CN112378821B - 一种可携带病毒气溶胶粒子捕获系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可携带病毒气溶胶粒子捕获系统及方法，该系统包括柔性场致发射微锥阵列、阳极、气溶胶粒子发生器、捕获薄膜和高速成像装置，高速成像装置为高速显微摄像机或光谱仪，气溶胶粒子发生器产生可携带病毒的气溶胶粒子分布在柔性场致发射微锥阵列与阳极之间，柔性场致发射微锥阵列作为阴极发射电子，电子在与可携带病毒的气溶胶粒子相互作用过程中被吸附，并使可携带病毒的气溶胶粒子向阳极移动，放置在阳极前方的捕获薄膜将可携带病毒的气溶胶粒子捕获，实现可携带病毒的气溶胶粒子的捕获。本发明能够有效捕获可携带病毒的气溶胶。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学技术领域，更具体地说，涉及一种可携带病毒气溶胶粒子捕获系统及方法。
背景技术
可携带病毒的气溶胶传播是一些病毒传播的重要途径，目前，对其主要是通过通风方法减弱其传播，在一些特殊情况与场所可携带病毒的气溶胶的防控存在较大困难，如何将可携带病毒的气溶胶传播阻断和滤除是国内外公共卫生防疫界的迫切需求。目前对于可携带病毒的气溶胶的研究大多侧重于大气气溶胶对于环境的影响，研究集中于开发监测可携带病毒的气溶胶化学成分的新技术，并没有针对可携带病毒的气溶胶粒子在空气中的团聚与分离对其运动特性的影响进行深入研究，以获得可携带病毒的气溶胶在空气中粒径与空间分布变化的时空特性。而在实验研究方面，目前的可携带病毒的气溶胶粒子检测方法都依赖于质谱技术，质谱技术主要基于非现场实验室分析，对空气中可携带病毒的气溶胶粒子的变化动力学过程观测有一定局限，需要借助新型光电手段进行分析研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种可携带病毒气溶胶粒子捕获系统及方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
设计一种基于柔性场致微锥阵列的可携带病毒气溶胶粒子捕获系统，该系统包括柔性场致发射微锥阵列、阳极、气溶胶粒子发生器、捕获薄膜和高速成像装置，所述高速成像装置为高速显微摄像机或光谱仪，所述气溶胶粒子发生器产生可携带病毒的气溶胶粒子分布在柔性场致发射微锥阵列与阳极之间，所述柔性场致发射微锥阵列作为阴极发射电子，电子在与可携带病毒的气溶胶粒子相互作用过程中被吸附，并使可携带病毒的气溶胶粒子向所述阳极移动，放置在所述阳极前方的捕获薄膜将可携带病毒的气溶胶粒子捕获，实现可携带病毒的气溶胶粒子的捕获。
本发明还提供一种基于柔性场致微锥阵列的可携带病毒气溶胶粒子捕获方法，该方法应用上述捕获可携带病毒的气溶胶的系统，该方法包括以下步骤：
步骤1)，所述气溶胶粒子发生器产生可携带病毒的气溶胶粒子分布在柔性场致发射微锥阵列与阳极之间；
步骤2)，所述柔性场致发射微锥阵列作为阴极发射电子，电子在与可携带病毒的气溶胶粒子相互作用过程中被吸附；
步骤3)，可携带病毒的气溶胶粒子吸附电子之后向所述阳极移动，放置在所述阳极前方的捕获薄膜将可携带病毒的气溶胶粒子捕获。
(三)有益效果
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明针对可携带病毒的气溶胶粒子的复杂性，建立可携带病毒的气溶胶粒子在空气中团聚与分离动力学过程的物理数学模型，获得可携带病毒的气溶胶的传播机制与规律；本发明研究可携带病毒的气溶胶粒子与电子相互作用的机制，获得空气中的可携带病毒的气溶胶粒子加载上电子的物理机制；本发明提出场致发射系统滤除可携带病毒的气溶胶粒子的方法，该场致发射系统应用基于MEMS的柔性微锥阵列阴极。
附图说明
图1是本发明提供的一种可携带病毒气溶胶粒子捕获系统的结构示意图。
图中：柔性场致发射微锥阵列1、阳极2、气溶胶粒子发生器3、捕获薄膜4、高速成像装置5、可携带病毒的气溶胶粒子6。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明主要基于新型光电探测技术和电子场致发射理论，先进行理论方法和技术原理的创新，采用理论建模与实验相结合的研究方法，对可携带病毒的气溶胶粒子在空气中的团聚、分离与运动等动力学过程进行深入研究，建立可近似描述可携带病毒的气溶胶粒子动力学过程的数学物理模型，如公式(1)所示，获得可携带病毒的气溶胶粒子的时空分布规律。
公式(1)中，n(v,0)＝n0(v)为初始条件，n(0,t)＝0为边界条件。公式(1)左边第一项表示气溶胶密度随着时间的变化；公式(1)左边第二项表示在凝结与增长过程中单位体积内气溶胶颗粒数量的变化，其中G(v)为相应的变化率。当气溶胶没有蒸发、沉淀、升华过程发生时，我们把系数G(v)称之为增长系数。很多情况下，增长系数G(v)关于气溶胶体积成正比，即G＝σ0v，其中σ0是G(v)的相关系数。公式(1)右边两个积分项表示在气溶胶Brownian凝并过程中单位体积气溶胶颗粒数量所产生的变化，其中β表示凝并系数。
