CN109358035A - 空间站微重力环境下的航天员尿液中过渡金属检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间站微重力环境下的航天员尿液中过渡金属检测系统，该系统主要由主控制器、收集子系统、LIBS子系统和进样子系统组成；本发明的有益效果是，采用多点多次微区LIBS测量信号累加，解决尿液中过渡金属的检出问题，在废液收集中采用直流电场方法，满足微重力环境下的要求；在测试最后，采用净水进行液芯的清洁，满足环保卫生的要求。

Description

空间站微重力环境下的航天员尿液中过渡金属检测系统

技术领域

本发明涉及一种微区检测系统，尤其涉及一种基于液芯波导激光诱导击穿光谱的微区检测系统，适用于空间站微重力环境下对航天员尿液中的过渡金属日常监测，属于光电检测领域。

背景技术

载人航天是指人类驾驶航天器在太空从事各种科学、试验、研究等往返地球的飞行活动。航天员工作的区域主要有载人飞船、空间站、外星球营地等。其中空间站是最常见也是较长期的工作场所。在空间站中，航天员处在长期微重力的环境，其身体的情况需要随时进行监测，以便发现其潜在的健康影响及问题。

航天器中航天员的健康监测可以选取很多测试样品。其中，对航天员尿液的监测至关重要也较易获取。研究表明，一些疾病与人的体液中某些过渡金属的浓度有关。比如，如果尿液中铜的含量比较低，则可能患有Wilson病。通过尿液中的铜含量的分析，还可以判断Hodgkin病、白血病及其他许多恶性疾病；尿钠测定可用于确定盐摄入量是否足够，是否有大量盐的损失，还可协助监护低盐饮食及术后电解质的监督，协助判断呕吐、严重腹泻、热衰歇患者的电解质平衡。肾脏是钠盐主要排泄器官，通过测定尿钠可了解肾脏的功能以及病变情况。尿钠增高可能是肾上腺皮质功能不全、肾衰、肾病综合征等；尿钠降低可能上肾上腺皮质功能亢进、慢性肾衰晚期尿量减少或尿闭等。

因此，对尿液中过渡金属的检测可以对日常健康进行监控，还可用于判定某些疾病。目前，尿液中过渡金属的检测常采用原子吸收光谱(AAS)及离子色谱法，AAS方法对铜的检测灵敏度低，体液易堵塞燃烧系统；离子色谱法需复杂的离子色谱交换柱结构，还需加入辅助试剂，装置结构及测试操作复杂，难以满法满足航天员自己操作检测的需要及航天环境的需求。为此，需要找到适合航天员快速高效便捷的检测方法并设计相对应的检测设备，以满足航天员健康实时诊断的需求。

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)方法是检测原子尤其是金属原子的一种便捷可行方法，但因为尿液中的金属元素含量较低，单点单次微区LIBS信号很弱，因此需综合多点多次微区LIBS测量信号累加，解决尿液中过渡金属的检出问题，此外，还需要考虑微重力、进样、残液回收、紧凑、耐用等方面的航天方面的需求。

发明内容

针对以上的需求，本发明的目的在于提供一种基于液芯波导LIBS光谱的航天员尿液中过渡金属的检测系统，可满足微重力、紧凑、耐用等方面的航天环境要求下，尿液中的铜、钠等微量金属的LIBS信号检出，从而实现对航天员反映健康情况的部分生理指标的实时诊断。

本发明是这样来实现的：

本发明提出的基于液芯波导LIBS光谱的航天员尿液中过渡金属的检测系统主要由主控制器、收集子系统、LIBS子系统和进样子系统组成；

其中，LIBS子系统负责LIBS激光发射及LIBS信号接收，它由显微物镜、二向色镜、扩束镜、LIBS激光器、光纤耦合镜、接收光纤、LIBS光谱仪、延时控制器组成；延时控制器有控制端口A及控制端口B，分别与LIBS光谱仪的光谱仪外触发端口及LIBS激光器的激光器外触发端口相连；延时控制器通过控制端口A及控制端口B发出具有一定延时的脉冲信号，用以调节LIBS激光器的出光及LIBS光谱仪的信号采集之间的延时；进样子系统用于将测试液体样(注：航天员尿液)送至LIBS子系统中进行分析；

