一种基于仿生冷凝基底的人体呼出物常温收集检测装置

技术领域

本发明涉及呼出物收集装置及检测技术领域，尤其涉及了一种基于仿生冷凝基底的人体呼出物常温收集检测装置。

背景技术

人体呼出物中包含水蒸气、新陈代谢产生的可挥发性有机气体及非挥发性物质（主要为气道内衬液中气溶胶颗粒或液滴）。人体呼吸系统相关的各种疾病（肺癌、结核病、哮喘病、慢性阻塞性肺病、呼吸道炎症等），与正常人相比，因其呼吸代谢产物不同，更高浓度的或不同种类的蛋白质、RNA/DNA、病毒粒子、细菌及炎症因子等附着于气溶胶或液滴而被呼出。

人体呼出物的冷凝收集与检测涉及呼出物的冷凝收集与预处理及检测，先前的研究中对呼出物的冷凝收集均采用增加额外的低温冷凝设备或装置，比如通过半导体低温冷凝设备、冰浴冷凝装置、液氮冷凝装置等。额外的冷凝装置不仅增加了成本，且不具有便捷性，低温收集和常温处理交替环境增加了对目标物的损坏风险；由于温度过低产生了大量的水，使收集的样品需要进一步浓缩处理来开展检测。整体流程操作烦琐且耗时费力，不具有便捷性、多场景应用和居家自检测能力。

犬类的嗅觉十分灵敏，它们的鼻子有2亿种气味受体，使得它能够检测到人们无法检测到的微量气味。为了让嗅觉更灵敏，犬类会主动用舌头舔鼻子使鼻前庭时刻保持湿润状态，滋润鼻腔嗅上皮黏膜，使其表面附着一层黏液，依靠湿漉漉的鼻腔黏膜，使更多气味的微小粒子被吸附到鼻孔内的黏膜上，经嗅觉细胞和神经元分析和传递，从而获得更多的气味信息。因此，犬类鼻腔的超润湿特性为气味分子的吸附和高稳定性的嗅觉能力提供了重要的积极作用。

发明内容

本发明的目的，针对现有技术中人体呼出物的冷凝收集与检测均需要搭建额外的低温冷凝装置，不能对人体呼出物进行便捷性和居家实时采集并检测，提供了一种基于仿生冷凝基底的人体呼出物常温收集检测装置，能够对人体呼出物在常温状态下实时收集，快速检测，提高呼出物的收集效率，降低样品损失。

一种基于仿生冷凝基底的人体呼出物常温收集检测装置，包括口罩本体，其特征在于，还包括固定在口罩本体内侧的仿生收集机构和检测机构，所述仿生收集机构包括仿生冷凝基底，所述仿生冷凝基底为具有不均匀凹凸皱褶的仿生犬类鼻前庭结构的仿生基底，用于冷凝收集人体呼出物，所述检测机构与仿生收集机构的流出端连接。

优选的，所述仿生冷凝基底经表面修饰形成超润湿层，所述超润湿层的接触角≤20°。

优选的，所述仿生冷凝基底的厚度为0.65-1.0mm。

优选的，所述仿生收集机构还包括水凝胶层，所述仿生冷凝基底附着在水凝胶层上。

优选的，所述检测机构包括用于引导呼出物冷凝液流向的交叠区和层流试纸条，所述交叠区的底端与层流试纸条衔接，所述交叠区的顶端与仿生收集机构的流出端连接。

优选的，所述交叠区的顶端与仿生收集机构的流出端连接方式为插接，所述交叠区与仿生收集机构的流出端连接的一端设有凹槽，所述仿生收集机构的流出端插接在凹槽内。

优选的，所述交叠区的顶端与仿生收集机构上的流出端连接方式为叠搭，所述交叠区的顶端叠搭在仿生收集机构的流出端上。

优选的，所述检测机构还包括PVC柔性壳层，所述交叠区和层流试纸条设置于PVC柔性壳层内部，所述交叠区设在层流试纸条的顶端，层流试纸条用于呼出物冷凝液的检测，所述PVC柔性壳层为具有柔性的透明可视壳层。

