细菌微生物的多波长多角度三维光谱检测方法及装置

本发明涉及环境水体污染监测，具体为细菌微生物的多波长多角度三维光谱检测方法及装置。

背景技术：

1、近年来，由于城市化进程，我国地下水与地表水污染较为严重，水体的细菌微生物污染严重威胁人体健康。在全球范围内，每年约有190万人因水体细菌污染而死亡。据此，准确、快速的细菌微生物鉴定对于准确的疾病诊断、感染治疗和追踪与微生物感染相关的疾病暴发至关重要。

2、目前，细菌微生物的检测主要以生物学检测技术与光谱学检测技术为主。生物学检测技术主要有：人工培育法、电化学方法、分子生物学技术与生物传感技术等；光谱学检测技术主要有：荧光光谱技术、红外光谱技术、拉曼光谱技术与散射透射光谱技术等。然而以上两类技术用于细菌微生物的实际检测中分别存在相应问题：(1)多数检测技术，如分子生物学技术中的聚合酶链反应技术(po lymerase chai n react ion，pcr)，所要求的仪器或试剂成本较高且操作条件苛刻，在常规检测中未得到广泛应用；(2)检测分析的周期较长，难以进行实时监测并且不利于当今的临床实验；(3)多数光谱技术，如分子生物学技术中的荧光原位杂交技术和光谱学的荧光光谱技术，需要用荧光试剂辅助，实验成本高且存在特异性问题。由此，亟须发展测量简单快速的用于细菌微生物识别和表征的实时监测技术。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了细菌微生物的多波长多角度三维光谱检测方法及装置，解决了细菌微生物检测方法中的周期长、操作复杂且无法在线检测的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种细菌微生物的多波长多角度三维光谱检测方法，包括以下步骤：基于光源发射的预定波长范围的光照射到细菌微生物样品；获取多观测角度下的细菌微生物样品的光能；将光能的光信号转化为电信号，得到每个观测角度下关于波长的强度光谱；基于波长的强度光谱确定每个观测角度的散射光谱和吸收光谱；基于散射光谱和吸收光谱获取细胞相关特性信息；通过入射光的偏振特性进行光谱差异分析，得出分子取向以及化学键振动对称性信息；基于细胞相关特性信息、分子取向以及化学键振动对称性信息对细菌微生物样品中的各类细菌微生物进行表征与识别。

3、进一步地，获取多观测角度下的样品的散射光能的过程如下：获取每个观测角度下的待处理光能，所述待处理光能由每个观测角度下的准直透镜获取；对每个观测角度下的待处理光能进行处理，计算得出每个观测角度下的散射光能，计算公式如下：式中，siei为第i个观测角度下的散射光能，a＝1,2,3,...,a为第i个观测角度下准直透镜进行的采样周期的个数，b＝1,2,3,...,b为第i个观测角度下准直透镜在每个采样周期内进行采样的次数，dseab为第i个观测角度下准直透镜在第a个采样周期中第b次采样获取的待处理光能，υ为计算调整因子，用于调整计算值，基于历史数据中的散射测量值与散射标准值计算得出。

4、进一步地，基于历史数据中的测量值与标准值计算得出υ的过程如下：获取已知细胞相关特性信息的细菌微生物样品，并基于训练好的推算模型获取设定的各观测角度的散射标准值；基于同等环境在设定的各观测角度进行多周期采样，获取每个观测角度下的散射测量值；基于散射测量值和散射标准值计算计算调整因子，计算公式如下：式中，c＝1,2,3,...,c为获取散射测量值和散射标准值的观测角度的个数，ssvc为第c个观测角度的散射标准值，d＝1,2,3,...,d为ssvc对应的第c个观测角度进行采样的周期数，e＝1,2,3,...,e为每个采样周期进行采样的个数，smvcde为ssvc对应的第c个观测角度在第d个采样周期的第e个采样点的散射计算值，为ssvc对应的第c个观测角度的散射测量值。

5、进一步地，得到每个观测角度下关于波长的强度光谱的过程如下：基于设定的信噪比和动态范围，将经过电荷耦合装置转化的电信号进行放大和调理；基于光电探测器将放大和调理后的电信号进行处理，将不同波长的光分散；基于记录的各个波长处的光强度，获取关于波长的强度光谱。

