CN107543805A - 一种区域范围内空气微生物在线监测的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种区域范围内空气微生物在线监测的系统和方法，系统包括：激光器(1)和设置于激光器(1)前方的反射镜(2)，该反射镜下方又设置一与其平行的出射镜(3)，其中，还设置有系统控制模块(9)，所述激光器(1)发射激光束，激光束经反射镜(2)和出射镜(3)反射后导向目标区域；其中，目标区域的后向散射荧光信号由接收望远镜(4)接收，该接收望远镜(4)设置于出射镜(3)的后方，此外，还设置有多路分光模块(6)、PMT光电探测器(7)、数据采集与实时显示模块(8)和探测信号处理与分析模块(10)，所述激光器(1)和接收望远镜(4)共轴，即出射光束的光轴与接收望远镜的光轴重合等。
Description
技术领域
本发明涉及空气微生物在线监测技术领域，具体涉及用于区域范围内空 气微生物在线监测技术方法。
背景技术
空气微生物包括空气中的细菌、真菌、病毒等，虽然在大气气溶胶中所 占比例很小，但它对人类健康影响巨大。目前世界上至少有100多种致病微 生物能够经气溶胶传播，占传染途径首位。这些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 院是空气微生物感染的重灾区之一，关于空气传播微生物感染事件的报告不 断增多。另外，生物恐怖袭击严重威胁着人类的安全，其中生物气溶胶是生 物战剂最主要的施放方式，在短时间内就能引起大氛围的污染。因此，加强 空气微生物监测对于减少呼吸道疾病传播和相关感染事件发生意义重大。
目前，空气微生物监测主要采样微生物采样和分离培养方法，缺点是步 骤繁琐、耗时长、分辨能力差，无法满足实时在线监测空气微生物的要求。 微生物粒子中含有的氨基酸、NAD(P)H及核黄素等有机分子在特定波长光激 发下会发出的特有荧光。通过检测不同荧光波段的光谱强度，可实现空气微 生物浓度测定和种类分辨本发明基于上述激光诱导荧光原理，提出了一种区 域范围内空气微生物在线监测技术方法，能够为空气微生物监测提供新的手 段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种区域范围内空气微生物在线监测 的系统和方法，用于克服现有技术存在的问题。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种区域范围内空气微生物在线监测的系统，包括：激光器(1)和设置于激 光器(1)前方的反射镜(2)，该反射镜下方又设置一与其平行的出射镜(3)， 其中，还设置有系统控制模块(9)，所述激光器(1)发射激光束，激光束经 反射镜(2)和出射镜(3)反射后导向目标区域；其中，目标区域的后向散 射荧光信号由接收望远镜(4)接收，该接收望远镜(4)设置于出射镜(3) 的后方，此外，还设置有多路分光模块(6)、PMT光电探测器(7)、数据采 集与实时显示模块(8)和探测信号处理与分析模块(10)，所述激光器(1) 和接收望远镜(4)共轴，即出射光束的光轴与接收望远镜的光轴重合；其中， 荧光信号经光纤(5)导入多路分光模块(6)进行分光，然后目标波段的多 个荧光信号分别由对应波段的PMT光电探测器转换成电信号，所述数据采集 与实时显示模块(8)对电信号进行实时采集与显示，所述探测信号处理与分 析模块(10)对采集到的数据进行处理与分析，判断是否存在可疑微生物气 溶胶。
优选的是，激光发射、PMT光电探测、数据采集与显示和探测信号处理 与分析均由系统控制模块(9)控制。
优选的是，所述系统控制模块(9)向激光器(1)发出触发信号，激光 器(1)发射激光脉冲；所述接收望远镜(4)接收荧光信号、多路分光模块 (6)对荧光信号进行分光后，系统控制模块(9)向PMT光电探测器(7) 发出触发信号，开启PMT光电探测器(7)进行目标波段荧光信号光电转换 并产生电信号，然后系统控制模块(9)触发数据采集与实时显示模块(8) 进行数据采集、读出和显示，其中，在数据采集结束后，系统控制模块(9) 向激光器(1)发出触发信号，进行下一次激光脉冲发射。
优选的是，激光发射波长为355nm、激光脉冲能量10mJ、脉冲重复频率 20Hz，接收望远镜口径50mm、光学反射率85％，光纤信号耦合效率75％。
一种区域范围内空气微生物在线监测的方法，包括：
步骤1)激光器(1)发射激光束，激光束经反射镜(2)和出射镜(3)反 射后导向目标区域，目标区域的后向散射荧光信号由接收望远镜(4)接收， 该接收望远镜(4)设置于出射镜(3)的后方，所述激光器(1)和接收望远 镜(4)共轴，即出射光束的光轴与接收望远镜的光轴重合；
