CN117825220A - 一种致敏气溶胶监测仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种致敏气溶胶监测仪及方法。该监测仪至少包括：气流通路，其具有监测点；指向所述监测点的光源；对所述监测点处的散射光进行探测的散射光探测器；以及至少一个荧光通道探测器。该监测方法包括步骤：1)获取Di、F1i、F2i；设置D_th、F1_th、K_th；2)对Di与D_th进行比较；3)对F1i与F1_th进行比较；4)对F1i与F2i的比值进行比较，如果F1i/F2i＜K_th，确定为致敏气溶胶。本发明通过光学检测技术从散射光特性、荧光特性来区分花粉、过敏菌等致敏气溶胶及非生物气溶胶颗粒并检测其浓度，从而实时评估空气的过敏指数，为过敏人群和易感人群提供早期预警，降低过敏性、传染性呼吸道疾病的诱发风险。

Description

一种致敏气溶胶监测仪及方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种致敏气溶胶监测仪及方法。

背景技术

过敏性鼻炎等呼吸道过敏性疾病是最为常见的过敏性疾病之一，其发病率近年来加速上升。其中以气溶胶形式存在的花粉、病菌等是其主要的过敏原。

其中，致敏性气传花粉是一种室外吸入性致敏原，依靠风媒传播，花粉壁上的特殊蛋白可对特异性个体引发皮炎、眼睛发炎、鼻炎、气管炎、哮喘、慢性阻塞性肺病等过敏性症状，还会导致消化***(胃癌、胰腺癌等)疾病及神经***(部分人群***率升高)疾病发病率的增加。这种气传花粉致敏性污染呈现季节性变化规律，在每年的春季和秋季高浓度花粉被反复吸入易敏体质内，致使各种花粉致敏引起的呼吸道疾病的发病率日渐上升，已成为全球重要的慢性疾病之一，严重威胁公共健康。花粉的浓度与过敏性疾病的发病率存在较强的相关性。

而仅对空气中气溶胶浓度、尺寸进行监测、检测，用PM2.5等空气污染指数并不能对这类呼吸道过敏性疾病的风险进行评估和预测，气象部门同时会发布以花粉为主要指征的过敏气象指数、花粉浓度等级等，而其传统的检测的方法主要是人工观测沉降法，监测数据为过去一天降落在载玻片上花粉颗粒数，通过人工显微镜观察并计算单位面积上的花粉个数，或通过大流量空气采样、称重、显微观察来进行检测(例如申请号202223168435.6)，检测装置体积大、检测时间长，检测非常不便且不具备实时性。

更进一步的基于荧光光谱的原理可以用来初步判断气溶胶颗粒是否为生物粒子，国内外在生物制剂现场监测报警技术领域重点开展了生物气溶胶连续监测技术研究，研制出固定式生物气溶胶报警***、点源式生物源毒剂综合探测***，基本建立起对生物气溶胶的连续监测和现场快速检测手段，但其检测目标通常是小于10μm的生物细菌战剂为主。而常见的花粉颗粒尺寸相对致病菌要大，直径约15～30μm，质量较轻，易以气溶胶形式随空气飘散传播，学术上称为气传花粉。

现有的基于光散射技术检测的单气溶胶粒子监测设备，只能得到粒子计数、粒径谱分布等信息；带有荧光检测通道的气溶胶粒径检测设备对于生物气溶胶的检测容易被大量其他荧光物质干扰；而若需检测其是否为花粉颗粒，则需要采用显微成像技术，检测周期长，不具备实时性。

因此，本发明提出，通过光学检测技术从散射光特性、荧光特性来区分花粉、过敏菌等致敏气溶胶及非生物气溶胶颗粒并检测其浓度，从而实时评估空气的过敏指数的小型检测设备，为过敏人群和易感人群提供早期预警，降低过敏性、传染性呼吸道疾病的诱发风险。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种致敏气溶胶监测仪及方法。通过本发明，能对空气中气溶胶粒子的数量、粒径谱分布、质量浓度分布、荧光粒径谱分布、荧光光谱分布进行统计并进行模式识别，对粉尘、烟雾、花粉、细菌等气溶胶进行分类，从而可对空气环境的气溶胶致敏风险进行评估和早期预警；可作为空气净化器、空气消毒机、新风***等空气净化消杀设备的检测传感器和效果评估传感器，以优化工作模式，达到节能、降耗、增效的目的；对易感人群和过敏体质人群，可提供信息，以供提前采取防护措施，降低过敏性、传染性呼吸道疾病的诱发风险。

