CN116420629A - 一种多功能动物暴露实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能动物暴露实验装置。多途径传播实验系统设置在气溶胶暴露实验系统内部，环境温度补偿系统设置在生物安全保障系统内部，气溶胶发生模块和混合室连通，混合室和供体动物环境仓分别通过气溶胶粒径筛选模块与受体动物环境仓连通，采样分析系统分别与混合室、供体动物环境仓和受体动物环境仓中的采样器端口相连，膜干燥器和恒温恒湿产气设备连通，恒温恒湿产气设备的出口与混合室的第一调气进口或供体动物环境仓的第二调气进口相连通。本发明能在实验过程中维持恒定温湿度，研究环境参数对病原体活性和传播风险的影响，也可以进行动物的传染病直接接触传播实验与表面接触传播实验，从而实现多种暴露模式下的传播风险定量研究。

Description

一种多功能动物暴露实验装置

技术领域

本发明属于实验系统技术领域的一种动物实验装置，尤其是涉及了一种多功能动物暴露实验装置。

背景技术

许多引起重大传染病爆发事故的病原体被证明有气溶胶传播、表面接触传播、飞沫传播等传播途径。然而目前，不同传播途径的相对重要性仍然存在争议；对于气溶胶传播途径来说，其对于传染所占的贡献，以及不同温湿度环境下、不同粒径的气溶胶颗粒物对于感染的重要性也有待定量研究。动物通常用来模拟研究细菌或病毒的感染与传播过程，因此研发一个可用于进行各种传播途径暴露实验的多功能动物暴露实验装置，能够快速确定一种病原体的传播途径种类，并量化表征气溶胶传播途径的重要性、导致感染的关键粒径范围，对公共卫生防范具有较大的参考意义。

目前国内外已有部分实验动物暴露实验装置。在香港大学研发的雪貂流感病毒气溶胶暴露装置中，采用截止粒径9.9μm、5.3μm、2.5μm、1.0μm的撞击器进行气溶胶粒径筛选，整体流量采用30L/min，通过已感染雪貂对健康雪貂进行气溶胶暴露。实验前采用APS以5L/min流量对供体仓内的气溶胶粒度进行表征，实验过程中采用NOISH采样器以3.5L/min流量对供体仓和受体仓中的病毒浓度进行表征。实验温度为24.2±0.9℃，相对湿度为57.3±5.5％。然而此系统无法对温湿度进行自主调节，且生物气溶胶的来源只能是供体动物，仅能进行气溶胶传播途径的研究。在美国卫生研究院病毒学实验室研发的叙利亚仓鼠SARS-CoV-2病毒暴露实验装置中，受体仓鼠与供体仓鼠置于同一饲养笼中，在供体仓鼠侧引入进气口，笼中间用穿孔塑料隔板隔开，避免直接接触，进而对空气传播途径展开研究；也可将塑料隔板拆除，进行直接接触传播实验。饲养笼两端设置采样孔，对空气中的病毒气溶胶进行采样分析。此系统无法自主调节温湿度，并且无法对气溶胶粒径进行量化与筛选，生物气溶胶的来源同样只能是供体动物。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于设计一种多功能动物暴露实验装置。

本发明技术方案如下：

包括气溶胶暴露实验系统、多途径传播实验系统、采样分析系统、气流温湿度调控系统、环境温度补偿系统和生物安全保障系统；多途径传播实验系统设置在气溶胶暴露实验系统内部，采样分析系统和气流温湿度调控系统均与气溶胶暴露实验系统连接，环境温度补偿系统设置在生物安全保障系统内部。

所述的气溶胶暴露实验系统包括气溶胶发生模块、混合室、供体动物环境仓、气溶胶粒径筛选模块和受体动物环境仓，气溶胶发生模块的输出端经管道和混合室连通，混合室和供体动物环境仓分别通过气溶胶粒径筛选模块与受体动物环境仓连通；

所述的气溶胶发生模块包括第一抽气泵和气溶胶发生设备，第一抽气泵的输出端经管道和气溶胶发生设备的输入端相连，从第一抽气泵到气溶胶发生设备的管道上依次设置有第一流量计和第一过滤器，气溶胶发生设备的输出端与混合室相连；

所述的混合室包括混合室腔体，混合室腔体的一侧开设有第一调气进口、第一气溶胶进口和第一采样器端口，第一调气进口经管道和气流温湿度调控系统相连，第一气溶胶进口经管道和气溶胶发生设备的输出端相连，混合室腔体的另一侧开设有第一气溶胶出口和第二采样器端口，第一气溶胶出口经管道和气溶胶粒径筛选模块相连，混合室腔体两侧的第一采样器端口和第二采样器端口分别与两个采样分析系统相连通，混合室腔体中开设第一气溶胶出口的一侧还设有第一传感器，第一传感器与气流温湿度调控系统电连接；

所述供体动物环境仓仓体的侧壁上设有用于观察的第一玻璃视窗，供体动物环境仓仓体的下部、上部和顶端分别开设有第二调气进口、第二气溶胶出口和第三采样器端口，第二调气进口经管道和气流温湿度调控系统相连，第二气溶胶出口经管道和气溶胶粒径筛选模块相连，第三采样器端口与采样分析系统相连通，供体动物环境仓仓体的顶端还设有第二传感器，第二传感器与气流温湿度调控系统电连接；

所述的气溶胶粒径筛选模块包括撞击器和撞击器支架，撞击器支架放置在地面上，撞击器固定在撞击器支架上，撞击器的两侧分别开设有端口分别作为撞击器的入口和出口，撞击器的入口经管道与混合室的第一气溶胶出口或供体动物环境仓的第二气溶胶出口相连，从撞击器分别到第一气溶胶出口和第二气溶胶出口的管道上均设有第一截止阀，撞击器的出口经管道与受体动物环境仓相连；