优选的，所述层流试纸条为胶体金免疫层析试纸条。

优选的，所述仿生冷凝基底的制备方法包括以下步骤：

S1、复刻仿生基底，利用表面磨砂的亚克力板复刻类犬类鼻前庭表面的凹凸皱褶结构得到图案化基底；

S2、对图案化基底进行氧等离子亲水化处理；

S3、用浓度为0.25 g/mL-0.35 g/mL的聚乙二醇水溶液浸渍修饰，浸渍时间为6 -12h

S4、稳定，用超纯水和乙醇交替清洗2次，并在温度为60-80ºC环境下，用365 nm紫外光辐照30-60 min稳定表面分子状态，形成超润湿层，即完成具备超润湿层的仿生冷凝基底的制备。

本发明的优点在于：

本发明的仿生冷凝基底为具有不均匀凹凸皱褶的仿生犬类鼻前庭结构的仿生基底，该仿生冷凝基底具有类犬类鼻腔的超润湿状态，实现常温环境下人体呼出物的高效吸附，并在仿生冷凝基底上迅速形成液膜，实现了基底的整体润湿，同时表面冷凝液膜在重力作用下实现了向下自流动；同时，在检测机构上设置交叠区，由样品垫的顶端延伸得到，凹槽包覆或叠搭在流出端外部或一侧，使样品垫能够更好地对汇集在流出端的呼出物冷凝液进行收集，解决了人体呼出物的冷凝收集与检测均需要搭建额外的低温冷凝装置的问题，将仿生冷凝基底、检测机构与口罩本体结构，装置整体实现了在常温状态下对人体呼出物的实时收集，快速检测，提高呼出物的收集效率，降低样品损失。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的仿生收集机构剖面结构示意图；

图3是本发明的仿生冷凝基底表面电镜观察图；

图4是本发明的模拟呼出物自收集液体体积曲线图；

图5是本发明的自收集冷凝液中目标物荧光强度曲线图；

图6是本发明的检测机构结构示意图

图7是本发明的实施例五结构示意图；

图8是本发明的实施例六结构示意图；

图9是本发明的实施例七检测结果柱形图。

附图标记说明：

1、口罩本体；2、仿生收集机构；21、水凝胶层；22、仿生冷凝基底；23、流出端；3、检测机构；30、交叠区；301、凹槽；31、PVC柔性壳层；32、层流试纸条；321、样品垫；322、金标垫；323、硝酸纤维素膜；324、吸水垫；325、检测线T；326、质控线C；4、对照仿生基底一；5、对照仿生基底二；6、对照仿生基底三；7、对照仿生基底四；8、对照仿生基底五；9、对照仿生基底六；10、对照仿生基底七；11、对照仿生基底八；12、对照仿生基底九；13、对照仿生基底十；14、对照仿生基底十一；15、对照仿生基底十二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，本发明中提及的各安装方式及各技术术语，都是所属技术领域中早已明确知晓的技术用语，故不再做过多解释。此外，对于相同的部件采用了相同的附图标记，但这并不影响也不应构成本领域技术人员对技术方案的准确理解。

实施例一，

结合图1、图3进行说明：

本实施例公开了一种基于仿生冷凝基底的人体呼出物常温收集检测装置，包括口罩本体1、固定在口罩本体1内侧的仿生收集机构2和检测机构3，仿生收集机构2和检测机构3通过口罩本体1定位在人体口鼻处，对人体口鼻呼出物直接进行收集及检测，避免了呼出物的外漏及周围环境对呼出物的影响。

