CN118176411A - 生物气溶胶监测装置和监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种生物气溶胶监测装置，包括光路、气路和信号处理***；光路，包括用于照射被测粒子的激光照射光路、接收散射光信号的散射光收集光路和接收荧光信号的荧光收集光路；用于照射被测粒子的激发光源（101）的焦点（M）位于激光照射光路的光轴上光敏感区（G）之前或之后，使激发光斑在光敏感区（G）内垂直于激光照射光路的光轴的横截面呈矩形状，当单个气溶胶粒子经过光敏感区（G）时，被激发光持续照射，获得本征荧光漂白速度。综合气溶胶粒子的本征荧光漂白速度、散射光峰值、相对荧光强度等信息，实现对生物粒子进行初步分类，显著减少非目标微生物引起的仪器报警，提高仪器对生物气溶胶种类的鉴别能力，以降低后续生物检测的频次和成本。
Description
技术领域
本发明涉及生物气溶胶实时监测，特别是一种生物气溶胶监测装置和监测方法。
背景技术
生物气溶胶的实时监测具有重要的应用价值。激发光诱导本征荧光检测技术因具有速度快、灵敏度高、无耗材、非侵入等诸多优点，在生物气溶胶实时监测领域具有显著的应用优势。其技术原理为，生物气溶胶粒子含有色氨酸、还原型辅酶I(即NADH)和核黄素等有机分子，这些成分在紫外光诱导下可产生本征荧光，而非生物气溶胶粒子一般难以产生本征荧光，据此可以区分气溶胶粒子是否具有生物属性。
但是已有技术目前存在以下主要问题：第一，空气浮游粒子中的香烟粒子、高岭土以及含多环芳烃的尘埃等也可以产生本征荧光信号，现有技术大多无法分辨这些干扰物，可能造成仪器的误检或误报；第二，生物气溶胶粒子种类繁多，在实际应用中往往只需要监测少数几种或十几种生物目标，而现有技术大多只能笼统监测荧光粒子的总数，无法对气溶胶粒子实现分类，例如花粉或一些无害的微生物种类并不需要监测，因此，需要对生物粒子进行初步筛选，以降低后续生物检测的频次和成本。
专利文献CN108375530A公开一种实时生物气溶胶的检测方法及检测装置，包括光路，与光路相交的气路，与光路连接的信号处理***，光路，包括用于照射被测粒子的激光发射光路、接收散射光信号的散射光收集光路和接收荧光信号的荧光收集光路。气路，用于采样被测粒子，最小探测分辨率为一个微生物颗粒物。光信号处理***，用于分析和处理信号，包括散射光前置放大器和荧光前置放大器，能同时监测空气中微生物颗粒物以及非微生物颗粒物的浓度，通过对微生物颗粒物以及非微生物颗粒物的识别区分，实现了实时监测空气中微生物颗粒物的浓度、数量并提高了监测准确率。专利文献CN103940709公开一种实时微生物粒子计数器，通过检测单个粒子在激发光照射下发出的散射光和荧光强度判断被测粒子的粒径大小和生物属性。但以上两篇专利文献只能检测散射光脉冲峰值和荧光脉冲峰值，微生物判定指标单一，无法测试荧光漂白信息，探测到的干扰物较多，仪器误报率高。
专利文献CN110411995A公开了一种基于本征荧光漂白特性的生物气溶胶监测装置和方法，通过检测了荧光漂白信息，根据荧光漂白特性区分气溶胶粒子的种类。但是仪器采用的是先将多个气溶胶粒子富集采样到一起，然后对采集到的粒子群长时间照射得到荧光漂白特征，缺点是①测的是多个粒子的累加荧光，无法获得单个气溶胶粒子的散射光、本征荧光及荧光漂白特征，对于含有多种气溶胶粒子的样品，无法准确判定测试结果；②需要富集到一定数量的气溶胶粒子才能测试，检测灵敏度低，且不是实时监测，结果判定具有一定的滞后性。
发明内容
