一种生物气溶胶预警采样与检测一体化系统及方法

技术领域

本发明属于生物气溶胶的监测预警技术领域，具体涉及一种生物气溶胶预警采样与检测一体化系统及方法。

背景技术

近年来，SARS、埃博拉、流感、新冠疫情在全球范围的广泛传播，严重危害人类生命健康，冲击全球政治、经济。由于病毒可以通过气溶胶传播，亟需加强生物气溶胶传播风险监测和预防控制，特别是生物气溶胶自动监测预警与采样检测一体化系统与方法。

目前，生物气溶胶监测的常用方法是米氏散射和荧光散射法，用米氏散射法实现对颗粒尺寸和数量的测量，使用荧光光谱的方法来识别生物颗粒。其原理为：当紫外/紫色激光入射到颗粒物质上时，会发生波长与入射光相同的米氏散射，同时，如果该颗粒为生物颗粒，还会受激发而发射波长大于激光的荧光。通过光电探测器分别测量米氏散射光及荧光信号，可区分粒子是生物颗粒还是非生物颗粒；探测器所记录的光脉冲的数量与颗粒数量相对应，从而可以测量粒子的浓度；探测器所记录的光脉冲的强度反应了米氏散射的强度，从而可以估算出颗粒的尺寸。米氏散射的强度不仅与颗粒的尺寸有关，还受颗粒的形状、材质、折射率等因素的影响。

激光激发荧光光谱简称荧光光谱，是指物质经某波长激光光源的照射后，分子获取能量从基态被激发到激发态，因激发态属于不稳定状态，在很短时间内跃迁返回基态，发出波长大于入射光的光，这种光被称为荧光，荧光的能量与波长关系图就是荧光光谱。其激光通常为可见光或近紫外光。

通常，对病毒的现场快速检测手段主要采用胶体金检测卡。1971年Faulk和Taytor将胶体金引入人体免疫化学，伺候免疫胶体金技术作为一种新的免疫学方法，在生物医学各领域得到了日益广泛的应用，目前在检验中的应用主要是免疫层析法(immunochromatogra-phy)、快速免疫金渗滤法(Dot-immuogold filtration assayDIGFA),用于检测HBsAg、HCG和抗双链DNA抗体等，具有简单、快速、准确和无污染等优点。

要茂盛发明的专利《一种实时监测生物气溶胶的系统和方法》，说明了硅纳米线生物传感器可以实现生物气溶胶实时在线监测，但由于传感器的准确性和稳定性等原因，难以进行广泛的推广应用。当前，没有一款可以对生物气溶胶进行鉴别的产品投入实用。目前，全球新冠疫情肆虐，生物气溶胶对环境及人类健康威胁形势严峻，亟待生物气溶胶监测预警采样检测一体化技术设备投入实用。由于光学技术、免疫技术和核酸检测技术成熟及其产品的广泛应用，利用这些技术进行生物气溶胶监测预警具有重要意义。

发明内容

本发明实施例提供一种生物气溶胶预警采样与检测一体化系统及方法，不仅可以进行生物气溶胶监测预警、快速采集气溶胶样本，并且具有快速甄别生物气溶胶种类的功能。

第一方面，本申请一实施例提供了一种生物气溶胶预警采样与检测一体化系统，包括：预警装置、采样装置、检测装置及控制装置；

预警装置用于监测环境中生物气溶胶浓度，并将监测结果传输给控制装置；

控制装置用于在生物气溶胶浓度值超过设定阈值时，触发采样装置和检测装置开始工作；

采样装置在控制装置的触发下，开始采集生物气溶胶样品；所述采样装置上设有清洗模块，当所述系统处于清洗模式下时，所述清洗模块对采样装置进行清洗；

检测装置在控制装置的触发下，对采样的生物气溶胶样品进行检测，并将检测的结果传输给控制装置、上传到服务器。

可选地，所述清洗模块由加热模块和消毒喷雾构成，所述消毒喷雾位于采样装置的进风口，用于清洗和消毒整个采样装置及其输液管路，所述加热模块用于对采样装置进行加热，在系统处于清洗模式下时，清除采用模块里面停留的挂壁水珠。

