CN105733934B - 一种电磁激励磁珠旋转型微生物气溶胶采集富集仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁激励磁珠旋转型微生物气溶胶采集富集仪，包括支架、轴流风扇、出气腔、采集器、电力电子单元和励磁线圈组；所述采集器、出气腔和轴流风扇固定设于所述支架上，所述出气腔套设于所述采集器内，所述采集器用于放置具有采集液；所述轴流风扇设于所述出气腔的上方，其用于收集待检测的气体样本，并通过所述出气腔下端设置的出气口将气体样本输入到所述采集器的采集液中，所述励磁线圈组连接所述电子电力单元，用于产生旋转磁场，其设于所述采集器的外侧，所述支架的内部。本发明的仪器通过励磁线圈产生旋转磁场，控制免疫磁珠在采集液中旋转，增加与气溶胶相遇的概率。本发明高效捕捉空气中微生物气溶胶的同时，可特异实现微生物样品的富集，特别适用环境空气中微生物病原体监测。

Description

一种电磁激励磁珠旋转型微生物气溶胶采集富集仪

技术领域

本发明涉及一种微生物气溶胶采集富集装置，具体涉及一种电磁激励磁珠旋转型微生物气溶胶采集富集仪。

背景技术

人类传染病和动物流行疫病一直影响着人类的健康，困扰着国际旅行、贸易及畜牧养殖业经济发展，甚至被利用成为生物恐怖因子影响社会稳定。而导致人类传染病和动物流行疫病的罪魁祸首，具有致病性的微生物，经常以气溶胶的形式存在于大气层的底层，当达到一定浓度时就会给人类健康和动物带来大规模威胁，如SARS、H1N1流感、MERS，H7N9流感，H5N1禽流感、口蹄疫、非洲猪瘟等。因此，及时、简便、准确地监测空气环境中的微生物，对保障人民健康和动物有着非常重要的意义。

高效、全面的采样是准确检测空气微生物的前提，常规的空气微生物采样方式主要有以下三种：基于固体培养基的采样法、基于物理作用及特性的采样法、基于液体采样介质的采样法。其中，固体培养基采样法难以及时、全面、准确地反映空气微生物组成的真实情况，物理作用及特性采样法对微生物的存活不利，且操作相对复杂，耗费时间也较长。业内普遍使用的是基于液体介质采样法，液体对微生物具有一定的保护作用，可避免收集过程中由于猛烈撞击导致的微生物死亡。

液体介质采样法又可分为：冲击法、气旋法、磁珠辅助气旋法等。冲击法利用喷射气流的方式将空气中的微生物粒子收集在小体积的液体中。气旋法利用空气高速流动，推动收集液形成漩涡，将空气中的颗粒物质溶入收集液中。磁珠辅助气旋法在采集液中投入纳米级免疫磁珠，配合气旋装置更好地采集富集气溶胶。

在传染病气溶胶监测中，以上三种液体介质采集仪的实用性均有待一步提高，主要原因可以归纳为3点：

1)采集效率较低，气溶胶与采集液不能充分接触，难以被采集液全部收集，并且易产生再流失现象；富集过程采用纳米磁珠吸附病毒，单磁珠与气溶胶颗粒相对运动速度低，近似于静止状态，致使其空间接触概率低，富集率不理想，易导致假阴性结果。

2)单位时间内耗电量大，纯电池供电状态下可持续工作时间短，仅为10～90分钟，不适合用于外接电源的野外作业和特殊环境作业。同时，受此限制，现有采集器设计的总流通量偏低，难以采集到足够多的空气样品，降低了细菌、病毒的检出率。

3)便携性差，多数仪器重量为20～40公斤，体积约为10～30升，携带困难，增加了单人作业和多仪器多点协同作业的难度。

现有微生物气溶胶采集仪的采样效率、耗电量及便携性等方面还需完善，距离实际应用尚有发展空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁激励磁珠旋转型微生物气溶胶采集富集仪以解决现有微生物气溶胶采集的采样效率低、耗电量大及不易携带等技术问题。

本发明提供了一种电磁激励磁珠旋转型微生物气溶胶采集富集仪，包括支架、轴流风扇、出气腔、采集器、电力电子单元和励磁线圈组；所述采集器、出气腔和轴流风扇固定设于所述支架上，所述出气腔套设于所述采集器内，所述采集器用于放置采集液；所述轴流风扇设于所述出气腔的上方，其用于收集待检测的气体样本，并通过所述出气腔下端设置的出气口将气体样本输入到所述采集器的采集液中，所述励磁线圈组连接所述电子电力单元，该励磁线圈组用于产生旋转磁场，其设于所述采集器的外侧，所述支架的内部。

