基于空氣動力學的浮游菌采樣器采集物理效率檢測方法的研究

劉佳琪, 張國城, 吳 丹, 楊振琪, 潘一廷,田 瑩, 荊文杰, 霍勝偉

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

1 引 言

懸浮在氣體中的顆粒物與氣體介質的總體稱為氣溶膠,當顆粒物是細菌、病毒等微生物時,這種混合介質就成為了生物氣溶膠。目前研究已知的細菌長度大多分布在0.5～5 μm之間,由于微生物尺寸非常小,可隨著人體的呼吸被帶入體內,引發(fā)一系列健康問題[1～3]。使用空氣微生物采樣器可對生物氣溶膠樣本進行采集,從而進行分析。

浮游菌采樣器是一種高效的多孔吸入式空氣微生物采樣器,利用安德森撞擊采樣的原理,通過撞擊將微生物采集到瓊脂表面,通常用來采集空氣中的菌類微生物,從而實現(xiàn)微生物種類及含量的檢測[4～6]。采樣頭的撞擊速率通常在10.8 m/s左右,設計方案為確保大于1 μm的顆粒都能捕獲到。

浮游菌采樣器通常由篩板、瓊脂培養(yǎng)皿、底座、抽氣泵等部分組成,通過抽氣泵將氣溶膠吸入采樣器前端篩板,撞擊在培養(yǎng)皿的瓊脂表面,一定粒徑范圍的微生物可被瓊脂收集、培養(yǎng),并用于后續(xù)分析。采樣頭采集物理效率對采樣器采樣結果影響大,因此JJF 1826-2020 空氣微生物采樣器校準規(guī)范對該指標進行了明確規(guī)定,應介于(50～110)%范圍內[7]。但是JJF 1826-2020使用活的細菌作為顆粒物表征物,細菌與顆粒物個數(shù)比例不固定,采樣方式、環(huán)境因素等因素對細菌成活性影響大[8],所搭建校準裝置復雜、成本高,因此目前未見有利用此方法驗證物理效率的相關文獻報道。

本課題組前期搭建了基于空氣動力學原理的PM2.5/PM10切割器捕集效率曲線評價裝置,并研究了各種因素對捕集效率曲線的影響[9～11]。因為捕集效率曲線是基于不同粒徑的單分散顆粒物氣溶膠經(jīng)過切割器前后濃度的變化來評價的,該方法與浮游菌采樣器采樣頭捕集效率曲線原理類似；因此提出將空氣動力學方法用于浮游菌采樣器物理效率的評價,并對幾個典型國內和國內廠家的儀器進行評價,該方法不僅快速得到各粒徑下采樣器物理效率,而且不受環(huán)境因素、細菌活性等因素影響,檢測效率高。

2 評價方案

觀察浮游菌采樣器的結構組成可以發(fā)現(xiàn),這種采樣器是基于安德森撞擊原理設計的,通過顆粒物的撞擊效應及空氣動力學原理,可實現(xiàn)對不同粒徑顆粒物的分級篩選。在浮游菌采樣器的篩板上有多個大小一致的孔口,根據(jù)相關文獻[12],采樣器對顆粒物的篩分性能與孔口直徑dj、孔口的數(shù)量n、孔口的氣流速度u0、流體的動力學粘度系數(shù)μ、氣體的單位密度ρ0以及采樣器的工作流量Q有關,它們的關系符合式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Da50為分離粒徑；NStk50為給定沖擊器噴嘴以50%效率收集的粒子的Stokes數(shù)；Cc為坎寧安校正系數(shù)。

綜合這兩個公式,采樣頭孔口直徑和數(shù)量的準確度,會影響孔口氣流速度,從而影響浮游菌撞擊采樣效率。但是由于孔口直徑dj很小,一般在0.6 mm左右,而且孔口數(shù)量大,一般有(300～400)個[13],難以對每個孔的加工精度分別進行檢測和評價。因此,只能通過采樣頭對不同粒徑粒子的捕集效率,來整體評價浮游菌采樣頭采樣物理效率。

本研究的實驗設計思路是,將不同粒徑的單分散氣溶膠粒子進行霧化,形成濃度均勻、穩(wěn)定的氣溶膠環(huán)境；將采樣器放置于測量艙內,使用空氣動力學粒徑譜儀對采樣器上、下游的氣溶膠粒子濃度進行測量,從而計算出采樣器的采集物理效率。

評價系統(tǒng)按照從上至下的位置分布,可分為3個主要部分：第一部分由霧化裝置、稀釋氣路和空氣壓縮機組成,其中霧化氣體和稀釋氣體的流量分別由獨立的流量控制器進行控制,可將不同粒徑的單分散氣溶膠粒子進行霧化,通過控制霧化流量和稀釋氣體的流量調節(jié)艙內的粒子濃度；第二部分由混合及測量艙組成,可將第一部分霧化產(chǎn)生顆粒物與空氣充分混合均勻,待測量的浮游菌采樣器放置于測量艙內,測量艙底部安裝了高效過濾網(wǎng),可與外界實現(xiàn)氣體交換,同時避免了艙內與外界空氣中的顆粒物互相影響；第三部分由測量艙下方的空氣動力學粒徑譜儀和抽氣泵組成,抽氣泵位于粒徑譜儀前端,粒徑譜儀的采樣流量為5 L/min,通過調節(jié)抽氣泵的抽氣流量,在二者共同作用下,使得進入采樣器的氣體流量滿足其工作流量的要求。

