一种微生物释放气体采集箱的制作方法

1.本实用新型涉及用于微生物释放气体采集的装置，具体涉及一种微生物培养箱和气体采集管路，可以在控制条件下实现微生物的连续培养、计数和气体采集，属于环境检测仪器技术领域。


背景技术：

2.2020年爆发的严重疫情再次提醒民众关注居住环境中有害微生物的不利影响。目前，确定微生物数量主要通过离线检测和在线监测两种方式。微生物离线检测主要指通过离线方法采集目标样品后带回实验室，然后对目标样品通过培养或者pcr等方法进行微生物计数。这种方法准确度高，针对性强，但是很难抓住微生物爆发的窗口时间，一般只适用于微生物活度稳定的空间。微生物在线监测可以直接反映场所内微生物水平的波动情况，一般方法是通过判断场所内的颗粒物浓度、温湿度、生物密度(如养殖场的牛羊)间接反映场所内有害微生物的活度。但这种间接方法得到的微生物活度是否能代表真实微生物活度仍然有待商榷，缺少科学数据的支撑。还有一部分学者试图引入碳纳米线、wibs等成熟的科研用微生物在线监测技术进入民用领域，但造价过于高昂。
3.微生物排放的挥发性有机物(vocs)是室内vocs的重要源头，监测微生物标志性vocs是在线监测微生物的一种经济、方便、快捷的替代性方法。例如，吲哚可以用来指征大肠杆菌，烟酸甲酯可以用来指征结核分歧杆菌，2
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壬酮可以用来指征绿脓杆菌等。乙醇、正丁醇、异戊醇、甲醛、乙醛、异丁醛、苯甲醛、丙酮、3
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羟基
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丁酮、2
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壬酮、乙酸、丙酸、3
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甲基
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丁酸、乙酸乙酯、丁酸乙酯、丁酸戊酯、吲哚、硫化氢、三甲胺是室内微生物释放的常见vocs，它们的组合可以很好的反映微生物的真实活度。使用标志性vocs检测微生物还有一个优点就是vocs浓度除了可以反映微生物活度之外，还能代表具体代谢过程的强度。所以，基于标志性vocs的微生物监测方法还适用于大规模微生物次级代谢物生产的应用场景。
4.然而，微生物标志性vocs的定性往往具有偶然性，一般在微生物浓度极高的场景下(例如畜牧场、发酵厂、医院等)才能发现vocs，且难以区分何种vocs来自于何种微生物。不同操作环境(改变温度、湿度、气体比例等微生物生长相关的因素)下目标微生物不同生长阶段标志性vocs的定量研究更是缺乏有效的手段。
5.目前尚无用于微生物释放气体采集的装置或者产品，下面对已有的几项用于微生物培养的方法或者设备进行描述。
6.中国在审的发明专利申请“多功能微生物培养装置及培养方法”(申请号：cn202010798321.6)提供了一种多功能微生物培养装置及培养方法，该装置可以控制微生物培养时的温度、湿度、光照，提供了多个微生物培养容器的放置位置，通过进风过滤单元保证进风质量，从而提升微生物的培养效率。中国实用新型专利cn209508262u公开了一种医学检验微生物培养设备，该设备划分出多个培养舱室，通过混合气罐和热交换管路配合调整进入培养舱室的气体的温度，从而调整培养舱室温度，能够同时培养多种微生物，且有利于保证培养舱内的温度的稳定。中国在审的发明专利申请“一种用于微生物培养的培养
系统及培养方法”(申请号：cn201911179552.2)提供了一种用于微生物培养的培养筒，通过设置温控舱，使培养筒内，特别是培养基质腔的温度都处于适宜微生物生长发育繁殖的温度，确保微生物良好的培育质量。然而，上述及类似微生物培养舱均不适用于微生物释放气体的采集及相关的定量研究，原因在于：1)无法实现将微生物释放的气体进行消毒后采集；2)只适用于一般的好氧菌，不适应于厌氧菌，也无法观察环境空气成分的变化对于微生物生长及气体释放的影响；3)没有独立的舱体内灭菌设计，有一定的微生物外泄风险；4)如果需要准确分析舱体内微生物释放的气体浓度，不可以打开舱体，只能在培养完成后对微生物进行一次计数，无法观察培养过程中微生物浓度的动态变化以及微生物每个生长阶段气体释放的水平。
