CN115093943A

CN115093943A - 一种离心撞击法生物气溶胶富集装置及其细胞暴露与应用

Info

Publication number: CN115093943A
Application number: CN202210645417.8A
Authority: CN
Inventors: 张婷; 安太成; 李桂英
Original assignee: Guangdong University of Technology; Liaoning Technical University
Current assignee: Guangdong University of Technology; Liaoning Technical University
Priority date: 2022-06-09
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2022-09-23
Also published as: WO2023237112A1

Abstract

本发明公开了一种离心撞击法生物气溶胶富集装置及细胞暴露与应用，所述装置包括：生物气溶胶富集装置主机和细胞暴露系统；空气依次经过富集装置主机的富集腔、平衡池和暴露模块；由细胞暴露系统实时采集‑调节空气生物气溶胶的暴露数据，磁悬浮机构驱动细胞暴露膜盒旋转，依循实时采集、智能调节、动态控制与暴露的步骤，进行空气生物气溶胶富集，以及细胞暴露毒性的动态监测。本发明提出的生物气溶胶富集装置及细胞暴露与应用，方法简便易行，数据可靠和准确性高，解决了空气中低浓度生物气溶胶(包括颗粒物上的病毒、细菌、真菌等)的富集与移动监测问题，能用于交通工具、禽畜养殖场、生物实验室、居民区等人群活动场所，具有较大应用价值。

Description

一种离心撞击法生物气溶胶富集装置及其细胞暴露与应用

技术领域

本发明属于生物气溶胶监测技术领域，公开了一种生物气溶胶的富集装置及其细胞暴露研究方法与应用，可用于空气生物气溶胶的实时监测、富集与毒性评价。

背景技术

近年来，室内外空气污染物健康危害频繁发生，大气污染问题成为社会高度关注的重点。气溶胶作为具有健康危害的污染物，具有空气传播的特性，有必要构建快速、准确、可靠的检测方法。目前，空气生物气溶胶的采集技术主要以液体冲击法、固体撞击法、离心沉降法和滤膜法为主。

使用大中流量捕集器阻留空气污染物，可以把空气中浓度较低的气溶胶富集起来，如抽气法、滤膜法、琼脂采样法等。然而，用这些方法收集污染物，测得的是瞬时浓度，具有不确定性。用器皿(如采样罐、采样袋、采样瓶等)采集生物气溶胶的方法，适合于浓度较高，或者测定灵敏度较高，不易被粘附或短时间化学特性稳定的污染气体采集。以上方法收集到的生物污染物浓度往往不能简捷快速的表征空气中生物气溶胶的时间加权平均浓度、或较长时间段(如白天、夜晚、月、季度)的累积浓度。

随着对环境生物污染监测要求的提高，我国现有的环境监测技术不断进步，如采用细胞传感器在内的手段和方法监测环境中的污染物。中国科学院生态环境研究中心的研究人员发现在特定环境下，游离化细胞传感器信号增强，而固定化细胞传感器受到空气中的离子浓度、装置阻力、时间等因素的影响发生形态变化，存在对空气中低浓度苯污染物检测信号不明显的问题。这些生物监测方法常常缺乏必要的系统优化，不确定性高。近年来，对空气中生物气溶胶毒害性的测试方法也逐渐发展建立起来，以往的研究倾向于关注单一污染物对细胞的毒性和基因毒性方面，对真实自然环境下的全组份的生物气溶胶细胞暴露研究的方法较少，测试结果常常不能全面反映环境空气生物气溶胶的动态、暴露在真实空气污染物中的细胞毒性与风险。

本发明的申请人认为，采用基于离心撞击法的富集腔代替撞击式安德森大气生物气溶胶采样器或常规滤膜过滤器，方便微生物气溶胶(如颗粒物上黏附的致病菌)在具有弹性的凝胶仓板上富集。主要原因是由于凝胶材料的多孔性和吸湿性，可以保证粘附在仓板上的生物气溶胶的化学组成、形貌结构和空气动力学性质少受装置内部阻力等影响。离心撞击法的富集方法，使监测和暴露数据更加接近“原位”的大气生物气溶胶浓度，又几乎不增加额外的检测成本。