进样子系统由联接软管、进液器、电动活塞、步机电机、入流管、进液口和密封盖组成；测试液体样通过进液口导入进液器，导入完成后盖好密封盖；入流管与液芯波导管连通，联接软管将入流管与进液器相连；步机电机可带动电动活塞在进液器中平移，将测试液体样通过联接软管及入流管缓慢推入液芯波导管；

收集子系统用于在空间站微重力环境下收集测试液体样，防止污染环境；收集子系统由直流电源、电阴极、半球形罩、出流管、电阳极、废液箱与窗口玻片组成；出流管与液芯波导管连通；半球形罩内壁有电阴极，废液箱入口为电阳极；直流电源的正负极分别与电阳极电阴极连接，维持电阳极与电阴极之间的电场；液芯波导管中的测试液体样通过出流管，沿喷射轴线喷射至电阴极，从而带上负电荷，在电场的作用下，被吸引至电阳极，进入废液箱；半球形罩上开有窗口玻片，方便LIBS测试；

LIBS激光器可沿光学主轴由右向左发射一定波长λ的窄脉冲激光束，经扩束镜扩束(注：得到的激光束直径与显微物镜的入瞳匹配)后，穿过二向色镜，经显微物镜并通过窗口玻片后，可聚焦至聚焦测试点处的测试液体样(注：航天员尿液)，聚焦测试点处激发的LIBS信号沿光学主轴向右传输，依次穿过窗口玻片与显微物镜后，经二向色镜反射后，沿接收光轴传输，经光纤耦合镜聚焦进入接收光纤，传入LIBS光谱仪进行分析；

主控制器用于启动及关闭直流电源、LIBS激光器、延时控制器以及LIBS光谱仪，并用于给步机电机发送控制指令，还用于设置LIBS光谱仪工作参数，且接收LIBS光谱仪的光谱数据进行分析；

本发明提出的基于液芯波导LIBS光谱的航天员尿液中过渡金属的检测方法包括以下步骤：

(1)测试液体持续进样

将测试液体样(注：航天员尿液)通过进液口导入进液器，导入完成后盖好密封盖；主控制器发出指令启动直流电源、然后给步机电机发送控制指令，带动电动活塞在进液器中缓慢向右平移，将测试液体样通过联接软管及入流管缓慢推入液芯波导管；该进样过程持续进行，贯穿整个测试过程，直至测试结束；

(2)动态液芯波导LIBS测试

当测试液体样沿液芯轴线充满整个液芯波导管时，主控制器设置LIBS光谱仪工作参数；然后启动延时控制器，延时控制器按预先设定的延时值，先启动LIBS激光器，再启动LIBS光谱仪；LIBS激光器由右向左发射一定波长λ的窄脉冲激光，经扩束镜扩束，接着穿过二向色镜，经显微物镜并通过窗口玻片后，聚焦至聚焦测试点处的测试液体样(注：航天员尿液)，聚焦测试点处激发的LIBS信号沿光学主轴向右传输，依次穿过窗口玻片与显微物镜后，经二向色镜反射后，沿接收光轴传输，经光纤耦合镜聚焦进入接收光纤，传入LIBS光谱仪，LIBS光谱仪将LIBS光谱数据实时传送给主控制器，随着进样的不断进行，主控制器不断将动态液芯波LIBS光谱数据采集存储；

