CN115096536A - 一种显微成像的环境降水风洞及其在健康风险评估的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种显微成像环境降水风洞及其在健康风险评估中的应用，环境降水风洞通过与空气联通的降水段的降水发生模块模拟降水，经气象资料采集、区域网格化和降水发生模拟数据输出，使空气质量对降水响应；依循降水模拟、混合扩散、显微观测的步骤观察生物气溶胶三维迁移行为，开展健康风险评估，解决环境空气中扩散传播气溶胶的富集及活细胞凋亡、增殖原位观测与示踪显微成像难题。本发明所述的风洞在健康风险评估的应用，方法简便易行，适用面广，方便了降雨、降雪、降雹、台风等环境下随大气运动的生物污染物的动态监测，适合为居民区、填埋场等区域空气条件致病菌传播提供科学数据，具有较强针对性和实用性。

Description

一种显微成像的环境降水风洞及其在健康风险评估的应用
技术领域
本发明涉及大气环境监测技术领域，具体涉及一种活细胞显微成像的环境降水风洞及其在健康风险评估的应用。
背景技术
风洞是一种空气动力学地面模拟设备，依据相似准则产生气流并控制气流，测量实物或模型周围的气体流态。风洞常被设计成管状结构，气流流速、压力、温度等参数在风洞试验段各截面均匀分布，成为航天、机械等工程领域观察流动现象的重要研究工具之一。
微生物作为气溶胶的重要组成部分，可通过大气传播。德国科学家通过显微技术观测602μm×505μm视场，发现纤毛虫纤毛运动的流向涡显著增加混合效应，增大其从周围流场获取营养物质的可能。在一些高湿度的自然环境条件下，微生物周围的流体流型多样，如涡环，显著增加质量传递、生物膜的营养，是气溶胶风险研究的重要方面。
随着全球气候和空气污染异常加剧，环境风洞在气溶胶环境危害和健康效应研究方面发挥作用，如气溶胶湿沉积、泄露动态检测等方向。传统的闭口直流式的环境风洞具有宽测量范围、流场可视化、建造和使用费用低等特点，能够观测空气污染物的流动特征。但是，风洞的试验段不能很长，导致环境风洞试验条件很难与微生物扩散的实际情况相似，这就意味着，传统的环境风洞很难模拟研究真实流场中气溶胶的长距离扩散特征，特别是含致病菌气溶胶在降水环境下的扩散传播距离、浓度分布、运动轨迹、活性和感染风险等。而且，现有的风洞技术装备较少关注微生物局部流场的化学、生物化学等信息，限制了人们对微生物随空气扩散机理的理解。
因此，设计一种活细胞显微成像的环境风洞，建立降水和风等关键环境因素与空气微生物运动环境相似的三维可视化测量方法，解决空气生物气溶胶扩散传播的流场诊断及其在人群健康风险评估的应用问题，亟需开展。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术难题，提出一种适于空气生物气溶胶研究的活细胞显微成像的环境降水风洞，并将其应用于人群健康风险评估。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提出一种活细胞显微成像的环境降水风洞，其特征为，包括降水段I、混合稳定段II、扩散传播段III、试验段IV和动力段V；降水在降水段I经由降水发生模块、抛雪轮、箱体、给水排水系统模拟；空气经过布置整流丝网的混合稳定段II，流场品质得到提升；再经过扩散传播段III的扩散管、喷管，促进空气生物气溶胶的均匀扩散与传播；再将空气通入试验段IV，具体包括载物台、活细胞显微观测透镜和温控系统；所述试验段底部布置排水结构，顶部布置温控板，方便观察各种物理、化学、生物因素的活细胞间相互作用；空气随后进入动力段V的锁气室、换热系统、风冷风机系统和在线密封装置，保证降水段降水降雪模拟过程的冷源供应和冷源回流，冷却扩散传播段III和试验段IV和空气，最终沿出气口安全排放。
