生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置及方法
【专利摘要】一种生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置，包括监测单元、采样单元、鉴别单元和总体控制单元；所述的监测单元监测环境中的生物气溶胶并且区分空气中的非生物粒子和生物粒子，得到生物粒子浓度，并传输给所述的总体控制单元；所述的总体控制单元分别控制所述的监测单元、采样单元和鉴别单元的工作状态，当监测单元监测到的生物气溶胶浓度达到预警阈值时，总体控制单元发出预警信号，同时触发所述的采样单元开始采集生物气溶胶样品。本发明可以准确鉴别出生物气溶胶的种类，快速鉴别生物粒子的种类，具有鉴别时间短、准确度高的优点。
【专利说明】
生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及生物气溶胶的监测预警领域，具体而言，是一种不仅可以进行生物气溶胶监测预警，并且具有快速辨别监测到的生物气溶胶种类的功能的装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着生活水平的提高、生存环境的污染日益严重，人们越来越关注活动区域的空气质量，对于空气中的一些致病微生物更是人们关注的焦点。在某些对空气质量要求高的场所，比如洁净室、手术室、制药车间等等，对空气质量的监控显得尤为重要。不仅如此，自从美国2001年受到炭疽袭击以来，各国更加重视对生物恐怖袭击的监测预警。因此，为了促进社会和谐、提高生活质量以及保证国家与人民生命安全，对生物气溶胶进行实时监测与鉴别具有重要意义。
[0003]目前，单颗粒激光生物粒子计数系统在紫外荧光诱导技术发明以后得到了快速发展，它利用弹性光散射技术和紫外激光诱导荧光技术可以实现对生物粒子的实时监测。
[0004]在先技术“一种移动式生物气溶胶监测报警系统”公开了一种生物气溶胶监测系统(中国发明专利，授权公告号:CN 102788741 B，授权公告日:2014.12.31)。其工作过程是:先利用粒子浓缩分离器把气溶胶中粒径为2微米-10微米的粒子分离出来，再利用监测单元中的空气动力学粒径激光测量系统和荧光测量系统检测生物粒子的特征参量；当生物粒子特征参量达到预警条件时，则启动气溶胶采集单元进行采样，最后利用检测单元中的CCD成像与信号处理系统，对样品液进行检测。但在先技术存在以下缺点:
[0005]I)在先技术为了适应监测单元灵敏度较低的不足，在监测单元之前先对粒子进行浓缩分离，导致不在收集粒径段内的微生物粒子无法进入监测单元，从而导致系统漏报;且粒子浓缩器工作过程中耗电大，不利于便携和室外使用。
[0006]2)在先技术的监测单元利用了空气动力学粒径激光测量系统和荧光测量系统，该系统通常需要两种波长不同的激光器作为光源，其一是测量气溶胶粒子空气动力学粒径的红光激光器，其二是测量气溶胶粒子荧光的三倍频紫外激光器。因此，该系统具有结构复杂、体积庞大、成本高昂等缺点，不利于整个系统的集成和小型化。
[0007]3)在先技术的检测单元采用CCD成像和信号处理系统对样品液进行检测而获得检测结果，但是并未说明可以分辨出生物粒子的种类。如需分辨出生物粒子的种类，则该检测方法通常需要先对目标生物粒子培养生长，然后基于图像处理和模式识别技方法实现微生物种类判别。该方法检测周期长且不可避免地存在一定的误识率和拒识率。
【发明内容】
[0008]为了克服上述在先技术的不足，本发明提供一种生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置及方法，具有高效、快速、准确等优点，为空气中有害微生物的监测预警和鉴别提供了有力保障。
[0009]本发明的技术解决方案如下:
[0010]一种生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置，包括四个单元:监测单元、采样单元、鉴别单元和总体控制单元；