(3)废液实时收集

在测试的过程中，进样在不断进行；液芯波导管中的测试液体样通过出流管，沿喷射轴线喷射至电阴极，从而带上负电荷，在电场的作用下，被吸引至电阳极，进入废液箱；

(4)测试结束及数据后处理

当电动活塞在进液器中平移到右边底部时，整个进液器中已无测试液体样，此时测试结束；主控制器发出指令关闭延时控制器，然后关闭LIBS激光器与LIBS光谱仪；主控制器将获得的多组动态液芯波导LIBS光谱数据进行统计累加处理，得到反映航天员健康情况的尿液中的铜、钠等微量金属的LIBS信号检出，从而实现对航天员部分生理指标的实时诊断；

(5)残留废液后处理

主控制器给步机电机发送控制指令，带动电动活塞在进液器中缓慢向左平移，直至到进液器最左边位置；打开密封盖，通过进液口导入干净水进进液器，导入完成后盖好密封盖；主控制器给步机电机发送控制指令，带动电动活塞在进液器中缓慢向右平移，将干净水通过联接软管及入流管缓慢推入液芯波导管，同时将液芯波导管中残留废液压入收集子系统被收集，直至电动活塞在进液器中平移到右边底部结束，此时液芯波导管只有干净水存在，主控制器发出指令，断开直流电源。

本发明的有益效果是，采用多点多次微区LIBS测量信号累加，解决尿液中过渡金属的检出问题，在废液收集中采用直流电场方法，满足微重力环境下的要求；在测试最后，采用净水进行液芯的清洁，满足环保卫生的要求。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图，图中：1——直流电源；2——电阴极；3——半球形罩；4——喷射轴线；5——出流管；6——液芯波导管；7——液芯轴线；8——入流管；9——控制端口B；10——显微物镜；11——光学主轴；12——二向色镜；13——激光器外触发端口；14——扩束镜；15——LIBS激光器；16——光谱仪外触发端口；17——光纤耦合镜；18——接收光纤；19——LIBS光谱仪；20——联接软管；21——进液器；22——测试液体样；23——电动活塞；24——步机电机；25——主控制器；26——延时控制器；27——控制端口A；28——电阳极；29——废液箱；30——收集子系统；31——LIBS子系统；32——进样子系统；33——接收光轴；34——进液口；35——密封盖；36——聚焦测试点；37——窗口玻片。

具体实施方式

本发明具体实施方式如图1所示。

本发明提出的基于液芯波导LIBS光谱的航天员尿液中过渡金属的检测系统主要由主控制器25、收集子系统30、LIBS子系统31和进样子系统32组成；

其中，LIBS子系统31负责LIBS激光发射及LIBS信号接收，它由显微物镜10、二向色镜12、扩束镜14、LIBS激光器15、光纤耦合镜17、接收光纤18、LIBS光谱仪19、延时控制器26组成；延时控制器26有控制端口A27及控制端口B9，分别与LIBS光谱仪19的光谱仪外触发端口16及LIBS激光器15的激光器外触发端口13相连；延时控制器26通过控制端口A27及控制端口B9发出具有一定延时的脉冲信号，用以调节LIBS激光器15的出光及LIBS光谱仪19的信号采集之间的延时；

进样子系统32用于将测试液体样22(注：航天员尿液)送至LIBS子系统31中进行分析；进样子系统32由联接软管20、进液器21、电动活塞23、步机电机24、入流管8、进液口34和密封盖35组成；测试液体样22通过进液口34导入进液器21，导入完成后盖好密封盖35；入流管8与液芯波导管6连通，联接软管20将入流管8与进液器21相连；步机电机24可带动电动活塞23在进液器21中平移，将测试液体样22通过联接软管20及入流管8缓慢推入液芯波导管6；

收集子系统30用于在空间站微重力环境下收集测试液体样22，防止污染环境；收集子系统30由直流电源1、电阴极2、半球形罩3、出流管5、电阳极28、废液箱29与窗口玻片37组成；出流管5与液芯波导管6连通；半球形罩3内壁有电阴极2，废液箱29入口为电阳极28；直流电源1的正负极分别与电阳极28电阴极2连接，维持电阳极28与电阴极2之间的电场；液芯波导管6中的测试液体样22通过出流管5，沿喷射轴线4喷射至电阴极2，从而带上负电荷，在电场的作用下，被吸引至电阳极28，进入废液箱29；半球形罩3上开有窗口玻片37，方便LIBS测试；