可选地，所述采样装置主要由采样模块、补液蠕动泵、试剂瓶、出液蠕动泵、短滑台、出液针以及检测卡组成；其中所述采样模块通过负压螺旋撞击的方法采集环境的气溶胶颗粒；所述试剂瓶与采样模块之间通过输入导液管连接，所述补液蠕动泵位于所述输入导液管上；所述采样模块与短滑台之间通过输出导液管连接，所述出液蠕动泵位于输出导液管上，所述出液针联接于短滑台上，所述出液针用于导出采样模块所采集到的采集液至采集卡上。

进一步地，所述采集装置还设有废液瓶，用于收集系统在清洗时所产生的废液。

进一步地，所述采样装置还包括长滑台，所述检测卡和废液瓶完全密封，并能够在长滑台的带动下左右移动，从而实现将把输过液的检测卡送到检测模块的检测探头所能探测到的区域中。

进一步地，所述系统还包括自动装填检测卡装置，用于将检测卡自动装填到长滑台上，该系统还包括检测卡回收装置，当检测卡被检测装置检测完毕后，检测卡回收装置自动的回收检测卡。

可选地，所述检测装置将检测的结果发送给了控制装置，控制装置结合预警装置和检测装置传过来的信息，对生物气溶胶的种类和浓度进行分析，来判定是否发出报警。

可选地，所述长滑台、自动装填检测卡装置、检测卡回收装置由控制装置进行控制。

可选地，所述检测卡可以采用酶联免疫法制成。

第二方面，本申请一实施例提供了一种生物气溶胶预警采样与检测一体化方法，具体过程为：

利用预警装置监测环境中生物气溶胶浓度，并将监测结果传输给控制装置；

当控制装置判定生物气溶胶浓度值超过设定阈值时，触发采样装置和检测装置开始工作；

在控制装置的触发下，采样装置开始采集生物气溶胶样品；

在控制装置的触发下，检测装置对采样的生物气溶胶样品进行检测，并将检测的结果传输给控制装置、上传到服务器；

检测结束后，在控制装置的控制下，清洗模块对采样装置进行清洗。

有益效果

本发明系统设置预警装置和采样装置，实现生物气溶胶预警采样与检测一体化设计，同时在采样装置上还设置有清洗模块，当所述系统处于清洗模式下时，所述清洗模块对采样装置进行清洗，避免上次采样残留在采样装置内的残留液对再次采样的结果造成影响，从而保证了采样结果的高精确度，检测卡可以自动装卸，实现一体化设备连续工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明生物气溶胶预警采样与检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

如图1所示，本申请实施例提供一种生物气溶胶预警采样与检测一体化系统，包括预警装置、采样装置、检测装置及控制装置。

预警装置用于监测环境中生物气溶胶浓度，并将监测结果传输给控制装置。

具体实施时，所述预警装置可以采用激光诱导荧光技术实现，所述激光诱导荧光技术是指物质经某波长激光光源的照射后，分子获取能量从基态被激发到激发态，因激发态属于不稳定状态，在很短时间内跃迁返回基态，发出波长大于入射光的荧光；因此预警装置可以监测环境中的生物气溶胶并且区分空气中的非生物气溶胶和生物气溶胶，得到生物气溶胶浓度，并传输给所述的控制装置。预警装置采用激光生物气溶胶计数方式，具有精确度高、不需要进行浓缩分离、可以进行长时间自动实时监测等优点。同时，预警模块采用单个激光器作为光源，同时监测气溶胶粒子的光学等效粒径与荧光强度，在结构上弹性散射光测量光路和荧光测量光路共光路，具有体积小、结构简单的优点。

控制装置用于在生物气溶胶浓度值超过设定阈值时，触发采样装置和检测装置开始工作。

具体实施时，控制装置上预先存储有生物气溶胶浓度阈值，该阈值可以人为设定，同时可以根据不同的使用情况设定不一样的阈值。预警装置采集环境中的生物气溶胶浓度并回传给控制装置，控制装置将接收的浓度值与预先存储的阈值进行比较，当接收的浓度值超过阈值时，此时表明空气中的生物气溶胶样品浓度已经较高，有必要对其进一步的采样检测，因此控制装置在空气中生物气溶胶浓度超过设定阈值时，一方面控制预警装置发出预警信号，另一方面促发采用装置和检测装置开始工作。

