一种生物气溶胶在线监测系统的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种生物气溶胶实时在线监测装置，特别涉及一种基于atp生物化学发光反应原理结合大流量生物气溶胶采样技术的生物气溶胶在线监测系统。


背景技术：

[0002]
环境空气中含有由大量生物颗粒，包括细菌、真菌、病毒、动植物碎屑等组成的生物气溶胶和其他污染物，其中生物气溶胶比起其他非生物污染物对人体健康和公共安全有着更加直接且重要的影响。生物气溶胶暴露可能导致呼吸系统炎症、过敏、感染和毒性反应，甚至造成大规模流行病传播，因此对于环境中生物气溶胶的监测尤为重要。但目前环境监测中常用的环境空气微生物检测方法，如微生物培养，在浓度检测方面存在很大误差和不足，对于其中有生命活性但不可培养状态(viable but not culturable)的微生物难以检测；并且时效性差，无法做到实时在线监测，因此不能为公共健康或者关键场景提供准确、实时的生物威胁预警，从而防止动态变化的微生物气溶胶暴露威胁。
[0003]
现有的生物气溶胶在线监测方法大多基于生物大分子如核黄素、还原型辅酶nadh等的荧光激发原理，用特定波长激发光激发生物大分子，检测其产生的特定波段荧光来估计空气中微生物含量。但该原理受限于实际空气中干扰物质如苯系物质的干扰荧光和复杂的颗粒物团聚结构，可能造成难以估算的假阳性或假阴性，难以准确可靠地反应真实的环境空气微生物浓度。此外，激光激发荧光检测的方法通常只运用在低流速、小流量的空气微生物背景监测情境中，受限于过小的采样气体流量，无法对突发的微生物暴露事件做出即时有效的响应和预警，因此难以满足微生物气溶胶暴露预警的要求。
[0004]
基于这些考虑，检测原理更加可靠、采样流量更大的大流量生物气溶胶在线监测技术和设备在微生物暴露预警和应对突发微生物暴露事件方面尤为关键。atp生物化学发光反应是基于活细胞内特有的高能三磷酸腺苷(atp)与萤火虫萤光素在萤火虫萤光素酶的催化下特异性发光的原理来指征活细胞的存在，由于特定种类的活细胞内可供反应的atp含量基本保持恒定，因此可以通过检测发光强度来对活细胞含量进行半定量。atp生物化学发光方法可以更为可靠地指示真正有生命活性的微生物，干扰信号较荧光激发方法更少；并且在液相反应体系中能够让团聚的颗粒物更好地分散，减少颗粒物团聚造成的假阴性。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型旨在提供一种集成atp生物化学发光方法、大流量生物气溶胶采样技术对环境空气中的活性微生物气溶胶进行实时在线监测的系统，结合光电信号检测传感系统、自动化液体循环系统和信号输出系统组成生物气溶胶实时在线监测系统，实现环境空气中活性微生物气溶胶的大流量快速富集和实时在线监测预警。
[0006]
本实用新型的主要技术原理是：采用微型大流量风机驱动空气通过旋流采样管对环境空气进行采样，富集到采样管下端装有主要成分为萤火虫萤光素酶、萤火虫萤光素、细胞裂解液和镁离子等反应试剂的集液管中，空气中的活性微生物细胞壁被细胞裂解液裂
解，释放出细胞质中的atp，在萤火虫萤光素酶的催化下与萤火虫萤光素发生化学反应发光，发光信号在屏蔽暗室中被正对着集液管的光电传感器转化为电信号记录并输出显示。由于该酶催化反应十分迅速，因此可以半定量地实时监测环境空气中的活性微生物含量。结果还可以同时用天线输送到手机、电脑等移动端实现远程监测。
[0007]
本实用新型的技术方案如下(参见图1)：
[0008]
