CN112945837A

CN112945837A - 生物气溶胶实时监测装置

Info

Publication number: CN112945837A
Application number: CN202110141059.2A
Authority: CN
Inventors: 任兴平; 崔玉舸; 廖浩; 杨红飞; 李俊毅; 栾家琪; 陈少涛
Original assignee: Yunnan Security Technology Co ltd
Current assignee: Yunnan Security Technology Co ltd
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2021-06-11

Abstract

本发明提出了一种生物气溶胶实时监测装置，包括主控单元、用于接收并显示主控单元处理的实时数据和报警信息的显示报警单元、实时监测环境中的生物气溶胶浓度的监测单元、对空气进行采样的采样单元、对采样后的样液进行检测的自动检测单元，以及对装置每部进行消毒冲洗的消洗单元；所述主控单元分别控制显示报警单元、监测单元、采样单元、自动检测单元和洗消单元的工作状态。本发明的装置可在发生紧急情况时，装置于车内，随车到处侦察，一旦监测到沾染区域，设备可自主完成预警，周围环境生物气溶胶的采样收集，收集样液与生物种类检测卡的反应和监测结果的显示与上报。具有实时性强、鉴别时间短、准确度高、自动化强、人员受染风险低的特点。

Description

生物气溶胶实时监测装置

技术领域

本发明涉及生物监测设备领域，特别是指一种生物气溶胶实时监测装置。

背景技术

伴随着自动化、智能化、控制技术、无线网络技术、传感器技术等智能化技术的创新，生物医疗仪器设备正向着精密、高效、便携、准确、无损伤、无接触的方向发展。对生物技术、医疗质量的提高发挥着越来越重要的作用。而相对于高速发展的生物科技，传统的生物检测仪器设备与技术创新发展却明显滞后。如今，使用传统生物检测仪器进行检测，存在以下几个问题：(1)机器笨重，占用空间大；(2)操作繁琐，对检测人员的技术和劳动力要求较高，需要大量的人力且对检验人员由安全隐患；(3)精密度不高，检验结果不准确；(4)需要使用多台设备进行检验，增加检测成本，且在检验对象在设备间转换容易出现非技术性损坏；(5)检测过程及结果呈现不够直观，需要额外使用图像放大设备；(6)智能化程度低，无法实现自动化检测及原创检测控制，全程均需要人工监管操作。随着中国经济的发展，自贸区的建立，各种大型会议、展览和活动的举办越来越多，而这些活动一般都是短期的，这就需要进行移动使用，同时监测设备和检测设备需要分别配备气溶胶进样装置，这不但增加了体积、重量，而且也使得系统制造成本昂贵。

发明内容

本发明提出一种生物气溶胶实时监测装置，能够实时快速准确地进行监测气溶胶，且风险低。

本发明的技术方案是这样实现的：一种生物气溶胶实时监测装置，包括主控单元、用于接收并显示主控单元处理的实时数据和报警信息的显示报警单元、实时监测环境中的生物气溶胶浓度的监测单元、对空气进行采样的采样单元、对采样后的样液进行检测的自动检测单元，以及对装置每部进行消毒冲洗的消洗单元；所述主控单元分别控制显示报警单元、监测单元、采样单元和自动检测单元和洗消单元的工作状态。

作为优选，所述监测单元由激光粒子计数器、光电倍增管、紫外光诱导荧光检测器、气泵、智能控制模块组成。

作为优选，所述采样单元包括风机、气旋风道、采样杯、采样控制器组成。

作为优选，所述自动检测单元由CCD摄像头、荧光灯、丝杠、滴定头、滴定泵和试纸板卡组成。

作为优选，所述洗消单元由补液泵、洗消泵、废液泵、紫外消毒灯、废液瓶、原液瓶、洗消瓶和废液收集口组成。

作为优选，所述显示报警单元由显示屏、指示灯、按键、蜂鸣器组成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：生物气溶胶实时监测装置，该装置体积小便于运输，可在发生紧急情况时，装置于车内，随车到处侦察，一旦监测到沾染区域，设备可自主完成预警，周围环境生物气溶胶的采样收集，收集样液与生物种类检测卡的反应和监测结果的显示与上报。具有实时性强、鉴别时间短、准确度高、自动化强、人员受染风险低的特点。

