一种呼出气冷凝液便携采样器和采样方法

技术领域

本发明涉及一种呼出气冷凝液便携采样器和采样方法，尤其涉及一种集成矩形半导体制冷片和旋风吹气的人体呼出气便携式采样器和采样方法。

背景技术

可通过空气传播的病毒性疫情往往会造成巨大的社会恐慌和经济损失，为了防控病毒传播和疫情蔓延，除社交隔离等措施外，更重要的是利用大规模的病毒感染检测来及时诊断、隔离和治疗病毒感染患者，同时采取适当措施保护易感染人群。目前广泛使用的检测手段主要是基于咽拭子、鼻拭子、血液化验等样品收集方法结合核酸检测或免疫学检测来进行诊断。这些样品收集方法会造成被测试者不适，从而使得患者难以配合而采集不到合格的样品，造成检测结果可能出现假阴性。另外，传统咽拭子、鼻拭子方法仅能对上呼吸道的生物样本进行采集，不能对发生在下呼吸道的感染进行检测，因此对于早期的下呼吸道感染，通过咽拭子检测更可能会得到假阴性结果。

人体呼出气来源于下呼吸道，包含着下呼吸道的感染以及人体代谢情况等生理信息。近年来，呼出气作为一种新型的无创诊断方法得到了广泛关注。呼出气研究和诊断首先要取得适当的样品，目前主要的方法是气袋法和冷凝液法。气袋法因为组分粘附和壁效应会造成呼出气成分随储存时间而损失。冷凝液法为了保证冷凝效果，通常需要配置较大的制冷设备，如常见商业化呼出气冷凝液采集设备EcoScreen、TurboDECCS、ANACON等，操作复杂且不易携带，限制了呼出气冷凝液在健康研究和疾病诊断中的应用和推广。此外，这些设备在不同程度上存在交叉污染的可能。因此亟需一种操作简单，携带方便的呼出气冷凝液采样设备，特别是对于呼吸道感染的诊断，需要能够方便快捷采集呼出气冷凝液且无交叉污染的新方法。

发明内容

本发明旨在提供一种基于低温冷凝原理，利用半导体制冷片以及旋风式呼气实现人体呼出气冷凝液快速采集的便携设备和相应采样方法，并用温度控制系统设置冷凝温度以实现对不同环境温度条件、不同样品采集要求下的呼出气冷凝快速采集，特别适用于下呼吸道感染诊断为目的的呼出气冷凝液采集。

本发明的主要技术原理是：参见图1，采用半导体制冷片6紧贴外覆隔热层的冷凝块7进行制冷，为放置其中的冷凝采样管4创造呼出气低温条件。受试者使用穿过采样管上盖2的一次性吸管1向冷凝采样管4中单向旋风式呼气，使呼出气直接接触低温管壁冷凝成液滴从而被采集。3-5分钟即可采集200-500微升呼出气冷凝液。

本发明的技术方案如下：

一种呼出气冷凝液便携采样器，包括采样器外壳和冷凝采样管，其特征在于，在采样器外壳内设置冷凝块、半导体制冷片、风冷散热器、温度传感探头和温度控制模块；半导体制冷片的制冷面紧贴冷凝块，导热面紧贴风冷散热器；在冷凝块中间设有与冷凝采样管外形匹配的孔，用于放置冷凝采样管；冷凝采样管的开口露出采样器外壳，由采样管上盖盖住，采样管上盖中间开有倾斜圆孔用于插入一次性吸管；温度传感探头探测冷凝块的温度并传输给温度控制模块；半导体制冷片和风冷散热器与温度控制模块电连接，由温度控制模块调控；温度控制模块的显示屏和设定按键外露于采样器外壳表面。

