一种呼出气溶胶微生物快速检测装置的制作方法

1.本发明涉及了属于呼出气体检测技术领域的一种成分检测装置，尤其涉及一种基于连续辐照三维荧光的呼出气溶胶微生物快速检测装置。


背景技术：

2.呼吸道传染病通过呼出气溶胶(exhaled breath aerosol，eba)传播，成为全球关注的焦点。现有研究指出气溶胶是呼吸道传染病原体的主流传播形式。患者呼吸、说话、咳嗽和打喷嚏等行为都会产生气溶胶，人类暴露在该气溶胶中，就可能被感染。现场检测人体呼出气体中的病原体，是消除现行监测滞后性的首选方案。
3.目前，大部分呼出气溶胶微生物鉴定方法为离线检测方式，如：微生物培养法、分子微生物学方法、免疫检测法。然而传统的实验室离线检测装置面临检测周期长、无法现场应用、核酸提取复杂、依赖台式设备、传感器易失效等缺点。因此离线检测难以对突发的致病气溶胶暴露事件做出原位、精准、快速的识别。对于在线监测方法，早在1994年美国陆军就用激光诱导荧光识别微生物战剂：搭建的荧光激光雷达系统可探测到0.6～3.0km高空上的微生物气溶胶。
4.目前，荧光微生物气溶胶传感器(wibs)在微生物气溶胶的分布特性的研究中得到了应用。有关研究发现城市中的气溶胶有微生物荧光粒子存在且荧光粒子浓度与碳粒子浓度正相关。还有学者用紫外激光诱导雷达检测系统探测了炭疽芽孢杆菌微生物制剂。
5.综上，荧光光谱技术有检测灵敏度高、特异性强、操作简便的优点，但现有微生物气溶胶荧光鉴别得到的仅为强度信息，无法实现现场精准识别呼出气溶胶中微生物成分与浓度。仅靠常规荧光技术很难在强干扰中检测呼出气溶胶中微生物的成分与浓度，也无法现场精准识别呼出气溶胶微生物种类与浓度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于连续辐照三维荧光的呼出气溶胶微生物快速检测装置，解决了常规荧光技术很难在强干扰、浓度低等条件下检测呼出气溶胶中微生物的成分与浓度的技术问题，以及解决了无法在现场能够即时精准识别呼出气溶胶微生物种类与浓度的技术问题。
7.本发明的技术方案如下：
8.包括光谱采集腔；
9.包括收集载体，置于光谱采集腔内，上面承载人体呼出获得的气溶胶颗粒物；
10.包括光探测组件，产生光束照射到气溶胶颗粒物上，对气溶胶颗粒物上的微生物激发产生的荧光进行探测获得二维荧光光谱；
11.包括辐射源，置于光谱采集腔内并朝向收集载体上的气溶胶颗粒物，辐射源辐照到气溶胶颗粒物上进而影响其上的微生物激发产生的荧光，使得探测到的二维荧光光谱变成三维荧光光谱。
12.所述的气溶胶颗粒物是通过采样组件从人体呼吸气中采样获得，采样组件包括呼出气体采样器和呼吸采样嘴；
13.呼吸采样嘴，置于人体嘴上接收人体呼吸气，并排出到呼出气体采样器；
14.呼出气体采样器，接收来自呼吸采样嘴的人体呼吸气经过电沉积处理形成气溶胶颗粒物并置于收集载体上。
15.所述的光探测组件包括激光器、凸透镜、荧光滤光片、光谱摄取仪和光阱；激光器发出激光，激光照射到收集载体上面的气溶胶颗粒物上激发出荧光，透射过气溶胶颗粒物的光束被光阱吸收，气溶胶颗粒物上激发出的荧光经凸透镜和荧光滤光片后被光谱摄取仪探测接收。
16.所述的凸透镜和荧光滤光片均置于光谱采集腔内，激光器、反射镜、光谱摄取仪和光阱均置于光谱采集腔外。
17.所述光探测组件中，照射到气溶胶颗粒物上的光束保持连续，对气溶胶颗粒物上微生物激发而产生荧光的探测接收不连续；同时辐射源对气溶胶颗粒物的辐照不连续。
18.所述光探测组件中对气溶胶颗粒物上微生物激发而产生荧光的探测接收和辐射源对气溶胶颗粒物的辐照在时序上不同步。
19.所述的收集载体具体包括收集板，作为承载呼出气溶胶颗粒物的载具。
