CN116223130A - 一种生物气溶胶高效采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物气溶胶高效采集装置，包括介质阻挡放电采集部分和低频高压输入部分。采集部分包括介质阻挡放电腔体、置于腔体内的含有中心采样通道的介质插片；低频高压输入部分可输入低频正弦高压、低频脉冲高压等。本发明基于冷等离子体对颗粒物的荷电效果、电场对带电颗粒的牵引效果，介质阻挡放电结构不易形成电弧的优势；低频条件下带电颗粒震荡频率低、不易电中和的特点；并基于颗粒物在中心采样通道中的湍流沉积效果，提出一种支持采集和洗脱功能的生物气溶胶高效采集装置。本发明提高了小粒径、高密度、大流量生物源颗粒物的采集效率，满足样本洗脱采样需求，并可通过等离子体灭活病原微生物实现杀菌消毒效果。

Description

一种生物气溶胶高效采集装置

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，具体的，涉及一种介质阻挡放电结构的生物气溶胶高效采集装置。

背景技术

生物气溶胶指含有生物性粒子的气溶胶，包括细菌、病毒、致敏性花粉、霉菌孢子等小粒径颗粒物，除一般气溶胶的特性以外还具有传染性、致敏性等，对人类健康有负面影响。因此，生物气溶胶的采集和净化至关重要。

常用的生物气溶胶采集方式有自然沉降式、撞击式、旋风式、过滤式等。自然沉降式采集器利用重力作用将颗粒物采集到采样介质上，该采集方式易受气流扰动，并且小粒径颗粒物采集效率极低；撞击式采集器利用粒子的惯性作用力使其在脱离气流时撞击在收集表面上，该采集方式容量较小且所需采集时间过长；旋风式采集器利用离心力作用，气溶胶通过一个或多个切向喷嘴进入采集器，当气流在采集室内旋转运动时颗粒物会脱离气流并沉积在采样器内壁上，该方法通常用于收集粒径＞1μm的颗粒物，如细菌、真菌、孢子等，对小粒径病毒等颗粒物采集效率不佳；过滤式采集器则是利用滤膜对颗粒物进行沉积，但该方式阻力过大且滤膜易被尘埃堵塞。

静电收集器是一种新型颗粒物采集器，可分为被动式和主动式两种采集方式。其中被动式静电采集器利用了自然条件下生物气溶胶带电的特性，通过电场牵引颗粒物收集至收集板上；而主动式静电采集器则是通过电晕放电、介质阻挡放电等方式形成等离子体对生物气溶胶充电，进而利用电场作用牵引带电粒子运动至收集板上。后者不仅可以利用静电特性收集更小的颗粒物，并且可通过等离子体中的活性粒子消杀病毒等病原体，达到杀菌消毒的效果。

等离子体被认为式不同于固液气三态的第四态，由大量电子、正负离子、自由基、亚稳态粒子、基态及激发态粒子等组成，整体呈电中性。当等离子体的电子温度远大于离子温度时，被称为非平衡态等离子体，此时其表观温度较低，被称为“低温等离子体”，其可分为冷等离子体和热等离子体。介质阻挡放电(DBD)是形成冷等离子体的一种方式，是一种被绝缘介质阻挡层隔开的两个电极之间的非平衡态气体放电，放电电流给阻挡介质充电，使气隙电压迅速下降，在气隙形成稳定和具有较高能量的冷等离子体。

常用生物气溶胶采集器具有对小粒径颗粒物采集效率低、所需采集时间长等问题，为解决上述问题，目前通过主动式静电收集器提高采集效率。为实现荷电和采集目的，现有主动式静电收集器多选用电晕结构或介质阻挡放电结构形成等离子体。

电晕结构主要分为两种方式。一者为电晕放电等离子体预荷电模块和采集模块的协同采集方式，其中采集方式可分为电场采集带电粒子、正/负带电粒子凝聚成团后重力沉降等；二者为仅使用电晕放电结构实现荷电和采集目的方式。

类似的，介质阻挡放电结构的主要采集方式一者为介质阻挡放电等离子体预荷电模块和采集模块协同采集，其中采集方式也可分为电场采集带电粒子、正/负带电粒子凝聚成团后重力沉降等；二者为使用介质阻挡放电结构实现荷电和采集目的。

