DE102021126818A1

DE102021126818A1 - Nachweisgerät sowie ein Nachweisverfahren für in Luft enthaltene pathogene Substanzen

Info

Publication number: DE102021126818A1
Application number: DE102021126818.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Viertel; Norbert Schaaf; Christoph Kroh
Original assignee: ATRAL SECAL GmbH; ATRAL-SECAL GmbH
Current assignee: HAGER SAFETY DEUTSCHLAND GMBH, DE
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Nachweisgerät (100, 200) für den Nachweis in Luft enthaltener pathogener Substanzen, insbesondere Viren, sowie dessen Verwendung. Das Verfahren weist auf: Durchleiten eines Luftstromes durch eine Ansaugleitung (116, 216), Erzeugen eines elektrischen Feldes innerhalb eines Kollektorabschnitts (120, 220) der Ansaugleitung (116, 216), wobei innerhalb des Kollektorabschnitts (120, 220) etwaige vorhandene pathogene Substanzen elektrostatisch einfangbar sind, Spülen des Kollektorabschnitts (120, 220) mit einem flüssigen Spülmedium (124, 224) und anschließend Überführen des Spülmediums (124, 224) in ein Nachweisvolumen (122, 222) und Detektieren einer Trübung und/oder Färbung des Spülmediums (124, 224) in dem Nachweisvolumen (122, 222) in Abhängigkeit von der Präsenz wenigstens einer pathogenen Substanz und infolge einer biochemischen Reaktion derselben mit Antikörpern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Nachweisgerät, dessen Verwendung sowie ein Nachweisverfahren für den vorzugsweise quantitativen Nachweis in Luft enthaltener pathogener Substanzen. Unter „pathogener Substanz“ werden hierin solche Substanzen verstanden, die ein Antigen aufweisen, also insbesondere Viren.
Der in situ-Nachweis pathogener Substanzen in der Raum- und Atemluft, sogenannter Aerosolpartikel, ist seit langem Gegenstand der Forschung und hat nicht zuletzt durch die pandemischen Folgen des zuletzt in Erscheinung getretenen SARS-CoV-2 Virus noch einmal besonders an Fahrt aufgenommen. In Folge dessen gibt es zahlreichen auch jüngeren Stand der Technik. Beispielhaft wird auf folgende Schriften verwiesen.
Das Dokument CN 11 1662816 A offenbart eine Anordnung, die Raumluft ansaugt, in einem Anreicherungsbehälter Viren herausfiltert und diese zusammen mit einer Pufferlösung zu einem mikrofluidischen Chip leitet, in dem unter Temperaturkontrolle eine biochemische Reaktion (LAMP) stattfindet und mittels optischer Verfahren nachgewiesen wird.
Aus der US 2020/0309703 A1 ist ein Aerosoldetektor bekannt, der auf einer Fluoreszenzanregung von schädlichen Aerosolpartikeln, insbesondere auch SARS-CoV-2 Viren, mittels UV-Strahlung basiert. Die Partikel werden durch elektrostatische Kraft oder einfach durch die Gravitationskraft auf einer transparenten Platte aufgefangen und gehalten. Die Platte ist mittels UV-LED hinterleuchtet. Fluoreszenz wird durch Betrachten der Platte wahrgenommen oder kann mittels einem nicht näher beschriebenen Detektor erfasst werden. Bei Erfassen von Fluoreszenzstrahlung kann ein Alarm ausgelöst werden.
Aus der WO 2008/108872 A2 ist ein Detektor zum Nachweisen unterschiedlicher bioaktiver Substanzen, unter anderem von Influenza Typ A-Viren bekannt. Der Nachweis bestimmter Antigene erfolgt mittels Antikörperreaktion. Ein Sensorelement ist zu diesem Zweck mit dem Antikörper Ligand beschichtet. Gemessen wird wahlweise ein für die Reaktion charakteristischer elektrostatischer Puls mittels einer Elektrode (bio pore sensor) oder eine charakteristische Fluoreszenz mittels Photodetektor (optical based sensor).
Die US 7,265,669 B2 behandelt eine selbstregenerierende Kollektorplatte für nachzuweisende Partikel. Als Nachweispartikel sind unter anderem auch Viren genannt. Zum Detektionsverfahren wird erwähnt, dass die Vorrichtung eine Anregungslichtquelle und einen Photodetektor für Fluoreszenzlicht umfasst. Der Detektor kann zwecks Raumluftüberwachung an der Wand oder Decke montiert werden.
In der Schrift US 7,494,769 B2 werden abermals Bioaerosole mittels Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzmessung detektiert. Die Raumluft wird zu einem Kollektor gepumpt. Eine Besonderheit ist ein Kollektor mit Flüssigkeitsreservoir, in dem die Aerosole gefangen und konzentriert werden.
In dem Dokument CN 11 1665356 A geht es spezifisch um den Nachweis von Covid-19-Viren. Das labortechnische Analyseverfahren basiert auf der Raman-Spektroskopie, genauer surface enhanced Raman Spectroscopy (SERS). Analysiert werden Fluidproben, die beispielsweise aus einem konzentrierten Aerosol bestehen können. Für die SERS werden Silber- oder Goldoberflächen verwendet, die mit Antikörpern funktionalisiert werden.
Die WO 2006/106235 A1 hat eine Vorrichtung und ein automatisiertes Nachweisverfahren für mikrobiologisches Material, unter anderem Viren, zum Gegenstand, bei dem ein Aerosol angesaugt zu einer Probe aufkonzentriert und einer Anordnung von Testscheiben zugeführt wird, die in Testzonen mit Antikörpern beschichtet sind. Eine Reaktion verursacht eine Verfärbung der Testzone, welche automatisch optisch ausgelesen und einem Auswertesystem zugeführt wird. Abgesehen von einer automatischen Auslesung erinnert die Nachweismethode an die aus den Schnelltests bekannte Immunfärbung.
Dem Dokument CN 11 0118711 B zufolge, wird die bakterielle Belastung der Raumluft anhand von Fluoreszenzmessungen unter Berücksichtigung verschiedener Umgebungsbedingungen ermittelt. Die darin beschriebene Vorrichtung ist geeignet infolge der Detektion ein Warnsignal auszugeben.
In der CN 20 7516253 U ist eine Vorrichtung zum Nachweis von Hepatitis-B-Viren in der Luft offenbart. Die Vorrichtung saugt Luft in ein Gehäuse ein und leitet sie in eine dort befindliche Testflüssigkeit. Die Flüssigkeit wird über ein Kanalsystem auf mehrere Teststreifen aufgebracht und die Teststreifen können durch Fenster in der Gehäusewand beobachtet werden.
Auch die Schrift CN 21 0720420 U befasst sich mit dem Nachweis pathogener Substanzen in der Luft mittels Antikörpern, die auf einem Harz aufgetragen sind, und mit dem Stopfbuchsen gefüllt sind.
Eine andere Vorrichtung zum Erkennen bioaktiver Substanzen in der Luft ist aus der Schrift EP 1 309 720 B1 bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Einlass, einen Filter zum Herausfiltern von Staub und größeren Partikeln, eine Fluidleitung mit einer Barriere, an der sich ein Wirbel zum Sortieren von Partikeln nach Größe bildet, und eine Biorezeptorfläche, auf der die Partikel auftreffen und die mit einem Aptamer zum Nachweis bestimmter Substanzen durch Bindung versehen ist. Auch hier wird die Reaktion anhand von Fluoreszenzstrahlung optisch erfasst.
Wie in der Schrift zuvor hat auch die US 2019/0242807 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schnellen in situ-Nachweis von Pathogenen, insbesondere Viren, in der Raumluft mittels Aptamer zum Gegenstand. Die Vorrichtung saugt Luft an, reinigt diese von Partikeln und reichert sie in einer Pufferlösung an. Diese wird in eine Detektionskammer gepumpt, die eine mit einem Aptamer funktionalisierte Elektrode aufweist. Parallel zu einer Vielzahl von Detektionskammern sind Gegenelektroden angeordnet. Der Nachweis von Pathogenen erfolgt anhand einer charakteristischen elektronischen Antwort auf ein dazwischen angelegtes elektrisches Feld.
