CN111337476A - 空气中小麦赤霉病致病孢子sers检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明特别涉及一种空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置，包括气体混合单元、激光器、空芯光纤、光谱仪以及处理单元，所述的气体混合单元用于抽取待测气体和溶胶气体并将两者充分混合后导入至空芯光纤中，激光器发出的光线进入空芯光纤中，空芯光纤中的混合气体经过激光照射后激发出拉曼光并被光谱仪接收，处理单元进行分析得到空气中赤霉病致病孢子浓度信息；并公开了其对应的检测方法。引入SERS技术提升了检测灵敏性与特异性，空芯光纤为气体检测提供了响应气室，进一步提升灵敏度，可降低外界多变环境对检测精度和稳定性影响；检测过程全自动，可以减少检测的用工人数和降低检测人员的专业技术操作要求，操作运用简单，可大幅提高检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及小麦赤霉病检测技术领域，特别涉及一种空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置及方法。
背景技术
禾谷镰孢菌是禾本科作物的主要病原菌之一，会引发小麦赤霉病。该病害在小麦全生育期均可发生，主要为穗部，导致籽粒变色、皱缩干瘪，产量下降，严重时甚至绝产绝收。侵染小麦后，禾谷镰孢菌会不断产生孢子，孢子借助气流、水力、昆虫等方式传播繁衍，但赤霉病致病孢子在空气传播尤为迅速，且传播范围大，需要发展方法实现空气中赤霉病致病孢子的快速检测，为小麦赤霉病防治提供数据参考。孢子传统检测方法如形态鉴别、分离培养鉴别和聚合酶链式反应(PCR)等方法，存在前期处理复杂、抗干扰能力差、检测耗时长和操作专业等缺点，难以满足在线检测要求。因此，开发快速、灵敏度高和特异性强的空气中小麦赤霉病致病孢子检测方空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置及方法具有重要意义。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置，能够方便的实现空气中致病孢子的检测。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置，包括气体混合单元、激光器、空芯光纤、光谱仪以及处理单元，所述的气体混合单元用于抽取待测气体和能与孢子产生响应的溶胶气体并将两者充分混合后通过气体管路导入至空芯光纤中，激光器发出的光线进入空芯光纤中，空芯光纤中的混合气体经过激光照射后激发出拉曼光并被光谱仪接收，处理单元接收光谱仪检测到的拉曼光谱曲线并根据特征峰分析得到空气中赤霉病致病孢子浓度信息。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：引入SERS技术提升了检测灵敏性与特异性，空芯光纤为气体检测提供了响应气室，进一步提升灵敏度，且可降低外界多变环境对检测精度和稳定性影响；采用的自动检测与分析方法，可以减少检测的用工人数和降低检测人员的专业技术操作要求，操作运用简单，检测人员经过简单的学习就能运用和操作，可大幅提高检测效率。
本发明的另一个目的在于提供一种空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测方法，能够方便的实现空气中致病孢子的检测。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测方法，包括如下步骤：A、气体混合单元抽取待测空气和能与孢子产生响应的溶胶气体后充分混匀；B、气体混合单元将混匀后的气体通过气体管路导入至空芯光纤中；C、打开激光器和光谱仪，激光器发出的激光进入空芯光纤中并激发出拉曼光被光谱仪接收；D、处理单元接收光谱仪检测到的拉曼光谱曲线并根据特征峰分析得到空气中赤霉病致病孢子浓度信息。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：引入SERS技术提升了检测灵敏性与特异性，空芯光纤为气体检测提供了响应气室，进一步提升灵敏度，且可降低外界多变环境对检测精度和稳定性影响；采用的自动检测与分析方法，可以减少检测的用工人数和降低检测人员的专业技术操作要求，操作运用简单，检测人员经过简单的学习就能运用和操作，可大幅提高检测效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合图1至图2，对本发明做进一步详细叙述。
