CN114371140B - 一种检测空气中细菌和病毒浓度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测空气中细菌和病毒浓度的装置，包括空气检测腔，空气检测腔设有进气口及出气口；空气检测腔内设有紫外光发射端及接收端，紫外光发射端及接收端连接有逻辑控制模块，逻辑控制模块连接有输出模块；逻辑控制模块分别或同时控制紫外光发射端发射波长为320nm及260nm既定光强的紫外光，分别采集与波长320nm、260nm紫外光对应的紫外光接收端接收到的光强，将波长320nm紫外光的光强衰减作为修正因子，将波长260nm紫外光光强衰减作为检测病毒和细菌含有核糖核酸的计算因子，计算得出空气检测腔内空气中的核糖核酸的浓度，通过输出模块输出空气中的核糖核酸浓度。本发明通过紫外法来鉴定核酸的纯度和含量，能够达到检测空气中细菌和病毒浓度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及空气消毒净化技术领域，尤其涉及一种检测空气中细菌和病毒浓度的装置。
背景技术
随着人们对健康越来越关注，除了衣食住行之外，对于与呼吸息息相关的空气也有更高的要求，在家里希望能够呼吸到森林氧吧一样的空气，希望自己的生存空间有更洁净更安全的空气。为此，有很多专有的或者民用的空气净化装置或者设备孕育而生，有用来去除空气中的颗粒物的，有杀灭空气中的细菌和病毒的，等等。
同样人们除了希望空气净化装置或者设备，在净化空气的同时，还能看到净化的效果。这方面，去除颗粒物的，有成熟的检测技术，无论是专业设备，还是民用空气净化设备，都可以方便的装配，因此市面上大多数空气净化器都可以实时看到颗粒物的净化效果。但是对于细菌和病毒，很多民用空气消毒净化设备，很难让用户看到实时的消毒净化的效果。
现有应用于病毒和细菌浓度的检测方法，通常都是采用ATP生物荧光检测技术，需要将ATP检测试剂与待检测样品混合后，进行一系列化学反应后，ATP释放的能量发出荧光，发光强度与ATP的量成正比。仪器可读出荧光强度，输出为RLU值，反应出ATP的量，进而可推算出样品中菌体含量范围。这种检测技术只适用于细菌，另外采用这种检测技术的设备，最快也需要十几秒才能完成检测，而且这种检测技术不适用于空气中的病毒和细菌浓度检测。
再者，一些专业的检测机构，会对空气消毒净化设备厂家提供的设备，在实验室模拟空气中不同微生物的环境，在使用空气消毒净化设备一段时间后，微生物的浓度变化数据，但是这种方式并不能满足用户实时看到消毒净化的效果诉求。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测空气中细菌和病毒浓度的装置，通过紫外法来鉴定核酸的纯度和含量，从而达到检测空气中细菌和病毒浓度的目的。
本发明提供了一种检测空气中细菌和病毒浓度的装置，包括空气检测腔，所述空气检测腔设有进气口及出气口，所述进气口、出气口错开布置；
所述空气检测腔内设有紫外光发射端及紫外光接收端，所述紫外光发射端及紫外光接收端连接有逻辑控制模块，所述逻辑控制模块连接有输出模块；
所述逻辑控制模块用于分别或同时控制紫外光发射端发射波长为320nm既定光强的紫外光，以及波长为260nm既定光强的紫外光，分别采集与波长320nm紫外光对应的紫外光接收端接收到320nm紫外光的光强，以及与波长260nm紫外光对应的接收端接收到260nm紫外光的光强，将波长320nm紫外光的光强衰减作为修正因子，将波长260nm紫外光光强衰减作为检测病毒和细菌含有核糖核酸的计算因子，通过计算得出空气检测腔内空气中的核糖核酸的浓度；
所述输出模块用于输出空气中的核糖核酸浓度，即空气中细菌和病毒浓度。进一步地，所述核糖核酸的浓度计算公式为：
