生物气溶胶监测预警方法
【专利摘要】本发明提供了一种生物气溶胶监测预警方法。该生物气溶胶监测预警方法首先将生物气溶胶过滤后转化为水溶液样品，然后利用对表面质量变化敏感的传感器实时探测从水溶液样品中非特异性吸附到传感器敏感表面的生物粒子，从而实现生物气溶胶的监测预警，为后续生物粒子的识别性探测和防护提供依据，具有广阔的应用前景。
【专利说明】生物气溶胶监测预警方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物检测【技术领域】，涉及生物气溶胶的过滤与溶液化技术，生物粒子非特异性吸附富集技术，表面等离子体共振传感技术，光波导传感技术，特别涉及一种生物气溶胶监测预警方法。
【背景技术】
[0002]生物气溶胶是指一切含有生物性粒子的气固、气液混合物微粒在空气中的悬浮体系。如果其中包含有细菌、病毒以及致敏花粉、霉菌孢子、蕨类孢子和寄生虫卵等致病微生物，则被称为有毒生物气溶胶。有毒生物气溶胶除具有一般气溶胶的特性以外，还具有传染性、致死性、致伤性和致敏性等特点，除了存在于战场环境外，也可能存在于太空仓、潜艇、航天器等密闭腔室、医院和实验室等易感染环境中。在太空仓、潜艇、航天器等密闭腔室中很多环节均可产生生物气溶胶，尤其是集中空调通风系统中生物气溶胶，严重影响工作人员的人生安全。由于有毒生物气溶胶具有释放效率高，覆盖面积大，能进入无核生化防护设施的建筑工事内部，不易被人和仪器所察觉，可直接经呼吸道侵入人体，可通过其他传染媒介间接使人感染，而且被感染速度快，故而以生物气溶胶方式施放生物战剂的武器具有巨大的杀伤力，因此对有毒生物气溶胶的实时在线监测对于生化武器的预警和防范具有十分重要的意义。
[0003]目前，现有技术缺乏能够对有毒生物气溶胶，尤其是低浓度有毒生物气溶胶进行现场监测预警的方法。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种生物气溶胶监测预警方法，以实现低浓度有毒生物气溶胶的现场监测预警。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种生物气溶胶监测预警方法。该方法包括:步骤A，将生物气溶胶过滤后转化为水溶液样品，生物气溶胶中的生物粒子被转移到水溶液中，制备出包含生物离子的水溶液样品；步骤B，通电开启表面质量敏感传感器；步骤C，将去离子水注入表面质量敏感传感器的样品池中，监测表面质量敏感传感器输出信号随时间的变化，当表面质量敏感传感器输出信号达到稳定后，记录信号值作为初始信号值；步骤D，将水溶液样品注入样品池中取代原有的去离子水，水溶液样品中的生物粒子在非特异性吸附作用下富集在表面质量敏感传感器敏感芯片的敏感表面，从而引起敏感芯片表面的质量变化，进而使得表面质量敏感传感器输出信号发生变化；以及步骤E，当表面质量敏感传感器输出信号在给定时间内相对于初始信号值的变化量大于某一阈值时，表面质量敏感传感器激活信号检测与预警模块，发送报警信息。
[0008](三)有益效果[0009]从上述技术方案可以看出，本发明生物气溶胶监测预警方法具有以下有益效果:
[0010](I)本发明方法所需设备体积小、重量轻，成本低，制作容易；
[0011](2)本发明方法简单、灵敏、快速；
[0012](3)与生物粒子相比，化学小分子重量轻，非特异性吸附较弱，吸附在敏感表面的化学小分子易被共存的生物粒子取代，因此本发明方法能够有效抑制气溶胶中化学小分子的干扰；
[0013]由于具有上述优点，本发明方法能够对低浓度有毒生物气溶胶进行现场实时在线监测与预警，并且还能够和后续的基于特异性生物分子相互作用的识别性探测方法相结合，对生物气溶胶产生监测预警后进一步对气溶胶所含的生物粒子进行识别性探测。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为根据本发明实施例生物气溶胶监测预警方法中表面等离子体共振传感器结构示意图；
[0015]图2为根据本发明实施例生物气溶胶监测预警方法的流程图；
[0016]图3A为根据本发明实施例以浓度为10 μ M的细胞色素c水溶液作为生物气溶胶转化后的水溶液样品测得的表面等离子体共振传感器对细胞色素c分子非特异性吸附的光谱响应曲线；图3Β为传感器的共振波长随细胞色素c分子非特异性吸附时间的变化曲
线。`
[0017]图4为根据本发明另一实施例生物气溶胶监测预警方法中光波导干涉计传感器结构示意图；
[0018]图5为根据本发明另一实施例以浓度为I μ M的牛血清蛋白(BSA)水溶液作为生物气溶胶转化后的水溶液样品测得的光波导干涉计传感器对BSA分子非特异性吸附的响应曲线；
