CN108998367A - 一种可用于高通量测序的便携式微生物气溶胶采样装置 - Google Patents

一种可用于高通量测序的便携式微生物气溶胶采样装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种可将采集到的样本用于高通量测序测空气环境微生物多样性的便携式微生物气溶胶采样装置。包括壳体及监测显示装置、风机装置、PM10气溶胶切割器、灭菌装置、滤膜固定装置。本发明以Marple理论为基础，分离出可吸入颗粒物，再通过抽滤将微生物气溶胶拦截在孔径为0.4um的Tissuquartz滤膜上，截留率高达99.9％。以紫外线、臭氧为灭菌方法对装置内部及Tissuquartz滤膜深层进行前期灭菌，大幅减小装置内部及滤膜原有微生物对测序的影响。本发明的优点和积极效果在于：装置结构简单，易于生产、携带；气溶胶截留率高；人手动参与步骤少，降低对滤膜的污染机率，提高测序结果可信度。

Description

一种可用于高通量测序的便携式微生物气溶胶采样装置
技术领域
本发明涉及采样装置领域，具体涉及一种可将采集到的样本用于高通量测序测空气环境微生物多样性的便携式微生物气溶胶采样装置。
背景技术
传统上，通过惯性撞击原理将悬浮在空气中的微生物气溶胶收集到采样介质表面上，然后培养并进行微生物学分析是鉴定空气中微生物多样性的主要方法，但是使用该方法很大程度上低估了空气中的微生物多样性，因为许多微生物不易培养。随着DNA测序技术的进步，产生了广泛的基因组学和宏基因组学相关知识，其可以极大地提高识别和研究大气中细菌、真菌等微生物多样性的能力。
随着城市的发展，密闭、半密闭式的建筑室内空气环境对人体健康的潜在影响受到公众的关注，尤其具有潜在致病性的微生物，更是公众关注的焦点。因而结合DNA测序鉴定室内空气微生物群落多样性，得到室内空气中是否含有致病性微生物的相关研究发展迅速。
然而，相关研究面临诸多问题，特别是如何有效的提取室内低密度的微生物气溶胶样本，同时国际上亦缺乏对微生物气溶胶样本收集和处理的标准。部分文献[1,2]表明，利用不同采样器、不同方法进行微生物气溶胶采样会对高通量测序鉴定室内微生物群落产生不同的影响。如在相同环境、相同条件下Durham-type spore trap(Durham)优先收集到蓝藻、放线菌等，high-throughput'Jet'spore andparticle sampler(Jet)则优先收集到变形菌、厚壁菌等，相比较而言a seven-day recording volumetric spore trap(HST)得到了最多的空气微生物多样性。
现有的微生物气溶胶采样装置或方法均具有一定的局限性，专利号US9433883B2的“Device and method for collecting airborne microorganisms[3]”利用多种方法减少了横向风流，虽增加了微生物捕获率，但增长率不高，且通过斯托克斯数公式可知，气溶胶直径过小时，难以保证其捕获率，但气溶胶直径越小对人体伤害越大，其是多样性检测的重点，且孔径较小，制作、维修难度较高，故不推荐引用此法收集气溶胶。且此方法采样原理为撞击法，为使撞击至收集板上的气溶胶颗粒不受横向风流影响，收集板需涂抹具有一定粘性的物质，使气溶胶撞击在该物质上，阻止气溶胶横向移动脱离收集板，故取得的混合具有粘性物质的气溶胶样本进行高通量测序前处理过程时，难以离心、剥离，很大程度上影响最终所得多样性结果。
专利号CN104865106A的“一种微生物气溶胶采样装置”通过采样膜与生理盐水进行气溶胶收集，采样数量与质量得到了保证，但装置收集部分暴露于大气中，易受各种外界因素影响。且装置搭建繁琐不易于携带。
非专利文献“Optimized DNA extraction and metagenomic sequencing ofairborne microbial communities”[4]通过500摄氏度高温对滤膜进行灭菌处理，此法耗时极长；设备搭建繁琐、体积大，不易于携带。此法使用大功率风机进行抽滤，效果虽好，但设备整体体积较大，噪音大，针对室外环境尚可，但不适于室内人流较多的医院、商场等对噪音、空间有一定要求的环境；且风量较大，实际应用中会对滤膜产生一定的破坏作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微生物气溶胶采样装置，其能够应用于高通量测序，易于携带。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种微生物气溶胶采样装置，其特征是，包含：
壳体及监测显示装置，其底壳上设有进气口；
风机装置，其设置在壳体内底端；
PM10气溶胶切割器，其设置于壳体内顶端；
灭菌装置，其设置于PM10气溶胶切割器下端；