本发明所提供的技术方案如下：

一种致敏气溶胶监测仪，至少包括：

气流通路，其具有监测点；

指向所述监测点的光源；

对所述监测点处的散射光进行探测的散射光探测器；

以及至少一个荧光通道探测器，各所述荧光通道探测器具有荧光滤光片，各所述荧光滤光片具有不同的透过波长，并且，各所述荧光滤光片都阻隔所述监测点处的米散射光信号。

基于上述技术方案：

通过加带通滤光片的光电探测器分别测量米散射光及荧光信号，可分类粒子是生物颗粒还是非生物颗粒；探测器所记录的光脉冲的数量与颗粒数量对应，从而可以测量粒子的浓度；探测器所记录的光脉冲的强度反映了米散射的强度，而米散射的强度可估计出颗粒的尺寸。

进一步的，基于致敏和非生物气溶胶物质的荧光光谱的差异，可以利用荧光光谱进行生物类过敏物质的筛选。

上述技术方案所提供的致敏气溶胶监测仪，可通过光学检测技术从散射光特性、荧光特性来区分花粉、过敏菌等致敏气溶胶及非生物气溶胶颗粒并检测其浓度，从而实时评估空气的过敏指数的小型检测设备，为过敏人群和易感人群提供早期预警，降低过敏性、传染性呼吸道疾病的诱发风险。

上述技术方案中，荧光通道探测器的数量可为一个，两个或三个以上。

进一步的，所述光源还设置有光束汇集透镜。

基于上述技术方案，可将光源发射的光束汇聚投射至气溶胶探测区，汇聚点位于气溶胶探测区中心粒子束穿梭路径上，照射到颗粒物上；具体的可使用柱透镜，使得汇聚点处形成线型汇聚光斑，汇聚点激发光线宽度10-200um；或使用球面透镜或非球面透镜，使得汇聚点处形成圆点汇聚光斑，汇聚点激发光斑直径10-200um。

进一步的，所述光源的波长为260-420nm。

上述技术方案中，光源可发射激光、LED光源、氙灯等光源，用于照射气溶胶粒子发生米氏光散射，同时作为荧光激发光源激发有气溶胶粒子内的荧光物质发射荧光。光源的波长在紫外和紫光区域，波长260-420nm。

进一步的，所述气流通路的末端设置有排风扇，其置于气流通路的末端，用于驱动气流经过气流通路流经检测区。

进一步的，在所述监测点远离所述光源的一侧设置有消光挡板，用于吸收激发光，避免未经过气溶胶颗粒散射的激发光在光学检测区中形成杂散光，干扰米散射和荧光信号的采集。

进一步的，所述散射光探测器和所述光源呈90°，用于将米散射光信号转换成电信号，探测器为光电二极管、雪崩光电二极管、硅光电倍增管等结构尺寸较小的光电探测器，便于设备的小型化。通过其检测到的气溶胶散射光脉冲信号的强度，可得到被测气溶胶的粒径Di，其中i＝1，2，……，为检测到的气溶胶脉冲的序列编号，以一定采样时间内采集到的脉冲数量及相应的粒径Di，评估空气中气溶胶粒子的浓度和粒径分布。

进一步的，荧光通道探测器的数量为两个，分别为第一荧光通道探测器和第二荧光通道探测器，各所述荧光通道探测器和所述光源呈90°。对应的，荧光滤光片的数量为两个，分别为第一荧光滤光片和第二荧光滤光片，所述第一荧光滤光片的透过波长包含420nm-500nm，所述第二荧光滤光片的透过波长包含520nm-600nm。

第一荧光滤光片使用宽谱荧光波段的带通滤光片或长波通滤光片，选通部分荧光信号，阻隔米散射光信号，其透过波长包含420nm-500nm。

第一荧光通道探测器与光源照射方向呈90°布置，气溶胶颗粒的光信号经过过滤后透射的荧光信号照射至其光敏元上转换为电信号，探测器为光电二极管、雪崩光电二极管、硅光电倍增管等结构尺寸较小的光电探测器，便于设备的小型化。通过其同步检测气溶胶序列中尺寸Di的荧光通道1的荧光脉冲强度，如果被检测气溶胶颗粒在荧光通道1检测到荧光脉冲，则以F1i记录其荧光脉冲信号所转换的电信号F1i，未检测到荧光脉冲则记F1i＝0。

第二荧光滤光片使用宽谱荧光波段的带通滤光片或长波通滤光片，选通过部分荧光信号，阻隔米散射光信号，其透过波长包含520nm-600nm。

第二荧光通道探测器与光源照射方向呈90°布置，气溶胶颗粒的光信号经过过滤后透射的荧光信号照射至其光敏元上转换为电信号，探测器为光电二极管、雪崩光电二极管、硅光电倍增管等结构尺寸较小的光电探测器，便于设备的小型化。通过其同步检测气溶胶序列中尺寸Di的荧光通道2的荧光脉冲强度，如果被检测气溶胶颗粒在荧光通道2检测到荧光脉冲，则以F2i记录其荧光脉冲信号所转换的电信号F2i，未检测到荧光脉冲则记F2i＝0。