电晕结构采集装置通常有针、线、网、板等组合结构。但电晕结构放电区域小、功率密度不高，这导致电晕结构在处理大面积、大流量、高密度的生物气溶胶时采集效率较低。并且，环境湿度、温度等对电晕放电效果影响较大，且电晕结构具有形成局部火花或弧光放电的风险，因此无法满足长时间、持续性工作的需求。此外，电晕结构中放电电极与样本直接接触，导致电极易腐蚀、易老化、使用寿命短等问题。另一方面，电晕结构中颗粒物直接收集在电极上，较难进行洗脱工作，而颗粒物的荷电量可能会随着时间推移而降低，导致颗粒物脱离采集板，造成二次污染。

DBD电荷电模块和采集模块协同采集的装置整体结构复杂，导致其携带不便，不适用于户外等工作环境，无法满足移动式、便携式采集生物气溶胶的需求。如专利号为CN109939530B的专利文件公开的一种低温等离子体荷电超声波雾化液滴的颗粒凝聚装置，其使用DBD结构对雾化液滴进行荷电，而后将已荷电的雾化液滴汇入颗粒物中，进而将颗粒物凝聚成大颗粒并除去，该装置需配备超声波雾化装置以及多路管道，整体结构复杂，携带不便。而仅使用DBD结构实现荷电和采集目的的装置在收集极细颗粒物、高密度、大流量样本时具有荷电能力不足的问题，往往需要采用三DBD腔体、四DBD腔体等多场协同作用才可达到较高的采集效率，导致整体体积较大，质量较重，不便携。

发明内容

针对电晕放电易形成局部火花、弧光放电，及其电极易腐蚀等问题，本发明提出一种生物气溶胶高效采集装置，其基于DBD结构设计，提高放电稳定性，抑制电极腐蚀。

本发明可通过以下技术方案予以解决：

一种生物气溶胶高效采集装置，包括生物气溶胶采集装置，过滤装置，蠕动泵，电磁阀，气泵和洗脱液收集装置；所述生物气溶胶采集装置包括分别与第一等离子体电极和第二等离子体电极连接的低频高压输入部分，中心通道，中心通道外的上下介质层，及含有中心采集通道的介质插片；所述过滤装置包括粉尘出口、滤网，过滤装置出口通过第一单向阀与所述中心通道连通；所述蠕动泵出口安装有第二单向阀，并与所述中心通道连通向其引入液体；所述电磁阀为两位三通阀，与所述中心通道连通，并与所述气泵和所述洗脱液收集装置连通，用于区分并切换气路和液路。

进一步地，所述高压输入部分为低频高压输入，输入AC高压或双极性纳秒脉冲高压；所述AC高压幅值为6～100kV，频率为30～3000Hz；所述双极性纳秒脉冲高压输出脉宽为10～900ns，上升沿为1～300ns，电压幅值为1～30kV，脉冲重复率为10～5000Hz。

进一步地，所述第一等离子体电极、第二等离子体电极均为导电材质，二者被上下介质层和中心通道隔开，等离子体形成于中心采集通道中与第一、第二等离子体电极正对应位置的气隙中；所述第一、第二等离子体电极可为平板或网状结构，所述平板可为圆板或方板，所述网状结构可为10～600目的导电网。

进一步地，所述上下介质层为石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、环氧树脂、有机薄膜、刚玉或硅橡胶绝缘材质，厚度为几微米～几毫米，所述上下介质层尺寸规格不小于所述第一、第二等离子体电极。

进一步地，所述含有中心通道的介质插片为石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、环氧树脂、有机薄膜、刚玉或硅橡胶绝缘材质，厚度为3～30mm，含有进口和出口；所述介质插片为可更换结构。

进一步地，所述中心通道为S型、环形、直通型通道，所述通道截面可为方形、圆形结构，通道的宽度为3～20mm，高度为2～28mm。

进一步地，所述滤网孔径＞100μm，用于过滤气溶胶中的大颗粒粉尘。

进一步地，所述蠕动泵用于向中心通道引入液体，进液流速为0.1～10L/min。

进一步地，所述气泵提供负压，压力为-70～-90kPa。

有益效果

本发明利用低频高压输入的DBD腔体中等离子体荷电和电场收集作用，以及中心采集通道的湍流沉积作用，生物气溶胶可采集于介质插片的中心通道里。本发明提出的装置对小粒径、高密度、大流量的生物气溶胶采集效率高，并且本装置的电极不易腐蚀、工作稳定性高、使用寿命长、体积小、质量小、便携、易操作、适合单人携带、适用于多场地移动式使用。同时，本装置结构支持采集样本洗脱用于进一步测试，支持采集通道一次性使用避免二次污染。

