本發(fā)明涉及一種空氣采樣器，尤其是一種大流量、高效且便攜的空氣采樣裝置及采樣方法，可以廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外環(huán)境空氣中顆粒物的采集檢測(cè)，特別是病原微生物的快速篩查和監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前空氣污染日益受到世界范圍的關(guān)注，嚴(yán)重威脅著居民健康?？諝庵谐舜嬖诨瘜W(xué)污染物外，還有大量的生物氣溶膠，如細(xì)菌、病毒、真菌顆粒等。研究表明生物氣溶膠暴露能造成諸多健康問(wèn)題，如呼吸系統(tǒng)感染、過(guò)敏等，且生物氣溶膠的產(chǎn)生、擴(kuò)散、傳播更能加重這一危害，(比如2003年SARS，2009年H1N1，2013年H5N9以及2015年MERS等重大疫情爆發(fā))。因此對(duì)生物氣溶膠的快速檢測(cè)甚至實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)就變得尤為重要。但是作為生物氣溶膠快速檢測(cè)甚至實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的至關(guān)重要的第一步，空氣樣品的有效采集一直是一個(gè)難題。

目前應(yīng)用較多的兩種采樣器是利用撞擊原理設(shè)計(jì)的Biosampler(SKC)和Anderson采樣器，前者是將空氣樣品采集液體介質(zhì)中，克服了顆粒物反彈以及二次氣溶膠化的問(wèn)題，流量為12.5L/min；后者將空氣樣品采集到固體培養(yǎng)基上，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的生物氣溶膠采集方法，已有50余年使用歷史，流量為28.3L/min。然而這兩種方法都需要抽氣泵并依靠交流電，難以便攜臨場(chǎng)使用；另外，兩者采樣流量過(guò)低，無(wú)法發(fā)展應(yīng)用于環(huán)境空氣的快速檢測(cè)甚至實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，Anderson采樣器撞擊速度大(可達(dá)24m/s)，會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生撞擊損傷而導(dǎo)致失去可培養(yǎng)性，造成可培養(yǎng)微生物濃度降低，從而導(dǎo)致低估環(huán)境中的濃度水平。

以PCR為代表的基因擴(kuò)增方法的興起顯著降低了生物樣品檢測(cè)的最小濃度，提高了微生物檢測(cè)的效率，恒溫?cái)U(kuò)增法的出現(xiàn)進(jìn)一步縮短了反應(yīng)時(shí)間，簡(jiǎn)化了反應(yīng)過(guò)程；同時(shí)，一些基于電化學(xué)的生物傳感器出現(xiàn)(如硅納米線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管)可以將微生物生物信號(hào)無(wú)延遲轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而使微生物的自動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)變?yōu)榭赡?。但是，空氣中致病菌的濃度有時(shí)會(huì)很低，尤其對(duì)于一些高致病病原體，高流量的快速便攜采樣器的研發(fā)非常重要。有效利用目前已有的技術(shù)進(jìn)行生物氣溶膠快速檢測(cè)，必須依賴(lài)于更強(qiáng)大的生物氣溶膠采樣器，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)采集更大體積的空氣樣品，同時(shí)將其轉(zhuǎn)移進(jìn)入液體進(jìn)行基因擴(kuò)增或者特異性電化學(xué)反應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種超大流量(超過(guò)1立方米每分鐘)的便攜式空氣顆粒采樣器，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)采集更多的氣溶膠顆粒，便于后續(xù)分析檢測(cè)。

本發(fā)明的主要技術(shù)原理是：采用鋰電池作為電源，微型的大風(fēng)量風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣通過(guò)采集管道，管道底部中心裝置瓊脂培養(yǎng)基，進(jìn)入管道的空氣攜帶顆粒物撞擊到培養(yǎng)基上被捕獲。為進(jìn)一步提高采集效率，在采集管道進(jìn)風(fēng)口加裝加濕采樣頭來(lái)克服干燥效應(yīng)，使小顆粒吸濕增大，還能進(jìn)一步減輕對(duì)生物顆粒的撞擊損傷以及減輕采集到的顆粒二次彈出。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種便攜式大流量空氣采樣器，包括風(fēng)機(jī)、采集管道、加濕采樣頭、采樣介質(zhì)、支撐架、電池和電路控制模塊，其中，采集管道的一端與風(fēng)機(jī)無(wú)縫固定連接，另一端安裝加濕采樣頭；在采集管道內(nèi)部接近風(fēng)機(jī)的位置設(shè)有支撐架，采樣介質(zhì)安放在支撐架上；所述風(fēng)機(jī)通過(guò)電路控制模塊連接電池，由電池驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

為便于握持，所述風(fēng)機(jī)可架設(shè)在一個(gè)面板上，面板上安裝用于手持的握柄。所述面板可采用工程塑料制成，所述握柄可以為Z型單手握柄，材質(zhì)可為不銹鋼，使用自攻螺釘固定于面板上。

