一种大流量环境空气生物气溶胶采样装置和方法与流程

1.本发明属于生物气溶胶采样技术领域，尤其涉及一种大流量环境空气生物气溶胶采样装置和方法。


背景技术：

2.某些呼吸系统相关病原微生物通过飞沫和气溶胶在空气介质中进行传播，给人类生命健康带来了极大的威胁。为了公共健康和疾病防控，对环境空气中生物气溶胶进行采集和评估具有必要性和防控预警作用，但是环境空气中生物气溶胶浓度低且活性衰减较快，这给生物气溶胶采样和后续检测分析带来了很大挑战。目前已有多种生物气溶胶采样器，最为常见的是低流量采样器，以六级安德森采样器为代表，利用惯性撞击原理将生物气溶胶按不同粒径收集到如凝胶状培养基表面。虽然该类采样方法便于病原微生物的培养分析，但其固体采集介质不能用于快速核酸检测分析。但是该类方法采样流量低，不适合快速采集环境空气中低浓度生物气溶胶。为了可服这一不足，出现了大流量撞击式采样器，以德国赛多利斯vwr采样器为例，该类采样器将采样流量提高到100l/min，可以快速采集环境空气中低浓度生物气溶胶，但由于仍然是将病原体采集到培养基表面，不利于后续快速核酸分析。为了便于快速核酸分析，出现了将环境空气中生物气溶胶采集液体(如pbs或者去离子水)中采样器，如以skc公司的biosampler为代表的液体冲击式采样器，该类采样将病原微生物收集到液体里，很好地保存了其活性，且便于后续核酸检测分析，因此该采样器被广泛使用。但也存在不足，采样流量为12.5l/min，如上文所述采样流量较小，不能快速收集环境空气的低浓度生物气溶胶。aerosol devices公司推出了一种利用蒸汽冷凝使生物气溶胶凝结长大然后分离采集的采样器(biospot-vivas)，该方法虽然收集效率高，但是采样流量仅为8l/min，也不适合浓度较低的生物气溶胶的采集。为了克服这一不足，发明了以美国coriolis micro采样器为代表的大流量湿壁旋风采样器，采样流量100-300l/min，加入一定量去离子水等液体，然后高速旋转气流使液体在离心作用下覆盖采样器表面，其中的生物气溶胶被收集到液体中，用于后续分析和检测。该类采样器的不足之处在于采样器过程中液体易二次气溶胶化，被气流带走而损失。同类型大流量采样器还包括鼎兰科技的大流量液体式采样器(wa-400)，为了防止液体二次气溶胶化，去离子水等液体置于旋流采样管底端。虽然该采样器减少了二次气溶胶化，但是生物气溶胶和液体没有充分接触，部分生物气溶胶留在了旋流采样管内壁，没有被有效地捕集到液体中。因此，收集环境空气中的生物气溶胶需要采用大流量采样以克服低浓度的问题，且适宜采用液体采样介质保持其生物活性，但现有相关技术仍无法全面解决上述两个技术难点。
3.如何提供一种结构简单、便携性好、操作简便的生物气溶胶采样器，在克服环境空气中生物气溶胶低浓度的难点的基础上实现大流量采样，并保持所采集生物气溶胶的活性以便于后续的微生物培养分析和核酸检测分析，已经成为亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种大流量环境空气生物气溶胶采样装置，包括外壳9，所述外壳9中设置有储水瓶3、超声雾化片2、旋风采样器4、蠕动泵6、离心管7、风机5和控制器8，其中，
5.所述控制器8通过导线分别与超声雾化片2、风机5、蠕动泵6连接，控制器8用于控制超声雾化片2、风机5、蠕动泵6的启闭；
6.所述旋风采样器4直接连接有进气口管路1，所述进气口管路1的一端伸入外壳9并与旋风采样器4的上端内壁相切连接，另一端伸出外壳9；
7.所述储水瓶3固定在采样器进气口管路1的管壁上，储水瓶3与进气口管路1连通，储水瓶3与超声雾化片2直接接触连接；
8.所述蠕动泵6包括驱动器、泵头和软管，所述蠕动泵6进口端的软管连接到旋风采样器4底部，蠕动泵6出口端的软管与离心管7连接；