所述降水风洞的降水段I由降水发生模块、抛雪轮、箱体、给水排水系统组成。
进一步地，降水段I的降水发生模块具体包括如下步骤：
①气象资料采集，用于实现根据外场地面气象数据再分析的数据集，为网格化区域降水模拟模块提供动态驱动数值模拟平台运行的输入气象资料；
②区域网格化，用于将地面气象数据集作为数值模拟平台的初始和边界条件，在时间空间维度上进行计算区域的离散化，通过迭代计算得到满足测量精度的降水空间分布数据；
③降水发生模拟数据输出，用于实现基于降水空间分布模拟数据的输出，包括网格化的降水强度、雨雪流量、降水历时和降雨时间等重要模拟数据的城市区域降水发生方案。
进一步地，所述降水段I的环境降水(雪)器包括温控系统、可旋转雪刮桨、雪刮刀和降水分布板，所述的温控系统的温度调节范围为-20～50℃。
进一步地，所述降水段I的给水排水系统包括喷灌微孔筛板、导流管路及控制机构，所述的多孔筛板上涂敷毛细管扩散层，毛细管内径为0.1mm～5mm，局部摩擦阻力因子大于0.01，形状为圆形、菱形、矩形，但不仅限于此，环境降雨(雪)经过降水分布板的筛孔后，进入混合稳定段II。
所述降水风洞的混合稳定段II包括蜂窝网、整流部件和文丘里混合腔，用于提升流场品质。
进一步地，混合稳定段II的整流部件包括示踪粒子进口、平推流混合器和旋流腔，示踪粒子进口连接旋流腔的切向进口，平推流混合器设置于旋流腔的底部，形成储液和排水空间，推动降水(降雪)在高湿度空气中旋转运动。
进一步地，混合稳定段II的文丘里混合腔，能够释放形成生物气溶胶，喷射入扩散传播段III。
所述降水风洞的扩散传播段III包括扩散管和喷管；扩散管能够在试验段IV的外壁呈套管形式组合安装；喷管由生物气溶胶释放器、毛细管网基体夹层、连接管和泵组成，可以是梯形、三角形、矩形，但不仅限于此。
进一步地，所述扩散传播段III喷管的生物气溶胶释放器包裹在试验段IV的外壁，释放的生物气溶胶穿过毛细管网基体夹层的孔道进入试验段IV。
进一步地，所述扩散传播段III喷管的毛细管网基体夹层具有扩散对流结构，包括中空纤维型、微胶囊型、微血管型，优选材料是有机硅、异氰酸酯，但不仅限于此。
所述降水风洞的试验段IV包括载物台、活细胞显微观测透镜、微生物气溶胶流动管和温控系统，微生物气溶胶流动管布置排水系统。
进一步地，所述试验段IV的载物台一侧与微生物气溶胶流动管的内管壁联通，用于观测随空气运动的微生物活性、浓度等参数。
进一步地，所述试验段IV的载物台上布置生物气溶胶扩散孔，一部分气溶胶沿着扩散孔流入暴露模型，采用激光粒度仪、安德森生物气溶胶采样器、活细胞成像培养皿观察测量扩散生物气溶胶的浓度、流场结构、群落结构等数据，但不仅限于此。
进一步地，所述试验段IV的活细胞显微观测透镜用于所述风洞内流动的生物气溶胶的
进一步地，所述试验段IV的活细胞显微观测透镜，安装在微生物气溶胶流动管的外管，优选高分辨光学显微镜、扫描探针显微镜、DNA显微镜，但不仅限于此。
进一步地，所述试验段IV的微生物气溶胶流动管布置在载物台上，分节安装，每节流动管具有内管和外管，采用透明材料制成，如石英玻璃、亚克力，总长不低于0.2m，管形状为圆型、方型或矩形套管，但不仅限于此。
进一步地，所述试验段IV的微生物气溶胶流动管之间安装整流节，开C型槽，槽宽不超过0.1m，长度不超过0.5m。
进一步地，所述试验段IV的排水系统包括流量计、电磁阀、毛细铜管、泵中的一种或几种的组合，但不仅限于此。
进一步地，所述试验段IV的温控系统包括温控板，温控系统位于微生物气溶胶内管的顶部，温控板布置在微生物气溶胶内管的底部。
所述降水风洞的动力段V由锁气室、冷却风机系统、换热模块和在线密封装置组成。
进一步地，所述动力段V的冷却风机系统连接锁气室出口，产生的冷源冷却试验段和扩散传播段，保持温度、湿度的工作条件的稳定性。
