CN117897215A - 具有可移除的入口组件的气溶胶收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了与收集和回收气溶胶和生物气溶胶以供分析相关的装置、系统和方法。所述系统包括全向入口组件，其易于移除以进行净化并且可以替换为已经清洁的入口组件或定向入口或其他工具，用于从动物呼吸区、空气管道、移动车辆附近的空气和其他采样场景进行收集。此外，所述系统包括使得装置的成本比其他类似系统更低同时提供改善的可用性和性能的其他特征。
Description
本专利申请要求2021年6月15日提交的美国临时专利申请序列号63/210,954的优先权，其内容在此通过引用整体并入本发明中。
发明公开的背景
技术领域
本发明总体涉及气溶胶和生物气溶胶收集领域。更具体地，本发明涉及用于捕获悬浮在空气中的细菌、病毒、真菌和其他微生物的装置、系统和方法，用于使用经典和现代快速微生物学方法进行后续分析。
背景技术
所有行业对快速且有效空气采样的需求都正在增长，包括但不限于食品加工、药品制造、军事区和情报机构以及其中检测空气中颗粒的目标样本对于该场所内运营的正常运作非常重要或关键的任何其他场所。
发明内容
通过提供具有可交换的、导电塑料的、全向和定向的入口以及其他采样工具的低成本装置，本发明解决了传统系统的缺点并改进了技术。
本发明公开了与收集和回收气溶胶和生物气溶胶以供分析相关的装置、系统和方法。所述系统包括模块化全向入口组件，其易于移除以进行净化并且可以替换为已经清洁的入口组件或定向入口或其他工具，用于从动物呼吸区、空气管道、移动车辆附近的空气和本领域技术人员众所周知的其他采样场景收集。此外，所述系统包括其他创新特征，以使装置比其他类似系统成本更低同时提供改善的可用性和性能。
所公开的系统包括低成本气溶胶收集器装置，其使用模块化的扁平过滤器组件从空气收集目标颗粒用于后续分析。所述扁平过滤器组件可以包括例如申请人(INNOVAPREPLLC(英诺瓦普有限责任公司))的山猫快速过滤器洗脱套件(Bobcat Rapid FilterElution Kit)或联合生物战术检测系统(Joint Biological Tactical DetectionSystem，JBTDS)洗脱套件。这些套件使用低压降驻极体过滤器从空气有效捕获颗粒，以便使用湿泡沫洗脱工艺(Wet Foam Elutionprocess)(英诺瓦普)进行后续洗脱。
所公开的低成本气溶胶收集器装置包括易于由使用者移除的1/4转全向入口组件。这种特征允许使用者将样品收集到过滤器上，然后移除入口组件并且之后移除过滤器用于样品的后续洗脱和分析。然后可以将新的过滤器放入采样器中，并且可以用第二入口组件替换入口，或可以在替换之前清洁和净化原始入口组件。这显著减少了手动清洁时间和样品之间交叉污染的可能性。此外，全向入口也可以根据需要由定向和其他采样工具替换。
此外，气溶胶收集器包括容纳在注塑成型的壳体中的风扇和控制器，以及由注塑成型的导电塑料部件组成的、单独的入口组件，或者多个组件。这种设计使得直到过滤器的整个入口流动路径都由注塑成型的导电塑料部件制成。通过这种方式，入口组件不容易积聚静电荷，因此可以显著减少到过滤器上游的入口表面的颗粒损失。此外，通过由注塑成型的导电塑料部件而不是金属部件制造入口部件，收集器的总成本和重量明显降低。
附图说明
参考以下附图详细说明本发明的各个示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同或相似的部件或步骤，其中：
图1示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器的正面透视图，收集过滤器和可移除的全向入口组件与收集器主体分离。
图2示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器的左侧透视图，收集过滤器和可移除的全向入口组件与收集器主体分离。
图3示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器的右侧透视图，收集过滤器和可移除的全向入口组件与收集过滤器分离。
