气旋式生物气溶胶采样器采集物理效率评价方法研究

刘佳琪, 张国城, 吴 丹, 田 莹, 沈上圯,杨振琪, 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

环境气溶胶指悬浮在空气中的不同大小颗粒物和气体介质的总体。环境气溶胶不仅危害个人健康[1～4],也对公共卫生和安全有着重大影响,尤其是新冠疫情爆发以来,对环境气溶胶的采样和分析逐渐成为了社会关注的热点话题[5～8]。早在1908年,就诞生了用于采集环境空气微生物的采样器,随着技术发展,气溶胶采样器按照使用领域的不同可分为环境监测及生物安全两大类。其中环境监测领域的采样器包括粉尘浓度测量仪器的前端切割器、呼吸性粉尘采样头和多级撞击采样器等[9～11]；生物安全领域的采样器包括固体撞击式、液体冲击式、滤膜采样、静电式采样器等[12～16]。根据仪器特征和用途,气溶胶采样器对于不同粒径颗粒物的采集效率是非常重要的性能指标,直接影响检测结果的准确性。

已有研究人员使用含荧光染剂的液体雾化产生气溶胶[17],用于分析撞击式采样器的采集效率。该方法使用显微镜观察滤膜上荧光液滴的直径,再使用荧光计检测荧光信号的强度,从而得出各粒径范围的液滴数量比例,用以计算该采样器的采集效率。由于该方法使用光学显微镜直接观察液滴直径,而非气溶胶颗粒物的空气动力学直径,无法准确得出空气动力学当量直径下的采集效率值。在我国已公布的JJG 1826-2020空气微生物采样器校准规范规定的测试方法中[18],推荐使用菌株悬浮液形成气溶胶粒子,经过待校准采样器与膜过滤法采样器分别采集后进行培养,再通过统计2种采集方式的菌落数,可计算出该采样器的采样效率。由于产生的孢子至少要培养18 h才可用于菌落计数,测量过程耗时较长,无法实时评价采集效率。考虑到膜过滤法自身的采集效率也是有限的,并不能将产生的微生物气溶胶全部采集；在培养过程中,微生物的存活率也是影响最终结果的因素之一,这些都可能影响采集效率的评价结果。针对以上问题,更适合使用静态箱法来进行采样器采集物理效率的评价,该方法曾用于评价切割器的捕集效率和安德森撞击采样器的采集物理效率[19,20],可做到测试舱内气溶胶浓度稳定、可控,具有一定的优势。

本研究致力于建立生物气溶胶采样器物理效率评价方法,通过搭建专用测试舱,整合气溶胶发生器、粉尘浓度监测仪、空气动力学粒径谱仪,从而发生一定粒径范围的颗粒物气溶胶,评价采样器对不同大小颗粒物的采集效率。

2 测量原理

2.1 采样器采集物理效率评价系统结构

气旋式生物气溶胶采样器利用气流在旋风机的圆柱或圆锥部分高速旋转时的惯性,使气流中的生物气溶胶粒子分离出来。为了保护采集到的粒子活性,向采样收集容器中加入少量液体介质,粒子被旋风体内壁上的循环冲洗采样介质所收集。为了完成生物气溶胶采样器的物理效率评价,围绕采样器核心部件评价关键技术,重点解决采样器的物理效率评价问题,搭建了评价系统。采样器物理效率评价系统的结构组成如图1所示,采用静态箱法,结合PID闭环调节技术,在测量舱内形成浓度均匀、稳定的气溶胶环境,使用空气动力学粒径谱仪分别对采样器上、下游的气溶胶数量浓度进行测量,计算出采样器的物理效率。

颗粒物由上方雾化器进行雾化后形成气溶胶,与空气混合均匀,逐渐下降至测量舱内。采样器与参比管路均放置在测量舱内,由下方的电磁阀控制两路通断,该系统使用空气动力学粒径谱仪(TSI,Model APS 3321,美国)来对采样器上、下游的气溶胶浓度进行测量。

2.2 采集物理效率评价原理

实验过程中使用的是粒径范围0.5～7 μm的聚苯乙烯微球标准物质[21],分别测量得出不同粒径下的采集物理效率,最终拟合出采集效率曲线。采集物理效率η的评价参照公式(1)进行,采样器上、下游的气溶胶浓度分别为C2和C1。

(1)

