气溶胶控制器

成果名称气溶胶进气干燥系统研制单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度□研发阶段 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：气溶胶对人类的影响大致有以下三个方面：（1）影响大气能见度；（2）通过吸收和散射太阳辐射直接或通过云物理和降水过程间接影响全球气候；（3）具有负面的健康效应。因此，对气溶胶物理化学特性的监测已经必不可少。由于大气中气溶胶含有一定量的水分，但是很多气溶胶监测仪器所测的是干气溶胶，因此在气溶胶样品进入仪器前，需要对其进行除湿。传统的除湿方法对人力物力的耗费较大，因此开发新的气溶胶进气干燥系统十分必要。目前，气溶胶进气干燥系统仅有德国对流层研究所进行过研发，并且没有商品化，国内在该方面的研发仍处于起步阶段。因此，填补该空白、自主创新开发国内自己的气溶胶进气干燥系统成为一个必然的趋势。2009年，环境学院胡敏教授申请的&ldquo 气溶胶进气干燥系统研制&rdquo 项目得到了第一期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。该项目的目标是研制一种所有气溶胶仪器共用的进样口，并对气溶胶样品进行干燥。在基金的支持下，通过相关实验部件的购置和机械材料的加工，课题组的工作得以顺利开展。主要工作包括：（1）优化系统结构布局，完成气溶胶进气干燥系统的硬件搭建；（2）基于Labview开发环境，实现系统的软件开发与调试；（3）优化该系统的工艺设计，解决复杂系统软硬件之间兼容性问题。通过以上实质性工作，课题组攻克了硬件机械设计和加工、软件控制和交互等关键技术问题，保证了项目的顺利完成。应用前景：目前，该系统已经能够在确保系统干燥效率的前提下，长期、正常、稳定、高效的运行，未来将在各个环境监测站、气象部门、高校和科研院所的固定监测站点进行推广和应用。

新冠病毒确认可通过气溶胶传播2019年末以来，新冠病毒的爆发性疫情对世界范围产生了巨大影响。该病毒也从最早的原始毒株不断变异，其主流毒株的传染性也逐渐增强。经过广泛的科学论证，普遍认为目前世界范围内流行的奥密克戎毒株既可以通过常见的飞沫、黏膜接触等传播，也可以通过气溶胶形式进行传播。2020年10月20日，世界卫生组织（WHO）认定气溶胶可以传播新冠病毒，在接下来的六个月里，通过官方文件确认了气溶胶可以携带病毒，并留在空气中。在我国2022年颁布的《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第九版）》中，也明确说明了传播途径包括“在相对封闭的环境中经气溶胶传播”。 01生物气溶胶什么是气溶胶？气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统。其中，包含生物性物质的气溶胶，例如病毒、细菌、真菌、花粉、过敏原、立克次体、衣原体、动植物源性蛋白、各种菌类毒素和它们的碎片和分泌物等，被称作生物气溶胶。生物气溶胶主要来源于土壤、植被、水体等源排放和动物（包含人类）、医院、养殖场、垃圾填埋场、污水处理厂等源排放。生物气溶胶在传染病、公共卫生、大气环境、食品安全、生态环境、气候变化、生物反恐、疾病检测以及环境与健康等方面均有重要影响。生物气溶胶颗粒形成后，便可在较长时间内悬浮于空气之中并且保持感染活性，因此可持续产生感染风险。 根据科学研究，新冠病毒的粒径约为0.1μm，而新冠病毒也可能附着于其他气溶胶颗粒上，常见的生物气溶胶颗粒的直径范围在0.01~10μm之间，因此粒径范围在0.1-10μm之间的生物气溶胶均可能含有新冠病毒。而对于生物气溶胶的检测也构成了对流行病学调查、风险评估等工作的重要组成部分。不同于污染区域的表面采样或者对人筛查使用的鼻咽拭子采样，要实现对漂浮在空气中看不到摸不着的生物气溶胶进行检测，必须首先经过特殊的生物气溶胶采样器对生物气溶胶进行富集。 