c＝A/kl
式中，c为空气中的核糖核酸浓度；A为检测腔内空气的吸光度，k为摩尔消光系数，l为紫外光发射端和紫外光接收端的距离；A＝lg(1/T)＝lg(I0/I)，T为透光率，I为只有核酸存在时的接收光强；
I＝I0–Ic，I0为260nm和320nm的紫外光发射强度，Ic为由核酸吸收的光强，Ic＝Ib-Ia，Ib为320nm紫外光接收端接收到的光强，Ia为260nm紫外光接收端接收到的光强。
进一步地，所述空气检测腔内设有两组紫外光发射端及紫外光接收端，其中一组用于发射及接收260nm紫外光，另一组用于发射及接收320nm紫外光，用于在所述逻辑控制模块控制下，同时发射260nm紫外光及320nm紫外光。
进一步地，所述空气检测腔内设有一组紫外光发射端及紫外光接收端，用于在所述逻辑控制模块控制下，分时发射260nm紫外光及320nm紫外光。
借由上述方案，通过检测空气中细菌和病毒浓度的装置，具有如下技术效果：
1)可以方便的检测空气中的病毒和细菌浓度，不限于细菌和病毒。采用紫外线检测技术，无需检测试剂，也无需担心试剂的储藏问题，以及试剂与待检测物的温度等环境要求。
2)可以快速进行检测，瞬间检测出空气中的病毒和细菌浓度。
3)该装置结构小巧，可以装配到任何需要检测空气中病毒和细菌浓度的设备和仪器上。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明一实施例中设有两组紫外光发射端及紫外光接收端的检测空气中细菌和病毒浓度的装置；
图2是本发明一实施例中设有一组紫外光发射端及紫外光接收端的检测空气中细菌和病毒浓度的装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
术语解释：
细菌(学名：Bacteria)是指生物的主要类群之一，属于细菌域。也是所有生物中数量最多的一类，据估计，其总数约有5×10^30个。细菌的形状相当多样，主要有球状、杆状，以及螺旋状。细菌也对人类活动有很大的影响。一方面，细菌是许多疾病的病原体，可以通过各种方式，如接触、消化道、呼吸道、昆虫叮咬等在正常人体间传播疾病，具有较强的传染性，对社会危害极大。另一方面，人类也时常利用细菌，例如乳酪及酸奶和酒酿的制作、部分抗生素的制造、废水的处理等，都与细菌有关。在生物科技领域中，细菌也有着广泛的运用。
病毒(Biologicalvirus)是一种个体微小，结构简单，只含一种核酸(DNA或RNA)，必须在活细胞内寄生并以复制方式增殖的非细胞型生物。
病毒是一种非细胞生命形态，它由一个核酸长链和蛋白质外壳构成，病毒没有自己的代谢机构，没有酶系统。因此病毒离开了宿主细胞，就成了没有任何生命活动、也不能独立自我繁殖的化学物质。它的复制、转录、和转译的能力都是在宿主细胞中进行，当它进入宿主细胞后，它就可以利用细胞中的物质和能量完成生命活动，按照它自己的核酸所包含的遗传信息产生和它一样的新一代病毒。
三磷酸腺苷(ATP)是一种仅在线粒体内形成的三磷酸核苷。这是一种高能分子，被称为所有生命系统的能量货币。包含在ATP的磷酸键中的化学能量驱动着大多数的细胞过程。诸如Leber遗传性视神经病变、Leigh综合征、神经病、共济失调以及色素性视网膜炎等遗传疾病都会影响线粒体内的ATP生成。
ATP是生物的直接能量供体，生命活动所需的能量最终都以ATP的形式来提供。每种生物体内的ATP含量一般都在某一范围内。荧光素是一种在氧气存在的情况下，能氧化发出荧光的分子。ATP拭子配有裂解液和反应液两种溶液，样品首先与裂解液接触，裂解液中将使样品中的菌体裂解，释放出体内的ATP。再与反应液混合，反应液中的荧光素酶催化荧光素与氧气的反应，利用ATP释放的能量发出荧光，发光强度与ATP的量成正比。仪器可读出荧光强度，输出为RLU值，反应出ATP的量，进而可推算出样品中菌体含量范围。
