一种对空气结核杆菌检测的系统及检测方法

本发明属于环境监测领域，尤其是涉及一种对空气结核杆菌检测的系统及检测方法。

背景技术：

空气传播的呼吸道传染病频繁爆发，在世界范围内迅速而广泛地传播。其中，结核的发病率和死亡率较高，是一种主要通过呼吸道传播的慢性传染病。中国是世界上负担最重的三个国家之一，2019年约有结核新增病例83.3万，结核死亡33,000人。并且每年有360万结核病患者被卫生系统遗漏。更糟的是，世卫组织的建模和分析表明，新冠肺炎大流行严重破坏了公共卫生服务。在2020年至2025年期间，它可能在全球造成630万例新结核病病例。因此，结核病仍然是一个不可忽视的公共卫生问题。

快速准确的检测是结核病控制的基础。细菌学检测占结核病诊断的80％。结核病大多通过携带结核分枝杆菌的飞沫或气溶胶在人与人之间传播。然而，结核杆菌具有较强的抗恶劣环境的能力，并能在空气中长期生存。目前结核杆菌的常规检测方法主要有培养法、影像学检测、痰涂片镜检、结核菌素敏感性试验、血清学检测及分子诊断等。这些技术大多复杂、耗时、灵敏度低、操作要求高，因此限制了它们在实验室以外的应用。此外，空气中结核杆菌的浓度极低且杂质会造成干扰，结核杆菌很难进行有效检测。

各种传感器已被开发用于广泛的领域。但其在结核杆菌检测中的适用性仍面临许多挑战。其中一个挑战是目前传感器检测的样本多为液态样本，针对空气样本直接采集进行检测的比较少见。另一个是传感器检测多采用滴注法进行检测，这使得样品的装载和处理变得难以控制。这种方法容易受到外界物理因素(例如光线，湿度和温度)的干扰，从而导致测量不准确和传感稳定性差。微流体技术将样品制备，试剂操作，生物反应和检测步骤集成在一个独特的平台上，可以简化复杂的分析方案并减少样品量，检测时间和试剂成本。为了提高生物传感器的检测效率和户外操作的便携性，需要同时检测多个样品或多种目标微生物以提高实用性和灵活性。因此，本领域亟需一种空气结核杆菌快速检测的新方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种对空气结核杆菌检测的系统及检测方法，以实现对气体采样，同时连续检测多个样品，简化复杂的分析方案并减少样品量、检测时间和试剂成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种对空气结核杆菌检测的系统，包括依次通过管道连通的冷凝装置、蠕动泵、切换阀、微流控芯片及与微流控芯片电性连接的信号显示装置，

所述冷凝装置用于将呼出气冷凝为液体样本，

所述蠕动泵用于将液体样本通过切换阀输送到微流控芯片，

所述微流控芯片用于将检测信号发送到信号显示装置。

优选的，所述冷凝装置包括保温箱体、设于保温箱体内的冷凝盒及填充于保温箱体于冷凝盒之间的冷凝盐溶液，所述冷凝盒两端设有进气口及出气口，冷凝盒内呈左右交错设置有多个导流板，冷凝盒底部设有采集口。

优选的，所述冷凝盒底部设有用于将液体样本导向采集口的导流壁。

优选的，所述微流控芯片包括壳体、封装于壳体内的传感器及设于壳体上的多个外置圆管，所述壳体内设有呈米字型的液体流道，所述外置圆管与液体流道连通。

优选的，所述液体流道的宽度为0.5mm。

优选的，所述传感器为硅纳米线场效应管传感器。

优选的，所述切换阀内设有多个单向阀。

优选的，所述信号显示装置包括显示器及信号处理模块。

一种应用了如上述任一所述的对空气结核杆菌检测的系统的检测方法，包括以下步骤：

待测气体通过进气口进入冷凝装置内，得到液体样本，打开切换阀及信号显示装置，启动蠕动泵，将液体样本导入微流控芯片。

优选的，所述蠕动泵的流速为0.3ml/min。

相对于现有技术，本发明所述的对空气结核杆菌检测的系统及检测方法具有以下优势：

(1)本发明所述的对空气结核杆菌检测的系统将呼出气采集、样品制备，微流控多通道进样，生物反应和和传感器检测集成，通过实时信号检测及时反馈；

(2)本发明所述的对空气结核杆菌检测的系统可以简化复杂的分析方案并减少样品量，检测时间和试剂成本；

(3)本发明所述的对空气结核杆菌检测的系统同时可以连续检测多个样品，提高了空气结核杆菌检测效率和户外操作的便携性，有望在结核热点地区初步筛查中发挥作用。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的对空气结核杆菌检测的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的对结核杆菌模拟呼出气进行检测的归一化响应示意图。

