云南昆明 650223
摘要：生物剂检测报警器主要是由触发器/提示装置单元、生物采集器单元、检测器单元等组成。检测报警器能快速检测细菌、病毒、毒素等三大类生物剂，发出相应报警信息，提示相关人员采取相应防范措施。
关键词：生物剂；报警器；光电传感器
1、报警器开发背景：
生物剂就是在战争中用来伤害人、畜或毁坏农作物的致病微生物、毒素和其它生物活性物质的总称，如细菌、立克次体、病毒、衣原体、真菌等，旧称细菌战剂。其传播方式主要有：节肢动物；与染毒动物接触；食物污染和水污染；气溶胶、液态或固态布撒。其危害性可以与核武器相“媲美”，对于生物武器来说，又叫“穷人的原子弹”。目前国际上统称“三防”，即防核、防化、防生物武器。
随着科学技术的发展和装备制造技术水平的提高，生物知识技术普及的深入，细菌、病毒、毒素的培养、提取日趋成熟和容易，大规模的培养、提取细菌、病毒、毒素已不再困难，具有一定的生化知识和技能就能培养；且生物剂生产成本相对比较低廉，如使用传统武器每平方公里约需2000美元，核武器约需800美元，神经性毒剂约需600美元，而使用生物武器只需1美元。同时，生物剂的作用效果一般比较长，微生物效能暴发比较隐蔽，难于在短期内有效地消除，因而会对社会稳定、人心稳定造成巨大影响，使人感受巨大心理压力、缺乏安全感、进而引起整个社会的动乱不安，可达到“不战而屈人之兵”的目的，目前，生物威胁已成为恐怖分子主要手段之一，对其防范十分重要。
生物剂看不见、摸不着，且容易感染，破坏力强，需尽早发现，早防范，早处理，需要有高科技的检测设备。细菌、病毒、毒素等生物是无色、无臭的，都在微米以下，十分细小，只有用显微镜才能看见，所以用肉眼是看不见、摸不着，在短期内很难觉察。正常人即使在每升空气中只含有10个生物剂颗粒的环境中呼吸几秒钟也有被感染的可能。生物袭击造成的破坏程度远远超过化学袭击。如果条件适宜，在一座面积类似华盛顿的城市上空播撒100㎏含炭疽的粉末将造成100万～300万人的死亡。而一颗百万吨级的氢弹爆炸造成的死亡人数也只有50万～200万。所以要依靠高科技产品对其检测。
近些年来发生的若干起生物恐怖袭击事件给世界各国造成了日益严重的现实威胁，给各国的政治、经济和安全形势带来了严重的隐患。这也加速了欧美等发达国家在生物剂检测技术领域的研究进度，据查新国外生物检测设备比较多，如“BioScout生物气溶胶探测器(芬兰)”、“Bio 100生物气溶胶探测器(芬兰)”、“BioCapture 650 手持式生物气溶胶采样器(美国)”等类型机。但一般不向中国出售，即使出售，价格也十分高昂，不利于普及使用，更不适合我军列装。目前这些仪器设备可检测的生物战剂种类有炭疽、鼠疫、兔热病、鼻疽、Q热、天花、病毒性脑炎、病毒性出血热、肉毒杆菌毒素、蓖麻毒素、葡萄球菌肠毒素B等，但这些产品的技术性能(军用)还在不断地改进，特别是检测生物战剂(含生物毒素)种类也还需再扩展。我国还没有同类产品上市销售，但生物恐怖威胁却时刻都存在，某些微生物能很方便的大量培养，加之现代的高效培养技术，使生物武器生产容易且成本比较低廉。由此可见，防止生物危险已迫在眉睫。并且除军方列装外，民用市场也十分广泛，如机场安检、地铁等公共场所以及疾病预防控制检测等都需要这类生物剂检测报警器。若可以研究开发出一种防生化武器，则可以填补我国军民两个市场空白。同时，可以快速检测生物细菌、病毒、毒素，防止细菌、病毒的扩散和伤害，保护人民的生命财产安全，其社会意义不言而喻。
本课题就是基于这样的背景而展开研制工作的，研究主要目的在于开发一种生物剂检测报警器，主要检查对象特指细菌、病毒、毒素等三大类，具体包含有炭疽、鼠疫、天花病毒、肉毒毒素和蓖麻毒素这五种。通过研制能检测这几种物质的传感器，再采用微弱信号检测技术对传感器的信号进行抑噪、放大处理，并识别是否有以上物质的存在，如果有，发出相应报警或预警，提示相关人员采取相应防范措施，降低感染几率，保护人们的生命财产并防止扩散。
2、主要研发内容、关键技术
2、1 主要研发内容
本项目研究开发一种生物剂检测报警器，研究内容主要包括触发器/提示装置单元、生物采集器单元、检测器单元、气路单元、嵌入式系统单元、生物实验室单元和电源模块设计单元几个部分。