附图说明

图1是本发明车载生物气溶胶侦察系统装置的主视图；

图2是本发明车载生物气溶胶侦察系统装置的后视图；

图3是本发明显示报警单元组成图；

图4是本发明监测单元组成图；

图5是本发明采样单元组成图；

图6是本发明自动检测单元组成图；

图7是本发明的系统框图。

图中：1、显示报警单元；2、监测单元；3、采样单元；4、自动检测单元； 5、洗消单元；6、主控单元；10、显示屏；11、指示灯；12、按键；13、蜂鸣器；14、采样控制器；15、风机；16、气旋风道；17、采样杯；18、激光粒子计数器；19、紫外光诱导荧光检测器；20、光电倍增管；21、气泵；22、智能控制模块；23、丝杆；24、CCD摄像头；25、滴定头；26、试纸板卡；28、废液瓶；29、原液瓶；30、洗消瓶；31、废液泵；32、滴定泵；33、补液泵；34、洗消泵；35、废液收集口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

图1和图2是本发明车载生物气溶胶侦察系统装置的结构示意图，图7是本发明的系统框图。由图可见，本发明车载生物气溶胶侦察系统装置包括显示报警单元1、生物气溶胶监测单元2、采样单元3、自动检测单元4、洗消单元5 和主控单元6。

如图3所示，显示报警单元1由显示屏10、指示灯11、按键12、蜂鸣器 13组成；显示屏10用于显示车载生物气溶胶侦察系统生物气溶胶浓度的实时数据，运行状态显示，报警信息显示以及参数设置信息显示；指示灯11包括运行指示灯11，报警指示灯11，警告指示灯11，用于指示车载生物气溶胶侦察系统的运行状态、报警状态、错误状态以及系统初始化状态；按键12区包括上键、下键、左键、右键、确认键、启动键、电源键组成，通过上键、下键、左键、右键、确认键可以都系统进行参数设置，电源键为系统总体供电开关，启动键为对系统准备工作进行人为的更换完成之后的启动按键12；蜂鸣器13为每次预报警、报警之后提供声音提示。

所述显示报警单元1与所述主控单元6连接，用于显示所述主控单元6处理的实时数据、报警信息，同时用于整个系统的工作状态显示和参数设置。

如图4所示，所述监测单元2由激光粒子计数器18、光电倍增管20、紫外光诱导荧光检测器19、气泵21和智能控制模块22组成；所述监测单元2的进气口通过气泵21与系统设备的小口径进气口相连，当周围环境中的生物气溶胶浓度超过预设值时，仪器会快速发出监测预报警，监测单元2可监测的生物气溶胶粒径范围为0.5um到10um之间，检测下限值可达到100ACPLA。

所述监测单元2通过气泵21将周围环境中的生物气溶胶从进气口抽入；主控单元6与监测单元2连接，用于报警信息和生物粒子浓度实时数据的接受、处理和计算。

在气泵21的驱动下，含有粒子的气流通过特定气体流路控制，依次经过粒子切割器、激光粒子计数器18最后排出系统外。其中粒子切割器用以滤除气流中10μm以上的大粒子；激光粒子计数器18实现对气流中粒子的分档计数；紫外光诱导荧光检测单元在紫外光激发下检测采集缓冲腔室粒子的本征荧光强度，以实现对生物粒子与非生物粒子的分类识别。通过智能控制模块22的分析计算，监测单元2可对周围环境中的草木烟、引擎废气、硝烟、砂尘进行特征值的分析处理，能够区分开生物气溶胶与干扰物的区别，实现预警的准确性。

气泵21开启抽气，环境气体先从激光粒子计数器18经过，对生物粒子和非生物粒子进行计数，之后随气流进入紫外光诱导荧光检测器19，在激光的激发下被测粒子会发出弹性散射光信号，如果是生物粒子则同时还会发出荧光，散射光和荧光被分离后分别聚焦到散射光探测器和荧光探测器并被转换为电信号，电信号经过主控单元6计算分析处理，得到粒子粒径范围和生物粒子浓度。

依据瑞利散射使光的传播方向改变但并未改变光的波长，散射的强度与入射光波长的4次方成反比见式A。

式中：

E——光的散射强度

λ——光的波长

α——无因次粒径参量

依据米氏散射的散射强度与频率的二次方成正比见式B。

E＝αv²………………………………………(B)

