CN109749926A - 一种微生物气溶胶富集设备及一种空气微生物的富集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微生物气溶胶富集设备，包括一个机箱以及冷凝室和散热室，机箱还设有一个收集装置，收集装置与冷凝室相连接，冷凝室与散热室之间设有一组半导体制冷片，冷凝室设于半导体制冷片冷端一侧，用于收集外部空气并通过冷却将空气中的气溶胶凝结形成液滴，空气中包含微生物的气溶胶被富集在液滴中，液滴通过管道流入收集装置，散热室设于半导体制冷片热端一侧。该微生物气溶胶富集设备及空气微生物的富集方法，具有以下有益效果：①可对不同大小粒径的微生物均能进行富集；②可对空气中微生物进行大量采样；③可进行长时间采样；④可实现全自动化微生物气溶胶富集，无所人工操作；⑤可减少富集过程中微生物损失，最大程度上保留微生物活性。

Description

一种微生物气溶胶富集设备及一种空气微生物的富集方法

技术领域

本发明涉及公共卫生区空气微生物监测领域，特别涉及一种微生物气溶胶富集设备及一种空气微生物的富集方法。

背景技术

在广泛传播的500余种致病菌中，经气溶胶形式传播的致病菌多达100种以上，居所有传播途径首位。全球每年因微生物气溶胶传播而致使的呼吸道疾病感染率高达20％。

空气微生物气溶胶的采集是实现微生物气溶胶监测的基础。微生物气溶胶易受到温度、湿度、风速、紫外线辐射等多种环境因素和自身特性的影响，故采样效率会随着采样条件和病原体特征有所不同。如何提高微生物气溶胶的富集效率是微生物气溶胶采集技术的关键性问题。

常用的微生物采集技术包括自然沉降法、固体撞击法、液体冲击法、离心法、气旋采集法、过滤法、静电法等。

自然沉降法是依靠空气微生物的重力，在一定时间内让所处区域的空气微生物颗粒逐步沉降到带有培养介质的平皿内的一种采样方法。

缺点：①该方法一般只能采集到粒径＞8μm的微生物气溶胶，对于粒径＜5μm的微生物气溶胶采集效率很低；②该方法适宜在空气流速小且稳定的环境中采集样品，气流不稳定会导致结果出现较大的偏差。

固体撞击法是指空气中微生物气溶胶颗粒获得足够的惯性后，脱离气流撞击于固体平板上的一种采样方法。

缺点：①存在壁损失，颗粒从采集面滑脱和被打碎等容易引起误差；②不适用于压力敏感型微生物；③采样步骤较为繁杂，所需营养琼脂平板也较多。

液体冲击法是通过喷射气流将空气中生物粒子收集在液体介质(如生理盐水、营养液等)中，借助液体的粘滞性捕获生物粒子，采集粒径取决于冲击距离和空气流速。

缺点：①采样容量小，微量微生物难以监测到；②采样器是玻璃制品，不易携带。

气旋采集法是液体冲击式采样器的一种。该种采样器是由旋风除尘器演变而来，利用微生物粒子在气流旋转过程中的惯性离心力，将微生物从气流中分离并捕集于器壁，再借助重力作用使粒子落入采样器底部收集介质中。

缺点：由于其采样器内部设置为螺旋结构，所以采样过程中，微生物气溶胶冲击螺旋结构时的壁损失比较大。

过滤采集法是当空气以一定速度穿过多孔滤膜时，微生物粒子被拦截并滞留在滤膜上。

缺点：①采集的样品需要进行二次处理，对检测容易引起误差；②采样的滤膜要求相对湿度通常为30％-85％范围内，相对湿度过低，气流通过率模时容易造成捕获的微生物例子失活，湿度过高，容易导致在滤膜上形成水膜，阻塞过滤孔；③采样时间不宜过长。