本发明公开的一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置，结构紧凑，操作便捷，提供了一种移动式的，如搭载在无人机、移动小车等移动设备上或穿戴在人体上的，适于如校园、洗手间、商超、实验室等人群活动场所空气生物污染物浓度检测的新思路，能够为通过空气介质传播的致病微生物的控制措施制定提供基础数据。本发明还提供了一种生物气溶胶的细胞暴露方法、方便原位检测其细胞暴露毒性，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，公开的一种适合于空气低浓度生物气溶胶移动式离心撞击法的富集装置，提出了一种基于实时采集、智能调节、动态控制步骤开展细胞暴露研究的方法与应用。

本发明所述的一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置及其细胞暴露研究的方法与应用，包括空气生物气溶胶富集装置主机和细胞传感器系统，所述的一种生物气溶胶富集装置由具有分级功能的富集腔I、平衡池II和暴露模块III组成，可以通过以下技术方案来实现：

所述富集腔I为多腔室结构，腔室包括孔径为0.001～50mm的多孔布气板，由重尘仓、微尘仓、微生物富集仓、采样回路和自动控制器构成。

所述富集腔I的壁面可以由多孔网架、多孔膜管制成，材料可以为陶瓷、高分子材料、钛合金等，优选形状记忆镍钛合金，表面粗糙度Ra/Rz/Ry≥0.8。

所述富集腔I的微尘仓壁面设置1μm～1mm深的微槽结构，包括楔形、三角形、针型、六棱柱的一种或几种的组合，顶部埋有无线传感器，包括微米颗粒物PM浓度传感器。

所述富集腔I的重尘仓的底部设置有可调波长的UV-LED灯带，可调波长范围为200～400nm。

所述富集腔I的微生物富集仓是多孔膜管结构，壁面涂布凝胶，方便捕集空气中的微生物，并保持微生物活性。

本发明所述的多孔膜管是包括以下组分及其重量分数的凝胶膜管，优选的水凝胶溶液配方包括：

具体制备方法如下：

将水凝胶溶液恒温静置，注入喷丝板，于4～40℃水浴牵伸8～10分钟，使其固化成型，即得到多孔膜管，优选旋风形式膜管。

所述的平衡池II具有调节空气生物气溶胶浓度的作用，安装滤网、雾化器和静电发生器，平衡池II的底端与富集腔I顶端连接。

所述的平衡池II的滤网尺寸大于0.01mm，分离粒径范围为0.001μm～50mm，滤网材质可以为PTFE,PES,PSU,PAN,CA，木浆滤纸、不锈钢，优选PTFE，但不仅限于此。

所述的平衡池II的雾化器是一种圆片式的雾化液滴发生器，圆片直径不超过100mm，雾化液滴的索特尔Sauter平均直径SMD范围为0.1～1mm。

所述的平衡池II的静电发生器的输出电压可在2.5～80KV调节，包含两段式蜂窝状静电吸附，可以与负离子发生器结合使用，但不仅限于此。

所述的平衡池II安装可调节开启度和开启速度的电磁阀，将不同生物气溶胶浓度的空气分区管理，并连续或间歇分配到暴露模块III的细胞暴露膜盒。

在某些实施例里，平衡池II的静电发生器可与滤网、雾化器调换顺序，滤网外壳可外接生物试剂接口，调节进入暴露模块III的进气品质，并可安装温度、湿度、颗粒物PM浓度、微生物浓度传感器和GPS/LBS/北斗跟踪定位器，实时输入数据到数据处理单元。

