专利名称：双通道实时生物气溶胶监测方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及大 气生物气溶胶粒子，特别是一种双通道实时生物气溶胶监测方法与 装置，可实时测量环境大气中细菌、孢子、病毒等生物粒子的浓度及其变化，实现对大气中 生物气溶胶含量的预警功能。
背景技术：
大气气溶胶粒子是指悬浮在大气中的各种固体微粒和液体微小颗粒，其粒径介于 10-3 μ m 102 μ m之间。其中，有生命活性的生物物质或粒子统称为生物气溶胶粒子，包括 诸如病毒、细菌、真菌、花粉、孢子等微生物。生物气溶胶粒子通常可附着在大气中的非生物 粒子上，如细菌等微生物；也有一些可以直接悬浮于大气中，如粒径较大的花粉颗粒。对人类生活来说，粒径大于10 μ m的气溶胶粒子进入人体的可能性很小，粒径为 5 10 μ m的粒子可进入气管和支气管，粒径小于5 μ m的粒子能深入到深部呼吸道系统。 当气溶胶的浓度达到足够高时，将对人类健康造成威胁。尤其空气中的生物气溶胶可引发 人类的急性、慢性疾病以及动植物疾病。同时，由于微生物能产生各种休眠体，可在空气中 长时间存活，并可以借助空气介质扩散和传输，从而导致各种传染病的爆发与蔓延，造成严 重危害。所以发展一种能够实时检测周围环境中生物气溶胶浓度的技术是十分重要的。检测生物气溶胶浓度的方法主要有传统的采集培养法与单粒子紫外光诱导荧光 检测法等。采集培养法是先将空气中的微生物采集到培养液中，再进行相当长时间的培养， 最后通过观察菌斑的数目来推测先前空气中的生物粒子浓度。生物粒子内部含有苯基丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和核黄素 等表征生物活性的有机分子，在紫外光诱导下会产生本征荧光。这种荧光是区分生物粒子 与非生物粒子的重要依据。单粒子紫外光诱导荧光检测法是基于该原理来检测生物气溶胶 含量的。该技术利用气泵对大气进行采样，其采样气路使气溶胶粒子依次、单个通过紫外光 检测区域。单气溶胶粒子的荧光被荧光检测系统接收并通过光电转换器件转换为电信号。 该荧光信号幅值超过设定阈值，则判定待检粒子为生物粒子。在一段采样时间内检测到的 生物粒子的个数与采样气体的体积之比为生物气溶胶粒子的浓度。上述现有技术主要存在以下缺点1、检测灵敏度低、周期长，不具备实时性。传统的检测方法需要经过采集和培养等 步骤，且培养过程一般需在要求比较严格的实验室环境下进行，不能在现场环境下操作。2、检测设备的体积大，使用条件要求高，不便于现场与网状布点监测。单粒子紫外 光诱导荧光检测法中，由于单个气溶胶粒子的本征荧光很低，为提高检测灵敏度，需要高功 率与高稳定性的紫外激发光源以及高灵敏度的光电探测器。该方法使用的紫外光源一般为 氙灯或者由近红外固体激光器(如Nd:YAG激光器)倍频得到的紫外激光器，这类紫外光源 的功耗高、结构尺寸大，且光路结构复杂。3、结构较为复杂，对气路稳定性要求高，在大气气溶胶浓度过高时不适用。单粒子紫外光诱导荧光检测法需要设计专用的单气溶胶粒子产生气路，且流量较低，在气溶胶浓 度过高时会出现较大的重叠误差。4、漏报率较高。不同的微生物粒子往往具有不同的吸收光谱和相应的本征荧光光 谱。由于受光源条件与设备体积限制，单粒子紫外光诱导荧光检测法一般使用单个波长的 紫外光源(266nm、280nm、355nm或365nm)，这对某些生物粒子的荧光激发效率低，探测灵敏 度不足，易出现漏报现象。5、误报率较高。油烟颗粒等非生物气溶胶粒子和花粉等无害气溶胶粒子在受紫外 光激发时会产生特有的荧光。单粒子紫外光诱导荧光检测法使用单个波长的紫外光源，很 难获得足够的被检粒子的吸收光谱与荧光光谱信息加以分辨，易造成错误判断。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的诸多问题，提供一种双通道实时生物气溶 胶监测方法与装置。该方法与装置可实时测量环境大气中生物气溶胶的浓度、种类及其变 化，实现对大气生物气溶胶的高灵敏度、低误报率的实时监测。