静电采样法分为沉降式静电采样法、离子充电性静电采样法、静电场采样法。

缺点：该方法由于对微生物气溶胶增加电荷会产生电晕现象，充电过程会产生臭氧，可能会影响微生物活性，降低采集效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种微生物气溶胶富集设备及一种空气微生物的富集方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种微生物气溶胶富集设备，包括一个机箱以及机箱内部设置的冷凝室和散热室，机箱还设有一个收集装置，收集装置通过管道与冷凝室相连接，冷凝室与散热室之间设有一组半导体制冷片，冷凝室设于半导体制冷片冷端一侧，用于收集外部空气并通过冷却将空气中的气溶胶凝结形成液滴，空气中包含微生物的气溶胶被富集在液滴中，液滴通过管道流入收集装置，收集装置用于收集和储存冷凝室中形成的液滴并通过一个排液阀排出，散热室设于半导体制冷片热端一侧，用于及时将半导体制冷片热端的热量转移至机箱外。

进一步地，冷凝室上方设有一个空气进风口，冷凝室内部设有多个冷凝片，冷凝片与半导体制冷片冷端固定安装，冷凝片下方设有一个接水盘，接水盘与收集装置通过管道相连接，外部空气由空气进风口进入冷凝室后，流经冷凝片时迅速冷却，空气中的气溶胶凝结成液滴在冷凝片表面并沿冷凝片向下流入接水盘中，然后再通过管道流入收集装置。

进一步地，散热室分别设有冷却进风口和热风排出口，散热室内还设有风机，风机工作时空气由冷却进风口进入散热室，流经半导体制冷片热端后由热风排出口排出。

具体地，风机设于热风排出口一侧，冷凝室与散热室之间还设有流通口，风机工作时机箱内部处于负压状态，空气由空气进风口和冷却进风口分两路分别进入冷凝室和散热室。

进一步地，散热室还设有一个水循环冷却装置，水循环冷却装置包括一个水循环泵和一组设于热风排出口内侧的风冷水排，水循环泵分别与风冷水排和半导体制冷片的热端相连接，水循环泵工作时水在风冷水排和半导体制冷片的热端之间循环流动，将半导体制冷片热端的热量转移至风冷水排。

进一步地，冷凝室下方还设有蒸发室，蒸发室底部设有一个加热蒸发盘，加热蒸发盘用于承接并加热蒸发冷凝室残留的水滴。

进一步地，蒸发室与散热室通过一个流通口相连通，蒸发室中形成的水蒸气通过流通口进入散热室，通过风冷水排后从热风排出口排出机箱外。

进一步地，流通口设有一个流通风机，流通风机用于将空气由冷凝室一侧输送至散热室一侧。

进一步地，还包括消毒装置，消毒装置包括至少一个紫外线杀菌灯和用于驱动紫外线杀菌灯的镇流器，紫外线杀菌灯正对冷凝片，用于对冷凝片进行杀菌和消毒处理，镇流器与紫外线杀菌灯电连接。

进一步地，冷凝室周围还设有保温层。

根据本发明的另一个方面，提供了一种空气微生物的富集方法，包括以下特征：

在半导体制冷片的冷端和热端分别构建相互隔离的冷凝室和散热室，通过散热室及时将半导体制冷片热端的热量转移出去，从而维持冷凝室的低温状态；

外界空气在风机的作用下分为两路分别进入冷凝室和散热室，进入冷凝室的空气温度骤降，其中的水蒸气凝结成液滴，空气中包含微生物的气溶胶被富集在液滴中，进入散热室的空气则被半导体制冷片的热端加热，从而将热量转移出去；

液滴被接水盘收集后流入样本收集器，进而对其中微生物进行下一步检测分析，从而检测该区域的微生物的种类和活动情况；

在冷凝室下方设置蒸发室，蒸发室设有加热蒸发盘，当微生物气溶胶富集量达到要求时，半导体制冷片停止制冷，由于冷凝片仍残留有液滴会流入接水盘，此时加热蒸发盘可将多余液体蒸发处理，通过高温加热，从而降低冷凝室一侧的空气湿度同时对多余气溶胶样本进行灭菌处理，避免污染；

进入冷凝室的空气流经蒸发室后，由一个流通口进入散热室，并与散热室内的空气混合后作为冷却风被排出，由于空气流经冷凝室后温度过低，直接排入空气中后容易在机箱表面形成水滴腐蚀金属表面，经过风冷水排后的空气后排出可实现防止水滴生成的目的。

