采样流量和孔板间距对浮游菌采样器采集效率的影响.pdf

书书书第 卷第 期 年月计 量学报 ，：采样流量和孔板间距对浮游菌采样器采集效率的影响田莹，张国城，刘佳琪，吴丹，沈上圯，荆文杰（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 ）摘要：浮游菌采样器作为一种高效的撞击采样器，具有易操作、小巧便携等特点，广泛应用于药厂洁净间、卫生防疫等场所。目前市场上的浮游菌采样器采集效率缺乏科学、高效的评价方法。采用基于空气动力学粒径谱仪的评价方法，分别检测 种国产浮游菌采样器的采集效率，发现采样流量、琼脂高度以及孔板间距（喷嘴到采集板距离）等因素会显著影响浮游菌采样器采集效率。研究表明，在固定采样流量下，孔板距离越近，采集效率越好；在孔板距离固定条件下，随着采样流量增大，采集效率会出现先增大后降低的特性，在采样流量为 时的采集效率最好；琼脂厚度越大，采集效率越高。该研究对改进浮游菌采样器的结构设计、提高产品质量具有参考意义，有助于提高浮游菌采样器的检测准确性和科学性。关键词：计量学；浮游菌采样器；采集效率；采样流量；孔板间距中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；收稿日期：；修回日期：基金项目：国家市场监督管理总局科技计划项目（）；朝阳区 年度博士后科研活动经费 引言生物气溶胶常见于室内外的空气中，包括细菌、真菌、病毒、过敏原、内毒素、肽聚糖、花粉等来源于生物的成分，粒径范围 ，其中小于 的颗粒可以长时间留在空气中，并进行长期和短期的传播 。生物气溶胶暴露会导致诸多健康问题，引发传染病、急性毒性反应、过敏等 ，。近年来，针对新冠疫情，多起传播事件已经证实气溶胶传播是新冠病毒的主要传播途径之一 。采用合适的生物气溶胶采样器是评估生物气溶胶暴露风险的关键步骤。目前在市场上存在不同原理的采样器，包括撞击式、冲击式、过滤、静电沉淀等，可将生物气溶胶中的微生物采集到滤膜、琼脂或液体介质中。撞击式采样器通过气流引入微生物颗粒，经过采样板的孔口或者狭缝时，气流加速，颗粒物因为惯性作用撞击并聚集在琼脂板。基于惯性原理的安德森六级采样器应用广泛，对大多数微生物颗粒具有高捕集效率。便携性是生物气溶胶采样的重要考量标准之一，安德森撞击采样器通常需要外部电源造成其便携性不佳。此外，检测低浓度微生物通常需要收集尽可能多的空气作为样本，安德森采样器的采样流量仅为 。市场占有率最高的 浮游菌采样器采样流量高，便携性强，在制药，食品，卫生防疫等行业和领域使用广泛。浮游菌采样器的核心部件是采样泵和采样头。采样泵决定采样流量，空气微生物采样器校准规范对采样流量示值误差、稳定性等指标建立了详细的检测方法，目前国内很多机构也建立了基于叶轮式流速校准装置的浮游菌采样器流量校准能力 。采样流量不准确，会影响采样量和计算结果的准确性，但是人们尚未关注其对采样效率的影响。采样头微孔孔径和数量会影响撞击速度，从 而 影 响 不 同 粒 径 粒 子 的 采 集 效 率。中，采用生物分子示踪法进行检测，装置和方法复杂、步骤繁琐、影响因素多、重复性差，因此鲜有报道。我们前期工作搭建了基于空气动力学粒径谱仪法的颗粒物采集效率评价装置 ，具有检测效率高，重复性好等特点。利用该装置，我们研究了采样流量、孔板间距和培养基厚度对浮游菌采样器采集效率的影响。浮游菌采样器采样原理粒子撞击琼脂板的过程取决于粒子的惯性特点，如颗粒大小，密度和速度，也取决于采样头的物理参数，如进气口喷嘴直径和气流路径。如图 所示，气溶胶颗粒随着气流穿过采样板的孔口。在撞击区中，粒子由于惯性作用，运动轨迹会发生相应的改变，空气动力学直径大的颗粒物惯性越大，明显偏离空气流线后撞击到琼脂板上。