УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА И ОТДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ И МИКРООРГАНИЗМОВ, ПРИСУТСТВУЮЩИХ В ОКРУЖАЮЩЕМ ВОЗДУХЕ

Изобретение касается устройства для сбора и отделения частиц и микроорганизмов, присутствующих в окружающем воздухе с целью идентификации и подсчета количества этих частиц и микроорганизмов.

Качественное и количественное определение частиц и микроорганизмов, присутствующих в окружающем воздухе, представляет интерес для многих отраслей экономики, в частности оно необходимо в фармацевтической промышленности, пищевой промышленности, медицинской промышленности, в службах гигиены окружающей среды, ветеринарных отделах различных предприятий и так далее. Размеры собираемых частиц и микроорганизмов могут колебаться приблизительно в пределах от 0,5 до 15 мкм.

В состав биологических частиц, присутствующих в окружающем воздухе, входят, в частности, бактерии, плесень, различные вирусы, пыльца..., причем сбор указанных частиц производится, как правило, методом направления потока воздуха, содержащего указанные частицы, на питательный или селективный агар-агар (растительный студень), или же на поверхность какой-либо жидкости или же путем их центрифугирования в жидкой среде.

Сбор этих частиц или микроорганизмов, выполняемый методом их осаждения на агар-агаре, сопровождается инкубационным периодом, по истечении которого производится подсчет и идентификация полученных колоний культур. Недостатком описанного способа является то, что при его применении могут быть подсчитаны лишь те микроорганизмы, которые жизнеспособны и обладают возможностью размножаться на питательной среде, применяемой при проведении анализа, подсчет же микроорганизмов, испытавших в ходе их сбора стресс, или тех из них, которые испытают этот стресс при засасывании воздуха или ударе об агар-агар, не возможен.

Таким образом, рассматриваемый выше способ может быть реализован лишь при использовании малых расходов засасываемого воздуха и может применяться только в течение непродолжительного отрезка времени с целью недопущения повреждения собранных микроорганизмов и усыхания агар-агара (указанный расход воздуха, как правило, не превышает 100 литров в минуту). Определяемый этим способом микробиологический вес является, как правило, заниженным.

При использовании способа сбора частиц и микроорганизмов путем их улавливания поверхностью жидкости содержащиеся в засосанном воздухе частицы направляются на влажные стенки камеры и собираются в нижней части последней в виде жидкообразного образца. Недостатком такого способа анализа является образование пузырьков воздуха в жидкости, используемой для улавливания частиц и микроорганизмов, вызываемое действием воздушного потока, а также повторное скачкообразное разбрасывание частиц и микроорганизмов по стенкам камеры.

В случае использования способа сбора частиц и микроорганизмов путем их центрифугирования в жидкой среде указанные частицы и микроорганизмы засасываются в цилиндрическую камеру, в которой они сначала приводятся во вращение, а затем оседают на дне трубы, заполненной водой.

При таком способе сбора частиц и микроорганизмов самые крупные из них оседают на стенках камеры и собираются в ее нижней части, в то время как более мелкие из них уносятся воздушным потоком в сторону выхода из камеры и не подвергаются, таким образом, никакому сбору и учету. В существующих системах анализа применяются относительно высокие расходы воздуха, обусловленные необходимостью обеспечить сбор достаточного количества частиц и микроорганизмов, кроме того, размеры и вес используемого оборудования (камера циклонного действия, средства всасывания воздуха) относительно велики, ввиду чего это оборудование является стационарным и не подлежащим переустановке, что, безусловно, ограничивает возможности применения указанных систем.

Кроме того, улавливаемые в ходе анализа частицы собираются, как правило, во флаконах, установленных в нижней части цилиндрической камеры, после чего указанный флакон закрывается пробкой. Такой способ отбора с одной стороны не гарантирует того, что все уловленные частицы будут собраны в указанном флаконе, а с другой - не исключает возможности загрязнения собранных частиц в момент отделения флакона от цилиндрической камеры.

