黄夏宁 周洁 梁方芳 林洁 覃杨光 卢玲敏 叶海波 郭枫

摘 要 在全球公共卫生领域面临众多挑战的背景下，微生物气溶胶的采集与监测技术日趋重要，已成为当前研究的热点。本文对近年来微生物气溶胶采集和监测技术领域的最新研究趋势进行了综述，重点关注采样和监测技术的优化和创新，详细介绍如何通过改进采样设备性能和技术创新来提高气溶胶中微生物的捕获效率，从而提升采样过程的精确性和可控性，并探讨该技术在口岸卫生检疫工作中的推广和应用前景，为全面掌握微生物气溶胶的生物特性奠定基础。

关键词 微生物气溶胶；采集技术；监测技术

Progress in Research on Microbial Aerosol Sampling and Monitoring Technology

HUANG Xia-Ning^1,2 ZHOU Jie¹ LIANG Fang-Fang¹ LIN Jie¹

QIN Yang-Guang¹ LU Ling-Min¹ YE Hai-Bo³ GUO Feng^1*

Abstract While facing numerous challenges in the global public health field, the collection and monitoring technology of microbial aerosols is becoming increasingly important, emerging as a focal point of current research. This paper provides a comprehensive review of recent trends in microbial aerosol collection and monitoring technology, with a particular emphasis on optimizing and innovating sampling and monitoring technology. It delineates strategies for enhancing the capture efficiency of microorganisms in aerosols through improvements in sampling equipment performance and technological innovation, thereby augmenting the precision and controllability of the sampling process. Additionally, it explores the prospects for the widespread adoption and application of this technology in port health and quarantine operations, laying a foundation for a comprehensive understanding of the biological characteristics of microbial aerosols.

Keywords Microbial Aerosol; sampling technology; monitoring technology

基金项目：海关总署科研项目（2019HK136、2021HK190）；南宁海关科研项目（2023NNHG07）；广西纳米抗体研究重点实验室开放课题（2022NMKT002）

第一作者：黄夏宁（1985—），女，汉族，广西桂林人，博士，副主任医师，主要从事卫生检疫工作，E-mail: 397893122@qq.com

通信作者：郭枫（1980—），男，汉族，山东曹县人，本科，主治医师，主要从事卫生检疫工作，E-mail: 54715970@qq.com

1. 广西国际旅行卫生保健中心（南宁海关口岸门诊部） 南宁 530021

2. 广西纳米抗体重点实验室/广西纳米抗体工程研究中心 南宁 530021

3. 东兴海关综合技术服务中心 东兴 538199

1. Guangxi International Travel Healthcare Centre (Port Clinic of Nanning Customs District), Nanning 530021

2. Guangxi Key Laboratory of Nanobody Research/Guangxi Nanobody Engineering Research Center, Nanning 530021

3. Integrated Technology Service Center of Dongxing Customs District, Dongxing 538199

微生物气溶胶，是指空气中悬浮的直径在0.001～100 μm之间的微生物包含体形成的颗粒物，已成为公共卫生领域的一个研究热点。这些微小的颗粒物可源自人类的日常活动，如呼吸、咳嗽或打喷嚏，且能在空气中长时间悬浮并远距离传播。鉴于其潜在的呼吸道传染病传播风险，对微生物气溶胶的高效采集和精确监测显得尤为关键。微生物气溶胶的研究是一个跨学科的领域，涵盖了包括环境科学、流体力学、生物学、公共卫生等多个学科的知识体系。因此，开展对微生物气溶胶采集和监测技术的研究，不仅有助于更深入地理解呼吸道传染病的传播机制，也能够为制定更为有效的防控策略提供科学依据。微生物气溶胶的研究历史可以追溯到20世纪初，近年来，随着科技的发展和全球公共卫生事件的频发，这一领域的研究得到了更广泛的重视和更深入的发展。早期的研究主要聚焦于气溶胶的物理和化学特性，而现代研究则更多地关注其在呼吸道传染病传播中的生物学作用和影响^[1]。这些研究不仅推动了微生物气溶胶领域的发展，也为后续的研究和实践提供了宝贵的经验。

随着纳米技术、生物传感器等交叉学科的快速发展，微生物气溶胶的采集与监测技术也取得了显著进步。这些技术的发展不仅增强了人们对微生物气溶胶的认知，更为防控呼吸道传染病提供了新的手段和方法。特别是在全球公共卫生挑战日益严峻的背景下，如严重急性呼吸综合征（Severe acute respiratory syndrome，SARS）、中东呼吸综合征（Middle East respiratory syndrome，MERS）、甲型H1N1流感等疫情的暴发，使得微生物气溶胶的传播途径及其对疾病传播的影响受到了前所未有的关注。微生物气溶胶采集与监测技术的深入研究，对预防和控制空气传播微生物具有举足轻重的作用^[2]。这一技术的核心涵盖了采样器的精巧设计、采样方法的科学选择以及微生物的精准检测等多个关键环节。这些创新不仅大幅提升了采样效率和准确性，更为实现实时监测和预警奠定了坚实基础^[3]。本文将深入剖析微生物气溶胶采集和监测技术的最新成果，同时探讨其在呼吸道传染病预警领域所面临的挑战与广阔的发展前景。

