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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行分析和感測，然后利用采樣器將其進行濃縮為后期檢測提供樣品，采集的檢測樣品進入檢測器進行特異性識別，通過分析鑒別后判斷是否有生物劑物質。

觸發器 / 提示裝置設計開發

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

提示裝置，首先能測定什么時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，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，一是空氣動力學粒子篩選 (APS) 技術，它是將充滿粒子的氣流通過一個氣流噴嘴吸入 APS 裝置，產生一個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，它們會以不同的比率進行加速 ( 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間。空氣動力學粒子篩選技術被直接用于對野外生物戰劑的檢測。二是高通量空氣動力學粒度分級器 (HVAPS) ，它是將一個加速和濃縮的氣流通過一個激光粒子計數器，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來。

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，但確能造成嚴重的效果，因此需要一個對氣流中粒子 / 氣溶膠進行濃縮的裝置。采樣器 / 收集器對大氣進行采樣并將空氣中的粒子濃縮在一個液態介質中用于分析。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需要一個液態的樣品，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，因為響應時間是非常關鍵的。作為檢測系統的一部分，收集器是非常有用的，當收集器收到觸發器發出的表示背景水平出現了變化的信號時，便開始對空氣采樣，再將空氣中的粒子濃縮在一個液體介質中。收集器為生物檢測系統的鑒別部件提供 “ 原料 " ，同時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明顯地影響下游的幾個功能。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。收集器在一個檢測系統的總質量、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的流程是，首先檢測空氣通過微型泵泵入光路通道的一個撞擊器上，在這里實現粒子的收集并統一到樣品盤面上，之后通過紫外光照射樣品盤，同時用另外一個光學檢測器檢測受照粒子所產生的熒光，測量生物粒子相對應波長下的熒光強度，如果檢測到與生物氣溶膠粒子相關的熒光強度明顯升高，則將回收的樣品送到實驗室進行分析，如果出現一個報警，就表示應該進行樣品的采樣操作了，與此同時啟動相應的保護措施。氣溶膠檢測方案設計如圖 2 所示。

檢測器 ( 特異性識別技術 ) 是一個部件，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型。特異性識別技術是根據檢測該生物戰劑所持有的一個特異性生物標記物來完成的；基于抗體的鑒別器用于對速度和自動化要求較高的檢測系統。這里主要應用了免疫技術和核酸擴增法的算法。免疫分析技術對抗原 ( 身體的外來物 ) 與相對應的抗體高度專一性結合的檢測，是通過形成抗原 - 抗體復合物來實現的，是依賴于抗原 - 抗體結合的特異性。免疫分析法可分為：可拋棄基質型裝置 ( 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、通過試驗室培養或從感染動物或人的組織中獲得。迷你型 PCR 利用聚合酶鏈反應的過程和泰克曼化學反應試劑，將一個可疑的樣品放入一個可快速加熱和冷卻的小型熱循環儀中，在這個熱循環儀中嵌入了一個小型的光學系統，熱循環光學系統如圖 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）由進氣嘴周圍的小孔通過濾紙進入檢測器，再經過抽氣泵，由排氣口排出。其主要作用是將空氣（樣氣）抽進檢測器，被紫外線照射，形成熒光，通過光敏傳感器輸出電信號，經微電流放大器放大。樣氣最后由排氣口排出。氣路單元設計圖如圖 4 所示。

2 、 5 嵌入系統開發

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單的鍵盤操作；在系統內部主要考慮操作系統及開發工具選擇。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，操作系統采用開放源代碼的 Linux 操作系統，從而保證系統的安全可靠，確保沒有其他操作系統留有后門程序及不可見漏洞的問題。開發平臺對大多數應用提供 JAVA 開發平臺，把對各種通訊接口訪問的功能以及對 LCD 顯示屏和操作界面的功能封裝成多個 JAVA 開發包，開發人員可以很容易的使用這些 JAVA 開發包，通過簡單的編程工作就完成需要的功能。同時，由于 JAVA 語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候則可以采用傳統的 C/C++ 開發。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 技術存儲，例如 Flash Memory ， SD 卡， DiskOnChip 等技術。而對于臨時數據則使用 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，同時在緊急情況下 FRAM 的數據也可以在幾個微秒內銷毀。

2 、 6 電源模塊設計試制

設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，并滿足整機電磁兼容性和可靠性的指標。