现场快速检测病原微生物气溶胶的机器人系统

1.本实用新型涉及一种现场快速检测病原微生物气溶胶的机器人系统，尤其涉及一种利用自主研发便携式大流量生物气溶胶气旋采样器集成配送机器人和便携式核酸扩增试验设备，对空气中多种低浓度病原微生物进行现场快速采集和检测的系统，可以广泛应用于室内外环境空气中诸如新型冠状病毒等低浓度病原微生物气溶胶的采集检测，特别是公共场所突发的多种病原微生物污染的快速采集和检测。


背景技术：

2.生物气溶胶是指悬浮在空气中的生物源颗粒物及其所在气体介质的总称，包含空气中的花粉、细菌、真菌和病毒等。生物气溶胶的暴露会对人体产生多种影响，可能造成粘膜刺激、过敏、感染等不利健康效应。
3.病原微生物的感染者可能释放大量有风险的生物气溶胶造成环境感染风险，例如感染新型冠状病毒的人和动物可能在呼吸、咳嗽等生理活动过程中向环境中排放含有病毒的生物气溶胶。但在公共场所中受人群活动、空调系统干扰和气溶胶扩散等因素影响，对类似新型冠状病毒气溶胶这类低浓度、高风险病原气溶胶暴露的检测和风险评估极其困难。因此需要适合于病原微生物特别是病毒气溶胶的大流量病毒气溶胶采集和快速检测方案来做出即时响应和预警。而传统的生物气溶胶采集方法往往流量小于100l/min，用于公共场所被稀释扩散的病原微生物气溶胶采集耗时长，降低了响应和预警速度。同时，在公共场所进行病原微生物气溶胶样品采集通常需要大量疾控工作者深入现场采样调查，也存在巨大的感染和病原传播扩散风险。因此，一种自动化的大流量的生物气溶胶快速富集和检测系统能够更方便有效安全地代替工作人员进行高风险、高传染性的公共场所病原微生物气溶胶的采集检测工作。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在提供一种基于便携式大流量生物气溶胶气旋采样器集成配送机器人实现病原微生物气溶胶的自动化采集，并利用核酸扩增检测设备快速检测多种病原微生物的现场快速检测系统，适用于公共场所中诸如新型冠状病毒等多种高风险、低浓度病原微生物气溶胶的快速检测与暴露评估。
5.本实用新型的主要技术原理是：利用配送机器人代替抗疫工作人员装备便携式大流量生物气溶胶气旋采样器进入具有病原微生物(如新型冠状病毒)暴露风险的公共场所如商场、医院内部进行巡逻采样，待采样完成后指令配送机器人将采集到的生物气溶胶样品运送到指定的实验室或低风险的清洁区域，由检测人员操作病原体核酸扩增检测设备快速检测样品中是否含有待测数种病原体并做出暴露风险评估和预警。整个系统在预先布置后可以方便快捷地对特定公共场所进行多种病原体的现场快速自动化检测，极大地减少防疫工作所需人员数量，减少二次暴露风险并提升响应速度。
6.本实用新型的技术方案如下：
7.一种现场快速检测病原微生物气溶胶的机器人系统，主要集成配送机器人、大流量生物气溶胶气旋采样器与核酸扩增检测设备，其中所述大流量生物气溶胶气旋采样器装配在配送机器人上；所述大流量生物气溶胶气旋采样器为特制的采样器，包括总悬浮颗粒物滤网、大流量风机、气体旋流管和样品采集管，所述气体旋流管的上部侧面设有进风管，所述总悬浮颗粒物滤网包覆在进风管端口，所述大流量风机位于气体旋流管顶端，样品采集管与气体旋流管的底端连接，样品采集管内盛有液体采样介质；配送机器人运送大流量生物气溶胶气旋采样器进行采样，采样完成后由配送机器人将采集到的生物气溶胶样品送至核酸扩增检测设备进行检测。
8.所述大流量生物气溶胶气旋采样器中，所述的总悬浮颗粒物滤网优选为金属网或合成纤维网，孔径为100微米。总悬浮颗粒物滤网包覆在采样器的进风管端口，优选的，所述进风管端口为漏斗状进风口。