In der EP 1 882 177 B1 ist die Reaktion eines luftgetragenen Partikels mit einem „Reporter“ beschrieben, die nach erfolgter Reaktion in einer Detektionszone mit Licht bestrahlt werden. Als Reaktion werden Fluoreszenz, Phosphoreszenz etc. genannt. Der Reporter ist ein fluoreszierendes oder phosphoreszierendes Molekül, welches an ein Antigen gebunden sein kann.
In der Schrift US 10,677,773 B2 geht es allgemein um eine miniaturisierte Vorrichtung zur Überwachung der Umgebungsluft. Ein Virusdetektor ist beispielhaft genannt. Es geht dabei inhaltlich im Wesentlichen um die räumliche Anordnung von Pumpen, Kanälen, Sensoren, Stromversorgung etc. in der Vorrichtung.
Die US 7,705,739 B2 offenbart ein Analyse- und Warnsystem für eine mehrstufige Detektion verschiedener pathogener Stoffe, u. a. Viren, in der Luft. Das System umfasst ein optisches Detektionsmodul, welches für eine Lumineszenzmessung bestimmt ist.
Die Schrift EP 1 158 292 B1 befasst sich mit einem Aerosolpartikeldetektor basierend auf einer winkelaufgelösten Streulichtmessung unter Inzidenz eines Laserstrahls.
Ähnlich befasst sich auch die US 7,053,783 B2 mit einem Streulichtdetektor, speziell zur Ermittlung pathogener Partikel in der Luft. Ermittelt wird allein die Pulshöhe der Streulichtsignale, die jeweils einer Partikelgröße zugeordnet wird, wobei aus dem Auftreten bestimmter Größen auf das Vorhandensein pathogener Substanzen geschlossen wird.
Aus der KR 101625133 B1 ist ein Luftqualitätsmesssystem mit vernetzten Detektoren bekannt, das geeignet sein soll, verschiedene Arten von Luftverunreinigungen festzustellen und zu alarmieren, falls bestimmte Grenzwerte überschritten sind. Unter anderem sind auch Viren als Verunreinigungen genannt. Der Schwerpunkt der Schrift liegt in der Vernetzung. Über die Detektion ist aus den übersetzten Ausschnitten nichts ausgesagt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verlässliches Nachweisgerät für den in situ-Nachweis in Luft enthaltener pathogener Substanzen bereitzustellen, das aus einfachen Komponenten aufgebaut ist, und verschiedene Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Nachweisverfahren nach Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis in Luft enthaltener pathogener Substanzen, insbesondere Viren, weist auf: Das Durchleiten eines Luftstromes durch eine einen Lufteinlass mit einem Luftauslass verbindende Ansaugleitung, das Erzeugen eines elektrischen Feldes innerhalb eines Kollektorabschnitts der Ansaugleitung, wobei innerhalb des Kollektorabschnitts etwaige vorhandene pathogene Substanzen elektrostatisch einfangbar oder anreicherbar sind, das Spülen des Kollektorabschnitts mit einem flüssigen Spülmedium und anschließend das Überführen des Spülmediums in ein Nachweisvolumen und das Detektieren einer Trübung und/oder Färbung des Spülmediums in dem Nachweisvolumen in Abhängigkeit von der Präsenz wenigstens einer pathogenen Substanz und infolge einer biochemischen Reaktion derselben mit Antikörpern.
Die Antikörper sind wahlweise schon vor dem Spülen in dem Spülmedium enthalten oder werden dem Spülmedium im Kollektorabschnitt oder im Nachweisvolumen zugeführt.
Die Erfindung kann genutzt werden, sowohl die unmittelbar ausgeatmete Luft eines Probanden mithilfe eines Atemmessgeräts als auch die Raumluft mittels eines Raumluftüberwachungsgerätes zu untersuchen. Nachdem die zu untersuchende Luft durch einen Lufteinlass in eine Ansaugleitung eines entsprechenden Nachweisgerätes geleitet wurde, findet dort in einem räumlich begrenzten Abschnitt der Ansaugleitung, dem Kollektorabschnitt, eine Anreicherung der pathogenen Substanz statt. Die pathogene Substanz ist in der Luft an Träger gebunden, die sogenannten Aerosolpartikel, nachfolgend auch Teilchen genannt, mit denen sie über weite Strecken transportiert werden können. Diese Träger sind meist wasserbasierte Tropfen, die eine Dipolarität aufweisen. Diese Eigenschaft wird genutzt, um die Aerosolpartikel samt der pathogenen Substanz mithilfe eines elektrostatischen Feldes in dem Kollektorabschnitt, typischerweise an der Innenseite der Wandung der Ansaugleitung, temporär zu fixieren. Danach werden die so angereicherten Teilchen, je nach Kontamination mit oder ohne pathogener Substanz, mithilfe einer Flüssigkeit, dem Spülmedium, aus dem Kollektorabschnitt der Ansaugleitung in das Nachweisvolumen abtransportiert. Dazu kann es je nach Zusammensetzung des Spülmediums vorteilhaft sein, das elektrische Feld bereits vor dem Spülen oder während des Spülens abzuschalten, um die elektrostatisch anhaftenden Teilchen oder Aerosolpartikel beim Spülen leichter von der Wandung ablösen zu können.
Eine erste Alternative sieht vor, dass das Spülmedium bereits vor dem Spülen Antikörper enthält. In diesem Fall findet eine Immunreaktion, oder genauer eine Antigen-Antikörper-Reaktion, der Antigene der pathogenen Substanz mit den bereitgehaltenen Antikörpern bereits während des Spülvorgangs statt.
Einer zweiten Alternative zufolge werden in dem Nachweisvolumen auf partikulären Träger immobilisierte Antikörper in einer Flüssigkeit vorsuspendiert vorgehalten. Das Spülmedium selbst enthält zuvor weder Antikörper noch Träger. Eine Immun- oder Antigen-Antikörper-Reaktion der Antigene der pathogenen Substanz mit den vorgehaltenen Antikörpern findet daher erst im Nachweisvolumen statt.
Als Antikörper werden hierin alle immunologisch aktiven Proteine, unabhängig von Ihrer Produktion, verstanden, also insbesondere auch monoklonale Antikörper.
Vorteilhaft ist es, wenn im Fall der ersten Alternative in dem Spülmedium nach dem Überführen in das Nachweisvolumen partikuläre Träger suspendiert werden, auf denen eine Immobilisierung der Antikörper erfolgt. Dies wird in besonders vorteilhafter Weise dadurch realisiert, dass die partikulären Träger in einer Flüssigkeit in dem Nachweisvolumen vorsuspendiert vorgehalten werden.
In beiden Fällen handelt es sich bei dem partikulären Träger um suspendierbare Partikel, insbesondere Latexpartikel, auf denen der dem nachzuweisenden Analyten (Antigen) affine Bindungspartner (Antikörper) immobilisierbar ist. Sobald das Spülmedium in das Nachweisvolumen gelangt, enthält es diese Partikel, weshalb die Suspension zur Abgrenzung von dem Spülmedium nachfolgend auch als „Nachweisflüssigkeit“ bezeichnet wird. Diese Suspension wird bekanntermaßen für partikelverstärkte nephelometrische oder turbimetrische Immunoassays verwendet. Werden die beladenen Latexpartikel mit dem zu messenden Analyten, vorliegend also den Aerosolpartikeln, in Kontakt gebracht, entstehen Agglutinate, die eine detektierbare Trübung zur Folge haben. Im Falle der Nephelometrie wird diese Trübung mittels Streulichtmessung quantitativ erfasst. Je höher die Konzentration des Analyten, desto zahlreicher und größer sind die streuenden Partikelagglutinate und umso höher ist das Streulichtsignal. Das Prinzip ist bereits seit langem bekannt und beispielsweise in der EP 0 019 741 B1 beschrieben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Spülmedium in einem Reservoir vorgehalten, aus dem der Kollektorabschnitt ein bestimmtes Volumen des Spülmediums zum Spülen zugeführt wird. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass das Spülmedium mittels einer ein definiertes Volumen bereitstellenden Abmesseinrichtung abgemessen wird, bevor es zum Spülen in den Kollektorabschnitt der Ansaugleitung eingeleitet wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Spülmedium nach dem Detektieren aus dem Nachweisvolumen in das Reservoir zurückgeführt wird, wenn keine Trübung detektiert werden konnte. Hierbei bilden das Reservoir und das Nachweisvolumen getrennte Volumenbereiche in dem Nachweisgerät und das Spülmedium wird in einem Kreislaufsystem zurückgewonnen und kann wiederverwendet werden. Das senkt den Verbrauch des Spülmediums, was insbesondere für solche Spülmedien von wirtschaftlicher Bedeutung ist, in welchen die Antikörper bereits vorgelöst vorliegen (hierin nachfolgend auch als Antikörperlösung bezeichnet).
