CN111458327B - 一种快速评估空气细菌污染状态的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速评估空气细菌污染状态的装置，包括目标粒子分离浓缩系统，用于将采样气流中的目标粒子分离出来，并进行浓缩液化处理；样本输送裂解系统包括与目标离粒子分离浓缩系统连接的定量移液器，通过管路与定量移液器连接的超声裂解反应池器，液化样本在超声裂解反应池器内进行裂解及发光反应；生物发光检测系统包括用于采集超声裂解反应池器的光强度的光接收组件，与光接收组件连接的信号处理装置。整个装置集采样、生物发光检测为一体，能够快速评估空气细菌污染状态。本发明可以广泛应用于生物气溶胶的细菌成分快速分析，在大气污染研究和监测、室内场所空气微生物污染分析、空气传播疾病的研究和监测等领域有应用前景。

Description

一种快速评估空气细菌污染状态的装置

技术领域

本发明涉及一种污染评估的装置，特别涉及一种快速评估空气细菌污染状态的装置。

背景技术

在进行室内空气微生物污染研究中，根据不同的研究目的，往往需要将某一粒径范围内的微生物气溶胶粒子分离并收集到特定液体中，再进行离线分析。空气微生物的检测分析传统经典方法是：(1)应用空气微生物采样器，把空气微生物采集到介质上，即固体营养琼脂、半固体营养琼脂、液体介质等；(2)定量分析方法有多种，主要是培养分析；(3)定性分析主要有生化分析、核酸检测分析、测序分析等。对空气微生物无论是定量分析，还是定性分析，都耗时耗力，使用耗材也多。

目前，无论是对大气中的微生物，还是对室内空气中的微生物检测，主要是通过采样和样本的实验室培养来分析浓度，一般需要48～72hr，既费力，有费时，无法实现实时检测和在线监测的需要。ATP生物发光技术，是以活微生物细胞内ATP作为生物发光测试靶标，通过生物发光反应，测定发光强度，进一步估算样本中活细菌的浓度。ATP生物发光检测技术能够在≤5min的时间内完成样本中活微生物浓度的检测；该技术在国外已经做了30多年的应用研究，ATP生物发光技术已经成为评价表面细菌污染的常用方法。但是用于对空气细菌污染检测评估还是很少的，尤其是将采样、检测一体化的技术和装置目前还没有。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种采样、生物发光检测一体化的快速评估空气细菌污染状态的装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种快速评估空气细菌污染状态的装置，包括：

目标粒子分离浓缩系统，用于将采样气流中的目标粒子分离出来，并进行浓缩液化处理；

样本输送裂解系统，包括与所述目标离粒子分离浓缩系统连接的定量移液器，通过管路与所述定量移液器连接的超声裂解反应池器，所述定量移液器用于将液化样本输送至所述超声裂解反应池器内，液化样本在所述超声裂解反应池器内进行裂解及发光反应；

生物发光检测系统，包括用于采集所述超声裂解反应池器的光强度的光接收组件，与所述光接收组件连接的信号处理装置，所述信号处理装置用于将所述光接收组件传来的光强度信号转化为目标粒子浓度。

优选地，所述目标粒子分离浓缩系统包括：

目标粒子分离浓缩器，用于对采样气流进行分离浓缩处理；

样本收集器，所述样本收集器内放置有液体介质，所述样本收集器通过第一管路与所述目标粒子分离浓缩器连接，所述第一管路的一端与所述目标粒子分离浓缩器连通，所述第一管路的另一端伸入所述样本收集器的液体介质内，所述样本收集器通过第二管路与所述定量移液器连接，所述第二管路的一端伸入所述样本收集器的液体介质内，所述第二管路的另一端与所述定量移液器连通；

抽风机，通过第三管路分别与所述目标粒子分离浓缩器和样本收集器连接。

优选地，所述目标粒子分离浓缩器包括顶盖、进气盖、第一级导流板、第一级撞击板、第二级导流板、采样腔体、第二级采集腔、第二级采集板、第二级排气孔板、排气口、底板和样品收集口；

