一种基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置

技术领域

本发明涉及空气微生物监测技术领域，更具体的说，特别涉及一种基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置。

背景技术

目前，国内外对于生物气溶胶监测主要采用的方法有传统的采集培养法与单粒子紫外光诱导荧光检测法等。采集培养法是先将可培养微生物采集到固体或液体介质上，再经过培养长成菌落计数，可同时测定空气微生物浓度和粒径分布。

单粒子紫外光诱导荧光检测法主要利用生物本征荧光这一特性对生物气溶胶进行检测。本征荧光是指生物物质中含有的氨基酸(酪氨酸、色氨酸等)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和核黄素等有机分子在特定波长光激发下发出的特有荧光，通过探测和分析相应荧光信号，可实现单个微生物的在线监测。

ATP生物荧光检测技术是基于所有生物活细胞中含有恒量的ATP，所以ATP含量可以清晰地表明样品中微生物总数，运用裂解液将微生物的细胞裂解，使荧光素酶、荧光素等与活体微生物细胞中的ATP接触后发出荧光，通过测量荧光强度检测微生物的总量。

对于空气中微生物指标的检测，采样培养法所耗时间和人力较多，采样培养法后需要专门的培养，检测周期较长，不能做到实时监测，发现异常和警戒的意义较小。目前的单粒子紫外光诱导荧光检测法多是对氨基酸进行检测和分析，而氨基酸的吸收峰波长在300nm以下，发射峰位于300～420nm之间，斯托克斯位移相对较小，且空气中存在的脂类、苯酚等物质与氨基酸的荧光光谱存在交叉重叠，这些因素都给单粒子紫外光检测生物气溶胶带来干扰，而使检测结果出现偏差。

专利《基于ATP技术的空气荧光检测仪》介绍了利用ATP技术监测空气微生物的方法。通过采样泵将采得的气样注入空气室，试剂喷射器喷出雾化的试剂在空气室与气样混合，试剂与气样发生反应并产生荧光，安装于空气室内的荧光检测器检测出荧光的强弱并把它转变成相应的电信号，通过电信号强弱判断空气微生物浓度。但是，该方法中存雾化的试剂在空气中停留时间有限，微生物与试剂反应不够充分，导致该方法的灵敏度较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置，整体结构简单、功能可靠也易于实现。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置，该装置包括：

试剂输送模块，用于盛放反应试剂，并将其输送给荧光反应模块；

采样模块，用于将环境空气中的微生物采集给荧光反应模块；

荧光反应模块，用于将反应试剂和微生物进行混合并产生荧光；

监测处理模块，用于探测所述荧光变化，将其转化为电信号进行处理得到微生物的浓度，并在其浓度超过预设值时发出预警信号；

废液收集模块，用于收集荧光反应模块反应后的废液。

进一步的，所述试剂输送模块包括装有反应试剂的反应液瓶、第一蠕动泵；所述荧光反应模块包括反应池；所述反应液瓶连接第一蠕动泵后，与所述反应池连接。

进一步的，所述监测处理模块包括滤光片、光电传感器与信号处理模块；所述滤光片用于对所述反应池内产生的荧光进行过滤；所述光电传感器用于探测过滤后所述反应池产生的荧光变化，采集得到光电信号；所述信号处理模块根据所述光电信号，进行处理得到反应液中微生物的总量，并监测生物气溶胶浓度变化，在其浓度超过预设值时发出预警信号。

进一步的，所述采样模块包括进气管、气泵；所述进气管的一端连通外部环境空气，另一端连通所述反应池；所述气泵与所述反应池连接。

进一步的，所述采样模块包括进气管、气泵、采样瓶、采样液瓶和第四蠕动泵；所述采样瓶通过进气管与外部环境空气相连，并连接有气泵；所述采样瓶通过导液管分别连接采样液瓶和反应池，所述采样液瓶中装有采样液。

进一步的，所述废液收集模块包括第二蠕动泵和废液瓶，所述废液瓶连接第二蠕动泵后，与所述反应池连接。

进一步的，所述装置还包括荧光探测模块，所述荧光探测模块采用密闭的金属盒将所述反应池、滤光片、光电传感器进行封装，并进行电磁屏蔽处理。

进一步的，所述光电传感器和信号处理模块分别采用金属盒进行封装，金属盒上的探测口设置有滤波片，其上的穿线孔采用黑色灌装胶进行密封。

进一步的，所述反应池采用石英透明材质；所述导液管采样医用硅胶管。

进一步的，所述预警装置还包括自动控制系统，分别控制气泵、第一蠕动泵、第二蠕动泵、信息处理模块、第三蠕动泵和第四蠕动泵进行工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置，通过试剂输送模块输送反应液，利用高效能的微生物气溶胶采样模块，将空气中的微生物采集到荧光反应模块内，与反应液进行反应产生荧光，并通过监测处理模块处理得到样品液中微生物的含量，判断空气中微生物浓度的变化，在其浓度超过预设值时发出预警信号；其整体结构简单、功能可靠也易于实现，并能提高整个装置的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置的原理图。