所述的受体动物环境仓包括风扇、第二铁丝网笼、第二铁笼支架、第三喂饲水瓶、第三食槽和第二抽气泵，受体动物环境仓仓体的侧壁上设有用于观察的第二玻璃视窗，受体动物环境仓仓体的底部固定有第二铁笼支架，第二铁丝网笼位于受体动物环境仓仓体的内部且放置在第二铁笼支架上，第三喂饲水瓶和第三食槽均设在第二铁丝网笼内部，受体饲养仓体的顶部设有风扇，且第二铁丝网笼和风扇之间不接触，受体动物环境仓仓体的下部、上部和顶端分别开设有废气出口、第二气溶胶进口和第四采样器端口，第二气溶胶进口经管道与撞击器的出口相连，废气出口经管道与第二抽气泵相连，从废气出口到第二抽气泵的管道上设有第二过滤器，第四采样器端口与采样分析系统相连通，受体动物环境仓仓体顶端还设有第三传感器，第三传感器与气流温湿度调控系统电连接。

所述的多途径传播实验系统包括隔绝接触模块、动物饲养模块和动物行为观察模块，隔绝接触模块包括第一铁笼支架、第一铁丝网笼和双层铁丝网；供体动物环境仓仓体的底部固定有第一铁笼支架，第一铁丝网笼位于供体动物环境仓仓体内部且放置在第一铁笼支架上，双层铁丝网设置在第一铁丝网笼的中间，且使得第一铁丝网笼中的区域被分隔为两个区域，动物饲养模块包括第二喂饲水瓶、第二食槽、第一喂饲水瓶和第一食槽，第一食槽和第二食槽分别放置在被双层铁丝网分隔开的两个区域内，第二喂饲水瓶和第一喂饲水瓶分别放置在被双层铁丝网分隔开的两个区域内，动物行为观察模块包括监控摄像头，监控摄像头设备在供体动物环境仓的顶部。

所述的采样分析系统包括采样分析仪和第三抽气泵；第三抽气泵输出端分别经管道分别与混合室中的第一采样器端口和第二采样器端口、供体动物环境仓中的第三采样器端口和受体动物环境仓中的第四采样器端口相连，从第三抽气泵分别到第一采样器端口、第二采样器端口、第三采样器端口和第四采样器端口的管道上均依次设有第二截止阀、采样分析仪和第三过滤器。

所述的气流温湿度调控系统包括膜干燥器、恒温恒湿产气设备和计算机，膜干燥器的进口连通外接大气，膜干燥器的出口经管道和恒温恒湿产气设备的进口连通，恒温恒湿产气设备的出口经管道与混合室的第一调气进口或供体动物环境仓的第二调气进口相连通，从恒温恒湿产气设备分别到第一调气进口和第二调气进口的管道上均依次设有第二流量计和第四过滤器，恒温恒湿产气设备出口处的管道外周设有保温层；恒温恒湿产气设备、第一传感器、第二传感器和第三传感器均与计算机电连接。

所述的环境温度补偿系统包括保温层、相变材料、电热丝、混匀风扇和第三玻璃视窗；相变材料、电热丝和混匀风扇均设置在保温层的底部，保温层的顶部设有灯管，保温层的侧壁上开设有第三玻璃视窗，混合室、供体动物环境仓、气溶胶粒径筛选模块、受体动物环境仓和多途径传播实验系统均放置在保温层中，相变材料、电热丝、混匀风扇均与计算机电连接。

所述的生物安全保障系统包括生物安全柜腔体和管路通口，生物安全柜腔体的侧壁上开设有管路通口，混合室、供体动物环境仓、气溶胶粒径筛选模块、受体动物环境仓、多途径传播实验系统、采样分析系统、环境温度补偿系统均放置在生物安全柜腔体中。

所述的采样分析系统利用级联式撞击器采样方法、液体撞击器采样方法或膜采样方法进行采样。

可调节流量的抽气泵向气溶胶发生设备提供压缩空气，流量计有效控制进入气溶胶发生设备的气体流量，抽气泵和流量计的设置保证系统中的气流流量可控。气溶胶发生模块中的高效过滤器为滤膜式过滤器，可以过滤直径0.3μm以上粒子(过滤效率≥95％)。由于气体内存在的各类微生物可能附着在气溶胶上，故需要过滤气体以避免对实验系统的干扰。

气溶胶发生设备采用标准的气溶胶发生设备。气溶胶发生设备基于文丘里原理工作，由于高速气流流动时周边产生低压，液体被带出，高速碰撞于耐压玻璃瓶壁面破碎产生小液滴，形成饱和气溶胶。通过改变气溶胶发生设备内的溶液成分，雾化产生不同病原体种类、不同病原体载量的气溶胶，进行针对气溶胶传播途径的动物暴露实验研究。

气溶胶发生设备产生的饱和气溶胶通过气溶胶的进口进入混合室腔体，恒温恒湿产气设备产生的指定温度、湿度、流量的调节气体通过调节气体的进口进入混合室腔体。饱和气溶胶与调节气体充分混合、蒸发后，气溶胶能够缩小至平衡粒径，并通过气溶胶的出口排出混合室腔体，进入气溶胶粒径筛选模块。同时，根据系统测得物理量与公式计算结果，可以通过控制调节气体温湿度，实现混合室出口气流的温湿度调节控制。

混合室腔体基于气溶胶蒸发模型进行设计，采用长圆筒形结构，在本发明实例试验工况下，设计长度为0.8m，直径0.06m，壁厚0.02m，气流流过时间约为3～4s，足够支撑大部分气溶胶充分蒸发，粒径缩小至平衡粒径。混合室腔体使携带病原体的气溶胶在后续的粒径筛选、受体暴露等环节中保持稳定的物性状态。混合室的设计解决了由于补充气流与饱和气溶胶混合不充分，气溶胶运动沿途蒸发导致温湿度变化，影响病原体活性的问题。

