一种气体综合检测装置的制作方法

1.本发明涉及光学检测领域，具体涉及一种快速高灵敏度病毒等微生物检测，高精度复合气体组份、浓度及悬浮颗粒的颗粒度、浓度的综合检测装置。


背景技术：

2.人类生活的环境，空气中存在各种各样的病毒等微生物如流感病毒等微生物，sars病毒等微生物，新冠病毒等微生物(covid
‑
19)等。室内环境空气中病毒等微生物的检测预警是十分必要的。席卷全球的新型冠状病毒等微生物肺炎发展进入到后疫情时代，常态化监测公共场所，如机场，高铁站，会议室等场所中空气中的病毒等微生物，是当下新冠疫情防控的重点和难点。
3.pcr技术是目前最常见的新冠病毒等微生物筛查方法，但其存在使用环境受限，检测时间长，准确率偏低等缺点，且不能应用于室内空气环境中病毒等微生物的检测。
4.另外随着社会的发展，人们对于空气质量及安全性的关注度逐年提高。一方面，随着污染的加剧，各种有毒、有害气体，以及颗粒物都使得生活环境中的空气影响到人们的身体健康；对于一些特殊生产场景，如矿井、化工厂、建筑场地等，往往充斥着各类有毒气体及粉尘，严重威胁着人们的身体健康和安全。因此，对于能够快速、实时、高精度的复合气体组份浓度、颗粒度的综合检测装置的需求也越来越高。


技术实现要素：

5.本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种测量灵敏度、精度高，测量过程快速，环境适应性强的空气中病毒等微生物检测装置，并且，其还能够同时对气体组分和颗粒物进行综合检测。
6.具体而言，本发明提供一种气体综合检测装置，其特征在于，所述检测装置包括微生物检测模块，
7.所述微生物检测模块包括选通富集模块和拉曼模块，所述选通富集模块包括荷电组件和静电吸附组件，
8.所述拉曼模块包括强电场组件、激光激发源和拉曼探测组件，
9.所述荷电组件用于对目标气体放电以使其负载电荷；
10.所述强电场组件设置于所述静电吸附组件外侧，用于对其施加电场；
11.所述静电吸附组件设置于所述荷电组件下游，用于对经荷电处理的目标气体中的微生物进行吸附，所述吸附组件内预留激光通路；
12.所述激光激发源用于沿着所述激光通路向所述静电吸附组件内发射激光，所述拉曼探测组件用于探测从所述静电吸附组件出射的拉曼信号，所述检测装置基于所述拉曼信号进行微生物检测。
13.优选地，所述拉曼模块还包括干涉滤波组件、瑞利滤光片、激光吸收池以及非球面长焦深滤波组件，所述干涉滤波组件和瑞利滤光片依次设置于所述激光激发源前方，用于
对其所发出激光进行滤波，所述激光吸收池设置于所述吸附组件的出口处，用于收集废光，所述非球面长焦深滤波组件设置于所述拉曼探测组件前方，用于对出射的拉曼散射光进行滤波，滤除背景荧光和杂散光。
14.优选地，所述拉曼模块还包括多通反射组件，所述多通反射组件具有朝向所述吸附组件的至少一个反射面、所述激光激发源所发出的激光对向所述多通反射组件的反射面入射，以使得所述其在所述多通反射组件内至少反射一次。
15.优选地，所述检测装置还包括气体组分检测模块，所述气体组分检测模块2设置于所述微生物检测模块上游，用于对气体组分进行检测。
16.优选地，所述富集选通模块包括第一气泵，所述第一气泵引导被检气体进入所述荷电组件。
17.优选地，所述检测装置还包括消杀清洗模块，所述消杀清洗模块包括第二气泵和温控消杀组件，所述气泵用以通过气流对所述吸附组件进行清洗，所述温控消杀组件用于对所述选通富集模块进行消杀。
18.优选地，所述检测装置还包括信号处理模块，所述信号处理模块采用微生物解构模型对微生物气溶胶的拉曼光谱进行处理，识别微生物类别。
19.优选地，所述静电吸附组件由纳米金属材料，优选，纳米金属颗粒材料构成。
20.优选地，所述静电吸附组件包括纳米金或纳米银颗粒构成。
21.优选地，所述气体组分检测模块包括多波长脉冲序列发生器2.1、第一探测单元、第二探测单元以及气室。
22.可选的，所述选通富集模块采用流量可调的涡轮泵、活塞泵作为气泵，采用金纳米颗粒微材料、银纳米颗粒微材料(这些纳米材料可以采用金属纳米网，或者金属纳米层等各种形式)等金属纳米微材料中的一种或多种的组合作为吸附组件。各个不同组件之间可以相互组合。
