CN113514374A - 一种气溶胶处理系统以及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气溶胶处理系统以及处理方法。该气溶胶处理系统，包括：微型级联式粒子分筛器、N个微型液体采集瓶、微型流量阀、微型气泵、电磁阀组和微型控阻抗流式细胞仪，其中N为大于1的正整数，并且：微型级联式粒子分筛器用于将环境气溶胶根据气溶胶的粒径范围分筛成N个气溶胶支流；N个气溶胶支流分别经过N个微型液体采集瓶，再经过电磁阀组后输出到所述微型控阻抗流式细胞仪；微型流量阀和微型气泵与N个微型液体采集瓶相连，用于共同调节N个气溶胶支流的流量比例。该系统和方法集成了筛分、采集、检测、区分功能，具有便捷易行的优点。
Description
技术领域
本发明涉及检测仪器领域，具体涉及一种气溶胶处理系统以及处理方法。
背景技术
气溶胶是悬浮在空气中的液体或固体颗粒统称，其尺寸范围为0.001至100微米。研究表明，不同粒径的气溶胶对于人体危害各不相同，空气动力学直径小于10微米的可吸入颗粒物可进入鼻腔，小于7微米的颗粒物可进入咽喉，而小于2.5微米的细颗粒物能进一步到达肺泡并沉积，甚至进入血液中参与人体循环。多项研究证明，长期暴露于细颗粒物的环境中直接导致肺癌和心血管疾病及其死亡率的增加。生物气溶胶是生物来源的气溶胶颗粒，包含细菌、真菌、病毒微生物或微生物衍生的有机化合物等。生物气溶胶是气溶胶的重要组成部分，最高含量可占总气溶胶粒子的50％，由于其含有生物活性且粒径较小、可直达人体肺部，从而导致肺部疾病甚至传染病风险，对公共卫生安全有很大的影响。因此，对于气溶胶的空气动力学直径的精细测量在环境气溶胶监测中起着十分重要的作用，生物气溶胶与非生物气溶胶的区分与无损收集也十分有必要。
现有技术中生物气溶胶采集方法包含直接采样式、被动抽吸式、以及分级器采样法。直接采样法是在环境中静置消毒后的培养皿数小时，至空气中的气溶胶落在培养皿中，再对其进行培养、育种检测等后续分析，有耗费时间长、收集效率低且后续检测需要大量人工介入的缺点；被动抽吸式一般采用滤膜固定在泵的吸入端的端口，将气溶胶采集至滤膜中，后续将滤膜取下，称重、采样培养得到气溶胶的浓度和种类信息，由于气溶胶撞击在滤膜中，会造成生物气溶胶破碎、损坏，同时由于泵吸端空气流速较大导致的滤膜捕获的生物气溶胶水分流失，也导致其生物活性降低，影响采集效果。以上两种方法均为对空气中的生物气溶胶进行全粒径收集的方法，无法对于气溶胶粒径进行区分。而分级器采样法可在区分生物气溶胶粒径后再进行收集。分级器采样法利用气溶胶颗粒物的惯性进行分离，其中惯性撞击分级法是采用撞击板进行收集，但这样会造成颗粒物反弹或已捕集的颗粒物悬浮，造成粒子损失影响收集效率，同时撞击也会导致微生物破损，活性降低，不适用于环境中生物气溶胶的采集与后续其它检测。
电阻抗谱是一种广泛应用于食品安全、临床诊断、环境监测等多领域的分析技术。阻抗为交流/直流电路中电压与电流的复数比，通过检测单颗粒经过微流道通道直流或交流电场中的电阻抗可得到样品的粒径、种类等信息。市场上提供了专业检测阻抗的商用仪器，如HF2IS宽频阻抗谱仪是一种动态、静态阻抗谱检测仪器。但是该阻抗谱仪具有如下缺点：首先，由于其内部包含了体积庞大的分析电路和外部封装冗杂，普遍尺寸大、重量足，一般用于实验室检测，难以实现便携测量；其次，商用阻抗仪也需要依赖昂贵的外部数据采集硬件进行测量，存在系统搭建复杂、造价不菲的问题；最后，受电阻抗检测芯片的流道高度、宽度影响，采集样品的粒径检测范围十分有限，难以测量未经过滤的宽粒径谱样品，待检样品的粒径过大可能导致微流道堵塞，影响后续使用，因此操作不便，缺乏稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种集成筛分、采集、检测、区分功能的气溶胶处理系统以及处理方法。