[0011]所述的监测单元监测环境中的生物气溶胶并且区分空气中的非生物粒子和生物粒子，得到生物粒子浓度，并传输给所述的总体控制单元；
[0012]所述的总体控制单元分别控制所述的监测单元、采样单元和鉴别单元的工作状态，当监测单元监测到的生物气溶胶浓度达到预警阈值时，总体控制单元发出预警信号，同时触发所述的采样单元开始采集生物气溶胶样品；
[0013]所述的采样单元用于采样生物气溶胶样品，并输入到所述的鉴别单元；
[0014]所述的鉴别单元用于生物气溶胶种类的鉴别，并把鉴别结果传给所述的总体控制单元；
[0015]所述的总体控制单元结合监测单元测得的生物气溶胶浓度和鉴别单元的鉴别结果来判断目标生物粒子的浓度是否超过其相应的报警阈值，若超过报警阈值，则发出报警信号。
[0016]所述的预警阈值是指是所述的总体控制单元触发所述的采集单元工作的最低总生物粒子浓度值，该值可以根据需求人为设定。
[0017]所述的报警阈值是指在某一环境中允许出现目标生物粒子的最高浓度值，该值可以根据需求人为设定。
[0018]所述的监测单元的作用是监测环境中的气溶胶并且区分空气中的非生物粒子和生物粒子，得到生物粒子浓度。为了实现实时监测，较佳地，所述的监测单元采用可实现单粒子监测的单颗粒激光生物粒子计数系统。
[0019]所述的单颗粒激光生物粒子计数系统利用弹性光散射技术和紫外激光诱导荧光技术实现对生物粒子的实时监测，具有灵敏度高、快速、准确的特点。弹性光散射技术是指:当激光照射到空气中的气溶胶粒子时会发生散射，散射光的波长与照射用激光的波长相同。颗粒越大散射光越强，该技术用来测量气溶胶粒子的粒径，即光学等效粒径。紫外激光诱导荧光技术是指:当紫外激光照射到生物粒子时，生物粒子内部的有机成份会发出荧光，由此荧光来判定是否是生物粒子。所述的单颗粒激光生物粒子计数系统以单个激光器为光源，同时对气溶胶粒子的光学等效粒径与荧光强度进行检测，只有当粒径处于生物粒子粒径范围内且发出荧光的气溶胶粒子才被判定为生物粒子。
[0020]所述的单颗粒激光生物粒子计数系统的工作过程如下所述:空气中的粒子以单颗粒的形式流过光敏感区，产生散射光。若该粒子是生物粒子同时会产生荧光，通过测量散射光强度可以得到粒子的粒径，通过荧光来判定是否是生物粒子，由此得到生物气溶胶的浓度，然后把结果传到所述的总体控制单元进行处理。
[0021]所述的采样单元的作用是收集气溶胶样品，提高样品中的生物气溶胶的浓度，便于鉴别生物气溶胶的种类，减少误报和漏报。具体地，所述的采样单元可以采用浓缩采样系统，或者采用大流量的富集采样系统。其中浓缩采样系统的功能是把气溶胶中处于生物粒子粒径范围内的粒子浓缩，然后注入特定的液体中以形成样品液。
[0022]所述的采样单元的采样时间是受所述的总体控制单元严格控制的，并可根据实际情况进行调整。
[0023]所述的鉴别单元是一种多通道生物气溶胶鉴别单元，用来鉴别生物气溶胶的种类。特别地，所述的鉴别单元采用基于上转换发光原理的多通道免疫层析检测系统，其工作原理是:样品液中的被检物会和对应的抗体发生特异性免疫反应，形成的上转换发光颗粒-被检物结合物最终被固定在试纸条的相应位置上，待反应结束后，使用上转换发光生物传感器对试纸条进行检测，从而得出待检样品液中被检物的定性以至于定量结果，由此来判别空气中所含的生物粒子的种类。然后，鉴别单元把分析结果送到所述的总体控制单元。更多地，所述的鉴别单元也可以采用其他检测系统，比如多通道核酸检测系统等。
[0024]所述的总体控制单元分别和所述的监测单元、采样单元、鉴别单元相连，包括四种功能:工作状态的控制、信号传输和处理、系统供电、结果分析判定。
[0025]所述的工作状态控制指控制所述的监测单元、采样单元和鉴别单元的工作状态。
[0026]所述的系统供电指对各个单元提供电力，以保持正常的工作状态。
[0027]所述的结果分析判定的作用是:结合所述的监测单元和鉴别单元传过来的监测信息对生物气溶胶的种类和浓度进行分析，来判定是否发出报警。
