一种基于米氏散射和空间光调制器的微生物快速检测设备

摘要

本发明公开了一种基于米氏散射和空间光调制器的微生物快速检测设备，包括激光器、光学系统、探测器球形阵列框架、样品池和光电探测器件。激光器发射的激光束经过准直后形成平行光，然后经由光学系统汇聚，照射到样品池中的微生物样品上，微生物的被激光照射后，向空间发射出散射光，散射光被环绕在样品池周围的光电探测器件接收，基于米氏散射理论，通过计算机对接收到的光电信号进行解析计算，可以实时检测到当前微生物的形态。本装置实现了微生物的快速实时检测，采用光学散射的原理，提高了检测速度和精度，实现了采集过程中的信号实时采集、处理和分析。

说明书

技术领域

本发明属于医学生物微生物、细胞组织检测领域，是一种基于米氏散射和空间光调制器的 微生物快速检测设备。

背景技术

微生物是一切肉眼看不见或看不清的微小生物，个体微小，结构简单，通常要用光学显微 镜和电子显微镜才能看清楚的生物，统称为微生物。微生物包括细菌、病毒、霉菌、酵母菌等。 微生物的检测在食品安全、疾病诊断和控制、生物科学研究等方面有着重要的意义。微生物的 快速检测要求在尽可能短的时间内检测出目标微生物，同时灵敏度和特异性高，操作尽可能简 单。传统的微生物检测方法主要有培养膜法、螺旋平板计数法、滤膜法以及新兴的ATP生物荧 光法、电阻抗法、颜色变化、流式细胞技术及激光扫描技术。这些方法通常成本比较高，需要 预先对微生物进行一定数量的培养并在培养过程中加入特定的培养试剂，同时培养过程需要耗 费较多的时间，并且检测结果出现假阳性的可能性较高。

米氏散射理论是研究透明介质中，单色光波照射到任意直径和成分的球形颗粒上，光波发 生散射的特性以及解的理论。米氏散射理论在环保、能源、天文、气象、医学等领域得到了广 泛应用。透明液体中的微生物，经过激光的照射后，会向周围空间发出散射光，且不同角度空 间的散射光强度与颗粒直径存在相关性，不同形状的粒子在空间的散射光强度分布有不同的规 律，通过收集周围空间的散射光，基于米氏散射理论即可解出微生物的形态结构参数。基于米 氏散射的微生物快速检测方法，不需要额外引入化学试剂，同时获得信号数据实时程度高；通 用性好，一套装置可以实现不同形状和尺寸的微生物检测；检测速度快，由于采用光学检测的 方法，通过高速率的光电探测器件，可以快速的获得散射光信号，然后由计算机得到当前微生 物的形态信号特征。

为实现基于米氏散射的快速微生物检测，需要将一定能量的单色光照射到微生物上，激光 具有单色性好、能量集中、光束质量高的特点，是当前生物光学检测的常用光源。同时为了收 集空间散射光，需要在微生物周围安放光电探测器件，光电倍增管具有响应速度快、噪声低、 增益大的特点，是光电检测装置中的常用器件。

综上所述，基于米氏散射的微生物快速检测系统有着广阔的运用前景，相比于传统的微生 物检测方法可以大大提高检测的速度和精度，且操作简单，通用性强。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种简易的实现快速实时检测微生物形态 的光学检测系统结构。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于米氏散射和空间光调制器的微生物快速检测设备，包括激光器，光学系统，探测 器球形阵列框架，样品池，光纤，空间光调制器，光电倍增管；激光器，产生功率可调的连续 激光，经过光学系统汇聚后，通过探测器球形阵列框架端口的孔照射到探测器球形阵列框架中 心，激光光斑聚焦点与探测器球形阵列框架的球心重合，在探测器球形阵列框架中放置样品池， 样品池为球形透明玻璃器皿，样品池球心与探测器球形阵列框架球心共心重合，激光汇聚照射 到样品池中的样品上，样品的散射光被分布在探测器球形阵列框架上的光纤收集，信号光经过 光纤照射到空间光调制器上，经过空间光调制器调制后被光电倍增管接收。

所述的探测器球形阵列框架由多根半圆弧状金属结构轴组合形成球形笼状结构，半圆弧状 金属结构轴上，等间距设置安装孔位，用于安装光纤。

所述的光纤安装在探测器球形阵列框架的安装孔位上，光纤的光轴延长线相交于探测器球 形阵列框架的球心。

所述空间光调制器，快速实现对信号光的调制，使得每次只允许一根光纤的信号光通过空 间光调制器，然后被光电倍增管收集处理，通过空间光调制器的快速调制作用，依次逐个实现 每一个散射信号光快速被光电倍增管收集处理。