采样装置在控制装置的触发下，开始采集生物气溶胶样品；所述采样装置上设有清洗模块，当所述系统处于清洗模式下时，所述清洗模块对采样装置进行清洗。

具体实施时，采样装置在上电时处于休眠状态，被控制装置触发后开始工作；采样装置可以是通过负压螺旋撞击的方法采集环境的气溶胶颗粒。采用装置的采用时长可以设定，当采样的达到设定的时长时，采用装置再次进入休眠状态。采样装置的采样时长可以采用预先设定在控制装置中，当控制装置监控到采样装置的采样时长达到预先设定的时长时，触发采样装置进入休眠状态，即采用装置的开启和关闭皆由控制装置进行控制。同时，当采样装置采样完毕后，控制装置控制清洗模块工作，使系统进入清洗模式，即清洗模块对采样装置进行清洗，清除采样装置中残留液体对下次采样造成污染。

检测装置在控制装置的触发下，用于对采样的生物气溶胶样品进行检测，并将检测的结果传输给控制装置、上传到服务器。

具体实施时，检测装置采用多通道生物气溶胶检测模块实现，可以用来鉴别生物气溶胶的种类。特别地，检测模块采用基于荧光检测原理的多通道免疫层析检测系统，其工作原理是：样品液中的被检物会和对应的抗体发生特异性免疫反应，待反应结束后，使用荧光检测模块对试纸条进行检测，从而得出待检样品液中被检物的定性以至于定量结果，由此来判别空气中所含的生物气溶胶的种类。检测装置采用的是基于免疫层析法，可以快速鉴别生物气溶胶的种类，具有鉴别时间短、准确度高的优点。检测装置把分析结果送到所述控制模块、上传到服务器。

本申请实施例中通过在设置预警装置和采样装置，从而实现了预警和采样的一体化，具有高效、快速、准确等优点。同时，在采样装置上设置清洗模块，在每次采样结束后，系统进入清洁模式，用于对采样装置进行清洗，清除本次采样过程后在采样装置中残留下液体，以免对下次采样的结果造成干扰，影响下次采样结果的准确性，因此本系统是一种不仅可以进行生物气溶胶监测预警、快速采集气溶胶样本，并且具有快速精确辨别监测到的生物气溶胶种类的功能的系统。

在一种可能的实施方式中，采样装置主要由采样模块、补液蠕动泵、试剂瓶、出液蠕动泵、短滑台、出液针以及检测卡组成；其中所述采样模块通过离心式的方法采集环境的气溶胶颗粒；所述试剂瓶与采样模块之间通过输入导液管连接，所述补液蠕动泵位于所述输入导液管上；所述采样模块与短滑台之间通过输出导液管连接，所述出液蠕动泵位于输出导液管上，所述出液针联接于短滑台上，所述出液针用于导出采样模块所采集到的采集液至采集卡上。

具体实施时，当控制装置判定当前采集的空气中的气体生物气溶胶的浓度大于设定的阈值时，触发采样装置开始工作，此时补液蠕动泵启动，将试剂瓶中的液体输入到采样模块中，采样模块开始采集空气生物气溶胶样品，然后出液蠕动泵将采样模块中的采集液通过输液针输出至检测卡上。上述过程在控制模块的控制下自动完成，实施效力高，自动化能力强，减少人员的干预和介入。同时，采样模块是大流量负压螺旋撞击的方法采集环境的气溶胶颗粒，具有流量大、不需富集、采集效率高等特点。

在一种可能的实施方式中，所述清洗模块由加热模块和消毒喷雾构成，所述消毒喷雾位于采样装置的进风口，用于清洗和消毒整个采样装置及其输液管路，所述加热模块用于对采样装置进行加热，在系统处于清洗模式下时，清除采用模块里面停留的挂壁水珠。

