CN219907644U - 一种生物气溶胶采样器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种生物气溶胶采样器，包括采样器本体、气旋结构、雾化结构、第一制冷装置和第二制冷装置；气旋结构具有气体入口和能够产生负压的气体出口，气体出口与采样器本体连接，并延伸至采样器本体的内部；雾化结构设置在采样器本体的内部，并与气体出口连通；第一制冷装置与气旋结构连接；第二制冷装置与采样器本体连接。本申请中，气旋结构、雾化结构形成两级富集结构，通过两级富集结构的综合作用，增强了对尺寸和重量较小的颗粒物质的捕获和采集，能够有效地提高粒径覆盖范围和采样效率；通过设置第一制冷装置和第二制冷装置对生物气溶胶采样器内部的温度进行调控，有效地提高了生物气溶胶采样器在长时间采样过程中微生物的存活率。

Description

一种生物气溶胶采样器

技术领域

本申请属于生物检测技术领域，更具体地说，是涉及一种生物气溶胶采样器。

背景技术

高致病病原微生物通过空气传播进行传播的危害十分巨大，具体途径分为气溶胶传播和飞沫传播，前者由于主要成分为飞沫(或液滴)，尺寸和重量相对较大易受重力沉降影响，传播距离范围一般不超过1m，而后者由于主要成分为尺寸和重量相对较微小的生物颗粒，跟随气流运动的能力较强，传播距离范围一般会大于1m，传播影响的持续时间相较于飞沫传播也更久。含有高致病病原微生物的飞沫(或液滴)，经过蒸发、干燥后，往往可以转变为气溶胶。因此，发展生物气溶胶相关的检测手段，尤其是对人流量大的公共空间的长时间连续式采样与检测手段，具有极其重要的科研和应用价值。

生物气溶胶本质上属于气溶胶的一种，是包含生物颗粒(例如，微生物或生物大分子)的空气胶体悬浮系统，其生物特性复杂、分类广泛，包括病毒、细菌、放线菌、真菌、孢子、藻类、昆虫和螨的碎片、植物和动物来源的蛋白质碎片等。生物气溶胶的典型尺寸范围在0.01～100μm，其中，病毒的典型尺寸通常为0.02～0.3μm(新冠病毒的典型尺寸通常为0.06～0.14μm)，细菌的典型尺寸通常为0.5～10μm，真菌的典型尺寸通常为0.5～30μm。

根据上述生物气溶胶的特点，一般认为理想的生物气溶胶采样器应具备以下5点特征：(1)采样效率高；(2)采样快速连续；(3)颗粒沉积效率高；(4)具有特定粒度选择能力；(5)粒径覆盖范围广以及良好的微生物存活率。常规的生物气溶胶采样器按其工作原理，主要分为固体撞击式、离心式、气旋式、液体冲击式、过滤式、静电沉降式、重力沉降式、热沉降式等多种类型，但主要为单级流体力学或传热学结构，导致现有的生物气溶胶采样器对于尺寸相对较大的真菌和细菌有较好的捕获能力，但对于尺寸相对较小的病毒捕获能力相对较弱，即常规生物气溶胶采样器存在一定的粒径覆盖范围和采样效率方面的问题。另外，生物气溶胶采样器中的病原微生物的存活率和存活时间，主要受其环境的温度、湿度、接触面材质等因素影响。对于本身就存在液体的气旋式、液体冲击式生物气溶胶采样器的湿度相对较大，往往不需要进行额外控制，通过控制温度到适宜病原微生物的存活的温度一般能够保证其较高的存活率和较长的存活时间。一般适宜病原体存活和生长的温度范围为1℃～40℃。如果病毒处于非适宜存活环境，存活时间一般并不长，并且RNA类病毒还容易降解，导致对其进行检测、提取和培养(为基因测序和研发疫苗)等存在问题。如果细菌和真菌处于非适宜存活环境，会导致其在进行培养和繁殖(为进行检测和鉴定)时存在问题。同时，常规的生物气溶胶采样器未对长时间连续采样时由于采样器中液体消耗未考虑补充问题、采样器存储液体的容积有限和液位控制问题，以及，长时间采样过程中的存活率问题进行充分考虑。因此，不适用于现场长时间连续采样。

为此，提高生物气溶胶采样器的粒径覆盖范围和采样效率，提高在长时间采样过程中的微生物存活率，可实现长时间连续采样并较好地保证在长时间采样过程中的微生物存活率，对于生物安全、公共卫生安全，乃至国家安全均具有极其重要意义。