上述呼出气冷凝液便携采样器中，所述半导体制冷片优选为一矩形热电导制冷片，在直流电通过时形成热泵将一侧的热量输送到另一侧。半导体制冷片与冷凝块紧贴的是制冷面，与风冷散热器紧贴的是导热面，优选的，在两面的连接处均涂布导热硅脂薄层保证连接处的导热性能。作为便携优选，半导体制冷片的规格为(40±20)mm×(40±20)mm×(4.2±0.5)mm，基底元件对数量大于127，最大工作电流5±3A，额定电压为12～24V，最大温差大于60℃，工作环境在-55℃到80℃之间。在本发明的实施例中，所述半导体制冷片为40mm×40mm×4.2mm，基底元件对数量为199，最大工作电流5A，额定电压12V。

上述呼出气冷凝液便携采样器中，所述风冷散热器优选为铜管风冷散热器，由散热铜板、空心铜管、散热鳍片和散热风扇组成，空心铜管从散热铜板穿过并插入散热鳍片中，散热风扇贴在散热鳍片上，所述半导体制冷片的制冷面紧贴散热铜板。本发明的铜管风冷散热器优选为有4到8根空心铜管穿过散热铜板，散热铜板的规格为(40±20)mm×(40±20)mm×(4±0.5)mm；空心铜管穿过散热铜板后插入铝或铜合金散热鳍片组中，在散热鳍片组外侧安装散热风扇降温。在本发明的实施例中，所述风冷散热器有4根空心铜管，散热铜板规格为40mm×40mm×4mm。

所述散热风扇优选为风量30～300CFM的微型大风量风机，以金属夹具固定在散热鳍片组外侧。散热风扇的尺寸优选在(90±10)mm×(90±10)mm×(30±5)mm范围内，额定电压为7.0～24V，额定电流为0.3～6A，风量为30～300CFM。在本发明的实施例中，所述散热风扇的尺寸为90mm×90mm×33mm，额定电压12V，额定电流6A，风量300CFM。

上述呼出气冷凝液便携采样器中，温度控制模块优选为数字温度控制模块，可根据预设目标温度和温度传感探头测温结果自动控制半导体制冷片通断电。其供电电压为12V/24V/220V，测温和控温范围为-50～80℃，精度为0.1摄氏度，负载功率可为120W/240W/1500W。在采样器外壳表面设有3个调节按键和精确到0.1的数字显示屏用于设定目标温度。在本发明的实施例中，所述数字温度控制模块的额定供电电压为220V，由三相插头连接到220V市电供电，负载功率为120W。

上述呼出气冷凝液便携采样器中，温度传感探头优选为连接于数字温度控制模块的一个热电偶传感器，末端为带有不锈钢金属外壳的防水探头。

上述呼出气冷凝液便携采样器中，所述冷凝块优选为一外覆隔热层的金属导热块，材质为铜或铝合金，规格为长40±20毫米，宽40±20毫米，高120±20毫米。为了和50毫升离心管(作为冷凝采样管)外形匹配，在金属导热块中间留有直径30±2毫米，高度115±5毫米的圆锥形底的圆形孔。金属导热块外部除放置冷凝采集管的孔和半导体制冷片接触的部位外，用发泡塑料胶带作为隔热层完全包裹隔热。上述温度传感探头包裹在隔热层与金属导热块之间。在本发明的实施例中，冷凝块规格为40mm×40mm×120mm，中间圆孔直径为30毫米，底部为圆锥形。

上述呼出气冷凝液便携采样器中，冷凝采样管优选为一50毫升离心管，其材质可为玻璃、亚克力、有机树脂等材料，直径为30±2毫米，长度为115±5毫米，外形与冷凝块中的圆形孔一致。在本发明的实施例中，冷凝采样管为50毫升聚丙烯离心管，直径30毫米，长度为115毫米，底部为圆锥形。

上述呼出气冷凝液便携采样器中，采样管上盖优选为带有一个倾斜圆孔和一个平行出气喷嘴的定制离心管上盖。其直径为30±2毫米，厚度为10±5毫米，倾斜圆孔直径为5±2毫米。平行出气喷嘴为上盖中心的圆孔，直径3±1毫米，上端出口为扩散为4个水平方向出口的喷嘴，每个水平方向喷嘴直径为1±0.5毫米。采样管上盖与冷凝采样管口吻合但不密封。在本发明的实施例中，采样管上盖直径为30毫米，厚度为10毫米，倾斜圆孔直径为5毫米，平行出气喷嘴直径为3毫米，其上端的扩散喷嘴直径为1毫米。