Задачей изобретения является разработка устройства для сбора и отделения частиц и микроорганизмов, присутствующих в окружающем воздухе, которое с одной стороны сочетает в себе преимущества известных способов улавливания, а с другой - не имеет присущих им недостатков.

Для решения этой задачи предлагается устройство для сбора и отделения частиц и микроорганизмов, присутствующих в окружающем воздухе, содержащее средства всасывания воздуха внутрь емкости, оборудованной средствами удержания частиц и микроорганизмов, а также средства отвода всасываемого воздуха, отличающееся тем, что указанная емкость смонтирована на устройстве съемным образом и образует своего рода сосуд для транспортировки частиц и микроорганизмов.

Таким образом, согласно изобретению предлагаемое устройство представляет собой один и тот же элемент, который может одновременно служить как для отделения и для сбора частиц и микроорганизмов, присутствующих в окружающем воздухе, так и для их транспортировки к месту проведения анализа. Предлагаемое устройство позволяет, таким образом, уменьшить количество необходимых манипуляций и одновременно снизить опасность загрязнения собранных частиц и микроорганизмов. Конструкция предлагаемого устройства гарантирует также то, что подвергаемые анализу частицы и микроорганизмы представляют собой все 100% собранных частиц и микроорганизмов.

Согласно другому отличительному признаку изобретения указанная выше емкость содержит средства автоматического закрытия отверстий, расположенных в ее верхней части, причем указанные отверстия открыты тогда, когда емкость установлена на устройстве и закрываются при ее снятии с устройства.

Например, указанные средства автоматического закрытия отверстий включают в себя кольцевую диафрагму и средства упругого возврата диафрагмы в положение закрытия открытой верхней части емкости. Предусмотрены также в случае необходимости и другие средства для закрытия одного или нескольких отверстий подачи воздуха внутрь емкости.

Указанная возможность автоматической укупорки емкости в случае ее снятия с устройства позволяет избежать возможного загрязнения собранных частиц и микроорганизмов.

Указанная емкость может устанавливаться на предлагаемом устройстве с помощью упругого защелкивающего механизма, а также путем поворота ее относительно устройства на одну четверть оборота, причем перемещение емкости в процессе ее фиксации на устройстве с помощью защелкивающего механизма или ее поворот относительно устройства на четверть оборота позволяет легко обеспечить открытие или закрытие указанных выше средств автоматической укупорки емкости.

Согласно еще одному отличительному признаку изобретения емкость представляет собой камеру цилиндрической формы небольшого объема, не превышающего приблизительно 200 см³, внутри которой частицы или микроорганизмы, вносимые потоком всасываемого воздуха, приводятся во вращение вокруг оси емкости и затем отделяются от потока всасываемого воздуха за счет эффекта центрифугирования, оседая на внутренних стенках емкости, причем последняя образует совместно со средствами всасывания воздуха автономную, переносную и управляемую с помощью всего лишь одной руки систему.

Главным преимуществом предлагаемого устройства согласно изобретению является то, что оно может быть использовано благодаря своей автономности, небольшим габаритам и низкому весу в любом месте, причем указанная автономность, небольшие габариты и низкий вес позволяют не только легко переносить устройство с места на место, но и управлять им одной рукой, а также устанавливать его и ориентировать в пространстве так, как это окажется необходимым.

Используя предлагаемое устройство можно производить последовательный отбор проб в нескольких местах, ориентируя предлагаемое устройство различным образом в пространстве и переходя от одного места к другому в одном и том же помещении. В распоряжение оператора может быть предоставлено, в частности, оборудование, содержащее несколько сменных емкостей, что позволит ему произвести несколько последовательных заборов проб в течение короткого промежутка времени.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения указанная выше съемная емкость является устройством одноразового использования или же выполнена из материала, допускающего обработку в автоклаве.

Согласно первому способу осуществления изобретения улавливание и сбор частиц и микроорганизмов в указанной емкости производится всухую, а соответствующая жидкость добавляется затем, в заранее определенном количестве, в нижнюю часть емкости с целью получения жидкообразного образца, пригодного для последующей обработки в соответствии с требованиями производимого анализа.