气溶胶可通过采样器端口进入采样分析系统，进行气溶胶粒度、病毒活性分析，测量研究气流温湿度变化对气溶胶粒径-数量分布以及所携病原体失活率的影响。

供体动物环境仓采用尺寸55cm×36cm×38cm，上箱盖与箱体通过8个箱体锁扣连接，便于实验动物、实验设备进出。气溶胶可通过采样器端口进入采样分析系统进行气溶胶粒度、病毒活性分析。透明玻璃视窗尺寸为30.2cm×21.1cm，为双层玻璃设计，玻璃层间抽真空，减少漏热、方便观察实验动物状态。铁丝网笼尺寸为45cm×36cm×30cm，内部设有喂饲水瓶与食槽，用于长时间饲养动物，进行动物暴露实验，同时方便动物的取放。铁丝网笼由铁笼支架垫高，距离仓底2cm，方便动物排泄物从网笼内掉落，保持动物饲养环境洁净，同时可以避免实验动物食粪。监控摄像头可实时记录实验动物的活动行为，辅助传播途径实验研究。灯管据要求时长开闭，模拟白天和黑夜，保证实验动物的规律作息。

针对气溶胶传播的实验研究中，指定温度、湿度、流量的洁净调节气体通过调节气体进口进入供体动物环境仓，裹挟已感染动物产生的携带病原体的气溶胶，通过气溶胶的出口流入气溶胶粒径筛选模块中。

针对飞沫传播与气溶胶传播的实验研究中，在铁丝网笼中间插入双层铁丝网，将铁丝网笼分隔成两个小仓室，左仓室饲养已感染的供体动物，右仓室饲养健康的受体动物，避免了接触传播。指定温度、湿度、流量的洁净调节气体通过调节气体进口进入供体动物环境仓，通过气溶胶的出口排出装置。

针对飞沫传播、气溶胶传播与接触传播的实验研究中，拔出双层铁丝网，将受体动物与供体动物共同置于供体动物环境仓中饲养。指定温度、湿度、流量的洁净调节气体通过调节气体进口进入供体动物环境仓，通过气溶胶的出口排出装置。

针对接触传播的实验研究中，先将供体动物置于铁丝网笼中饲养一段时间，仓底分布有供体动物的排泄物，随后拔出铁丝网笼，放入受体动物进行饲养，使受体动物与供体动物的排泄物接触。指定温度、湿度、流量的洁净调节气体通过调节气体进口进入供体动物环境仓，通过气溶胶的出口排出装置。

撞击器的主要作用为筛分气溶胶。撞击器可利用气溶胶颗粒的运动惯性，收集拦截粒径大于预设截止粒径的气溶胶颗粒物，粒径小于截止粒径的颗粒物则可以通过，做到气溶胶筛分，从而实现本发明中的气溶胶粒径筛选功能。更换撞击器的孔板结构可以实现对不同粒径的筛选，截止粒径包括≤10μm、≤2.5μm、≤1.0μm。

撞击器支架用于固定撞击器与供体动物环境仓、受体动物环境仓之间的相对高度，避免因为管道过度弯曲导致的气溶胶沉积。

受体动物环境仓用于在针对气溶胶传播的实验研究中饲养受体动物。其中，透明玻璃视窗、气溶胶的进口、箱体锁扣、铁笼支架、铁丝网笼、喂饲水瓶、食槽、温湿度传感器端口、采样器端口设计同供体动物环境仓。

风扇保证进入受体动物环境仓的气溶胶与其内空气进行充分混合，抵消实验动物导致的上升的热羽流，保证气溶胶均匀分布。风扇风速取为0.4m/s。健康动物充分暴露后，气流通过废气出口流出，经过高效过滤器过滤后排入大气。抽气泵流量略大于30L/min，使得所述受体动物环境仓内形成微负压环境，避免生物污染。

受体动物环境仓可用于饲养受体动物，也可以用于放置麻醉的受体动物，避免受体动物接触被气溶胶污染的皮毛或沾染自身排泄物导致接触传播途径发生的同时，进行充分的气溶胶暴露。

采样分析系统不进行采样分析时，可通过截止阀将采样分析仪与其他系统隔断。具体采样方法的级联式撞击器采样、液体撞击器采样、膜采样。

恒温恒湿产气设备内的气体温湿度调节范围为0～120℃，5％～95％ RH，可以实现精确的温湿度调节控制。恒温恒湿产气设备有加热、制冷、加湿、除湿部件，可用于提供固定温度、湿度、流量的洁净气流。实验中，需要进行温湿度波动检测，确保设备内所产生的气体温湿度能保持在设定值要求的精度范围内。在试验中(每10s采集一次温湿度数据)，温湿度的波动值均在0.5℃以内，相对湿度波动较小，因此设有加热、制冷、加湿、除湿部件的恒温恒湿产气设备可以提供稳定温湿度的调节气流。

在混合室腔体、受体动物环境仓等关键部件内部布设有温湿度传感器，将温湿度信息实时传输至计算机进行集中处理与反馈，监控实验过程中的气流温湿度，计算机反馈温湿度变化信息，恒温恒湿产气设备调节恒温恒湿产气设备的气流温湿度设定值，控制调节气流温湿度，充分考虑气溶胶发生设备、动物供体环境仓的蒸发问题，获得对应温湿度的稳定气溶胶，保证携带病原体的气溶胶在后续的粒径筛选、受体暴露等环节中保持稳定的物性状态，同时保证实验装置内部气流温湿度可控。

温湿度调控系统的高效过滤器为滤膜式过滤器，可以过滤直径0.3μm以上粒子(过滤效率≥95％)。由于气体内存在的各类微生物可能附着在气溶胶上，故应进行过滤以避免对实验系统的干扰。

