CN114137216A - 一种环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够实现高效、实时、集中化的富集和检测的系统，该系统包括：富集装置，用于对环境生物气溶胶进行富集；真空泵，用于在富集的过程中提供负压；注射泵，用于在富集后将缓冲液泵入富集装置从而形成富集冲洗液；以及检测芯片，用于对富集冲洗液进行检测得到PAHs的浓度，其中，富集装置包括富集头和富集盖，富集头具有富集壳体、容纳在富集壳体内的多个富集通道以及连接各富集通道一端的连接通道，富集壳体上设有连接富集通道的另一端的汇流槽，富集盖具有能够盖在汇流槽上的盖体以及贯穿设置在盖体上的汇流管。

Description

一种环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统
技术领域
本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统。
背景技术
大气颗粒物(Atmospheric Particulate Matters)又称为大气气溶胶，其中空气中细颗粒物PM2.5，多环芳烃化合物(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)是PM2.5中重要的有机组成成分。当人们将PM2.5吸入体内使其进入肺部及血液，会对人体的呼吸系统、心脑血管系统等产生不良影响。对于空气中PAHs的监测，要先对大气中的PAHs进行采样，再进行提取，最后进行分析测试。在大气中对PAHs采样的方式有两种，分别为主动采样和被动采样。传统的检测方法存在成本很高、不易操作、计算繁杂和无法得到瞬间浓度等缺点。
现有技术中，大气颗粒物一般是通过滤膜采集，包括石英纤维滤膜和聚氟乙烯滤膜。其中，石英纤维膜具有稳定性高、透气性好、纯度高、过滤效果好、背景值低等优点，被广泛使用；聚氟乙烯滤膜具有使用寿命长、过滤孔径小、使用范围广等优点。同时，在大气中对PAHs采样的方式有两种，分别为主动采样和被动采样，一般采用吸附剂进行采集，例如XAD-2树脂聚氨酯泡沫。随着科技的发展，很多研究者也采用其他类型的材料采集，例如使用聚氨基甲酸乙酯纤维膜等。
采样之后，需要对样品进行预处理，主要的方法为索氏提取法、超声提取法、超临界流体萃取法等，其中索氏提取法和超声提取法是最常用的两种方法。索氏提取法所需时间长、溶剂消耗量大、操作复杂，但是提取效率较高；超声提取法，其优点是所需时间短、操作简单，是基于超声波产生的振动等使目标物质进入溶剂中，但是该方法也具有一定的缺点：噪音比较大，对玻璃容器要求高，有机溶剂在使用超声波提取时，挥发性会增强，污染环境。超临界流体萃取法是采用超临界流体为溶剂，然后萃取出目标物的一种方法，该方法临界温度和临界压力低、操作条件温和、对有效成分的破坏性低，但还是存在一些缺点，比如仪器昂贵、常用仪器的限流管比较容易堵塞。
传统的检测方法有HPLC、GC、GC-MS等，此类方法操作复杂、耗时长、样品预处理复杂，设备昂贵，不利于实时监测空气中的PAHs。而且这些方法是先进行采样，然后对样品处理之后才进行检测的，无法做到直接分析空气中的PAHs。
如上所述，现有技术中的PAHs检测在采集、预处理以及检测方面均或多或少地存在一些缺陷，难以实现高效、实时、集中化的富集和检测处理。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够实现高效、实时、集中化的富集和检测的系统。
本发明提供了一种环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，用于空气中的环境生物气溶胶进行富集以及PAHs检测，其特征在于，包括：富集装置，用于对环境生物气溶胶进行富集；真空泵，用于在富集的过程中提供负压；注射泵，用于在富集后将缓冲液泵入富集装置从而形成富集冲洗液；以及检测芯片，用于对富集冲洗液进行检测得到PAHs的浓度，其中，富集装置包括富集头和富集盖，富集头具有富集壳体、容纳在富集壳体内的多个富集通道以及连接各富集通道一端的连接通道，富集壳体上设有连接富集通道的另一端的汇流槽，富集盖具有能够盖在汇流槽上的盖体以及贯穿设置在盖体上的汇流通道。
本发明提供的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，还可以具有这样的技术特征，其中，连接通道贯穿设置在富集壳体的远离汇流槽的一端。
本发明提供的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，还可以具有这样的技术特征，其中，每根富集通道的内壁上设置有螺纹凹凸结构。
本发明提供的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，还可以具有这样的技术特征，其中，每根富集通道均包含有连续首尾连接的多段管状段，形成了密集弯折结构。
本发明提供的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，还可以具有这样的技术特征，其中，每根富集通道均弯折形成有多个环状结构。
