安德森六级撞击微生物采样器的计量评价及影响因素分析

刘佳琪, 张国城, 田 莹, 吴 丹, 沈上圯, 李博雅, 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

随着疫情爆发,生物安全领域的采样和监测引起了有关部门的重视。应用于生物安全领域的采样器按照原理不同,可分为液体冲击式、撞击式、气旋式、滤膜式等[1～3],其中用于微生物采样的安德森六级撞击采样器可分层采集不同粒径范围的微生物,是较常用的一种撞击式采样器[4,5]。安德森采样器最早由安德森于1958年提出[6],不同撞击板表面的孔径不同,利用不同微生物的惯性大小不同,可将样本按照粒径采集至各层的培养皿中,通过菌落计数实现空气中活个体的采集和计数。

安德森采样器的采样效率对于空气样本中对应粒径范围的微生物的数量浓度判定是至关重要的,将直接影响数据的准确性,因此,采样效率的评价应引起重视[7]。近年来,虽有适用于此类型采样器的国家校准规范发布,如JJF 1826-2020《微生物采样器校准规范》[8],对单级安德森撞击法原理的空气微生物采样器的采样物理效率进行了规定,即采样物理效率为50%～110%,但该规范因为检测指标单一,不能反映各层捕集效率的差异,不适用于多级安德森撞击采样器的检测评价。在相关研究领域,有研究人员使用安德森采样器及其他原理的气溶胶采样器采集、分析致病菌在空气中传播后的活性,对比不同采样器的采样效率[11,12],或用来分析烟雾颗粒的大小分布和质量浓度[13],还有报道研究采样流速对采样效率的影响[14],以及基于多分散固体气溶胶对采样器采样效率的快速评价方法[15]。本课题组前期通过自主搭建的静态箱法-空气动力学粒径谱仪方法,初步探索了某个安德森采样器采样物理效率性能评价[16],以及其他原理的采样器的采样效率评价[17,18],但因缺乏可参考的标准或文献,对于如何解读每层的粒径范围,是单级评价还是多层累加评价,有待进一步探讨。生产厂家前期更多关注的是每层孔的尺寸精度,尺寸合格是否能说明采样物理效率也合格,需要进一步探究。因此,本文希望进一步探讨和明确安德森采样器采样物理效率检测方法,同时选取市面上5种国产品牌采样器进行检测,对影响因素展开研究。

2 评价方法

由于安德森采样器各级的采样物理效率与各级筛孔大小、撞击高度均有关,因此本实验首先对5个品牌的采样器的相关指标进行了测量。另外,为了评价安德森采样器各级单独的采样物理效率,搭建了一套测试系统,该测试系统基于静态箱法,可产生浓度均匀、稳定的气溶胶环境,已在本课题组前期的研究中有过应用[19～23]。在测试系统的上方,有基于文丘里原理的雾化器,可将不同大小的颗粒物悬浮液雾化,结合稀释干燥气体进行干燥,在混匀舱内混匀、下降,最终到达测试舱。采样器装在测试舱的接口上,与另外一个接口通过下方的管路通向空气动力学粒径谱仪。在电磁阀的控制下,可分别测试经过采样器后的颗粒物浓度和舱内的颗粒物浓度,将二者求取比值,即可得出不同粒径点下的采样效率。在采样时,安德森采样器中放置标准培养皿,培养皿中注入高度为8 mm的琼脂,冷却后即可用于采样。

3 实验结果

3.1 孔径物理尺寸测试结果

3.1.1 孔径误差

使用型号为VME32的影像测量仪测量5个品牌采样器各级筛孔的孔径,各级孔径的平均值如表1所示,其中孔径要求来源于安德森在1958年的文献[6]。需要说明的是,安德森采样器每级有400个孔,表1的平均值是根据每级400个孔径测量结果计算得出的,表2为不同厂家产品对应的孔径偏差。由表2可以看出,除了品牌D,大部分厂家的产品孔径加工精度误差较小,偏差在0.03 mm以下。