参阅图1，一种空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置，包括气体混合单元10、激光器30、空芯光纤40、光谱仪50以及处理单元60，所述的气体混合单元10用于抽取待测气体和能与孢子产生响应的溶胶气体并将两者充分混合后通过气体管路导入至空芯光纤40中，激光器30发出的光线进入空芯光纤40中，空芯光纤40中的混合气体经过激光照射后激发出拉曼光并被光谱仪50接收，处理单元60接收光谱仪50检测到的拉曼光谱曲线并根据特征峰分析得到空气中赤霉病致病孢子浓度信息。引入SERS技术提升了检测灵敏性与特异性，空芯光纤40为气体检测提供了响应气室，进一步提升灵敏度，且可降低外界多变环境对检测精度和稳定性影响；采用的自动检测与分析方法，可以减少检测的用工人数和降低检测人员的专业技术操作要求，操作运用简单，检测人员经过简单的学习就能运用和操作，可大幅提高检测效率。
这里主要保护的是这种结构和构造，至于如何根据拉曼光谱曲线计算出空气中赤霉病致病孢子浓度信息不是本案的重点，我们可以按照现有技术中常见的方案进行计算：首先采用将含有标准浓度致病孢子的空气使用本装置进行检测得到标准浓度对应的拉曼光谱曲线；其次根据曲线计算特征峰位置的光强，在根据不同的浓度以及该浓度对应的特征峰位置光强拟合一条浓度-光强曲线，最后，检测待测气体的特征峰位置光强，并将该光强值代入浓度-光强曲线即可计算得出浓度信息。
这里的激光器30和光谱仪50都可以根据需求选择合适型号的产品，比如本发明中所使用的激光器为633nm激光器，最大输出功率为80mW，其功率调整调谐范围为1～100％，用于激发拉曼光谱响应。光谱仪采用S3000-UV-NIR光纤光谱仪器，它具有超宽的谱图测量范围(180～1102nm)、波长分辨率最小可到0.2nm、信噪比低至300:1，含有SMA905光纤接口和USB接口方便连接计算机，处理单元60以及控制各个阀门或部件启停都可以在计算机上实现。
为了方便地实现空芯光纤40和气体管路的连接，本发明中优选地，所述的空芯光纤40包括第一光纤41、第二光纤42、第三光纤43、第四光纤44、第五光纤45以及光纤转接头80，激光器30依次通过第一光纤41、第二光纤42、第三光纤43连接光谱仪50，第一光纤41和第二光纤42之间设置有光纤转接头80用于连接第四光纤44，第二光纤42和第三光纤43之间设置有光纤转接头80用于连接第五光纤45，第四光纤44和第五光纤45分别连接气体混合单元10和大气。这样就可以向第二光纤42中导入混合气体。这里设置五个空芯光纤，其中第二光纤42即为反应气室，另外四个光纤主要是为了与其他部件可靠的进行连接。
气体混合单元10的结构有很多种，本发明中优选地，所述的气体混合单元10包括活塞壳体11、活塞杆12、电动推杆13以及雾化器16，活塞壳体11和活塞杆12共同构成活塞，活塞杆12的外端连接电动推杆13，活塞壳体11上开设有第一进气口111、第二进气口112和出气口113，第一进气口111通过第一软管14连接大气且第一软管14上设置有控制管路通断的第一控制阀141，第二进气口112通过第二软管15连接雾化器16，出气口113与第四光纤44相连通。这里的活塞壳体11和活塞杆12共同构成的活塞主要是为了方便抽取和排出气体，电动推杆13可根据实际的行程和推力需求来选择合适的型号，比如本发明中选择的是可变速直流电动推杆XTL1500，它是采用12V直流电控制的，可以以1-12mm/s的速度、1000N的推力推动活塞，最大行程可达1500mm，并且还具有行程反馈功能，这样我们可以方便的控制活塞杆12的推进距离。雾化器16也选择现有的产品，只要能够将对小麦赤霉病孢子产生特殊响应的SERS增强材料溶胶雾化成气体即可，本发明中选用的是鱼跃405E溶胶雾化器，它可以实现微米级雾化，可以满足这里的使用需求。
