CN113670888A - 一种室内空气中微生物及气体组分、颗粒物检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空气中微生物及气体组分综合检测方法，所述方法包括：(1)对目标气体放电以使其负载电荷；(2)驱动所述目标气体通过静电吸附组件，所述静电吸附组件外侧施加有电场以对目标微生物进行吸附，所述静电吸附组件内具有金属纳米微材料；(3)沿着所述激光通路向所述静电吸附组件内发射激光；(4)探测从所述静电吸附组件出射的拉曼信号基于所述拉曼信号进行微生物检测。本发明方法具有测量灵敏度高、精度高，测量过程快速，环境适应性强，成本低等优点。

Description

一种室内空气中微生物及气体组分、颗粒物检测方法
技术领域
本发明涉及环境检测领域，具体涉及一种快速高灵敏度病毒等微生物检测，高精度复合气体组份、浓度及悬浮颗粒的颗粒度、浓度的综合检测方法。
背景技术
人类生活的环境，空气中存在各种各样的病毒等微生物如流感病毒等微生物，SARS病毒等微生物，新冠病毒等微生物(COVID-19)等。室内环境空气中病毒等微生物的检测预警是十分必要的。新型冠状病毒席卷全球，全球新型冠状病毒感染累计病例1.67亿人，累计死亡病例0.035亿人，5月24日当天新增病例255104人，新增死亡病例5428人，亚洲、欧洲、北美是累计病例最多的大洲。美国、印度、巴西累计病例超过1000万人，巴西、美国、阿根廷、哥伦比亚、西班牙、伊朗5月24日当天新增数超过1万人。
随着新冠疫苗的投入，常态化监测公共场所，如机场，高铁站，会议室等场所中空气中的病毒等微生物，是当下新冠疫情防控的重点和难点。
PCR技术是目前最常见的新冠病毒等微生物筛查方法，但其存在使用环境受限，检测时间长，准确率偏低等缺点，且不能应用于室内空气环境中病毒等微生物的检测。
另外随着社会的发展，人们对于空气质量及安全性的关注度逐年提高。一方面，随着污染的加剧，各种有毒、有害气体，以及颗粒物都使得生活环境中的空气影响到人们的身体健康。因此，对于能够快速、实时、高精度的复合气体组份浓度、颗粒度的综合检测装置的需求也越来越高。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种测量灵敏度、精度高，测量过程快速，环境适应性强的空气中病毒等微生物检测装置，并且，其还能够同时对气体组分和颗粒物进行综合检测。
具体而言，本发明提供一种室内空气中病毒等微生物及气体组分、颗粒物检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对目标气体放电以使其负载电荷；
(2)驱动所述目标气体通过静电吸附组件，所述静电吸附组件外侧施加有电场以对目标微生物进行吸附，所述静电吸附组件内具有金属纳米微材料；
(3)沿着所述激光通路向所述静电吸附组件内发射激光；
(4)探测从所述静电吸附组件出射的拉曼信号基于所述拉曼信号进行微生物检测。
在另一种优选实现方式中，所述强电场高于预定值，以进行微生物消杀和颗粒物处理。
在另一种优选实现方式中，所述方法还包括：在将所述激光入射至所述静电吸附组件之前，对所述激光进行滤波。
在另一种优选实现方式中，在所述吸附组件的出口处、拉曼探测组件(1.2.8)前方设置非球面长焦深滤波组件(1.2.7)，对出射的拉曼散射光进行滤波，滤除背景荧光和杂散光。
在另一种优选实现方式中，所述方法还包括采用人工智能图像分析处理技术基于拉曼信号完成病毒等微生物气溶胶的检测。
在另一种优选实现方式中，所述方法还包括，在所述静电吸附组件两侧设置多通反射组件(1.2.5)，其具有朝向所述吸附组件的至少一个反射面、所述激光对向所述多通反射组件(1.2.5)的反射面入射，以使得所述其多次照射在所述静电吸附组件上。
在另一种优选实现方式中，还包括在进行微生物检测之前或之后进行气体组分检测。
