一种微光收集方法、微光收集装置及发光菌微光检测模组与流程

1.本发明涉及发光菌微光检测技术领域，更具体地说，它涉及一种微光收集方法、微光收集装置及发光菌微光检测模组。


背景技术：

2.发光细菌在新陈代谢时会发出蓝绿色光（波长约450-490nm），若代谢过程被影响，就会导致发光强度的变化。水样中含有的毒性物质会抑制细菌正常代谢，导致发光强度降低。毒性越大，抑制作用越强，细菌发光强度越小，通过测量发光细菌与水样接触后发光强度相对接触参比水样后的减弱（即相对发光抑制率）来评价水质中毒性强弱。
3.iso11348-3/gb-t15441 1995 利用发光菌种对水质毒性发光亮度的区别来检测水质毒性强度。
[0004] 水质生物毒性检测仪通过测定发光细菌发光度的变化，量度被测环境样品中由重金属和其它有机污染物所造成的急性生物毒性。与传统的鱼、蚤和其它水生生物作为生物检测方法相比，发光细菌法简便、快速、灵敏、适应性强、重复性好、精度高、费用 低、用途广，凡有毒化合物、废水、废弃物的生物毒性均可测定。
[0005]
发光细菌法为直接采集检测法：目前市场上各厂家研制的该类设备均直接使用光电探测器对玻璃容器壁或试管壁发光菌的发光强度进行检测，光电探测器接收口直接对准玻璃容器，导致接收窗口能接收到的光线数量较少，基本上等同于玻璃容器的面对光电探测器的一面光线，玻璃容器的绝大部分其它面发出的光线无法被有效接收，光线收集少，进而导致光电传感器检测结果灵敏度不高，检测的上限值低，所需的发光菌种用量较大，接收器必须距离发光菌器皿很近等缺点。


技术实现要素：

[0006]
本技术的目的是提供一种微光收集方法、微光收集装置及发光菌微光检测模组，意在利用一种特殊的微光收集方法、装置以及全新的发光菌微光检测模组，解决传统发光细菌检测方法光线收集少的问题，可以更大限度的收集光线，以达到提高检测的灵敏度的目的。
[0007]
本技术第一方面提供一种微光收集方法，通过以下技术方案得以实现的：包括接收发散光；对所述发散光进行第一次反射，得到准直光；对所述准直光进行第二次反射，得到汇聚于一点的光。
[0008]
采用上述技术方案，通过两次反射，将光源处的发散光转换为准直光，进一步再汇聚于一点，实现对微弱光的收集，应用于发光菌检测时，可以提升发光菌的光线收集率，减少单次检测所需发光菌试剂量。
[0009]
本技术第二方面提供一种微光收集装置，用于实现上述的一种微光收集方法：包括
第一反射面、第二反射面和容积管；所述第一反射面和第二反射面为回转抛物面，所述第一反射面与所述第二反射面连接，形成空腔；所述容积管置于所述空腔，所述容积管包括相互连接的球形腔和连接杆，所述连接杆穿设于所述第一反射面与所述第二反射面形成的空腔中，用于将所述球形腔固定于所述空腔。
[0010]
采用上述技术方案，容积管的球形腔内盛放发光菌培养液，光源经球形腔均匀发出，形成发散光，发散光到达第一反射面，经第一反射面反射形成准直光，准直光到达第二反射面，经第二反射面反射，保证电光源光线尽可能多的汇聚于焦点，实现微光收集；应用于发光菌检测时，可以汇聚发光菌的微弱光，提升发光菌的使用收集率，减少发光菌的使用量。
[0011]
进一步的，所述第一反射面的焦点、第二反射面的焦点和球形腔中心位于同一直线，所述准直光入射方向与所述第二反射面的主轴平行。
[0012]
进一步的，所述球形腔的中心位于所述第一反射面的焦点，所述第二反射面的焦点位于所述球形腔外。
[0013]
进一步的，所述容积管采用透明亚克力材料或玻璃制成。
[0014]
进一步的，所述第一反射面和第二反射面的内壁面采用真空电镀铬或黄金抛光形成。
[0015]
进一步的，还包括：活动连接的发射杯和收集杯，所述发射杯和收集杯的内壁面凹陷，分别置放第一反射面和第二反射面，所述发射杯和收集杯的内壁面还设置有与所述连接杆对应的固定槽。
[0016]
进一步的，所述连接杆上设置有插接件，所述固定槽内设置有与所述插接件配合的定位孔。
[0017]
本技术第三方面提供一种发光菌微光检测模组，通过以下技术方案得以实现的：包括上述的一种微光收集装置和光电传感器，第二反射面表面设置有开窗，所述开窗连接所述光电传感器，所述光电传感器的光线接收面位于所述第二反射面的焦点处，或位于所述第二反射面的焦点靠近球形腔的一侧。
[0018]
