一种基于单波长多通道激发光源的生物气溶胶检测系统

技术领域

本发明涉及生物气溶胶检测技术领域，具体涉及生物体本征荧光的紫外诱导荧光检测技术，更具体地涉及一种基于单波长多通道激发光源的生物气溶胶检测系统。

背景技术

生物气溶胶是指大气与悬浮于其中的生物颗粒共同组成的多相体系，生物颗粒的粒径范围为10

本征荧光是生物粒子所含有的氨基酸(如色氨酸、酪氨酸等)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和核黄素等有机分子在紫外光激发下产生的特有荧光。本征荧光是生物属性判别的重要依据之一，不同的有机分子本征荧光特性及其吸收峰和发射峰都有差异。国内有相关研究曾指出，在特定的实验条件下，365nm激发光诱导色氨酸和NADH时荧光效率较高，而280nm激发光诱导NADH时荧光效率却不高。而且当紫外激发光强度在一定的范围内时，荧光强度与紫外激发光强度的关系是线型关系，随着激发光强度的增加，荧光强度呈现非线性增长，最终会达到吸收饱和。这些都说明同一种波长的紫外激发光对不同的生物物质的荧光激发效率不同，且激发光能量不同也会对同一种生物物质的荧光光谱产生很大的影响。因此，研究单波长多通道激发光源的生物气溶胶检测系统就具有很重要的科学意义。

目前，对生物物质本征荧光检测系统的标定技术及其评价系统尚无国家标准可依，因此，采用单波长多通道激发光源的生物气溶胶检测系统，研究紫外激发波长对不同生物物质的本征荧光光谱的影响和研究紫外激光强度对同一种生物物质荧光光谱的影响就尤为重要，这有助于建立和完善的每一种生物物质本征荧光光谱信息数据库，实现人类日后对生物气溶胶全面准确的判别与分析。

发明内容

本发明提供一种基于单波长多通道激发光源的生物气溶胶检测系统，用以研究紫外激发光波长对不同生物物质本征荧光光谱的影响和紫外激发光强度对同一种生物物质荧光光谱的影响。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于单波长多通道激发光源的生物气溶胶检测系统，其包括：一紫外激光器、一第一通道零级半波片、一第一通道偏振分光棱镜、一第二通道零级半波片、一第二通道偏振分光棱镜、一第三通道零级半波片、一第三通道偏振分光棱镜、一计算机以及分别为一第一气溶胶检测通道、一第二气溶胶检测通道、一第三气溶胶检测通道的三个气溶胶检测通道，其中：

所述紫外激光器，作为紫外激发光源；

所述第一通道零级半波片与所述紫外激光器串联，所述第一通道偏振分光棱镜与所述第一通道零级半波片串联；

所述第二通道零级半波片与所述第一通道偏振分光棱镜串联，所述第二通道偏振分光棱镜与所述第二通道零级半波片串联；

所述第三通道零级半波片与所述第二通道偏振分光棱镜串联，所述第三通道偏振分光棱镜与所述第三通道零级半波片串联；

所述第一气溶胶检测通道，连接于所述第一通道偏振分光棱镜，所述第一气溶胶检测通道依序包含一第一通道光束整形弯月透镜、一第一通道光束整形双凸透镜、一第一通道生物气溶胶样品室、一第一通道光束聚焦双凸透镜、一第一通道荧光发射滤光片及一第一通道PMT探测器；

所述第二气溶胶检测通道，连接于所述第二通道偏振分光棱镜，所述第二气溶胶检测通道依序包含一第二通道光束整形弯月透镜、一第二通道光束整形双凸透镜、一第二通道生物气溶胶样品室、一第二通道光束聚焦双凸透镜、一第二通道荧光发射滤光片及一第二通道PMT探测器；

所述第三气溶胶检测通道，连接于所述第三通道偏振分光棱镜，所述第三气溶胶检测通道依序包含一第三通道光束整形弯月透镜、一第三通道光束整形双凸透镜、一第三通道生物气溶胶样品室、一第三通道光束聚焦双凸透镜、一第三通道荧光发射滤光片及一第三通道PMT探测器；以及

所述计算机，与所述第一通道PMT探测器、所述第二通道PMT探测器及所述第三通道PMT探测器电性连接，用于同时显示所述三个气溶胶检测通道的本征荧光光谱曲线。

在本发明一实施例中，其中所述紫外激发光源为单一波长的紫外激光光源或者紫外LED光源。

在本发明一实施例中，其中所述第一通道零级半波片与所述第一通道偏振分光棱镜组合形成第一可变光强衰减器，所述第二通道零级半波片与所述第二通道偏振分光棱镜组合形成第二可变光强衰减器，所述第三通道零级半波片与所述第三通道偏振分光棱镜组合形成第三可变光强衰减器，分别用于调整对应气溶胶检测通道的激发光能量。