[0019]图6为根据本发明另一实施例以浓度为50ηΜ的丁酰胆碱酯酶(BuChE)水溶液作为生物气溶胶转化后的水溶液样品测得的光波导干涉计传感器对BuChE分子非特异性吸附的响应曲线；
[0020]图7Α为根据本发明另一实施例以浓度为2 μ M的羊抗人抗体蛋白质水溶液作为生物气溶胶转化后的水溶液样品测得的光波导干涉计传感器对羊抗人抗体分子非特异性吸附的响应曲线；图7Β为抗体在光波导芯片表面非特异性吸附引起的相位差变化与吸附时间的关系曲线。
[0021]图8为根据本发明实施例生物气溶胶监测预警方法中石英晶体微天平传感器结构示意图；
[0022]图9为根据本发明实施例生物气溶胶监测预警方法中微悬臂梁传感器结构示意图；
[0023]【主要元件符号说明】
[0024]
【权利要求】
1.一种生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，包括:步骤A，将生物气溶胶过滤后转化为水溶液样品，所述生物气溶胶中的生物粒子被转移到所述水溶液样品中；步骤B，通电开启表面质量敏感传感器；步骤C，将去离子水注入所述表面质量敏感传感器的样品池中，监测所述表面质量敏感传感器输出信号随时间的变化，当所述表面质量敏感传感器输出信号达到稳定后，记录信号值作为初始信号值；步骤D，将所述水溶液样品注入所述样品池中取代原有的去离子水，所述水溶液样品中的生物粒子在非特异性吸附作用下富集在所述表面质量敏感传感器敏感芯片的敏感表面，从而引起敏感芯片表面的质量变化，进而使得表面质量敏感传感器输出信号产生变化；以及步骤E，当所述表面质量敏感传感器输出信号在给定时间内相对于初始信号值的变化量大于某一阈值时，所述表面质量敏感传感器激活信号检测与预警模块，发送报警信息。
2.根据权利要求1所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述敏感芯片的敏感表面经过了化学处理，以增强对生物粒子的非特异性吸附，进而增强所述表面质量敏感传感器灵敏度。
3.根据权利要求2所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述化学处理为以下处理类型中的一种或多种:硅烷化处理、疏水化处理、羟基化处理、氨基化处理、羧基化处理、醛基化处理、亲 水性处理和表面电荷改性处理。
4.根据权利要求1所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述表面质量敏感传感器为以下传感器中的一种:表面等离子体共振传感器、光波导消逝波传感器、石英晶体微天平传感器和微悬臂梁传感器。
5.根据权利要求4所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述表面等离子体共振传感器，其敏感芯片由玻璃棱镜以及依次沉积于玻璃棱镜底面的数纳米厚铬膜或钛膜，以及数十纳米厚金膜组成，所述敏感芯片的敏感表面为所述金膜表面；或所述敏感芯片由玻璃棱镜以及通过耦合液紧贴于玻璃棱镜底面的玻璃基片组成，在与贴合面相对的玻璃基片另一面覆盖有数纳米厚铬膜或钛膜，以及数十纳米厚金膜，所述敏感芯片的敏感表面为金膜表面。
6.根据权利要求5所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述玻璃棱镜为半球形棱镜、半圆柱体形棱镜或三角形棱镜。
7.根据权利要求5或6所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述表面等离子体共振传感器，包括:光源、敏感芯片、光探测器和样品池；所述样品池紧密覆盖在所述敏感芯片的敏感表面上，所述光源发出的P偏振光折射进入所述玻璃棱镜，并在与所述铬膜或钛膜形成的界面处发生全发射，借助全反射产生的消逝场在所述金膜表面激发表面等离子体共振，反射光折射出玻璃棱镜被所述光探测器探测；所述步骤D具体包括:所述水溶液样品被注入样品池内，其中的生物粒子经非特异性吸附作用富集在所述敏感芯片的敏感表面上，进而影响沿金膜表面传播的表面等离子体波的特性。
8.根据权利要求7所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述光探测器为:线性CCD探测器或线性阵列式光电二极管探测器，用于测量共振角；CCD光纤光谱仪，用于测量共振波长；或光强探测器，用于测量反射光强度。
9.根据权利要求4所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于:所述光波导消逝波传感器，其敏感芯片由平面光波导、三维光波导、光纤中的一种或几种组成。