表1 5个品牌采样器各级筛孔的孔径

表2 5个品牌采样器各级筛孔的孔径误差

3.1.2 孔径的均匀性

为更加直观地体现各品牌采样器的筛孔区别,还对每级400个孔的孔径均匀性偏差进行了计算,即400个测量结果中的最大值与最小值之差和平均值的比值,结果如表3所示。由表3结果可以看出,不同品牌的孔径均匀性偏差结果差别较大,例如最小的偏差只有0.8%,而品牌E的第六级孔径均匀性偏差已经达到了12%,此处的测量结果为后面的采样效率评价结果分析提供了参考。

表3 5个品牌采样器各级筛孔的孔径均匀性偏差

3.2 孔板高度测试结果

使用游标卡尺测量各级筛孔与撞击板之间的距离(孔板高度),测量结果如表4所示。由表4可以看出不同品牌的孔板高度值差别较大,从8.66 mm到10.65 mm,数值呈现较大的分散性。此处的测量结果同样为后面的采样效率评价结果分析提供了参考。

表4 5个品牌采样器各级孔板高度

需要说明的是,表4中的撞击高度是筛孔底面距离下方培养皿底面的高度,在采样过程中,培养皿内琼脂的厚度也会影响颗粒物的实际撞击高度。在比较不同厂家产品差异时,我们使用的琼脂厚度保持一致,为8 mm。

3.3 采样物理效率测试结果

利用搭建的静态箱-空气动力学粒径谱仪法采样物理效率评价系统,对5种品牌采样器各级的采样物理效率进行评价,使用的是多分散聚苯乙烯微球标准物质。由于安德森多级撞击采样器中,第一级气流与其他层不同,是从正中间上面采样口进入,而其它层的气流都是从上一级培养皿与四周器皿壁之间的空隙进入。因此对第二级～第六级采样物理效率检测时,均为前几级累加后进行检测,得到的结果如图1所示。

图1 5个品牌采样器各级采样物理效率

由各级的采样物理效率曲线可以得出效率为50%时的粒径Da50,结果如表5所示,为了对照,表中还有各级应符合的粒径范围。根据理论计算,也可以由筛孔粒径及撞击高度算出采样物理效率曲线的Da50理论值,表5中对5个品牌采样器各级的Da50实际值与理论值进行了对比。

表5 5个品牌采样器各级采样粒径要求及Da50

3.4 不同琼脂高度测试结果

为了探究在采样器本身结构的孔板高度不变的情况下琼脂厚度对采样效率的影响,分别制作了琼脂厚度为2、4、6、8 mm的培养皿,选择品牌A的采样器第五层为代表,分别将这4种琼脂高度的培养皿放置在第五层中,测量其采样效率。品牌A第五级的采样效率曲线如图2所示。

图2 品牌A采样器第五级不同琼脂厚度的采样物理效率

表6为品牌A第五级的采样Da50测试结果。由表6的结果可知,Da50与培养皿中琼脂的厚度成反比,琼脂厚度在 6～8 mm时,Da50结果符合要求;在一定范围内,琼脂越厚,撞击高度越小,颗粒与琼脂表面的撞击越充分,捕集效果越好;但是如果撞击高度过低,一方面气流通道截面积太小会引起负载显著增加,可能引起采样泵动力不足而采样流量下降,另一方面在流量不变情况下,气流通道截面积太小必然导致琼脂表面气流过大,引起琼脂的水分挥发过快和采集到的菌类的杀伤,虽提高了捕集效率,但菌类存活率会下降,未能达到最佳捕集效果。

表6 品牌A采样器第五级不同琼脂厚度的采样Da50

4 讨 论

4.1 粒径范围要求的解读

安德森多级撞击采样器产品说明书上均明确标注了每一层对应的粒径范围,如表5所示,但是对于该粒径范围的意义,却没有标准或者文献进行解释。通常认为该层对此范围内的粒径粒子采集最多,但该如何解读“采集最多”?

