CN110967284A - 一种双通道生物气溶胶实时监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双通道生物气溶胶实时监测仪，含激光发射段、散射光荧光收集段、空气采样管路段、信号处理段。其中激光发射段含激光器、光阱，用以整形激光的非球面镜。散射光与荧光收集段含用以光束整形的平凸透镜、收集后向光的球面反射镜、过滤散射光的滤光片、光电二极管。空气采样段含气管、气泵等。信号处理段含用以信号放大器、滤波器、进行模数转换的AD转换器、上位机。在上位机内将散射光信号通过MIE算法输出颗粒物直径，并将荧光信号脉冲进行计数，输出生物气溶胶的颗粒数目。对荧光信号脉冲发生时间与散射光脉冲发生时间进行比对，在同一时间段出现脉冲可视为同一生物气溶胶颗粒，即可同时得到不同直径生物气溶胶的计数浓度。
Description
技术领域
本发明属于空气微生物监测领域，具体涉及一种双通道生物气溶胶监测仪，本装置可监测空气中细菌、霉菌等微生物附着在颗粒物上而形成的气溶胶的计数浓度，并可测得该气溶胶颗粒物的粒径。
背景技术
室内常见的微生物有细菌、霉菌、孢子、病毒等。其中，细菌、病毒、孢子是感冒、结核、肝炎等疾病的元凶；霉菌易导致食品药品腐败、变质；手术环境中的细菌传播还会导致并发感染。室内空气微生物主要以气溶胶的形式存在，即微生物附着在其他颗粒物的表面形成生物气溶胶。
微生物在空气中主要以气溶胶的形式存在，在微生物细胞质内多含有荧光物质，其中主要的荧光物质为色氨酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、核黄素等。这些荧光物质在相应的波段激光的照射下会诱导产生与激光波长不同的荧光。其中，其中NADH在300nm～400nm的激光照射下，会发出480～600nm的荧光，其中490～530nm荧光光强较强；而核黄素在340nm～480nm的激光照射下，会发出500～620nm的荧光，其中530～560nm的荧光较强。
生物气溶胶的实时监测，对于医疗环境、食品药品生产环境、人流密集区域等区域进行的通风空调系统设计工作、卫生防疫工作有着重要意义。
现有的广泛应用于生产生活的空气微生物检测方法主要是浮游菌采样培养法，即通过浮游菌采样器或沉降法对空气中悬浮的生物气溶胶进行收集，在恒温培养箱内经过48小时的培养，最后通过计数培养皿中的菌落数来判定空气中微生物的数量。
上述现有方法存在如下缺点：(一)由于待测样品不易完全分散成单个细胞，故所形成的菌落并非都是单菌落，有一部分是由两个以上的细胞长成的，因此平板菌落计数的检测结果会比实际菌落数偏低。 (二)有些细菌是无法培养检测的，或培养基只能选择培养部分菌种，因此限制了此类方法的应用范围。 (三)此种方法检测周期长，无法自动检测，不满足现代化生产生活的需要。
此外近年来生物气溶胶实时监测装置亦有所发展，如中国无锡迈通科学仪器有限公司的气溶胶实时监测仪(专利申请号：201610084385.3)、南京先进激光技术研究院的生物气溶胶光学检测系统(专利申请号：201510968715.0)、中国科学院上海光学精密机械研究所的生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置及方法(专利申请号：201610381982.2)。本发明提出的一种生物气溶胶实时监测装置，通过合理的结构设计以及在各光学元件表面镀相应波段的增反、增透膜，实现了对散射光、荧光信号的最大化收集；通过对管嘴流态的合理设计，实现了气流的稳定采集，避免了环流造成的误差；通过自主设计的包括放大器、滤波器、 STM32等元器件的信号处理段，实现了对激光辐照生物气溶胶产生的荧光的稳定探测，降低了误差。且具有设备制造难度较小、准度较高等优点。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种生物气溶胶实时监测装置，能实现对生物气溶胶的实时监测，通过对生物气溶胶以及非生物气溶胶的识别区分，实现了实时监测生物气溶胶的浓度。
技术方案：一种生物气溶胶实时监测装置，包括激光发射段、散射光与荧光收集段、空气采样管路段、信号处理段，通过各个段的协同工作，最终达到对生物气溶胶进行数量、浓度、粒径测量输出。
激光发射段：包括激光器101、光阱102、非球面镜113，其中光阱102用于吸收经过光敏感区的的激光，非球面镜113用以将激光器发射出的发散光整形为平行光。其中激光器101发出的激光被非球面镜准直为平行光，用以照射采样气流中的颗粒物。激光器光线与采样管中心处相交区域称之为光敏感区，采样管中心轴线经过光敏感区中心。
