单个生物气溶胶颗粒识别系统的制作方法

本实用新型涉及生物气溶胶识别技术，尤其涉及一种单个生物气溶胶颗粒的识别系统。

背景技术：

空气污染已经成为社会广泛关注的环境问题，特别是微生物气溶胶对于人体健康有着直接而显著的重大影响。暴露于高浓度、致病性、致敏性的生物气溶胶可能引起感染、呼吸道疾病，包括过敏、病态建筑综合征等一系列健康问题。传统生物气溶胶采样检测技术绝大部分为耗时长的离线检测分析，难以为短时间内发生的微生物暴露事件做出实时、原位的在线监测甄别。甚至不能原位在线识别是生物还是非生物气溶胶颗粒。

目前市面上生物气溶胶原位在线识别监测的设备主要有基于激光诱导荧光原理的uv-aps、wibs系列在线检测设备，基本能够从气溶胶中识别生物组分浓度，但限制于其原理，空气中的部分非生命有机物分子如芳香烃化合物也会发出荧光，会造成很大程度的干扰和假阳性，同时微生物细胞和无机组分形成多种复杂团聚结构又会造成荧光信号微弱产生假阴性，从而不能够准确测量大气中微生物颗粒总数。近年来，激光捕获结合拉曼光谱等光学手段，可以实现对生物颗粒的原位甄别。过去研究已经成功地将不同的真菌孢子、花粉以及细菌等颗粒通过激光捕获的方式悬浮固定，并且获得相应的拉曼光谱。但是，由于受环境成分干扰太大，缺乏特征谱峰，在实际环境中颗粒检测存在非常大的挑战，甚至不能够区分所捕获的颗粒是生物还是非生物。

因此基于新的更可靠且更具特征性的原理来区分生物颗粒与非生物颗粒的新技术和设备在生物预警和应对突发微生物暴露事件中至关重要。生物颗粒一般都含有大量水分(大于70％)，过去研究发现，利用微波辐射可以直接灭活空气中的真菌、细菌。经过微波快速辐射后，真菌孢子形貌变得扁平，而细菌的细胞壁则发生破裂。而无生命的有机或无机颗粒均无类似在微波定向辐射中突发形变(破裂)的结构，因此结合利用激光原位捕获固定和微波定向辐射可以用来甄别区分大气中生物与非生物颗粒。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种单个生物气溶胶颗粒识别系统，实现生物与非生物气溶胶颗粒的单个捕获固定甄别。本实用新型集成激光光镊与微波辐射实现对大气中生物与非生物颗粒的原位在线区分甄别系统装置，结合利用数码相机(digitalstillcamera)和激光共聚焦显微镜实现对捕获颗粒属性的原位分析，将空气中生物颗粒物的识别转换为一种肉眼可识别的简单物理漂移或逃逸现象。

本实用新型的技术方案如下(参见图1)：

一种基于激光捕获与微波辐射的单个生物气溶胶颗粒识别系统，包括激光共聚焦显微镜光镊、微波定向辐射装置和数码相机，其中，所述激光共聚焦显微镜光镊由外置激光源输入的激光共聚焦显微镜和放置于激光共聚焦显微镜载物台上用于密封存放待测气溶胶颗粒的透明腔体组成；所述微波定向辐射装置由微波发生仪、微波传输线、微波定向辐射线圈和微波谐振腔组成，微波定向辐射线圈通过微波传输线与微波发生仪连接，微波定向辐射线圈非接触地缠绕在所述透明腔体周围；所述透明腔体、微波定向辐射线圈及激光共聚焦显微镜的载物台全部置于所述微波谐振腔中；数码相机用于接收信号成像，置于激光共聚焦显微镜反射光路末端与激光共聚焦显微镜连接。

上述单个生物气溶胶颗粒识别系统中，所述透明腔体优选为密闭的有机玻璃腔、玻璃腔或石英玻璃腔，其中密封存放着待测试的气溶胶颗粒，放置于激光共聚焦显微镜的载物台上。所述激光共聚焦显微镜的物镜优选为长焦物镜，准直的激光束通过长焦物镜聚焦后在透明腔体中形成光镊。