理论上,层级越往下,孔径越小,对同一粒径的粒子捕集效率越高。因此,同样条件下,第六层对不同粒径粒子捕集效率应该是最高的,只是大颗粒的粒子被捕集在前面层级中,没有机会进入第六级。所以“采集最多”可以理解为前几层捕集少,而在本级采集最多,下一级又减少。

安德森撞击式采样器,其捕集效率曲线显著特征是粒径大于某一值后,捕集效率快速增加,到某一粒径后增加缓慢,即S型曲线[24]。该曲线一个重要特征是捕集效率50%时对应的粒径大小,称之为Da50[19]。可以理解为粒径大于Da50的粒子,1/2以上会被截留在该层,即“采集最多”。因此,一个合格的安德森撞击采样器,其每层捕集效率曲线对应的Da50要落在表5中的粒径范围。对于曲线的形状参数,如几何标准偏差是否也需要有要求[24],有待进一步研究。

4.2 Da50的检测与理论计算

根据采样器某层的捕集效率曲线可得到对应的Da50。由于每一层的捕集效率曲线是由该层的孔径大小、撞击高度等因素决定的[6],其性能是独立于其他层而独立存在的,即每一层独立评价得到的捕集效率曲线,与前几层累加后得到的捕集效率曲线,应该是一样的。考虑到不同层撞击高度、结构对测量结构可能有影响,所以本文采用累加后评价的结果为准,因为它与实际应用情景最相近。撞击式采样器的原理如图3所示,图中dj为孔口的直径,u0为孔口的气流速度,T为孔的高度,S为孔距离撞击板的高度。

图3 撞击式采样器原理简图[10]

由参考文献[10]可知,撞击式采样器的采样效率对应的Da50应满足:

(1)

(2)

式中:μ为流体的动力学粘度系数;NStk50为给定冲击器喷嘴以50%效率收集的粒子的Stokes数;ρ0为单位密度;Cc是坎宁安校正系数;u0是孔口的气流速度,u0按照式(2)进行计算,Q为该采样器的采样流量(28.3 L/min),n为孔口的数量(400个)。当雷诺数Re满足500

将这些参数代入式(1),在仪器抽气流量不变(28.3 L/min)时,与Da50值相关的变量只有dj,结合式(2)进行计算,可知Da50与dj的3/2次方成正比。对比表1和表5,发现Da50的测量值与孔径dj的测量值符合理论比值。

4.3 Da50的影响因素

由表1和表2看出,除了品牌D外,大部分厂家筛孔尺寸误差较小,在筛孔尺寸准确度方面,品牌C较好,品牌C>品牌A>品牌B>品牌E>品牌D;由表3可看出,筛孔的均匀性普遍较好,品牌C>品牌D>品牌E>品牌B>品牌A;但是由图1和表5得到,Da50准确性,品牌A>品牌B>品牌C>品牌E>品牌D。

因此,在安德森多级撞击采样器的孔径误差不大、均匀性较好的前提下,孔距离撞击板的高度可能对Da50影响更显著。由表6可以看出,在其他条件不变的前提下,在一定范围内,撞击高度越小,效果越好,例如品牌A和品牌B;相比之下,虽然品牌C的孔径误差最小、孔径均匀性最好,但由于其撞击高度最小(8.7 mm),当培养皿中的琼脂高度过高时,会导致撞击板与琼脂表面的距离太近,导致其前几级不符合公式(1)“撞击高度S大于等于筛孔直径dj”的限定条件,从而影响Da50的值,其性能反而不如品牌A和品牌B。品牌D的孔径误差较大,导致其性能最差。

前期研究发现,撞击高度会影响捕集效率曲线的形状[25],从而影响Da50。但长期以来,生产厂家和用户更关注孔径误差,有孔径尺寸标准要求,却未曾见过对撞击高度的要求,忽略了规定层间距和培养皿中琼脂厚度的重要性。

5 结 论

安德森六级撞击微生物采样器每层捕集效率曲线对应的Da50,应该落在相关的粒径范围才算合格。通过检测5个不同厂家生产的采样器,发现合格率不高,只有1家完全合格,其他家有一到多层的Da50不合格。这是因为目前缺乏相关的产品标准和检测规程规范,厂家前期只关注加工孔径的尺寸准确度和均匀性,而忽略了层间高度、培养皿中琼脂厚度等因素的影响。

理论分析结果表明,Da50与孔径的3/2次方成正比,且各级孔径的均匀性越好、平均值越接近标准值,则该级采样物理效率的Da50与规定粒径范围的吻合度越高,相反则较差。本研究结果可为采样器的结构设计和生产提供了依据,为相关产品标准和检测规程规范的制定提供参考。