现有的气溶胶采样装置，通常未考虑长时间连续采样时由于采样器中液体消耗未考虑补充问题，以及长时间采样过程中的存活率问题，不适用于现场长时间连续采样，而且还存在采样效率不高等问题。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种生物气溶胶采样器，以解决现有技术中存在的高致病空气微生物中病毒类微小尺寸生物气溶胶采样效率不高以及微生物存活率不高的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种生物气溶胶采样器，包括采样器本体、气旋结构、雾化结构、第一制冷装置和第二制冷装置；所述采样器本体用于盛放采样液体；所述气旋结构具有气体入口和能够产生负压的气体出口，所述气体出口与所述采样器本体连接，并延伸至所述采样器本体的内部；所述雾化结构设置在所述采样器本体的内部，并与所述气体出口连通；所述第一制冷装置与所述气旋结构连接，所述第一制冷装置用于调节进入到所述气旋结构内气体的温度；所述第二制冷装置与所述采样器本体连接，所述第二制冷装置用于调节所述采样液体的温度。

可选地，所述气旋结构包括锥形本体，所述锥形本体的圆粗端与所述气体入口连通；所述锥形本体的尖锐端与所述气体出口连通。

可选地，所述气体入口进气方向与所述锥形本体的圆形截面相切。

可选地，所述气体入口设有多个，多个所述气体入口沿着所述锥形本体圆形截面的圆周方向间距设置。

可选地，所述第一制冷装置包括制冷器和冷凝结构；所述制冷器安装在所述锥形本体的圆粗端；所述冷凝结构与所述制冷器连接，并设置在所述锥形本体内部。

可选地，所述冷凝结构呈锥形，所述冷凝结构的尖锐端朝向所述锥形本体的尖锐端。

可选地，所述雾化结构包括雾化喷管和液体流道；所述雾化喷管的一端与所述气体出口连通，所述雾化喷管的另一端朝向所述采样液体；所述液体流道在所述雾化喷管的侧壁与所述雾化喷管连通，所述液体流道的另一端与所述采样液体连通。

可选地，所述雾化喷管包括沿着气体流入方向依次设置的进气端、渐缩段、喉部、渐扩段和出气端；其中，所述喉部具有液体入口，所述液体入口与所述液体流道连通；所述出气端朝向所述采样液体。

可选地，所述采样器本体设有进液口、出液口和出气口；所述进液口和所述出气口位于所述采样器本体的上端，所述出液口位于所述采样器本体的底部。

可选地，所述生物气溶胶采样器还包括温度控制装置，所述温度控制装置安装在所述采样器本体上，所述温度控制装置用于调控所述采样器本体内部的温度。

本申请提供的生物气溶胶采样器的有益效果在于：与现有技术相比，本申请中，气旋结构和第一制冷装置组成了第一级富集结构，雾化结构和第二制冷装置组成了第二级富集结构，两级富集结构均为流体力学与传热学结构结合的复合式结构，通过两级富集结构的综合作用，在保证对生物气溶胶中的尺寸和重量较大的颗粒物质的捕获和采集能力的同时，进一步增强了对尺寸和重量较小的颗粒物质的捕获和采集，能够有效地提高粒径覆盖范围和采样效率。通过设置第一制冷装置和第二制冷装置，能够对生物气溶胶采样器内部的温度进行调控，有效地提高了生物气溶胶采样器在长时间采样过程中微生物的存活率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的生物气溶胶采样器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的生物气溶胶采样器的工作原理示意图；

