CN110411995A - 基于本征荧光漂白特性的生物气溶胶监测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于本征荧光漂白特征的生物气溶胶监测装置和方法，装置主要由荧光粒子计数单元、粒子浓缩富集单元、荧光光谱检测单元、气体动力单元和控制单元构成，所述的粒子浓缩富集单元由撞击式惯性冲击器、富集板、清洁毛刷和旋转台构成；所述的荧光光谱检测单元由激发光源、聚焦镜组、滤光片、荧光聚焦镜组、光陷阱和光谱仪组成。本发明根据气溶胶粒子的荧光漂白特性区分气溶胶粒子的种类，不仅可以区分荧光粒子和非荧光粒子，还能有效排除非生物荧光粒子的干扰，减少乃至消除误报率。
Description
技术领域
本发明涉及生物气溶胶，特别是一种基于本征荧光漂白特征的生物气溶胶监测装置和方法。
背景技术
传染性病菌或病毒等微生物都是以气溶胶粒子状态存在于大气中，其浓度较高时，会对人类和动植物的健康造成威胁，因此，快速、准确地检测出周围空气中的微生物气溶胶具有重要的意义。
近年来，基于激发光诱导本征荧光检测技术为检测原理的生物气溶胶监测仪因实时性好、灵敏度高等诸多优点，在口岸检验检疫、生物武器预警、重大场所安保、无菌环境监测等方面起到越来越重要的作用。
微生物粒子体内含有色氨酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、核黄素以及吡啶二羧酸(DPA)等多种有机代谢物，这些物质在紫外光或紫光照射下会受激发出本征荧光，而非生物粒子大多不会发出本征荧光，因此，通过检测气溶胶粒子的本征荧光强度可有效分辨生物粒子和非生物粒子，这种检测生物气溶胶的技术即为激发光诱导本征荧光检测技术。
目前，基于本征荧光检测技术的生物气溶胶监测仪普遍采用的方案是测量单个粒子在短波长激发光诱导下的本征荧光光强或光谱，根据荧光强度或荧光光谱特征区分生物粒子和非生物粒子。但是，空气中存在一些干扰粒子，如花粉、纸屑、植物碎片、含多环芳烃的颗粒物以及部分尘埃等，在短波长激发下也可以发出与微生物粒子强度接近且光谱特性不易辨识的本征荧光。这些具有本征荧光特性的干扰物的存在，增加了激发光诱导本征荧光法监测生物气溶胶的误报率。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种基于光漂白特征的生物气溶胶监测装置和监测方法。该装置根据气溶胶粒子的荧光漂白特性区分气溶胶粒子的种类，不仅可以区分荧光粒子和非荧光粒子，还能有效排除非生物荧光粒子的干扰，减少乃至消除误报率。
本发明的技术解决方案如下：
一种生物气溶胶监测装置，其特点在于，该装置由荧光粒子计数单元、粒子浓缩富集单元、荧光光谱检测单元、气体动力单元和控制单元构成，
所述的粒子浓缩富集单元由撞击式惯性冲击器、富集板、清洁毛刷、带有狭缝的圆形平台、位置传感器和转台驱动电机构成，所述的粒子浓缩富集单元各部分的位置关系和旋转平台的工作方式参看已公开专利(CN201010177954，双通道实时生物气溶胶监测方法与装置)，所述的富集板的中心位于所述的撞击式惯性冲击器的中轴线上时称为初始富集位置。
所述的荧光光谱检测单元由激发光源、激发光聚焦镜组、滤光片、荧光聚焦镜组、光陷阱和光谱仪组成；当所述的富集板的中心位于荧光聚焦镜组的焦点位置时，所述的激发光源发出的激发光经所述的激发光聚焦镜组后形成一个激发光斑，照射在所述的富集板中心上的多粒子样品富集区域，激发光经富集板玻璃面反射后的光沿反射方向聚焦后进入所述的光陷阱，所述的多粒子样品富集区域产生的荧光依次经所述的荧光聚焦镜组、滤光片达到所述的光谱仪。此时，所述的激发光聚焦镜组的中轴线、光陷阱光路的中轴线与富集板的中垂线在同一平面内，且两条中轴线沿富集板的中垂线呈对称关系。