本发明的技术解决方案如下一种双通道实时生物气溶胶监测方法，其特点在于该方法包括下列步骤①大气气溶胶粒子富集利用气泵对大气气溶胶粒子进行采样，经粒子过滤器滤 除干扰粒子后，由气溶胶粒子富集器将采样气溶胶中的粒子沉积到粒子富集器末端的粒子 富集板上，形成多粒子样本；②双通道紫外光诱导荧光检测双通道分别检测粒子富集板上富集的粒子在两种 波长的紫外激发光诱导下发出的荧光光谱；③数据处理依据荧光强度判断生物气溶胶粒子的浓度，依据不同波段的荧光分 布获得粒子的有机分子构成，从而判断粒子的种类；④对粒子富集板进行表面清洁与再生；⑤重复上述步骤①②③④，进行新一轮循环检测，从而实现对大气中生物气溶胶 的实时监测功能。实施上述的双通道实时生物气溶胶监测方法的装置，其特点在于该装置包括气溶 胶粒子富集单元、双通道紫外光诱导荧光检测单元、粒子富集板再生机构、旋转平台与控制 系统所述的气溶胶粒子富集单元包括粒子过滤器、粒子富集器、粒子富集板、承载台和 气泵，所述的粒子过滤器、粒子富集器和气泵通过气路管道依次相连，所述的粒子富集板通 过所述的承载台固定在所述的旋转平台的圆形平台上的边缘，在富集气溶胶粒子时该粒子 富集板的中心与所述的粒子富集器的通道出口相对；所述的旋转平台包括圆形平台、转台驱动电机与位置传感器，所述的圆形平台的 四周边沿设有四个不同宽度的狭缝，所述的位置传感器位于所述的圆形平台的一个侧面， 当转台驱动电机驱动所述的圆形平台旋转时，该位置传感器扫描所述的四个狭缝并向所述 的控制系统输入相应的位置信号；所述的双通道紫外光诱导荧光检测单元包括荧光检测第一通道和荧光检测第二 通道；
所述的粒子富集板再生机构包括设置在所述的圆形平台侧面的清理毛刷和附静 电装置；所述的控制处理系统包括一台嵌入式计算机和数据采集卡，所述的气泵、转台驱 动电机、位置传感器、清理毛刷、荧光检测第一通道和荧光检测第二通道与该控制处理系统 相连并受控地协同工作。所述的荧光检测第一通道和荧光检测第二通道的构成包括激发光路和接收光路， 区别在于激发光源分别为365nm的发光二极管和280nm发光二极管，荧光探测器的接收波 段分别为420nm 600nm和300nm 420nm。所述的荧光检测第一通道和荧光检测第二通道的激发光路构成包括紫外光源，沿 该紫外光源的紫外光输出分向依次是激发光准直镜组、激发光滤光片、激发光聚焦镜组直 达所述的粒子富集板；在激发光路中放置有低反射率反射镜，在该低反射率反射镜的反射 方向设置光强探测器；所述的接收光路由荧光准直镜组、荧光滤光片、荧光聚焦镜组和光电 倍增管探测器组成，由光电倍增管探测器转换为可表征当前荧光强度的电信号送所述的控 制处理系统。所述的荧光检测第一通道和荧光检测第二通道的激发光路和接收光路可为共光 路光学系统，激发光路由紫外光源、激发光准直镜组、激发光滤光片、分色镜、激发光聚焦镜 组、粒子富集板组成；接收光路由粒子富集板、荧光准直镜组、分色镜、荧光滤光片、荧光聚 焦镜组、光电倍增管探测器组成，在所述的分色镜相对紫外光源的另一侧放置光强探测器， 实时监测紫外光源的强度，所述的分色镜对紫外光高反，对荧光高透。所述的粒子过滤器可以滤除采样气溶胶中粒径大于10 ym的粒子与水滴、油滴以 及烟雾粒子等可产生荧光的非生物气溶胶粒子，降低了本监测方法与装置的误报率。所述的粒子富集器基于惯性粒子冲击器原理设计。惯性冲击器是一种利用惯性实 现粒子与空气分离的装置。气溶胶沿该装置内的气路方向前进，当其流场发生改变时，大 于某个粒径的粒子由于惯性较大，不易改变运行轨迹，会与气溶胶分离并冲击到粒子富集 装置表面而被收集；小粒径粒子则会在气流粘性力的作用下，逐渐改变运行轨迹，最终被气 流带走。基于此原理设计的气溶胶粒子富集器可将大部分所需粒径范围内的气溶胶粒子 收集到粒子富集板上。通常，细菌、真菌、花粉、孢子等对人体有影响的生物气溶胶粒径介于 0. 5 ii m 10 ii m之间，因此本气溶胶粒子富集器可收集的最小粒径尺寸为0. 5 y m。所述的粒子富集板在收集气溶胶粒子后，可由旋转平台定位到紫外光诱导荧光检 测单元待检位置检测荧光。粒子富集板由在紫外光照射下不会产生荧光的材料，如熔石英 等制作而成。所述的双通道紫外光诱导荧光检测单元采用两个独立的检测通道对粒子富集板 上的微生物粒子本征荧光进行检测。两个检测通道的激发光波长与接收荧光波长均不同， 其依据不同生物有机分子具有不同吸收光谱与荧光光谱的原理而设计。