仿生收集机构2包括仿生冷凝基底22，仿生冷凝基底22为具有不均匀凹凸皱褶的仿生犬类鼻前庭的仿生基底，仿生冷凝基底22用于冷凝收集人体呼出物。仿生冷凝基底22的表面为超润湿层，超润湿层的接触角（CA）≤20°。通过利用聚二甲基硅氧烷薄膜（PDMS）进行表面微纳结构复刻，构建具有仿生犬类鼻前庭表面凹凸皱褶结构的仿生冷凝基底22，在仿生冷凝基底22的表面制备超润湿层，使仿生冷凝基底22具有高亲水性，以模拟犬类鼻前庭具有气味分子的吸附和高稳定性的嗅觉能力的超润湿状态。通过不均匀凹凸皱褶的仿生犬类鼻前庭结构形成了凹面或凸面，增大了仿生冷凝基底22的表面积，最大化地与人体呼出物进行接触，并在超润湿层的作用下能够对呼出的气溶胶和液滴高效吸附，冷凝液在仿生冷凝基底22的超润湿层表面迅速形成液膜，实现了基底的整体润湿，同时冷凝液膜受重力作用下沿凹凸皱褶产生自流动性，沿仿生冷凝基底22表面向流出端流动，检测机构3设在仿生收集机构2的呼出物冷凝液流出端，能够在常温下对呼出物进行冷凝收集。仿生冷凝基底22的厚度为0.65-1.0 mm。

接触角（CA）≤20°时，在常温下实现超润湿增强吸附功能；150°﹥接触角（CA）﹥20°时，为部分润湿，此时随着接触角（CA）增大，在常温下冷凝吸附性能逐渐减小，不具有连续的冷凝液自流动收集功能；CA≥150°为非润湿基底，在常温下很难实现冷凝吸附功能。

实施例二，

结合图2进行说明：

在实施例一的基础上，为了进一步保证在常温下对呼出物进行冷凝，在仿生冷凝基底22的底层设置了水凝胶层21，仿生冷凝基底22附着在水凝胶层21上。水凝胶层21发挥隔绝环境热量传导的作用，提高仿生冷凝基底22的冷凝效果。

实施例三，仿生冷凝基底的制备

S1、复刻仿生基底，利用表面磨砂的亚克力板复刻类犬类鼻前庭表面的凹凸皱褶结构得到图案化基底；

S2、对图案化基底进行氧等离子亲水化处理（整个流程处理时间不小于15min）；

S3、用浓度为0.25 g/mL-0.35 g/mL的聚乙二醇（分子量为20000）水溶液浸渍修饰，浸渍时间为6 -12h；

S4、稳定，用超纯水和乙醇交替清洗2次，并在温度为60-80ºC环境下，用365 nm紫外光辐照30-60 min稳定表面分子状态，获得接触角（CA）为≤20°的超润湿层，即形成具备超润湿层的仿生冷凝基底22。

为表面修饰步骤，在仿生基底上形成超润湿层。

未经过任何处理的仿生基底的接触角（CA）为110º-120º，仿生基底经本实施例中步骤S2-S4处理后在表面形成超润湿层，得到仿生冷凝基底22，通过接触角仪器和普通相机拍摄冷凝液在仿生冷凝基底和未经过任何处理的仿生基底冷凝液的接触角（CA）的情况进行拍摄，经本实施例中步骤S2-S4处理后接触角（CA）由115.8°减小至12°，达到了超润湿的性能。

实施例四，其他仿生基底制备方法

对实施例三中S1得到的仿生基底，即图案化基底进行氧等离子亲水化处理（整个流程处理时间5-15min），再用浓度为0.05-0.2 g/mL的聚乙二醇（分子量为20000）水溶液浸渍修饰，浸渍时间6 -12 h，用超纯水和乙醇交替清洗，并在定温度为60-80ºC环境下用365nm紫外光辐照稳定表面状态，获得接触角CA为30º-100º之间的润湿性仿生基底。

对实施例三中S1得到的仿生基底，进行氧等离亲水化处理，放于真空干燥器中，加入10 μL的全氟癸基三氯硅烷在干燥器中，抽真空30 min，之后放于120度加热2 h，获得接触角CA﹥140º的憎水仿生基底。

将实施例三中S1得到的仿生基底在60℃稳定60 min后，在仿生基底表面用喷枪溅射50 nm左右的二氧化硅纳米颗粒，并在60℃下进一步稳定60 min，进一步加入10 μL的全氟癸基三氯硅烷在干燥器中，抽真空30 min，之后放于120度加热2 h，得到接触角CA﹥150º的超憎水基底。

