安德森六級(jí)撞擊微生物采樣器的計(jì)量評(píng)價(jià)及影響因素分析

劉佳琪, 張國(guó)城, 田 瑩, 吳 丹, 沈上圯, 李博雅, 霍勝偉

(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，北京 100029)

1 引 言

隨著疫情爆發(fā),生物安全領(lǐng)域的采樣和監(jiān)測(cè)引起了有關(guān)部門(mén)的重視。應(yīng)用于生物安全領(lǐng)域的采樣器按照原理不同,可分為液體沖擊式、撞擊式、氣旋式、濾膜式等[1～3],其中用于微生物采樣的安德森六級(jí)撞擊采樣器可分層采集不同粒徑范圍的微生物,是較常用的一種撞擊式采樣器[4,5]。安德森采樣器最早由安德森于1958年提出[6],不同撞擊板表面的孔徑不同,利用不同微生物的慣性大小不同,可將樣本按照粒徑采集至各層的培養(yǎng)皿中,通過(guò)菌落計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)空氣中活個(gè)體的采集和計(jì)數(shù)。

安德森采樣器的采樣效率對(duì)于空氣樣本中對(duì)應(yīng)粒徑范圍的微生物的數(shù)量濃度判定是至關(guān)重要的,將直接影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,因此,采樣效率的評(píng)價(jià)應(yīng)引起重視[7]。近年來(lái),雖有適用于此類(lèi)型采樣器的國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范發(fā)布,如JJF 1826-2020《微生物采樣器校準(zhǔn)規(guī)范》[8],對(duì)單級(jí)安德森撞擊法原理的空氣微生物采樣器的采樣物理效率進(jìn)行了規(guī)定,即采樣物理效率為50%～110%,但該規(guī)范因?yàn)闄z測(cè)指標(biāo)單一,不能反映各層捕集效率的差異,不適用于多級(jí)安德森撞擊采樣器的檢測(cè)評(píng)價(jià)。在相關(guān)研究領(lǐng)域,有研究人員使用安德森采樣器及其他原理的氣溶膠采樣器采集、分析致病菌在空氣中傳播后的活性,對(duì)比不同采樣器的采樣效率[11,12],或用來(lái)分析煙霧顆粒的大小分布和質(zhì)量濃度[13],還有報(bào)道研究采樣流速對(duì)采樣效率的影響[14],以及基于多分散固體氣溶膠對(duì)采樣器采樣效率的快速評(píng)價(jià)方法[15]。本課題組前期通過(guò)自主搭建的靜態(tài)箱法-空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀方法,初步探索了某個(gè)安德森采樣器采樣物理效率性能評(píng)價(jià)[16],以及其他原理的采樣器的采樣效率評(píng)價(jià)[17,18],但因缺乏可參考的標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn),對(duì)于如何解讀每層的粒徑范圍,是單級(jí)評(píng)價(jià)還是多層累加評(píng)價(jià),有待進(jìn)一步探討。生產(chǎn)廠家前期更多關(guān)注的是每層孔的尺寸精度,尺寸合格是否能說(shuō)明采樣物理效率也合格,需要進(jìn)一步探究。因此,本文希望進(jìn)一步探討和明確安德森采樣器采樣物理效率檢測(cè)方法,同時(shí)選取市面上5種國(guó)產(chǎn)品牌采樣器進(jìn)行檢測(cè),對(duì)影響因素展開(kāi)研究。

2 評(píng)價(jià)方法

由于安德森采樣器各級(jí)的采樣物理效率與各級(jí)篩孔大小、撞擊高度均有關(guān),因此本實(shí)驗(yàn)首先對(duì)5個(gè)品牌的采樣器的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量。另外,為了評(píng)價(jià)安德森采樣器各級(jí)單獨(dú)的采樣物理效率,搭建了一套測(cè)試系統(tǒng),該測(cè)試系統(tǒng)基于靜態(tài)箱法,可產(chǎn)生濃度均勻、穩(wěn)定的氣溶膠環(huán)境,已在本課題組前期的研究中有過(guò)應(yīng)用[19～23]。在測(cè)試系統(tǒng)的上方,有基于文丘里原理的霧化器,可將不同大小的顆粒物懸浮液霧化,結(jié)合稀釋干燥氣體進(jìn)行干燥,在混勻艙內(nèi)混勻、下降,最終到達(dá)測(cè)試艙。采樣器裝在測(cè)試艙的接口上,與另外一個(gè)接口通過(guò)下方的管路通向空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀。在電磁閥的控制下,可分別測(cè)試經(jīng)過(guò)采樣器后的顆粒物濃度和艙內(nèi)的顆粒物濃度,將二者求取比值,即可得出不同粒徑點(diǎn)下的采樣效率。在采樣時(shí),安德森采樣器中放置標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)皿,培養(yǎng)皿中注入高度為8 mm的瓊脂,冷卻后即可用于采樣。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 孔徑物理尺寸測(cè)試結(jié)果