6、进一步地，基于散射光谱和吸收光谱获取细菌微生物细胞相关特性信息通过训练好的反演模型获取，过程如下：将每个观测角度下的散射光谱和吸收光谱输入至反演模型中；对于每个观测角度下的散射光谱和吸收光谱进行多次推演，获取每个观测角度下的多组细胞特性数据，所述细胞特性数据包括该观测角度下的细胞浓度和大小；基于每个观测角度下的多组细胞特性数据计算每个观测角度下的细菌微生物细胞相关特性信息。

7、进一步地，通过入射光的偏振特性进行光谱差异分析，得出分子取向以及化学键振动对称性信息的过程如下：基于偏振光谱技术，获取不同偏振状态下细菌微生物样品对光的响应，获取不同偏振状态下的偏振光谱；对不同偏振状态下的偏振光谱的散射强度进行分析，分析在不同偏振方向上的峰强度变化，确定分子取向；对不同偏振状态下的偏振光谱的吸收带的形状和强度进行分析，获取在不同偏振方向上的吸收特征，进而提取吸收带的振动模式和对称性信息，推断分子中的化学键振动对称性信息。

8、进一步地，基于细胞相关特性信息和分子取向以及化学键振动对称性信息对细菌微生物样品中的各类细菌微生物进行表征与识别的过程如下：将细菌微生物细胞相关特性信息、分子取向以及化学键振动对称性信息进行整合；应用基于机器学习算法建立的匹配模型对细菌微生物细胞相关特性信息、分子取向以及化学键振动对称性信息与数据库中已知微生物样品和已知微生物样品光谱特征的进行匹配，对各类细菌微生物进行表征与识别。

9、进一步地，反演模型的训练过程如下：获取具有已知细胞相关特性信息的样本数据，所述样本数据包括样本散射光谱和样本吸收光谱；对样本散射光谱和吸收光谱预处理后进行标准化；基于机器学习算法使用样本数据对反演模型进行训练，根据输入的散射光谱和吸收光谱预测粒子相关特性；在每个训练迭代中，通过约束条件判断模型是否逐渐收敛到最优解，若是则训练完成。

10、进一步地，约束条件为：式中，g＝1,2,3,...,g为每次迭代时预测的次数，cnodg为第g次预测时的正确预测个数，nosd为样本数据的个数，crt为正确比率阈值，rnodg为第g次预测时的错误预测个数，st为错误稳定偏差阈值。

11、一种细菌微生物的多波长多角度三维光谱检测装置，包括光学台样品单元、样品悬浮液、样品体积部分、用于提供光源的氘灯和溴钨灯复合光源和偏振光器，细菌微生物的多波长多角度三维光谱检测装置还包括处理器，所述处理器能够执行上述的细菌微生物的多波长多角度光谱检测方法；所述偏振光器远离光源的一侧设置有分光镜，所述分光镜的一侧设置有与处理器连接的参考传感器；设置在处理器中的多个光电探测器，所述光电探测器用于将对电信号进行处理；与光电探测器连接的电荷耦合装置和背向散射式测量传感器，每个所述电荷耦合装置均通过光纤与准直透镜连接，所述准直透镜用于获取散射光能，并通过光纤传输至电荷耦合装置，所述电荷耦合装置将光能的光信号转化为电信号后发送给处理器。

12、本发明具有以下有益效果：

13、(1)、该细菌微生物的多波长多角度三维光谱检测方法，多波长多角度的三维光谱法来表征和识别溶液中的细菌微生物，与生物学检测方法相比，具有操作简单、测量快速、细胞不被破坏、无需荧光试剂辅助、获取样品信息全面等特点；与其他光谱分析方法相比，本发明结合吸收、散射、偏振特性，提高了光谱分析的灵敏度和特异性，为水体细菌微生物的解析提供了快速全面的检测方法。

14、(2)、该细菌微生物的多波长多角度三维光谱检测方法，细菌微生物的多波长多角度光谱电磁场系统检测装置，由样品池、照明装置、光能感应装置、传输装置、处理器几部分组成，装置结构简单，信息处理快速，既可用于现场、实时、快速监测，也可以灵活适用于不同环境下的多种状态检测。

15、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。