一种大流量空气采样器的制作方法

本实用新型涉及一种空气采样器，尤其是一种静电场与重力离心增强的湿壁旋风式的气溶胶采样器，实现空气中颗粒的高倍浓缩富集，可以广泛应用于室内外环境空气中颗粒物的采集检测，特别是生物气溶胶的快速采集与检测。

背景技术：

近年来我国空气污染加剧，严重危害居民健康。空气中既有化学污染物，也存在大量的生物气溶胶，如细菌、病毒、真菌颗粒等。研究表明诸多健康问题都与空气污染物，尤其是与生物气溶胶的暴露有关，如呼吸系统感染、过敏等。生物气溶胶的产生、扩散、传播更容易导致大规模传染病疫情的爆发，比如2003年SARS，2009年H1N1，2015年MERS等。因此对各种环境中生物气溶胶监测的重要性不言而喻，而其中至关重要的第一步就是高效快速地采集空气样品。

目前市面上生物气溶胶采样器主要有基于固体撞击原理的Anderson采样器、基于液体撞击原理的Biosampler(SKC)采样器以及基于气旋离心原理的Bertin Coriolis采样器。Anderson 采样器将空气样品采集到固体培养基上，流量为28.3L/min，是国际标准的生物气溶胶采集方法，但其撞击速度大，会对微生物产生撞击损伤而导致失去可培养性；Biosampler采样器是空气样品采集液体介质中，流量为12.5L/min，采样流量过低，难以发展应用于环境空气的快速检测；Bertin Coriolis采样器将空气样品采集到液体介质中，流量为100-300L/min，但其二次气溶胶化问题严重，造成大量的样品损失而导致对样品定量产生较大的偏差。

近年来PCR、ELISA、LAMP等分子生物学技术的发展为检测生物气溶胶样品提供了强有力的工具，不但显著降低可检测最小浓度，极大提高检测效率，而且大大缩短检测时间。生物传感器技术(如硅纳米线场效应晶体管)甚至可以将生物信号无延迟转化为电信号，从而实现生物气溶胶的实时在线监测。为高效利用这些技术进行生物气溶胶快速检测，快速高效地将空气样品采集并转入到液体介质中至关重要。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种基于湿壁气旋离心原理，使用静电场增强采集效率，并附加离心浓缩富集的大流量(约800L/min)的空气颗粒采样器，实现对空气中生物气溶胶颗粒的高效采集、浓缩和自动输送，以便于后续分析检测。

本实用新型的技术方案如下(参见图1和图2)：

一种大流量空气采样器，包括采集管道、加湿管路、风机、高压直流电源、集液槽、旋流管和补液瓶，其中，所述采集管道由上部的圆柱筒和下部倒置的圆台筒连接而成；采集管道的顶部通过一弯头连接风机；在采集管道的圆柱筒外侧管壁和中心分别设置圆筒形电极和柱型电极，分别与高压直流电源的正、负极连接；采集管道倒置圆台筒的底部连接集液槽，二者之间设置气液隔板；所述加湿管路一端为空气进口，另一端连通采集管道上部；集液槽通过一循环泵与旋流管连接，旋流管的底部设出样口，顶部设溢流口；补液瓶出口接一补液泵，并引出管路与旋流管溢流口以及加湿管路通过三通连接，从补液瓶或者溢流口流出的采集液体(无菌水或者其他液体介质)被输送至加湿管路。

上述大流量空气采样器是一种静电场与重力离心增强的湿壁气旋式空气采样器，其主要技术原理是：在圆筒形电极和柱型电极分别与高压直流电源的正负极连接，而形成圆柱形空间内由中心向外壁发散的静电场。风机驱动含有颗粒物的空气(气溶胶)进入加湿管路，气溶胶与水雾混合后进入到旋风分离管(即采集管道)，沿其外壁由上向下作螺旋形旋转运动(外涡旋)，涡旋到达椎体底部后，转而沿轴心向上旋转(内涡旋)，最后从顶部排出。气溶胶作旋转运动时，颗粒和水雾受到惯性离心力作用，自身带有电荷的颗粒物(多数生物颗粒物带有负电荷)同时受到静电场产生的电场力作用而向外壁移动；到达外壁后，颗粒与液体在气流和重力的共同作用下，沿壁面流入到集液槽中。内涡旋气流经过静电场时，未被采集到的颗粒在电场力的作用下向外壁运动重新进入到外涡旋中，从而进行二次捕集过程。集液槽中的样品溶液经循环泵输送至旋流管进行旋流富集，旋流管为一微型的水力旋流器，颗粒物通过离心沉降作用而富集于底部，样品溶液输出后用于检测分析；澄清的液体从上部溢流口经管路回流至加湿管路，循环用于采样。