在另一种优选实现方式中，在所述静电吸附组件上游设置气泵，以通过强气流对所述静电吸附组件进行清洗，所述气体综合检测装置还包括温控消杀组件(1.3.2)，所述温控消杀组件(1.3.2)用于对所述选通富集模块进行消杀。
在另一种优选实现方式中，所述静电吸附组件由纳米金属材料，优选，纳米金属颗粒材料构成，更优选地，所述静电吸附组件包括纳米金或纳米银颗粒。
发明原理
本发明提出了可以实现对微生物进行检测的检测方法。在优选实现方式中，本发明既能够对气体中病毒等微生物进行检测又能对各种气体组分和颗粒物进行检测。
首先，本发明方法在气体行进路径上游，利用荷电装置使本身带有一定电荷的病毒等微生物气溶胶粒子重新荷电，并气体行进路径下游，在静电场作用力下将带电病毒等微生物气溶胶粒子从气流中分离出——即带电微病毒等微生物粒子进入电场后，在电场力的作用下发生偏转，从而被吸附在金属纳米微材料表面上。而其它颗粒物如PM2.5、PM10等带电量很少，受电场作用力很小，在气流作用下被吹送到选通富集模块外，从而达到选通效果，极大减小了颗粒物的荧光效应给检测带来的影响。
采用本发明方法，通过设计不同极板间距(mm)，荷电电压(kV)，静电场强度(kV/cm)，气流流量(L/min)，可实现对不同种类病毒等微生物气溶胶粒子的高效、高存活率收集。
然后，通过强电场组件给吸附组件中的金属纳米微材料施加强电场，使其所含自由电子数增加至少一个量级，从而使金属纳米结构表面的电场强度增强至少10倍，并采用侧/前向多通表面增强拉曼效应获得病毒等微生物气溶胶的拉曼光谱信息，结合人工智能图像分析处理技术完成病毒等微生物气溶胶的检测。
具体来说，使入射光照射到金属纳米微材料上，优选的，例如金纳米微材料上，纳米粒子中的电子在外电场的作用下振动，当入射光的频率与电子固有振动频率相等时，就会发生局域表面等离子体共振，在金属纳米结构表面形成比激发电场更强的局域增强电场。本发明通过给金属纳米结构施加强电场，使金属中自由电子在强电场激发下大大增加，从而使金属纳米结构表面的电场强度可以比施加电场前高一个数量级，而表面增强拉曼散射(SERS)的信号强度正比于表面增强电场的四次方。所以，本发明装置足够将拉曼信号再提高104倍，即信噪比提高40dB。
将采集到的拉曼光谱进行光谱预处理，采用S-G卷积实现光谱平滑，采用多段低阶多项式收敛算法实现基线对准，再采用最大归一化法进行光谱归一化。所得光谱采用主成分分析法和SVM支持向量机有监督的人工智能模式识别法，得到解构模型，从而对不同种类病毒等微生物气溶胶进行识别。具体算法公式如下：
S-G卷积
Figure BDA0003133631720000051
多项式收敛
BL(n)＝min[f(n)，S(n)]，n＝1，2，...，L， (2)
归一化
Figure BDA0003133631720000052
采用主成分分析法选取数个贡献率大于1％的主成分，得到累计贡献率，再以一定数量的样本数据分别作为训练集和预测集，采用SVM有监督的人工智能模式识别法，建立解构模型，可以实现高于95％的检出率。
SVM的多项式核函数：
K(x，y)＝[(x·y)+1]d (4)
本发明方法通过采用温度场灭活和大流速气流冲刷技术完成富集芯片的消杀清洗，也可以通过调节高压电场强度达到病毒等微生物灭活的作用。
技术效果
1、本发明的检测方法快速、高灵敏度并且优选地，其还能够高精度检测复合气体组份、浓度及悬浮颗粒的颗粒度、浓度。本发明方法首先通过选通过程，筛除了检测样本中的颗粒物，可以大幅减少颗粒物荧光对检测的影响，且能增加装置使用寿命。
2、本发明方法通过给金属纳米材料施加强电场，使其自由电子数大大增加，从而使金属纳米结构表面的电场强度可以比施加电场前高一个数量级，然后通过侧/前向多通拉曼表面增强再倍增技术，将拉曼信号再提高104倍，大大提高了信噪比和探测灵敏度。通过结合人工智能图像处理技术，可以实现高于95％的检出率。