7.如何同步实现不同操作条件下微生物不同生长阶段的浓度计数和气体采集，高效地定量分析环境条件、微生物种类、微生物生长阶段对于释放vocs种类和浓度的影响，是当下微生物释放气体采集领域需要解决的问题。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的是提供一种可以控制温度、湿度、光照、空气成分条件的微生物释放气体采集箱，以实现微生物的连续培养，以及任意时间的微生物计数和释放气体的采集分析。培养、计数、采集过程应安全、高效。
9.本实用新型的技术方案如下：
10.一种微生物释放气体采集箱，是一种实现微生物的连续的受控培养并采集培养期间释放的气体的装置，包括内舱、外舱、下层舱、紫外舱和采样管路，其中，内舱位于外舱内，下层舱位于外舱下面，紫外舱设置在外舱上面；在内舱内设置有用于放置微生物培养容器的容器底座，其附近安装有温湿度传感器；外舱上固定有空调，用于控制内舱温度；内舱为透明材质，在外舱和内舱之间安装有紫外消毒灯和光照控制组件；下层舱中设置有通向内舱的进气管路和蒸汽消毒管路，进气管路调整进入内舱气体的成分、湿度和换气量，蒸汽消毒管路用于将饱和水蒸气注入内舱进行消毒；所述采样管路从内舱连出，穿过外舱，连接于紫外舱；外舱上安装有电子组件，包括屏幕、按键和控制元件，用于控制采集箱各部件的运转。
11.上述微生物释放气体采集箱中，所述容器底座用于放置培养皿或者培养试管或者培养烧杯，优选由上下两部分组成，上部可切换成内扣底座或者不同尺寸的交错钢丝弹簧，用于不同培养容器的固定，下部为转动泵，满足部分微生物培养时的摇匀要求。优选的，容器底座固定于内舱底部中心位置，附近安装有温湿度传感器，内舱中安装有小风扇，保证空气充分混合，采集气体的代表性高。
12.上述微生物释放气体采集箱中，内舱和各管路及管路连接构件优选为透明teflon材料，或其它低吸附透明材料，材料的低吸附性降低微生物释放气体采集过程中的损耗。优选的，所述紫外消毒灯有两组，安装在外舱和内舱之间两处相对的位置上，用于培养完成后的内舱消毒。两组紫外消毒灯附近各设有一组光照控制组件，可以更换不同光照强度以影响某些微生物的生长速度。进一步的，在内外舱之间还固定有菌落计数器，菌落计数器的探头和视野放大装置直接对准容器底座中心。
13.进一步的，上述微生物释放气体采集箱还包括营养液注入管路和培养液吸出管
路，这两条管路均从外向内穿过外舱和内舱壁，直达微生物培养容器处。两条管路在远内舱端均设有开关，保证内舱与外部环境的隔离。
14.如果待培养微生物是好氧微生物，所述进气管路从外到内依次设有进气泵、流量计、活性碳罐、干燥组件、过滤膜、干湿管组合，这些部件均固定于下层舱中。如果待培养微生物是厌氧微生物或对空气成分有特殊需求的微生物，进气管路的进气泵应调整为气瓶。干燥组件可使用硅胶罐或者低温水箱降湿组件，或者其它具有干燥能力的组件。所述干湿管组合包括并列的湿管和干管，湿管连接有一个流量控制器和热水罐，流量控制器控制干管和湿管的流量比例，热水罐提供饱和水蒸气，二者配合起来用于改变进气和内舱的湿度。进气管路的流量计和活性碳罐分别用于控制内舱换气次数和避免外界气体对采集气体的影响，活性碳罐优选为至少两个串联，保证进气的洁净程度。过滤膜防止干燥组件内部颗粒堵塞管路和流量控制器。干管和湿管穿出下层舱，穿过外舱连接内舱，进入内舱前连接有向内舱的单向阀。本实用新型中所有单向阀均有两个功能：避免舱内微生物外泄和外界气体干扰采集气体的成分。
15.上述微生物释放气体采集箱中，所述蒸汽消毒管路从外向内依次设有进气泵、热水罐、单向阀，用于将饱和水蒸气注入内舱进行消毒。所有部件均固定于下层舱中，管路穿过下层舱和外舱底部连接于内舱。
16.上述微生物释放气体采集箱中，所述采样管路从内舱连出，穿过外舱，连接于紫外舱。从近内舱端向外依次设有细菌过滤器、单向阀、缓冲气袋，缓冲气袋位于紫外舱内。采样管路优选为透明teflon材料或其它透明低吸附材料。紫外舱内设有紫外灯，细菌过滤器和紫外舱内紫外灯配合对采集气体进行灭菌，进一步避免微生物从采样管路外泄的风险。缓冲气袋使得待采集气体与外界压力平衡，本身可从采集管路上取下作为气体容器，也可连接于气体采样器或其它主动性气体分析设备，对缓冲气袋内气体进行采样和分析。紫外舱安装有门，便于更换缓冲气袋。
17.内舱固定于外舱的一侧，在该侧设有舱门可开启外舱和内舱，方便放置微生物培养容器。舱门边沿安装有橡胶或其它密封材料，避免微生物或其释放气体外泄。外舱和下部舱一般为不透明的耐用金属材料。优选在下部舱底部四角安装有滑轮，便于移动。在下层舱靠近活性炭罐、干燥组件、热水罐处安装有舱门，便于更换耗材。
18.上述微生物释放气体采集箱中，所述电子组件优选安装于外舱顶部，电子组件包括屏幕、按键、控制元件。控制元件和所有泵、流量控制器、热水罐、紫外消毒灯、容器底座的转动泵、小风扇、温湿度传感器、菌落计数器、光照控制组件、屏幕、按键连接，所述按键包括设定键、确认键、返回键、上选键、下选键、开始键、转动键、计数键、消毒键，配合使用实现下述功能：