具体实施时，当检测完成后，控制装置控制消毒喷雾和采样装置开启，利用消毒喷雾对采样装置进行清洗，清洗完后由出液蠕动泵把清洗的液体排放到废液瓶；控制装置启动加热模块，开始把采样装置进行烘干；再由补液蠕动泵进行补液，再次清洗输液管路，最后排放到废液瓶。通过上述消毒喷雾和加热模块的设置，使得系统在采样结束后进入清洗模式时，可以彻底对采样模块进行采样，以免造成对后续采样造成的污染。

在一种可能的实施方式中，采集装置还设有废液瓶。具体实施时，在空气中生物气溶胶样品采集完毕之后，控制装置控制系统进入采样装置进入清洗模式，消毒喷雾工作对采样模块进行清洗，清洗完后由出液蠕动泵把清洗的液体排放到废液瓶。

在一种可能的实施方式中，采样装置还包括长滑台，所述检测卡和废液瓶完全密封，并能够在长滑台的带动下左右移动，从而实现将把输过液的检测卡送到检测模块的检测探头所能探测到的区域中。通过将检测卡完全密封，废液瓶完全密封，可以避免气溶胶二次挥发。

在一种可能的实施方式中，该系统还包括自动装填检测卡装置，用于将检测卡自动装填到长滑台上，该系统还包括检测卡回收装置，当检测卡被检测装置检测完毕后，检测卡回收装置自动的回收检测卡，检测卡将被统一的回收后，进行统一处理。自动装填检测卡装置，可以进行多次多通道检测卡排的装填，检测卡回收装置也可以进行多次检测卡的回收，自动装填检测卡装置和检测卡回收装置的设置；减少人工在系统使用过程中的介入，实现了系统的全自动化连续运行。

在一种可能的实施方式中，检测装置将检测的结果发送给了控制装置，控制装置结合预警装置和检测装置传过来的信息，对生物气溶胶的种类和浓度进行分析，来判定是否发出报警。例如，当空气中的生物气溶胶为对人体有害的气溶胶，且浓度较大，则发出报警信号。

在一种可能的实施方式中，所述长滑台、自动装填检测卡装置、检测卡回收装置由控制装置进行控制。具体实施时，控制装置分别控制所述预警装置、检测装置、采样模块、加热模块、消毒喷雾、补液蠕动泵、出液蠕动泵、长滑台、短滑台、自动装填检测卡装置、检测卡回收装置的工作，当预警装置监测到的生物气溶胶浓度超过阈值时，控制装置发出报警信号，同时触发采样模块、补液蠕动泵、出液蠕动泵工作开始采集生物气溶胶样品，并且控制长、短滑台带动输液针、检测卡和废液瓶进行联动操作，在把检测卡送到检测装置下进行检测，最后把检测过的检测卡送到检测卡回收模块。

可选地，输入导液管和输出导液管都采用医用的硅胶管，医用硅胶管的抗菌能力较强，较为柔软使用方便。

可选地，检测卡可以采用酶联免疫法制成。

本发明实施例可以设置预警监测粒子粒径以及报警阀值；采样时间可以设定；两次检测之间的时间间隔、重复检测次数可以设定，清洗次数，一键启动，无人值守、全自动智能运行且该系统所有部件可以拆卸，进行消毒处理，避免二次污染。

如图1所示，本申请实施例提供一种生物气溶胶预警采样与检测一体化方法，具体过程：

利用预警装置监测环境中生物气溶胶浓度，并将监测结果传输给控制装置；

当控制装置判定生物气溶胶浓度值超过设定阈值时，触发采样装置和检测装置开始工作；

在控制装置的触发下，采样装置开始采集生物气溶胶样品；

在控制装置的触发下，检测装置对采样的生物气溶胶样品进行检测，并将检测的结果传输给控制装置、上传到服务器和/或上传到云端；

检测结束后，在控制装置的控制下，清洗模块对采样装置进行清洗。

本申请实施例提的一种生物气溶胶预警采样与检测一体化装置与一种生物气溶胶预警采样与检测一体化方法采用了相同的发明构思，能够取得相同的有益效果，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。