进一步地，所述动力段V与换热模块连接，用于在风冷风机系统和试验段之间进行生物化学反应及能量传递，以保证冷却风机系统、降水段产生的降水降雪的模拟过程，
进一步地，所述动力段V具有在线密封装置，连接气体流量调节阀、进出口管、蒸汽加热器、可调节波长的UV灯带的一种或几种的组合，但不仅限于此。
进一步地，所述动力段V的在线密封装置，能够作为风险评估的核心部分，具有生物芯片平台，连接若干进口管和一个出口管，用于雾化喷入DNA结合染料、TRITCPhalloidin、真菌荧光染色液、抗真菌抗生素、抗真菌免疫抑制剂、纳米粒子药物的一种活几种组合，暴露风险评估后的气体从出气口排出。
本发明的一种活细胞显微成像环境降水风洞及其健康风险评估与应用，其特征在于：空气中的生物气溶胶依次通过风洞的降水段、混合稳定段、扩散传播段、测试段、动力段的一段或几段的组合，依循降水模拟、混合扩散、显微观测的步骤开展风险评估与应用，具体的健康风险评估步骤的特征如下：
S1，降水模拟步骤，是在3D打印的城市群模型上，采用降水发生模块的步骤，模拟真实环境的风、雨、雪、雹的过程，降水量为0.1～100mm/m3，风速为0.1～51m/s。
S2，混合扩散步骤，是通过模拟空气微生物群落中基因转移等生物化学反应，原位观察生物气溶胶在降水环境的扩散传播过程，记录细胞凋亡、增殖等的过程参数，温度设定-20～60℃，湿度0.1％RH～99.9％RH时，在降水风洞的在线密封装置雾化喷入DNA结合染料、TRITC Phalloidin、真菌荧光染色液、抗真菌抗生素、抗真菌免疫抑制剂、纳米粒子药物中的一种或几种的组合，与空气中的生物气溶胶和非生物气溶胶充分混合、反应，随后分网格单元贮存空气，并定量输送。
S3，显微观测步骤，是采用生物显微成像技术、激光粒子成像技术的一种或两种的组合，优选荧光显微镜或共聚焦显微镜、荧光探针和固体激光模组，测量源释放生物气溶胶周围的较小尺度的局部流场的质量传递速率，流场求解分辨率为0.001μm～5mm；随后，将激光发射光路与光谱收集光路垂直，采用探测器观察每一个网格单元定植活细胞的抗性、空气生物气溶胶的光谱强度，；并对通过观测气路的生物气溶胶个数进行计数，实现空气生物气溶胶在复杂暴露场景的粒径、浓度、组分、活性、细胞膜受体和表面抗原等重要参数的自动化监测，结合光谱条纹对比度来判定微生物的精确位置信息，完成活细胞迁移行为和暴露风险评估。
本发明提出的一种活细胞显微成像的环境降水风洞及其健康风险评估，是基于一种活细胞显微成像的环境降水风洞的模拟方法，能够在解决生物气溶胶扩散传播的人群暴露研究问题中应用。
本发明的有益效果如下，
1、将降水空间分布数值模拟技术、活细胞成像技术、微反应器技术与生物气溶胶监测技术耦合，应有到风洞实验技术中，控制环境雨雪量和频率精准，降水环境流场求解分辨率高，适于评估载体上活细胞状态，拓展了传统风洞环境模拟的场景和用途；
2、本发明提供的一种活细胞显微成像环境降水风洞的健康风险评估方法，通过显微观测复杂微物理、化学、生物条件对活细胞的作用，记录致病微生物群落的三维迁移路径，解决了活细胞迁移的原位示踪监测难题；
3、具有数据智能分析特征，简便易行，适用于降雨、降雪环境下的条件致病微生物菌群的细胞抗性基因转移风险评估、耐药性及敏感性评价，解决了感染性细菌传播活动的数据不足问题，为小尺度区域的健康风险评估提供了新思路和新方法。
附图说明
图1为本发明一种活细胞显微成像环境降水风洞的主视图；
图2为本发明环境降水风洞在健康风险评估应用的流程图；
图3为本发明实施例一环境降水风洞及健康风险评估方法的主视图；
图4为本发明实施例二风洞生物气溶胶扩散传播段的局部放大图。