所述的设备还包括用于处理光电倍增管接收的光电数据的计算机。

根据权利要求1所述的基于米氏散射和空间光调制器的微生物快速检测设备，，计算机采用C 语言编写算法对光电信号进行处理，得到待检测微生物的形态信息。

所述的算法为MIE散射智能递推法。

利用本发明所述的设备快速检测微生物形态的方法，包括以下步骤：

(1)利用所述的设备对已知微生物进行鉴定，收集散射光特征信息数据，建立已知微生物信 息数据库；所述的散射光特征信息包括各个角度上的散射光强、散射角特征；为了提高本发明 方法的准确度，数据库中的信息应尽可能多的包含已知各种属微生物的散射光特征信息数据；

(2)利用所述的设备对待测微生物进行测定，将获得的散射光特征信息数据与数据库中的数 据进行比对，找到与计算结果最匹配的数据库信息，通过对比可以得到样品池中的待检微生物 的形态种类信息。

有益效果：

1、采用球形笼状结构，可以充分收集反应待检微生物形态的空间散射光光强和散射角，同时 球形笼状结构的轴可做适当扩展，并根据不同的检测目标和要求，可以满足不同的结构要求。 2、通用性强，不同的微生物不需要引入额外的检测试剂，实现一套装置可以检测多种目标微 生物。

3、检测速度快，光电倍增管可以实现快速的光电信号转换，且光电倍增管增益高，可以实现 对微小信号的检测，有利于提高系统的检测灵敏度。最后经由高速计算机可以得到实时的检测 结果。

4、探测器球形阵列框架，待检测微生物与探测器球形阵列框架球心重合，使得光纤可以均匀 的收集散射光信号，提高了检测精度。

5、空间光调制器，可以快速实现对光束的调制，本发明中，多束散射光信号经过光纤汇合照 射到空间调制器上，通过光纤呈一定规律的排布，可以使得散射光呈对应规律照射到空间光调 制器上。然后通过空间光调制器的快速调制作用，如附图2，可以使得一次只有一个光信号通 过空间光调制器到达光电倍增管，被计算机处理。依次调制使得每一个信号逐个依次通过空间 光调制器被处理。

附图说明

图1是根据本发明提出的基于米氏散射的微生物快速检测设备示意图。

其中，1为激光器，2为光学系统，3为探测器球形阵列框架，4为样品池，5为光纤，6 为空间光调制器，7为光电倍增光。

图2是空间光调制器调制散射光信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，基于米氏散射的微生物快速检测设备主要由激光器(1)，光学系统(2)，探测 器球形阵列框架(3)，样品池(4)，光纤(5)组成。测器球形阵列框架(3)的直径为203mm， 单根半圆弧状轴的厚度为26mm，探测器球形阵列框架(3)为由四根相同的半圆弧状轴组成的 球形笼状结构，激光器(1)的激光波长为632nm，功率为0mW至100mW可调，激光器(1)发 射出来的激光经过光学系统(2)汇聚，光学系统(2)的焦点与探测器球形阵列框架(3)的 球心重合，光学系统(2)的后焦面为260mm，玻璃球形状的样品池(4)置于探测器球形阵列 框架(3)中，样品池(4)的球心与探测器球形阵列框架(3)的球心重合，样品池(4)的球 直径为79mm，在探测器球形阵列框架(3)的轴上等间距分布安装了28根光纤(5)，光纤(5) 的光轴的延长线指向探测器球形阵列框架(3)的球心，且同时交于探测器球形阵列框架(3) 的球心。28根光纤(5)的另一端汇合在空间光调制器(6)前端，经过空间光调制器(6)调 制后的信号光由光电倍增管(7)接收，转化为电信号。

装置的原理如下：由激光器(1)发射出来的激光为准直后的平行光，平行光经过光学系 统(2)汇聚后，聚焦在光学系统(2)的焦点处，由于光学系统(2)的焦点与探测器球形阵 列框架(3)和样品池(4)的球心重合，激光光束经过光学系统(2)汇聚后聚焦在样品池(4) 的球心处，样品池(4)中的微生物样品由于受到激光的照射，会向周围空间发射出散射光， 空间各个方向的散射被对应的光纤(5)接收收集，经由空间光调制器(6)调制后由光电倍增 管(7)接收转换为电信号，被计算机存储。

后期通过计算机对得到的光电信号进行处理分析，通过每一个探测点的散射光光强，代入 到米氏散射求解公式，通过得到的计算结果与已知微生物信息数据库进行比对，找到与计算结 果最匹配的数据库信息，通过对比可以得到样品池(4)中的待检微生物的形态种类信息。

以鉴定未知微生物是否为大肠杆菌为例，说明本发明的具体方法和结果：(1)根据前述步 骤1建立大肠杆菌信息数据库，即将纯培养得到的大肠杆菌放入微生物快速检测装置中，利用 该装置收集在各个角度上的散射光强、散射角等特征数据。(2)将未知微生物进行纯培养后放 入微生物快速检测装置中，利用该装置收集在各个角度上的散射光强、散射角等特征数据，将 收集到的特征数据与大肠杆菌信息数据库进行比对，得到该未知微生物为大肠杆菌的概率值。

以上对本发明做了详尽的描述，但本发明不限于上述的实施例。凡根据本发明的精神实质 所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。