Bei Verwendung einer Nachweisflüssigkeit mit partikulären Trägern werden diese vorteilhafter Weise beim Zurückführen des Spülmediums in das Reservoir durch einen Filter im Nachweisvolumen zurückgehalten. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Träger in den Kreislauf des Spülmediums gelangen.
Alternativ zum Zurückführen des Spülmediums in das Reservoir kann auch vorgesehen sein, dass das Spülmedium dem Kollektorabschnitt unmittelbar aus dem Nachweisvolumen zum Spülen zugeführt wird. In diesem Fall ersetzt das Nachweisvolumen das Reservoir. Das Spülmedium wird beim anschließenden Überführen wieder in das Nachweisvolumen zurücktransportiert. Es wird also alternierend zwischen dem Kollektorabschnitt und dem Reservoir bzw. Nachweisvolumen hin-undher-gefördert. Auch auf diese Weise kann das Spülmedium mehrfach verwendet werden, wenn keine Trübung detektiert, also keine Antigene festgestellt werden konnten. Ist indes eine Kontamination des Spülmediums mit der pathogenen Substanz eingetreten, so müssen alle mit der pathogenen Substanz in Berührung gekommenen Teile des Nachweisgeräts, also die Ansaugleitung, das Nachweisvolumen, die Spülleitung einschließlich des gesamten darin enthaltenen Spülmediums ausgewechselt werden.
In diesem Fall werden etwaige partikuläre Träger in der Nachweisflüssigkeit vorteilhafter Weise beim Zuführen des Spülmediums zum Kollektorabschnitt durch einen Filter im Nachweisvolumen zurückgehalten.
Der Luftstrom wird vorzugsweise mittels einer Pumpe durch die Ansaugleitung durchgeleitet.
Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Nachweisgerät nach Anspruch 13.
Das Nachweisgerät für den Nachweis in Luft enthaltener pathogener Substanzen, insbesondere Viren, weist auf: einen Lufteinlass, einen Luftauslass, eine den Lufteinlass mit dem Luftauslass verbindende Ansaugleitung, elektrische Kontakte, die derart entlang der Ansaugleitung angeordnet sind, dass innerhalb eines Kollektorabschnitts der Ansaugleitung ein elektrisches Feld erzeugbar ist, ein Nachweisvolumen zur Aufnahme eines Spülmediums aus dem Kollektorabschnitt, eine fluidische Verbindung zwischen dem Kollektorabschnitt und dem Nachweisvolumen und ein Sensorelement, eingerichtet zum Detektieren einer Trübung und/oder Färbung des Spülmediums in dem Nachweisvolumen in Abhängigkeit von der Präsenz wenigstens einer pathogenen Substanz und infolge einer biochemischen Reaktion derselben mit Antikörpern.
Der Kollektorabschnitt wird durch die Anordnung der elektrischen Kontakte definiert. Die Antikörper sind wahlweise in dem Spülmedium enthalten oder werden dem Spülmedium im Kollektorabschnitt oder im Nachweisvolumen zugeführt.
Vorzugsweise weist das Nachweisgerät ein erstes elektronisch schaltbares Ventil auf, welches eingerichtet ist, wahlweise die fluidische Verbindung zwischen dem Kollektorabschnitt und dem Nachweisvolumen zu öffnen oder zu verschließen.
Gemäß einer ersten Alternative weist das Nachweisgerät bevorzugt ferner ein Reservoir zur Bevorratung des Spülmediums und eine das Reservoir mit dem Kollektorabschnitt fluidisch verbindende Spülleitung zur Einleitung des Spülmediums in den Kollektorabschnitt auf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung dieser ersten Alternative ist eine in der Spülleitung integrierte, ein definiertes Volumen bereitstellende Abmesseinrichtung zum Abmessen eines bestimmten Volumens des Spülmediums vorgesehen. Die Abmesseinrichtung ist als Bestandteil der Spülleitung einerseits mit dem Reservoir und andererseits mit dem Kollektorabschnitt verbunden und sorgt dafür, dass das Spülmedium zum Spülen dosiert in den Kollektorabschnitt der Ansaugleitung eingeleitet wird.
Vorzugsweise ist ferner eine das Nachweisvolumen mit dem Reservoir fluidisch verbindende Rückführleitung vorgesehen. Besonders bevorzugt ist in dieser Ausgestaltung ein Filter in der Rückführleitung oder in dem Nachweisvolumen oder zwischen Rückführleitung und Nachweisvolumen vorgesehen, mit dem partikuläre Träger beim Rückführen des Spülmediums in dem Nachweisvolumen zurückgehalten werden.
Gemäß einer zweiten Alternative ist vorteilhafter Weise ein Filter in der fluidischen Verbindung zwischen dem Kollektorabschnitt und dem Nachweisvolumen oder in dem Nachweisvolumen vorgesehen, mit dem partikuläre Träger beim Zuführen des Spülmediums aus dem Nachweisvolumen in den Kollektorabschnitt zum Zweck des Spülens in dem Nachweisvolumen zurückgehalten werden.
Der Filter weist im Falle beider Alternativen bevorzugt eine Porenweite von nominal höchstens 0,5 µm, besonders bevorzugt höchstens 0,3 µm und ganz besonders bevorzugt höchstens 0,25 µm auf. Die partikulären Träger, insbesondere in Kugelform, haben vorzugsweise einen Durchmesser von 300 nm bis 1500 nm, besonders bevorzugt von 400 nm bis 800 nm, und werden in Konzentrationen von vorzugsweise 0,02 % bis 1,5 %, besonders bevorzugt 0,04 % bis 0,5 %, in dem zu untersuchenden Nachweismedium eingesetzt.
Im Fall der ersten Alternative weist das Nachweisgerät vorzugsweise ein zweites elektronisch schaltbares Ventil auf, welches eingerichtet ist, wahlweise die Rückführleitung zu verschließen oder zu öffnen. Das erste und das zweite elektronisch schaltbare Ventil können in einer gemeinsamen Ventilanordnung zusammengefasst sein. Die Ventilanordnung kann durch mehre einfache Ventile oder beispielsweise durch ein 3/2-Wegeventil oder 3/3-Wegeventil gebildet sein, wobei das 3/3-Wegeventil eine dritte Schaltstellung vorsieht, in der das Nachweisvolumen sowohl von dem Kollektorabschnitt als auch von der Rückführleitung fluidisch getrennt ist.
Weiterhin bevorzugt weist das Nachweisgerät eine in die Ansaugleitung eingeschaltete oder mit der Ansaugleitung verbundene Pumpe zum Erzeugen eines Luftstroms in der Ansaugleitung auf. Durch eine solche Pumpe lässt sich über die Dauer des-Durchleitens des Luftstromes ein konstanter Volumenstrom und eine konstante Strömungsgeschwindigkeit in der Ansaugleitung erzielen. Volumenstrom und elektrische Feldstärke sind auf die Geometrie des Kollektorabschnitts, insbesondere dessen Länge und Weite in Richtung des Feldes, der Gestalt abgestimmt, dass die Verweilzeit in dem Kollektorabschnitt ausreicht, die überwiegende Menge der in der Atemluft oder Raumluft befindlichen Aerosolpartikel einzufangen.