散射光与荧光收集段：包括用以光束整形的平凸透镜105/106/108/109、用以过滤散射光的短波截止滤光镜107、用以收集散射光与荧光的光电二极管110/111，用以反射后向散射光与荧光的球面反射镜 103/104。其中前向散射光收集光路沿散射光发射方向依次包括平凸透镜105、平凸透镜108、光电二极管 110，后向散射光经过球面反射镜104原路返回，并最终与前向散射光一同到达光电二极管110，其中用于收集散射光的二极管110与前置放大器301相连。前向荧光收集光路在荧光发散方向依次包括平凸透镜06、短波截止滤光镜片107、平凸透镜109、光电二极管111，后向散射光经过球面反射镜104原路返回，并最终与前向散射光一同到达光电二极管111，其中用于收集荧光的二极管111与前置放大器302相连。
空气采样管路段：包括采样管112以及与之相连的真空气泵。采样管由两部分构成，包括进气管段、出气管段，其中出气管段与气泵相连，进气管段采样口直接与待检测区域空气相接触。激光照射的位置为进气管段与出气管段之间长度为4mm的一个间断区域，称之为光敏感区，其中进气管段、出气管段分别位于光路收集系统的上下两侧，进气管段下部光敏感区域设置渐缩管。气泵的运行使得进气管段出口形成负压，在负压驱动下，待检测气流携带着粒子以一定的速度逐个通过光敏感区进行检测，最后从气泵排气孔排出。
信号处理段：包括放大器301/302、滤波器303、AD转换器304、上位机305。其中滤波器输入端分别与放大器301/302相连，滤波器的输出端与AD转换器304相连。经过二极管的输出，散射光和荧光已变为电信号，通过放大器将二者同步放大，变成可检测信号。由于放大器将噪声与待检测信号同步放大，因此需要将放大后的信号噪声进行消除，通过设置低频噪声阈值，可消除低频噪声。再经AD转换304 将电信号转变为可以处理的数字信号，由通讯串口送至上位机305，通过预先烧录好的程序，将散射光信号通过MIE算法输出颗粒物直径，并将荧光信号脉冲进行计数，输出生物气溶胶的颗粒数目。对荧光信号脉冲发生时间与散射光脉冲发生时间进行比对，在同一时间段出现的脉冲可视为同一颗粒物。通过上述处理，即可同时得到不同直径生物气溶胶的个数。
所述激光发射器的波长为405nm的半导体激光器，可有效探测荧光物质NADH、核黄素等，经照射可诱导相关荧光物质物质激发产生荧光。
所述平凸透镜105/106/108/109表面镀400-700nm增透膜，球面反射镜103/104反射面表面镀 400-700nm增反膜，可减少光线传输过程损耗。
工作原理：半导体激光器101发出405nm激光，在非球面镜113的作用下，发散光变为平行光，该平行光与气路管道中轴线相交，形成光敏感区，当有生物粒子经过时，产生实际含有散射光与荧光的混合光，穿过光敏感区的激光进入光阱102被吸收。待测生物气溶胶在气泵的作用下，前向散射光经过平凸透镜105/108被整形进入用于接收散射光信号的光电二极管110，后向混合光经球面反射镜104原路返回，因光速极快，前向混合光与后向混合光可视为同时进入光电二极管110，因散射光与荧光强度相差较大，因此可视为仅有散射光。在垂直于激光发射光路的右侧45度方向是是荧光信号接收系统，前向混合光经过平凸透镜106变为平行光，在短波截止滤光片107的作用下过滤去散射光得到仅含有荧光的光信号，再经平凸透镜109汇聚后被光电二极管111收集，后向混合光经过球面反射镜103原路返回，经过与前向混合光一样的处理，最终一同达到光电二极管。经过二极管的输出，散射光和荧光已变为电信号，通过放大器将二者同步放大，变成可检测信号。由于放大器将噪声与待检测信号同步放大，因此需要将放大后的信号噪声进行消除，通过设置低频噪声阈值，可消除低频噪声。再经AD转换304将电信号转变为可以处理的数字信号，由通讯串口送至上位机305，通过预先烧录好的程序，将散射光信号通过MIE算法输出颗粒物直径，并将荧光信号脉冲进行计数，输出生物气溶胶的颗粒数目。对荧光信号脉冲发生时间与散射光脉冲发生时间进行比对，在同一时间段出现的脉冲可视为同一颗粒物。通过上述处理，即可同时得到不同直径生物气溶胶的个数。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果如下：
(1)可实现对空气微生物浓度的自动化监测，操作简便。打开仪器开关即可对环境空气微生物浓度进行监测，实时得到不同粒径生物气溶胶数量及浓度，无需培养等复杂操作，对操作人员的技能要求低。
