中国工程院食品安全院士团队

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生物气溶胶是空气中固体或液体颗粒的集合体，也是主要的室内污染物之一，其中细菌占比可达 57%，会引发哮喘、呼吸道感染等多种健康问题。目前监测空气中细菌的流程是，先通过采样器收集，再进行液体采样提高检测灵敏度，最后用测量仪器检测。虽然现有检测方法耗时短，但获取高浓度细菌液体样本往往需要长时间采样。传统商业化生物气溶胶采样器，如撞击式采样器、旋风式采样器和冲击式采样器，因体积大、成本高、噪音大等问题，在多点监测网络中的应用受限。静电式采样器虽有优势，但产生高浓度液体样本的能力有限。

此次新开发的采样器名为静电和电润湿基生物气溶胶采样器（EEBS），由微型电晕放电器和细菌收集及液体样本转换部分组成。工作时，细菌先进入微型电晕放电器，与产生的正离子碰撞而带上正电。带电细菌进入收集及转换部分后，在静电作用下被收集到接地电极上。接着，利用电润湿技术，通过改变液滴表面张力将收集到的细菌封装在液滴中，形成高浓度液体样本，最后液滴被引导至毛细管。该采样器的部件采用 3D 打印技术制造，并集成了 PCB 技术，成本较低。

图 1：展示了由微型电晕放电器和细菌收集及液体样本转换部分组成的 EEBS 工作原理示意图，包括细菌带电收集、液滴封装及样本收集过程。

图 2：呈现 EEBS 整体及各部分的光学和 X 射线图像，如微型电晕放电器、细菌收集及液体样本转换部分的结构细节。

研究人员对 EEBS 的性能进行了全面测试。在微型电晕放电器的充电特性方面，当电压达到 1700V 时开始电晕放电，此时粒子损失率与以往研究相当，且细菌通过放电器的停留时间仅 0.7ms，对细菌损伤极小。在收集效率上，对于 0.5 - 2μm 的聚苯乙烯乳胶（PSL）颗粒和典型细菌（如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌），随着施加电压升高，收集效率提高，粒径越大收集效率也越高。实验确定收集细菌的电压为 4000V，此时收集效率超 90%。电润湿技术的封装效率高达 99.8%，能有效将空气中的细菌转化为高浓度液体样本。与 SKC BioSampler 相比，EEBS 在更短的采样时间内，能提供更高浓度的细菌液体样本，且在低浓度细菌环境中也能检测到细菌。

图 3：（a）表明微型电晕放电器的离子电流随放电电压变化的关系；（b）显示不同放电电压下粒子的损失情况。

图 4：（a）呈现 90V 电压下电润湿技术使液滴移动的高速相机图像；（b）为电润湿过程中收集电极上金黄色葡萄球菌的扫描电镜图像。

图 5：（a）对比 EEBS 和 SKC BioSampler 在高背景细菌浓度环境下收集样本的 RT-qPCR 扩增曲线；（b）对比两者在低背景金黄色葡萄球菌浓度环境下的样本检测结果 。

该研究成果意义重大，EEBS 为监测空气中细菌提供了低成本、小型化且高性能的解决方案，尤其适用于幼儿园、医院和养老院等对细菌监测要求较高的场所。未来，研究团队计划对不同环境和细菌类型进行更详细的评估测试，开发可重复使用、便携且低成本的多细菌检测系统，并探索将其与 EEBS 集成，有望为细菌监测领域带来新的发展范式。

参考文献：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.

来源：微生物安全与健康网，作者~徐礼龙。