CN110873678A - 一种生物气溶胶粒子计数监测设备及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生物气溶胶粒子计数监测系统及其监测方法，该监测系统包括：用作特定粒径的粒子通道的进气管，所述进气管中部设置有灭活区；灭活辐射源，用于对所述进气管内的生物气溶胶粒子进行辐射灭活；光学检测室，用于光束的传输与检测；出气管和气泵；激发光源，用于发射荧光激发光束；消光陷阱，用于吸收激发光束；第一光电探测器，用以探测米散射光信号，用于粒子计数及粒径尺寸计算；第二光电探测器，用以探测荧光信号，用于判别气溶胶粒子是否为荧光粒子。本发明采用灭活辐射源对生物气溶胶粒子进行辐射灭活，结合生物荧光淬灭的方法来识别生物气溶胶，有效排除草木、石油燃烧等自然界中其他非生物荧光物质的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及安全监测技术领域，尤其涉及一种生物气溶胶粒子计数监测设备及其监测方法。
背景技术
大气与其中包括的活性有机体或由活性有机体释放出来的粒子、大分子物质或挥发性化合物构成的悬浮体系可统称为生物气溶胶粒子，其粒径范围为0.01～100μm，常见的致病菌等生物气溶胶粒子一般粒径在0.4～10μm之间。
近年来，国内外在生物战剂现场监测报警技术领域重点展开了生物气溶胶连续监测技术研究，研制出固定式生物气溶胶报警系统、点源式生物源毒剂综合探测系统，基本建立其对生物气溶胶的连续监测和现场快速检测手段。
米氏散射和荧光散射法是生物气溶胶监测的常用方法，用米氏散射法实现对颗粒尺寸和数量的测量，使用荧光光谱的方法来识别生物颗粒。其原理为：当紫外/紫色激光入射到颗粒物质上时，会发生波长与入射光相同的米散射，同时，如果该颗粒为生物颗粒，还会受激发而发射波长大于激光的荧光。通过加带通滤光片的光电探测器分别测量米散射光及荧光信号，可分类粒子是生物颗粒还是分生物颗粒；探测器所记录的光脉冲的数量与颗粒数量相对应，从而可以测量粒子的浓度；探测器所记录的光脉冲的强度反应了米散射的强度，从而可以估算出颗粒的尺寸。米散射的强度不仅与颗粒的尺寸有关，还受颗粒的形状、材质、折射率等因素的影响。
激光激发荧光光谱简称荧光光谱，是指物质经某波长激光光源的照射后，分子获取能量从基态被激发到激发态，因激发态属于不稳定状态，在很短时间内跃迁返回基态，发出波长大于入射光的光，这种光被称为荧光，荧光的能量与波长关系图就是荧光光谱。其激光通常为可见光或近紫外光。
研究表明，微生物体内的主要荧光物质有氨基酸(色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸)、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)及核黄素等。其中，氨基酸的荧光发射波长在280～350nm之间，NADH荧光的中心波长为450nm附近，核黄素的荧光发射波长在515～585nm之间，所需的激发光波长要求短于发射波长。由于氨基酸的荧光发射波长在长波紫外波段，需要中波紫外的光源(240-280nm)才能具有较高的激发效率，且氨基酸是各种蛋白质的基本组成单元，存在于所有生物有机体中，并不是生物活性的表征特性，故用其判断生物气溶胶会产生大量的干扰；而NADH和核黄素属于辅酶类，存在于新陈代谢旺盛的生物有机体中，而无明显新陈代谢互动的有机体中含量很低，因此可作为生命活性有机体的标志物；故生物气溶胶的探测装置通常都探测这两种中的一种或两种物质的荧光。