23.可选的，所述消杀清洗模块使用拉曼模块中的可调强电场组件通过调节电压起到病毒等微生物消杀的作用；使用选通富集模块中流量可调的气泵通过调节气流流量起到清洗作用。
24.发明原理
25.本发明构建了可以实现对微生物进行检测的检测装置。在优选实现方式中，本发明既能够对气体中病毒等微生物进行检测又能对各种气体组分和颗粒物进行检测的装置。
26.首先，本发明装置利用荷电装置使本身带有一定电荷的病毒等微生物气溶胶粒子重新荷电，并在静电场作用力下将带电病毒等微生物气溶胶粒子从气流中分离出——即带电微病毒等微生物粒子进入电场后，在电场力的作用下发生偏转，从而被吸附在金属纳米微材料表面上。而其它颗粒物如pm2.5、pm10等带电量很少，受电场作用力很小，在气流作用下被吹送到选通富集模块外，从而达到选通效果，极大减小了颗粒物的荧光效应给检测带来的影响。通过设计不同极板间距(mm)，荷电电压(kv)，静电场强度(kv/cm)，气流流量(l/min)，可实现对不同种类病毒等微生物气溶胶粒子的高效、高存活率收集。
27.然后，本发明装置通过强电场组件给金属纳米微材料施加强电场，使其所含自由电子数增加至少一个量级，从而使金属纳米结构表面的电场强度增强至少10倍，并采用侧/前向多通表面增强拉曼效应获得病毒等微生物气溶胶的拉曼光谱信息，结合人工智能图像
分析处理技术完成病毒等微生物气溶胶的检测。
28.具体来说，使入射光照射到金属纳米微材料上，优选的，例如金纳米微材料上，纳米粒子中的电子在外电场的作用下振动，当入射光的频率与电子固有振动频率相等时，就会发生局域表面等离子体共振，在金属纳米结构表面形成比激发电场更强的局域增强电场。本发明通过给金属纳米结构施加强电场，使金属中自由电子在强电场激发下大大增加，从而使金属纳米结构表面的电场强度可以比施加电场前高一个数量级，而表面增强拉曼散射(sers)的信号强度正比于表面增强电场的四次方。所以，本发明装置足够将拉曼信号再提高104倍，即信噪比提高40db。
29.并且，在优选实现方式中，本发明将采集到的拉曼光谱进行光谱预处理，采用s
‑
g卷积实现光谱平滑，采用多段低阶多项式收敛算法实现基线对准，再采用最大归一化法进行光谱归一化。所得光谱采用主成分分析法和svm支持向量机有监督的人工智能模式识别法，得到解构模型，从而对不同种类病毒等微生物气溶胶进行识别。
30.本发明装置通过采用温度场灭活和大流速气流冲刷技术完成富集芯片的消杀清洗，也可以通过调节高压电场强度达到病毒等微生物灭活的作用。
31.与现有技术相比，本发明装置具有的有益效果为：
32.1、本发明提供了一种快速高灵敏度病毒等微生物的检测装置，并且优选地，其还能够高精度检测复合气体组份、浓度及悬浮颗粒的颗粒度、浓度。本发明装置通过选通过程，筛除了检测样本中的颗粒物，可以大幅减少颗粒物荧光对检测的影响，且能增加装置使用寿命。
33.2、本发明装置通过强电场组件给金属纳米微材料施加强电场，使金属纳米微材料表面自由电子数增加一个数量级，也就是可以使激发电场增强10倍，并采用侧/前向多通表面增强拉曼表面增强再倍增技术，将拉曼信号再提高104倍，大大提高了信噪比和探测灵敏度。通过结合人工智能图像处理技术，可以实现高于95％的检出率。
34.3、本发明通过内部采用温度场灭活和大流速气流冲刷技术完成富集芯片的消杀清洗，提高了检测装置的使用寿命，降低了检测成本。
附图说明
35.图1为本发明装置的结构示意图；
36.图2为本发明实施例2中的气体组分检测装置的原理示意图；
37.图3为实施例2中的气室内反射腔的示意图；
38.图4为实施例2中的多波长脉冲序列发生模块发出的一种时序信号。
具体实施方式
40.为使发明装置的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明装置的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
41.实施例1：
42.如图1所示，其中介绍了本实施例1中的装置的示意性架构，本实施例中的综合检
