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生物气溶胶采样器性能实验室评测技术研究

生物气溶胶采样器性能实验室评测技术研究

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作者：郭建树军事科学院

学位级别：硕士

生物气溶胶在自然环境中扮演着重要的角色。它不仅影响大气环境的物理化学变化,还对人体健康有着潜在的重要影响。对环境生物气溶胶的成分进行准确的检测和分析离不开生物气溶胶的高效采样和富集工具——生物气溶胶采样器。采样器的性... 详细信息

生物气溶胶在自然环境中扮演着重要的角色。它不仅影响大气环境的物理化学变化,还对人体健康有着潜在的重要影响。对环境生物气溶胶的成分进行准确的检测和分析离不开生物气溶胶的高效采样和富集工具——生物气溶胶采样器。采样器的性能优劣直接影响着所获取生物气溶胶信息的准确性,因此对生物气溶胶采样器进行性能评测意义重大。需要依据全面准确的性能评测结果来合理选择采样器型号、科学校准采样数据、以及设计性能更优越的新型生物气溶胶采样器。本研究首先初步评测了一种自研的大流量湿壁气旋式空气粒子采样器的基本性能表现。随后针对性能评测过程中现有实验方法的不足,建立了一套使用固体多分散气溶胶进行生物气溶胶采样器性能快速评测的方法,研制了一种用于生物气溶胶采样器评测的小型风洞——生物气溶胶采样及侦检评测舱,并验证了上述方法和装置的性能表现。最后使用新方法和新装置对比评价了五种生物气溶胶采样器的采样性能。首先,在大流量湿壁气旋式空气粒子采样器的初步评价中,对采样器的物理采样效率、生物采样效率、采样后的消毒效果和现场气溶胶采样的实际表现进行评价。结果表明,湿壁气旋式空气粒子采样器对氯化钠气溶胶的切割粒径约为1μm。对粘质沙雷菌和大肠杆菌噬菌体Phi X174噬菌体的总生物采样效率为（25.47±12.94）%及（16.34±1.67）%,活性生物采样效率为（42.98±6.53）%和（24.24±6.68）%。采集粘质沙雷菌后,过氧化氢消毒清洗能清除大流量湿壁气旋式空气粒子采样器内绝大多数生物成分残留,其中核酸清除率为（99.73±0.04）%,活菌清除率为（99.998±0.001）%。现场采样应用中,大流量湿壁气旋式空气粒子采样器的活性生物气溶胶检出限比AGI-30液体冲击式气溶胶采样器低（42.60±11.60）倍,计算得到的空气微生物浓度比Biostage高（6.67±1.57）倍。大流量湿壁气旋式空气粒子采样器具有较好的气溶胶采样性能表现,适合用于环境中低浓度生物气溶胶的采样。但这些评价方法在稳定性、准确性及评价内容上有较多的提升空间。为优化评测指标,实现更快速、更全面的气溶胶采样器物理采样效率评价,本研究利用亚利桑那测试粉尘建立了一种基于固体多分散气溶胶的采样器物理采样效率评价方法。研究中测试了气溶胶化的亚利桑那测试粉尘分散性、使用激光粒度仪定量多分散固体粒子的准确性、气溶胶评测舱中亚利桑那测试粉尘的稳定性及均匀性及使用多分散固体气溶胶实际评价AGI-30与Bio Sampler气溶胶采样器的性能表现。结果显示气溶胶化后的亚利桑那测试粉尘无聚集,分散性良好。激光粒度仪的粒子定量方法在10%-40%的光学浓度范围内具有良好的精准度和可重复性,误差可控制在10%以内。不同实验程序下气溶胶混匀舱内的粉尘浓度的稳定性及均匀性较好。使用此方法评价的物理采样效率评估的结果与使用单分散气溶胶进行评价的结果具有高度的一致性,证明了使用多分散方法的准确性。此种评测方法能够实现较短的时间内的全面的气溶胶采样器物理采样效率。为提供一个更稳定的气溶胶试验平台,研制了一台层流式生物气溶胶采样及侦检评测舱,对评测舱的风速范围,风速稳定性,气溶胶均匀性进行了评价,同时对实际应用中的评测舱性能进行了评估。试验结果显示,评测舱能够在0.57 m/s-5.47 m/s的风速内稳定运行,在0.57 m/s及2.22 m/s的风速下评测舱评测段具有较好的风速稳定性,12个测试点的最大浓度偏差均小于10%。在0.57 m/s及2.22 m/s的测试风速下多分散磷酸缓冲盐气溶胶均匀性具有较好的均匀性。在0.5–4μm的粒径范围里,9个测试点的最大浓度偏差均小于10%。实际应用中,评测舱0.57m/s的风速下,滤膜采样器在评测舱截面上2个参比采样点采集的亚利桑那测试粉尘在0.6-16.9μm的粒径范围内具有较好的一致性,与均值偏差均小于10%。参比采样点与测试采样点采集的气溶胶在0.6-10.1μm的粒径范围内具有较好的一致性,测试偏差均小于10%。生物气溶胶采样及侦检评测舱具有良好的性能表现,能够用于生物气溶胶采样器的性能评价。最后本研究对比评测了五种生物气溶胶采样设备。应用层流式生物气溶胶采样及侦检评测舱及新建的物理采样效率评价方法评价了采样器的物理采样效率、生物采样效率和长时间采样性能表现。结果显示不同的生物气溶胶采样器的性能存在明显差异。AGI-30气溶胶采样器的粒径采集范围宽,但采样液的蒸发使得其不适用于长时间（大于60 min）的气溶胶采样。Bio Sampler气溶胶采样器对粒径大于6μm粒子具有较低的采样效率,短时间采样的生物采样效率接近AGI-30,虽然在长时间的采样中微生物的生物活性比AGI-30高,但采样液的蒸发特性也使其不适用于长时间的采样。两种湿壁气旋式生物气溶胶采样器,对粒径小于2μm的采样效率较低,生物采样效率也较AGI-30低,但较大的采样流量和自动补液的性质

关键词：生物气溶胶生物气溶胶采样器多分散气溶胶物理采样效率生物采样效率

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