜头组(131)通过氙灯光源驱动电路(133)控制，氙灯光源驱动电路(133)和科研相机(121)连接计算机(106)。
2.根据权利要求1所述的一种空气中微生物气溶胶快速检测装置，其特征在于，所述壳体内部的两侧设置有竖向的滑轨(123)，液晶可调滤光器(126)两端固定有用于在滑轨(123)内上下滑动的光路固定杆(124)。
3.根据权利要求1所述的一种空气中微生物气溶胶快速检测装置，其特征在于，所述氙灯光路镜头组(131)通过氙灯光路镜头组固定架(130)固定在壳体上。
4.根据权利要求1所述的一种空气中微生物气溶胶快速检测装置，其特征在于，所述样品台(128)固定在壳体内壁上。
5.根据权利要求1所述的一种空气中微生物气溶胶快速检测装置，其特征在于，所述科研相机(121)、中继镜头(125)、液晶可调滤光器(126)和物镜(127)间均设置有镜头转换柱(122)。
6.根据权利要求1所述的一种空气中微生物气溶胶快速检测装置，其特征在于，所述微生物气溶胶收集装置(111)底部设置有能够左右滑动的滑轨。
7.根据权利要求1所述的一种空气中微生物气溶胶快速检测装置，其特征在于，所述样本预富集模块(113)包括微流控泵和微流控芯片。
8.权利要求1所述的一种空气中微生物气溶胶快速检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，通过计算机(106)设置检测装置(101)的具体参数；
步骤二，通过空气采样入口(104)对附近空气进行采样；
步骤三，样本预富集模块(113)将对富集液自动取样，并通过自动加样控制器(114)将样本加入到生物传感器阵列(116)中；
步骤四，待样本反应充分后，控制装置(117)将生物传感器(116)送入到高光谱检测模块(118)中，随后高光谱检测模块开始工作，并提取高光谱图像数据；
步骤五，首先从高光谱图像数据中提取各 传感单元的光谱数据，随后进行特征提取，最后利用这些特征进行分类识别，最终确定微生物所属种类。
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