CN102109423A - 一种基于静电场的空气采样器及采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于静电场的空气采样器及采样方法。空气采样器主要包括半球形电极(1)，圆形电极(2)，样品采集槽(4)。该发明利用静电场使采样空间内空气中带电荷微生物在电场作用下，沿电场方向集中沉积于半球中心相对较小区域的液体介质中，同时将空气样品在微型蠕动泵的驱动下实现动态输送。本发明克服了现有技术中低效率、没有样品自动输送系统等缺点，采用了新型的静电场采集方法，通过静电场将空气样品采集到微量液体介质中，并通过进出口将空气样品动态输送给生物/化学传感器。本发明不仅实现了空气样品的高倍浓缩，而且也可以实现与传感器的集成，在环境监测等领域有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气采样器，尤其是一种新的基于静电场的空气采样装置及采样方法，主要可应用在空气质量的环境监测。
背景技术
当前我国重大环境问题频繁发生，环境污染已严重威胁着居民的健康。除了化学污染物外，空气中还有大量的细菌、病毒、真菌等生物成分。研究表明这些微生物通过呼吸暴露造成了诸多健康问题(比如2003年SARS和2009年H1N1的全球爆发)，空气中细菌、病毒等的监测显得尤为重要。然而，作为监测环境重要的一步，空气样品的有效采集一直是一个难题。目前应用较多的是利用撞击原理设计的BioSampler(SKC)，它克服了颗粒物反弹以及气溶胶二次气溶胶化的问题，在12.5L/min的流量下，将空气样品采集到液体介质。另外一个是Andersen采样器，将空气样品采集到固体培养基上。还有研究利用过滤膜采集空气样品，然后通过洗脱等程序对空气样品进行分析。但是这些方法都会对空气中的细菌、病毒造成一定的损伤，导致不能通过培养的方法检测到。20世纪80年代基于扩增方法的兴起在很大程度上提高了检测的效率，但基因扩增技术是通过在水中发生聚合反应，对样品DNA扩增，从而实现检测的目的。这个技术的应用，常常需要一种能将空气中微生物直接采集到水中的技术，从而实现在空气中微生物的在线监测。这方面在防范生物恐怖和在线检测空气的生物污染等领域有很大的需求。
近年来，利用静电技术采集空气中微生物的研究越来越多。静电场采集技术是基于空气中颗粒自身带有的电荷(Xie，C.，Shen，F.and Yao，M.(2010)，A Novel Method for Measuring the Charge Distribution of Airborne Microbes，Aerobiologia，DOI：10.1007/s10453-010-9183-x)，在静电场强下，沉降到采集介质上。研究表明，静电场采样器比传统的BioStage(Andersen采样器)采集细菌、真菌的效率要高达5倍之多，并对微生物的损伤较小(Yao，M.，& Mainelis，G.(2006).Utilization of Natural Electrical Charges on Airborne Microorganisms for their Collection by Electrostatic Means.J.Aerosol Sci.37：513-527)，另外一项研究也表明，静电场采集空气中毒素、过敏原时也比BioSampler的采集效率要高很多(Yao，M.，Zhang，H.，Dong，S.，Zhen，S.&Chen，X.(2009).Comparison of Electrostatic Collection and Liquid Impinging Methods when Collecting Airborne House Dust Allergens，Endotoxin And(1，3)-B-D-Glucans.J.Aerosol Sci.40：492-502)。但目前的静电场采样器对空气的凝缩率较低，这对低浓度的微生物检测造成技术上的瓶颈。