LIBS激光器15可沿光学主轴11由右向左发射一定波长λ的窄脉冲激光束(本实施例为波长1064nm，脉宽0.6ns，重频300Hz的激光)，经扩束镜14扩束(注：得到的激光束直径与显微物镜10的入瞳匹配)后，穿过二向色镜12(本实施例透1064nm，反射200-950nm)，经显微物镜10并通过窗口玻片37后，可聚焦至聚焦测试点36处的测试液体样22(注：航天员尿液)，聚焦测试点36处激发的LIBS信号沿光学主轴11向右传输，依次穿过窗口玻片37与显微物镜10后，经二向色镜12反射后，沿接收光轴33传输，经光纤耦合镜17聚焦进入接收光纤18，传入LIBS光谱仪19进行分析；

主控制器25用于启动及关闭直流电源1、LIBS激光器15、延时控制器26以及LIBS光谱仪19，并用于给步机电机24发送控制指令，还用于设置LIBS光谱仪19工作参数，且接收LIBS光谱仪19的光谱数据进行分析；

本发明提出的基于液芯波导LIBS光谱的航天员尿液中过渡金属的检测方法包括以下步骤：

(1)测试液体持续进样

将测试液体样22(注：航天员尿液)通过进液口34导入进液器21，导入完成后盖好密封盖35；主控制器25发出指令启动直流电源1、然后给步机电机24发送控制指令，带动电动活塞23在进液器21中缓慢向右平移，将测试液体样22通过联接软管20及入流管8缓慢推入液芯波导管6；该进样过程持续进行，贯穿整个测试过程，直至测试结束；

(2)动态液芯波导LIBS测试

当测试液体样22沿液芯轴线7充满整个液芯波导管6时，主控制器25设置LIBS光谱仪19工作参数；然后启动延时控制器26，延时控制器26按预先设定的延时值，先启动LIBS激光器15，再启动LIBS光谱仪19；LIBS激光器15由右向左发射一定波长λ的窄脉冲激光，经扩束镜14扩束，接着穿过二向色镜12，经显微物镜10并通过窗口玻片37后，聚焦至聚焦测试点36处的测试液体样22(注：航天员尿液)，聚焦测试点36处激发的LIBS信号沿光学主轴11向右传输，依次穿过窗口玻片37与显微物镜10后，经二向色镜12反射后，沿接收光轴33传输，经光纤耦合镜17聚焦进入接收光纤18，传入LIBS光谱仪19，LIBS光谱仪19将LIBS光谱数据实时传送给主控制器25，随着进样的不断进行，主控制器25不断将动态液芯波LIBS光谱数据采集存储；

(3)废液实时收集

在测试的过程中，进样在不断进行；液芯波导管6中的测试液体样22通过出流管5，沿喷射轴线4喷射至电阴极2，从而带上负电荷，在电场的作用下，被吸引至电阳极28，进入废液箱29；

(4)测试结束及数据后处理

当电动活塞23在进液器21中平移到右边底部时，整个进液器21中已无测试液体样22，此时测试结束；主控制器25发出指令关闭延时控制器26，然后关闭LIBS激光器15与LIBS光谱仪19；主控制器25将获得的多组动态液芯波导LIBS光谱数据进行统计累加处理，得到反映航天员健康情况的尿液中的铜、钠等微量金属的LIBS信号检出，从而实现对航天员部分生理指标的实时诊断；

