滕新栋 冯茹荔 刘迪 杨森 孙高峰

摘 要 常规呼吸道样本采样方式主要是口咽拭子、鼻咽拭子，口咽拭子需拭子棒接触咽后壁、颚扁桃体的充血部位；鼻咽拭子需拭子棒插入鼻腔，这两种方式均会引起受试者强烈的不适感，可能会对其造成一定的损伤。本研究设计的呼出气采集装备是一款通过采集检测对象呼出气病原微生物的装备，2 min内完成采样，检测对象可一次或多次吹气，装备显示屏可显示采样进度，进度条满格后则采样完成，具有操作简单、采集时间快、采集无创性、舒适度高、适用场景范围广、减少医护人员被动感染几率、适用于规模化采集等优点。呼出气和咽拭子采集样本中的新型冠状病毒核酸检测一致性为95.65%。呼出气采集装备的研发更新了呼吸道病原体采集的方法，为国境口岸出入境人员呼吸道传播疾病的多病共防提供了新的工具，为筑牢口岸卫生检疫防线提供了新的思路。

关键词 呼出气采集；口咽拭子；鼻咽拭子；无创

Design of a New Device for Respiratory Pathogen Collection

TENG Xin- D ong ¹ FENG Ru- L i ¹ LIU Di ¹ YANG Sen ² SUN Gao- F eng ³

Abstract The conventional respiratory sampling methods mainly include oropharyngeal and nasopharyngeal swabs, while the former requires swab rods to contact the congested areas of the posterior pharyngeal wall and tonsils, and the latter requires swab rods to be inserted into the nasal cavity, both of which can cause strong discomfort to the testee and cause certain damage. The exhaled breath collection device designed in this study is one that collects pathogenic microorganisms in the exhaled breath of the test object. The sampling can be done within 2 minutes, and the testee may blow air once or multiple times. The display screen of the device can show the sampling progress, and the sampling is completed when the progress bar is full. It has advantages of simple operation, fast collection time, non-invasive collection, high comfort, wide applicability, low probability of passive infection for medical staff, and is suitable for large-scale collection. The consistency of SARS-CoV-2 acid detection in exhaled breath and oropharyngeal swab samples is 95.65%. The research and development of the exhaled breath collection device has renewed the method of respiratory pathogen collection, providing a new tool for simultaneous prevention of multiple respiratory diseases among entry-exit personnel at border ports and a new way of strengthening health and quarantine at ports.

Keywords exhaled breath sampling; oropharyngeal swab; nasopharyngeal swab; non-invasive

基金项目：山东省重点研发计划（重大科技创新工程）（2021CXGC011306）

第一作者：滕新栋（1987—），男，汉族，山东青岛人，博士，副主任技师，主要从事病媒生物监测和传染病监测研究工作，E-mail: tengxindong@163.com

1. 青岛国际旅行卫生保健中心（青岛海关口岸门诊部） 青岛 266071

2. 青岛农业大学 青岛 266109

3. 山东星汉检测科技有限公司 青岛 266000

1. Qingdao International Travel Health Care Center (Qingdao Customs Port Clinic), Qingdao 266071

2. Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109

3. Shandong Xinghan Testing Technology Co., Ltd., Qingdao 266000

急性呼吸道感染（Acute Respiratory Infections，ARIs）极易通过气溶胶方式扩散传播，是世界范围内造成人类传染性疾病高发病率和高死亡率的因素之一，涉及的病原体主要包括人博卡病毒、人偏肺病毒、人冠状病毒、人腺病毒、呼吸道合胞病毒、流感病毒、副流感病毒、鼻病毒等^[1-3]。对急性呼吸道感染者进行病原体监测，有效采集呼吸道病原体，对实施疫情监测与疫情预防控制有重要意义。

传统呼吸道病原体采集方式包括口咽拭子、鼻咽拭子、呼吸道抽取物、支气管肺泡灌洗液等^[4-6]。新型冠状病毒感染暴发后，全球范围内开展了新冠病毒核酸检测和变异株监测，采样方式主要是口咽拭子、鼻咽拭子，而口咽拭子需拭子棒接触咽后壁、颚扁桃体的充血部位；鼻咽拭子需拭子棒插入鼻腔，这两种方式均会引起受试者强烈的不适感，可能会对其造成一定的损伤^[7]。