发明内容
本发明旨在提供一种新型的静电场空气采样器，实现对空气中细菌、病毒等带电颗粒的高效采集、浓缩和自动输送。
本发明的主要技术原理是：利用静电场使采样空间内空气中带电荷微生物在电场作用下，沿电场方向集中沉积于半球中心相对较小区域的液体介质中，同时将空气样品在微型蠕动泵的驱动下实现动态输送。
本发明的技术方案如下(如图1所示)：
方案1：一种基于静电场的空气采样器，其特征在于，包括：半球形电极1，圆形电极2，样品采集槽4；其中，半球形电极1被固定在绝缘底座6上，圆形电极2位于绝缘底座6上半球形电极1的球心位置，所述样品采集槽4位于球形电极2的上方；半球形电极1顶部有两个空气进口11；在绝缘底座6上设有多个空气出口10；在样品采集槽4内有一个样品输送出口8和一个采集液输入口9。
方案2：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述半球形电极1的材质为导电金属，直径为90±30mm。其中最佳为95mm。
方案3：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，用紫铜制作的螺丝母7把半球形电极1与绝缘底座6固定，所述螺丝母7同时作为半球形电极1的引出电极，连接高压电源的一端输出。
方案4：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，在半球形电极1的表面用绝缘泥涂覆。
方案5：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述空气进口的个数为3，每个进口的直径为5mm，孔间间距为5mm。
方案6：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，半球形电极1顶部设置充电装置5，所述充电装置5加工成空心圆柱体，圆柱侧壁对称位置安装一对紫铜电极，所述空心圆柱将空气入口11包围在其内部，充电装置由粘性的绝缘泥与半球形电极1固定。
方案7：作为方案6的一种优选实现，其特征在于，所述充电装置5的材质为聚四氟乙烯绝缘材料。
本发明同时提供了利用该空气采样器进行采样的方法，方案如下(参见图3)：
方案8：一种利用方案1所述的空气采样器进行空气采样的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)在所述空气采样器12的绝缘底座6的样品采集槽4中滴加采样介质；
b)使用螺丝母固定连接半球形电极1与绝缘底座6，把高压直流电源的正负极分别接到空气采样器12的圆形电极2以及半球形电极1；
c)将真空泵14的抽气管连接到绝缘底座6下方的的空气出口10，同时在空气入口11加载颗粒充电装置5；
d)依次打开充电装置5、高压直流电源13、真空泵14，即可开始采样；
e)样品采集完毕，先关掉高压直流电源13，然后将圆形电极2揭开，利用移液管将样品取出。
方案9：作为方案8的一种优选实现，其特征在于，所述步骤e)被如下步骤取代：从采样器绝缘底座6的反面沿着空气出口插入两根金属管，连接蠕动泵的样品输送管，实现实时输运样品，同时不断补给新鲜采集液的目的。样品可以直接输送到带有生物/化学传感器的装置，用以进行生物检测。
方案10：作为方案8的一种优选实现，其特征在于，步骤a)中所述的采样介质为200-400微升的无菌水。
本发明的有益效果：本发明克服了目前空气采样上的一些缺陷(如低效率、没有样品自动输送系统等)，采用了新型的静电场采集方法，通过静电场将空气样品采集到微量液体介质中(200-400微升)，并通过进出口将空气样品动态输送给生物/化学传感器。本发明不仅实现了空气样品的高倍浓缩，而且也实现了与传感器的集成，在环境监测等领域有很好的应用前景。
附图说明
图1静电场采样器的结构示意图：(A)为采样器的侧视图，(B)为采样器的俯视图
