專利名稱：一種基于靜電場的空氣采樣器及采樣方法
技術領域：
本發明涉及一種空氣采樣器，尤其是一種新的基于靜電場的空氣采樣裝置及采樣 方法，主要可應用在空氣質量的環境監測。
背景技術：
當前我國重大環境問題頻繁發生，環境污染已嚴重威脅著居民的健康。除了化學 污染物外，空氣中還有大量的細菌、病毒、真菌等生物成分。研究表明這些微生物通過呼吸 暴露造成了諸多健康問題(比如2003年SARS和2009年Hmi的全球爆發)，空氣中細菌、 病毒等的監測顯得尤為重要。然而，作為監測環境重要的一步，空氣樣品的有效采集一直是 一個難題。目前應用較多的是利用撞擊原理設計的BioSampler(SKC)，它克服了顆粒物反彈 以及氣溶膠二次氣溶膠化的問題，在12. 5L/min的流量下，將空氣樣品采集到液體介質。另 外一個是Andersen采樣器，將空氣樣品采集到固體培養基上。還有研究利用過濾膜采集空 氣樣品，然后通過洗脫等程序對空氣樣品進行分析。但是這些方法都會對空氣中的細菌、病 毒造成一定的損傷，導致不能通過培養的方法檢測到。20世紀80年代基于擴增方法的興起 在很大程度上提高了檢測的效率，但基因擴增技術是通過在水中發生聚合反應，對樣品DNA 擴增，從而實現檢測的目的。這個技術的應用，常常需要一種能將空氣中微生物直接采集到 水中的技術，從而實現在空氣中微生物的在線監測。這方面在防范生物恐怖和在線檢測空 氣的生物污染等領域有很大的需求。近年來，利用靜電技術采集空氣中微生物的研究越來越多。靜電場采集技術是 基于空氣中顆粒自身帶有的電荷(Xie, C.，Shen, F. and Yao, Μ. (2010)，A Novel Method for Measuring the Charge Distribution of Airborne Microbes, Aerobiologia, DOI 10. 1007/sl0453-010-9183-x)，在靜電場強下，沉降到采集介質上。研究表明，靜電場采樣 器比傳統的BioStage (Andersen采樣器)采集細菌、真菌的效率要高達5倍之多，并對微 生物的損傷較小(Yao, M.，& Mainelis, G. (2006) · Utilization of Natural Electrical Charges on Airborne Microorganisms for their Collection by Electrostatic Means. J. Aerosol Sci. 37 :513-527)，另外一項研究也表明，靜電場采集空氣中毒素、過敏原時 也比 BioSampler 的采集效率要高很多(Yao，Μ.，Zhang, H.，Dong, S.，Zhen, S. &Chen, Χ. (2009). Comparison of Electrostatic Collection and Liquid Impinging Methods when Collecting Airborne House Dust Allergens, Endotoxin And(1,3)-B-D-Glucans. J. Aerosol Sci. 40 :492-502)。但目前的靜電場采樣器對空氣的凝縮率較低，這對低濃度的 微生物檢測造成技術上的瓶頸。
發明內容
