CN107462555A - 一种大气微生物激光探测报警系统 - Google Patents

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吴慧云
黄健
梁眉华
袁光明
杨洋
姚飞
吕菊星
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Abstract

本发明提出一种大气微生物激光探测报警系统，包括：激光输出装置：产生355nm脉冲激光束诱导微生物体内NAD(P)H和核黄素分别产生荧光信号；采集装置：用于接收并传输荧光信号；探测装置：用于将荧光信号转换为电信号；收集装置：用于汇总电信号；处理装置，用于处理与分析电信号。本发明基于355nm激光的大气微生物非接触探测报警系统，通过合理选择元器件技术参数和型号，能够实现未知区域大气晨昏和夜晚(能见度不低于5km)150m范围内的空气微生物气溶胶探测和报警；该系统重量轻，便于移动和布置，具有实时、稳定可靠、灵敏度高等优点，可应用于公共安全、卫生防疫、环境监测等领域，具有广阔的市场前景。

Description

一种大气微生物激光探测报警系统
技术领域
本发明涉及微生物检测技术领域，尤其涉及一种基于355nm紫外激光诱导生 物辅酶荧光探测空气微生物的系统。
背景技术
空气微生物对人类健康及环境安全存在着巨大的威胁，研究表明世界上至少 有100多种致病微生物能够经空气传播，如结核杆菌、流感病毒等。上述致病微 生物通过呼吸道感染人群，有些种类的微生物在极低量情况下仍可使人感染，甚 至致人死亡；医院病房、手术室、方舱式工作场所、舰船、潜艇等场所空气微生 物含量超标对工作人员身体健康具有重要影响，极易致病并传播。近年来，爆发 的SARS疫情、H7N9疫情等突发公共卫生事件均是致病微生物空气传播导致。
目前，空气微生物的检测过程主要通过传统的“采样+分离培养”方法，即 首先通过采样器采集空气样本，之后洗脱滤膜并进行微生物培养，最后进行实验 室检测鉴定，该方法存在着操作步骤繁琐、周期长、分辨能力差等缺点。因此， 技术实现大气微生物非接触探测及在线报警技术方法对公共安全、卫生防疫、环 境监测等均具有重大意义。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明目的之一在于提出了一种基于355nm 激光的大气微生物非接触探测报警技术方法，具有实时、稳定可靠、灵敏度高等 优点，可应用于公共安全、卫生防疫、环境监测等领域。
一种大气微生物激光探测报警系统，包括：
激光输出装置：产生355nm脉冲激光束诱导微生物体内NAD(P)H和核黄素分 别产生荧光信号；
采集装置：用于接收并传输荧光信号；
探测装置：用于将荧光信号转换为电信号；
收集装置：用于汇总电信号；
处理装置，用于处理与分析电信号。
优选的，一种大气微生物激光探测报警系统，包括计算机、激光器和接收望 远镜，所述计算机向所述激光器发出触发信号，所述接收望远镜接收荧光信号； 荧光信号通过光纤传输至准直镜、滤光片到达PMT光电探测器；所述计算机触发 所述PMT光电探测器将荧光信号转换生成电信号；所述计算机触发数据采集卡收 集数据并对数据进行分析，当结果达到阈值时，闪光蜂鸣器发生报警，所述激光 器、计算机、PMT光电探测器、数据采集卡、闪电蜂鸣器之间均为电连接。
优选的，所述光纤将荧光信号分成两路光信号，第一路光信号用于检测 NAD(P)H；第二路光信号用于检测核黄素。
优选的，第一路光信号经过的滤光片为450nm，第二路光信号经过的滤光片 为540nm。
优选的，所述激光器产生的激光束经过两块反射镜后射向目标区域。
优选的，所述激光器射出的激光束的光轴与所述接收望远镜的光轴重合。
一种大气微生物激光探测报警系统通过检测荧光信号及其强度判断大气是 否存在微生物及其浓度。
细菌、真菌和病毒等微生物是由各种无机和有机分子组成的复杂混合物，它 们的荧光光谱是由各类荧光物质的荧光光谱叠加而成。研究表明，NAD(P)H和核 黄素等辅酶是细菌和真菌进行新陈代谢活动所必需的物质，采用特定波长激光激 发微生物时，可形成诱导荧光，且不同物质的诱导荧光波长不同。表1所列为 NAD(P)H和核黄素对应的激发波长、诱导荧光波长信息，NAD(P)H诱导荧光波长 集中在440-470nm，核黄素诱导荧光波长集中在520-560nm。通过检测上述两种 物质荧光信号及强度，可对空气微生物是否存在及浓度进行测量。
表1 生物粒子中辅酶激发与出射波长信息
以355nm脉冲激光激发大气微生物，诱导微生物体内NAD(P)H和核黄素分别 产生440-470nm和520-560nm波长范围的荧光信号，通过检测荧光信号及其强度 判别大气是否存在微生物及其浓度，实现空气微生物的非接触探测及在线报警。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：
本发明提出一种用于空气微生物非接触探测及在线报警系统，满足了目前特 定区域对空气微生物进行实时在线、快速有效探测及报警的应用需求。