采用以上技术方案的微生物气溶胶富集设备及空气微生物的富集方法，具有以下有益效果：

①可对不同大小粒径的微生物均能进行富集；

②可对空气中微生物进行大量采样；

③可进行长时间采样；

④可实现全自动化微生物气溶胶富集，无所人工操作；

⑤可减少富集过程中微生物损失，最大程度上保留微生物活性。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的微生物气溶胶富集设备的纵截面剖视图。

图2为图1所示微生物气溶胶富集设备的纵截面剖视图。

具体实施方式

术语解释：

微生物气溶胶：微生物气溶胶是指悬浮于空气中的微生物所形成的胶体体系。微生物气溶胶与人类生活和健康密切相关，微生物气溶胶粒径一般在0.002μm～30μm，与人类疾病有关的微生物气溶胶粒子直径一般在4～20μm之间。

富集：从大量母体物质中收集预测定的痕量元素至一较小体积，从而提高其含量至测定下限以上的这一操作步骤。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1和图2示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的微生物气溶胶富集设备。如图所示，该装置包括一个机箱1以及机箱1内部设置的冷凝室2和散热室3。机箱1还设有一个收集装置4，收集装置4通过管道与冷凝室2相连接。

其中，冷凝室2与散热室3之间设有一组半导体制冷片5，

冷凝室2设于半导体制冷片5冷端一侧，用于收集外部空气并通过冷却将空气中的气溶胶凝结形成液滴，空气中包含微生物的气溶胶被富集在液滴中.

液滴通过管道流入收集装置4。

收集装置4用于收集和储存冷凝室2中形成的液滴并通过一个排液阀41排出。

散热室3设于半导体制冷片5热端一侧，用于及时将半导体制冷片5热端的热量转移至机箱1外。

冷凝室2上方设有一个空气进风口21。

冷凝室2内部设有多个铝合金冷凝片22。

铝合金冷凝片22与半导体制冷片5冷端固定安装。铝合金冷凝片22下方设有一个接水盘23。

接水盘23与收集装置4通过管道相连接，外部空气由空气进风口21进入冷凝室2后，流经铝合金冷凝片22时迅速冷却，空气中的气溶胶凝结成液滴在铝合金冷凝片22表面并沿铝合金冷凝片22向下流入接水盘23中。

散热室3分别设有冷却进风口31和热风排出口32。

散热室3内还设有两个风机33。

风机33工作时空气由冷却进风口31进入散热室3，流经半导体制冷片5热端后由热风排出口32排出。

在本实施例中，风机33设于热风排出口32一侧。

冷凝室2与散热室3之间还设有流通口24。

风机33工作时机箱1内部处于负压状态，空气由空气进风口21和冷却进风口31分两路分别进入冷凝室2和散热室3。

散热室3还设有一个水循环冷却装置34。

水循环冷却装置34包括一个水循环泵341和一组设于热风排出口32内侧的风冷水排342。

水循环泵341分别与风冷水排342和半导体制冷片5的热端相连接，水循环泵341工作时水在风冷水排342和半导体制冷片5的热端之间循环流动，将半导体制冷片5热端的热量转移至风冷水排342，再由空气流带出机箱1外。

冷凝室2下方还设有蒸发室8。

蒸发室8底部设有一个加热蒸发盘81。加热蒸发盘81用于承接并加热蒸发冷凝室2残留的水滴。当微生物气溶胶富集量达到要求时，半导体制冷片5停止制冷，由于铝合金冷凝片22仍残留有液滴会流入接水盘23，此时加热蒸发盘81可将多余液体蒸发处理，通过高温加热，从而降低冷凝室2一侧的空气湿度同时对多余气溶胶样本进行灭菌处理，避免污染。