9.所述旋风采样器4的顶部通过密封圈与风机5连接。
10.优选的，所述超声雾化片2为高频谐振陶瓷片或者与多孔筛网、筛板结合的超声雾化片。
11.优选的，所述储水瓶3为具有一定容积的塑料或者玻璃瓶，所述进气口管路1为具有一定直径的普通塑料管。
12.优选的，所述旋风采样器4的上端为圆柱形筒，下端为圆锥形筒，圆柱形筒的高度较短，圆锥形筒高度较高，圆柱形筒与圆锥形筒形成非常陡峭切割结构。
13.优选的，所述旋风采样器4由3d打印一体化加工而成，所述旋风采样器4的材质为塑料或者其他材质。
14.优选的，所述风机5为微型风机或者高压风扇。
15.优选的，所述控制器8为含有单片机的控制电路板。
16.优选的，所述离心管7为常用于实验室存放液体样品的聚丙烯离心管或其他材质的离心管。
17.一种大流量环境空气生物气溶胶采样方法，包括以下步骤：
18.步骤1，采样开始之前，先在储水瓶3中倒入一定量的无菌去离子水，再开启超声雾化片2以产生大量微米级雾滴；
19.步骤2，开启风机5，抽取一定量的环境空气进入进气口管路1并穿过雾滴区，其中的生物气溶胶与雾滴碰撞结合，一起进入旋风采样器4；
20.步骤3，在离心力作用下环境生物气溶胶与雾滴一起被分离在旋风采样器4内壁，然后雾滴形成液膜将生物气溶胶洗涤到旋风采样器4底部；
21.步骤4，当收集到一定量的液体后，开启蠕动泵6，将液体样品转移到离心管7中，用于后续分析检测。
22.优选的，步骤2中，所述风机5提供风量范围为28.3l/min到1000l/min。
23.与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
24.1)本发明公开了一种大流量环境空气生物气溶胶采样装置，利用超声雾化与旋风分离相结合的原理收集环境空气中的细菌、病毒等生物气溶胶，雾化的雾滴不仅有助于捕集空气中的生物气溶胶而且使得旋风采样器捕集表面形成液膜，也有助于保持了所采集生
物气溶胶的活性，收集的溶液样品既可便于后续的微生物培养分析，也可便于核酸检测分析；
25.2)本发明公开了一种大流量环境空气生物气溶胶采样装置和方法，该采样装置结构简单，便携性好，操作简便，是一种高效采集环境空气中生物气溶胶的采样器和采样方法，可用于公共卫生安全、传染病防控和生物气溶胶研究相关工作。
26.3)本发明公开了一种大流量环境空气生物气溶胶采样装置，使用较大的流量采样，克服了环境空气中生物气溶胶低浓度的难点；
27.4)本发明公开了一种大流量环境空气生物气溶胶采样方法，在采样过程中，雾化的雾滴一方面碰撞捕集环境中的生物气溶胶，同时在旋风采样器内壁表面形成液膜，保证了有利于生物气溶胶活性的湿润环境。
附图说明
28.图1为本发明的一种大流量环境空气生物气溶胶采样装置的结构示意图；
29.图2为本发明的一种大流量环境空气生物气溶胶采样装置的进气口管路与旋风采样器的连接示意图；
30.图3为本发明的优选实施例实施效果图。
31.图中附图标记为：
32.1-进气口管路，2-超声雾化片，3-储水瓶，4-旋风采样器，5-风机，6-蠕动泵，7-离心管，8-控制器，9-外壳。
具体实施方式
33.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
34.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明的一个宽泛实施例中，一种大流量环境空气生物气溶胶采样装置，包括外壳9，其特征在于，所述外壳9中设置有储水瓶3、超声雾化片2、旋风采样器4、蠕动泵6、离心管7、风机5和控制器8，其中，
37.所述控制器8通过导线分别与超声雾化片2、风机5、蠕动泵6连接，控制器8用于控制超声雾化片2、风机5、蠕动泵6的启闭；