恒温恒湿产气设备的出口管道采用管道保温层包裹，管道保温层为保温珍珠棉，能够减少管道的热量损失，保证调节气体的温湿度。

供体饲养仓体和受体饲养仓体中的上部箱盖中均设有泡沫，泡沫使得箱盖与箱体更好地密封连接，管道和各个系统之间均采用密封胶带进行密封。

混合室、供体动物环境仓、气溶胶粒径筛选模块、受体动物环境仓均放置在环境温度补偿系统的保温层中。保温箱可实现0～120℃的温度控制，可进行外界环境温度补偿，将关键系统的温度在实验开始前快速降低至指定的温区，并在实验过程中避免外界环境的温度对实验系统内部温度的影响。保温箱拥有透明玻璃视窗，为双层玻璃设计，玻璃层间抽真空，减少漏热、方便观察实验动物状态。保温箱内部设有电热丝与相变，外界温度过低，需要补偿热量时，启动电加热丝将内部系统加热至指定温度；外界温度过高，需要补偿冷量时，放入相变材料，将内部系统冷却至指定温度。混匀风扇置于电热丝与相变材料附近，在温度补偿过程中营造强制对流环境，保证保温箱内部温度场在短时间内达到均匀状态。环境温度补偿系统与计算机连接，保证精准的温湿度控制与环境温度补偿。

保温箱与气溶胶发生模块放置在生物安全柜中，气流温湿度调控系统、气溶胶发生模块、受体动物环境仓的气流管路均由管路通口进出，保证实验的生物安全性。实验前后均用消毒剂对所有实验装置进行消毒。

针对气溶胶传播的实验研究中，本发明可提供的气溶胶产生来源有两种：其一，气溶胶发生模块中的气溶胶发生设备产生的气溶胶和温湿度调控系统中的恒温恒湿产气设备产生的恒温恒湿气体在混合室腔体内混合，形成指定浓度、温度的气溶胶；其二，恒温恒湿产气设备产生的恒温恒湿气体通入供体动物环境仓中，与供体动物所产生的气溶胶混合，形成指定浓度、温度的气溶胶。气溶胶粒径筛选模块中，气溶胶经过粒径筛选形成固定粒径范围的气溶胶。气溶胶通入受体动物环境仓，进行健康动物气溶胶暴露实验。实验前后，采样分析系统对混合室、供体动物环境仓、受体动物环境仓中的气溶胶粒度与病毒活性浓度进行分析与标定。

本发明可单独使用供体动物环境仓进行其他传播途径的暴露实验：通过将供体动物与受体动物共同置于供体动物环境仓中，用双层铁丝网隔开饲养，可进行飞沫传播与气溶胶传播实验；将供体动物与受体动物置于供体动物环境仓中混合饲养，可进行飞沫传播、气溶胶传播与接触传播实验；将供体动物置于供体动物环境仓中进行一段时间的饲养，移除铁丝网笼与供体动物后放入受体动物，进行接触传播实验。因此，本发明可实现多种暴露模式，深入研究传染病的致病过程与传播机制。

本发明通过标准的气溶胶发生设备或被感染动物产生一定粒径-数量分布的气溶胶，再利用撞击器对产生的气溶胶进行粒径筛选，实现了在指定温湿度条件下，通过不同来源、不同浓度、不同粒径气溶胶对受体动物进行暴露感染，做到对特定粒径范围气溶胶的传染性进行量化标定与评价；通过供体动物环境仓结构设计，实现飞沫传播、气溶胶传播、接触传播等传播实验的组合研究；通过恒温恒湿产气设备、温湿度传感器、计算机调控装置内气流温湿度，通过保温箱补偿外界温度，实现实验装置内外的温湿度监测、调整与控制。

本发明能在实验过程中维持恒定温湿度(0-120℃，5％-95％ RH)，研究环境参数对病原体活性和传播风险的影响；能形成不同浓度、不同粒径的气溶胶以进行动物的气溶胶暴露实验，也可以进行动物的传染病直接接触传播实验与表面接触传播实验，从而实现多种暴露模式下的传播风险定量研究。

本发明的有益效果为：

1、本发明具有自动化、精细的气流温湿度调控系统与环境温度补偿系统。在混合室腔体、受体动物环境仓等关键部件内部布设温湿度传感器，并将温湿度信息传输至计算机进行集中处理与反馈，实时监控实验过程中的气流温湿度，并通过恒温恒湿产气设备自动调整输出气体温湿度，作出及时的反馈处理。保温箱内部设有电热丝、相变材料与混匀风扇，在实验前做到快速预热或预冷，在实验过程中配合温湿度调控系统实现温度补偿。

2、本发明可以进行量化的气溶胶暴露实验，精准控制气溶胶的浓度、粒径。通过雾化器或动物产生不同来源的气溶胶，通过温湿度控制与粒径筛选形成不同浓度、不同粒径气溶胶，对受体动物进行暴露感染，从而做到对特定粒径范围气溶胶的传染性进行量化标定与评价，有利于深入研究微生物气溶胶的感染致病和传播扩散机制。

3、本发明可以进行气溶胶传播、飞沫传播、气溶胶传播、接触传播等传播途径的组合实验研究。通过设计供体动物环境仓结构，实现供体动物与受体动物之间的多种接触模式，有利于深入研究病原体的传播机制和致病过程。

4、本发明可以保证生物安全。实验设备中的进排气口均设有高效过滤器，且排气气流流量略微大于进气气流流量，保证实验装置保持微负压，防止携带病原体的气体泄漏；关键装置均置于生物安全柜中进行实验操作，操作前后均进行装置消毒。

