一種生物氣溶膠光學檢測系統(tǒng)及檢測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境檢測技術領域，具體涉及一種生物氣溶膠光學檢測系統(tǒng)，可監(jiān)測環(huán)境大氣中細菌、病毒等生物粒子的濃度及其變化。本發(fā)明還涉及使用上述光學檢測系統(tǒng)的生物氣溶膠檢測方法。
【背景技術】
[0002]傳染性病菌或病毒等微生物都是以氣溶膠粒子狀態(tài)存在于大氣中，當大氣中傳染性病菌或病毒的濃度超過某一閾值時，將對人類和動植物的健康造成威脅，因此大氣中氣溶膠粒子的檢測成為環(huán)境檢測的重要一環(huán)。生物氣溶膠的微生物粒子中所含的有機分子或分子團，如氨基酸、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、核黃素等物質(zhì)在特定波長，尤其是紫外波段激發(fā)光激發(fā)下會產(chǎn)生本征熒光，通過測量待測樣本中各種微生物粒子的本征熒光，可以得到生物粒子的特性，以此可以區(qū)分生物氣溶膠和非生物氣溶膠;更進一步地，結合其他特征如氣溶膠粒子的形狀可以得到生物氣溶膠粒子的更多信息。基于光學測量的生物氣溶膠檢測技術具有快速、無損、靈敏等優(yōu)點，成為目前的研究主流之一。
[0003]目前，微生物氣溶膠的光學檢測方法，按檢測樣本的數(shù)量可分為單粒子熒光檢測方法和多粒子熒光檢測方法。單個生物氣溶膠粒子的熒光強度很弱，需要專用的單氣溶膠粒子產(chǎn)生氣路與微弱光信號檢測系統(tǒng)，此方法雖然測量的精度高、準確率高，但裝置組成復雜、成本高且技術難度相對較高。為此，可通過對多氣溶膠粒子樣本進行熒光檢測以提高靈敏度。
[0004]中國發(fā)明專利ZL201010177954.1公開了一種使用多氣溶膠粒子熒光檢測方法的雙通道實時生物氣溶膠監(jiān)測裝置，通過撞擊式富集采樣及熒光檢測的方法可以監(jiān)測空氣中是否有生物氣溶膠，但該技術方案還存在如下缺點:1.紫外光源采用的是紫外發(fā)光二極管，紫外發(fā)光二極管一般體積小、功率低、價格高，其光功率較低導致儀器檢測靈敏度低。功率較高的紫外發(fā)光二極管價格昂貴，體積也顯著增加，且發(fā)出的光具有較大的光束發(fā)散角，不利于光束整形，同時功率的提高也會造成光噪聲的增加甚至導致光電倍增管輸出信號飽和;2.當熒光檢測裝置的激發(fā)光路和接收光路采用共光路設置，隨著光源功率提高，光路的光噪聲也隨之增加，會影響熒光信號的檢測，而且可能會降低光電倍增管的使用壽命。且檢測光路系統(tǒng)的熒光收集效率較低，不能充分地接收生物氣溶膠樣品發(fā)出的熒光;3.熒光檢測雖然采用了兩種波長的激發(fā)光路通道，但是每個通道只檢測氣溶膠樣品的總熒光強度，因此結果判斷所依據(jù)信息較少，可能使裝置出現(xiàn)較多誤報警。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種生物氣溶膠光學檢測系統(tǒng)及檢測方法，該檢測系統(tǒng)具有靈敏度高、信噪比高等特點，基于該檢測系統(tǒng)的檢測方法具有誤報率低的特點。
[0006]為了解決上述技術問題，本發(fā)明裝置的技術方案為: 一種生物氣溶膠光學檢測系統(tǒng)，包括粒子計數(shù)單元、富集單元、熒光檢測單元和結果判定單元;所述粒子計數(shù)單元連接富集單元，氣溶膠粒子在粒子計數(shù)單元中計數(shù)后進入富集單元;所述熒光檢測單元包括富集板，富集單元將氣溶膠粒子收集到所述富集板上形成多氣溶膠粒子的待測樣品，熒光檢測單元對所述待測樣品進行熒光檢測;所述結果判定單元分別與粒子計數(shù)單元和熒光檢測單元信號連接，結果判定單元接收處理粒子計數(shù)單元和熒光檢測單元的檢測信號，判定待測樣品是否為生物氣溶膠。