在一些实施例中，优选为，所述出气腔为上部为倒锥形开口、下部为圆柱形的腔室，在其下部底面上设置有若干出气口，所有所述出气口相对于所述出气腔的轴线均布，所有所述气口的轴线均与所述出气腔的轴线平行。

在一些实施例中，优选为，所述出气口管道的数量大于等于12个，所有所述出气口管道的横截面总面积大于所述出气腔下端圆柱形部分横截面积的1/3。

在一些实施例中，优选为，所述出气腔下端的底面设为水平面。

在一些实施例中，优选为，所述采集器为上端倒锥形、下端圆筒形的容器，所述圆筒形的容量大于等于15mL。

在一些实施例中，优选为，所述采集器为上端倒锥形的顶部外边缘拓展为方形，该方形上设有与所述支架固定的安装孔。

在一些实施例中，优选为，所述轴流风扇、出气腔、采集器和励磁线圈组的中心轴重合，所述励磁线圈组的高度与所述采集器内放置有采集液静止时的中心高度一致。

在一些实施例中，优选为，所述励磁线圈组由六组励磁绕组构成，其空间呈环形，对称分布，每个所述励磁绕组均由3个励磁线圈组成，其垂直方向中心高度一致。

在一些实施例中，优选为，所述微生物气溶胶采集富集仪还包括电池，所述电池连接所述电力电子单元，所述电力电子单元把所述电池供给的直流电转换成三相交流电流，通过所述励磁线圈组产生旋转磁场，所述轴流风扇连接所述电池。

在一些实施例中，优选为，所述采集液为带有免疫磁珠的测试液，通过所述免疫磁珠来捕捉待测气体携带的微生物，测试时所述采集液的上液面需要超过所述出气腔下端的底平面。

本发明中的电磁激励磁珠旋转型微生物气溶胶采集富集仪，通过采用气液混合方式收集气溶胶，在待检测的采集液中投入免疫磁珠来捕捉待测气体携带的微生物，并通过励磁线圈组产生旋转磁场控制免疫磁珠旋转，增加免疫磁珠与气溶胶相遇和吸附的概率。

为了便于野外作业，该仪器还设有电池，可直接向电力电子单元供电以产生三相交流电，通过励磁线圈组产生旋转磁场，该装置结构简单，操作环节连贯、实施简便，有效实现其病原体微生物的富集方式与现有微生物检测方法对接，简单、省时省力、携带方便。

附图说明

图1为本发明一优选实施例的结构示意图。

图2为本发明一优选实施例中出气腔的结构示意图。

图3为本发明一优选实施例中出气腔的结构示意图。

图4为本发明一优选实施例中采集器的结构示意图。

图5为本发明一优选实施例中励磁线圈组的空间位置示意图。

图6为本发明一优选实施例中电力电子单元的电路示意图。

图7为本发明一优选实施例中励磁线圈组的展开电气连接示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面请参考附图并结合实施例来详细说明本发明，附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制。

为了解决现有微生物气溶胶采集仪采样效率低、耗电量大及不易携带等不足，本发明提供一种电磁激励磁珠旋转型微生物气溶胶采集富集仪，其包括支架、轴流风扇、出气腔、采集器、电力电子单元和励磁线圈组；所述采集器和出气腔设于所述支架上，所述出气腔套设于所述采集器内，所述采集器用于放置采集液；所述轴流风扇设于所述出气腔的上方，其用于收集待检测的气体样本，气体样本通过所述出气腔将气体样本输入到所述采集器的采集液中，所述励磁线圈组连接所述电子电力单元，该励磁线圈组用于产生旋转磁场，其设于所述采集器的外侧，所述支架的内部。

使用时，在采集器内放置用于捕获微生物磁珠的采集液，采集液要没过出气腔的出气口，轴流风扇将待测气体样本吸入出气腔，再由出气腔喷出进入密闭的采集器的采集液，使气体样本能够完全与采集液充分接触；励磁线圈组产生旋转磁场从而能控制采集液中的免疫磁珠进行旋转运动，增加气体样本与采集液接触的几率，提高检测效率，有效避免假阴性结果的出现。

具体如图1所示，本发明微生物气溶胶采集富集仪包括支架1、轴流风扇2、出气腔3、采集器4、电力电子单元5和励磁线圈组6。以采集富集装置的使用状态设定上、下方向，即采集器4位于出气腔3的下方，采用可拆卸设置。轴流风扇2、出气腔3和采集器4均设置在支架1上。也就是说，支架1用于固定放置轴流风扇2、出气腔3和采集器4。轴流风扇2设于所述出气腔3的上方，出气腔3套设于采集器4内，轴流风扇2将待测气体输送到出气腔3中，再由出气腔下端的出气口喷入采集器4。励磁线圈组6连接电力电子单元5，励磁线圈组6用于产生旋转磁场，其设于采集器4的外侧，支架1的内部。