3.1.1 孔徑誤差

使用型號(hào)為VME32的影像測(cè)量?jī)x測(cè)量5個(gè)品牌采樣器各級(jí)篩孔的孔徑,各級(jí)孔徑的平均值如表1所示,其中孔徑要求來(lái)源于安德森在1958年的文獻(xiàn)[6]。需要說(shuō)明的是,安德森采樣器每級(jí)有400個(gè)孔,表1的平均值是根據(jù)每級(jí)400個(gè)孔徑測(cè)量結(jié)果計(jì)算得出的,表2為不同廠家產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的孔徑偏差。由表2可以看出,除了品牌D,大部分廠家的產(chǎn)品孔徑加工精度誤差較小,偏差在0.03 mm以下。

表1 5個(gè)品牌采樣器各級(jí)篩孔的孔徑

表2 5個(gè)品牌采樣器各級(jí)篩孔的孔徑誤差

3.1.2 孔徑的均勻性

為更加直觀地體現(xiàn)各品牌采樣器的篩孔區(qū)別,還對(duì)每級(jí)400個(gè)孔的孔徑均勻性偏差進(jìn)行了計(jì)算,即400個(gè)測(cè)量結(jié)果中的最大值與最小值之差和平均值的比值,結(jié)果如表3所示。由表3結(jié)果可以看出,不同品牌的孔徑均勻性偏差結(jié)果差別較大,例如最小的偏差只有0.8%,而品牌E的第六級(jí)孔徑均勻性偏差已經(jīng)達(dá)到了12%,此處的測(cè)量結(jié)果為后面的采樣效率評(píng)價(jià)結(jié)果分析提供了參考。

表3 5個(gè)品牌采樣器各級(jí)篩孔的孔徑均勻性偏差

3.2 孔板高度測(cè)試結(jié)果

使用游標(biāo)卡尺測(cè)量各級(jí)篩孔與撞擊板之間的距離(孔板高度),測(cè)量結(jié)果如表4所示。由表4可以看出不同品牌的孔板高度值差別較大,從8.66 mm到10.65 mm,數(shù)值呈現(xiàn)較大的分散性。此處的測(cè)量結(jié)果同樣為后面的采樣效率評(píng)價(jià)結(jié)果分析提供了參考。

表4 5個(gè)品牌采樣器各級(jí)孔板高度

需要說(shuō)明的是,表4中的撞擊高度是篩孔底面距離下方培養(yǎng)皿底面的高度,在采樣過(guò)程中,培養(yǎng)皿內(nèi)瓊脂的厚度也會(huì)影響顆粒物的實(shí)際撞擊高度。在比較不同廠家產(chǎn)品差異時(shí),我們使用的瓊脂厚度保持一致,為8 mm。

3.3 采樣物理效率測(cè)試結(jié)果

利用搭建的靜態(tài)箱-空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀法采樣物理效率評(píng)價(jià)系統(tǒng),對(duì)5種品牌采樣器各級(jí)的采樣物理效率進(jìn)行評(píng)價(jià),使用的是多分散聚苯乙烯微球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。由于安德森多級(jí)撞擊采樣器中,第一級(jí)氣流與其他層不同,是從正中間上面采樣口進(jìn)入,而其它層的氣流都是從上一級(jí)培養(yǎng)皿與四周器皿壁之間的空隙進(jìn)入。因此對(duì)第二級(jí)～第六級(jí)采樣物理效率檢測(cè)時(shí),均為前幾級(jí)累加后進(jìn)行檢測(cè),得到的結(jié)果如圖1所示。

圖1 5個(gè)品牌采樣器各級(jí)采樣物理效率

由各級(jí)的采樣物理效率曲線(xiàn)可以得出效率為50%時(shí)的粒徑Da50,結(jié)果如表5所示,為了對(duì)照,表中還有各級(jí)應(yīng)符合的粒徑范圍。根據(jù)理論計(jì)算,也可以由篩孔粒徑及撞擊高度算出采樣物理效率曲線(xiàn)的Da50理論值,表5中對(duì)5個(gè)品牌采樣器各級(jí)的Da50實(shí)際值與理論值進(jìn)行了對(duì)比。

