一种全粒径呼吸飞沫采样系统

本发明属于病毒采样的一种飞沫采样系统，尤其是涉及了一种全粒径呼吸飞沫采样系统。

背景技术：

1、呼吸飞沫是呼吸道病原体的最重要载体。在各类呼吸道传染病的研究中，根据易感者的呼吸飞沫暴露机制可将其传播途径分为大飞沫喷溅传播、近距离/远距离空气传播和直接/间接表面接触传播等。呼吸飞沫的粒径不仅影响其传播过程中的动力学特性，还影响其病毒携带量和在易感者呼吸道中的沉积部位，在呼吸道传染病防控中具有重要作用。然而目前，不同粒径飞沫在病原体传播过程中的相对重要性仍然存在争议。因此研发一个可用于对人呼吸飞沫进行全粒径范围活病毒采样和粒径测量的系统，能够用于呼吸飞沫的粒径效应研究，为呼吸道病原体的传播风险评估提供直接证据。

2、目前国外已有部分呼吸飞沫采样系统，但对10μm以上大粒径飞沫的采样效率低下或不能给出有效采集数据，且未能提供飞沫粒径分布数据。

3、哈佛大学研发的g-ii采样系统，操作流量为130l/min，其主体部分由锥形入口、大飞沫狭缝撞击器、凝结物生长单元以及小飞沫狭缝撞击器组成，包含2个采样位置，分别是水平过渡管道中间位置的第一级狭缝撞击器以及位于饱和器底端出口后的第二级狭缝撞击器，前者被设计用来收集所有超过5μm的大飞沫，后者被设计用于收集所有小于5μm的小飞沫。然而此系统的入口设计相对人体头部而言体积较大，且形状规则，端面为斜切面，不符合人体呼吸、说话等呼吸道活动的人体工学设计，使得在实际采样场景下志愿者头部的定位和定向较为困难，当头部恰好进入入口内时，嘴部距离入口下端边缘仍有小段距离，难以精确控制呼出气流的位置和流向，容易造成大粒径飞沫在入口处产生逃逸或损失，无法被有效传输至狭缝。因此其实际采样范围仅为0.05μm-10μm，缺少对更大粒径飞沫的测试数据，且未考虑不同呼吸气流流速对系统采样性能产生的影响，系统整体体积庞大，无法进行各部件的分离拆装。

4、美国国家职业安全与健康研究所(niosh)研发的两级旋风式气溶胶采样器，操作流量为3.5l/min，可将气溶胶分为4μm以上、1-4μm、1μm以下三级进行收集。但其采样范围一般在10nm-10μm，同样无法对10μm以上飞沫进行采样，且在撞击过程中的物理损害较大，样品收集效率低，在其运用于h1n1流感病毒气溶胶的采样实验中，生物效率仅约34％。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于设计一种全粒径呼吸飞沫采样系统。

2、本发明技术方案如下：

3、系统包括飞沫收集装置、飞沫弯道收集装置、飞沫粒度筛选装置、采样室供气过滤装置、采样流速调节装置和飞沫粒径测量装置；人体呼出的气体进入飞沫收集装置中，飞沫收集装置经飞沫弯道收集装置与飞沫粒度筛选装置的入口连通，飞沫粒度筛选装置的出口与采样流速调节装置的入口连通，飞沫收集装置上开设端口，飞沫收集装置的端口与飞沫粒径测量装置连通，飞沫收集装置、飞沫弯道收集装置和飞沫粒度筛选装置均设置在采样室供气过滤装置中。

4、所述的飞沫收集装置包括两端开口的人-采样器柔性接口和两端开口的金属外壳，人-采样器柔性接口安装在金属外壳上，金属外壳的入口和人-采样器柔性接口的出口连通，金属外壳的出口与飞沫弯道收集装置的入口连通，人体呼出的气体经人-采样器柔性接口的入口进入到金属外壳中；人-采样器柔性接口的上、下两侧分别开设有鼻翼定位槽和下颌定位槽，鼻翼定位槽和下颌定位槽分别与人体的鼻翼和下颌接触；