图3为本申请实施例提供的生物气溶胶采样器中第一级富集结结构的主视结构示意图；

图4为本申请实施例提供的生物气溶胶采样器中第一级富集结结构的俯视结构示意图；

图5为本申请实施例提供的生物气溶胶采样器中第二级富集结结构的主视结构示意图；

图6为图5中A局部放大示意图；

图7为本申请实施例提供的生物气溶胶采样器的典型温度分布示意图一；

图8为本申请实施例提供的生物气溶胶采样器的典型温度分布示意图二。

其中，图中各附图标记：

100-采样器本体；101-采样液体；102-进液口；103-出液口；104-出气口；

200-气旋结构；201-气体入口；202-气体出口；203-锥形本体；

300-雾化结构；301-雾化喷管；311-进气端；312-渐缩段；313-喉部；3131-液体入口；314-渐扩段；315-出气端；302-液体流道；

400-第一制冷装置；401-制冷器；402-冷凝结构；

500-第二制冷装置；

600-温度控制装置；

700-连接装置。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1至图8，现对本申请实施例提供的生物气溶胶采样器进行说明。该生物气溶胶采样器，包括采样器本体100、气旋结构200、雾化结构300、第一制冷装置400和第二制冷装置500；采样器本体100用于盛放采样液体101；气旋结构200具有气体入口201和能够产生负压的气体出口202，气体出口202与采样器本体100连接，并延伸至采样器本体100的内部；雾化结构300设置在采样器本体100的内部，并与气体出口202连通；第一制冷装置400与气旋结构200连接，第一制冷装置400用于调节进入到气旋结构200内气体的温度；第二制冷装置500与采样器本体100连接，第二制冷装置500用于调节采样液体101的温度。

本申请实施例提供的生物气溶胶采样器，与现有技术相比，本申请实施例中，气旋结构200和第一制冷装置400组成了第一级富集结构，雾化结构300和第二制冷装置500组成了第二级富集结构，两级富集结构均为流体力学与传热学结构结合的复合式结构，通过两级富集结构的综合作用，在保证对生物气溶胶中的尺寸和重量较大的颗粒物质的捕获和采集能力的同时，进一步增强了对尺寸和重量较小的颗粒物质的捕获和采集，能够有效地提高粒径覆盖范围和采样效率。通过设置第一制冷装置400和第二制冷装置500，能够对生物气溶胶采样器内部的温度进行调控，有效地提高了生物气溶胶采样器在长时间采样过程中微生物的存活率。

本实施例中，该生物气溶胶采样器的工作原理如下：如图2所示，图2中实线箭头表示气体流动方向，虚线箭头表示液体流动方向。可以在气体出口202处外接真空发生设备(例如：真空发生器、真空泵等)使之产生负压，生物气溶胶采样器外界的生物气溶胶依次通过气体入口201、气旋结构200、雾化结构300，进入采样器本体100底部的采样液体101中。采样结束后，将液体样本从采样器本体100中取出，进行后续的分子诊断检测。

在本申请的一个实施例中，请一并参阅图1至图3，气旋结构200包括锥形本体203，锥形本体203的圆粗端与气体入口201连通；锥形本体203的尖锐端与气体出口202连通。

在本申请的一个实施例中，请参阅图4，气体入口201进气方向与锥形本体203的圆形截面相切。这样设置，结合锥形本体203的结构，使得气体进入到锥形本体203后沿其壁面运动，进而在运动中产生涡旋气流，并逐渐向气体出口202汇集。

在本申请的一个实施例中，请一并参阅图1至图4，气体入口201设有多个，多个气体入口201沿着锥形本体203圆形截面的圆周方向间距设置。通过设置多个气体入口201，可以增加气体进入到锥形本体203的流量，提高采集效率。

在本申请的一个实施例中，请一并参阅图1和图3，第一制冷装置400包括制冷器401和冷凝结构402；制冷器401安装在锥形本体203的圆粗端；冷凝结构402与制冷器401连接，并设置在锥形本体203内部。制冷器401可以使冷凝结构402产生低温环境。第一制冷装置400用于气体的冷凝结露与冷凝沉降。

在本申请的一个实施例中，请一并参阅图1和图3，冷凝结构402呈锥形，冷凝结构402的尖锐端朝向锥形本体203的尖锐端。气体碰撞到冷凝结构402时，会在冷凝结构402表面冷凝成液滴，液滴受自身重力而滴落；冷凝结构402设计成锥形更有利于液滴汇集于冷凝结构402的尖锐端而滴落。

本实施例中，第一级富集结构的工作原理如下：请一并参阅图3和图4，图3和图4中实线箭头表示气体流动方向，虚线箭头表示液体流动方向。气体出口202处的压强低于入口处的压强(大气压强)，使外界气体能够从气体入口201吸入；多个气体入口201与锥形本体203圆形横截面相切，使得进入锥形本体203后沿壁面运行，进而在运动气流中产生涡旋，并向气体出口202的轴线处汇聚；一部分气体在经过冷凝结构402处时发生冷凝沉降，同时冷凝结构402表面形成的液滴受自身重力的影响向气体出口202处运动；另一部分气体经运动气流中产生涡旋最终进入气体出口202，实现对外界生物气溶胶的第一次富集。第一次富集的效果为在保证对生物气溶胶中的尺寸和重量较大的颗粒物质的捕获和采集能力的同时，增强了对尺寸和重量较小的颗粒物质的捕获和采集。