与传统鼻咽拭子方式相比，呼出气微生物采集简便、易行、无创，可以满足大规模筛查易感人群或疑似病例的需要，且能够提高主动防控呼吸系统传染病疫情的能力，减少医护人员的被动感染，并且可有效降低病原体扩散的风险^[8-10]。本研究研发了人呼出气采集装备，同时设计出全新采集管用于直接采集人呼出气中病原微生物，构建了呼吸道病原体无创采集新方法。

1 呼出气采集装备

呼出气采集装备外形尺寸为370 mm×352 mm×220 mm（长×宽×高），顶部设计有把手，壳体（镀锌板材质）前板外上部正中央嵌有显示屏，显示屏右侧为启动/关闭按钮，按钮正下方嵌为抽气管道接口，通过连接软管（PVC材质）连接采集管上出气口；壳体背板内部右上方用螺丝固定散热风扇，背板上有对应开凿的圆形点状散热孔，左下方从左到右依次为紫外灯开关、电源孔和USB接口，其中USB接口连接操作按钮，是采样时抽气启动与停止的操作配件（图1）。

壳体内部固定有负压设备及控制线路，底板左前端用螺钉固定24 V开关电源，与箱体后侧供电插头通过导线连接，为所有部件提供能源支撑。开关电源后方装有控制主板，右侧装有端子排，控制主板与端子排之间有数据线相连接；底板右侧，从外向内分别装有继电器、紫外消毒灯、旁路阀，继电器连接开关阀与机箱壳体前外右侧设备启动按钮对应安装，各部件之间通过线路连接协调工作。底板正中央切割有正方形开口，四周打孔用螺钉固定真空泵，真空泵左右各设置有进出气口，左前进气口连接空气过滤器Ⅰ，右后出气口安装消音器，用以降低气体过滤时设备运行产生的噪音。消音器正后方，空气过滤器Ⅱ通过三通配件与底板左后部1 L储气罐进行装配，储气罐中配滤膜，此为二次过滤器。负压设备可保证被检测人呼出气单一流向，吸入设备后经过充分有效过滤，再排至空气中（图2）。

图2 呼出气采集装备内部俯视图

Fig.2 Internal top view of the exhaled breath collection device

2 呼出气采集管及配件

采集管总高117 mm，由透明类圆柱状管身（PP材质）与红色管盖（PP材质）两部分构成，管身底部直径22 mm，管盖最宽处直径27 mm，管身与管盖通过螺纹旋转接合，接合处嵌有密封圈，具有良好的开合性与密封性（图3）。红色瓶盖最上方出气口与机身抽气管道接口通过连接软管连接；管盖上部内置PF-TB5W病毒过滤膜，防止呼出气微生物进入连接软管；管身前方最下端设计进气口，与吹气管（PVC材质）连接；进气口与出气口有黑色橡胶密封塞（硅胶材质），使用前拔掉、使用后回塞；采集管内预先灌装样本保存液（灭活型，含胍盐类和酚红指示剂）。

配有采集管固定底座与置物架，采样时可将采集管存放固定底座上，固定底座高152 mm，其上有高度45 mm、直径39 mm前后可调节的抓手。采样前后可以将采集管放在置物架上，能有效防止采集管倾倒。根据单人采样或多人混合采样需求，合理更换采集管与吹气管（一次性）。

图3 呼出气采集管及配件

Fig.3 Exhaled breath collection tubes and accessories

3 呼出气采集管气密性测试

室温环境下，连接采集管与微电脑负压无油真空泵装置，关闭采集管入口阀门A，开启采集管出口阀门B，并启动微电脑负压无油真空泵装置。当真空表PI读数达到-20 KPa左右时，记录真空表PI读数1，关闭真空设备，然后每隔10 s记录一次读数，时长共120 s。重复3次试验。真空表读数变化率=（真空表首次读数－末次读数）/首次读数×100%，若真空表读数变化率＜4%，则采集管满足使用要求（图4）。结果显示：3次试验首次读数分别为-19.1、-21.2和-22.2，末次读数分别为-19.1、-21.2和-22.1，真空表读数差值变化率分别为0%、0%和0.45%，均＜4%，该采集管气密性满足使用要求。