新型冠状病毒（图源：新型冠状病毒国家科技资源服务系统） 02捕获生物气溶胶 生物气溶胶是传播病毒细菌的方式，要如何对它进行捕获并进一步检测它呢？生物气溶胶采样器可以实现。生物气溶胶在空气中看不到、摸不着、闻不到，几乎无影无踪，在空气中直接对生物气溶胶进行详细生化指标测试极为困难，因此在很长一段时间内，人们对于空气中的生物气溶胶的性质知之甚少。为了研究空气中的生物气溶胶，就需要开发气溶胶采集器，通过物理方法将空气中微生物富集到采样载体上，以便于我们对空气环境中浓度低、颗粒小的微生物进行充分的分析研究。对于生物病原体的采集，要求采样器具有高效的采样效率、合理的粒径采集区间、优秀的工作稳定性与可靠性，且需要能够充分保持被采样物质的生物学特征，例如活性、核酸片段等信息，以用于后续细胞生物学和分子生物学方法的进一步研究。 03新冠病毒的气溶胶采样 疫情以来，大家对于核酸PCR检测已经再熟悉不过了，通过核酸PCR检测，能够发现人体中是否存在新冠病毒。对于人体新冠病毒的检测，通过咽拭子采样，其有严格的标准采样动作要求。同样，对空气中新冠病毒检测采样也有着严格的要求。 ①便于核酸PCR检测。对于空气中的细菌和真菌分析多采用传统的营养基培养计数法，但由于新冠病毒必须在生物体细胞内进行繁殖，不能在营养基上直接培养，因此针对新冠病毒筛查的气溶胶富集采样方法不应使用传统方法。核酸PCR检测是针对病毒含有的核酸进行检测分析，不需要培养病毒，并且具有非常高的灵敏度，因此适用于新冠病毒的检测。②采样方法不破坏病毒核酸。由于PCR检测的是新冠病毒的RNA核酸，因此采样方法应不破坏生物的分子结构和生物活性。③采样后样品体积小。PCR检测方法对于样品量体积需求低，往往只有200μL，为了更灵敏地检出可能存在的新冠病毒，气溶胶采集器的采样载体应尽可能做到体积小、采集效率高，液体采样基的采样后体积或者用于在洗脱固体采样基后得到的洗脱液体积宜小于1mL。④对于小直径气溶胶颗粒采样效率高，采样颗粒直径覆盖范围广。根据前文论述，粒径范围在0.1-10μm之间的气溶胶均可能含有新冠病毒，因此针对新冠病毒的气溶胶采样器应有效采集以上粒径范围的生物气溶胶。⑤采样流量大、可连续采样时间长。新冠病毒在空气中处于气溶胶状态时浓度往往较低。为了进一步提高生物气溶胶检测的灵敏度与覆盖范围，提高采样的时效性与可靠性，具有大流量采样能力和长时间采样可靠性的采样器，更适合实际应用场景的使用。⑥具有生物安全性设计。新冠病毒具有非常强的感染能力，对环境的采样载体应具有良好的生物安全性设计，采样之后采样载体能够充分密封保存，采样设备便于灭活洗消和更换耗材与一次性部件，避免采样载体或者误操作等因素造成对操作人员的潜在危险。⑦环境适应性好。我国由于地跨多个地理纬度，各地大气、温度环境各不相同。作为环境采样装置，应具有较好的温度、湿度、气压适应能力，尤其可以在低于零度的环境中使用，使用固体采样基的采集器在这方面具有优势。⑧结构简单，使用方便，采样载体易于保存。对于实际应用场景的采样，往往需要由一线防疫人员经过简单的训练即可正确操作使用，因此可靠、简单的结构搭配易于保存的固体采样载体更有利于生物气溶胶检测的广泛使用。 04不同类型的采样器及特点自然界中含有大量微生物气溶胶，其中粒径为0.1~10.0μm的微生物气溶胶与人类健康关系密切。空气中针对不同应用场景、不同目标微生物的气溶胶的采样方法种类繁多。根据采样原理的不同，国标GB/T 38517-2020中罗列出了多种常见的生物气溶胶采样器类型，主要分为撞击式采样器、冲击式采样器、过滤式采样器、离心式采样器、静电吸附采样器、自然沉降采样器等，以及基于这些原理的大流量采样器。 撞击式采样器撞击式采样器是一种利用惯性作用，通过喷嘴、喷口或裂隙的加速作用把生物气溶胶粒子采集到固体介质表面的气溶胶采样装置。撞击式采样器通常分为筛孔式和狭缝式，主要区别为气溶胶通过的喷嘴、喷口或裂隙形状不同，不同形状对应的采样流量也不同。