测装置包括微生物检测模块1、气体组分检测模块2和处理控制通信模块3。其中微生物检测模块1是本发明的主要核心之一，气体组分检测模块可以选装，可以将待测气体先通入一种检测模块检测后，再将气体通入另一种检测模块，进行检测。
43.微生物检测模块包括选通富集模块、拉曼模块、消杀清洗模块。如图1所示，选通富集模块包括气泵1.1.1，荷电组件1.1.2和静电吸附组件1.1.3。选通富集模块用于对病毒等微生物气溶胶进行选通、富集。
44.在本实施例中，荷电组件安装在荷电腔内，该腔体密封、两侧一端与气泵1.1.1相连通，另一端与静电吸附组件1.1.3的吸附腔相连通。荷电组件1.1.2具有高压电源和直径为40μm(也可以采用其他尺寸)的一组或者多组钨丝对，设置钨丝的放电间距为8mm，荷电电压 5kv，对通过其间的进行气溶胶荷电。
45.本实施例中，吸附腔内设置静电吸附组件1.1.3，静电吸附组件1.1.3的主材料为三维絮网状金纳米材料堆积而成。静电吸附组件用于对经荷电处理的目标气体中的微生物进行吸附，吸附组件内预留激光通路。需要说明的是，本发明中所提到的预留激光通路包含两方面含义，一方面指的是静电吸附组件中金纳米材料的稀疏度足够激光通过，或者，静电吸附组件中的纳米材料沿着激光路径形成片层或面状结构，激光从片层结构的间隙通过，并至少部分照射在纳米材料上。
46.拉曼模块包括强电场组件1.2.1，激光激发源1.2.2，干涉滤波组件1.2.3，瑞利滤光片1.2.4，多通反射组件1.2.5，激光吸收池1.2.6，非球面长焦深滤波组件1.2.7，拉曼探测组件1.2.8。
47.拉曼模块通过强电场组件1.2.1给静电吸附组件1.1.3施加强电场，使静电吸附组件1.1.3所含自由电子数大大增加，并通过侧/前向多通表面增强拉曼效应原理利用拉曼探测组件1.2.8获得病毒等微生物气溶胶的拉曼光谱信息。强电场组件1.2.1设置在静电吸附组件的上、下或左、右两侧，将在静电吸附组件夹在中间。所述激光激发源1.2.2用于沿着所述激光通路向所述静电吸附组件内发射激光。
48.优选地，为了增加吸附效果，在吸附组件两侧，除了强电长组件1.2.1之外，增设收集电场组件(即，在吸附组件上下表面，额外提供一组电极板)。收集电场(1.1.3.1)强度e＝3.5kv/cm，由银材料组成平行电极板间距h为20mm，宽度b为10mm，长度l为100mm。涡轮气泵流量为10l/min。以此模块对病毒等微生物气溶胶进行富集，并筛除颗粒物和达到选通效果。
49.选通富集模块的工作过程为：首先，气泵1.1.1启动，驱动被测气体进入到荷电组件内。通过高压电源为钨丝供电，进行高压放电。通过该荷电组件使本身带有一定电荷的病毒等微生物气溶胶粒子重新荷电。经荷电处理后的空气进一步进入到静电吸附组件内，并通过静电吸附组件(静电吸附组件采用的是纳米颗粒材料，气体可以通过)。在静电吸附组件内，由于外部施加的电场，带电荷较多的微生物在电场力的作用下发生偏转，从而被吸附在金属纳米微材料表面上。而其它颗粒物如pm2.5、pm10等带电量很少，受电场作用力很小，在气流作用下被吹送到选通富集模块外。
50.该荷电组件使本身带有一定电荷的病毒等微生物气溶胶粒子重新荷电，并在静电场作用力下将带电病毒等微生物气溶胶粒子从气流中分离出——即带电微病毒等微生物粒子进入电场后，在电场力的作用下发生偏转，从而被吸附在金属纳米微材料表面上。而其
它颗粒物如pm2.5、pm10等带电量很少，受电场作用力很小，在气流作用下被吹送到选通富集模块外，从而达到选通效果。
51.与此同时，由于拉曼模块通过强电场组件1.2.1给静电吸附组件1.1.3施加强电场，使其所含自由电子数增加至少一个量级，从而使金属纳米结构表面的电场强度增强至少10倍，当微生物吸附到静电吸附组件1.1.3之后，通过拉曼模块的激光源1.2.2发出的激光经由干涉滤波组件1.2.3，瑞利滤光片1.2.4的滤波，最终照射到吸附组件内所吸附的微生物上。本实施例中，为了增加激光与材料的相互作用，优选在吸附组件的外侧设置了多通反射组件1.2.5，其反射面朝向吸附组件1.1.3。并且，将激光的入射方向设置为斜向入射，使得激光在多通反射组件1.2.5的反射下，在吸附组件1.1.3内折返几次，然后从另一侧出射。
