一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置

1.本实用新型属于生物气溶胶监测技术领域，涉及一种移动式离心撞击法富集生物气溶胶的装置。


背景技术：

2.近年来，室内外空气污染物的健康危害事件频繁发生，大气污染问题成为了社会高度关注的重点。气溶胶作为具有健康风险的污染物，具有空气传播的特性，有必要构建快速、准确、可靠的检测系统。当前，生物气溶胶的采集技术主要以液体冲击法、固体撞击法、离心沉降法和滤膜法为主。
3.使用大中流量捕集器阻留空气污染物，可以把空气中浓度较低的气溶胶富集起来，如抽气法、滤膜法、琼脂采样法等。然而，用这些方法收集污染物，测得的是瞬时浓度，具有不确定性。用器皿(如采样罐、采样袋、采样瓶等)采集生物气溶胶的方法，适合于浓度较高，或者测定灵敏度较高，不易被粘附或短时间化学特性稳定的污染气体采集。以上方法收集到的生物污染物浓度往往不能简捷快速的测量空气中生物气溶胶的时间加权平均浓度、或较长时间段(如白天、夜晚、月、季度)的累积浓度。
4.针对大气生物气溶胶难以富集和定量的问题，滤膜法采集气溶胶到滤膜上，经过dna提取、pcr扩增、高通量测序等方法获得微生物相对丰度等大量信息，但存在提取效率低、测序周期长、无法完整保留污染物形貌特性等问题。为了降低采样膜抽提对生物颗粒分析的不确定性影响，也有少数学者采用琼脂方法，将气溶胶污染物直接撞击到盛有琼脂的培养皿上，经过24小时以上37℃恒温培养计算菌落数浓度，这样的做法忽视了大气生物污染物在迁移、转化过程的组成、形貌结构、活性等信息，不利于掌握随空气运动生物气溶胶的特征。当前，生物气溶胶采样的浓度结果需要更多的验证才能被采信，装置的构造和原理限制了人们对生物气溶胶来源的理解。
5.本实用新型的申请人认为，基于离心撞击法的富集腔代替撞击式安德森大气颗粒物采样器或常规滤膜过滤器，方便空气生物颗粒在具有弹性的凝胶仓板上富集。凝胶材料的多孔性和吸湿性，可以保证粘附在仓板上的生物气溶胶的化学组成、形貌结构和空气动力学性质少受装置内部阻力等的影响，监测数据更加接近“原位”的大气生物气溶胶浓度，又几乎不增加额外成本。本实用新型公开的一种生物气溶胶富集装置，结构紧凑，操作便捷，是固定式测定或移动式测量的，如搭载在无人机、移动小车等移动设备上或穿戴在人体上的，适于如校园、洗手间、商超、实验室等人群活动场所空气生物污染物浓度监测的一种创新式监测装置，能够为空气致病微生物监测与控制措施的制定提供可靠数据。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种空气低浓度生物气溶胶的实时采集和富集的装置，采用智能决策、动态调节的使用方法。
7.本实用新型所述的一种生物气溶胶富集装置由具有分级功能的富集腔i、平衡池
ii和暴露模块iii组成：
8.所述富集腔i为多腔室结构，腔室包括孔径为0.001～50mm的多孔布气板，由重尘仓、微尘仓、微生物富集仓、采样回路和自动控制器构成。
9.所述富集腔i的壁面可以由多孔网架、多孔膜制成，材料可以为陶瓷、高分子材料、钛合金等，优选形状记忆镍钛合金，表面粗糙度ra/rz/ry≥0.8。
10.所述富集腔的微尘仓壁面设置1μm-1mm深的微结构，包括楔形、三角形、针型、六棱柱的一种或几种的组合，顶部埋有传感器，包括微米颗粒物pm浓度传感器、流量传感器，流量为0.05～100l/min。
11.所述富集腔i的重尘仓的底部设置有可调波长的uv-led灯带，可调波长范围区间为200—400nm。
12.所述富集腔i的微生物富集仓是多孔膜管结构，壁面涂布凝胶，方便捕集空气中的微生物，保持微生物活性。
13.本实用新型所述的多孔膜管是包括以下组分及其重量分数的凝胶膜管，优选水凝胶溶液配方包括：
[0014][0015][0016]
具体制备方法如下：
[0017]
将水凝胶溶液恒温静置，注入喷丝板，于入4～40℃水浴牵伸8～10分钟，使其固化成型，即得到膜管。
[0018]
所述的平衡池ii包括滤网、雾化器和静电发生器，平衡池ii底端与富集腔i的出气口连接。
[0019]