附图说明

图1是根据本发明专利的装置示意图；

图2是根据本发明专利的介质插片结构示意图；

图3是本发明专利的装置对不同流量气溶胶中小粒径颗粒物的采集效率。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例与附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部地实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得地所有其他实施例，都属于本发明保护地范围。

具体实施例1

参见图1，本实施例提供了一种生物气溶胶高效采集装置，并实现了洗脱功能，包括生物气溶胶采集装置1，过滤装置8，蠕动泵12，电磁阀14，气泵15，洗脱液收集装置16等；

所述生物气溶胶采集装置1包括低频高压输入部分2、第一等离子体电极3、上下介质层4、含有中心采集通道的介质插片5、中心通道6、第二等离子体电极7；

所述高压输入部分2为低频高压输入，可输入AC高压或双极性纳秒脉冲高压；所述AC高压幅值为6～100kV，频率为30～3000Hz；所述双极性纳秒脉冲高压输出脉宽为10～900ns，上升沿为1～300ns，电压幅值为1～30kV，脉冲重复率为10～5000Hz；

所述第一等离子体电极3、第二等离子体电极7均为导电材质，与高压输入部分连接，二者被绝缘介质阻挡层隔开，所述等离子体形成于中心采集通道6中与第一、第二等离子体电极正对应位置的气隙中；所述第一、第二等离子体电极可为平板、网状等结构，所述平板可为圆板、方板等各种板状结构，所述网状结构可为10～600目的导电网；

所述上下介质层4可为石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、环氧树脂、有机薄膜、刚玉、硅橡胶等绝缘材质，厚度可为几微米～几毫米，所述上下介质层尺寸规格不小于第一、第二等离子体电极，优选的，方形介质层长宽为方形电极长宽的1.5～2倍，圆形介质层直径为圆形电极直径的1.5～2倍；

参见图2，所述含有中心通道的介质插片5可为石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、环氧树脂、有机薄膜、刚玉、硅橡胶等绝缘材质，厚度可为3～30mm，含进口17和出口18；所述介质插片为可更换结构，满足一次性使用，满足采集后颗粒物洗脱的需求；

所述中心通道6可为S型、环形、直通型通道，所述通道截面可为方形、圆形结构，优选的，图2中给出截面为方形的S型弯道结构示意图，通道的宽度可为3～20mm，高度可为2～28mm；

所述过滤装置8包括粉尘出口9、滤网10，过滤装置出口安装有第一单向阀11；所述滤网孔径优选＞100μm，用于过滤气溶胶中的大颗粒粉尘，避免非生物源颗粒物对洗脱液的后续检测造成干扰；所述第一单向阀用于防止洗脱液流至气路；

所述蠕动泵12用于向中心通道引入液体，进液流速为0.1～10L/min；所述蠕动泵出口安装有第二单向阀13，用于防止生物气溶胶流至液路；

所述电磁阀14为两位三通阀，用于区分并切换气路和液路；

所述气泵15提供负压，优选的，压力为-70～-90kPa；

所述洗脱液收集装置16用于暂存生物源颗粒物洗脱液；

所述的生物气溶胶高效采集装置1可以下述8种方法进行工作：

(1)AC高压连接至高压电极，在DBD采集腔体中形成冷等离子体，对生物气溶胶进行荷电和采集；

(2)双极性纳秒脉冲电源连接至高压电极，在DBD采集腔体中形成冷等离子体，对生物气溶胶进行荷电和采集；

(3)基于方法1)，不使用含有中心通道的介质插片，仅使用上下介质层构成的直通型DBD腔体对生物气溶胶进行荷电和采集；

(4)基于方法2)，不使用含有中心通道的介质插片，仅使用上下介质层构成的直通型DBD腔体对生物气溶胶进行荷电和采集；

(5)基于方法1)，仅使用单层介质和介质插片构成DBD腔体结构；

(6)基于方法1)，仅使用介质插片构成DBD腔体结构；

(7)基于方法2)，仅使用单层介质和介质插片构成DBD腔体结构；

(8)基于方法2)，仅使用介质插片构成DBD腔体结构；

本发明满足小粒径、高密度、大流量生物气溶胶的高效采集，减小了主动式静电采集器的体积和质量，提高了生物气溶胶采集、净化器的便携性和易操作性，可单人携带、单人操作，可多场地便携式使用。

