CN108489775A - 一种气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，属于气溶胶空气检测技术领域。该系统由气溶胶采集单元，气溶胶传送单元，激光检测单元，数据采集存储单元，控制单元组成。本发明基于一单片机控制系统，利用气溶胶收集装置实现气溶胶的自动采集，通过控制单元对系统的有序运行，使用红光或近红外半导体激光器、反射式光路及制冷CCD对收集的气溶胶微粒进行拉曼光谱采集。对采集的气溶胶微粒拉曼光谱使用分层聚类法实现气溶胶微粒样品的分类识别。本发明可实现长时间自动气溶胶收集检测、结构紧凑、可操作性强等特点，同时整个系统外壳防水，对使用环境的要求也比较低。

Description

一种气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置

技术领域

本发明涉及一种气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，属于气溶胶检测技术领域。

背景技术

大气中的气溶胶会导致疾病，降低能见度，并影响天气和气候。大气气溶胶与心血管疾病，慢性阻塞性肺疾病和其他疾病增加有关。气溶胶的许多成分是有害的，例如，苯并芘和烟灰中的其它多环芳香族碳氢化合物等致癌物质或燃煤电厂排放物中的汞等重金属。然而，对于气溶胶对健康有害影响最大的颗粒成分，还有许多未知数。其他动物和许多植物病原体的一些疾病通过真菌孢子，细菌和病毒通过空气传播。气溶胶的大小为0.001～100μm，粒径在0.1～10μm的气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等方面具有重要作用，而且易于通过呼吸过程而进入呼吸道，对人体产生较大的伤害。气溶胶通过散射，吸收和再发射辐射影响气候和天气，并作为云雾和冰凝结核。生物气溶胶如细菌和真菌孢子冰核形成的重要原因。生物和其他气溶胶对气候的影响有很大的不确定性。因此，为了更好地了解气溶胶对健康，农业，能见度，气候和天气的影响，需要改进表征大气气溶胶粒径和组成的技术。

拉曼光谱技术是一种基于拉曼效应的有效的检测分析手段。拉曼效应是指一定频率的激光照射到样品表面时，物质中的分子吸收了部分能量，发生不同方式和程度的振动，然后散射出另外频率的光。频率的变化决定于散射物质的特性，不同原子团振动的方式是唯一的，因此可以产生特定频率的散射光，其光谱就称为“指纹光谱”，可以照此原理鉴别出物质的分子种类。自1928年印度科学家拉曼发现拉曼现象以来，经过几十年来科学家共同的努力，拉曼光谱技术得到了极大的发展。基于拉曼光谱技术的应用领域越来越广泛，具有很大的实际应用价值。拉曼光谱技术可用于表征大气气溶胶。但在研究气溶胶方面，尤其是环境颗粒方面，自动半连续且长时间采集检测的测量技术还尚未成熟。

综上所述，如何解决气溶胶的自动半连续采集检测、能适应多种复杂环境的问题，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，其能够实现对气溶胶的连续且长时间的采集和检测。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，其包括气溶胶采集单元、气溶胶传送单元、激光检测单元、数据采集存储单元、控制单元；所述气溶胶采集单元包括采集头、气流产生器；所述气溶胶传送单元包括柔性镀银多孔带、带卷；所述激光检测单元包括光源、激光器、光谱仪、升降检测平台、物镜、真空泵，所述光源用于照亮检测区域；所述气流产生器将气溶胶吸入所述采集头，气溶胶样品存留在所述柔性镀银多孔带上，并在所述带卷的带动下移至所述升降检测平台上并由所述真空泵固定，所述升降检测平台可升降移动以使激光聚焦，所述数据采集存储单元采集拉曼光谱并存储，所述控制单元保障整个装置的自动有序运行。

可选的，所述气溶胶采集单元包括采集头、气流产生器；所述采集头入口直径为2cm，并装有防水滤网，滤网材料为疏水材料，滤网孔径为10μm；所述气流产生器的收集流量标称为2～8升/分钟，由泵抽取空气收集气溶胶微粒到柔性镀银多孔带上。

可选的，所述柔性镀银多孔带宽度为10mm，所述柔性镀银多孔带表面有密集的孔径为10μm的非镂空小孔，用于收集气溶胶微粒；所述带卷用于收卷所述柔性镀银多孔带。

可选的，所述光源为卤钨灯；所述激光器的波长为640～830nm，功率为10-50mW，带宽小于0.01nm，光斑直径小于3μm；所述升降检测平台用于放置吸附气溶胶样品的所述柔性镀银多孔带；所述物镜放大倍数为50～100倍；所述真空泵用于将所述柔性镀银多孔带吸附在所述升降检测平台上。

可选的，所述数据采集存储单元包括反射式拉曼光谱仪、存储硬盘、制冷CCD。

可选的，所述数据采集存储单元采集气溶胶样品拉曼光谱并将数据保存到存储硬盘。

可选的，所述控制单元为单片机控制系统；其通过时序电路控制气溶胶采集单元、气溶胶传送单元、激光检测单元、数据采集存储单元有序工作；所述控制单元还具有用于与上位机传输数据的RS232串口。

