CN109022252A - 一种高效率大体积底部磁力富集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效率大体积底部磁力富集装置，包括框架、供气装置、出气单元喷头、采样杯和底部富集单元架，供气装置通过输气管将气体样本输入到出气单元喷头中，出气单元喷头、采样杯和底部富集单元架均设置在框架上，采样杯可拆卸的设置在出气单元喷头的下方，采样杯的底部位于底部富集单元架上且呈面面接触，底部富集单元架与采样杯底部的接触面处设有磁性装置。本发明的有益效果是：本发明缩短了采用底部磁力富集液相磁珠样品的方式，采集螺纹或卡扣与采集单元底面有效固定，保障了磁铁与磁珠的最短作用距离，扩大了磁力接触面，提高了富集磁珠的效率及缩短了富集时间。

Description

一种高效率大体积底部磁力富集装置

技术领域

本发明涉及一种生物气溶胶采集富集领域，更具体地说涉及一种高效率大体积底部磁力富集装置。

背景技术

Bio-capturer气溶胶采集富集仪属于通过气液混合集成液相磁珠实时富集生物气溶胶粒子的采样仪器，其旋转喷气流进行气液混合收集生物气溶胶粒子装置(即液体采样杯，以下简称“采样杯”)最初采用了目前市面上商业化空气采样器普遍采用的离心管型采样设计，注：目前市面上商业化空气微生物采样器涉及的气液混合采样杯一般为直筒型(如SKC BIO—Sampler，国产AGI系列空气微生物采样器等)或类似于离心管或试管形状的底部窄锥型结构(如Coriolis空气采样器等)。实际研究中，我们发现生物气溶胶采集富集仪使用的气液冲击旋转混合原理气液混合效率通过进一步优化气液混合结构和形状设计，可以实现对原有采样杯气液混合和生物气溶胶采集效率明显提升，并可以更加稳定地采集捕捉生物气溶胶。实际上，由于采样杯形状决定了气溶胶收集过程中气流搅动混合情况，而气液有效的混合过程正是气溶胶粒子采集进入液相样本的关键步骤，过去商业化普通采样杯的锥形或直筒型结构虽能够使得杯内上半部分液体充分搅动，但底部的液体并不能充分搅动，同时口底一致的杯状设计不利于旋转液体对气流的有效包裹，使得部分气体样本未经气液混合就离开了液相，这些原因导致了气溶胶收集进入液相效率不理想。另一方面，在液相磁珠富集阶段收集待检样品时，受限于采样杯结构旧式采样杯只能采用侧壁吸附，磁珠自身的重力影响了磁铁吸附效果，造成了吸附时间长，收集液不能充分倾倒的磁力富集液相样品不方便的弊端。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种高效率大体积底部磁力富集装置。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

一种高效率大体积底部磁力富集装置，包括框架、供气装置、出气单元喷头、采样杯和底部富集单元架，所述供气装置通过输气管将气体样本输入到所述出气单元喷头中，所述出气单元喷头、所述采样杯和所述底部富集单元架均设置在所述框架上，所述采样杯可拆卸的设置在所述出气单元喷头的下方，所述采样杯的底部位于所述底部富集单元架上且呈面面接触，所述底部富集单元架与所述采样杯底部的接触面处设有磁性装置。

进一步，所述底部富集单元架包括能够实现水平和垂直方向自由旋转的管架、与所述管架一端相连接的托盘，所述托盘上设有用于与所述采样杯固定的螺纹圈或卡扣，所述磁性装置设置在所述螺纹圈的圆心处。

进一步，所述磁性装置呈锥形，所述锥形的顶部向下设置。

进一步，所述磁性装置为磁铁。

进一步，所述锥形顶部角度为120-150°。

进一步，所述采样杯包括杯体和杯底，所述杯体的顶部设有开口，所述杯体的杯壁向外倾斜设置，所述杯底呈锥形且所述锥形的顶部向所述杯体的外侧突出，所述杯壁与所述杯底交界处设有圆弧段，所述杯底设有与所述螺纹圈匹配的螺纹结构。