所述的平衡池ii的滤网孔隙大于0.0001mm，分离粒径范围为0.001μm～50mm，滤网材质为ptfe,pes,psu,pan,ca，滤纸、不锈钢，优选ptfe，但不仅限于此。
[0020]
所述的平衡池ii的雾化器是一种圆片式的雾化液滴发生器，圆片直径不超过100mm，雾化液滴的索特尔sauter平均直径smd范围为0.1～1mm。
[0021]
所述的平衡池ii的静电发生器的输出电压可在2.5～80kv调节，包含两段式蜂窝状静电吸附，优选与负离子发生器结合使用，但不仅限于此。
[0022]
在某些实施例里，平衡池ii的静电发生器可与滤网、雾化器调换顺序，滤网可安装生物试剂接口，调节进入暴露模块iii的进气品质，并可安装温度、湿度、颗粒物pm浓度、微生物浓度传感器和gps/lbs/北斗跟踪定位器，但不仅限于此。
[0023]
所述的暴露模块iii设于富集腔i和平衡池ii之后，安装驱动机构、细胞暴露膜盒和移动式数字支架。
[0024]
所述的暴露模块iii的驱动机构位于细胞暴露膜盒底部，具有电磁阀和流量控制
器，布置微型管道轴流风机、气泵的一种或两种的组合，安装移动轨道、磁线圈和磁悬浮电机。
[0025]
所述的暴露模块iii的细胞暴露膜盒可沿移动轨道旋转。
[0026]
所述的暴露模块iii的细胞暴露膜盒由3d网架支撑，网架包含微管结构(微管直径小于5mm)和传感器，如压力传感器，并夹持具有梯度孔径的多孔材料膜块(图1灰色膜片)，孔径≥0.25mm，孔径梯度不低于0.1mm/mm，材料为二氧化碳、聚四氟乙烯、聚苯乙烯，但不仅限于此。
[0027]
所述的暴露模块iii的可磁悬浮电机能够驱动细胞暴露膜盒旋转，方便生物气溶胶与细胞充分接触，保证细胞暴露过程的可靠进行。
[0028]
所述的暴露模块iii的移动式数字支架是依据传感器采集空气生物气溶胶浓度和粒径等数据，即时调节转速的数字化部件，具有记录、存储并分析富集装置运动参数的功能。
[0029]
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
[0030]
1.本实用新型提出的一种移动式生物气溶胶富集装置，结构紧凑，采用非接触式“生物气溶胶释放源定位式”测量，提高测量的精准程度，具有大气生物气溶胶时间、空间维度监测的灵活性。
[0031]
2.本实用新型提出的空气生物气溶胶富集采用无泄漏方式的模块化组装，测量全过程对环境友好，无污染物生成，装置出口安装静态混合器，具有循环过滤，安全排放气体的功能，提高了空气生物气溶胶全过程监测的安全性。
[0032]
3.本实用新型构建了智能调节气体品质的平衡池方案，方便了环境生物气溶胶在细胞生存环境下缓慢释放的细胞暴露研究，避免了单细胞分析的不确定性，为生物气溶胶的数字化测量提供了新思路。
附图说明
[0033]
图1是本实用新型的移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置的主视结构示意图和俯视结构示意图；
[0034]
图2是本实用新型的暴露模块iii的多孔材料膜块的梯度孔径示意图；
[0035]
图3是本实用新型的暴露模块iii的3d网架及微管结构示意图；
[0036]
图中：i-富集腔；ii-平衡池；iii-暴露模块；1、重尘仓；2、微尘仓；3、微生物富集仓；4、雾化器；5、膜管；6、细胞暴露膜盒；7、膜块；8、静电发生器；9、出气口；10、滤网网片；11、驱动机构；12、移动式数字支架；d1～d4、多孔材料制成的膜块微孔直径；13、网架；14、水凝胶涂层；15、微管结构；16、传感器；17、静态混合器。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的内容，但不应理解为对本实用新型的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本实用新型采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
[0038]
实施例
[0039]
参照图1、图2和图3，本实施例提供了一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装