38.所述旋风采样器4直接连接有进气口管路1，所述进气口管路1的一端伸入外壳9并与旋风采样器4的上端内壁相切连接，另一端伸出外壳9；
39.所述储水瓶3固定在采样器进气口管路1的管壁上，储水瓶3与进气口管路1连通，储水瓶3与超声雾化片2直接接触连接；
40.所述蠕动泵6包括驱动器、泵头和软管，所述蠕动泵6进口端的软管连接到旋风采
样器4底部，蠕动泵6出口端的软管与离心管7连接；
41.所述旋风采样器4的顶部通过密封圈与风机5连接。
42.优选的，所述超声雾化片2为高频谐振陶瓷片或者与多孔筛网、筛板结合的超声雾化片。
43.优选的，所述储水瓶3为具有一定容积的塑料或者玻璃瓶，所述进气口管路1为具有一定直径的普通塑料管。
44.优选的，所述旋风采样器4的上端为圆柱形筒，下端为圆锥形筒，圆柱形筒的高度较短，圆锥形筒高度较高，圆柱形筒与圆锥形筒形成非常陡峭切割结构。
45.优选的，所述旋风采样器4由3d打印一体化加工而成，所述旋风采样器4的材质为塑料或者其他材质。
46.优选的，所述风机5为微型风机或者高压风扇。
47.优选的，所述控制器8为含有单片机的控制电路板。
48.优选的，所述离心管7为常用于实验室存放液体样品的聚丙烯离心管或其他材质的离心管。
49.一种大流量环境空气生物气溶胶采样方法，包括以下步骤：
50.步骤1，采样开始之前，先在储水瓶3中倒入一定量的无菌去离子水，再开启超声雾化片2以产生大量微米级雾滴；
51.步骤2，开启风机5，抽取一定量的环境空气进入进气口管路1并穿过雾滴区，其中的生物气溶胶与雾滴碰撞结合，一起进入旋风采样器4；
52.步骤3，在离心力作用下环境生物气溶胶与雾滴一起被分离在旋风采样器4内壁，然后雾滴形成液膜将生物气溶胶洗涤到旋风采样器4底部；
53.步骤4，当收集到一定量的液体后，开启蠕动泵6，将液体样品转移到离心管7中，用于后续分析检测。
54.优选的，步骤2中，所述风机5提供风量范围为28.3l/min到1000l/min。
55.下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
56.如图1所示，一种大流量环境空气生物气溶胶采样装置，包括进气口管路1，超声雾化片2，储水瓶3，旋风采样器4，风机5，蠕动泵6，离心管7，控制器8，外壳9。图2是进气口管路1与旋风采样器4的连接示意图，进气口管路1与旋风采样器4的筒壁切向连接。
57.本优选实施例的具体实施方式：采样开始之前，在储水瓶3中倒入一定量的无菌去离子水，然后开启超声雾化片2，产生大量微米级雾滴后，然后开启风机5抽取环境空气。环境空气经进气口管路1进入，然后穿过雾滴区，其中的生物气溶胶与雾滴碰撞结合，一起进入旋风采样器4。在离心力作用下环境生物气溶胶与雾滴一起被分离在筒壁，然后雾滴形成液膜将生物气溶胶洗涤到旋风采样器4的底部。当收集到一定量的液体后，控制器8启动蠕动泵6，将液体样品转移到离心管7中，用于后续分析检测。
58.本优选实施例中，储水瓶3中的无菌去离子水约为200ml；超声雾化片2的雾化频率为1.7mhz，驱动电压为5v；风机5的驱动电压为24v，额定电流为1.3a；风机5提供的气体流量约100l/min。
59.如图3所示，在采样气体流量为100l/min的情况下，不开雾化器时，收集效率为50％的粒径为1.59μm，即气体中大于该粒径的生物气溶胶均可被采样装置收集；在流量不
变的情况下，开启雾化功能，收集效率50％的粒径变小为1.05μm，即更小的生物气溶胶可被采样装置收集。雾化10min后，离心管7可收集约10ml液体样品，用于后续分析和检测。
60.最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。