CN113340885A - 一种甲醛生物监测装置及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种甲醛生物监测装置及监测方法，包括外壳、半透明硅胶袋、营养液替换件、光传感器、蜂鸣器、微处理器。半透明硅胶袋设于外壳中，半透明硅胶袋中装设有青海弧菌菌液，半透明硅胶袋的顶部设有入口，并在入口处设有滤膜，使得倒置半透明硅胶袋时保证青海弧菌被截留的情况下，使得青海弧菌菌液中的代谢废液排出；营养液替换件能够与半透明硅胶袋的入口处对接，光传感器设于外壳内部；微处理器分别与蜂鸣器和光传感器电连接。与现有技术相比，本发明基于青海弧菌的颜色变化是最为直接的环境安全与否的指示，青海弧菌侧面的光度传感器在检测到发光量降低到达特定阈值作为指标，实现快速且稳定的室内甲醛测试。

Description

一种甲醛生物监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及甲醛监测技术领域，尤其是涉及一种甲醛生物监测仪及监测方法。
背景技术
甲醛无处不在，市面上甲醛吸收产品层出不穷，而甲醛的释放周期长达3-10年，是漫长的过程，相比于去除甲醛的产品，只有对甲醛挥发有一定了解的用户才会选择购买目前甲醛检测仪器。
目前检测的技术主要分为两种：物理检测和电化学检测。物理检测是电子元器件感知产品附近空气密度变化后，推测整个房间的甲醛浓度，化学检测是电化学元器件与甲醛反应后，根据反应量得到房间内甲醛浓度，部分产品前端会安装风扇，将气体卷入仪器内。
对于物理检测而言，主要有2点缺陷：监测结果准确率低、应用市场杂乱导致的价格和外观多样却鲜少有符合家用的产品。同时抽样检查显示合格率极低，这种通过物理估算的方式极大取决于产品的元器件精准性，同时，风扇等其他元器件会使产品周围环境温度增高，对甲醛检测数值造成干扰，因此常常无法判断环境是否真正安全。
对于化学检测而言，主要存在2点缺陷：设备存在价格过高，租借/直接购买成本皆高、应用市场杂乱导致的价格和外观多样却鲜少有符合家用的产品。主要的原因是市面上专业仪器是直接与甲醛发生化学反应，由于检测专业度高，一般检测一次是20min，每次检测完就需要替换滤片。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种甲醛生物监测装置及监测方法，基于青海弧菌的颜色变化是最为直接的环境安全与否的指示，青海弧菌侧面的光度传感器在检测到发光量降低到达特定阈值作为指标，实现快速且稳定的室内甲醛测试。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本申请的第一个目的是保护一种甲醛生物监测装置，包括外壳、半透明硅胶袋、营养液替换件、光传感器、蜂鸣器、微处理器，其中具体地：
外壳，所述外壳上设有观测开口；
半透明硅胶袋，设于所述外壳中，所述半透明硅胶袋中装设有青海弧菌菌液，所述半透明硅胶袋的顶部设有入口，并在入口处设有滤膜，使得倒置半透明硅胶袋时保证青海弧菌被截留的情况下，使得青海弧菌菌液中的代谢废液排出；
营养液替换件，能够与所述半透明硅胶袋的入口处对接，使得营养液替换件中的新鲜营养液注入所述青海弧菌菌液中；
光传感器，设于所述外壳内部，实时获取半透明硅胶袋投射出的光强度；
蜂鸣器；
微处理器，分别与所述蜂鸣器和光传感器电连接，所述微处理器实时获取光传感器输出的光强度信号，通过判断光强度信号与预设阈值之间的差距向蜂鸣器发出指令，以此控制蜂鸣器报警。
进一步地，所述半透明硅胶袋的一部分自所述观测开口处向外伸出。
进一步地，所述外壳顶部设有开口，所述营养液替换件能够通过外壳顶部的开口与半透明硅胶袋顶部的入口对接。
进一步地，所述外壳顶部设有开口，所述甲醛生物监测装置还包括ROM、RAM和蓄电池，所述ROM与所述微处理器电连接，所述微处理器将监测的光强度值按照时间顺序存储于所述ROM中，微处理器基于时间序列的光强度值生成变化趋势图并存储于ROM中。
进一步地，所述外壳顶部设有开口，所述甲醛生物监测装置还包括I/O接口，所述I/O接口通过总线与所述微处理器电连接。
进一步地，所述外壳顶部设有开口，所述滤膜为0.22微米直径滤膜。