Ferner weist das Nachweisgerät vorzugsweise eine elektronische Steuerung auf, an die die Pumpe und das Ventil elektronisch angeschlossen sind.
Das Sensorelement ist bevorzugt ein optisches Sensorelement, das mit einer elektronischen Steuerung elektronisch verbunden ist und eine optische Achse aufweist, die auf das Nachweisvolumen ausgerichtet ist. Genauer ist in einer ersten Wand des Nachweisvolumens ein Sichtfenster angeordnet, durch das die optische Achse des Sensorelements hindurch verläuft. Die Messung mit dem Sensorelement kann mittels einer externen Lichtquelle durchgeführt werden. Bevorzugt aber weist das Nachweisgerät eine mit der Steuerung elektronisch verbundene Lichtquelle auf, die auf das Nachweisvolumen ausgerichtet ist. Hierzu ist bevorzugt in einer zweiten Wand des Nachweisvolumens ein Einlassfenster angeordnet, auf das die Lichtquelle ausgerichtet ist. Dabei sind die Lichtquelle, das Sensorelement und die Steuerung zur Bestimmung des in dem Nachweisvolumen enthaltenen Nachweismediums absorbierten oder gestreuten Lichtes eingerichtet. Auf diese Weise können mit dem Nachweisgerät nephelometrische oder turbimetrische quantitative Bestimmungen des Gehalts der an der Reaktion beteiligten Antigene durchgeführt werden. Bevorzugt ist die Lichtquelle eine Infrarotlichtquelle und besonders bevorzugt eine Lichtquelle, die eine Strahlung im Wellenlängenbereich von 800 bis 1500nm, bevorzugt 800nm bis 1 000nm, emittiert. Weiterhin bevorzugt emittiert die Lichtquelle in einem Wellenlängenbereich, der das 1 ,5-fache bis zum 2,5-fachen der Durchmesser der partikulären Träger beträgt.
Ferner ist in der Ansaugleitung vorteilhafterweise ein Drucksensor angeordnet oder mit der Ansaugleitung ein Drucksensor unmittelbar fluidisch verbunden, der mit der Steuerung elektronisch verbunden ist.
Vorteilhafterweise ist auch ein steuerbares Einlassventil vorgesehen, das im Bereich des Lufteinlasses angeordnet ist und das mit der Steuerung elektronisch verbunden ist.
Wird das Nachweisgerät beispielsweise zur Analyse des Atems einer Person verwendet, dann öffnet das Ventil qua Steuerung nur, wenn stromaufwärts ein leichter Überdruck detektiert wird, wie nachstehend erläutert wird. Es hat den Nutzen, dass Luft nur angesaugt wird, wenn auch ein Proband in ein mit dem Einlassstutzen verbundenes Mundstück atmet. Eine Rückatmung wird somit verhindert und die Voraussetzung für einen definierten Volumenstrom durch die Ansaugleitung geschaffen.
Weiterhin weist das Nachweisgerät vorteilhafter Weise einen Drucksensor auf, der stromaufwärts des Einlassventils im Bereich des Lufteinlasses angeordnet oder mit diesem Bereich unmittelbar fluidisch verbunden ist und der mit der Steuerung elektronisch verbunden ist.
Wird das Nachweisgerät beispielsweise zur Analyse des Atems einer Person verwendet, dient die Kombination aus dem Einlassventil und einem stromaufwärts angeordneten Drucksensor dazu, zunächst festzustellen, dass eine Person in ein mit dem Einlassstutzen verbundenes Mundstück atmet. Hierdurch erhöht sich der vor dem Einlassventil anstehende Druck (Eingangsdruck). Stellt der Drucksensor fest, dass ein voreingestellter Wert überschritten wird, also ein definierter Überdruck erreicht ist, öffnet die Steuerung das Einlassventil, um das Mundstück fluidisch mit dem Nachweisvolumen zu verbinden. Der definierte Druckabfall zwischen dem so geregelten Überdruck im Mundstück und dem Ansaugvolumen sorgt für einen geregelten Volumenstrom des ausgeatmeten Aerosols und schafft somit die Voraussetzung für eine verlässliche, quantitative Bestimmung der in einem bestimmten Volumen enthaltenen Aerosolpartikel. Unterschreitet der mittels des Drucksensors ermittelte Eingangsdruck den gleichen oder einen anderen voreingestellten Wert, dann schließt die Steuerung das Einlassventil, um das Mundstück von dem Nachweisvolumen zu trennen, und unter anderem eine Rückatmung zu verhindern.
Dementsprechend umfasst das Nachweisgerät in dieser Ausgestaltung ferner vorzugsweise ein mit dem Lufteinlass verbindbares Mundstück.
Das Mundstück umfasst dabei besonders bevorzugt einen Einlassabschnitt, einen Auslassabschnitt und einen abzweigenden Verbindungsabschnitt, wobei der Verbindungsabschnitt zur fluidischen Verbindung mit dem Einlassstutzen eingerichtet ist. Einlassabschnitt, Auslassabschnitt und Verbindungsabschnitt sind dabei strömungstechnisch so gestaltet und dimensioniert, dass sich einerseits durch Ausatmen in den Einlassabschnitt hinein ein ausreichender Überdruck in dem Verbindungsabschnitt aufbauen lässt, um den steuerungstechnisch voreingestellten Wert zu überschreiten und somit das Einlassventil zu öffnen. Andererseits muss gewährleistet sein, dass sich durch das Ausatmen auch kein wesentlich höherer Überdruck aufbaut, um den Volumenstrom durch das Nachweismedium nicht erheblich zu manipulieren.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Drucksensor stromaufwärts des Einlassventils kann ein beispielsweise durch den Probanden zu betätigender Schalter an dem Nachweisgerät vorgesehen sein, der das Gerät in Bereitschaft versetzt und/oder die Messung startet.
Das Nachweisgerät weist im Bereich des Luftauslasses vorzugsweise ein die Aerosolpartikel zurückhaltendes Filterelement auf, damit auch die ausgeatmete und das Nachweismedium nicht passierende Luft möglichst frei von etwaig vorhandenen pathogenen Substanzen in die Umgebung abgegeben wird.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in der Ansaugleitung wenigstens ein Luftleitelement der Gestalt angeordnet ist, mit dem der Luftstrom möglichst direkt in Richtung des Kollektorabschnittes gelenkt wird.
Als Nachweisverfahren kommt die oben schon angesprochene Nephelometrie in Betracht, bei der sich die quantitative Konzentration feinverteilter, kolloidaler Aerosolteilchen über die Trübung bestimmen lässt. Hierbei wird das Nachweismedium in den Lichtstrahl der Lichtquelle gebracht, wobei aufgrund der Trübung ein Teil des Lichtes seitlich zum eintretenden Strahl gestreut wird. Das Streulicht tritt durch das Sichtfenster aus dem Nachweisvolumen des Behälters aus und wird gegebenenfalls über optische Komponenten (Linsen, Prismen, Spiegel) auf einen Photodetektor gelenkt. Alle optischen Komponenten und der Detektor werden als Bestandteile des Sensorelements verstanden. Die Messung des Photodetektors ist direkt proportional der Lichtintensität.
Auch in Betracht kommt das Nachweisverfahren der Turbidimetrie. Hierbei wird die streuungsbedingte Verringerung der Intensität (Extinktion) des durch das Nachweismedium hindurchgehenden Lichtstrahls, also die Transmission, gemessen, wobei die Konzentration der Reaktionsprodukte direkt proportional zur Trübung der Lösung ist.