脱氧核糖核酸(英文DeoxyriboNucleicAcid，缩写为DNA)是生物细胞内含有的四种生物大分子之一核酸的一种。DNA携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息，是生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子。
DNA由脱氧核苷酸组成的大分子聚合物。脱氧核苷酸由碱基、脱氧核糖和磷酸构成。其中碱基有4种：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。DNA分子结构中，两条多脱氧核苷酸链围绕一个共同的中心轴盘绕，构成双螺旋结构。脱氧核糖-磷酸链在螺旋结构的外面，碱基朝向里面。两条多脱氧核苷酸链反向互补，通过碱基间的氢键形成的碱基配对相连，形成相当稳定的组合。脱氧核糖核酸(DNA)是生物细胞内携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息的一种核酸，是生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子。
DNA中的核苷酸中碱基的排列顺序构成了遗传信息。该遗传信息可以通过转录过程形成RNA，然后其中的mRNA通过翻译产生多肽，形成蛋白质。在细胞分裂之前，DNA复制过程复制了遗传信息，这避免了在不同细胞世代之间的转变中遗传信息的丢失。在真核生物中，DNA存在于细胞核内称为染色体的结构中。在没有细胞核的其它生物中，DNA要么存在于染色体中要么存在于其它组织(细菌有单环双链DNA分子，而病毒有DNA或RNA基因组)。在染色体中，染色质蛋白如组蛋白、共存蛋白和凝聚蛋白将DNA在一个有序的结构中。这些结构指导遗传密码和负责转录的蛋白质之间的相互作用，有助于控制基因的转录。
核糖核酸(缩写为RNA，即RibonucleicAcid)，存在于生物细胞以及部分病毒、类病毒中的遗传信息载体。RNA由核糖核苷酸经磷酸二酯键缩合而成长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸，核糖和碱基构成。RNA的碱基主要有4种，即A(腺嘌呤)、G(鸟嘌呤)、C(胞嘧啶)、U(尿嘧啶)，其中，U(尿嘧啶)取代了DNA中的T。核糖核酸在体内的作用主要是引导蛋白质的合成。
细菌和病毒体内的DNA和RNA都有吸收紫外光的性质，这两种核酸在波长260nm处有最高吸收峰。吸收紫外光的性质是嘌呤环和嘧啶环的共轭双键系统所具有的，所以嘌呤和嘧啶以及一切含有它们的物质，不论是核苷、核苷酸或核酸都有吸收紫外光的特性。
本发明旨在通过紫外线发射装置和接收装置，检测经过装置的空气的透光率，通过朗伯-比尔定律的计算公式，推算出装置内空气中核酸的浓度，由此得到空气中细菌和病毒的浓度。
嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在240～290nm的紫外波段有一强烈的吸收峰，因此核酸具有紫外吸收特性。DNA紫外吸收在260nm附近有最大吸收值，在230nm处为吸收低谷，其吸光度(absorbance)以A260表示，A260是核酸的重要性质，RNA吸收曲线与DNA无明显区别，因此测定A260，即可利用朗波－比尔光吸收定律计算出空气中核酸(DNA+RNA)的大致浓度。但空气中除了细菌和病毒外，还有其他气态或者固态微粒存在，而核酸在320nm处的吸光度约为0，因此A320可用于检测空气中其他微粒所造成的光强损失用以修正其他微粒对A260造成的干扰和影响。
