FGB-04毒劑報警器

2 分系統設計內容

2、1 系統總體設計

生物劑檢測報警器系統的工作原理是將背景空氣中的氣溶膠進(jìn)行分析和感測，然后利用采樣器將其進(jìn)行濃縮為后期檢測提供樣品，采集的檢測樣品進(jìn)入檢測器進(jìn)行特異性識別，通過(guò)分析鑒別后判斷是否有生物劑物質(zhì)。

觸發(fā)器/提示裝置設計開(kāi)發(fā)

觸發(fā)器的功能是對背景空氣發(fā)生的變化提供一個(gè)早期報警。觸發(fā)器工作時(shí)需要在一個(gè)特定的地點(diǎn)建立背景氣溶膠水平值，然后感測在這個(gè)背景下發(fā)生的氣溶膠粒子數的變化。觸發(fā)器是非特異性的且不對微生物進(jìn)行鑒定，而只對背景氣溶膠出現的變化進(jìn)行指示。

提示裝置，首先能測定什么時(shí)候出現粒子數的增多，然后能夠區分生物氣溶膠和非生物氣溶膠的濃度(非特異生物戰劑檢測)。粒子測量指一種用于非特異性的檢測技術(shù)，是測量具有特定尺度(通常為0.5μm～30μm)粒子的相對數量。粒子測量主要有以下兩種方法，一是空氣動(dòng)力學(xué)粒子篩選(APS)技術(shù)，它是將充滿(mǎn)粒子的氣流通過(guò)一個(gè)氣流噴嘴吸入APS裝置，產(chǎn)生一個(gè)可控制的高速氣溶膠射流。在測量期間，氣流速度保持恒定，由于射流內各粒子的尺度不同，它們會(huì )以不同的比率進(jìn)行加速(小粒子比大粒子加速快)；然后用一束激光測量各粒子的飛行時(shí)間?？諝鈩?dòng)力學(xué)粒子篩選技術(shù)被直接用于對野外生物戰劑的檢測。二是高通量空氣動(dòng)力學(xué)粒度分級器(HVAPS)，它是將一個(gè)加速和濃縮的氣流通過(guò)一個(gè)激光粒子計數器，得到氣溶膠的粒度分布和濃度信息。但這種儀器不能將生物氣溶膠同非生物氣溶膠區分開(kāi)來(lái)。

2、2 生物采集器

由于空氣中極低的生物戰劑難于被檢測出來(lái)，但確能造成嚴重的效果，因此需要一個(gè)對氣流中粒子/氣溶膠進(jìn)行濃縮的裝置。采樣器/收集器對大氣進(jìn)行采樣并將空氣中的粒子濃縮在一個(gè)液態(tài)介質(zhì)中用于分析。與其它類(lèi)型氣溶膠或粒子采集的主要不同之處，一是在于生物戰劑采樣對象通常是活的有機體，必須對采集的樣品加以保存，不能損害；二是絕大多數生物戰劑檢測和識別技術(shù)需要一個(gè)液態(tài)的樣品，收集物必須是來(lái)自液體中的氣溶膠或粒子；三是液體樣本必須是高度濃縮的，而且可用于快速分析，因為響應時(shí)間是非常關(guān)鍵的。作為檢測系統的一部分，收集器是非常有用的，當收集器收到觸發(fā)器發(fā)出的表示背景水平出現了變化的信號時(shí)，便開(kāi)始對空氣采樣，再將空氣中的粒子濃縮在一個(gè)液體介質(zhì)中。收集器為生物檢測系統的鑒別部件提供“原料"，同時(shí)也為確定性識別和法醫鑒定分析提供樣品。收集器獲取和濃縮氣溶膠樣品的效率會(huì )明顯地影響下游的幾個(gè)功能。收集器可大致分為兩類(lèi)：一類(lèi)收集器體積較大且耗電量高，這類(lèi)收集器具有較高

的收集和濃縮效率；另一類(lèi)收集器體積較小耗電量低(作便攜式用)，但收集和濃縮效率較低。收集器在一個(gè)檢測系統的總質(zhì)量、總尺寸和總功率需要量中所占的比例是非常大的.