10.根据权利要求9所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于:所述光波导消逝波传感器，其敏感芯片是光纤，该光纤按预设弧度固定于一承载件上，该光纤中间弯曲段的芯层经侧边抛光而裸露，该裸露的芯层表面形成敏感芯片的敏感表面。
11.根据权利要求9所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于:所述光波导消逝波传感器的敏感芯片，包括钾离子交换玻璃光波导及沉积在钾离子交换玻璃光波导局部表面上的高折射率梯度薄膜；所述敏感芯片的敏感表面为高折射率梯度薄膜的表面。
12.根据权利要求11所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于:所述高折射率梯度薄膜的材料为:二氧化钛、五氧化二钽、二氧化锡、三氧化二铝、二氧化锌、三氧化钨、二氧化锆、以及它们的混合物。
13.根据权利要求9至12中任意一项所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于:所述光波导消逝波传感器，其光波导和光源光的稱合方式包括:棱镜稱合方式、光栅稱合方式和端面耦合方式。
14.根据权利要求9至12中任意一项所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述光波导消逝波传感器，包括:光源；敏感芯片；光探测器；样品池；所述样品池紧密覆盖在所述敏感芯片的敏感表面上，所述光源发出的光被耦合进入所述敏感芯片，从敏感芯片耦合输出的光信号被所述光探测器探测；所述步骤D具体包括:所述水溶液样品被注入样品池内，其中的生物粒子经非特异性吸附作用富集在所述敏感芯片的敏感表面上，进而通过敏感表面区间的消逝场与吸附的生物粒子的相互作用影响在光波导或光纤内传播的导模的特性。
15.根据权利要求9至12中任意一项所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于:所述光探测器为:线性CCD探测器或线性阵列式光电二极管探测器，用于测量导模共振角；CCD光纤光谱仪，用于测量导模共振波长；或光强探测器，用于测量导波光衰减度或相位差。
16.根据权利要求4所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述石英晶体微天平传感器，包括:敏感芯片，由石英晶片制作而成；该石英晶片的正反两面沉积有金膜或银膜电极，敏感芯片的敏感表面为金膜或银膜电极的表面；支座，通过两金属支架支撑所述敏感芯片，所述两金膜或银膜电极通过所述两金属支架与所述信号检测与预警模块电连接；样品池，所述敏感芯片和支座均置于该样品池内；所述步骤D具体包括:所述水溶液样品被注入样品池内，其中的生物粒子经非特异性吸附作用富集在所述敏感芯片的敏感表面上，进而影响石英晶体微天平传感器的谐振频率信号。
17.根据权利要求4所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述微悬臂梁传感器，包括: 敏感芯片，由支座及与支座一体式固定连接的硅基谐振梁组成； 微流体沟道，作为样品池制备于所述支座和硅基谐振梁上，其进液端和出液端分别连通于微流控芯片； 应变式压力感应膜片，紧贴于所述硅基谐振梁，其两电极通过导线连接至所述信号检测与预警模块； 所述步骤D具体包括:所述水溶液样品经微流控芯片从进液端流入微流体沟道，其中的生物粒子经非特异性吸附作用富集在所述微流体沟道的底面及侧壁上，进而影响所述微悬臂梁传感器的谐振频率信号。
18.根据权利要求1至6、9至12、16、17中任一项所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述样品池进样口与出样口分别与注液泵和废液回收容器相连接。
19.根据权利要求1至6、9至12、16、17中任一项所述的生物气溶胶监测预警方法，其特征在于，所述步骤E之后还包括: 步骤F，更换所述敏感芯片或原位清洗所述敏感芯片，重新执行步骤C至步骤E。
【文档编号】G01N15/00GK103630466SQ201310363382
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】祁志美, 逯丹凤, 赵湛, 杜利东, 童朝阳 申请人:中国科学院电子学研究所, 中国人民解放军防化研究院第四研究所