用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜及其制备方法和应用

本发明属于过滤膜，具体涉及一种用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、环境中无处不在的空气微生物会对人体健康产生诸多不良影响，如过敏、炎症反应、传染病等。生物气溶胶中隐藏的病原体体积小、重量轻，很容易在空气中进行大范围扩散，进而引起大规模传播和感染。空气传播病原体的定量检测是气溶胶传播疾病早期预测和及时预警的重要途径。传统检测方法是采用重力沉降法将空气中的病原体采集到琼脂培养板上，通过菌落培养来分析环境中的生物气溶胶。然而，这种被动的采样和检测方法不仅效率低、耗时长，通常需要数天的孵育才能得到微生物菌落，而且由于可培养的微生物在整体微生物种群中的占比很小，检测结果也不能准确反映环境中生物气溶胶的真实情况。因此，迫切需要开发一种更加高效和灵敏的捕获检测系统来追踪空气病原体。

2、空气过滤膜可以有效拦截颗粒物和捕获空气中的微生物，在预防和控制生物气溶胶污染和传播中起到至关重要的作用。空气过滤膜中的多孔过滤介质可以通过多种相互作用力，如拦截、筛分、扩散和惯性冲击等，直接阻断微生物颗粒的迁移，高效收集大粒径范围内的生物气溶胶。一般而言，合成聚合物和玻璃纤维等材料被用作制备多孔过滤膜的原料，然而由于其不可溶解和不透明性，这些过滤膜捕获到的空气微生物在进行培养法检测时，很难对培养皿上的微生物菌落进行区分。特别是在微生物高度污染区域内进行采样时，过滤膜上往往会出现菌落超载现象，不利于菌落计数和鉴别。尽管采集到的空气微生物可以先从过滤介质中洗脱下来再进行检测分析，但不充分的洗脱和转移往往会带来严重的样品损失，大大降低对后续检测的准确性。此外，在对过滤膜进行反复洗涤和提取过程中，也会进一步增加样品污染的风险。这种情况下，尽管明胶、果聚糖以及壳聚糖盐酸盐等生物材料已被用作开发可溶性空气过滤膜，来替代传统的不可降解过滤膜。但这些过滤材料的应用还仅限于对病毒的捕获和检测，且受到高成本和复杂制造工艺的限制。因此，迫切需要对现有空气过滤膜进行改进，拓展其应用范围，使其更好的应用于空气病原体的捕获和检测。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜及其制备方法和应用，旨在解决现有空气过滤膜采样捕获效率低、采样后样品转移困难、检测方式单一、检测结果不准确等问题。本发明的所述的多孔过滤膜能够高效过滤空气并捕获和收集空气中的病原体，而且极易溶于水的特性使其在采样完成后可以快速解体，充分释放出捕获的空气病原体，大大减少了洗脱和提取过程中的样品损失，提高了后续样品分析和检测的准确性。

2、本发明的技术方案为：

3、第一方面，公开了一种用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜，所述多孔过滤膜具有微纳多孔结构，能够高效过滤空气并捕获和收集空气中的病原体，对生物气溶胶颗粒物的截留率为99.4％，捕获后能够解体释放出捕获的空气病原体。

4、优选的，所述多孔过滤膜遇水自动解体，遇水后孔交联网络分解坍塌，三维结构在坍塌后消失，重新恢复为膜溶液，解体时间为2-3min。

5、优选的，所述多孔过滤膜是由溶质通过溶剂交换制备而成；所述溶质包括羟丙基甲基纤维素、预胶化淀粉、糊精、木聚糖、罗望子胶、明胶、透明质酸钠和改性壳聚糖中的至少两种。

6、第二方面，公开了所述的用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜的制备方法，具体包括以下步骤：

7、1)初始膜溶液的配制：将溶质溶于去离子水中，加热搅拌至溶解，然后加入溶剂a并继续搅拌，获得稳定澄清的膜溶液；

8、2)溶剂交换：将膜溶液倒入平皿中，加入不良溶剂b进行溶剂交换，膜溶液中的溶质逐渐脱水析出；

9、3)滤膜成型：加入不良溶剂c继续诱导溶质脱水析出，直至滤膜完全成型；

10、4)干燥：将成型后的滤膜进行真空干燥，获得所述多孔过滤膜。

11、优选的，溶剂a包括甲醇、乙醇、丙三醇、丙酮、二甲基亚砜和二甲基甲酰胺中的至少一种，初始膜溶液中水与溶剂a的体积比为1:(0.4-0.9)；初始膜溶液的配置温度为40-100℃，搅拌时间为30-120min。

12、优选的，溶剂b为乙酸乙酯、甲醇、乙酸甲酯、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、二氯甲烷和石油醚中的至少一种，溶剂b与膜溶液的体积比为1-6:1-6，步骤2)中溶剂交换的温度为10-50℃，时间为1-5h。

