生物气溶胶采样器类型及病毒采样使用效能浅析

2020-05-06

生物气溶胶采样器类型及病毒采样使用效能浅析

 

一、采样器的类型及优缺点


按采样原理,可将采样器分为重力沉降式、过滤式、静电吸附式、撞击式等四种类型,其中撞击式采样,按采样介质分为液体撞击和固体撞击,按撞击方式分为直接撞击和离心撞击等类型。


(一)重力沉降式生物气溶胶采样器

优点:操作简单、价格低廉、应用广泛

缺点:方法不准确,不同粒子大小不一样、采样概率也不一样,采集效率低于其他类型采样器。

由于是被动采样,粒子漂移、扩散、沉降受气体动力学干扰较大,会造成较大误差。特别是对小粒子采集效率低,造成对环境暴露水平的低估,特别是病毒,不适合层流环境的采样 


(二)过滤式生物气溶胶采样器

 

 

Sartorius MD8 SKC Universal pumps ASELLA  APEX2, SASS 3100等。

优点:设备便携,采集效率高

缺点:受滤材性能影响较大;采样时阻力大;因气流的吹击、干燥等使病毒很快衰亡;采样时间越长,采样效率降低;使用明胶过滤膜会引入杂质后续影响生化实验;采集样品需从滤膜洗脱,处理过程较复杂,容易污染样品;连续采样前需更换或彻底处理前端进气口,否则会有交叉污染。


(三)固体直接撞击式生物气溶胶采样器




Andersen Sampler BioStage 鼎蓝大流量生物气溶胶采样器P-1000等。

 

优点:流量大,对大颗粒物采集效率高,采集速度快,可分粒径收集 

缺点:采样时间不能过长,会影响微生物的存活力;采集大于1um的颗粒物效率较高,采集病毒等小颗粒效率低;适合培养法采样;连续采样前需更换或彻底清洗前端进气口,否则会有交叉污染。


(四)固体离心撞击式生物气溶胶采样器

固体离心撞击式生物气溶胶采样器的采集原理是空气高速旋转,气溶胶粒子在离心力作用下甩向边缘的采样介质而被捕获。代表性的采样器有RCS High Flow SAS Super 180采样器等。

 

优点:流速较大,物理采集效率高于其他采样器,粒径范围宽,RCS高流量(4-20 um)SAS (<4 um)

 

缺点:由于撞击对生物气溶胶存在损伤,干燥作用可加速生物活性的衰亡;连续采样前需更换或彻底清洗前端进气口,否则会有交叉污染。

 

 

(五)液体直接撞击式生物气溶胶采样器

 

liquid impinge液体撞击式采集:把空气以一个角度抽进去“吹”或者撞向液体而采集气体中颗粒物。该类采样器有AGI 30BioSampler,鼎蓝生物气溶胶采样器WA-15,鼎蓝生物气溶胶采样器WB-15Bertin Coriolis Micro生物气溶胶采样器。

优点:对小粒子采集效果;采样介质为液体,对脆弱微生物有保护作用。

缺点:收集效率受结构、粒子大小和收集液影响较大;不能长时间采样,介质会挥发;速度快,撞击损伤大;由于冲击式采样气体冲击速度快,冲击力较大,因此该类采样器流量通常较小;气路和液路等采样部件会被污染,容易造成二次采样交叉污染。

(六)液体离心式生物气溶胶采样器

液体离心式生物气溶胶器采样器在结构设计上,又分为两种类型,一种是湿壁气旋式采样器,一种旋风分离式采样器。

1. 湿壁气旋式采样器

WETTED-WALL Cyclone湿壁气旋主要是要把液体分布在采样管的壁上,然后气旋里的颗粒物直接沾到湿壁而被被采集到液体里。鼎蓝生物气溶胶采样器W-1000,美国RI公司的SASS2300

 

优点:该采样器采集效率高。经测试,切割点低于0.5um,样品液浓度高,整体循环液量大约30ml

缺点:采样器液路系统存在残留,难以清洗干净,导致二交采样存在交叉污染。在测试过程,将采样器置于安全柜中,分别使用清水、消毒液进行清洗,并对液路和气路烘干,清洗和烘干时间分别做10min20min30min60min120min,清洗测试的结果表明,清洗时间越长,残留越少,但通过核酸检测,仍然有残留。

由于湿壁采样筒、采集液富集器及部分水循环管路为设备固定件,固定于仪器中,不便于拆卸,且不能彻底清洗灭菌,该产品可用于对高浓度的生物气溶胶进行采样,进行定量分析检测,不适合对低浓度的生物气溶胶进行采样,样品液不适用于核酸检测。在每一次采样结束时,必须进行长时间的清洗与烘干。

由于W1000采样存在残留问题,导致采样检测结果存在误差,实用性受限,因此被淘汰。

 

2.旋风分离式采样器

 

Cyclone separation旋风分离式是利用旋风的动力把颗粒富集到最下面撞击进采样液里。鼎蓝生物气溶胶采样器WA-400,运用离心式采样原理,干壁气旋,实现固气分离;浓缩的空气样品运用离心式采样原理,温壁气旋,在采样管里将气溶胶采集到液体里。采用风机抽气负压设计,旋风采样筒和样品采集管进行模块化设计,污染部件可快速拆卸更换。

优点:

1)采集效率高

该产品设计的优点在于保持大流量(400L/min)的同时,通过浓缩空气样本,确保采样器的采集效率,切割点0.8um。此外,在浓缩空气样本的基础上,采取气溶胶离心切割撞击液体的采集方式,可保持样品的采集效率的稳定性,减少采集液量,减少气溶胶的逃逸概率,减少采集液的挥发速度,有利于延长提高样品液浓度,缩短采样耗费的时间。

2)避免交叉污染

该产品设计可现场快速更换污染部件,可有效避免二次采样的交叉污染,提高生物气溶胶采样与检测的准确性。

3)该产品轻巧便携、触屏控制、操作简单,适用于快速机动采样,快速检测。

 

二、采样器病毒采样使用效能的影响因素

各种不同类型的采样器,都有各自的优点和缺点,有不同的适用场景。在采样过程,要根据病毒采样需求和特点,选用相应的采样器,并遵循相应的使用要求,才能提高采样效能。

(一)样品液浓度

病毒采集液通常通过核酸检测判定环境空气中病毒气溶胶存在及浓度的高低。样品液浓度是检测阳性率高低的重要依据。样品液浓度受采样器采集效率高低、流量大小、采样时间长短、样品液多少四个因素共同决定。通常情况下,采集效率越高、流量越大、采样时间越长、样品液越少,样品液浓度越高。

1、采样器采集效率

采样器采集效率通常用一个参数切割点表示,即该采样器对某粒径的气溶胶采集效率为50%,把这个料径称为该采样器的切割点,粒径大于该切割点的气溶胶,采集效率高于50%。切割点越低,表明该采样器的采集效率越高。采样器的采集效率,与采集器采集方式,采样器设计相关,是采样器的固有特征参数。

采集效率高的采样器有过滤式采样器、液体撞击式采样器。

2采样流量

在采样时间相同的情况下,采样器流量大,采集的空气,相应的生物气溶胶量多,采样效能高,检测的阳性率高。采集效率较低的大流量采样器,可以通过大流量补偿,在相同时间内采集到更多的病毒。

流量大的采样器通常有:固体撞击式采样器,离心式采样器。

3.采样时间

采样时间越长,可采集的气溶胶颗粒越多。但采样介质本身的耐受时间,及病毒气溶胶在样品介质上保存时间,又制约着采样时间不能过长,需要根据采样器特点及采样需求科学确定采样时间。

4.样品液量

在采样量相同的情况下,样品液量的多少决定的样品液浓缩,在一定程度上决定检测结果的阳性率。

湿壁气旋式采样器需要的液量多,湿壁气旋式采样器和旋风分离式液体采样器所需要的液量可多可少。

(二)样品液处理

过滤式采样、固体撞击式采样,需要经过处理,才能将样品转化成液体形态进行核酸检测。一是样品的转化难免会有损失,这取决于处理过程样品的转化率,转化率越高,使用效能越高;二是样品处理所需要的液量越多,样品液浓度越低,采样器的使用效能越低;三是样品在处理时,可能存在交叉污染,致使检测结果出现假阳性;四是样品处理过程中,增加了人员的暴露风险,因此,病毒采样尽量减少处理环节。

(三)样品液保存

采集样品通常带回实验室检测,在检测前,需要对样品进行正确保存,避免病毒变性。一是低温保存,从采样地点到实验室,通常使用冷藏箱进行冷藏保存。二是使用病毒保存液保存,病毒保存液可在常温下,一定的时间内确保病毒不变性。

 

三、结论

病毒气溶胶颗粒粒径小,通常0.1um左右,因此要选用采集效率高,切割点的采样器;空气中病毒气溶胶浓度通常不高,要优选大流量的采样器;病毒通常采用核酸检测方法,因此优先选用液体采样器,样品液可直接用于核酸检测;由于核酸检测灵敏度高,二次采样容易交叉污染的采样器不适用于病毒采样,应优先选用污染部件可拆卸消毒的采样器。

综合以上分析,病毒采样首选液体撞击式采样器。

鼎蓝生物气溶胶采样器WA-400,该采样器采集效率高,流量大,污染部件可现场快速拆卸更换,样品液浓缩到3ml以内,浓度高。

鼎蓝生物气溶胶采样器WA-15,采样头和采集管等污染部件可现场快速拆卸更换,可避免二次采样的交叉污染,样品液浓缩到3ml以内,浓度高,不足之处是流量小。

AGI 30BioSampler样品液量5-20ml,该产品玻璃器件,可以高温消毒解决二次污染问题,但难以进行现场进行二次采样,玻璃器件不够便携、易碎。

鼎蓝W-1000,美国RI公司的SASS2300,由于污染部件固定在仪器内部,难以彻底清洗,因此不适合用于核酸检测的样品采样。

其次是选择过滤式采样器。过滤式采样器的优点是采集效率高,但流量低,需要延长采样时间补偿。注意事项:二次采样之间需要对进气口进行彻底消毒,避免交叉污染;过滤膜转化成液体样品时,需要注意提高转化率,避免转化时造成交叉污染。

第三是选择固体撞击式采样器,固体撞击式采样器的优点是流量大,但切割点较高,对细颗粒物采集效率低,需要通过流量和采样时长进行补偿。注意事项,固体撞击式采样也需要对进气口进行彻底消毒,避免交叉污染;过滤膜转化成液体样品时,需要注意提高转化率,避免转化时造成交叉污染。