5、本发明适用于多种实验动物的暴露实验。受体动物环境仓空间较大，可用于仓鼠、大鼠、雪貂等适用于经典传染病研究的中小型实验动物的暴露实验，具有一定的普适性。

附图说明

图1是本发明装置的示意图。

图2是气溶胶发生模块示意图。

图3是混合室示意图。

图4是供体动物环境仓与部分多途径传播实验系统示意图。

图5是气溶胶粒径筛选模块示意图。

图6是受体动物环境仓示意图。

图7是采样分析系统示意图。

图8是气流温湿度调控系统示意图。

图9是环境温湿度补偿系统示意图。

图10是生物安全保障系统示意图。

图中：11、气溶胶发生模块；111、第一抽气泵；112、第一流量计；113、第一过滤器；114、气溶胶发生设备；12、混合室；121、第一调气进口；122、第一气溶胶进口；123、第一采样器端口；124、混合室腔体；125、第一气溶胶出口；126、第一传感器；127、第二采样器端口；13、供体动物环境仓；131、第二调气进口；132、第一喂饲水瓶；133、第一箱体锁扣；134、第二传感器；135、第三采样器端口；136、第二气溶胶出口；137、第一玻璃视窗；138、第一食槽；14、气溶胶粒径筛选模块；141、第一截止阀；142、撞击器；143、撞击器支架；15、受体动物环境仓；151、第二玻璃视窗；152、第二铁丝网笼；153、第二气溶胶进口；154、第二箱体锁扣；155、风扇；156、第三传感器；157、第四采样器端口；158、第三喂饲水瓶；159、第三食槽；1510、废气出口；1511、第二铁笼支架；1512、第二过滤器；1513、第二抽气泵；21、隔绝接触模块；211、第一铁笼支架；212、第一铁丝网笼；213、双层铁丝网；22、动物饲养模块；221、第二喂饲水瓶；222、第二食槽；23、动物行为观察模块；231、灯管；232、监控摄像头；3、采样分析系统；311、第二截止阀；312、采样分析仪；313、第三过滤器；314、第三抽气泵；4、气流温湿度调控系统；411、膜干燥器；412、恒温恒湿产气设备；413、第二流量计；414、第四过滤器；415、计算机；5、环境温湿度补偿系统；511、保温层；512、相变材料；513、电热丝；514、混匀风扇；515、第三玻璃视窗；6、生物安全保障系统；611、生物安全柜腔体；612、管路出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，包括气溶胶暴露实验系统、多途径传播实验系统、采样分析系统3、气流温湿度调控系统4、环境温度补偿系统5和生物安全保障系统6；多途径传播实验系统设置在气溶胶暴露实验系统内部，采样分析系统3和气流温湿度调控系统4均与气溶胶暴露实验系统连接，环境温度补偿系统5设置在生物安全保障系统6内部。

气溶胶暴露实验系统包括气溶胶发生模块11、混合室12、供体动物环境仓13、气溶胶粒径筛选模块14和受体动物环境仓15，气溶胶发生模块11的输出端经管道和混合室12连通，混合室12和供体动物环境仓13分别通过气溶胶粒径筛选模块14与受体动物环境仓15连通；

如图2所示，气溶胶发生模块11包括第一抽气泵111和气溶胶发生设备114，第一抽气泵111的输出端经管道和气溶胶发生设备114的输入端相连，从第一抽气泵111到气溶胶发生设备114的管道上依次设置有第一流量计112和第一过滤器113，气溶胶发生设备114的输出端与混合室12相连，第一抽气泵111向气溶胶发生设备114中提供压缩空气，第一流量计112有效控制进入气溶胶发生设备114的气体流量，气溶胶发生设备114选用雾化器，产生的饱和气溶胶进入混合室12中；

如图3所示，混合室12包括混合室腔体124，混合室腔体124的一侧开设有第一调气进口121、第一气溶胶进口122和第一采样器端口123，第一调气进口121经管道和气流温湿度调控系统4相连，第一气溶胶进口122经管道和气溶胶发生设备114的输出端相连，混合室腔体124的另一侧开设有第一气溶胶出口125和第二采样器端口127，第一气溶胶出口125经管道和气溶胶粒径筛选模块14相连，混合室腔体124两侧的第一采样器端口123和第二采样器端口127分别与两个采样分析系统3相连通，混合室腔体124中开设第一气溶胶出口125的一侧还设有第一传感器126，第一传感器126与气流温湿度调控系统4电连接，混合室12用于调节饱和气溶胶至指定的浓度与温度，混合室腔体124两侧的端盖均通过螺栓与中间的圆筒形腔体连接，便于拆卸清洗消毒。气溶胶发生设备114产生的饱和气溶胶通过第一气溶胶进口122进入混合室腔体124中，恒温恒湿产气设备412产生的指定温湿度的调节气体通过第一调气进口121进入混合室腔体124中，饱和气溶胶与调节气体在混合室腔体124充分混合后，通过第一气溶胶出口125排出混合室腔体124。气溶胶可通过第一采样器端口123进入采样分析系统3进行气溶胶粒度、病毒活性分析，混合室腔体124中开设有用于设置第一传感器126的传感器端口，第一传感器126用于对混合室腔体124的气流温湿度、壁面温度进行实时监测，传感器端口、第一调气进口121、第一气溶胶进口122、第一采样器端口123和第一气溶胶出口122附近均做好绝热与密闭，防止漏热、漏气；

如图4所示，供体动物环境仓13仓体的侧壁上设有用于观察的第一玻璃视窗137，供体动物环境仓13仓体的下部、上部和顶端分别开设有第二调气进口131、第二气溶胶出口136和第三采样器端口135，第二调气进口131经管道和气流温湿度调控系统4相连，第二气溶胶出口136经管道和气溶胶粒径筛选模块14相连，第三采样器端口135与采样分析系统3相连通，供体动物环境仓13仓体的顶端还设有第二传感器134，第二传感器134与气流温湿度调控系统4电连接；

仓体内饲养已感染的供体动物，供体动物用于产生携带病原体的气溶胶。指定温湿度的洁净调节气体通过第二调气进口131进入仓体，裹挟已感染动物产生的病毒气溶胶，通过第二气溶胶出口136流入气溶胶粒径筛选模块14中，仓体的箱盖与箱体通过第一箱体锁扣133连接以保证气密性且便于实验动物、设备进出。气溶胶可通过第三采样器端口135进入采样分析系统3进行气溶胶粒度、病毒活性分析，第二传感器134对仓体中的气流温湿度、壁面温度进行实时监测。第一玻璃视窗137采用双层玻璃设计，减少漏热、方便观察实验动物状态。