出气腔的上部为倒锥形开口、下部为圆柱形的腔室，在其下部底面上设置有若干出气口，所有所述出气口相对于所述出气腔的轴线均布，所有所述气口的轴线均与所述出气腔的轴线平行。具体地，如图2和图3所示，所述的出气腔3为一腔体，其上部为倒锥形筒301，下部为圆柱筒302，倒锥形筒301的上端开口，倒锥形筒301的下端与圆柱筒302的上端相接。圆柱筒302下端的底面303为水平面，底面303上设置有若干出气口管道304，出气口管道304，相对于出气腔3的轴线均布设置，所有出气口管道的轴线均与出气腔3的轴线在空间上相隔，也就是说出气口管道的轴线相对于出气腔3的轴线保持平行。出气口管道304的数量不少于12个，优选为20-64个，出气口管道横截面的总面积大于圆柱筒302截面积的1/3。出气口管道304直接加工在出气腔3的底面上，加工方便，并可保证待测气体的喷出方向在喷出过程中不变，能有效与采集液充分接触。出气口管道短，不易堵塞，易于清洗；出气口数量多，出气口的总面积较大，一方面保证了单位时间内与采集液接触的气溶胶颗粒总量，另一方面降低了采集富集仪整体气流系统所需的压差。常规风扇的功率由压差和流量决定，在低压差情况下，功率较小的风扇也能提供充足的气体流量，便于实现采集率与耗电量的均衡。

采集器设为上端为倒锥形、下端圆筒形的容器，所述圆筒部分的容量大于等于15mL。具体如图4所示，采集器4为上端由倒锥形筒401和设置在下方的圆柱筒402构成的容器，倒锥形筒401的上端开口，下端与圆柱筒402相接，圆柱筒402的下端封闭，用于放置采集液。倒锥形筒401的顶部外边缘拓展为方形，方形架上设有安装孔403，便于与支架1固定，拆卸方便。圆柱筒402主要用于存放采集液。

本发明采集富集仪使用时，添加的采集液，要求采集液的上液面需要高于出气腔3的下端底面303，采集液容量不少于15mL。这种结构能够保证有足够量采集液与大流量空气样品混合，避免由于采集液很快蒸发而导致气溶胶流失。采集液带有免疫磁珠，并通过免疫磁珠来捕捉并富集待测气体携带的微生物。

在支架1的固定作用下，轴流风扇2、出气腔3和采集器4与励磁线圈组6的中心轴重合，励磁线圈组6的中心高度应尽量保持与采集液静止时的中心高度一致。如图5所示，采集富集仪的励磁线圈组6由第一绕组601、第二绕组602、第三绕组603、第四绕组604、第五绕组605和第六绕组606构成，在空间呈环形，对称分布。每个励磁绕组601-606均由3个励磁线圈组成，其垂直方向中心高度一致。

为了便于在野外作业或没有市电的情况下使用该仪器，微生物气溶胶采集富集仪还设有电池，电池连接电力电子单元，电力电子单元连接励磁线圈组，轴流风扇直接连接电池。如图1中所示，电力电子单元5设于励磁线圈组6的下方，电池7设于电力电子单元5的左侧。优选地，电池选用可充电电池。

如图6所示，电力电子单元包括母线电容C1、第一绝缘栅双极晶体管MOSFET Q1、第二绝缘栅双极晶体管MOSFET Q2、第三绝缘栅双极晶体管MOSFET Q3、第四绝缘栅双极晶体管MOSFET Q4、第五绝缘栅双极晶体管MOSFET Q5、第二绝缘栅双极晶体管MOSFET Q6、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5，以及第六功率二极管D6，连接形成常规的逆变电路。如图6所示电力电子单元5的左侧为直流端，连接可充电电池，右侧为交流端，具有三相电路，分别连接励磁线圈组6具有的三相电路。每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，通过PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号。在采集富集仪开始工作时，通过常规的SPWM控制方法，电力电子单元5把电池7供给的直流电转换成三相交流电流，通过励磁线圈组6产生旋转磁场。

如图7所示，励磁线圈组6分为三相，分别连接电力电子单元5的三个交流输出端。其中，第一绕组601与第四绕组604为第一相，第二绕组602与第四绕组605为第二相，第二绕组602与第四绕组605为第三相。励磁线圈组6三相绕组的一端连接电力电子单元5的输出侧，励磁线圈组6三相绕组的另一端连接在一起，形成中点。