进一步，所述锥形的顶部夹角为120-150°。

进一步，所述圆弧的半径为3-4mm。

进一步，所述杯壁高度为56.5-90.5mm。

进一步，所述杯壁单侧外扩角度为9.3-20.4°。

本发明的有益效果为：

底部富集单元架在磁铁角度120°-150°范围之内有着良好的富集效率，平均富集时间缩短了40％；实验过程中旧型富集支架明显可以看到小部分磁珠随着倾倒的液体流出，造成了生物样品的流失，而采用底部富集单元架进行富集时，在倾倒收集液过程中没有出现肉眼可见的磁珠流失现象，极大程度的避免了样本的流失，保证每次收集到的磁珠体积是恒定的；

本发明提供的气液混合采样杯在形状结构上进行了不同于传统商业化空气微生物采样器的改变，目前市面上商业化空气采样器气液混合采样杯一般为直筒型或类似于离心管或试管的底部窄锥型结构，本发明通过实际测试和优化比较，将气液混合采样杯改为了外扩锥型(梯形瓶)，同时将杯底设置为呈锥形，增大了杯体气液混合区的体积的同时，也改变了原有的气液混合方式，使得杯内液体可以充分搅动，不仅增大了气液混合接触面，而且液体旋转后上升形成的液面对气体进样喷头的包裹效果更封闭，气液混合效果通过微生物培养实验，证明了收集气溶胶的效率明显增强；

一般来说，生物气溶胶采样过程中气体流速是一个重要的因素，直接涉及现场收集到的气体量，并与采样时间相关，但是已有研究显示，采样杯内接收到的气体流速如果太大，所形成的气液和气壁碰撞有可能会损伤气溶胶内的微生物生物活性，进而降低采样装置对生物气溶胶的收集效果。本发明通过圆弧设计使得采样杯内壁整体变得更为平滑，可有效减小采样过程中生物气溶胶与采样杯内壁的碰撞，更好的保护了气溶胶中生物成分的活性；

经不同结构形状采样杯，以及多次重复实际采样实验验证，新型采样杯杯体形状好与旋转喷气口的高度关系改变带来了气液混合效率的明显提升，优化的设计使得新型采样杯同样气流的条件下，气液混合收集生物粒子效率更高、气液混合激烈程度却进一步降低，有助于微生物活性稳定，也方便了液相磁珠的现场快速富集，因此本发明通过基于气旋原理的气液混合采样杯结果形状的改变，新型采样杯采取底侧吸附，实施例证明采集效率较以往提高了270％，且也明显缩短了液相磁珠富集样品的时间；

本发明缩短了采用底部磁力富集液相磁珠样品的方式，采集螺纹或卡扣与采集单元底面有效固定，保障了磁铁与磁珠的最短作用距离，扩大了磁力接触面，提高了富集磁珠的效率及缩短了富集时间。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是底部富集单元架的结构示意图；

图3是采样杯的结构示意图；

图4是实施例4的不同形状采样杯的结构；

图5是不同形状采样杯室内细菌采集效果比较柱状图；

图6是不同参数新型采样杯细菌采集效果评价比较柱状图；

图7是实施例6中检测结果图；

图中：

1、框架；2、管架；3、出气单元喷头；4、采样杯；5、底部富集单元架；

6、磁性装置；7、螺纹圈；8、托盘；9、杯体；10、开口；11、刻度线；12、杯壁；

13、杯底；14、螺纹结构；15、圆弧段；16、螺纹。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1和2所示一种高效率大体积底部磁力富集装置，包括框架1、供气装置、出气单元喷头3、采样杯4和底部富集单元架5，所述供气装置通过输气管将气体样本输入到出气单元喷头3中，出气单元喷头3、采样杯4和底部富集单元架5均设置在框架1上，采样杯4可拆卸的设置在出气单元喷头3的下方，采样杯4的底部位于底部富集单元架5上且呈面面接触，底部富集单元架5与采样杯4底部的接触面处设有磁性装置6；

