本发明专利技术公布了一种实时监测生物气溶胶的系统和方法。本发明专利技术的系统包括：A、样品采集及输送单元，包括采样器(1)、样品输送管(2)、蠕动泵(9)、采样介质容器；B、信号检测及处理单元，包括前置放大器(6)、锁相放大器(7)、集成有生物传感器(5)的生物芯片(3)；C、数据输出与显示单元，包括和锁相放大器(7)相连的电脑主机和显示器。本发明专利技术所提供的系统和方法主要可用于实时监测空气中的致病原(包括病毒、细菌、过敏原等)，从而在防范大型流感疫情、生物恐怖活动等生物危险时发挥作用，也可以用于动态表征空气中微生物的变化等。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种生物气溶胶实时监测系统和方法，主要可用于实时监测空气中的致病原(包括病毒、细菌、过敏原等)，从而在防范大型流感疫情、生物恐怖活动等生物危险时发挥作用，也可以用于动态表征空气中微生物的变化等。
技术介绍
生物气溶胶的呼吸暴露造成了很多健康问题，近年来大规模的流感爆发比如2003 年的SARS和2009年的Hmi的流感，造成了巨大的生命财产和经济损失。为了更好地防范和抵御这些危险，迫切需要一种能够对空气中病毒、细菌进行实时监测的技术，然而这是个长久以来的技术难题。过去几年很多技术曾被尝试用来实现生物气溶胶的在线监测，其中包括质谱技术，表面增强的拉曼技术，细胞流式仪，还有基于荧光的Ultraviolet Aerodynamic ParticleSizer(UVAPS)等，但是这些技术很难实现对空气中微生物的甄别或者存在着很高的假阳性等问题。虽然基因扩增的出现使得监测空气中的微生物的准确性大大提高，但是这些体系很难和采样技术等集成为自动监测系统。纳米材料/结构表现出的独特的力、电、热、光、磁等性能，可以实现新功能或突破常规器件的性能极限，实现具有新原理或高性能(如高灵敏度、低功耗、低噪声)的纳米器件和系统。硅纳米线作为一维纳米结构的一种，具有如电子输运、场发射特性、表面活性和量子限制等许多与体硅材料不同的优异性质，因而在低维纳米器件制作方面具有很广泛的应用前景。通过掺杂可有效地控制其半导体导电性能。近年，基于纳米线的场效应晶体管已经成功地应用在监测水中的流感病毒和平行监测几种生物蛋白。但这些研究主要针对液体介质中的微生物监测，目前还没有报道利用硅纳米线场效应晶体管在线监测生物气溶胶的研究。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术旨在通过集成生物气溶胶采样、微流控技术和生物检测、微弱信号放大等技术，实现对空气中致病原的在线监测，填补了该领域的空白。本专利技术提供的技术方案如下方案1 一种实时监测生物气溶胶的系统(如图1所示)，其特征在于，包括三部分-样品采集及输送单元，包括采样器1、样品输送管2、蠕动泵9、样品收集容器10 和采样介质容器11 ；所述采样器1实现对生物气溶胶的采集，然后通过采样介质在蠕动泵 9的作用下通过样品输送管2完成样品的输送，并经微流控4、生物芯片3，最后输送到样品收集容器10 ；-信号检测及处理单元，包括前置放大器6、锁相放大器7、集成有硅纳米线生物传感器5的生物芯片3和微流控4 ；-数据输出与显示单元，包括和锁相放大器7相连的电脑主机和显示器；所述电脑主机上安装有用于对锁放的数据进行传输控制、信号后处理及结果显示的软件。方案2 作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述采样器1为静电场采样器 (如图3所示)，包括半球形电极101，圆形电极102，样品采集槽104 ；其中，半球形电极 101被固定在绝缘底座106上，圆形电极102位于绝缘底座106上半球形电极101的球心位置，所述样品采集槽104位于圆形电极102的上方；半球形电极101顶部有多个空气进口 111 ；在绝缘底座106上设有两个空气出口 110 ；在样品采集槽104内有一个样品输送出口 108和一个采集液输入口 109。方案3 作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述信号检测及处理单元中，金属探针接触器件的微电极，由金属探针引线连接输入电信号施加到芯片电极上，同时引出被检测信号输入给测量仪器(前置放大器6和锁相放大器7)；其中，两个金属探针分别连接某一个硅纳米线生物传感器的源漏电极，金属探针与锁相放大器7和前置放大器6之间用电缆连接，一个金属探针与锁相放大器7的参考输出相连，另一个探针输出经前置放大器6连接到锁相放大器7的电压输入口。参考输出信号最大幅值为5V，最高频率为IOOkHz。方案4 作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述生物芯片3的电极表面材料为Au，为减小探针与微电极间的接触电阻，选用探针针尖材料为Au的复合金属。方案5 作为方案4的一种优选实现，其特征在于，所述探针针尖的针尖曲率半径为 25 μ m0方案6 作为方案2的一种优选实现，其特征在于，所述样品采集及输送单元中，蠕动泵9的泵头为双管输出，其中一个软管的一端连接采样介质(例如，无菌水)，另一端连接采样器1的样品采集槽104输入接口 ；另一个软管的一端连接样品采集槽104输出接口， 另一端连接到生物芯片3上的微流控4的入口上。设置一定的转速，蠕动泵运行过程中将采集到的空气样品从采样器的采集槽通过微流控4输送到生物芯片表面，最后通过微流控 4的出口将样品输送到样品采集瓶10，同时对采集槽中的采样介质进行补充。通过调节蠕动泵的转速可改变样品流过芯片的速度。