可选的，所述控制单元的光谱数据处理方法为分层聚类法，利用所采集的光谱数据，以分层聚类法的最短距离法，将拉曼光谱数据相近的样品进行归类。

从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：

1、本发明在采集气溶胶的同时，可同步进行气溶胶的拉曼光谱检测；除传送带位移所耗时间，可以同步地实现气溶胶的采样和检测。

2、本发明可通过改变防水滤网孔径以及所述柔性镀银多孔带孔径的方式实现对不同大小气溶胶粒子的采集。

3、本发明可通过编制程序的方式自动实现对气溶胶的连续采集和检测。控制单元可实现装置的自动采集，保证整个装置的有序运行；并可直接与计算机连接，便于实现数据传输。

4、本发明所述数据采集存储单元可根据用户需求通过所述控制单元对样品采集时间、光谱采集时间进行调整设置；并可进行样品成像保存以便于用户更好的确认气溶胶微粒样品的检测状态是否团聚或分层。

附图说明

为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图。

图1为本发明实施例的一种自动气溶胶采集及拉曼光谱检测装置的结构示意图。

图2示出了图1部分的防水滤网部件。

图3示出了图1部分的柔性镀银多孔带部件。

图4示出了图1部分的检测平台部件立体示意图。

图中：1是防水滤网，2是采集头，3是气流产生器，4是气泵，5是气流通道，6是柔性镀银多孔网，7是带卷，8是升降检测平台，9是真空泵，10是物镜，11是数据采集存储单元，12是制冷CCD(电荷耦合器件)，13是防水外壳。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，一种气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，包括：采集头、气流产生器、气泵、柔性镀银多孔网、带卷、升降检测平台、真空泵、物镜、数据采集存储单元、CCD、激光器、电源、单片机系统、防水外壳。气流产生器将气溶胶依次通过带有防雨过滤器采集头，经过气泵，气溶胶样品被存留在柔性镀银多孔带的孔内，在设定的采集时间结束，柔性镀银多孔带移至升降检测平台并由真空泵固定，升降检测平台可沿z方向移动(即升降运 动)使激光聚焦到样品，数据采集存储单元采集拉曼光谱并存储；控制单元为整个装置的自动化运行提供了保障。从空气中收集气溶胶颗粒到柔性镀银多孔带上和CCD采集气溶胶拉曼光谱是同时发生的，但两部分发生在单独的样品上。收集的时间和光谱测量的时间是相同的，通常为15分钟(可通过控制单元更改参数)。在收集/测量时间段之后，将柔性镀银多孔带向前移动约15cm，以使收集的颗粒在拉曼微探针下移动。在收集/测量时间期间，柔性镀银多孔带收集发生在带的一个新区域。因此，在此期间，光谱测量和采集同时完成。

对于光谱测量，采用了使用红光半导体激光器、反射式光路及制冷CCD对收集的气溶胶微粒进行拉曼光谱采集。激发激光器具有约640nm的波长和约50mW的最大激光功率。激光被聚焦到一条尺寸在Δx～1μm和Δy～40μm的线上。弹性和拉曼散射通过用于将激光聚焦到粒子上的相同的100倍物镜来收集。散射光谱由MITYCCDH7031记录，其被热电冷却，通常为-5℃。一旦柔性镀银多孔带已经从收集区域前进(x方向)到光谱测量区域，真空泵将多孔带保持在机动升降检测平台上。因为多孔带是柔性的，所以保持在检测台上的短段多孔带可以固定在升降检测平台上，而保持在收集器上的多孔带段不会移动。然后沿着z方向调整载物台，直到激光线聚焦在带上并记录第一个光谱。然后，由升降检测台固定的多孔带沿x方向步进(通常为2μm)，并保持固定，由CCD进行下一组光谱的获取。重复多孔带步进—获取光谱的这个过程，直到(通常)15分钟的时间段结束。例如，如果在2μm步长的每个步长上拍摄三个10s光谱，则总时间大约是每步30s，因此在15分钟的时间段内，获得大约15/0.5＝30个光谱组，激光在x方向上跨过约60μm。

利用所采集的光谱数据，以分层聚类法的最短距离法，将拉曼光谱数据相近的样品进行归类。假设有m个聚类对象，每一个聚类对象都有x₁，x₂，…，x_n个要素构成，可利用极差标准化对样本数据处理。

极差标准化公式：

其次计算样本之间的距离，可使用绝对值距离计算方法：

式中，d_ij代表第i个对象与第j个对象之间的距离；x_ik代表第i个对象第k个要素的特征；x_jk代表第j个对象第k个要素的特征值；k代表要素个数。

利用最短距离法，对样本进行归类，在原来的m×m距离矩阵的非对角线元素中找出d_pq＝min{d_ij}，把分类对象G_p和G_q归并为新的一类G_r，然后按计算公式：

d_rk＝min{d_pk,d_qk}(k≠p,q)

