1.本发明涉及水中微生物和颗粒物检测领域，具体涉及一种可实时监测水中细菌、真菌等微生物颗粒物的浓度、数量、粒径的在线微生物检测方法及其装置。
背景技术：2.水中微生物颗粒物主要含有多种有机分子，其中主要的荧光物质为色氨酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nadh)、核黄素等。生物体的这些代谢物在紫外光或蓝紫光照射下会发出本征荧光，其中，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nadh)荧光发射光谱范围主要在480～600nm之间，其中490～530nm是最强信号；核黄素荧光发射光谱范围主要在500～620nm之间，其中530～560nm是最强信号。不同的微生物颗粒物所含的成分往往不同，如细菌、真菌、孢子中往往含有上述各种有机分子，而病毒、毒素中一般仅含有氨基酸成分。所以，不同的微生物颗粒物呈现不同的光吸收与发光特性。
3.水中微生物的监测适用于对如生活饮用水，制药企业的医药用水，注射用水等其他对于水样洁净度要求高的环境中的评价。
4.现有的微生物检测方法主要是琼脂平板培养法：通过在水源中取水样置于培养皿的培养基上，在适宜的条件下让其繁殖到可见的菌落进行计数，以培养皿中的菌落数来判定洁净环境内的微生物数量，并以此来评价目标水源的微生物颗粒物的洁净度。
5.上述现有方法存在如下缺点：
①
待测样品不易完全分散成单个细胞，故所形成的菌落并非都是单菌落，有一部分是由两个以上的细胞长成的，因此平板菌落计数的检测结果会比实际菌落数偏低。
6.②
有些细菌是无法培养检测的，或培养基只能选择培养部分菌种，因此限制了此类方法的应用范围。
7.③
此种方法无法实现在线实时监测，导致检测周期长。
技术实现要素：8.本发明为解决现有技术在使用中存在的问题，提供了一种实时水中微生物在线检测方法及装置。
9.本发明解决现有问题的技术方案是：一种水中微生物在线检测方法，包括设置流动室，将待测样本粒子流经流动室的液路管道；设置激光发射系统，通过半导体激光器产生激光，并通过聚焦、压缩产生矩形光斑，将光斑照射于流动室的液路管道，使被测粒子发生散射或/和产生本征荧光；在激光发射系统的对侧设置散射光接收系统，接收被照射的待测样本粒子所产生的散射光，设置散射光接收系统的散射光光处理组件与激光发射系统同光轴，散射光光处理组件接收散射光并汇聚，散射光探测器接收经散射光光处理组件汇聚的散射光转化为电流信号，转化的电流信号经过散射光探测器连接的散射光前置放大器放大为可检测的电压信号；
在激光发射系统的一侧、垂直于激光发射系统的光轴设置荧光接收系统，接收被照射的待测样本粒子所产生的本征荧光；设置荧光接收系统的荧光光处理组件的光轴与激光发射系统的光轴垂直，荧光光处理组件接收荧光并汇聚，荧光探测器吸收经荧光光处理组件汇聚的荧光转化为电流信号，并经荧光探测器上连接的荧光前置放大器放大为可检测的电压信号；设置信号处理系统，接收散射光前置放大器放大的电压信号、及接收荧光前置放大器放大的电压信号，通过滤波器滤除信号中的高频噪声、再经a/d转换器转换成数字信号传送至上位机，进行分析、显示等处理，计算出各个粒子的粒径大小，最终得到各个粒径段内的粒子的数量；或可得到该微生物颗粒所发出的荧光强度信息，从而可对微生物颗粒进行简单的分类和统计。
10.作为进一步改进，所述的激光发射系统包括半导体激光器、准直透镜、与准直透镜同光轴的第一平凸柱面透镜、与准直透镜同光轴的第二平凸柱面透镜，所述的第一、二平凸柱面透镜相互垂直配合，聚焦、压缩光斑为矩形光斑，所述的第一、二平凸柱面透镜的凸面作为光射入面，平面作为光射出面。
11.作为进一步改进，使流动室的液路管道的中轴线与激光发射系统聚焦、压缩产生的矩形光斑的焦线相交，形成光敏感区，待测样本粒子经液路管道，穿过光敏感区，使被测粒子发生散射或/和产生本征荧光。