针对上述现有问题，本发明提供一种生物气溶胶监测装置和监测方法，利用生物气溶胶粒子体内的有机分子在同一激发光照射下，产生的本征荧光漂白速度不同，如核黄素等成分漂白速度较快，而NADH等成分漂白速度较慢或几乎无漂白，通过分析气溶胶粒子经过光敏感区时在连续照射情况下产生的本征荧光脉冲信号的面积、幅值等信息，并结合粒子的弹性散射光脉冲信号等信息，实现不同种类气溶胶粒子的特征信息收集，为气溶胶粒子的初步分类提供依据。
本发明的技术解决方案如下：
本发明一方面提供一种生物气溶胶监测装置，包括光路，与光路相交的气路，与光路连接的信号处理***；所述光路，包括用于照射被测粒子的激光照射光路、接收散射光信号的散射光收集光路和接收荧光信号的荧光收集光路；所述气路，用于采样被测粒子；所述信号处理***，用于分析和处理信号；所述激光照射光路与所述气路的交汇区即为光敏感区；其特点在于，所述用于照射被测粒子的激发光源的焦点位于所述激光照射光路的光轴上光敏感区之前或之后，使激发光斑在所述光敏感区内垂直于所述激光照射光路的光轴的横截面呈矩形状，当单个气溶胶粒子经过光敏感区时，被激发光持续照射，获得本征荧光漂白速度。
优选的，所述用于照射被测粒子的激光照射光路包括激发光源，该激发光源发出的光平行于X轴方向经非球面镜准直形成平行光束，再经柱面镜(聚焦后穿过光敏感区到达光陷阱，在所述的光敏感区的Y轴方向依次是曲面反射镜和二向色镜，该二向色镜与Y轴成45゜设置，该二向色镜对弹性散射光高反且对荧光波段高透。
优选的，所述接收散射光信号的散射光收集光路包括沿弹性散射光传输方向依次放置的聚焦镜、散射光阑和散射光接收器。
优选的，所述接收荧光信号的荧光收集光路包括沿荧光传输方向依次放置的荧光滤光片、荧光聚焦镜、荧光光阑和荧光接收器。
优选的，所述的气路由进气嘴、排气嘴和气泵组成，所述气路的进气方向平行于Z轴并穿过所述的光敏感区。
优选的，所述信号处理***包括散射光放大电路、散射光AD转换电路、荧光放大电路、荧光AD转换电路和FPGA电路；所述散射光接收器收集的弹性散射光脉冲信号依次经所述散射光放大电路放大后，经所述散射光AD转换电路转换为数字信号后达到所述FPGA电路；所述荧光接收器收集的本征荧光脉冲信号依次经所述荧光放大电路放大后，经所述荧光AD转换电路转换为数字信号达到所述FPGA电路，所述FPGA电路，用于计算被测气溶胶粒子的相对荧光强度、散射峰值的比值和本征荧光漂白速度。
另一方面，本发明还提供一种利用上述生物气溶胶监测装置实现生物气溶胶监测方法，包括如下步骤：
S1.构建不同生物气溶胶粒子的弹性散射光脉冲信号的峰值、相对荧光强度以及本征荧光漂白速度的三维坐标系：
S1.1生物气溶胶粒子经过光敏感区时，激发出弹性散射光脉冲信号和本征荧光脉冲信号，并分别由散射光接收器和荧光接收器接收，经信号放大电路和AD转换电路处理后，传入FPGA电路；
S1.2通过FPGA电路计算待测生物气溶胶粒子的弹性散射光脉冲信号的峰值h0、本征荧光脉冲信号的峰值h1和本征荧光脉冲信号的面积s1；
S1.3.通过FPGA电路计算相对荧光强度，即本征荧光脉冲信号的峰值h1与弹性散射光脉冲信号的峰值h0的比值；
S1.4.通过FPGA电路计算本征荧光漂白速度，即本征荧光脉冲信号的面积s1与本征荧光脉冲信号的峰值h1的比值；
S1.5利用不同生物气溶胶粒子重复步骤S1.1-S1.4，构建不同生物气溶胶粒子的弹性散射光脉冲信号的峰值、相对荧光强度以及本征荧光漂白速度的三维坐标系；
S2.待测生物气溶胶粒子，经过光敏感区时，激发出弹性散射光脉冲信号和本征荧光脉冲信号，并分别由散射光接收器和荧光接收器接收，传入FPGA电路；