底部富集单元架5包括能够实现水平和垂直方向自由旋转的管架、与所述管架一端相连接的托盘，所述托盘上设有用于与所述采样杯底部固定的螺纹圈7或卡口，磁性装置6设置在螺纹圈7的圆心处；磁性装置6呈锥形，所述锥形的顶部向下设置，磁性装置6为磁铁，所述锥形顶部角度为120°-150°。

如图3所示，采样杯4包括杯体1和杯底5，杯体1的顶部设有开口2，开口2处设有螺纹8，杯体1的杯壁4向外倾斜设置，杯壁4单侧外扩角度为9.3°-20.4°，优选地，为15°；杯壁4的高度为56.5-90.5mm，杯壁4上设有刻度线；杯底5呈锥形且所述锥形的顶部向杯体1的外侧突出，所述锥形的顶部夹角为120-150°，优选地，夹角为140°，螺纹结构6设置在所述锥形的顶部下方，杯底5设有螺纹结构6，螺纹结构6的半径小于杯底5的半径；杯壁4与杯底5交界处设有圆弧段7，圆弧7的半径为3-4mm，优选地，圆弧段7的半径为3.8cm。

使用时，采样杯4通过螺纹结构14与底部富集单元架5相连，杯底5与磁性装置6紧密接触进行吸附工作。

实例1富集支架磁珠富集效果评测

分别使用新旧采样杯进行磁珠富集试验，首先在采样杯中加入适量收集液，然后分别加入等量的三滴磁珠(约150μl)，充分搅拌使磁珠均匀分散在收集液中。将采样杯同时放入富集支架，秒表计时。重复三次，记录磁珠完全被富集，收集液恢复澄清时间。

经过重复实验，底部富集支架的平均富集时间为3m24s，旧型富集支架平均富集时间为5m40s,富集时间缩短了40％。

实例2新旧富集支架磁珠回收效果评测

分别使用新旧采样杯进行磁珠回收对比实验，采样杯中各自加入适量收集液后，加入等量三滴(约150μl)磁珠，充分搅拌使磁珠混合均匀后，进行富集。待磁珠充分富集，收集液澄清后，旋转富集支架，倾倒收集液，得到富集后的磁珠。

实验过程中旧型富集支架明显可以看到小部分磁珠随着倾倒的液体流出，造成了生物样品的流失。而底部富集支架在倾倒收集液过程中没有出现肉眼可见的磁珠流失现象，极大程度的避免了样本的流失。底部富集支架可以将收集液完全倒净而旧型富集支架由于采样瓶本身锥型结构的原因无法将收集液全部倒出，这也就无法确定每次收集到的磁珠体积是恒定的。

实例3对底部富集支架底部磁铁角度的改变实验

底部采样支架设计了110°、120°、130°、140°、150°、160°六个底部磁铁倾斜角度，并对他们进行了磁珠富集时间评价实验。

对六种富集支架分别进行三次重复实验，六种富集支架的平均富集时间对应如下：

支架角度(°)	110	120	130	140	150	160
							富集时间(s)	368	320	211	204	287	352

实验证明除了110°和160°的富集支架富集时间大于旧型富集支架以外，其余四个角度的富集支架富集效率均优于旧型富集支架。因此底部富集支架在磁铁角度120°-150°范围之内有着良好的富集效率。

实例4不同形状采样杯室内细菌采集效果评价

根据初步设想设计采样杯的三个改进方向，并定制出如图4中实验杯型与旧采样杯进行室内气溶胶采集对比实验。选取五个实验室作为气溶胶采集实验场所，使用四种采样杯进行顺序完全随机采样。其中，N、o、原管是普通商业化采样杯模式图，W是本发明中新型采样杯模式图，将收集到的采集液涂板，48h后对LB平板进行菌落计数。