图4示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器的左侧透视图，可移除的全向入口组件附接至收集器主体。
图5示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器的正面视图，可移除的全向入口组件附接至收集器主体。
图6示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器的底部透视图，可移除的全向入口组件附接至收集器主体。
图7示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器的左侧透视图的分解图，夹子用于附接可移除的全向入口组件。
图8示出了根据本发明示例性实施例的可移除的全向入口组件的分解图。
图9示出了根据本发明示例性实施例的电池供电气溶胶收集器的电子组件的分解图。
图10示出了根据本发明示例性实施例的具有可移除的全向入口组件的电池供电气溶胶收集器的分解图。
图11示出了根据本发明示例性实施例具有可移除的入口组件和用于从气流采样的探针的气溶胶收集器。
图12示出了根据本发明示例性实施例具有可移除的定向入口组件和用于移动、手持式采样的手柄的气溶胶收集器。
具体实施方式
在示例性实施例中，本发明是一种低成本气溶胶收集器装置，其使用模块化的扁平过滤器组件从空气收集目标颗粒用于后续分析。本发明总体涉及气溶胶和生物气溶胶收集领域。更具体地，本发明涉及用于捕获悬浮在空气中的细菌、病毒、真菌和其他微生物的装置、系统和方法，用于使用经典和现代快速微生物学方法进行后续分析。
气溶胶收集器装置使用模块化扁平过滤器组件从空气收集目标颗粒用于后续分析。扁平过滤器组件可以包括申请人(英诺瓦普有限责任公司)的山猫快速过滤器洗脱套件(Bobcat Rapid Filter Elution Kit)或联合生物战术检测系统(Joint BiologicalTactical Detection System，JBTDS)洗脱套件。这些套件使用低压降驻极体过滤器从空气有效捕获颗粒，以便使用英诺瓦普湿泡沫洗脱工艺(INNOVAPREP Wet FoamElutionprocess)进行后续洗脱。
收集器可以用于各种应用中，如环境监测、工业卫生应用、公共卫生监测(包括疾病爆发监测和医疗保健设施中的监测)、动物健康监测、食品安全监测、制药设施监测、宏基因组学研究、生物防御和生物恐怖主义检测及其他类似应用。
所公开的低成本气溶胶收集器装置包括易于由使用者移除的1/4转全向入口组件。这种特征允许使用者将样品收集到过滤器上，然后移除入口组件并且之后移除过滤器用于样品的后续洗脱和分析。然后可以将新的过滤器放入采样器中，并且可以用第二入口组件替换所述入口组件，或可以在替换之前清洁和净化原始入口组件。这显著减少了手动清洁时间和样品之间交叉污染的可能性。此外，全向入口也可以根据需要由定向和其他采样工具替换。
此外，气溶胶收集器包括容纳在注塑成型的壳体中的风扇和控制器，以及由注塑成型的导电塑料部件组成的、单独的入口组件，或多个组件。这种设计使得直到过滤器的整个入口流动路径都由注塑成型的导电塑料部件制成。通过这种方式，入口组件不容易积聚静电荷，因此可以显著减少到过滤器上游的入口表面的颗粒损失。此外，通过由注塑成型的导电塑料部件而不是金属部件制造入口部件，收集器的总成本和重量明显降低。
在下面的附图中，示出并说明了所公开的气溶胶收集器装置的多种构造。
图1示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器100的正视图，模块化收集过滤器104和模块化可移除的全向入口组件101与收集器主体105分离。
气溶胶收集器100由可移除的全向入口组件101和收集器主体105构成，并且使用过滤器104用于收集气溶胶和生物气溶胶。可移除的全向入口组件101包括挂环103和入口开口102。收集器主体105包括四条支腿106、用户界面107、过滤器座108和多个入口组件夹子109(在该示例中示出四个)。
为了使用气溶胶收集器100，使用者将过滤器104插入过滤器座108中并将可移除的全向入口组件101附接至收集器主体105。通过将可移除的全向入口组件101推到收集器主体105上并将其顺时针转动约1/4转以将四个入口组件夹子109接合到可移除的全向入口组件101底部的四个凹口中来进行附接。