12.作为进一步改进，所述的散射光光处理组件包括同光轴依次设置的光阑、第一非球面透镜、长波截止滤光片、第一平凸透镜、散射光探测器，所述的第一平凸透镜的凸面为光射入面、平面为光射出面。
13.作为进一步改进，所述的荧光光处理组件包括同光轴依次设置的第二非球面透镜、短波截止滤光片、第二平凸透镜、荧光探测器，所述的第二平凸透镜的凸面为光射入面、平面为光射出面。
14.本发明还公开了一种水中微生物在线检测装置，包括激光发射系统，包括半导体激光器、准直透镜、与准直透镜同光轴的第一平凸柱面透镜、与准直透镜同光轴的第二平凸柱面透镜，所述的第一、二平凸柱面透镜相互垂直配合，聚焦、压缩光斑为矩形光斑，所述的第一、二平凸柱面透镜的凸面作为光射入面，平面作为光射出面；流动室，所述的流动室设有液路管道，所述的液路管道设置于光轴上、位于第一、二平凸柱面透镜相配合聚焦压缩形成的矩形光斑处；散射光接收系统，设置于激光发射系统的对侧、接收液路管道待测样本粒子产生的散射光，所述的散射光接收系统包括同光轴依次设置的光阑、第一非球面透镜、长波截止滤光片、第一平凸透镜、散射光探测器，所述的第一平凸透镜的凸面为光射入面、平面为光射出面，所述的散射光探测器连接设置有散射光前置放大器；荧光接收系统，设置于激光发射系统一侧，接收液路管道待测样本粒子产生的荧光，光轴与激光发射系统光轴垂直，所述的荧光接收系统包括同光轴依次设置的第二非球面透镜、短波截止滤光片、第二平凸透镜、荧光探测器，所述的第二平凸透镜的凸面为光射入面、平面为光射出面，所述的荧光探测器连接设置有荧光前置放大器；信号处理系统，包括依次连接的滤波器、a/d转换器、上位机，所述的滤波器连接散
射光前置放大器与荧光前置放大器。
15.作为进一步改进，所述的液路管道的中轴线与激光发射系统的光轴相交。
16.作为进一步改进，所述的半导体激光器发出405nm激光。
17.作为进一步改进，所述的光阑设置于第一非球面透镜的光射入面的中心。
18.作为进一步改进，所述的液流管道的最小探测分辨率为一个微生物颗粒物；所述的散射光探测器为光电二极管；所述的荧光探测器为雪崩光电二极管或光电倍增管。
19.本发明与现有技术相比较，设置激光发射系统产生聚焦、压缩的矩形光斑照射流经流动室液路管道的待测样本粒子，使待测样本粒子产生发生散射或/和产生本征荧光，从而分别被散射光接收系统接收转化为电流信号、荧光接收系统吸收转化为电流信号，再经过相应的前置放大器电流信号放大为电压信号，最终被信号处理系统通过滤波器滤除信号中的高频噪声、再经a/d转换器转换成数字信号传送至上位机，进行分析、显示等处理，计算出各个粒子的粒径大小，最终得到各个粒径段内的粒子的数量；或可得到该微生物颗粒所发出的荧光强度信息，从而可对微生物颗粒进行简单的分类和统计。其有益效果是，可同时实现对微生物颗粒物以及非微生物颗粒物的识别以及浓度计算，本装置内部构造具有设备制造难度较小、准度较高等优点。
20.本发明的方法及装置，能同时监测水中微生物颗粒物以及非微生物颗粒物的浓度，通过对微生物颗粒物以及非微生物颗粒物的识别区分，实现了实时监测空气中微生物颗粒物的浓度、数量并提高了监测准确率。
附图说明
21.图1是本发明的激光发射系统的结构示意图。
22.图2是液路管道与检测焦点光斑相配合的测试的结构示意图。
23.图3是本发明检测装置的结构原理示意图。
24.图4是本发明信号处理系统的结构示意图。
具体实施方式
25.参见图1-4，一种水中微生物在线检测方法，包括设置流动室105，将待测样本粒子流经流动室105的液路管道120。
26.设置激光发射系统，通过半导体激光器101产生激光，并通过聚焦、压缩产生矩形光斑，将光斑照射于流动室105的液路管道120，使被测粒子发生散射或/和产生本征荧光。