Wie eingangs erwähnt, wird das Nachweisgerät vorzugsweise als Testvorrichtung zum Nachweis in der ausgeatmeten Luft eines Probanden enthaltener pathogener Substanzen, insbesondere Viren, also als Atemmessgerät, oder als Überwachungsvorrichtung zum Nachweis in der Raumluft enthaltener pathogener Substanzen, insbesondere Viren, also als Raumluftüberwachungsgerät verwendet. Die Testvorrichtung und die Überwachungsvorrichtung können jeweils zusätzliche spezifische funktionale Komponenten umfassen, wie im Fall der Testvorrichtung das Mundstück oder im Fall der Überwachungsvorrichtung einen Ansaugtrichter oder jeweils angepasste Anzeige- oder Datenübertragungsmodule. Insbesondere kann die Überwachungsvorrichtung eine Schnittstelle und/oder ein Funkmodul für einen kabelgebundenen oder funkbasierten Daten- oder Signalaustausch mit einem Server oder einem stationären oder mobilen Endgerät oder einer gleichartigen Überwachungsvorrichtung aufweisen. Diese Ausstattung ist auch für die Testvorrichtung denkbar, die allerdings in der einfachsten Ausgestaltung als mobiles Testgerät auch mit einer eigenen optischen und/oder akustischen Anzeige auskommt. Andererseits kann auch die Überwachungsvorrichtung eine zusätzliche optische und/oder akustische Anzeige aufweisen, um Personen in dem überwachten Raum unmittelbar zu alarmieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1A eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Nachweisgeräts in einem ersten Betriebszustand;
1B eine Ausschnittsvergrößerung aus 1A;
2A eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels in einem zweiten Betriebszustand;
2B eine Ausschnittsvergrößerung aus 2A;
3A eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels in einem dritten Betriebszustand;
3B eine Ausschnittsvergrößerung aus 3A;
4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Nachweisgeräts in einem ersten Betriebszustand;
5 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels in einem zweiten Betriebszustand;
6 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels in einem dritten Betriebszustand;
7 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels in einem vierten Betriebszustand und
8 das zweite Ausführungsbeispiel des Nachweisgeräts in der Verwendung als Raumluftüberwachungsgerät.

Das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Nachweisgeräts für den Nachweis in Luft enthaltener pathogener Substanzen umfasst einen Lufteinlass 112, einen Luftauslass 114 und eine den Lufteinlass 112 mit dem Luftauslass 114 verbindende Ansaugleitung 116. In den 1A und 1B ist das Nachweisgerät 100 in einem ersten Verfahrensschritt des Durchleitens eines Luftstromes dargestellt. Entlang eines Abschnitts 120 der Ansaugleitung 116 sind elektrische Kontakte oder Elektroden 118 und 119 angeordnet. Die Elektrode 118 ist hier beispielhaft als Anode und die Elektrode 119 als Kathode dargestellt. Zwischen den elektrischen Kontakten 118, 119 bildet sich innerhalb der Ansaugleitung 116ein elektrisches Feld aus, sobald die elektrischen Kontakte 118, 119 mit einer Spannungsquelle verbunden sind. In 1B ist ein vergrößerter Ausschnitt des Abschnitts 120 der Ansaugleitung, hierin auch als „Kollektorabschnitt“ bezeichnet, gezeigt. In der schematischen Darstellung sind die Elektrode 118 mit dem positiven Pol einer Spannungsversorgung, beispielsweise einer Batterie, und die Elektrode 119 mit deren negativen Pol verbunden. Elektrisch geladene Teilchen oder auch Dipole (Wassertröpchen, Aerosolpartikel) werden in dem Kollektorabschnitt 120 aufgrund des Feldes entlang der Innenseite 121 der Wandung der Ansaugleitung 116 in dem Kollektorabschnitt 120 angereichert. Um insbesondere Dipole effektiv einzufangen kann das elektrische Feld im Kollektorabschnitt bewusst inhomogen ausgebildet sein. Die elektrischen Kontakte 118, 119 befinden sich außerhalb der Ansaugleitung und die Wandung der Ansaugleitung ist elektrisch nicht leitend, sodass innerhalb des Kollektorabschnitts 120 nach Möglichkeit kein Ladungsausgleich stattfindet.
Das Nachweisgerät 100 weist ferner ein Nachweisvolumen 122 zur Aufnahme eines Spülmediums 124 auf. An das Nachweisvolumen schließt sich ein bogenförmiges Rohrsegment 144 an, welches zusammen mit dem Nachweisvolumen 122 ein System kommunizierender Röhren bildet und welches bis zum gleichen Pegel mit dem Spülmedium 124 gefüllt ist. Der Kollektorabschnitt 120 und das Nachweisvolumen 122 sind durch eine fluidische Verbindung 126 miteinander verbunden, die zum Teil durch die Ansaugleitung 116 selbst gebildet wird.
Weiterhin ist in der fluidischen Verbindung 126 ein Filter 152 vorgesehen, welcher dazu eingerichtet ist, partikuläre Träger, die im Nachweisvolumen 122 in einer Suspension vorliegen, in dem Nachweisvolumen 122 zurückzuhalten, so dass diese nicht in den Kollektorabschnitt 120 gelangen können.
Im Bereich des Nachweisvolumens 122 ist ein Sensorelement 128 zum Detektieren einer Trübung und/oder einer Färbung des in dem Nachweisvolumen 122 eingeschlossenen Spülmediums 124 angeordnet. Eine Trübung findet, wie vorstehend erläutert, in Abhängigkeit von der Präsenz einer pathogenen Substanz in dem Spülmedium 124 und infolge einer biochemischen Reaktion derselben mit Antikörpern, die sich ebenfalls im Spülmedium 124 befinden, statt. Das Sensorelement 128 ist bevorzugt mit einer nicht dargestellten elektronischen Steuerung elektronisch verbunden und weist eine optische Achse auf, die auf das Nachweisvolumen 122 ausgerichtet ist. Das Sensorelement 128 befindet sich bevorzugt benachbart zu einem für eine bestimmte Wellenlänge transparentes Sichtfenster in der Wandung des Nachweisvolumens 122, durch das es entlang der optischen Achse in das Nachweisvolumen 122 „hineinblickt“. Das Nachweisgerät 100 weist ferner eine ebenfalls mit der Steuerung elektronisch verbundene Lichtquelle 130 auf, die auf das Nachweisvolumen 122 ausgerichtet ist. Ausgerichtet in diesem Zusammenhang heißt, dass das von der Lichtquelle 130 ausgesandte Licht entlang einer optischen Achse abgestrahlt wird, die entweder direkt oder nach Umlenkung das Nachweisvolumen 122 durchläuft. Bei einer Absorptionsmessung verlaufen die optischen Achsen des Sensorelements 128 und der Lichtquelle 130 innerhalb des Nachweisvolumens 122 parallel. Bei einer Streulichtmessung verlaufen sie bevorzugt unter einem bestimmten Winkel ungleich 180°, vorzugsweise 90°, zueinander. Hierfür ist bevorzugt ein für das von der Lichtquelle 130 entsandte Licht transparentes Eintrittsfenster in der Wandung des Nachweisvolumens 122 vorgesehen.
In die Ansaugleitung 116, in dem hier gezeigten Beispiel nahe dem Auslass 114, ist eine Pumpe 132 eingeschaltet, die einen Luftstrom, gekennzeichnet durch den Pfeil 134, erzeugt. Mithilfe einer solchen Pumpe 132 lässt sich ein gleichmäßiger Volumenstrom der angesaugten Luft erzeugen, welcher auf die elektrische Feldstärke innerhalb des Kollektorabschnitts 120 abgestimmt ist. Auf diese Weise lässt sich die Effizienz der Vorrichtung im Hinblick auf das Einsammeln von Partikeln optimieren, d.h. der Anteil der in dem Kollektorabschnitt 120 eingefangen Partikel zu den insgesamt im Luftstrom 134 befindlichen Partikeln maximieren.
In der Ansaugleitung 116 befinden sich stromaufwärts der Pumpe 132 zwei Schaltventile 136 und 138. Das erste Schaltventil 136 ist in Strömungsrichtung entlang der Ansaugleitung 116 vor dem Kollektorabschnitt 120, das zweite Schaltventil 138 dahinter in die Ansaugleitung 116 eingeschaltet. In dem in 1A dargestellten Verfahrensschritt des Durchleitens des Luftstroms 134 durch die Ansaugleitung 116 sind die Schaltventile 136 und 138 so geschaltet, dass die Ansaugleitung 116 von dem Lufteinlass 112 zum Luftauslass 114 durchgängig ist.