在微生物粒子所含的各种有机分子中，苯基丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的吸收峰在 260nm 295nm波长之间，荧光发射峰在300nm 420nm之间；烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的吸 收峰在340nm左右，荧光发射峰在420nm 600nm之间；核黄素的吸收峰有三处，其中260nm 最高、350nm次之、450nm较小，荧光发射峰在500nm 650nm之间。不同的微生物粒子所含 的成分往往不同，如细菌、孢子中往往含有各种上述有机分子，而病毒、毒素中一般仅含有氨基酸成分。所以，不同的微生物粒子呈现不同的紫外光吸收与发光特性。基于目前的光学荧光检测技术与激发效率，一般可采用波长在266nm 280nm左 右的紫外光源激发色氨酸、核黄素等物质的荧光，采用355nm 365nm紫外光源激发烟酰胺 腺嘌呤二核苷酸等物质的荧光。因此，所述的双通道紫外光诱导荧光检测单元中一个通道 紫外光源波长为280nm，荧光光谱检测范围为300nm 420nm之间。另一个通道紫外光源波 长为365nm，荧光光谱检测范围为420nm 650nm之间。通过对比分析两个通道荧光检测结 果，可以增大检测对象范围，在一定程度上区分微生物的种类，降低检测误报率。每个紫外光诱导荧光检测单元包括紫外光激发系统与荧光接收系统。紫外光激发 系统可在粒子富集板表面气溶胶粒子采样分布区域内产生较高功率紫外激发光光斑。荧光 接收系统可接收并检测受激发区域内所有粒子在所需荧光波段范围内的荧光总和。该荧光 总强度与气溶胶粒子含量呈比例关系。该荧光检测系统对激发光功率要求比单粒子荧光检 测系统低。紫外光源可选用功率较低的发光二极管，其体积较小，装配精度要求低。所述的粒子富集板再生机构以清除掉粒子富集板上已附着的气溶胶粒子，使粒子 富集板可以重新收集粒子，重复使用，实现对大气气溶胶的实时循环检测。所述的旋转平台包括用于固定粒子富集板承载台的旋转台、转台驱动电机与位置 传感器，用以实现粒子富集板在采样、荧光检测与清洁再生过程中的旋转定位。所述的控制系统可实现装置的整体运动控制，信号的处理以及外界通讯等功能。与在先技术相比，本发明有以下技术效果1、检测周期短，可实时监测大气中生物气溶胶的含量。本发明的检测周期取决于采样时间与荧光检测时间，可控制在30秒到10分钟内。 该监测装置由控制系统控制，实现大气气溶胶高实时性自动监测。2、检测装置使用条件要求低、体积小，可用于现场与网状布点监测。本发明采用粒子富集器高效地获取多气溶胶粒子样本进行荧光检测，降低了对紫 外激发光源功率与荧光探测器件的要求，减小了装置的体积，可应用于现场监测或在线检 测。3、结构简单、气路要求低。本发明中的粒子富集器和气路、荧光检测、定位机构等设计难度与技术要求较低， 易于实现。4、漏报率低、检测范围广、准确度高。本发明采用双通道紫外光诱导荧光检测单元，可依据不同的微生物粒子的紫外光 吸收与发光特性区分生物粒子种类，扩大了系统的检测范围，提高了系统的检测准确度。5、误报率低。本发明中装有粒子过滤器滤除采样气溶胶中的大粒径粒子与水滴、油滴以及烟雾 颗粒等可产生荧光的非生物气溶胶粒子，同时，本发明采用的双通道紫外光诱导荧光检测 单元可依据被检粒子的吸收光谱与荧光光谱加以分辨，降低误报率。


图1是本发明监测装置结构平面示意图。图2是本发明中的监测装置结构立体示意图。
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图3是粒子富集器的结构设计图。图4是粒子富集板表面富集的气溶胶粒子的分布示意图。图5是本发明中紫外诱导荧光检测单元分光路光学系统结构示意图。图6是本发明中紫外诱导荧光检测单元共光路光学系统结构示意图。图7是本发明中采用数字量输出控制电源开关的电路原理图。图8是本发明中监测装置的工作流程图。图9是本发明中的旋转平台定位原理图。图10是依据本装置对含有不同浓度B800型标准荧光微球气溶胶的检测结果绘出 的工作响应曲线以及线性拟合曲线。
