CN110487686B - 一种空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置及诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置及诊断方法，包括散射光源、深紫外光源、近紫外光源、高能脉冲光源、光谱收集输运光路和光探测器；所述散射光源所发光束分布于气溶胶单粒子路径的最前方，所述深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源所发光束均位于气溶胶单粒子路径上，位于散射光源所发光束的后方；同一气溶胶单粒子，穿过散射光源、深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源所发光束，产生散射信号、荧光光谱和激光诱导击穿光谱，并由光谱收集输运光路传输至光探测器，共同表征气溶胶单粒子的性质。采用本发明的一种空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置及诊断方法，能迅速识别粒子的结构特征、荧光特征和元素构成等信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置及诊断方法，属于 激光光谱技术领域。
背景技术
空气中除了气体分子外，还有大量固态或液态的悬浮颗粒物，包括烟粒、 尘埃、微生物、孢子、花粉、冰晶、云雾、雨雪等，直径多在0.001-100μm之 间，通常将这些悬浮颗粒物称为气溶胶单粒子。我们熟知的PM2.5、PM10等 统计的粒子都属于气溶胶单粒子。
从人体生理结构上分析，当机体吸入空气时，气溶胶单粒子可伴随空气从 上呼吸道进入，通过气管进入主支气管，小支气管，末梢细支气管，呼吸细支 气管和肺泡管，最后到达肺泡。整个呼吸系统各部分允许穿透的颗粒尺寸是不 同的，气管的可穿透尺寸大约是20μm，呼吸细支气管的穿透尺寸小于3μm。 呼吸过程中会过滤掉大量的气溶胶单粒子，但是直径在3μm以下的粒子会直 接进入到肺泡，影响人体的生理机能，这也是PM2.5备受关注的原因之一。
随着工业的飞速发展，空气污染物的种类和数量越来越多，相互之间可能 存在较为复杂的化学反应，导致污染物成分更为复杂。目前通过PM2.5或PM10 的值来衡量空气颗粒物的浓度，若要对颗粒物成分进行分析，必须采样后进行 实验室分析，无法实时同步获取空气颗粒物浓度和成分信息。空气颗粒物中若 包含对人体危害较大的成分，并不能及时发出警报。研发空气颗粒物浓度与成 分实时监测技术与装备意义重大。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种空气气溶胶单粒 子多模态光谱诊断装置及诊断方法，本发明可以迅速识别粒子的结构特征、荧 光特征和素构成等信息，实现空气颗粒物浓度和成分的实时监测。
本发明采用的技术方案如下：
一种空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置及诊断方法，包括散射光源、 深紫外光源、近紫外光源、高能脉冲光源、光谱收集输运光路和光探测器；
所述散射光源所发光束分布于气溶胶单粒子路径的最前方，所述深紫外光 源、近紫外光源和高能脉冲光源所发光束均位于气溶胶单粒子路径上，位于散 射光源所发光束的后方；
同一气溶胶单粒子，穿过散射光源、深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲 光源所发光束，产生散射光散射信号、深紫外激发荧光光谱、深紫外光散射信 号、近紫外激发荧光光谱、近紫外光散射信号和激光诱导击穿光谱，并由光谱 收集输运光路传输至光探测器，共同表征气溶胶单粒子的性质。
在上述方案中，散射光散射信号由气溶胶单粒子穿过散射光源所发光束产 生；深紫外激发荧光光谱和深紫外光散射信号由气溶胶单粒子穿过深紫外光源 所发光束产生；近紫外激发荧光光谱和近紫外光散射信号由气溶胶单粒子穿过 近紫外光源所发光束产生；激光诱导击穿光谱由气溶胶单粒子穿过高能脉冲光 源所发光束产生。
作为优选，散射光源所发光束之后依次为深紫外光源、近紫外光源和高能 脉冲光源所发光束。
作为优选，所述散射光源为连续光源。
作为优选，所述散射光源为激光散射光源。
作为优选，所述深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源均为激发光源。
作为优选，所述高能脉冲光源为激光诱导击穿光谱激发高能脉冲光源。
作为优选，所述散射光源、深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源所发 光束均由透镜聚焦在空气气路路径上。
作为优选，所述散射光源的波长为600-850纳米。
作为优选，所述近紫外光源的波长为250-280纳米。
作为优选，所述近紫外光源的波长为350-410纳米。