为了保障测量结果的有效性,分别对每个粒径的采集效率进行3次测量,并计算测量结果的相对标准偏差,当此偏差不超过10%时,则认为评价结果有效,取3次测量结果的平均值用作后续的曲线拟合；否则重新测量,直至测量结果满足有效性判断为止。

3 实验结果

3.1 采样器采集物理效率测量结果

国产某品牌(品牌一)的采样器,工作流量为400 L/min,采集瓶安装于气旋式收集桶的下方,采样前向采集瓶内注入3 mL生理盐水,气溶胶由泵吸进入气旋式收集桶,在收集桶内运动后到达底部的收集瓶。其宣传的Da50为0.53 μm,通过对3次测量得到的原始数据平均值进行拟合,得到平滑的采集效率曲线如图2(a)所示,可以看出该采样器的Da50为0.91 μm。根据此评价结果,可以认为该采样器能够较好地捕集气溶胶样本中1 μm以下的微生物。

国产某品牌(品牌二)的采样器,工作流量分为5档可调,分别是100、150、200、250和300 L/min,该采样器不包括单独的气旋式收集桶,其特制的采集瓶可放置15 mL生理盐水,收集瓶本身即可完成气溶胶的气旋式运动功能。其宣传的2 μm以上颗粒物的采集效率为≥98%,由图2(b)可以看出,在这几个采样流量下,其采集物理效率曲线的Da50分别为1.60、1.36、1.19、1.06和1.05 μm。可以看出随着采样流量增大,Da50呈现减小趋势,采集效率曲线向左移动,可以认为较大流量下的采样器采集效率较好。出现该现象的原因是,气旋式生物气溶胶采样器的进气结构为螺旋式,通过利用颗粒物的空气动力学特性使其与采样液接触,将微生物采集到液体中，采样流量越大,颗粒物与液体的接触效果越好,从而采集效率越高。

3.2 采样液体积对采样器评价结果的影响

在采样器工作过程中,采集瓶里的液体在与气体样本接触的过程中缓慢蒸发,采集液的体积会随着采集时间的推移而逐渐减少。由于气旋式微生物采样器的采集效率会受到气体样本与采集溶液接触程度的影响,采集液的体积可能会影响到最终的采集物理效率。以品牌二采样器为例,该采样器的采样瓶内液体的额定初始容量为15 mL,在采集过程中,可以发现采样瓶内的溶液体积会逐渐减少,虽然此采样器可进行自动补液,但只能10 min补一次,每次补1 mL。通过实验得知,在采集的20 min时间内(300 L/min),溶液损耗接近10 mL,补液无法使溶液体积保持在额定初始容量15 mL附近。

为了分析采样液体积对采样器评价结果的影响,选择品牌二采样器进行了实验(300 L/min),分别评价了初始流量为15 mL和7.5 mL时的采集物理效率,结果如图3所示。可以看出,当采样液容量不足时,采集物理效率曲线对比正常状态发生了较大的变化,Da50由1.05 μm增大到了3.7 μm,采样器对微生物的采集能力明显下降。

此实验结果可为采样器生产厂家提供参考,为了保障采样器在工作过程中能够保持较好的采集物理效率,需要实时观测并关注采样溶液的容量变化,改进补液功能,根据不同的采样流量,调整相应的补液频率及每次的补液容量。

4 结 论

为了评价气旋式生物气溶胶采样器的采集物理效率,本研究搭建了气溶胶动态发生系统,通过使用单分散聚苯乙烯微球溶液进行雾化发尘,经过稀释干燥及混匀进入测量舱,最终由空气动力学粒径谱仪分别测量采样器上、下游的气溶胶数量浓度,获取比值得到捕集效率,最终拟合出切割器的捕集效率曲线,获取Da50。

测量结果表明,在品牌一采样器的固定采样流量下,其采集物理效率曲线的Da50为0.91 μm。品牌二采样器具有5种可调的采样流量,在不同流量下其Da50分别为1.60、1.36、1.19、1.06和1.05 μm。为了探究采样瓶内的液体体积对采集物理效率的影响,对比了使用初始容量分别为15 mL和7.5 mL的采样液得到的品牌二采样器的采集物理效率,发现采样液初始容量较少时,采集物理效率偏低,证明了在采样器使用过程中,为保障较好的采集物理效率,应注重采样液容量的实时观测,及时补液。本研究为气旋式生物气溶胶采样器性能的评价方法以及生产和使用提供了参考。