本实用新型的主要技术原理是：利用聚焦激光作为激光光镊，捕获并固定悬浮在密闭的常压透明腔体内的颗粒物，对透明腔体定向辐射微波，生物颗粒物在接收微波辐射后形体会发生显著变化甚至破裂，从而从激光的捕获中逃逸，可以用肉眼观测到，而非生物颗粒不会发生此种现象，结合数码相机记录颗粒物形貌变化，实现生物与非气溶胶颗粒的单个捕获固定甄别与后续记录分析，可以广泛应用于室内外环境空气所包含大气颗粒物的原位检测，特别是其中微生物颗粒与非生物的原位甄别和表征。

本实用新型的单个生物气溶胶颗粒识别系统中，激光共聚焦显微镜包含光路转换模块，光路转换模块可以是手动调节的，用于将光路中的二向色镜切换至空腔，用数码相机或肉眼直接观察。所述激光共聚焦显微镜的外置激光源输入部分包括一以光纤接入的半导体激光器，半导体激光器通过光纤连接至光路转换模块中，光路转换模块中安装反射激光并透过成像信号的二向色镜。激光从半导体激光器发生，经光纤传输到激光共聚焦显微镜的光路系统中，经过准直透镜的折射形成准直的激光束，经二向色镜反射后通过长焦物镜聚焦，在透明腔体中形成光镊，捕获透明腔体中的气溶胶颗粒。激光照射待测颗粒后反射的成像信息，沿光路透过二向色镜，经聚焦透镜后将物象信号传输到数码相机成像。

在本实用新型的一个实施例中，所述激光共聚焦显微镜为一改装的显微镜，其光源为一以光纤接入的单模激光器，经准直透镜准直后以二向色镜反射激光通过长焦物镜照射到透明腔体的待测样品上。所述光纤优选为石英光纤。所述透明腔体材质可以是有机玻璃、玻璃或石英玻璃等透明片状材料，其长宽高为26mm±6mm，壁厚度为2mm±1mm，优选为透过率大于95％、荧光等级i级的石英玻璃。

所述长焦物镜为一工作距离(w.d.)大于10mm、数值孔径(na)大于0.50的高倍长焦物镜。优选的放大倍率为50×，数值孔径(na)为0.50，工作距离10.6mm，分辨率为0.67μm。

所述数码相机可以为任意品牌型号的科研用电荷耦合器件(ccd)相机或互补金属氧化物半导体(cmos)显微相机，分辨率可以为1600万像素，具有拍照、录像和实时观察功能，可以连接电脑控制、输出和存储。

所述微波定向辐射装置中，由微波发生仪发生微波，经微波传输线传导由微波定向辐射线圈对置于微波谐振腔内的透明腔体进行定向辐射。

所述微波传输线为同轴传输线，材质可以是金属或合金等波导介质，优选为铜同轴tem模传输线。

微波定向辐射线圈为实心的波导材质，可以是金属线圈，优选为塑料外皮包裹的铜丝，直径3mm。

所述微波谐振腔为一金属材质屏蔽结构的腔体，可以是圆柱形、六面体等，表面设置有便于取放待测样品腔体的活动窗，并且在内表面固定有微波传输线的输出接头，用于连接微波定向辐射线圈。

所述微波发生仪优选为微波辐射功率和时长可调节的微波发生仪，可以是一个带有液晶数字显示面板的，可通过旋钮和/或按键设置及调节微波辐射功率和时长的独立微波发生仪器。其频率可以为2450mhz，功率可以为0～300w可调节范围。由微波电源、磁控管、数字显示面板及相应高压电路和调节电路组成。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的基于激光捕获与微波辐射的单个生物气溶胶颗粒识别系统克服了目前基于激光诱导nadh荧光原理的荧光空气动力学粒度计(如uv-aps、wibs-4等)对于部分含有机物(如苯系荧光物质)颗粒的误判。利用活性微生物含有大量水分且生物膜完整的结构在微波辐射下的特征反应(吸收微波后形态变化、破裂并从光镊中逃逸)更准确地判断颗粒物是否为具有或含有保持活性的微生物。同时利用数码相机记录颗粒物受到微波辐射过程的逃逸特征变化并录像。本实用新型利用激光光镊固定并施加定向微波辐射来区分生物与非生物颗粒，同时结合数码相机记录颗粒物固定状态变化以直观且快速地原位识别单个生物气溶胶颗粒，实现了生物与非生物气溶胶颗粒的单个捕获固定甄别与后续记录分析，可以广泛应用于室内外环境空气所包含大气颗粒物的原位检测，特别是其中微生物颗粒与非生物的原位甄别和记录。主要特点是：