所述的暴露模块III是设于富集腔I和平衡池II之后，由套筒结构密封，外套筒安装驱动机构和移动式数字支架，内套筒装配细胞暴露膜盒。

所述的暴露模块III的驱动机构位于细胞暴露膜盒底部，安装电磁阀和流量控制器，布置微型管道轴流风机、气泵的一种或两种的组合，包括移动轨道、磁线圈和磁悬浮电机。

所述的暴露模块III的细胞暴露膜盒可沿移动轨道旋转，旋转速度可调。

所述的暴露模块III的磁悬浮电机能够驱动细胞暴露膜盒旋转，评估空气生物气溶胶的细胞暴露，保证以体外模型为基础的细胞暴露过程的可靠进行。

所述的暴露模块III的细胞暴露膜盒由3D网架支撑，网架包含微管结构和无线传感器，如压力传感器，，3D网架微管结构的出口管径≥0.25mm，并夹持具有梯度孔径的多孔材料膜块(图1灰色膜片)，孔径≥0.25mm，孔径梯度不低于0.1mm/mm，材料为二氧化硅、聚四氟乙烯、聚苯乙烯，但不仅限于此。

所述的暴露模块III依据无线传感器和细胞传感器采集空气生物颗粒浓度和粒径数据，即时调节旋转速度的数字化部件，并具有记录富集装置移动轨迹的功能。

概括地，本发明提出的一种移动式离心撞击法的生物气溶胶富集装置的细胞暴露研究方法与应用，其特征在于：生物气溶胶富集装置包括离心撞击法生物气溶胶富集装置主机和细胞暴露系统。所述的离心撞击法生物气溶胶富集装置主机，由富集腔、平衡池和暴露模块组成。

本发明提出的一种生物气溶胶富集装置的细胞暴露方法，其特征为：

所述的移动式离心撞击方法生物气溶胶富集装置是基于气液暴露原理的，采用实时采集、智能调节、动态控制与暴露步骤的细胞暴露方法，详细的暴露步骤如下：

S1.实时采集：

空气依次进入富集腔的重尘仓、微尘仓和微生物富集，分级采集；微生物富集仓的出气口经过管路、微型阀门、无线传感器与生物气溶胶富集装置的平衡池底端进口连接；随后空气经过平衡池的滤网、雾化器和静电发生器，进入节流元件和孔板，由喷嘴喷入暴露模块；保证采集数据的准确性。

S2.智能调节：

所述细胞暴露系统包括细胞传感器和可编程序控制器，可安装数据处理单元和存储器，能够依据可编程序控制器的指令智能调节进入暴露膜块的空气暴露温度、湿度、流量和组分，动态控制细胞暴露环境并存储数据。移动式数字支架依据无线传感器实时采集空气生物气溶胶浓度等信息，设定细胞暴露限值，输入细胞传感器系统，发出指令调节暴露模块III的细胞暴露参数。

S3.动态控制：

所述暴露模块III的3D网架微管，一端与平衡池的无线传感器连接，一端与细胞传感器系统连接，通过计量泵将包裹凝胶的细胞传感器定量输送到所述多孔材料制成膜块的表面，采集细胞生长、代谢、影像等信息输送回可编程序控制器和数据处理单元，记录、存储、分析细胞暴露数据，实现生物气溶胶的动态控制。

S4.暴露：

细胞暴露方法的控制中心是细胞传感器。暴露研究是在具有可旋转构件的暴露模块中进行的，暴露模块依靠硅橡胶元件和套筒结构密封，安装驱动机构、细胞暴露膜盒和移动式数字支架；所述细胞暴露膜盒是可旋转的暴露部件，由3D网架支撑，并夹持多孔材料制成的膜块；所述驱动机构轨道、磁铁和磁悬浮电机布置在外套筒，并经3D网架微管管路与内套筒的细胞暴露膜盒连接，所述3D网架包括近端微管、远端微管和侧端微管；近端微管与计量泵的进液管、出液管、移动式数字支架和可编程序控制器连接；远端微管与多孔材料制成的膜块连接；一部分侧端微管延伸出套筒结构与无线传感器和节流阀连接，另一部分侧端微管连接细胞传感器系统；记录细胞暴露数据。

综上所述，本发明简便易行，解决了空气中低浓度生物气溶胶(包括颗粒物上的病毒、细菌、真菌等)的富集与移动监测问题，为交通工具、禽畜养殖场、生物实验室等人群活动场所的生物气溶胶传播与风险控制提供科学数据。并且提供了一种生物气溶胶暴露方法，方便原位监测细胞暴露毒性，具有较广阔的应用前景与价值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提出的一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置，结构紧凑，采用非接触式“生物气溶胶释放源定位”的移动测量技术，提高了空气生物气溶胶富集效率，具有时间、空间多维度环境监测的灵活性。