本实用新型的大流量空气采样器还包括电路控制模块和工作电源。电路控制模块可以是单片机，用于调节风机转速、静电场的电场强度，以及对各种泵的流量进行调节控制。所述工作电源为直流电源，既可以是交流电源转换器，也可以是可充电电池，或者二者结合。

所述采集管道为一圆柱筒和圆台筒相接，顶部为一弯头。采集管道为绝缘材质，以疏水材料聚四氟乙烯为最佳。在具体实施时，采集管道的圆柱筒部分的高度优选为200±100mm， 200mm为最佳；内径优选为75±50mm，50mm为最佳。采集管道的圆台筒部分高度优选为100±50mm，50mm为最佳；底部直径优选为20±10mm，20mm为最佳。采集管道底部的弯头根据风机的直径的差异，可以采用等径弯头或不等径弯头。在本实用新型的一些实施例中采用不等径弯头以连接较大直径的风机，弯头底部直径为50±10mm，50mm为最佳，顶部直径为75±25mm，75mm为最佳。

位于采集管道中心的柱型电极为实心导电材料，通常从采集管道顶部固定一直延伸到圆柱筒底部，其长度优选为300±150mm，300mm为最佳，直径优选为4±2mm，4mm为最佳。

所述圆筒形电极为导电材料，通过绝缘胶水粘在采集管道圆柱筒外壁上，内径等于采集管道圆柱筒的外径，高度优选为150±75mm，150mm为最佳。

所述高压直流电源为微型高压直流电源，用于产生高压静电场，优选的可调节电压范围为1-20kV。

所述气液隔板为一圆形隔板，材质为绝缘材料，疏水的聚四氟乙烯为最佳，直径略小于采集管道圆台筒的底部直径，采集管道内壁上的颗粒物通过气液隔板与内壁的缝隙流入到集液槽中，隔板的存在隔离了两相气流与集液槽中的样品溶液，有效地避免了二次气溶胶化而造成的样品损失，从而提高了采集效率。

所述加湿管路连接采集管道上部，与采集管道横切面圆相切连接。优选的，加湿管路为一文丘里管，材质可以为金属、塑料等，以疏水材料聚四氟乙烯为最佳。其管径先收缩再扩大，在喉道部分打孔接入采集液体输送管，因喉道处气体流速大压强小，旋流管溢流的液体可以自动被吸入加湿管路中。该文丘里管入口与出口直径优选为20±10mm，20mm为最佳；喉道直径优选为10±5mm，10mm为最佳。

所述风机为微型大风量风机，优选的，其直径为100±50mm，额定电压为5～24V，额定电流为0.3～6A，风量为30～300CFM，最佳为直径75cm，额定电压12V，额定电流3A，风量 200CFM。

所述旋流管为一微型水力旋流器，优选的，其直径为20±10mm，其中以20mm为最佳，其水轮转速为每分钟5000±3000转，其中每分钟5000转为最佳。

所述补液瓶及其瓶盖(塞)为实验用无菌级别用品或可灭菌容器，如玻璃瓶，使用前经灭菌处理。

所述循环泵为微型压力水泵，流量范围为10-100mL/min；所述补液泵优选为精密可调速型蠕动泵，流量范围为10-100mL/min。

进一步的，所述旋流管底部连接出样泵，通过出样泵输出采集的样品。所述出样泵优选为精密可调速型蠕动泵，流量范围为10-100mL/min。

进一步的，在所述集液槽设有液位传感器，通过设定液位与电路控制模块一起控制补液泵的流量。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的静电场与重力离心增强的湿壁气旋式大流量空气采样器克服了目前空气采样器的一些缺陷，例如Anderson采样器的表面撞击损伤和干燥效应严重；Biosampler流量低，需外接电源；Bertin Coriolis采样器二次气溶胶化严重等问题。本实用新型采用湿壁气旋式采样法，结合静电场采样，再附加旋流富集，实现对生物颗粒物的大流量高效率采样，可以广泛应用于环境生物气溶胶的采样，在环境监测等领域有很好的应用前景。主要特点是：

