專利名稱：一種實時監(jiān)測生物氣溶膠的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物氣溶膠實時監(jiān)測系統(tǒng)和方法，主要可用于實時監(jiān)測空氣中的致病原(包括病毒、細菌、過敏原等)，從而在防范大型流感疫情、生物恐怖活動等生物危險時發(fā)揮作用，也可以用于動態(tài)表征空氣中微生物的變化等。
背景技術(shù)：
生物氣溶膠的呼吸暴露造成了很多健康問題，近年來大規(guī)模的流感爆發(fā)比如2003 年的SARS和2009年的Hmi的流感，造成了巨大的生命財產(chǎn)和經(jīng)濟損失。為了更好地防范和抵御這些危險，迫切需要一種能夠?qū)諝庵胁《?、細菌進行實時監(jiān)測的技術(shù)，然而這是個長久以來的技術(shù)難題。過去幾年很多技術(shù)曾被嘗試用來實現(xiàn)生物氣溶膠的在線監(jiān)測，其中包括質(zhì)譜技術(shù)，表面增強的拉曼技術(shù)，細胞流式儀，還有基于熒光的Ultraviolet Aerodynamic ParticleSizer(UVAPS)等，但是這些技術(shù)很難實現(xiàn)對空氣中微生物的甄別或者存在著很高的假陽性等問題。雖然基因擴增的出現(xiàn)使得監(jiān)測空氣中的微生物的準(zhǔn)確性大大提高，但是這些體系很難和采樣技術(shù)等集成為自動監(jiān)測系統(tǒng)。納米材料/結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的獨特的力、電、熱、光、磁等性能，可以實現(xiàn)新功能或突破常規(guī)器件的性能極限，實現(xiàn)具有新原理或高性能(如高靈敏度、低功耗、低噪聲)的納米器件和系統(tǒng)。硅納米線作為一維納米結(jié)構(gòu)的一種，具有如電子輸運、場發(fā)射特性、表面活性和量子限制等許多與體硅材料不同的優(yōu)異性質(zhì)，因而在低維納米器件制作方面具有很廣泛的應(yīng)用前景。通過摻雜可有效地控制其半導(dǎo)體導(dǎo)電性能。近年，基于納米線的場效應(yīng)晶體管已經(jīng)成功地應(yīng)用在監(jiān)測水中的流感病毒和平行監(jiān)測幾種生物蛋白。但這些研究主要針對液體介質(zhì)中的微生物監(jiān)測，目前還沒有報道利用硅納米線場效應(yīng)晶體管在線監(jiān)測生物氣溶膠的研究。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的問題，本發(fā)明旨在通過集成生物氣溶膠采樣、微流控技術(shù)和生物檢測、微弱信號放大等技術(shù)，實現(xiàn)對空氣中致病原的在線監(jiān)測，填補了該領(lǐng)域的空白。本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下方案1 一種實時監(jiān)測生物氣溶膠的系統(tǒng)(如圖1所示)，其特征在于，包括三部分-樣品采集及輸送單元，包括采樣器1、樣品輸送管2、蠕動泵9、樣品收集容器10 和采樣介質(zhì)容器11 ；所述采樣器1實現(xiàn)對生物氣溶膠的采集，然后通過采樣介質(zhì)在蠕動泵 9的作用下通過樣品輸送管2完成樣品的輸送，并經(jīng)微流控4、生物芯片3，最后輸送到樣品收集容器10 ；-信號檢測及處理單元，包括前置放大器6、鎖相放大器7、集成有硅納米線生物傳感器5的生物芯片3和微流控4 ；-數(shù)據(jù)輸出與顯示單元，包括和鎖相放大器7相連的電腦主機和顯示器；所述電腦主機上安裝有用于對鎖放的數(shù)據(jù)進行傳輸控制、信號后處理及結(jié)果顯示的軟件。方案2 作為方案1的一種優(yōu)選實現(xiàn)，其特征在于，所述采樣器1為靜電場采樣器 (如圖3所示)，包括半球形電極101，圓形電極102，樣品采集槽104 ；其中，半球形電極 101被固定在絕緣底座106上，圓形電極102位于絕緣底座106上半球形電極101的球心位置，所述樣品采集槽104位于圓形電極102的上方；半球形電極101頂部有多個空氣進口 111 ；在絕緣底座106上設(shè)有兩個空氣出口 110 ；在樣品采集槽104內(nèi)有一個樣品輸送出口 108和一個采集液輸入口 109。