式中：

E——光的散射强度

ν——光的波长

α——无因次粒径参量

故根据散射光的强度、波长、频率等因素判断被测粒子的粒径大小。

所述监测单元2发生预报警后由主控单元6开启采样单元3。

图2所示，采样单元3由风机15、气旋风道16、采样杯17、采样控制器 14组成。采样单元3的进风口与系统设备的大口径进气口相连，主要利用旋风分离器工作原理。微生物气溶胶进入采样杯17后，沿器壁自上而下形成外涡旋，涡旋下降至杯体底部后，沿采样杯17轴心自下而上形成上升的内涡旋，内涡旋气流最终从排气管口排出。采样过程中，较大粒径的颗粒物由于离心作用会被甩向器壁，落入采样杯17底部的采样液中收集，而较小的颗粒物跟随气流运动，在底部转变气流方向，向上部流出。

所述主控单元6与采样单元3连接，用于采样单元3的开启和关闭，补液泵33的开启关闭，风机15的开启关闭；当监测单元2上传报警信息，主控单元6立即开启采样单元3进行周围环境的生物气溶胶采样。

采样杯17与补液泵33、洗消泵34、滴液泵相连；通过补液泵33向采样杯 17注入定量的的采样液体(如采用生理盐水)。采样时的效果是具有一定风速的气流在进入采样模块后，按照双涡流流线谱运动，带动锥体底部液体旋转至壁面，形成可吸收微生物粒子的水膜。采样容器制成内壁光滑的透明件，一方面利于气旋形成，一方面利于所采集的生物存活率。通过所述监测单元2的预报警信息，采样单元3可以方便的自动调节采样流量100-450L/min，和采样时间 1-60min。捕捉效率稳定，对于0.5um的粒子采样效率可以达到52％以上。对于 5um的粒子采样效率可以达到98％以上。采样结束之后，样液通过滴液泵抽出，滴定到试纸板卡26的滴液口与试纸反应，整个滴定流量精度高，可控制在100 ±10uL，当整个流程检验完成之后，通过洗消泵34抽取洗消液到采样杯17进行采样杯17的消杀，液路消杀。

风机15进风口与车载生物气溶胶侦察系统设备的进气口相连，用于采集外界环境气体，采样杯17与气旋风道16以杯口螺纹式连接，采样控制器14用于控制风机15的转速，最高采样流量能达到450L/min，流量控制精度不超过±5％。采样器是利用气流旋转过程中作用在气流中的微生物粒子上的惯性离心力，使粒子从气流中分离的。其主要工作机理来自于两相流体力学在旋风除尘器中的应用。含有微生物粒子的气流由切线进口进入采样器，具有一定风速的气流在进入采样器后，按照双涡流流线谱运动，带动锥体底部液体旋转至壁面，形成可吸收微生物粒子的水膜，气流作旋转运动时，粒子在惯性离心力的推动下，向外壁移动，到达外壁的粒子在气流和重力的共同作用下，沿壁面落入采样杯 17底部的采样液中收集，而较小的颗粒物跟随气流运动，在底部转变气流方向，向上部流出。

所述采样单元3结束后由所述主控单元6开启自动检测单元4。

图5所示，自动检测单元4由CCD摄像头24、丝杠、滴定头25、滴定泵32、丝杆23和试纸板卡26组成；CCD摄像头24自带荧光安装于丝杆23上，滴定头 25安装于丝杆23上仅靠摄像头的一侧，试纸板卡26置于摄像头和滴定头25的下方。自动检测单元4开启后，主控单元6控制滴定泵32和丝杆23开始精确滴定和精准移动，一次完成16个试纸卡的滴定。每个通道的滴定精度在100μL ±10μL，每个通道都有滴液窗口和显示窗口。样液经过与试纸卡反应后，主控单元6通过控制摄像头与荧光灯的结合对每个试纸的显示窗口进行识别，反应过的试纸在荧光的照射下，能够得到16个通道是否有生物战剂。最终将结果上传于主控单元6，主控单元6于显示报警单元1进行显示和声光报警提示。