1 微生物气溶胶采集技术研究进展

1.1 撞击式采样法

撞击式采样法是一种通过高速气流将空气中的微生物粒子撞击到收集介质上的方法。根据撞击速度和收集介质的不同，又可分为安德森采样器、级联撞击器等。这种方法具有较高的采集效率，能够收集到较大范围的微生物粒子^[4]。然而，其缺点在于高速气流可能导致微生物粒子的损伤，从而影响后续的分析结果。

1.2 过滤式采样法

过滤式采样法是利用过滤膜或过滤纸将空气中的微生物粒子截留下来的方法。这种方法操作简便，适用于长时间、大流量的采样，优点在于能够收集到较全面的微生物信息，操作简便，便于携带；缺点在于过滤材料可能对某些微生物具有选择性，采样效率受到气流速度和湿度等因素的干扰，进而影响采样结果的准确性。常见的过滤材料有玻璃纤维滤膜、聚四氟乙烯滤膜等。为了提高采样效率，研究者尝试使用纳米材料、改性滤膜等新型材料来增强吸附性能^[5]。

1.3 液体冲击式采样法

液体冲击式采样法是将空气高速通过装有液体的冲击瓶，使空气中的微生物粒子被液体捕获的方法。这种方法具有较高的采集效率和较低的微生物损伤率，适用于对活性要求较高的微生物采样和大规模采样^[6]。然而，液体冲击式采样法的缺点在于操作相对复杂，需要定期更换和处理冲击液，且经过后续处理才能得到纯净的微生物样本。近年来，研究者通过改进液体成分和流速等参数，提高了该技术的特异性和稳定性。

1.4 静电采集法

静电采集法是利用静电场使空气中的微生物粒子带电并沉降到收集板上的方法。这种方法具有高效、无损伤的优点，能够收集到活性较高的微生物粒子。但静电沉降法的缺点在于设备成本较高，且易受到环境湿度和温度等因素的影响^[7]。

1.5 重力沉降法

重力沉降法是微生物粒子在重力作用下自然沉降到收集容器中的方法。此种方法操作简便、成本低廉，但采集效率较低，适用于对采样时间和成本要求不高的场合。

2 微生物气溶胶监测技术研究进展

微生物气溶胶的监测方法需要具有高灵敏度和快速响应能力，以便及时发现和预警潜在的微生物传播风险。目前主要检测方法包括分子生物学检测、免疫学检测和细胞培养等。其中，分子生物学检测如PCR技术具有高灵敏度和特异性，但操作复杂、成本高；通过免疫学方法检测微生物气溶胶中的抗原或抗体，虽然操作简单、快速，但可能受到交叉反应等因素的影响。细胞培养法则可以直观地观察微生物的生长和繁殖，但耗时长、敏感性低。因此，开发一种高效、快速、准确的微生物气溶胶检测方法对于微生物气溶胶监测具有重要意义。

2.1 传统的微生物气溶胶检测方法

在生物气溶胶的研究中，经典方法和分子方法各有其特点和应用。经典方法主要依赖于在琼脂平板上培养微生物，以便观察和分析微生物的生长^[8]。而分子方法则更侧重于基于微生物遗传物质的检测和鉴定。在研究生物气溶胶的时空分布时，通常采用基于培养的技术，如琼脂平板培养和光学显微镜。具体操作过程中，首先使用空气采样器收集生物气溶胶样本，然后在琼脂平板上进行培养，以促使微生物菌落的生长。随后，对菌落进行计数，结果以菌落形成单位（CFU/m³）表示。这些方法由于其简单、廉价的特性，被广泛应用于各种环境生物气溶胶的常规监测。然而，上述方法也存在一些局限性。例如，培养方法可能对许多不可培养的环境生物气溶胶无法识别^[9]。此外，在可分析的样品数量和微生物的独特形态方面，显微鉴定也存在一定的局限性，耗费一定的时间精力。鉴于传统方法的时间分辨率有限，因此在追踪生物气溶胶过程的动态变化时可能会遇到困难。综上所述，对这些方法的改进和新方法的开发，将是未来生物气溶胶研究的重要方向。

2.2 新型的微生物气溶胶监测方法

2.2.1 生物传感器监测技术

生物传感器主要利用生物识别元件（如抗体、核酸等）与微生物特异性结合，将生物信号转换为可检测的电信号或光信号。该技术以其高灵敏度和特异性在微生物气溶胶监测中发挥着重要作用，能够实现对微生物气溶胶的快速、准确检测，但检测结果可能受到交叉反应和假阳性等因素的影响。为了提高准确性，Shin等^[10]探索开发了基于生物识别软件和信号放大技术的新型气溶胶生物传感监测器 。