进一步的，所述致敏气溶胶监测仪还包括处理机，其分别电连接所述散射光探测器和各荧光通道探测器。

本发明还提供了一种致敏气溶胶监测方法，采用本发明所提供的致敏气溶胶监测仪进行监测，具体包括以下步骤：

1)获取第i个被测气溶胶的粒径Di；

获取被测气溶胶在所述第一荧光通道探测器上的荧光强度值F1i；

获取被测气溶胶在所述第二荧光通道探测器上的荧光强度值F2i；

设置气溶胶的粒径阈值D_th；

设置被测气溶胶在所述第一荧光通道探测器上的荧光强度阈值F1_th；

设置F1i与F2i的比阈值K_th；

其中，i为自然数。

2)对Di与D_th进行比较，如果Di＞D_th，进行下一步；

3)对F1i与F1_th进行比较，如果F1i＞F1_th，进行下一步；

4)对F1i与F2i的比值进行比较，如果F1i/F2i＜K_th，确定第i个被测气溶胶为致敏气溶胶。

基于上述技术方案，可以实现对致敏气溶胶的监测。具体来说：

根据固定采样时间内记录的致敏气溶胶粒子数量，获得空气中致敏气溶胶的浓度，进而可参照《QX/T 324-2016花粉过敏气象指数》所例的浓度分级进行过敏风险等级预警；

通过对发生单一种类物质的气溶胶的检测，得到不同种类的气溶胶的粒径谱分布、荧光粒径谱分布；

粒径阈值D_th可通过标定得到，标定方法为：

分别发生常见干扰物香烟、A2尘粉尘模拟物气溶胶，待其浓度稳定后，用待标定设备采集获得其粒径谱分布、荧光粒径谱分布；

发生需要分类的花粉或孢子、细菌的气溶胶，待其浓度稳定后，用待标定设备采集获得其粒径谱分布、荧光粒径谱分布；

通过分析对应的谱分布，选取阈值D_th、F1_th、K_th，使得干扰物误选率低，而需要识别的目标物通过率高。具体的阈值设备与需要排除的干扰物种类及需要识别的目标物种类相关。当目标物为花粉、孢子和细菌时，通常D_th的取值为0.5μm-2.5μm。F1_th、K_th根据光电转换，与光学***采集效率、硬件电路的转化、放大等***参数变化，不同***、同样结构***不同设备之间都会有差异，此处不作具体限定。

本发明通过光学检测技术从散射光特性、荧光特性来区分花粉、过敏菌等致敏气溶胶及非生物气溶胶颗粒并检测其浓度，从而实时评估空气的过敏指数，为过敏人群和易感人群提供早期预警，降低过敏性、传染性呼吸道疾病的诱发风险。

附图说明

图1是本发明实施例1所提供的致敏气溶胶监测仪的结构示意图。

图2是本发明实施例2所提供的致敏气溶胶监测仪的结构示意图。

图3是本发明实施例3所提供的致敏气溶胶监测仪的结构示意图。

图4是本发明效果例中的气溶胶粒子的粒径谱分布图。

图5是本发明效果例中的混合后的多通道数据散点分布图。

图6是本发明效果例中的所设置的阈值边界及获得的致敏气溶胶区域原理图。

图7是本发明效果例中的F1_th和D_th的原理图。

图8是本发明效果例中的F1_th和K_th的原理图。

图9是本发明所提供的致敏气溶胶监测方法的一个流程图。

附图1、2、3中，各标号所代表的结构列表如下：

1、光源，2、光束汇集透镜，3、气流通路，4、消光挡板，5、排风扇，6、散射光探测器，7、第一荧光滤光片，8、第一荧光通道探测器，9、第二荧光滤光片，10、荧光通道探测器。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，致敏气溶胶监测仪包括：气流通路3，其具有监测点；指向监测点的光源1；对监测点处的散射光进行探测的散射光探测器6；两个荧光通道探测器，分别为第一荧光通道探测器8和第二荧光通道探测器10。对应的，荧光滤光片的数量为两个，分别为第一荧光滤光片7和第二荧光滤光片9。各荧光滤光片都阻隔监测点处的米散射光信号。光源1还设置有光束汇集透镜2。在监测点远离光源1的一侧设置有消光挡板4。气流通路3的末端设置有排风扇5。散射光探测器6和光源1呈90°。各荧光通道探测器和光源1呈90°。