表5 5個(gè)品牌采樣器各級(jí)采樣粒徑要求及Da50

3.4 不同瓊脂高度測(cè)試結(jié)果

為了探究在采樣器本身結(jié)構(gòu)的孔板高度不變的情況下瓊脂厚度對(duì)采樣效率的影響,分別制作了瓊脂厚度為2、4、6、8 mm的培養(yǎng)皿,選擇品牌A的采樣器第五層為代表,分別將這4種瓊脂高度的培養(yǎng)皿放置在第五層中,測(cè)量其采樣效率。品牌A第五級(jí)的采樣效率曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 品牌A采樣器第五級(jí)不同瓊脂厚度的采樣物理效率

表6為品牌A第五級(jí)的采樣Da50測(cè)試結(jié)果。由表6的結(jié)果可知,Da50與培養(yǎng)皿中瓊脂的厚度成反比,瓊脂厚度在 6～8 mm時(shí),Da50結(jié)果符合要求;在一定范圍內(nèi),瓊脂越厚,撞擊高度越小,顆粒與瓊脂表面的撞擊越充分,捕集效果越好;但是如果撞擊高度過(guò)低,一方面氣流通道截面積太小會(huì)引起負(fù)載顯著增加,可能引起采樣泵動(dòng)力不足而采樣流量下降,另一方面在流量不變情況下,氣流通道截面積太小必然導(dǎo)致瓊脂表面氣流過(guò)大,引起瓊脂的水分揮發(fā)過(guò)快和采集到的菌類(lèi)的殺傷,雖提高了捕集效率,但菌類(lèi)存活率會(huì)下降,未能達(dá)到最佳捕集效果。

表6 品牌A采樣器第五級(jí)不同瓊脂厚度的采樣Da50

4 討 論

4.1 粒徑范圍要求的解讀

安德森多級(jí)撞擊采樣器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上均明確標(biāo)注了每一層對(duì)應(yīng)的粒徑范圍,如表5所示,但是對(duì)于該粒徑范圍的意義,卻沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)或者文獻(xiàn)進(jìn)行解釋。通常認(rèn)為該層對(duì)此范圍內(nèi)的粒徑粒子采集最多,但該如何解讀“采集最多”?

理論上,層級(jí)越往下,孔徑越小,對(duì)同一粒徑的粒子捕集效率越高。因此,同樣條件下,第六層對(duì)不同粒徑粒子捕集效率應(yīng)該是最高的,只是大顆粒的粒子被捕集在前面層級(jí)中,沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)入第六級(jí)。所以“采集最多”可以理解為前幾層捕集少,而在本級(jí)采集最多,下一級(jí)又減少。

安德森撞擊式采樣器,其捕集效率曲線(xiàn)顯著特征是粒徑大于某一值后,捕集效率快速增加,到某一粒徑后增加緩慢,即S型曲線(xiàn)[24]。該曲線(xiàn)一個(gè)重要特征是捕集效率50%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑大小,稱(chēng)之為Da50[19]?？梢岳斫鉃榱酱笥贒a50的粒子,1/2以上會(huì)被截留在該層,即“采集最多”。因此,一個(gè)合格的安德森撞擊采樣器,其每層捕集效率曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的Da50要落在表5中的粒徑范圍。對(duì)于曲線(xiàn)的形狀參數(shù),如幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差是否也需要有要求[24],有待進(jìn)一步研究。

4.2 Da50的檢測(cè)與理論計(jì)算

根據(jù)采樣器某層的捕集效率曲線(xiàn)可得到對(duì)應(yīng)的Da50。由于每一層的捕集效率曲線(xiàn)是由該層的孔徑大小、撞擊高度等因素決定的[6],其性能是獨(dú)立于其他層而獨(dú)立存在的,即每一層獨(dú)立評(píng)價(jià)得到的捕集效率曲線(xiàn),與前幾層累加后得到的捕集效率曲線(xiàn),應(yīng)該是一樣的?？紤]到不同層撞擊高度、結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)可能有影響,所以本文采用累加后評(píng)價(jià)的結(jié)果為準(zhǔn),因?yàn)樗c實(shí)際應(yīng)用情景最相近。撞擊式采樣器的原理如圖3所示,圖中dj為孔口的直徑,u0為孔口的氣流速度,T為孔的高度,S為孔距離撞擊板的高度。