图2为本发明ATP生物荧光技术的原理图。

图3为本发明生物气溶胶预警装置实施例一的原理图。

图4为本发明生物气溶胶预警装置实施例二的原理图。

附图标记说明如下：1-进气管，2-气泵，3-反应液瓶，4-第一蠕动泵，5-反应池，6-滤光片，7-光电传感器，8-信号处理模块，9-荧光探测模块，10-第二蠕动泵，11-废液瓶，12-采样管，13-第三蠕动泵，14-第四蠕动泵，15-采样液瓶。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。

此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。

本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参阅图1所示，本发明提供一种基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置，该装置包括：

试剂输送模块，用于盛放反应试剂，并将其输送给荧光反应模块。

采样模块，用于将环境空气中的微生物采集给荧光反应模块内。

荧光反应模块，用于将反应试剂和微生物进行混合并产生荧光。

监测处理模块，用于探测所述荧光变化，将其转化为电信号进行处理得到微生物的浓度，并在其浓度超过预设值时发出预警信号。

废液收集模块，用于收集荧光反应模块反应后的废液。

本发明实施例中，通过试剂输送模块输送反应试剂(反应液)，采样模块采集微生物，反应试剂和微生物在荧光反应模块进行混合产生荧光，即微生物裂解过程的ATP与反应试剂中的荧光素酶反应所得到的荧光强度，图2所示为ATP生物荧光技术的原理示意图。通过监测处理模块探测所述荧光变化，将其转化为电信号进行处理得到微生物的浓度，并在其浓度超过预设值时发出预警信号，完成生物气溶胶预警，其整体结构简单、功能可靠也易于实现。

下面通过具体实施例来进一步说明上述基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置。

实施例一

参阅图3所示，本发明实施例提供的一种基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置，所述试剂输送模块包括装有反应试剂的反应液瓶3、第一蠕动泵4；所述采样模块包括进气管1、气泵2；所述荧光反应模块包括反应池5；所述监测处理模块包括滤光片6、光电传感器7与信号处理模块8；所述废液收集模块包括第二蠕动泵10和废液瓶11。

所述进气管1的一端连通外部环境空气，另一端连通所述反应池5，所述气泵2与所述反应池5连接。所述反应液瓶3通过导液管连接第一蠕动泵4后，与所述反应池5连接。所述废液瓶11通过导液管连接第二蠕动泵10后，与所述反应池5连接。

所述滤光片6与光电传感器7两者紧密相连，并与所述反应池5底部位置相对应；所述滤光片6用于对所述反应池5内产生的荧光进行过滤，所述光电传感器7用于探测过滤后的所述反应池5产生的荧光变化，采集得到光电信号。所述信号处理模块8用于将所述光电信号进行处理，得到反应液中微生物的总量。

具体的，所述反应池5上设置进气口，所述进气口上通过进气管1与外部环境空气连通，所述反应池5通过导气管连接气泵2。通过所述气泵2运行，在反应池5中形成负压，环境空气通过进气管1进入反应池5内，将生物气溶胶采集到反应池5中。所述反应池5通过导液管分别连接反应液瓶3和废液瓶11。

具体的，所述信号处理模块8通过数据线与所述光电传感器7连接，用于将电信号转换成数字信号显示，并将数据通过有线或无线传输到外部的服务器上，进行本地储存。

本发明实施例中，通过气泵2工作来采集环境空气中的微生物，实现气溶胶富集浓缩与少量液体的采集，从而达到大流量、高采集效率，并可以大大提高监测的准确性。

进一步地，所述第一蠕动泵4和第二蠕动泵10采用精密蠕动泵或者注射泵，通过设置第一蠕动泵4用于将反应液可靠地从反应液瓶3输送到反应池5中，通过设置第二蠕动泵10用于将反应液可靠地从反应池5输送到废液瓶11。所述第一蠕动泵4和第二蠕动泵10，并在信号处理模块8的作用下，可以实现反应液自动加注，实时显示监测情况。