方案3 作為方案1的一種優(yōu)選實現(xiàn)，其特征在于，所述信號檢測及處理單元中，金屬探針接觸器件的微電極，由金屬探針引線連接輸入電信號施加到芯片電極上，同時引出被檢測信號輸入給測量儀器(前置放大器6和鎖相放大器7)；其中，兩個金屬探針分別連接某一個硅納米線生物傳感器的源漏電極，金屬探針與鎖相放大器7和前置放大器6之間用電纜連接，一個金屬探針與鎖相放大器7的參考輸出相連，另一個探針輸出經(jīng)前置放大器6連接到鎖相放大器7的電壓輸入口。參考輸出信號最大幅值為5V，最高頻率為IOOkHz。方案4 作為方案1的一種優(yōu)選實現(xiàn)，其特征在于，所述生物芯片3的電極表面材料為Au，為減小探針與微電極間的接觸電阻，選用探針針尖材料為Au的復(fù)合金屬。方案5 作為方案4的一種優(yōu)選實現(xiàn)，其特征在于，所述探針針尖的針尖曲率半徑為 25 μ m0方案6 作為方案2的一種優(yōu)選實現(xiàn)，其特征在于，所述樣品采集及輸送單元中，蠕動泵9的泵頭為雙管輸出，其中一個軟管的一端連接采樣介質(zhì)(例如，無菌水)，另一端連接采樣器1的樣品采集槽104輸入接口 ；另一個軟管的一端連接樣品采集槽104輸出接口， 另一端連接到生物芯片3上的微流控4的入口上。設(shè)置一定的轉(zhuǎn)速，蠕動泵運行過程中將采集到的空氣樣品從采樣器的采集槽通過微流控4輸送到生物芯片表面，最后通過微流控 4的出口將樣品輸送到樣品采集瓶10，同時對采集槽中的采樣介質(zhì)進行補充。通過調(diào)節(jié)蠕動泵的轉(zhuǎn)速可改變樣品流過芯片的速度。方案7 作為方案1的一種優(yōu)選實現(xiàn)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)輸出與顯示單元中，為了實時顯示檢測信號，同時考慮后續(xù)可能的多通道檢測，采用可擴展的GPIB卡及專用電纜連接鎖相放大器7與電腦主機；電纜與鎖相放大器7的RS232串口相連；所述電腦主機上安裝有計算機軟件，該軟件實現(xiàn)對鎖放的數(shù)據(jù)傳輸控制、信號后處理、結(jié)果顯示；程序界面包括輸入?yún)⒖茧妷褐?，采樣點數(shù)/采樣時間，放大倍數(shù)，儀器表盤顯示以及換算后所測得的電導(dǎo)變化曲線，并可對實時監(jiān)測測的數(shù)據(jù)保存。方案8 作為方案7的一種優(yōu)選實現(xiàn)，其特征在于，所述計算機軟件具有在檢測到待檢物時觸發(fā)報警的功能。這樣即使在無人值守的情況下也可以實現(xiàn)對微生物的實時監(jiān)控。本發(fā)明同時提供了一種利用方案1所述系統(tǒng)進行實時監(jiān)控的方法，方案如下方案9 一種利用方案1所述的系統(tǒng)進行實時監(jiān)測生物氣溶膠的方法，其特征在于，包括如下步驟a)針對所監(jiān)測的對象微生物A (例如病毒、細菌、過敏原等)，對生物芯片3進行特異性抗體修飾；b)啟動系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境樣品的連續(xù)采樣、樣品的實時輸送、硅納米線導(dǎo)電性能的實時顯示；
c)當(dāng)采集到的空氣樣品中有檢測對象微生物A時，在顯示系統(tǒng)中顯示出硅納米線的導(dǎo)電性發(fā)生明顯的變化，遠遠高于硅納米線本身或陰性空氣樣品的對應(yīng)的導(dǎo)電性，基于抗體的特異性，電導(dǎo)值顯著發(fā)生變化的現(xiàn)象能夠證實檢測對象微生物A的存在。方案10 作為方案9的一種優(yōu)選實現(xiàn)，其特征在于，在檢測到微生物A存在后，由電腦啟動報警。這樣即可實現(xiàn)無人值守時的報警。本發(fā)明的有益效果該發(fā)明提供了生物氣溶膠在線監(jiān)測領(lǐng)域的新方法，首次實現(xiàn)了利用生物芯片在線監(jiān)測生物氣溶膠，監(jiān)測時間遠遠短于現(xiàn)有大部分技術(shù)，實現(xiàn)了對空氣中流感病毒的實時監(jiān)測，不僅可以甄別種類，而且還可以定量。在醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)、飛機場、機場關(guān)口和防范流感和生物恐怖活動上有重要的應(yīng)用價值。