Согласно другому способу осуществления изобретения предлагаемое устройство содержит средства для впрыска жидкости в верхнюю часть емкости, смонтированной на рассматриваемом устройстве, причем выходные отверстия указанных средств инжекции выходят внутрь средств подачи воздуха в емкость.

Таким образом, удается получить непосредственно в нижней части емкости жидкообразный образец, содержащий собранные частицы и микроорганизмы.

Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения указанное устройство согласно изобретению оборудовано ручкой, которая соединена с неподвижной частью опоры емкости и/или со средствами всасывания воздуха и которая оборудована резервуаром с жидкостью, средствами оказания давления на жидкость, содержащуюся в резервуаре, и средствами связи резервуара со средствами впрыска жидкости в указанную выше емкость.

Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что указанные средства связи включают в себя средства управления расходом жидкости, поступающей в средства впрыска.

Кроме того, эта ручка включает в себя средства управления средствами всасывания воздуха.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения расход воздуха, нагнетаемого в указанную емкость средствами всасывания, находится приблизительно в диапазоне от 200 до 400 литров в минуту.

В случае применения подобного устройства отбор пробы воздуха может продолжаться несколько минут, при этом такое устройство позволяет собрать частицы и микроорганизмы, присутствующие в объеме окружающего воздуха, находящемся в пределах от 1 до 2 м³.

Устройство согласно изобретению позволяет отделить от воздуха и собрать в одном месте частицы и микроорганизмы, имеющие размеры, находящиеся, как правило, приблизительно в пределах от 0,5 до 15 мкм. В том случае, когда возникает необходимость собрать более мелкие частицы, размером, приблизительно меньшим 1 мкм, на выходе указанной выше емкости и на аксиальном выходе воздушного потока, выходящего из последней, может быть установлен специально предусмотренный для этой цели фильтр.

Настоящее изобретение станет более понятным, а его другие характеристики, детали и преимущества проявятся более отчетливо, при ознакомлении с приводимым ниже описанием, предполагаемым в качестве примера, и со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:

фиг.1 иллюстрирует общую схему первого способа выполнения устройства согласно изобретению,

фиг.2 - функциональную схему этого устройства,

фиг.3а и 3b иллюстрируют схематично варианты использования этого устройства,

фиг.4 иллюстрирует схему функционирования согласно одному из вариантов осуществления рассматриваемого изобретения.

Со ссылками на фиг. с 1 по 3 ниже будет описан первый способ выполнения устройства согласно изобретению.

Указанное устройство является автономным, переносным, управляемым всего лишь с помощью одной руки и состоящим главным образом из одной емкости цилиндрической формы 10, установленной на неподвижной части устройства, которая содержит корпус цилиндрической формы 13 и нижнюю часть 12, имеющую форму усеченного конуса, причем указанная емкость 10 ограничивает собой камеру центрифугирования и соединена со средствами 14 всасывания воздуха. Предлагаемое устройство оборудовано также ручкой 16, оборудованной в свою очередь средствами управления работой средств всасывания воздуха, причем указанные средства управления могут быть, например, выполнены в виде кнопочного выключателя или подвижного контакта.

Неподвижная часть устройства, к которой крепится емкость, состоит из верхней стенки 11, оборудованной аксиальным выходом воздуха 18 и ориентированной вниз цилиндрической реборды 20, которая в свою очередь оборудована отверстием, связанным с трубопроводом подачи воздуха 22, который входит по касательной в емкость 10. Стенка 11 жестко соединена со средствами всасывания воздуха 14, а аксиальный выход воздуха 18 подключен к полости всасывания, оборудованной внутри ящика средств 14 и содержащей приводимый во вращение электродвигателем ротор 24, вращение которого приводит с одной стороны к засасыванию воздуха через трубопровод 18 и, как следствие, к поступлению воздуха в емкость 10 по трубопроводу 22, а с другой к вращению воздушного потока внутри емкости, как это показано стрелками на фиг.2.