In den 2A und 2B ist das erste Ausführungsbeispiel des Nachweisgeräts 100 in einem zweiten Verfahrensstadium dargestellt, in welchem die Verbindung zwischen dem Lufteinlass 112 und dem Kollektorabschnitt 120 durch das Ventil 136 unterbrochen ist. Gleichzeitig verbindet das Ventil 136 einen zweiten Einlass 140 mit dem Nachweisvolumen 122. In die Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Einlass 140 und dem das Ventil 136 ist eine zweite Pumpe 142 eingeschaltet, welche Luft ansaugt und in Richtung des Nachweisvolumens 122 fördert. Dadurch wird das Spülmedium 124 aus dem bogenförmigen Rohrsegment 144 in Richtung des Nachweisvolumens 122 gefördert und steigt darüber hinaus in die Ansaugleitung 116 bis hin zu dem Kollektorabschnitt 120 empor. Dieser Vorgang wird als Spülen des Kollektorabschnitts 120 bezeichnet. Vor, während oder nach dem Spülen wird das über die elektrischen Kontakte 118, 120 angelegte elektrische Feld innerhalb des Kollektorabschnitts 120 abgeschaltet, sodass die eingesammelten Teilchen oder Aerosolpartikel 110 leicht von der Innenseite 121 der Ansaugleitung 116 ablösbar sind. Dieser Zustand ist in 2B schematisch dargestellt.
Nach Beendigung des Spülvorgangs wird die Pumpe 142 wieder abgeschaltet, sodass das Spülmedium 124 in das Nachweisvolumen 122 zurück überführt wird. Dieses Stadium ist in den 3A und 3B skizziert. Konnten Teilchen oder Aerosolpartikel 110 mit pathogener Substanz eingesammelt werden, so reagiert letztere mit den in dem Spülmedium befindlichen Antikörpern. Das Reaktionsprodukt kann in dem Nachweisvolumen 122, wie in 3B dargestellt, mittels der Anordnung aus Lichtquelle 130 und Sensorelement 128 als Trübung und/oder Färbung des Spülmediums 124 im letzten Verfahrensschritt, beispielsweise in einem Streulichtmessverfahren nephelometrisch oder in einem die Abschwächung bestimmenden, turbimetrischen Verfahren, detektiert werden. Gegebenenfalls kommen zwecks Verstärkung der Trübung zusätzlich partikuläre Träger zum Einsatz, auf denen die Antikörper immobilisiert sind.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Nachweisgeräts 200 in schematischer Darstellung. Das Nachweisgerät 200 umfasst einen Lufteinlass 212, einen Luftauslass 214 und eine den Lufteinlass 212 mit dem Luftauslass 214 verbindende Ansaugleitung 216. In 4 ist das Nachweisgerät 200 in einem ersten Betriebszustand gezeigt, in welchem ein Luftstrom 234 durch die Ansaugleitung 216 geleitet wird. In die Ansaugleitung ist zu diesem Zweck wieder eine Pumpe 232 eingeschaltet, die den Luftstrom 234 mit einem idealerweise gleichmäßigen Volumenstrom erzeugt. In der Ansaugleitung befinden sich Leitelemente 235, die dem Zweck dienen, den Luftstrom 234 gezielt an den Ort zu lenken, an dem die Aerosolpartikel eingefangen werden sollen.
Entlang eines Abschnitts 220 der Ansaugleitung 216 sind elektrische Kontakte oder Elektroden 218 und 219 angeordnet. Die Elektrode 218 ist hier beispielhaft als Anode und die Elektrode 219 als Kathode dargestellt. Zwischen den elektrischen Kontakten 218, 219 bildet sich innerhalb der Ansaugleitung 216 ein elektrisches Feld aus, sobald die elektrischen Kontakte 218, 219 mit einer Spannungsquelle verbunden sind. In dem Kollektorabschnitt 220 der Ansaugleitung 216 wird auf die gleiche Weise, wie zuvor im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, ein elektrischen Feld erzeugt, durch welches Teilchen oder Aerosolpartikel 110 elektrostatisch angereichert oder eingesammelt werden können. Die elektrische Feldstärke innerhalb des Kollektorabschnitts 220 ist auf die Stärke des Luftstromes 234 und die Länge des Kollektorabschnittes abgestimmt, um die Effizienz der Vorrichtung im Hinblick auf das Einsammeln von Teilchen wie oben geschildert zu optimieren.
Das Nachweisgerät 200 weist ferner ein Nachweisvolumen 222 zur Aufnahme eines Spülmediums 224 auf. Der Kollektorabschnitt 220 und das Nachweisvolumen 222 sind durch eine fluidische Verbindung 226 miteinander verbunden.
Das Nachweisgerät 200 weist zudem ein Reservoir 240 für das Spülmedium 224 und eine das Reservoir 240 mit dem Kollektorabschnitt 220 fluidisch verbindende Spülleitung 242 zur Einleitung des Spülmediums 224 in den Kollektorabschnitt 220 auf. In die Spülleitung 242 integriert ist eine ein definiertes Volumen bereitstellende Abmesseinrichtung 254 zum Abmessen eines bestimmten Volumens des Spülmediums 224. Das Volumen der Abmesseinrichtung 254 ist genauer zwischen einem ersten Abmessventil 256 und einem zweiten Abmessventil 258 in der Spülleitung 242 eingeschlossen. Wird das erste Abmessventil 256 bei geschlossenem zweiten Abmessventil 258 geöffnet, füllt sich das Volumen mit einer bestimmten Füllmenge des Spülmediums 224.
Anschließend wird in dem in 5 dargestellten Prozessschritt das erste Abmessventil 256 geschlossen und das zweite Abmessventil 258 geöffnet, wodurch das abgemessene Spülmedium 224 zur Einleitung des Spülvorgangs in den Kollektorabschnitt 220 abgelassen wird. Das Volumen der Abmesseinrichtung 254 und das Volumen des Kollektorabschnitts 220 sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass die beim Spülen erzeugte Strömung die gesamte Oberfläche des Kollektorabschnittes 220 erfasst. Vor dem oder während des Spülens wird das elektrische Feld abgeschaltet, so dass sich die eingefangenen Teilchen oder Aerosolpartikel 110 (mit oder ohne darin enthaltener pathogener Substanz) während des Spülens von der Innenseite 221 der Wand der Ansaugleitung 216 in dem Kollektorabschnitt 220 leichter lösen lassen.
In diesem Beispiel weist das Nachweisgerät eine das Nachweisvolumen 222 mit dem Reservoir 240 fluidisch verbindende Rückführleitung 248 auf. Diese ist während dieses Verfahrensschrittes mittels eines zweiten elektronisch schaltbaren Ventils einer Ventilanordnung 250 verschlossen. Gleichzeitig versperrt ein erstes elektronisch schaltbares Ventil der Ventilanordnung 250 in dem hier dargestellten Verfahrensstadium zunächst auch die fluidische Verbindung 226 zwischen dem Kollektorabschnitt 220 und dem Nachweisvolumen 222. Die Ventilanordnung 250 fasst beispielsweise zwei einzelne Absperrventile räumlich zusammen oder wird durch ein 3-3-WegeVentil realisiert. In diesem Sinne sind hierin verwendeten Begriffe „erstes und zweites elektronisch schaltbares Ventil“ funktional zu verstehen.
Weiterhin ist ein Filter 252 auf der Seite des Nachweisvolumens 222 unmittelbar vor der Ventilanordnung 250 vorgesehen, welcher dazu eingerichtet ist, partikuläre Träger, die (mit oder ohne darauf immobilisierten Antikörpern) in einer Suspension 225 im Nachweisvolumen 222 vorliegen, in dem Nachweisvolumen 222 zurückzuhalten, so dass diese weder in den Kollektorabschnitt 220 noch in die Rückführleitung 248 gelangen können.