圖1在線生物氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2在線監(jiān)測空氣中的流感病毒(H3N2亞型)樣例。圖3靜電場采樣器結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖1中標(biāo)記說明如下

圖3中標(biāo)記說明如下
具體實施例方式參照圖1所示的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明實現(xiàn)了一個具體的系統(tǒng)靜電場采樣器1通過樣品輸送管2連接生物芯片3，在生物芯片3上有微流控通道4，其上集成多個硅納米線生物傳感器5，在生物芯片3上還連接有信號前置放大器6以及信號鎖相放大器7 (信號前置放大器 6和信號鎖相放大器7也相連)，信號鎖相放大器7上安裝有電腦LabView信號顯示程序8， 用于顯示監(jiān)測結(jié)果；靜電場采樣器1通過另一根樣品輸送管2和一個蠕動泵9相連，用以實現(xiàn)采樣介質(zhì)的實時傳送；蠕動泵9的兩端分別連接樣品收集瓶10和采樣液瓶11 ；在靜電場采樣器的底座上接有一個真空泵12，用以驅(qū)動空氣在采樣器中的流通；靜電場采樣器1和高壓直流電源13相連，用以驅(qū)動采樣器工作。所述靜電場采樣器1是一種基于靜電場的空氣采樣器(如圖3所示)，其特征在于，包括半球形電極101，圓形電極102，樣品采集槽104 ；其中，半球形電極101被固定在絕緣底座106上，圓形電極102位于絕緣底座106上半球形電極101的球心位置，所述樣品采集槽104位于球形電極102的上方；半球形電極101頂部有多個空氣進口 111 ；在絕緣底座106上設(shè)有多個空氣出口 110 ；在樣品采集槽104內(nèi)有一個樣品輸送出口 108和一個采集液輸入口 109。圖中103為外加電壓接口，105為顆粒充電器，107為把半球形電極101固定到絕緣底座106上的螺絲母。本靜電場采樣器利用靜電場使采樣空間內(nèi)空氣中帶電荷微生物在電場作用下，沿電場方向集中沉積于半球中心相對較小區(qū)域的液體介質(zhì)中，從而實現(xiàn)采樣的目的。所述信號前置放大器6為LI76 (NF)，信號鎖相放大器7為LI5640 (NF)，真空泵12 為SKC泵，生物芯片3由硅納米線陣列構(gòu)成，數(shù)據(jù)接口為AgilentPCI-GPIB82350B。傳感器芯片5的電極表面材料為Au，為減小探針與微電極間的接觸電阻，選用針尖材料為Au的復(fù)合金探針(針尖曲率半徑為25 μ m)。金屬探針與鎖相放大器和前置放大器之間用BNC接口電纜連接。其中一個金屬探針與鎖相放大器的參考輸出相連，另一個金屬探針經(jīng)前置放大器連接到鎖相放大器的電壓輸入口。參考輸出信號最大幅值為5V，最高頻率為IOOkHz。監(jiān)測方法如下(以流感病毒H3N2為例)(1)首先針對所監(jiān)測的對象(H3N2)，對生物芯片進行特異性抗體(H3N2流感病毒抗體)修飾；(2)啟動系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境樣品的連續(xù)采樣、樣品的實時輸送、硅納米線導(dǎo)電性能的實時顯示；(3)當(dāng)采集到的空氣樣品中有流感病毒時，硅納米線的導(dǎo)電性會發(fā)生明顯的變化， 遠遠高于硅納米線本身或陰性空氣樣品的對應(yīng)的導(dǎo)電性，基于抗體的特異性，電導(dǎo)值顯著發(fā)生變化的現(xiàn)象能夠證實流感病毒的存在。對生物芯片進行特異性抗體(H3N2流感病毒抗體)修飾，主要由4步完成第一步，室溫下，納米器件和戊二醛(5%的戊二醛，pH = 8)反應(yīng)1小時，再用磷酸鹽緩沖液 (IOmM, pH = 8)沖洗5分鐘。