在本发明一实施例中，其中所述第一通道光束整形弯月透镜与所述第一通道光束整形双凸透镜组合形成第一平行光发射器，所述第二通道光束整形弯月透镜与所述第二通道光束整形双凸透镜组合形成第二平行光发射器，所述第三通道光束整形弯月透镜与所述第三通道光束整形双凸透镜组合形成第三平行光发射器，分别用于将对应气溶胶检测通道的光束整形成平行光。

在本发明一实施例中，其中所述第一通道生物气溶胶样品室、所述第二通道生物气溶胶样品室及所述第三通道生物气溶胶样品室内的生物物质包括色氨酸、酪氨酸、核黄素或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，且任一生物气溶胶样品室内的生物物质根据其对应气溶胶检测通道的激发光能量设置为相同或不同：

当各气溶胶检测通道的激发光能量相同时，将对应生物气溶胶样品室内的生物物质设置为不同；

当各气溶胶检测通道的激发光能量不同时，将对应生物气溶胶样品室内的生物物质设置为相同。

在本发明一实施例中，其中所述第一通道PMT探测器、所述第二通道PMT探测器及所述第三通道PMT探测器分别用于同时检测所述第一气溶胶检测通道、所述第二气溶胶检测通道及所述第三气溶胶检测通道的本征荧光，并将检测到的本征荧光信号转化为电信号传输给所述计算机。

本发明通过基于单波长多通道激发光源的生物气溶胶检测系统，将紫外激发光源与三组零级半波片与偏振分光棱镜组合进行串联，且通过每组零级半波片与偏振分光棱镜的组合形成可变光强衰减器，连续改变线偏振光的透过率，使每个生物气溶胶检测通道的激发光能量相同或者不相同，再通过诱导相同或不同的生物物质产生本征荧光，实现对生物物质荧光光谱的研究。相比于现有技术，本发明至少具有以下优点：

(1)采用具有相同波长相同激发光能量的多通道紫外激发光同时诱导不同生物物质产生本征荧光，通过多通道生物物质本征荧光光谱的同时对比与分析，为研究紫外激发光的波长对不同生物物质的本征荧光光谱的影响提供了更多的数据基础。

(2)采用具有相同波长不同激发光能量的多通道紫外激发光同时诱导同一种生物物质产生本征荧光，通过多通道生物物质本征荧光光谱的同时对比与分析，为研究紫外激发光能量对同一种生物物质荧光光谱的影响提供了更多的数据基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明生物气溶胶检测系统的结构示意图。

附图标记说明：1-紫外激光器；2-第一通道零级半波片；3-第一通道偏振分光棱镜；4-第二通道零级半波片；5-第二通道偏振分光棱镜；6-第三通道零级半波片；7-第三通道偏振分光棱镜；8-第一通道光束整形弯月透镜；9-第二通道光束整形弯月透镜；10-第三通道光束整形弯月透镜；11-第一通道光束整形双凸透镜；12-第二通道光束整形双凸透镜；13-第三通道光束整形双凸透镜；14-第一通道生物气溶胶样品室；15-第二通道生物气溶胶样品室；16-第三通道生物气溶胶样品室；17-第一通道光束聚焦双凸透镜；18-第二通道光束聚焦双凸透镜；19-第三通道光束聚焦双凸透镜；20-第一通道荧光发射滤光片；21-第二通道荧光发射滤光片；22-第三通道荧光发射滤光片；23-第一通道PMT探测器；24-第二通道PMT探测器；25-第三通道PMT探测器；26-计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本发明的生物气溶胶检测系统的结构示意图，本发明提供了一种基于单波长多通道激发光源的生物气溶胶检测系统，如图1所示，包括：紫外激光器(1)、第一通道零级半波片(2)、第一通道偏振分光棱镜(3)、第二通道零级半波片(4)、第二通道偏振分光棱镜(5)、第三通道零级半波片(6)、第三通道偏振分光棱镜(7)、计算机(26)以及三个气溶胶检测通道，为了便于区分将三个气溶胶检测通道分别定义为第一气溶胶检测通道、第二气溶胶检测通道及第三气溶胶检测通道，其中：