本发明实施例中，所述监测处理模块用于监测反应池5内的情况，根据标定生物荧光强度与生物气溶胶浓度的关系，即根据设定的生物气溶胶报警阈值，在生物气溶胶浓度超标时，发出报警警示。

具体的，其参数设置包括：设置补液泵(即第一蠕动泵4)转速、补液泵采样加液时间、补液泵清洗加液时间、出液泵(即第二蠕动泵10)转速、出液泵出液时间、出液泵清洗加液时间、报警阈值、换算系数、上传时间间隔；另外可以手动自检(加液、采样、出液)，标定本底值。

进一步地，所述预警装置还包括荧光探测模块9，所述荧光探测模块9采用密闭的金属盒将所述反应池5、滤光片6、光电传感器7进行封装，能够在所述光电传感器7工作时，避免外部光和电磁对其产生的干扰。

进一步地，所述光电传感器7和信号处理模块8分别采用金属盒进行封装，金属盒上的探测口设置有滤波片，其上的穿线孔采用黑色灌装胶进行密封，确保没有外界光的影响。所述光电传感器7离所述反应池5越近越好，其中心位置与反应池5底部的距离为3-8mm。

进一步地，所述反应池5采用石英透明材质，便于反应池5内产生的荧光能够透出，使得所述光电传感器7能够可靠地采集到光信号。所述导液管采样医用硅胶管，能够可靠进行导液。

本发明实施例中，所述反应池5为了实现方便取放，采用了特定的密封垫，先把采样反应瓶安装在上盖上，最后在插在密封垫上，实现了气路液路密封得到所述反应池5。

上述中，采用裂解液、荧光素酶、荧光素等试剂按比例混合得到反应液，通过气泵2将生物气溶胶直接采集到反应池5的混合试剂中，反应池5内的混合试剂反应产生荧光。通过滤光片6进行滤光并通过光电传感器7探测所述反应池5内混合试剂产生的荧光强度变化，采集得到光电信号。信号处理模块8将所述光电信号进行处理，得到反应液中微生物的总量，并监测生物气溶胶浓度变化。

本发明实施例一提供的基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置，具体工作过程如下：

(11)启动第一蠕动泵4，通过反应液瓶3向反应池5内输送定量的反应液；

(12)启动气泵2开始采样，采集环境空气中的微生物，并通过导气管将其传输到反应池5内反应液中；

(13)反应池5内的混合试剂反应产生荧光；

(14)启动光电传感器7，在滤光片6的作用下，探测反应池5中荧光强度的变化，采集得到光电信号；

(15)信号处理模块8对光电传感器7采集的光电信号进行处理、储存、传输和显示，得到反应液中微生物的总量，并能够检测空气中微生物的浓度变化；

(16)启动第二蠕动泵10，将反应池5中反应后的液体输送到废液瓶11。

本发明实施例一中提供的基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置及方法，通过气泵2直接将空气中微生物采集到反应池5中，微生物与输送至反应池5内反应液进行反应，通过光电传感器7采集光电信号，最后通过信号处理模块8对光电信号进行处理，得到反应液中微生物的总量，其结构简单，方法可靠，并能够提高装置的工作效率。

实施例二

参阅图4所示，本发明另一实施例也提供了一种基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置，所述试剂输送模块包括装有反应试剂的反应液瓶3、第一蠕动泵4；所述采用模块包括进气管1、气泵2、采样瓶12、采样液瓶15和第四蠕动泵14；所述荧光反应模块包括反应池5；所述监测处理模块包括滤光片6、光电传感器7与信号处理模块8；所述废液收集模块包括第二蠕动泵10和废液瓶11。

所述采样瓶12通过进气管1与外部环境空气相连，并连接有气泵2。所述采样瓶12通过导液管分别连接采样液瓶15和反应池5，所述采样液瓶15中装有采样液。所述反应池5还通过导液管分别连接反应液瓶3和废液瓶11。

所述滤光片6与光电传感器7两者紧密相连，并与所述反应池5底部位置相对应；所述滤光片6用于对所述反应池5内产生的荧光进行过滤，所述光电传感器7用于探测过滤后的所述反应池5的荧光变化，采集得到光电信号。所述信号处理模块8用于将所述光电信号进行处理，得到反应液中微生物的总量。