本發明旨在提供一種新型的靜電場空氣采樣器，實現對空氣中細菌、病毒等帶電 顆粒的高效采集、濃縮和自動輸送。本發明的主要技術原理是利用靜電場使采樣空間內空氣中帶電荷微生物在電場作用下，沿電場方向集中沉積于半球中心相對較小區域的液體介質中，同時將空氣樣品在 微型蠕動泵的驅動下實現動態輸送。本發明的技術方案如下(如圖1所示)方案1 一種基于靜電場的空氣采樣器，其特征在于，包括半球形電極1，圓形電 極2，樣品采集槽4 ；其中，半球形電極1被固定在絕緣底座6上，圓形電極2位于絕緣底座 6上半球形電極1的球心位置，所述樣品采集槽4位于球形電極2的上方；半球形電極1頂 部有兩個空氣進口 11 ；在絕緣底座6上設有多個空氣出口 10 ；在樣品采集槽4內有一個樣 品輸送出口 8和一個采集液輸入口 9。方案2 作為方案1的一種優選實現，其特征在于，所述半球形電極1的材質為導 電金屬，直徑為90士30mm。其中最佳為95mm。方案3 作為方案1的一種優選實現，其特征在于，用紫銅制作的螺絲母7把半球 形電極1與絕緣底座6固定，所述螺絲母7同時作為半球形電極1的引出電極，連接高壓電 源的一端輸出。方案4 作為方案1的一種優選實現，其特征在于，在半球形電極1的表面用絕緣 泥涂覆。方案5 作為方案1的一種優選實現，其特征在于，所述空氣進口的個數為3，每個 進口的直徑為5mm，孔間間距為5mm。方案6 作為方案1的一種優選實現，其特征在于，半球形電極1頂部設置充電裝 置5，所述充電裝置5加工成空心圓柱體，圓柱側壁對稱位置安裝一對紫銅電極，所述空心 圓柱將空氣入口 11包圍在其內部，充電裝置由粘性的絕緣泥與半球形電極1固定。方案7 作為方案6的一種優選實現，其特征在于，所述充電裝置5的材質為聚四 氟乙烯絕緣材料。本發明同時提供了利用該空氣采樣器進行采樣的方法，方案如下(參見圖3)方案8 一種利用方案1所述的空氣采樣器進行空氣采樣的方法，其特征在于，包 括如下步驟a)在所述空氣采樣器12的絕緣底座6的樣品采集槽4中滴加采樣介質；b)使用螺絲母固定連接半球形電極1與絕緣底座6，把高壓直流電源的正負極分 別接到空氣采樣器12的圓形電極2以及半球形電極1 ；c)將真空泵14的抽氣管連接到絕緣底座6下方的的空氣出口 10，同時在空氣入 口 11加載顆粒充電裝置5;d)依次打開充電裝置5、高壓直流電源13、真空泵14，即可開始采樣；e)樣品采集完畢，先關掉高壓直流電源13，然后將圓形電極2揭開，利用移液管將 樣品取出。方案9 作為方案8的一種優選實現，其特征在于，所述步驟e)被如下步驟取代 從采樣器絕緣底座6的反面沿著空氣出口插入兩根金屬管，連接蠕動泵的樣品輸送管，實 現實時輸運樣品，同時不斷補給新鮮采集液的目的。樣品可以直接輸送到帶有生物/化學 傳感器的裝置，用以進行生物檢測。方案10 作為方案8的一種優選實現，其特征在于，步驟a)中所述的采樣介質為 200-400微升的無菌水。
本發明的有益效果本發明克服了目前空氣采樣上的一些缺陷(如低效率、沒有 樣品自動輸送系統等)，采用了新型的靜電場采集方法，通過靜電場將空氣樣品采集到微量 液體介質中O00-400微升)，并通過進出口將空氣樣品動態輸送給生物/化學傳感器。本 發明不僅實現了空氣樣品的高倍濃縮，而且也實現了與傳感器的集成，在環境監測等領域 有很好的應用前景。
圖1靜電場采樣器的結構示意圖㈧為采樣器的側視圖，⑶為采樣器的俯視2半球電極直徑為95mm的電場強度矢量分布圖3靜電采樣及采樣液運輸系統示意圖。圖4新型靜電場采樣器采集空氣中細菌粒徑顆粒物的物理效率
具體實施例方式圖1是靜電場采樣器的結構示意圖。采樣器由半球電極和絕緣底座構成半球型采 樣空間。其中1-半球形電極；2-圓形電極；3-外加電壓接口 ；4-樣品采集槽；5-顆粒充電 器；6-絕緣底座；7-螺絲母；8-樣品輸送出口 ；9-采集液輸入口 ；10-空氣出口，11-空氣入 口。半球電極的最佳半球直徑為95mm(根據情況可以上下波動20_30mm)，對稱的兩個長臂 和螺紋孔用來與絕緣底座固定密封。采用M5的螺絲母固定連接半球形電極與絕緣底座，且 螺絲母的材料為紫銅，同時作為半球電極的引出電極，連接高壓電源的一端輸出。半球材料 為鋼，為了保證良好的導電性，長臂材料選用的是常用作電極材料的紫銅，并與半球焊接。 半球和兩個長臂的表面均用絕緣泥涂覆，一方面可以避免充電裝置電場與高壓半球電場相 互放電，損壞高壓電源；另一方面，可以實現與充電裝置的固定連接。