27.在激光发射系统的对侧设置散射光接收系统，接收被照射的待测样本粒子所产生散射光，设置散射光接收系统的散射光光处理组件与激光发射系统同光轴，散射光光处理组件接收散射光并汇聚，散射光探测器110接收经散射光光处理组件汇聚的散射光转化为电流信号，转化的电流信号经过散射光探测器110连接的散射光前置放大器115放大为可检测的电压信号。
28.在激光发射系统的一侧、垂直于激光发射系统的光轴设置荧光接收系统，接收被照射的待测样本粒子所产生的本征荧光；设置荧光接收系统的荧光光处理组件的光轴与激光发射系统的光轴垂直，荧光光处理组件接收荧光并汇聚，荧光探测器114吸收经荧光光处理组件汇聚的荧光转化为电流信号，并经荧光探测器114上连接的荧光前置放大器116放大
为可检测的电压信号。
29.设置信号处理系统，接收散射光前置放大器115放大的电压信号、及接收荧光前置放大器116放大的电压信号，通过滤波器117滤除信号中的高频噪声、再经a/d转换器118转换成数字信号传送至上位机119，通过上位机119进行分析、显示等处理，计算出各个粒子的粒径大小，最终得到各个粒径段内的粒子的数量；或可得到该微生物颗粒所发出的荧光强度信息，从而可对微生物颗粒进行简单的分类和统计。
30.作为优选，使流动室105的液路管道120的中轴线与激光发射系统聚焦、压缩产生的矩形光斑的焦线相交，形成光敏感区，待测样本粒子经液路管道120，穿过光敏感区，使被测粒子发生散射或/和产生本征荧光。
31.其中，所述的散射光光处理组件包括同光轴依次设置的光阑106、第一非球面透镜107、长波截止滤光片108、第一平凸透镜109、散射光探测器110，所述的第一平凸透镜109的凸面为光射入面、平面为光射出面。
32.所述的荧光光处理组件包括同光轴依次设置的第二非球面透镜111、短波截止滤光片112、第二平凸透镜113、荧光探测器114，所述的第二平凸透镜113的凸面为光射入面、平面为光射出面。
33.为了便于实现上述的水中微生物在线检测方法，本发明还公开了一种水中微生物在线检测装置，包括激光发射系统、流动室、散射光接收系统、荧光接收系统、信号处理系统。
34.激光发射系统，包括半导体激光器101、准直透镜102、与准直透镜102同光轴的第一平凸柱面透镜、与准直透镜102同光轴的第二平凸柱面透镜，所述的第一、二平凸柱面透镜相互垂直配合，聚焦、压缩光斑为矩形光斑，所述的第一、二平凸柱面透镜的凸面作为光射入面，平面作为光射出面。
35.流动室105，所述的流动室105设有液路管道120，所述的液路管道120设置于光轴上、位于第一、二平凸柱面透镜相配合聚焦压缩形成的矩形光斑处。
36.使用时，半导体激光器101发出激光，在准直透镜102的作用下，变成平行光，平行光经第一平凸柱面透镜103和第二平凸柱面透镜104，使其光斑被压缩成矩形光斑121，聚焦到流动室105中心，作为优选，焦线与液路管道120的中轴线相交，形成光敏感区123，待测样本粒子122经液路系统，穿过光敏感区123，粒子发生散射。若是微生物颗粒物，还会发出本征荧光。
37.散射光接收系统，设置于激光发射系统的对侧、接收液路管道120待测样本粒子产生的散射光，所述的散射光接收系统包括同光轴依次设置的光阑106、第一非球面透镜107、长波截止滤光片108、第一平凸透镜109、散射光探测器110，所述的第一平凸透镜109的凸面为光射入面、平面为光射出面，所述的散射光探测器110连接设置有散射光前置放大器115。
38.作为优选，所述的光阑106设置于第一非球面透镜107的光射入面的中心。从液路管道120位于光敏感区123处所产生的散射光被设置于光轴上的光阑106遮挡住直射于第一非球面透镜107的直射光，使散射光接收系统仅接收散射光，被光阑106遮挡住的散射光的余光，经过第一非球面透镜107变为平行光，在长波截止滤波片108的作用下得到散射光，再经第一平凸透镜109的汇聚后被散射光探测器110接收，转化为电流信号，该电流信号较微弱，经过散射光前置放大器115后光电流转化为电压并放大，变成可检测信号。