本发明基于355nm激光的大气微生物非接触探测报警系统，通过合理选择元 器件技术参数和型号，能够实现未知区域大气晨昏和夜晚(能见度不低于5km) 150m范围内的空气微生物气溶胶探测和报警；该系统重量轻，便于移动和布置， 具有实时、稳定可靠、灵敏度高等优点，可应用于公共安全、卫生防疫、环境监 测等领域，具有广阔的市场前景。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发 明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为一种大气微生物激光探测报警系统的原理图；
图2为一种大气微生物激光探测报警系统的工作时序图。
图中：1-激光器、2-反射镜、3-接收望远镜、4-1×2光纤、5-准直镜、6-450nm 滤光镜、7-540nm滤光镜、8-PMT光电探测器、9-数据采集卡、10-计算机、11- 闪光蜂鸣器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例1
如图1所示，该系统主要包括激光器1、反射镜2、接收望远镜3、1×2光 信号传输光纤4、准直镜5、450nm滤光片6、540nm滤光片7、PMT光电探测器8、 数据采集卡9、计算机10、闪光蜂鸣器11，其中计算机10负责整套系统的控制 和数据处理与分析。
系统工作时，首先由激光器1产生355nm脉冲激光束，激光束经两块反射镜 2反射后射向目标区域，目标区域大气与激光束相互作用后产生的诱导荧光信号 由接收望远镜3接收。
激光器1和接收望远镜3保持共轴，即出射光束的光轴与接收望远镜的光轴 重合。荧光信号由接收望远镜3接收、会聚后，耦合至1×2光纤4中，光纤将 信号光一分为二并传输准直镜5处，第一路光信号经准直镜5和450nm滤光片6 传输后入射PMT光电探测器8，由其将光信号转换成电信号，该通道用于转换检 测NAD(P)H荧光信号；第二路光信号经准直镜5和540nm滤光片7传输后入射 PMT光电探测器8，由其将光信号转换成电信号，该通道用于转换检测核黄素荧 光信号。
数据采集卡8对电信号进行采集，采集到的数据再由计算机10进行处理与 分析。当分析结果显示目标区域含有生物粒子且浓度达到阈值时，闪光蜂鸣器 11发出报警，激光发射、PMT光电探测、数据采集和数据处理与分析均由计算机 10控制；激光器1、计算机10、PMT光电探测器8、数据采集卡9、闪电蜂鸣器 11之间均为电连接
实施例2
如图2所示，计算机10向激光器1发出触发信号，激光器1发射脉冲激光。 接收望远镜3接收荧光信号、1×2光纤4对荧光信号进行分束后，计算机10向 PMT光电探测器8发出触发信号，开启PMT光电探测器8进行目标波段荧光信号 光电转换并产生电信号。然后计算机10触发数据采集卡9进行数据采集。在数 据采集结束后，计算机10向激光器1发出触发信号，进行下一次激光脉冲发射。
实施例3
系统参数选取如下：激光发射波长为355nm、激光脉冲能量20mJ、脉冲重 复频率20Hz，接收望远镜口径114mm、光学反射率90％，光纤信号耦合效率80％， PMT光电探测器量子效率20％。
空气微生物参数选取如下：空气微生物设置为大肠杆菌，浓度(报警阈值) 为40ACPLA、微生物气团大小直径0.5m。
大气能见度及背景光条件参数如下：大气能见度5km，大气模型为1976美 国标准大气模型，大气背景光照度5.0mw/(m2nm sr)。
根据激光雷达方程，PMT光电探测器接收到的荧光信号光子数N可表示如 下：
PMT光电探测器接收到的回波信号引起的电子计数Nr可以表示为：
其中，E0为激光器单脉冲发射能量，λ0为激光发射波长，λc为空气微生物粒 子产生的荧光的中心波长，h为普朗克常数，c为光速，A为望远镜接收面积，z 为探测距离，△z为距离分辨，Nbio是空气微生物粒子的浓度，为空气 微生物粒子的荧光后向散射微分截面，t(λ0)是发射系统的光学透过率，t(λc)是接 受系统的光学透过率，η为光电探测器的量子效率。
空气微生物粒子的荧光后向散射微分截面可以表示为：
其中为在激发波长为λ0时的荧光量子产率，S为荧光粒子平均作用面 积，是接收通道的光谱范围，l(λc，λ)为归一化荧光谱型，可以表示为：
其中，λc为激发的荧光的中心波长。
系统的噪声主要来自于信号的散粒噪声、天空背景辐射噪声和探测器噪声， 基于上述噪声的信噪比可以表为：
其中，Nb是天空背景辐射噪声引起的电子计数，Nd是探测器噪声暗计数， M是累计脉冲数。
一般的，天空背景辐射噪声引起的电子计数可以表示为：
其中，Pb为天空背景辐射，不同的背景环境其背景辐射不同，FOV为接收 望远镜视场角，FWHM是滤波片带宽，其余参数同上。
PMT光电探测器噪声暗计数可以表示为：
Nd＝id/R/hv×Δt (7)
其中，id为探测器暗电流，R为阳极响应度(灵敏度)，v为光子的频率， Δt为积分时间。
将系统各项参数代入式(1)—(7)通过仿真计算得出，在该条件下150 米处目标物的回波信号信噪比为12.3，当信噪比>10为可行性极高标准。
结果表明：基于上述元器件参数设计的大气微生物非接触探测报警系统，可 以实现40ACPLA浓度、150m距离阈值的空气微生物非接触探测和报警。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明 的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之 内。