Окружающий воздух 26 засасывается, таким образом, в емкость 10, что же касается частиц и микроорганизмов, содержащихся в воздухе, то они под действием центробежных сил сначала отделяются от воздушного потока, оседая на внутренней стенке емкости 10, а затем собираются в нижней, имеющей форму усеченного конуса, части 12 емкости 10, сечение которой уменьшается в направлении сверху-вниз и может заканчиваться укупорочным насадком цилиндрической формы 28.

К преимуществу рассматриваемого изобретения следует отнести то, что корпус цилиндрической формы 13 и нижняя, имеющая форму усеченного конуса, часть 12 образуют совместно моноблок, устанавливаемый съемным образом на цилиндрической реборде 20 посредством упругого защелкивающего механизма или за счет поворота его относительно реборды на одну четверть оборота.

В тех случаях, когда емкость снята с устройства (как это показано на фиг.3а и 3b), отверстие для ввода воздуха и верхняя открытая часть емкости 10 могут быть укупорены посредством предохранительной крышки 42, при этом закрытая емкость образует своего рода резервуар, пригодный для сохранения собранных частиц и микроорганизмов и для их транспортировки в лабораторию, в которой будет производиться анализ.

В качестве возможного варианта верхняя часть емкости может быть оборудована средством автоматической укупорки 29 (таким, например, как кольцевая диафрагма, которая используется в конструкции фотоаппаратов), работающим совместно с возвратной пружиной и открывающимся при установке емкости 10 на предлагаемом устройстве и закрывающимся при снятии емкости 10 с этого устройства. Возможность производить автоматическое закрытие верхней части емкости 10 при ее снятии с устройства позволяет избежать опасности загрязнения частиц и микроорганизмов, собранных в емкости 10, веществами, присутствующими во внешней среде или, напротив, избежать опасности загрязнения окружающей среды частицами и микроорганизмами, собранными в емкости 10. Для укупорки отверстия ввода воздуха в емкость предусмотрены соответствующие средства.

Для обеспечения большей безопасности верхняя часть емкости 10, закрывающейся с помощью средства автоматической укупорки 29, может быть закрыта предохранительной крышкой 42, как это показано на фиг.3b, что позволит в безопасных условиях хранить указанную емкость и транспортировать ее к месту проведения анализа.

В способе осуществления предлагаемого изобретения, представленном на фиг.2, ручка 16 устройства содержит также специальный резервуар 30, наполненный жидкостью (смесью воды с поверхностно-активным веществом или совсем другой жидкостью, в зависимости от того типа анализа, который необходимо произвести), на выходе которого установлены средства 32, обеспечивающие регулировку расхода, соединенные со средствами 34 впрыска жидкости в верхнюю часть емкости 10.

В качестве возможного варианта, указанные средства впрыска жидкости 34 могут быть встроены в трубопровод 22 подачи воздуха внутрь емкости.

Согласно другому варианту устройства верхняя неподвижная часть емкости содержит несколько отверстий для тангенциального впрыска жидкости, причем указанные отверстия распределены равномерным образом вдоль окружности реборды 20 цилиндрической формы, и соединяются с емкостью через проемы, предусмотренные в верхней части емкости 10.

Предпочтительно, чтобы резервуар 30 соединялся со средствами 36, обеспечивающими давление на подлежащую впрыску жидкость, причем указанные средства 36 могут быть любого подходящего типа, например средства, использующие пружину, воздействующую на передвижное дно резервуара 30, как это показано на фигуре, либо средства использующие сжатый газ, и так далее... Кроме того, сам резервуар 30 может иметь "монодозовую" конструкцию, то есть содержать относительно малое количество жидкости, достаточное, однако, для отбора одного образца, или напротив иметь "мультидозовую" конструкцию и содержать в этом случае более значительное количество впрыскиваемой жидкости, позволяющее выполнить несколько последовательных заборов проб.

Средства 32 регулировки расхода впрыскиваемой жидкости управляются передвижным контактом или кнопочным выключателем 38, которые устанавливаются на ручке 16, поблизости от другого кнопочного выключателя или передвижного контакта 40, управляющих работой средств всасывания воздуха 14.