图中：1-降水溶液；2-微生物溶液；3-污染物溶液；4-降水发生模块；5-抛雪轮；6-降水段I；7-整流部件；8-文丘里混合腔；9-蜂窝网；10-给水排水系统；11-混合稳定段II；12-载物台；13-喷管；14-活细胞显微观测透镜；14-温控系统；15-扩散传播段III；16-控温板；17-试验段IV；18-锁气室；19-换热系统；20-风冷风机系统；21-在线密封装置；22-动力段V；23-出气口；24-暴露装置。
具体实施方式
为了使本发明能够更加清晰易懂，下面结合附图1和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。
一种活细胞显微成像的环境降水风洞，包括五部分：降水段I、混合稳定段II、扩散传播段III、试验段IV和动力段V，其中降水段I由降水发生模块4、抛雪轮5、箱体和给水排水系统10组成，用于降水环境模拟；混合稳定段II由蜂窝网9、整流部件7、文丘里混合腔8组成，用于进行生物化学反应及能量传递；扩散传播段III由扩散管、喷管13构成，位于试验段的外腔体上侧；试验段IV由载物台12、活细胞显微观测透镜14、微生物气溶胶流动管和温控系统14组成，实现微生物的流体动力学等特征的显微观察；动力段V连接进气口，包括锁气室18、换热系统19、冷风机系统20、在线密封装置21，用于降水段积水、积雪的换热保冷和降雨降雪收集。
实施例阐述了本发明的具体细节，有利于理解本发明的创新特征。本发明亦能够以不同于所述实施例的方式实施，本领域的技术人员可以在不违背本发明权利要求的情形下做类似的改进，本发明不受以下实施例的限制。
实施例一
参考附图2的一种环境降水风洞的生物气溶胶扩散过程检测的整体连接结构示意框图流程图，本发明的一种活细胞显微成像的环境降水风洞，包括六个环节。
附图3呈现了降水风洞的结构图，所述风洞分为五部分：降水段6、混合稳定段11、扩散传播段15、试验段17和动力段22；将降水溶液1、105CFU/ml明亮发光杆菌溶液2、0.25mg/L二氧化硅污染物的水溶液3经微量泵泵入降水发生模块，控制温度35℃。含降水的空气经过混合稳定段11的文丘里混合腔8进入扩散传播段15；经过安装在扩散传播段15壁面的有机硅微管型毛细管网基体夹层，控制降雨量范围为1～1.5mm/min，自上而下喷洒在试验段17。毛细管网基体夹层安装激光粉尘传感器，可以获得PM1.0、PM2.5、PM5、PM10的数据，控制风速为3.0～3.2m/s，风向为W，空气微生物浓度为100～150CFU/m3。
通过显微观测空气中扩散10、20、30、40、50、60cm的生物气溶胶扩散轨迹、可培养细菌浓度等数据；试验段安装细菌检测传感器，统计明亮发光杆菌的生长速率、胞外聚合物等浓度；并采用显微激光粒子测速系统观测生物气溶胶周围的流场信息，如速度、湍流动能、涡量等数据，部分空气中的生物气溶胶进入暴露装置24，测定六个点的吸入暴露风险分别为3.72E-5、3.11E-5、2.33E-5、2.47E-5、1.99E-5、1.17E-5，呈逐渐降低趋势；随后，空气进入动力段22的在线密封装置21；其余生物气溶胶在253.7nm的UV灯带下，消杀5分钟后经出气口23排到大气中。
实施例二
本发明的一种活细胞显微成像的环境降水风洞分为5部分：降水段6、混合稳定段11、扩散传播段15、试验段17和动力段22；降水发生模块4制造雪花。微量泵将无菌水、1ml105CFU/ml大肠杆菌溶液、225μmol/L过氧化氢的无菌水溶液泵入降水发生模块，调节抛雪轮5的转速为120rpm，控制降雪量为1.0、2.5、4mm/min(低、中、高雪量)，相对湿度为50～55RH％，温度为-15℃。
