中國(guó)工程院食品安全院士團(tuán)隊(duì)

科研成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)

生物氣溶膠是空氣中固體或液體顆粒的集合體，也是主要的室內(nèi)污染物之一，其中細(xì)菌占比可達(dá) 57%，會(huì)引發(fā)哮喘、呼吸道感染等多種健康問(wèn)題。目前監(jiān)測(cè)空氣中細(xì)菌的流程是，先通過(guò)采樣器收集，再進(jìn)行液體采樣提高檢測(cè)靈敏度，最后用測(cè)量?jī)x器檢測(cè)。雖然現(xiàn)有檢測(cè)方法耗時(shí)短，但獲取高濃度細(xì)菌液體樣本往往需要長(zhǎng)時(shí)間采樣。傳統(tǒng)商業(yè)化生物氣溶膠采樣器，如撞擊式采樣器、旋風(fēng)式采樣器和沖擊式采樣器，因體積大、成本高、噪音大等問(wèn)題，在多點(diǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用受限。靜電式采樣器雖有優(yōu)勢(shì)，但產(chǎn)生高濃度液體樣本的能力有限。

此次新開(kāi)發(fā)的采樣器名為靜電和電潤(rùn)濕基生物氣溶膠采樣器（EEBS），由微型電暈放電器和細(xì)菌收集及液體樣本轉(zhuǎn)換部分組成。工作時(shí)，細(xì)菌先進(jìn)入微型電暈放電器，與產(chǎn)生的正離子碰撞而帶上正電。帶電細(xì)菌進(jìn)入收集及轉(zhuǎn)換部分后，在靜電作用下被收集到接地電極上。接著，利用電潤(rùn)濕技術(shù)，通過(guò)改變液滴表面張力將收集到的細(xì)菌封裝在液滴中，形成高濃度液體樣本，最后液滴被引導(dǎo)至毛細(xì)管。該采樣器的部件采用 3D 打印技術(shù)制造，并集成了 PCB 技術(shù)，成本較低。

圖 1：展示了由微型電暈放電器和細(xì)菌收集及液體樣本轉(zhuǎn)換部分組成的 EEBS 工作原理示意圖，包括細(xì)菌帶電收集、液滴封裝及樣本收集過(guò)程。

圖 2：呈現(xiàn) EEBS 整體及各部分的光學(xué)和 X 射線圖像，如微型電暈放電器、細(xì)菌收集及液體樣本轉(zhuǎn)換部分的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

研究人員對(duì) EEBS 的性能進(jìn)行了全面測(cè)試。在微型電暈放電器的充電特性方面，當(dāng)電壓達(dá)到 1700V 時(shí)開(kāi)始電暈放電，此時(shí)粒子損失率與以往研究相當(dāng)，且細(xì)菌通過(guò)放電器的停留時(shí)間僅 0.7ms，對(duì)細(xì)菌損傷極小。在收集效率上，對(duì)于 0.5 - 2μm 的聚苯乙烯乳膠（PSL）顆粒和典型細(xì)菌（如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌），隨著施加電壓升高，收集效率提高，粒徑越大收集效率也越高。實(shí)驗(yàn)確定收集細(xì)菌的電壓為 4000V，此時(shí)收集效率超 90%。電潤(rùn)濕技術(shù)的封裝效率高達(dá) 99.8%，能有效將空氣中的細(xì)菌轉(zhuǎn)化為高濃度液體樣本。與 SKC BioSampler 相比，EEBS 在更短的采樣時(shí)間內(nèi)，能提供更高濃度的細(xì)菌液體樣本，且在低濃度細(xì)菌環(huán)境中也能檢測(cè)到細(xì)菌。

圖 3：（a）表明微型電暈放電器的離子電流隨放電電壓變化的關(guān)系；（b）顯示不同放電電壓下粒子的損失情況。

圖 4：（a）呈現(xiàn) 90V 電壓下電潤(rùn)濕技術(shù)使液滴移動(dòng)的高速相機(jī)圖像；（b）為電潤(rùn)濕過(guò)程中收集電極上金黃色葡萄球菌的掃描電鏡圖像。

圖 5：（a）對(duì)比 EEBS 和 SKC BioSampler 在高背景細(xì)菌濃度環(huán)境下收集樣本的 RT-qPCR 擴(kuò)增曲線；（b）對(duì)比兩者在低背景金黃色葡萄球菌濃度環(huán)境下的樣本檢測(cè)結(jié)果 。

該研究成果意義重大，EEBS 為監(jiān)測(cè)空氣中細(xì)菌提供了低成本、小型化且高性能的解決方案，尤其適用于幼兒園、醫(yī)院和養(yǎng)老院等對(duì)細(xì)菌監(jiān)測(cè)要求較高的場(chǎng)所。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃對(duì)不同環(huán)境和細(xì)菌類(lèi)型進(jìn)行更詳細(xì)的評(píng)估測(cè)試，開(kāi)發(fā)可重復(fù)使用、便攜且低成本的多細(xì)菌檢測(cè)系統(tǒng)，并探索將其與 EEBS 集成，有望為細(xì)菌監(jiān)測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展范式。

參考文獻(xiàn)：Yoo S J, Choi S, Ahn S B, et al. An Integrated Bioaerosol Sampler with Simultaneous Sampling and Droplet Encapsulation for the Monitoring of Airborne Bacteria[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2025: 117371.

來(lái)源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~徐禮龍。