滤膜固定装置，其设置于PM0气溶胶切割器与风机装置之间，用以收集直径10um及其以下的气溶胶。
以上为装置采样部分核心。
风速传感器，其设置于风机出风口；
温湿度传感器，其设置于紫外及臭氧灭菌装置中；
显示屏，其设置于壳体正面；
镇流器，其设置于壳体内部，显示屏背面；
散热风机，其设置于壳体侧面；
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的PM10气溶胶切割器，其设置于壳体内顶端，利用空气动力学原理使直径10um以上气溶胶撞击至捕集板上黏附，10um及其以下的气溶胶随气流方向通过通气口。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的PM10气溶胶切割器，其包含：顶部防尘盖，防虫网，孔板，直径10um以上颗粒物捕集板，滤膜固定部分。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的PM10气溶胶切割器，直径10um以上气溶胶撞击至捕集板上黏附，直径10um以下气溶胶随气流通过的空气动力学条件用Stokes准数St及雷诺数Re描述,定义为颗粒穿透距离(Stopping distance)与导流孔径的比值,可用下式表示
ρp为气溶胶密度，d为颗粒直径，u为导流孔231流体平均速度，C为坎宁安校正因子，μ为空气粘度系数，L为导流孔231直径。
ρf为空气密度，余者同上
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的PM10气溶胶切割器，捕集板为多环型，且各环型两侧通气口边有凸起部分，阻止10um以上气溶胶随从导流孔排出的空气横向流向通气口混入已分离出的10um以下气溶胶空气中。捕集板上涂抹凡士林等物质，增加粘性。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的PM10气溶胶切割器，导流孔数量多，通气量大，相对加快了采样速度。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的PM10气溶胶切割器，气流总体朝下，无曲折线路，减小了风阻，间接增大了通风量。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的灭菌装置，其设置于PM10气溶胶切割器下端，包含两只紫外灯，一只为不产臭氧波段紫外线，一只为产臭氧波段紫外线。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的灭菌装置，用以杀灭装置空气传动通道内杂菌及滤膜表面及深层菌。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的灭菌装置，开启产臭氧紫外灯，通过风机负压抽滤使臭氧扩散至设备气道内，通过紫外及臭氧双重作用杀死通道内杂菌，穿过滤膜过程中，臭氧可扩散至滤膜表面及深处，将滤膜表面及深处微生物杀灭。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的灭菌装置，开启不产臭氧紫外灯，将装置至于待测室内环境，通过风机负压抽滤，使不含臭氧的空气通过设备气道，将残余臭氧排出，通过滤膜时可将附着在滤膜上的臭氧带离。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的灭菌装置，使用臭氧杀灭微生物的过程中，其可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏细胞、核糖核酸(RNA)，分解脱氧核糖核酸(DNA)、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的代谢和繁殖过程遭到破坏。细菌被臭氧杀死是由细胞膜的断裂所致，这一过程被称为细胞消散，是由于细胞质被粉碎引起的，在消散的条件下细胞不可能再生。这样从根本上解决原附着在滤膜上的细菌对最终所得多样性结果的影响。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的灭菌装置，使用臭氧及紫外杀菌，易于控制、效率高、便携性好。且臭氧于常态下不稳定，易分解，且紫外灯开启时会产生大量的热，温度升高更有益于臭氧的分解。故产臭氧紫外灯产生的臭氧对待测环境微生物的影响基本可忽略。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的滤膜更换装置，设置为可抽出式，用以安装滤膜。包含：滤膜支撑板，滤膜固定环。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的滤膜更换装置，滤膜选取Tissuquartz滤膜，孔径为0.4um，时PM10采样范围更大，多样性结果更可靠。