现有的现场检测报警设备所遇到的主要问题包括：自然界中存在大量物质，其发射的荧光波长范围覆盖或部分重合于NADH及核黄素，如各种多环芳香烃化合物、木质素、天然有机物等，这导致生物气溶胶监测及报警装置很容易被干扰而产生误报，比如，草木、石油产品的燃烧产生的烟雾干扰。通常需要对报警后的气溶胶进行富集采样，通过其他生物培养法或抗体辅酶法进行进一步的鉴定区分(现有较为成熟的技术是胶体金层析技术和上转发光技术等免疫学方法)，导致耗时长、成本高，无法满足现场监测报警的需求。
现有的实施方案中，只用具有气溶胶监测功能的生物气溶胶报警设备，无法排除烟雾干扰；部分场景采用了烟雾报警器来排除烟雾干扰，但是不能解决实际环境中同时存在烟雾干扰情况下的生物报警。还有一种方案采用了生物气溶胶报警、富集采样和后续生物培养法或抗体辅酶法进行分析，具备对生物气溶胶报警、采样、特异性检验的综合功能，但是后续实验分析时间过长，无法满足现场快速、准确监测并报警的需求。
发明内容
本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的一个目的是提供一种解决以上问题中的任何一个的生物气溶胶粒子计数监测系统及方法。具体地，本发明提供能够排除烟雾和非生物干扰的生物气溶胶粒子计数监测系统及其监测方法。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种生物气溶胶粒子计数监测系统，所述监测系统包括：进气管，用作特定粒径的粒子通道，且所述进气管中部设置有灭活区，所述灭活区为透明石英玻璃管；
灭活辐射源，用于以预定角度照射所述灭活区，对所述进气管内的生物气溶胶粒子进行辐射灭活；
光学检测室，所述光学检测室为气密结构，用于气溶胶粒子的米散射探测和荧光探测；所述光学检测室的顶部与所述进气管的出口相连通，所述光学检测室的侧壁上设置有若干光学窗口，用于光束的传输与检测；
出气管和气泵，所述出气管的第一端与所述光学检测室的底端相连通，所述出气管的第二端与所述气泵的进气口相连通；
激发光源，设置在所述光学检测室的第一光学窗口处，用于发射荧光激发光束；
消光陷阱，设置在所述光学检测室的第二光学窗口处，与所述激发光源相对设置，用于吸收激发光束；
第一光电探测器，设置在所述光学检测室的第三光学窗口处，用以探测米散射光信号，用于粒子计数及粒径尺寸计算；
第二光电探测器，设置在所述光学检测室的第四光学窗口处，用以探测荧光信号，用于判别气溶胶粒子是否为荧光粒子。
其中，所述生物气溶胶粒子计数监测系统还包括：
控制器，用于控制所述气泵、所述灭活辐射源、所述激发光源、所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的启停，还用于获取所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的检测结果，对所述检测结果进行处理后，判断是否为生物气溶胶粒子干扰，并计算粒子数荧光淬灭率。
其中，所述灭活辐射源按照预设时间周期T调制开关，对生物气溶胶粒子序列进行周期性灭活。
其中，所述灭活区的管内壁或管外壁上镀有反射膜，且朝向所述灭活辐射光源的一侧设置有不镀反射膜的光束入口。
其中，所述生物气溶胶粒子计数监测系统还包括：
激发光整形装置，位于所述激发光源与所述第一光学窗口之间，用于将所述荧光激发光束整形并汇聚投射到所述光学检测室内的粒子束穿梭路径上。
其中，所述第一光电探测器的入口处设置有米散射滤光片，用于阻隔荧光信号，通过米散射光信号；
所述第二光电探测器的入口处设置有荧光滤波片，用于阻隔米散射光信号，通过荧光信号。
其中，所述米散射滤光片为带通滤光片，且所述米散射滤光片的透射波段与所述激发光源的激发光束波段相同；所述荧光滤波片为荧光波段的带通滤光片或长波通滤光片。
