氣旋式生物氣溶膠采樣器采集物理研究

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摘要：為了評(píng)價(jià)氣旋式生物氣溶膠采樣器的采集效率，搭建了顆粒物濃度均勻、穩(wěn)定的靜態(tài)箱法評(píng)價(jià)裝置，對(duì)國(guó)內(nèi)2款氣旋式生物氣溶膠采樣器的采集物理效率進(jìn)行了測(cè)量，最終擬合得到采集效率曲線。測(cè)量結(jié)果表明：在品牌一采樣器的固定采樣流量下，其采集物理效率曲線的Da50（采集效率為50％時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)直徑）為0.91μm；品牌二采樣器具有5種可調(diào)的采樣流量，在不同流量下Da50分別為1.60μm、1.36μm、1.19μm、1.06μm和1.05μm。對(duì)比了使用初始容量分別為15mL和7.5mL的采樣液得到的品牌二采樣器的采集物理效率，發(fā)現(xiàn)采樣液初始容量較少時(shí)，采集物理效率偏低。為氣旋式生物氣溶膠采樣器性能的評(píng)價(jià)方法提供了參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)量學(xué)；氣旋式生物氣溶膠采樣器；采集物理效率；采樣流量；靜態(tài)箱法

1引言

環(huán)境氣溶膠指懸浮在空氣中的不同大小顆粒物和氣體介質(zhì)的總體。環(huán)境氣溶膠不僅危害個(gè)人健康［1～4］，也對(duì)公共衛(wèi)生和安全有著重大影響，尤其是新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，對(duì)環(huán)境氣溶膠的采樣和分析逐漸成為了社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)話題［5～8］。早在1908年，就誕生了用于采集環(huán)境空氣微生物的采樣器，隨著技術(shù)發(fā)展，氣溶膠采樣器按照使用領(lǐng)域的不同可分為環(huán)境監(jiān)測(cè)及生物安全兩大類。其中環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的采樣器包括粉塵濃度測(cè)量?jī)x器的前端切割器、呼吸性粉塵采樣頭和多級(jí)撞擊采樣器等［9～11］；生物安全領(lǐng)域的采樣器包括固體撞擊式、液體沖擊式、濾膜采樣、靜電式采樣器等［12～16］。根據(jù)儀器特征和用途，氣溶膠采樣器對(duì)于不同粒徑顆粒物的采集效率是非常重要的性能指標(biāo)，直接影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。已有研究人員使用含熒光染劑的液體霧化產(chǎn)生氣溶膠［17］，用于分析撞擊式采樣器的采集效率。該方法使用顯微鏡觀察濾膜上熒光液滴的直徑，再使用熒光計(jì)檢測(cè)熒光信號(hào)的強(qiáng)度，從而得出各粒徑范圍的液滴數(shù)量比例，用以計(jì)算該采樣器的采集效率。由于該方法使用光學(xué)顯微鏡直接觀察液滴直徑，而非氣溶膠顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)直徑，無(wú)法準(zhǔn)確得出空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑下的采集效率值。在我國(guó)已公布的JJG1826⁃2020空氣微生物采樣器校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的測(cè)試方法中［18］，推薦使用菌株懸浮液形成氣溶膠粒子，經(jīng)過(guò)待校準(zhǔn)采樣器與膜過(guò)濾法采樣器分別采集后進(jìn)行培養(yǎng)，再通過(guò)統(tǒng)計(jì)2種采集方式的菌落數(shù)，可計(jì)算出該采樣器的采樣效率。由于產(chǎn)生的孢子至少要培養(yǎng)18h才可用于菌落計(jì)數(shù)，測(cè)量過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)采集效率?？紤]到膜過(guò)濾法自身的采集效率也是有限的，并不能將產(chǎn)生的微生物氣溶膠全部采集；在培養(yǎng)過(guò)程中，微生物的存活率也是影響最終結(jié)果的因素之一，這些都可能影響采集效率的評(píng)價(jià)結(jié)果。針對(duì)以上問(wèn)題，更適合使用靜態(tài)箱法來(lái)進(jìn)行采樣器采集物理效率的評(píng)價(jià)，該方法曾用于評(píng)價(jià)切割器的捕集效率和安德森撞擊采樣器的采集物理效率［19，20］，可做到測(cè)試艙內(nèi)氣溶膠濃度穩(wěn)定、可控，具有一定的優(yōu)勢(shì)。本研究致力于建立生物氣溶膠采樣器物理效率評(píng)價(jià)方法，通過(guò)搭建專用測(cè)試艙，整合氣溶膠發(fā)生器、粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀、空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀，從而發(fā)生一定粒徑范圍的顆粒物氣溶膠，評(píng)價(jià)采樣器對(duì)不同大小顆粒物的采集效率。