如图5所示，气溶胶粒径筛选模块14包括撞击器142和撞击器支架143，撞击器支架143放置在地面上，撞击器142固定在撞击器支架143上，撞击器142的两侧分别开设有端口分别作为撞击器142的入口和出口，撞击器142的入口经管道与混合室12的第一气溶胶出口125或供体动物环境仓13的第二气溶胶出口136相连，从撞击器142分别到第一气溶胶出口125和第二气溶胶出口136的管道上均设有第一截止阀141，撞击器142的出口经管道与受体动物环境仓15相连；

气溶胶粒径筛选模块14用于对供体动物环境仓13感染实验动物产生的气溶胶或混合室12产生的气溶胶进行粒径筛选，仅允许固定粒径范围的气溶胶通过，当通过感染动物产生气溶胶时，第一截止阀141可截断气溶胶粒径筛选模块14和混合室12之间的流路，通过混合室12产生气溶胶时，第一截止阀141可截断供体动物环境仓13与气溶胶粒径筛选模块14之间的流路，撞击器142可对通过的气溶胶粒径进行筛选，仅保留某特定粒径以下的气溶胶进入受体动物环境仓3中，截止粒径包括≤10μm、≤2.5μm、≤1.0μm

如图6所示，受体动物环境仓15包括风扇155、第二铁丝网笼152、第二铁笼支架1511、第三喂饲水瓶158、第三食槽159和第二抽气泵1513，受体动物环境仓15仓体的侧壁上设有用于观察的第二玻璃视窗151，受体动物环境仓15仓体的底部固定有第二铁笼支架1511，第二铁丝网笼152位于受体动物环境仓15仓体的内部且放置在第二铁笼支架1511上，第三喂饲水瓶158和第三食槽159均设在第二铁丝网笼152内部，受体饲养仓体的顶部设有风扇155，且第二铁丝网笼152和风扇155之间不接触，受体动物环境仓15仓体的下部、上部和顶端分别开设有废气出口1510、第二气溶胶进口153和第四采样器端口157，第二气溶胶进口153经管道与撞击器142的出口相连，废气出口1510经管道与第二抽气泵1513相连，从废气出口1510到第二抽气泵1513的管道上设有第二过滤器1512，第四采样器端口157与采样分析系统3相连通，受体动物环境仓15仓体顶端还设有第三传感器156，第三传感器156与气流温湿度调控系统4电连接。

固定粒径范围、固定浓度、固定温度的气溶胶进入受体饲养仓体后，可对健康实验动物进行气溶胶暴露。第二玻璃视窗151为双层玻璃设计，减少漏热、方便观察实验动物状态。仓体上箱盖与箱体通过第二箱体锁扣154连接，保证气密性且便于实验动物、设备进出。经过气溶胶粒径筛选模块14的气溶胶通过第二气溶胶进口153进入受体饲养仓体中，通过风扇155与受体饲养仓体内空气进行充分混合，抵消实验动物导致的上升的热羽流，保证气溶胶均匀分布。健康动物充分暴露后，气流通过废气出口1510流出。气溶胶可通过第四采样器端口157进入采样分析系统3进行气溶胶粒度、病毒活性分析，第三传感器156对受体饲养仓体中的气流温湿度、壁面温度进行实时监测。第二铁丝网笼152和第二铁笼支架1511用于饲养动物，保证在进行气溶胶传播途径实验时，避免污染物传播的干扰。第二过滤器1512对废气进行过滤，避免生物污染。第二抽气泵1513的流量应略微大于系统整体流量，使得受体饲养仓体内形成负压环境，避免生物污染。

多途径传播实验系统包括隔绝接触模块21、动物饲养模块22和动物行为观察模块23，隔绝接触模块21包括第一铁笼支架211、第一铁丝网笼212和双层铁丝网213；供体动物环境仓13仓体的底部固定有第一铁笼支架211，第一铁丝网笼212位于供体动物环境仓13仓体内部且放置在第一铁笼支架211上，双层铁丝网213设置在第一铁丝网笼212的中间，且使得第一铁丝网笼212中的区域被分隔为两个区域，动物饲养模块22包括第二喂饲水瓶221、第二食槽222、第一喂饲水瓶132和第一食槽138，第一食槽138和第二食槽222分别放置在被双层铁丝网213分隔开的两个区域内，第二喂饲水瓶221和第一喂饲水瓶132分别放置在被双层铁丝网213分隔开的两个区域内即第一铁丝网笼212中的每个均设有一个食槽和一个饲水瓶，动物行为观察模块23包括监控摄像头232，监控摄像头232设备在供体动物环境仓13的顶部。

如图7所示，采样分析系统3包括采样分析仪312和第三抽气泵314；第三抽气泵314输出端分别经管道分别与混合室12中的第一采样器端口123和第二采样器端口127、供体动物环境仓13中的第三采样器端口135和受体动物环境仓15中的第四采样器端口157相连，从第三抽气泵314分别到第一采样器端口123、第二采样器端口127、第三采样器端口135和第四采样器端口157的管道上均依次设有第二截止阀311、采样分析仪312和第三过滤器313。

采样分析系统3可对受体动物环境仓15、供体动物环境仓13和混合室12的含病毒气溶胶粒度与浓度进行分析。不进行采样分析时，可通过第二截止阀311将采样分析仪312与其他系统进行隔断。采样分析仪312包括粒度分析仪和采样器，实验前，采用粒度分析仪对混合室12或对供体动物环境仓13气溶胶粒度进行分析，并对受体动物环境仓15的气溶胶粒度进行分析，记录、验证供体动物或混合室12产生的气溶胶粒径-数量分布，以及经过粒径筛选后的空间内气溶胶粒径-数量分布，根据量化结果进行调整与标定。再采用采样器在上述各测点对气溶胶浓度进行分析，记录、验证供体动物或混合室12产生的气溶胶浓度，以及经过粒径筛选后的空间内气溶胶浓度以及病原体的失活情况，根据量化结果进行调整与标定。实验过程中，采用采样器对混合室12或供体动物环境仓13、受体动物环境仓15气溶胶浓度进行分析，检测实验效果；采用粒度分析仪对受体动物环境仓15内的病毒粒径数量分布进行检验。实验过程中需要采样时，将采样分析系统3置于环境温度补偿系统5的保温层511外、生物安全保障系统6的生物安全柜腔体611内，保证生物安全性，同时也避免由于频繁开闭保温层导致的温度补偿失效。