其中，所述监测系统还包括位于所述进气管输入端的气体过滤装置和粒径切割装置，用于过滤及切割气体中的粒子，形成预定粒径的粒子通道。
另一方面，本发明还提供了一种生物气溶胶粒子计数监测方法，所述监测方法包括：
启动气泵，令气体通过进气管进入光学检测室形成气路；
启动灭活辐射源，对所述进气管上的灭活区进行辐射灭活；
开启激发光源、第一光电探测器和第二光电探测器，对穿过所述光学检测室的气路进行照射和检测；
获取所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的检测结果，形成气溶胶荧光粒子数曲线。
其中，所述灭活辐射源按照预设时间周期T对所述进气管上的灭活区进行周期性辐射灭活；
根据所述气溶胶荧光粒子数曲线，计算粒子数荧光淬灭率曲线：
η(t)＝1-NB(t+T/2)/NA(t)；
式中，NA(t)为t时段未经灭活处理的气溶胶荧光粒子数，NB(t+T/2)为t+T/2时段经灭活处理的气溶胶荧光粒子数；
根据所述粒子数荧光淬灭率曲线判断是否存在生物气溶胶。
本发明的生物气溶胶粒子计数监测系统及其监测方法采用灭活辐射源对生物气溶胶粒子进行辐射灭活，结合生物荧光淬灭的方法来识别生物气溶胶，有效排除草木、石油燃烧等自然界中其他非生物荧光物质的干扰；并通过周期性灭活检测，实现灭活前后的数据同步检测，能够在现场快速、准确的完成生物气溶胶监测，且其监测结果精确、可靠。
参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。
附图说明
并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示例性地示出了本发明的生物气溶胶粒子计数监测系统的结构示意图；
图2示出了图1的A-A剖视图；
图3示出了微生物体内的主要荧光物质所对应的荧光光谱图；
图4示出了NADH及核黄素的激发光谱及荧光光谱图；
图5示例性地示出了本发明的灭活辐射源的调制波形图；
图6示例性地示出了灭活区的一种实施例的结构示意图；
图7示出了图6的俯视图；
图8示例性地示出了灭活区的另一种实施例的结构示意图；
图9示例性地示出了本发明的生物气溶胶粒子计数监测方法的流程图；
图10示例性地示出了本发明的生物气溶胶粒子计数监测方法详细实施的流程图；
图11示例性地示出了采用本发明的监测方法对生物气溶胶进行未灭活状态下的气溶胶荧光粒子数曲线图；
图12示例性地示出了采用本发明的监测方法对生物气溶胶进行周期灭活检测的气溶胶荧光粒子数曲线图；
图13示例性地示出了对草木烟灰进行周期灭活检测的气溶胶荧光粒子数曲线图；
图14示例性地示出了粒子数荧光淬灭率曲线对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明通过应用灭活辐射源对气体中的生物活性气溶胶粒子进行辐射灭活，通过对灭活辐射源进行周期调制，实现灭活前后的数据同步检测；并利用生物荧光淬灭来识别生物气溶胶，排出草木、石油燃烧等自然界中其它非生物荧光物质的干扰，有效保证检测结果的可靠性。
下面结合附图，对根据本发明所提供的生物气溶胶监测设备及其监测方法进行详细说明。
图1示出了本发明的生物气溶胶粒子计数监测系统的一种具体实施例的结构示意图，图2则示出了图1的A-A剖视图，综合参照图1和图2所示，本发明的生物气溶胶粒子计数监测系统包括：进气管1、灭活辐射源2、光学检测室3、出气管4、气泵5、激发光源6、消光陷阱7以及第一光电探测器81和第二光电探测器82。