紫外激光器(1)，作为紫外激发光源，其中紫外激发光源可以是单一波长的紫外激光光源或者紫外LED光源；

第一通道零级半波片(2)与紫外激光器(1)串联，第一通道偏振分光棱镜(3)与第一通道零级半波片(2)串联；

第二通道零级半波片(4)与第一通道偏振分光棱镜(3)串联，第二通道偏振分光棱镜(5)与第二通道零级半波片(4)串联；

第三通道零级半波片(6)与第二通道偏振分光棱镜(5)串联，第三通道偏振分光棱镜(7)与第三通道零级半波片(6)串联；

第一气溶胶检测通道连接于第一通道偏振分光棱镜(3)，第一气溶胶检测通道依序包含第一通道光束整形弯月透镜(8)、第一通道光束整形双凸透镜(11)、第一通道生物气溶胶样品室(14)、第一通道光束聚焦双凸透镜(17)、第一通道荧光发射滤光片(20)及第一通道PMT探测器(23)；

第二气溶胶检测通道连接于第二通道偏振分光棱镜(5)，第二气溶胶检测通道依序包含第二通道光束整形弯月透镜(9)、第二通道光束整形双凸透镜(12)、第二通道生物气溶胶样品室(15)、第二通道光束聚焦双凸透镜(18)、第二通道荧光发射滤光片(21)及第二通道PMT探测器(24)；

第三气溶胶检测通道连接于第三通道偏振分光棱镜(7)，第三气溶胶检测通道依序包含第三通道光束整形弯月透镜(10)、第三通道光束整形双凸透镜(13)、第三通道生物气溶胶样品室(16)、第三通道光束聚焦双凸透镜(19)、第三通道荧光发射滤光片(22)及第三通道PMT探测器(25)；以及

计算机(26)与第一通道PMT探测器(23)、第二通道PMT探测器(24)及第三通道PMT探测器(25)电性连接，用于同时显示三个气溶胶检测通道的本征荧光光谱曲线。

在本发明一实施例中，其中第一通道零级半波片(2)与第一通道偏振分光棱镜(3)组合形成第一可变光强衰减器，第二通道零级半波片(4)与第二通道偏振分光棱镜(5)组合形成第二可变光强衰减器，第三通道零级半波片(6)与第三通道偏振分光棱镜(7)组合形成第三可变光强衰减器，三个可变光强衰减器分别通过连续控制入射光的偏振方向，连续改变线偏振光的透过率，以调整各可变光强衰减器对应的气溶胶检测通道的激发光能量为相同或不同。

在本发明一实施例中，其中第一通道光束整形弯月透镜(8)与第一通道光束整形双凸透镜(11)组合形成第一平行光发射器，第二通道光束整形弯月透镜(9)与第二通道光束整形双凸透镜(12)组合形成第二平行光发射器，第三通道光束整形弯月透镜(10)与第三通道光束整形双凸透镜(13)组合形成第三平行光发射器，三个平行光发射器分别将光束整形后形成平行光照射到对应通道生物气溶胶样品室内的生物物质上。

在本发明一实施例中，第一通道生物气溶胶样品室(14)、第二通道生物气溶胶样品室(15)及第三通道生物气溶胶样品室(16)内的生物物质包括色氨酸、酪氨酸、核黄素或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)等，并且任一生物气溶胶样品室内的生物物质根据其对应气溶胶检测通道的激发光能量设置为相同或不同：

当各气溶胶检测通道的激发光能量相同时，将对应生物气溶胶样品室内的生物物质设置为不同；

当各气溶胶检测通道的激发光能量不同时，将对应生物气溶胶样品室内的生物物质设置为相同。

在本发明一实施例中，其中第一通道PMT探测器(23)、第二通道PMT探测器(24)及第三通道PMT探测器(25)分别用于同时接收第一气溶胶检测通道、第二气溶胶检测通道及第三气溶胶检测通道内经过聚焦整形和滤光的本征荧光，并将检测到的本征荧光信号转化为电信号传输给计算机(26)，使计算机(26)能够同时显示三个气溶胶检测通道的本征荧光光谱曲线。

下面通过另一实施例说明本发明提供的基于单波长多通道激发光源的生物气溶胶检测系统进行检测的具体过程：

在本实施例中，将紫外激光器(1)发出的紫外激发光通过旋转第一通道零级半波片(2)，可连续控制入射激发光的偏振方向，再通过第一通道零级半波片(2)与第一通道偏振分光棱镜(3)组合形成的第一可变光强衰减器，连续改变偏振光的透过率，以调整进入第一气溶胶检测通道的激发光的能量。第一气溶胶检测通道的紫外激发光经第一通道光束整形弯月透镜(8)和第一通道光束整形双凸透镜(11)组合形成的光束平行光发射器整形后形成平行光，照射到第一通道生物气溶胶样品室(14)内的生物物质(如色氨酸、酪氨酸、核黄素、NADH等)上，产生的本征荧光经第一通道光束聚焦双凸透镜(17)聚焦整形后再通过第一通道荧光发射滤光片(20)，由第一通道PMT探测器(23)接收，第一通道PMT探测器(23)将检测到的本征荧光信号转化为电信号，最后输入到计算机(26)上。