半球頂部加工3個直 徑為5mm的進氣孔，孔間間距為5mm。絕緣底座的材料采用有機玻璃，能有效地絕緣且易于加工。沿底座的圓周方向均 勻分布了 4個M5螺紋孔，方便半球電極與底座的固定。底座總厚度為8mm，直徑230mm。底 座正面的中心加工直徑16mm，深度為Imm的凹槽，作為液體樣采集槽，盛裝采集到的空氣中 的微生物顆粒。如圖I(B)中所示，樣品采集槽內有兩個對稱的直徑為2mm，深度為7mm的液 體介質進出口 樣品輸送出口和采集液輸入口。從底座的反面沿著空氣出口插入兩根內徑 為Imm的金屬管，用來連接蠕動泵的樣品輸送管。距離樣品采集槽邊緣2. 5mm的兩側，對稱 加工直徑7mm，深度8mm的通孔，連接真空泵。采樣器的半球形電極頂部設置充電裝置如圖1所示，使帶電顆粒進入采樣空間前 帶一定量電荷。充電裝置采用聚四氟乙烯絕緣材料，加工直徑20mm，高度為30mm的空心圓 柱。圓柱側壁對稱位置安裝一對直徑3mm的紫銅電極。空心圓柱將三個空氣入口包圍在其 內部。充電裝置由粘性的絕緣泥與半球形電極固定。當對紫銅對電極施加直流電壓時，由 于紫銅電極直徑較小，因此充電裝置內部空間，對電極附近形成了較強的恒定電場。電場使 電極附近的空氣發生電離，產生較多的正負電荷。當微生物顆粒通過充電區域時，表面會吸 附一定電荷。由靜電場作用力公式可知，顆粒所帶電荷與電場作用力成正比，因此有望獲得 較高的顆粒采集效率。圖2所示是靜電場分布示意圖，由圖中可以看出，場強方向由中心指向外圓，取決于高壓電源的正負連接。圖中標尺的深度從左到右的變化表示電場強度大小的由小到大， 同時在電場空間對應不同深淺的箭頭，表明電場強度的方向。深色區域是電場強度最大的 區域，而淺色區表示電場強度最小的區域。當外加電壓為20kV時，場強大小可達2X IO6V/ m,這對帶電顆粒具有較強的電場力。相同的直流采樣電壓時，半球電極直徑越小，進入采樣 空間內的帶電顆粒所受電場力越大，且由電場力起決定作用的區域越大，收集效果會明顯 改善。但考慮到采樣器的電場方向與空氣流方向在同一個平面上，半球電極直徑減小的同 時，空氣流經過采樣空間停留的時間越短，相應地荷電顆粒受電場力作用的變小，慣性力起 主導主用。因此本采樣器選用電場強度大小相對較大的，直徑為95mm(根據情況可上下波 動10-20mm)的半球形電極。采樣器及采樣系統如圖3所示。其中12-靜電場采樣器(圖1所示)，13-高壓直 流電源，14-真空泵，15-樣品輸送管，16-生物/化學傳感器，17-蠕動泵，18-樣品收集瓶， 19-采集液瓶。采樣系統由靜電采樣器，真空泵，蠕動泵以及高壓直流電源(Spellman205B) 構成。其中真空泵采用Vac-U-GoAreaSampIingPump (SKC)，最大流量30L/min。抽氣管道直 徑10mm，連接采樣器空氣出口的兩個管道與連接氣泵的單管通過三口轉接頭連接。蠕動泵 為BL100 (常州普瑞流體公司)，可實現的流量范圍為0. 006ml-30ml/min，所用樣品輸運管 道為壁厚1mm，內徑Imm的硅膠管。采樣步驟如下a)在絕緣底座的樣品采集槽中滴加大約200-400微升無菌水(或其他采樣介 質)；b)使用M5的螺絲母固定連接半球形電極與絕緣底座，把高壓直流電源的正負極 分別接到采樣器的圓形電極以及半球形電極；c)真空泵的抽氣管連接到絕緣底座下方的的兩個空氣出口，同時在空氣入口加載 顆粒充電裝置；d)最后依次打開充電裝置、高壓直流電源、真空泵，即可開始采樣，采樣時間根據 情況而定；e)樣品采集完畢，先關掉高壓直流電源，然后按順序將圓形電極揭開，利用移液管 將樣品取出，置冰箱4°C保存待測。注意在不連接生物/化學傳感器時，要封上兩個金屬管通孔。在需要連接生物/ 化學傳感器時，兩個金屬管通孔分別連接蠕動泵的兩個管口，實現實時輸運樣品，同時不斷 補給新鮮采集液的目的。圖4所示的是該新型采樣器對空氣采樣時的物理采集效率，從圖中可以看出，在 外加電壓為20kV時，該采樣器對0. 65-0. 8微米粒徑的顆粒物的采集效率可達90%以上。