方案7 作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述数据输出与显示单元中，为了实时显示检测信号，同时考虑后续可能的多通道检测，采用可扩展的GPIB卡及专用电缆连接锁相放大器7与电脑主机；电缆与锁相放大器7的RS232串口相连；所述电脑主机上安装有计算机软件，该软件实现对锁放的数据传输控制、信号后处理、结果显示；程序界面包括输入参考电压值，采样点数/采样时间，放大倍数，仪器表盘显示以及换算后所测得的电导变化曲线，并可对实时监测测的数据保存。方案8 作为方案7的一种优选实现，其特征在于，所述计算机软件具有在检测到待检物时触发报警的功能。这样即使在无人值守的情况下也可以实现对微生物的实时监控。本专利技术同时提供了一种利用方案1所述系统进行实时监控的方法，方案如下方案9 一种利用方案1所述的系统进行实时监测生物气溶胶的方法，其特征在于，包括如下步骤a)针对所监测的对象微生物A (例如病毒、细菌、过敏原等)，对生物芯片3进行特异性抗体修饰；b)启动系统，实现环境样品的连续采样、样品的实时输送、硅纳米线导电性能的实时显示；c)当采集到的空气样品中有检测对象微生物A时，在显示系统中显示出硅纳米线的导电性发生明显的变化，远远高于硅纳米线本身或阴性空气样品的对应的导电性，基于抗体的特异性，电导值显著发生变化的现象能够证实检测对象微生物A的存在。方案10 作为方案9的一种优选实现，其特征在于，在检测到微生物A存在后，由电脑启动报警。这样即可实现无人值守时的报警。本专利技术的有益效果该专利技术提供了生物气溶胶在线监测领域的新方法，首次实现了利用生物芯片在线监测生物气溶胶，监测时间远远短于现有大部分技术，实现了对空气中流感病毒的实时监测，不仅可以甄别种类，而且还可以定量。在医疗卫生机构、飞机场、机场关口和防范流感和生物恐怖活动上有重要的应用价值。附图说明图1在线生物气溶胶监测系统结构示意图。图2在线监测空气中的流感病毒(H3N2亚型)样例。图3静电场采样器结构示意图。其中，图1中标记说明如下 图3中标记说明如下具体实施例方式参照图1所示的结构，本专利技术实现了一个具体的系统静电场采样器1通过样品输送管2连接生物芯片3，在生物芯片3上有微流控通道4，其上集成多个硅纳米线生物传感器5，在生物芯片3上还连接有信号前置放大器6以及信号锁相放大器7 (信号前置放大器 6和信号锁相放大器7也相连)，信号锁相放大器7上安装有电脑LabView信号显示程序8， 用于显示监测结果；静电场采样器1通过另一根样品输送管2和一个蠕动泵9相连，本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种实时监测生物气溶胶的系统，其特征在于，包括三部分：－样品采集及输送单元，包括采样器（１）、样品输送管（２）、蠕动泵（９）、采样介质容器（１１）、样品收集容器（１０）；所述采样器（１）实现对生物气溶胶的采集，然后通过采样介质在蠕动泵（９）的作用下通过样品输送管（２）完成样品的输送，并经微流控（４）、生物芯片（３），最后输送到样品收集容器（１０）；－信号检测及处理单元，包括前置放大器（６）、锁相放大器（７）、集成有硅纳米线生物传感器（５）的生物芯片（３）；－数据输出与显示单元，包括和锁相放大器（７）相连的电脑主机和显示器；所述电脑主机上安装有用于对锁放的数据进行传输控制、信号后处理及结果显示的软件。
【技术特征摘要】
1.一种实时监测生物气溶胶的系统，其特征在于，包括三部分-样品采集及输送单元，包括采样器(1)、样品输送管O)、蠕动泵(9)、采样介质容器(II)、样品收集容器(10)；所述采样器(1)实现对生物气溶胶的采集，然后通过采样介质在蠕动泵(9)的作用下通过样品输送管(2)完成样品的输送，并经微流控G)、生物芯片(3)， 最后输送到样品收集容器(10)；-信号检测及处理单元，包括前置放大器(6)、锁相放大器(7)、集成有硅纳米线生物传感器(5)的生物芯片(3)；-数据输出与显示单元，包括和锁相放大器(7)相连的电脑主机和显示器；所述电脑主机上安装有用于对锁放的数据进行传输控制、信号后处理及结果显示的软件。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采样器(1)为静电场采样器，包括半球形电极(101)，圆形电极(102)，样品采集槽(104)；其中，半球形电极(101)被固定在绝缘底座(106)上，圆形电极(10 位于绝缘底座(106)上半球形电极(101)的球心位置，所述样品采集槽(104)位于圆形电极(102)的上方；半球形电极(101)顶部有多个空气进口(III)；在绝缘底座(106)上设有两个空气出口(110)；在样品采集槽(104)内有一个样品输送出口(108)和一个采集液输入口(109)。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号检测及处理单元中，金属探针接触器件的微电极，由金属探针引线连接输入电信号施加到芯片电极上，同时引出被检测信号输入给测量仪器；其中，两个金属探针分别连接某一个硅纳米线生物传感器的源漏电极，金属探针与锁相放大器(7)和前置放大器(6)之间用电缆连接，一个金属探针与锁相放大器(7)的参考输出相连，另一个金属探针经前置放大器(6)连接到锁相放大器(7)的电压...
【专利技术属性】
技术研发人员：要茂盛，朱彤，申芳霞，谭苗苗，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11
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