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北京华泰诺安探测技术有限公司

Beijing Htnova Detection Technology Co., Ltd.

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疫情之下——带你了解你想不到的生物气溶胶

“ 2019年至今,新冠肺炎疫情席卷全球。目前学术界已经形成了基本共识,新冠病毒能够通过飞沫与气溶胶传播,这引起了人们极大的担忧与关注。那么到底什么是气溶胶呢?如何监测气溶胶呢?”

01 什么是生物气溶胶

气溶胶

气溶胶是指固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系,液体物质的气溶胶通常称为雾,固体物质的气溶胶通常称为烟。

气溶胶颗粒能较长时间悬浮于空气中,例如大众所熟知的PM2.5,是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的细颗粒物,这些气溶胶颗粒具有表面积大,活性强,大气中的停留时间长,易附带微生物、重金属等有害物质等特点。

生物气溶胶

含有生物性粒子的气溶胶称为生物气溶胶,生物性粒子主要包括细菌、真菌、病毒以及致敏花粉、霉菌孢子、蕨类孢子和寄生虫卵等。生物气溶胶具有明确的传染性与致敏性,同时结合气溶胶颗粒的长浮空时间与易吸入性,会导致“病从鼻入”,对于人体健康有很大影响。

在与传染病的不懈斗争中,多种传染性疾病被证明可通过气溶胶的形式传播,尽管生物气溶胶在总气溶胶颗粒中的比例较低,但是生物气溶胶进入呼吸系统深处仍会带来一系列的不适与病症,导致咳嗽、哮喘、支气管炎等病症的发生。例如,肺型炭疽可通过吸入炭疽芽孢所致,肺结核病症可通过吸入结核杆菌所致,新冠肺炎病症可由吸入含有新冠病毒的气溶胶和飞沫致病。

02 生物气溶胶如何发现

传统的监测手段

鉴于自然界气溶胶的来源与组成非常复杂,不同成分对于人的健康影响程度不同,其中生物气溶胶占总气溶胶浓度一般小于1%,但是其危害大,所以需要对其进行监测。但是不同于总气溶胶浓度便于实时监测,目前对于生物气溶胶的浓度的实时监测由于其浓度低、干扰多、实时动态变化值跨度大等原因,仍面临不少困难。因此,传统的监测手段仍需要较长时间的采集与培养。当前主要监测手段包含通过富集采样后进行培养的菌落单位计数法(其所用到设备为安德森采样器,是浮游菌检测的金标方法,但培养时间约为48小时,时效性较差),特异性抗体抗原荧光检测法和酶链式反应(PCR)法(用于筛查特定种类的生物颗粒,需要在实验室进行数小时的前处理和反应)。

经过新冠疫情,政府、社会、普通民众都对生物气溶胶的检测监测意识不断提高,常见方法尚不能满足现场生物气溶胶的快速实时监测与检测需求。

激光诱导荧光法

激光诱导荧光法首先应用在军事领域,可以实时监测目标环境中的生物气溶胶。该方法能提供一种近乎实时的区分生物与非生物气溶胶的方法,这种方法避免了需要对样本着色和培养的弊端,具有更好的实时性和实用性。

其检测原理如图1所示。当生物气溶胶颗粒经过紫外/紫光激光照射时,除了发生与激光波长相同的米散射,还会产生生物颗粒的特异荧光信号,因此通过光电检测器件统计发射荧光的脉冲数量,即可计算出生物气溶胶颗粒的浓度。

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图1 激光诱导荧光法检测生物气溶胶的原理图

实时监测设备

北京华泰诺安探测技术有限公司自主研发的生物气溶胶报警器BM3001(图2)采用了激光诱导荧光法技术原理,适用于多种室内外环境空气中的生物气溶胶粒子监测和报警。

该设备集成多项智能传感器技术和深度学习算法,并依据国家相关标准判断室内空气生物污染风险,可以连续和实时地监测空气中生物气溶胶的浓度变化,并对浓度达到报警阈值的生物气溶胶进行报警,从而指导室内空气净化和消杀设备的开启和关闭。它可以单独使用,也可以与生物气溶胶采样器联合使用,实现采样、监测、报警一体化操作。

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图2 BM3001生物气溶胶报警器

03 生物气溶胶监测效果

实验验证

为验证激光诱导荧光法在日常环境中对生物气溶胶监测的适用性,实验对比了在同一时间地点使用安德森采样的菌落单位计数法与使用BM3001激光诱导荧光法的监测结果。为验证室内人员数量及人员活动对生物气溶胶浓度的影响,实验选择了工作时段的室内办公室环境。

菌落单位计数法:对室内办公室环境空气中的浮游菌进行了89次采样,每次采样时长10分钟,经过2天的培养与统计计算,培养法所得的空气中浮游菌浓度随时间的分布如图3上图所示。

激光诱导荧光法:利用BM3001对环境空气进行实时监测,监测结果如图3下图所示。

菌落单位计数法实验结果表明在9:00(对应上班高峰)、12:00(对应午餐高峰)、17:00(对应下班高峰)时菌落浓度较高,这一现象说明了人员较为集中、活动较多的时段菌落浓度高。激光诱导荧光法监测的数据也在这些时间点产生了明显的生物气溶胶数量上升,并且相对于安德森采样产生了时间分辨率更高的数据,对于瞬时出现的浓度波动可以快速响应,因此可以对环境中生物气溶胶进行精确测定及进一步的趋势判断。

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图3 培养法所得浮游菌浓度和生物气溶胶颗粒数在时间的分布图

为了进一步验证生物气溶胶报警器对于生物气溶胶的监测能力,其生物气溶胶的粒径分布的统计结果也被进一步分析。安德森采样对应的浮游菌粒径的分布(图4)和生物气溶胶报警器测得的环境空气中总生物气溶胶的粒径分布(图5)一致,可以观察到在空气中占多数的生物气溶胶的粒径约为1-3μm,这也符合常见单个细菌的尺寸大小。

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图4 安德森采样对应的浮游菌粒径的分布

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图5 生物气溶胶报警器所测得的总生物气溶胶的粒径分布

实验结论

通过以上实验研究可以看出,使用激光诱导荧光原理发展的实时生物气溶胶报警设备可对环境中的生物气溶胶浓度进行实时监测,且监测到的生物气溶胶粒子浓度与采用安德森采样器采集后培养所得的结果有强相关性,可以高精度高频率地监测环境中生物气溶胶的粒径信息和浓度变化。因此,基于该技术的生物气溶胶实时探测设备可被用于监测环境中生物颗粒数浓度变化。

04 生物气溶胶监测的场景及应用

针对于人员密集场所(公共交通站厅、公共交通工具内、医院、办公室、大型集会等场所)及高级别保障区域,生物气溶胶的监测对于防范可能的大规模传播以及病症溯源能起到重要的作用。有了对环境中生物气溶胶浓度的实时监测,便可为动态人员限流调控提供依据,也可以联动空间环境净化设备、空间除菌设备及空间消杀系统的开启和关闭,实现对疫情的高效、科学、智能化防控。

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