所述进气盖的顶部留有采样口，所述顶盖连接在所述进气盖的采样口上，所述第一级导流板和第二级撞击板上下间隔地设置在所述进气盖内，所述进气盖的底部与所述采样腔体的顶部连通，所述第一级导流板上设置若干第一导流孔，在位于若干所述第一导流孔的正下方的所述第二级撞击板的顶面上设置凹陷，在位于所述凹陷以外的第二级撞击板上开设有若干通孔；

所述第二级导流板和第二级排气孔板上下间隔地设置在所述采样腔体内，所述第二导流板上设置有若干第二导流孔；所述第二级采集腔设置在所述第二级导流板和第二级排气孔板之间，所述第二级采集腔和采样腔体之间留有环隙，所述第二级采集腔包括自上而下依次连通的采集腔段、锥形腔段和直筒腔段，所述直筒腔段固定在所述第二级排气孔板上，所述直筒腔段的下部贯穿所述第二级排气孔板；所述第二级采集板设置在所述采集腔段内，在所述第二级采集板上开设若干采集孔，所述采集孔与第二导流孔上下一一对应；

所述排气口垂直贯通设置在所述采样腔体的位于所述第二级排气孔板的侧壁上；所述底板固定设置在所述采样腔体的底部；所述样品收集口固定设置在所述底板上，所述样品收集口的上部伸入所述采样腔体内，并与所述直筒腔段的下部位置相对应；所述排气口通过第三管路与所述抽风机连接，所述样品收集口的下部通过第一管路与所述样本收集器连接。

优选地，所述第二导流板上的若干所述第二导流孔位于所述第一级撞击板上的凹陷的正下方；

所述第一级撞击板上的通孔的孔径大于所述第一级导流板上的第一导流孔的孔径，所述第二导流孔的孔径小于第一导流孔的孔径。

优选地，所述超声裂解反应池器包括超声裂解槽，插置在所述超声裂解槽内的裂解反应池，以及开设在所述超声裂解槽的侧壁上的透光孔，所述裂解反应池内放有裂解剂；所述光接收组件通过所述透光孔采集所述裂解反应池的光强度。

优选地，所述超声裂解槽是金属或塑料制成的槽体，容积为20_ml～30_ml。

优选地，所述光接收组件包括用于采集超声裂解反应池器的光强度的光电倍增管，所述光电倍增管与所述信号处理装置连接。

优选地，所述信号处理装置上设置与计算机连接的串口和USB接口，用于导出采样检测的数据；

还包括用于控制所述目标粒子分离浓缩系统、样本输送裂解系统以及生物发光检测系统运行的电控系统。

优选地，所述目标粒子分离浓缩器、样本收集器和抽风机集成设置于第一柜体内，所述第一柜体上留有第一柜门；

所述抽风机和目标粒子分离浓缩器之间的第三管路上设置动力泵；

所述样本收集器采用收集瓶，其内的液体介质为20ml。

优选地，所述定量移液器、超声裂解反应池器集成设置于第二柜体内，所述第二柜体上留有第二柜门。

本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：

1、本发明通过目标粒子分离浓缩系统将采样气流中的目标分离出来，并进行浓缩和液化处理，在样本输送裂解系统内发生裂解及发光反应，生物发光检测系统中的光接收组件采集光强度，并将光强度信号传至信号处理装置，信号处理装置将光强度信号转换为目标粒子浓度，即为采集样本中的细菌浓度，整个装置集采样、生物发光检测为一体，能够在位检测样本，快速评估空气细菌污染状态。本发明可以广泛应用于生物气溶胶的细菌成分快速分析，在大气污染研究和监测、室内场所空气微生物污染分析、空气传播疾病的研究和监测等领域有应用前景。