[0007]所述熒光檢測單元還包括分光路設置的激發(fā)單元和熒光收集單元，其中:所述激發(fā)單元包括紫外激光器和激發(fā)光聚焦鏡，所述紫外激光器發(fā)出的激發(fā)光經(jīng)激發(fā)光聚焦鏡后斜入射到所述富集板上的待測樣品區(qū)域，入射角為一較小的角度，可選擇5度左右;所述熒光收集單元包括準直透鏡、分色單元、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡、第一光電倍增管和第二光電倍增管;所述分色單元可將入射光分束為高波段和低波段的兩束出射光，所述高波段和低波段為預先選定的生物氣溶膠本征熒光波長范圍中的兩段，高波段波長大于低波段;所述待測樣品發(fā)出的熒光依次經(jīng)過準直透鏡和分色單元后分束為高、低波段的兩路熒光，低波段的熒光經(jīng)第一聚焦透鏡入射第一光電倍增管，高波段的熒光經(jīng)第二聚焦透鏡入射第二光電倍增管，檢測信號輸出至結果判定單元。
[0008]優(yōu)選地，所述分色單元為分色鏡，所述鏡面法線方向和準直透鏡光軸成一夾角，由準直透鏡出射的熒光在所述分色鏡上經(jīng)反射和透射分束為兩路熒光，該兩路熒光分屬高、低波段且傳播方向不同，實現(xiàn)了不同波段熒光的空間分離。
[0009]優(yōu)選地，所述熒光收集單元還包括球面鏡，所述球面鏡光軸、準直透鏡光軸和富集板法線共面，球面鏡和準直透鏡分別位于富集板法線兩側，球面鏡的球心和準直透鏡的焦點均位于富集板上的氣溶膠樣品區(qū)域;入射所述球面鏡的熒光反射回富集板，再經(jīng)富集板反射至準直透鏡從而被收集，使用球面鏡反射熒光的設計增加了熒光收集的范圍。
[0010]優(yōu)選地，所述紫外激光器為紫外半導體激光器，其功率較高且體積小。
[0011]優(yōu)選地，所述富集板的材質(zhì)為熔石英，在其表面鍍有熒光波段的增反膜，增加對熒光的反射率。
[0012]優(yōu)選地，在所述激發(fā)光入射富集板后的反射光路中設置第一光陷阱，透射光路中設置第二光陷阱，用于消除反射和透射后的激發(fā)光中的強紫外光，減少雜散光，提高信噪比。
[0013]優(yōu)選地，所述準直透鏡和分色鏡之間光路中設置有熒光濾光片，可消除激發(fā)光的影響，提高信噪比。
[0014]優(yōu)選地，所述球面鏡的表面鍍有熒光波段的增反膜，增加對熒光的反射率。
[0015]優(yōu)選地，所述粒子計數(shù)單元采用激光塵埃粒子計數(shù)傳感器;所述富集單元采用虛擬沖擊器或撞擊式?jīng)_擊器，分別采用濃縮富集或被撞擊式?jīng)_擊富集的方式將經(jīng)過粒子計數(shù)的氣溶膠樣品收集到富集板上，再由熒光檢測單元對富集板上的氣溶膠樣品進行熒光檢測。
[0016]由于所述的熒光檢測單元采用分光路系統(tǒng)，其激發(fā)光路和熒光收集光路的布局比較靈活，激發(fā)光路光軸和熒光收集光路光軸不拘囿于同一平面。
[0017]本發(fā)明檢測方法的技術方案為，包括以下步驟:
步驟一、設置本底測量值: ①將所述的生物氣溶膠檢測系統(tǒng)置于正常空氣的目標環(huán)境中；
②啟動系統(tǒng)，各單元進入工作狀態(tài)，待儀器穩(wěn)定工作后，開始采集本底測量值；以所述低波段熒光的測量值為第一熒光值，所述高波段熒光的檢測量值為第二熒光值；
③連續(xù)采集η個周期的第一熒光值，計算出這η個值的平均值Fla，取aXFla，作為第一熒光本底值Flb，其中a為預設的大于I的無量綱常數(shù)，η大于I;以同樣的方式采集第二熒光值并得到第二熒光本底值F2b;
步驟二、設置熒光參考比值:
設置熒光參考比值Sr，Sr取值標準為:高于生物氣溶膠粒子的第一熒光值與第二熒光值的比值，同時低于非生物氣溶膠熒光粒子(偽生物粒子)的第一熒光值與第二熒光值的比值；
步驟三、檢測并判斷目標環(huán)境的生物氣溶膠狀況:
①啟動所述的生物氣溶膠光學檢測系統(tǒng)，每個周期均能得到一組測量值，設第X個周期分別得到粒子濃度值Nx、第一熒光值Flx以及第二熒光值F2x;