一种生物气溶胶在线监测系统，基于atp(三磷酸腺苷)生物化学发光和大流量生物气溶胶采样技术对空气中的活性微生物进行实时在线监测，其特征在于，包括生物气溶胶采样装置、atp生物化学发光信号检测输出装置和反应试剂自动化控制系统，其中：所述生物气溶胶采样装置包括风机、旋流采样管和集液管，所述风机位于旋流采样管的顶端，集液管连接在旋流采样管的锥形末端，在风机的作用下旋流采样管将空气中的生物气溶胶分离并富集到集液管中；所述atp生物化学发光信号检测输出装置包括屏蔽暗室、光电传感器、信号处理模块和信号输出天线；所述反应试剂自动化控制系统包括储液管、废液管、进液蠕动泵和出液蠕动泵，储液管中存储有进行atp生物化学发光反应的萤光素(即底物)、萤光素酶和细胞裂解液等反应试剂；所述集液管和光电传感器置于屏蔽暗室中，储液管中的反应试剂在进液蠕动泵的作用下输送到集液管中，与集液管中富集的生物气溶胶中的活性微生物发生反应，产生的荧光信号由光电传感器转化为电信号传输至信号处理模块，处理后的信号直接输出或由信号输出天线发射到网络中；反应后的废液在出液蠕动泵的作用下从集液管输送至废液管中。
[0009]
上述生物气溶胶在线监测系统中，所述生物气溶胶采样装置为大流量生物气溶胶采样装置，其中所述风机优选为微型大风量风机，如尺寸为90
±
10
×
90
±
10
×
30
±
5mm，额定电压为7.0～24v，额定电流为0.3～6a，风量为30～300cfm，优选的，在本实用新型的实施例中选用尺寸为97
×
94
×
33mm，额定电压12v，额定电流6a，风量300cfm的微型大流量风机。
[0010]
上述生物气溶胶在线监测系统中，所述旋流采样管可以为金属管或塑料管等，其形状为圆筒和圆锥形漏斗的组合体，上部为圆筒，下部为圆锥形漏斗，末端为圆形孔，与集液管连接。圆筒形的上部和圆锥形漏斗状下部可以一体成型，也可以是相切拼接的两部分，以方便拆开清洗。旋流采样管的管道内壁光滑并优选设置聚四氟乙烯涂层。在本实用新型的实施例中，所述旋流采样管上部为一长150
±
50mm，内径55
±
10mm的空心圆筒，下部拼接的空心圆锥高100
±
20mm，圆锥角25
±5°
，末端为一个带有密封橡胶圈的圆形孔，直径为20
±
5mm；进风口设置在圆筒上部侧面，为一内壁光滑的方形短管，长50
±
25mm，内径为20
±
5mm
×
15
±
5mm，材质与旋流采样管主体一致。
[0011]
上述生物气溶胶在线监测系统中，所述集液管可以是一个底部为半球形的圆柱状透明瓶，材质可为玻璃、亚克力、有机树脂等透明材料，优选荧光透过率大于90％的材料。在本实用新型的实施例中，所述集液管直径20
±
5mm，长度50
±
10mm，其中部有一突出的小管用于连接通往储液管的软管，以补充反应试剂；底部中心有一突出的小管用于连接通往废液管的软管，排出反应后的废液；小管内径均为2
±
1mm，长10
±
5mm。进一步的，所述集液管中设置液位传感器，将液位信号反馈给反应试剂自动化控制系统以调控进液蠕动泵和出液蠕动泵。
[0012]
上述生物气溶胶在线监测系统中，所述光电传感器为能将连续变化的光信号转化为电信号的电子器件，可以为光电池、光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管等。
[0013]
上述生物气溶胶在线监测系统中，所述信号输出天线为一连接3g、4g或5g等网络的信号输出网卡和配套电路系统及天线，可以将采集的电信号实时输送到网络中的服务器，再由用户的移动终端接收，反馈不同编号设备的实时监测结果。
[0014]
上述生物气溶胶在线监测系统中，所述屏蔽暗室通常为塑料硬质外壳围成的暗室，与其他部件接口处均做密封不透光处理，在屏蔽暗室外侧涂布含有金属粉末的涂料，优选为含有铜金属粉末的涂料，形成电磁屏蔽层。在本实用新型的实施例中，屏蔽暗室的外壳厚度为4
±
2cm。
[0015]
上述生物气溶胶在线监测系统中，所述进液蠕动泵和出液蠕动泵为两个相同型号的小型蠕动泵，本实用新型的实施例中选用了额定电压为0～24v，输出量为0.05～5ml/min，尺寸为3