2.2.2 光谱或质谱监测技术

光谱分析技术如拉曼光谱、红外光谱等，能够通过对微生物气溶胶的光学特性进行分析，实现对微生物的快速识别和监测。该技术通过分析微生物气溶胶的化学成分或光谱特征来实现快速检测，其优点在于快速、无损，缺点则在于可能受到样本复杂性和仪器分辨率的限制。在采集现场样本时，为了提高微生物气溶胶识别的分辨率和抗干扰能力，Simon等^[11]将多参数气溶胶光谱仪（Multiparameter bioaerosol spectrometer，MBS）与机器学习算法联合分析。MBS可检测到空气中的不同生物颗粒的多通道UV-LIF荧光特征信息，将机器学习领域的监督学习算法与MBS实时荧光检测数据进行深度挖掘分析，可准确区分气溶胶中的微生物细菌、真菌孢子和花粉。

除了上述两种常见方法外，还有研究者探索使用量子点、纳米线等新型纳米材料来增强微生物气溶胶的发光性能或电化学性能，从而实现高灵敏度的实时监测。此外，基于人工智能的图像识别技术也在微生物气溶胶监测领域展现出广阔的应用前景^[12]。这些新兴技术有望为未来微生物气溶胶监测技术的发展注入新的活力。

3 微生物气溶胶采集和监测技术在公共卫生领域的应用前景

微生物气溶胶采集和监测技术已在公共卫生领域发挥了重要作用，尤其是在医院、机场、车站等公共场所，这些技术的应用为疫情防控提供了有效的手段。在医院环境中，微生物气溶胶采集和监测技术能够实时捕捉和检测空气中的微生物和病毒等病原体，这有助于医疗机构及时发现并控制感染源，对保障患者和医护人员的健康安全至关重要。通过气溶胶定期监测，医疗机构能准确评估感染风险，制定科学的防控措施。此外，在机场、车站等公共场所，微生物气溶胶采集和监测技术的应用同样具有良好的应用前景。这些场所人员流动频繁，疫情扩散风险较高。通过实时监测微生物气溶胶的浓度和分布，可以及时发现公共卫生隐患，并采取相应的防控措施，有效降低疾病的传播风险。

尽管微生物气溶胶采集和监测技术已经取得了一定的进展，但仍面临着一些挑战。首先，现有采集技术想要同时实现高效率和特异性还存在一些难题亟待解决，这在一定程度上影响了监测结果的准确性。其次，监测技术的稳定性和可靠性仍需进一步提高，以应对复杂多变的实际环境。此外，这些技术的成本、便携性和易用性等方面也有待进一步优化，以更好地满足实际应用需求。在技术应用方面，需要关注微生物气溶胶采集和监测技术与其他防控措施的协同作用。

4 展望

当前在微生物气溶胶的采集与监测工作中，确保样本收集的全面性、提高微生物种类鉴定的准确性，以及降低收集过程中对微生物活性的影响等诸多方面还有提升空间。

展望未来，微生物气溶胶采集和监测的研究可从以下4个维度深入展开：第一，持续探索创新型采集材料与方法，提升采集效率与特异性，为技术进步奠定坚实基础；第二，强化多学科间的交叉融合与协作，推动监测技术的革新与重大突破，形成更为完善的技术体系；第三，紧密围绕实际需求，着力优化设备的成本、便携性及易用性，确保技术成果能够更好地服务于实际应用场景；第四，加强标准化与规范化建设，推动技术的广泛应用与普及，确保技术的可靠性和可比性。此外，集成化的高灵敏性设备能够实现对气溶胶病原体的快速响应和预警，也是未来技术发展的重要方向。随着第三代测序技术、拉曼光谱技术等与气溶胶监测技术的不断融合，微生物气溶胶的研究领域有望取得更大的突破。笔者认为在公共卫生事件中，研究人员运用微生物气溶胶采集与监测技术，应思考如何将该技术与其他防控策略有机结合，从而提升整体防控效果，更有效地推动微生物气溶胶采集与监测技术的稳健发展，构建更加全面、高效的防控体系，为公共卫生安全提供坚实保障。

出入境口岸作为人员与货物往来的重要枢纽，其生物气溶胶的监测在预防和控制跨国界公共卫生事件中扮演着至关重要的角色。因此，将先进的微生物气溶胶采集和监测技术应用于口岸卫生检疫工作具有深远的现实意义。这些技术不仅有助于更准确地评估生物气溶胶的暴露水平，还能为制定针对性的防控策略提供科学依据。同时，人工智能、大数据等技术的应用也将为微生物气溶胶的智能监测和预警提供有力支持，这些技术不仅能提升数据收集和分析的准确性与效率，还能协助识别潜在的生物危害并制定相应的干预措施。在口岸卫生检疫工作中，人工智能和大数据的整合应用有望实现生物气溶胶的智能监测和预警，从而为公共卫生安全提供更加坚实的保障。当前虽然仍存在一些挑战，但微生物气溶胶采集和监测技术在口岸卫生检疫中的应用前景十分广阔。通过持续的技术创新和应用拓展，有望充分发挥这些技术的潜能，为人类健康事业作出更大贡献。

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