20.所述的收集载体上还设置了温控装置和超声装置；
21.温控装置，设置在收集载体底面，用于控制收集载体及其上的气溶胶颗粒物的温度；
22.超声装置，设置在收集载体底面，用于产生超声振动在鉴别检测后清除收集载体上的气溶胶颗粒物。
23.所述的辐射源发出的辐照种类包含微波、超声、(x)射线中的一种或者多种。
24.所述的辐射源的辐照参数包含分辨率、最大处理强度、积分时间。
25.本发明利用上述装置进行以下检测过程：
26.s1、在有辐照的收集载体上沉积人体呼出气溶胶颗粒物；
27.s2、设置辐照处理的种类以及辐照参数；
28.s4、通过辐射源对收集载体上的气溶胶颗粒物进行连续辐照，并扫描探测气溶胶颗粒物上微生物的病原体表面蛋白构象被辐照全过程的荧光光谱，获得三维荧光光谱；
29.所述的三维荧光光谱中，荧光强度是和波长和辐照强度相关的。
30.s5、分析三维荧光光谱提取等高线特征谱作为荧光指纹，进行特征提取和建模；
31.s6、根据建立的模型和提取的特征进行处理实现对人体呼出气溶胶中微生物的检测。
32.所述的收集载体上还设置有温控装置，在s2之后、s4之前进行以下s3：打开温控装置保持收集载体上温度恒定。具体控制温度在0～36℃范围。
33.所述s6具体为，根据建立的模型对提取的特征进行处理获得人体呼出气的微生物的种类与含量。
34.所述的三维荧光光谱是在间断辐射处理过程中连续间断探测摄取得到的。
35.所得的三维荧光光谱中包含了气溶胶中微生物颗粒受辐射中产生的变量，再经过光谱处理和建模分析，利用微生物在辐照处理中表现出的特异性，分析出人体呼吸气的气
溶胶中微生物的种类和浓度信息。
36.本发明所针对的微生物是能受激光照射激发出荧光的微生物，通常例如是严重急性呼吸系统综合征冠状病毒、甲乙丙三型流行性感冒病毒、麻疹等包含蛋白质结构的呼吸道传染病原体一类的微生物。
37.本发明利用荧光在线检测方式结合辐照的优化，能够有效快速准确地分析检测获得气溶胶中微生物的种类和浓度信息。
38.通常通过激光照射气溶胶微生物颗粒也能够产生荧光，但是由于呼出气溶胶中的微生物浓度低、呼出气溶胶组分复杂的原因，造成荧光信号弱，信号容易受到干扰的问题，无法实现有效的气溶胶微生物的鉴别和检测。
39.而本发明通过增加了连续辐照，微生物病原体表面的蛋白构象改变，且在改变过程中获得辐照全过程的荧光光谱，从二维荧光光谱形成三维荧光光谱，从三维荧光中提取等高线特征谱、分析三维荧光的波峰位置、高度、变化率、波谷长度、峰脊长度和宽度等光谱信息，进而判断获得微生物的鉴别和检测结果。
40.与现有技术相比，本发明具备的有益效果：
41.本发明装置能够用于通过连续辐照处理气溶胶颗粒物获取荧光指纹，在二维荧光光谱的光探测组件增加了用于辐照(如：微波、紫外线、x射线照射)的结构，用于在辐照下通过快速扫描微生物的病原体表面蛋白构象变化过程的荧光光谱获得含有微生物信息的三维荧光光谱，这样能够用于利用微生物在辐照处理中表现出的特异性，从中反演获得微生物的种类和浓度信息，实现了呼出气溶胶微生物和病原体现场检测的突破。
42.本发明通过设置辐照的引入，不仅可实现微生物信息的筛选，还能减弱检测系统对光源强度的要求，提高检测系统的稳定性，用于实现了在现场能够实时快速提取气溶胶中微生物荧光光谱，有利于提高了呼出气溶胶微生物现场检测的效率和准确性。
附图说明
43.图1为本发明的一个实施例的流程图；
44.图2为本发明采用装置的示意图；
45.图3为本发明一个实施例的装置结构示意图；
46.图4为图3的a-a截面图；
47.图5为呼出气溶胶微生物连续辐照三维荧光结果图。