具体实施例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。图1是本发明中的监测装置结构平面示意图。图2是本发明中的监测装置结构立 体示意图。由图可见，本发明双通道实时生物气溶胶监测装置，包括气溶胶粒子富集单元1、 双通道紫外光诱导荧光检测单元3、粒子富集板再生机构4、旋转平台2与控制系统5 所述的气溶胶粒子富集单元1包括粒子过滤器101、粒子富集器102、粒子富集板 103、承载台104和气泵105，所述的粒子过滤器101、粒子富集器102和气泵105通过气路 管道依次相连，所述的粒子富集板103通过所述的承载台104固定在所述的旋转平台2的 圆形平台201上的边缘，在富集气溶胶粒子时该粒子富集板103的中心与所述的粒子富集 器102的通道出口相对；所述的旋转平台2由圆形平台201、转台驱动电机202和位置传感器203构成，所 述的圆形平台201的四周边沿设有四个不同宽度的狭缝204，所述的位置传感器203位于所 述的圆形平台201的一个侧面，当转台驱动电机202驱动所述的圆形平台201旋转时，该位 置传感器203扫描所述的四个狭缝204并向所述的控制系统5输入相应的位置信号；所述的双通道紫外光诱导荧光检测单元(3)包括荧光检测的第一通道(301)和荧 光检测的第二通道(302)；所述的粒子富集板再生机构4包括设置在所述的圆形平台201侧面的清理毛刷 401和附静电装置402 ；所述的控制处理系统5包括一台嵌入式计算机和数据采集卡，所述的气泵105、转 台驱动电机202、位置传感器203、清理毛刷401、荧光检测第一通道301和荧光检测第二通 道302与该控制处理系统5相连并受控地协同工作。所述的气溶胶粒子富集单元1可将环境大气中粒径在0. 5 ii m与10 ii m之间的气 溶胶粒子收集到粒子富集板103上。所述的粒子过滤器101可以过滤掉采样气溶胶中的粒径大于lOym的粒子与水 滴、油滴以及烟雾颗粒，避免可产生荧光的非生物气溶胶带来的干扰，降低装置的误报率。所述的粒子富集器102是一种基于传统惯性冲击原理而设计的气溶胶粒子采样 装置。其结构设计图如图3所示，图中箭头所示为气溶胶气路方向。采样气溶胶经直径为 W的气路喷嘴喷出后，受到粒子富集板103阻挡，沿气路方向流场发生改变。粒径较大的粒子由于惯性较大，不易改变运行轨迹，而冲击到粒子富集板103上被收集。小粒径粒子则会 在气流粘性力的作用下，逐渐改变运行轨迹，最终被气流带走。惯性冲击器的特性通常用收 集效率曲线来表示。收集效率为50%对应的粒子直径称为惯性冲击器的切割粒径Dp50，该 参数直接取决于气路管道直径W、采样气溶胶的流量Q等参数。通常，细菌、真菌、花粉、孢子 等对人体有影响的生物气溶胶粒径介于0. 5 y m 10 y m之间。因此，所述的气溶胶粒子富 集器的切割粒径可选取为0. 5 y m，即粒径在0. 5 y m以上的气溶胶粒子将大部分被收集到 粒子富集板上。按照传统惯性冲击器的设计理论，若要实现0. 5 ym的切割粒径，空气流量 Q需大于3升/分钟，喷嘴直径W为0. 5 1mm。此时，气溶胶中粒径0. 5 y m以上的大部分 气溶胶粒子可被富集到粒子富集板103中心直径1 2mm圆形区域中，如图4所示。所述的粒子富集板103用来富集冲击到板上的气溶胶粒子。它由在紫外光照射下 不会产生荧光的材料，如熔石英等制作而成。在采样结束后，粒子富集板103由旋转定位平台2定位到紫外光诱导荧光检测单 元3的待检位置检测荧光。所述的粒子富集板旋转定位平台2由圆形平台201、转台驱动电机202、位置传感 器203构成，完成粒子富集板103及粒子富集板承载台104在气溶胶采样、荧光检测与表面 清洁再生过程中的旋转定位。转台驱动电机202采用步进电机或直流电机等驱动旋转台201旋转。位置传感器203可选用角度编码器、霍尔传感器或光电开关等反馈型定位器件， 圆形平台201侧面加装有相应的码盘、在所需位置加装磁铁或开通狭缝等实现粒子富集板 103的定位。所述的粒子富集板旋转定位平台2的旋转与定位的控制由控制处理系统5完成。由于双通道紫外光诱导荧光检测单元3均对附着在粒子富集板103采样区域内的 所有气溶胶粒子的受激本征荧光总量进行检测，所以激发光源功率要求不高，均选用紫外 发光二极管。