图2半球电极直径为95mm的电场强度矢量分布
图3静电采样及采样液运输系统示意图。
图4新型静电场采样器采集空气中细菌粒径颗粒物的物理效率
具体实施方式
图1是静电场采样器的结构示意图。采样器由半球电极和绝缘底座构成半球型采样空间。其中1-半球形电极；2-圆形电极；3-外加电压接口；4-样品采集槽；5-颗粒充电器；6-绝缘底座；7-螺丝母；8-样品输送出口；9-采集液输入口；10-空气出口，11-空气入口。半球电极的最佳半球直径为95mm(根据情况可以上下波动20-30mm)，对称的两个长臂和螺纹孔用来与绝缘底座固定密封。采用M5的螺丝母固定连接半球形电极与绝缘底座，且螺丝母的材料为紫铜，同时作为半球电极的引出电极，连接高压电源的一端输出。半球材料为钢，为了保证良好的导电性，长臂材料选用的是常用作电极材料的紫铜，并与半球焊接。半球和两个长臂的表面均用绝缘泥涂覆，一方面可以避免充电装置电场与高压半球电场相互放电，损坏高压电源；另一方面，可以实现与充电装置的固定连接。半球顶部加工3个直径为5mm的进气孔，孔间间距为5mm。
绝缘底座的材料采用有机玻璃，能有效地绝缘且易于加工。沿底座的圆周方向均匀分布了4个M5螺纹孔，方便半球电极与底座的固定。底座总厚度为8mm，直径230mm。底座正面的中心加工直径16mm，深度为1mm的凹槽，作为液体样采集槽，盛装采集到的空气中的微生物颗粒。如图1(B)中所示，样品采集槽内有两个对称的直径为2mm，深度为7mm的液体介质进出口：样品输送出口和采集液输入口。从底座的反面沿着空气出口插入两根内径为1mm的金属管，用来连接蠕动泵的样品输送管。距离样品采集槽边缘2.5mm的两侧，对称加工直径7mm，深度8mm的通孔，连接真空泵。
采样器的半球形电极顶部设置充电装置如图1所示，使带电颗粒进入采样空间前带一定量电荷。充电装置采用聚四氟乙烯绝缘材料，加工直径20mm，高度为30mm的空心圆柱。圆柱侧壁对称位置安装一对直径3mm的紫铜电极。空心圆柱将三个空气入口包围在其内部。充电装置由粘性的绝缘泥与半球形电极固定。当对紫铜对电极施加直流电压时，由于紫铜电极直径较小，因此充电装置内部空间，对电极附近形成了较强的恒定电场。电场使电极附近的空气发生电离，产生较多的正负电荷。当微生物颗粒通过充电区域时，表面会吸附一定电荷。由静电场作用力公式可知，颗粒所带电荷与电场作用力成正比，因此有望获得较高的颗粒采集效率。
图2所示是静电场分布示意图，由图中可以看出，场强方向由中心指向外圆，取决于高压电源的正负连接。图中标尺的深度从左到右的变化表示电场强度大小的由小到大，同时在电场空间对应不同深浅的箭头，表明电场强度的方向。深色区域是电场强度最大的区域，而浅色区表示电场强度最小的区域。当外加电压为20kV时，场强大小可达2×106V/m，这对带电颗粒具有较强的电场力。相同的直流采样电压时，半球电极直径越小，进入采样空间内的带电颗粒所受电场力越大，且由电场力起决定作用的区域越大，收集效果会明显改善。但考虑到采样器的电场方向与空气流方向在同一个平面上，半球电极直径减小的同时，空气流经过采样空间停留的时间越短，相应地荷电颗粒受电场力作用的变小，惯性力起主导主用。因此本采样器选用电场强度大小相对较大的，直径为95mm(根据情况可上下波动10-20mm)的半球形电极。
采样器及采样系统如图3所示。其中12-静电场采样器(图1所示)，13-高压直流电源，14-真空泵，15-样品输送管，16-生物/化学传感器，17-蠕动泵，18-样品收集瓶，19-采集液瓶。采样系统由静电采样器，真空泵，蠕动泵以及高压直流电源(Spellman205B)构成。其中真空泵采用Vac-U-GoAreaSamplingPump(SKC)，最大流量30L/min。抽气管道直径10mm，连接采样器空气出口的两个管道与连接气泵的单管通过三口转接头连接。蠕动泵为BL100(常州普瑞流体公司)，可实现的流量范围为0.006ml-30ml/min，所用样品输运管道为壁厚1mm，内径1mm的硅胶管。