13、优选的，溶剂c为甲醇、乙醇、丙三醇、正丁醇、叔丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酮和环己烷中的至少一种，溶剂c与膜溶液的体积比为1-4:1-4，成型温度为10-50℃，时间为1-8h。

14、优选的，干燥为冷冻干燥，时间为1-8h。

15、第三方面，公开了所述的多孔过滤膜在空气过滤、空气病原体捕获、生物气溶胶监测方面中的应用，将所述的多孔过滤膜裁剪后，放置于适配的过滤式采样器上，设置采样流速和采样时间，过滤空气并进行采样；采样结束后，将滤膜取下，通过分析截留在过滤膜上的空气微生物，测算采样环境中的生物气溶胶浓度。

16、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

17、1.本发明通过溶剂交换方法制备多孔空气过滤膜，其制备方法简单有效，成本低廉，实用性强，环境友好。

18、2.本发明制备的多孔空气过滤膜不仅可以有效调控其微纳多孔结构，用以高效过滤空气并捕获和收集空气中的病原体，包括革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌以及真菌，对生物气溶胶颗粒物的截留率为99.4％，而且极易溶于水的特性使其在采样完成后可以快速解体，解体时间为2-3min，充分释放出捕获的空气病原体，大大减少了洗脱和提取过程中的样品损失，提高了后续样品分析和检测的准确性。

19、3.在采样结束后，收集到的空气微生物样品适用于多种检测方式，通过与atp生物发光检测法有效结合，可以实现空气微生物的快速定量检测，其检测时间仅为10min，大大提高了检测效率，在生物气溶胶实时监测以及环境微生物污染防控领域具有重要的应用前景。

技术特征：

1.用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜，其特征在于，所述多孔过滤膜具有微纳多孔结构，能够高效过滤空气并捕获和收集空气中的病原体，对生物气溶胶颗粒物的截留率为99.4％，捕获后能够解体释放出捕获的空气病原体。

2.如权利要求1所述的用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜，其特征在于，所述多孔过滤膜遇水后多孔交联网络分解坍塌，三维结构消失，重新恢复为膜溶液，解体时间为2-3min。

3.如权利要求1所述的用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜，其特征在于，所述多孔过滤膜是由溶质通过溶剂交换制备而成；所述溶质包括羟丙基甲基纤维素、预胶化淀粉、糊精、木聚糖、罗望子胶、明胶、透明质酸钠和改性壳聚糖中的至少两种。

4.如权利要求1所述的用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜的制备方法，其特征在于，溶剂a包括甲醇、乙醇、丙三醇、丙酮、二甲基亚砜和二甲基甲酰胺中的至少一种，初始膜溶液中水与溶剂a的体积比为1:(0.4-0.9)；初始膜溶液的配置温度为40-100℃，搅拌时间为30-120min。

6.如权利要求4所述的用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜的制备方法，其特征在于，溶剂b为乙酸乙酯、甲醇、乙酸甲酯、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、二氯甲烷和石油醚中的至少一种，溶剂b与膜溶液的体积比为1-6:1-6，步骤2)中溶剂交换的温度为10-50℃，时间为1-5h。

7.如权利要求4所述的用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜的制备方法，其特征在于，溶剂c为甲醇、乙醇、丙三醇、正丁醇、叔丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酮和环己烷中的至少一种，溶剂c与膜溶液的体积比为1-4:1-4，成型温度为10-50℃，时间为1-8h。

8.如权利要求4所述的用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜的制备方法，其特征在于，干燥为冷冻干燥，时间为1-8h。

9.如权利要求1所述的多孔过滤膜在空气过滤、空气病原体捕获、生物气溶胶监测方面中的应用，其特征在于，将所述的多孔过滤膜裁剪后，放置于适配的过滤式采样器上，设置采样流速和采样时间，过滤空气并进行采样；采样结束后，将滤膜取下，通过分析截留在过滤膜上的空气微生物，测算采样环境中的生物气溶胶浓度。

技术总结本发明公开了一种用于空气病原体高效捕获和即时定量检测的多孔过滤膜及其制备方法和应用，属于过滤膜技术领域。其技术方案为：所述多孔过滤膜具有微纳多孔结构，能够高效过滤空气并捕获和收集空气中的病原体，对生物气溶胶颗粒物的截留率为99.4％，捕获后能够解体释放出捕获的空气病原体。本发明所述多孔过滤膜通过溶剂交换法制备而成，不仅可以高效过滤空气并捕获和收集空气中的病原体，而且极易溶于水的特性使其在采样完成后可以快速解体，充分释放出捕获的空气病原体，大大减少了洗脱和提取过程中的样品损失，提高了后续样品分析和检测的准确性，可以实现空气病原体采样富集后的即时定量检测，在生物气溶胶采样和实时监测方面具有重要的应用前景。技术研发人员：燕赛赛,邢东明,柳青,周莎,孙历,修玉涛,刘占杰,刘润东,邢琨悦,邓俊文受保护的技术使用者：青岛大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20