2、本发明的目标粒子分离浓缩系统包括目标粒子分离浓缩器、样本收集器和抽风机，抽风机主要提供气流流动的动力，目标粒子分离浓缩器采用虚拟撞击的原理，能够去除样本中的大粒子和小粒子，保留粒子粒径(D)范围在0.5μm≤D≤10μm之间的粒子，并可将拟收集的目标粒子浓缩至5L/min-15L/min的气流中；目标粒子分离浓缩器也可采用其他能够采集气流进行分离浓缩的采样器，其采样流量不限；浓缩后的含目标粒子的气流冲击到样本收集器内的液体介质(介质包括无菌水、PBS缓冲液、0.9％的生理盐水等)中，实现样本的液化处理。

3、本发明采集的样本在目标粒子分离浓缩器、样本收集器和定量移液系统以及裂解发光反应系统形成的全封闭的路径中流转，能够避免可能的人为操作污染，提高评估准确性。

4、本发明的样本收集器、反应池、管路、裂解液和酶等都是一次性的耗材，不同检测评估过程进行更换，避免交叉污染。

5、本发明的整个装置通过电控系统控制其运行，实现采样智能化控制，减少人为因素的干扰，获得的结果更加客观。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明目标粒子分离浓缩器的结构示意图；

图中，图中，1、目标粒子分离浓缩系统；10、柜体；11、目标粒子分离浓缩器；12、样本收集器；13、抽风机；其中，111、顶盖，112、进气盖，113、第一级导流板，114、第一级撞击板，115、第二级导流板；116、采样腔体，117、第二级采集腔，118、第二级采集板，119、第二级排气孔板，1101、排气口，1102、底板，1103、样品收集口；

2、样本输送裂解系统；20、柜体；21、定量移液器；22、超声裂解反应池器；其中，221、超声裂解槽；222、裂解反应池；223、透光孔；

3、生物发光检测系统；31、光接收组件；311、光电倍增管；32、信号处理装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供了一种快速评估空气细菌污染状态的装置，该装置包括：

目标粒子分离浓缩系统1，用于将采样气流中的目标粒子分离出来，并进行浓缩液化处理；

样本输送裂解系统2，包括与目标离粒子分离浓缩系统1连接的定量移液器21，通过管路与定量移液器21连接的超声裂解反应池器22，定量移液器21用于将液化样本输送至超声裂解反应池器22内，液化样本在超声裂解反应池器22内进行裂解及发光反应；

生物发光检测系统3，包括用于采集超声裂解反应池器22的光强度的光接收组件31，与光接收组件31连接的信号处理装置32，信号处理装置32用于将光接收组件31传来的光强度信号转化为目标粒子浓度。

本发明在使用时：目标粒子分离浓缩系统1将采样气流(大气中的气溶胶粒子)中的目标粒子分离出来，并将粒径在0.5μm～10μm的粒子浓缩液化处理，转化成液体样本，定量移液器21将液化样本输送至超声裂解反应池器22内，液压样本中的目标粒子在超声裂解反应池器22内进行裂解及发光反应；光接收组件31采集光强度，信号处理装置32将光接收组件31传来的光强度信号进行处理，转化为目标粒子的浓度，即为采集样本中的细菌浓度。

在一个实施例中，目标粒子分离浓缩系统1包括：目标粒子分离浓缩器11，用于对采样气流进行分离浓缩处理；样本收集器12，其内放置有液体介质，样本收集器12通过第一管路与目标粒子分离浓缩器11连接，第一管路的一端与目标粒子分离浓缩器11连通，第一管路的另一端伸入样本收集器12的液体介质内，样本收集器12通过第二管路与定量移液器21连接，第二管路的一端伸入样本收集器12的液体介质内，第二管路的另一端与定量移液器21连通；抽风机13，通过第三管路分别与目标粒子分离浓缩器11和样本收集器12连接。使用时，抽风机13启动，采样气流被吸入目标粒子分离浓缩器11内，目标粒子分离浓缩器11内分离出的非目标粒子随气流进入第三管路，经抽风机13排出，浓缩后的目标粒子进入样本收集器12内，样本收集器12内放置液体介质，目标粒子气体融入液体介质内，完成目标粒子的液化处理，形成液体样本；由于抽风机13事先将样本收集器12内气体吸走，从而避免目标粒子气体与其他气体混合。