Ручка содержит также средства обеспечения электропитания электродвигателя, используемого в качестве привода ротора 24, причем в качестве указанных средств могут применяться, например, перезаряжаемые аккумуляторы или аналогичные им устройства. В качестве возможного варианта может быть рассмотрен и тот, в котором указанный электродвигатель будет запитан от стационарной сети электропитания.

Согласно варианту осуществления изобретения емкость 10 имеет диаметр порядка 50 мм, объем этой емкости, включая ее нижнюю часть 12, находится приблизительно в пределах от 100 до 200 см³, расход воздуха, засасываемого в емкость 10 посредством средств 14, находится в пределах от 200 до 400 литров в минуту, объем жидкости, впрыскиваемой при каждом заборе пробы в емкость 10 с помощью средств 34, находится приблизительно в пределах от 5 до 10 мл (в том случае, если резервуар 30 будет содержать, например, 40 мл жидкости, это будет означать, что с его помощью можно будет выполнить от 4 до 8 заборов проб), установленная электрическая мощность находится в пределах от 100 до 200 кВт, а полный вес всего устройства не превышает 2 кг.

Предлагаемое устройство может использоваться следующим образом:

указанное устройство можно при заборе пробы либо держать в руках и ориентировать в определенном направлении, либо просто установить на опору. При заборе пробы воздуха емкость 10 укрепляют на реборде цилиндрической формы 20, после чего запускают в работу (посредством кнопочного выключателя 40) средства 14, обеспечивающие всасывание воздуха. При продолжительности отбора пробы, равной, например, 5 минутам, можно будет засосать для проведения анализа приблизительно от 1 до 2 м³ воздуха, при этом всосанный воздух вначале циркулирует по емкости 10, вращаясь вокруг ее оси, затем поднимается вверх и выводится из указанной емкости по трубопроводу 18 и поступает в ящик 14, содержащий средства всасывания воздуха, для последующего выброса в атмосферу. Жидкость может впрыскиваться в воздушный поток либо в непрерывном режиме в течение всего цикла проведения операции отбора пробы, либо на протяжении только одного какого-то отдельного отрезка времени проведения операции отбора.

Частицы и микроорганизмы, транспортируемые потоком всосанного воздуха, отбрасываются под действием центробежных сил на внутренние стенки емкости 10 и, как следствие, оказываются отделенными от потока всосанного воздуха, который выводится из емкости по трубопроводу 18. Жидкость, впрыскиваемая в емкость 10, проходит тот же путь, что и всосанный воздух, осуществляя при этом полную промывку внутренней поверхности этой емкости. Уловленные частицы и микроорганизмы оказываются в итоге собранными в нижней части 12 емкости и в насадке цилиндрической формы 28.

Для выполнения отбора пробы, как это показано на фиг.3а и 3b, снимают емкость 10 путем открытия защелкивающего механизма или поворота ее относительно верхней цилиндрической реборды на одну четверть оборота, надевают на корпус цилиндрической формы 13 емкости 10 предохранительную крышку 42, которая закрывает все отверстия в верхней части емкости 10. В итоге удается получить укупоренный герметичным образом сосуд, который может в этом состоянии храниться вплоть до проведения необходимого анализа.

Для проведения следующих заборов проб достаточно будет лишь установить на верхнюю цилиндрическую реборду 20 другую емкость 10.

Небольшие размеры устройства согласно изобретению позволяют разместить в переносном чемоданчике от 4 до 5 съемных емкостей, а также один или два сменных резервуара 30, а также, возможно, и второй перезаряжаемый аккумулятор для питания электродвигателя, используемого в качестве привода средств всасывания воздуха 14.

В качестве возможного варианта осуществления изобретения может быть рассмотрен случай, когда средства всасывания воздуха 14 включают в себя небольшой резервуар сжатого воздуха, который позволит произвести всасывание воздуха в емкость цилиндрической формы 10 за счет эффекта подсоса. В этом случае предлагаемое устройство может быть использовано без какого-либо риска взрыва, обусловленного возможностью появления электрической искры.

