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一种便携式大流量空气采样器.pdf

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一种 便携式 流量 空气 采样
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摘要
申请专利号:

CN201611149701.7

申请日:

2016.12.13

公开号:

CN106482988A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01N 1/22申请日:20161213|||公开
IPC分类号: G01N1/22 主分类号: G01N1/22
申请人: ?#26412;?#22823;学
发明人: 要茂盛; 陈灏轩
地址: 100871 ?#26412;?#24066;海淀区颐和园路5号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: ?#26412;?#19975;象新悦知识产权代理事务所(普通合伙) 11360 代理人: 李稚婷
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法律状态
申请(专利)号:

CN201611149701.7

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公布了一种便携式大流量空气采样器,包括风机、采集管道、加湿采样头、采样介质、支撑架、电池和电路控制模块,其中,采集管道的一端与风机无缝固定连接,另一端安装加湿采样头;在采集管道内部接近风机的位置设有支撑架,采样介质安放在支撑架上;由电池驱动风机运行;空气中的颗粒物在风机驱动下进入采集管道,被采样介质捕获。该采样器具有体型小、流量大、采集效率高等优势,可广泛应用于各种现场环境气溶胶的采样,在环境监测等领域有很好的应用前景。

权利要求书

1.一种便携式大流量空气采样器,包括风机、采集管道、加湿采样头、采样介质、支撑
架、电池和电路控制模块,其中,采集管道的一端与风机无缝固定连接,另一端安装加湿采
样头;在采集管道内部接近风机的位置设有支撑架,采样介质安放在支撑架上;所述风机通
过电路控制模块连接电池,由电池驱动风机运行。
2.如权利要求1所述的便携式大流量空气采样器,其特征在于,所述风机架设在一个面
板上,面板上安装有用于手持的握柄。
3.如权利要求2所述的便携式大流量空气采样器,其特征在于,所述面板材料为工程塑
料;所述握柄为Z型单手握柄,材质为不锈钢,通过自攻螺钉固定于面板上。
4.如权利要求1所述的便携式大流量空气采样器,其特征在于,所述风机为微型大风量
风机,其?#26412;?#20026;140±60mm,额定电压为5~24V,额定电流为0.3~6A,风量为30~300CFM。
5.如权利要求1所述的便携式大流量空气采样器,其特征在于,所述采集管道为变径式
采集管道,安装加湿采样头一端为口径较小的进风口;连接风机一端为口径较大的出风口。
6.如权利要求5所述的便携式大流量空气采样器,其特征在于,所述采集管道的材质为
金属或塑料,内壁为聚四氟乙烯涂层,进风口内径为10~100mm,出风口内径为80~200mm。
7.如权利要求1所述的便携式大流量空气采样器,其特征在于,在采集管道靠近风机一
端的侧壁横切加工形成一?#19978;?#22806;旋转打开的半圆筒,该半圆筒与母体管道一端合页连接,
另一端锁扣连接。
8.如权利要求6所述的便携式大流量空气采样器,其特征在于,所述支撑架是一支撑托
盘,其侧面通过螺钉与所述半圆筒的内壁固定连接。
9.如权利要求1所述的便携式大流量空气采样器,其特征在于,所述加湿采样头安装在
采集管道进风口处,为环型管道状,内部设置有用于超声雾化的雾化片,内壁下部对应布局
水雾喷孔,超声振荡使管道中的无菌水雾化并经水雾喷孔喷出,与进入采集管道的空气混
合。
10.如权利要求1所述的便携式大流量空气采样器,其特征在于,所述采样介质是固体
培养基或不易挥发的液体;所述电池为锂离子可充电电池;所述电路控制模块为单片机控
制电路。

说明书

一种便携式大流量空气采样器

技术领域

本发明涉及一种空气采样器,尤其是一种大流量、高效且便携的空气采样装置及
采样方法,可以广泛应用于室内外环境空气中颗粒物的采集检测,特别是病原微生物的快
速筛查和监测。

背景技术

当前空气污染?#25214;?#21463;到世界范围的关注,?#29616;?#23041;胁着?#29992;?#20581;康。空气中除了存在
化学污染物外,还有大量的生物气溶胶,如细菌、病毒、真菌颗粒等。研究表明生物气溶胶暴
露能造成诸多健康问题,如呼吸系统感染、过敏等,且生物气溶胶的产生、扩散、传播更能加
重这一危害,(?#28909;?003年SARS,2009年H1N1,2013年H5N9以及2015年MERS等重大疫情爆
发)。因此对生物气溶胶的快速检测甚至实时监测以发现潜在危险就变得尤为重要。但是作
为生物气溶胶快速检测甚至实时监测中的至关重要的第一步,空气样品的有效采集一直是
一个难题。