所述的气体动力单元包含一个电磁阀和气泵，所述的电磁阀用于荧光粒子计数单元或粒子浓缩富集单元二选一与气泵连通。
所述的控制单元分别与所述的荧光粒子计数单元、气体动力单元、位置传感器、转台驱动电机、激发光源、光谱仪等相连。
所述的激发光源为紫外激光器或紫色波段激光器。
利用上述生物气溶胶监测装置对生物气溶胶的监测方法，其特点在于该方法的步骤如下：
1)荧光粒子计数单元对气溶胶粒子的浓度实时预检：
在所述的控制单元的控制下，所述的富集板被定位到所述的初始富集位置，所述的气体动力单元的A路打开的同时B路保持关闭，气溶胶粒子直接进入所述的荧光粒子计数单元后，经由气体动力单元排出；所述的荧光粒子计数单元对气溶胶粒子的浓度进行监测并将浓度值传送给所述的控制单元，当荧光粒子浓度增加量超过预警限值时，执行步骤2)；
2)所述的富集板对多粒子样品的富集：
在所述的控制单元的控制下，所述的气体动力单元的A路关闭且B路开启，气溶胶粒子依次经过所述的荧光粒子计数单元和撞击式惯性冲击器，其中直径大于切割粒径的粒子被收集到所述的富集板上形成一个多粒子样品富集区域，直径小于切割粒径的粒子随气流从所述的惯性冲击器出口流出，最后经所述的气体动力单元排出，按照设定时间完成多粒子富集；
3)荧光光谱检测单元完成光漂白前后多粒子样品的荧光光谱采集：
在所述的控制单元的控制下，所述的转台驱动电机驱动带有狭缝的圆形平台带动所述的富集板,使所述的富集板的多粒子富集区域到达荧光光谱检测单元的光敏感区；所述的激发光源发出的激发光经聚焦镜组后在所述的光敏感区形成一个覆盖富集区域的光斑，所述的富集板的反射光经聚焦镜组进入所述的光陷阱，富集区域的多粒子样品在激发光的照射下产生本征荧光，该本征荧光依次经所述的荧光聚焦镜组和滤光片后聚焦到所述的光谱仪的探测面，该光谱仪将采集的初始荧光光谱,即光漂白前的荧光光谱并传输给所述的控制单元；
激发光持续照射多粒子样品一定时间T后，所述的光谱仪再次采集的荧光光谱,即光漂白后的荧光光谱并传送给控制单元，
所述的控制单元根据所述的光漂白前后两次的荧光光谱计算波峰偏移量和荧光光强相对变化量，并据此判断荧光粒子是否为香烟燃烧物、培养基以及其他干扰物成分，从而确定是否发出生物气溶胶报警信息；
4)富集板清理后回到初始富集位置,包括下列步骤：
①完成光谱采集后，所述的富集板在所述的控制单元的的控制下，所述的转台驱动电机驱动带有狭缝的圆形平台带动所述的富集板,使所述的富集板到达清洁毛刷的清理范围，所述的清洁毛刷对所述的富集板进行清理，富集板到达指定位置后，所述的清洁毛刷自动完成清洁过程；
②在所述的控制单元的控制下，所述的富集板再次回到荧光光谱检测单元的光敏感区，由荧光光谱检测单元检测所述的富集板富集区域的背景光谱，
③所述的控制单元根据背景光谱判断富集板是否清理干净，如清理干净，进入下一步，否则，返回步骤①；
5)所述的控制单元控制下，所述的富集板回到初始富集位置，等待下次富集指令。
所述的粒子浓缩富集模块采用撞击式惯性冲击法作为富集手段，富集板采用可循坏使用的玻璃基底，但不应以此限制本发明的保护范围。
所述的荧光光谱检测模块，包括紫外光或紫光激发单元和荧光接收单元。用于检测富集后的多个气溶胶粒子样品的初始荧光光谱和光漂白之后的荧光光谱。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1.本发明可以有效排除香烟等常见燃烧烟雾的干扰。