2.本发明提出的一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置，采用细胞传感器系统分析空气生物气溶胶浓度信息的方法，获得了全面的细胞暴露数据，提高了解析空气微生物污染来源的准确性。

3.本发明通过构建连接平衡池的旋转式细胞暴露系统，解决了细胞在真实环境污染物下难于持续暴露的问题，避免了单一污染物单细胞分析的不确定性，为生物气溶胶的细胞暴露研究提供了一种可行方法与新思路。

附图说明

图1是本发明移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置结构的主视图和俯视结构示意图；

图2是本发明的离心撞击法生物气溶胶富集装置的细胞暴露流程图；

图3是本发明的暴露模块III的多孔材料膜块的梯度孔径示意图；

图4是本发明的暴露模块III的3D网架及微管结构示意图；

图5是本发明的细胞传感器系统的控制原理图。

图中：I-富集腔；II-平衡池；III-暴露模块；1、重尘仓；2、微尘仓；3、微生物富集仓；4、雾化器；5、膜管；6、细胞暴露膜盒；7、膜块；8、静电发生器；9、出气口；10、滤网网片；11、驱动机构；12、移动式数字支架；D1～D4、多孔材料制成的膜块微孔直径；13、3D网架；14、水凝胶涂层；15、微管结构；16、传感器；17、静态混合器。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例

参照图1、图3和图4，本实施例提供了一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置，富集装置包括如下结构：

如图1所示，装置包括带有分级腔的富集腔I、平衡池II和暴露模块III；富集腔I由重尘仓1、微尘仓2和微生物富集仓3组成，微生物富集仓内表面涂布水凝胶14；平衡池II底端与富集腔I的出气口9连接，安装CA滤网10、能生成0.5～50μm微米液滴的雾化器4和静电电压在0～100kv之间自由调节的微型静电发生器8；暴露模块III设于富集腔I和平衡池II之后，具有驱动机构11、细胞暴露膜盒6、移动式数字支架12，驱动机构11在细胞暴露膜盒6的底部安装了倒U形悬浮轨、钕铁硼U形磁铁和磁悬浮直流电动机，驱动细胞暴露膜盒6可旋转。细胞暴露膜盒6由网架13支撑，网架包括毛细的3D打印的微管结构15和PM、压力、压差、温湿度传感器16，细胞暴露膜盒6内夹持聚苯乙烯多孔材料膜块7。

图3为本发明所述暴露模块III的多孔材料制成的膜块梯度孔径示意图，孔径D1＞D2＞D3＜D4＜10μm，保证监测空气生物气溶胶浓度的准确性。暴露模块III的移动式数字支架12能够依据采集到的空气颗粒物浓度和粒径等数据调速，并记录富集装置运动轨迹。暴露模块III与平衡池II的出气口9连接，出气口9安装静态混合器17。

如图4所示，本发明暴露模块III的3D网架及微管结构的设计巧妙，起到了均匀分布生物气溶胶的效果，减少了移动式数字支架连接的传感器测量数据的异常波动，方便开展真实空气环境下的细胞暴露研究，拓展了生物气溶胶富集装置在细胞暴露研究领域的功能，有益于减少空气生物气溶胶重复监测的劳动耗费和时间成本。

本发明的一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置及其细胞暴露的工作流程如下：

1.监测前，先检测富集装置的可移动性，打开暴露模块III驱动机构11的电源，旋转细胞暴露膜盒6，使用振动分析仪、动平衡仪、管道漏风量检测仪检查暴露模块III各部件是否动平衡和密闭。随后，检查平衡池II的调节能力，以及雾化器4和静电发生器8是否异常，是否可以实现污染物浓度的实时控制和数据处理、信号传输。观察富集腔I各仓是否可以正常联通，检查大气污染物浓度监测传感器是否可以正常启动，随后打开空气泵，使仪器开始运行，等待仪器稳定5分钟，确定装置可以持续正常采集作业。接下来，测试富集装置采集标样，标准化的500CFU/m³乳酸杆菌气样的数据稳定性，控制0.1～20kPa，观察生物气溶胶的浓度波动率不大于10％。最后，确定装置的电量充足，温度：0～50℃，湿度：10～90％，将富集装置的进、出气口9阀门和无菌罩打开。将移动式离心撞击法的生物气溶胶富集装置佩戴在被试者上臂，确保佩戴者佩戴位置的舒适稳固性，准备采样。