目前应用较多的两种采样器是利用撞击原理设计的Biosampler(SKC)和Anderson
采样器,前者是将空气样品采集液体介质中,克服了颗粒物反弹以及二次气溶胶化的问题,
流量为12.5L/min;后者将空气样品采集到固体培养基上,是国?#26102;?#20934;的生物气溶胶采集方
法,已有50余年使用历史,流量为28.3L/min。然而这两种方法都需要抽气泵并依靠交流电,
难以便携临场使用;另外,两者采样流量过低,无法发展应用于环境空气的快速检测甚至实
时监测。同时,Anderson采样器撞击速度大(可达24m/s),会对微生物产生撞击损伤而导致
失去可培养性,造成可培养微生物浓度?#26723;停?#20174;而导致低估环境中的浓度水?#20581;?br />

以PCR为代表的基因扩增方法的兴起显著?#26723;?#20102;生物样品检测的最小浓度,提高
了微生物检测的效率,恒温扩增法的出现进一步缩短了反应时间,简化了反应过程;同时,
一些基于电化学的生物传感器出现(如硅纳米线场效应晶体管)可以将微生物生物信号无
延迟转化为电信号,从而使微生物的自动在线监测变为可能。但是,空气中致病菌的浓度有
?#34987;?#24456;低,尤其对于一些高致病病原体,高流量的快速便携采样器的研发非常重要。有效利
用目前已有的技术进行生物气溶胶快速检测,必须?#35272;?#20110;更强大的生物气溶胶采样器,在
尽可能短的时间内采集更大体积的空气样品,同时将其转移进入液体进行基因扩增或者特
异性电化学反应。

发明内容

本发明旨在提供一种超大流量(超过1立方米每?#31181;?的便携式空气颗粒采样器,
在尽可能短的时间内采集更多的气溶胶颗粒,便于后续分析检测。

本发明的主要技术原理是:采用锂电池作为电源,微型的大风量风机驱动空气通
过采集管道,管道底部中心装置琼脂培养基,进入管道的空气携带颗粒物撞击到培养基上
被捕获。为进一步提高采集效率,在采集管道进风口加装加湿采样头来克服?#31245;?#25928;应,使小
颗粒吸湿增大,还能进一步减轻对生物颗粒的撞击损伤以及减轻采集到的颗粒二次弹出。
本发明的技术方案如下:

一种便携式大流量空气采样器,包括风机、采集管道、加湿采样头、采样介质、支撑
架、电池和电路控制模块,其中,采集管道的一端与风机无缝固定连接,另一端安装加湿采
样头;在采集管道内部接近风机的位置设有支撑架,采样介质安放在支撑架上;所述风机通
过电路控制模块连接电池,由电池驱动风机运行。

为便于握持,所述风机可架设在一个面板上,面板上安装用于手持的握柄。所述面
板可采用工程塑料制成,所述握柄可以为Z型单手握柄,材质可为不锈钢,使用自攻螺钉固
定于面板上。

所述风机为微型大风量风机,优选?#27169;?#20854;?#26412;?#20026;140±60mm,额定电压为5~24V,额
定电流为0.3~6A,风量为30~300CFM,最佳为?#26412;?2cm,额定电压12V,额定电流3A,风量
200CFM。

进一步?#27169;?#25152;述采集管道优选为变径式采集管道,安装加湿采样头一端(即进风
口)的口径较小,连接风机一端(即出风口)的口径较大。

为便于采集介质的取放,在采集管道下部(靠近风机一端)侧壁横切加工形成一半
圆筒,该半圆筒与母体管道一端合页连接,另一端锁扣连接(合页和锁扣的连线为管道横截
面圆的?#26412;?,使半圆?#37096;?#20197;向外旋转打开。该?#19978;?#22806;旋转的半圆筒的内壁上,可通过螺钉
固定一支撑?#20449;?#20316;为承载采样介质的支撑架。在本发明的一个实施例中,所述支撑?#20449;?#20301;
于风机上方约1cm的位置,为一个圆形?#20449;蹋?#20854;圆心与采集管道横截面圆心重合,?#26412;?#30053;大
于培养皿以放置和固定培养基,当所述半圆筒向外旋转打开时,可以方便地放置和拿取培
养基。

采集管道的材质可以为金属(如不锈钢、铝合金)或塑料(如PVC、ABS、PC)等,但管
道内壁为聚四氟乙烯涂层。进风口内径优选为10~100mm,出风口内径优选为80~200mm。在
本发明的一个实施例中,所述采集管道为聚四氟乙烯材质,进风口内径50mm,出风口内径
100mm,横?#34892;?#25104;的半圆筒高20mm。

所述加湿采样头优选为环型管道状容器,其内部设置有一个或多个用于超声雾化
的雾化片,对应?#27169;?#22312;加湿采样头的内壁下部对称布局水雾喷孔,雾化片通过超声振荡将管
道容器里的无菌水雾化经喷孔喷出。加湿采样头的内径即采集管道进风口的外径,可以安
装到采集管道进风口处。在本发明的一个实施例中,加湿采样头环形管的内外径差为10mm,
高度10~50mm,内壁上的水雾喷孔?#26412;?#20026;5mm左右。

所述采样介质可以是琼脂固体培养基,用于采集空气中可培养的微生物,包括细
菌培养基和真菌培养基,例如:TSA细菌培养基用于采集细菌气溶胶,沙氏培养基用于采集
真菌气溶胶。