进一步地，所述营养液替换件为一端设有水凝膜封口的壳体，新鲜营养液装于壳体中。
进一步地，所述微处理器为ARM处理器。
本申请的第二个目的是保护一种甲醛生物监测方法，包括以下步骤：
S1：将所述甲醛生物监测装置置于待测目标位置，在30min内根据蜂鸣器的报警情况判断甲醛是否超标；
S2：通过I/O接口导出1～6h内基于时间序列的光强度值生成变化趋势图，通过发光强度的衰减速率对应甲醛在0.5～6h内的平均浓度。
进一步地，通过预先标定的甲醛浓度与衰减速率的对应关系得到甲醛在0.5～6h内的平均浓度；
所述衰减速率v为以特定光强度I0为起点时，经过特定时间t后的光强度为I1，则衰减速率v＝(I0-I1)/t。
进一步地，通过将青海弧菌菌液中的代谢废液排出，并通过营养液替换件注入新鲜营养液，使得青海弧菌菌液的发光强度达到适宜服役的状态。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)环境安全可视化效果提升，本装置中基于青海弧菌的颜色变化是最为直接的环境安全与否的指示，青海弧菌侧面的光度传感器在检测到发光量降低到达特定阈值后会启动蜂鸣器，提示甲醛超标，可实现快速且稳定的室内甲醛测试。
2)本技术方案中甲醛生物监测装置简化了整体操作，规避了化学检测的操作流程，通过将培养青海弧菌生物的营养液制作成浓缩包的形式，将培养经过的前6个步骤合在一起，仅需在本装置中灌入配好的营养液浓缩包、等待检测、蜂鸣器检测并提醒。
3)本技术方案中将生物作为监测甲醛威胁的中间媒介，提出了目前使用的化学和物理检测方式之外更持久，环保的检测方式，以更低级更原始的生物更易捕捉环境中微小的威胁为基础，使青海弧菌接触环境中威胁后反馈，传感器识别后更快提示用户。
4)甲醛检测产品家庭场景的适配化，本技术方案中生物监测是更长期的，适宜于家庭场景。同时环境威胁可以直接用生物发光表现，可视化了原先的读数，转换为更容易被察觉、便于理解的颜色和声音警告。
5)本技术方案中装置结构适配细菌生长繁殖规律：在产品层面需要同时满足生物和人类的需求。生物需要透气性、透光性强的环境，因此选择使用半透明硅胶。此前验证延长生命周期的方法是每24-48h倒出1/3废液，再加入新的营养液，而更换液体对于用户来说比较的复杂，对于细菌来说却是一个必要的条件，因此本装置中硅胶半透明壳内有一道滤膜，滤膜下方的菌液每次在更换液体时，由于细菌比滤膜孔径大，因此只要小分子无机物和废料会流出，细菌留在产品内。滤膜上的结构储存倒入的营养液，滤膜上下的体积可选为1：3，保证导出1/3液体。由于营养液的浓度可以改变生物繁殖速度，因此可以通过更换营养液的种类来适应不同的场景。
附图说明
图1为本技术方案中甲醛生物监测装置的结构示意图；
图2为本技术方案中甲醛生物监测装置的检测逻辑示意图；
图3为本技术方案中青海弧菌生命周期的测定曲线；
图4为本技术方案中甲醛监测范围示意图；
图5为现有技术中甲醛测试仪的结果拟合示意图；
图6为实施例中青海弧菌颜色变化对比图；
图7为实施例中将37％浓度(g/ml)的甲醛稀释为3组的平行测试。
图中：1营养液替换件 2水凝膜封口 3外壳 4 0.22微米直径滤膜 5产品外壳开口6半透明硅胶袋 7青海弧菌菌液 8光传感器 9蓄电池 10蜂鸣器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本产品的生物监测原理是利用青海弧菌直接与环境中的甲醛反应，由于青海弧菌对环境变化较敏感，发光量会因甲醛浓度的改变而改变，从而可以通过检测发光量来确定环境是否安全。该原理与专业仪器的化学检测原理类似，可以直接反应而非估算环境中甲醛浓度，准确性较高。同时，甲醛在温度升高时释放量会提升，常见的甲醛超标场景如夏季车内30-35度高温时(如图5所示)，现有的检测设备会因为温度升高或产品内仪器运作，产生偏差，而青海弧菌的生存适宜温度与需要检测的环境温度匹配，不需要辅助调整偏差。准确度的提升可以更好地帮助掌握环境安全隐患，帮助增强环境甲醛威胁、经常通风的意识。
环境安全可视化效果提升：目前大部分甲醛检测产品都延续了专业实验仪器的数字显示，显示过于精确，有一定门槛，对于家用场景不适合，用户更聚焦于环境安全与否，而非小数点后跳动情况，因此青海弧菌颜色变化是最为直接的环境安全与否的指示(图6和图7)。青海弧菌侧面的光度传感器在检测到发光量降低后会启动蜂鸣器，提示甲醛超标。