作为优选，所述高能脉冲光源的波长为1064纳米。
作为优选，所述光探测器与数据处理显示终端连接，通过数据处理显示终 端处理分析光探测器所接收到的散射信号、荧光光谱和激光诱导击穿光谱，并 显示出来。
一种使用上述空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置的诊断方法，包括以 下步骤：
步骤a：打开散射光源发出散射光束，使气溶胶单粒子穿过散射光束，产 生散射光散射信号；
步骤b：散射光散色信号激发深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源发 出光束；
步骤c：同一气溶胶单粒子穿过深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源 发出的光束，产生深紫外荧光光谱、深紫外光散射信号、近紫外荧光光谱、近 紫外光散射信号和激光诱导击穿光谱；
步骤d：通过收集到的散射信号、荧光光谱和激光诱导击穿光谱经过分析 处理，表征气溶胶单粒子的性质。
作为优选，所述散射光散射信号、深紫外光散射信号和近紫外光散射信号 共同表征气溶胶单粒子的结构特征。
作为优选，所述深紫外荧光光谱和近紫外荧光光谱共同表征气溶胶单粒子 的荧光特征。
作为优选，所述激光诱导击穿光谱表征气溶胶单粒子的元素构成特征。
在本发明中，散射光源为连续光源，深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲 光源所发光束为激发光源，利用散射光源产生的散射光散射信号来触发深紫外 光源、近紫外光源和高能脉冲光源所发光束产生光束。
本发明的一种空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置及诊断方法的工作 原理为：根据散射光散射信号、深紫外光散射信号和近紫外光散射信号共同表 征气溶胶单粒子的结构特征，根据气溶胶单粒子的深紫外激发荧光光谱和近紫 外激发荧光光谱共同表征其荧光特征，根据气溶胶单粒子的激光诱导击穿光谱 表征其元素构成特征，根据气溶胶单粒子的结构特征、荧光特征和元素构成特 征共同表征该气溶胶单粒子的性质。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、针对气溶胶单粒子进行探测，通过气溶胶单粒子的微观检测，获取气溶胶 的宏观性质，克服了直接针对气溶胶检测带来的宏观平均效应，可以大幅度提 高检测准确性；
2、可以实时同步获取空气气溶胶的浓度和成分信息，针对有危害的颗粒物， 能够实时给出预警信息，可应用于环境监测、疫情监控、机场等公共场所的空 气指数实时监测等。
3、针对同一个气溶胶单粒子，获取散射信号、荧光光谱和激光诱导击穿光谱， 通过对多模态特征光谱的分析处理，迅速识别粒子的结构特征、荧光特征和元 素构成等信息，由于光谱数据均来源于同一气溶胶单粒子，具有较高的识别准 确性，若将同一时间段内的众多被测气溶胶单粒子信息进行归类分析，具有统 计学意义。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是气溶胶单粒子多模态光谱诊断方法示意图；
图2是气溶胶单粒子多模态光谱诊断方法流程示意图。
图中标记：1-散射光源所发光束、2-深紫外光源所发光束、3-近紫外光源 所发光束、4-高能脉冲光源所发光束、5-气溶胶单粒子。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互 相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似 目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类 似特征中的一个例子而已。
如图1所示，本实施例的一种空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置及诊 断方法，包括激光散射光源、荧光激发深紫外光源、荧光激发近紫外光源、激 光诱导击穿光谱激发高能脉冲光源、光谱收集输运光路和光探测器。
其中，激光散射光源波长为808±5nm,功率为5mW，所发光束有焦距为 100mm的透镜聚焦在空气气路前端；荧光激发深紫外光源波长为265±5nm， 光束由焦距为100mm的透镜聚焦在散射光斑中心偏下400μm处；荧光激发近 紫外光源波长为365±5nm，光束由焦距为100mm的透镜聚焦在散射光斑中心 偏下450μm处，激光诱导击穿光谱激发高能脉冲光源波长为1064nm，光束由 焦距为100mm的透镜聚焦在散射光斑中心偏下1000μm处。