如图8所示，气流温湿度调控系统4包括膜干燥器411、恒温恒湿产气设备412和计算机415，膜干燥器411的进口连通外接大气，膜干燥器411的出口经管道和恒温恒湿产气设备412的进口连通，恒温恒湿产气设备412的出口经管道与混合室12的第一调气进口121或供体动物环境仓13的第二调气进口131相连通，从恒温恒湿产气设备412分别到第一调气进口121和第二调气进口131的管道上均依次设有第二流量计413和第四过滤器414，恒温恒湿产气设备412出口处的管道外周设有保温层；恒温恒湿产气设备412、第一传感器126、第二传感器134和第三传感器156均与计算机415电连接。

第一传感器126、第二传感器134和第三传感器35均采用温湿度传感器。第一过滤器113、第二过滤器1512、第三过滤器313和第四过滤器414均采用高效过滤器。

气流温湿度调控系统4能够对装置的环境温湿度、壁面温度、内部空气温湿度进行精准的检测控制，膜干燥器411和恒温恒湿产气设备412用于产生指定温湿度的调节洁净空气，膜干燥器411干燥压缩空气，恒温恒湿产气设备412将空气处理为指定温湿度状态，恒温恒湿产气设备412的出口管道设有保温层以避免空气温湿度状态变化，第二流量计413控制两条流路的开关与流量，温湿度传感器对系统内壁面以及气体混合物进行温湿度测量，利用计算机415进行实时的温湿度信息反馈；计算机415根据温湿度信息实时调整恒温恒湿的实验箱、气溶胶发生设备114的温湿度参数，做到温湿度闭环控制，减少温湿度波动。

如图9所示，环境温度补偿系统5包括保温层511、相变材料512、电热丝513、混匀风扇514和第三玻璃视窗515；相变材料512、电热丝513和混匀风扇514均设置在保温层511的底部，保温层511的顶部设有灯管231，保温层511的侧壁上开设有第三玻璃视窗515，混合室12、供体动物环境仓13、气溶胶粒径筛选模块14、受体动物环境仓15和多途径传播实验系统2均放置在保温层511中，相变材料512、电热丝513、混匀风扇514均与计算机415电连接。

环境温度补偿系统与温湿度调控系统共同组成装置的温控体系，温控体系用于调控装置在实验过程中的外部环境温度。

如图10所示，生物安全保障系统6包括生物安全柜腔体611和管路通口612，生物安全柜腔体611的侧壁上开设有管路通口612，混合室12、供体动物环境仓13、气溶胶粒径筛选模块14、受体动物环境仓15、多途径传播实验系统2、采样分析系统3、环境温度补偿系统5均放置在生物安全柜腔体611中。

采样分析系统3利用级联式撞击器采样方法、液体撞击器采样方法或膜采样方法进行采样。

Claims (8)

1.一种多功能动物暴露实验装置，其特征在于：

包括气溶胶暴露实验系统、多途径传播实验系统、采样分析系统(3)、气流温湿度调控系统(4)、环境温度补偿系统(5)和生物安全保障系统(6)；多途径传播实验系统设置在气溶胶暴露实验系统内部，采样分析系统(3)和气流温湿度调控系统(4)均与气溶胶暴露实验系统连接，环境温度补偿系统(5)设置在生物安全保障系统(6)内部。

2.根据权利要求1所述的一种多功能动物暴露实验装置，其特征在于：

所述的气溶胶暴露实验系统包括气溶胶发生模块(11)、混合室(12)、供体动物环境仓(13)、气溶胶粒径筛选模块(14)和受体动物环境仓(15)，气溶胶发生模块(11)的输出端经管道和混合室(12)连通，混合室(12)和供体动物环境仓(13)分别通过气溶胶粒径筛选模块(14)与受体动物环境仓(15)连通；

所述的气溶胶发生模块(11)包括第一抽气泵(111)和气溶胶发生设备(114)，第一抽气泵(111)的输出端经管道和气溶胶发生设备(114)的输入端相连，从第一抽气泵(111)到气溶胶发生设备(114)的管道上依次设置有第一流量计(112)和第一过滤器(113)，气溶胶发生设备(114)的输出端与混合室(12)相连；

所述的混合室(12)包括混合室腔体(124)，混合室腔体(124)的一侧开设有第一调气进口(121)、第一气溶胶进口(122)和第一采样器端口(123)，第一调气进口(121)经管道和气流温湿度调控系统(4)相连，第一气溶胶进口(122)经管道和气溶胶发生设备(114)的输出端相连，混合室腔体(124)的另一侧开设有第一气溶胶出口(125)和第二采样器端口(127)，第一气溶胶出口(125)经管道和气溶胶粒径筛选模块(14)相连，混合室腔体(124)两侧的第一采样器端口(123)和第二采样器端口(127)分别与两个采样分析系统(3)相连通，混合室腔体(124)中开设第一气溶胶出口(125)的一侧还设有第一传感器(126)，第一传感器(126)与气流温湿度调控系统(4)电连接；

所述供体动物环境仓(13)仓体的侧壁上设有用于观察的第一玻璃视窗(137)，供体动物环境仓(13)仓体的下部、上部和顶端分别开设有第二调气进口(131)、第二气溶胶出口(136)和第三采样器端口(135)，第二调气进口(131)经管道和气流温湿度调控系统(4)相连，第二气溶胶出口(136)经管道和气溶胶粒径筛选模块(14)相连，第三采样器端口(135)与采样分析系统(3)相连通，供体动物环境仓(13)仓体的顶端还设有第二传感器(134)，第二传感器(134)与气流温湿度调控系统(4)电连接；