同时，由于大部分人对于甲醛的了解还停留在新房子和新购家具上，但随着国家标准的提升，这个问题有所缓解，目前甲醛威胁主要集中在出厂后温度、湿度、时间变化产生的释放超标，更需要长期的检测和通风，而非仅仅购买后。生物监测像养鱼一样，通过增加新的营养，丢弃一部分废液，可以长期持续监测，而普通的物理检测仪器通常最长使用时间为12h，需要充电后继续，持续监测也会造成元件损坏，有偏差，化学检测仪器监测一次30min左右就需要更换。环境长期安全可视化效果的提升可以提高仪器阅读的直观性，更方便观察长期释放周期中存在的隐患并提醒。
本技术方案中甲醛生物监测装置简化了整体操作：目前租用专业化学检测的操作复杂。主要的流程是装配电池、增加耗材、开机调整参数、设置时间、等待30min、读数、寄回商家。另外，青海生物正常实验室内的培养需要经过大约10个大步骤(超纯水清洗、配比称量、搅拌调整PH值、定容液体固体培养基、高温高压灭菌、制作培养基、灭菌、活化菌液、接种、传代、震荡活化)。本产品规避了化学检测的操作流程，通过将培养青海弧菌生物的营养液制作成浓缩包的形式，将培养经过的前6个步骤合在一起：在本产品中灌入配好的营养液浓缩包、等待检测、蜂鸣器检测并提醒。
本技术方案中甲醛生物监测装置成本低：青海弧菌是从中国青海的湟鱼身上提取的，该细菌在适合的环境中繁殖能力较强，可开发潜力强。
本实施例中的甲醛生物监测装置包括外壳3、半透明硅胶袋6、营养液替换件1、光传感器8、蜂鸣器10、微处理器，其中具体地：
外壳3上设有观测开口5，外壳3顶部设有开口，所述营养液替换件1能够通过外壳3顶部的开口与半透明硅胶袋6顶部的入口对接。半透明硅胶袋6的一部分自所述观测开口5处向外伸出。外壳3顶部设有开口，所述甲醛生物监测装置还包括ROM、RAM和蓄电池，所述ROM与所述微处理器电连接，所述微处理器将监测的光强度值按照时间顺序存储于所述ROM中，微处理器基于时间序列的光强度值生成变化趋势图并存储于ROM中。半透明硅胶袋6设于所述外壳3中，所述半透明硅胶袋6中装设有青海弧菌菌液7，所述半透明硅胶袋6的顶部设有入口，并在入口处设有滤膜，使得倒置半透明硅胶袋6时保证青海弧菌被截留的情况下，使得青海弧菌菌液7中的代谢废液排出。外壳3顶部设有开口，所述滤膜为0.22微米直径滤膜。
营养液替换件1能够与所述半透明硅胶袋6的入口处对接，使得营养液替换件1中的新鲜营养液注入所述青海弧菌菌液7中。营养液替换件1为一端设有水凝膜封口2的壳体，新鲜营养液装于壳体中。
光传感器8设于所述外壳3内部，实时获取半透明硅胶袋6投射出的光强度。微处理器分别与所述蜂鸣器10和光传感器8电连接，所述微处理器实时获取光传感器8输出的光强度信号，通过判断光强度信号与预设阈值之间的差距向蜂鸣器10发出指令，以此控制蜂鸣器10报警。具体选型时，微处理器为ARM处理器。光传感器8为Adafruit TSL2591高动态范围数字光传感器。外壳3顶部设有开口，所述甲醛生物监测装置还包括I/O接口，所述I/O接口通过总线与所述微处理器电连接。
本甲醛生物监测方法包括以下步骤：
S1：将所述甲醛生物监测装置置于待测目标位置，在30min内根据蜂鸣器10的报警情况判断甲醛是否超标；
S2：通过I/O接口导出1～6h内基于时间序列的光强度值生成变化趋势图，通过发光强度的衰减速率对应甲醛在0.5～6h内的平均浓度。
具体实施时，通过预先标定的甲醛浓度与衰减速率的对应关系得到甲醛在0.5～6h内的平均浓度，所述衰减速率v为以特定光强度I0为起点时，经过特定时间t后的光强度为I1，则衰减速率v＝(I0-I1)/t。通过将青海弧菌菌液7中的代谢废液排出，并通过营养液替换件1注入新鲜营养液，使得青海弧菌菌液7的发光强度达到适宜服役的状态。