气体管路的具体结构有很多种实现方式，本发明中优选地，所述的气体管路包括第三软管21和第四软管22，活塞壳体11上的出气口113通过第三软管21连接第四光纤44且第三软管21上设置有控制管路通断的第二控制阀211，第五光纤45通过第四软管22连接大气且第四软管22上设置有控制管路通断的第四控制阀221，第三软管21和第四光纤44、第四软管22和第五光纤45均通过导管-光纤转换器90实现连接。这种结构更为紧凑和可靠，管路相对较少。
进一步地，本发明中还包括清洁单元70，清洁单元70由氮气气源71、第五软管72以及第三控制阀73构成，第三控制阀73设置在第三软管21上且第三控制阀73为三通阀，第三控制阀73的公共端通过软管直接连接导管-光纤转换器90，第三控制阀73的常开端通过软管连接第二控制阀211，第三控制阀73的常闭端通过第五软管72连接氮气气源71。设置清洁单元70以后，可以方便的实现气体管路清洁，避免气体管路中残留的气体对下一次测量产生影响，可以提高检测的准确性。
具体地，所述的激光器30发出的激光波长为633nm；第一控制阀141为带螺纹的单向止回阀避免气体从活塞中流出，第二控制阀211和第四控制阀221均为带螺纹的两通电动球阀，第三控制阀73为带螺纹的电动三通T型换向阀；光纤转接头80为SMA905型圆盘型转接头。
参阅图2，本发明中还公开了一种空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测方法，包括如下步骤：A、气体混合单元10抽取待测空气和能与孢子产生响应的溶胶气体后充分混匀；B、气体混合单元10将混匀后的气体通过气体管路导入至空芯光纤40中；C、打开激光器30和光谱仪50，激光器30发出的激光进入空芯光纤40中并激发出拉曼光被光谱仪50接收；D、处理单元60接收光谱仪50检测到的拉曼光谱曲线并根据特征峰分析得到空气中赤霉病致病孢子浓度信息。通过以上步骤，可以方便的实现空气中小麦赤霉病致病孢子浓度检测，检测过程可以全自动实现，降低了人工成本，让检测过程更可控。需要注意的是，这里的激光器30可以提前打开，在有需要的时候再进行测量，结果并不会受到影响。图2中述及的“活塞推动位置＞虚线位置”中的虚线位置即图1中活塞杆12所处的位置。
进一步地，我们采用前面优选的气体混合单元10结构，此时，所述的步骤A中按如下步骤混合气体：A1、保持第二控制阀211和雾化器16关闭，打开第一控制阀141，启动电动推杆13推动活塞杆12向外运动抽取待测气体，抽取完毕后停止电动推杆13并关闭第一控制阀141；A2、启动雾化器16，雾化器16将一定量的能与孢子产生响应的溶胶雾化并充入活塞中，充入完毕后关闭雾化器16；A3、启动电动推杆13推动活塞向内运动一定行程压缩混合气体使两者充分混匀。本装置中所有的部件都可以通过主控单元来进行控制，主控单元为含有控制功能软件的计算机。
同样地，我们可以选择前面优选的空芯光纤40和气体管路的结构，此时，所述的步骤B中按如下步骤导入混合气体进入空芯光纤40中：B1、保持第一控制阀141和雾化器16关闭，打开第二控制阀211和第四控制阀221，启动电动推杆13将混匀后的气体挤入第一气体管路中，第一气体管路由第三软管21——第四光纤44——第二光纤42——第五光纤45——第四软管22构成；B2、混合气体充满第一气体管路后停止电动推杆13，并关闭第二控制阀211和第四控制阀221。
进一步地，包括清洁单元70，这时候，我们可以在每次测量前按照如下步骤对管路进行清洁，保证检测时的准确性。所述的步骤B中，第三控制阀73处于常开状态，步骤A之前包括如下清洁步骤：S1、保持第二控制阀211的关闭状态，打开第四控制阀221；S2、将第三控制阀73由常开状态切换至常闭状态，打开氮气气源71将氮气充入第二气体管路中，第二气体管路由第五软管72——第三软管21——第四光纤44——第二光纤42——第五光纤45——第四软管22构成；S3、氮气充满第二气体管路后关闭氮气气源71和第四控制阀221，并将第三控制阀73切换至常开状态。
Claims (10)