其中，进气管1用作特定粒径的粒子通道，进气管1的末端设计成锥形喷嘴，令粒子以一定的流速通过光学检测室3。在进气管1中部设置有灭活区10，配合灭活辐射源2使用，对进入进气管1内的生物气溶胶粒子进行灭活，以排除非生物气溶胶粒子对监测结果的影响。示例性地，灭活区10可以采用透明石英玻璃管，以保证灭活辐射源2能够透射进入灭活区10内，对经过灭活区10的气体进行辐射灭活。
灭活辐射源2用于以预定角度照射灭活区10，对进气管1内的生物气溶胶粒子进行辐射灭活。具体地，灭活辐射源2可以采用紫外/紫光光源，例如紫外氙灯、氘灯、阴极射线光源、紫外激光光源、紫光激光光源等，光源波长越短，单光子的能量越强，灭活效率越高；也可以使用射线(包括X射线、γ射线、加速电子束等)进行灭活，射线相对光源，具有更短的波长和更高的光子能量，灭活效率更高。
光学检测室3为气密结构，仅在顶部和底部留有进气口和出气口，内部用于气溶胶粒子的米散射探测和荧光探测，其中，米散射探测用于气溶胶粒子计数及粒径尺寸计算，荧光探测则用于判别气溶胶粒子是否为荧光粒子。荧光粒子包括具有生物活性的气溶胶粒子和其它具有荧光物质的干扰粒子(如蛋白质有机物、多环芳香烃化合物等)，灭活辐射源2可以将荧光粒子中的具有生物活性的气溶胶粒子灭活，从而根据检测结构判断荧光粒子中是否含有生物活性的气溶胶粒子。
光学检测室3的顶部与进气管1的出口相连通，通过进气管1将外界待检测气体引入光学检测室3内形成气路进行检测；光学检测室3的侧壁上设置有若干光学窗口，用于光束的传输与检测。示例性地，在图1和图2所示的实施例中，光学检测室3为球形结构，在另外的实施例中，光学检测室3也可以设置为长方体或立方体结构。无论光学检测室3的结构如何，只需在垂直于进入光学检测室3内的气路的方向上，开设若干光学窗口即可满足光束的传输和检测需求。
出气管4的第一端与光学检测室3的底端的出气口相连通，出气管4的第二端与气泵5的进气口相连通。其中，气泵5作为气体通过进气管1进入光学检测室3内的动力源，出气管4的末端设计成锥型喷嘴状，驱动气流及气溶胶粒子流经光学检测室3内的检测光路。
激发光源6设置在光学检测室3的第一光学窗口处，用于向光学检测室3内发射荧光激发光束，照射在经过光学检测室的气路上，以便判断进入光学检测室的气流中是否存在荧光粒子。
图3为微生物体内的主要荧光物质所对应的荧光光谱图。本发明的目标是检测生物活性标志物，包括还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(简称“辅酶Ⅱ”，即NADH)及核黄素的发光，而这两种物质的最佳激发光谱及发射的荧光光谱均有较大的差异，图4示出了该两种物质的激发光谱及荧光光谱图。如图4所示，在320nm～385nm激发光的照射下，会在420nm～580nm的波段范围内产生较强的荧光峰(峰位分别在455nm和525nm附近)，而用于杀菌灭活的紫外灯所需的波长更短，通常为120nm～300nm波段，此时单光子能量高。而本发明中使用宽波段的紫外光源(例如紫外氙灯、氘灯、阴极射线光源等)，配合使用260nm～420nm的带通滤光片选择激发光束出射；也可使用260nm～420nm范围内的单色激光(如266nm、355nm、405nm等)或LED光源(如280nm、365nm等)。
消光陷阱7设置在光学检测室3的第二光学窗口处，与激发光源6相对设置，用于吸收激发光束，避免未经过气溶胶粒子散射的激发光在光学检测室3中形成杂散光，干扰米散射信号和荧光信号的采集。
第一光电探测器81设置在光学检测室3的第三光学窗口处，用以探测米散射光信号，用于粒子计数及粒径尺寸计算。示例性地，第一光电探测器81可以采用光电二极管、雪崩光电二极管或光电倍增管探测器。