(5)残留废液后处理

主控制器25给步机电机24发送控制指令，带动电动活塞23在进液器21中缓慢向左平移，直至到进液器21最左边位置；打开密封盖35，通过进液口34导入干净水进进液器21，导入完成后盖好密封盖35；主控制器25给步机电机24发送控制指令，带动电动活塞23在进液器21中缓慢向右平移，将干净水通过联接软管20及入流管8缓慢推入液芯波导管6，同时将液芯波导管6中残留废液压入收集子系统30被收集，直至电动活塞23在进液器21中平移到右边底部结束，此时液芯波导管6只有干净水存在，主控制器25发出指令，断开直流电源1。

Claims (1)

1.一种空间站微重力环境下的航天员尿液中过渡金属检测系统，包括主控制器(25)、收集子系统(30)、LIBS子系统(31)和进样子系统(32)；其特征在于：

LIBS子系统(31)负责LIBS激光发射及LIBS信号接收，它由显微物镜(10)、二向色镜(12)、扩束镜(14)、LIBS激光器(15)、光纤耦合镜(17)、接收光纤(18)、LIBS光谱仪(19)、延时控制器(26)组成；延时控制器(26)有控制端口A(27)及控制端口B(9)，分别与LIBS光谱仪(19)的光谱仪外触发端口(16)及LIBS激光器(15)的激光器外触发端口(13)相连；延时控制器(26)通过控制端口A(27)及控制端口B(9)发出具有一定延时的脉冲信号，用以调节LIBS激光器(15)的出光及LIBS光谱仪(19)的信号采集之间的延时；进样子系统(32)用于将测试液体样(22)，即航天员尿液，送至LIBS子系统(31)中进行分析；

进样子系统(32)由联接软管(20)、进液器(21)、电动活塞(23)、步机电机(24)、入流管(8)、进液口(34)和密封盖(35)组成；测试液体样(22)通过进液口(34)导入进液器(21)，导入完成后盖好密封盖(35)；入流管(8)与液芯波导管(6)连通，联接软管(20)将入流管(8)与进液器(21)相连；步机电机(24)可带动电动活塞(23)在进液器(21)中平移，将测试液体样(22)通过联接软管(20)及入流管(8)缓慢推入液芯波导管(6)；

收集子系统(30)用于在空间站微重力环境下收集测试液体样(22)，防止污染环境；收集子系统(30)由直流电源(1)、电阴极(2)、半球形罩(3)、出流管(5)、电阳极(28)、废液箱(29)与窗口玻片(37)组成；出流管(5)与液芯波导管(6)连通；半球形罩(3)内壁有电阴极(2)，废液箱(29)入口为电阳极(28)；直流电源(1)的正负极分别与电阳极(28)电阴极(2)连接，维持电阳极(28)与电阴极(2)之间的电场；液芯波导管(6)中的测试液体样(22)通过出流管(5)，沿喷射轴线(4)喷射至电阴极(2)，从而带上负电荷，在电场的作用下，被吸引至电阳极(28)，进入废液箱(29)；半球形罩(3)上开有窗口玻片(37)，方便LIBS测试；

LIBS激光器(15)可沿光学主轴(11)由右向左发射一定波长λ的窄脉冲激光束，经扩束镜(14)扩束，得到的激光束直径与显微物镜(10)的入瞳匹配，穿过二向色镜(12)，经显微物镜(10)并通过窗口玻片(37)后，可聚焦至聚焦测试点(36)处的测试液体样(22)，聚焦测试点(36)处激发的LIBS信号沿光学主轴(11)向右传输，依次穿过窗口玻片(37)与显微物镜(10)后，经二向色镜(12)反射后，沿接收光轴(33)传输，经光纤耦合镜(17)聚焦进入接收光纤(18)，传入LIBS光谱仪(19)进行分析；

主控制器(25)用于启动及关闭直流电源(1)、LIBS激光器(15)、延时控制器(26)以及LIBS光谱仪(19)，并用于给步机电机(24)发送控制指令，还用于设置LIBS光谱仪(19)工作参数，且接收LIBS光谱仪(19)的光谱数据进行分析。