2、2 分系统设计内容
2、2、1 系统总体设计
生物剂检测报警器系统的工作原理是将背景空气中的气溶胶进行分析和感测，然后利用采样器将其进行浓缩为后期检测提供样品，采集的检测样品进入检测器进行特异性识别，通过分析鉴别后判断是否有生物剂物质。
系统原理框图如图1所示：
2、2、1、触发器/提示装置设计开发
触发器的功能是对背景空气发生的变化提供一个早期报警。触发器工作时需要在一个特定的地点建立背景气溶胶水平值，然后感测在这个背景下发生的气溶胶粒子数的变化。触发器是非特异性的且不对微生物进行鉴定，而只对背景气溶胶出现的变化进行指示。
提示装置，首先能测定什么时候出现粒子数的增多，然后能够区分生物气溶胶和非生物气溶胶的浓度(非特异生物战剂检测)。
粒子测量指一种用于非特异性的检测技术，是测量具有特定尺度(通常为0.5μm～30μm)粒子的相对数量。粒子测量主要有以下两种方法，一是空气动力学粒子筛选(APS)技术，它是将充满粒子的气流通过一个气流喷嘴吸入APS装置，产生一个可控制的高速气溶胶射流。在测量期间，气流速度保持恒定，由于射流内各粒子的尺度不同，它们会以不同的比率进行加速(小粒子比大粒子加速快)；然后用一束激光测量各粒子的飞行时间。空气动力学粒子筛选技术被直接用于对野外生物战剂的检测。二是高通量空气动力学粒度分级器(HVAPS)，它是将一个加速和浓缩的气流通过一个激光粒子计数器，得到气溶胶的粒度分布和浓度信息。但这种仪器不能将生物气溶胶同非生物气溶胶区分开来。
2、2、2 生物采集器
由于空气中极低的生物战剂难于被检测出来，但确能造成严重的效果，因此需要一个对气流中粒子/气溶胶进行浓缩的装置。采样器/收集器对大气进行采样并将空气中的粒子浓缩在一个液态介质中用于分析。与其它类型气溶胶或粒子采集的主要不同之处，一是在于生物战剂采样对象通常是活的有机体，必须对采集的样品加以保存，不能损害；二是绝大多数生物战剂检测和识别技术需要一个液态的样品，收集物必须是来自液体中的气溶胶或粒子；三是液体样本必须是高度浓缩的，而且可用于快速分析，因为响应时间是非常关键的。作为检测系统的一部分，收集器是非常有用的，当收集器收到触发器发出的表示背景水平出现了变化的信号时，便开始对空气采样，再将空气中的粒子浓缩在一个液体介质中。收集器为生物检测系统的鉴别部件提供“原料”，同时也为确定性识别和法医鉴定分析提供样品。收集器获取和浓缩气溶胶样品的效率会明显地影响下游的几个功能。收集器可大致分为两类：一类收集器体积较大且耗电量高，这类收集器具有较高的收集和浓缩效率；另一类收集器体积较小耗电量低(作便携式用)，但收集和浓缩效率较低。收集器在一个检测系统的总质量、总尺寸和总功率需要量中所占的比例是非常大的.
2、2、3 检测器
气溶胶检测器工作时的流程是，首先检测空气通过微型泵泵入光路通道的一个撞击器上，在这里实现粒子的收集并统一到样品盘面上，之后通过紫外光照射样品盘，同时用另外一个光学检测器检测受照粒子所产生的荧光，测量生物粒子相对应波长下的荧光强度，如果检测到与生物气溶胶粒子相关的荧光强度明显升高，则将回收的样品送到实验室进行分析，如果出现一个报警，就表示应该进行样品的采样操作了，与此同时启动相应的保护措施。气溶胶检测方案设计如图2所示。
检测器(特异性识别技术)是一个部件，它能够识别可疑生物战剂(细菌或病毒战剂)到“种”的水平以及毒素的类型。特异性识别技术是根据检测该生物战剂所持有的一个特异性生物标记物来完成的；基于抗体的鉴别器用于对速度和自动化要求较高的检测系统。这里主要应用了免疫技术和核酸扩增法的算法。
免疫分析技术对抗原(身体的外来物)与相对应的抗体高度专一性结合的检测，是通过形成抗原-抗体复合物来实现的，是依赖于抗原-抗体结合的特异性。免疫分析法可分为：可抛弃基质型装置(测试条和测试盒)；使用标记试剂间接测量抗原抗-体结合的生物传感器；不需要标记物(直接亲和分析法)的生物传感器等3种方法。
核酸扩增法用来帮助检测细菌和病毒(核酸扩增法本身不能直接检测毒素的存在)战剂的DNA和RNA。用于核酸分析的样品可直接从野外获得、通过试验室培养或从感染动物或人的组织中获得。迷你型PCR利用聚合酶链反应的过程和泰克曼化学反应试剂，将一个可疑的样品放入一个可快速加热和冷却的小型热循环仪中，在这个热循环仪中嵌入了一个小型的光学系统，热循环光学系统如图3所示。