5、所述金属外壳的侧壁上开设有粒径谱仪接口和激光透射狭缝，飞沫粒径测量装置发射出的光通过激光透射狭缝入射到金属外壳内部的空腔中，粒径谱仪接口通过管道与飞沫粒径测量装置连接，金属外壳的内底面贴附有第一采样膜，金属外壳的侧壁上设有透明的可视窗口，金属外壳出口处安装有半圆形挡板，半圆形挡板的内壁上贴附有第二采样膜。

6、所述的飞沫弯道收集装置包括冲击引导部件、冲击收集部件、弯道转向部件和竖直过渡管道；冲击引导部件的入口与金属外壳的出口连通，冲击引导部件的出口与弯道转向部件的入口连通，弯道转向部件的两个出口分别与冲击收集部件和竖直过渡管道的入口连通，竖直过渡管道的出口与飞沫粒度筛选装置的入口连通；冲击收集部件中设有第三采样膜；

7、所述的飞沫粒度筛选装置包括撞击器和第一过滤器；撞击器的入口与竖直过渡管道的出口连通，撞击器的出口经第一过滤器与采样流速调节装置的入口连通，撞击器升降支架放置在地面上，撞击器固定安装在撞击器升降支架上；

8、所述的撞击器包括撞击外壳、撞击板、采样板和第四采样膜；三个撞击板沿撞击外壳的高度方向自上而下均匀间隔地设置在撞击外壳的空腔中，三个撞击板将撞击外壳的空腔自上而下分隔成进口腔、第一过滤腔、第二过滤腔和出口腔，第一过滤腔、第二过滤腔和出口腔中均设有一个采样板，每个采样板的上表面均贴附有一个第四采样膜，进口腔与竖直过渡管道的出口连通，出口腔经第一过滤器与采样流速调节装置的入口连通。

9、所述的飞沫收集装置收集粒径为50μm及以上的飞沫，所述的飞沫弯道收集装置收集粒径为10-50μm的飞沫，自上而下的三个撞击板分别过滤粒径为10μm以上的飞沫、过滤粒径为5-10μm的飞沫和过滤粒径为2.5-5μm飞沫，第一过滤器过滤粒径为2.5μm及以上的飞沫。

10、所述的采样室供气过滤装置包括正压室、正压室支架、湿度调节单元和过滤组件；所述的正压室为主要由透明塑料布搭建而成的腔体，正压室支架放置在地面上，正压室固定在正压室支架上，过滤组件安装在正压室的顶部；飞沫收集装置、飞沫弯道收集装置和飞沫粒度筛选装置设置在正压室中；

11、所述的湿度调节单元包括加湿器、湿度传感器、电磁阀、第二过滤器和加湿喷嘴，加湿器的出口经管道与加湿喷嘴连通，从加湿器到加湿喷嘴的管道上依次设置有电磁阀和第二过滤器，加湿喷嘴和湿度传感器均设置在正压室的内部；湿度传感器和电磁阀均与飞沫粒径测量装置连接。

12、所述的飞沫粒径测量装置包括空气动力学粒径谱仪、相机、激光组件、相机支架和计算机；空气动力学粒径谱仪通过管道与粒径谱仪接口连通，相机支架固定在地面上，相机安装在相机支架上，且相机位于金属外壳中设有可视窗口的一侧，激光组件发射出的光通过激光透射狭缝入射到金属外壳内部，空气动力学粒径谱仪、相机和激光组件均与计算机之间电连接；

13、湿度调节单元的湿度传感器和电磁阀均与计算机电连接。

14、所述采样流速调节装置包括质量流量计、采样泵和第四过滤器；第四过滤器的入口和第一过滤器的出口连通，第四过滤器的出口经管道与采样泵的入口相连，从第四过滤器到采样泵的管道上设有质量流量计。

15、所述的冲击收集部件包括冲击腔体和样品收集器，冲击腔体的出口和样品收集器的入口之间通过法兰连接，样品收集器的内侧壁中贴附有第三采样膜，弯道转向部件出口与冲击腔体的入口连通。

16、所述的激光组件包括激光器、空间滤波器、平面镜和扩束透镜，空间滤波器固定安装在激光器的前端，扩束透镜位于空间滤波器的前方，平面镜位于扩束透镜的前方且位于激光透射狭缝的正上方，激光器发射出的光依次经空间滤波器过滤、扩束透镜透射和平面镜反射后由激光透射狭缝入射到金属外壳内部。