蒸发室8与散热室3通过流通口24相连通，蒸发室8中形成的水蒸气通过流通口24进入散热室3，并通过风冷水排342后从热风排出口32排出机箱1外。

由于空气流经冷凝室2后温度过低，直接排入空气中后容易在机箱1表面形成水滴腐蚀金属表面，经过风冷水排后342的空气后排出可实现防止水滴生成的目的。

在本实施例中，流通口24设有一个流通风机25。流通风机25用于将空气由冷凝室2一侧输送至散热室3一侧。

在本实施例中，机箱1内还设置有消毒装置6。消毒装置6包括至少一个紫外线杀菌灯61和用于驱动紫外线杀菌灯61的镇流器62。紫外线杀菌灯61正对铝合金冷凝片22，用于对铝合金冷凝22片进行杀菌和消毒处理，镇流器62与紫外线杀菌灯61电连接。

在本实施例中，冷凝室2周围还设有保温层7。

在本实施例中，一共设置有六片半导体制冷片5。六个半导体制冷片5两两分为A、B、C三个支路。当启动时，B支路与风机33和循环水泵241共同持续运行，A支路和C支路则按温控器的设定运行；当温控器测得冷凝器温度达到设定值，A支路和C支路阻断点。

基于以上微生物气溶胶富集，本实施例还提供了一种空气微生物的富集方法，包括以下特征：

在半导体制冷片5的冷端和热端分别构建相互隔离的冷凝室2和散热室3，通过散热室3及时将半导体制冷片5热端的热量转移出去，从而维持冷凝室2的低温状态；

外界空气在风机33的作用下分为两路分别进入冷凝室2和散热室3，进入冷凝室2的空气温度骤降，其中的水蒸气凝结成液滴，空气中包含微生物的气溶胶被富集在液滴中，进入散热室3的空气则被半导体制冷片5的热端加热，从而将热量转移出去；

液滴被接水盘23收集后流入样本收集器4，进而对其中微生物进行下一步检测分析，从而检测该区域的微生物的种类和活动情况；

在冷凝室2下方设置蒸发室8，蒸发室8设有加热蒸发盘81，当微生物气溶胶富集量达到要求时，半导体制冷片5停止制冷，由于铝合金冷凝片22仍残留液滴会流入接水盘23，此时加热蒸发盘81可将多余液体蒸发处理，通过高温加热，从而降低冷凝室2一侧的空气湿度同时对多余气溶胶样本进行灭菌处理，避免污染；

进入冷凝室2的空气流经蒸发室8后，由一个流通口24进入散热室3，并与散热室3内的空气混合后作为冷却风被排出。空气流经冷凝室2后温度过低时，直接排入空气中后容易在机箱1表面形成水滴腐蚀金属表面。经过风冷水排342后的空气后排出可实现：第一、防止水滴生成；第二、冷气再利用可降低风冷水排342中冷却水温度，实现节能效果。

实验室模拟采样：

环境温度25摄氏度，湿度60％。

风机电压12V，3500rpm/min下运行10分钟抽取4000L空气，空气中含有8.0×10⁸个大肠杆菌，冷凝器1个，冷凝齿20片，在12V电源下1分钟内降温至5.0℃，3分钟后开始产生冷凝水，10分钟后共冷凝出8.8ml的冷凝水。35.1ml冷凝水中含有6.2×10⁸个大肠杆菌。冷凝回收效率77.5％。

采用以上技术方案的微生物气溶胶富集设备及空气微生物的富集方法，具有以下有益效果：

①可对不同大小粒径的微生物均能进行富集；

②可对空气中微生物进行大量采样；

③可进行长时间采样；

④可实现全自动化微生物气溶胶富集，无所人工操作；

⑤可减少富集过程中微生物损失，最大程度上保留微生物活性。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微生物气溶胶富集设备，其特征在于：包括一个机箱以及所述机箱内部设置的冷凝室和散热室，所述机箱还设有一个收集装置，所述收集装置通过管道与所述冷凝室相连接，所述冷凝室与所述散热室之间设有一组半导体制冷片，所述冷凝室设于所述半导体制冷片冷端一侧，用于收集外部空气并通过冷却将空气中的气溶胶凝结形成液滴，空气中包含微生物的气溶胶被富集在所述液滴中，所述液滴通过所述管道流入所述收集装置，所述收集装置用于收集和储存所述冷凝室中形成的液滴并通过一个排液阀排出，所述散热室设于所述半导体制冷片热端一侧，用于及时将所述半导体制冷片热端的热量转移至所述机箱外。