48.图6为呼出气溶胶微生物连续辐照三维荧光的等高线特征谱结果图。
49.图中：光谱摄取仪1、光谱采集腔2、呼出气体采样器3、激光器4、凸透镜5、荧光滤光片6、辐射源7、光阱8、温控装置9、超声装置10、收集板11、呼吸采样嘴12、反射镜13；采样过滤环节14、复合采样环节15、光谱采集腔环节16、收束出气口环节17、光谱入射光纤18、光谱出射光纤19、辐射源20、气溶胶沉积组件21；碰撞切割器环节22、电晕放电环节23、石英收集板24、温度控制器25、超声装置26。
具体实施方式
50.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加明显和易懂，下面将结合本明实施例中的附图，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
仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。
51.下面结合附图和实施例对本发明进行更详细的说明。
52.如图2所示，装置主要由光谱采集腔2、收集载体、光探测组件、辐射源7几部分重要功能部件组成。
53.包括光谱采集腔2，用于容纳气溶胶颗粒物和相关部件，形成检测环境；
54.包括收集载体，置于光谱采集腔2内，上面承载人体呼出获得的气溶胶颗粒物；
55.包括用于探测二维荧光光谱的光探测组件，光探测组件产生光束照射到气溶胶颗粒物上，对气溶胶颗粒物上的微生物激发产生的荧光进行探测获得二维荧光光谱；
56.包括辐射源7，置于光谱采集腔2内并朝向收集载体上的气溶胶颗粒物，辐射源7辐照到气溶胶颗粒物上进而影响其上的微生物激发产生的荧光，使得气溶胶微生物蛋白构象发生改变，探测到的记录变化全过程的二维荧光光谱，形成三维荧光光谱，利用三维荧光光谱对微生物进行快速检测。
57.具体实施中，气溶胶颗粒物是通过采样组件从人体呼吸气中采样获得，采样组件包括呼出气体采样器3和呼吸采样嘴12；
58.呼吸采样嘴12，置于人体嘴上接收人体呼吸气，并排出到呼出气体采样器3；
59.呼出气体采样器3，接收来自呼吸采样嘴12的人体呼吸气经过电沉积处理收集气溶胶颗粒物并置于收集载体上。呼出气体采样器3能够将呼出的气溶胶颗粒物有效采集，前端设置了一个呼吸采样嘴12，还包含干燥以及过滤等基本功能。
60.光探测组件包括激光器4、凸透镜5、荧光滤光片6、光谱摄取仪1和光阱8；激光器4发出激光，激光为紫外光。激光照射到收集载体上面的气溶胶颗粒物上激发出荧光，透射过气溶胶颗粒物的光束被光阱8吸收，气溶胶颗粒物上激发出的荧光经凸透镜5和荧光滤光片6后被光谱摄取仪1探测接收。
61.光谱摄取仪1具备摄取采集腔中荧光光谱的功能，对灵敏度、信噪比和响应时间有一定的要求，能够在连续辐照处理间断时间内完成光谱采集。激光器4作为荧光激发光源，光束通过反光镜13射向收集板11的呼出气溶胶颗粒物上。
62.具体实施中，光探测组件还可以设有反射镜13，激光器4发出的激光经反射镜13反射后照射到收集载体上面的气溶胶颗粒物。
63.具体实施中，在气溶胶颗粒物和光谱摄取仪1之间布置两个凸透镜5，在两个凸透镜5之间布置一个荧光滤光片6。
64.具体实施中，凸透镜5和荧光滤光片6均置于光谱采集腔2内，激光器4、反射镜13、光谱摄取仪1和光阱8均置于光谱采集腔2外。
65.光探测组件中，照射到气溶胶颗粒物上的光束保持连续，对气溶胶颗粒物上微生物激发而产生荧光的探测接收不连续；同时辐射源7对气溶胶颗粒物的辐照不连续。
66.光探测组件中对气溶胶颗粒物上微生物激发而产生荧光的探测接收和辐射源7对气溶胶颗粒物的辐照在时序上不同步，时间上动作错开设置，即使得在辐射源7对气溶胶颗粒物辐照时光探测组件对荧光不进行探测接收，且在光探测组件对荧光进行探测接收时辐射源7不对气溶胶颗粒物辐照。