在一个实施例中，如图2所示，目标粒子分离浓缩器11包括顶盖111、进气盖112、第一级导流板113、第一级撞击板114、第二级导流板115、采样腔体116、第二级采集腔117、第二级采集板118、第二级排气孔板119、排气口1101、底板1102和样品收集口1103；

进气盖112的顶部留有采样口，顶盖111连接在进气盖112的采样口上，第一级导流板113和第二级撞击板114上下间隔地设置在进气盖112内，进气盖112的底部与采样腔体116的顶部连通；第一级导流板113上设置若干第一导流孔，在位于若干第一导流孔的正下方的第二级撞击板114的顶面上设置凹陷，在位于凹陷以外的第二级撞击板114上开设有若干通孔；

第二级导流板115和第二级排气孔板119上下间隔地设置在采样腔体116内，第二导流板115上设置有若干第二导流孔，第二级采集腔117设置在第二级导流板115和第二级排气孔板119之间，第二级采集腔117和采样腔体116之间留有环隙，第二级采集腔117包括自上而下依次连通的采集腔段1171、锥形腔段1172和直筒腔段1173，直筒腔段1173固定在第二级排气孔板119上，直筒腔段1173的下部贯穿第二级排气孔板119；第二级采集板118设置在采集腔段1171内，在第二级采集板118上开设若干采集孔，采集孔与第二导流孔上下一一对应；

排气口1101垂直贯通设置在采样腔体116的位于第二级排气孔板119下方的侧壁上；底板1102固定设置在采样腔体116的底部；样品收集口1103固定设置在底板1102上，样品收集口1103的上部伸入采样腔体116内，并与直筒腔段1173的下部位置相对应；排气口1101通过第三管路与抽风机13连接，样品收集口103的下部通过第一管路与样本收集器12连接。

本实施例中的目标粒子分离浓缩器11在使用时，打开顶盖111，粒子随总采样气流从采样口进入进气盖112内，经过第一级导流板113上的若干第一导流孔后，大粒子直接撞击到第一级撞击板114上的凹陷内，使得大部分大于10μm粒子被阻隔下来；小粒子随气流从第一级撞击板114上的通孔穿过，经第二级导流板115的第二导流孔后，大于0.5μm的粒子在惯性作用下直接通过位于第二导流孔正下方的采集孔进入第二级采集腔117内，这样，在第二级采集腔117中的粒子绝大部分为0.5～10μm粒径的粒子；而小于0.5μm的粒子则在气流作用下通过第二级采集腔117与采样腔体116之间的环隙继续向下运动，经过第二级排气孔板119的小孔进入第二级排气孔板119和底板1102之间的空间，并随气流一起经排气口1101排出；从第二级采集腔117的直筒腔段1173出来的粒子，在0.5～10μm的粒子经样品收集口1103进行收集，夹杂的小于0.5μm的粒子随气流从排气口1101排出。其中，排气口1101内气流为193L/min，样品收集口1103内的气流为7L/min，总采样气流(通过采样口进入进气盖内的流量)为200L/min。本实施例中的目标粒子分离浓缩器可对一些浓度低的环境空气进行采集，可以在较短的时间内提高采集样本的微生物浓度，提高后续检测检出率；特别对一些室内环境空气中微生物污染浓度的现场快速检测和危害预评估非常有益。

在一个实施例中，目标粒子分离浓缩器11也可采用其他能够采集气流进行分离浓缩的采样器，其采样流量不限；例如，基于虚拟撞击原理分离粒子，并能够浓缩目标粒径粒子的采样器。