以此为基础，研究电子与可携带病毒的气溶胶粒子相互作用的动力学过程以及在可携带病毒的气溶胶粒子上加载电子的物理电子学机理。电子对气溶胶粒子冲击是多模态动力学耦合过程，需要探究不同能量电子能量耗散的分离和表征方法，以获得各种气溶胶粒子能量与电荷模式的理论模型。气溶胶经过微锥阵列结构时与气溶胶粒子相互作用，气溶胶粒子与电子发生碰撞时，由于电子质量远小于气溶胶粒子，非弹性碰撞的能量损耗主要由电子提供。将所有碰撞能量损耗求和得到电子能量损耗。整个系统的能量守恒式可表示为：
公式(2)中，xj表示参加j碰撞的粒子的摩尔分数，kj表示碰撞反应速率系数，Nn表示电中性粒子密度，Δεj表示碰撞j能量损耗的区域，其速率系数可表示为：
公式(3)和公式(4)中，me表示电子质量，ε表示能源，σk表示碰撞横截面。
结合基于MEMS技术的柔性场致发射阵列，设计捕获可携带病毒的气溶胶粒子的场致发射系统，获得一种可携带病毒气溶胶粒子捕获系统及方法。
如图1所示，本发明提供一种基于柔性场致微锥阵列的可携带病毒的气溶胶粒子捕获系统，该系统包括柔性场致发射微锥阵列1、阳极2、气溶胶粒子发生器3、捕获薄膜4和高速成像装置5。所述高速成像装置5为高速显微摄像机或光谱仪，在本发明实施例中，高速成像装置5拟采用高速数字相机，拍摄气溶胶运动过程和尺寸变化动态过程的图像，分析电子密度和气溶胶粒子运动的时空特性，通过实验研究其的空间与时间分辩谱，研究不同实验条件下电子与气溶胶粒子相互作用动态过程的时间分辨阴影图，分析研究其中各物理量的瞬时分布及其演变规律。所述气溶胶粒子发生器3产生可携带病毒的气溶胶粒子分布在柔性场致发射微锥阵列1与阳极2之间，所述柔性场致发射微锥阵列1作为阴极发射电子，电子在与可携带病毒的气溶胶粒子相互作用过程中被吸附，并使可携带病毒的气溶胶粒子向所述阳极2移动，放置在所述阳极2前方的捕获薄膜4将可携带病毒的气溶胶粒子捕获，实现可携带病毒的气溶胶粒子的捕获。
本发明还提供一种基于柔性场致微锥阵列的可携带病毒的气溶胶粒子捕获方法，该方法应用上述捕获可携带病毒的气溶胶的系统，该方法包括以下步骤：
步骤1)，所述气溶胶粒子发生器3产生可携带病毒的气溶胶粒子分布在柔性场致发射微锥阵列1与阳极2之间；
步骤2)，所述柔性场致发射微锥阵1列作为阴极发射电子，电子在与可携带病毒的气溶胶粒子6相互作用过程中被吸附；
步骤3)，可携带病毒的气溶胶粒子6吸附电子之后向所述阳极2移动，放置在所述阳极2前方的捕获薄膜4将可携带病毒的气溶胶粒子捕获。
附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种基于柔性场致微锥阵列的可携带病毒气溶胶粒子捕获系统，该系统包括柔性场致发射微锥阵列(1)、阳极(2)、气溶胶粒子发生器(3)、捕获薄膜(4)和高速成像装置(5)，所述高速成像装置(5)为高速显微摄像机或光谱仪，所述气溶胶粒子发生器(3)产生可携带病毒的气溶胶粒子分布在柔性场致发射微锥阵列(1)与阳极(2)之间，所述柔性场致发射微锥阵列(1)作为阴极发射电子，电子在与可携带病毒的气溶胶粒子相互作用过程中被吸附，并使可携带病毒的气溶胶粒子向所述阳极(2)移动，放置在所述阳极(2)前方的捕获薄膜(4)将可携带病毒的气溶胶粒子捕获，实现可携带病毒的气溶胶粒子的捕获；
获得可携带病毒的气溶胶粒子的时空分布规律为：
公式(1)中，n(v,0)＝n0(v)为初始条件，n(0,t)＝0为边界条件；公式(1)左边第一项表示气溶胶密度随着时间的变化；公式(1)左边第二项表示在凝结与增长过程中单位体积内气溶胶颗粒数量的变化，其中G(v)为相应的变化率；当气溶胶没有蒸发、沉淀、升华过程发生时，系数G(v)为增长系数；增长系数G(v)关于气溶胶体积成正比，即G＝σ0v，其中σ0为G(v)的相关系数；公式(1)右边两个积分项表示在气溶胶Brownian凝并过程中单位体积气溶胶颗粒数量所产生的变化，其中β表示凝并系数；
整个系统的能量守恒式表示为：
公式(2)中，xj表示参加碰撞的粒子的摩尔分数，kj表示碰撞反应速率系数，Nn表示电中性粒子密度，Δεj表示碰撞j能量损耗的区域，其速率系数表示为：
公式(3)和公式(4)中，me表示电子质量，ε表示能源，σk表示碰撞横截面。
2.根据权利要求1所述的基于柔性场致微锥阵列的可携带病毒气溶胶粒子捕获系统，其特征在于，捕获系统的运行方法包括以下步骤：
步骤1)，所述气溶胶粒子发生器(3)产生可携带病毒的气溶胶粒子分布在柔性场致发射微锥阵列(1)与阳极(2)之间；
步骤2)，所述柔性场致发射微锥阵列(1)作为阴极发射电子，电子在与可携带病毒的气溶胶粒子相互作用过程中被吸附；
步骤3)，可携带病毒的气溶胶粒子吸附电子之后向所述阳极(2)移动，放置在所述阳极(2)前方的捕获薄膜(4)将可携带病毒的气溶胶粒子捕获。
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