燃烧烟雾成分复杂，且在紫外光激发下能产生本征荧光，但香烟等烟雾颗粒的本征荧光在光漂白前后荧光强度并不会下降甚至略有增加，而生物气溶胶粒子的本征荧光强度会减弱。
2.可以有效排除营养肉汤等常见培养基成分的干扰。
营养肉汤等成分在紫外光激发下也能产生本征荧光，但其本征荧光在光漂白前后荧光强度会下降但荧光光谱的主峰几乎没有变化，而生物气溶胶粒子的本征荧光不仅强度会减弱而且主峰位置会发生明显的偏移。
附图说明
图1为本发明生物气溶胶监测装置的框图。
图2为粒子浓缩富集单元和荧光光谱检测单元的工作原理示意图。
图3为本发明生物气溶胶监测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参见图1、图2，图1为本发明生物气溶胶监测装置组成框图，图2为粒子浓缩富集单元和荧光光谱检测单元的工作原理示意图。由图可见，本发明生物气溶胶监测装置，由荧光粒子计数单元1、粒子浓缩富集单元2、荧光光谱检测单元3、气体动力单元4和控制单元5构成。
所述的荧光粒子计数单元1采用基于弹性光散射测量技术和激发光诱导本征荧光检测技术的荧光粒子计数器，可测量单位体积空气中的悬浮粒子数和其中的荧光粒子数及其变化。
所述的粒子浓缩富集单元2由撞击式惯性冲击器21、富集板22、清洁毛刷23、圆形平台24、位置传感器25、旋转电机26构成；
所述的荧光光谱检测单元3由激发光源31、激发光聚焦镜组32、滤光片33、荧光聚焦镜组34、光陷阱35和光谱仪36组成；
所述的气体动力单元4包含一个电磁阀和气泵，电磁阀的出口连接气泵的进气口，电磁阀有两个入口分别为A和B，其中A口连接到荧光粒子计数单元的出气口，B口连接到粒子浓缩富集单元的出气口。
利用上述生物气溶胶监测装置对生物气溶胶的监测方法，该方法的步骤如下：
1)荧光粒子计数单元1对气溶胶粒子的浓度实时预检：
在所述的控制单元5的控制下，所述的富集板22被定位到所述的初始富集位置，所述的气体动力单元4的A路打开的同时B路保持关闭，气溶胶粒子直接进入所述的荧光粒子计数单元1后，经由气体动力单元4排出。所述的荧光粒子计数单元1对气溶胶粒子的浓度进行监测并将浓度值传送给所述的控制单元5，当荧光粒子浓度增加量超过预警限值时，执行步骤2)；
2)所述的富集板22实现多粒子样品的富集：
在所述的控制单元5的控制下，所述的气体动力单元4的A路关闭且B路开启，气溶胶粒子依次经过所述的荧光粒子计数单元1和撞击式惯性冲击器21，其中直径大于切割粒径的粒子被收集到所述的富集板22上从而形成一个多粒子样品富集区域，直径小于切割粒径的粒子随气流从所述的惯性冲击器21出口流出，最后经所述的气体动力单元4排出，至此，按照设定时间完成多粒子富集；
3)荧光光谱检测单元3完成光漂白前后多粒子样品的荧光光谱采集：
在所述的控制单元5的控制下，所述的富集板22的多粒子富集区域到达荧光光谱检测单元3的光敏感区；所述的激发光源31发出的激发光经聚焦镜组32后在所述的光敏感区形成一个覆盖富集区域的光斑，所述的富集板22的反射光经聚焦镜组进入所述的光陷阱35，富集区域的多粒子样品在激发光的照射下产生本征荧光，该本征荧光依次经荧光聚焦镜组34和滤光片33后聚焦到所述的光谱仪36的探测面，该光谱仪36将采集的初始荧光光谱,即光漂白前荧光光谱并传输给所述的控制单元5；
激发光持续照射多粒子样品一定时间T后，所述的光谱仪36再次采集光漂白后的荧光光谱并传送给控制单元5，控制单元根据得到的光漂白前后两次的荧光光谱计算波峰偏移量和荧光光强相对变化量，并据此排除香烟等燃烧物、培养基以及其他干扰物成分，确定是否发出生物气溶胶报警信息；