×3×
2cm的蠕动泵。
[0016]
上述生物气溶胶在线监测系统中，所述储液管和废液管可以用50ml离心管改制而成，在离心管下端密合连接一软管，离心管材质可以为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯等透明塑料，优选为聚丙烯材质。所述储液管中存放有细胞裂解液、萤光素酶(优选为萤火虫萤光素酶)、萤光素(优选为萤火虫萤光素)，还包括镁离子等反应试剂。
[0017]
所述软管可以为有机硅塑料软管、聚对苯二甲酸丁二醇酯复合橡胶软管等，优选为有机硅塑料软管，管径为0.1～1mm。
[0018]
进一步的，上述生物气溶胶在线监测系统还包括一个直流电源，为风机、进液蠕动泵和出液蠕动泵提供动力。所述直流电源既可以是连接市电的交流电源转换器，也可以是可充电电池(如锂电池)，或者二者结合。
[0019]
利用上述生物气溶胶在线监测系统对空气中的活性微生物进行监测，环境空气由风机驱动采集，其中的生物气溶胶经过旋流采样管分离富集到集液管中；同时反应试剂自动化控制系统启动进液蠕动泵，将储液管中的反应试剂输入和不断补充到集液管中，生物气溶胶中的活性微生物被裂解，释放出atp，在萤光素酶的催化下与萤光素反应产生荧光信号，荧光信号被光电传感器接收并转化为电信号输出到信号处理模块，处理后的信号直接输出或通过信号输出天线远程传输给移动终端；反应后的废液由出液蠕动泵从集液管输出到废液管中存放。
[0020]
本实用新型提供的基于atp生物化学发光的生物气溶胶在线监测系统利用大流量采样技术采集的大气颗粒物中所含微生物的atp与萤光素酶的催化化学发光原理，实现了对于环境大气中活的微生物气溶胶浓度的实时在线检测，将新型空气微生物大流量采样技术和生物化学发光方法结合，实现对空气中低浓度的活性微生物的快速富集和实时检测，可以在低浓度活性微生物的环境空气中快速监测活的生物气溶胶含量。在实验室控制条件下和室内外实际环境空气中实时监测的实验表明，最短15秒内即可对单次生物气溶胶释放事件或环境微生物浓度的动态变化做出响应并将光电信号的方式实时记录输出到移动终端。该生物气溶胶在线监测系统的主要特点是：
[0021]
(1)该气溶胶在线监测系统利用大流量旋风采样技术，利用微型大流量风机驱动，采样流量大，可达到400l/min，能够有效富集大气中低浓度的活性生物气溶胶颗粒；
[0022]
(2)该气溶胶在线监测系统里用atp生物化学发光原理，迅速反应得到空气中活的微生物颗粒的含量，相较于生物大分子荧光激发的生物气溶胶监测原理能够得到更为接近真实情况的结果；
[0023]
(3)利用自动化和手动的反应液控制系统，可以便捷地实现反应液的补充、更换和反应管路清洗，便于无人监测的自动化控制。
附图说明
[0024]
图1为本实用新型实施例基于atp生物化学发光的生物气溶胶在线监测系统的结构示意图，其中：1-大流量风机，2-旋流采样管，3-供电线路，4-直流电源(锂电池)，5-储液管，6-进液蠕动泵，7-进液软管，8-废液管，9-出液软管，10-出液蠕动泵，11-集液管，12-信号输出天线，13-信号处理模块，14-屏蔽暗室，15-光电传感器。
[0025]
图2为本实用新型实施例在生物安全柜中进行真菌孢子释放试验的信号变化曲线。
[0026]
图3为本实用新型实施例在雾霾天室外环境空气中进行生物气溶胶监测的信号变化曲线。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图，通过实施例进一步详细描述本实用新型。
[0028]
