基于空气动力学的浮游菌采样器采集物理效率检测方法的研究

刘佳琪, 张国城, 吴 丹, 杨振琪, 潘一廷,田 莹, 荆文杰, 霍胜伟

(北京市计量检测科学研究院 国家生态环境监测治理产品质量监督检验中心,北京100029)

1 引 言

悬浮在气体中的颗粒物与气体介质的总体称为气溶胶,当颗粒物是细菌、病毒等微生物时,这种混合介质就成为了生物气溶胶。目前研究已知的细菌长度大多分布在0.5～5 μm之间,由于微生物尺寸非常小,可随着人体的呼吸被带入体内,引发一系列健康问题[1～3]。使用空气微生物采样器可对生物气溶胶样本进行采集,从而进行分析。

浮游菌采样器是一种高效的多孔吸入式空气微生物采样器,利用安德森撞击采样的原理,通过撞击将微生物采集到琼脂表面,通常用来采集空气中的菌类微生物,从而实现微生物种类及含量的检测[4～6]。采样头的撞击速率通常在10.8 m/s左右,设计方案为确保大于1 μm的颗粒都能捕获到。

浮游菌采样器通常由筛板、琼脂培养皿、底座、抽气泵等部分组成,通过抽气泵将气溶胶吸入采样器前端筛板,撞击在培养皿的琼脂表面,一定粒径范围的微生物可被琼脂收集、培养,并用于后续分析。采样头采集物理效率对采样器采样结果影响大,因此JJF 1826-2020 空气微生物采样器校准规范对该指标进行了明确规定,应介于(50～110)%范围内[7]。但是JJF 1826-2020使用活的细菌作为颗粒物表征物,细菌与颗粒物个数比例不固定,采样方式、环境因素等因素对细菌成活性影响大[8],所搭建校准装置复杂、成本高,因此目前未见有利用此方法验证物理效率的相关文献报道。

本课题组前期搭建了基于空气动力学原理的PM2.5/PM10切割器捕集效率曲线评价装置,并研究了各种因素对捕集效率曲线的影响[9～11]。因为捕集效率曲线是基于不同粒径的单分散颗粒物气溶胶经过切割器前后浓度的变化来评价的,该方法与浮游菌采样器采样头捕集效率曲线原理类似；因此提出将空气动力学方法用于浮游菌采样器物理效率的评价,并对几个典型国内和国内厂家的仪器进行评价,该方法不仅快速得到各粒径下采样器物理效率,而且不受环境因素、细菌活性等因素影响,检测效率高。

2 评价方案

观察浮游菌采样器的结构组成可以发现,这种采样器是基于安德森撞击原理设计的,通过颗粒物的撞击效应及空气动力学原理,可实现对不同粒径颗粒物的分级筛选。在浮游菌采样器的筛板上有多个大小一致的孔口,根据相关文献[12],采样器对颗粒物的筛分性能与孔口直径dj、孔口的数量n、孔口的气流速度u0、流体的动力学粘度系数μ、气体的单位密度ρ0以及采样器的工作流量Q有关,它们的关系符合式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Da50为分离粒径；NStk50为给定冲击器喷嘴以50%效率收集的粒子的Stokes数；Cc为坎宁安校正系数。

综合这两个公式,采样头孔口直径和数量的准确度,会影响孔口气流速度,从而影响浮游菌撞击采样效率。但是由于孔口直径dj很小,一般在0.6 mm左右,而且孔口数量大,一般有(300～400)个[13],难以对每个孔的加工精度分别进行检测和评价。因此,只能通过采样头对不同粒径粒子的捕集效率,来整体评价浮游菌采样头采样物理效率。

本研究的实验设计思路是,将不同粒径的单分散气溶胶粒子进行雾化,形成浓度均匀、稳定的气溶胶环境；将采样器放置于测量舱内,使用空气动力学粒径谱仪对采样器上、下游的气溶胶粒子浓度进行测量,从而计算出采样器的采集物理效率。

评价系统按照从上至下的位置分布,可分为3个主要部分：第一部分由雾化装置、稀释气路和空气压缩机组成,其中雾化气体和稀释气体的流量分别由独立的流量控制器进行控制,可将不同粒径的单分散气溶胶粒子进行雾化,通过控制雾化流量和稀释气体的流量调节舱内的粒子浓度；第二部分由混合及测量舱组成,可将第一部分雾化产生颗粒物与空气充分混合均匀,待测量的浮游菌采样器放置于测量舱内,测量舱底部安装了高效过滤网,可与外界实现气体交换,同时避免了舱内与外界空气中的颗粒物互相影响；第三部分由测量舱下方的空气动力学粒径谱仪和抽气泵组成,抽气泵位于粒径谱仪前端,粒径谱仪的采样流量为5 L/min,通过调节抽气泵的抽气流量,在二者共同作用下,使得进入采样器的气体流量满足其工作流量的要求。