所述采样介质?#37096;?#20197;是液体,用于采集空气中的悬浮颗粒物,包括但不限于可培
养的微生物。液体采样介质优选为不易挥发的液体,如无菌水、液体培养基、有机溶剂、油脂
等。

所述电池优选为锂离子可充电电池,例如电压为12V,容量为20000mAh的锂离子电
池。

所述采样器的电路控制优选的主控核心为单片机。控制电路采用转速电流双闭环
控制方式以增强电机的机械特性和抗扰能力,保证风机转速恒定,从而通过设置采样时间
实现空气定量体积采样。除雾化片位于加湿采样头中,其他用于超声雾化的电路及元件也
集成于电路板上。

本发明的有益效果:本发明提供的便携式大流量空气采样器克服了目前空气采样
上的一些缺陷,例如现用金标方法—Anderson采样器存在的流量低、需要外接空气泵、表面
撞击损?#25628;现亍⒏稍?#25928;应显著等问题,本发明采用开放的撞击式采样法,通过风机驱动空气
撞击培养基,实现对生物颗粒物的高效采样,采样器体型小、流量大、采集效率高,可以广泛
应用于环境生物气溶胶的采样,在环境监测等领域有很好的应用前景。主要特点是:

(1)该采样器流量大,达到1000L/min,但对培养基的撞击速度低于10m/s,单位时
间内采集到的可培养微生物的数量大大增加,采样器小型便携,可以在环境生物气溶胶现
场采样和实验室微生物培养方面广泛使用。

(2)采用加湿采样头使小颗粒吸湿增大,提高采集效率,同时减轻对生物颗粒的撞
击损伤;

(3)采样介质改为液体时,该采样器可以结合酶联免疫、PCR以及恒温扩增等生化
分析方法对空气中的生物成分可以进行有效检测。

附图说明

图1是本发明实施例所述便携式大流量采样器的结构示意图,其中A为侧视图,B为
俯视图;1-风机,2-采集管道,3-加湿采样头,4-采样介质,5-支撑架,6-电池,7-握柄,8-面
板,9-螺钉,10-锁扣,11-控制电路。

图2是支撑架和管道连接的结构俯视示意图,其中2-采集管道,5-支撑架,10-锁
扣,12-螺钉,13-合?#22330;?br />

图3显示了本发明实施例所述便携式大流量采样器采集空气中细菌颗粒物的生物
性效率。

具体实施方式

下面结合附图,通过实施例进一步详?#35813;?#36848;本发明。

图1是便携式大流量空气采样器的结构示意图。该采样器由微型风机1和采样管道
2构成柱型采样空间。风机1的最佳?#26412;?#20026;120mm,额定电压为12V,额定电流为3A,风量为
200CFM。采用4颗M5螺钉9将风机1固定在面板8上一定高度,不低于40mm。面板8采用ABS工程
塑料,坚固结实?#20057;?#20110;加工,尺寸为120mm×200mm,厚5mm。采集管道2为变径式采集管道,内
径为50mm变100mm。变径式采集管道2无缝粘接在风机1上,使采集管道2正对风机。采集管道
2上方放置加湿采样头3,加湿采样头3高度为50mm,内部装有两个用于超声雾化的雾化片,
且内壁下部对称布局两个水雾喷孔。在采集管道2下部距风机10mm处的中心为支撑架5,用
于放置培养基,即采样介质4。支撑架5为圆形?#20449;蹋?#22914;图2所示,其圆心与采集管道横截面圆
心重合,通过螺钉12固定在加工成的?#19978;?#22806;旋转的半圆?#37319;希?#21322;圆筒与母体管道一端通过
合页13连接,另一端通过锁扣10连接,向外旋转打开方便放置和拿取培养基。

锂电池6的容量为20000mAh,可以驱动采样器连续工作6小?#24065;?#19978;。控制电路11的
主控核心是单片机,控制方式为转速电流双闭环,通过测试校正,设置采样器的流量为
1000L/min,采样时间(采样空气体积)可以?#25105;?#35774;置,一般为1-10min(1m3-10m3)。放置好培
养基后,打开开关,选择合适的采样时间后启动开始采样。风机驱动空气从采样管道进气口
(即加湿采样头一端)进入管道,被气流携带的颗粒物与水雾喷孔喷出的水雾相遇混合,气
流携带颗粒物撞击在培养基上从而被捕获。实测颗粒物在培养基中心撞击速度为8.32m/s,
并沿培养基半径向外逐渐?#26723;?#33267;2.35m/s,整体上远小于Anderson采样器的24m/s的撞击速
度。

图3所示的是该便携式大流量采样器采集室外空气可培养细菌的实验结果。从图
中可以看出,使用该采样器采集1?#31181;印??#31181;印?0?#31181;?#25152;得到的可培养细菌总数均高于金标
方法—Anderson采样器10?#31181;?#25152;采集到的可培养细菌总数。由此可见该便携式大流量采样
器的采集效率极大提高,在现场检测时能够极大地缩短采样的时间。

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