如图1所示，本实用新型的基于atp生物化学发光的生物气溶胶在线监测系统(称为bioaeroalerter)包括：大流量风机1，旋流采样管2，直流电源4，储液管5，进液蠕动泵6，废液管8，出液蠕动泵10，集液管11，信号输出天线12，信号处理模块13，屏蔽暗室14，光电传感器15；其中供电线路3将直流电源4分别与大流量风机1、进液蠕动泵6和出液蠕动泵10连接，为它们提供动力；储液管5通过进液软管7连接到集液管11中部，集液管11底部通过出液软管9连接废液管8，进液蠕动泵6和出液蠕动泵10分别设置在进液软管7和出液软管9上。
[0029]
其中，大风量风机1的尺寸为97
×
94
×
33mm，额定电压为12v，额定电流为6a，风量为300cfm。所述旋流采样管2上部为一长150
±
50mm，内径55
±
10mm的圆筒，下部拼接的圆锥形漏斗高100
±
20mm，圆锥角25
±5°
，末端为一个带有密封橡胶圈的圆形孔，直径为20
±
5mm；进风口设置在圆筒上部侧面，为一内壁光滑的方形短管，长50
±
25mm，内径为20
±
5mm
×
15
±
5mm。所述集液管11直径20
±
5mm，长度50
±
10mm，其中部有一突出的小管用于连接进液软管7，以补充反应试剂；底部中心有一突出的小管用于连接出液软管9，排出反应后的废液；小管内径均为2
±
1mm，长10
±
5mm。屏蔽暗室14的外壳厚度为4
±
2cm，外侧涂布含有铜金属粉末的涂料，形成电磁屏蔽层。进液蠕动泵6和出液蠕动泵10的尺寸为3
×3×
2cm，额定电压为0～24v，输出量为0.05～5ml/min。进液软管7和出液软管9为有机硅塑料软管，管径为0.1～1mm。
[0030]
环境空气由大流量风机1驱动快速采集，经过旋流采集管2分离富集到集液管11中。集液管11中含有由进液蠕动泵6通过进液软管7输入和不断补充的包含细胞裂解液、萤光素酶、萤光素、镁离子等反应离子的反应液；反应液与富集到集液管11中的活的微生物反应，将微生物细胞裂解，其中的atp释放到反应液中，与萤光素在萤光素酶的催化下反应产生荧光信号，荧光信号被光电传感器15接收并转化为电信号输出到信号处理模块13，信号处理后通过信号输出天线12输出采集的活性生物气溶胶化学荧光信号到服务器。
[0031]
反应后的废液由出液蠕动泵10从集液管11中通过出液软管9输出到废液管8中储存。
[0032]
大流量风机1、进液蠕动泵6和出液蠕动泵10均由直流电源(锂电池)4通过供电线路3供电和控制。屏蔽暗室14的密闭外壳罩在集液管11和光电传感器15外，防止外界光电干扰造成信号波动。
[0033]
利用实施例中所述的基于atp生物化学发光的生物气溶胶在线监测系统，在生物安全柜内进行真菌孢子释放的监测试验。使用光学颗粒物粒度计测定生物安全柜中的颗粒物数浓度为0/m3，随后开启待测试的生物气溶胶在线监测系统，读取并记录了生物安全柜中的背景光学信号。如图2中“背景信号”段曲线所显示，该系统在无颗粒物的生物安全柜中背景信号基本稳定在500rlu。随后通过振动释放包裹在滤纸中的真菌孢子粉末，释放时刻为左侧虚线标注位置。从释放之后计时，15秒内相对光强度信号明显上升至1800rlu左右，随后缓慢回落。在图2中右侧虚线对应时刻再次释放真菌孢子，2秒内再次检测到生物气溶胶信号的上升。
[0034]
利用实施例中所述的基于atp生物化学发光的生物气溶胶在线监测系统，在实际室内和室外环境中进行生物气溶胶信号的实时监测试验，结果如图3所示。首先在室内测试了采样系统未开启前的室内生物荧光背景信号，约为30rlu。然后在室外开启该在线监测系统，测得室外检测的实际环境空气生物荧光信号约为440rlu。在室外条件下关闭采样系统，等待生物荧光信号稳定回落到室外背景生物荧光信号约为380rlu。再次开启在线监测系统，可以记录室外的生物气溶胶荧光信号重新上升并在400rlu到450rlu之间动态变化，反映了空气中生物气溶胶的动态变化过程。

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