4 呼出气采集装备操作方法

呼出气液相采集设备操作简单，采样工作人员经过简单培训即可熟练操作，不需要特殊医学专业背景，被检测人则根据简单呼气指令即可完成采样，适用群体类型广泛。具体操作方法如下：将手按压在操作按钮上开始吹气，屏幕上有显示吹气进度的进度条；被检测人停止吹气、换气时，手离开操作按钮，进度条进度会停止；依次重复，直至进度条满格后为该名被检测人采样结束（图5）。如果吹气过程意外中断需重新检测，点击屏幕右下角的“重新检测”按钮，进度条归零，重复被检测人操作步骤即可。

5 呼出气采集管内置液体量测试

利用呼出气采集装备测试采集管中螺旋气体带动液体情况，确定采集管合适的液体量。准备25个采集管、25个吹气管和若干根连接软管。采集管分成5组，每组5个，添加样本保存液到采集管中，液体量分为1.2 mL、1.4 mL、1.6 mLl、1.8 mL和2.0 mL（图6），按照呼出气采集装备操作流程进行测试（图7）。结果显示：采集管内置达到1.8 mL时，液面高于吹气口下缘，液体溶液溢出；从螺旋气体形成情况看，液体量从1.2 mL到1.6 mL时，螺旋气体带动液体高度逐渐增高，但当内置液体为1.8 mL以上时，有部分液体随螺旋气体溢出采集管进入到连接软管。因而，综合来看，呼出气采集管内置液体量宜选择1.6 mL。

6 呼出气采集装 备的功能与特点

6.1 装配负压与过滤功能

采集装备机箱内部真空泵等负压组件的运行增强了气流定向流动，引导受试者的呼出气与采集管中样本保存液充分混合，有利于提高呼出气中病原微生物的采集效率。进入采集管的呼出气经采集管和采集装备中的两层PF-TB5W病毒过滤膜过滤后，再经排风口排出设备，符合生物安全要求。

6.2 自带紫外灯，消毒方便

采集装备底板固定有消毒灯灯座与紫外灯泡，背板有专用消毒灯控制开关按钮，采样任务完成后，即可对设备内部管路与配件进行消毒，无需再借助外部消毒工具，方便实用。

6.3 采集方式创新，舒适度高

采用人呼出气与采集管中样本保存液直接混合的液化方式，将呼出气中的病原微生物留存在管内液体中，再将采集管送检，实验室对液体中DNA/RNA进行分析，达到分子生物学检测目的。仅吹气即可完成样本采集，无创无痛且舒适度高，可操作性强，被检测人配合度高，儿童与老人均可轻松完成，能避免目前普遍采用的鼻拭子、咽拭子等呼吸道病原体采集方式的不适感，提高受试者的配合度，间接保护个人隐私。

6.4 携带方便，快速高效

呼出气采集装备尺寸小巧、重量轻，机箱顶端设有把手方便携带，对使用场地无特殊要求，仅需接通电源即可使用，每次采样吹气不超过2 min即可，速度快且易操作，可应用于规模化与常规化呼吸道病原微生物筛查。

6.5 应用场景广泛

目前，口岸入境人员卫生检疫以体温监测、医学巡查、主动申报等手段为主，对症状可疑人员采集鼻咽拭子或口咽拭子^[1-2]，进而筛查呼吸道病原微生物，但拭子的采样方式存在不适感强烈、操作繁复等问题。本研究介绍的呼出气采集装备可以有效规避以上问题，舒适、快捷、高效地完成呼吸道病原微生物样本采集。因其携带方便的优势，呼出气采集装备可以作为临床医学床旁检测的实用仪器，应用于医院门诊、隔离病房，也适用于采样方舱、社区医疗服务部、学校等多种场景。