一般的，插入采样管上盖倾斜圆孔的一次性吸管为无菌的独立包装塑料吸管，其材质可以为聚乙烯或聚丙烯，直径为5±2毫米，长度为200±50毫米。本发明的实施例中选用聚丙烯材质，直径5毫米，长度200毫米的无菌独立包装一次性塑料吸管。

上述呼出气冷凝液便携采样器中，所述采样器外壳的材质可以是有机树脂、金属等材料，外壳上设散热出风口。外壳尺寸为长30±5厘米，宽20±5厘米，高20±5厘米。在本发明的实施例中，采样器外壳为有机树脂材质，尺寸为30mm×20mm×20mm。

利用上述呼出气冷凝液便携采样器进行呼出气采样时，按下述方法进行：将采样器的预设温度调整为-5℃到-10℃范围内的一特定温度，将冷凝采样管放入冷凝块中，盖上采样管上盖；待冷凝块温度到达预设温度，将一次性吸管插入冷凝采样管中，被试者嘴含一次性吸管进行呼气采集，呼气过程中要求吸管入口在被试者口腔中不接触舌头和口腔内壁以避免唾液进入，同时被试者仅使用鼻子吸气，仅用嘴呼气，吸管中的气流单向流动，避免将冷凝液吸回吸管中，如此单向用嘴呼气若干分钟(3到5分钟即可)，采样结束。

本发明提供的一种呼出气冷凝液便携采样器和采样方法利用半导体制冷片提供低温冷凝环境，使用无菌的一次性吸管和50毫升离心管采集人体呼出气冷凝液。设备结构简单、体积便携，采集方法操作简单，除外接电源外无需制冷剂等其他不易携带的耗材和辅助设备。可以无创且快速地采集足够进行疾病感染情况分析的人体呼出气冷凝液，同时可以最大程度避免被试者不适和交叉感染以及样品交叉污染，适合于呼吸道病原体感染的人群大范围采样检测诊断和流行病学调查。该呼出气冷凝液便携采样器和采样方法的主要特点是：

(1)采集呼出气冷凝液管路均为无菌一次性耗材，实现快速无创采集，极大程度上减少了被试者不适以及样品交叉污染的风险。

(2)采用半导体制冷片提供低温冷凝环境，无需额外制冷液或制冷设备，且呼气紧贴管壁，实现快速有效冷凝，制冷设备运行稳定且体积轻巧结构简单，便于操作和携带。

(3)样品耗材仅需通用的无菌一次性吸管和离心管，采样成本低廉；同时整机设备结构简单，配件成本较低，有利于在社区、医院等大规模使用。

附图说明

图1是本发明呼出气冷凝液便携采样器的结构示意图，其中：1-一次性吸管，2-采样管上盖，3-温度传感探头，4-冷凝采样管，5-采样器外壳，6-半导体制冷片，7-外覆隔热层的冷凝块，8-数字温度控制模块，9-温度设定按键，10-外接电源线，11-铜管风冷散热器，12-散热风扇。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步详细描述本发明的采样器及采样方法。