2、3 檢測器

氣溶膠檢測器工作時(shí)的流程是，首先檢測空氣通過(guò)微型泵泵入光路通道的一個(gè)撞擊器上，在這里實(shí)現粒子的收集并統一到樣品盤(pán)面上，之后通過(guò)紫外光照射樣品盤(pán)，同時(shí)用另外一個(gè)光學(xué)檢測器檢測受照粒子所產(chǎn)生的熒光，測量生物粒子相對應波長(cháng)下的熒光強度，如果檢測到與生物氣溶膠粒子相關(guān)的熒光強度明顯升高，則將回收的樣品送到實(shí)驗室進(jìn)行分析，如果出現一個(gè)報警，就表示應該進(jìn)行樣品的采樣操作了，與此同時(shí)啟動(dòng)相應的保護措施。氣溶膠檢測方案設計如圖2所示。

檢測器(特異性識別技術(shù))是一個(gè)部件，它能夠識別可疑生物戰劑(細菌或病毒戰劑)到“種"的水平以及毒素的類(lèi)型。特異性識別技術(shù)是根據檢測該生物戰劑所持有的一個(gè)特異性生物標記物來(lái)完成的；基于抗體的鑒別器用于對速度和自動(dòng)化要求較高的檢測系統。這里主要應用了免疫技術(shù)和核酸擴增法的算法。免疫分析技術(shù)對抗原(身體的外來(lái)物)與相對應的抗體高度專(zhuān)一性結合的檢測，是通過(guò)形成抗原-抗體復合物來(lái)實(shí)現的，是依賴(lài)于抗原-抗體結合的特異性。免疫分析法可分為：可拋棄基質(zhì)型裝置(測試條和測試盒)；使用標記試劑間接測量抗原抗-體結合的生物傳感器；不需要

標記物(直接親和分析法)的生物傳感器等3種方法。 核酸擴增法用來(lái)幫助檢測細菌和病毒(核酸擴增法本身不能直接檢測毒素的存在)戰劑的DNA和RNA。用于核酸分析的樣品可直接從野

外獲得、通過(guò)試驗室培養或從感染動(dòng)物或人的組織中獲得。迷你型PCR利用聚合酶鏈反應的過(guò)程和泰克曼化學(xué)反應試劑，將一個(gè)可疑的樣品放入一個(gè)可快速加熱和冷卻的小型熱循環(huán)儀中，在這個(gè)熱循環(huán)儀中嵌入了一個(gè)小型的光學(xué)系統，熱循環(huán)光學(xué)系統如圖3所示。

2、4 氣路單元設計試制

氣路系統工作的原理是將空氣（樣氣）由進(jìn)氣嘴周?chē)男】淄ㄟ^(guò)濾紙進(jìn)入檢測器，再經(jīng)過(guò)抽氣泵，由排氣口排出。其主要作用是將空氣（樣氣）抽進(jìn)檢測器，被紫外線(xiàn)照射，形成熒光，通過(guò)光敏傳感器輸出電信號，經(jīng)微電流放大器放大。樣氣最后由排氣口排出。氣路單元設計圖如圖4所示。

2、5 嵌入系統開(kāi)發(fā)

首先，在本系統的功能設計方面，由于該嵌入系統主要作為數據運算處理及顯示操作界面使用，不需要強大的I/O或ADC等數據采集能力，所以系統設計對外接口一般只保留常用的通訊接口；而操作界面可以采用觸摸屏或簡(jiǎn)單的鍵盤(pán)操作；在系統內部主要考慮操作系統及開(kāi)發(fā)工具選擇。提供強大的顯示及操作界面。其次，在本系統的軟件設計方面，操作系統采用開(kāi)放源代碼的Linux操作系統，從而保證系統的安全可靠，確保沒(méi)有其他操作系統留有后門(mén)程序及不可見(jiàn)漏洞的問(wèn)題。開(kāi)發(fā)平臺對大多數應用提供JAVA開(kāi)發(fā)平臺，把對各種通訊接口訪(fǎng)問(wèn)的功能以及對LCD顯示屏和操作界面的功能封裝成多個(gè)JAVA開(kāi)發(fā)包，開(kāi)發(fā)人員可以很容易的使用這些JAVA開(kāi)發(fā)包，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程工作就完成需要的功能。同時(shí)，由于JAVA語(yǔ)言本身的可靠性也可以使系統的運行更加穩定。在對系統低層需要特殊控制的時(shí)候則可以采用傳統的C/C++開(kāi)發(fā)。最后，在數據存儲方面，對于大量的很少改變的程序數據可以采用Flash技術(shù)存儲，例如Flash Memory，SD卡，DiskOnChip等技術(shù)。而對于臨時(shí)數據則使用SDRAM提供大容量的內存。對于一些需要保密的安全數據則可以使用鐵電存儲器FRAM，FRAM具有數據掉電不丟失的特性，同時(shí)在緊急情況下FRAM的數據也可以在幾個(gè)微秒內銷(xiāo)毀。

2、6 電源模塊設計試制

設備的外供電源是車(chē)載蓄電池（12V或24V），即可滿(mǎn)足儀器各單元的電源需求，并滿(mǎn)足整機電磁兼容性和可靠性的指標。