3 實驗方法

本研究采用了1～7 μm范圍的氣溶膠粒子對采樣器進行評價,所用的顆粒物為不同粒徑的單分散聚苯乙烯微球,使用超純水對各粒徑的微球分別配制成懸浮液,分別放入霧化裝置進行霧化。為了使霧化后的氣溶膠干燥,向混合裝置中通入潔凈氣流,同時通過調節(jié)霧化及潔凈氣流的流量,可以實現(xiàn)顆粒物濃度調控的效果。使用空氣動力學粒徑譜儀分別對采樣器上、下游的氣溶膠粒子濃度C1和C2進行測量,得出濃度比,按照式(3)對采集效率η進行計算,再對應不同粒徑氣溶膠的濃度比進行擬合,可繪制出采樣器的采集物理效率曲線。

(3)

亞利桑那試驗粉塵(Arizona test dust)是一種常見的氣溶膠環(huán)境模擬樣本[14],它具有比較寬的、連續(xù)的粒徑分布,所以本文還使用了多分散的亞利桑那超細試驗粉塵(以下簡稱A1塵)來評價各采樣器,以觀察采樣器在連續(xù)粒徑下的采集物理效率。

4 實驗結果

4.1 空氣動力學法采集效率曲線的特征

為了對比國產(chǎn)及進口浮游菌采樣器的性能,選擇了2款國產(chǎn)及1款進口的浮游菌采樣器進行評價。這幾款浮游菌采樣器的工作流量都是100 L/min。

檢測結果如圖1和圖2所示。圖1是進口品牌的浮游菌采樣器采集物理效率曲線,從曲線可以分析看出,隨著粒子粒徑的增加,顆粒被采集效率快速提高,在空氣動力學當量直徑超過3.4 μm后,采集物理效率均在90%以上；當粒徑大于某一數(shù)值以后,捕集效率增加緩慢,即大部分都被捕集。這與常見的安德森六級撞擊采樣器捕集效率曲線的趨勢是一致的,曲線形狀也基本相同[5,15,16]。由于本研究評價的浮游菌采樣器是基于安德森撞擊原理設計的,這個實驗結果也符合此設計思路。

圖1 進口的浮游菌采樣器采集物理效率Fig.1 Physical efficiency of imported plankton sampler

4.2 國內外品牌檢測結果的差異

圖2是國產(chǎn)品牌1和品牌2的浮游菌采樣器采集物理效率曲線,從曲線可以分析得出,品牌1的采樣器采集效率優(yōu)于品牌2,在曲線形狀方面,品牌1的采集效率曲線與安德森采樣器的采集效率曲線形狀較為接近,品牌2的曲線形狀與之相差較大。同時對比國產(chǎn)兩個品牌的采樣器,進口采樣器的采集物理效率明顯更高。另外可以發(fā)現(xiàn),進口采樣器在粒徑為1 μm處的采集效率可達到10%以上,但國產(chǎn)采樣器在1 μm處的采集效率較低,表示對于較小粒徑的顆粒物采集性能不如進口采樣器。

圖2 國產(chǎn)品牌1和品牌2的浮游菌采樣器采集物理效率Fig.2 Physical efficiency of plankton sampler of domestic brand 1 and brand 2

4.3 多分散A1塵測試結果

從圖1和圖2可以看出,使用單分散微球評價得到的進口和國產(chǎn)浮游菌采樣器采集物理效率與A1塵評價得到的結果都有一些差異,這是因為在實驗過程中,每個點多次測量的采集效率重復性小于10%,但多次實驗數(shù)據(jù)之間還是會存在一定的差別,并不完全相同。從實驗結果可以看出,使用A1塵與使用單分散微球評價得到的結果差別并不大,且曲線的趨勢一致。這可以為浮游菌采樣器及其他采樣器的評價提供一個參考,A1塵作為一種成本低、檢測速度快的檢測手段,也可以作為采樣器評價的一種有效方法。

5 結 論

為了評價浮游菌采樣器的采集物理效率,搭建了基于空氣動力學的評價系統(tǒng),通過將一定范圍內，不同粒徑的單分散聚苯乙烯微球進行霧化,可以得到濃度分布均勻、穩(wěn)定的氣溶膠環(huán)境。在該環(huán)境中使采樣器保持穩(wěn)定的工作流量,使用空氣動力學粒徑譜儀分別在其上、下游進行了各粒徑顆粒物的濃度測量,計算出采集效率,并且在此基礎上對比了使用多分散A1塵評價結果的差異。根據(jù)單分散微球評價的結果,在空氣動力學當量直徑超過3.4 μm后,采集物理效率均在90%以上。相比于國產(chǎn)兩個品牌的采樣器,進口采樣器的采集物理效率明顯更高。對比單分散微球和多分散A1塵對以上幾款采樣器的檢測結果,可以發(fā)現(xiàn)不同性質顆粒物對國產(chǎn)采樣器的檢測結果影響較大,對進口采樣器的影響較小。

本研究提出的評價方法有助于縮短浮游菌采樣器采集物理效率的評價時間,提高檢測結果準確性,也為其他類型空氣微生物采樣器的采集效率評價提供了科學依據(jù)。