3、本发明方法还提出了采用温度场灭活和大流速气流冲刷完成富集芯片的消杀清洗，提高了检测装置的使用寿命，降低了检测成本。
附图说明
图1为本发明方法的检测构思示意图；
图2为用于执行本发明方法的装置的结构示意图；
图3为本发明实施例2中的气体组分检测装置的原理示意图；
具体实施方式
为使发明装置的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明装置的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，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，都属于发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例的检测方法主要分成几个步骤：病毒等微生物气溶胶的选通富集、通过给金属纳米微材料施加强电场使其所含自由电子数目大幅增加，通过基于强电场调控的多通表面增强拉曼效应和人工智能图像分析处理来完成微生物气溶胶的检测，最后进行气流冲刷和微生物消杀。
就具体的气流走向而言，本实施例的方法包括以下步骤：
(1)对目标气体放电以使其负载电荷；
(2)驱动所述目标气体通过静电吸附组件，所述静电吸附组件外侧施加有电场以对目标微生物进行吸附，所述静电吸附组件内具有金属纳米微材料；
(3)沿着所述激光通路向所述静电吸附组件内发射激光，以使激光至少部分照射到纳米材料表面，进行电场增强的拉曼检测；探测从所述静电吸附组件出射的拉曼信号基于所述拉曼信号进行微生物检测。
优选地，还可以设置强电场的强度，使其高于一定值，比如，达到上千伏，以进行微生物消杀和颗粒物处理。
此外，在将所述激光入射至所述静电吸附组件之前，对所述激光进行滤波。在所述吸附组件的出口处、拉曼探测组件前方设置非球面长焦深滤波组件，对出射的拉曼散射光进行滤波，滤除背景荧光和杂散光。
优选地，在所述静电吸附组件两侧设置多通反射组件，其具有朝向所述吸附组件的至少一个反射面、所述激光对向所述多通反射组件的反射面入射，以使得所述其多次照射在所述静电吸附组件上。
如图2所示，其中介绍了用于执行本发明方法的一种对应装置，其包括微生物检测模块1、气体组分检测模块2(可选)和处理控制通信模块3。气体组分检测模块可以选装，可以将待测气体先通入一种检测模块检测后，再将气体通入另一种检测模块，进行检测。
微生物检测模块包括选通富集模块、拉曼模块、消杀清洗模块。如图2所示，选通富集模块包括气泵1.1.1，荷电组件1.1.2和静电吸附组件1.1.3。选通富集模块用于对病毒等微生物气溶胶进行选通、富集。
在本实施例中，荷电组件安装在荷电腔内，该腔体密封、两侧一端与气泵1.1.1相连通，另一端与静电吸附组件1.1.3的吸附腔相连通。荷电组件1.1.2具有高压电源和直径为40μm(也可以采用其他尺寸)的一组或者多组钨丝对，设置钨丝的放电间距为8mm，荷电电压+5kV，对通过其间的进行气溶胶荷电。
本实施例中，吸附腔内设置静电吸附组件1.1.3，静电吸附组件1.1.3的主材料为三维絮网状金纳米材料堆积而成。静电吸附组件用于对经荷电处理的目标气体中的微生物进行吸附，吸附组件内预留激光通路。需要说明的是，本发明中所提到的预留激光通路包含两方面含义，一方面指的是静电吸附组件中金纳米材料的稀疏度足够激光通过，或者，静电吸附组件中的纳米材料沿着激光路径形成片层或面状结构，激光从片层结构的间隙通过，并至少部分照射在纳米材料上。
拉曼模块包括强电场组件1.2.1，激光激发源1.2.2，干涉滤波组件1.2.3，瑞利滤光片1.2.4，多通反射组件1.2.5，激光吸收池1.2.6，非球面长焦深滤波组件1.2.7，拉曼探测组件1.2.8。