17、本系统具有大飞沫采样和测量、多级粒径筛选、采样自由度高的优点；使用可溶于水的粘性半固体明胶膜(即采样膜)收集样本，可减少收集转移过程中的飞沫损失并有效保持病毒的生物活性，实现对全粒径范围呼吸飞沫，尤其是10μm以上含病毒飞沫的直接高效活病毒定量采样分析和粒径测量。可获得各种粒径呼吸飞沫中的病毒浓度，为呼吸飞沫的粒径效应研究和传播风险评估提供直接证据。

18、正压室顶部的高效过滤器为hepa滤网式过滤器，由于环境空气粉尘可能干扰系统采集气流中的飞沫样本并影响粒径测量和空气动力学谱仪计数结果，故需要过滤气体以避免对采样系统产生干扰。人-采样器柔性接口流场的面部附近速度在0.2m/s至0.3m/s范围内，满足志愿者热舒适性要求。湿度调节单元基于负反馈原理设计，由于通常情况下呼出气流的湿度高于环境空气，且正压室风机持续对正压室内引入相对干燥的空气，需要通过湿度调节单元控制头部周围流场的湿度，使采样气流适应呼吸飞沫的湿度，并满足其所包含病毒的活性要求，避免因呼吸气流和环境气流之间的湿度差异导致飞沫在传输过程中产生蒸发，干扰飞沫沉积位置、计数测量结果和采样过程中的生物效率。湿度传感器将所监测到的头部周围流场湿度数据传输至计算机，计算机根据湿度数据和所设定的湿度范围的差异调节电磁阀的开度，从而调节加湿器的加湿量，水汽由加湿器通过管道、电磁阀、第二过滤器进入正压室，使头部周围流场在一定湿度范围内保持稳定。飞沫收集装置基于颗粒物重力沉积理论和鞘流理论进行设计，设计采样粒径为50μm及以上，采用锥形结构，下壁面呈斜截角，用于拦截大粒径飞沫；锥体在面部两腮处形成扩张，用于引入正压室气流以携带飞沫并防止面部附近局部气流速度过高。人-采样器柔性接口和金属外壳总设计长度为100mm，足够使100μm以上飞沫全部在预设位置沉积。在接口上下两侧设计马蹄形结构的鼻翼定位槽和下颌定位槽，更易贴合志愿者面部，保证在志愿者采用坐姿和卧姿等不同采样姿势下采样流的方向均能够控制在设计范围内。

19、由于呼吸气流在被周围空气携带过程中存在卷吸效应，容易导致采样流的不稳定，因此在飞沫收集装置的入口处设置鞘流引导部件，在采样系统出口流量泵抽吸作用下，该部件能够引导正压室气流向柔性接口主体下壁面冲击并铺展，当采样流流速和鞘流流速之比在一定范围内时，能够对裹挟呼吸飞沫的采样气流起到保护作用，实现中、小粒径飞沫在采样流中的富集，减少50μm以下飞沫在采样系统接口处的沉积损失。此外，为满足志愿者的机械舒适性要求和采样装置的清洁度要求，大飞沫收集装置的人-采样器柔性接口采用3d打印硅胶复模技术加工，材料硬度为70邵氏硬度a，具有相当的柔软度，可以随不同志愿者面部差异适度变形，同时又不至于软塌变形，并且可快速拆卸替换；装置主体采用金属材料，减少静电对飞沫的吸附，方便清洗和消毒。

20、由于在志愿者以自然坐姿进行呼吸道活动时，气流方向近似水平，而用于小粒径飞沫筛选的撞击器通常是竖直工作的，因此需要设计流道的转向部件。为使系统尽量简单便携，将流道转向功能与中等粒径飞沫收集功能整合，并基于颗粒物弯道沉积理论和喉部射流原理设计飞沫弯道收集装置，设计采样粒径为10-50μm。为保证系统的便携性，使其不至于包含过多过小的零件，设计中等粒径飞沫弯道收集装置的各个部件一体成型，采样气流流过大粒径飞沫收集装置后，依次流经冲击引导部件、冲击收集部件和竖直过渡管道。在冲击引导部件入口处设置法兰连接，便于大粒径飞沫收集装置的拆装和取样；冲击引导部件形成倾斜向上的弯曲渐缩管道，出口管径参考人体呼吸道三维模型，设计直径为14mm，小于入口管径，由于进出口截面上质量守恒，在渐缩通道内可实现对采样流的二次加速，并引导气流向上冲击；弯道转向部件仿照人体呼吸道结构，形成含分支的大曲率弯道，两个分支出口分别与冲击收集部件和竖直过渡管道相连。为尽量减少冲击腔的设置对弯道内流场的影响，将冲击收集部件沿流线设置在弯道转向部件外侧，在本发明实例情况下，由样品收集器中的第三采样膜和金属外壳出口挡板处贴附的第二采样膜共同收集10-50μm飞沫，冲击腔体和样品收集器间采用法兰连接，便于多次采样和拆装清洗。