3 实验方法

本研究采用了1～7 μm范围的气溶胶粒子对采样器进行评价,所用的颗粒物为不同粒径的单分散聚苯乙烯微球,使用超纯水对各粒径的微球分别配制成悬浮液,分别放入雾化装置进行雾化。为了使雾化后的气溶胶干燥,向混合装置中通入洁净气流,同时通过调节雾化及洁净气流的流量,可以实现颗粒物浓度调控的效果。使用空气动力学粒径谱仪分别对采样器上、下游的气溶胶粒子浓度C1和C2进行测量,得出浓度比,按照式(3)对采集效率η进行计算,再对应不同粒径气溶胶的浓度比进行拟合,可绘制出采样器的采集物理效率曲线。

(3)

亚利桑那试验粉尘(Arizona test dust)是一种常见的气溶胶环境模拟样本[14],它具有比较宽的、连续的粒径分布,所以本文还使用了多分散的亚利桑那超细试验粉尘(以下简称A1尘)来评价各采样器,以观察采样器在连续粒径下的采集物理效率。

4 实验结果

4.1 空气动力学法采集效率曲线的特征

为了对比国产及进口浮游菌采样器的性能,选择了2款国产及1款进口的浮游菌采样器进行评价。这几款浮游菌采样器的工作流量都是100 L/min。

检测结果如图1和图2所示。图1是进口品牌的浮游菌采样器采集物理效率曲线,从曲线可以分析看出,随着粒子粒径的增加,颗粒被采集效率快速提高,在空气动力学当量直径超过3.4 μm后,采集物理效率均在90%以上；当粒径大于某一数值以后,捕集效率增加缓慢,即大部分都被捕集。这与常见的安德森六级撞击采样器捕集效率曲线的趋势是一致的,曲线形状也基本相同[5,15,16]。由于本研究评价的浮游菌采样器是基于安德森撞击原理设计的,这个实验结果也符合此设计思路。

图1 进口的浮游菌采样器采集物理效率Fig.1 Physical efficiency of imported plankton sampler

4.2 国内外品牌检测结果的差异

图2是国产品牌1和品牌2的浮游菌采样器采集物理效率曲线,从曲线可以分析得出,品牌1的采样器采集效率优于品牌2,在曲线形状方面,品牌1的采集效率曲线与安德森采样器的采集效率曲线形状较为接近,品牌2的曲线形状与之相差较大。同时对比国产两个品牌的采样器,进口采样器的采集物理效率明显更高。另外可以发现,进口采样器在粒径为1 μm处的采集效率可达到10%以上,但国产采样器在1 μm处的采集效率较低,表示对于较小粒径的颗粒物采集性能不如进口采样器。

图2 国产品牌1和品牌2的浮游菌采样器采集物理效率Fig.2 Physical efficiency of plankton sampler of domestic brand 1 and brand 2

4.3 多分散A1尘测试结果

从图1和图2可以看出,使用单分散微球评价得到的进口和国产浮游菌采样器采集物理效率与A1尘评价得到的结果都有一些差异,这是因为在实验过程中,每个点多次测量的采集效率重复性小于10%,但多次实验数据之间还是会存在一定的差别,并不完全相同。从实验结果可以看出,使用A1尘与使用单分散微球评价得到的结果差别并不大,且曲线的趋势一致。这可以为浮游菌采样器及其他采样器的评价提供一个参考,A1尘作为一种成本低、检测速度快的检测手段,也可以作为采样器评价的一种有效方法。

5 结 论

为了评价浮游菌采样器的采集物理效率,搭建了基于空气动力学的评价系统,通过将一定范围内，不同粒径的单分散聚苯乙烯微球进行雾化,可以得到浓度分布均匀、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,并且在此基础上对比了使用多分散A1尘评价结果的差异。根据单分散微球评价的结果,在空气动力学当量直径超过3.4 μm后,采集物理效率均在90%以上。相比于国产两个品牌的采样器,进口采样器的采集物理效率明显更高。对比单分散微球和多分散A1尘对以上几款采样器的检测结果,可以发现不同性质颗粒物对国产采样器的检测结果影响较大,对进口采样器的影响较小。

本研究提出的评价方法有助于缩短浮游菌采样器采集物理效率的评价时间,提高检测结果准确性,也为其他类型空气微生物采样器的采集效率评价提供了科学依据。