67.收集载体具体包括收集板11，作为承载呼出气溶胶颗粒物的载具。
68.收集载体上还设置了温控装置9和超声装置10；
69.温控装置9，设置在收集载体的收集板11底面，用于控制收集载体的收集板11及其上的气溶胶颗粒物的温度，使得颗粒温度恒定，防止荧光的温度猝灭；
70.温控装置9能够制热和制冷，保持收集载体的收集板11上的温度恒定。
71.超声装置10，设置在收集载体的收集板11底面，用于产生超声振动在鉴别检测后清除收集载体的收集板11上的气溶胶颗粒物，起到清理气溶胶颗粒物的作用。
72.光谱采集腔体2中包含凸透镜5、荧光滤光片6、辐射源7、光阱8、温控装置9、超声装置10、收集板11主要功能部件，其中凸透镜5、荧光滤光片6、光阱8是光路组成部件，辐射源7具备对呼出气溶胶颗粒物发出特定辐照的功能，温控装置9用于维持收集板11的温度恒定，超声装置10用于将超声传递至收集板11和呼出气溶胶上，具有辅助处理和清洁的作用。
73.辐射源7发出的辐照种类包含微波、超声、x射线中的一种或者多种。辐射源能够以一种或多种辐照方式进行连续辐照。
74.辐射源7的辐照参数包含分辨率、最大处理强度、积分时间；通过设置辐照参数能够控制辐照。
75.辐照参数的设置由辐射源7的控制器或开关来存储与实施。
76.激光器4发出的激光会被气溶胶颗粒物反射形成中间反射光，中间反射光和激发出的不同波长的荧光一起透射过凸透镜5，但是经荧光滤光片6会将激光器4发出的激光滤除，仅保留激发出的不同波长的荧光入射到光谱摄取仪1中。
77.呼出气体采样器3中具有分别正负极性的两个电极，一个极性的电极连接外部电压，另一极性的电极位于收集载体的底面。
78.具体布置在石英收集板24下方。
79.本发明的实施例的处理过程如下：
80.步骤s1：在有辐照和温控功能的收集板11上沉积上人体呼出气溶胶，收集板11是承载呼出气溶胶颗粒物的载具，在该收集板上设置温控装置9，以消除连续辐照带来的温度猝灭；气溶胶上的颗粒物会沉积到收集板11上形成气溶胶颗粒物，气溶胶颗粒物上会黏附带有微生物。
81.步骤s2：设置辐照处理的种类，实施例的种类确定为微波，
82.辐照参数设置为：最大处理强度为100mw/m2，分辨率为1/s，总积分时间为10s。
83.步骤s3：打开温控装置9，设定目标温度t具体为4摄氏度，保持收集板11上的温度恒定，通过温控装置调整控制收集板11的温度恒定在t，误差尽可能小，误差不大于0.1摄氏度；
84.步骤s4：根据上述设置，再用辐射源7对收集板11上的气溶胶颗粒物进行连续辐照，根据分辨率、最大处理强度和积分时间设置短暂间断辐照，并用光探测组件中的激光器4发出紫外光照射经过气溶胶颗粒物，用光谱摄取仪1快速扫描探测微生物的病原体表面蛋白构象辐照全过程的荧光光谱，获得三维荧光光谱，其中荧光强度是波长和连续辐照强度的函数。
85.辐照的时间和光谱摄取仪1扫描探测的时间相互错开，在时间上不重叠。通常是间断辐照，在相邻两次辐照之间的时段内进行光谱摄取仪1扫描探测。
86.步骤s5：根据上述获得的三维荧光光谱绘制三维荧光面，分析三维荧光面，提取等
高线特征谱作为荧光指纹，进行特征提取和建模；
87.具体实施的模型是支持向量分类与支持向量回归模型，分别用于识别微生物种类和微生物的含量。
88.步骤s6：根据建立的模型对提取的特征进行反演处理获得人体呼出气溶胶中的微生物的种类与含量。
89.对于微生物的种类，通过对等高线特征谱中提取峰位置、数量、坡度、体积特征，进而经支持向量分类模型处理获得微生物的种类。