两个通道紫外光诱导荧光检测单元的光学系统结构相似，均由紫外光激发光路与 荧光接收光路组成。两条光路可采用共光路设计，也可采用分光路设计。在图5所示的分光路光学系统中，激发光路由紫外光源11、激发光准直镜组12、激 发光滤光片13、激发光聚焦镜组14、粒子富集板103组成；接收光路由粒子富集板103、荧 光准直镜组15、荧光滤光片16、荧光聚焦镜组17、光电倍增管探测器18组成。此光路中，由 紫外光源11发射出的紫外光由激发光准直镜组12准直，经激发光滤光片13滤除光源中的 杂光后被激发光聚焦镜组14聚焦到粒子富集板103表面上的粒子富集区域。粒子富集板 103上的生物气溶胶粒子受激产生荧光。荧光经过荧光准直镜组15准直，再经荧光波段滤 光片16滤除掉荧光中的杂散光后，由荧光聚焦镜组17聚聚到光电倍增管探测器18的接收 面上，经由光电倍增管探测器18转换为可表征当前荧光强度的电信号。在激发光路中放置 有光强探测器19检测低反射率(≤1％)反射镜20反射的激发光，由此实时监测紫外光源 11的强度，为荧光检测结果修正提供参考。在图6所示的共光路光学系统中，激发光路由紫外光源21、激发光准直镜组22、激 发光滤光片23、分色镜24、激发光聚焦镜组25、粒子富集板103组成；接收光路由粒子富集 板103、荧光准直镜组25、分色镜24、荧光滤光片26、荧光聚焦镜组27、光电倍增管探测器28组成。激发光路的激发光聚焦镜组和接收光路的荧光准直镜组共用。该系统通过分色镜 24将两条光路分开。分色镜24对紫外光高反，对荧光高透。在分色镜24相对紫外光源21 另一侧放置光强探测器29，可实时监测紫外光源21的强度，并为荧光检测结果修正提供参考。依据激发紫外光与荧光参数的不同，两套荧光检测光学系统中所选用的光学材料 及光学工艺也不同。365nm紫外光诱导荧光检测单元301选用波长为365nm的发光二极管， 接收波长在420nm 600nm之间的荧光；280nm紫外光诱导荧光检测单元302选用波长为 365nm的发光二极管，接收波长在300nm 420nm之间的荧光。通过对比两个通道荧光检测 结果，可以增大检测对象范围，在一定程度上区分微生物的种类，降低检测误报率。在每套光学系统中都安装有光源光强探测器，可实时监测各光源功率。所述控制 处理系统5根据这一反馈对测得的荧光光强进行修正。不同微生物粒子内，两种有机分子的含量不同，产生的荧光强度也不同。本发明 中，每个通道紫外光诱导荧光检测单元得到的荧光信号强度与粒子富集板上所富集样本中 含有的不同有机物质总量有对应关系。该对应关系是通过本装置对不同浓度标准荧光微 球或标准微生物粒子气溶胶的标定检测结果确立的。依据该对应关系，控制处理系统5由 280nm紫外光诱导荧光检测单元修正后的荧光信号强度值计算被检测微生物粒子内色氨酸 总含量，由365nm紫外光诱导荧光检测单元修正后的荧光信号强度值计算烟酰胺腺嘌呤二 核苷酸等有机物质的总含量。某些可产生荧光的非生物气溶胶粒子，如油烟粒子等在分别 受到280nm与365nm波长激发光激发时产生的荧光分布与生物粒子不同。因此，依照两个通道得到的荧光强度与相互比例，控制处理系统5可排除非生物 气溶胶粒子，并依据两种有机分子的含量区分微生物粒子种类(病毒或细菌)，以降低误报 率。所述粒子富集板表面再生机构4包括粒子富集板表面清理毛刷401和粒子富集板 表面附静电装置402。粒子富集板表面清理毛刷401可选用被直流电机驱动的圆形刷子。通过刷子和粒 子富集板表面的接触与快速旋转，清除掉粒子富集板103上附着的气溶胶粒子。所述的粒子富集板表面上静电装置402由尼龙刷子构成，当尼龙刷子划过粒子富 集板103表面时，尼龙与玻璃粒子富集板103摩擦时使粒子富集板表面产生静电。由于静 电作用可以提高粒子富集板103的采集效率。所述的控制处理系统5以一台PC104嵌入式计算机与一块PC104数据采集模块为 中心，通过数字量输入/输出(DI/0)、模拟量输入(AI)、定时器等功能实现对仪器整体的控 制和信号的处理。数字量输出(以下简称为DO)用于控制开关电路的共计4路，分别控制采样气泵 105、粒子富集板表面清理毛刷401的驱动直流电机、两路紫外光源的开启与关闭。如图7 的电路原理图所示，开关电路由N沟道场效应管构成，由DO各口直接控制场效应管的开启 与关闭。转台驱动电机202 —般由专用驱动器驱动。DO计有脉冲步进信号与方向信号2 路。数字量输入(以下简称为DI)用于读入位置传感器203的状态，以判别转台位置。
