生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法。該生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法首先將生物氣溶膠過濾后轉(zhuǎn)化為水溶液樣品，然后利用對表面質(zhì)量變化敏感的傳感器實時探測從水溶液樣品中非特異性吸附到傳感器敏感表面的生物粒子，從而實現(xiàn)生物氣溶膠的監(jiān)測預(yù)警，為后續(xù)生物粒子的識別性探測和防護(hù)提供依據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及生物氣溶膠的過濾與溶液化技術(shù)，生物粒子非特異性吸附富集技術(shù)，表面等離子體共振傳感技術(shù)，光波導(dǎo)傳感技術(shù)，特別涉及一種生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物氣溶膠是指一切含有生物性粒子的氣固、氣液混合物微粒在空氣中的懸浮體系。如果其中包含有細(xì)菌、病毒以及致敏花粉、霉菌孢子、蕨類孢子和寄生蟲卵等致病微生物，則被稱為有毒生物氣溶膠。有毒生物氣溶膠除具有一般氣溶膠的特性以外，還具有傳染性、致死性、致傷性和致敏性等特點，除了存在于戰(zhàn)場環(huán)境外，也可能存在于太空倉、潛艇、航天器等密閉腔室、醫(yī)院和實驗室等易感染環(huán)境中。在太空倉、潛艇、航天器等密閉腔室中很多環(huán)節(jié)均可產(chǎn)生生物氣溶膠，尤其是集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中生物氣溶膠，嚴(yán)重影響工作人員的人生安全。由于有毒生物氣溶膠具有釋放效率高，覆蓋面積大，能進(jìn)入無核生化防護(hù)設(shè)施的建筑工事內(nèi)部，不易被人和儀器所察覺，可直接經(jīng)呼吸道侵入人體，可通過其他傳染媒介間接使人感染，而且被感染速度快，故而以生物氣溶膠方式施放生物戰(zhàn)劑的武器具有巨大的殺傷力，因此對有毒生物氣溶膠的實時在線監(jiān)測對于生化武器的預(yù)警和防范具有十分重要的意義。
[0003]目前，現(xiàn)有技術(shù)缺乏能夠?qū)τ卸旧餁馊苣z，尤其是低濃度有毒生物氣溶膠進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，以實現(xiàn)低濃度有毒生物氣溶膠的現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法。該方法包括:步驟A，將生物氣溶膠過濾后轉(zhuǎn)化為水溶液樣品，生物氣溶膠中的生物粒子被轉(zhuǎn)移到水溶液中，制備出包含生物離子的水溶液樣品；步驟B，通電開啟表面質(zhì)量敏感傳感器；步驟C，將去離子水注入表面質(zhì)量敏感傳感器的樣品池中，監(jiān)測表面質(zhì)量敏感傳感器輸出信號隨時間的變化，當(dāng)表面質(zhì)量敏感傳感器輸出信號達(dá)到穩(wěn)定后，記錄信號值作為初始信號值；步驟D，將水溶液樣品注入樣品池中取代原有的去離子水，水溶液樣品中的生物粒子在非特異性吸附作用下富集在表面質(zhì)量敏感傳感器敏感芯片的敏感表面，從而引起敏感芯片表面的質(zhì)量變化，進(jìn)而使得表面質(zhì)量敏感傳感器輸出信號發(fā)生變化；以及步驟E，當(dāng)表面質(zhì)量敏感傳感器輸出信號在給定時間內(nèi)相對于初始信號值的變化量大于某一閾值時，表面質(zhì)量敏感傳感器激活信號檢測與預(yù)警模塊，發(fā)送報警信息。
[0008](三)有益效果[0009]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法具有以下有益效果:
[0010](I)本發(fā)明方法所需設(shè)備體積小、重量輕，成本低，制作容易；
[0011](2)本發(fā)明方法簡單、靈敏、快速；
[0012](3)與生物粒子相比，化學(xué)小分子重量輕，非特異性吸附較弱，吸附在敏感表面的化學(xué)小分子易被共存的生物粒子取代，因此本發(fā)明方法能夠有效抑制氣溶膠中化學(xué)小分子的干擾；
[0013]由于具有上述優(yōu)點，本發(fā)明方法能夠?qū)Φ蜐舛扔卸旧餁馊苣z進(jìn)行現(xiàn)場實時在線監(jiān)測與預(yù)警，并且還能夠和后續(xù)的基于特異性生物分子相互作用的識別性探測方法相結(jié)合，對生物氣溶膠產(chǎn)生監(jiān)測預(yù)警后進(jìn)一步對氣溶膠所含的生物粒子進(jìn)行識別性探測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法中表面等離子體共振傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法的流程圖；
[0016]圖3A為根據(jù)本發(fā)明實施例以濃度為10 μ M的細(xì)胞色素c水溶液作為生物氣溶膠轉(zhuǎn)化后的水溶液樣品測得的表面等離子體共振傳感器對細(xì)胞色素c分子非特異性吸附的光譜響應(yīng)曲線；圖3Β為傳感器的共振波長隨細(xì)胞色素c分子非特異性吸附時間的變化曲
線。`