直径小的颗粒物从喷嘴孔口射出后，保持直线运动，直到出射速度为零时，随着气流发生偏转 。图 撞击采样示意图 从孔口射出的颗粒物保持直线运动的最大距离为颗粒物的截止距离 ，截止距离越大，越可能撞击到采集板。与初始的颗粒运动速率 和弛豫时间 的关系 为：其中弛豫时间 是颗粒物自然沉降过程中的重要参数，由颗粒物的直径 ，颗粒物密度 和流体的动力学粘度系数 共同决定 ，计算公式为：式中 是坎宁安校正系数。在颗粒物的研究中，为了描述采集效率引入无量纲参数斯托克斯数 ，即颗粒物的截止距离 与喷嘴半径 的比值 ：不同粒径的颗粒物均有特定的截止距离，特指 颗粒被采集，颗粒穿过采集板的截止距离；类似地，切割粒径 指的是当 颗粒被采集时的粒径，大于该粒径均被采集到琼脂板上。因此 是浮游菌采样器采集效率评价过程中的重要参数，可以通过以下公式进行计算 ：槡 槡 式中：为确定的采样器喷嘴以 的采集效率捕获粒子的 数。另外，喷嘴与采集板间距离、喷嘴雷诺数等也在评价采样器的采集效率中扮演着重要作用 。实验方法本研究搭建的采样器采集效率评价系统包括雾化器、混匀舱、测量舱以及空气动力学粒径谱仪。基第 卷第 期田莹等：采样流量和孔板间距对浮游菌采样器采集效率的影响于静态箱法，将待测仪器放置于测量舱中，干燥的洁净气流通过雾化器雾化连续粒径分布的亚利桑那尘（尘），激光散射粉尘仪对测量舱内的气溶胶浓度实时监测，结果反馈到控制系统，进一步通过雾化或者稀释流量进行调节，从而产生稳定均匀的气溶胶。利用空气动力学粒径谱仪检测测量舱内未经待测采样器的颗粒物数量浓度，测量结果为，经过待测采样器后采集到出口的颗粒物数量浓度记为，计算浮游菌采样器对不同空气动力学粒径的颗粒物的采集效率 ：()每个粒径下对应的采集效率测量 次，取 次结果的平均值作为该粒径颗粒物的采集效率。最后，通过根据不同粒径的浓度比结果，拟合并绘制出浮游菌采样器的采集效率曲线 ，。本文采用 种国产品牌的浮游菌采样器作为待测仪器，利用流量计和气泵调节不同的采样流量，研究采样流量对采集效率的影响。另一方面，通过在培养皿中倾入不同体积的培养基，形成不同高度的琼脂板，探索琼脂高度的改变对采集效率的影响。进一步调整喷嘴和采集板的距离，观察采集效率曲线的变化。结果与讨论 采样流量对采集效率的影响采样流量是浮游菌采样器的重要性能指标，目前已有不同原理的流量校准装置对采样器进行检测，避免加载或者堵塞导致采样流量发生偏差。但采样流量对浮游菌采样器采集效率的影响并没有受到重视。颗粒物的撞击速度取决于采样流量，在很大程度上影响采样器的采集效率。因此，针对国产品牌 的浮游菌采样器，选用不同的采样流量 ，进行测试，得到的采集效率曲线如图 所示，对应的 分别为 ，。结果显示采样流量为 时采集效果最好。当采样流量降低到 ，时，采集效率曲线右移，对 以下的颗粒基本无采集效果；因为流速越低，小颗粒惯性越小，随着气流流线穿过采样器，并没有采集到琼脂板上。当流量从 增加到 ，时，的变化不大，但 以上粒径粒子采集效率降低；很可能是因为流速过大，导致颗粒在琼脂板表面发生弹跳，从而影响采集效果 ，。虽然国产品牌 的浮游菌采样器在出厂时设定的采样流量为 ，但基于空气动力学粒径的方法评价 的采样流量下采集效果更好。图 品牌 浮游菌采样器在不同流量下的采集效率 培养基高度对采集效率的影响通过调控培养基的体积，制备高度分别为 ，的琼脂培养板，当固定采样流量为定流量 时，浮游菌采样器的采集效率曲线如图 所示。结果显示琼脂板中琼脂的高度越低，采集效率越低，当琼脂高度为 或者无琼脂时，采样流量曲线发生明显的变化，已经严重影响了采样器的采集性能；因此在正常使用浮游菌采样器的过程中，需要重点关注随长时间气流冲击作用，琼脂表面大面积干燥，引起喷嘴与采集板的距离发生改变，从而严重影响采集效率。