S3.通过FPGA电路计算待测生物气溶胶粒子的弹性散射光脉冲信号的峰值、相对荧光强度和本征荧光漂白速度，并对照所述三维坐标系中落点区域，确定待测气溶胶粒子的种类。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用激发光的焦点位置不在光敏感区处，而是在照明光路光轴上光敏感区之前或之后，使激发光斑在光敏感区内垂直于X轴的横截面近似矩形，而不是一条细线，单个气溶胶粒子在经过光敏感区的时候会被激发光持续照射一段时间，可以获得单个气溶胶粒子的荧光漂白特征。
2)不同气溶胶粒子由于组分不同，荧光信号的漂白速度并不相同，其荧光脉冲波形也会有明显不同。对于荧光成分中不含有漂白成分的气溶胶颗粒，其荧光脉冲波形近似矩形；对于荧光成分中只含有少量漂白成分的气溶胶颗粒，其荧光脉冲波形近似梯形；对于荧光物质以漂白成分为主的气溶胶颗粒，其荧光脉冲波形近似三角形。由于气流速度和照明光束大小是固定的，气溶胶粒子经过光敏感区的时间即荧光脉冲信号的时长基本是固定的。通过FPGA计算得到单个气溶胶粒子荧光脉冲信号的面积与峰值的比值，反映该粒子的荧光漂白速度。
3)通过本征荧光漂白速度，可以有效区分干扰物和不同种类的生物气溶胶，极大减少甚至避免仪器的误检。
4)通过综合分析气溶胶粒子的本征荧光漂白速度、散射光峰值、相对荧光强度等信息，实现对生物粒子进行初步分类，显著减少非目标微生物引起的仪器报警，提高仪器对生物气溶胶种类的鉴别能力，以降低后续生物检测的频次和成本。
5)通过在光路中设置二向色镜将荧光信号分离为两个或多个荧光波段，从而得到多路荧光脉冲信号，分别计算不同波段荧光的漂白速度，增加气溶胶粒子分类的判定指标，从而实现更准确和更精细的判定。
附图说明
图1为本发明生物气溶胶监测装置实施例的光路示意图。
图2为本发明生物气溶胶监测装置实施例中照明光路与气路的示意图。
图3为本发明生物气溶胶监测装置实施例的信号处理***的示意图。
图4为本发明不同漂白速度的气溶胶颗粒的荧光信号脉冲波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1和图2，图1为本发明生物气溶胶监测装置实施例的光路示意图，图2为本发明生物气溶胶监测装置实施例中照明光路与气路的示意图，如图所示，本实施例生物气溶胶监测装置，包括光路、气路和信号处理***，所述的光路包括激发光源101，该激发光源101发出的激发光束平行于X轴方向经非球面镜102准直形成平行光束，再经柱面镜103聚焦后穿过光敏感区G到达光陷阱105，激发光束的焦点M在照明光路光轴上位于所述的光敏感区G与光陷阱105之间，所述的光敏感区G在垂直于X轴的横截面近似矩形，在所述的光敏感区G的Y轴方向依次是曲面反射镜104、光敏感区G、二向色镜106，该二向色镜10与Y轴成45设置，该二向色镜106对弹性散射光高反且对荧光波段高透，沿弹性散射光方向依次是散射光聚焦镜111、散射光阑112、散射光接收器113，沿荧光方向依次是荧光滤光片107、荧光聚焦镜108、荧光光阑109、荧光接收器110，所述的散射光接收器113和荧光接收器110同时经信号放大电路和AD转换电路后同步到达FPGA电路(图中未示)；所述的气路由进气嘴201、排气嘴20和气泵组成，气路的进气方向平行于Z轴并穿过所述的光敏感区G；照明光路与气路通道的交汇区即为光敏感区G。