具体的，所述采样瓶12上设置进气口，所述进气口上通过进气管1与外部环境空气连通，所述采样瓶12通过导气管连接气泵2。通过所述气泵2运行，在采样瓶12中形成负压，环境空气通过进气管1进入采样瓶12内，将生物气溶胶采集到采样瓶12中。

进一步地，所述采样瓶12和采样液瓶15之间的导液管上还设置第四蠕动泵14，用于将采样液可靠地从采样液瓶15输送到采样瓶12中。所述采样瓶12和反应池5之间的导液管上还设置有第三蠕动泵13，用于将采集生物气溶胶的样品液可靠地从采样瓶12输送到反应池5中。

所述反应液瓶3与反应池5之间设置第一蠕动泵4，用于将反应液从反应液瓶3输送到反应池5中。所述反应池5与废液瓶11之间设置第二蠕动泵10，用于将反应池5中的反应液输送到废液瓶11内。

具体的，所述信号处理模块8通过数据线与所述光电传感器7连接，用于将电信号转换成数字信号显示，并将数据通过有线或无线传输到外部的服务器上，进行本地储存。

进一步地，所述预警装置还包括荧光探测模块9，所述荧光探测模块9采用密闭的金属盒将反应池5、滤光片6、光电传感器7进行封装，能够避免光和电磁对所述光电传感器7的干扰。

本发明实施例中，所述预警装置还包括自动控制系统，分别控制气泵2、第一蠕动泵4、第二蠕动泵10、信息处理模块8、第三蠕动泵13和第四蠕动泵14进行工作，实现装置的自动监测、自动报警，以及无人值守，从而提高整个装置的工作效率。具体的，所述自动控制系统采用物联网、RS485通讯远程或上位机实现智能控制，可实现自动化控制或远程控制，采集得到的数据可本地储存或上传服务器。

本发明实施例中，所述预警装置采用模块化设计，即各个部分包括所述进气管1、气泵2、反应液瓶3、导液管、反应池5等都可进行拆卸，在污染后，可快速拆卸更换，避免交叉污染，影响整个预警装置工作的可靠性，其方便并可以重复利用。

本发明实施例二提供的基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置，其具体工作过程如下：

(21)启动第四蠕动泵14，通过采样液瓶15向采样瓶12输送定量的采样液；

(22)启动气泵2开始采样，采集环境空气中的微生物，并将其传输到采样瓶12中；

(23)启动第三蠕动泵13和第一蠕动泵4，向反应池5内输送定量的样品液和反应液；

(24)反应池5内样品液和反应液混合得到的混合试剂反应产生荧光；

(25)启动光电传感器7，在滤光片6的作用下，探测反应池5中荧光强度的变化，采集得到光电信号；

(26)信号处理模块8对光电传感器7信号进行处理、储存、传输和显示，得到反应液中微生物的总量，并监测生物气溶胶浓度变化；

(27)启动第二蠕动泵10，将反应池5中的废液排到废液瓶11中。

本发明实施例二中提供的基于ATP生物荧光技术的生物气溶胶预警装置及方法，通过气泵2先将空气中微生物采集到采样管12中，并与输送至采样管12内的采样液进行混合得到样品液。再将混合得到的样品液与反应液在反应池5中进行混合，其反应产生荧光，通过滤光片6进行滤光并通过光电传感器7采集光电信号，最后通过信号处理模块8对光电信号进行处理，得到反应液中微生物的总量，其结构简单，方法可靠，并能够避免反应液在反应池5内旋转，反应体系稳定性相对较强，也提高了装置的工作效率。

本发明实施例中采用基于荧光素酶的ATP荧光检测原理，荧光素酶只有在ATP存在时才会催化荧光素发生反应，并产生荧光。因此，如果在荧光素酶、荧光素过量的情况下，萤光强弱将取决于反应系统中ATP的数量。以样品中细菌检测为例，细菌数越多，释放ATP数量也越多，发出的荧光就越强。也就是说，在特定条件下，荧光值与ATP的数量是呈线性相关的；而且，荧光值可通过光度计准确计量。由于只有活细菌体内才含有ATP，荧光素酶和荧光素仅与ATP反应发出荧光，可有效排除样品中非细菌的干扰，只要得到相对荧光值和细菌细胞数的关系曲线，然后根据纯ATP的相对荧光值与细胞数的标准曲线，就能快速确定样品中细菌的细胞数。

基于以上特性，本发明检测方法抗干扰能力与检测准确性均优于激光诱导荧光技术，可监测空气中细菌、真菌等含有ATP的微生物的浓度变化。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。