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的风机装置，其设置在壳体内低端，所选风机为现有技术产品，要求高负荷工作可持续48小时，风量大，使气流通过滤膜的速度可达100L/min。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的风机装置，通过产生的负压驱动空气向下方流动，进而使待测环境空气通过气道、滤膜，进而收集气溶胶。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的风速传感器，其设置于风机装置下端，用以检测装置内气流速度。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的温湿度传感器，其设置于紫外及臭氧灭菌装置中，用以检测装置内温湿度变化。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的显示屏，其设置于壳体正面，用以显示、控制装置运行状态。
上述的微生物气溶胶采样装置，其中：
所述的散热风机，其设置于壳体侧面，因风机装置、紫外灯等会产生较大的热量，故需散热降低故障率。
本发明与现有技术相比有以下优点：
1、采样、灭菌一体化，装置效率提升，同时减少手动操作步骤，保证滤膜在灭菌、采样过程中不受外界因素污染；
2、所述气溶胶切割器，通风量大，采样效率提升；
3、装置整体体积较小，噪音低，易于携带，可应用于所有室内环境，如医院、商场、居室、地下空间等。
附图说明
图1为本发明的整体结构爆炸图；
图2为本发明的PM10气溶胶切割器装置及气流导向图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种微生物气溶胶采样装置，其包含：壳体及监测显示装置1，其底壳上设有进气口。PM10气溶胶切割器2，其设置于壳体内顶端。灭菌装置3，其设置于PM10气溶胶切割器下端。滤膜更换装置4，其设置于PM10气溶胶切割器2与风机装置5之间。风机装置5，其设置于壳体内底端。风速传感器6，其设置于风机出风口。温湿度传感器7，其设置于紫外及臭氧灭菌装置中。显示屏8，其设置于壳体正面。镇流器9，其设置于壳体内部，显示屏8背面。散热风机10，其设置于壳体侧面。
所述的采样核心部分，PM10气溶胶切割器2，其包含：顶部防尘盖21用以防止顶部灰尘降落干扰设备，防虫网22防止昆虫进入设备干扰装置运作，孔板23，直径10um以上颗粒物捕集板24，滤膜固定部分25
所述的采样核心部分，灭菌装置3，其包含：两只紫外灯，一只为不产臭氧波段紫外线紫外灯31，一只为产臭氧波段紫外线紫外灯32。
所述的采样核心部分，滤膜固定装置4，其为可抽出式，包含：滤膜支撑板41，滤膜固定环42。
所述的PM10气溶胶切割器，利用空气动力学原理使直径10um以上气溶胶撞击至捕集板24上黏附，10um及其以下的气溶胶随气流方向通过通气口241。直径10um以上气溶胶撞击至捕集板24上黏附，直径10um以下气溶胶随气流通过的空气动力学条件用Stokes准数St及雷诺数Re描述,定义为颗粒穿透距离(Stopping distance)与导流孔径的比值,可用下式表示
ρp为气溶胶密度，d为颗粒直径，u为导流孔231流体平均速度，C为坎宁安校正因子，μ为空气粘度系数，L为导流孔231直径。
ρf为空气密度，余者同上
通过对导流孔231直径L，孔板23与捕集板24之间的距离的控制，完全可以达到以上要求。且本发明孔板23的导流孔231数量多，通气量大，相对加快了采样速度。气流总体朝下，无曲折线路，减小了风阻，间接增大了通风量。捕集板24为多环型，且各环型两侧通气口241边有凸起部分，阻止10um以上气溶胶随从导流孔231排出的空气横向流向通气口混入已分离出的10um以下气溶胶空气中。捕集板上涂抹凡士林等物质，增加粘性。
所述的灭菌装置3，利用紫外线及臭氧杀灭装置空气传动通道内杂菌及滤膜表面及深层菌。
开启产臭氧紫外灯32，通过风机负压抽滤使臭氧扩散至设备气道内，通过紫外及臭氧双重作用杀死通道内杂菌，穿过滤膜过程中，臭氧可扩散至滤膜表面及深处，将滤膜表面及深处微生物杀灭。开启不产臭氧紫外灯31，将装置至于待测室内环境，通过风机负压抽滤，使不含臭氧的空气通过设备气道，将残余臭氧排出，通过滤膜时可将附着在滤膜上的臭氧带离。
使用臭氧杀灭微生物的过程中，其可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏细胞、核糖核酸(RNA)，分解脱氧核糖核酸(DNA)、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的代谢和繁殖过程遭到破坏。细菌被臭氧杀死是由细胞膜的断裂所致，这一过程被称为细胞消散，是由于细胞质被粉碎引起的，在消散的条件下细胞不可能再生。这样从根本上解决原附着在滤膜上的细菌对最终所得多样性结果的影响。