В качестве другого возможного варианта осуществления изобретения может быть рассмотрен случай, когда всасывание воздуха в емкость цилиндрической формы 10 выполняется за счет присоединения устройства согласно изобретению к стационарному сетевому устройству всасывания, типа применяемого в некоторых зданиях и больницах.

Согласно другому аспекту изобретения резервуар с жидкостью 30 и приданные ему средства повышения давления содержащейся в нем жидкости 36 могут быть выполнены в виде шприца для инъекций с ручным или полуавтоматическим управлением.

Устройство согласно изобретению может также использоваться для выполнения отбора проб и улавливания частиц и микроорганизмов всухую, при которых уловленные и собранные вместе частицы и микроорганизмы помещаются затем в жидкость, характеристики которой соответствуют требованиям проводимого анализа.

Подобное устройство показано на фиг.4.

В указанном случае корпус цилиндрической формы 13 емкости 10 закрывается верхней крышкой 44, оборудованной аксиальным выводом воздуха 46, который в свою очередь может быть, возможно, оборудован средством автоматической укупорки, таким, например, как резиновая мембрана или каким-либо другим соединением с уплотнением. Эта емкость 10 фиксируется на неподвижной опоре 20 либо с помощью защелкивающего механизма либо за счет ее поворота на одну четверть оборота относительно указанной опоры, причем последняя содержит, как и в вышеописанном способе осуществления изобретения, средства 22 для тангенциального ввода воздушного потока в емкость 10, трубопровод 18 для отвода воздуха, сообщающийся с камерой, в которой вращается ротор 24, а также ручку (не представленную на фигуре), с помощью которой осуществляется удержание устройства в руке и управление им.

После забора пробы емкость 10 отделяется от опоры 20, при этом отверстие ввода воздуха в емкость закрывается и определенное количество соответствующей жидкости может быть впрыснуто в емкость 10 по верхнему аксиальному трубопроводу 46 с тем, чтобы перевести в растворенное состояние частицы и микроорганизмы, осевшие на внутренних стенках корпуса цилиндрической формы 13 и нижней части 12 емкости.

Как правило, устройство согласно изобретению позволяет получить образец частиц и микроорганизмов, присутствующих в окружающем воздухе, за счет отбора относительно большого объема окружающего воздуха.

Отобранные пробы воздуха хранятся в демонтируемых с устройства емкостях цилиндрической формы 10, в которых они защищены от опасности возможного загрязнения.

Концентрация уловленных частиц и микроорганизмов, растворенных в жидкости, впрыснутой внутрь емкости, может по необходимости меняться. Регулируется и сама продолжительность отбора проб.

Собранные образцы хранятся в отдельных емкостях цилиндрической формы, что позволяет избежать любой опасности их загрязнения друг от друга.

Кроме того, получение образцов в жидком виде позволяет применять новые современные методы анализа, основанные на использовании техники молекулярной биологии, эпифлуоресцентной микроскопии, цитометрии в потоке, биолюминесценции, иммунологии или хроматографии. С помощью предлагаемого устройства можно определить, таким образом, полное содержание в окружающем воздухе микробной флоры, а также / или содержание в нем жизнеспособной микробной флоры и при этом не быть ограниченным возможностью оценки лишь флоры, поддающейся выращиванию, которая составляет только приблизительно от 0,1 до 10% всей микробной флоры.

Новые методы анализа, которым можно будет подвергнуть образцы, отобранные с применением устройства, согласно изобретению позволяют также проводить специфические исследования бактерий или различных видов плесени или исследовать какой-то отдельный их вид.

Кроме того, устройство согласно изобретению и вышеупомянутый чемоданчик, содержащий такие аксессуары, как съемные емкости, один или несколько резервуаров, заполненных впрыскиваемой жидкостью, один или несколько перезаряжаемых аккумуляторов, а также возможно и зарядные устройства аккумуляторов и так далее, представляют собой автономный и портативный набор для сбора и отделения частиц и микроорганизмов, присутствующих в окружающем воздухе, который может легко найти применение в самых разных и многочисленных областях науки и техники.