采用上述技术方案，球形腔内盛放发光菌，发出均匀的发散光，发散光经第一反射面反射形成准直光，准直光经第二反射面反射汇聚第二反射面的焦点处，焦点处汇聚的光经光线接收面传至光电传感器，将光信号转化为电信号进行定量检测；一方面，可以大幅度提升光电传感器接收的光线幅值，提高检测灵敏度、分辨率以及上限值；另一方面，可以降低对光电传感器探测微光能力的依赖，从而降低选型成本，光源汇聚后，发光菌的变化将更为明显，采用普通的光电传感器即可测量水质变化。
[0019]
进一步的，所述球形腔的体积为1-4ml。
[0020]
与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：本技术的微光收集方法、装置以及发光菌微光检测装置；第一，成n倍量级提升了传感器捕获的光，提升检测精度，提高传感器的检测上限值；第二，可以降低对传感器的要求，降低传感器成本，光源汇聚充足，无需使用高精密光子计数器，还可以避免光子计数器装备对准的问题；第三，降低检测时发光菌的用量，节省检测成本。
附图说明
[0021]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1为本发明一实施例提供的传统发光细菌的检测的示意图；图2为本发明一实施例提供的另一传统发光细菌的检测的示意图；图3为本发明一实施例提供的微光收集方法的流程示意图；图4为本发明一实施例提供的微光收集方法的原理示意图；图5为本发明一实施例提供的微光收集装置的结构示意图；图6为本发明一实施例提供的光线汇聚的示意图；图7为本发明一实施例提供的发光菌微光检测模组的结构示意图；图8为本发明一实施例提供的传统发光菌微光检测装置检测结果；图9为本发明一实施例提供的本技术发光菌微光检测装置检测结果。
[0022]
附图中标记及对应的零部件名称：1、容积管；11、球形腔；12、连接杆；2、第一反射面；3、第二反射面；4、光电传感器。
具体实施方式
[0023]
在下文中，可在本技术的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所申请的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本技术的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
[0024]
在本技术的各种实施例中，表述“或”或“b或/和c中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“b或c”或“b或/和c中的至少一个”可包括b、可包括c或可包括b和c二者。
[0025]
在本技术的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本技术的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
[0026]
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件或与另一组成元件“相连”，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件或与另一组成元件“直接相连”时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
[0027]
在本技术的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本技术的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具
有与本技术的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本技术的各种实施例中被清楚地限定。
[0028]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本技术作进一步的详细说明，本技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本技术，并不作为对本技术的限定。
[0029]