19.1)调节温度、湿度、光照、换气率、空气成分。配合设定键、确认键、返回键、上选键、下选键，屏幕显示设定培养需要的温度、湿度、光照、换气率。点击开始键后，控制元件控制进气管路热水罐将热水升温到100℃，小风扇开始启动进行舱内气体混匀，紫外舱内紫外灯开始照射。控制元件根据温度传感器反馈温度和设定温度，控制空调调节内舱温度；观察进气管路流量计，手动控制进气管路的进气泵调节换气率；控制元件根据湿度传感器反馈湿度和设定湿度，控制湿管流量控制器调节内舱中湿度；控制元件根据设定光照强度控制光照控制组件调节内舱光照。通过将进气管路的进气泵调整成气瓶或者其它制气设备，调节
内舱空气成分。
20.2)微生物连续培养。待内舱条件达到设定值后，将微生物培养容器固定于容器底座进行培养。如果微生物培养过程中需要摇动，可点击转动键，控制元件控制容器底座转动。如果需要延长培养时间，可从营养液注入管路向培养容器内注入培养液，然后控制容器底座转动一段时间混匀营养液。
21.3)气体采集和计数。微生物开始培养后，释放气体进入采样管路，本装置可实现在一次微生物培养的过程中进行多次气体采集和计数。气体采集和分析有三种方式：a.待气体充满采样管路缓冲气袋后，直接从紫外舱取下缓冲气袋，离线分析缓冲气袋中气体；b.使用采样器连接采样管路末端，采集缓冲气袋内气体；c.在线气体分析设备直接连接采样管路末端，分析缓冲气袋内气体。微生物计数根据培养方法不同，有两种方式：a.点击计数键，菌落计数器计算培养皿菌落数量，显示在屏幕上；b.从培养液吸出管路吸收出培养液进行微生物聚合酶链式反应(pcr)定量计数。
22.4)灭菌。培养完成后，为避免微生物外泄，并快速进入下一个培养流程，需对内舱及管路进行快速消毒。点击消毒键，控制元件控制进气管路所有组件、容器底座的转动泵、小风扇、温湿度传感器、光照控制组件停止工作，蒸汽消毒管路热水罐迅速升温至100℃，进气泵工作将蒸汽注入内舱和采样管路，蒸汽消毒不低于30分钟；控制元件同步控制紫外消毒灯对内舱和外舱内所有管路进行照射消毒不低于30分钟。
23.本实用新型的微生物释放气体采集箱是一种针对不同环境条件下处于不同生长阶段的微生物的气体排放进行精细化观察的装置，主要的技术效果体现在：1)通过紫外消毒灯、紫外舱、蒸汽消毒管路以及其它管路的细菌过滤器和单向阀相配合，完成了微生物排放气体的安全采集流程；2)准确控制微生物培养的温度、湿度、光照、空气成分条件，精细化分析环境条件对于微生物生长和排放气体的影响；3)可以在不影响微生物释放气体采集的情况下，通过内置菌落计数器、容器底座转动泵、营养液注入管路、培养液吸出管路的相互配合，完成了微生物的连续培养和多次计数，提高了分析微生物释放气体成分及影响因素的分析效率。
附图说明
24.图1是本实用新型实施例微生物释放气体采集箱的外观图；
25.图2是图1所示微生物释放气体采集箱a
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a方向的剖面视图；
26.图3是图1所示微生物释放气体采集箱b
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b方向的剖面视图；
27.图4是图1所示微生物释放气体采集箱的俯视图；
28.图5是图2所示微生物释放气体采集箱c
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c方向的剖面视图；
29.图1至图5中：1
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紫外舱门，2
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紫外舱，3
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采样管路，4
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缓冲气袋，5
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单向阀一，6
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细菌过滤器，7
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营养液注入管路，8
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培养液吸出管路，9
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控制元件，10
‑
屏幕，11～18