安德森采样器是最常见的筛孔式采样器，使用层叠的带有不同孔径的筛孔收集不同粒径范围的气溶胶颗粒，工作流量一般为28.3L/min。作为一种可靠的空气微生物采样器，国际微生物会议和美国政府工业卫生学家协会推荐为标准空气微生物采样器，也是应用最广泛的空气微生物采样器。其通过直接将空气浮游菌采集到营养琼脂平皿上，采样后可直接进行培养，对在培养基上形成的菌落数进行计数即可以反推出采样时的浮游菌数量。但是这种采样器不能长时间工作，否则气流的冲击会造成营养琼脂平皿的过度失水。安德森采样器适用于对于医院、超净间、公共场所、制药车间等场所的浮游菌检测和相关科学研究。由于病毒必须在细胞内繁殖，使用琼脂平皿的安德森采样器不能有效地培养出病毒斑迹，同时为了适配比浮游菌颗粒更小的病毒气溶胶颗粒，对于包括新冠病毒在内的病毒采样往往使用经过特殊空气动力学设计、具有更大流量、采集颗粒能力更强的狭缝式撞击式采样器。撞击式采样原理图冲击式采样器冲击式采样器是一种利用气流对液体的冲击、清洗或雾化等原理，能够使具有足够大惯性的生物气溶胶粒子撞击液体并进入液体介质中的气溶胶采样装置。通常可以分为全玻璃液体冲击式采样器、气旋冲击式采样器等。这类采样器的最大特点是可将空气中的微生物直接富集到液体中，方便后续的试验分析，经常用于野外环境的采样和现场快速检测。但其采样流量小，多适用于高浓度的生物气溶胶采样，且采样液体积有限，随着采样的进行，液体会挥发，不能用于长时间、大流量的冲击采样。 冲击式采样器原理图过滤式采样器过滤式采样器又叫滤膜式采样器，是一种当生物气溶胶粒子通过各种滤材时，由于滤材小孔对粒子的阻留或／和滤材对粒子的静电吸引阻留作用，将粒子捕获在滤材上的采样装置。过滤采样被认为是最简单且有效的采样方式，其结构相对简单，通常由采样滤膜载体和气泵组成，可根据使用的需求，灵活调整采样流量。此类采样器具有采样效率高、流量可调节范围广、操作简单等特点，但受滤膜材质的影响，过滤式采样器采样效率在长时间工作后可靠性会下降，不适宜用于超过30min的长时间采样。 离心式采样器离心式采样器是一种让气体以高速旋转所产生的离心力将生物气溶胶粒子与气流分开并撞击到固体介质表面上或富集到液体介质里的采样装置。此类采样器也称之为气旋式采样器，多采用液体为采样介质，因其结构的差异又有湿壁气旋式和干壁气旋式之分。湿壁气旋采样器采样过程中，生物气溶胶颗粒接触湿的采样管内壁，进而进入采样液中。此种采样器的特点是采样效率高，采完后的液体样品可以直接用于后续试验分析，但也受到采样液易挥发、采样过程不稳定及易污染等缺点的限制。干壁气旋采样器采用旋风分离的方法，将生物气溶胶样品撞击进入采样液中，其能在一定程度上减少采样液挥发等问题，但对于0.5μm 以下粒子（例如病毒） 的采样效率往往较低。离心式采样器常用于环境中细菌、真菌、孢子等生物颗粒的采集与后续分析工作。 旋风分离技术原理静电吸附采样器：静电吸附采样器是一种使用多种方法使生物气溶胶粒子带上电荷，在电场的作用下通过静电吸附收集生物气溶胶粒子的采样装置。目前常用的带电方式是电极高压放电，但是该方法有可能造成生物体活性降低和结构破坏。静电富集采样往往被集成于长期连续工作的纸带式收集与监测系统之中。 自然沉降采样器自然沉降采样器是一种利用生物气溶胶粒子在重力作用自然下沉降到采样面（即微生物营养琼脂平皿表面）的采样器。其特点是等待菌体自行沉降，所需采样时间较长，采样效率低，且不能采集到长期漂浮在环境中的浮游菌。但是这种方法所需仪器设备少，可在部分场景下替代安德森采样器，常用于洁净间、医院等场所的辅助例行检查。类似于安德森采样器，其采用的培养基也不能用于培养病毒。 自然沉降采样 针对不同种类采样器的工作原理和特点，结合对新冠病毒采样的要求，下表对各类采样器对新冠病毒气溶胶采样的适用性进行了比较。 