安德森六级撞击采样器采集效率评价方法研究

刘佳琪， 张国城， 吴 丹， 霍胜伟， 荆文杰， 沈上圯， 田莹

(北京市计量检测科学研究院，北京 100029)

1 引 言

随着新冠疫情的爆发，研究人员发现新冠病毒可随气溶胶传播[1，2]。气溶胶是由固态或液态颗粒悬浮在气体中,混合形成的多相分散系统。其中生物气溶胶指悬浮在气体中，包括花粉、细菌真菌病毒在内的生物颗粒和气体介质的总体，这些颗粒直径大小不一，从小于0.1 μm的病毒到100 μm或更大的真菌孢子，以单一未附着的生物体或聚集体的形式出现。生物气溶胶可将致病微生物由呼吸带入人体，对人类健康造成危害[3～6]。

为了对空气中的生物气溶胶进行监测，需要对其进行采样。随着采样技术的不断发展，出现了固体撞击式、液体冲击式、滤膜采样、静电式等采样器，其中基于惯性撞击原理的安德森微生物采样器应用较为广泛，具有采样效率高、物理损耗小、生物失活率低、敏感度高等优点[7～10]。采样器的采集效率与环境空气微生物种类、浓度的监测结果的准确性密切相关，开展采样器采集效率的评价研究对于疫情防控、公众安全具有重要的意义。

早在1975年，Alvis G T等研究过一种一次性2级安德森采样器的采集效率[11]，发生含荧光染剂的液体气溶胶，通过使用显微镜观察液滴的直径，荧光计检测荧光信号强度，分析各粒径范围的液滴数量比例，最终计算出该采样器的50%分离粒径为8 μm； 此方法的局限性在于并未准确测量气溶胶颗粒物的空气动力学直径，计算出的采集效率与粒径对应关系不够准确。目前我国已公布的JJG 1826—2020《空气微生物采样器校准规范》规定了采集效率的测试方法[12]，使用待校准采样器与膜过滤法采样器采集菌株悬浮液形成的气溶胶粒子进行培养，通过对比二者得到的菌落数量计算采集效率；该法需要经过培养至少18 h后才能进行菌落计数，所需时间较长，且作为对比标准的膜过滤法本身也存在有限的采集效率，无法将空气中的气溶胶粒子全部采集、培养，采集可培养的微生物成活率未知，可能会为待校准采样器采集效率的测定结果引入一定误差。

针对上述问题，本研究搭建了基于静态箱法的评价系统，将气溶胶发生器、扩散腔、空气动力学粒径谱仪集成为一体，实现不同粒径的单分散聚苯乙烯微球标准物质的雾化，结合颗粒物浓度的PID闭环调节技术，在检测舱内形成浓度均匀、稳定的气溶胶环境；通过使用空气动力学粒径谱仪分别测量安德森空气微生物采样器上、下游的特定粒径颗粒物浓度，从而计算出该空气动力学直径下的采集效率，最终拟合出采集效率曲线[13，14]。

2 安德森撞击采样器原理

安德森撞击采样器是一种基于安德森撞击法的空气微生物采样器，多级孔板及撞击板的设计可将颗粒物按照粒径不同分别收集，用于后续观测，作为空气中各粒径范围微生物含量的判断依据[15]。其结构组成见图1所示，包括顶罩、6级撞击板、6个培养皿及底部的抽气孔；每层撞击板有400个直径相同的圆形孔口，每层孔口的直径由上至下递减。

每层分离颗粒物的粒径范围与该层的孔口直径有关，孔板孔口的直径dj与该级分离粒径Da50的关系[16]表示为：

(1)

式中：μ为流体的动力学粘度系数；NStk50为给定冲击器喷嘴以50%效率收集的粒子的Stokes数；ρ0为粒子密度；Cc为坎宁安校正系数；v0为孔口的气流速度，计算式为：

(2)

式中：Q为该采样器的采样流量,28.3 L/min；n为孔口的数量,400个。

由式(1)、式(2)可以看出，随着孔口直径减小，孔口的气流速度增大，Da50呈现减小趋势。从第1级至第6级，孔板孔口的直径由1.18 mm减小至0.25 mm，可分离的粒径范围分布见表1所示。

3 测试系统搭建

本研究搭建的采样器采集效率评价系统见图2所示，主要包括基于文丘里原理的雾化器、可对气溶胶进行稀释干燥的洁净气流、气溶胶扩散腔、浓度稳定的测量室及位于最下方的空气动力学粒径谱仪组成。其中雾化器和稀释干燥的气体流量分别由两个流量控制器进行控制，测量室内安装有激光散射粉尘仪对产生的气溶胶浓度进行实时动态观测；浓度结果作为反馈提供给控制系统，对雾化、稀释的流量进行调节，从而实现测量室内气溶胶浓度的闭环调节。

图2 评价系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of evaluation system structure

测量室内分别安装参比管路和待评价的采样器，参比管路用于将测量室内未经过采样器采样的气溶胶样本直接通入粒径谱仪，测量结果作为采样器上游的颗粒物数量浓度；经过6级安德森微生物采样器采集后的气溶胶样本由采样器出口通入粒径谱仪，测量结果作为采样器下游的颗粒物数量浓度。