2.根据权利要求1所述的微生物气溶胶富集设备，其特征在于，所述冷凝室上方设有一个空气进风口，所述冷凝室内部设有多个冷凝片，所述冷凝片与所述半导体制冷片冷端固定安装，所述冷凝片下方设有一个接水盘，所述接水盘与所述收集装置通过管道相连接，外部空气由所述空气进风口进入所述冷凝室后，流经所述冷凝片时迅速冷却，空气中的气溶胶凝结成液滴在所述冷凝片表面并沿所述冷凝片向下流入所述接水盘中。

3.根据权利要求1所述的微生物气溶胶富集设备，其特征在于，所述散热室分别设有冷却进风口和热风排出口，所述散热室内还设有风机，所述风机工作时空气由所述冷却进风口进入所述散热室，流经所述半导体制冷片热端后由所述热风排出口排出。

4.根据权利要求3所述的微生物气溶胶富集设备，其特征在于，所述风机设于所述热风排出口一侧，所述冷凝室与所述散热室之间还设有流通口，所述风机工作时所述机箱内部处于负压状态，空气由所述空气进风口和所述冷却进风口分两路分别进入冷凝室和所述散热室。

5.根据权利要求1或3或4任一项所述的微生物气溶胶富集设备，其特征在于，所述散热室还设有一个水循环冷却装置，所述水循环冷却装置包括一个水循环泵和一组设于所述热风排出口内侧的风冷水排，所述水循环泵分别与所述风冷水排和所述半导体制冷片的热端相连接，所述水循环泵工作时水在所述风冷水排和所述半导体制冷片的热端之间循环流动，将所述半导体制冷片热端的热量转移至所述风冷水排。

6.根据权利要求5所述的微生物气溶胶富集设备，其特征在于，所述冷凝室下方还设有蒸发室，所述蒸发室底部设有一个加热蒸发盘，所述加热蒸发盘用于承接并加热蒸发所述冷凝室残留的水滴。

7.根据权利要求6所述的微生物气溶胶富集设备，其特征在于，所述蒸发室与所述散热室通过一个流通口相连通，所述蒸发室中形成的水蒸气通过所述流通口进入所述散热室，通过所述风冷水排后从所述热风排出口排出所述机箱外。

8.根据权利要求7所述的微生物气溶胶富集设备，其特征在于，所述流通口设有一个流通风机，所述流通风机用于将空气由所述冷凝室一侧输送至所述散热室一侧。

9.根据权利要求1所述的微生物气溶胶富集设备，其特征在于，还包括消毒装置，所述消毒装置包括至少一个紫外线杀菌灯和用于驱动所述紫外线杀菌灯的镇流器，所述紫外线杀菌灯正对所述冷凝片，用于对所述冷凝片进行杀菌和消毒处理，所述镇流器与所述紫外线杀菌灯电连接。

10.一种空气微生物的富集方法，其特征在于，包括：

在半导体制冷片的冷端和热端分别构建相互隔离的冷凝室和散热室，通过所述散热室及时将所述半导体制冷片热端的热量转移出去，从而维持所述冷凝室的低温状态；

外界空气在风机的作用下分为两路分别进入所述冷凝室和所述散热室，进入所述冷凝室的空气温度骤降，其中的水蒸气凝结成液滴，空气中包含微生物的气溶胶被富集在所述液滴中，进入所述散热室的空气则被半导体制冷片的热端加热，从而将热量转移出去；

所述液滴被接水盘收集后流入样本收集器，进而对其中微生物进行下一步检测分析，从而检测该区域的微生物的种类和活动情况；

在所述冷凝室下方设置蒸发室，通过加热使所述冷凝室中多余的液滴进行加热挥发，从而降低所述冷凝室一侧的空气湿度同时对多余气溶胶样本进行灭菌处理，避免污染；

进入所述冷凝室的空气流经所述蒸发室后，由一个流通口进入所述散热室，并与所述散热室内的空气混合后作为冷却风被排出。