4)富集板22清理后回到初始富集位置：
①完成光谱采集后，所述的富集板22到达清洁毛刷23的清理范围，所述的清洁毛刷23对所述的富集板22进行清理，富集板22到达指定位置后，所述的清洁毛刷23自动完成清洁过程；
②在所述的控制单元5的控制下，所述的富集板22再次回到荧光光谱检测单元3的光敏感区，由荧光光谱检测单元3检测所述的富集板22富集区域的背景光谱，
③所述的控制单元5根据背景光谱判断富集板22是否清理干净，如清理干净，进入下一步，否则，返回步骤①；
5)所述的控制单元5控制下，所述的富集板22回到初始富集位置，等待下次富集指令。
实施例
监测装置的部分参数如下：激发光源31为激光二极管，波长为405nm，出光功率为25mW，在光敏感区形成的光斑面积约为4mm2的近似圆形光斑，多粒子富集区域的面积是直径约为1.5mm大小的圆形区域，滤光片33为截至波长为450nm的长通滤光片，气泵流量为2.8L/min，多粒子样品富集时间为1min，光漂白时间为10s。
利用此监测装置分别测量浓度大于10000个/L的氯化钠颗粒、聚苯乙烯微球、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、营养肉汤、香烟等气溶胶成分。检测结果分别为：
1)氯化钠颗粒和聚苯乙烯微球不会导致荧光粒子的增加，预检阶段即确定为非生物气溶胶粒子；
2)香烟会导致荧光粒子的增加，触发样品富集，光漂白后荧光强度没有变化，荧光光谱主峰值偏移量为30nm；
3)营养肉汤会导致荧光粒子的增加，触发样品富集，光漂白后荧光强度下降60％，荧光光谱主峰值偏移量没有变化；
4)大肠杆菌和枯草芽孢杆菌会导致荧光粒子的增加，触发样品富集，光漂白后荧光强度下降超过10％，且荧光光谱主峰值偏移量超过10nm。
根据上述结果，本监测装置可将光漂白强度下降超过10％、光谱主峰值超过10nm的气溶胶粒子确定为生物气溶胶粒子。
Claims (3)
1.一种生物气溶胶监测装置，其特征在于，该装置由荧光粒子计数单元(1)、粒子浓缩富集单元(2)、荧光光谱检测单元(3)、气体动力单元(4)和控制单元(5)构成，
所述的粒子浓缩富集单元(2)由撞击式惯性冲击器(21)、富集板(22)、清洁毛刷(23)、带有狭缝的圆形平台(24)、位置传感器(25)和转台驱动电机(26)构成，
所述的富集板(22)的中心位于所述的撞击式惯性冲击器(21)的中轴线上时称为初始富集位置；
所述的荧光光谱检测单元(3)由激发光源(31)、激发光聚焦镜组(32)、滤光片(33)、荧光聚焦镜组(34)、光陷阱(35)和光谱仪(36)组成；当所述的富集板(22)的中心位于荧光聚焦镜组(34)的焦点位置时，称为荧光光谱检测单元(3)的光敏感区，所述的激发光源(31)发出的激发光经所述的激发光聚焦镜组(32)后形成一个激发光斑，照射在所述的富集板(22)中心上的多粒子样品富集区域，激发光经富集板(22)玻璃面反射后的光沿反射方向聚焦后进入所述的光陷阱(35)，所述的多粒子样品富集区域产生的荧光依次经所述的荧光聚焦镜组(34)、滤光片(33)达到所述的光谱仪(36),此时，所述的激发光聚焦镜组(32)的中轴线、光陷阱(35)光路的中轴线与富集板(22)的中垂线在同一平面内，且两条中轴线沿富集板(22)的中垂线呈对称关系；
所述的气体动力单元(4)包含一个电磁阀和气泵，所述的电磁阀用于荧光粒子计数单元或粒子浓缩富集单元二选一与气泵连通；