2、2、4 气路单元设计试制
气路系统工作的原理是将空气（样气）由进气嘴周围的小孔通过滤纸进入检测器，再经过抽气泵，由排气口排出。其主要作用是将空气（样气）抽进检测器，被紫外线照射，形成荧光，通过光敏传感器输出电信号，经微电流放大器放大。样气最后由排气口排出。气路单元设计图如图4所示。
2、2、5 嵌入系统开发
首先，在本系统的功能设计方面，由于该嵌入系统主要作为数据运算处理及显示操作界面使用，不需要强大的I/O或ADC等数据采集能力，所以系统设计对外接口一般只保留常用的通讯接口；而操作界面可以采用触摸屏或简单的键盘操作；在系统内部主要考虑操作系统及开发工具选择。提供强大的显示及操作界面。其次，在本系统的软件设计方面，操作系统采用开放源代码的Linux操作系统，从而保证系统的安全可靠，确保没有其他操作系统留有后门程序及不可见漏洞的问题。开发平台对大多数应用提供JAVA开发平台，把对各种通讯接口访问的功能以及对LCD显示屏和操作界面的功能封装成多个JAVA开发包，开发人员可以很容易的使用这些JAVA开发包，通过简单的编程工作就完成需要的功能。同时，由于JAVA语言本身的可靠性也可以使系统的运行更加稳定。在对系统低层需要特殊控制的时候则可以采用传统的C/C++开发。最后，在数据存储方面，对于大量的很少改变的程序数据可以采用Flash技术存储，例如Flash Memory，SD卡，DiskOnChip等技术。而对于临时数据则使用SDRAM提供大容量的内存。对于一些需要保密的安全数据则可以使用铁电存储器FRAM，FRAM具有数据掉电不丢失的特性，同时在紧急情况下FRAM的数据也可以在几个微秒内销毁。
2、2、6 电源模块设计试制
设备的外供电源是车载蓄电池（12V或24V），即可满足仪器各单元的电源需求，并满足整机电磁兼容性和可靠性的指标。
2、3 技术创新点
目前，生物剂的检测技术主要有两大类：一类是声波生物检测技术；另一类是光纤生物检测技术。声波生物检测技术是利用声波传感器作为信号采集器，以压电声波元件为换能器，通过生物作用选择性获取目标信息进行生物分析或化学分析的装置，其信息感受元件可为酶、微生物、抗原或抗体、核酸、细胞或生物组织等。可分为“声波酶传感器、声波免疫传感器、声波微生物传感器、生物剂基因探针”。光纤生物检测技术则可分为光纤酶检测技术、光纤微生物检测技术、光纤免疫检测技术和光纤基因检测技术。
本项目的关键技术或研制难点，是敏感元件制造技术。目前国内在生物敏感元件的制造技术上，与国外的先进技术相比，差距较大。特别是在激光敏感元件方面，更是不易采购，并且价格昂贵。因此，仪器只能采用国产敏感元件。但是目前国内没有现成可用的新一代敏感元件，所以仪器的研制必须从敏感元件开始。而光离子化检测器传感器的技术关键又在紫外（UV）灯，能满足仪器适用要求的UV灯，一是具有规定的能量，二是外形体积微型化。所以，传感器的敏感元件研制过程先后经历了设计、试制、生产、封装、测试等几个过程，首先找到一家国内的合作伙伴，突破了微型UV灯的设计需求，进而实现了微型UV灯的加工制造，最后完成传感器敏感元件的封装制作及测试等工作。
3 结束语
通过本项目的实施，基本实现了能对常见的五种生物剂检测报警的功能性样机设备，掌握了技术制备工艺流程和核心关键技术点，但是项目技术的产品及产业化道路还需要做大量的工作，诸如进一步优化技术工艺路线，新型电子元器件的选项及与之适应的设计方案，先进制造技术的引入等等，即在产品道路上涉及到的各个环节均需要进行深入研究和仔细筛分。
作者简介：杨红飞（1977-），男，汉，云南昆明人，高级工程师，研究方向：电子机械及电子应用技术。
通信作者：任兴平（1970-），男，汉，云南昆明人，高级工程师，研究方向：电子技术。
论文作者:杨红飞、任兴平、张建红、保家宇
论文发表刊物:《科技中国》2016年10期
论文发表时间:2017/1/5
标签：生物论文; 气溶胶论文; 粒子论文; 毒素论文; 检测器论文; 传感器论文; 样品论文; 《科技中国》2016年10期论文;