本产品原理和专业仪器类似，与甲醛直接反应。便携以及外观上也更和谐柔和，适合家用。整个产品逻辑(参见图2)当环境的甲醛浓度正常的时候，产品中的青海弧菌菌液7可以透过半透明硅胶袋6感受到空气后正常发光；当环境中的甲醛浓度超标的时候，青海弧菌菌液中的青海弧菌7更敏感地先于人类感知到，一部分受到甲醛侵害后死亡，在产品外壳开口5处肉眼可见变暗甚至熄灭。光传感器8实时监测并向微处理器反馈与光强度呈正比的电信号，当电信号的强度小于阈值时，微处理器指令蜂鸣器10报警，说明青海弧菌已经有较多衰亡。用户可以通过替换营养液替换件1来提供养分，延续生命，营养液水溶后通过外壳2，进入装载生物的半透明硅胶袋6中，小分子营养物质自0.22微米直径滤膜4进入半透明硅胶袋6与青海弧菌充分接触，生物代谢的废料可以通过0.22微米直径滤膜4倒出，同时保证生物不会被排出。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种甲醛生物监测装置，其特征在于，包括：
外壳(3)，所述外壳(3)上设有观测开口(5)；
半透明硅胶袋(6)，设于所述外壳(3)中，所述半透明硅胶袋(6)中装设有青海弧菌菌液(7)，所述半透明硅胶袋(6)的顶部设有入口，并在入口处设有滤膜，使得倒置半透明硅胶袋(6)时保证青海弧菌被截留的情况下，使得青海弧菌菌液(7)中的代谢废液排出；
营养液替换件(1)，能够与所述半透明硅胶袋(6)的入口处对接，使得营养液替换件(1)中的新鲜营养液注入所述青海弧菌菌液(7)中；
光传感器(8)，设于所述外壳(3)内部，实时获取半透明硅胶袋(6)投射出的光强度；
蜂鸣器(10)；
微处理器，分别与所述蜂鸣器(10)和光传感器(8)电连接，所述微处理器实时获取光传感器(8)输出的光强度信号，通过判断光强度信号与预设阈值之间的差距向蜂鸣器(10)发出指令，以此控制蜂鸣器(10)报警。
2.根据权利要求1所述的一种甲醛生物监测装置，其特征在于，所述半透明硅胶袋(6)的一部分自所述观测开口(5)处向外伸出。
3.根据权利要求1所述的一种甲醛生物监测装置，其特征在于，所述外壳(3)顶部设有开口，所述营养液替换件(1)能够通过外壳(3)顶部的开口与半透明硅胶袋(6)顶部的入口对接。
4.根据权利要求1所述的一种甲醛生物监测装置，其特征在于，所述外壳(3)顶部设有开口，所述甲醛生物监测装置还包括ROM、RAM和蓄电池，所述ROM与所述微处理器电连接，所述微处理器将监测的光强度值按照时间顺序存储于所述ROM中，微处理器基于时间序列的光强度值生成变化趋势图并存储于ROM中。
5.根据权利要求4所述的一种甲醛生物监测装置，其特征在于，所述外壳(3)顶部设有开口，所述甲醛生物监测装置还包括I/O接口，所述I/O接口通过总线与所述微处理器电连接。
6.根据权利要求1所述的一种甲醛生物监测装置，其特征在于，所述外壳(3)顶部设有开口，所述滤膜为0.22微米直径滤膜。
7.根据权利要求1所述的一种甲醛生物监测装置，其特征在于，所述营养液替换件(1)为一端设有水凝膜封口(2)的壳体，新鲜营养液装于壳体中。
8.一种甲醛生物监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将所述甲醛生物监测装置置于待测目标位置，在30min内根据蜂鸣器(10)的报警情况判断甲醛是否超标；
S2：通过I/O接口导出1～6h内基于时间序列的光强度值生成变化趋势图，通过发光强度的衰减速率对应甲醛在0.5～6h内的平均浓度。
9.根据权利要求8所述的一种甲醛生物监测方法，其特征在于，通过预先标定的甲醛浓度与衰减速率的对应关系得到甲醛在0.5～6h内的平均浓度；
所述衰减速率v为以特定光强度I0为起点时，经过特定时间t后的光强度为I1，则衰减速率v＝(I0-I1)/t。
10.根据权利要求8所述的一种甲醛生物监测方法，其特征在于，通过将青海弧菌菌液(7)中的代谢废液排出，并通过营养液替换件(1)注入新鲜营养液，使得青海弧菌菌液(7)的发光强度达到适宜服役的状态。
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束琴霞等: "发光细菌法快速检测水发产品中甲醛毒性的研究", 《江苏农业科技》, vol. 41, no. 11, 31 December 2013 (2013-12-31), pages 329 - 331 *
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