传统发光细菌的检测方法为直接采集检测法，参见图1-图2，包括：盛放发光菌的玻璃器皿和光电传感器4，一种方式是将光电传感器4置于玻璃器皿的一侧，检测玻璃器皿的侧面光线，另一种方式是将光电传感器4置于玻璃器皿的底部，检测玻璃器皿底部的从光线。
[0030]
无论是检测侧面光线还是检测底面光线，光电传感器4的接收窗口都是直接对准玻璃容器的，光电传感器4只能接收到处于接收窗口相对面的玻璃容器光线，玻璃容器的绝大部分其它面发出的光线无法被有效接收；发光菌的发光亮度较低，是一种微光，肉眼可见度低，直接检测时，所需的发光菌种用量较大，否则光电传感器4接收光线幅值低，检测的上限值低，灵敏度不高；且检测时，光强强度与接收距离的平方分之一成正比，这就要求接收窗口必须距离发光菌器皿很近，限制了检测组件的设置。
[0031]
鉴于上述直接检测存在的问题，本技术第一方面，提供一种微光收集方法，通过对发光菌盛放器皿多曲面反射光线收集，使得发光菌的光线收集率大幅度提升，可大幅减少单次检测所需发光菌试剂量。
[0032]
参见图3所示，图3为微光收集方法的流程示意图，包括：接收发散光；对发散光进行第一次反射，得到准直光；对准直光进行第二次反射，得到汇聚于一点的光。
[0033]
具体的，结合图4进行说明，光源为点光源，发出均匀的发散光，发散光到达第一反射面2，经过第一反射面2反射，形成平行的准直光，准直光到达第二反射面3，经过第二反射面3反射，汇聚于一点，该点为第二反射面3的焦点。
[0034]
采用本技术提供的微光收集方法，通过两次反射，将光源处的发散光转换为准直光，进一步再汇聚于一点，实现对微弱光的收集，应用于发光菌检测时，可以提升发光菌的光线收集率，减少单次检测所需发光菌试剂量。
[0035]
本技术第二方面，提供一种微光检测装置，用于实现上述的微光检测方法，通过改变玻璃器皿形状和外置特殊设计的光学曲面对发光菌发出的光线进行直接和间接的进行收集和采样，达到收集到更多光线的目的。
[0036]
参见图5所示，图5为微光收集装置的结构示意图，包括：第一反射面2、第二反射面3和容积管1；第一反射面2和第二反射面3为回转抛物面，第一反射面2与第二反射面3连接，形成空腔；容积管1置于空腔，容积管1包括相互连接的球形腔11和连接杆12，连接杆12穿设于第一反射面2与第二反射面3形成的空腔中，用于将球形腔11固定于空腔。
[0037]
具体的，容积管1的球形腔11内盛放发光菌培养液，球形腔11中心即为光源中心，光源经球形腔11均匀发出，形成发散光，发散光到达第一反射面2，经第一反射面2反射形成准直光，准直光到达第二反射面3，经第二反射面3反射，汇聚于一点。
[0038]
在一种可能的实施例中，第一反射面2的焦点、第二反射面3的焦点和球形腔11中心位于同一直线，准直光入射方向与第二反射面3的主轴平行。
[0039]
在一种可能的实施例中，所述球形腔11的中心位于所述第一反射面2的焦点，所述第二反射面3的焦点位于所述球形腔11外。保证经第一反射面2、第二反射面3反射的光汇聚于球形腔11外，即汇聚于第二反射面3的焦点。参见图6所示，球形腔11的中心位于所述第一反射面2的焦点，球形腔11的电光源经第一反射面2、第二反射面3的反射，汇聚于第二反射面3的焦点。
[0040]
在一种可能的实施例中，容积管1采用透明亚克力材料或玻璃制成，第一反射面2和第二反射面3的内壁面采用真空电镀铬或者黄金抛光形成。
[0041]
需要说明的是，上述指出的容积管1的材料以及第一反射面2、第二反射面3的制作工艺仅为一些优选的实施方式，并不构成对本技术的限定，凡是本领域人员所知晓的，使得容积管1透明的材料，以及使得第一反射面2、第二反射面3为高反射率的光滑表面的制作工艺均属于本技术的保护范围。
[0042]
在一种可能的实施例中，微光收集装置还包括：活动连接的发射杯和收集杯，发射杯和收集杯的内壁面凹陷，分别置放第一反射面2和第二反射面3，发射杯和收集杯的内壁面还设置有与连接杆12对应的固定槽。具体的，发射杯与收集杯为弧形杯体，可以采用abs塑料制成，发射杯与收集杯连接时，其内的第一反射面2和第二反射面3相抵形成空腔，发射杯和收集杯的内壁面均设置有内陷形成的管状固定槽，装配时，容积管1的连接杆12可置于固定槽中，装配后，空腔密闭，避免外界光线干扰以及内部光线泄露。
[0043]