所述的控制单元(5)分别与所述的荧光粒子计数单元(1)、气体动力单元(4)、位置传感器(25)、转台驱动电机(26)、激发光源(31)、光谱仪(36)相连。
2.根据权利要求1所述的生物气溶胶监测装置，其特征在于，所述的激发光源(31)为紫外激光器或紫色波段激光器。
3.利用权利要求1所述的生物气溶胶监测装置对生物气溶胶的监测方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1)荧光粒子计数单元(1)对气溶胶粒子的浓度实时预检：
在所述的控制单元(5)的控制下，所述的富集板(22)被定位到所述的初始富集位置，所述的气体动力单元(4)的A路打开的同时B路保持关闭，气溶胶粒子直接进入所述的荧光粒子计数单元(1)后，经由气体动力单元(4)排出；所述的荧光粒子计数单元(1)对气溶胶粒子的浓度进行监测并将浓度值传送给所述的控制单元(5)，当荧光粒子浓度增加量超过预警限值时，执行步骤2)；
2)所述的富集板(22)对多粒子样品的富集：
在所述的控制单元(5)的控制下，所述的气体动力单元(4)的A路关闭且B路开启，气溶胶粒子依次经过所述的荧光粒子计数单元(1)和撞击式惯性冲击器(21)，其中直径大于切割粒径的粒子被收集到所述的富集板(22)上形成一个多粒子样品富集区域，直径小于切割粒径的粒子随气流从所述的惯性冲击器(21)出口流出，最后经所述的气体动力单元(4)排出，按照设定时间完成多粒子富集；
3)荧光光谱检测单元(3)完成光漂白前后多粒子样品的荧光光谱采集：
在所述的控制单元(5)的控制下，所述的转台驱动电机(26)驱动带有狭缝的圆形平台(24)带动所述的富集板(22),使所述的富集板(22)的多粒子富集区域到达荧光光谱检测单元(3)的光敏感区；所述的激发光源(31)发出的激发光经聚焦镜组(32)后在所述的光敏感区形成一个覆盖富集区域的光斑，所述的富集板(22)的反射光经聚焦镜组进入所述的光陷阱(35)，富集区域的多粒子样品在激发光的照射下产生本征荧光，该本征荧光依次经所述的荧光聚焦镜组(34)和滤光片(33)后聚焦到所述的光谱仪(36)的探测面，该光谱仪(36)将采集的初始荧光光谱,即光漂白前的荧光光谱并传输给所述的控制单元(5)；
激发光持续照射多粒子样品一定时间T后，所述的光谱仪(36)再次采集的荧光光谱,即光漂白后的荧光光谱并传送给控制单元(5)，
所述的控制单元根据所述的光漂白前后两次的荧光光谱计算波峰偏移量和荧光光强相对变化量，并据此判断荧光粒子是否为香烟燃烧物、培养基以及其他干扰物成分，从而确定是否发出生物气溶胶报警信息；
4)富集板(22)清理后回到初始富集位置,包括下列步骤：
①完成光谱采集后，所述的富集板(22)在所述的控制单元(5)的的控制下，所述的转台驱动电机(26)驱动带有狭缝的圆形平台(24)带动所述的富集板(22),使所述的富集板(22)到达清洁毛刷(23)的清理范围，所述的清洁毛刷(23)对所述的富集板(22)进行清理，所述的富集板(22)到达指定位置后，所述的清洁毛刷(23)自动完成清洁过程；
②在所述的控制单元(5)的控制下，所述的富集板(22)再次回到荧光光谱检测单元(3)的光敏感区，由荧光光谱检测单元(3)检测所述的富集板(22)富集区域的背景光谱，
③所述的控制单元(5)根据背景光谱判断富集板(22)是否清理干净，如清理干净，进入下一步，否则，返回步骤①；
5)所述的控制单元(5)控制下，所述的富集板(22)回到初始富集位置，等待下次富集指令。
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