然后利用用户界面107启动收集运行。可以通过用户界面107设置气溶胶收集器100以若干流速之一和若干运行时间之一进行收集或用于连续运行。电池指示器用于在适当时候指示板载电池的充电状态。
在收集期完成后，气溶胶收集器100将自动关闭或使用者可以利用用户界面107手动结束收集运行。此时，使用者可以一只手抓住收集器主体105，另一只手抓住可移除的全向入口组件101，并将其逆时针转动约1/4转以使四个入口组件夹子109与可移除的全向入口组件101底部的四个凹口脱离。可移除的全向入口组件101然后可以被提升起来并远离收集器主体105并且可以移除过滤器104。然后可以提取或分析过滤器104。
图2示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器200的左侧视图，收集过滤器204和可移除的全向入口组件201与收集器主体205分离。
图3示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器300的右侧视图，收集过滤器304和可移除的全向入口组件301与收集器主体305分离。
图4示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器400的左侧视图，可移除的全向入口组件401附接至收集器主体402。
图5示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器500的正视图，可移除的全向入口组件501附接至收集器主体502。
图6示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器600的正视且部分底视图，可移除的全向入口组件601附接至收集器主体602。连接器603提供用于连接电源的端口。端口604提供用于附接三脚架的螺纹插入件。
图7示出了根据本发明示例性实施例的气溶胶收集器700的左侧视图的部分分解图，夹子702用于附接可移除的全向入口组件。收集器主体703包括四个夹子702，其通过四个螺钉701附接至收集器主体703。用户界面704结合至收集器主体703的前部。
图8示出了根据本发明示例性实施例的可移除的全向入口组件800的分解图。可移除的全向入口组件800使用四个螺钉801组装，以将挂环802、入口盖803、入口顶盖804和入口底盖805固定在一起。垫圈806结合至入口底盖805底侧的过滤器座中。
入口盖803、入口顶盖804和入口底盖805由导电的注塑成型塑料制成，以提供从入口开口到收集过滤器表面的导电流动路径。这种构造减少了到流动路径壁的颗粒损失。
垫圈806提供柔性的表面，用于在其附接至收集器主体时将过滤器密封到入口组件中。入口底盖805包括与收集器主体顶侧上的夹子互锁的四个凹口。这些凹口与夹子一起使得可移除的全向入口组件800能够容易附接至收集器主体并从收集器主体移除。
图9示出了根据本发明示例性实施例的电池供电的气溶胶收集器的电子组件900的分解图。电子组件900包括顶部粘合垫圈901、风扇902、两个电池组903、控制板904、收集器主体底部905、底部粘合垫圈906、连接器907和连接器盖908。风扇902是居中位于两个电池组903之间的轴向式或内联式风扇。这种对称组件实现了紧凑且重量平衡的气溶胶收集器。控制板904和两个电池组903中的电子器件以及电源连接器907实现了电池或壁供电操作。
图10示出了根据本发明示例性实施例具有可移除的全向入口组件1001的电池供电气溶胶收集器1000的分解图。电子组件1003包括两个电池组、控制板和垫圈，以在组装气溶胶收集器1000后将电池组固定。为了组装电池供电的气溶胶收集器1000，收集器主体1002在电子组件1003上方滑动并且插入四个螺钉1004。在组装后，可移除的全向入口组件1001可以附接至收集器主体1002。
图11示出了根据本发明示例性实施例具有可移除的入口组件1106和用于从气流采样的探针1102的气溶胶收集器1100。气溶胶收集器1100包括收集器主体1107，其具有可移除的入口组件1106和软管接头1105、附接软管1104、安装板1103、探针1102和探针入口1101。