9.所述大流量生物气溶胶气旋采样器中，所述的大流量风机优选为风量30～300cfm的微型大风量风机，尺寸为90
±
10mm
×
90
±
10mm
×
30
±
5mm，额定电压为7.0～24v，额定电流为0.3～6a。
10.所述大流量生物气溶胶气旋采样器中，所述的气体旋流管为一设切向进风口的圆筒主体和圆锥形漏斗状下部组成的气旋管道，所有连接处均为相切连接，材质为金属、有机树脂或玻璃，管道内壁光滑。优选的，圆筒主体内径为55
±
10mm，长150
±
50mm，下部圆锥形漏斗的圆锥角为25
±5°
，长100
±
20mm，出口直径为20
±
5mm；切向进风口设方形短管，长50
±
10 mm，内尺寸为20
±
5mm
×
15
±
5mm。
11.所述大流量生物气溶胶气旋采样器中，所述的样品采集管优选为底部为半球形的圆柱状硬质管，材料可为玻璃、有机树脂等材料，内径为20
±
5mm，长度为50
±
10mm，开口处有外螺纹，与气体旋流管底端螺纹连接。
12.所述的配送机器人可选择商用配送机器人，包括底座、载物托盘、承重臂、避障传感器和驱动轮，其中载物托盘为固定在配送机器人承重臂上的硬质托盘，其材质可以为金属、木头或热固塑料等，托盘边缘上翘防止托盘内的物品滑落。所述大流量生物气溶胶气旋采样器置于所述载物托盘上。
13.所述的承重臂为商用配送机器人的主体骨架，为与铝合金或钢结构的底座连接的且与地面具有一定夹角的支架，承重臂上设有多个固定位点用于安装载物托盘。
14.所述的避障传感器内置于底座或承重臂上的无遮挡部位，可以为视觉传感器、激光传感器、红外传感器或超声波传感器等之一或同时选用多种传感器。
15.所述的驱动轮位于底座底部，通常为四个带有驱动、转向和制动功能的橡胶滚轮，受路线设定程序和避障传感器的导航控制。
16.所述的核酸扩增检测设备优选为商用便携式多通道恒温荧光检测仪，其主要特征为具备温度设定和程序升温功能的荧光检测设备，上部设置有可放置200微升商用八联管或96孔板的金属加热槽和保温盖，用于病原体核酸扩增的温度控制和结果检测，检测仪可由锂电池或外接电源供电。
17.将大流量生物气溶胶气旋采样器采集到的样品放入用于恒温扩增的离心管中，用核酸扩增检测设备进行检测。所述离心管可以选择200微升的聚丙烯或聚乙烯材质离心管，规格与商用便携式多通道恒温荧光检测仪配套，无dna和rna及对应酶，无热原，并配备平顶
盖或封板膜。
18.本实用新型提供一种现场快速检测病原微生物气溶胶的机器人系统，利用商用配送机器人集成便携式大流量生物气溶胶气旋采样器和便携式核酸扩增检测设备，可以对环境空气中的多种低浓度病原微生物气溶胶进行快速富集和现场检测，能够在各种公共场所和待监测地点进行现场地毯式自动化采样和分析，并在一小时内给出环境中是否存在多种病原微生物感染风险。该系统对于公共健康和防疫有着很高的应用价值。在显著减少采样人员被感染风险同时，大流量富集得到的样品具有更好代表性，解决了环境空气监测中核酸扩增样本量不足的问题。主要特点是：
19.(1)该系统采用商用配送机器人携带自主研发便携式大流量生物气溶胶气旋采样器，能够在快速移动的同时以400升每分钟的流量全方位富集一定环境范围内空气中的生物气溶胶颗粒，并且该采样器的切割粒径为0.58微米，对于可能含有新型冠状病毒的气溶胶细颗粒有很高的捕集效率，在特定环境能够确保采集到具有很好代表性和足以进行核酸扩增的样品。
20.(2)该系统利用商用配送机器人集成自主研发便携式大流量生物气溶胶气旋采样器进行样品采集，为实现公共场所环境空气暴露风险评估提供自动化的样品采集，最大程度避免了工作人员直接进入风险环境采样造成的新型冠状病毒气溶胶的感染和传播，为世界上首次利用机器人采集新冠病毒气溶胶，实现了无人化病原微生物采集。