[0017]圖4為根據(jù)本發(fā)明另一實施例生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法中光波導(dǎo)干涉計傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖5為根據(jù)本發(fā)明另一實施例以濃度為I μ M的牛血清蛋白(BSA)水溶液作為生物氣溶膠轉(zhuǎn)化后的水溶液樣品測得的光波導(dǎo)干涉計傳感器對BSA分子非特異性吸附的響應(yīng)曲線；
[0019]圖6為根據(jù)本發(fā)明另一實施例以濃度為50ηΜ的丁酰膽堿酯酶(BuChE)水溶液作為生物氣溶膠轉(zhuǎn)化后的水溶液樣品測得的光波導(dǎo)干涉計傳感器對BuChE分子非特異性吸附的響應(yīng)曲線；
[0020]圖7Α為根據(jù)本發(fā)明另一實施例以濃度為2 μ M的羊抗人抗體蛋白質(zhì)水溶液作為生物氣溶膠轉(zhuǎn)化后的水溶液樣品測得的光波導(dǎo)干涉計傳感器對羊抗人抗體分子非特異性吸附的響應(yīng)曲線；圖7Β為抗體在光波導(dǎo)芯片表面非特異性吸附引起的相位差變化與吸附時間的關(guān)系曲線。
[0021]圖8為根據(jù)本發(fā)明實施例生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法中石英晶體微天平傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖9為根據(jù)本發(fā)明實施例生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法中微懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]【主要元件符號說明】
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，包括:步驟A，將生物氣溶膠過濾后轉(zhuǎn)化為水溶液樣品，所述生物氣溶膠中的生物粒子被轉(zhuǎn)移到所述水溶液樣品中；步驟B，通電開啟表面質(zhì)量敏感傳感器；步驟C，將去離子水注入所述表面質(zhì)量敏感傳感器的樣品池中，監(jiān)測所述表面質(zhì)量敏感傳感器輸出信號隨時間的變化，當(dāng)所述表面質(zhì)量敏感傳感器輸出信號達(dá)到穩(wěn)定后，記錄信號值作為初始信號值；步驟D，將所述水溶液樣品注入所述樣品池中取代原有的去離子水，所述水溶液樣品中的生物粒子在非特異性吸附作用下富集在所述表面質(zhì)量敏感傳感器敏感芯片的敏感表面，從而引起敏感芯片表面的質(zhì)量變化，進(jìn)而使得表面質(zhì)量敏感傳感器輸出信號產(chǎn)生變化；以及步驟E，當(dāng)所述表面質(zhì)量敏感傳感器輸出信號在給定時間內(nèi)相對于初始信號值的變化量大于某一閾值時，所述表面質(zhì)量敏感傳感器激活信號檢測與預(yù)警模塊，發(fā)送報警信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述敏感芯片的敏感表面經(jīng)過了化學(xué)處理，以增強對生物粒子的非特異性吸附，進(jìn)而增強所述表面質(zhì)量敏感傳感器靈敏度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述化學(xué)處理為以下處理類型中的一種或多種:硅烷化處理、疏水化處理、羥基化處理、氨基化處理、羧基化處理、醛基化處理、親 水性處理和表面電荷改性處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述表面質(zhì)量敏感傳感器為以下傳感器中的一種:表面等離子體共振傳感器、光波導(dǎo)消逝波傳感器、石英晶體微天平傳感器和微懸臂梁傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述表面等離子體共振傳感器，其敏感芯片由玻璃棱鏡以及依次沉積于玻璃棱鏡底面的數(shù)納米厚鉻膜或鈦膜，以及數(shù)十納米厚金膜組成，所述敏感芯片的敏感表面為所述金膜表面；或所述敏感芯片由玻璃棱鏡以及通過耦合液緊貼于玻璃棱鏡底面的玻璃基片組成，在與貼合面相對的玻璃基片另一面覆蓋有數(shù)納米厚鉻膜或鈦膜，以及數(shù)十納米厚金膜，所述敏感芯片的敏感表面為金膜表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述玻璃棱鏡為半球形棱鏡、半圓柱體形棱鏡或三角形棱鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述表面等離子體共振傳感器，包括:光源、敏感芯片、光探測器和樣品池；所述樣品池緊密覆蓋在所述敏感芯片的敏感表面上，所述光源發(fā)出的P偏振光折射進(jìn)入所述玻璃棱鏡，并在與所述鉻膜或鈦膜形成的界面處發(fā)生全發(fā)射，借助全反射產(chǎn)生的消逝場在所述金膜表面激發(fā)表面等離子體共振，反射光折射出玻璃棱鏡被所述光探測器探測；所述步驟D具體包括:所述水溶液樣品被注入樣品池內(nèi)，其中的生物粒子經(jīng)非特異性吸附作用富集在所述敏感芯片的敏感表面上，進(jìn)而影響沿金膜表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體波的特性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述光探測器為:線性CCD探測器或線性陣列式光電二極管探測器，用于測量共振角；CCD光纖光譜儀，用于測量共振波長；或光強探測器，用于測量反射光強度。