如图1所示，一种呼出气冷凝液便携采样器，包括采样器外壳5和设置在采样器外壳5中的冷凝采样管4、半导体制冷片6、外覆隔热层的冷凝块7、温度传感探头3、数字温度控制模块8、铜管风冷散热器11。其中，半导体制冷片6的制冷面紧贴外覆隔热层的冷凝块7，导热面紧贴铜管风冷散热器11，两面的连接处均涂布导热硅脂薄层保证连接处的导热性能。铜管风冷散热器11由散热铜板、空心铜管、散热鳍片和散热风扇12组成，空心铜管从散热铜板穿过并插入散热鳍片中，散热风扇12贴在散热鳍片上。冷凝采样管4放置于外覆隔热层的冷凝块7中，冷凝采样管4开口露出采样器外壳5顶部，由与之吻合的采样管上盖2封闭。采样管上盖2设有倾斜圆孔，一次性吸管1可穿过该倾斜圆孔插入冷凝采样管4中，一次性吸管1的底部接触冷凝采样管4的中部内壁。温度传感探头3包覆在外覆隔热层的冷凝块7的隔热层内部，并与冷凝块紧贴。温度传感探头3与数字温度控制模块8连接提供测温功能。半导体制冷片6和散热风扇12通过电线连接到数字温度控制模块8的输出端线路上。数字温度控制模块8固定在采样器外壳5上，数字温度控制模块8的数字显示屏和温度设定按键9外露于采样器外壳5表面，连接于数字温度控制模块8的外接电源线10穿过采样器外壳5用于连接供电插座。采样器内部的外覆隔热层的冷凝块7、铜管风冷散热器11和半导体制冷片6整体固定在采样器外壳5内部。

在本实施例中，半导体制冷片6为40mm×40mm×4.2mm的矩形片，基底元件数为199，最大工作电流5A，额定电压12V。铜管风冷散热器11有4根空心铜管，散热铜板规格为40mm×40mm×4mm。散热风扇12尺寸为90mm×90mm×33mm，额定电压12V，额定电流6A，最大风量300CFM。数字温度控制模块8额定供电电压为220V，测温和控温范围为-50～80℃，精度为0.1℃，负载功率为120W。外覆隔热层的冷凝块7规格为40mm×40mm×120mm，中间设圆孔以放置冷凝采样管4，圆孔直径为30毫米，底部为圆锥形。冷凝块的外覆隔热层为完全覆盖冷凝块的发泡塑料胶带。冷凝采样管4为50毫升聚丙烯离心管，直径30毫米，长度为115毫米，底部为圆锥形。采样管上盖2直径为30毫米，厚度为10毫米，倾斜圆孔直径为5毫米；采样管上盖2平行出气喷嘴直径为3毫米，其上端的扩散喷嘴直径为1毫米。一次性吸管1为聚丙烯材质，直径5毫米，长度200毫米的无菌独立包装一次性塑料吸管。采样器外壳5为有机树脂材质，尺寸为30cm×20cm×20cm。

该实施例中，呼出气冷凝液采样前提前10分钟连接电源开机，将预设温度调整为-10℃，并将冷凝采样管4放置于外覆隔热层的冷凝块7的圆孔中，将特制的采样管上盖2盖在采样管入口。待外覆隔热层的冷凝块7温度到达预设温度，被试者坐在呼出气冷凝液便携采样器前，取出独立包装的无菌一次性吸管1插入采样管上盖2的倾斜圆孔中，可供旋风式呼气。被试者用嘴含着一次性吸管1进行呼气采集，呼气过程中要求吸管入口在被试者口腔中不接触舌头和口腔内壁以避免唾液进入，同时被试者仅使用鼻子吸气，仅用嘴呼气。吸管中的气流单向流动，避免将冷凝液吸回吸管中，如此单向用嘴呼气3到5分钟即可。采样结束后先将吸管从上部抽出作为医疗垃圾妥善收集处置，然后拿起定制的采样管上盖2，将采样管原装的离心管上盖盖好旋紧，防止冷凝液泄露。盖好后轻甩离心管观察冷凝液体积是否足够以及是否存在唾液污染。如体积过少或存在明显唾液污染则重新采集样品。如冷凝液体积充足且无唾液污染则将50mL采样离心管中的冷凝液用移液枪转移到1.5mL无菌离心管中并低温妥善保存。该实施例中采集到呼出气冷凝液体积一般为200-500微升。无唾液污染的冷凝液样品清澈透亮，呈水样状态，无粘稠感。