52.在本实施例中，拉曼模块中强电场组件的电场强度为e＝4.3kv/cm，用于给纳米材料表面施加强电场；激光激发源参数为50微瓦、532nm波长，1.3微米直径，1微米焦深，功率密度为5*10
‑5/10
‑8＝500w/cm2。采用本发明的装置可测得10
‑8m的r6g表面增强拉曼光谱，其激光照射的分子数量为：6.02*10
23
*10
‑8*(0.65*10
‑5)2*3.14*10
‑5≈5个r6g分子/m3，信噪比提高40db，病毒等微生物测量灵敏度也相应提升4个量级；干涉滤波组件为532nm干涉滤波片；瑞利滤光片为陷波滤光片，其吸收中心位于532nm；多通反射组件为镀有532nm波长高反膜的光学镜片；激光吸收池为发黑铝合金光收集器；非球面长焦深滤波组件为熔石英材质，表面镀有532nm波长高透膜；拉曼探测组件为ccd探测器；如图1所示，拉曼模块中各组件按光路同轴放置。
53.本实施例中，激光吸收池为激光垃圾桶，铝合金材质，表面氧化发黑处理，放置在主光路末端。
54.在本实施例中，消杀清洗模块采用高温加热棒和选通富集模块中的涡轮气泵，起到对选通富集模块中的病毒等微生物进行消杀和清洗的作用。
55.在本实施例中，处理控制通信模块，采用人工智能图形分析处理技术，包括光谱预处理，然后将所得光谱采用主成分分析法和svm支持向量机有监督的人工智能模式识别法，得到不同病毒等微生物独有的解构模型。检测时根据采集到的图形与结构模型库进行对比，从而可以对不同种类病毒等微生物进行匹配识别。
56.在另一种实施例中，所述金属纳米材料可以为多块平行放置的二维平板状金属纳米板，优选的为二维平板状金纳米板，并与其他二维平板状金纳米板和多通反射组件一起组成反射光路，可以使激光激发源发出的激光在二维平板状金纳米板和多通反射组件之间反射。其可以有效增强激发电场强度，提高装置的探测灵敏度。
57.实施例2
58.在本实施例中，除了上述微生物检测装置之外，本发明的综合检测设备还包括：高精度气体组分检测装置。
59.如图2所示，本实施例的复合气体组份、浓度检测装置包括多波长脉冲序列发生模块301，第一探测单元302，第二探测单元303，气室主体304，气室入口组件305以及气室出口组件306。被测气体从气室入口组件305处进入气室内部，从气室出口组件306处流出。
60.本实施例中，多波长脉冲序列发生模块301为由脉冲电源与4个不同中心波长qcl激光光源封装组成的模块，中心波长分别对应pm2.5、pm10颗粒物的指纹波长(532nm，
640nm)，co2的指纹波长(4.26μm)和甲醛的指纹波长(3.56μm)。多个波长激光的时序触发方式如图4所示。本实施例中，多波长脉冲序列发生模块301设置于气室最右端，通过气室窗口入射到气室内。
61.继续参照图2，第一探测单元302设置于气室入口附近，采用对pm2.5、pm10颗粒物的指纹波长(532nm，640nm)响应的光电二极管。用于进行以光散射法进行测量，测量双波长脉冲光特定散射角散射光强及前向散射光强。
62.第二探测单元303设置于气室出口附近，采用对co2的指纹波长(4.26μm)和甲醛的指纹波长(3.56μm)响应的光电二极管，用于以红外光谱吸收法测量多波长脉冲光经气室主模块(4)传播后的光强。
63.气室主体304可以采用如图3所示结构。该气室符合white型反射式气室特征，由4个曲率半径相同的凹面反射镜组成，光束由气室右下角处的光束入口射入，气室左上角的光束出口出射到第二探测单元上，以此获得更长的光程，从而在co2和甲醛含量很少的时候也能检测。
64.优选的，气室入口组件305内壁涂有防尘涂层，用以延长装置使用使用寿命和增加检测精度。另外气室入口组件(5)处的结构符合流体力学原理，使待测气体能在装置内顺畅流动。
65.优选的，气室出口组件306安装有低功耗静音无振动风扇，朝向气室外进行吹风，以使待测样本从气室入口处吸入，能随所需脉冲序列时序运转或连续运转。此外，风扇具有急速运转模式，当装置开机时可以将风扇设置成极速运转模式，以通过风扇的极速运转清洁气室入口组件305、气室主体304和气室出口组件6，延长装置使用寿命。
66.优选的，信号处理模块包括滤波电路、差分放大电路和stm32l031g6u6单片机芯片。