在XOY平面，激发光源101发出的光经非球面镜102准直形成平行光束，再经柱面镜103聚焦后穿过光敏感区G到达光陷阱105，激发光的焦点在照明光路光轴上光敏感区G与光陷阱105之间的位置，此时光敏感区在垂直于X轴的横截面近似矩形。经过光敏感区的气溶胶粒子被激发后产生的弹性散射光和本征荧光(如果有)被收集单元的曲面反射镜104收集后转为平行光到达二向色镜106，二向色镜106对弹性散射光高反且对荧光波段高透，因此，弹性散射光经二向色镜106后被反射到聚焦镜111后再经过散射光阑112后到达散射光接收器113，荧光经二向色镜106后透射，依次经过荧光滤光片107、聚焦镜108和荧光光阑109后到达荧光接收器110。散射光接收器113得到的散射光脉冲信号经第一信号放大电路301和第一AD转换电路302后到达FPGA电路303，,荧光接收器110得到的荧光脉冲信号经第二信号放大电路304和第二AD转换电路305后同步到达FPGA电路303，如图3所示。
图2为照明光路与气路的相对位置示意图，在XOZ平面，气路由进气嘴201、排气嘴202和气泵等组成，气路的进气方向平行于Z轴并穿过光敏感区G。
不同气溶胶粒子的荧光脉冲波形也会不同，如图4所示。对于荧光成分中不含有漂白成分的气溶胶颗粒，其荧光脉冲波形近似矩形，如图4中(a)；对于荧光成分中只含有少量漂白成分的气溶胶颗粒，其荧光脉冲波形近似梯形，如图4中(b)；对于荧光物质以漂白成分为主的气溶胶颗粒，其荧光脉冲波形近似三角形，如图4中(c)。
本发明的监测方法按如下步骤：
(1)监测装置启动后，被测气溶胶粒子会发出弹性散射光脉冲信号，有些粒子同时还会发出本征荧光脉冲信号。如果被测粒子只有弹性散射光信号，则判定为非生物粒子，否则被测粒子的弹性散射光信号和本征荧光脉冲信号同时经微弱信号放大电路和AD转换电路后转入FPGA电路，所述的FGPA电路经过计算获得被测气溶胶粒子散射脉冲信号的峰值h0、荧光脉冲信号的面积s1和荧光脉冲信号的峰值h1；
(2)FPGA进一步计算被测气溶胶粒子的相对荧光强度，即荧光峰值与散射峰值的比值h1/h0，和本征荧光漂白速度s1/h1。
(3)根据步骤(1)和步骤(2)测试多种可发出本征荧光的气溶胶粒子的散射光峰值h0、相对荧光强度h1/h0和本征荧光漂白速度s1/h1，然后以这三项检测值建立三维坐标系，标出不同种类气溶胶粒子的坐标，并在坐标系中划分不同种类的气溶胶粒子对应的区域。
(4)测试未知荧光气溶胶粒子时，监测装置检测并计算被测气溶胶粒子的散射光峰值、相对荧光强度和本征荧光漂白速度，从而得到被测粒子在三维坐标系中的落点位置，从而根据其落点位置对应步骤(3)中相应的划分区域判定被测气溶胶粒子的种类。
实验表明，本发明通过分析气溶胶粒子经过光敏感区时在连续照射情况下产生的本征荧光脉冲信号的面积、幅值等信息，并结合粒子的弹性散射光脉冲信号，实现不同种类气溶胶粒子的特征信息收集，为气溶胶粒子的初步分类提供依据。
Claims (7)
1.一种生物气溶胶监测装置，包括光路，与光路相交的气路，与光路连接的信号处理***；所述光路，包括用于照射被测粒子的激光照射光路、接收散射光信号的散射光收集光路和接收荧光信号的荧光收集光路；所述气路，用于采样被测粒子；所述信号处理***，用于分析和处理信号；所述激光照射光路与所述气路的交汇区即为光敏感区(G)；其特征在于，所述用于照射被测粒子的激发光源的焦点(M)位于所述激光照射光路的光轴上光敏感区(G)之前或之后，使激发光斑在所述光敏感区(G)内垂直于所述激光照射光路的光轴的横截面呈矩形状，当单个气溶胶粒子经过光敏感区时，被激发光持续照射，获得本征荧光漂白速度。