本发明提供的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，还可以具有这样的技术特征，其中，检测芯片具有流体层和阀门层，流体层和阀门层上分别通过软光刻形成有槽型结构，二者叠加键合后形成管路结构。
本发明提供的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，还可以具有这样的技术特征，反应柱容纳有羧基化聚苯乙烯微球，用于吸附PAHs，从而通过PAHs小鼠单克隆抗体以及荧光二抗对PAHs进行间接免疫反应检测。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，由于具有富集装置以及检测芯片，注射泵能够对富集装置在富集后进行冲洗并将富集冲洗液泵入检测芯片，因此能够实现环境生物气溶胶的富集与检测一体化。同时，由于富集装置包括富集头和富集盖，富集头具有多个富集通道，因此能够高效率的实现富集；又由于富集盖还能够在富集后盖在连接了各个富集通道的汇流槽上实现汇流，因此能够方便地实现富集与冲洗的切换操作(相应地拆装富集盖即可)。由此，本发明的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统具有操作方便、成本低、所需时间短、灵敏度高、半自动化操作、通量高等优点，该系统有潜力成为环境领域的重要的检测平台，可以应用于环境监测领域中，具有良好的发展潜力和应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统的结构图；
图2是本发明实施例1的富集装置的结构图；
图3是本发明实施例1的富集头的立体结构图；
图4是本发明实施例1的富集头的侧视结构图；
图5是本发明实施例1的富集头的俯视结构图；
图6是本发明实施例1的富集盖的结构图；
图7是本发明实施例1的流体层的结构图；
图8是本发明实施例1的阀门层结构图；
图9是本发明实施例1的流体层和阀门层叠加后形成检测芯片的结构图；
图10是本发明实施例的检测单元的结构图；
图11是本发明实施例2的富集头的侧视结构图；
图12是本发明实施例2的富集头的俯视结构图。
附图标记：
空气101；检测系统100；缓冲液容器102；注射泵103；富集装置104；富集头41；富集盖42；盖体421；汇流通道422；富集壳体43；汇流槽431；富集通道44；连接通道45；真空泵105；检测芯片106；阀门层61；流体层62；检测单元63；入口段631；样品入口631A；反应柱632；出口段633；废液出口633A；半透阀门634；全透阀门635；注入通道64；注入入口64A；分流通道65
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明实施例1的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统的结构图。
如图1所示，实施例1提供了一种环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统(以下简称检测系统)100，用于对空气101中的环境生物气溶胶进行富集以及PAHs检测，具体包括缓冲液容器102、注射泵103、多个富集装置104、真空泵105以及检测芯片106。
其中，缓冲液容器102容纳有PBS缓冲液，该缓冲液用于在富集后对富集装置104进行冲洗。
注射泵103用于在富集后、上述冲洗过程中将缓冲液容器102所容纳的PBS缓冲液泵入富集装置104。
多个富集装置104通过管路相互并联，用于对环境生物气溶胶进行富集；真空泵105用于在富集过程中提供负压。以下以一个富集装置104为例具体说明富集装置104的结构及工作原理。图1中示出了两个并联的富集装置104，但本发明中也可以根据设置更少或更多富集装置104。
图2是本发明实施例1的富集装置的结构图。
如图2所示，富集装置104包括一个富集头41和一个富集盖42。
图3是本发明实施例1的富集头的侧视结构图，图4是本发明实施例1的富集头的侧视结构图，图5是本发明实施例1的富集头的俯视结构图。图4和图5中，对于内部结构以虚线进行表示。
如图2-图5所示，富集头41具有富集壳体43、富集通道44和连接通道45。
富集壳体43呈立方体形状，内部为空腔，其顶面上设有一个矩形的汇流槽431。
富集通道44容纳在富集壳体43内，其数量为多根，用于让空气101流过从而对环境生物气溶胶进行富集。
本实施例中富集通道44的数量为16，各富集通道44均为管状结构，其一端连接在汇流槽431处并且在汇流槽431中形成有开口，另一端均连通至连接通道45。
如图4、5所示，每根富集通道44均包含有连续首尾连接的12段管状段，形成了较为密集的弯折结构，使得富集通道44的气流路径的得到延长。另外，本实施例中，每根富集通道44内壁上还设置有螺纹凹凸结构，由此可以使气流在富集通道44内流过时产生涡旋、变成混沌流，提升气流扰动；同时，这种螺纹结构也大大增加了管道内壁的表面积，能够提高捕获效率。