Claims (7)

1.一种大气微生物激光探测报警系统，其特征在于，包括：
激光输出装置：产生355nm脉冲激光束诱导微生物体内NAD(P)H和核黄素分别产生荧光信号；
采集装置：用于接收并传输荧光信号；
探测装置：用于将荧光信号转换为电信号；
收集装置：用于汇总电信号；
处理装置，用于处理与分析电信号。
2.根据权利要求1所述的一种大气微生物激光探测报警系统，包括计算机、激光器和接收望远镜，其特征在于，所述计算机向所述激光器发出触发信号，所述接收望远镜接收荧光信号；荧光信号通过光纤传输至准直镜、滤光片到达PMT光电探测器；所述计算机触发所述PMT光电探测器将荧光信号转换生成电信号；所述计算机触发数据采集卡收集数据并对数据进行分析，当结果达到阈值时，闪光蜂鸣器发生报警，所述激光器、计算机、PMT光电探测器、数据采集卡、闪电蜂鸣器之间均为电连接。
3.根据权利要求2所述的一种大气微生物激光探测报警系统，其特征在于，所述光纤将荧光信号分成两路光信号，第一路光信号用于检测NAD(P)H；第二路光信号用于检测核黄素。
4.根据权利要求3所述的一种大气微生物激光探测报警系统，其特征在于，第一路光信号经过的滤光片为450nm，第二路光信号经过的滤光片为540nm。
5.根据权利要求2所述的一种大气微生物激光探测报警系统，其特征在于，所述激光器产生的激光束经过两块反射镜后射向目标区域。
6.根据权利要求2所述的一种大气微生物激光探测报警系统，其特征在于，所述激光器射出的激光束的光轴与所述接收望远镜的光轴重合。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种大气微生物激光探测报警系统通过检测荧光信号及其强度判断大气是否存在微生物及其浓度。
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