第二光电探测器82设置在光学检测室3的第四光学窗口处，用以探测荧光信号，用于判别气溶胶粒子是否为荧光粒子。示例性地，第二光电探测器82也可以采用光电二极管、雪崩光电二极管或光电倍增管探测器。
为了提高监测过程的自动化程度，本发明的生物气溶胶粒子计数监测系统还包括控制器(图中未示出)，用于控制气泵5、灭活辐射源2、激发光源6、第一光电探测器81和第二光电探测器82的启停，还用于获取第一光电探测器81和第二光电探测器82的检测结果，对检测结果进行处理后，计算粒子数荧光淬灭率，并判断是否为生物气溶胶粒子干扰。
本发明的生物气溶胶粒子计数监测设备中，灭活辐射源2按照预设时间周期T调制开关，对生物气溶胶粒子序列进行周期性的灭活，图5示出了灭活辐射源2的一种具体实施例的调制波形图。在每个灭活时间周期T内，均可以检测到未灭活时的气溶胶粒子数和灭活后的气溶胶粒子数，此处的粒子数为一定时间周期内通过检测光路的气溶胶粒子数量，可以根据气泵5的流量换算成每升空气中的气溶胶粒子数量，单位为粒子数/L。
具体地，灭活辐射源2的灭活光束对经过灭活区10的粒子进行辐射灭活，因此，灭活区10对应灭活辐射源2的位置需设置为辐射源透射。示例性地，可以在灭活区10的管内壁或管外壁上镀有反射膜，例如可以镀全反射膜，并且朝向灭活辐射源2的一侧设置有不镀反射膜的光束入口。当灭活辐射源2采用紫外/紫光光源时，灭活区10可以采用透明石英玻璃管材料，以透射灭活光束，同时为提高灭活效率，可以对石英玻璃管的侧壁镀反射膜，利用反射膜对灭活光束的反射提高灭活效率。
图6示出了一种具体实施例中的灭活区10的结构示意图，图7为图6的俯视图，综合参照图6和图7所示，在本实施例中，在圆柱形的石英玻璃管的远离光源的半侧镀反射膜101，形成反光杯结构；灭活辐射源2对灭活区10的石英玻璃管正入射。
图8示出了另一种具体实施例的灭活区10的结构示意图，在此实施例中，在圆柱形的石英管外壁镀全反射膜，在面向光源的一侧保留一个小的光学窗口(即不进行镀膜处理的管壁)。灭活辐射源2发出的灭活光束通过此窗口以一定角度斜入射到管内，并在全反射膜的作用下，在管壁上实现多次反射，形成类似光纤的波导结构。在实际使用中，灭活区10的形成，可以是在管外壁镀反射膜，也可以是在管内壁镀反射膜，形成空心光导管结构，只需在对应灭活辐射源2的光束入射处留出相应的光束入口即可。
返回参照图1所示，本发明的生物气溶胶粒子计数监测系统还包括激发光整形装置61，位于激发光源6与第一光学窗口之间，用于将荧光激发光束整形并汇聚投射到光学检测室3内的粒子束穿梭路径上，即将荧光激发光束整形、并汇聚投射到进入光学检测室3的气路上，以实现对气路中的气溶胶粒子的检测。在一个典型的实施例中，激发光整形装置61可以将激发光源6发射的激发光束整形后照射在气路上的汇聚点，汇聚点光斑尺寸在10～200μm之间。
具体地，第一光电探测器81的入口处设置有米散射滤光片811，用于阻隔荧光信号，通过米散射光信号。通过设置米散射滤光片811，第一光电探测器81仅接收到米散射光信号，便于气溶胶粒子计数及粒径尺寸计算。
相适应地，在第二光电探测器82的入口处设置有荧光滤波片821，用于阻隔米散射光信号，通过荧光信号，使得第二光电探测器82接收到的仅为荧光信号，以判断气溶胶粒子是否为荧光粒子。
需要指出的是，米散射滤光片811为带通滤光片，并且米散射滤光片811的透射波段与激发光源6的激发光束波段相同；荧光滤波片821为荧光波段的带通滤光片或长波通滤光片。
另外，本发明的生物气溶胶粒子计数监测系统还包括位于进气管1输入端的气体过滤装置和粒径切割装置，用于过滤及切割气体中的粒子，以形成预定粒径的粒子通道。
相适应与上述监测系统，本发明还提供了一种生物气溶胶粒子计数监测方法，图9示出了该监测方法的流程示意图，该监测方法包括以下步骤：