将菌落计数结果通过公式转化为环境细菌浓度C(单位CFU/m³)，经多次重复实验取各地点细菌浓度平均值绘制各采样杯采集情况比较柱状图，如图5。

实验发现本发明中设计的采样杯气溶胶采集效果明显优于其余三种，因此确定了新型采样杯的改进方向。

实例5不同参数新型采样杯细菌采集效果评价

针对本发明中设计的采样杯改变其角度和高度设计出另外四种采样杯，选取四个固定实验室进行顺序完全随机的环境气溶胶采集实验，并将采集液涂板，48h后进行菌落计数。采用相同方法统计各实验室细菌浓度平均值，绘制各采样杯采集情况比较柱状图，如图6。

实验发现在单侧外扩角度9.3°到20.4°，高度56.5-90.5mm这个范围内新型采样杯都能实现对环境空气细菌的采集，其中单侧外扩15°这一采样杯有最为良好的采集效率。

实施例6新旧采样杯环境细菌采集情况评价(real-time PCR法)

选择两个养鸡场对新旧型采样管进行采集效率评价实验，在每个鸡场中放置新旧两种采样器，将采集到的气溶胶样本提取核酸进行real time PCR检测，检测结果如下图7所示。

重复实验结果与上述结果相似，实验证明本发明中设计的采样杯采集的样品经PCR检测CT值低于旧采样杯样品，证明新型采样杯采集的样本浓度更高。

通过对多次重复实验的结果进行分析，新型采样杯对环境细菌的采集效率比旧采样杯提高了270％，大大提高了环境气溶胶的采集效率。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种高效率大体积底部磁力富集装置，其特征在于：包括框架、供气装置、出气单元喷头、采样杯和底部富集单元架，所述供气装置通过输气管将气体样本输入到所述出气单元喷头中，所述出气单元喷头、所述采样杯和所述底部富集单元架均设置在所述框架上，所述采样杯可拆卸的设置在所述出气单元喷头的下方，所述采样杯的底部位于所述底部富集单元架上且呈面面直接接触，所述底部富集单元架与所述采样杯底部的接触面处设有磁力装置。

2.根据权利要求1所述的高效率大体积底部磁力富集装置，其特征在于：所述底部富集单元架包括能够实现水平和垂直方向自由旋转的管架、与所述管架一端相连接的托盘，所述托盘上设有用于与所述采样杯固定的螺纹圈或卡扣，所述磁性装置设置在所述螺纹圈的圆心处。

3.根据权利要求2所述的高效率大体积底部磁力富集装置，其特征在于：所述磁性装置呈锥形，所述锥形的顶部向下设置。

4.根据权利要求1所述的高效率大体积底部磁力富集装置，其特征在于：所述磁性装置为磁铁。

5.根据权利要求1所述的高效率大体积底部磁力富集装置，其特征在于：所述锥形顶部角度为120-150°。

6.根据权利要求2所述的高效率大体积底部磁力富集装置，其特征在于：所述采样杯包括杯体和杯底，所述杯体的顶部设有开口，所述杯体的杯壁向外倾斜设置，所述杯底呈锥形且所述锥形的顶部向所述杯体的外侧突出，所述杯壁与所述杯底交界处设有圆弧段，所述杯底设有与所述螺纹圈匹配的螺纹结构。

7.根据权利要求6所述的高效率大体积底部磁力富集装置，其特征在于：所述锥形的顶部夹角为120-150°。

8.根据权利要求6所述的高效率大体积底部磁力富集装置，其特征在于：所述圆弧的半径为3-4mm。

9.根据权利要求6所述的高效率大体积底部磁力富集装置，其特征在于：所述杯壁高度为56.5-90.5mm。

10.根据权利要求6所述的高效率大体积底部磁力富集装置，其特征在于：所述杯壁单侧外扩角度为9.3-20.4°。