在本申请的一个实施例中，请一并参阅图1、图2和图5，雾化结构300包括雾化喷管301和液体流道302；雾化喷管301的一端与气体出口202连通，雾化喷管301的另一端朝向采样液体101；液体流道302在雾化喷管301的侧壁与雾化喷管301连通，液体流道302的另一端与采样液体101连通。

在本申请的一个实施例中，请参阅图6，雾化喷管301包括沿着气体流入方向依次设置的进气端311、渐缩段312、喉部313、渐扩段314和出气端315；其中，喉部313具有液体入口3131，液体入口3131与液体流道302连通；出气端315朝向采样液体101。

在本申请的一个实施例中，请一并参阅图1和图2，采样器本体100设有进液口102、出液口103和出气口104；进液口102和出气口104位于采样器本体100的上端，出液口103位于采样器本体100的底部。其中，采样液体101从进液口102流入，采样结束后，采样液体101从出液口103流出；出气口104可以平衡采样器本体100内部的气压，同时使未能融入到采样液体101中的气体排出。

在本申请的一个实施例中，请一并参阅图1和图2，生物气溶胶采样器还包括温度控制装置600，温度控制装置600安装在采样器本体100上，温度控制装置600用于调控采样器本体100内部的温度。具体而言，温度控制装置600位于采样器本体100的上端，且靠近进液口102设置。温度控制装置600与雾化结构300和第二制冷装置500共同组成第二级富集结构，第二制冷装置500和温度控制装置600用于气体的冷凝结露与冷凝沉降。

本实施例中，请参阅图1，定义第一制冷装置400所处位置为位置Ⅰ，温度控制装置600所处位置为位置Ⅱ，第二制冷装置500所处位置为位置Ⅲ。其中，位置Ⅰ处为低温，在冷凝结构402配合作用实现对外界生物气溶胶的第一次富集；位置Ⅱ处为中温(适温)，为病原微生物提供适宜的生存温度；位置Ⅲ处为低温，与位置Ⅱ处的中温形成温度梯度场，通过气流运动、重力沉降和冷凝作用，实现对外界生物气溶胶的第二次富集。

位置Ⅰ的温度范围一般为1℃～5℃，位置Ⅱ的温度范围一般为15℃～25℃摄氏度，位置Ⅲ的温度范围一般为-5℃～5℃，其典型温度分布一和典型温度分布二分别如图7和图8所示，图7和图8中，横坐标表示位置，纵坐标表示温度。

本实施例中，第二级富集结构的工作原理如下：出气端315的压强低于进气端311的压强(可以在出气端315设置真空发生装置，使出气端315产生负压)，由第一级富集结构产生的液体气体混合物质，依次经过进气端311、渐缩段312、喉部313、渐扩段314和出气端315，并在喉部313处产生强负压，将采样液体101通过液体管路从液体入口3131进入到喉部313，并在喉部313通过高速喷射实现自吸式雾化，通过雾化的微液滴对生物气溶胶中的病原体的捕获和包裹，形成气雾，并从出气端315射出；一部分气雾直接进入到采样器本体100底部的采样液体101中，与采样液体101融合；另一部分气雾，在温控控制装置和第二制冷装置500所产生温度梯度场，经冷凝作用合形成更大的液滴，通过气流运动和重力沉降滴落到采样器本体100底部的采样液体101中，与采样液体101融合，实现对外界生物气溶胶的第二次富集。第二次富集的效果为在保证对生物气溶胶中的尺寸和重量较大的颗粒物质的捕获和采集能力的同时，进一步地增强对尺寸和重量较小的颗粒物质的捕获和采集。

在本申请的一个实施例中，采样器本体100采用的材质为具备良好生物性能、力学性能和光学透明性能的材料。例如：生物玻璃、氢氧化铝、聚碳酸酯等等。

在本申请的一个实施例中，采样器本体100与第二制冷装置500结合的部分，以及采样器本体100与温度控制装置600的结合部分，采样器本体100的壁厚较薄，有利于热传导。