90.对于微生物的含量，通过对等高线特征谱中提取的峰高程、高差、坡度、体积特征，进而经支持向量回归模型处理获得微生物的含量。
91.图3和图4为本发明提出的一个装置实施例的结构示意图。如图3和图4所示，主要包含了依次衔接连接的采样过滤环节14、复合采样环节15、光谱采集腔环节16、收束出气口环节17的管道组件，重要的是光谱采集腔环节16包含了光谱入射光纤18、光谱出射光纤19、辐射源20以及包含超声、控温的气溶胶沉积组件21，气溶胶沉积组件21包含了石英收集板24、温度控制器25和超声装置26，复合采样环节15包含了碰撞切割器环节22和电晕放电环节23。
92.复合采样环节15中包含了碰撞切割器环节22和电晕放电环节23，气溶胶从采样过滤环节14进入复合采样环节15中，先经过碰撞切割器环节22，截取气溶胶中特定直径的颗粒物，电晕放电环节23设置连接外部电压的负极板，再经电晕放电环节23的负极板处理后带负电，进而流动到光谱采集腔环节16中。
93.光谱采集腔环节16的管道内布置石英收集板24，气溶胶颗粒物沉积在石英收集板24上，石英收集板24侧旁设置负极板，带负电的气溶胶在靠近石英收集板24的正极板时候被电沉积落到石英收集板24上。
94.辐射源20插装在光谱采集腔环节16的管道上并伸入到管道内腔，激光器4的光谱入射光纤18和光谱摄取仪1接收端的光谱出射光纤19也插装在光谱采集腔环节16的管道上并伸入到管道内腔，光谱入射光纤18和光谱出射光纤19相垂直不同轴布置，光谱入射光纤18用于发出激光照射到气溶胶颗粒物，光谱出射光纤19用于探测接收透过气溶胶颗粒物的荧光。
95.石英收集板24底面下布置温度控制器25和超声装置26，最终经辐射源20、温度控制器25等部件的共同作用，通过光谱出射光纤19探测接收气溶胶颗粒物在连续辐照下的三维荧光。探测完成后打开超声装置26带动石英收集板24振动将气溶胶颗粒物清除，进行下一次检测。
96.图5和图6是呼出气溶胶微生物连续辐照三维荧光的一个实施例结果。
97.呼出气溶胶微生物连续辐照三维荧光和呼出气溶胶微生物连续辐照三维荧光的等高线特征谱图分别如图5和图6所示。
98.图5中可见，该种连续辐照三维荧光在包含二维荧光光谱的基础上增加了连续微波辐照处理的新维度，初始荧光光谱在360nm附近有明显的波峰，随着微波处理该处波峰逐渐下降，并在4个处理强度单位处不再变化。在6个单位处理强度后，790nm附近出现了一个波峰，这是呼出气溶胶中非微生物杂质的信号。
99.图6中可见，连续辐照三维荧光可以通过提取等高线特征谱获得清晰的指纹图谱。
其中，峰位置、数量、坡度、体积以及峰的高程、高差特征易于提取。与图5对应的波峰，分别在360nm和790nm附近有明显的波峰，并且清晰地记录了波峰波谷的变化过程。
100.上述的实例中通过对连续辐照三维荧光面上的峰位置、数量、坡度、体积以及峰的高程、高差的提取，经过支持向量分类与支持向量回归模型处理获得微生物的种类与含量，从呼出气溶胶中识别出微生物种类为严重急性呼吸系统综合征冠状病毒，含量为105virus/m3。
101.上述结果表明，连续辐照三维荧光面上的峰位置、数量、坡度、体积以及峰的高程、高差等都包含了大量呼出气溶胶中微生物的信息，成为呼出气溶胶中微生物鉴别的新方法。
102.在上述实施例中，对实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
103.以上为对本发明所提供一种基于连续辐照三维荧光的呼出气溶胶微生物检测装置的描述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。