具体实施例2

以大肠杆菌ATCC25922菌液(OD＝3.65)为样本，使用雾化器生成生物气溶胶，用于生物气溶胶采集实验。使用激光颗粒物计数器检测采集前后生物气溶胶中颗粒物个数的变化。高压输入采用低频AC高压(50Hz，18kV)，第一等离子体电极和第二等离子体电极间距为5mm，上下介质层厚度为0.5mm，含有中心通道的介质插片厚度为3mm，通道截面为边长2mm的正方形。生物气溶胶流速为10L/min，生物气溶胶采集装置工作时间为30min，结果表明，采集装置对大肠杆菌气溶胶中颗粒物的平均采集率＞90％。

具体实施例3

以0.4、0.8、2.0、4.0、8.0μm的聚苯乙烯微球(PSL)混合溶液模拟小粒径的生物源颗粒物样本，使用气溶胶发生器生成1L/min的PSL气溶胶，并使用0、2、4、6、8、10L/min的洁净空气在线稀释前述PSL气溶胶，用于模拟生物气溶胶采集器对不同流量小粒径颗粒物的采集实验。使用激光颗粒物计数器检测采集前后生物气溶胶中颗粒物个数的变化。高压输入采用低频AC高压(50Hz，15kV)，第一等离子体电极和第二等离子体电极间距为5mm，上下介质层厚度为0.5mm，含有中心通道的介质插片厚度为3mm，通道截面为边长2mm的正方形。结果如图3，采集装置对不同进气流量中各粒径的颗粒物的平均采集率＞80％。

Claims (9)

1.一种生物气溶胶高效采集装置，其特征在于，包括生物气溶胶采集装置，过滤装置，蠕动泵，电磁阀，气泵和洗脱液收集装置；

所述生物气溶胶采集装置包括分别与第一等离子体电极和第二等离子体电极连接的低频高压输入部分，中心通道，中心通道外的上下介质层，及含有中心采集通道的介质插片；

所述过滤装置包括粉尘出口、滤网，过滤装置出口通过第一单向阀与所述中心通道连通；

所述蠕动泵出口安装有第二单向阀，并与所述中心通道连通向其引入液体；

所述电磁阀为两位三通阀，与所述中心通道连通，并与所述气泵和所述洗脱液收集装置连通，用于区分并切换气路和液路。

2.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶高效采集装置，其特征在于，所述高压输入部分为低频高压输入，输入AC高压或双极性纳秒脉冲高压；所述AC高压幅值为6～100kV，频率为30～3000Hz；所述双极性纳秒脉冲高压输出脉宽为10～900ns，上升沿为1～300ns，电压幅值为1～30kV，脉冲重复率为10～5000Hz。

3.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶高效采集装置，其特征在于，所述第一等离子体电极、第二等离子体电极均为导电材质，二者被上下介质层和中心通道隔开，等离子体形成于中心采集通道中与第一、第二等离子体电极正对应位置的气隙中；所述第一、第二等离子体电极可为平板或网状结构，所述平板可为圆板或方板，所述网状结构可为10～600目的导电网。

4.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶高效采集装置，其特征在于，所述上下介质层为石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、环氧树脂、有机薄膜、刚玉或硅橡胶绝缘材质，厚度为几微米～几毫米，所述上下介质层尺寸规格不小于所述第一、第二等离子体电极。

5.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶高效采集装置，其特征在于，所述含有中心通道的介质插片为石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、环氧树脂、有机薄膜、刚玉或硅橡胶绝缘材质，厚度为3～30mm，含有进口和出口；所述介质插片为可更换结构。

6.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶高效采集装置，其特征在于，所述中心通道为S型、环形、直通型通道，所述通道截面可为方形、圆形结构，通道的宽度为3～20mm，高度为2～28mm。

7.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶高效采集装置，其特征在于，所述滤网孔径＞100μm，用于过滤气溶胶中的大颗粒粉尘。

8.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶高效采集装置，其特征在于，所述蠕动泵用于向中心通道引入液体，进液流速为0.1～10L/min。

9.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶高效采集装置，其特征在于，所述气泵提供负压，压力为-70～-90kPa。

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