朗伯—比尔(Lambert－beer)光吸收定律：A＝lg(I0/I)＝kcl＝lg(1/T)
式中A称为吸光度(absorbance)。I0是入射光的强度，I是接收光的强度，T＝I/I0为透射比(transmittance)，又称为透光率或透过率，用百分数表示。l是光在溶液中经过的距离(一般为发射端和接收端的距离)。c是吸收溶液的浓度。由上式可以看出：吸光度A与物质的吸光系数k和物质的浓度“c”成正比。
k＝A/(cl)，称为吸收系数(absorptivity)。DNA/RNA在空气中的摩尔消光系数k可以通过实验测得(在实验室的测试箱中释放已知浓度的RNA/RNA，因为I也是已知的，通过测量A260，即可测算出相应的k值)。
根据上述原理，本实施例提供了一种检测空气中细菌和病毒浓度的装置，包括空气检测腔，空气检测腔设有进气口及出气口；空气检测腔内设有紫外光发射端及紫外光接收端，紫外光发射端及紫外光接收端连接有逻辑控制模块，逻辑控制模块连接有输出模块；待检测空气通过进气口进入空气检测腔内部，在空气检测腔内部经过紫外光照射检测之后，从出气口排出。为避免待检测空气在空气检测腔内流动过快，影响检测结果，进气口和出气口不在同一个直线方向，错开布置。
逻辑控制模块用于分别或同时控制紫外光发射端发射波长为320nm既定光强的紫外光，以及波长为260nm既定光强的紫外光，分别采集与波长320nm紫外光对应的紫外光接收端接收到320nm紫外光的光强，以及与波长260nm紫外光对应的接收端接收到260nm紫外光的光强，将波长320nm紫外光的光强衰减作为修正因子，将波长260nm紫外光光强衰减作为检测病毒和细菌含有核糖核酸的计算因子，通过计算得出空气检测腔内空气中的核糖核酸的浓度；
输出模块用于通过装置定义的通讯协议和支持的通讯方式，输出空气中的核糖核酸浓度，即空气中细菌和病毒浓度。
实施例1
参图1所示，采用两组紫外光发射端11和紫外光接收端12，顶部的两个是发射端，底部的两个是接收端，分别发射和接收260nm、320nm紫外光，可同时测量A260和A320，待检测空气通过进气口13进入空气检测腔14内部，在空气检测腔14内部经过紫外光照射检测之后，从出气口15排出，发射端使用同样强度I0分别发射260nm和320nm的紫外光，260nm紫外光接收端接收到的光强为Ia，320nm紫外光接收端接收到的光强为Ib，则由核酸吸收的光强Ic＝Ib-Ia，因而在排除其他微粒的干扰，只有核酸存在时的接收光强I＝I0–Ic；根据朗波－比尔光吸收定律A＝lg(1/T)＝lg(I0/I)，可计算出装置内空气的吸光度A。
然后，根据朗波－比尔光吸收定律A＝kcl，已知A、k、l，即可计算出空气中的核酸浓度c，即c＝A/kl。
譬如，两组紫外光发射端的光强I0都为170Uw/cm2，320nm紫外光接收端的光强Ib为150Uw/cm2，260nm接收端光强Ia为130Uw/cm2，则可计算出核酸吸收的光强Ic＝20Uw/cm2，因而在排除其他微粒的干扰，只有核酸存在时的接收光强I＝170-20＝150Uw/cm2，继而可以计算出吸光度A＝0.054358，假设发射端和接收端的距离l＝1cm，在实验室中测定的摩尔消光系数k＝0.02mL/μg·cm，则该测量的空气核酸浓度c＝A/kl＝2.72μg/ml。我们即可获知当前空气中的细菌和病毒DNA浓度为2.72μg/ml。