启动气泵5，令气体通过进气管1进入光学检测室3形成气路；
启动灭活辐射源2，对进气管1上的灭活区10进行辐射灭活，即对经过灭活区10的气路中的生物气溶胶粒子进行灭活；
开启激发光源6、第一光电探测器81和第二光电探测器82，对穿过光学检测室3的气路进行照射和检测，其中，激发光源6发出的激发光束在激发光整形装置61整形后汇聚在气路上，对气路中的气溶胶粒子进行荧光激发；第一光电探测器81在米散射滤光片811的过滤作用下接收米散射光信号，用以粒子计数及粒径计算；第二光电探测器82接收激发后的荧光信号，以判断气溶胶粒子是否为荧光粒子；
获取第一光电探测器81和第二光电探测器82的检测结果，根据该检测结果形成气溶胶荧光粒子数曲线。
而为了获得精确的气溶胶粒子计数监测结果和气溶胶粒子种类的判别，避免由于各种检测因素的变化而影响对气体灭活前后的检测结果，检测过程中，灭活辐射源2按照预设时间周期T对进气管1上的灭活区10进行周期性辐射灭活，即在一定检测时长内，循环若干灭活周期获取灭活前后的检测结果，近似对同一时刻的气路中的气体粒子进行检测识别。
图10示出了本发明的监测方法在具体实施时的流程图，在实际使用时，先将灭活辐射源2按照一定的时间周期T调制开关：
启动气泵5，令气体通过进气管1进入光学检测室3内，形成稳定的气路；
然后启动灭活辐射源2，对进气管1上稳定灭活区10按照时间周期T进行周期性辐射灭活；
开启激发光源6、第一光电探测器81和第二光电探测器82，由激发光源6发出激发光束，对气路中的气溶胶粒子进行激发照射，第二光电探测器82接收其中的荧光信号，以判别是否为荧光粒子；第一光电探测器81对其中的米散射光信号进行接收，以完成粒子计数和粒径计算，形成气溶胶荧光粒子数曲线。
在此检测过程中，由于灭活辐射源2以时间周期T对灭活区10内的气路进行辐射灭活，因此，在T/2的灭活辐射源2关闭时间内，经过灭活区10的为未经灭活的气路，在另外T/2的时间周期内经过灭活区的气路为经过灭活辐射源2辐射灭活后的气路，如此交替、持续检测时长T1(大于T)，从而第一光电探测器81和第二光电探测器82探测到的信号为对气路中的生物气溶胶粒子灭活前的信号和灭活后的信号以T/2相交替出现，进而在一次检测中，可以将检测结果拆分，形成两条粒子计数时间序列曲线：A曲线为未灭活气溶胶荧光粒子数序列、B曲线为灭活后的气溶胶荧光粒子数序列，两条曲线中的相邻两个数的时间差为T/2(即同一条曲线中的相邻两个数据之间的时间差为T)，在实际应用中可以近似为同步测量。由A曲线与B曲线之间的变化规律，可以判断气体中的气溶胶粒子为生物气溶胶粒子还是非生物气溶胶干扰。
同时，根据气溶胶荧光粒子数曲线，还可以计算粒子数荧光淬灭率曲线：
η(t)＝1-NB(t+T/2)/NA(t)；式中，NA(t)为t时段未经灭活处理的气溶胶荧光粒子数，NB(t+T/2)为t+T/2时段经灭活处理的气溶胶荧光粒子数；
根据由上述公式计算获得的粒子数荧光淬灭率曲线，可以精确判断是否存在生物气溶胶。
下面以分别注入活化处理的酵母菌气溶胶和草木烟灰干扰作为对比试验，以每1s进行10次粒子计数统计、5s对应时序50来观测、记录荧光粒子数曲线，验证辐射灭活的效果以及本发明的监测系统和监测方法。
实验1——生物气溶胶常规检测
在本实验中，灭活辐射源2一直处于关闭状态。在实验开始(系统中的各设备开启)后5s时，用气溶胶发生器向气路中注入活化处理的酵母菌气溶胶，获取第一光电探测器81和第二光电探测器82的检测结果，绘制气溶胶荧光粒子数曲线，结果如图11所示。其中，常规曲线为不按时间周期T进行区分的连续检测值绘制的气溶胶荧光粒子数曲线，A曲线和B曲线为仍按照时间周期T拆分后的气溶胶荧光粒子数序列曲线图。由图11可知，此次实验结果，A曲线、B曲线和常规曲线的重合度较高，说明用单独的间隔采样的A曲线或B曲线表征的气溶胶荧光粒子数序列能够近似的反应实际气溶胶荧光粒子数。