步骤2)荧光信号经光纤(5)导入多路分光模块(6)进行分光，然后目标 波段的多个荧光信号分别由对应波段的PMT光电探测器转换成电信号；
步骤3)数据采集与实时显示模块(8)对电信号进行实时采集与显示，探 测信号处理与分析模块(10)对采集到的数据进行处理与分析，判断是否存 在可疑微生物气溶胶。
优选的是，激光发射、PMT光电探测、数据采集与显示和探测信号处理 与分析均由系统控制模块(9)控制。
优选的是，进一步包括：
系统控制模块(9)向激光器(1)发出触发信号，激光器(1)发射激光 脉冲；所述接收望远镜(4)接收荧光信号、多路分光模块(6)对荧光信号 进行分光后，系统控制模块(9)向PMT光电探测器(7)发出触发信号，开 启PMT光电探测器(7)进行目标波段荧光信号光电转换并产生电信号，然 后系统控制模块(9)触发数据采集与实时显示模块(8)进行数据采集、读 出和显示，其中，在数据采集结束后，系统控制模块(9)向激光器(1)发 出触发信号，进行下一次激光脉冲发射。
优选的是，激光发射波长为355nm、激光脉冲能量10mJ、脉冲重复频率 20Hz，接收望远镜口径50mm、光学反射率85％，光纤信号耦合效率75％。
通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：
1)、本发明首创一种用于区域范围内空气微生物在线监测技术方法，很 好的满足了目前对于实时在线、快速有效空气微生物监测技术的应用需求。
2)、本发明所述的用于区域范围内空气微生物在线监测技术方法，通过 合理选择元器件技术参数和型号，能够实现100m范围内的空气微生物气溶胶 探测和报警，而且系统重量低，便于移动和布置，具有广阔的市场前景。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说 明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优 点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实 现和获得。
附图说明
下面结合附图对本发明进行详细的描述，以使得本发明的上述优点更加 明确。其中，
图1是本发明区域范围内空气微生物在线监测的系统的结构示意图；
图2是本发明区域范围内空气微生物在线监测的系统的工作时序图；
图3是本发明区域范围内空气微生物在线监测的方法的测试示意图；
图4是本发明区域范围内空气微生物在线监测的方法的测试示意图；
图中各附图标记的含义如下：
1：激光器；2：反射镜；3：出射镜；4：接收望远镜；5：光纤；6：多 路分光模块；7：PMT光电探测器；8：数据采集与实时显示模块；9：系统控 制模块；10：探测信号处理与分析模块。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如 何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并 据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各 实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范 围之内。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算 机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下， 可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
具体来说，一种区域范围内空气微生物在线监测的系统，包括：激光器(1) 和设置于激光器(1)前方的反射镜(2)，该反射镜下方又设置一与其平行的 出射镜(3)，其中，还设置有系统控制模块(9)，所述激光器(1)发射激光 束，激光束经反射镜(2)和出射镜(3)反射后导向目标区域；其中，目标 区域的后向散射荧光信号由接收望远镜(4)接收，该接收望远镜(4)设置 于出射镜(3)的后方，此外，还设置有多路分光模块(6)、PMT光电探测器 (7)、数据采集与实时显示模块(8)和探测信号处理与分析模块(10)，所 述激光器(1)和接收望远镜(4)共轴，即出射光束的光轴与接收望远镜的 光轴重合；其中，荧光信号经光纤(5)导入多路分光模块(6)进行分光， 然后目标波段的多个荧光信号分别由对应波段的PMT光电探测器转换成电信 号，所述数据采集与实时显示模块(8)对电信号进行实时采集与显示，所述 探测信号处理与分析模块(10)对采集到的数据进行处理与分析，判断是否 存在可疑微生物气溶胶。
优选的是，激光发射、PMT光电探测、数据采集与显示和探测信号处理 与分析均由系统控制模块(9)控制。