图 品牌 浮游菌采样器在琼脂板不同高度时的采集效率 孔板间距对采集效率的影响为了进一步研究孔板间距，即喷嘴到采集板的计量学报 年 月距离对浮游菌采样器采集效率的影响，使用一个孔板间距可调的品牌 采样器进行试验。将孔到板的距离分别调整为 、，结果如图 所示。当距离为 时，采集效率曲线与典型的安德森撞击曲线相差较大。当距离缩短为 时，采集效率曲线发生明显变化，整体呈现“反 形状”，在 附近，以上的粒子采集效率只有 左右。当距离缩减为 时，曲线更快达到平台区，降低到 附近，可以采集粒径更小的颗粒物，同时 以后采集效率提高到 以上。前人的研究指出喷嘴和采集板的距离与喷嘴直径的比值不应小于 ，并在采集过程中起着重要作用 ，。图 喷嘴到采集板的距离对品牌 浮游菌采样器采集效率的影响 结论本文通过利用空气动力学粒径谱仪方法研究影响浮游菌采样器采集效率的因素。当改变采样流量时，发现流量过小时，小颗粒物随着气流流线离开撞击区，难以被采集；流量增大，采集效率曲线左移，小颗粒采集效率提高；流量过大，则会导致颗粒物在琼脂采集板表面发生反弹，从而降低大颗粒的采集效率。固定采样流量时，降低琼脂的高度，采集效率降低，因此长时间大流量进行采集时，应观察琼脂表面的干燥情况。当进一步改变喷嘴与采集板的距离时，发现间距很大时，采集效率差，曲线与流量呈近似线性关系；间距缩小，采集效率提高，采集效率曲线开始呈现安德森撞击“反 形状”曲线；间距进一步缩小，采集效率进一步提高，采集效率曲线左移，对小颗粒采集效率提高，更快到达平台区，对大颗粒物采集效率提高。因此，采集板与采样头喷嘴距离越近，即孔板间距越小，培养基越厚，得到的采集效率越高。这是因为经过喷嘴加速的颗粒物，在空气阻力作用下速度减小，靠近采集板时，向两侧偏离，垂直撞击在培养皿上的几率减小，即孔板距离增加降低了采集效率。在孔板间距不变情况下，采样流量偏小，小颗粒物撞击速度不足，采集效率低；而大颗粒能很好被采集，流量增大，采集效率曲线左移，效率提高；但是流量进一步增大，大颗粒因为运动动能过大，反而容易从采集板弹出，造成采集效率降低。以上研究表明，不仅采样流量、采样孔尺寸和数量会影响浮游菌采样器的采集效率，喷嘴到采集板的距离也会显著影响采集效率。该研究为国产浮游菌采样器的结构设计提供参考，有助于进一步提升浮游菌采样器的采集性能。参考文献 ，：，：，：，：，（），（）：，（）：，：，（）：，：，：，：，（）：，（）：张国城，杜亦楠浮游菌采样器计量检测中若干问题第 卷第 期田莹等：采样流量和孔板间距对浮游菌采样器采集效率的影响的讨论 ，计量技术，（）：张国城 浮游菌采样器校准装置的校准 计量技术，（）：张国城，张庆暖，张婧浮游菌采样器原理及其量值溯源方法研究 计量技术，（）：刘佳琪，张国城，吴丹，等 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 计量学报，（）：，（）：刘佳琪，张国城，吴丹，等 切割器捕集效率评价装置及方法研究 环境科学学报，（）：，（）：刘佳琪，张国城，赵晓宁，等 进气流量对 切割器捕集效率的影响分析 计量学报，（）：，（）：白志鹏，朱坦，郭光焕 冲击采样器设计参数分析 环境污染治理技术与设备，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（），（）：，（）：，（）：第一作者：田莹（），女，河南焦作人，北京市计量检测科学研究院工程师，主要研究方向为颗粒物相关环境监测仪器。：通讯作者：张国城（），男，福建永春人，北京市计量检测科学研究院教授级高工，主要从事化学分析与环境监测仪器的计量检测研究。：计量学报 年 月