模拟量输入共计4路，分别读取两通道中荧光经光电倍增管光电转换后的电压信 号与光电二极管监测反馈电压信号。定时器用以控制气溶胶粒子富集单元1的采样时间，设置范围为30秒到10分钟。图8是本发明中监测装置的工作流程图，包括如下步骤1、位置初始化在装置启动前，旋转台上的承载粒子富集板的承载台可能在任意角度。当装置启 动后，装置首先进入位置初始化状态，使承载台进入检测周期的第一个位置对粒子富集板 进行清理。2.、粒子富集板清理装置进入粒子富集板清理状态后，粒子富集板清理刷子快速旋转，将粒子富集板 上的粒子等残留物质清除掉。3、粒子富集板上静电在转台驱动电机驱动下，旋转台快速转过粒子富集板表面上静电刷子，由于尼龙 刷子与粒子富集板间的摩擦，使粒子富集板表面产生静电。4、荧光本底检测在转台驱动电机驱动下，旋转台继续旋转。当控制处理系统识别到粒子富集板指 向280nm紫外光诱导荧光检测单元时，装置进入荧光检测状态。控制处理系统控制检测系 统多次采集荧光信号，并记录数据。在检测完成之后，控制处理系统将检测到的多组数据进 行处理，取其平均值记为当前测得的荧光值。在完成280nm紫外光诱导荧光检测后，旋转台 继续旋转，当粒子富集板指向365nm紫外光诱导荧光检测单元后，以与280nm荧光检测同样 的方式进行365nm紫外光诱导荧光检测。并将本次测得的两个数据记为本周期粒子富集板 荧光本底值。5、气溶胶采样在转台驱动电机驱动下，旋转台继续旋转。当控制处理系统5识别到粒子富集板 103指向气溶胶收集装置1时，气溶胶收集装置1进入气溶胶采样状态。此时，粒子富集 器102与粒子富集板103紧密闭合。在气泵105的驱动下，气路中大于该采集器切割粒径 0. 5um的粒子由于惯性大，冲击到粒子富集板上被收集。经过一段时间采样后，粒子富集板 103的中心位置直径为1 2mm的圆形区域内将富集大量的气溶胶粒子。6、荧光检测与算法判别采样完成后，转台驱动电机202反向转动，装置再次进入紫外光诱导荧光检测状 态。当控制处理系统5识别到粒子富集板103指向365nm紫外光诱导荧光检测单元301时， 控制整个装置进行扫描检测，控制处理系统5采用与步骤4相同的处理方式对数据进行处 理，并将本次检测到的结果与先前测得的本底值相减作为本周期365nm紫外光诱导荧光检 测结果。而后，控制处理系统采用相同的方式获得本周期280nm紫外光诱导荧光检测结果。控制处理系统5根据由光源光强检测装置测得的两种光源强度修正本周期内测 得的荧光强度数据。控制处理系统根据两种荧光强度的大小是否超过自定义阈值，判断当前环境下生 物气溶胶是否超标，如果超标立即启动报警装置。根据两个通道测得的荧光强度数据的数值及相互关系，控制处理系统5推测出当前环境生物气溶胶粒子的类型。荧光检测完成后，旋转台201继续旋转，当粒子富集板103再次指向粒子富集板清 理装置，系统进入粒子富集板清理步骤2，开始下一周期的检测，如此循环，最终完成对大气 中生物气溶胶的实时监测功能。请参阅图9，图9为本发明中的旋转平台定位原理图。由图可见旋转平台由粒子 富集板103、承载台104、旋转平台201、转台驱动电机202、位置传感器203组成。在转台驱 动电机202驱动下，所述旋转平台201旋转进入不同的位置。粒子富集板103为熔石英玻 璃板，可附着采集到的气溶胶粒子。在旋转平台201侧面不同角度依据定位要求开有不同 宽度的狭缝204，并和位置传感器203组成位置识别结构。当狭缝204经过位置传感器203 时，由于不同位置的狭缝开口角度大小不同，位置传感器203可向控制处理系统5输出一个 不同时间长度的脉冲信号，控制处理系统5可依据脉冲信号的下降沿定位，依据脉冲持续 时间识别当前粒子富集板103的位置，并命令装置产生相应操作。在本装置中，共计有四个 不同宽度的狭缝，宽度为L1的狭缝对应粒子富集板采样位置、宽度为L2的狭缝对应365nm 紫外光诱导荧光检测位置、宽度为L3的狭缝对应280nm紫外光诱导荧光检测位置、宽度为 L4的狭缝对应粒子富集板清理与再生的位置。