21、飞沫粒径筛选装置的主要作用为筛选10μm以下的飞沫。撞击器利用飞沫曲线运动时的惯性撞击原理，当飞沫通过各级撞击板上的狭缝型喷嘴时，气流组织在流线上形成90°偏折，此时大于截止粒径的飞沫由于惯性影响，无法沿流线运动，从而直接撞击在收集介质上。为防止在采样后续的样本转移过程中造成飞沫损失，在采样板上设置凹槽，并贴附可溶于水的粘性半固体明胶膜作为飞沫的收集介质，可防止当装置非水平工作时明胶膜滑脱或掉落。飞沫撞击后会附着在膜上，而小于截止粒径的飞沫随气流绕过采样板后进入下一级，各级截止粒径遵循stokes定律，包括10μm、5μm和2.5μm等，可根据实际采样需求自由组合。撞击器支架用于支撑撞击器和连接在撞击器上的中等粒径飞沫收集装置和大粒径飞沫收集装置，并可升降调节，使采样系统适应不同身高的志愿者。

22、粒径谱仪基于空气动力学和双束激光粒径测量原理工作，可测量0.5-20μm粒子的粒径分布，且不受气溶胶粒子固有性质等因素影响。大飞沫粒径分布基于米氏散射原理测量，高速相机可通过金属外壳上的可视窗口直接记录原始呼吸飞沫呼出时在激光照射下的散射状态，从而根据飞沫呈现的不同散射特性判断飞沫的粒径分布，可避免蒸发、采样损失和环境干扰等对飞沫粒径测量的影响。

23、激光组件和高速相机配合进行粒径分析，不同粒径的液滴在激光照射下产生不同数量的干涉条纹，通过高速相机记录条纹信息后可以传输至所连接的计算机中进行软件分析。

24、考虑到多次采样和便携拆装的要求，本系统整体设计体积较小，各连接部分采用螺钉螺母或法兰连接；在样本回收方面，首选便于撕取的半固体可溶明胶膜，由于明胶膜可以溶于体温的水、通用病毒传输介质(utm)以及生理盐水等，沉积其上的含病毒飞沫通过溶解被完全地转移到后续分析介质中，且能够较好地保持病毒活性。此外，由于装置体积小，也可以采用拭子涂抹或者缓冲液冲洗等备选方案收集飞沫样本。

25、本发明的有益效果为：

26、1、本系统可实现全粒径范围的呼吸飞沫直接分离采样，在飞沫收集装置、飞沫弯道收集装置、飞沫粒度筛选装置中分别贴附采样膜，对呼吸气流中的不同粒径飞沫以2.5μm、5μm、10μm和50μm为临界直径进行分离收集，并可根据实际采样需求自由组合10μm以下的粒径筛选装置，具有采样自由度高的优点。

27、2、本系统可实现活病毒的高效采样，使用可溶于水的粘性半固体明胶膜收集含病毒飞沫样本，采样过程中可保持采样区域的平整湿润，减少含病毒飞沫的反弹或干燥失活，采样后可直接溶于体温的水，减少收集转移过程中的飞沫损失并有效保持病毒的生物活性。

28、3、本系统可以获得各种粒径呼吸飞沫中的病毒浓度。通过对采集到的含病毒飞沫样本进行pcr分析/病毒培养，并结合粒径分布测量数据，可获得不同粒径飞沫中的病毒含量，有利于深入研究呼吸飞沫的粒径效应，为呼吸道病原体传播风险评估提供直接证据。