狭缝式撞击采样器安德森采样器冲击式采样器过滤式采样器离心式采样器静电吸附采样器自然沉降采样器采样后便于核酸PCR检测√❌√√√√❌不破坏病毒核酸√√√❌√❌√采样样品体积小√❌❌❌❌√❌采样效率高，采集粒径覆盖广√√√√❌√❌采样流量大√❌❌√√√❌可长时间连续稳定采样√❌❌❌❌❌√生物安全性设计√❌❌√√√❌环境适应性好√√❌√❌√√结构简单，使用方便，采样载体易于保存√√❌√❌√√综合对含有新冠病毒气溶胶的采样需求，狭缝式撞击式采样原理的采样器具有最好的适应性。 本节相关技术原理图片部分来自文献《Methods for Sampling of Airborne Viruses》，MICROBIOLOGY AND MOLECULAR BIOLOGY REVIEWS, Sept. 2008, p. 413–444 05 BC500生物气溶胶采样器 BC500生物气溶胶采样器是基于狭缝式撞击式采样原理进行设计开发的一款高效、便携、全天候的大流量生物气溶胶采样器。该设备配备生物性气溶胶采样载体及洗脱液，可以满足以上对生物气溶胶颗粒采样的多方面要求，适用于如细菌、病毒、真菌、芽孢等生物气溶胶颗粒的富集采样。该设备可以单独使用，也可与生物气溶胶报警器联合使用，实现监控、报警、采样一体化操作，满足多种生物气溶胶采样的要求。其特点包括： l参考最新国标设计：《GB/T 39990-2021 颗粒 生物气溶胶采样器 技术条件》；l设备联动采样：可以和生物气溶胶报警器联用，在生物气溶胶报警器报警同时，触发启动生物气溶胶采样器自动实施；l采样效率高：对于小粒径气溶胶颗粒采样效率高；l环境适应性好：采样性能不受环境温湿度变化影响；l生物安全性高：采集后可保持密封状态，设备整体便于洗消；l人机工程设计：生物气溶胶采样载体便于安装，设备可单手携带、一键操作、移动采样；l运输方便：标配携行箱，适应铁路、水运、公路、空运等运输方式。

气溶胶是悬浮在大气中的固态或者液态的颗粒物，极大地影响气候变化、人体健康和大气化学反应过程。不同于伦敦雾和洛杉矶光化学烟雾污染，我国雾霾污染是复合型霾化学机制，存在成分复杂、机制不清状况，需要建立精确的测量方法，获得气溶胶的重要物理化学参数。面对气溶胶对太阳能辐射平衡的不确定性、雾霾关键理化参数的缺失，在迫切期待获得气溶胶的浓度、折射率、吸湿性、挥发性、反应性的数据时，气溶胶光镊应运而生。经过二十多年的发展，气溶胶光镊测量技术，完成了从实验室萌生，到光学技术平台的构建、测量方法的建立等一系列过程，英国目前已经推出了第一代气溶胶光镊仪器（2016，AOT100）。光学镊子简称光镊，顾名思义，它是利用激光作为操作手段，能够像镊子一样对微观物体进行抓取、捕获、操纵。2018年，阿什金教授在光镊技术领域的开创性贡献获得诺贝尔物理学奖。图1 光镊-受激拉曼光谱装置示意图气溶胶光镊如图1所示，以532nm激光作为光源，激光经过100倍油镜（1.25数值孔径），形成光阱能够稳定捕获悬浮单液滴，球形液滴作为一个光学共振腔能够产生很强的受激拉曼信号，即耳语回音模式（WGM），水的OH伸缩振动自发拉曼峰出现在620-660 nm，在水的自发拉曼峰上，会出现4-8组尖锐的受激拉曼共振峰，采用米氏散射模型对受激拉曼信号进行拟合，就能够精确给出悬浮液滴的半径和折射率，具有极高的精度。可以说，气溶胶光镊技术是当前大气气溶胶的物理化学参数最精确的测量技术，它的独特性和精准性，体现在以下几个方面：（1）激光悬浮单个微米尺度的液滴，能稳定悬浮几天的时间，特别适合气溶胶各种老化过程和反应过程的长时间检测；（2）受激拉曼的测量可以提供悬浮液滴半径、折射率、浓度的精准信息，半径的精度可以超过1nm、折射率可达± 2×10-4、浓度的精度可以达到千分之一水平半径（5微米的液滴）。目前，本课题组采用自行搭建的光镊-受激拉曼光谱装置开展了以下几个方面的研究：（1）半挥发性有机物（SVOC）的饱和蒸气压测量，测量范围在10-2到10-7pa；（2）气溶胶液滴中的相分离过程分析；（3）高粘态气溶胶非平衡态动力学传质；（4）痕量气体与液滴反应动力学速率常数测量，能判断痕量气体与悬浮液滴之间的反应，是表面反应还是体相反应。（光镊技术在气溶胶物理化学表征中的应用，中国光学，doi: 10．