39.荧光接收系统，设置于激光发射系统一侧，接收液路管道待测样本粒子产生的荧光，光轴与激光发射系统光轴垂直，所述的荧光接收系统包括同光轴依次设置的第二非球面透镜111、短波截止滤光片112、第二平凸透镜113、荧光探测器114，所述的第二平凸透镜113的凸面为光射入面、平面为光射出面，所述的荧光探测器114连接设置有荧光前置放大器116。
40.若是微生物颗粒物，从液路管道120位于光敏感区123处所发出的本征荧光，荧光经过第二非球面透镜111变为平行光，在短波截止滤光片112的作用下得到荧光，再经第二平凸透镜113汇聚后被荧光探测器114吸收后转化为电流信号，该电流信号极其微弱，经过荧光前置放大器116后光电流转化为电压并放大，变成可检测信号。
41.如若不是微生物颗粒物，则不会接收到荧光信号。
42.信号处理系统，包括依次连接的滤波器117、a/d转换器118、上位机119，所述的滤波器117连接散射光前置放大器115与荧光前置放大器116。
43.经光电器件输出的电信号中混杂着诸多高频噪声，所以散射光前置放大器115放大后的信号送至滤波器117滤除信号中的高频噪声，再经a/d转换器118将信号变为数字信号，由通讯接口送至上位机119进行分析、显示等处理，可计算出各个粒子的粒径大小，最终得到各个粒径段内的粒子的数量。
44.经光电器件输出的电信号中混杂着诸多高频噪声，所以将荧光前置放大器116放大后的信号送至滤波器117滤除信号中的高频噪声，再经a/d转换器118将信号变为数字信号，由通讯接口送至上位机119进行分析、显示等处理，可得到该微生物颗粒所发出的荧光强度信息，从而可对微生物颗粒进行简单的分类和统计。
45.所述的液流管道120的最小探测分辨率为一个微生物颗粒物；所述的散射光探测器110为光电二极管；所述的荧光探测器114为雪崩光电二极管或光电倍增管。
46.405nm的半导体激光器，可有效探测生物活性物质nadh、核黄素等，诱导其激发荧光。所述的半导体激光器101优选为发出405nm激光。
技术特征：1.一种水中微生物在线检测方法，其特征在于：包括 设置流动室，将待测样本粒子流经流动室的液路管道； 设置激光发射系统，通过半导体激光器产生激光，并通过聚焦、压缩产生矩形光斑，将光斑照射于流动室的液路管道，使被测粒子发生散射或/和产生本征荧光； 在激光发射系统的对侧设置散射光接收系统，接收被照射的待测样本粒子所产生散射光，设置散射光接收系统的散射光光处理组件与激光发射系统同光轴，散射光光处理组件接收散射光并汇聚，散射光探测器接收经散射光光处理组件汇聚的散射光转化为电流信号，转化的电流信号经过散射光探测器连接的散射光前置放大器放大为可检测的电压信号； 在激光发射系统的一侧、垂直于激光发射系统的光轴设置荧光接收系统，接收被照射的待测样本粒子所产生的本征荧光；设置荧光接收系统的荧光光处理组件的光轴与激光发射系统的光轴垂直，荧光光处理组件接收荧光并汇聚，荧光探测器吸收经荧光光处理组件汇聚的荧光转化为电流信号，并经荧光探测器上连接的荧光前置放大器放大为可检测的电压信号； 设置信号处理系统，接收散射光前置放大器放大的电压信号、及接收荧光前置放大器放大的电压信号，通过滤波器滤除信号中的高频噪声、再经a/d转换器转换成数字信号传送至上位机，进行分析、显示等处理，计算出各个粒子的粒径大小，最终得到各个粒径段内的粒子的数量；或可得到该微生物颗粒所发出的荧光强度信息，从而可对微生物颗粒进行简单的分类和统计。2.