氣旋式生物氣溶膠采樣器采集物理效率評價方法研究

劉佳琪, 張國城, 吳 丹, 田 瑩, 沈上圯,楊振琪, 荊文杰, 霍勝偉

(北京市計量檢測科學(xué)研究院 國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測治理產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 北京 100029)

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人健康[1～4],也對公共衛(wèi)生和安全有著重大影響,尤其是新冠疫情爆發(fā)以來,對環(huán)境氣溶膠的采樣和分析逐漸成為了社會關(guān)注的熱點話題[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)測及生物安全兩大類。其中環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的采樣器包括粉塵濃度測量儀器的前端切割器、呼吸性粉塵采樣頭和多級撞擊采樣器等[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,再使用熒光計檢測熒光信號的強(qiáng)度,從而得出各粒徑范圍的液滴數(shù)量比例,用以計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力學(xué)直徑,無法準(zhǔn)確得出空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑下的采集效率值。在我國已公布的JJG 1826-2020空氣微生物采樣器校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的測試方法中[18],推薦使用菌株懸浮液形成氣溶膠粒子,經(jīng)過待校準(zhǔn)采樣器與膜過濾法采樣器分別采集后進(jìn)行培養(yǎng),再通過統(tǒng)計2種采集方式的菌落數(shù),可計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)18 h才可用于菌落計數(shù),測量過程耗時較長,無法實時評價采集效率?？紤]到膜過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價結(jié)果。針對以上問題,更適合使用靜態(tài)箱法來進(jìn)行采樣器采集物理效率的評價,該方法曾用于評價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],可做到測試艙內(nèi)氣溶膠濃度穩(wěn)定、可控,具有一定的優(yōu)勢。

本研究致力于建立生物氣溶膠采樣器物理效率評價方法,通過搭建專用測試艙,整合氣溶膠發(fā)生器、粉塵濃度監(jiān)測儀、空氣動力學(xué)粒徑譜儀,從而發(fā)生一定粒徑范圍的顆粒物氣溶膠,評價采樣器對不同大小顆粒物的采集效率。

2 測量原理

2.1 采樣器采集物理效率評價系統(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)時的慣性,使氣流中的生物氣溶膠粒子分離出來。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價,圍繞采樣器核心部件評價關(guān)鍵技術(shù),重點解決采樣器的物理效率評價問題,搭建了評價系統(tǒng)。采樣器物理效率評價系統(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,使用空氣動力學(xué)粒徑譜儀分別對采樣器上、下游的氣溶膠數(shù)量濃度進(jìn)行測量,計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,逐漸下降至測量艙內(nèi)。采樣器與參比管路均放置在測量艙內(nèi),由下方的電磁閥控制兩路通斷,該系統(tǒng)使用空氣動力學(xué)粒徑譜儀(TSI,Model APS 3321,美國)來對采樣器上、下游的氣溶膠濃度進(jìn)行測量。

2.2 采集物理效率評價原理

實驗過程中使用的是粒徑范圍0.5～7 μm的聚苯乙烯微球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[21],分別測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的評價參照公式(1)進(jìn)行,采樣器上、下游的氣溶膠濃度分別為C2和C1。

(1)

為了保障測量結(jié)果的有效性,分別對每個粒徑的采集效率進(jìn)行3次測量,并計算測量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,當(dāng)此偏差不超過10%時,則認(rèn)為評價結(jié)果有效,取3次測量結(jié)果的平均值用作后續(xù)的曲線擬合；否則重新測量,直至測量結(jié)果滿足有效性判斷為止。

3 實驗結(jié)果

3.1 采樣器采集物理效率測量結(jié)果

國產(chǎn)某品牌(品牌一)的采樣器,工作流量為400 L/min,采集瓶安裝于氣旋式收集桶的下方,采樣前向采集瓶內(nèi)注入3 mL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)動后到達(dá)底部的收集瓶。其宣傳的Da50為0.53 μm,通過對3次測量得到的原始數(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0.91 μm。根據(jù)此評價結(jié)果,可以認(rèn)為該采樣器能夠較好地捕集氣溶膠樣本中1 μm以下的微生物。

國產(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300 L/min,該采樣器不包括單獨的氣旋式收集桶,其特制的采集瓶可放置15 mL生理鹽水,收集瓶本身即可完成氣溶膠的氣旋式運(yùn)動功能。其宣傳的2 μm以上顆粒物的采集效率為≥98%,由圖2(b)可以看出,在這幾個采樣流量下,其采集物理效率曲線的Da50分別為1.60、1.36、1.19、1.06和1.05 μm?？梢钥闯鲭S著采樣流量增大,Da50呈現(xiàn)減小趨勢,采集效率曲線向左移動,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,通過利用顆粒物的空氣動力學(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。

3.2 采樣液體積對采樣器評價結(jié)果的影響

在采樣器工作過程中,采集瓶里的液體在與氣體樣本接觸的過程中緩慢蒸發(fā),采集液的體積會隨著采集時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,該采樣器的采樣瓶內(nèi)液體的額定初始容量為15 mL,在采集過程中,可以發(fā)現(xiàn)采樣瓶內(nèi)的溶液體積會逐漸減少,雖然此采樣器可進(jìn)行自動補(bǔ)液,但只能10 min補(bǔ)一次,每次補(bǔ)1 mL。通過實驗得知,在采集的20 min時間內(nèi)(300 L/min),溶液損耗接近10 mL,補(bǔ)液無法使溶液體積保持在額定初始容量15 mL附近。

為了分析采樣液體積對采樣器評價結(jié)果的影響,選擇品牌二采樣器進(jìn)行了實驗(300 L/min),分別評價了初始流量為15 mL和7.5 mL時的采集物理效率,結(jié)果如圖3所示。可以看出,當(dāng)采樣液容量不足時,采集物理效率曲線對比正常狀態(tài)發(fā)生了較大的變化,Da50由1.05 μm增大到了3.7 μm,采樣器對微生物的采集能力明顯下降。

此實驗結(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程中能夠保持較好的采集物理效率,需要實時觀測并關(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

為了評價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態(tài)發(fā)生系統(tǒng),通過使用單分散聚苯乙烯微球溶液進(jìn)行霧化發(fā)塵,經(jīng)過稀釋干燥及混勻進(jìn)入測量艙,最終由空氣動力學(xué)粒徑譜儀分別測量采樣器上、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0.91 μm。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1.05 μm。為了探究采樣瓶內(nèi)的液體體積對采集物理效率的影響,對比了使用初始容量分別為15 mL和7.5 mL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,采集物理效率偏低,證明了在采樣器使用過程中,為保障較好的采集物理效率,應(yīng)注重采樣液容量的實時觀測,及時補(bǔ)液。本研究為氣旋式生物氣溶膠采樣器性能的評價方法以及生產(chǎn)和使用提供了參考。