(2)检测灵敏度高，实时性强。传统培养法耗时长，往往需要几天以后才能测出当时的微生物浓度。本发明针对单个粒子进行散射光和荧光分析，因此当空气微生物浓度较低时照样能检测到微生物的存在，因此灵敏度较高。
(3)检测精确度较高。传统培养法只能检测到可培养的微生物数量，本发明能够对大多数的微生物进行检测。
附图说明
图1为本发明中光发射段、散射光与荧光收集段、空气采样管路段、信号处理段的示意图。
图2位本发明监测原理图
图3为信号处理系统的原理图。
图4为该装置核心传感器的模型图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明。
激光发射段：如图1所示，该段包括激光器101、光阱102、非球面镜113，球面反射镜103/104，其中光阱102用于吸收经过光敏感区的的激光，非球面镜113用以将激光发射出的发散光整形为平行光。其中激光器101发出的激光被非球面镜准直为平行光，用以照射采样气流中的颗粒物。激光器光线与采样管中心处相交区域称之为光敏感区，采样管中心轴线经过光敏感区中心。
散射光与荧光收集段：如图1所示，包括用以光束整形的平凸透镜105/106/108/109、用以过滤散射光的短波截止滤光镜107、用以收集散射光与荧光的光电二极管110/111，用以反射后向散射光与荧光的球面反射镜103/104。其中前向散射光收集光路沿散射光发射方向依次包括平凸透镜105、平凸透镜108、光电二极管110，后向散射光经过球面反射镜104原路返回，并最终与前向散射光一同到达光电二极管110，其中用于收集散射光的二极管110与前置放大器301相连。前向荧光收集光路在荧光发散方向依次包括平凸透镜06、短波截止滤光镜片107、平凸透镜109、光电二极管111，后向散射光经过球面反射镜104原路返回，并最终与前向散射光一同到达光电二极管111，其中用于收集荧光的二极管111与前置放大器302 相连。
信号产生及收集过程：如图1所示半导体激光器101发出405nm激光，在非球面镜113的作用下，发散光变为平行光，该平行光进入检测腔后与气路管道中轴线相交，形成光敏感区，当有生物粒子经过时，产生实际含有散射光与荧光的混合光，穿过光敏感区的激光进入光阱102被吸收。待测生物气溶胶在气泵的作用下，前向散射光经过平凸透镜105/108被整形进入用于接收散射光信号的光电二极管110，后向混合光经球面反射镜104原路返回，因光速极快，前向混合光与后向混合光可视为同时进入光电二极管110，因散射光与荧光强度相差较大，因此可视为仅有散射光。在垂直于激光发射光路的右侧45°方向是是荧光信号接收系统，前向混合光经过平凸透镜106变为平行光，在短波截止滤光片107的作用下过滤去散射光得到仅含有荧光的光信号，再经平凸透镜109汇聚后被光电二极管111收集，后向混合光经过球面反射镜103原路返回，经过与前向混合光一样的处理，最终一同达到光电二极管，经过二极管的输出，散射光和荧光已变为电信号，通过放大器将二者同步放大，变成可检测信号。
本发明的半导体激光器101采用波长为405nm的半导体激光器，功率为150mW。可有效激发微生物颗粒中的核黄素、NADH发出本征荧光。光阱104内部为笼式系统，可捕捉消除进入其内部的激光。平凸透镜105/106/108/109均为非球面透镜，其焦距均为25mm，表面镀400～700nm增透膜。平凸透镜106 和平凸透镜105与光敏感区中心所张的平面角为48.88°，立体角为0.1792π，球面反射镜与光敏感区中心所张平面角为46.52°，立体角为0.1622π，表面镀400～700nm增反膜。短波截止滤光片107的截止波长为420nm。光电二极管105和光电二极管114均采用硅光电二极管，感光面积5.8×5.8mm2，光响应范围均为320～730nm。
