2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

2、1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

生物劑檢測報(bào)警器系統(tǒng)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(shí)別，通過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(shè)計(jì)開發(fā)

觸發(fā)器的功能是對(duì)背景空氣發(fā)生的變化提供一個(gè)早期報(bào)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(shù)的變化。觸發(fā)器是非特異性的且不對(duì)微生物進(jìn)行鑒定，而只對(duì)背景氣溶膠出現(xiàn)的變化進(jìn)行指示。

提示裝置，首先能測定什么時(shí)候出現(xiàn)粒子數(shù)的增多，然后能夠區(qū)分生物氣溶膠和非生物氣溶膠的濃度(非特異生物戰(zhàn)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(duì)數(shù)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)，它是將充滿粒子的氣流通過一個(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(nèi)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(duì)野外生物戰(zhàn)劑的檢測。二是高通量空氣動(dòng)力學(xué)粒度分級(jí)器(HVAPS)，它是將一個(gè)加速和濃縮的氣流通過一個(gè)激光粒子計(jì)數(shù)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(qū)分開來。

2、2 生物采集器

由于空氣中極低的生物戰(zhàn)劑難于被檢測出來，但確能造成嚴(yán)重的效果，因此需要一個(gè)對(duì)氣流中粒子/氣溶膠進(jìn)行濃縮的裝置。采樣器/收集器對(duì)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。與其它類型氣溶膠或粒子采集的主要不同之處，一是在于生物戰(zhàn)劑采樣對(duì)象通常是活的有機(jī)體，必須對(duì)采集的樣品加以保存，不能損害；二是絕大多數(shù)生物戰(zhàn)劑檢測和識(shí)別技術(shù)需要一個(gè)液態(tài)的樣品，收集物必須是來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?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間是非常關(guān)鍵的。作為檢測系統(tǒng)的一部分，收集器是非常有用的，當(dāng)收集器收到觸發(fā)器發(fā)出的表示背景水平出現(xiàn)了變化的信號(hào)時(shí)，便開始對(duì)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(tǒng)的鑒別部件提供“原料"，同時(shí)也為確定性識(shí)別和法醫(yī)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：一類收集器體積較大且耗電量高，這類收集器具有較高

的收集和濃縮效率；另一類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(tǒng)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，首先檢測空氣通過微型泵泵入光路通道的一個(gè)撞擊器上，在這里實(shí)現(xiàn)粒子的收集并統(tǒng)一到樣品盤面上，之后通過紫外光照射樣品盤，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(duì)應(yīng)波長下的熒光強(qiáng)度，如果檢測到與生物氣溶膠粒子相關(guān)的熒光強(qiáng)度明顯升高，則將回收的樣品送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，如果出現(xiàn)一個(gè)報(bào)警，就表示應(yīng)該進(jìn)行樣品的采樣操作了，與此同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)措施。氣溶膠檢測方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

檢測器(特異性識(shí)別技術(shù))是一個(gè)部件，它能夠識(shí)別可疑生物戰(zhàn)劑(細(xì)菌或病毒戰(zhàn)劑)到“種"的水平以及毒素的類型。特異性識(shí)別技術(shù)是根據(jù)檢測該生物戰(zhàn)劑所持有的一個(gè)特異性生物標(biāo)記物來完成的；基于抗體的鑒別器用于對(duì)速度和自動(dòng)化要求較高的檢測系統(tǒng)。這里主要應(yīng)用了免疫技術(shù)和核酸擴(kuò)增法的算法。免疫分析技術(shù)對(duì)抗原(身體的外來物)與相對(duì)應(yīng)的抗體高度專一性結(jié)合的檢測，是通過形成抗原-抗體復(fù)合物來實(shí)現(xiàn)的，是依賴于抗原-抗體結(jié)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(biāo)記試劑間接測量抗原抗-體結(jié)合的生物傳感器；不需要

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

外獲得、通過試驗(yàn)室培養(yǎng)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(yīng)的過程和泰克曼化學(xué)反應(yīng)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(tǒng)，熱循環(huán)光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示。

2、4 氣路單元設(shè)計(jì)試制

氣路系統(tǒng)工作的原理是將空氣（樣氣）由進(jìn)氣嘴周圍的小孔通過濾紙進(jìn)入檢測器，再經(jīng)過抽氣泵，由排氣口排出。其主要作用是將空氣（樣氣）抽進(jìn)檢測器，被紫外線照射，形成熒光，通過光敏傳感器輸出電信號(hào)，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(shè)計(jì)圖如圖4所示。

2、5 嵌入系統(tǒng)開發(fā)

首先，在本系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)方面，由于該嵌入系統(tǒng)主要作為數(shù)據(jù)運(yùn)算處理及顯示操作界面使用，不需要強(qiáng)大的I/O或ADC等數(shù)據(jù)采集能力，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)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單的鍵盤操作；在系統(tǒng)內(nèi)部主要考慮操作系統(tǒng)及開發(fā)工具選擇。提供強(qiáng)大的顯示及操作界面。其次，在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方面，操作系統(tǒng)采用開放源代碼的Linux操作系統(tǒng)，從而保證系統(tǒng)的安全可靠，確保沒有其他操作系統(tǒng)留有后門程序及不可見漏洞的問題。開發(fā)平臺(tái)對(duì)大多數(shù)應(yīng)用提供JAVA開發(fā)平臺(tái)，把對(duì)各種通訊接口訪問的功能以及對(duì)LCD顯示屏和操作界面的功能封裝成多個(gè)JAVA開發(fā)包，開發(fā)人員可以很容易的使用這些JAVA開發(fā)包，通過簡單的編程工作就完成需要的功能。同時(shí)，由于JAVA語言本身的可靠性也可以使系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定。在對(duì)系統(tǒng)低層需要特殊控制的時(shí)候則可以采用傳統(tǒng)的C/C++開發(fā)。最后，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，對(duì)于大量的很少改變的程序數(shù)據(jù)可以采用Flash技術(shù)存儲(chǔ)，例如Flash Memory，SD卡，DiskOnChip等技術(shù)。而對(duì)于臨時(shí)數(shù)據(jù)則使用SDRAM提供大容量的內(nèi)存。對(duì)于一些需要保密的安全數(shù)據(jù)則可以使用鐵電存儲(chǔ)器FRAM，FRAM具有數(shù)據(jù)掉電不丟失的特性，同時(shí)在緊急情況下FRAM的數(shù)據(jù)也可以在幾個(gè)微秒內(nèi)銷毀。

2、6 電源模塊設(shè)計(jì)試制

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