在一个实施例中，第二导流板115上的若干第二导流孔位于第一级撞击板14上的凹陷的正下方，这样，当粒子穿过第一级撞击板114上的通孔后，其中，较大的粒子(如大于10μm的粒子)在惯性作用下直接撞击到第二级导流板115上，从而被滞留下来，较小的粒子随气流穿过第二级导流板115上的第二导流孔，能够有效剔除在第一级撞击板114上未阻隔下来的大粒子，提高收集的0.5～10μm的目标粒子的纯度。

在一个实施例中，第一级撞击板114上的通孔的孔径大于第一级导流板113上的第一导流孔的孔径，第二导流孔的孔径小于第一导流孔的孔径。

在一个优选实施例中，目标粒子分离浓缩器11、样本收集器12和抽风机13集成设置于一柜体10内，柜体10上留有柜门，以方便更换样本收集器12以及连接在各部件之间的管路，避免交叉污染。

在一个实施例中，超声裂解反应池器22包括超声裂解槽221，插置在超声裂解槽内的裂解反应池222，以及开设在超声裂解槽221的侧壁上的透光孔223，裂解反应池222内放有裂解剂；光接收组件31通过透光孔223采集裂解反应池222的光强度。使用时，超声裂解槽221内具有超声波，裂解反应池222插在其中，利用超声作用能够提高裂解反应池222内的细菌裂解度，缩短裂解时间，提高工作效率。

在一个优选实施例中，超声裂解槽221是一个金属或塑料制成的槽体，容积可在15ml～30ml。

在一个优选实施例中，定量移液器21、超声裂解反应池器22集成设置于一柜体20内，柜体20上留有柜门，以方便更换超声裂解反应池器22以及连接在各部件之间的管路，避免交叉污染。

在一个实施例中，光接收组件31包括用于采集超声裂解反应池器22内的光强度的光电倍增管311，光电倍增管311与信号处理装置32连接。

在一个优选实施例中，抽风机13和目标粒子分离浓缩器11之间的第三管路上设置动力泵(图中未示出)，以方便控制采样流量。

在一个优选实施例中，样本收集器12可采用圆柱形或其他形状的收集瓶，其内的液体采样介质为20ml。

在一个优选实施例中，目标粒子的粒径范围0.5μm≤D≤10μm，终极浓缩采样流量5L/min～15L/min，目标粒子分离浓缩系统1和样本输送裂解系统2之间的携带有目标粒子的气流流量为5L/min～15L/min。

在一个优选实施例中，信号处理装置32上设置与计算机连接的串口和USB接口，用于导出采样检测的数据。

在一个优选实施例中，本发明还包括用于控制目标粒子分离浓缩系统1、样本输送裂解系统2以及生物发光检测系统3运行的电控系统。以方便各系统的统一调控。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种快速评估空气细菌污染状态的装置，其特征在于，包括：

目标粒子分离浓缩系统，用于将采样气流中的目标粒子分离出来，并进行浓缩液化处理；

样本输送裂解系统，包括与所述目标离粒子分离浓缩系统连接的定量移液器，通过管路与所述定量移液器连接的超声裂解反应池器，所述定量移液器用于将液化样本输送至所述超声裂解反应池器内，液化样本在所述超声裂解反应池器内进行裂解及发光反应；

生物发光检测系统，包括用于采集所述超声裂解反应池器的光强度的光接收组件，与所述光接收组件连接的信号处理装置，所述信号处理装置用于将所述光接收组件传来的光强度信号转化为目标粒子浓度；

所述目标粒子分离浓缩系统包括：

目标粒子分离浓缩器，用于对采样气流进行分离浓缩处理；

样本收集器，所述样本收集器内放置有液体介质，所述样本收集器通过第一管路与所述目标粒子分离浓缩器连接，所述第一管路的一端与所述目标粒子分离浓缩器连通，所述第一管路的另一端伸入所述样本收集器的液体介质内，所述样本收集器通过第二管路与所述定量移液器连接，所述第二管路的一端伸入所述样本收集器的液体介质内，所述第二管路的另一端与所述定量移液器连通；