测试时，将本发明微生物气溶胶采集富集仪放置在待测区域内，启动轴流风扇2，将待测气体抽入出气腔3中，待测气体从设置在其底面303上的出气口管道304喷出，喷入采集器4中的采集液中。由于若干出气口管道304位于采集器4的底面303的上，且其出口均垂直向下，同时向采集器4中喷出气体时，可减少旋转气流的形成，降低轴流风扇所需要的压差。所有采集的待测气体能够完全喷射到采集液中并混合，实现空气中气溶胶与采集液的高效采集。同时，励磁线圈组6产生旋转磁场，控制采集液中的免疫磁珠旋转，增加免疫磁珠与气溶胶接触与富集的概率。在气体采集完毕后，从上方将出气腔3从采集器4中取下，并改变电力电子单元5的运行方式，形成三相相同的直流电流，并通过励磁线圈组6产生固定磁场。此时，采集液中免疫磁珠通过磁力作用全部粘附于采集器4的侧壁后，可以通过吸管、吸球等仪器将采集液吸出，并将富集有微生物的磁珠保留在管壁用于下一步微生物检测。

采用本发明的微生物气溶胶采集富集仪对模拟空气气溶胶的测试，结果表明，该仪器可准确、快速、高校采集并富集环境空气等气溶胶中微生物。

本发明的电磁激励磁珠旋转型微生物气溶胶采集富集仪的具有优点如下:

1、出气腔的设计符合流体力学原理，出气口总面积较大，一方面保证了单位时间内与采集液接触的气溶胶颗粒总量，另一方面降低了仪器整体气流通道所需的压差；

2、若干出气口管道具有的同腔体、短管道布局，使出气腔的出气口管道不易堵塞，易于清洗；

3、采集器为倒圆锥与圆柱组合形状腔体，便于搭配出气腔的拆装；

4、采集器具备较大的液体样品容量，能够匹配较大气流量的采集，采集液中还直接加入微生物捕捉用免疫磁珠，并通过电磁激励的方式控制免疫磁珠进行旋转运动，在气液混合的同时实现对气溶胶中微生物的捕捉。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种电磁激励磁珠旋转型微生物气溶胶采集富集仪，其特征在于，其包括支架、轴流风扇、出气腔、采集器、电力电子单元和励磁线圈组；所述采集器、出气腔和轴流风扇固定设于所述支架上，所述出气腔套设于所述采集器内，所述采集器用于放置采集液；所述采集液为带有免疫磁珠的测试液，通过所述免疫磁珠来捕捉待测气体携带的微生物，测试时所述采集液的上液面需要超过所述出气腔下端的底平面；所述轴流风扇设于所述出气腔的上方，其用于收集待检测的气体样本，并通过所述出气腔下端设置的出气口将气体样本输入到所述采集器的采集液中，所述励磁线圈组连接所述电子电力单元，该励磁线圈组用于产生旋转磁场，其设于所述采集器的外侧，所述支架的内部。

2.如权利要求1所述的微生物气溶胶采集富集仪，其特征在于，所述出气腔为上部为倒锥形开口、下部为圆柱形的腔室，在其下部底面上设置有若干出气口管道，所有所述出气口管道相对于所述出气腔的轴线均布，所有所述出气口管道的轴线均与所述出气腔的轴线平行。

3.如权利要求2所述的微生物气溶胶采集富集仪，其特征在于，所述出气口管道的数量大于等于12个，所有所述出气口管道的横截面积总面积大于所述出气腔下端圆柱形部分横截面积的1/3。

4.如权利要求3所述的微生物气溶胶采集富集仪，其特征在于，所述出气腔下端的底面设为水平面。

5.如权利要求1所述的微生物气溶胶采集富集仪，其特征在于，所述采集器为上端倒锥形、下端圆筒形的容器，所述圆筒形的容量大于等于15mL。

6.如权利要求5所述的微生物气溶胶采集富集仪，其特征在于，所述采集器为上端倒锥形的顶部外边缘拓展为方形，该方形上设有与所述支架固定的安装孔。

7.如权利要求1所述的微生物气溶胶采集富集仪，其特征在于，所述轴流风扇、出气腔、采集器和励磁线圈组的中心轴重合，所述励磁线圈组的高度与所述采集器内放置有采集液静止时的中心高度一致。

8.如权利要求1所述的微生物气溶胶采集富集仪，其特征在于，所述励磁线圈组由六组励磁绕组构成，其空间呈环形，对称分布，每个所述励磁绕组均由3个励磁线圈组成，其垂直方向中心高度一致。

9.如权利要求1-8中任一所述的微生物气溶胶采集富集仪，其特征在于，所述微生物气溶胶采集富集仪还包括电池，所述电池连接所述电力电子单元，所述电力电子单元把所述电池供给的直流电转换成三相交流电流，通过所述励磁线圈组产生旋转磁场，所述轴流风扇连接所述电池。