生物气溶胶暴露会引发过敏、呼吸系统感染、传染病爆发或被用作大规模杀伤性武器,严重威胁着人群的健康及社会和平与安定。传统的生物气溶胶检测一般采用离线分析的方法 即先采样后分析。集成空气采样与DNA、电学和纳米生物传感的多种技术,也正成为生物气溶胶实时检测的前沿热点。现有的基于激光诱导荧光的检测方法如UV-APSWIBS,虽然能够实时监测生物气溶胶的浓度,但由于受到背景杂质以及微弱荧光信号影响而导致较多的假阳性与假阴性。

 

近年来,激光捕获结合拉曼光谱等光学手段,可以实现对生物颗粒的原位甄别。过去研究已经成功地将不同的真菌孢子、花粉以及细菌等颗粒通过激光捕获的方式悬浮固定,并且获得相应的拉曼光谱。但是,由于受环境成分干扰太大,缺乏特征谱峰,在实际环境中颗粒检测存在非常大的挑战,甚至不能够区分所捕获的颗粒是生物还是非生物。生物颗粒一般都含有大量水分,北大要茂盛课题组过去研究发现,利用微波辐射可以直接灭活空气中的真菌、细菌。经过微波快速辐射后,真菌孢子形貌变得扁平,而细菌的细胞壁则发生明显破裂。受过去的微波辐射对生物气溶胶灭活的基金项目研究的启示,课题组猜想:如果用微波辐射激光悬浮固定的生物颗粒如真菌孢子,颗粒是否会突然发生破裂,导致捕获到的生物颗粒发生漂移或者逃逸现象?将激光捕获与微波辐射集成在一起研究单个生物气溶胶颗粒在学术界从未有报道。

 

空气中单个活性生物粒子可肉眼识别系统 BioAeroLMD

 

在国家自然科学基金委的支持下,课题组经过两年多的努力,集成激光原位捕获与微波辐射创建了空气中单个活性生物粒子可肉眼识别系统(BioAeroLMD)。近日,该项研究以Single viable fungal aerosol particle discerning using naked eye assisted with laser trapping and microwaving “为题在线发表在Atmospheric Environment刊物上 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1352231022005003 )。课题组三种真菌孢子包括黑曲霉、米曲霉和哈兹木以及三种非生物颗粒如MnO2、活性炭和Fe3O4通过激光悬浮固定在在一个自制玻璃立方体内的空气中。当微波辐射时,观察到一些被激光捕获的真菌孢子迅速逃离捕获发生漂移,甚至突然破裂 相比之下,其被捕获的非生物颗粒在微波辐射下没有发生明显的变化。对于所有测试的粒子包括生物和非生物颗粒,微波辐射导致粒子在捕获区域内移动,然后在新的地方达到平衡。有活性的生物粒子发生逃逸,而非生物粒子保持相对稳定。 根据粒子类型和照射时间,生物粒子和非生物粒子在辐照时光散射特性也存在差异。终止微波辐射使非生物粒子返回最初被捕获的位置。使用所发明的系统,我们可以通过简单地观察形态学和物理飘逸来肉眼识别有活性的单个微生物气溶胶颗粒。

 

 

利用BioAeroLMD实时捕获识别室内空气中有活性的单个生物粒子

 

捕获识别单个生物颗粒视频

 

 

课题组发明的BioAeroLMD能将复杂的生物气溶胶识别实现为一种可以用肉眼来观察识别的简单物理漂移或逃逸现象。该项目实现从01的科技发明,开拓生物气溶胶监测的新阵地也可为微波辐射单个气溶胶颗粒的动力学研究创建革命性的手段。该项研究是课题组在生物气溶胶实时监测研究和技术突破上迈出的重要的一步。 该项研究得到了国家自然科学基金委(219760079204330222040101),国家杰出青年基金(21725701)和广州国家实验室 EKPG21-02项目的支持。北京大学beat365体育亚洲官网在线李心月为第一作者,要茂盛教授为通讯作者。

 

 

 

 

  
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