优选的是，所述系统控制模块(9)向激光器(1)发出触发信号，激光 器(1)发射激光脉冲；所述接收望远镜(4)接收荧光信号、多路分光模块 (6)对荧光信号进行分光后，系统控制模块(9)向PMT光电探测器(7) 发出触发信号，开启PMT光电探测器(7)进行目标波段荧光信号光电转换 并产生电信号，然后系统控制模块(9)触发数据采集与实时显示模块(8) 进行数据采集、读出和显示，其中，在数据采集结束后，系统控制模块(9) 向激光器(1)发出触发信号，进行下一次激光脉冲发射。
一种区域范围内空气微生物在线监测的方法，包括：
步骤1)激光器(1)发射激光束，激光束经反射镜(2)和出射镜(3)反 射后导向目标区域，目标区域的后向散射荧光信号由接收望远镜(4)接收， 该接收望远镜(4)设置于出射镜(3)的后方，所述激光器(1)和接收望远 镜(4)共轴，即出射光束的光轴与接收望远镜的光轴重合；
步骤2)荧光信号经光纤(5)导入多路分光模块(6)进行分光，然后目标 波段的多个荧光信号分别由对应波段的PMT光电探测器转换成电信号；
步骤3)数据采集与实时显示模块(8)对电信号进行实时采集与显示，探 测信号处理与分析模块(10)对采集到的数据进行处理与分析，判断是否存 在可疑微生物气溶胶。
优选的是，激光发射、PMT光电探测、数据采集与显示和探测信号处理 与分析均由系统控制模块(9)控制。
优选的是，进一步包括：
系统控制模块(9)向激光器(1)发出触发信号，激光器(1)发射激光 脉冲；所述接收望远镜(4)接收荧光信号、多路分光模块(6)对荧光信号 进行分光后，系统控制模块(9)向PMT光电探测器(7)发出触发信号，开 启PMT光电探测器(7)进行目标波段荧光信号光电转换并产生电信号，然 后系统控制模块(9)触发数据采集与实时显示模块(8)进行数据采集、读 出和显示，其中，在数据采集结束后，系统控制模块(9)向激光器(1)发 出触发信号，进行下一次激光脉冲发射。
通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：
1)、本发明首创一种用于区域范围内空气微生物在线监测技术方法，很 好的满足了目前对于实时在线、快速有效空气微生物监测技术的应用需求。
2)、本发明所述的用于区域范围内空气微生物在线监测技术方法，通过 合理选择元器件技术参数和型号，能够实现100m范围内的空气微生物气溶胶 探测和报警，而且系统重量低，便于移动和布置，具有广阔的市场前景。
在一个实施例中，对上述技术方案进行仿真计算，为用于区域范围内空 气微生物在线监测技术方法提供理论基础和性能参数依据。
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，Δz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 接收系统的光学透过率，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， Δλc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，Δλ为荧光光谱半宽度。
为研究在线监测系统的探测能力，需要对系统信噪比进行计算。一般的， 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。
综合考察各类元器件产品信息的基础上，在线监测系统参数选取如下： 激光发射波长为355nm、激光脉冲能量10mJ、脉冲重复频率20Hz，接收望远 镜口径50mm、光学反射率85％，光纤信号耦合效率75％。以大肠杆菌(40 ACPLA)为目标物，仿真其回波信号强度和信噪比(中心波长在450nm附近 的回波信号)，结果如图3、图4所示。
在三种不同探测环境中，探测距离为100米处的回波信号信噪比均大于 10(备注：信噪比＞10为可行性极高标准)，表明基于上述元器件参数设计的 用于区域范围内空气微生物在线监测系统，可以实现100米处的空气微生物 气溶胶探测和报警。
需要说明的是，对于上述方法实施例而言，为了简单描述，故将其都表 述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描 述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同 时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属 于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或 计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、 或结合软件和硬件方面的实施例的形式。