所述風(fēng)機(jī)為微型大風(fēng)量風(fēng)機(jī)，優(yōu)選的，其直徑為140±60mm，額定電壓為5～24V，額定電流為0.3～6A，風(fēng)量為30～300CFM，最佳為直徑12cm，額定電壓12V，額定電流3A，風(fēng)量200CFM。

進(jìn)一步的，所述采集管道優(yōu)選為變徑式采集管道，安裝加濕采樣頭一端(即進(jìn)風(fēng)口)的口徑較小，連接風(fēng)機(jī)一端(即出風(fēng)口)的口徑較大。

為便于采集介質(zhì)的取放，在采集管道下部(靠近風(fēng)機(jī)一端)側(cè)壁橫切加工形成一半圓筒，該半圓筒與母體管道一端合頁(yè)連接，另一端鎖扣連接(合頁(yè)和鎖扣的連線(xiàn)為管道橫截面圓的直徑)，使半圓筒可以向外旋轉(zhuǎn)打開(kāi)。該可向外旋轉(zhuǎn)的半圓筒的內(nèi)壁上，可通過(guò)螺釘固定一支撐托盤(pán)作為承載采樣介質(zhì)的支撐架。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述支撐托盤(pán)位于風(fēng)機(jī)上方約1cm的位置，為一個(gè)圓形托盤(pán)，其圓心與采集管道橫截面圓心重合，直徑略大于培養(yǎng)皿以放置和固定培養(yǎng)基，當(dāng)所述半圓筒向外旋轉(zhuǎn)打開(kāi)時(shí)，可以方便地放置和拿取培養(yǎng)基。

采集管道的材質(zhì)可以為金屬(如不銹鋼、鋁合金)或塑料(如PVC、ABS、PC)等，但管道內(nèi)壁為聚四氟乙烯涂層。進(jìn)風(fēng)口內(nèi)徑優(yōu)選為10～100mm，出風(fēng)口內(nèi)徑優(yōu)選為80～200mm。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述采集管道為聚四氟乙烯材質(zhì)，進(jìn)風(fēng)口內(nèi)徑50mm，出風(fēng)口內(nèi)徑100mm，橫切形成的半圓筒高20mm。

所述加濕采樣頭優(yōu)選為環(huán)型管道狀容器，其內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)用于超聲霧化的霧化片，對(duì)應(yīng)的，在加濕采樣頭的內(nèi)壁下部對(duì)稱(chēng)布局水霧噴孔，霧化片通過(guò)超聲振蕩將管道容器里的無(wú)菌水霧化經(jīng)噴孔噴出。加濕采樣頭的內(nèi)徑即采集管道進(jìn)風(fēng)口的外徑，可以安裝到采集管道進(jìn)風(fēng)口處。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，加濕采樣頭環(huán)形管的內(nèi)外徑差為10mm，高度10～50mm，內(nèi)壁上的水霧噴孔直徑為5mm左右。

所述采樣介質(zhì)可以是瓊脂固體培養(yǎng)基，用于采集空氣中可培養(yǎng)的微生物，包括細(xì)菌培養(yǎng)基和真菌培養(yǎng)基，例如：TSA細(xì)菌培養(yǎng)基用于采集細(xì)菌氣溶膠，沙氏培養(yǎng)基用于采集真菌氣溶膠。

所述采樣介質(zhì)也可以是液體，用于采集空氣中的懸浮顆粒物，包括但不限于可培養(yǎng)的微生物。液體采樣介質(zhì)優(yōu)選為不易揮發(fā)的液體，如無(wú)菌水、液體培養(yǎng)基、有機(jī)溶劑、油脂等。

所述電池優(yōu)選為鋰離子可充電電池，例如電壓為12V，容量為20000mAh的鋰離子電池。

所述采樣器的電路控制優(yōu)選的主控核心為單片機(jī)?？刂齐娐凡捎棉D(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制方式以增強(qiáng)電機(jī)的機(jī)械特性和抗擾能力，保證風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，從而通過(guò)設(shè)置采樣時(shí)間實(shí)現(xiàn)空氣定量體積采樣。除霧化片位于加濕采樣頭中，其他用于超聲霧化的電路及元件也集成于電路板上。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的便攜式大流量空氣采樣器克服了目前空氣采樣上的一些缺陷，例如現(xiàn)用金標(biāo)方法—Anderson采樣器存在的流量低、需要外接空氣泵、表面撞擊損傷嚴(yán)重、干燥效應(yīng)顯著等問(wèn)題，本發(fā)明采用開(kāi)放的撞擊式采樣法，通過(guò)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣撞擊培養(yǎng)基，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物顆粒物的高效采樣，采樣器體型小、流量大、采集效率高，可以廣泛應(yīng)用于環(huán)境生物氣溶膠的采樣，在環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。主要特點(diǎn)是：