可移除的入口组件1106可以通过1/4转从收集器主体1107移除，并且过滤器可以放到内部过滤器座中。可移除的入口组件1106优选地由导电塑料通过注塑成型制造。入口组件的设计以及通过注塑成型的导电塑料制造确保了直至过滤器的整个流动路径都由光滑的导电材料制成。这种方法有助于最小化由静电收集导致的到入口表面的损失，从而确保颗粒高效传送到过滤器。
可移除的入口组件1106具有用于附接不同长度的软管1104的软管接头1105。软管1104将空气和夹带的颗粒从探针1102传送到可移除的入口组件1106并传送到收集过滤器。探针1102可以放在空气处理管道、风道或其他空气移动路径中并且使用安装板1103附接。探针1102和探针入口1101可以根据需要定尺寸以确保根据需要在流动路径中的良好的颗粒传送、低压和等速采样。此外，安装板1103可以用于将探针1102安装到车辆、船或飞机，以实现在移动时从气流采样。
图12示出了根据本发明示例性实施例具有可移除的定向入口组件1203和用于移动、手持式采样的手柄1205的气溶胶收集器1200。气溶胶收集器1200包括具有可移除的入口组件1203和手柄1205的收集器主体1204。可移除的入口组件1203附接至收集器主体1204并且包括定向入口1202和入口开口1201。当审核或走过设施或地点时，这种构造允许使用者将气溶胶收集器1200用作手持式装置来定向近距离采样。
如所公开的，通过以更低成本提供高流速和高效率的收集器并具有改善样品收集同时减少样品之间交叉污染的可能性的特征，所述气溶胶收集器提高了气溶胶和生物气溶胶收集的技术。所述气溶胶收集器使用轴向式或内联式风扇和两个电池来提供紧凑的构造，以及绕中心垂直轴线对称的外主体壳和可移除的入口组件—排除用户界面和电源端口以及三脚架端口。这种设计使气溶胶收集器的组装变得简单，并且由于使用了两个分开的电池，组装的单元具有良好的平衡性。
除了使用轴向式或内联式排风扇之外，还可以使用对于本领域技术人员在考虑本发明之后将显而易见的其他风扇类型。这些包括但不限于螺旋桨式、离心式、径向式、混流式和横流式风扇。
通过气溶胶收集器的流量可以使用对于本领域技术人员显而易见的多种方法控制，包括但不限于本文描述的方法。流量传感器和脉冲宽度调制(PWM)可以用于控制风扇的速度，从而控制通过气溶胶收集器和过滤器的流速。使用PWM进行控制以及板载转速计进行RPM反馈，可以将风扇控制在设定的每分钟转数(RPM)。另外，可以使用针对来自流量传感器或转速计的反馈的电压控制来控制流量。电流反馈也可以用于监测流速。可以向客户提供查找表或应用程序以实现转换为标准流速。
装置的紧凑性质和绕中心垂直轴线的对称性允许可移除的入口组件与收集器主体具有大体相同的直径，从而减少收集器主体本身的钝体效应。因此，收集器主体本身不会由于收集器主体在流动空气中产生的潜在紊流而影响进入全向入口开口的空气流。
可移除的入口组件通常由导电的注塑成型塑料构造，以降低气溶胶收集器的总体制造成本同时减小静电收集力。这实现入口组件中高的颗粒传送效率。导电塑料通常包括碳、不锈钢或其他金属颗粒或纤维填料，但是可以使用对于本领域技术人员显而易见的任何导电的注塑成型或成形塑料材料。此外，入口组件可以由不导电的塑料构造并且沿入口开口和内部流动路径涂有导电材料。最后，入口组件可以使用对于本领域技术人员显而易见的传统或3d打印方法由金属或其他导电材料构造。
可以构造许多不同的可移除的入口组件用于与气溶胶收集器使用。这些包括但不限于：全向；定向；采样探针；用于从表面收集干材料或对包括硬表面或地毯的表面进行吸尘的真空棒；用于从颗粒源(例如动物、工业源或其他点源)近距离采样的探针；主动叶片式入口；颗粒分离入口，例如在收集到过滤器上之前使用冲击力或离心力去除较大颗粒的那些；以及对于本领域技术人员显而易见的其他入口类型。
可移除的入口组件包括直至收集过滤器的整个流动路径。以此方式，所有空气和夹带的颗粒和气体穿过过滤器仅与可移除的入口组件流动路径接触。可移除的入口组件不包括电子元件，因此可以从气溶胶收集器移除，并通过擦拭、浸没在去污液或清洁液中、放在洗碗机中、放在气体灭菌剂(例如环氧乙烷或过氧化氢)中或对于本领域技术人员显而易见的其他方式进行净化，以对于本领域技术人员显而易见的任何其他数量的方式进行高压灭菌、或者清洁、灭菌，或者净化。