本实施例中，空气流速为5m/s，空气中气溶胶单粒子在空气的流动下，首 先穿过散射光源所发光束，光束经粒子散射后，产生散射光散射信号；散射光 散射信号作为荧光激发深紫外光源、荧光激发近紫外光源和激光诱导击穿光谱 激发高能脉冲光源的触发信号，延迟80μs触发荧光激发深紫外光源发出光束， 继续延迟10μs触发荧光激发近紫外光源发出光束，继续延迟110μs触发激光 诱导击穿光谱激发高能脉冲光源发出光束；同一气溶胶单粒子依次穿过荧光激 发深紫外光源、荧光激发近紫外光源和激光诱导击穿光谱激发高能脉冲光源所 发光束，产生深紫外荧光光谱、深紫外光散射信号、近紫外荧光光谱、近紫外 光散射信号和激光诱导击穿光谱，均由光谱收集输运光路传输至光探测器，经 过数据处理显示终端处理分析得到气溶胶单粒子的性质。
在另一实施例中，激光散射光源波长为600±5nm,荧光激发深紫外光源波 长为280±5nm，荧光激发近紫外光源波长为410±5nm，激光诱导击穿光谱激发 高能脉冲光源波长为1064nm。
在另一实施例中，激光散射光源波长为720±5nm,荧光激发深紫外光源波 长为250±5nm，荧光激发近紫外光源波长为380±5nm，激光诱导击穿光谱激发 高能脉冲光源波长为1064nm。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中 披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何 新的组合。
Claims (8)
1.一种空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置，其特征在于：包括散射光源、深紫外光源、近紫外光源、高能脉冲光源、光谱收集输运光路和光探测器；
所述散射光源所发光束分布于气溶胶单粒子路径的最前方，所述深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源所发光束均位于气溶胶单粒子路径上，位于散射光源所发光束的后方；散射光源所发光束之后依次为深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源所发光束；
同一气溶胶单粒子，穿过散射光源、深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源所发光束，产生散射光散射信号、深紫外激发荧光光谱、深紫外光散射信号、近紫外激发荧光光谱、近紫外光散射信号和激光诱导击穿光谱，并由光谱收集输运光路传输至光探测器，共同表征气溶胶单粒子的性质；
所述散射光散射信号、深紫外光散射信号和近紫外光散射信号共同表征气溶胶单粒子的结构特征；
所述深紫外荧光光谱和近紫外荧光光谱共同表征气溶胶单粒子的荧光特征。
2.如权利要求1所述的空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置，其特征在于：所述深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源均为激发光源。
3.如权利要求1所述的空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置，其特征在于：所述散射光源的波长为600-850纳米。
4.如权利要求1所述的空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置，其特征在于：所述深紫外光源的波长为250-280纳米。
5.如权利要求1所述的空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置，其特征在于：所述近紫外光源的波长为350-410纳米。
6.如权利要求1所述的空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置，其特征在于：所述高能脉冲光源的波长为1064纳米。
7.一种使用权利要求1-6任一项所述的空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置的诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤a：打开散射光源发出散射光束，使气溶胶单粒子穿过散射光束，产生散射光散射信号；
步骤b：散射光散色信号激发深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源发出光束；
步骤c：同一气溶胶单粒子穿过深紫外光源、近紫外光源和高能脉冲光源发出的光束，产生深紫外荧光光谱、深紫外光散射信号、近紫外荧光光谱、近紫外光散射信号和激光诱导击穿光谱；
步骤d：通过收集到的散射信号、荧光光谱和激光诱导击穿光谱经过分析处理，表征气溶胶单粒子的性质。
8.如权利要求7所述的空气气溶胶单粒子多模态光谱诊断装置的诊断方法，其特征在于：所述激光诱导击穿光谱表征气溶胶单粒子的元素构成特征。
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