第二步，H3N2抗體(0. lmg/ml抗體溶液，pH = 8，包含4mM sodiumcyanoborohydride)包被納米器件，反應(yīng)條件為4°C，14小時。這個過程中，抗體末端的氨基基團和納米器件表面的醛基基團結(jié)合。第三步，用磷酸鹽緩沖液(10mM，pH = 8)沖洗5分鐘。第四步，利用正丙胺溶液(IOOmM正丙胺，pH = 8)包被納米器件，時間2小時。 利用正丙胺的氨基基團封閉納米器件表面沒有和抗體結(jié)合的醛基基團。當(dāng)空氣中出現(xiàn)相應(yīng)的微生物后，被采樣器采集凝縮，進入芯片檢測部分，發(fā)生抗原-抗體免疫結(jié)合反應(yīng)，出現(xiàn)的生物信號經(jīng)過前置放大以及鎖相放大，轉(zhuǎn)換為電信號，即實現(xiàn)了在線監(jiān)測。圖2為在線監(jiān)測流感病毒(H3N2亞型)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)圖中的信息，當(dāng)空氣中存在流感病毒(H3N2亞型)時，整個系統(tǒng)在1-3分鐘時間內(nèi)可顯示硅納米線顯著的電導(dǎo)變化， 與此同時，根據(jù)基因擴增的結(jié)果表明，空氣中流感病毒濃度高的樣品對應(yīng)著較高的硅納米線導(dǎo)電性。該系統(tǒng)不僅可用于監(jiān)測病毒，而且同樣可以對空氣中的細菌和過敏原等生物成分進行在線監(jiān)測。在檢測時間上遠遠超過其它傳統(tǒng)技術(shù)，比如基因擴增常常需要2-3個小時。綜上，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明通過對硅納米線生物傳感器、微流控、空氣連續(xù)采樣和信號鎖相放大等技術(shù)的集成，形成了生物氣溶膠實時監(jiān)測系統(tǒng)，研究結(jié)果表明當(dāng)空氣中有流感病毒存在時， 該系統(tǒng)在1-3分鐘內(nèi)能顯示預(yù)警信號；(2)該系統(tǒng)集成了不同領(lǐng)域的技術(shù)包括環(huán)境采樣、微流控輸送系統(tǒng)、納米技術(shù)和檢測信號的放大與顯示；(3)該系統(tǒng)為一個不需要人工監(jiān)管的自動實時監(jiān)測體系，可實現(xiàn)對空氣中生物物種的實時甄別和定量。
權(quán)利要求
1.一種實時監(jiān)測生物氣溶膠的系統(tǒng)，其特征在于，包括三部分-樣品采集及輸送單元，包括采樣器(1)、樣品輸送管O)、蠕動泵(9)、采樣介質(zhì)容器(II)、樣品收集容器(10)；所述采樣器(1)實現(xiàn)對生物氣溶膠的采集，然后通過采樣介質(zhì)在蠕動泵(9)的作用下通過樣品輸送管(2)完成樣品的輸送，并經(jīng)微流控G)、生物芯片(3)， 最后輸送到樣品收集容器(10)；-信號檢測及處理單元，包括前置放大器(6)、鎖相放大器(7)、集成有硅納米線生物傳感器(5)的生物芯片(3)；-數(shù)據(jù)輸出與顯示單元，包括和鎖相放大器(7)相連的電腦主機和顯示器；所述電腦主機上安裝有用于對鎖放的數(shù)據(jù)進行傳輸控制、信號后處理及結(jié)果顯示的軟件。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述采樣器(1)為靜電場采樣器，包括半球形電極(101)，圓形電極(102)，樣品采集槽(104)；其中，半球形電極(101)被固定在絕緣底座(106)上，圓形電極(10 位于絕緣底座(106)上半球形電極(101)的球心位置，所述樣品采集槽(104)位于圓形電極(102)的上方；半球形電極(101)頂部有多個空氣進口(III)；在絕緣底座(106)上設(shè)有兩個空氣出口(110)；在樣品采集槽(104)內(nèi)有一個樣品輸送出口(108)和一個采集液輸入口(109)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號檢測及處理單元中，金屬探針接觸器件的微電極，由金屬探針引線連接輸入電信號施加到芯片電極上，同時引出被檢測信號輸入給測量儀器；其中，兩個金屬探針分別連接某一個硅納米線生物傳感器的源漏電極，金屬探針與鎖相放大器(7)和前置放大器(6)之間用電纜連接，一個金屬探針與鎖相放大器(7)的參考輸出相連，另一個金屬探針經(jīng)前置放大器(6)連接到鎖相放大器(7)的電壓輸入□。