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于:所述光波導(dǎo)消逝波傳感器，其敏感芯片由平面光波導(dǎo)、三維光波導(dǎo)、光纖中的一種或幾種組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于:所述光波導(dǎo)消逝波傳感器，其敏感芯片是光纖，該光纖按預(yù)設(shè)弧度固定于一承載件上，該光纖中間彎曲段的芯層經(jīng)側(cè)邊拋光而裸露，該裸露的芯層表面形成敏感芯片的敏感表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于:所述光波導(dǎo)消逝波傳感器的敏感芯片，包括鉀離子交換玻璃光波導(dǎo)及沉積在鉀離子交換玻璃光波導(dǎo)局部表面上的高折射率梯度薄膜；所述敏感芯片的敏感表面為高折射率梯度薄膜的表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于:所述高折射率梯度薄膜的材料為:二氧化鈦、五氧化二鉭、二氧化錫、三氧化二鋁、二氧化鋅、三氧化鎢、二氧化鋯、以及它們的混合物。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任意一項所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于:所述光波導(dǎo)消逝波傳感器，其光波導(dǎo)和光源光的稱合方式包括:棱鏡稱合方式、光柵稱合方式和端面耦合方式。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任意一項所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述光波導(dǎo)消逝波傳感器，包括:光源；敏感芯片；光探測器；樣品池；所述樣品池緊密覆蓋在所述敏感芯片的敏感表面上，所述光源發(fā)出的光被耦合進(jìn)入所述敏感芯片，從敏感芯片耦合輸出的光信號被所述光探測器探測；所述步驟D具體包括:所述水溶液樣品被注入樣品池內(nèi)，其中的生物粒子經(jīng)非特異性吸附作用富集在所述敏感芯片的敏感表面上，進(jìn)而通過敏感表面區(qū)間的消逝場與吸附的生物粒子的相互作用影響在光波導(dǎo)或光纖內(nèi)傳播的導(dǎo)模的特性。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任意一項所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于:所述光探測器為:線性CCD探測器或線性陣列式光電二極管探測器，用于測量導(dǎo)模共振角；CCD光纖光譜儀，用于測量導(dǎo)模共振波長；或光強探測器，用于測量導(dǎo)波光衰減度或相位差。
16.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述石英晶體微天平傳感器，包括:敏感芯片，由石英晶片制作而成；該石英晶片的正反兩面沉積有金膜或銀膜電極，敏感芯片的敏感表面為金膜或銀膜電極的表面；支座，通過兩金屬支架支撐所述敏感芯片，所述兩金膜或銀膜電極通過所述兩金屬支架與所述信號檢測與預(yù)警模塊電連接；樣品池，所述敏感芯片和支座均置于該樣品池內(nèi)；所述步驟D具體包括:所述水溶液樣品被注入樣品池內(nèi)，其中的生物粒子經(jīng)非特異性吸附作用富集在所述敏感芯片的敏感表面上，進(jìn)而影響石英晶體微天平傳感器的諧振頻率信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述微懸臂梁傳感器，包括: 敏感芯片，由支座及與支座一體式固定連接的硅基諧振梁組成； 微流體溝道，作為樣品池制備于所述支座和硅基諧振梁上，其進(jìn)液端和出液端分別連通于微流控芯片； 應(yīng)變式壓力感應(yīng)膜片，緊貼于所述硅基諧振梁，其兩電極通過導(dǎo)線連接至所述信號檢測與預(yù)警模塊； 所述步驟D具體包括:所述水溶液樣品經(jīng)微流控芯片從進(jìn)液端流入微流體溝道，其中的生物粒子經(jīng)非特異性吸附作用富集在所述微流體溝道的底面及側(cè)壁上，進(jìn)而影響所述微懸臂梁傳感器的諧振頻率信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至6、9至12、16、17中任一項所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述樣品池進(jìn)樣口與出樣口分別與注液泵和廢液回收容器相連接。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至6、9至12、16、17中任一項所述的生物氣溶膠監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，所述步驟E之后還包括: 步驟F，更換所述敏感芯片或原位清洗所述敏感芯片，重新執(zhí)行步驟C至步驟E。
【文檔編號】G01N15/00GK103630466SQ201310363382
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月20日
【發(fā)明者】祁志美, 逯丹鳳, 趙湛, 杜利東, 童朝陽 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所, 中國人民解放軍防化研究院第四研究所