(1)該采樣器流量大，達(dá)到1000L/min，但對(duì)培養(yǎng)基的撞擊速度低于10m/s，單位時(shí)間內(nèi)采集到的可培養(yǎng)微生物的數(shù)量大大增加，采樣器小型便攜，可以在環(huán)境生物氣溶膠現(xiàn)場(chǎng)采樣和實(shí)驗(yàn)室微生物培養(yǎng)方面廣泛使用。

(2)采用加濕采樣頭使小顆粒吸濕增大，提高采集效率，同時(shí)減輕對(duì)生物顆粒的撞擊損傷；

(3)采樣介質(zhì)改為液體時(shí)，該采樣器可以結(jié)合酶聯(lián)免疫、PCR以及恒溫?cái)U(kuò)增等生化分析方法對(duì)空氣中的生物成分可以進(jìn)行有效檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述便攜式大流量采樣器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中A為側(cè)視圖，B為俯視圖；1-風(fēng)機(jī)，2-采集管道，3-加濕采樣頭，4-采樣介質(zhì)，5-支撐架，6-電池，7-握柄，8-面板，9-螺釘，10-鎖扣，11-控制電路。

圖2是支撐架和管道連接的結(jié)構(gòu)俯視示意圖，其中2-采集管道，5-支撐架，10-鎖扣，12-螺釘，13-合頁(yè)。

圖3顯示了本發(fā)明實(shí)施例所述便攜式大流量采樣器采集空氣中細(xì)菌顆粒物的生物性效率。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。

圖1是便攜式大流量空氣采樣器的結(jié)構(gòu)示意圖。該采樣器由微型風(fēng)機(jī)1和采樣管道2構(gòu)成柱型采樣空間。風(fēng)機(jī)1的最佳直徑為120mm，額定電壓為12V，額定電流為3A，風(fēng)量為200CFM。采用4顆M5螺釘9將風(fēng)機(jī)1固定在面板8上一定高度，不低于40mm。面板8采用ABS工程塑料，堅(jiān)固結(jié)實(shí)且易于加工，尺寸為120mm×200mm，厚5mm。采集管道2為變徑式采集管道，內(nèi)徑為50mm變100mm。變徑式采集管道2無(wú)縫粘接在風(fēng)機(jī)1上，使采集管道2正對(duì)風(fēng)機(jī)。采集管道2上方放置加濕采樣頭3，加濕采樣頭3高度為50mm，內(nèi)部裝有兩個(gè)用于超聲霧化的霧化片，且內(nèi)壁下部對(duì)稱(chēng)布局兩個(gè)水霧噴孔。在采集管道2下部距風(fēng)機(jī)10mm處的中心為支撐架5，用于放置培養(yǎng)基，即采樣介質(zhì)4。支撐架5為圓形托盤(pán)，如圖2所示，其圓心與采集管道橫截面圓心重合，通過(guò)螺釘12固定在加工成的可向外旋轉(zhuǎn)的半圓筒上，半圓筒與母體管道一端通過(guò)合頁(yè)13連接，另一端通過(guò)鎖扣10連接，向外旋轉(zhuǎn)打開(kāi)方便放置和拿取培養(yǎng)基。

鋰電池6的容量為20000mAh，可以驅(qū)動(dòng)采樣器連續(xù)工作6小時(shí)以上?？刂齐娐?1的主控核心是單片機(jī)，控制方式為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)，通過(guò)測(cè)試校正，設(shè)置采樣器的流量為1000L/min，采樣時(shí)間(采樣空氣體積)可以任意設(shè)置，一般為1-10min(1m³-10m³)。放置好培養(yǎng)基后，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，選擇合適的采樣時(shí)間后啟動(dòng)開(kāi)始采樣。風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣從采樣管道進(jìn)氣口(即加濕采樣頭一端)進(jìn)入管道，被氣流攜帶的顆粒物與水霧噴孔噴出的水霧相遇混合，氣流攜帶顆粒物撞擊在培養(yǎng)基上從而被捕獲。實(shí)測(cè)顆粒物在培養(yǎng)基中心撞擊速度為8.32m/s，并沿培養(yǎng)基半徑向外逐漸降低至2.35m/s，整體上遠(yuǎn)小于Anderson采樣器的24m/s的撞擊速度。

圖3所示的是該便攜式大流量采樣器采集室外空氣可培養(yǎng)細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，使用該采樣器采集1分鐘、5分鐘、10分鐘所得到的可培養(yǎng)細(xì)菌總數(shù)均高于金標(biāo)方法—Anderson采樣器10分鐘所采集到的可培養(yǎng)細(xì)菌總數(shù)。由此可見(jiàn)該便攜式大流量采樣器的采集效率極大提高，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)能夠極大地縮短采樣的時(shí)間。