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物芯片(3)的電極表面材料為Au，金屬探針針尖材料為Au的復(fù)合金屬。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬探針針尖的針尖曲率半徑為 25 μ m0
6.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述樣品采集及輸送單元中，蠕動泵(9)的泵頭為雙管輸出，其中一個軟管的一端連接采樣介質(zhì)，另一端連接采樣器(1)的樣品采集槽(104)輸入接口 ；另一個軟管的一端連接樣品采集槽(104)輸出接口，另一端連接到生物芯片⑶上的微流控⑷的出口上。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)輸出與顯示單元中，采用可擴展的 GPIB卡及專用電纜連接鎖相放大器(7)與電腦主機；電纜與鎖相放大器(7)的RS232串口相連；所述電腦主機上安裝有計算機軟件，該軟件實現(xiàn)對鎖放的數(shù)據(jù)傳輸控制、信號后處理、結(jié)果顯示；程序界面包括輸入?yún)⒖茧妷褐?，采樣點數(shù)/采樣時間，放大倍數(shù)，儀器表盤顯示以及換算后所測得的電導(dǎo)變化曲線，并可對實時檢測的數(shù)據(jù)保存。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機軟件具有在檢測到待檢物時觸發(fā)報警的功能。
9.一種利用權(quán)力要求1所述的系統(tǒng)進行實時監(jiān)測生物氣溶膠的方法，其特征在于，包括如下步驟a)針對所監(jiān)測的對象微生物A，對生物芯片C3)進行特異性抗體修飾；b)啟動系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境樣品的連續(xù)采樣、樣品的實時輸送、硅納米線導(dǎo)電性能的實時顯示；c)當(dāng)采集到的空氣樣品中有檢測對象微生物A時，在顯示系統(tǒng)中顯示出硅納米線的導(dǎo)電性發(fā)生明顯的變化，遠遠高于硅納米線本身或陰性空氣樣品的對應(yīng)的導(dǎo)電性，基于抗體的特異性，電導(dǎo)值顯著發(fā)生變化的現(xiàn)象能夠證實檢測對象微生物A的存在。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在檢測到微生物A存在后，由電腦啟動報SfcΡ 。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種實時監(jiān)測生物氣溶膠的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的系統(tǒng)包括A、樣品采集及輸送單元，包括采樣器(1)、樣品輸送管(2)、蠕動泵(9)、采樣介質(zhì)容器；B、信號檢測及處理單元，包括前置放大器(6)、鎖相放大器(7)、集成有生物傳感器(5)的生物芯片(3)；C、數(shù)據(jù)輸出與顯示單元，包括和鎖相放大器(7)相連的電腦主機和顯示器。本發(fā)明所提供的系統(tǒng)和方法主要可用于實時監(jiān)測空氣中的致病原(包括病毒、細菌、過敏原等)，從而在防范大型流感疫情、生物恐怖活動等生物危險時發(fā)揮作用，也可以用于動態(tài)表征空氣中微生物的變化等。
文檔編號C12M1/34GK102174382SQ201110020450
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者朱彤, 申芳霞, 要茂盛, 譚苗苗 申請人:北京大學(xué)