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控制键(包括设定键、确认键、返回键、上选键、下选键、开始键、转动键、计数键、消毒键)，19
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空调，20
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外舱，21
‑
外舱门，22
‑
菌落计数器，23
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内舱，24
‑
光照控制组件，25
‑
紫外消毒灯，26
‑
小风扇，27
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容器底座，28
‑
温湿度传感器，29
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蒸汽消毒管路，30
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单向阀二，31
‑
热水罐一，32
‑
气泵一，33
‑
下层舱，34
‑
进气管路，35
‑
流量控制器，36
‑
热水罐二，37
‑
湿管，38
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干管，39
‑
单向阀三，40
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过滤膜，41
‑
硅胶罐，42
‑
活性碳罐，43
‑
流量计，44
‑
气泵二，45
‑
下层舱门一，46
‑
下
层舱门二，47
‑
滑轮，48
‑
紫外舱紫外灯。
具体实施方式
30.下面结合附图，通过实施例进一步详细描述本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。
31.如图1至图5所示，本实施例用于微生物释放气体采集的装置主要由内舱23，外舱20，下层舱33，紫外舱2，空调19，紫外消毒灯25，光照控制组件24，菌落计数器22，采样管路3，蒸汽消毒管路29，进气管路34，营养液注入管路7，培养液吸出管路8和电子组件组成，其中：
32.内舱23位于外舱20内，下层舱33位于外舱20下面，紫外舱2设置在外舱20上面(图5)。在内舱23底部中心位置固定设置容器底座27，用于放置各类微生物培养器皿。容器底座27由上下两部分组成，上部用于不同培养器皿的固定，可根据培养器皿形状和大小设置成不同直径的内扣底座或者不同尺寸的交错钢丝弹簧；下部为转动泵，转动速度为60转/小时。容器底座27附近安装有温湿度传感器28。内舱23长宽高均为60厘米，一侧安装有转速为200转/分钟的小风扇26。设备开启后，小风扇26持续运转，保证内舱23内部气体混合，进入采样管路3的气体能够代表微生物释放的气体。
33.内舱20、所有管路和连接部分均使用透明teflon材料，管路均为6mm直径。teflon的低吸附性降低微生物释放气体采集过程中的损耗。外舱20为长宽高均为90厘米，内附厚度4厘米厚保温材料的钢质立方体，在外舱20和内舱23之间相对安装有两组紫外消毒灯25(图2)，可用于培养完成后内舱20的消毒。紫外消毒灯25的规格为功率15瓦，双端，无臭氧，管径26mm，长150mm。两组紫外消毒灯25附近各有一组光照控制组件24，使得微生物周围照度可以在0
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1000勒克斯之间调整，以观察其对微生物生长的影响。菌落计数器22固定于外舱20和内舱23之间，放大倍数为3级，像素为300万，其探头和视野放大装置直接对准容器底座27中心。外舱20正面设置外舱门21，背面固定有空调19(图1，图2)，连接于外舱20和内舱23之间，用于控制内舱23的温度，调节范围可达到10
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50℃。
34.如果待培养微生物是好氧微生物，进气管路34从远内舱23端到近内舱23端依次为气泵二44、流量计43、两个串联的活性碳罐42、两个串联的硅胶罐41、过滤膜40、并联的湿管37和干管38，均固定于下层舱33底部(图3)。下层舱33为高80厘米，长宽均为90厘米的钢质立方体，固定于外舱20下方。如果待培养微生物是厌氧微生物或对空气成分有特殊需求的微生物，气泵二44应调整为气瓶或其它制气装置，以满足要求。湿管37连接有一个流量控制器35和热水罐二36，流量控制器35控制湿管37和干管38的进气流量比例，热水罐36提供饱和水蒸气，二者配合起来用于改变进气和内舱23的湿度。进气管路34中的流量计43和活性碳罐42分别用于控制内舱23的换气次数和避免外界气体对采集气体的影响，活性炭罐42中使用6mm直径的椰壳活性炭。过滤膜40使用9.5mm的teflon膜，防止硅胶罐41内部颗粒堵塞管路和流量控制器35。湿管37和干管38穿出下层舱33，穿过外舱20连接内舱23，进入内舱23前连接有向内的单向阀三39(图2)。本实用新型所有单向阀均有两个功能：避免内舱23内微生物外泄和外界气体干扰采集气体的成分。