圖3 撞擊式采樣器原理簡(jiǎn)圖[10]

由參考文獻(xiàn)[10]可知,撞擊式采樣器的采樣效率對(duì)應(yīng)的Da50應(yīng)滿(mǎn)足:

(1)

(2)

式中:μ為流體的動(dòng)力學(xué)粘度系數(shù);NStk50為給定沖擊器噴嘴以50%效率收集的粒子的Stokes數(shù);ρ0為單位密度;Cc是坎寧安校正系數(shù);u0是孔口的氣流速度,u0按照式(2)進(jìn)行計(jì)算,Q為該采樣器的采樣流量(28.3 L/min),n為孔口的數(shù)量(400個(gè))。當(dāng)雷諾數(shù)Re滿(mǎn)足500

將這些參數(shù)代入式(1),在儀器抽氣流量不變(28.3 L/min)時(shí),與Da50值相關(guān)的變量只有dj,結(jié)合式(2)進(jìn)行計(jì)算,可知Da50與dj的3/2次方成正比。對(duì)比表1和表5,發(fā)現(xiàn)Da50的測(cè)量值與孔徑dj的測(cè)量值符合理論比值。

4.3 Da50的影響因素

由表1和表2看出,除了品牌D外,大部分廠家篩孔尺寸誤差較小,在篩孔尺寸準(zhǔn)確度方面,品牌C較好,品牌C>品牌A>品牌B>品牌E>品牌D;由表3可看出,篩孔的均勻性普遍較好,品牌C>品牌D>品牌E>品牌B>品牌A;但是由圖1和表5得到,Da50準(zhǔn)確性,品牌A>品牌B>品牌C>品牌E>品牌D。

因此,在安德森多級(jí)撞擊采樣器的孔徑誤差不大、均勻性較好的前提下,孔距離撞擊板的高度可能對(duì)Da50影響更顯著。由表6可以看出,在其他條件不變的前提下,在一定范圍內(nèi),撞擊高度越小,效果越好,例如品牌A和品牌B;相比之下,雖然品牌C的孔徑誤差最小、孔徑均勻性最好,但由于其撞擊高度最小(8.7 mm),當(dāng)培養(yǎng)皿中的瓊脂高度過(guò)高時(shí),會(huì)導(dǎo)致撞擊板與瓊脂表面的距離太近,導(dǎo)致其前幾級(jí)不符合公式(1)“撞擊高度S大于等于篩孔直徑dj”的限定條件,從而影響Da50的值,其性能反而不如品牌A和品牌B。品牌D的孔徑誤差較大,導(dǎo)致其性能最差。

前期研究發(fā)現(xiàn),撞擊高度會(huì)影響捕集效率曲線(xiàn)的形狀[25],從而影響Da50。但長(zhǎng)期以來(lái),生產(chǎn)廠家和用戶(hù)更關(guān)注孔徑誤差,有孔徑尺寸標(biāo)準(zhǔn)要求,卻未曾見(jiàn)過(guò)對(duì)撞擊高度的要求,忽略了規(guī)定層間距和培養(yǎng)皿中瓊脂厚度的重要性。

5 結(jié) 論

安德森六級(jí)撞擊微生物采樣器每層捕集效率曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的Da50,應(yīng)該落在相關(guān)的粒徑范圍才算合格。通過(guò)檢測(cè)5個(gè)不同廠家生產(chǎn)的采樣器,發(fā)現(xiàn)合格率不高,只有1家完全合格,其他家有一到多層的Da50不合格。這是因?yàn)槟壳叭狈ο嚓P(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)規(guī)程規(guī)范,廠家前期只關(guān)注加工孔徑的尺寸準(zhǔn)確度和均勻性,而忽略了層間高度、培養(yǎng)皿中瓊脂厚度等因素的影響。

理論分析結(jié)果表明,Da50與孔徑的3/2次方成正比,且各級(jí)孔徑的均勻性越好、平均值越接近標(biāo)準(zhǔn)值,則該級(jí)采樣物理效率的Da50與規(guī)定粒徑范圍的吻合度越高,相反則較差。本研究結(jié)果可為采樣器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了依據(jù),為相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)規(guī)程規(guī)范的制定提供參考。