權利要求
1.一種基于靜電場的空氣采樣器，其特征在于，包括半球形電極(1)，圓形電極0)， 樣品采集槽⑷；其中，半球形電極⑴被固定在絕緣底座(6)上，圓形電極(2)位于絕緣 底座(6)上半球形電極(1)的球心位置，所述樣品采集槽(4)位于球形電極( 的上方；半 球形電極(1)頂部有多個空氣進口(11)；在絕緣底座(6)上設有兩個空氣出口(10)；在樣 品采集槽內有一個樣品輸送出口(8)和一個采集液輸入口(9)。
2.如權利要求1所述的空氣采樣器，其特征在于，所述半球形電極(1)的材質為導電金 屬，直徑為90 士 30mm。
3.如權利要求1所述的空氣采樣器，其特征在于，用紫銅制作的螺絲母(7)把半球形電 極(1)與絕緣底座(6)固定，所述螺絲母(7)同時作為半球形電極(1)的引出電極，連接高 壓電源的一端輸出。
4.如權利要求1所述的空氣采樣器，其特征在于，在半球形電極(1)的表面用絕緣泥涂覆。
5.如權利要求1所述的空氣采樣器，其特征在于，所述空氣進口(11)的個數為3，每個 進口的直徑為5mm，孔間間距為5mm。
6.如權利要求1所述的空氣采樣器，其特征在于，半球形電極(1)頂部設置充電裝置 (5)，所述充電裝置(5)加工成空心圓柱體，圓柱側壁對稱位置安裝一對紫銅電極，所述空 心圓柱將空氣入口(11)包圍在其內部，充電裝置由粘性的絕緣泥與半球形電極(1)固定。
7.如權利要求6所述的空氣采樣器，其特征在于，所述充電裝置(5)的材質為聚四氟乙 烯絕緣材料。
8.一種利用權利要求1所述的空氣采樣器進行空氣采樣的方法，其特征在于，包括如 下步驟a)在所述空氣采樣器(12)的絕緣底座(6)的樣品采集槽⑷中滴加采樣介質；b)使用螺絲母固定連接半球形電極(1)與絕緣底座(6)，把高壓直流電源的正負極分 別接到空氣采樣器(12)的圓形電極(2)以及半球形電極(1)；c)將真空泵(14)的抽氣管連接到絕緣底座(6)下方的的空氣出口(10)，同時在空氣 入口(11)加載顆粒充電裝置(5)；d)依次打開充電裝置(5)、高壓直流電源(13)、真空泵(14)，即可開始采樣；e)樣品采集完畢，先關掉高壓直流電源(13)，然后將圓形電極(2)揭開，利用移液管將 樣品取出。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟e)被如下步驟取代從采樣器絕 緣底座(6)的反面沿著空氣出口插入兩根金屬管，連接蠕動泵的樣品輸送管，實現實時輸 運樣品，同時不斷補給新鮮采集液的目的。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，步驟a)中所述的采樣介質為200-400微升 的無菌水。
全文摘要
本發明公布了一種基于靜電場的空氣采樣器及采樣方法。空氣采樣器主要包括半球形電極(1)，圓形電極(2)，樣品采集槽(4)。該發明利用靜電場使采樣空間內空氣中帶電荷微生物在電場作用下，沿電場方向集中沉積于半球中心相對較小區域的液體介質中，同時將空氣樣品在微型蠕動泵的驅動下實現動態輸送。本發明克服了現有技術中低效率、沒有樣品自動輸送系統等缺點，采用了新型的靜電場采集方法，通過靜電場將空氣樣品采集到微量液體介質中，并通過進出口將空氣樣品動態輸送給生物/化學傳感器。本發明不僅實現了空氣樣品的高倍濃縮，而且也可以實現與傳感器的集成，在環境監測等領域有很好的應用前景。
文檔編號G01N1/40GK102109423SQ20111002028
公開日2011年6月29日 申請日期2011年1月18日 優先權日2011年1月18日
發明者朱彤, 申芳霞, 要茂盛, 譚苗苗 申請人:北京大學