(1)该采样器采用湿壁气旋的方法，使用微型大流量风机驱动，采样流量大，达到800 L/min，气液隔板的设计有效地减小了二次气溶胶化效应。

(2)采用静电场进行辅助对带电颗粒采集，增大采集效率，同时对在内涡旋的气流中待排出的残余颗粒起到二次捕集的作用；

(3)采用离心旋流器对采集到的样品溶液进一步富集浓缩，上层澄清液体重新进入加湿管路重复利用，提高了采样富集度，避免了采集到颗粒的二次损失；

(4)最终样品存在于离心旋流器下层液体介质中，可以结合酶联免疫、PCR以及恒温扩增等生化分析方法对空气中的生物成分可以进行有效检测；也可配合微流泵输出，与生物传感器集成，从而实现环境空气的实时监测。

附图说明

图1为本实用新型静电场与重力离心增强的湿壁气旋式大流量空气采样器的3D立体结构示意图；

图2为本实用新型静电场与重力离心增强的湿壁气旋式大流量空气采样器的主体部分的结构示意图；

图中：1-加湿管路，2-采集管道，3-柱型电极，4-圆筒形电极，5-高压直流电源，6-气液隔板，7-集液槽，8-液位传感器，9-风机，10-旋流管，11-补液瓶，12-循环泵，13-补液泵， 14-出样泵，15-电路控制模块，16-工作电源。

图3为本实用新型静电场与重力离心增强的湿壁气旋式大流量空气采样器的采集效率测定曲线。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步详细描述本实用新型。

如图1所示，本实用新型的静电场与重力离心增强的湿壁气旋式大流量空气采样器包括：加湿管路1，采集管道2，柱型电极3，圆筒形电极4，高压直流电源5，气液隔板6,，集液槽7，液位传感器8，风机9，旋流管10，补液瓶11，循环泵12，补液泵13，出样泵14，电路控制模块15，工作电源16。

参见图2，加湿管路1所用的文丘里管材质为聚四氟乙烯，喉道底部加工一开孔，直径为5mm；采集管道2与气液隔板6组成柱型的采样空间，材料均为聚四氟乙烯；柱型电极3 位于采样空间的中心，材料为紫铜，顶部为螺纹，旋入固定在采集管道顶部，与导线焊接作为引出电极，接高压直流电源5的负极；圆筒形电极4材料为紫铜，用绝缘胶水粘附采集管道2的内壁上，接高压直流电源5的正极。风机9粘接在采集管道2的弯头出口，风机的直径为75mm，额定电压为12V，额定电流为3A，最大风量为200CFM，风机转速可由单片机控制电路调节。集液槽7为透明塑料材质，与采集管道2插接。液位传感器8安装在集液槽 7的外壁上。输送管路为内径5mm，壁厚2mm的硅胶管，管路从集液槽7底部出口接出后依次连接循环泵12(压力泵)和旋流管10入口。旋流管10底部出样口连接出样泵14，顶部溢流出口与补液瓶11管路以及加湿管路用三通连接。高压直流电源5，旋流管10，补液瓶11，循环泵12，补液泵13，出样泵14，电路控制模块15，工作电源16均通过卡钳和螺钉固定在有机玻璃面板上。电路控制模块15为单片机，并配合可视化触屏控制器，可以调节风机转速、静电场的电场强度，以及压力泵、补液泵和出样泵的流速。

通过对本实用新型采样器出、入口不同粒径颗粒物浓度的测定，可以得到该采样器对颗粒物的采集效率随颗粒物粒径变化的曲线，如图3所示，随颗粒物粒径增大，采集效率显著提高。本实用新型采样器的切割粒径为0.64μm，即对粒径为0.64μm及以上的颗粒采集效率至少为50％。对粒径大于4.5微米的颗粒，采集效率为100％。因无法准确获得因采集液在旋风筒内的汽化而产生的颗粒物浓度，该测定结果在一定程度上低估了本实用新型采样器的采集效率。对使用该该采样器采集室内空气20分钟所得到的样品进行显微镜观察，可以看见采集到大量的颗粒物。