而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计 算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等) 上实施的计算机程序产品的形式。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限 制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的 技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作 的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种区域范围内空气微生物在线监测的系统，其特征在于，包括：激光器(1)和设置于激光器(1)前方的反射镜(2)，该反射镜下方又设置一与其平行的出射镜(3)，其中，还设置有系统控制模块(9)，所述激光器(1)发射激光束，激光束经反射镜(2)和出射镜(3)反射后导向目标区域；其中，目标区域的后向散射荧光信号由接收望远镜(4)接收，该接收望远镜(4)设置于出射镜(3)的后方，此外，还设置有多路分光模块(6)、PMT光电探测器(7)、数据采集与实时显示模块(8)和探测信号处理与分析模块(10)，所述激光器(1)和接收望远镜(4)共轴，即出射光束的光轴与接收望远镜的光轴重合；其中，荧光信号经光纤(5)导入多路分光模块(6)进行分光，然后目标波段的多个荧光信号分别由对应波段的PMT光电探测器转换成电信号，所述数据采集与实时显示模块(8)对电信号进行实时采集与显示，所述探测信号处理与分析模块(10)对采集到的数据进行处理与分析，判断是否存在可疑微生物气溶胶。
2.根据权利要求1所述的区域范围内空气微生物在线监测的系统，其特征在于，激光发射、PMT光电探测、数据采集与显示和探测信号处理与分析均由系统控制模块(9)控制。
3.根据权利要求1所述的区域范围内空气微生物在线监测的系统，其特征在于，所述系统控制模块(9)向激光器(1)发出触发信号，激光器(1)发射激光脉冲；所述接收望远镜(4)接收荧光信号、多路分光模块(6)对荧光信号进行分光后，系统控制模块(9)向PMT光电探测器(7)发出触发信号，开启PMT光电探测器(7)进行目标波段荧光信号光电转换并产生电信号，然后系统控制模块(9)触发数据采集与实时显示模块(8)进行数据采集、读出和显示，其中，在数据采集结束后，系统控制模块(9)向激光器(1)发出触发信号，进行下一次激光脉冲发射。
4.根据权利要求1所述的区域范围内空气微生物在线监测的系统，其特征在于，激光发射波长为355nm、激光脉冲能量10mJ、脉冲重复频率20Hz，接收望远镜口径50mm、光学反射率85％，光纤信号耦合效率75％。
5.一种区域范围内空气微生物在线监测的方法，其特征在于，包括：
步骤1)激光器(1)发射激光束，激光束经反射镜(2)和出射镜(3)反射后导向目标区域，目标区域的后向散射荧光信号由接收望远镜(4)接收，该接收望远镜(4)设置于出射镜(3)的后方，所述激光器(1)和接收望远镜(4)共轴，即出射光束的光轴与接收望远镜的光轴重合；
步骤2)荧光信号经光纤(5)导入多路分光模块(6)进行分光，然后目标波段的多个荧光信号分别由对应波段的PMT光电探测器转换成电信号；
步骤3)数据采集与实时显示模块(8)对电信号进行实时采集与显示，探测信号处理与分析模块(10)对采集到的数据进行处理与分析，判断是否存在可疑微生物气溶胶。
6.根据权利要求5所述的区域范围内空气微生物在线监测的方法，其特征在于，激光发射、PMT光电探测、数据采集与显示和探测信号处理与分析均由系统控制模块(9)控制。
7.根据权利要求5所述的区域范围内空气微生物在线监测的方法，其特征在于，进一步包括：
系统控制模块(9)向激光器(1)发出触发信号，激光器(1)发射激光脉冲；所述接收望远镜(4)接收荧光信号、多路分光模块(6)对荧光信号进行分光后，系统控制模块(9)向PMT光电探测器(7)发出触发信号，开启PMT光电探测器(7)进行目标波段荧光信号光电转换并产生电信号，然后系统控制模块(9)触发数据采集与实时显示模块(8)进行数据采集、读出和显示，其中，在数据采集结束后，系统控制模块(9)向激光器(1)发出触发信号，进行下一次激光脉冲发射。
8.根据权利要求5所述的区域范围内空气微生物在线监测的方法，其特征在于，激光发射波长为355nm、激光脉冲能量10mJ、脉冲重复频率20Hz，接收望远镜口径50mm、光学反射率85％，光纤信号耦合效率75％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180105 |