使用臭氧及紫外杀菌，易于控制、效率高、便携性好。且臭氧于常态下不稳定，易分解，且紫外灯开启时会产生大量的热，温度升高更有益于臭氧的分解。故产臭氧紫外灯产生的臭氧对待测环境微生物的影响基本可忽略。
所述的滤膜更换装置4，设置为可抽出式，用以安装滤膜。滤膜选取Tissuquartz滤膜43，孔径为0.4um，时PM10采样范围更大，多样性结果更可靠。
所述的风机装置5，选取现有技术产品，要求高负荷工作可持续48小时，风量大，使气流通过Tissuquartz滤膜43的速度可达100L/min。风机通过产生的负压驱动空气向下方流动，进而使待测环境空气通过气道、Tissuquartz滤膜43，进而收集气溶胶。
所述的风速传感器6，其设置于风机装置下端，用以检测装置内气流速度。
所述的温湿度传感器7，其设置于紫外及臭氧灭菌装置中，用以检测装置内温湿度变化。
所述的显示屏8，其设置于壳体正面，用以显示、控制装置运行状态。
所述的镇流器9，其设置于壳体内部，显示屏8背面。。
所述的散热风机10，其设置于壳体侧面，因风机装置5、紫外灯31、32等会产生较大的热量，故需散热降低故障率。
本实施例中，
使用者可将本发明通过支架设置在诸如医院、商场、工厂、地下空间等所有室内空间。
将滤膜固定装置4抽出，将Tissuquartz滤膜43置于滤膜支撑板41，再用滤膜固定环42扣在其上达到固定膜的作用，将滤膜固定装置4放回。
将设备置于室外大气中，开启风机装置5、紫外灯32，通过风机装置5的正压作用将臭氧扩散至PM10气溶胶切割器2，进而杀灭其内杂菌。
工作一定时间后，反向开启风机装置5、紫外灯32，通过风机装置5的负压抽滤作用使紫外灯所产生的臭氧扩散至设备各处，通过紫外及臭氧双重作用杀死气道内杂菌，同时气流通过滤膜43时可将滤膜表面及深层菌杀灭
工作一定时间后关闭风机装置5、紫外灯32，静置一段时间后，将装置置于待测室内环境中，开启风机装置5、紫外灯31，通过风机负压抽滤，使不含臭氧的空气通过设备气道，将残余臭氧排出，通过滤膜时可将附着在滤膜上的臭氧带离。工作一段时间后关闭风机装置5，静置一段时间关闭紫外灯31。以上过程为设备灭菌预热，总时长约1.5h。
将设备置于待测环境中，开启风机装置5，使待测环境空气依次通过PM10气溶胶切割器2，灭菌装置3，滤膜43，风机装置5。
空气通过PM10气溶胶切割器2时，首先通过顶部防尘盖21，防虫网22，孔板23，直径10um以上颗粒物捕集板24，利用空气动力学相关原理，使直径10um以上气溶胶撞击至捕集板24上黏附，10um及其以下的气溶胶随气流方向通过通气口241。
空气通过滤膜43，进而将PM10吸附在滤膜43上，滤膜选取Tissuquartz滤膜，孔径0.4um，截留率高达99.9％。
设备工作24-48小时后关闭，取出滤膜固定装置4，利用灭菌聂将滤膜43放入离心管中完成收集过程。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
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Claims (1)

1.一种可用于高通量测序的便携式微生物气溶胶采样装置，其特征在于：包括壳体及监测显示装置、风机装置、PM10气溶胶切割器、灭菌装置、滤膜固定装置；
所述的壳体及监测显示装置包括风速传感器，温湿度传感器、镇流器、显示屏、散热风机，分别用于风速、温度、湿度的监测，镇流器用于带动紫外灯，显示屏显示上述传感器、镇流器及下述风机装置的工作状态。散热风机用于对设备散热；
所述的风机装置，要求高负荷工作可持续48小时，风量大，使气流通过滤膜的速度可达100L/min；
所述的PM10气溶胶切割器包括：顶部防尘盖，防虫网，孔板，直径10um以上颗粒物捕集板，滤膜固定部分。防虫网位于孔板上部，孔板有多排导流孔，捕集板有多排通孔，通孔两侧有一定凸起，用于拦截直径10um以上颗粒物；各部通过圆柱连接；
所述的灭菌装置包括：产臭氧紫外灯、不产臭氧紫外灯；
所述滤膜固定部分包括：Tissuquartz滤膜、滤膜支撑板，滤膜固定环，将滤膜置于滤膜支撑板上，用滤膜固定环向下扣于支撑板上以固定滤膜；支撑板为网状结构，对通气效率影响较低；
所述的PM10气溶胶切割器，利用惯性使直径大于10um的气溶胶粒子撞击至捕集板，小于10um的气溶胶随气流至Tissuquartz滤膜，附着于Tissuquartz滤膜，达到采集PM10的作用；捕集板通孔两侧有凸起并涂抹粘性物质，防止横向风带动撞击至捕集板的大粒子横向移动逃脱捕集板；
所述的灭菌装置，利用产臭氧紫外灯与不产臭氧紫外灯为装置内气道及滤膜深层灭菌。
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