抽风机，通过第三管路分别与所述目标粒子分离浓缩器和样本收集器连接。

2.如权利要求1所述的一种快速评估空气细菌污染状态的装置，其特征在于：

所述目标粒子分离浓缩器包括顶盖、进气盖、第一级导流板、第一级撞击板、第二级导流板、采样腔体、第二级采集腔、第二级采集板、第二级排气孔板、排气口、底板和样品收集口；

所述进气盖的顶部留有采样口，所述顶盖连接在所述进气盖的采样口上，所述第一级导流板和第二级撞击板上下间隔地设置在所述进气盖内，所述进气盖的底部与所述采样腔体的顶部连通，所述第一级导流板上设置若干第一导流孔，在位于若干所述第一导流孔的正下方的所述第二级撞击板的顶面上设置凹陷，在位于所述凹陷以外的第二级撞击板上开设有若干通孔；

所述第二级导流板和第二级排气孔板上下间隔地设置在所述采样腔体内，所述第二级导流板上设置有若干第二导流孔；所述第二级采集腔设置在所述第二级导流板和第二级排气孔板之间，所述第二级采集腔和采样腔体之间留有环隙，所述第二级采集腔包括自上而下依次连通的采集腔段、锥形腔段和直筒腔段，所述直筒腔段固定在所述第二级排气孔板上，所述直筒腔段的下部贯穿所述第二级排气孔板；所述第二级采集板设置在所述采集腔段内，在所述第二级采集板上开设若干采集孔，所述采集孔与第二导流孔上下一一对应；

所述排气口垂直贯通设置在所述采样腔体的位于所述第二级排气孔板的侧壁上；所述底板固定设置在所述采样腔体的底部；所述样品收集口固定设置在所述底板上，所述样品收集口的上部伸入所述采样腔体内，并与所述直筒腔段的下部位置相对应；所述排气口通过第三管路与所述抽风机连接，所述样品收集口的下部通过第一管路与所述样本收集器连接。

3.如权利要求2所述的一种快速评估空气细菌污染状态的装置，其特征在于：

所述第二级导流板上的若干所述第二导流孔位于所述第一级撞击板上的凹陷的正下方；

所述第一级撞击板上的通孔的孔径大于所述第一级导流板上的第一导流孔的孔径，所述第二导流孔的孔径小于第一导流孔的孔径。

4.如权利要求1所述的一种快速评估空气细菌污染状态的装置，其特征在于：

所述超声裂解反应池包括超声裂解槽，插置在所述超声裂解槽内的裂解反应池，以及开设在所述超声裂解槽的侧壁上的透光孔，所述超声裂解反应池内放有裂解剂；所述光接收组件通过所述透光孔采集所述超声裂解反应池的光强度。

5.如权利要求4所述的一种快速评估空气细菌污染状态的装置，其特征在于：

所述超声裂解槽是金属或塑料制成的槽体，容积在15ml～30ml。

6.如权利要求1所述的一种快速评估空气细菌污染状态的装置，其特征在于：

所述光接收组件包括用于采集超声裂解反应池器内的光强度的光电倍增管，所述光电倍增管与所述信号处理装置连接。

7.如权利要求1所述的一种快速评估空气细菌污染状态的装置，其特征在于：所述信号处理装置上设置与计算机连接的串口和USB接口，用于导出采样检测的数据；

还包括用于控制所述目标粒子分离浓缩系统、样本输送裂解系统以及生物发光检测系统运行的电控系统。

8.如权利要求1所述的一种快速评估空气细菌污染状态的装置，其特征在于：

所述目标粒子分离浓缩器、样本收集器和抽风机集成设置于第一柜体内，所述第一柜体上留有第一柜门；

所述抽风机和目标粒子分离浓缩器之间的第三管路上设置动力泵；

所述样本收集器采用收集瓶，其内的液体介质为20ml。

9.如权利要求1所述的一种快速评估空气细菌污染状态的装置，其特征在于：

所述定量移液器、超声裂解反应池器集成设置于第二柜体内，所述第二柜体上留有第二柜门。