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，其中細菌占比可達 57%，會引發(fā)哮喘、呼吸道感染等多種健康問題。目前監(jiān)測空氣中細菌的流程是，先通過采樣器收集，再進行液體采樣提高檢測靈敏度，最后用測量儀器檢測。雖然現(xiàn)有檢測方法耗時短，但獲取高濃度細菌液體樣本往往需要長時間采樣。傳統(tǒng)商業(yè)化生物氣溶膠采樣器，如撞擊式采樣器、旋風式采樣器和沖擊式采樣器，因體積大、成本高、噪音大等問題，在多點監(jiān)測網(wǎng)絡中的應用受限。靜電式采樣器雖有優(yōu)勢，但產(chǎn)生高濃度液體樣本的能力有限。

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

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

圖 2：呈現(xiàn) EEBS 整體及各部分的光學和 X 射線圖像，如微型電暈放電器、細菌收集及液體樣本轉換部分的結構細節(jié)。

研究人員對 EEBS 的性能進行了全面測試。在微型電暈放電器的充電特性方面，當電壓達到 1700V 時開始電暈放電，此時粒子損失率與以往研究相當，且細菌通過放電器的停留時間僅 0.7ms，對細菌損傷極小。在收集效率上，對于 0.5 - 2μm 的聚苯乙烯乳膠（PSL）顆粒和典型細菌（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。實驗確定收集細菌的電壓為 4000V，此時收集效率超 90%。電潤濕技術的封裝效率高達 99.8%，能有效將空氣中的細菌轉化為高濃度液體樣本。與 SKC BioSampler 相比，EEBS 在更短的采樣時間內(nèi)，能提供更高濃度的細菌液體樣本，且在低濃度細菌環(huán)境中也能檢測到細菌。

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 電壓下電潤濕技術使液滴移動的高速相機圖像；（b）為電潤濕過程中收集電極上金黃色葡萄球菌的掃描電鏡圖像。

圖 5：（a）對比 EEBS 和 SKC BioSampler 在高背景細菌濃度環(huán)境下收集樣本的 RT-qPCR 擴增曲線；（b）對比兩者在低背景金黃色葡萄球菌濃度環(huán)境下的樣本檢測結果 。

該研究成果意義重大，EEBS 為監(jiān)測空氣中細菌提供了低成本、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)老院等對細菌監(jiān)測要求較高的場所。未來，研究團隊計劃對不同環(huán)境和細菌類型進行更詳細的評估測試，開發(fā)可重復使用、便攜且低成本的多細菌檢測系統(tǒng)，并探索將其與 EEBS 集成，有望為細菌監(jiān)測領域帶來新的發(fā)展范式。

參考文獻：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.

來源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~徐禮龍。