[0028]所述的生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置的工作过程如下:首先由所述的监测单元监测环境中生物气溶胶浓度的变化，把监测到的生物气溶胶浓度传送到所述的总体控制单元作处理，此时采样单元和鉴别单元都处于待机状态；当监测到生物气溶胶浓度达到预警阈值时，所述的总体控制单元发出预警信号，同时触发所述的采样单元开始采集生物气溶胶样品，样品收集完毕后，把收集的样品输入到所述的鉴别单元中；最后，所述的鉴别单元完成生物气溶胶种类的鉴别，并将鉴别结果传到所述的总体控制单元，所述的总体控制单元结合监测单元测得的生物气溶胶浓度和鉴别单元的鉴别结果来判断是否发出报警。
[0029]利用所述的生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置对生物气溶胶进行种类鉴别的方法，该方法包括如下步骤:
[0030]①本底测量:监测单元进行本底值采集，得到该环境中正常情况下各个粒径档的总粒子和生物粒子本底值，并传送到总体控制单元；
[0031 ]②生物气溶胶浓度监测:监测单元实时监测空气中的生物粒子浓度，把测得的各个粒径档的生物粒子浓度传送到总体控制单元；
[0032]③预警判定:总体控制单元计算除去本底值后的生物气溶胶浓度，并与预警阈值进行比较，当超过预警阈值，则发出预警信号，同时触发采集单元采集气溶胶样品；
[0033]④种类鉴别:鉴别单元接收采集单元采集到的气溶胶样品，进行种类鉴别，并把鉴别结果传送到总体控制单元；
[0034]⑤报警判定:总体控制单元对来自鉴别单元的鉴别结果进行分析，判定样品中是否含有目标生物粒子:
[0035]若样品中含有目标生物粒子，则匹配目标生物粒子的粒径范围与监测单元的粒径档范围，得到目标生物粒子的浓度，然后判定是否有目标生物粒子的浓度超过其相应的报警阈值，若超过报警阈值，则发出报警并给出监测分析报告，同时采样单元和鉴别单元停止工作；
[0036]若样品中无目标生物粒子，则返回步骤①，进入下一个监测周期。
[0037]与在先技术相比，本发明的技术效果如下:
[0038]I)本发明可以准确鉴别出生物气溶胶的种类。本发明鉴别单元采用的是基于上转换发光原理的多通道免疫层析法或多通道核酸检测法，可以快速鉴别生物粒子的种类，具有鉴别时间短、准确度高的优点。
[0039]2)本发明的监测单元是单颗粒激光生物粒子计数系统，具有精确度高、不需要进行浓缩分离、可以进行长时间自动实时监测等优点。
[0040]3)本发明具有合理的结构，监测单元采用单个激光器作为光源，同时监测气溶胶粒子的光学等效粒径与荧光强度，在结构上弹性散射光测量光路和荧光测量光路共光路，具有体积小、结构简单的优点。
【附图说明】
[0041]图1是本发明生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置的结构示意图。
[0042]图2是本发明生物气溶胶激光监测预警与鉴别方法的流程图。
【具体实施方式】
[0043]下面将结合本专利实施方式中的附图，对本专利实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本专利一部分实施方式，而不是全部的实施例。基于本发明的中实施方式，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利的保护范围
[0044]本发明所述的生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置，包括四个单元:监测单元1、采样单元2、鉴别单元3和总体控制单元4。
[0045]所述的生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置四个单元之间的联系如下所述:监测单元I把监测到的生物粒子浓度传给总体控制单元4，采样单元2和鉴别单元3的工作状态由总体控制单元4决定，采样单元2采样完毕后把样品溶液输入到鉴别单元3，鉴别单元3把鉴别结果传给总体控制单元4。