可移除的入口组件易于移除并且可以由另一个已经清洁的可移除的入口组件替换。这使得使用者能够快速且轻易地在样品收集运行之间提供清洁的入口流动路径，从而大大减少或消除样品之间交叉污染的可能性。此外，对于其他采样场景，一种类型的移除的入口组件可以容易地替换为另一种类型的入口组件。这些组件的模块化性质实现了针对每个采样场景使用适当的入口类型。
使用垫圈和O形环密封收集器主体，并且可以使用本领域技术人员已知的方法密封风扇和电子器件、控制板和连接器。这使得气溶胶收集器满足在室外环境中操作的适当要求。
如本说明书和附图中所使用的，术语“或”旨在表示包括性的“或”而不是排他性的“或”。此外，本说明书和附图中使用的冠词“一”和“一个”一般应解释为表示“一个或多个”，除非另有说明或从上下文中清楚的是针对单数形式。
已经如上文描述的内容包括提供本发明的优点的示例。当然，为了说明本发明的目的，不可能说明部件或方法的每一种可想到的组合，但是本领域普通技术人员可以认识到，所要求保护的主题的许多进一步的组合和排列是可能的。此外，在详细说明、权利要求书、附图中使用术语“包括”、“具有”、“拥有”等的情况下，这些术语旨在以类似于术语“包括”的方式表示是包括性的，因为在权利要求中用作过渡词时解释为“包括”。
本文提供的说明和示例用于解释目的并且不旨在限制所附权利要求的范围。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的广泛发明构思的情况下，可以对上述实施例进行改变或修改。因此，应当理解，本发明不限于本文描述的特定实施例，而是旨在覆盖本发明的范围和精神内的所有修改和改变。
Claims (20)
1.一种用于收集气溶胶和生物气溶胶的装置，所述装置包括：
收集器主体；
位于收集器主体上面的模块化过滤器；和
位于模块化过滤器上面并且与收集器主体可逆地连接的模块化入口组件，其中模块化入口组件包括通向模块化过滤器的完整的流体流动路径。
2.根据权利要求1所述的装置，其中模块化入口组件与收集器主体手动地分离。
3.根据权利要求2所述的装置，其中模块化入口组件通过四分之一转从模块化主体移除。
4.根据权利要求3所述的装置，其中通过将模块化主体上的夹子与模块化入口组件上的对应孔脱离形成四分之一转。
5.根据权利要求1所述的装置，其中模块化入口组件由注塑成型的导电塑料构造。
6.根据权利要求1所述的装置，其中模块化入口组件由注塑成型的塑料构造，在包括流动路径的表面上具有导电涂层。
7.根据权利要求1所述的装置，其中模块化入口组件是全向入口。
8.根据权利要求1所述的装置，其中模块化入口组件是定向入口。
9.根据权利要求8所述的装置，其中模块化入口组件是主动叶片型入口。
10.根据权利要求8所述的装置，其中模块化入口组件是弯曲的采样探针。
11.根据权利要求8所述的装置，其中柔性软管附接至模块化入口组件并且采样探针或喷嘴能够附接至软管。
12.根据权利要求1所述的装置，其中模块化入口组件包括挂环。
13.根据权利要求1所述的装置，还包括位于收集器主体中以将流体引入模块化入口组件中的风扇。
14.根据权利要求1所述的装置，其中模块化入口组件包括入口盖、顶盖和底盖。
15.根据权利要求14所述的装置，其中流体流动路径由入口盖和顶盖之间的间隙形成。
16.根据权利要求15所述的装置，其中间隙是周向的，从而形成全向入口。
17.根据权利要求1所述的装置，其中模块化过滤器是驻极体过滤器。
18.根据权利要求1所述的装置，还包括允许采样时携带所述装置的收集器主体上的集成手柄。
19.根据权利要求1所述的装置，还包括位于收集器主体底侧上的三脚架端口。
20.一种用于收集气溶胶和生物气溶胶的装置，所述装置包括：
具有垂直中心轴线的收集器主体；
位于收集器主体上面并且中心在收集器主体的垂直中心轴线上的模块化过滤器；
中心在收集器主体的垂直中心轴线上、位于模块化过滤器上面并且与收集器主体可逆地连接的模块化入口组件；和
位于收集器主体中并且适于沿垂直中心轴线在向下流动方向上形成通向模块化过滤器的完整的流体流动路径的风扇。
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