气载微小单粒子聚焦操控方法研究

发布时间：2020-06-02 10:31

【摘要】：传染病是一类可以在动物与动物、人与人以及人与动物之间交叉传播的疾病。近年来随着气候等自然条件的失衡,社会经济的不均衡发展,人类生活范围的不断扩张以及全球一体化进程的加速发展,传染病对人类造成了更为严重的威胁:本世纪初的SARS病毒、禽流感病毒与近年来的埃博拉疫情的爆发,都使对于传染病即时的检测工作变得尤为重要。传染病细菌的气溶胶态传播是一种主要的扩散与传染模式,可通过空气、水等介质迅速传播。生物气溶胶无时无刻不在影响着人类的生产活动、生活环境以及生存质量。人类吸入生物气溶胶后会有50%残留在肺壁上,其包含的有害物质会对人体产生不良影响。超过一定剂量的气溶胶进入体内后易引发肺炎、哮喘、支气管炎、肺气肿甚至肺癌等疾病。故针对传染病气溶胶态的早期识别、快速诊断与合理的防治手段是必要的。实验室的病原体检测方法需先进行现场采样,再通过微生物检测手段对样本检测,主要分为分子生物学方法、分离培养方法以及血清学方法。这三种生物检验方法检测灵敏度高,特异型强,具有固有的生物检测优势,但具有一定的弊端。首先,采样工作较为费时,难以满足生物气溶胶即时检测的需求;其次,在复杂环境下采集的样本会增加提纯的难度,由于实验室病原体检测技术的准确度取决于采集的样本质量,故复杂环境下的采样会降低检验的精度;再次,实验室病原体检测技术需专业科研人员来完成,难以广泛应用。与传统的实验室病原体检测技术不同,基于单粒子技术的生物气溶胶检测系统具有不损害粒子活性、检测速度快与便携性的优势,可在不改变生物气溶胶粒子物化性质的前提下对被测粒子的物理特性与生物活性进行瞬时监测。其原理为在风机动力源的作用下,将气溶胶样本以稳定气流形式包裹单分散粒子进入系统腔室内,在腔室结构的约束下逐个通过样本流与光斑交叉形成的测量光区,通过表征标志粒子物理性质的弹性散射光与生物特性的内源性荧光来判断粒子是否为生物粒子。各国科研工作者花费了大量的人力物力针对该技术进行研究,使相关技术不断进步,装备不断趋于完善。而由于技术与理论上的限制,该技术尚未形成成熟的理论体系,且相关的实验平台较为粗糙,存在较大的发展空间。基于单粒子技术的生物气溶胶检测系统主要分为光路、电路、气路三个部分,本研究主要针对该系统的气路部分进行研究。该检测系统的气路部分主要包括喷嘴、腔室本身以及出口针。本研究首先类比流式细胞仪液路部分液力聚焦的结构,在腔室原有结构的基础上加入鞘流入口,使用洁净空气包裹样本流,并通过设计喷嘴形状(圆、扁)、出口针规格(长、短)、出口流量(1.00 L/min,2.00 L/min,2.83 L/min,5.00 L/min,10.00 L/min)、流速(V_样=9.0 m/s,V_鞘=3.0 m/s;V_样=9.0 m/s,V_鞘=4.5 m/s;V_样=9.0 m/s,V_鞘=1.4 m/s;V_样=9.0 m/s,V_鞘=0)等实验参数,来达到提高腔室结构约束样本流的目的。接下来主要针对设计的不同实验参数进行仿真实验。首先使用solidworks软件根据实验设计绘制各组实验的模型结构图,再使用ICEMCFD软件对绘制的模型结构图划分网格,然后使用ANSYS Fluent14.5软件对划分的网格结构图进行有限元迭代计算,直观揭示各组实验腔室内样本流的流动轨迹,并针对迭代的结果进行后处理。最后根据仿真实验的结果加工元件,进行样机实验的验证。根据仿真实验与样机实验的结果,在在样本流速度为9.0m/s,鞘流速度为1.4m/s,流量为2.83L/min,使用圆喷嘴,长出口针时,腔室结构对样本流的收束效果最好。样机实验证明了仿真实验的有效性,得到的CV为11.67。研究提高了腔室结构对包裹生物气溶胶粒子样本流的约束能力,提高了系统检测的精度,对基于单粒子原理生物气溶胶检测系统的优化具有重要的参考价值。
【图文】：

示意图,单粒子,分析手段,检测原理

图 1. 1 生物气溶胶单粒子分析手段检测原理示意图被测环境中的气溶胶样本，在风机等动力源的作用下，以稳定气流形式包裹单分散粒子进入腔室内，被测的气溶胶微粒在腔室结构的约束下，，逐个通过由样本流与测量光斑交叉形成的测量光区，并同时产生可表征被测气溶胶单粒子中生

粒子计数器,高速信号处理系统,高功率激光,高灵敏度

图 1. 2 首台生物气溶胶粒子计数器伴随着市场上高灵敏度光电探测器、高速信号处理系统、高功率激光光性能元件的出现，该技术得以进一步发展。Minnesota 大学的 Agarwal 针对粒子飞行时间进行检测的生物气溶胶粒子计数器[35]，且随后将此技
【学位授予单位】：军事科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318

【参考文献】