所述的气溶胶粒径筛选模块(14)包括撞击器(142)和撞击器支架(143)，撞击器支架(143)放置在地面上，撞击器(142)固定在撞击器支架(143)上，撞击器(142)的两侧分别开设有端口分别作为撞击器(142)的入口和出口，撞击器(142)的入口经管道与混合室(12)的第一气溶胶出口(125)或供体动物环境仓(13)的第二气溶胶出口(136)相连，从撞击器(142)分别到第一气溶胶出口(125)和第二气溶胶出口(136)的管道上均设有第一截止阀(141)，撞击器(142)的出口经管道与受体动物环境仓(15)相连；

所述的受体动物环境仓(15)包括风扇(155)、第二铁丝网笼(152)、第二铁笼支架(1511)、第三喂饲水瓶(158)、第三食槽(159)和第二抽气泵(1513)，受体动物环境仓(15)仓体的侧壁上设有用于观察的第二玻璃视窗(151)，受体动物环境仓(15)仓体的底部固定有第二铁笼支架(1511)，第二铁丝网笼(152)位于受体动物环境仓(15)仓体的内部且放置在第二铁笼支架(1511)上，第三喂饲水瓶(158)和第三食槽(159)均设在第二铁丝网笼(152)内部，受体饲养仓体的顶部设有风扇(155)，且第二铁丝网笼(152)和风扇(155)之间不接触，受体动物环境仓(15)仓体的下部、上部和顶端分别开设有废气出口(1510)、第二气溶胶进口(153)和第四采样器端口(157)，第二气溶胶进口(153)经管道与撞击器(142)的出口相连，废气出口(1510)经管道与第二抽气泵(1513)相连，从废气出口(1510)到第二抽气泵(1513)的管道上设有第二过滤器(1512)，第四采样器端口(157)与采样分析系统(3)相连通，受体动物环境仓(15)仓体顶端还设有第三传感器(156)，第三传感器(156)与气流温湿度调控系统(4)电连接。

3.根据权利要求2所述的一种多功能动物暴露实验装置，其特征在于：

所述的多途径传播实验系统包括隔绝接触模块(21)、动物饲养模块(22)和动物行为观察模块(23)，隔绝接触模块(21)包括第一铁笼支架(211)、第一铁丝网笼(212)和双层铁丝网(213)；供体动物环境仓(13)仓体的底部固定有第一铁笼支架(211)，第一铁丝网笼(212)位于供体动物环境仓(13)仓体内部且放置在第一铁笼支架(211)上，双层铁丝网(213)设置在第一铁丝网笼(212)的中间，且使得第一铁丝网笼(212)中的区域被分隔为两个区域，动物饲养模块(22)包括第二喂饲水瓶(221)、第二食槽(222)、第一喂饲水瓶(132)和第一食槽(138)，第一食槽(138)和第二食槽(222)分别放置在被双层铁丝网(213)分隔开的两个区域内，第二喂饲水瓶(221)和第一喂饲水瓶(132)分别放置在被双层铁丝网(213)分隔开的两个区域内，动物行为观察模块(23)包括监控摄像头(232)，监控摄像头(232)设备在供体动物环境仓(13)的顶部。

4.根据权利要求2所述的一种多功能动物暴露实验装置，其特征在于：

所述的采样分析系统(3)包括采样分析仪(312)和第三抽气泵(314)；第三抽气泵(314)的输出端分别经管道分别与混合室(12)中的第一采样器端口(123)和第二采样器端口(127)、供体动物环境仓(13)中的第三采样器端口(135)和受体动物环境仓(15)中的第四采样器端口(157)相连，从第三抽气泵(314)分别到第一采样器端口(123)、第二采样器端口(127)、第三采样器端口(135)和第四采样器端口(157)的管道上均依次设有第二截止阀(311)、采样分析仪(312)和第三过滤器(313)。

5.根据权利要求2所述的一种多功能动物暴露实验装置，其特征在于：

所述的气流温湿度调控系统(4)包括膜干燥器(411)、恒温恒湿产气设备(412)和计算机(415)，膜干燥器(411)的进口连通外接大气，膜干燥器(411)的出口经管道和恒温恒湿产气设备(412)的进口连通，恒温恒湿产气设备(412)的出口经管道与混合室(12)的第一调气进口(121)或供体动物环境仓(13)的第二调气进口(131)相连通，从恒温恒湿产气设备(412)分别到第一调气进口(121)和第二调气进口(131)的管道上均依次设有第二流量计(413)和第四过滤器(414)，恒温恒湿产气设备(412)出口处的管道外周设有保温层；恒温恒湿产气设备(412)、第一传感器(126)、第二传感器(134)和第三传感器(156)均与计算机(415)电连接。

6.根据权利要求5所述的一种多功能动物暴露实验装置，其特征在于：

所述的环境温度补偿系统(5)包括保温层(511)、相变材料(512)、电热丝(513)、混匀风扇(514)和第三玻璃视窗(515)；相变材料(512)、电热丝(513)和混匀风扇(514)均设置在保温层(511)的底部，保温层(511)的顶部设有灯管(231)，保温层(511)的侧壁上开设有第三玻璃视窗(515)，混合室(12)、供体动物环境仓(13)、气溶胶粒径筛选模块(14)、受体动物环境仓(15)和多途径传播实验系统(2)均放置在保温层(511)中，相变材料(512)、电热丝(513)、混匀风扇(514)均与计算机(415)电连接。

7.根据权利要求2所述的一种多功能动物暴露实验装置，其特征在于：

所述的生物安全保障系统(6)包括生物安全柜腔体(611)和管路通口(612)，生物安全柜腔体(611)的侧壁上开设有管路通口(612)，混合室(12)、供体动物环境仓(13)、气溶胶粒径筛选模块(14)、受体动物环境仓(15)、多途径传播实验系统(2)、采样分析系统(3)、环境温度补偿系统(5)均放置在生物安全柜腔体(611)中。

8.根据权利要求1所述的一种多功能动物暴露实验装置，其特征在于：

所述的采样分析系统(3)利用级联式撞击器采样方法、液体撞击器采样方法或膜采样方法进行采样。

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