本发明第一方面提出一种气溶胶处理系统，包括：微型级联式粒子分筛器1、N个微型液体采集瓶2、微型流量阀3、微型气泵4、电磁阀组5和微型控阻抗流式细胞仪，其中N为大于1的正整数，并且：微型级联式粒子分筛器1用于将环境气溶胶根据气溶胶的粒径范围分筛成N个气溶胶支流；N个气溶胶支流分别经过N个微型液体采集瓶2，再经过电磁阀组5后输出到所述微型控阻抗流式细胞仪；微型流量阀3和微型气泵4与N个微型液体采集瓶2相连，用于共同调节N个气溶胶支流的流量比例。
可选地，当N＝3时，微型级联式粒子分筛器1用于将环境气溶胶筛分为三类：粒径5微米以上、粒径2至5微米、粒径2微米以下。
可选地，微型级联式粒子分筛器1包括采样入口13、一级入口、二级入口、一级次流出口15、二级次流出口16和二级主流出口17，其中，一级入口喷嘴宽度为2.014-2.226mm，二级入口喷嘴宽度为0.769-0.8505mm，微型级联式粒子分筛器1的整体流道深度0.57-0.63mm。
可选地，微型液体采集瓶2包括进气口18、抽气口19、液体出口20，微型液体采集瓶2盛有采样液，进气口18的底端位于采样液的液面下；抽气口19通过气路连接微型流量阀3以及微型气泵4。
可选地，微型控阻抗流式细胞仪包括：包含N个液体样品入口10和一个液体样品出口9的PDMS流道层6、包含金电极11的玻璃电极层7、信号测试电路8和蠕动泵12，PDMS流道层6与玻璃电极层7耦合。
可选地，N个液体样品入口10和一个液体样品出口9之间的流道微结构的高度为8-12微米。
可选地，金电极11采用平面布置，设计为三电极结构以形成差分电路检测端。
可选地，还包括：设置在N个液体样品入口10的上游位置的杂质过滤结构。
可选地，信号测试电路8包括电学相连的如下部分：高频信号发生模块801，用于产生幅值、相位、频率可变的正弦波信号然后放大；差分弱电流放大模块802，用于进行相位检测预处理；幅值相位检测模块803，用于根据相位差和幅值实现对粒子粒径的双重检测；电路控制与数据传输模块804，用于实现模数转换、数据传输和电路控制。
本发明第二方面提出一种气溶胶处理方法，采用本发明公开的任一项的气溶胶处理系统，包括如下步骤：调节微型流量阀3和微型气泵4以控制微型级联式粒子分筛器1的气溶胶分割粒径大小；将环境气溶胶通入微型级联式粒子分筛器1，分筛成N个气溶胶支流；将N个气溶胶支流分别经过N个微型液体采集瓶2，得到N个液体样品；N个液体样品经电磁阀组5输出到微型控阻抗流式细胞仪检测。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1为无撞击板的粒子分筛技术的原理示意图；
图2为本发明实施方式的气溶胶处理系统的结构示意图；
图3为本发明实施方式的微型级联式粒子分筛器的俯视图；
图4为本发明实施方式的微型液体采集瓶的结构示意图；
图5为本发明实施方式的信号测试电路的结构框图；
图6为本发明实施方式的信号测试电路的工作原理图。
具体实施方式
下面结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