[0046]所述的监测单元I的作用是监测环境中的气溶胶并且区分空气中的非生物粒子和生物粒子，得到生物粒子浓度。为了实现实时监测，监测单元采用可实现单粒子监测的单颗粒激光生物粒子计数系统。单颗粒激光生物粒子计数系统利用弹性光散射技术和紫外激光诱导荧光技术实现对生物粒子的实时监测，具有灵敏度高、快速、准确的特点。弹性光散射技术是指:当激光照射到空气中的气溶胶粒子时会发生散射，散射光的波长与照射用激光的波长相同。颗粒越大散射光越强，该技术用来测量气溶胶粒子的粒径，即光学等效粒径。紫外激光诱导荧光技术是指:当紫外激光照射到生物粒子上时，生物粒子内部的有机成份会发出荧光，由此荧光来判定是否是生物粒子。只有当粒径处于生物粒子粒径范围内且发出荧光的气溶胶粒子才被判定为生物粒子。
[0047]单颗粒激光生物粒子计数系统的工作过程如下所述:空气中的颗粒以单颗粒的形式流过光敏感区，产生散射光。若该粒子是生物粒子同时会产生荧光，通过测量散射光强度可以得到粒子的粒径，通过荧光来判定是否是生物粒子，由此得到生物气溶胶的浓度，然后把结果传到所述的总体控制单元进行处理。
[0048]所述的采样单元2的作用是收集气溶胶样品，提高样品中的生物气溶胶的浓度，便于鉴别生物气溶胶的种类，减少误报和漏报。具体地，所述的采样单元2可以采用浓缩采样方法，或者采用大流量的富集采样方法。其中浓缩采样方法的功能是把气溶胶中处于生物粒子粒径范围内的粒子浓缩，然后注入特定的液体中以形成样品液。浓缩样品气溶胶可以由KW-1型空气微生物浓缩采样器来实现，然后收集样品气溶胶溶液由LL225液体冲击式微生物气溶胶采样器来实现。
[0049]所述的采样单元2采样时间是受所述的总体控制单元4严格控制的，可根据实际情况进行调整。
[0050]所述的鉴别单元3是用来鉴别生物气溶胶的种类。鉴别单元采用免疫层析法，其工作原理是:样品液中的生物气溶胶粒子会和对应的抗体发生特殊的免疫反应，由此来判别空气气溶胶中生物气溶胶的种类，然后把分析结果送到所述的总体控制单元进行综合判断。具体地，可以采用UPT-Ml生物传感器。
[0051 ]所述的UPT-Ml生物传感器主要由光学检测系统、二维运动系统、控制系统和显示系统组成。其中，光学检测系统主要完成对试纸盘上上转换发光信号的激发和收集，且将光信号转换为电信号；二维运动系统主要实现试纸盘的旋转与平移运动;控制系统通过控制软件控制二维运动系统、采集光学检测系统的输出电信号，再通过数据处理软件得出试纸盘上十种被检物的定性或定量结果;显示系统将扫描曲线和最终结果显示在LCD上。
[0052]所述的UPT-Ml生物传感器，其工作原理是:以十通道免疫层析试纸盘作为检测对象，首先将待检样品液加至试纸盘的中心加样孔，待检样品液沿着试纸盘的辐条方向均匀流动，此过程中，样品液中的被检物与试纸盘辐条上的十根试纸条内的抗体发生免疫反应，UCP-被检物结合物最终被固定在试纸条上。待反应结束后，使用UPT-Ml生物传感器对试纸盘进行检测，可得出待检样品液十种被检物的定性以至于定量结果。
[0053]所述的总体控制单元4分别和所述的监测单元1、采样单元2及鉴别单元3连在一起，总共包括:工作状态的控制、信号传输和处理、仪器供电和结果分析判定四部分。
[0054]所述的工作状态控制指控制所述的监测单元1、采样单元2和鉴别单元3的工作状
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[0055]所述的仪器供电指对各个单元中的仪器提供电力，保持正常的工作状态。
[0056]所述的结果分析判定的作用是:结合所述的监测单元I和鉴别单元3传过来的监测信息对生物气溶胶的种类和浓度进行分析，来判定是否报警。
[0057]所述的生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置的工作过程如下:
[0058]首先由所述的监测单元I监测食品加工厂空气中生物气溶胶浓度的变化，把监测到的生物气溶胶浓度传送到所述的总体控制单元4作处理，此时采样单元2和鉴别单元3都处于待机状态，当监测到生物气溶胶浓度达到100个/L时，所述的总体控制单元4发出预警信号，同时触发所述的采样单元2开始采集生物气溶胶样品，样品收集完毕后，把收集的样品转移到所述的鉴别单元3中，最后所述的鉴别单元3完成生物气溶胶种类的鉴别，并将鉴别结果传到所述的总体控制单元4，所述的总体控制单元4结合监测单元I测得的生物气溶胶浓度和鉴别单元3的鉴别结果来判断是否报警。