2.采样时，打开富集装置总电源，等待生物气溶胶富集装置预热3～5分钟，设定富集腔I的进气流量，打开富集腔的重尘仓1、微尘仓2、微生物仓3阀门，启动温度、湿度传感器16和GPS定位器，收集空气生物气溶胶数据，绘制生物气溶胶的浓度曲线。根据程序设定的暴露阈值，手动或自动定时启动平衡池II的雾化器和负离子发生器，控制空气生物气溶胶的平衡浓度在50～5000CFU/m³范围，当装置显示达到平衡浓度，调节平衡池II的电磁阀。接下来，按下平衡池II的出口管阀门开关，将气体输送到暴露模块III，计时器开始计时，进行人鼻咽上皮细胞的暴露模拟。此时，移动式数字支架12根据空气生物气溶胶的浓度调整细胞暴露膜盒旋转速度。若传感器检测到细胞暴露膜盒6的暴露浓度高于细胞许可的限值5000CFU/m³，装置报警、暂时关闭平衡池II的出口管阀门，制作日志存入数据处理单元和存储芯片，结束采样。

3.采样完成后，首先将安装静态混合器的出气口9的阀门关闭，关闭暴露模块III驱动机构11电源，取下细胞暴露膜盒6送实验室复检并排放气体，然后取下重尘仓1、微尘仓2和微生物仓3和传感器16等电子电气部件，将富集装置的平衡池II送入121℃蒸汽杀菌，并将装置无菌覆膜封存。再次检查富集装置的可编程控制器状态，下载已保存的空气生物气溶胶数据。同时，系统气路、滤网网片10和静态混合器17根据生物污染情况及时清洗和更换。

实施例一

生物气溶胶富集装置包括带有分级腔的富集腔I、平衡池II和暴露模块III；富集腔I设有重尘仓1、微尘仓2和微生物富集仓3，微生物富集仓内表面涂布水凝胶14；平衡池II的底端与富集腔I的出气口9连接，安装CA滤网10、能生成微米液滴的雾化器4和高精度高稳定性±1200V的静电发生器8；暴露模块III设于富集腔I和平衡池II之后，由驱动机构11、细胞暴露膜盒6、移动式数字支架12三部分组成，驱动机构11在细胞暴露膜盒6的底部安装O形移动轨道和磁悬浮声波电机，与平衡池II的出气口连接，细胞暴露膜盒6可旋转，由3D网架13支撑，网架包括毛细的微管结构15和PM、压力、压差、温湿度传感器16，膜盒内夹持聚苯乙烯多孔材料膜块7，移动式数字支架12依据采集到的空气颗粒物PM浓度调节细胞暴露膜盒6转速。

本发明所述的一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置可以应用于不同场景，依据场景调整细胞暴露研究方法。

本实施例提供了一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置及其细胞暴露方法在室内外区域的应用，对于生物化工产业园生物气溶胶采集及暴露方法是：

S1：采样点设置：在1000m²生物化工产业园划定25个网格采样点，每个采样点选取职业工人4名(2名男性，2名女性)，移动式安装本发明的离心撞击法富集生物气溶胶装置，展开细胞暴露研究。

S2：富集：随后，启动装置电源，生物气溶胶首先通过楔形图案微结构的富集腔I掩膜板的镂空部分，在惯性力、离心力等作用力下分级进入重尘仓1、微尘仓2和微生物富集仓3。

