隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和裝備制造技術(shù)水平的提高，生物知識(shí)技術(shù)普及的深入，細(xì)菌、病毒、毒素的培養(yǎng)、提取日趨成熟和容易，大規(guī)模的培養(yǎng)、提取細(xì)菌、病毒、毒素已不再困難，具有一定的生化知識(shí)和技能就能培養(yǎng)；且生物劑生產(chǎn)成本相對(duì)比較低廉，如使用傳統(tǒng)WQ每平方公里約需2000美元，HWQ約需800美元，神經(jīng)性毒劑約需600美元，而使用生物WQ只需1美元。同時(shí)，生物劑的作用效果一般比較長(zhǎng)，微生物效能暴發(fā)比較隱蔽，難于在短期內(nèi)有效地消除，因而會(huì)對(duì)社會(huì)穩(wěn)定、人心穩(wěn)定造成巨大影響，使人感受巨大心理壓力、缺乏安全感、進(jìn)而引起整個(gè)社會(huì)的DL不安，可達(dá)到“不戰(zhàn)而屈人之兵"的目的，目前，生物威脅已成為KB分子主要手段之一，對(duì)其防范十分重要。
       生物劑看不見(jiàn)、摸不著，且容易感染，破壞力強(qiáng)，需盡早發(fā)現(xiàn)，早防范，早處理，需要有高科技的檢測(cè)設(shè)備。細(xì)菌、病毒、毒素等生物是無(wú)色、無(wú)臭的，都在微米以下，十分細(xì)小，只有用顯微鏡才能看見(jiàn)，所以用肉眼是看不見(jiàn)、摸不著，在短期內(nèi)很難覺(jué)察。正常人即使在每升空氣中只含有10個(gè)生物劑顆粒的環(huán)境中呼吸幾秒鐘也有被感染的可能。生物襲擊造成的破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)化學(xué)襲擊。如果條件適宜，在一座面積類(lèi)似華盛頓的城市上空播撒100㎏含炭疽的粉末將造成100萬(wàn)～300萬(wàn)人的死亡。而一顆百萬(wàn)噸級(jí)的QD爆炸造成的死亡人數(shù)也只有50萬(wàn)～200萬(wàn)。所以要依靠高科技產(chǎn)品對(duì)其檢測(cè)。
       近些年來(lái)發(fā)生的若干起生物KB襲擊事件給世界各國(guó)造成了日益嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)威脅，給各國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)和安全形勢(shì)帶來(lái)了嚴(yán)重的隱患。這也加速了歐美等發(fā)達(dá)在生物劑檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)度，據(jù)查新國(guó)外生物檢測(cè)設(shè)備比較多，如“BioScout生物氣溶膠探測(cè)器(芬蘭)"、“Bio 100生物氣溶膠探測(cè)器(芬蘭)"、“BioCapture 650 手持式生物氣溶膠采樣器(美國(guó))"等類(lèi)型機(jī)。但一般不向中國(guó)出售，即使出售，價(jià)格也十分高昂，不利于普及使用，更不適合我J列裝。目前這些儀器設(shè)備可檢測(cè)的生物戰(zhàn)劑種類(lèi)有炭疽、鼠疫、兔熱病、鼻疽、Q熱、天花、病毒性腦炎、病毒性出血熱、肉毒桿菌毒素、蓖麻毒素、葡萄球菌腸毒素B等，但這些產(chǎn)品的技術(shù)性能(J用)還在不斷地改進(jìn)，特別是檢測(cè)生物戰(zhàn)劑(含生物毒素)種類(lèi)也還需再擴(kuò)展。我國(guó)還沒(méi)有同類(lèi)產(chǎn)品上市銷(xiāo)售，但生物KB威脅卻時(shí)刻都存在，某些微生物能很方便的大量培養(yǎng)，加之現(xiàn)代的高效培養(yǎng)技術(shù)，使生物WQ生產(chǎn)容易且成本比較低廉。由此可見(jiàn)，防止生物危險(xiǎn)已迫在眉睫。并且除J方列裝外，民用市場(chǎng)也十分廣泛，如機(jī)場(chǎng)安檢、地鐵等公共場(chǎng)所以及疾病預(yù)防控制檢測(cè)等都需要這類(lèi)生物劑檢測(cè)報(bào)警器。若可以研究開(kāi)發(fā)出一種防生化WQ，則可以填補(bǔ)我國(guó)J民兩個(gè)市場(chǎng)空白。同時(shí)，可以快速檢測(cè)生物細(xì)菌、病毒、毒素，防止細(xì)菌、病毒的擴(kuò)散和傷害，保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，其社會(huì)意義不言而喻。
本課題就是基于這樣的背景而展開(kāi)研制工作的，研究主要目的在于開(kāi)發(fā)一種生物劑檢測(cè)報(bào)警器，主要檢查對(duì)象特指細(xì)菌、病毒、毒素等三大類(lèi)，具體包含有炭疽、鼠疫、天花病毒、肉毒毒素和蓖麻毒素這五種。通過(guò)研制能檢測(cè)這幾種物質(zhì)的傳感器，再采用微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行抑噪、放大處理，并識(shí)別是否有以上物質(zhì)的存在，如果有，發(fā)出相應(yīng)報(bào)警或預(yù)警，提示相關(guān)人員采取相應(yīng)防范措施，降低感染幾率，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)并防止擴(kuò)散。
       2、主要研發(fā)內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)
       2、1  主要研發(fā)內(nèi)容
       本項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)一種生物劑檢測(cè)報(bào)警器，研究?jī)?nèi)容主要包括觸發(fā)器/提示裝置單元、生物采集器單元、檢測(cè)器單元、氣路單元、嵌入式系統(tǒng)單元、生物實(shí)驗(yàn)室單元和電源模塊設(shè)計(jì)單元幾個(gè)部分。
       2、2   分系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容
       2、2、1  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
       生物劑檢測(cè)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(cè)，然后利用采樣器將其進(jìn)行濃縮為后期檢測(cè)提供樣品，采集的檢測(cè)樣品進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行特異性識(shí)別，通過(guò)分析鑒別后判斷是否有生物劑物質(zhì)。
       系統(tǒng)原理框圖如圖1所示：

       2、2、1、觸發(fā)器/提示裝置設(shè)計(jì)開(kāi)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(cè)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(cè)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(cè))。
       粒子測(cè)量指一種用于非特異性的檢測(cè)技術(shù)，是測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量各粒子的飛行時(shí)間。空氣動(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(cè)。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(guò)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(kāi)來(lái)。
       2、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(cè)出來(lái)，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(lèi)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(cè)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(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?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間是非常關(guān)鍵的。作為檢測(cè)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(kāi)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(cè)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(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(cè)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、2、3  檢測(cè)器
       氣溶膠檢測(cè)器工作時(shí)的流程是，首先檢測(cè)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(xiàn)粒子的收集并統(tǒng)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(cè)器檢測(cè)受照粒子所產(chǎn)生的熒光，測(cè)量生物粒子相對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)下的熒光強(qiáng)度，如果檢測(cè)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(cè)方案設(shè)計(jì)