[0059]若样品中含有目标生物粒子大肠杆菌，则匹配目标生物粒子大肠杆菌的粒径范围
0.5um-1.5um与监测单元的单颗粒激光生物粒子计数系统的粒径档范围0.5um_l.5um，得到目标生物粒子大肠杆菌的浓度10个/L，判定是否目标生物粒子大肠杆菌的浓度超过其相应的报警阈值15个/L，目标微生物没有超过报警阈值，直接进入一个监测周期。
【主权项】
1.一种生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置，其特征在于，包括四个单元:监测单元(1)、采样单元(2)、鉴别单元(3)和总体控制单元(4); 所述的监测单元(I)监测环境中的生物气溶胶并且区分空气中的非生物粒子和生物粒子，得到生物粒子浓度，并传输给所述的总体控制单元(4); 所述的总体控制单元(4)分别控制所述的监测单元(I)、采样单元(2)和鉴别单元(3)的工作状态，当监测单元(I)监测到的生物气溶胶浓度达到预警阈值时，总体控制单元(4)发出预警信号，同时触发所述的采样单元(2)开始采集生物气溶胶样品； 所述的采样单元(2)用于采样生物气溶胶样品，并输入到所述的鉴别单元(3); 所述的鉴别单元(3)用于生物气溶胶种类的鉴别，并把鉴别结果传给所述的总体控制单元(4)； 所述的总体控制单元(4)结合监测单元测得的生物气溶胶浓度和鉴别单元的鉴别结果来判断目标生物粒子的浓度是否超过其相应的报警阈值，若超过报警阈值，则发出报警信号。2.根据权利要求1所述的生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置，其特征在于，所述的预警阈值是所述的总体控制单元触发所述的采集单元工作的最低总生物粒子浓度值，该值可以根据需求人为设定。3.根据权利要求1所述的生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置，其特征在于，所述的报警阈值是指在某一环境中允许出现目标生物粒子的最高浓度值，该值可以根据需求人为设定。4.根据权利要求1-3任一所述的生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置，其特征在于，所述的监测单元采用可实现单粒子监测的单颗粒激光生物粒子计数系统。5.利用权利要求1-3任一所述的生物气溶胶激光监测预警与鉴别装置对生物气溶胶进行种类鉴别的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: ①本底测量:监测单元进行本底值采集，得到该环境中正常情况下各个粒径档的总粒子和生物粒子本底值，并传送到总体控制单元； ②生物气溶胶浓度监测:监测单元实时监测空气中的生物粒子浓度，把测得的各个粒径档的生物粒子浓度传送到总体控制单元； ③预警判定:总体控制单元计算除去本底值后的生物气溶胶浓度，并与预警阈值进行比较，当超过预警阈值，则发出预警信号，同时触发采集单元采集气溶胶样品； ④种类鉴别:鉴别单元接收采集单元采集到的气溶胶样品，进行种类鉴别，并把鉴别结果传送到总体控制单元； ⑤报警判定:总体控制单元对来自鉴别单元的鉴别结果进行分析，判定样品中是否含有目标生物粒子: 若样品中含有目标生物粒子，则匹配目标生物粒子的粒径范围与监测单元的粒径档范围，得到目标生物粒子的浓度，然后判定是否有目标生物粒子的浓度超过其相应的报警阈值，若超过报警阈值，则发出报警并给出监测分析报告，同时采样单元和鉴别单元停止工作； 若样品中无目标生物粒子，则返回步骤①，进入下一个监测周期。
【文档编号】G01N15/06GK105910968SQ201610381982
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】黄惠杰, 鲁晨阳, 张佩, 黄立华, 王光辉, 杨巍, 朱永康
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所