发明人利用气溶胶自身惯性的不同将其分离成直线低速流(次流)和垂直高速流(主流)这个特性，先提出一种无撞击板的微型级联式粒子分筛器。具体原理可以参考图1，当含有气溶胶颗粒物的空气通过入口喷嘴被加速、到达互相垂直的主、次要流道分岔口时，高惯量粒子(即大粒子)无法在转弯处进入主流，而是保持原有的前进方向进入次流中，惯性低的小粒子则进入垂直的主流中，从而实现分离。进入主流的小粒子可以被下一级入口喷嘴加速，进而被再次分离。粒子的切割粒径是评价分离性能的关键参数，其定义为：当载有不同尺寸粒径的颗粒物的气流流经虚拟撞击器时，某一粒径的颗粒物粒子在主流道中的数量达到自身总数量的50％，就把此粒径作为切割器的切割粒径，一般记为d50，其计算公式为：
其中，η是空气动力粘滞系数，D和T分别是虚拟撞击器的入口流道的宽度和流道深度；ρp是颗粒物的密度，Q是入口空气的总流量，stk50是斯托克斯数，对于矩形入口的粒子分筛器，其参数范围为0.479-0.59。Cc是坎宁安校正因子，对于颗粒物粒径大于1μm时，其定义公式为：
其中，d是颗粒物的粒径，λ是空气自由程。通过合理参数设计，搭配对应的次流流速和主流流速，即可实现粒子分筛器在对应切割粒径50％的分离效率。
本发明设计了一种气溶胶处理系统，采用了微型阻抗式流式细胞仪进行单颗粒检测，同时为了解决环境样本中气溶胶粒径差异大造成微型阻抗式流式细胞仪堵塞的缺点，设计了对应的采集方法-微型级联式粒子分筛器和微型液体采集瓶的收集法，从而对空气中的颗粒物进行粒径的预筛分和无损收集，最终进行检测。下面进行具体说明。
如图2所示，根据本发明实施方式的气溶胶处理系统，可以包括：微型级联式粒子分筛器1、N个微型液体采集瓶2、微型流量阀3、微型气泵4、电磁阀组5和微型控阻抗流式细胞仪。该微型控阻抗流式细胞仪进一步包括：包含N个液体样品入口10和一个液体样品出口9的PDMS流道层6、包含金电极11的玻璃电极层7、信号测试电路8和蠕动泵12，PDMS流道层6与玻璃电极层7耦合。需要说明的是，图2所示的实施例中N＝3，但在其他实施例中N可以为大于1的正整数。
微型级联式粒子分筛器1可以包括采样入口13、一级入口(未标出)、二级入口(未标出)、一级次流出口15、二级次流出口16和二级主流出口17。举例地，该微型级联式粒子分筛器1用于将环境气溶胶筛分为“粒径5微米以上”、“粒径2至5微米”、“粒径2微米以下”这三类。对于包含切割直径为5微米、2微米的微型级联式粒子分筛器1，其尺寸计算参数如下，其中η取1.18*10-5Pa*s，ρp取1kg/m3，Stk50取0.48，Cc近似取1；一级入口喷嘴宽度D1为2.12mm、二级入口喷嘴宽度D2为0.81mm、整体流道深度0.6mm，计算得到一级入口、二级入口的气流量可以分别设置为5.5m3/s和5m3/s。
微型级联式粒子分筛器的制作过程可以利用铣削机床进行精密机械加工，在铜块的上、下表面加工出如图3所示结构。如图3所示，该表面包括采样入口13、一级次流出口15、二级次流出口16和二级主流出口17等细节结构。然后利用玻璃对上表面结构进行密封，最终得到完整的微型粒子分筛器器件。再利用微型流量阀3和微型气泵4令一级次流出口15、二级次流出口16、二级主流出口17这三者的流量比例满足10:9:81，以使一级分筛器和二级分筛器的切割直径分别为5微米和2微米。在一级次流出口15、二级次流出口16和二级主流出口17处分别通过气路连接三个微型液体采集瓶2的进气口18。
如图4所示，微型液体采集瓶2可以包括进气口18、抽气口19、液体出口20。进气口18是一根伸入瓶中、距离瓶底4.5mm的通管，其底端位于采样液的液面下。各个抽气口19通过气路连接微型流量阀3以及微型气泵4；液体出口20通过毛细管连接电磁阀组5。电磁阀组5包含三个单向通路开关，从而控制三个微型液体采集瓶2的采样液依次流向下游的微流控阻抗流式细胞仪。使用前，可以向微型液体采集瓶2中加入0.6mlPBS(phosphate buffersaline，磷酸缓冲盐溶液)采样液使液面高于入口管底端，然后打开微型气泵4将环境气溶胶样品通入采样液中，气溶胶会被保留在采样液中从而实现无损收集。