拉曼模块通过强电场组件1.2.1给静电吸附组件1.1.3施加强电场，使静电吸附组件1.1.3所含自由电子数大大增加，并通过侧/前向多通表面增强拉曼效应原理利用拉曼探测组件1.2.8获得病毒等微生物气溶胶的拉曼光谱信息。强电场组件1.2.1设置在静电吸附组件的上、下或左、右两侧，将在静电吸附组件夹在中间。所述激光激发源1.2.2用于沿着所述激光通路向所述静电吸附组件内发射激光。
优选地，为了增加吸附效果，在吸附组件两侧，除了强电长组件1.2.1之外，增设收集电场组件(即，在吸附组件上下表面，额外提供一组电极板)。收集电场(1.1.3.1)强度E＝3.5kV/cm，由银材料组成平行电极板间距h为20mm，宽度b为10mm，长度l为100mm。涡轮气泵流量为10L/min。以此模块对病毒等微生物气溶胶进行富集，并筛除颗粒物和达到选通效果。
选通富集模块的工作过程为：首先，气泵1.1.1启动，驱动被测气体进入到荷电组件内。通过高压电源为钨丝供电，进行高压放电。通过该荷电组件使本身带有一定电荷的病毒等微生物气溶胶粒子重新荷电。经荷电处理后的空气进一步进入到静电吸附组件内，并通过静电吸附组件(静电吸附组件采用的是纳米颗粒材料，气体可以通过)。在静电吸附组件内，由于外部施加的电场，带电荷较多的微生物在电场力的作用下发生偏转，从而被吸附在金属纳米微材料表面上。而其它颗粒物如PM2.5、PM10等带电量很少，受电场作用力很小，在气流作用下被吹送到选通富集模块外。
该荷电组件使本身带有一定电荷的病毒等微生物气溶胶粒子重新荷电，并在静电场作用力下将带电病毒等微生物气溶胶粒子从气流中分离出——即带电微病毒等微生物粒子进入电场后，在电场力的作用下发生偏转，从而被吸附在金属纳米微材料表面上。而其它颗粒物如PM2.5、PM10等带电量很少，受电场作用力很小，在气流作用下被吹送到选通富集模块外，从而达到选通效果。
与此同时，由于拉曼模块通过强电场组件1.2.1给静电吸附组件1.1.3施加强电场，使其所含自由电子数增加至少一个量级，从而使金属纳米结构表面的电场强度增强至少10倍，当微生物吸附到静电吸附组件1.1.3之后，通过拉曼模块的激光源1.2.2发出的激光经由干涉滤波组件1.2.3，瑞利滤光片1.2.4的滤波，最终照射到吸附组件内所吸附的微生物上。本实施例中，为了增加激光与材料的相互作用，优选在吸附组件的外侧设置了多通反射组件1.2.5，其反射面朝向吸附组件1.1.3。并且，将激光的入射方向设置为斜向入射，使得激光在多通反射组件1.2.5的反射下，在吸附组件1.1.3内折返几次，然后从另一侧出射。
在本实施例中，拉曼模块中强电场组件的电场强度为E＝4.3kV/cm，用于给纳米材料表面施加强电场；激光激发源参数为50微瓦、532nm波长，1.3微米直径，1微米焦深，功率密度为5*10-5/10-8＝500W/cm2。采用本发明的装置可测得10-8M的R6G表面增强拉曼光谱，其激光照射的分子数量为：6.02*1023*10-8*(0.65*10-5)2*3.14*10-5≈5个R6G分子/m3，信噪比提高40dB，病毒等微生物测量灵敏度也相应提升4个量级；干涉滤波组件为532nm干涉滤波片；瑞利滤光片为陷波滤光片，其吸收中心位于532nm；多通反射组件为镀有532nm波长高反膜的光学镜片；激光吸收池为发黑铝合金光收集器；非球面长焦深滤波组件为熔石英材质，表面镀有532nm波长高透膜；拉曼探测组件为CCD探测器；如图2所示，拉曼模块中各组件按光路同轴放置。
本实施例中，激光吸收池为激光垃圾桶，铝合金材质，表面氧化发黑处理，放置在主光路末端。
在本实施例中，消杀清洗模块采用高温加热棒和选通富集模块中的涡轮气泵，起到对选通富集模块中的病毒等微生物进行消杀和清洗的作用。