市场上某型号空气消毒机除了能够吸附空气中的颗粒物、甲醛、甲苯、TVOC等之外，还有杀灭一些病毒和细菌的能力，装配使用了设有两组紫外光发射和接收装置的检测空气中病毒和细菌浓度的装置之后，由于空气消毒机通过将空气吸入，使经过的空气经过其内部，从而进行消毒过滤净化，这样以来空气消毒机内部空气流动过快，如果将检测空气中病毒和细菌浓度的装置安装在其内部，势必导致检测结果的不准确。如果将其安装在空气消毒机上不受空气流动的位置，而且确保与周围空气自然接触，这样以来该结构的风道设计，既能保证周围空气在自然状态下进入待检测装置，又可避免空气消毒机工作中对检测结果的影响，实现了实时检测空气消毒机所在环境中的DNA浓度，用户可以一目了然的知晓环境中的细菌和病毒的情况，便可手动或者设置自动策略来消杀和清除所处环境中的细菌和病毒；在空气消毒机工作过程中，也可以直接看到空气消毒机消除病毒和细菌的效果。
实施例2
参图2所示，采用一组紫外光发射端21和紫外光接收端22，待检测空气通过进气口23进入空气检测腔24内部，在空气检测腔24内部经过紫外光照射检测之后，从出气口25排出，通过时分控制，先发射和接收320nm的紫外光，再发射和接收260nm的紫外光来测量A260和A320。计算方法同实施例1。
由于一种检测空气中病毒和细菌浓度的装置结构小巧，可以应用于多种环境，可以方便的装配在多种仪器设备上，譬如一些药品生产工厂，采用装配有一组紫外光发射和接收装置的检测仪器，这种环境空气本身就是自然流动，且无其他干扰源，采用该结构的风道设计，一方面减少不可预见的空气流动对检测结果的影响，另一方面由于体积更小，可以是装配其的检测设备更小巧轻便，实时检测工厂生产车间的病毒和细菌浓度，检测到病毒和细菌浓度变化时，即使提醒工厂工作人员，主动或与相关的自动除菌杀毒设备联动，及时进行处理。
该检测空气中细菌和病毒浓度的装置，具有如下技术效果：
1)可以方便的检测空气中的病毒和细菌浓度，不限于细菌和病毒。采用紫外线检测技术，无需检测试剂，也无需担心试剂的储藏问题，以及试剂与待检测物的温度等环境要求。
2)可以快速进行检测，瞬间检测出空气中的病毒和细菌浓度。
3)该装置结构小巧，可以装配到任何需要检测空气中病毒和细菌浓度的设备和仪器上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种检测空气中细菌和病毒浓度的装置，其特征在于，包括空气检测腔，所述空气检测腔设有进气口及出气口，所述进气口、出气口错开布置；
所述空气检测腔内设有紫外光发射端及紫外光接收端，所述紫外光发射端及紫外光接收端连接有逻辑控制模块，所述逻辑控制模块连接有输出模块；
所述逻辑控制模块用于分别或同时控制紫外光发射端发射波长为320nm既定光强的紫外光，以及波长为260nm既定光强的紫外光，分别采集与波长320nm紫外光对应的紫外光接收端接收到320nm紫外光的光强，以及与波长260nm紫外光对应的接收端接收到260nm紫外光的光强，将波长320nm紫外光的光强衰减作为修正因子，将波长260nm紫外光光强衰减作为检测病毒和细菌含有核糖核酸的计算因子，通过计算得出空气检测腔内空气中的核糖核酸的浓度；
所述输出模块用于输出空气中的核糖核酸浓度，即空气中细菌和病毒浓度；
所述核糖核酸的浓度计算公式为：
c＝A/kl
式中，c为空气中的核糖核酸浓度；A为检测腔内空气的吸光度，k为摩尔消光系数，l为紫外光发射端和紫外光接收端的距离；A＝lg(1/T)＝lg(I0/I)，T为透光率，I为只有核酸存在时的接收光强；
I＝I0–Ic，I0为260nm和320nm的紫外光发射强度，Ic为由核酸吸收的光强，Ic＝Ib-Ia，Ib为320nm紫外光接收端接收到的光强，Ia为260nm紫外光接收端接收到的光强；
所述空气检测腔内设有两组紫外光发射端及紫外光接收端，其中一组用于发射及接收260nm紫外光，另一组用于发射及接收320nm紫外光，用于在所述逻辑控制模块控制下，同时发射260nm紫外光及320nm紫外光。
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