对比实验一，模拟呼出物的自收集效果

按照实施例三的方法制备仿生冷凝基底22，按照实施例四的方法制备其他仿生基底，制备本对比实验一所需的其他仿生基底，将制备的其他仿生基底和未经过任何处理的仿生基底作为对照仿生基底，包括对照仿生基底一4；对照仿生基底二5；对照仿生基底三6；对照仿生基底四7；对照仿生基底五8；对照仿生基底六9。

将仿生冷凝基底22和对照仿生基底分别贴附于水凝胶层21上，再粘贴于口罩本体1上的呼吸阀内衬部位，仿生冷凝基底22或对照仿生基底面正对人口部，仿生冷凝基底22或对照仿生基底的流出端与冷凝液收集管相对应，便于收集冷凝液，构建成冷凝收集体系。基于构建的冷凝收集体系，用水浴锅加热超纯水至37ºC恒定，通入一定的混合空气气流，模拟呼出气的输出，利用所述的冷凝收集体系在环境温度为20ºC收集30min。对比实验一的仿生冷凝基底和对照仿生基底接触角进行测量，测量值见表1。

表1 对比实验一的仿生冷凝基底和对照仿生基底接触角测量值

通过对比实验一，对照仿生基底一4至对照仿生基底六9表面不同程度的布满呼出物液滴，虽然能够吸附冷凝一定量的呼出物，但不具备自流动收集能力；仿生冷凝基底22表面无呼出物液滴残留，冷凝液能够在仿生冷凝基底22表面受重力作用进行流动，流向收集管中。基底自流动能力是指呼出物的冷凝液沿基底表面受重力作用流动汇集的能力，基底指仿生基底或仿生冷凝基底。基底的自收集指基底通过对呼出物进行吸附冷凝，并受基底自流动能力对冷凝的呼出物收集。

结合图4和表1进行说明仿生冷凝基底22和对照仿生基底的自收集效果，仿生冷凝基底22和对照仿生基底在相同时间及环境条件下通过自收集得到的冷凝液的体积有差异，接触角CA小的基底的自收集效果好，随着接触角CA增大，自收集效果逐渐变差，仿生冷凝基底22收集到的冷凝液最多，因此仿生冷凝基底22的自收集效果最好。

对比实验二，自收集冷凝液中目标物收集效果

按照实施例三的方法制备仿生冷凝基底22，按照实施例四的方法制备本对比实验二所需的其他仿生基底，将制备的其他仿生基底和未经过任何处理的仿生基底作为对照仿生基底，包括对照仿生基底七10；对照仿生基底八11；对照仿生基底九12；对照仿生基底十13；对照仿生基底十一14；对照仿生基底十二15。

表2 对比实验二的仿生冷凝基底和对照仿生基底接触角测量值

采用对比实验二中模拟呼出物的自收集测试方法，用罗丹明6G（R6G）水溶液作为模拟目标溶液（模拟呼出温度为37ºC）进行呼出模拟冷凝测试，利用荧光分光光度计（RF-5301PC）测试冷凝自收集液的荧光光谱，通过荧光峰强度分析目标物的冷凝收集效果。对比实验二的仿生冷凝基底和对照仿生基底的接触角进行测量，测量值见表2

结合图5和表2进行说明，荧光峰强度大时说明冷凝自收集的目标物多。接触角CA越小的仿生冷凝基底对应的自收集冷凝液的荧光强度越高，随着接触角CA增大，荧光强度逐步减小，因此具有超润湿层的仿生冷凝基底22对目标物的收集效果优于对照仿生基底的收集效果。

实施例五

结合图1、图2、图6、图7进行说明，检测机构3包括用于引导呼出物冷凝液流向的交叠区30、PVC柔性壳层31、层流试纸条32，交叠区30和层流试纸条32设置于PVC柔性壳层31内部，交叠区30的底端与层流试纸条32的顶端衔接，层流试纸条32用于呼出物冷凝液的检测，通过交叠区30将呼出物冷凝液从流出端23引流至层流试纸条32进行检测。