计算原来各类与新类之间的距离，这样就得到一个新的(m-1)阶的距离矩阵；再从新的距离矩阵中选出最小者d_ij，把G_i和G_j归并成新类；再计算各类与新类的距离，这样一直下去，直至各分类对象被归并为一类。其中G代表样本类。

控制单元为单片机控制系统，通过一个时序电路控制系统气溶胶采集单元，气溶胶传送单元，激光检测单元，数据采集存储单元自动有序工作。

如图2所示，更详细的示出了防水滤网部件。该防水滤网有无数孔径为10μm的小孔，阻止大于10μm的微粒进入，以减少其对气溶胶所需检测样品的干扰。该滤网材料为疏水材料，以达到更好的防水效果。

如图3所示，更详细的示出了柔性镀银多孔带部件。该多孔带表面为孔径10μm的半镂空小孔用于吸附收集小于10μm的气溶胶微粒样品。

图2和图3所示部件上的小孔可根据用户需要进行设计调整，以进行不同大小气溶胶微粒的检测。

气溶胶样品可以以三种方式引入入口：1.对于环境取样，使用带有防水滤网的采集头；2.对于干燥材料，通过搅拌容器中的大颗粒物(通常使用咖啡研磨机)，然后移除容器的盖子靠近入口，使气溶胶被吸入；3.对于水悬浮液，例如PSL球体，使用雾化器使悬浮液雾化并干燥。

本发明自动气溶胶采集及拉曼光谱检测装置，可对大气中的固体颗粒(诸如粉尘、灰尘、冰、雪、雨或污染物的颗粒)进行检测。其采用单片机控制系统实现气溶胶的自动半连续拉曼光谱检测，可根据用户需求对装置参数进行调整，如：样品收集时间，光谱采集时间等。该装置能够简单方便的进行气溶胶的采集与检测，并可根据相应指纹谱对气溶胶样品进行分类分析，且分析成本低。该装置基于单片机控制系统，利用气溶胶收集装置实现气溶胶的自动采集，通过控制单元对系统的有序运行，使用红光半导体激光器、反射式光路及制冷CCD对收集的气溶胶微粒进行拉曼光谱采集。对采集的气溶胶微粒拉曼光谱使用分层聚类 法实现气溶胶微粒样品的分类识别。本发明可实现长时间自动气溶胶收集检测、结构紧凑、可操作性强等特点，同时整个系统外壳防水，对使用环境的要求也比较低。

需要指出的是，以上具体实施方式只是本专利实现方案的具体个例，没有也不可能覆盖本专利的所有实现方式，因此不能视作对本专利保护范围的限定；凡是与以上案例属于相同构思的实现方案，或是上述若干方案的组合方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，其特征在于：包括气溶胶采集单元、气溶胶传送单元、激光检测单元、数据采集存储单元、控制单元；所述气溶胶采集单元包括采集头、气流产生器；所述气溶胶传送单元包括柔性镀银多孔带、带卷；所述激光检测单元包括光源、激光器、升降检测平台、物镜、真空泵；所述气流产生器将气溶胶吸入所述采集头，气溶胶样品存留在所述柔性镀银多孔带上，并在所述带卷的带动下移至所述升降检测平台上并由所述真空泵固定，所述升降检测平台可升降移动以使激光聚焦，所述数据采集存储单元采集气溶胶拉曼光谱并存储，所述控制单元保障整个装置的自动有序运行。

2.根据权利要求1所述的气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述气溶胶采集单元包括采集头、气流产生器；所述采集头入口直径为2cm，并装有防水滤网，滤网材料为疏水材料，滤网孔径为10μm；所述气流产生器的收集流量标称为2～8升/分钟，由气泵抽取空气收集气溶胶微粒到柔性镀银多孔带上。

3.根据权利要求1所述的气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述柔性镀银多孔带宽度为10mm，所述柔性镀银多孔带表面有密集的孔径为10μm的非镂空小孔，用于收集气溶胶微粒；所述带卷用于收卷所述柔性镀银多孔带。

4.根据权利要求1所述的气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述光源为卤钨灯；所述激光器的波长为640～830nm，功率为10～50mW，带宽小于0.01nm，光斑直径小于3μm；所述升降检测平台用于放置吸附气溶胶样品的所述柔性镀银多孔带；所述物镜放大倍数为50～100倍；所述真空泵用于将所述柔性镀银多孔带吸附在所述升降检测平台上。

5.根据权利要求1所述的气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述数据采集存储单元包括反射式拉曼光谱仪、存储硬盘、制冷CCD。

6.根据权利要求1所述的气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述数据采集存储单元采集气溶胶样品拉曼光谱并将数据保存到存储硬盘。

7.根据权利要求1所述的气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述控制单元为单片机控制系统；其通过时序电路控制气溶胶采集单元、气溶胶传送单元、激光检测单元、数据采集存储单元自动有序工作；所述控制单元还具有用于与上位机传输数据的RS232串口。

8.根据权利要求1所述的气溶胶自动采集及拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述控制单元的光谱数据处理方法为分层聚类法，利用所采集的光谱数据，以分层聚类法的最短距离法，将拉曼光谱数据相近的样品进行归类。