健康风险评估是在如附图4所示的扩散传播段15开展的，段内安装加热功率设定为1200W/㎡带3D打印呼吸道模型的37℃暖体假人模型，模型体温设定为35.8℃、36.0℃、36.2℃、36.4℃、36.8℃、37.0℃、37.2℃，呼吸频率：15次/min，呼气量：20L/min；皮托管监控进气口的风品质，风速为1.5～1.7m/s；生物传感器测定未降雪场景和低、中、高雪量场景下空气中大肠杆菌浓度分别为1CFU/m3，55CFU/m3,35CFU/m3,68CFU/m3，细菌增殖数为100dN/dh，3200dN/dh，5100dN/dh，2760dN/dh，测定发现，中雪量时，模型的皮肤接触和呼吸暴露风险分别为2.95E-1和3.91E-5。
尽管本发明已公开如上的实施例，但完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此，在不违背本发明权利要求及等同范围所限定的概念的前提下，本发明并不限于所列出的特定细节的实施例描述和图例。

Claims (7)

1.一种活细胞显微成像的环境降水风洞，其特征在于：包括降水段、混合稳定段、扩散传播段、试验段和动力段；所述降水段与空气联通，通过降水发生模块模拟的环境降水；进入混合稳定段的蜂窝网、整流部件和文丘里混合腔后，进行生物化学反应及质量、热量和能量传递；随后沿套管流经扩散传播段的扩散管和喷管，所述扩散传播段与试验段的外腔体上沿连接，将降水均匀散布在试验段，并使生物气溶胶在空气中充分扩散传播；空气生物气溶胶在试验段的载物台和活细胞显微观测透镜下被观测；所述活细胞显微观测透镜装配在微生物气溶胶流动管的外壁，在生物气溶胶显微观测温度恒定的温控系统作用下，进行活细胞定位显微成像；最后，空气进入动力段的在线密封装置和锁气室，从出气口排放，并由换热系统和冷风机系统收集降雨降雪，开展降水段能源循环利用。
2.如权利要求1所述的一种活细胞显微成像的环境降水风洞，其特征在于，所述降水段的降水发生模块包括以下步骤：
气象资料采集，用于实现根据外场地面气象数据再分析的数据集，为网格化区域降水模拟模块提供动态驱动数值模拟平台运行的输入气象资料。
区域网格化，用于将地面气象数据集作为数值模拟平台的初始和边界条件，在时间空间维度上进行计算区域的离散化，通过迭代计算得到满足测量精度的降水空间分布数据。
降水模拟数据输出，基于降水空间分布数据，包括城市网格化区域的降水强度、雨雪流量、降水历时等模拟数据，实现最优降水发生方案的输出。
3.一种健康风险评估方法，其特征在于：
采用权利要求1-2任一权利项所述风洞的降水段、混合稳定段、扩散传播段、测试段、动力段的一段或几段组合，经过降水模拟、混合扩散、显微观测步骤，进行人群健康风险评估。
4.如权利要求3所述的健康风险评估方法，其特征在于，降水模拟步骤将3D打印的城市群模型布置在风洞内，由降水发生模拟真实自然环境的风、雨、雪过程，其中，降水模拟的降水量范围为0.1～100mm/m3，风速范围为0.1～51m/s。
5.如权利要求3所述的健康风险评估方法，其特征在于，混合扩散步骤模拟空气生物气溶胶混合扩散，用于微生物群落中的基因转移和重组等生物化学反应过程，原位观察生物气溶胶在降水环境多相介质扩散传播过程的细胞间相互作用，其中，扩散混合过程的温度范围是-20～60℃，湿度范围是0.1％RH～99.9％RH。
6.如权利要求3所述的健康风险评估方法，其特征在于，显微观测步骤采用生物显微技术、激光粒子成像技术的一种或两种的组合，测量源释放生物气溶胶周围的较小尺度的局部流场，流场求解分辨率维持在0.001μm～5mm。
7.一种健康风险评估的应用，其特征在于，采用权利要求3-6任一权利项所述的环境降水风洞和健康风险评估方法，用于生物气溶胶随空气介质扩散传播情景的局地区域人群健康风险的评估。
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