②所述的結果判定單元依次判斷第一熒光值Flx和第二熒光值F2x，如Flx>Flb且F2x>F2b，執(zhí)行接下來的步驟③，否則不報警并直接執(zhí)行接下來的步驟④；
③以第x-1個周期的粒子濃度值作為粒子濃度本底值Nb，如Nx>cXNb且Flx/F2x<Sr，其中c為預設的大于I的無量綱常數(shù)，則表明生物氣溶膠粒子濃度顯著升高，系統(tǒng)報警;否則不報警；
④重復步驟三①開始下一周期。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明技術方案的有益效果如下:
1.紫外光源使用的是紫外半導體激光器，功率較高、體積小。跟以發(fā)光二極管為激發(fā)光源的裝置相比，在不增加系統(tǒng)體積的情況下，生物氣溶膠檢測系統(tǒng)具有更高檢測靈敏度；
2.熒光檢測單元選擇了分光路系統(tǒng)，避免了共光路系統(tǒng)的缺陷，不僅減少了激發(fā)光源對熒光檢測噪聲的影響，增加了信噪比，且具有更加的結構靈活性，適應性廣；
3.檢測方法增加了氣溶膠粒子濃度的判斷，并且利用兩個波段的熒光比值來進一步判斷被測目標是否是生物氣溶膠，增加了判定的依據(jù)，具有更好的可靠性，減少了誤報的可會K。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明生物氣溶膠光學檢測系統(tǒng)的結構框圖；
圖2為本發(fā)明一個實施例中熒光檢測單元光學系統(tǒng)結構示意圖，在該實施例中激發(fā)光路的光軸所在平面與熒光收集光路光軸所在平面共面；
圖3為本發(fā)明檢測方法的工作流程框圖；
圖4a為大腸桿菌的熒光光譜圖；
圖4b為聚酯纖維的熒光光譜圖。
[0020]其中:
1:粒子計數(shù)單兀;2:富集單兀;3:焚光檢測單兀;301:紫外激光器;302:激發(fā)光聚焦鏡；303:第一光陷阱；304:第二光陷阱；305:富集板;306:球面鏡;307:準直透鏡;308:熒光濾光片;309:分色鏡;310:第一聚焦透鏡;311:第二聚焦透鏡;312:第一光電倍增管;313:第二光電倍增管;4:結果判定單元。
【具體實施方式】
[0021 ]以下結合附圖通過實施例對本發(fā)明做進一步說明，以便更好地理解本發(fā)明。
[0022]圖1所示為本發(fā)明所述的生物氣溶膠光學檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)主要包括四個單元模塊:粒子計數(shù)單元1、富集單元2、焚光檢測單元3和結果判定單元4 ；具體的:
所述粒子計數(shù)單元I用于實時測量氣溶膠樣品中的粒子數(shù)濃度，所述富集單元2用于收集氣溶膠粒子從而得到氣溶膠多粒子樣本，所述熒光檢測單元3用于對氣溶膠樣品進行熒光檢測，所述結果判定單元4用于處理檢測數(shù)據(jù)。如圖1，氣溶膠樣品首先經(jīng)過粒子計數(shù)單元I進行粒子計數(shù)，然后經(jīng)過富集單元2被富集，接著熒光檢測單元3對富集后的氣溶膠樣品進行熒光檢測，并且把檢測數(shù)據(jù)送到結果判定單元4;最后由結果判定單元4根據(jù)粒子計數(shù)單元I的所測量的粒子濃度以及熒光檢測單元3的熒光檢測結果，來判定是否為生物氣溶膠。
[0023]—種【具體實施方式】下的熒光檢測單元3組件和光學系統(tǒng)結構如圖2所示，該熒光檢測單元3是由激發(fā)光路和熒光收集光路組成的分光路系統(tǒng)，激發(fā)光路的光軸所在平面與熒光收集光路的光軸所在平面共面，熒光檢測單元3包括:激發(fā)光路中設置的紫外激光器301、激發(fā)光聚焦鏡303、第一光陷阱302、第二光陷阱304和富集板305，以及熒光收集光路中設置的球面鏡306、準直透鏡307、熒光濾光片308、分色鏡309、第一聚焦透鏡310