实验2——生物气溶胶灭活检测
在本实验中，将灭活辐射源2以1s的时间周期调制开关。在实验开始后5s时，用气溶胶发生器向气路中注入活化处理的酵母菌气溶胶，获取第一光电探测器81和第二光电探测器82的检测结果，根据检测结果按1s的时间周期拆分并绘制A曲线和B曲线，结果如图12所示。除刚开始注入酵母菌气溶胶时，气溶胶荧光粒子数上升阶段的A曲线、B曲线稍有交叉重叠以外，气溶胶荧光粒子数上升到一定数量并趋于稳定的情况下，B曲线明显低于A曲线，说明气溶胶粒子数荧光淬灭明显。
实验3——草木烟灰灭活检测
在本实验中，将灭活辐射源2同样以1s的时间周期调制开关，以燃烧微湿的草木产生草木烟灰作为干扰实验。在实验开始后5s时，向气路中注入草木烟灰，获取第一光电探测器81和第二光电探测器82的检测结果，根据检测结果按1s的时间周期拆分并绘制A曲线和B曲线，结果如图13所示。草木烟灰中的气溶胶荧光粒子浓度大，气溶胶荧光粒子数曲线上升快，上升阶段A曲线、B曲线互有交叠，气溶胶荧光粒子数上升趋于平稳后，B曲线略微低于A曲线。
根据上述三组实验的气溶胶荧光粒子数曲线，分别计算并绘制粒子数荧光淬灭率曲线，然后将三组实验的粒子数荧光淬灭率曲线在一个图中对比绘制，如图14所示。无气溶胶或草木烟灰注入前，监测系统检测输出为空气中的气溶胶粒子基底，由于实验误差和测量的随机误差，所计算的淬灭率无规律波动，其值无参考意义。气溶胶开始注入至系统监测到相对稳定的气溶胶荧光粒子后，粒子数荧光淬灭率呈现明显的分布规律，可以用来区分是否为生物活性气溶胶或非生物荧光干扰气溶胶：
生物气溶胶常规检测：无灭活过程，不引起荧光淬灭，因此气溶胶气流稳定后，粒子数荧光淬灭率在0值附近波动；
生物气溶胶灭活检测：气溶胶气流稳定后，粒子数荧光淬灭率稳定在0.25～0.32之间，灭活后荧光淬灭效果明显；
草木烟灰灭活检测：气溶胶气流稳定后，粒子数荧光淬灭率较低，小于0.05；由于草木烟灰中成分复杂，可能部分有机、无机物荧光物质受灭活辐射的影响而对荧光激发效率产生了微小的影响，达不到活性生物荧光淬灭的阈值，判断为非生物气溶胶。
具体地，利用粒子数荧光淬灭率判断是否为活性生物气溶胶的阈值，受灭活辐射源的种类、强度、灭活气流管路设计、灭活周期、活性生物气溶胶种类及光学检测室的荧光检测光学性能等因素的综合影响，难于给出理论阈值计算模型，工程上需要通过气溶胶粒子实验进行校准标定。在本实施例中，气溶胶气流稳定后，粒子数荧光淬灭率η(t)≥0.2即可判断为活性生物气溶胶粒子存在，否则为不具备生物活性的气溶胶粒子。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种生物气溶胶粒子计数监测系统，其特征在于，所述监测系统包括：
进气管(1)，用作特定粒径的粒子通道，且所述进气管(1)中部设置有灭活区(10)，所述灭活区(10)为透明石英玻璃管；
灭活辐射源(2)，用于以预定角度照射所述灭活区(10)，对所述进气管(1)内的生物气溶胶粒子进行辐射灭活；
光学检测室(3)，所述光学检测室(3)为气密结构，用于气溶胶粒子的米散射探测和荧光探测；所述光学检测室(3)的顶部与所述进气管(1)的出口相连通，所述光学检测室(3)的侧壁上设置有若干光学窗口，用于光束的传输与检测；
出气管(4)和气泵(5)，所述出气管(4)的第一端与所述光学检测室(3)的底端相连通，所述出气管(4)的第二端与所述气泵(5)的进气口相连通；