微流控阻抗流式细胞仪包括：包含三个液体样品入口10和一个液体样品出口9的PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)流道层6、包含金电极11的玻璃电极层7、信号测试电路8和蠕动泵12。使用PDMS倒模形成带有三个液体样品入口10通向一个液体样品出口9的单流道微结构，流道整体高度宽度均为10微米，保证检测时单粒子通过。PDMS流道层6与玻璃电极层7键合连接。玻璃电极层7中的金电极11采用平面布置的方式，设计为三电极结构，形成差分电路检测端。为防止PDMS碎屑或者其他杂质进入流道造成堵塞，在液体样品入口处10上游还可以设置过滤结构。
图5为微流控阻抗流式细胞仪的信号测试电路的结构框图。信号测试电路8主要由高频信号发生模块801、差分弱电流放大模块802、幅值相位检测模块803、电路控制与数据传输模块804组成。图6示出了信号测试电路8的具体工作原理。
高频信号发生模块801可以由高频信号发生器与电压放大器组成。高频信号发生器基于AD9959设计，用于产生四路幅值、相位、频率可变的正弦波信号，而电压放大器用于放大信号幅值。在不同频率下，样品所引发的相位差与幅值变化相耦合并通过对比标准粒子的参数，基于该原理可区分生物和非生物粒子。
差分弱电流放大模块802可以包括两个跨阻抗放大器和两个电压放大器、减法器与减法器后电压放大器。差分弱电流放大模块802用于根据两两电极间的电信号差值得到相位差，为后方相位检测进行预处理。
幅值相位检测模块803可以基于AD8302设计，将待测信号与参考信号的幅值比和相位差转换为直流电压信号。该幅值反映粒子大小，该相位差反映粒子表面电性质，亦可反映粒子体积大小。因此通过相位差和幅值大小两种参数的采集可实现对粒子粒径的双重检测。
电路控制与数据传输模块804可以使用STM32微控制器，一方面可以将采集到的电压信号转换为数字信号，并将数字信号通过UART串口通信实时发送到电脑进行分析；另一方面利用STM32搭载SPI总线操控高频信号发生器801的开关，实现电路控制。
根据本发明实施方式的气溶胶处理方法，采用本发明任一项气溶胶处理系统，包括如下步骤：调节微型流量阀3和微型气泵4以控制微型级联式粒子分筛器1的气溶胶分割粒径大小；将环境气溶胶通入微型级联式粒子分筛器1，分筛成N个气溶胶支流；将N个气溶胶支流分别经过N个微型液体采集瓶2，得到N个液体样品；N个液体样品经电磁阀组5输出到微型控阻抗流式细胞仪进行检测。
为使本领域技术人员更好地理解，下面介绍其整体使用流程：使用前，向三个微型液体采集瓶2中加入PBS采样液0.6ml使液面高于入口管底端，利用气路连接好三个微型液体采集瓶2的进气口18和微型级联式粒子分筛器1，同时利用毛细管连接液体出口20和电磁阀组5。打开微型气泵4，环境气溶胶通过微型级联式粒子分筛器1被筛分为“粒径5微米以上”、“粒径2至5微米”、“粒径2微米以下”三类，并被浓缩收集于微型液体采集瓶2中。当采集完成后，打开电磁阀组5中三个通路任意一个的开关，即可将对应微型液体采集瓶2中的采样液抽入微流控阻抗流式细胞仪中进行检测，得到样品粒径信息。