如权利要求1所述的水中微生物在线检测方法，其特征在于：所述的激光发射系统包括半导体激光器、准直透镜、与准直透镜同光轴的第一平凸柱面透镜、与准直透镜同光轴的第二平凸柱面透镜，所述的第一、二平凸柱面透镜相互垂直配合，聚焦、压缩光斑为矩形光斑，所述的第一、二平凸柱面透镜的凸面作为光射入面，平面作为光射出面。3.如权利要求1所述的水中微生物在线检测方法，其特征在于：使流动室的液路管道的中轴线与激光发射系统聚焦、压缩产生的矩形光斑的焦线相交，形成光敏感区，待测样本粒子经液路管道，穿过光敏感区，使被测粒子发生散射或/和产生本征荧光。4.如权利要求1所述的水中微生物在线检测方法，其特征在于：所述的散射光光处理组件包括同光轴依次设置的光阑、第一非球面透镜、长波截止滤光片、第一平凸透镜、散射光探测器，所述的第一平凸透镜的凸面为光射入面、平面为光射出面。5.如权利要求1所述的水中微生物在线检测方法，其特征在于：所述的荧光光处理组件包括同光轴依次设置的第二非球面透镜、短波截止滤光片、第二平凸透镜、荧光探测器，所述的第二平凸透镜的凸面为光射入面、平面为光射出面。6.一种水中微生物在线检测装置，其特征在于：包括 激光发射系统，包括半导体激光器、准直透镜、与准直透镜同光轴的第一平凸柱面透镜、与准直透镜同光轴的第二平凸柱面透镜，所述的第一、二平凸柱面透镜相互垂直配合，聚焦、压缩光斑为矩形光斑，所述的第一、二平凸柱面透镜的凸面作为光射入面，平面作为光射出面； 流动室，所述的流动室设有液路管道，所述的液路管道设置于光轴上、位于第一、二平凸柱面透镜相配合聚焦压缩形成的矩形光斑处； 散射光接收系统，设置于激光发射系统的对侧、接收液路管道待测样本粒子产生的散射光，所述的散射光接收系统包括同光轴依次设置的光阑、第一非球面透镜、长波截止滤光片、第一平凸透镜、散射光探测器，所述的第一平凸透镜的凸面为光射入面、平面为光射出面，所述的散射光探测器连接设置有散射光前置放大器； 荧光接收系统，设置于激光发射系统一侧，接收液路管道待测样本粒子产生的荧光，光轴与激光发射系统光轴
垂直，所述的荧光接收系统包括同光轴依次设置的第二非球面透镜、短波截止滤光片、第二平凸透镜、荧光探测器，所述的第二平凸透镜的凸面为光射入面、平面为光射出面，所述的荧光探测器连接设置有荧光前置放大器； 信号处理系统，包括依次连接的滤波器、a/d转换器、上位机，所述的滤波器连接散射光前置放大器与荧光前置放大器。7.如权利要求6所述的水中微生物在线检测装置，其特征在于：所述的液路管道的中轴线与光轴相交。8.如权利要求6所述的水中微生物在线检测装置，其特征在于：所述的半导体激光器发出405nm激光。9.如权利要求6所述的水中微生物在线检测装置，其特征在于：所述的光阑设置于第一非球面透镜的光射入面的中心。10.如权利要求6所述的水中微生物在线检测装置，其特征在于：所述的液流管道的最小探测分辨率为一个微生物颗粒物；所述的散射光探测器为光电二极管；所述的荧光探测器为雪崩光电二极管或光电倍增管。
技术总结本发明公开了一种水中微生物在线检测方法及装置，设置激光发射系统产生聚焦、压缩的矩形光斑照射流经流动室液路管道的待测样本粒子，使待测样本粒子产生发生散射或/和产生本征荧光，分别被散射光接收系统接收转化为电流信号、荧光接收系统吸收转化为电流信号，再经过相应的前置放大器电流信号放大为电压信号，被信号处理系统通过滤波器滤除信号中的高频噪声、再经A/D转换器转换成数字信号传送至上位机，进行分析、显示等处理，计算出各个粒子的粒径大小，最终得到各个粒径段内的粒子的数量；或可得到该微生物颗粒所发出的荧光强度信息，可对微生物颗粒进行简单的分类和统计。同时实现对微生物颗粒物以及非微生物颗粒物的识别以及浓度计算。识别以及浓度计算。识别以及浓度计算。
技术研发人员：叶武青 陈训龙 夏信群 叶大林
受保护的技术使用者：浙江泰林分析仪器有限公司
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