Wird die fluidische Verbindung 226 bzw. das erste elektronisch schaltbare Ventil der Ventilanordnung 250 geöffnet, leitet dies das Überführen des Spülmediums aus dem Kollektorabschnitt 220 in das Nachweisvolumen 222 ein. Der anschließende Zustand ist in 6 abgebildet. In dem Nachweisvolumen 222 werden so die anfänglich dort vorgehaltenen Suspension 225 und das Spülmedium zusammengeführt. Das Gemisch bildet dann die Nachweisflüssigkeit 227, in der eine Immobilisierung der Reaktionsprodukte der Antikörper-Antigen-Reaktion auf den partikulären Trägern stattfindet. Ob die Antikörper-Antigen-Reaktion oder die Immobilisierung zuerst stattfindet, hängt davon ab, ob in dem Spülmedium von Beginn an Antikörper enthalten sind oder diese bereits auf den partikulären Trägern immobilisiert in dem Nachweisvolumen 222 vorgehalten wurden. Die der Suspension 225 zugrunde liegende Flüssigkeit ist aber vorzugsweise von Beginn an das gleiche Spülmedium 224. Der Grund dafür erschließt sich aus den nachfolgend erläuterten Schritten.
Im Bereich des Nachweisvolumens 222 ist wieder ein Sensorelement 228 zum Detektieren einer Trübung und/oder einer Färbung des in dem Nachweisvolumen 222 eingeschlossenen Spülmediums 224 infolge der biochemischen Reaktion angeordnet. Das Sensorelement 228 ist wieder bevorzugt mit einer nicht dargestellten elektronischen Steuerung elektronisch verbunden und weist eine optische Achse auf, die auf das Nachweisvolumen 222 ausgerichtet ist. Das Sensorelement 228 befindet sich abermals bevorzugt benachbart zu einem für eine bestimmte Wellenlänge transparentes Sichtfenster in der Wandung des Nachweisvolumens 222, durch das es entlang der optischen Achse in das Nachweisvolumen 222 „hineinblickt“. Das Nachweisgerät 200 weist ferner wieder eine ebenfalls mit der Steuerung elektronisch verbundene Lichtquelle 230 auf, die auf das Nachweisvolumen 222 ausgerichtet ist. Ausgerichtet in diesem Zusammenhang heißt, dass das von der Lichtquelle ausgesandte Licht entlang einer optischen Achse abgestrahlt wird, die entweder direkt oder nach Umlenkung das Nachweisvolumen 222 durchläuft. Ferner ist auch hier bevorzugt ein für das von der Lichtquelle entsandte Licht transparentes Eintrittsfenster in der Wandung des Nachweisvolumens 222 vorgesehen. Wie zuvor im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, können je nach Messverfahren die optischen Achsen des Sensorelements 228 und der Lichtquelle innerhalb des Nachweisvolumens 222 parallel oder unter einem bestimmten Winkel ungleich 180° verlaufend ausgerichtet sein.
Ergab das Detektieren, dass in dem Nachweisvolumen 222 keine Trübung festgestellt werden konnte, wird das Spülmedium 224, vorzugsweise das gleiche Volumen, welches zuvor in der Abmesseinrichtung 254 abgemessen wurde, nach dem Öffnen der Rückführleitung 248 bzw. des zweiten elektronisch schaltbaren Ventils der Ventilanordnung 250 aus dem Nachweisvolumen 222 durch die Rückführleitung 248 in das Reservoir 240 zurückgeführt, wobei der Filter 252 abermals die partikulären Träger in dem Nachweisvolumen 222 zurückhält. Dieser Vorgang ist in 7 illustriert.
Zum Zurückführen ist in der Rückführleitung 248 eine weitere Pumpe 246 vorgesehen, welche vorzugsweise dazu eingerichtet ist, ein genau dosiertes Volumen zurück in das Reservoir 240 zu fördern. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Volumen- und Mischungsverhältnisse der Suspension 225 und der Nachweisflüssigkeit 227 immer konstant bleiben. Dies erklärt auch, dass die der Suspension 225 zugrunde liegende Flüssigkeit von Beginn vorzugsweise das Spülmedium 224 ist.
Der Vorteil des anhand des zweiten Ausführungsbeispiels erläuterten Kreislaufs mit Rückführung des Spülmediums 224 in das Reservoir 240 ist, dass etwaige Verunreinigungen in dem Spülmedium 224 über längere Zeit keine hohe Konzentration haben, wenn das im Kreislauf befindliche, in der Abmesseinrichtung 254 abgemessene Volumen sehr klein im Verhältnis zu dem in dem Reservoir 240 vorgehaltenen Volumen ist. Deshalb beträgt das Volumenverhältnis des Reservoirs 240 zur Abmesseinrichtung 254 vorzugweise 50:1, besonderes bevorzugt 100:1 und ganz besonderes bevorzugt 200:1.
In 8 ist eine Ausführungsform des Nachweisgeräts 200 für den Nachweis in Luft enthaltener pathogener Substanzen in der Verwendung als Überwachungsvorrichtung 202 für Raumluft vereinfacht dargestellt. Das Nachweisgerät 200, welches sich von der Ausführungsform der 4 bis 7 selbst nicht unterscheidet, ist hier beispielhaft in einem kugelsegmentförmigen Gehäuse 260 zur Deckenmontage untergebracht. Die Raumluft 264 wird durch Öffnungen 261, 262 in der Gehäusewandung in das Gehäuseinnere und dann in den Lufteinlass 212 eingesaugt. Der Ansaugvorgang wird durch die Steuerung initiiert, indem die Pumpe 232 aktiviert wird. Die angesaugte Luft wird durch den Luftauslass 214 aus dem Gehäuse 260 herausgeführt und wieder an die Umgebung abgegeben. Die Messung läuft wie zuvor beschrieben ab. Messungen können in der Verwendung des Nachweisgeräts 200 als Überwachungsvorrichtung 202 nach einem festgelegten Schema in bestimmten Zeitabständen erfolgen.
Außer in einem, wie in 8 beispielhaft dargestellten, Gehäuse 260 zur Deckenmontage, kann die Überwachungsvorrichtung für Raumluft auch einem Gehäuse zur Wandmontage oder in einem frei im Raum aufstellbaren Gehäuse oder in einem portablen Gehäuse untergebracht sein. Die Stromversorgung des Nachweisgeräts kann, wie schon erwähnt, mittels Batterien, wieder aufladbare Batterien (Akkumulatoren) oder durch ein Netzteil und einen Hausstromnetzanschluss erfolgen. Alle diese Elemente zur Stromversorgung können in dem Gehäuse der Überwachungsvorrichtung für Raumluft integriert sein.