1.一种空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置，其特征在于：包括气体混合单元(10)、激光器(30)、空芯光纤(40)、光谱仪(50)以及处理单元(60)，所述的气体混合单元(10)用于抽取待测气体和能与孢子产生响应的溶胶气体并将两者充分混合后通过气体管路导入至空芯光纤(40)中，激光器(30)发出的光线进入空芯光纤(40)中，空芯光纤(40)中的混合气体经过激光照射后激发出拉曼光并被光谱仪(50)接收，处理单元(60)接收光谱仪(50)检测到的拉曼光谱曲线并根据特征峰分析得到空气中赤霉病致病孢子浓度信息。
2.如权利要求1所述的空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置，其特征在于：所述的空芯光纤(40)包括第一光纤(41)、第二光纤(42)、第三光纤(43)、第四光纤(44)、第五光纤(45)以及光纤转接头(80)，激光器(30)依次通过第一光纤(41)、第二光纤(42)、第三光纤(43)连接光谱仪(50)，第一光纤(41)和第二光纤(42)之间设置有光纤转接头(80)用于连接第四光纤(44)，第二光纤(42)和第三光纤(43)之间设置有光纤转接头(80)用于连接第五光纤(45)，第四光纤(44)和第五光纤(45)分别连接气体混合单元(10)和大气。
3.如权利要求2所述的空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置，其特征在于：所述的气体混合单元(10)包括活塞壳体(11)、活塞杆(12)、电动推杆(13)以及雾化器(16)，活塞壳体(11)和活塞杆(12)共同构成活塞，活塞杆(12)的外端连接电动推杆(13)，活塞壳体(11)上开设有第一进气口(111)、第二进气口(112)和出气口(113)，第一进气口(111)通过第一软管(14)连接大气且第一软管(14)上设置有控制管路通断的第一控制阀(141)，第二进气口(112)通过第二软管(15)连接雾化器(16)，出气口(113)与第四光纤(44)相连通。
4.如权利要求3所述的空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置，其特征在于：所述的气体管路包括第三软管(21)和第四软管(22)，活塞壳体(11)上的出气口(113)通过第三软管(21)连接第四光纤(44)且第三软管(21)上设置有控制管路通断的第二控制阀(211)，第五光纤(45)通过第四软管(22)连接大气且第四软管(22)上设置有控制管路通断的第四控制阀(221)，第三软管(21)和第四光纤(44)、第四软管(22)和第五光纤(45)均通过导管-光纤转换器(90)实现连接。
5.如权利要求4所述的空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置，其特征在于：包括清洁单元(70)，清洁单元(70)由氮气气源(71)、第五软管(72)以及第三控制阀(73)构成，第三控制阀(73)设置在第三软管(21)上且第三控制阀(73)为三通阀，第三控制阀(73)的公共端通过软管直接连接导管-光纤转换器(90)，第三控制阀(73)的常开端通过软管连接第二控制阀(211)，第三控制阀(73)的常闭端通过第五软管(72)连接氮气气源(71)。
6.如权利要求5所述的空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测装置，其特征在于：所述的激光器(30)发出的激光波长为633nm；第一控制阀(141)为带螺纹的单向止回阀避免气体从活塞中流出，第二控制阀(211)和第四控制阀(221)均为带螺纹的两通电动球阀，第三控制阀(73)为带螺纹的电动三通T型换向阀；光纤转接头(80)为SMA905型圆盘型转接头。
7.一种空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、气体混合单元(10)抽取待测空气和能与孢子产生响应的溶胶气体后充分混匀；
B、气体混合单元(10)将混匀后的气体通过气体管路导入至空芯光纤(40)中；
C、打开激光器(30)和光谱仪(50)，激光器(30)发出的激光进入空芯光纤(40)中并激发出拉曼光被光谱仪(50)接收；
D、处理单元(60)接收光谱仪(50)检测到的拉曼光谱曲线并根据特征峰分析得到空气中赤霉病致病孢子浓度信息。