2測(cè)量原理

2.1采樣器采集物理效率評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣旋式生物氣溶膠采樣器利用氣流在旋風(fēng)機(jī)的圓柱或圓錐部分高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性，使氣流中的生物氣溶膠粒子分離出來(lái)。為了保護(hù)采集到的粒子活性，向采樣收集容器中加入少量液體介質(zhì)，粒子被旋風(fēng)體內(nèi)壁上的循環(huán)沖洗采樣介質(zhì)所收集。為了完成生物氣溶膠采樣器的物理效率評(píng)價(jià)，圍繞采樣器核心部件評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)解決采樣器的物理效率評(píng)價(jià)問(wèn)題，搭建了評(píng)價(jià)系統(tǒng)。采樣器物理效率評(píng)價(jià)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，采用靜態(tài)箱法，結(jié)合PID閉環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)，在測(cè)量艙內(nèi)形成濃度均勻、穩(wěn)定的氣溶膠環(huán)境，使用空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀分別對(duì)采樣器上、下游的氣溶膠數(shù)量濃度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出采樣器的物理效率。顆粒物由上方霧化器進(jìn)行霧化后形成氣溶膠，與空氣混合均勻，逐漸下降至測(cè)量艙內(nèi)。采樣器與參比管路均放置在測(cè)量艙內(nèi)，由下方的電磁閥控制兩路通斷，該系統(tǒng)使用空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀（TSI，ModelAPS3321，美國(guó)）來(lái)對(duì)采樣器上、下游的氣溶膠濃度進(jìn)行測(cè)量。

2.2采集物理效率評(píng)價(jià)原理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的是粒徑范圍0.5～7μm的聚苯乙烯微球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)［21］，分別測(cè)量得出不同粒徑下的采集物理效率，最終擬合出采集效率曲線。采集物理效率η的評(píng)價(jià)參照公式（1）進(jìn)行，采樣器上、下游的氣溶膠濃度分別為C2和C1。為了保障測(cè)量結(jié)果的有效性，分別對(duì)每個(gè)粒徑的采集效率進(jìn)行3次測(cè)量，并計(jì)算測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，當(dāng)此偏差不超過(guò)10％時(shí)，則認(rèn)為評(píng)價(jià)結(jié)果有效，取3次測(cè)量結(jié)果的平均值用作后續(xù)的曲線擬合；否則重新測(cè)量，直至測(cè)量結(jié)果滿足有效性判斷為止。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1采樣器采集物理效率測(cè)量結(jié)果

國(guó)產(chǎn)某品牌（品牌一）的采樣器，工作流量為400L／min，采集瓶安裝于氣旋式收集桶的下方，采樣前向采集瓶?jī)?nèi)注入3mL生理鹽水，氣溶膠由泵吸進(jìn)入氣旋式收集桶，在收集桶內(nèi)運(yùn)動(dòng)后到達(dá)底部的收集瓶。其宣傳的Da50為0.53μm，通過(guò)對(duì)3次測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行擬合，得到平滑的采集效率曲線如圖2（a）所示，可以看出該采樣器的Da50為0.91μm。根據(jù)此評(píng)價(jià)結(jié)果，可以認(rèn)為該采樣器能夠較好地捕集氣溶膠樣本中1μm以下的微生物。國(guó)產(chǎn)某品牌（品牌二）的采樣器，工作流量分為5檔可調(diào)，分別是100、150、200、250和300L／min，該≥98％，由圖2（b）可以看出，在這幾個(gè)采樣流量下，其采集物理效率曲線的Da50分別為1.60、1.36、1.19、1.06和1.05μm?？梢钥闯鲭S著采樣流量增大，Da50呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，采集效率曲線向左移動(dòng)，可以認(rèn)為較大流量下的采樣器采集效率較好。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是，氣旋式生物氣溶膠采樣器的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)為螺旋式，通過(guò)利用顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)特性使其與采樣液接觸，將微生物采集到液體中，采樣流量越大，顆粒物與液體的接觸效果越好，從而采集效率越高。curveofthesampler