3788 /CO.20171005.0641 ）特别是，我国雾霾事件中二次硫酸盐生成速度严重被低估，不清楚低二氧化硫排放条件下，为什么还有大量硫酸铵形成。作为一个突出案例，我们通过光镊受激拉曼的测量发现，气溶胶的气液界面加快了过渡金属离子催化SO2氧化过程，痕量的Fe（III）和Mn（II）可以使转化速率提升1000倍。对各种条件如液滴的pH、反应场所、离子强度、氧化剂种类、温度、化学组成是如何影响转化速率的，光镊受激拉曼技术都可以给出明确的分析。（Directly measuring Fe(III)-catalyzed SO2 oxidation rate in single optically levitated droplets，RSC Environ. Sci: Atmos. 2023，https://doi.org/ 10.1039/d2ea00125j ）。另外一个案例，我们利用受激拉曼光谱的高精度，确定了氧化过程到底是发生在表面，还是液滴内部。我们观测了SO2与悬浮硫酸铵单液滴的自氧化反应过程，实现了单液滴中反应引起的纳米级尺寸变化的精确测量，进而给出了反应的动力学参数。通过精确控制环境相对湿度（RH）、反应气体（SO2、NH3）浓度，我们考察了液滴pH（~3.5-~5.5）、离子强度（最高~40 mol/kg）对SO2自氧化过程的影响。在RH、反应物浓度恒定条件下，反应速率在不同的pH区域内表现出不同的变化趋势：pH 4.5时，速率随pH的增大而增大，即与[H+]-1成正比；pH 4.5是反应速率维持恒定，不受pH的影响。据此我们推断在两个pH范围内，SO2自氧化通过不同的机制进行，前者为体相反应过程，后者为表面反应过程。为进一步验证此推断，我们进一步考察了体相、表面条件下，液滴反应过程中半径变化率（dr/dt）与液滴半径（r）的依变关系。结果表明：对于体相条件（pH = 5.04），反应过程中液滴的dr/dt随着液滴半径的增大而增大；而对于界面条件（pH = 3.83），不同半径液滴的dr/dt为常数。由此证明了在这两种条件下，SO2的自氧化过程确实是存在着体相、界面两种反应机制。上述发现不仅为深入认识大气溶胶诸如硫酸盐生成之类的气粒转化问题提供了新的理论视角，也再次证明光镊-受激拉曼光谱技术是研究气溶胶物理化学过程的一个优异手段。（Rapid sulfate formation via uncatalyzed autoxidation of sulfur dioxide in aerosol microdroplets. Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 7637-7646） 气溶胶光镊测量液滴的质量在纳克级，液滴的半径精度优于1nm，折射率精度在10-4量级，该仪器在气溶胶计量科学中前景无量。北京理工大学环境分子科学分子光谱实验室，自2008年开始搭建气溶胶光镊受激拉曼光谱仪器，经过十多年的积累，在仪器的测量精度、重现性、稳定性方面都取得很大进展，已经搭建3套光镊仪器，应用于科学研究，培养了一批高水平人才队伍，2022年获得国家自然科学基金重大仪器项目资助，在高端仪器国产化方面进行孵化，力图形成具有自主知识产权的光学仪器。（作者：北京理工大学化学与化工学院 陈哲 曹雪 刘雨昕 刘湃 黄启燊 张韫宏 ）北京理工大学分子光谱实验室简介：北京理工大学分子光谱实验室成立于2003年，隶属于北京理工大学化学与化工学院化学物理研究所。实验室拥有Renishaw共聚焦拉曼光谱仪、Nicolet红外光谱仪、VERTEX 80V真空红外光谱仪、Nicolet iN10显微红外光谱仪、Tweez250si多光阱光镊系统、比表面仪、高速摄像仪等多种先进仪器设备，自主搭建了3台气溶胶光镊受激拉曼仪器。实验室在张韫宏教授带领下，科研队伍逐年壮大。现已经拥有博士生导师2名，副教授1名，预聘助理教授2名，博士后、在读博士、硕士研究生十余名。主要围绕大气物理化学，开展颗粒物形成机制研究。