在本申请的一个实施例中，第一级富集结构和第二级富集结构采用精密加工独立制备。

在本申请的一个实施例中，请参阅图1，气旋结构200和雾化结构300之间采用连接装置700连接，连接装置700可以是二通管，二通管的一端与气旋结构200的气体出口202连接，二通管的另一端与雾化结构300的进气端311连接；二通管与气旋结构200之间以及二通管与雾化结构300之间的连接采用高强度密封工艺封接；以提高气旋结构200和雾化结构300连接的密封性。

在本申请的一个实施例中，气旋结构200与采样器的本体之间的连接采用高强度密封工艺封接；以气旋结构200与采样器的本体之间的密封性。

在本申请的一个实施例中，第一制冷装置400中的冷凝结构402的表面采用高分子材料，例如：聚酰亚胺、聚醚酮、聚四氟乙烯、聚苯硫醚等等；冷凝结构402的内部采用高热导率材料，例如：铜、铝等金属材料，氧化铝、氮化硼等陶瓷材料，石墨、碳纤维等碳材料，硅、锗等半导体材料。

本实施例中的高强度密封工艺可以包括以下几种：

(1)焊缝密封：利用气焊、电焊、激光焊、超声波等焊接工艺，将接口的两个部件焊接在一起，形成密封结构。

(2)压力密封：通过压紧或挤压等工艺，在接口部位形成高压状态，从而形成密闭状态，如密封垫片、密封圈等。

(3)粘接密封：利用胶黏剂，在连接部位涂覆一层胶粘剂，使接口密封。

(4)涂覆密封：在被密封材料的表面涂覆一层涂料，形成防水、防潮、防腐、耐磨、耐腐蚀等特性的涂层。

(5)紧固件密封：利用螺纹连接、钳口连接等紧固件，将两个部件固定在一起，并通过美克力等密封胶粘剂夹紧密封。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物气溶胶采样器，其特征在于，包括：

采样器本体，所述采样器本体用于盛放采样液体；

气旋结构，所述气旋结构具有气体入口和能够产生负压的气体出口，所述气体出口与所述采样器本体连接，并延伸至所述采样器本体的内部；

雾化结构，所述雾化结构设置在所述采样器本体的内部，并与所述气体出口连通；

第一制冷装置，所述第一制冷装置与所述气旋结构连接；以及

第二制冷装置，所述第二制冷装置与所述采样器本体连接。

2.如权利要求1所述的生物气溶胶采样器，其特征在于，所述气旋结构包括锥形本体，所述锥形本体的圆粗端与所述气体入口连通；所述锥形本体的尖锐端与所述气体出口连通。

3.如权利要求2所述的生物气溶胶采样器，其特征在于，所述气体入口进气方向与所述锥形本体的圆形截面相切。

4.如权利要求3所述的生物气溶胶采样器，其特征在于，所述气体入口设有多个，多个所述气体入口沿着所述锥形本体圆形截面的圆周方向间距设置。

5.如权利要求2所述的生物气溶胶采样器，其特征在于，所述第一制冷装置包括制冷器和冷凝结构；所述制冷器安装在所述锥形本体的圆粗端；所述冷凝结构与所述制冷器连接，并设置在所述锥形本体内部。

6.如权利要求5所述的生物气溶胶采样器，其特征在于，所述冷凝结构呈锥形，所述冷凝结构的尖锐端朝向所述锥形本体的尖锐端。

7.如权利要求1所述的生物气溶胶采样器，其特征在于，所述雾化结构包括雾化喷管和液体流道；所述雾化喷管的一端与所述气体出口连通，所述雾化喷管的另一端朝向所述采样液体；所述液体流道在所述雾化喷管的侧壁与所述雾化喷管连通，所述液体流道的另一端与所述采样液体连通。

8.如权利要求7所述的生物气溶胶采样器，其特征在于，所述雾化喷管包括沿着气体流入方向依次设置的进气端、渐缩段、喉部、渐扩段和出气端；其中，所述喉部具有液体入口，所述液体入口与所述液体流道连通；所述出气端朝向所述采样液体。

9.如权利要求7所述的生物气溶胶采样器，其特征在于，所述采样器本体设有进液口、出液口和出气口；所述进液口和所述出气口位于所述采样器本体的上端，所述出液口位于所述采样器本体的底部。

10.如权利要求1-9任意一项所述的生物气溶胶采样器，其特征在于，所述生物气溶胶采样器还包括温度控制装置，所述温度控制装置安装在所述采样器本体上，所述温度控制装置用于调控所述采样器本体内部的温度。