(1)利用微波辐射将激光悬浮固定的单个微生物颗粒与非生物颗粒本质特征差异转化为一种肉眼可识别的逃逸现象，直观可靠地甄别颗粒物是否为活性生物颗粒。

(2)该系统采用外接的单模激光光源形成光镊捕获气溶胶颗粒同时集成数码相机记录颗粒物逃逸现象，可以连接到计算机实现甄别系统的自动识别和记录，无需值守和人工判断。

(3)采用功率可调节的微波定向辐射装置，更容易观察并记录生物气溶胶颗粒在微波辐射中的形貌和表面化学特征变化，研究微波对于颗粒物的作用。

附图说明

图1为本实用新型基于激光捕获与微波辐射的单个生物气溶胶颗粒识别系统的结构示意图；其中：1-数码相机，2-激光共聚焦显微镜，3-二向色镜，4-长焦物镜，5-微波谐振腔，6-微波定向辐射线圈，7-石英玻璃腔，8-聚焦透镜，9-准直透镜，10-石英光纤，11-单模半导体激光器，12-微波传输线，13-可调微波发生仪。

图2为本实用新型实施例中光镊捕获颗粒受到定向微波辐射后脱离捕获位置前(a)、后(b)的视频截图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步详细描述本实用新型。

如图1所示，本实用新型实施例的基于激光捕获与微波辐射的单个生物气溶胶颗粒识别系统包括激光共聚焦显微镜光镊、微波定向辐射装置和数码相机1，其中，激光共聚焦显微镜光镊由带有长焦物镜4和外置激光源输入的激光共聚焦显微镜2和石英玻璃腔7组成；微波定向辐射装置由可调微波发生仪13、微波传输线12、微波定向辐射线圈6和微波谐振腔5组成；数码相机1置于显微镜反射光路末端与激光共聚焦显微镜2连接。

所述石英玻璃腔7为透明腔体，其中密封存放着待测试的生物气溶胶颗粒，放置于激光共聚焦显微镜2的载物台上。微波定向辐射线圈6通过微波传输线12与可调微波发生仪13连接，微波定向辐射线圈6非接触地缠绕在石英玻璃腔7周围，同时不接触其他各部件。上述石英玻璃腔7、微波定向辐射线圈6及激光共聚焦显微镜2的载物台全部置于微波谐振腔5中，尽量密闭以减少微波泄露区。固定在激光共聚焦显微镜2底部的长焦物镜4的镜头部分伸入微波谐振腔5中。单模半导体激光器11通过石英光纤10连接到激光共聚焦显微镜2的光路转换器(dps)中，光路转换器中安装反射激光并透过成像信号的二向色镜3。竖直方向上部的光路转换器上安装有接收信号成像的数码相机。

激光从单模半导体激光器11发生，经石英光纤10传输到激光共聚焦显微镜2的光路系统中，经过准直透镜9的折射形成准直的激光束后，经二向色镜3反射后通过长焦物镜4聚焦，在石英玻璃腔7中形成光镊，捕获石英玻璃腔7中的颗粒物。激光照射待测颗粒后反射的成像信息，沿光路完全透过二向色镜3，经聚焦透镜8后将物象信号传输到数码相机1成像。

参见图2，以功率为100w的微波对光镊捕获成亮绿色的真菌孢子颗粒(图2左图中箭头所指位置)定向辐射128s后颗粒物瞬间破裂从捕获位置逃逸，图2右图中该位置已看不到真菌孢子颗粒。