柔性壳层31由透明PVC薄膜制备，交叠区30和层流试纸条32粘贴于PVC柔性壳层31内的一侧薄膜上，层流试纸条32与PVC柔性壳层31另一侧的薄膜之间留余空间，防止样品粘附于壳层。交叠区30的顶端与流出端23连接方式为叠搭，流出端23一侧面与交叠区30粘贴在PVC柔性壳层31上的侧面叠搭，流出端23的另一侧面粘贴于PVC柔性壳层31内的一侧薄膜上，以固定流出端23的位置，使交叠区30与流出端23交叠关系牢固，不易脱落，流出端23与交叠区30的接触面积大，便于呼出物冷凝液流至交叠区30。

层流试纸条32为胶体金免疫层析试纸条，采用标准化的方法制备。层流试纸条32由样品垫321、金标垫322、硝酸纤维素膜323和吸水垫324依次衔接组成，硝酸纤维素膜323上设有相互平行的检测线T325和质控线C326，样品垫321的顶端与交叠区30的底端衔接。根据待测目标物选择对应的层流试纸条，在试纸条的金标垫322、检测线T325和质控线C326上修饰检测目标物对应的抗体，对目标物进行检测。目标物包括通过呼吸系统疾病相关的病毒颗粒、病毒蛋白、RNA/DNA、炎症因子、呼吸系统感染类细菌，其它疾病引起的呼出物中H

实施例六，

结合图8进行说明，交叠区30的顶端与冷凝液的流出端23连接方式为插接，所述交叠区30与流出端23连接的一端设有凹槽301，流出端23插接在凹槽301内，凹槽301包覆在流出端23外部，使流出端的四面均与交叠区30接触，接触面积增大，能够更好地对汇集在流出端23的呼出物冷凝液进行收集。

实施例七，重组的新冠病毒抗原N蛋白模拟检测

本实施例以重组的新冠病毒抗原N蛋白进行模拟检测，用磷酸缓冲盐溶液（PBS）配制浓度为50 ng/mL或250 ng/mL的新冠病毒重组N蛋白溶液，取10μL配制好的新冠病毒重组N蛋白溶液滴加于样品垫321上，用冷冻干燥方法将样品垫321干燥后重新封装于层流试纸条32上，并将层流试纸条32封装于PVC柔性壳层中组成检测机构3，将检测机构3固定在口罩本体1上呼吸阀内侧，将仿生收集机构2固定在口罩本体1上呼吸阀的内部且位于检测机构3上端，仿生收集机构2的流出端23与检测机构3的交叠区30连接。

人体呼出测试，正常人佩戴人体呼出物常温收集检测装置，在环境温度18-22ºC的空间进行呼吸测试，呼出气频率保持25次左右/min，经仿生收集机构2吸附且自流动至检测机构3上的呼出物冷凝液流至交叠区30后被样品垫321吸收，呼出物冷凝液携带预先滴加在样品垫321上的新冠病毒重组N蛋白依次进入金标垫322、硝酸纤维素膜323和吸水垫324，完成检测。

对比测试，取与人体呼出测试中呼出物冷凝液等量的磷酸缓冲盐溶液（PBS）滴加在交叠区30，磷酸缓冲盐溶液（PBS）被样品垫321吸收，携带预先滴加在样品垫321上的新冠病毒重组N蛋白依次进入金标垫322、硝酸纤维素膜323和吸水垫324，完成检测。

检测机构3完成检测后，在检测线T325处的检测结果以不同颜色深度进行表示呼出物冷凝液中的目标物浓度，目标物浓度越高，颜色越深，目标物浓度越低，颜色越浅。

结合图9进行说明，ED代表欧式距离，TED表示检测前后试纸条中检测线T325的色差值，CED表示检测前后试纸条中质控线C326的色差值。

本发明的基于仿生冷凝基底的人体呼出物常温收集检测装置能够对人体呼出物进行冷凝收集，当呼出物冷凝液中携带目标物时，检测机构3能够对冷凝液中的目标物进行检测，通过佩戴装置实现人体呼出物实时收集，快速检测，提高呼出物的收集效率，降低样品损失。

对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。