21.(3)该系统集成商业化便携式的病原体核酸恒温荧光检测设备与机器人采样器，能够在现场开展空气中病原体的检测，并且能够在30分钟给出样品是否含有多种病原体的可靠信息，最大程度节约了暴露风险评估的时间，提高了对于新型冠状病毒暴露的响应和预警速度；该系统集成大流量采样技术，解决了环境空气病原体核酸扩增时样本量不足的难题。
附图说明
22.图1是本实用新型现场快速检测病原微生物气溶胶的机器人系统的结构示意图，其中：1
‑
总悬浮颗粒物滤网，2
‑
大流量风机，3
‑
气体旋流管，4
‑
样品采集管，5
‑
载物托盘，6
‑
承重臂， 7
‑
避障传感器，8
‑
驱动轮，9
‑
病原体核酸恒温荧光检测仪，10
‑
离心管。
具体实施方式
23.下面结合附图，通过实施例进一步详细描述本实用新型的技术方案，但不以任何方式限制本实用新型的保护范围。
24.如图1所示，本实施例的现场快速检测病原微生物气溶胶的机器人系统包括三大部分：
25.a)大流量生物气溶胶气旋采样器，其包括总悬浮颗粒物滤网1、大流量风机2、气体旋流管3和样品采集管4，其中气体旋流管3的上部侧面设有进风管，进风管端口为，所述总悬浮颗粒物滤网为金属网或合成纤维网，孔径为100微米，包覆在漏斗状进风口处；所述大流量风机2尺寸为97mm
×
94mm
×
33mm，额定电压12v，额定电流6a，风量300cfm，设置在气体旋流管3顶端；所述的气体旋流管3由具有一切向进风口的圆筒和下部的圆锥形漏斗组成气旋管道，所有连接处均为相切连接，材质为金属、有机树脂或玻璃，管道内壁光滑，上部的圆
筒内径为55mm，长150mm，下部圆锥形漏斗部分的圆锥角为25
°
，长100mm，出口直径为20mm；圆筒上的切向进风口设方形短管，长50mm，内尺寸为20mm
×
15mm；所述样品采集管4为一底部为半球形的圆柱状硬质管，直径为20mm，长度为50mm，开口处设有外螺纹，与气体旋流管3底端螺纹相接，在样品采集管4内盛有液体采样介质；
26.b)配送机器人，其包括载物托盘5、承重臂6、避障传感器7和驱动轮8和底座；承重臂6是与底座连接且与地面具有一定夹角的支架，载物托盘5为固定在配送机器人承重臂6上的硬质托盘，避障传感器7内置于底座前端，四个带有驱动、转向和制动功能的驱动轮8安装在底座底部，
27.c)病原体核酸恒温荧光检测仪9为具备温度设定和程序升温功能的荧光检测设备，上部设置有可放置200微升商用八联管或96孔板的金属加热槽和保温盖，用于病原体核酸扩增的温度控制和结果检测，检测仪由锂电池或外接电源供电；大流量生物气溶胶气旋采样器采集到的样品放置在用于恒温扩增的离心管10中，离心管10为200微升的聚丙烯或聚乙烯材质的八联管。生物气溶胶样品采集前需要为配送机器人制定好采样路线和计划，并且在需检测的场所布设配送机器人定位点；也可以通过监控设备直接遥控和规划机器人的采样路线。在采样前和采样后均需要对机器人外表面、采样器外表面和内部结构进行彻底的消毒和清洗，并且完成机器人和采样器的充电。
28.采样时将采样器固定在配送机器人的载物托盘5上，将配送机器人布置在初始定位点后开启采样器开关进行连续采样，配送机器人将开始自动行进并地毯式采集沿途环境空气中的颗粒物。配送机器人的初始定位点设置在待测场所外部，以免工作人员进入造成感染风险。
29.配送机器人在采样结束后自动行进到定位终点。定位终点一般需设置在待测场所外部或特定实验室内。采样结束后工作人员取得生物气溶胶样品，加入准备好的预混反应试剂后可直接放入病原体核酸恒温荧光检测仪9进行分析，30分钟后得到是否含有多种病原微生物的结果。