本集成系统和方法实现了环境气溶胶多种粒径范围的采集与气溶胶粒径的粒径检测，一方面为微流控阻抗式细胞仪提供更符合检测上限的气溶胶样本，且采集效率高，降低了对生物气溶胶活性的影响，另一方面提供了更加精确的粒径信息，实现了气溶胶颗粒物连续、无损的检测，同时还能实现生物气溶胶与非生物气溶胶粒子的区分。具有小型化，轻便小巧、便于携带、操作简便等优点。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种气溶胶处理系统，其特征在于，包括：微型级联式粒子分筛器(1)、N个微型液体采集瓶(2)、微型流量阀(3)、微型气泵(4)、电磁阀组(5)和微型控阻抗流式细胞仪，其中N为大于1的正整数，并且：
微型级联式粒子分筛器(1)用于将环境气溶胶根据气溶胶的粒径范围分筛成N个气溶胶支流；
N个气溶胶支流分别经过N个微型液体采集瓶(2)，再经过电磁阀组(5)后输出到所述微型控阻抗流式细胞仪；
微型流量阀(3)和微型气泵(4)与N个微型液体采集瓶(2)相连，用于共同调节N个气溶胶支流的流量比例。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于，当N＝3时，微型级联式粒子分筛器(1)用于将环境气溶胶筛分为三类：粒径5微米以上、粒径2至5微米、粒径2微米以下。
3.根据权利要求1的系统，其特征在于，微型级联式粒子分筛器(1)包括采样入口(13)、一级入口、二级入口、一级次流出口(15)、二级次流出口(16)和二级主流出口(17)，其中，一级入口喷嘴宽度为2.014-2.226mm，二级入口喷嘴宽度为0.769-0.8505mm，微型级联式粒子分筛器(1)的整体流道深度0.57-0.63mm。
4.根据权利要求1的系统，其特征在于，微型液体采集瓶(2)包括进气口(18)、抽气口(19)、液体出口(20)，微型液体采集瓶(2)盛有采样液，进气口(18)的底端位于采样液的液面下；抽气口(19)通过气路连接微型流量阀(3)以及微型气泵(4)。
5.根据权利要求1的系统，其特征在于，微型控阻抗流式细胞仪包括：包含N个液体样品入口(10)和一个液体样品出口(9)的PDMS流道层(6)、包含金电极(11)的玻璃电极层(7)、信号测试电路(8)和蠕动泵(12)，PDMS流道层(6)与玻璃电极层(7)耦合。
6.根据权利要求5的系统，其特征在于，N个液体样品入口(10)和一个液体样品出口(9)之间的流道微结构的高度为8-12微米。
7.根据权利要求5的系统，其特征在于，金电极(11)采用平面布置，设计为三电极结构以形成差分电路检测端。
8.根据权利要求5的系统，其特征在于，还包括：设置在N个液体样品入口(10)的上游位置的杂质过滤结构。
9.根据权利要求5的系统，其特征在于，信号测试电路(8)包括电学相连的如下部分：
高频信号发生模块(801)，用于产生幅值、相位、频率可变的正弦波信号然后放大；
差分弱电流放大模块(802)，用于进行相位检测预处理；
幅值相位检测模块(803)，用于根据相位差和幅值实现对粒子粒径的双重检测；
电路控制与数据传输模块(804)，用于实现模数转换、数据传输和电路控制。
10.一种气溶胶处理方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项的气溶胶处理系统，包括如下步骤：
调节微型流量阀(3)和微型气泵(4)以控制微型级联式粒子分筛器(1)的气溶胶分割粒径大小；
将环境气溶胶通入微型级联式粒子分筛器(1)，分筛成N个气溶胶支流；
将N个气溶胶支流分别经过N个微型液体采集瓶(2)，得到N个液体样品；
N个液体样品经电磁阀组(5)输出到微型控阻抗流式细胞仪检测。
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