激发光源(6)，设置在所述光学检测室(3)的第一光学窗口处，用于发射荧光激发光束；
消光陷阱(7)，设置在所述光学检测室(3)的第二光学窗口处，与所述激发光源(6)相对设置，用于吸收激发光束；
第一光电探测器(81)，设置在所述光学检测室(3)的第三光学窗口处，用以探测米散射光信号，用于粒子计数及粒径尺寸计算；
第二光电探测器(82)，设置在所述光学检测室(3)的第四光学窗口处，用以探测荧光信号，用于判别气溶胶粒子是否为荧光粒子。
2.如权利要求1所述的生物气溶胶粒子计数监测系统，其特征在于，所述生物气溶胶粒子计数监测系统还包括：
控制器，用于控制所述气泵(5)、所述灭活辐射源(2)、所述激发光源(6)、所述第一光电探测器(81)和所述第二光电探测器(82)的启停，还用于获取所述第一光电探测器(81)和所述第二光电探测器(82)的检测结果，对所述检测结果进行处理后，判断是否为生物气溶胶粒子干扰，并计算粒子数荧光淬灭率。
3.如权利要求1所述的生物气溶胶粒子计数监测系统，其特征在于，
所述灭活辐射源(2)按照预设时间周期T调制开关，对生物气溶胶粒子序列进行周期性灭活。
4.如权利要求1所述的生物气溶胶粒子计数监测系统，其特征在于，
所述灭活区(10)的管内壁或管外壁上镀有反射膜(101)，且朝向所述灭活辐射光源的一侧设置有不镀反射膜的光束入口。
5.如权利要求1所述的生物气溶胶粒子计数监测系统，其特征在于，所述生物气溶胶粒子计数监测系统还包括：
激发光整形装置(61)，位于所述激发光源(6)与所述第一光学窗口之间，用于将所述荧光激发光束整形并汇聚投射到所述光学检测室(3)内的粒子束穿梭路径上。
6.如权利要求1所述的生物气溶胶粒子计数监测系统，其特征在于，
所述第一光电探测器(81)的入口处设置有米散射滤光片(811)，用于阻隔荧光信号，通过米散射光信号；
所述第二光电探测器(82)的入口处设置有荧光滤波片(821)，用于阻隔米散射光信号，通过荧光信号。
7.如权利要求6所述的生物气溶胶粒子计数监测系统，其特征在于，
所述米散射滤光片(811)为带通滤光片，且所述米散射滤光片(811)的透射波段与所述激发光源(6)的激发光束波段相同；所述荧光滤波片(821)为荧光波段的带通滤光片或长波通滤光片。
8.如权利要求1所述的生物气溶胶粒子计数监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括位于所述进气管(1)输入端的气体过滤装置和粒径切割装置，用于过滤及切割气体中的粒子，形成预定粒径的粒子通道。
9.一种生物气溶胶粒子计数监测方法，其特征在于，所述监测方法包括：
启动气泵，令气体通过进气管进入光学检测室形成气路；
启动灭活辐射源，对所述进气管上的灭活区进行辐射灭活；
开启激发光源、第一光电探测器和第二光电探测器，对穿过所述光学检测室的气路进行照射和检测；
获取所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的检测结果，形成气溶胶荧光粒子数曲线。
10.如权利要求9所述的生物气溶胶粒子计数监测方法，其特征在于，所述灭活辐射源按照预设时间周期T对所述进气管上的灭活区进行周期性辐射灭活；
根据所述气溶胶荧光粒子数曲线，计算粒子数荧光淬灭率曲线：
η(t)＝1-NB(t+T/2)/NA(t)；
式中，NA(t)为t时段未经灭活处理的气溶胶荧光粒子数，NB(t+T/2)为t+T/2时段经灭活处理的气溶胶荧光粒子数；
根据所述粒子数荧光淬灭率曲线判断是否存在生物气溶胶。
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