由第一通道偏振分光棱镜(3)透过的紫外激发光通过旋转第二通道零级半波片(4)，可连续控制入射激发光的偏振方向，再通过第二通道零级半波片(4)与第二通道偏振分光棱镜(5)组合形成的第二可变光强衰减器，连续改变偏振光的透过率，以调整进入第二气溶胶检测通道的激发光的能量。第二气溶胶检测通道的紫外激发光经第二通道光束整形弯月透镜(9)和第二通道光束整形双凸透镜(12)组合形成的光束平行光发射器整形后形成平行光，照射到第二通道生物气溶胶样品室(15)内的生物物质(如色氨酸、酪氨酸、核黄素、NADH等)上，产生的本征荧光经第二通道光束聚焦双凸透镜(18)聚焦整形后再通过第二通道荧光发射滤光片(21)，由第二通道PMT探测器(24)接收，第二通道PMT探测器(24)将检测到的本征荧光信号转化为电信号，最后输入到计算机(26)上。

同样地，由第二通道偏振分光棱镜(5)透过的紫外激发光通过旋转第三通道零级半波片(6)，可连续控制入射激发光的偏振方向，再通过第三通道零级半波片(6)与第三通道偏振分光棱镜(7)组合形成的第三可变光强衰减器，连续改变偏振光的透过率，以调整进入第三气溶胶检测通道的激发光的能量。第三气溶胶检测通道的紫外激发光经第三通道光束整形弯月透镜(10)和第三通道光束整形双凸透镜(13)组合形成的光束平行光发射器整形后形成平行光，照射到第三通道生物气溶胶样品室(16)内的生物物质(如色氨酸、酪氨酸、核黄素、NADH等)上，产生的本征荧光经第三通道光束聚焦双凸透镜(19)聚焦整形后再通过第三通道荧光发射滤光片(22)，由第三通道PMT探测器(25)接收，第三通道PMT探测器(25)将检测到的本征荧光信号转化为电信号，最后输入到计算机(26)上，计算机(26)上能够同时显示出三个气溶胶检测通道的本征荧光光谱曲线。

本实施例在检测时，当通过调整三个可变光衰减器将进入第一气溶胶检测通道的激发光能量、进入第二气溶胶检测通道的激发光能量与进入第三气溶胶检测通道的激发光能量调整为相同，则将第一通道生物气溶胶样品室(14)、第二通道生物气溶胶样品室(15)与第三通道生物气溶胶样品室(16)中的生物物质(如色氨酸、酪氨酸、核黄素、NADH等)设置为不同，此时三个气溶胶检测通道采用具有相同波长相同激发光能量的紫外激发光同时诱导不同生物物质产生本征荧光，从而实现获得不同生物物质在具有相同波长与激发光能量的光源激发下产生的本征荧光光谱的目的。

本实施例在检测时，当通过调整三个可变光衰减器将进入第一气溶胶检测通道的激发光能量、进入第二气溶胶检测通道的激发光能量及进入第三气溶胶检测通道的激发光能量调整为不同，则将第一通道生物气溶胶样品室(14)、第二通道生物气溶胶样品室(15)与第三通道生物气溶胶样品室(16)中的生物物质(如色氨酸、酪氨酸、核黄素、NADH等)设置为相同，此时三个气溶胶检测通道采用具有相同波长不同激发光能量的紫外激发光同时诱导相同生物物质产生本征荧光，从而实现获得同一种生物物质在具有相同波长、不同激发光能量的光源激发下产生的本征荧光光谱的目的。

本发明通过基于单波长多通道激发光源的生物气溶胶检测系统，将紫外激发光源与三组零级半波片和偏振分光棱镜组合进行串联，且通过旋转每个通道的零级半波片，可连续控制入射光的偏振方向，通过每组零级半波片与偏振分光棱镜的组合形成可变光强衰减器，连续改变线偏振光的透过率，使每个生物气溶胶检测通道的激发光能量相同或者不相同，再通过诱导相同或不同的生物物质产生本征荧光，用以研究紫外激发光波长对不同生物物质本征荧光光谱的影响和紫外激发光强度对同一种生物物质荧光光谱的影响，为提高人类对生物气溶胶的荧光检测与识别水平提供更多的数据基础。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。