附图标记说明：

1、冷凝装置；11、冷凝盒；12、进气口；13、出气口；14、导流板；15、导流壁；16、采集口；17、冷凝盐溶液；18、保温箱体；2、蠕动泵；3、切换阀；31、单向阀；4、微流控芯片；41、壳体；42、传感器；43、液体流道；44、外置圆管；5、信号显示装置。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下面结合实施例及附图来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的对空气结核杆菌检测的系统，包括依次通过管道连通的冷凝装置1、蠕动泵2、切换阀3、微流控芯片4及与微流控芯片4电性连接的信号显示装置5，

所述冷凝装置1用于将呼出气冷凝为液体样本，

所述蠕动泵2用于将液体样本通过切换阀3输送到微流控芯片4，

所述微流控芯片4在液体样本作用下产生检测信号，并将检测信号发送到信号显示装置5。

优选的，所述冷凝装置1包括保温箱体18、设于保温箱体18内的冷凝盒11及填充于保温箱体18于冷凝盒11之间的冷凝盐溶液17，所述冷凝盒11两端设有进气口12及出气口13，冷凝盒11内呈左右交错设置有多个导流板14，导流板14的一端与冷凝盒11固定连接，另一端与冷凝盒11侧壁之间留有供气体经过的间隙，由于导流板14呈左右交错设置，气体在冷凝盒11内沿s型路线向前运动，所述冷凝盒11底部设有用于将液体样本导向采集口16的导流壁15，冷凝盒11底部设有采集口16，气体在冷凝盒11内向前运动过程中，受到冷凝盐溶液17的冷却作用凝结为液体样本，附着在导流板14或导流壁15上，沿导流板14或导流壁15向下流动，收集在冷凝盒11底部，从采集口16向外排出。

微流控芯片4的制备步骤为：首先将传感器42通过紫外线可固化uv胶与壳体41封装，壳体41材质为pmma塑料，紫外光照射5min固化，本实施例中使用的传感器42为硅纳米线场效应管传感器，然后对整个液路系统进行连接，将外置圆管44与壳体41内的液体流道43连通，液体流道43呈米字型，宽度为0.5mm，外置圆管44与液体流道43的端点对应呈米字型分布，本实施例中的外置圆管44设有8个，其中7个为进液口，1个为出液口，待测液体样本可以依次从不同进液口进入，经过传感器触发传感器对待测液体样本进行检测，最终从出液口排出，可以对多个样本同时进行检测。

使用时，通过管道将冷凝装置1、蠕动泵2、切换阀3、微流控芯片4依次连通，本实施例中切换阀3上设有1个进液口及分别与进液口连通的7个单向阀31，可选择性将蠕动泵2所得样本吸入液体流道，保证液路不回流，单向阀31与微流控芯片4上的7个进液口一一对应连通，微流控芯片4与信号显示装置5连接，本实施例中使用的信号显示装置5为keithley2400半导体参数分析仪，本实施例使用结核模拟物结核杆菌分泌蛋白进行气溶胶挥发，挥发气体通过管道进入进气口12，沿冷凝装置1内的气体流道向前运动直至从出气口13排出，挥发气体在冷凝装置1作用下凝结为液体样本收集在冷凝盒11底部，此时打开切换阀3及信号显示装置5，启动蠕动泵2，液体样本注入微流控芯片4，所述蠕动泵的流速为0.3ml/min，信号显示装置5内的信号处理模块读取和处理传感器42产生的电化学信号，并在显示器上予以显示，检测过程中在传感器42的源极和漏极之间加0.5v恒定电压，整个过程对目标电流进行实时监测。归一化电流响应结果如图2所示，证明本发明的对空气结核杆菌检测的系统及检测方法可对空气结核杆菌进行快速检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。