当采样结束之后，主控单元6开启自动检测单元4，先控制丝杆23精确移动到试纸板卡26第一通道，后开启蠕动泵进行样液的精准滴定，往后的15个通道依次进行上述移动滴定。当滴定完成之后，丝杆23返回原位，待样液反应 6min，再次控制丝杆23精确移动到试纸板卡26第一通道，后开启摄像头，同时荧光打开，在荧光的照射下，有生物的试纸会呈现出颜色，摄像头对呈现的颜色进行识别，经过自动检测单元4的DSP处理器进行处理分析计算，得到所采样的生物气溶胶毒素种类。

主控单元6与自动检测单元4连接，用于控制自动检测单元4的开启关闭，以及所述自动检测单元4的数据接收。当采样单元3采样完成之后，主控单元6 关闭采样单元3，并立即开启自动检测单元4，自动检测单元4依次进行样液通过所述滴定头25的滴定、丝杠的移动控制、CDD的检测控制、荧光的开启关闭。

所述自动检测单元4检测与主控单元6连接，当自动检测单元4检测结束之后，立即发送检测结果给主控单元6，主控单元6将检测结果通过显示报警单元1进行显示。

洗消单元5由补液泵33、洗消泵34、废液泵31、紫外消毒灯、废液瓶28、原液瓶29、洗消瓶30以及废液收集口35组成；当所述显示报警单元1对检测结果进行显示时，洗消单元5自动开启，依次开启紫外消毒灯对系统内部空间进行消杀；开启洗消泵34，从洗消瓶30中抽取洗消液对其系统液路进行第一次消毒冲洗；开启补液泵33，从原液瓶29中抽取原液对其系统液路进行二次消毒冲洗；所产生的废液通过废液泵31通过所述废液收集口35抽取到废液泵31中。洗消单元5结束之后，所述显示报警单元1对其进行状态显示，表示整个过程完成，由操作人员进行试纸板卡26的更换处理。

监测单元2监测环境中的生物气溶胶，能区分空气中的非生物粒子和生物粒子浓度，并且能抗硝烟、引擎废气和草木烟，将数据传输给所述的主控单元6；所述的主控单元6分别控制显示报警单元1、监测单元2、采样单元3、自动检测单元4和洗消单元5的工作状态，当监测单元2监测到的生物气溶胶浓度达到预警阈值时，主控单元6控制显示报警单元1发出预警信号，同时触发采样单元3通过旋风分离式采样技术收集生物粒子至特定缓冲液中混合成样液。之后启动自动检测模块取样，加样滴定至装有检测试纸的多通道卡盘中，进行反应；然后快速读取结果完成生物战剂种类检测，从而实现生物战剂的快速报警和毒素种类识别。报警检测完成之后洗消单元5会自动启动洗消，对机体内和液路进行清洗，避免了操作人员人为清洗，减少操作人员受染的风险。本发明可实时监测大气中生物气溶胶含量并进行预警，具有实时性强、鉴别时间短、准确度高、自动化强、受染风险低的特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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

1.一种生物气溶胶实时监测装置，其特征在于：包括主控单元、用于接收并显示主控单元处理的实时数据和报警信息的显示报警单元、实时监测环境中的生物气溶胶浓度的监测单元、对空气进行采样的采样单元、对采样后的样液进行检测的自动检测单元，以及对装置每部进行消毒冲洗的消洗单元；所述主控单元分别控制显示报警单元、监测单元、采样单元和自动检测单元和洗消单元的工作状态。

2.根据权利要求1所述的生物气溶胶实时监测装置，其特征在于：所述监测单元由激光粒子计数器、光电倍增管、紫外光诱导荧光检测器、气泵、智能控制模块组成。

3.根据权利要求1所述的生物气溶胶实时监测装置，其特征在于：所述采样单元包括风机、气旋风道、采样杯、采样控制器组成。

4.根据权利要求1所述的生物气溶胶实时监测装置，其特征在于：所述自动检测单元由CCD摄像头、荧光灯、丝杠、滴定头、滴定泵和试纸板卡组成。

5.根据权利要求1所述的生物气溶胶实时监测装置，其特征在于：所述洗消单元由补液泵、洗消泵、废液泵、紫外消毒灯、废液瓶、原液瓶、洗消瓶和废液收集口组成。

6.根据权利要求1所述的生物气溶胶实时监测装置，其特征在于：所述显示报警单元由显示屏、指示灯、按键、蜂鸣器组成。