S3：水凝胶配制及平衡：80℃下将4.5g聚偏氟乙烯PVDF、1.5g聚醚砜PSU溶解于5ml聚乙二醇-400、15ml N-甲基吡咯烷酮和5ml苯甲酸，搅拌2小时至溶解，涂敷在富集腔I微生物富集仓3内外表面和膜管5，浸入25℃水浴和100mg类胡萝卜素酯的乙醇溶液，固化形成水凝胶涂层，涂层厚度为5mm，具有乳突状微结构。在温度36.5～37.5℃，测量重尘仓1的生物气溶胶的活性、浓度，并控制平衡池II排出空气湿度为60～65RH％，PM2.5浓度低于10μg/m³。

S4：暴露：将细胞暴露膜盒的旋转速度设定为6～9r/min，布置50.25cm²的经过高温高压灭菌处理的PES膜块7，膜块7的外表面涂布10ml细胞组织保存液，接种经定植扩增培养的(1～5)×10⁵个/ml的人食管上皮细胞，接种量为50μL，膜块下方通入平衡池II排出的空气和细胞传感器，调节温度调节范围为37.3℃，湿度28RH％，气体流量调节为400L/min，暴露持续8小时工作时间。

S5：源特征数据归一化处理：细胞暴露膜盒和具有数据采集存储功能的可编程序控制器连接计算机PC进行数据分析，在线评估100名职业工人的日均、时均生物气溶胶暴露风险。

S6：气体达标排放：并采用出气口9布置的静电发生器8处理排放气体，使气体达标排放，PM2.5浓度低于1μg/m³。

实施例二

如图2所示，对于高湿度、高温度、高生物气溶胶浓度的公共卫生间的暴露风险研究，细胞暴露方法为：

S1：固定式采样点设置：划分购物广场公共卫生间区域干区和湿区，分别在六层楼的男、女公共卫生间和廊道的干、湿区布置本发明的移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置各1台，测量休息日(周日)和工作日(周一～周六)公共卫生间的暴露风险：

S2：实时采集：将生物气溶胶富集固定装置安装在男、女公共卫生间和廊道，空气气溶胶基于离心撞击方法进入重尘仓1、微尘仓2和微生物富集仓3，重尘仓1的底部安装UV-LED灯带，波长范围为254nm，波长精度：±1nm。

S3：智能调节：通过统计方法(数学方法)将无线浓度传感器、无线温湿度传感器采集的待处理数据进行线性转换，成为归一化的数据格式，并降低数据附带的量纲影响，使不同的特征数据具有相同的尺度，进而具有可对比性，采用的源多特征数据归一化采用最大最小标准化方法，采用如下公式进行数据转换：

式1中min表示多特征数据的最小值，max表示多特征数据的最大值，x表示元数据中的具体值。将归一化数据输入细胞传感器系统，依据图4的原理进行平衡池的电磁阀开启度和速度的调节。

S4：动态控制：制备水凝胶，即80℃下将2.5g聚醚砜溶解在15毫升二氯甲烷中，搅拌至溶解，由四轴喷头喷入20℃水浴10ml，经过100mg聚类胡萝卜素丙烯酸酯溶入1ml乙醇溶液的雾滴，缠绕出胶，随后将其呈阵列形式涂敷在富集腔I的微生物富集仓3的顶板。采用菌落计数法计算微生物富集仓3的菌落数浓度，控制温度36.5～37.5℃，动态调节细胞培养限值≥50CFU/m³的多浓度空气生物气溶胶的物理、化学环境。

S5：细胞暴露：设定细胞暴露膜盒6的旋转速度为20r/min，布置12.5cm²的经过高温高压灭菌处理的膜块7，膜块7表面涂布2ml细胞组织保存液，接种经定植扩增培养的(1～5)×10⁶个/ml的人肺泡上皮细胞，接种量为100μL，膜块下端充入平衡池II排出的湿度保持80～95RH％，PM2.5浓度90～110μg/m³，温度36.5℃，气体流量为600ml/min的空气，评估休息日(周日)和工作日(周一～周六)洗手间的暴露风险。