采样步骤如下：
a)在绝缘底座的样品采集槽中滴加大约200-400微升无菌水(或其他采样介质)；
b)使用M5的螺丝母固定连接半球形电极与绝缘底座，把高压直流电源的正负极分别接到采样器的圆形电极以及半球形电极；
c)真空泵的抽气管连接到绝缘底座下方的的两个空气出口，同时在空气入口加载颗粒充电装置；
d)最后依次打开充电装置、高压直流电源、真空泵，即可开始采样，采样时间根据情况而定；
e)样品采集完毕，先关掉高压直流电源，然后按顺序将圆形电极揭开，利用移液管将样品取出，置冰箱4℃保存待测。
注意：在不连接生物/化学传感器时，要封上两个金属管通孔。在需要连接生物/化学传感器时，两个金属管通孔分别连接蠕动泵的两个管口，实现实时输运样品，同时不断补给新鲜采集液的目的。
图4所示的是该新型采样器对空气采样时的物理采集效率，从图中可以看出，在外加电压为20kV时，该采样器对0.65-0.8微米粒径的颗粒物的采集效率可达90％以上。
Claims (10)
1.一种基于静电场的空气采样器，其特征在于，包括：半球形电极(1)，圆形电极(2)，样品采集槽(4)；其中，半球形电极(1)被固定在绝缘底座(6)上，圆形电极(2)位于绝缘底座(6)上半球形电极(1)的球心位置，所述样品采集槽(4)位于球形电极(2)的上方；半球形电极(1)顶部有多个空气进口(11)；在绝缘底座(6)上设有两个空气出口(10)；在样品采集槽(4)内有一个样品输送出口(8)和一个采集液输入口(9)。
2.如权利要求1所述的空气采样器，其特征在于，所述半球形电极(1)的材质为导电金属，直径为90±30mm。
3.如权利要求1所述的空气采样器，其特征在于，用紫铜制作的螺丝母(7)把半球形电极(1)与绝缘底座(6)固定，所述螺丝母(7)同时作为半球形电极(1)的引出电极，连接高压电源的一端输出。
4.如权利要求1所述的空气采样器，其特征在于，在半球形电极(1)的表面用绝缘泥涂覆。
5.如权利要求1所述的空气采样器，其特征在于，所述空气进口(11)的个数为3，每个进口的直径为5mm，孔间间距为5mm。
6.如权利要求1所述的空气采样器，其特征在于，半球形电极(1)顶部设置充电装置(5)，所述充电装置(5)加工成空心圆柱体，圆柱侧壁对称位置安装一对紫铜电极，所述空心圆柱将空气入口(11)包围在其内部，充电装置由粘性的绝缘泥与半球形电极(1)固定。
7.如权利要求6所述的空气采样器，其特征在于，所述充电装置(5)的材质为聚四氟乙烯绝缘材料。
8.一种利用权利要求1所述的空气采样器进行空气采样的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)在所述空气采样器(12)的绝缘底座(6)的样品采集槽(4)中滴加采样介质；
b)使用螺丝母固定连接半球形电极(1)与绝缘底座(6)，把高压直流电源的正负极分别接到空气采样器(12)的圆形电极(2)以及半球形电极(1)；
c)将真空泵(14)的抽气管连接到绝缘底座(6)下方的的空气出口(10)，同时在空气入口(11)加载颗粒充电装置(5)；
d)依次打开充电装置(5)、高压直流电源(13)、真空泵(14)，即可开始采样；
e)样品采集完毕，先关掉高压直流电源(13)，然后将圆形电极(2)揭开，利用移液管将样品取出。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤e)被如下步骤取代：从采样器绝缘底座(6)的反面沿着空气出口插入两根金属管，连接蠕动泵的样品输送管，实现实时输运样品，同时不断补给新鲜采集液的目的。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤a)中所述的采样介质为200-400微升的无菌水。
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