3.2采樣液體積對(duì)采樣器評(píng)價(jià)結(jié)果的影響

在采樣器工作過(guò)程中，采集瓶里的液體在與氣體樣本接觸的過(guò)程中緩慢蒸發(fā)，采集液的體積會(huì)隨著采集時(shí)間的推移而逐漸減少。由于氣旋式微生物采樣器的采集效率會(huì)受到氣體樣本與采集溶液接觸程度的影響，采集液的體積可能會(huì)影響到最終的采集物理效率。以品牌二采樣器為例，該采樣器的采樣瓶?jī)?nèi)液體的額定初始容量為15mL，在采集過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)采樣瓶?jī)?nèi)的溶液體積會(huì)逐漸減少，雖然此采樣器可進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)液，但只能10min補(bǔ)一次，每次補(bǔ)1mL。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，在采集的20min時(shí)間內(nèi)（300L／min），溶液損耗接近10mL，補(bǔ)液無(wú)法使溶液體積保持在額定初始容量15mL附近。為了分析采樣液體積對(duì)采樣器評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，選擇品牌二采樣器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)（300L／min），分別評(píng)價(jià)了初始流量為15mL和7.5mL時(shí)的采集物理效率，結(jié)果如圖3所示。可以看出，當(dāng)采樣液容量不足時(shí)，采集物理效率曲線對(duì)比正常狀態(tài)發(fā)生了較大的變化，Da50由1.05μm增大到了3.7μm，采樣器對(duì)微生物的采集能力明顯下降。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為采樣器生產(chǎn)廠家提供參考，為了保障采樣器在工作過(guò)程中能夠保持較好的采集物理效率，需要實(shí)時(shí)觀測(cè)并關(guān)注采樣溶液的容量變化，改進(jìn)補(bǔ)液功能，根據(jù)不同的采樣流量，調(diào)整相應(yīng)的補(bǔ)液頻率及每次的補(bǔ)液容量。

4結(jié)論

為了評(píng)價(jià)氣旋式生物氣溶膠采樣器的采集物理效率，本研究搭建了氣溶膠動(dòng)態(tài)發(fā)生系統(tǒng)，通過(guò)使用單分散聚苯乙烯微球溶液進(jìn)行霧化發(fā)塵，經(jīng)過(guò)稀釋干燥及混勻進(jìn)入測(cè)量艙，最終由空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀分別測(cè)量采樣器上、下游的氣溶膠數(shù)量濃度，獲取比值得到捕集效率，最終擬合出切割器的捕集效率曲線，獲取Da50。測(cè)量結(jié)果表明，在品牌一采樣器的固定采樣流量下，其采集物理效率曲線的Da50為0.91μm。品牌二采樣器具有5種可調(diào)的采樣流量，在不同流量下其Da50分別為1.60、1.36、1.19、1.06和1.05μm。為了探究采樣瓶?jī)?nèi)的液體體積對(duì)采集物理效率的影響，對(duì)比了使用初始容量分別為15mL和7.5mL的采樣液得到的品牌二采樣器的采集物理效率，發(fā)現(xiàn)采樣液初始容量較少時(shí)，采集物理效率偏低，證明了在采樣器使用過(guò)程中，為保障較好的采集物理效率，應(yīng)注重采樣液容量的實(shí)時(shí)觀測(cè)，及時(shí)補(bǔ)液。本研究為氣旋式生物氣溶膠采樣器性能的評(píng)價(jià)方法以及生產(chǎn)和使用提供了參考。

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作者:劉佳琪 張國(guó)城 吳丹 田瑩 單位：北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院 國(guó)家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)治理產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心