S6：安全排放：出气口9布置25KV静电发生器和医用雾化器，雾化液滴呈正态分布，直径分布范围为0.1-500μm，，雾化流量为2ml/min，雾化速度为0.5m/s。气体从出气口达标排放，排放气体的PM2.5浓度低于1μg/m³，可培养微生物浓度不高于1CFU/m³。

实施例三

如图5所示，对于空气生物气溶胶浓度低的生物实验室场景，生物气溶胶富集及其细胞暴露方法如下：

S1：移动式采样点设置：二级生物安全实验室内划分3×3网格，布置9个采样点，生物实验室室外划分三个间隔1.5米的环，间隔60°布置采样点总计18个采样点，并选取一名实验室工作人员，在其左上臂佩戴本发明所述的生物气溶胶富集装置，每隔4小时收集实验室工作人员工作期间的生物气溶胶暴露数据，设定富集装置程序，使细胞暴露膜盒6的旋转速度稳定在1.1～10r/min，暴露研究的时间为72小时。

S2：富集:空气与富集装置下端进气口连接，依此经过富集腔I后，进入平衡池II。采用生理盐水冲洗富集装置内膜管5采集生物气溶胶3～5次，管外表面缠绕水凝胶丝：73～75℃下将5g聚醚砜溶解在2ml吐温-60及20毫升二甲基甲酰胺中，搅拌至溶解，由同轴双列六角管喷丝头喷出至4℃冷水浴、100mg类胡萝卜素酯、荧光试剂、0.5-1.5wt％的酵母浸膏的乙醇溶液10ml，固化成形后缠绕。随后，采用荧光法计算生物气溶胶浓度等生化指标。当达到细胞培养浓度限大于临界限值后，将空气重新泵入平衡池II，增加膜管表面水凝胶的缠绕密度，并用雾化器将含0.02％EDTA的DPBS溶液冲洗膜管两次，再将膜管升气管排放气体输送到暴露模块III。

S3：细胞暴露：控制细胞暴露膜盒6旋转速度为6r/min，布置25cm²的经过高温高压灭菌处理的膜块，膜块7表面涂布2ml细胞组织固定液，接种100μL经培养扩增的(1～1.5)×10⁵个/ml人鼻粘膜上皮细胞，膜块侧壁注入控制平衡池II排出的空气温度为13～14℃，湿度为28～32％RH，PM2.5浓度40～60μg/m³，PM2.5浓度200～220μg/m³，PM10浓度220～320μg/m³，气体流量为500L/min，生物气溶胶浓度为500、1000、1500CFU/m³。评估生物实验室室内的和室外的空气生物气溶胶在24小时内的细胞暴露风险，细胞暴露膜盒可依据暴露情况及时更替。

S4：细胞传感器系统构建：在二氧化硅多孔材料制造的膜块7衬板的微沟槽上腐蚀出小井，由3D网架微管泵入细胞传感器填入沟槽中，并覆盖水凝胶培养基，采用LED扫描，并通过脉冲激光激发电子空穴对的产生，由微管另一端连接的可编程序控制器分析暴露细胞在暴露空气气溶胶后的胞外pH值等参数，如图5所示。当引起的信号波动超过阈刺激的点位时，反馈给平衡池II、数据处理单元和存储器，重新调整平衡池II的生物气溶胶浓度。如果没有达到阈刺激电位，则保持固有的细胞暴露参数。由细胞传感器显色统计暴露细胞的活力相对数q，随即可编程序控制器结合无线传感器输出的雷诺数Re和胞外聚合物浓度c，PC计算得到基于实验室工作人员活动的生物实验室场景构建的速度-浓度-活性响应方程的系数ξ。最后，估算随空气介质扩散传播生物气溶胶的暴露风险，并将数据输入存储芯片。

S5：安全排放：含生物气溶胶的空气经过布置25KV静电发生器8、HEPA滤芯和雾化青霉素和/或硫酸链霉素的生理盐水的雾化器4、静态混合器17后，从出气口9达到排放标准排放，包括PM2.5浓度低于1μg/m³，可培养微生物浓度不高于1CFU/m³。