进一步的，连接杆12上设置有插接件，固定槽内设置有与插接件配合的定位孔。具体的，插接件为柱状，装配时，连接杆12上的插接件可以插入定位孔，以保证球形腔11中心位于第一反射面的焦点处，且与第二反射面的焦点位于同一直线。
[0044]
采用上述的微光收集装置，点光源光线经特殊设置的第一反射面2和第二反射面3直接或间接的汇聚于第二反射面3的焦点，容积管1盛放光源，通过连接杆12固定于空腔指定位置，空腔整体密闭，保证电光源光线尽可能多的汇聚于焦点，实现微光收集；应用于发光菌检测时，可以汇聚发光菌的微弱光，提升发光菌的使用收集率，减少发光菌的使用量。
[0045]
本技术第三方面提供一种发光菌微光检测模组，将上述的微光收集装置应用于发光菌微光检测中，从而检测水质。
[0046]
参见图7所示，图7为发光菌微光检测模组的结构示意图，在上述的微光收集装置基础上增加了光电传感器4，第二反射面3的表面设置有开窗，开窗连接光电传感器4，光电传感器4的光线接收面位于第二反射面3的焦点处，或位于第二反射面3的焦点靠近球形腔11，即容积管1的一侧。
[0047]
理想状态下，球形腔11电光源的光线经第一反射面2、第二反射面3，汇聚于第二反射面3的焦点处，将光线接收面设置在第二反射面3的焦点处，即可接收最多的光线；但考虑到光在介质中传播的耗损，以及光线接收面的面积，可以将光线接收面向球形腔11移动一定距离，使得汇聚的光线悉数进入光线接收面，同时缩短光程，减小光在介质中传播的耗
损。通过eda光学仿真软件仿真结果，可以将光线接收面从第二反射面3的焦点处向球形腔11移动1mm，此时光线接收面接收到的光通量值最大。
[0048]
需要说明的是，实际使用时可以根据第一反射面2的材质、球形腔11的材质、第二反射面3的材质、空腔介质以及光线接收面的面积综合调节光线接收面的具体位置，使得光线接收面接受的光强值最大。
[0049]
需要说明的是，光线接收面即光电传感器4感应光线的平面，光线经光线接收面转化为电学参数。
[0050]
具体的，在容积管1的球形腔11内倒入足量的发光菌培养液或掺有发光菌的待检测水溶液，球形腔11均匀发出发散光，发散光经收集杯反射形成准直光，准直光经收集杯发射汇聚至光线接收面，经光线接收面传至光电传感器4，将光信号转化为电信号进行定量检测。
[0051]
在一种可能的实施例中，根据水质监测的实际检测试剂量，将球形腔11的体积设置为1-4ml，具体的，如将球形腔11的体积设置为2ml，对应的实际的球形腔11内径为13.6mm，厚度为1mm，外径为15.6mm。
[0052]
需要说明的是，上述球形腔11的体积设置仅为一种优选的实施方式，并不构成对本身器的限定，实际使用时，可以根据实验要求自行设定球形腔11的体积。
[0053]
采用上述的发光菌微光检测模组，一方面，可以大幅度提升光电传感器4接收的光线幅值，提高检测灵敏度、分辨率以及上限值；另一方面，可以降低光电传感器4成本，光源汇聚后，发光菌的变化将更为明显，采用普通的光电传感器4即可测量水质变化，无需搭载高精密的运放或者匹配严苛的抗干扰能力，即可实现精准的测量。
[0054]
为了进一步阐述本技术提供的发光菌微光检测装置的效果，本技术第四方面，提供cae仿真测试结果，对本技术发光菌微光检测装置和传统的发光菌微光检测装置进行比较。
[0055]
采用250万条光线仿真，分别模拟传统直接采集检测法检测，和本技术的发光菌微光检测模组检测。
[0056]
参见图8-9所示的检测结果，图8为传统发光菌微光检测装置的检测结果，图9为本技术发光菌微光检测装置的检测结果；比传统检测结果相比，本技术检测结果光子数提升了10倍以上，如当未进行稀释时传统法检测出光子为200万单位，本技术装置检测光子为2300万单位，检测周期为1000毫秒1次，检测次数为单次60次，并取平均值。
[0057]
综上，采用本技术的微光收集方法、装置以及发光菌微光检测装置；第一，成n倍量级提升了传感器捕获的光，提升检测精度，提高传感器的检测上限值；第二，可以降低对传感器的要求，降低传感器成本，光源汇聚充足，无需使用高精密光子计数器，还可以避免光子计数器装备对准的问题；第三，降低检测时发光菌的用量，节省检测成本。
[0058]
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。