2.根据权利要求1所述的生物气溶胶监测装置，其特征在于，所述用于照射被测粒子的激光照射光路包括激发光源(101)，该激发光源(101)发出的光平行于X轴方向经非球面镜(102)准直形成平行光束，再经柱面镜(103)聚焦后穿过光敏感区(G)到达光陷阱(105)，在所述的光敏感区(G)的Y轴方向依次是曲面反射镜(104)和二向色镜(106)，该二向色镜(106)与Y轴成45゜设置，该二向色镜(106)对弹性散射光高反且对荧光波段高透。
3.根据权利要求1所述的生物气溶胶监测装置，其特征在于，所述接收散射光信号的散射光收集光路包括沿弹性散射光传输方向依次放置的聚焦镜(111)、散射光阑(112)和散射光接收器(113)。
4.根据权利要求1所述的生物气溶胶监测装置，其特征在于，所述接收荧光信号的荧光收集光路包括沿荧光传输方向依次放置的荧光滤光片(107)、荧光聚焦镜(108)、荧光光阑(109)和荧光接收器(110)。
5.根据权利要求1所述的生物气溶胶监测装置，其特征在于，所述的气路由进气嘴(201)、排气嘴(202)和气泵组成，所述气路的进气方向平行于Z轴并穿过所述的光敏感区(G)。
6.根据权利要求1所述的生物气溶胶监测装置，其特征在于，所述信号处理***包括散射光放大电路(301)、散射光AD转换电路(302)、荧光放大电路(303)、荧光AD转换电路(305)和FPGA电路(303)；所述散射光接收器(113)收集的弹性散射光脉冲信号依次经所述散射光放大电路(301)放大后，经所述散射光AD转换电路(302)转换为数字信号后达到所述FPGA电路(303)；所述荧光接收器(110)收集的本征荧光脉冲信号依次经所述荧光放大电路(303)放大后，经所述荧光AD转换电路(305)转换为数字信号达到所述FPGA电路(303)，所述FPGA电路，用于计算被测气溶胶粒子的相对荧光强度、散射峰值的比值和本征荧光漂白速度。
7.利用权利要求1-6任一所述的生物气溶胶监测装置实现生物气溶胶监测方法，包括如下步骤：
S1.构建不同生物气溶胶粒子的弹性散射光脉冲信号的峰值、相对荧光强度以及本征荧光漂白速度的三维坐标系：
S1.1生物气溶胶粒子经过光敏感区时，激发出弹性散射光脉冲信号和本征荧光脉冲信号，并分别由散射光接收器(113)和荧光接收器(110)接收，经信号放大电路和AD转换电路处理后，传入FPGA电路；
S1.2通过FPGA电路计算待测生物气溶胶粒子的弹性散射光脉冲信号的峰值h0、本征荧光脉冲信号的峰值h1和本征荧光脉冲信号的面积s1；
S1.3.通过FPGA电路计算相对荧光强度，即本征荧光脉冲信号的峰值h1与弹性散射光脉冲信号的峰值h0的比值；
S1.4.通过FPGA电路计算本征荧光漂白速度，即本征荧光脉冲信号的面积s1与本征荧光脉冲信号的峰值h1的比值；
S1.5利用不同生物气溶胶粒子重复步骤S1.1-S1.4，构建不同生物气溶胶粒子的弹性散射光脉冲信号的峰值、相对荧光强度以及本征荧光漂白速度的三维坐标系；
S2.待测生物气溶胶粒子，经过光敏感区时，激发出弹性散射光脉冲信号和本征荧光脉冲信号，并分别由散射光接收器(113)和荧光接收器(110)接收，传入FPGA电路；
S3.通过FPGA电路计算待测生物气溶胶粒子的弹性散射光脉冲信号的峰值、相对荧光强度和本征荧光漂白速度，并对照所述三维坐标系中落点区域，确定待测气溶胶粒子的种类。
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2023
- 2023-06-19 CN CN202380013938.4A patent/CN118176411A/zh active Pending
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