连接通道45贯穿设置在富集壳体43的远离汇流槽431的一端，该连接通道45的位于富集壳体43内的一端同时与各个富集通道44连通，另一端延伸至富集壳体43外。连接通道45用于在富集过程中与真空泵105连接，以及在冲洗过程中与注射泵103连接，使得富集过程中真空泵105所产生的负压能够通至各富集通道44，或冲洗过程中的PBS缓冲液能够流至各富集通道44。
图6是本发明实施例1的富集盖的结构图。图6中，内部结构采用虚线表示。
如图6所示，富集盖42用于在冲洗过程中盖在汇流槽431上，从而形成PBS缓冲液的流出通路，该富集盖42包括盖体421和汇流通道422。
盖体421的形状与汇流槽431的形状相匹配，能够盖在汇流槽431上形成封堵。
汇流通道422设置在盖体421上，一端延伸至盖体421的内侧(即盖在汇流槽431上时的盖体421内侧)并形成有多个分叉开口422A，另一端延伸至盖体421的外侧形成管道状。
本实施例的富集装置104的使用方法如下：
当需要对环境生物气溶胶进行富集时，取下富集盖42，此时各富集通道44位于汇流槽431内的开口均直接暴露在空气中。将真空泵105与连接通道45连接并开启真空泵105(可以通过管路将多个富集装置104的连接通道45同时连接至真空泵105)，即可从连接通道45处抽吸空气而在各个富集通道44内形成负压，促使环境空气101从汇流槽431处分别同时地流入各富集通道44。流动过程中，空气101在富集通道44内产生扰动，并与富集通道44内壁接触，使得环境生物气溶胶可以被富集在富集通道44内。
富集结束后需要将环境生物气溶胶冲洗出以便检测时，关闭真空泵105，将富集盖42盖在汇流槽431上，并将注射泵103的进液管伸入缓冲液容器102，将连接通道45连接注射泵103(可以通过管路将多个富集装置104的连接通道45同时连接至注射泵103)、汇流通道422连接检测芯片106(可以通过管路将多个富集装置104的汇流通道422同时连接检测芯片106)，开启注射泵103让注射泵103将缓冲液容器102中的PBS缓冲液向富集装置104处泵入，即可让PBS缓冲液经由连接通道45分别同时流入各富集通道44，并在流经了各富集通道44后均流入汇流槽431内，汇流形成对富集通道44冲洗后的富集冲洗液。该富集冲洗液再从汇流槽431进入汇流通道422后，通过汇流通道422向外流出，可以进一步流入检测芯片106以实现检测。
图7是本发明实施例1的流体层的结构图，图8是本发明实施例1的阀门层结构图，图9是本发明实施例1的流体层和阀门层叠加后形成检测芯片的结构图。
如图7-图9所示，本实施例的检测芯片106为微流控检测芯片，其采用软光刻技术制作而成，具有叠加键合的两个层，即阀门层61和流体层62。在键合时，流体层62在上，阀门层61在下；根据二者的功能不同，阀门层61和流体层62上可以分别刻有不同的槽型结构，叠加后即可形成不同的管路结构。具体地，阀门层61可以设置阀结构，起到使气体进入的流体阀的作用，流体层62可以使试剂、样品、微球进入，为免疫反应提供空间。
如图9所示，上述阀门层61和流体层62叠加键合的结构使得检测芯片106在平面上形成了8个呈环绕分布的检测单元63，通过微流控芯片中全透阀的设计，该8个检测单元63各自形成封闭空间，能够对多个样品同时检测，互不干扰。
检测芯片106的中心设置有注入通道64与分流通道65。注入通道64的一端连接有一个注入入口64A，分流通道65呈环形，其与注入通道64的另一端连通，并同时与8个检测单元63的入口连通。注入入口64A沿着垂直于阀门层61平面的方向延伸并在表面开口，当需要对检测芯片106内部进行整体清洗时，可以将清洗液从注入入口64A注入，经由注入通道64、分流通道65进入各个检测单元63而实现清洗。
图10是本发明实施例的检测单元的结构图。
如图10所示，检测单元63包括入口段631、反应柱632、出口段633、半透阀门634以及全透阀门635。
其中，入口段631与分流通道65连通，同时还连通有一个样品入口631A，该样品入口631A连通至检测芯片63的表面，用于让待检测的样品(即来自于富集装置104的富集冲洗液)进入入口段631。本实施例中，由于检测单元63的数量为8个，且各自互不干扰，因此可以最多同时连接8个富集装置104，分别对来自这些富集装置104的富集冲洗液进行检测。
反应柱632的一端与入口段631连接，其内部容纳有羧基化聚苯乙烯微球。
出口段633的一端与反应柱632的另一端连接，具有一个废液出口633A。
半透阀门634关闭时，允许气体或者液体通过，但固体(例如微球)不能通过；全透阀门635在关闭时，气体、液体及固体均不可通过。另外，半透阀门634、全透阀门635在打开时均允许气体、液体或固体通过。各半透阀门634以及全透阀门635均为电控阀，分别具有相应的电控制点，对电控制点施加相应电信号即可控制开闭，阀门的具体结构和控制原理参照现有技术，在此不再赘述。
本实施例中，每个检测单元63的半透阀门634的数量为两个，分别设置在反应柱632的两端；全透阀门635的数量为三个，分别设置在入口段631与分流通道65的连接处、入口段631与样品入口631A的连接处以及出口段633上。