以上描述和附图充分地展示出了本发明的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括装置结构上的、计算机程序上的、电子电气的、动态富集过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化，除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分特征。而且，本申请中使用的用词仅用于描述实施例并且不用于限制本发明的权利要求。

本文所披露的实施例中，所揭露的方法、产品(包括但不限于装置、设备等)，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅是示意性的，例如，所述采样网格的划分，可以仅仅为人群活动功能区划分，实际实现时可以有另外的采样网格划分方式；例如，生物气溶胶富集腔的各仓装配，可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的电子部件相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些数字接口，装置或系统的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元模块来实现本实施例。另外，在本发明公开的实施例中的各模块可以集成在一个系统中，也可以与多个系统组合存在，也可以单一模块独立运行。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置，其特征在于：包括可移动式使用的离心撞击法生物气溶胶富集装置主机和细胞传感器系统；所述富集装置的进气口与空气联通，包括富集腔、平衡池、暴露模块和细胞传感器系统；空气与富集装置进气口联通；依级进入富集腔的重尘仓、微尘仓和微生物富集仓后，经过柔性管路、微型阀门、无线传感器，与平衡池的底端进口连接；通过滤网、雾化器和静电发生器，对空气生物气溶胶浓度进行调节，随后经过节流元件、调节阀连接至具有硅橡胶件和套筒密封结构的暴露模块；由驱动机构和移动式数字支架共同驱动细胞暴露膜盒旋转，使细胞暴露；所述细胞暴露膜盒由3D网架支撑，3D网架的微管穿出套筒密封结构，连接至细胞传感器系统，动态调整暴露条件；最后，空气从出气口达标排放。

2.如权利要求1所述的一种移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置，其特征在于，所述的暴露模块的3D网架微管包含近端、远端、侧端微管，近端微管与计量泵的进液管、出液管、移动式数字支架和可编程序控制器连接；远端微管与多孔材料制成的膜块连接；侧端微管延伸出套筒结构与无线传感器、节流阀连接；侧端微管出口管径≥0.25mm。

3.一种细胞暴露研究方法，其特征为，利用如权利要求1所述的移动式离心撞击法生物气溶胶富集装置，基于气液暴露原理，采用实时采集、智能调节、动态控制步骤，驱动细胞暴露膜盒沿移动轨道旋转，开展细胞暴露。

4.如权利要求3所述的一种细胞暴露研究方法，其特征为，所述平衡池安装可调开启度阀门，将不同生物气溶胶浓度的空气分区输送，分配到暴露模块。

5.如权利要求3所述的一种细胞暴露研究方法，其特征为，所述的3D网架侧端微管的一端与无线传感器连接，另一端与细胞传感器连接，由细胞传感器输出指令，经数据处理单元设定平衡池节流元件的孔板孔径，调节柔性管道上微型阀门的开度，实时采集空气中生物气溶胶。

6.如权利要求3所述的一种细胞暴露研究方法，其特征为，所述的细胞传感器系统包括细胞传感器和可编程序控制器，其中的细胞传感器用来测量空气中生物气溶胶的细胞暴露毒性，可编程序控制器通过向平衡池发出指令，智能调节暴露的温度、湿度、污染气体组成及浓度。

7.如权利要求3所述的一种细胞暴露研究方法，其特征为，所述的无线传感器能够实时监测空气生物气溶胶浓度，输入到可编程序控制器，依据程序设定的细胞暴露限值，动态控制细胞暴露膜盒的旋转速度，记录细胞暴露数据的变化趋势。

8.如权利要求3所述的一种细胞暴露研究方法，其特征为，所述细胞暴露膜盒的3D网架微管和计量泵能够将包裹凝胶的细胞传感器输送到所述膜块的上表面，采集细胞生长、代谢、影像等信息，及时输送回可编程序控制器，记录、存储数据，并由数据处理单元分析细胞暴露数据。

9.如权利要求3所述的一种细胞暴露研究方法，其特征为，所述暴露模块的含生物气溶胶的空气，经过树状管路通入涂布凝胶的静态混合器，利用节流喷嘴喷射的雾化液滴对空气中的生物气溶胶进行湿沉降，消减其浓度后，使其从出气口安全排放。