信号处理原理设计：如图3所示，该过程包括放大器301/302、滤波器303、AD转换器304、上位机305。其中放大器的输入端与二极管的输出相连，滤波器输入端分别与放大器301/302相连，滤波器的输出端与AD转换器304相连。经过二极管的输出，散射光和荧光已变为电信号，通过741运放芯片搭建的基本正向放大电路(在深度负反馈条件下，V_(signal_out)＝V_(signal_in)*Ra/Rb，放大倍数取决于电路中相关电阻的取值)将二者同步放大，变成数字电路可检测的信号。由于放大器将噪声与待检测信号同步放大，再加上掺杂的硬件噪声，因此需要将放大后的信号进行去噪处理。通过741芯片搭建的一阶有源低通滤波器，多次调试合理设置截止频率f＝1/(2πRC，R为等效电阻，C为等效电容)，滤除通带以外的信号，可消除绝大部分高频噪声(由于滤波器存在过渡带，无法达到理想滤波效果，仍然保留了极少数频率与截止频率相近的噪声干扰)。再经AD转换304将电信号转变为可以处理的数字信号，由通讯串口送至上位机305，通过预先烧录好的程序，将散射光信号通过MIE算法输出颗粒物直径，通过与预设值比对，高于预设值即为有效荧光信号脉冲，进行计数，否则不予计数，同时输出生物气溶胶的颗粒数目(即累积计数值)。对荧光信号脉冲发生时间与散射光脉冲发生时间进行比对，在同一时间段出现的脉冲可视为同一颗粒物。通过上述处理，即可同时得到不同直径生物气溶胶的个数。
空气采样管路段：如图1所示包括采样管112以及与之相连的真空气泵。采样管由两部分构成，包括进气管段、出气管段，激光照射的位置为进气管段与出气管段之间4mm的一个间断区域，称之为光敏感区。如图1所示，进气管段为采样管112上侧，出气管段为采样管112下侧。采样管直径为6mm。出气管段与气泵相连，进气管段采样口直接与待检测区域空气相接触。在与光敏感区接触的区域，进气管采用了局部渐缩的设计，渐缩管出口直径为2mm，空气采样流量为流量1L/min，管内气流雷诺数为400～2500。其中进气管段、出气管段分别位于光路收集系统的上下两侧，在负压驱动下，待检测气流携带着粒子以层流的方式以一定的速度逐个通过光敏感区进行检测，最后从气泵排气孔排出。
Claims (7)
1.一种双通道生物气溶胶实时监测仪，其特征在于：包括激光发射部分、散射光与荧光收集部分、空气采样管路部分、信号处理部分，通过各个部分的协同工作，最终达到对生物气溶胶进行数量、浓度、粒径测量输出。
2.如权利要求1所述的一种双通道生物气溶胶实时监测仪，其特征在于：激光发射部分包括波长为405nm的激光器101、光阱102、非球面镜113，球面反射镜103/104，其中光阱102用于吸收经过光敏感区的的激光，非球面镜113用以将激光发射出的发散光整形为平行光，其中激光器101发出的激光被非球面镜准直为平行光，用以照射采样气流中的颗粒物，激光器光线与采样管中心处相交区域称之为光敏感区，采样管中心轴线经过光敏感区中心。
3.如权利要求1所述的一种双通道生物气溶胶实时监测仪，其特征在于：散射光与荧光收集部分包括用以光束整形的平凸透镜105/106/108/109、用以过滤散射光的短波截止滤光镜107、用以收集散射光与荧光的光电二极管110/111，用以反射后向散射光与荧光的球面反射镜103/104，散射光收集光路与荧光收集光路呈90°夹角，与激光发射光路呈45°夹角。
4.如权利要求1所述的一种双通道生物气溶胶实时监测仪，其特征在于：散射光与荧光收集部分具体收集过程分为前向光收集与后向光收集，其中前向散射光收集光路沿散射光发射方向依次包括平凸透镜105、平凸透镜108、光电二极管110，后向散射光经过球面反射镜104原路返回，并最终与前向散射光一同到达光电二极管110，用于收集散射光的二极管110与前置放大器301相连；前向荧光收集光路在荧光发散方向依次包括平凸透镜06、短波截止滤光镜片107、平凸透镜109、光电二极管111，后向散射光经过球面反射镜104原路返回，并最终与前向散射光一同到达光电二极管111，其中用于收集荧光的二极管111与前置放大器302相连。
5.如权利要求1所述的一种双通道生物气溶胶实时监测仪，其特征在于：空气采样部分包括进气口，光敏感区、出气口及真空气泵。其中进气口、出气口分别位于光路收集系统的上下两侧，真空气泵接在出气口用于在进气口形成负压，在负压驱动下，待检测气流携带着粒子以一定的速度逐个通过光敏感区进行检测，最后从气泵排气孔排出。
6.如权利要求1所述的一种双通道生物气溶胶实时监测仪，其特征在于：信号处理部分包括放大器301/302、滤波器303、AD转换器304、上位机305，其中滤波器输入端分别与放大器301/302相连，滤波器的输出端与AD转换器304相连。
7.如权利要求1所述的一种双通道生物气溶胶实时监测仪，其特征在于：对荧光信号脉冲发生时间与散射光脉冲发生时间进行比对，在同一时间段出现的脉冲可视为同一气溶胶颗粒，因为该气溶胶颗粒同时产生了荧光信号，该气溶胶颗粒可视为生物气溶胶。
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