本实施例的检测单元63的检测原理如下：
检测芯片63需要初始化时，先打开全部的全透阀门635，关闭靠近入口段631的半透阀门634，从废液出口633A注入羧基化聚苯乙烯微球，待反应段632充满微球后即可停止注入，关闭靠近出口段633的半透阀门634，并通过注入通道64注入清洗液清洗残留的微球，即完成初始化。
使用时，关闭两个半透阀门634，同时关闭入口段631与分流通道65的连接处的全透阀门635，打开另外两个全透阀门635，将汇流通道422与样品入口631A连通，通过注射泵103提供的液体动力让富集冲洗液由汇流通道422流出后再由样品入口631进入反应柱632，最后由废液出口633A流出。在此过程中，若富集冲洗液中存在着由空气101富集来的PAHs，则会被吸附在微球上。
富集冲洗液流完后，再通过样品入口631A注入PAHs小鼠单克隆抗体，使得结合在微球上的PAHs与PAHs小鼠单克隆抗体结合；然后，再通过样品入口631A注入荧光二抗，该荧光二抗可以与PAHs小鼠单克隆抗体结合，实现间接免疫反应检测。本实施例的荧光二抗能够被488nm波长的光激发而发出绿色荧光，因此微球表面的荧光强度越强，说明微球结合了越多的PAHs，也就说明PAHs的浓度越高，即、原本的空气101的环境中PAHs的含量也越高。
如上所述，通过富集、检测，即可得出环境空气101中的PAHs含量。由于注射泵102、真空泵105、半透阀门634和全透阀门635等均可以电控，因此，设置一个控制系统对本实施例的检测系统100的工作进行控制，实现半自动化、一体化的富集及检测操作，整个富集与检测的时间为35分钟，其中5分钟用于采样，30分钟用于检测。
采用本实施例的检测系统100对某地区监测20天，结果是PAHs的浓度都在3.3ng/m3以上，其过程中，富集与检测操作可以一体化进行，能够达到连续监控检测的需求。
<实施例2>
本实施例提供了一种检测系统，该检测系统的基本构成与实施例1相同，但富集头41的结构形状不同。
图11是本发明实施例2的富集头的侧视结构图，图12是本发明实施例2的富集头的俯视结构图。图11和图12中，对于内部结构以虚线进行表示。
如图10、11所示，本实施例的富集头41与实施例的主要区别在于富集通道44的数量和形状不同。具体地，富集通道44的数量为4根，且每根富集通道44均弯折形成有9个环状结构，这样的弯折结构也是为了延长富集通道44的总长度，从而提高捕获效果。另外，富集通道44内壁上设有密集分布的点形凸起结构，能够增大表面积，同样地可以提高捕获效果。

Claims (7)

1.一种环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，用于空气中的环境生物气溶胶进行富集以及PAHs检测，其特征在于，包括：
至少一个富集装置，用于对环境生物气溶胶进行富集；
真空泵，用于在所述富集的过程中提供负压；
注射泵，用于在所述富集后将缓冲液泵入所述富集装置从而形成富集冲洗液；以及
检测芯片，用于对所述富集冲洗液进行检测得到PAHs的浓度，
其中，所述富集装置包括富集头和富集盖，
所述富集头具有富集壳体、容纳在所述富集壳体内的多个富集通道以及连接各所述富集通道一端的连接通道，
所述富集壳体上设有连接所述富集通道的另一端的汇流槽，
所述富集盖具有能够盖在所述汇流槽上的盖体以及设置在所述盖体上的汇流通道。
2.根据权利要求1所述的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，其特征在于：
其中，所述连接通道贯穿设置在所述富集壳体的远离所述汇流槽的一端。
3.根据权利要求1所述的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，其特征在于：
其中，每根所述富集通道的内壁上设置有螺纹凹凸结构。
4.根据权利要求1所述的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，其特征在于：
其中，每根所述富集通道均包含有连续首尾连接的多段管状段，形成了密集弯折结构。
5.根据权利要求1所述的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，其特征在于：
其中，每根所述富集通道均弯折形成有多个环状结构。
6.根据权利要求1所述的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，其特征在于：
其中，所述检测芯片具有流体层和阀门层，
所述流体层和所述阀门层上分别通过软光刻形成有槽型结构，二者叠加键合后形成管路结构。
7.根据权利要求1所述的环境生物气溶胶的富集与检测一体化系统，其特征在于：
其中，所述检测芯片上形成有多个检测单元，每个检测单元具有反应柱，所述反应柱容纳有羧基化聚苯乙烯微球，用于吸附PAHs，从而通过PAHs小鼠单克隆抗体以及荧光二抗对PAHs进行间接免疫反应检测。
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