Bezugszeichenliste

100: Nachweisgerät
110: Teilchen
112: Lufteinlass
114: Luftauslass
116: Ansaugleitung
118: elektrischer Kontakt, Elektrode
119: elektrischer Kontakt, Elektrode
120: Kollektorabschnitt
121: Innenseite
122: Nachweisvolumen
124: Spülmedium
126: fluidische Verbindung
128: Sensorelement
130: Lichtquelle
132: Pumpe
134: Luftstrom
136: erstes Schaltventil
138: zweites Schaltventil
140: zweiter Einlass
142: zweite Pumpe
144: Rohrsegment
152: Filter
200: Nachweisgerät
202: Überwachungsvorrichtung
212: Lufteinlass
214: Luftauslass
216: Ansaugleitung
218: elektrischer Kontakt, Elektrode
219: elektrischer Kontakt, Elektrode
220: Kollektorabschnitt
221: Innenseite
222: Nachweisvolumen
224: Spülmedium
225: Suspension
226: fluidische Verbindung
227: Nachweisflüssigkeit
228: Sensorelement
230: Lichtquelle
232: Pumpe
234: Luftstrom
235: Leitelement
240: Reservoir
242: Spülleitung
246: Pumpe
248: Rückführleitung
250: Ventilanordnung
252: Filter
254: Abmesseinrichtung
256: erstes Abmessventil
258: zweites Abmessventil
260: Gehäuse
261: Öffnung
262: Öffnung
264: Raumluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 111662816 A [0003]
US 2020/0309703 A1 [0004]
WO 2008/108872 A2 [0005]
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WO 2006/106235 A1 [0009]
CN 110118711 B [0010]
CN 207516253 U [0011]
CN 210720420 U [0012]
EP 1309720 B1 [0013]
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EP 1158292 B1 [0018]
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KR 101625133 B1 [0020]
EP 0019741 B1 [0030]

Claims

Verfahren zum Nachweis in Luft enthaltener pathogener Substanzen aufweisend: Durchleiten eines Luftstromes (134, 234) durch eine Ansaugleitung (116, 216), Erzeugen eines elektrischen Feldes innerhalb eines Kollektorabschnitts (120, 220) der Ansaugleitung (116, 216), wobei innerhalb des Kollektorabschnitts (120, 220) etwaige vorhandene pathogene Substanzen elektrostatisch einfangbar sind, Spülen des Kollektorabschnitts (120, 220) mit einem flüssigen Spülmedium (124, 224) und anschließend Überführen des Spülmediums (124, 224) in ein Nachweisvolumen (122, 222) und Detektieren einer Trübung und/oder Färbung des Spülmediums (124, 224) in dem Nachweisvolumen (122, 222) in Abhängigkeit von der Präsenz wenigstens einer pathogenen Substanz und infolge einer biochemischen Reaktion derselben mit Antikörpern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld, vor dem Spülen oder während des Spülens abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülmedium (124, 224) während des Spülens des Kollektorabschnitts (120, 220) Antikörper enthält.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Spülmedium (124, 224) nach dem Überführen in das Nachweisvolumen (122, 222) partikuläre Träger suspendiert werden, auf denen eine Immobilisierung der Antikörper erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die partikulären Träger in einer Flüssigkeit in dem Nachweisvolumen (122, 222) vorsuspendiert vorgehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Nachweisvolumen (122, 222) auf partikulären Träger immobilisierte Antikörper in einer Flüssigkeit vorsuspendiert vorgehalten werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülmedium (124, 224) in einem Reservoir (240) vorgehalten wird, aus dem dem Kollektorabschnitt (120, 220) ein bestimmtes Volumen des Spülmediums (124, 224) zum Spülen zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülmedium (124, 224) nach dem Detektieren aus dem Nachweisvolumen (122, 222) in das Reservoir (240) zurückgeführt wird, wenn keine Trübung detektiert werden konnte.
Verfahren nach Anspruch 8 in Verbindung mit einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die partikulären Träger beim Zurückführen des Spülmediums (124, 224) in das Reservoir (240) durch einen Filter (152, 252) im Nachweisvolumen (122, 222) zurückgehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülmedium (124, 224) aus dem Nachweisvolumen (122, 222) dem Kollektorabschnitt (120, 220) zum Spülen zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 in Verbindung mit einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die partikulären Träger beim Zuführen des Spülmediums (124, 224) zum Kollektorabschnitt (120, 220) durch einen Filter (152, 252) im Nachweisvolumen (122, 222) zurückgehalten werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom (134, 234) mittels einer Pumpe (132, 232) durch die Ansaugleitung (116, 216) durchgeleitet wird.
Nachweisgerät (100, 200) für den Nachweis in Luft enthaltener pathogener Substanzen, insbesondere Viren, aufweisend: einen Lufteinlass (112, 212), einen Luftauslass (114, 214), eine den Lufteinlass (112, 212) mit dem Luftauslass (114, 214) verbindende Ansaugleitung (116, 216), elektrische Kontakte (118, 119, 218, 219), die derart entlang der Ansaugleitung (116, 216) angeordnet sind, dass innerhalb eines Kollektorabschnitts (120, 220) der Ansaugleitung (116, 216) ein elektrisches Feld erzeugbar ist, ein Nachweisvolumen (122, 222) zur Aufnahme eines Spülmediums (124, 224) aus dem Kollektorabschnitt (120, 220), eine fluidische Verbindung (126, 226) zwischen dem Kollektorabschnitt (120, 220) und dem Nachweisvolumen (122, 222) und ein Sensorelement (128, 228), eingerichtet zum Detektieren einer Trübung und/oder Färbung des Spülmediums (124, 224) in dem Nachweisvolumen (122, 222) in Abhängigkeit von der Präsenz wenigstens einer pathogenen Substanz und infolge einer biochemischen Reaktion derselben mit Antikörpern.
Nachweisgerät (100, 200) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein erstes elektronisch schaltbares Ventil, welches eingerichtet ist, wahlweise die fluidische Verbindung (126, 226) zwischen dem Kollektorabschnitt (120, 220) und dem Nachweisvolumen (122, 222) zu öffnen oder zu verschließen.
Nachweisgerät (100, 200) nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch ein Reservoir (240) für das Spülmedium (124, 224) und eine das Reservoir (240) mit dem Kollektorabschnitt (120, 220) fluidisch verbindende Spülleitung (242) zur Einleitung des Spülmediums (124, 224) in den Kollektorabschnitt (120, 220).
Nachweisgerät (100, 200) nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine in der Spülleitung (242) integrierte, ein definiertes Volumen bereitstellende Abmesseinrichtung (254) zum Abmessen eines bestimmten Volumens des Spülmediums (124, 224).
Nachweisgerät (100, 200) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine das Nachweisvolumen (120, 220) mit dem Reservoir (240) fluidisch verbindende Rückführleitung (248).
Nachweisgerät (100, 200) nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen Filter (252) in der Rückführleitung (248) oder in dem Nachweisvolumen (222) oder zwischen Rückführleitung (248) und Nachweisvolumen (222).
Nachweisgerät (100, 200) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, gekennzeichnet durch einen Filter (152, 252) in der fluidischen Verbindung (126, 226) zwischen dem Kollektorabschnitt (120, 220) und dem Nachweisvolumen (122, 222) oder in dem Nachweisvolumen (122, 222).
Nachweisgerät (100, 200) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (152, 252) eine Porenweite von nominal höchstens 0,5 µm, bevorzugt höchstens 0,3 µm, besonders bevorzugt höchstens 0,25 µm aufweist.
Nachweisgerät (100, 200) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, gekennzeichnet durch ein zweites elektronisch schaltbares Ventil, welches eingerichtet ist, wahlweise die Rückführleitung (248) zu verschließen oder zu öffnen.
Nachweisgerät (100, 200) nach einem der Ansprüche 13 bis 21, gekennzeichnet durch eine in die Ansaugleitung (116, 216) eingeschaltete oder mit der Ansaugleitung (116, 216) verbundene Pumpe (132, 232) zum Erzeugen eines Luftstroms (134, 234) in der Ansaugleitung (116, 216).
Nachweisgerät (100, 200) nach wenigstens einem der Ansprüche 14, 21 oder 22, gekennzeichnet durch, eine elektronische Steuerung, an die die Pumpe (132, 232) und/oder die Ventilanordnung (250) elektronisch angeschlossen sind.
Nachweisgerät (100, 200) nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (128, 228) mit einer elektronischen Steuerung elektronisch verbunden ist und eine optische Achse aufweist, die auf das Nachweisvolumen (122, 222) ausgerichtet ist.
Nachweisgerät (100, 200) nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch, eine mit der Steuerung elektronisch verbundene Lichtquelle (130, 230), die auf das Nachweisvolumen (122, 222) ausgerichtet ist.
Nachweisgerät (100, 200) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (130, 230), das Sensorelement (128, 228) und die Steuerung zur Bestimmung des in dem Nachweisvolumen (122, 222) absorbierten oder gestreuten Lichtes eingerichtet sind.
Verwendung des Nachweisgerätes (100, 200) nach einem der Ansprüche 13 bis 26 als Testvorrichtung zum Nachweis in der ausgeatmeten Luft eines Probanden enthaltener pathogener Substanzen, insbesondere Viren, oder als Überwachungsvorrichtung (202) um Nachweis in der Raumluft enthaltener pathogener Substanzen, insbesondere Viren.