4 实验方法

本研究观测的6级安德森微生物采样器各级采集的颗粒物粒径范围如表1所示。根据各级的粒径范围，采用粒径分布范围0.5～10 μm的有证标准物质聚苯乙烯微球开展实验。

根据每层的分离粒径范围选择5～8种粒径的单分散聚苯乙烯微球，将微球分别用超纯水配置成悬浮液，放入雾化器中，每次只雾化单一粒径的微球悬浮液。在形成某单分散粒径的浓度稳定的气溶胶环境后，粒径谱仪首先测量舱内(即采样器上游)此粒径颗粒物的数量浓度C1，再测量采样器出口(即采样器下游)此粒径颗粒物的颗粒物数量浓度C2。计算采样器对于此空气动力学直径的颗粒物的采集效率η：

(3)

为保证采集效率测量结果的准确性，每个粒径下对应的采集效率均测量3次，求取3次计算结果的相对标准偏差，只有当偏差不超过10%时才认为测量结果有效；最后取3次测量结果的平均值作为此空气动力学直径的颗粒物的采集效率。

5 实验结果

5.1 显微镜观察粒径分布范围

检测的6级安德森微生物采样器为国产品牌，如图3所示。

图3 评价的6级安德森微生物采样器Fig.3 The evaluated six-stage Anderson sampler

按照产品说明书，每层采样盘需放置加有琼脂的培养皿，图4分别展示了采集前和采集后的培养皿，培养皿中有琼脂，可以看出采集后琼脂表面出现了明显的痕迹，这是由采集到的颗粒物堆积产生的。

图4 采集前后的培养皿Fig.4 The Petri dish with AGAR before experiment and AGAR Petri dish with microbeads after experiment

首先要保证测量过程中采样器的采样流量稳定，本研究观测的6级安德森微生物采样器工作流量为28.3 L/min，而使用的空气动力学粒径谱仪的采样流量为5 L/min。为了满足采样器的工作流量，需要在粒径谱仪采样口前端的旁路设置一个抽气泵。因为本实验采用的是单分散颗粒物，并不是不同粒径的混合颗粒物，每种聚苯乙烯微球的粒径分布单一且集中，此处无需担心旁路和粒径谱仪两路的不等速采样可能会为颗粒物浓度的测量带来误差，粒径谱仪对采样器上、下游的颗粒物数量浓度的测量结果不会受到影响。

在观测过程中，将经过校准的流量计安装在采样器管路中，间隔1 min记录一次流量计的流量值。分析流量值可知，流量计的读数平均值为28.35 L/min，与标准工作流量的偏差为1.8%，且记录的流量值相对标准偏差仅为2.2%，满足相关标准中关于流量稳定性的要求(相对标准偏差≤5%)。

为了对各层的分离能力进行评价，将粒径 0.5～15 μm范围内的聚苯乙烯微球制成混合悬浮液，雾化后使用待评价的采样器进行采集，并使用正置显微镜(奥林巴斯，日本)观察琼脂表面，拍摄的图像见图5所示。以第二层和第四层为例，使用100倍油浸物镜分别对这两层的微球分布情况拍摄图像，受视野大小限制，无法展示整个培养皿的分布情况，仅选择同样位置的视野进行对比。由图中可以看出，第二层的微球直径分布基本符合4.7～7 μm 区间，仅有少数大于或小于此粒径范围的微球；而第四层的微球直径大多在2.1～3.3 μm之间，仅有少数小于此粒径范围的微球，几乎没有大于此范围的微球。

图5 使用显微镜拍摄采集的微球Fig.5 Microspheres captured at the second and fourth layers using a microscope

5.2 采集效率曲线的拟合

使用上述方法雾化发生不同粒径的单分散聚苯乙烯微球，并求取采集效率，最终使用非对称S形方程(asymmetric sigmoid equation)拟合出采集效率曲线[17,18]，得：

(4)

式中：a、b、c、d和f为5个常数；x和y分别为微球的空气动力学直径和采集效率。以前4级为例，测得各点采集效率后，将其代入式(4)得图6拟合曲线。

图6 拟合后的前4级采集效率曲线Fig.6 The fitted acquisition efficiency curve of first 4 stages

按照上述方法对6级的采集效率进行测量，拟合得出图7所示的6条曲线，根据曲线可得出采集效率为50%时对应的空气动力学直径，1～6级的Da50分别为7.2，6.7，4.7，2.9，1.5，0.8 μm。

图7 拟合后的各级采集效率曲线Fig.7 The fitted acquisition efficiency curve of each stage

测量出的6级Da50与前文提到的6级采样器设计的各级分离粒径范围对比如下表所示。从表中数据可以看到，各级测得的Da50均在分离粒径范围内。

表2 各级分离粒径范围与Da50对比Tab.2 Comparison of separate sizes and Da50 of each stage μm

6 结 论

为了评价安德森微生物采样器各级的捕集效率，本文搭建了基于静态箱法的评价系统，通过将不同粒径的单分散聚苯乙烯微球标准物质进行雾化，得到浓度分布均匀、稳定的气溶胶环境。在该环境中使采样器保持稳定的工作流量，使用空气动力学粒径谱仪分别在其上、下游进行了各粒径颗粒物的浓度测量，计算出采集效率。由拟合后的采集效率曲线得出了各级的50%分离粒径Da50，1～6级的Da50分别为7.2，6.7，4.7，2.9，1.5，0.8 μm，并对比了各级设定的粒径分离范围，均在范围内。本研究可为其他类型空气微生物采样器的采集效率评价提供参考。