8.如权利要求7所述的空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测方法，其特征在于：所述的气体混合单元(10)包括活塞壳体(11)、活塞杆(12)、电动推杆(13)以及雾化器(16)，活塞壳体(11)和活塞杆(12)共同构成活塞，活塞杆(12)的外端连接电动推杆(13)，活塞壳体(11)上开设有第一进气口(111)、第二进气口(112)和出气口(113)，第一进气口(111)通过第一软管(14)连接大气且第一软管(14)上设置有控制管路通断的第一控制阀(141)，第二进气口(112)通过第二软管(15)连接雾化器(16)，出气口(113)与空芯光纤(40)相连通；
所述的步骤A中按如下步骤混合气体：
A1、保持第二控制阀(211)和雾化器(16)关闭，打开第一控制阀(141)，启动电动推杆(13)推动活塞杆(12)向外运动抽取待测气体，抽取完毕后停止电动推杆(13)并关闭第一控制阀(141)；
A2、启动雾化器(16)，雾化器(16)将一定量的能与孢子产生响应的溶胶雾化并充入活塞中，充入完毕后关闭雾化器(16)；
A3、启动电动推杆(13)推动活塞向内运动一定行程压缩混合气体使两者充分混匀。
9.如权利要求8所述的空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测方法，其特征在于：所述的空芯光纤(40)包括第一光纤(41)、第二光纤(42)、第三光纤(43)、第四光纤(44)、第五光纤(45)以及光纤转接头(80)，激光器(30)依次通过第一光纤(41)、第二光纤(42)、第三光纤(43)连接光谱仪(50)，第一光纤(41)和第二光纤(42)之间设置有光纤转接头(80)用于连接第四光纤(44)，第二光纤(42)和第三光纤(43)之间设置有光纤转接头(80)用于连接第五光纤(45)，第四光纤(44)和第五光纤(45)分别连接气体混合单元(10)和大气用于导入混合气体；气体管路包括第三软管(21)和第四软管(22)，活塞壳体(11)上的出气口(113)通过第三软管(21)连接第四光纤(44)且第三软管(21)上设置有控制管路通断的第二控制阀(211)，第五光纤(45)通过第四软管(22)连接大气且第四软管(22)上设置有控制管路通断的第四控制阀(221)，第三软管(21)和第四光纤(44)、第四软管(22)和第五光纤(45)均通过导管-光纤转换器(90)实现连接；
所述的步骤B中按如下步骤导入混合气体进入空芯光纤(40)中：
B1、保持第一控制阀(141)和雾化器(16)关闭，打开第二控制阀(211)和第四控制阀(221)，启动电动推杆(13)将混匀后的气体挤入第一气体管路中，第一气体管路由第三软管(21)——第四光纤(44)——第二光纤(42)——第五光纤(45)——第四软管(22)构成；
B2、混合气体充满第一气体管路后停止电动推杆(13)，并关闭第二控制阀(211)和第四控制阀(221)。
10.如权利要求9所述的空气中小麦赤霉病致病孢子SERS检测方法，其特征在于：包括清洁单元(70)，清洁单元(70)由氮气气源(71)、第五软管(72)以及第三控制阀(73)构成，第三控制阀(73)设置在第三软管(21)上且第三控制阀(73)为三通阀，第三控制阀(73)的公共端通过软管直接连接导管-光纤转换器(90)，第三控制阀(73)的常开端通过软管连接第二控制阀(211)，第三控制阀(73)的常闭端通过第五软管(72)连接氮气气源(71)；所述的步骤B中，第三控制阀(73)处于常开状态，步骤A之前包括如下清洁步骤：
S1、保持第二控制阀(211)的关闭状态，打开第四控制阀(221)；
S2、将第三控制阀(73)由常开状态切换至常闭状态，打开氮气气源(71)将氮气充入第二气体管路中，第二气体管路由第五软管(72)——第三软管(21)——第四光纤(44)——第二光纤(42)——第五光纤(45)——第四软管(22)构成；
S3、氮气充满第二气体管路后关闭氮气气源(71)和第四控制阀(221)，并将第三控制阀(73)切换至常开状态。
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