实施例2

如图2所示，整体结构参考实施例1，区别在于，荧光通道探测器数量具体为一个，简化的结构通常只针对特定荧光波段的气溶胶颗粒进行检测分类，分类准确度会有所下降。

实施例3

如图3所示，整体结构参考实施例1，区别在于，荧光通道探测器数量具体为3-6个，增加的结构可以对气溶胶的荧光光谱做更细分的检测，功能上可以进行更细致的分类，如具体的花粉种类分类。

实施例4

在实施例1的基础上，致敏气溶胶监测仪还包括处理机，其分别电连接散射光探测器6、第一荧光通道探测器8和第二荧光通道探测器10。

效果例

以实施例1的致敏气溶胶监测仪进行测试，光源为405nm的半导体激光，第一荧光滤光片7的透过波长包含420nm-500nm，第二荧光滤光片9的透过波长包含520nm-600nm。

分别以雾霾粉尘、香烟、花粉、孢子和细菌为测试对象，获得各气溶胶粒子的粒径谱分布图，如图4所示。可以看到，不同气溶胶的粒径谱分布有一定的特点，香烟烟雾的颗粒尺寸小，花粉、孢子的颗粒粒径大。

通过本发明的监测仪检测分别获得各气溶胶的多通道数据，并将多种气溶胶的散点数据融合到一起，以模仿其检测混合气溶胶的情况。混合后的多通道数据散点分布图如图5所示。

基于图4和图5的数据，设置阈值D_th＝2，F1_th＝500，K_th＝0.5。因为在此组数据条件下，应用本发明提供的致敏气溶胶的判断方法对气溶胶粒子进行分类，烟雾和雾霾筛选为过敏源的概率仅为1.4％和2.3％，93％的花粉和81％的孢子通过了筛选。本方法可以有效的分类致敏和非致敏气溶胶。下图6、7、8所示，为所设置的阈值边界及获得的致敏气溶胶区域。

因此，在实际检测中，可按照图9所示的流程进行操作。按照本发明的致敏气溶胶监测方法，并标定阈值参数，可以很高的概率将花粉和等孢子筛选为过敏源，并排除烟雾和雾霾的干扰，从而确保筛选结构的准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种致敏气溶胶监测仪，其特征在于，至少包括：

气流通路(3)，其具有监测点；

指向所述监测点的光源(1)；

对所述监测点处的散射光进行探测的散射光探测器(6)；

以及至少一个荧光通道探测器，各所述荧光通道探测器具有荧光滤光片，各所述荧光滤光片具有不同的透过波长，并且，各所述荧光滤光片都阻隔所述监测点处的米散射光信号。

2.根据权利要求1所述的致敏气溶胶监测仪，其特征在于：

所述光源(1)还设置有光束汇集透镜(2)；

和/或，所述光源(1)的波长为260-420nm。

3.根据权利要求1所述的致敏气溶胶监测仪，其特征在于：

所述气流通路(3)的末端设置有排风扇(5)；

和/或，在所述监测点远离所述光源(1)的一侧设置有消光挡板(4)。

4.根据权利要求1所述的致敏气溶胶监测仪，其特征在于：

所述散射光探测器(6)和所述光源(1)呈90°；

各所述荧光通道探测器和所述光源(1)呈90°。

5.根据权利要求1至4任一所述的致敏气溶胶监测仪，其特征在于：

荧光通道探测器的数量为两个，分别为第一荧光通道探测器(8)和第二荧光通道探测器(10)；

对应的，荧光滤光片的数量为两个，分别为第一荧光滤光片(7)和第二荧光滤光片(9)，所述第一荧光滤光片(7)的透过波长包含420nm-500nm，所述第二荧光滤光片(9)的透过波长包含520nm-600nm。

6.根据权利要求5所述的致敏气溶胶监测仪，其特征在于：所述致敏气溶胶监测仪还包括处理机，其分别电连接所述散射光探测器(6)和各荧光通道探测器。

7.一种致敏气溶胶监测方法，采用权利要求6所述的致敏气溶胶监测仪进行监测，具体包括以下步骤：

1)获取第i个被测气溶胶的粒径Di；

获取被测气溶胶在所述第一荧光通道探测器(8)上的荧光强度值F1i；

获取被测气溶胶在所述第二荧光通道探测器(10)上的荧光强度值F2i；

设置气溶胶的粒径阈值D_th；

设置被测气溶胶在所述第一荧光通道探测器(8)上的荧光强度阈值F1_th；

设置F1i与F2i的比阈值K_th；

其中，i为自然数；

2)对Di与D_th进行比较，如果Di＞D_th，进行下一步；

3)对F1i与F1_th进行比较，如果F1i＞F1_th，进行下一步；

4)对F1i与F2i的比值进行比较，如果F1i/F2i＜K_th，确定第i个被测气溶胶为致敏气溶胶。

8.根据权利要求6所述的致敏气溶胶监测方法，其特征在于：D_th的取值为0.5μm-2.5μm。