置，富集装置包括如下结构：
[0040]
装置包括带有分级腔的富集腔i、平衡池ii和暴露模块iii；富集腔i设有重尘仓1、微尘仓2和微生物富集仓3，微生物富集仓内表面涂布水凝胶14；平衡池ii底端与富集腔i的出气口9连接，安装ca滤网10、能生成0.5～50μm微米液滴的雾化器4和静电发生器8；暴露模块iii设于富集腔i和平衡池ii之后，具有驱动机构11、细胞暴露膜盒6、移动式数字支架12，驱动机构11在细胞暴露膜盒6的底部安装了倒u形悬浮轨、钕铁硼u形电磁线圈和磁悬浮直流电动机，驱动细胞暴露膜盒6旋转。细胞暴露膜盒6由3d网架13支撑，3d网架包括毛细的3d打印的微管结构15和pm、压力、压差、温湿度传感器16，细胞暴露膜盒6内夹持聚苯乙烯多孔材料膜块7。暴露模块iii的移动式数字支架12能够依据采集到的空气颗粒物浓度和粒径等数据调速，并记录富集装置运动轨迹等参数。暴露模块iii与平衡池ii的出气口9连接，出气口9安装静态混合器17。
[0041]
如图2所示，本实用新型的暴露模块iii的多孔材料膜块的梯度孔径示意图，孔径d1＞d2＞d3＜d4＜10μm，保证监测空气生物气溶胶浓度的准确性。
[0042]
如图3所示，本实用新型的暴露模块iii的多孔材料膜块的3d网架及微管结构示意图，微管结构的设计是为了均匀分布生物气溶胶，减少移动式数字支架的传感器测量数据的波动，平衡膜盒暴露条件，有效提高了量化细胞暴露风险的能力，有益于减少重复劳动和时耗。
[0043]
本实用新型的一种移动式离心撞击法的生物气溶胶富集装置的工作原理和流程为：
[0044]
1.监测前，先检测装置的可移动性。首先，打开驱动机构11的电源，旋转细胞暴露膜盒6，使用振动分析仪、动平衡仪、管道漏风量检测仪检查暴露模块iii各部件是否动平衡和密闭。随后，检查平衡池ii电磁流量循环阀等电气部件的线路，以及雾化器4和静电发生器8是否运行正常，是否可以实现污染物浓度等的实时控制和数据信号传输。接下来，检查大气污染物浓度监测传感器是否可以正常启动，随后打开空气泵运行装置，等待仪器稳定5分钟后，观察富集腔i的各仓是否可以正常采集，数据采集器是否可以持续正常的开展采集作业。紧接着，校准富集装置。最后，将移动式离心撞击法的生物气溶胶富集装置佩戴在被试者上臂，确保佩戴者佩戴位置的舒适稳固性，并将富集装置的进、出气口9阀门和无菌罩打开，准备采样。
[0045]
2.采样时，等待生物气溶胶富集装置预热3～5分钟，设定富集腔i的空气泵的流量、压力，然后打开富集腔的重尘仓1、微尘仓2、微生物仓3阀门，启动温度、湿度传感器16和定位器，收集空气细颗粒污染物浓度数据，绘制生物气溶胶曲线。根据程序设定的暴露阈值，定时启动平衡池ii的雾化器和负离子发生器，控制平衡池各点的空气生物气溶胶的平衡浓度，当装置的数据采集器显示达到平衡浓度，关闭平衡池ii的进口管电磁阀。接下来，打开平衡池ii的出口管电磁阀，将气体泵送到暴露模块iii，进行人鼻咽上皮细胞的即时暴露模拟，此时，移动式数字支架12根据测试环境的浓度变化即时调整细胞暴露膜盒的旋转速度。气体经过暴露模块iii完成细胞暴露后，经出气口9的静态混合器17，安全排放。若传感器检测到细胞暴露膜盒6的暴露浓度高于细胞许可的限值，装置报警、暂时关闭平衡池ii的出口管阀门，待细胞许可限值达标再次开放平衡池ii的阀门进行细胞暴露，并制作日志存入存储芯片。
[0046]
3.采样后，将安装静态混合器的出气口9阀门打开，启动驱动机构11，取下细胞暴露膜盒6并排放气体，然后取下重尘仓1、微尘仓2和微生物仓3和传感器16等电子部件，将富集装置的平衡池ii送入121℃蒸汽杀菌，将装置无菌覆膜封存。同时，检查富集装置电器电子部件的运行状态，并下载数据采集器保存的空气生物气溶胶数据。系统气路、滤网网片10和静态混合器17需要根据生物污染情况及时清洗和更换。
[0047]
综上，上述实施例为本实用新型较佳的实施方式之一，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应视为等效置换方式，都应包含在本实用新型的保护范围之内。