图1与图2是本发明的最佳实施例的结构示意图，其具体结构和参数叙述如下本实施例气溶胶粒子富集单元1中，粒子过滤器101的滤径为lOym，粒子富集器 102的切割粒径为0. 5 y m，粒子富集板103材料为熔石英，气泵105的流量为3升/分钟。 采样周期为1分钟，富集到的粒子集中在粒子富集板上直径约为①1. 5mm的圆形区域内。本实施例粒子富集板旋转定位平台2中，转台驱动电机202为步进电机，位置传感 器203为光电开关。本实施例选用的双通道紫外光诱导荧光检测单元3中，365nm紫外光诱导荧光检 测单元301紫外光源为波长为365nm的发光二极管，功率约为1. 5mW，荧光光谱检测范围为 420nm 650nm之间；280nm紫外光诱导荧光检测单元302紫外光源为波长为280nm的发光 二极管，功率约为1.5mW，荧光光谱检测范围为300nm 420nm。两个通道紫外光诱导荧光 检测单元的光学系统均采用图6所示的共光路结构，激发光斑直径约为Ol. 5mm，荧光接收 光路数值孔径为0. 49。采用本装置对含有不同浓度美国Thermo Scientific (原DUKE公司)的B800型 标准荧光微球的气溶胶进行了检测。B800荧光微球标准粒径为0. 8 y m，其受激发射光谱与 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸辅酶的受激发射光谱较为相近。图10是依据本装置检测结果绘出 的工作响应曲线以及线性拟合曲线，横坐标为气溶胶中粒子浓度，纵坐标为荧光信号幅值。 从上述结果可看出，该装置的工作线性响应特性较好，线性相关因子R2 > 99%，标准均方 差较小。取荧光信号幅值灵敏度下限设为0. 15V，本装置对B800型荧光微球浓度的检测灵 敏度优于500颗/升。与在先技术相比，本发明的特点在于采用基于惯性冲击原理设计粒子富集器对 大气气溶胶进行高效采样，得到多粒子样本，采样周期短；采用双通道紫外光诱导荧光检测 单元检测多粒子样本的荧光，降低了对紫外激发光源功率与荧光探测器件的要求；依据双 通道紫外光诱导荧光检测单元得到的荧光信息判定待检粒子中两种有机物质的含量以区 分生物粒子种类，扩大了系统的检测范围，提高了系统的检测准确度；采用粒子过滤器滤除采样气溶胶中的大粒径粒子与水滴、油滴以及烟雾颗粒等可产生荧光的非生物气溶胶粒 子，同时利用双通道紫外光诱导荧光检测单元得到的荧光信息分辨非生物气溶胶粒子， 降 低了误报率；技术易于实现，检测周期短，结构紧凑，灵敏度高，可用于现场与网状布点实时 监测。
权利要求
一种双通道实时生物气溶胶监测方法，其特征在于该方法包括下列步骤①大气气溶胶粒子富集利用气泵对大气气溶胶粒子进行采样，经粒子过滤器滤除干扰粒子后，由气溶胶粒子富集器将采样气溶胶中的粒子沉积到粒子富集器末端的粒子富集板上，形成多粒子样本；②双通道紫外光诱导荧光检测双通道分别检测粒子富集板上富集的粒子在两种波长的紫外激发光诱导下发出的荧光光谱；③数据处理依据荧光强度判断生物气溶胶粒子的浓度，依据不同波段的荧光分布获得粒子的有机分子构成，从而判断粒子的种类；④对粒子富集板进行表面清洁与再生；⑤重复上述步骤①②③④，进行新一轮循环检测，从而实现对大气中生物气溶胶的实时监测功能。
2.实施权利要求1所述的双通道实时生物气溶胶监测方法的装置，其特征在于该装置 包括气溶胶粒子富集单元(1)、双通道紫外光诱导荧光检测单元(3)、粒子富集板再生机构 (4)、旋转平台(2)与控制系统(5)所述的气溶胶粒子富集单元(1)包括粒子过滤器(101)、粒子富集器(102)、粒子富集 板(103)、承载台(104)和气泵(105)，所述的粒子过滤器(101)、粒子富集器(102)和气泵 (105)通过气路管道依次相连，所述的粒子富集板(103)通过所述的承载台(104)固定在所 述的旋转平台(2)的圆形平台(201)上的边缘，在富集气溶胶粒子时该粒子富集板(103) 的中心与所述的粒子富集器(102)的通道出口相对；所述的旋转平台(2)包括圆形平台(201)、转台驱动电机(202)与位置传感器(203)， 所述的圆形平台(201)的四周边沿设有四个不同宽度的狭缝(204)，所述的位置传感器 (203)位于所述的圆形平台(201)的一个侧面，当转台驱动电机(202)驱动所述的圆形平台 (201)旋转时，该位置传感器(203)扫描所述的四个狭缝(204)并向所述的控制系统(5)输 入相应的位置信号；所述的双通道紫外光诱导荧光检测单元(3)包括荧光检测的第一通道(301)和荧光检 测的第二通道(302)；所述的粒子富集板再生机构(4)包括设置在所述的圆形平台(201)侧面的清理毛刷 (401)和附静电装置(402)；所述的控制处理系统(5)包括一台嵌入式计算机和数据采集卡，所述的气泵(105)、转 台驱动电机(202)、位置传感器(203)、清理毛刷(401)、荧光检测第一通道(301)和荧光检 测第二通道(302)与该控制处理系统(5)相连并受控地协同工作。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的荧光检测第一通道(301)和荧光检 测第二通道(302)的构成包括激发光路和接收光路，区别在于激发光源分别为365nm的发 光二极管和280nm发光二极管，荧光探测器的接收波段分别为420nm 600nm和300nm 420nmo
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述的荧光检测第一通道(301)和荧光检 测的第二通道(302)的激发光路构成包括紫外光源(11)，沿该紫外光源(11)的紫外光输出 分向依次是激发光准直镜组(12)、激发光滤光片(13)、激发光聚焦镜组(14)直达所述的粒 子富集板(103)；在激发光路中放置有低反射率反射镜(20)，在该低反射率反射镜(20)的反射方向设置光强探测器(19)；所述的接收光路由荧光准直镜组(15)、荧光滤光片(16)、 荧光聚焦镜组(17)和光电倍增管探测器(18)组成，由光电倍增管探测器(18)转换为可表 征当前荧光强度的电信号送所述的控制处理系统(5)。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于荧光检测第一通道(301)和荧光检测第二 通道(302)的激发光路和接收光路为共光路光学系统，激发光路由紫外光源(21)、激发光 准直镜组(22)、激发光滤光片(23)、分色镜(24)、激发光聚焦镜组(25)、粒子富集板(103) 组成；接收光路由粒子富集板(103)、荧光准直镜组(25)、分色镜(24)、荧光滤光片(26)、荧 光聚焦镜组(27)、光电倍增管探测器(28)组成，在所述的分色镜(24)相对紫外光源(21) 的另一侧放置光强探测器(29)，实时监测紫外光源(21)的强度，所述的分色镜(24)对紫外 光高反，对荧光高透。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的清理毛刷(401)是由直流电机驱动 的圆形刷子。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的上静电装置(402)由尼龙刷子构成， 当尼龙刷子划过粒子富集板(103)表面时，尼龙与玻璃粒子富集板(103)摩擦时使粒子富 集板表面产生静电。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的粒子富集板由熔石英制成。
全文摘要
一种双通道实时生物气溶胶监测方法与装置，其特点在于该方法包括下列步骤①大气气溶胶粒子富集；②双通道紫外光诱导荧光检测；③数据处理；④对粒子富集板进行表面清洁与再生；⑤重复进行新一轮循环检测。装置包括气溶胶粒子富集单元、双通道紫外光诱导荧光检测单元、粒子富集板再生机构、旋转平台与控制系统。本发明可实时测量环境大气中细菌、孢子、病毒等生物粒子的浓度及其变化，实现对大气中生物气溶胶含量的预警功能。
文档编号G01N1/20GK101858847SQ20101017795
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者冯春霞, 周光超, 孙征宇, 张友宝, 谢承科, 赵永凯, 韩杰, 黄惠杰, 黄立华 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所