35.蒸汽消毒管路29从外向内依次为流量为0.6立方米/小时的气泵一32、热水温度100℃的热水罐一31、向内舱23的单向阀二30，用于将饱和水蒸气注入内舱23进行消毒(图
3，图5)。所有部件均固定于下层舱33底部，穿过下层舱33和外舱20底部连接于内舱23。采样管路3从内舱23连出，穿过外舱20，连接于紫外舱2。紫外舱2为长60厘米，宽15厘米，高40厘米的钢质立方体，固定于外舱20顶部，从近内舱23端向外依次为4毫米孔径的细菌过滤器6、单向阀一5、缓冲气袋4(图5)。缓冲气袋4为teflon材质，完全膨胀后为长50厘米，宽10厘米，高30厘米立方体，位于紫外舱2内部。细菌过滤器5和紫外舱2内紫外灯48配合对采集气体进行灭菌，进一步避免微生物从采样管路3外泄的风险。缓冲气袋4使得待采集气体与外界压力平衡，便于气体采样和分析。紫外舱2安装有紫外舱门1，便于更换缓冲气袋4。营养液注入管路7、培养液吸出管路8均从外向内穿过外舱20顶部，内舱23顶部，直达容器底座27上方微生物培养容器处(图5)。三条管路远内舱23端均有开关，保证内舱23与外部环境的隔离。
36.内舱23固定于外舱20一侧，有外舱门21可开启外舱20和内舱23，用于固定微生物培养容器(图2)。外舱门21和外舱20使用相同材料，长宽均为60厘米，边沿安装有橡胶或其它密封材料，避免微生物或其释放气体外泄。下层舱33底部四角各装有滑轮47(图5)，便于移动，近活性碳罐42和干燥罐41处安装有下层舱门一45、近热水罐处安装有下层舱门二46(图3)，便于更换耗材。外舱20顶部安装有电子组件，包括屏幕10、控制键11
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18(包括设定键、确认键、返回键、上选键、下选键、开始键、转动键、计数键、消毒键)、控制元件9。控制元件9和所有泵、流量控制器35、两个热水罐、紫外消毒灯25、容器底座27转动泵、小风扇26、温湿度传感器28、菌落计数器22、光照控制组件24、屏幕10、控制键11
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18连接，以实现下述功能：
37.通过下述方法，本实用新型可以实现不同控制条件下的微生物连续采样，以及过程中的多次计数和释放气体采集。以采集大肠杆菌释放气体的步骤为例，方法如下：
38.1)调节温度、湿度、光照、换气率、空气成分。配合设定键、确认键、返回键、上选键、下选键，显示屏设定培养温度为37℃、湿度40％rh、光照强度为50勒克斯。点击开始键16后，控制元件9控制热水罐二36将内部热水升温到100℃，启动小风扇26进行内舱23内气体混匀，紫外舱2内紫外灯48开始照射。控制元件9根据温湿度传感器28反馈温度和设定温度，控制空调19调节内舱23温度至37℃；控制元件9根据温湿度传感器28反馈湿度和设定湿度，逐步调节湿管37流量控制器35调节内舱23湿度达到40％rh；控制元件9控制光照控制组件24调节内舱23光照达到50勒克斯。观察进气管路34的流量计43，手动控制进气管路34的气泵二44达到0.216立方米/小时，即内舱23换气率达到1:1。
39.2)微生物连续培养。待内舱23条件达到设定值后，打开外舱门21，快速将容器底座27上部调整为孔径30毫米的交错钢丝弹簧，将大肠杆菌培养试管插入弹簧，迅速关闭外舱门21。连续培养48小时，不用增加培养液。
40.3)气体采集和计数。大肠杆菌开始培养后，释放气体进入采样管路3。在培养后1小时，4小时，12小时，24小时，48小时，待气体充满缓冲气袋4后，直接从紫外舱2取下缓冲气袋4，离线分析内部气体，更换新的缓冲气袋4于采样管路3。每个时间点对应进行大肠杆菌计数，方法为：点击转动键摇匀培养液5分钟，从培养液吸出管路8将1ml培养液吸出后进行pcr定量计数。
41.4)灭菌。培养完成后，为避免微生物外泄，并快速进入下一个培养流程，需对内舱23及管路进行快速消毒。点击消毒键，控制元件9控制进气管路34所有组件、容器底座27转动泵、小风扇26、温湿度传感器28、光照控制组件24停止工作，蒸汽消毒管路29热水罐一31
迅速升温至100℃，气泵一32工作，将蒸汽注入内舱23和采样管路3，蒸汽消毒60分钟；控制元件9同步控制紫外消毒灯25对内舱23和外舱20内所有管路进行照射消毒60分钟。