在本实施例中，处理控制通信模块，采用人工智能图形分析处理技术，包括光谱预处理，然后将所得光谱采用主成分分析法和SVM支持向量机有监督的人工智能模式识别法，得到不同病毒等微生物独有的解构模型。检测时根据采集到的图形与结构模型库进行对比，从而可以对不同种类病毒等微生物进行匹配识别。
在其他一些实施例中，所述金属纳米材料可以为多块平行放置的二维平板状金属纳米板，优选的为二维平板状金纳米板，并与其他二维平板状金纳米板和多通反射组件一起组成反射光路，可以使激光激发源发出的激光在二维平板状金纳米板和多通反射组件之间反射。其可以有效增强激发电场强度，提高装置的探测灵敏度。
实施例2
在本实施例中，除了上述微生物检测之外，本发明的综合检测方法还包括在进行微生物检测之前或之后进行气体组分检测。
气体组分检测包括：
步骤2-1：以重复频率为R，脉冲宽度为τ的脉冲序列的方式，向测试气室中发射多个波长的光脉冲，进行测试。单个波长为λ的脉冲在气室内的耗散时间t满
Figure BDA0003133631720000121
测试气室可以采用常规气室，只要能够允许气流通过并且允许光脉冲进出并照射到其内气体即可。
步骤2-2：使用光散射法进行悬浮颗粒物颗粒度及相应浓度的测量，任意从多个波长的测试光中选取适用于散射光谱法测量的测试光，确定选定波长的散射系数。若测试光波长为λ，出射光强为I0(λ)，测试光程长度为l，并测量前向散射光强Is||(λ)，得到多个参考散射系数(每个波长有一个参考散射系数)
Figure BDA0003133631720000122
将所获得的参考散射系数代入式(5)。
Figure BDA0003133631720000123
即为同质散射系数方程，λa、λb为两种测量波长。根据此公式，相同散射介质条件下，两两一组，将用于红外光谱法测量的不同波长测试光分别代入该公式，得到多个同质散射系数方程，构成同质散射系数方程组。
本发明为确保各个波长信号间相互无干扰，以重复频率为R，脉冲宽度为τ的脉冲序列的方式，向测试气室中发射若干波长的光脉冲，进行测试。这样使得单个波长为λ的脉冲拥有更高的峰值功率，在探测过程中拥有更高的对比度。同时只要确保单个波长为λ的脉冲在气室内的耗散时间t满足
Figure BDA0003133631720000131
即可确保多种测试光脉冲，在经过气室后进行测量时相互独立。
同时测量特定散射角下所选取的多波长的侧向散射光强Is⊥(λ)，按照上述公式(4)使用光散射法分析得到悬浮颗粒物颗粒度及相应浓度。
步骤2-3：按照上述公式(8)使用红外光谱检测法进行测量，这些测量光可以直接在脉冲序列内与用于光谱法测量的光脉冲顺序发射接收，也可以单独发射。在红外光谱检测中，对于需要测量的气体组份1、气体组份2、气体组份3···气体组份m，采用对应测试波长λ1、λ2、λ3···λn(测试波长中至少包含对应每一种组分的吸收峰的光波长)，对应摩尔分子吸收系数分别为
Figure BDA0003133631720000132
对应所需测得浓度为c1、c2、c3···cn，且测试波长λ1、λ2、λ3···λn仅与对应气体组份1、气体组份2、气体组份3···气体组份n存在较强吸收，其余组份的吸收可以忽略。检测光程为L，得到红外光谱测量方程组
Figure BDA0003133631720000133
步骤2-4：将(5)(7)(8)联立(将公式5和7带入公式8)，在求解过程中，由于公式(7)中可以获得多个参考散射系数，在选取时，选择参考散射系数与测试波长相近的波长的参考散射系数，确定散射项大小。
对于各个气体组分，摩尔分子吸收系数较大的气体由前述确定了散射项的红外光谱测量方程直接得到，得到了摩尔分子吸收系数较大的气体组分浓度之后，带回到红外光谱测量方程组，对摩尔分子吸收系数较小的，由确定了散射项大小的红外光谱测量方程组采用阶梯差分运算得到准确的气体组份浓度结果，其运算公式如下
Figure BDA0003133631720000141
