气溶胶液化采样成分分析系统

捷克科学院分析化学研究所(Institute of Analytical Chemistry of the Czech Academy of Sciences)的Mikuska P、Capka L和Vecera Z研制了用于分析细小气溶胶和超细气溶胶的气溶胶采样器，撰文发表在于Analytica Chimica Acta上。　　该文描述了基于原始版本的气溶胶逆流双喷嘴单元(ACTJU)的新型气雾剂采样器。ACTJU收集器与位于ACTJU上游的水基冷凝成长装置(CGU)连接，实现了直径达数纳米的精细和超细气溶胶颗粒的定量收集。 CGU中水蒸汽的凝结使纳米尺寸的颗粒在超微米范围内扩大到更大的尺寸，然后将形成的液滴收集到ACTJU收集器中的水中。　　使用CGU-ACTJU采样器连续采集气溶胶，可以对颗粒成分浓度变化进行时间分辨测量。 CGU-ACTJU采样器与在线检测设备的耦合允许以1s的高时间分辨率(例如，亚硝酸盐或硝酸盐的FIA检测)或1小时(例如，用于无机阴离子的预富集步骤的IC检测)。在最佳条件下(空气流速10L/min，水流速1.5mL/min)，氟化物，氯化物，亚硝酸盐，硝酸盐，硫酸盐和磷酸盐的检测限(包括预浓缩)分别为2.53,6.64,24.2,16.8,0.12和5.03ng/m3，　　引自：Aerosol sampler for analysis of fine and ultrafine aerosols.. Article?in?Analytica Chimica Acta 1020 March 2018　　原文可参阅：　　https://www.researchgate.net/publication/323690546_Aerosol_sampler_for_analysis_of_fine_and_ultrafine_aerosols [accessed Apr 19 2018]　　符斌供稿

16日夜间开始，北京经历今年来持续时间最长、程度最重的雾和霾天气过程。北京南部部分站点空气质量指数爆表，天地间一片昏暗。此时，网络上、朋友圈里各类关于空气质量的言论开始流传，其中人们最为关注的是“这次雾霾里主要是含硫酸铵，̷̷原来伦敦有次硫酸铵超标，有好多人没有防护而死亡”。　　网络流传硫酸铵会致命。　　此次重污染天气过程中，我们呼吸的空气里这到底包含什么物质?和之前的重污染天气相比有何不同?硫酸铵会直接导致死亡吗?为此，中国天气网记者采访了中国气象科学研究院大气成分所副研究员张养梅。　　北京的霾里到底有哪些成分?　　中国气象科学研究院位于北京市海淀区中国气象局大院内，在气科院大楼的楼顶，气溶胶质谱仪一直默默值守，在线采集、分析北京亚微米气溶胶的成分。张养梅介绍道，所谓亚微米气溶胶是指直径在1微米以下的粒子。大家熟悉的PM2.5其实是一个总称，包括空气中直径小于或等于2.5微米的固体颗粒或液滴。研究显示，直径1微米及以下的粒子占PM2.5的60%左右，因此质谱仪采集的数据对于分析大气成分是具有代表性的。　　各类颗粒在采样颗粒中所占比重。绿色代表有机气溶胶，橙色为硫酸盐、蓝色为硝酸盐，粉色为氯化物，浅橙色为铵盐。有机气溶胶所占比重最大，硝酸盐次之。　　16日至20日，北京采样颗粒中有机气溶胶占比最多。　　通过仪器采集数据及分析，12月5日至20日采集到的1微米及以下的粒子，主要包括有机气溶胶、硝酸盐、硫酸盐等构成。有机气溶胶是一个总称概念，具体的组成目前还没有完全研究清楚，大家经常听说的多环芳烃就是有机气溶胶的一种。硫酸盐主要来自燃煤，燃煤排放的二氧化硫发生一系列氧化反应，成为硫酸铵。硝酸盐主要来自燃煤和机动车排放，氯化物的主要来源包括垃圾焚烧、燃煤以及燃放烟花爆竹等。　　16日至20日，北京采样颗粒中有机气溶胶占比最多。　　通过对12月16日至20日对北京的采样颗粒进行分析后，结果显示有机气溶胶是其中占比最大的颗粒，高达45% 硝酸盐颗粒占比24%排第二，主要来自燃煤和机动车排放等 硫酸盐占比15%，主要来自燃煤等 铵盐占比12%，氯化物占比4%。　　北京霾和伦敦烟雾一样吗?有致命成分?　　就在北京空气质量持续恶化之时，网络谣言也开始流传。针对网上流传的硫酸铵会致命，张养梅表示这是不可能的。空气质量好时，空气中也存在有机气溶胶、硫酸盐等颗粒，只是浓度较低、颗粒物较小。霾天气时，仪器不会观测到硫酸铵，观测到的是硫酸、铵两个离子，他们结合成硫酸铵的可能性很大，空气重污染时浓度更高一些。空气中含有硫酸铵并不是政府发布红色预警的必要条件。　　硫酸铵是颗粒物，和二氧化硫气体有明显区别，颗粒物对人体健康的影响程度没有气体迅速。如果空气中二氧化硫气体浓度很高的话，相当于人在“吸毒气”，对人体有致命影响。当年的伦敦烟雾在短短几天内造成数千人死亡，就是因为空气中酸性气体浓度太高。监测显示，12月5日以来，北京硫酸盐的浓度峰值出现在20日，达40-50微克/立方米，远远低于伦敦烟雾事件时的浓度。　　当然，硫酸铵等颗粒物也会影响人体健康。它们会随着呼吸进入人体肺部，引发心脑血管和呼吸道的疾病。另外，北京的空气污染物中，含有一定比例的铵，会和硫酸、硝酸发生中和形成颗粒，和酸性气体相比，颗粒的危害性相对轻一些。　　污染物浓度日间变化明显 夜间高白天低　　分析还表明，空气中各种污染物的浓度整体呈现白天低、夜间高的变化规律。分析时，将12月5日至20日每天同一时次颗粒浓度做分类平均统计，显示颗粒物夜间浓度明显偏高，白天下降明显。　　各类颗粒的浓度白天下降明显，夜间明显上升。　　张养梅表示，浓度变化主要受排放量和气象条件两个因素影响。在排放量相同的情况下，从气象条件来说，夜间湿度增大，可以吸附更多污染物。同时，冬季夜间气温较低，大气边界层下压。在气体容量不变的情况下，体积变小，空气污染物浓度升高。白天，大气边界层抬升，体积增大，污染物浓度降低。　　和2008年相比硫酸盐浓度下降　　总体来说，和之前相比，北京空气中的颗粒种类的浓度分布排位没有太大变化，有机气溶胶的浓度一直是最大。但是分析显示，今年12月和2008年1月相比，硫酸盐在不同颗粒物比重的排位下降。　　从图中可见，今年12月5日至20日，硝酸盐(蓝色)在颗粒物组成中浓度上升，基本都排在第二位，硫酸盐下降排在第三位 而2008年1月5日至2月2日，硫酸盐浓度排第二位，硝酸盐排第三位。张养梅表示，这一数据的变化也可以说明，政府对二氧化硫排放的监管和控制，比如煤改气措施、工厂加装脱硫设备等发挥了作用。硝酸盐浓度的上升，则与燃煤、机动车排放增加有一定关系。　　北京的雾霾将在明天减弱消散，但在近几年中，霾仍将在秋冬季反复出现。张养梅提醒大家，虽然霾天气对人体的危害没有那么“激烈”，但仍需防护，尽量减少在户外活动的时间，外出时戴口罩。在室内时，也可启动空气净化器等设备，营造相对安全的空气环境。

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。