7 呼出气与咽拭子采集方式比较

选取青岛国际旅行卫生保健中心有呼吸道症状且同意采集的自有人员23人，对同一人先采集呼出气再采集咽拭子。利用Swift96全自动核酸提取仪（广州达安基因股份有限公司）及配套试剂提取2种采集方式所获采集液的核酸，使用新冠病毒2019-nCoV核酸检测试剂盒（荧光PCR法）（上海伯杰医疗科技股份有限公司）开展新型冠状病毒核酸检测。结果显示：除有1人呼出气未测出而咽拭子测出新型冠状病毒核酸外，其余人员新型冠状病毒核酸阳性和阴性均一致，一致性为95.65%（表1）。

8 结语

本研究设计的呼出气采集装备改变了呼吸道病原微生物的采集方式，采集样本后可直接送实验室进行病原微生物核酸提取和检测，实现了急性呼吸道病原微生物样本快速、高效、无创、舒适地采集，可满足国境口岸多种呼吸道疾病筛查的需求，有利于国境口岸出入境人员呼吸道传播疾病的多病共防。

参考文献

[1] 柳婷婷, 徐靖淋, 郭子槊, 等. 人类呼吸道病毒核酸检测技术研究进展[J]. 病毒学报, 2022, 38(4): 965-973.

[2] Li ZJ, Zhang HY, Ren LL, et al. Etiological and epidemiological features of acute respiratory infections in China[J]. Nature Communications, 2021, 12(1): 5026.

[3] 谢家敏, 张云强, 杨康, 等. 2019—2021年广东省住院严重急性呼吸道感染病毒病原谱分析[J]. 公共卫生与预防医学, 2023, 34(3): 38-42.

[4] 李安安, 刘庆峰, 王燕, 等. 肺炎患者上下呼吸道样本多病原检测比较分析[J]. 现代预防医学, 2022, 49(4): 715-719.

[5] 王蜀强, 曾俊, 万朝敏, 等. 四川省流行性感冒中西医结合诊疗专家共识(2023版)[J]. 实用医院临床杂志, 2023, 20(2): 1-11.

[6] 王博文, 李国凯, 杨莉, 等. 不同样本保存条件对鼻咽拭子呼吸道病原体核酸检测的影响[J]. 临床检验杂志, 2021, 39(11): 836-838.

[7] 单佳妮, 汪天林, 赵水爱, 等. 鼻咽拭子与口咽拭子呼吸道病毒抗原检出率比较[J]. 检验医学, 2021, 36(7): 719-721.

[8] 王丽华, 曾碧翔, 张以进, 等. 呼出气微生物采集技术及其应用研究进展[J]. 环境与健康杂志, 2013, 30(12): 1125-1127.

[9] Mcdevitt JJ, Koutrakis P, Ferguson ST, et al. Development and Performance Evaluation of an Exhaled-Breath Bioaerosol Collector for Influenza Virus[J]. Environmental Science & Technology, 2013, 47(4): 444-451.

[10] Zakharkina T, Koczulla AR, Mardanova O, et al. Detection of microorganisms in exhaled breath condensate during acute exacerbations of COPD[J]. Respirology, 2011, 16(6): 932-938.

(A) 前面外观 (B) 后面外观

图1 呼出气采集装备前面外观（A）及后面外观（B）

Fig.1 The front (A) and rear (B) appearances of the exhaled breath collection device

图4 呼出气采集管气密性测试示意图

Fig.4 Schematic diagram of airtightness test of exhaled breath collection tubes

图5 呼出气采集装备操作图

Fig.5 Operation diagram of the exhaled breath collection device

图6 呼出气采集管内不同液体量图

Fig.6 Diagram of the amount of different fluids in exhaled breath collection tubes

图7 呼出气采集管内螺旋气体带动液体测试

Fig.7 Spiral gas driven liquid test inside exhaled breath collection tubes

表1 呼出气和咽拭子采集样本中的新型冠状病毒核酸检测情况比较

Table 1 Comparison of Sars-CoV-2 acid detection in exhaled breath and oropharyngeal swab samples

注: undet表示检出阴性