如图3所示为用于执行本实施例方法的检测装置，其包括多波长脉冲序列发生模块301，第一探测单元302，第二探测单元303，气室主体304，气室入口组件305以及气室出口组件306。被测气体从气室入口组件305处进入气室内部，从气室出口组件306处流出。
本实施例中，多波长脉冲序列发生模块301为由脉冲电源与4个不同中心波长QCL激光光源封装组成的模块，中心波长分别对应PM2.5、PM10颗粒物的指纹波长(532nm，640nm)，CO2的指纹波长(4.26μm)和甲醛的指纹波长(3.56μm)。第一探测单元302设置于气室入口附近，采用对PM2.5、PM10颗粒物的指纹波长(532nm，640nm)响应的光电二极管。用于进行以光散射法进行测量，测量双波长脉冲光特定散射角散射光强及前向散射光强。第二探测单元303设置于气室出口附近，采用对CO2的指纹波长(4.26μm)和甲醛的指纹波长(3.56μm)响应的光电二极管，用于以红外光谱吸收法测量多波长脉冲光经气室主模块(4)传播后的光强。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种室内空气中微生物及气体组分、颗粒物检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对目标气体放电以使其负载电荷；
(2)驱动所述目标气体通过静电吸附组件，所述静电吸附组件外侧施加有电场以对目标微生物进行吸附，所述静电吸附组件内具有金属纳米微材料；
(3)向所述静电吸附组件内发射激光；
(4)探测从所述静电吸附组件出射的拉曼信号，并基于所述拉曼信号进行微生物检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静电吸附组件由纳米金属材料组成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述强电场高于预定值，以进行微生物消杀和颗粒物处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在将所述激光入射至所述静电吸附组件之前，对所述激光进行滤波。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述吸附组件的出口处、拉曼探测组件(1.2.8)前方设置非球面长焦深滤波组件(1.2.7)，对出射的拉曼散射光进行滤波，滤除背景荧光和杂散光。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：针对不同的微生物生成不同的微生物拉曼信号图谱，基于微生物拉曼信号图谱采用人工智能图像分析处理技术进行微生物气溶胶的检测。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在所述静电吸附组件两侧设置多通反射组件(1.2.5)，其具有朝向所述吸附组件的至少一个反射面、所述激光对向所述多通反射组件(1.2.5)的反射面入射，以使得所述其多次照射在所述静电吸附组件上。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在进行微生物检测之前或之后进行气体组分检测。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述静电吸附组件上游设置气泵，以通过强气流对所述静电吸附组件进行清洗，所述气体综合检测装置还包括温控消杀组件(1.3.2)，所述温控消杀组件(1.3.2)用于对所述选通富集模块进行消杀。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静电吸附组件包括纳米金或纳米银颗粒。
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