67.本实施例中装置的使用过程如下：
68.1：通过风扇以恒定流速将样品(被测气体)由从气室入口组件(5)处送入，气室出口组件(6)处送出。
69.2：启动多波长脉冲序列发生模块(1)，使其以重复频率为r，脉冲宽度为τ的脉冲序列的方式，向测试气室中发射根据需要选取的波长的光脉冲，具体而言，依次将pm2.5、pm10颗粒物的指纹波长(532nm，640nm)的测量光脉冲在气室入口组件末端的入射窗口发射到气室内，并且将co2指纹波长(4.26μm)测量光脉冲到气室主体，甲醛指纹波长(3.56μm)的测量光脉冲到气室主体(本实施例中，所发射光脉冲为上述四个指纹波长的光，本领域技术人员可以增加序列中波长数目，单次所需测量的气体组分越多，本发明装置的综合成本越低，综合效益越高)，进行测试。单个波长为λ的脉冲在气室内的耗散时间t满足
70.3：利用第一探测单元探测散射光信号，以pm2.5、pm10颗粒物的指纹波长(532nm，640nm)脉冲光作为测量光，使用光散射法进行悬浮颗粒物颗粒度及相应浓度的测量(光散射法测量以及散射颗粒物的粒度和浓度计算可以采用现有方法进行)。从脉冲序列中选取光散射法所需测试光(为了更好地示例说明，这里仅为532nm和640nm，但是实际应用中可以选取更多波长)，确定选定波长的散射系数。若测试光波长为λ，出射光强为i0(λ)，测试光程长度为1，并测量前向散射光强i
s||
(λ)，可以得到，经过长度为l的散射介质后，对于不同波
长下不同散射系数间关系为：
[0071][0072]
即为同质散射系数方程，λ
a
、λ
b
为两种测量波长。根据此公式，相同散射介质条件下，两两一组，将不同波长测试光分别代入该公式，得到多个同质散射系数方程，构成同质散射系数方程组。该方程组用于提高后续红外光谱法测量的测量精度。
[0073]
此外，设波长为λ，测得出射光强为i0(λ)，测试光程长度为1，并测量前向散射光强i
s||
(λ)可以得到参考散射系数γ(λ)，其值为
[0074][0075]
将多个波长测试光的光强结果带入，可以得到多个参考散射系数。同时测量特定散射角下所选取的多波长的侧向散射光强i
s
⊥
(λ)，使用光散射法分析得到悬浮颗粒物颗粒度及相应浓度；
[0076]
4：利用第二探测单元探测红外光信号，使用红外光谱检测法进行测量。在红外光谱检测中，对于需要测量的气体组份1、气体组份2、气体组份3...气体组份n，有对应测试波长λ1、λ2、λ3...λ
n
，对应摩尔分子吸收系数分别为对应所需测得浓度为c1、c2、c3...c
n
，且测试波长λ1、λ2、λ3...λ
n
仅与对应气体组份1、气体组份2、气体组份3...气体组份n存在较强吸收，其余组份的吸收可以忽略。设检测光程为l，得到红外光谱测量方程组
[0077][0078]
对于本实施例而言，则是以co2指纹波长(4.26μm)脉冲光和甲醛指纹波长(3.56μm)脉冲光分别作为测量光，使用红外光谱法进行测量，得到红外光谱测量方程，与步骤3得到的方程联立得到方程组；
[0079]
5：将(5)(7)(8)联立，将测得输入代入方程组中拟合，联立求解；在求解过程中，参考散射系数选择与红外光谱测量中的测量光相近波长的参考散射系数，确定散射项大小。
[0080]
对于摩尔分子吸收系数较大的(如co2气体在4.26μm指纹波长下吸收谱带强度为95.5*10
‑
18
cm
‑1)由其确定了散射项的红外光谱测量方程直接得到，对摩尔分子吸收系数较小的(如co气体在4.67μm指纹波长下吸收谱带强度为9.8*10
‑
18
cm
‑1，虽然本实施例中为了简化没有对其进行测量，但实际使用中，通常需要对其进行测量，因此，本发明的涵盖了对其测量的情况)，确定了散射项大小的红外光谱测量方程组采用阶梯差分运算得到准确的气体组份浓度结果，其运算公式如下
[0081][0082]
将上述步骤得到的参考散射系数、同质散射系数方程、红外光谱测量方程组联立，
确定散射项大小，采用阶梯差分得到准确的气体组分浓度。
[0083]
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。