主动与被动空气采样技术

2025-03-21 技术资讯

近年来，空气采样技术最重要的发展之一是被动采样器的演变。该技术于 1973 年由研究人员 Palmes 和 Gunnison 首次引入健康和安全行业。随着该技术的应用多年来持续不断的发展和变化，市场上可用的被动采样器的数量和类型也持续不断的增加。被动采样器现在是空气采样设备库中的关键组成部分。

主动采样涉及使用空气采样泵主动将空气抽过过滤器等收集装置。然而，被动采样不需要泵主动移动空气。空气中的气体和蒸汽通过物理过程收集，例如通过静态空气层扩散或通过膜渗透。卫生和安全专业人使用的大多数被动采样器都采用扩散原理；因此，它们被叫做扩散采样器。

主动和被动系统各有优势，例如尺寸和重量，从而为工人带来便利并降低初始成本。然而，影响可靠性的两个重要的因素（稍后讨论）非常重要。

总体而言，主动采样与风速基本无关；然而，扩散采样器在空气流动最小或极端的大风条件下根本没办法正常工作。大多数气体和蒸汽的主动采样是在具有备用部分的吸附剂管上进行的；这使得可以依据某些定义的指导方针进行质量和可靠性检查，并实现非常可靠的量化。大多数扩散采样器没有并且没办法做到这一点。

扩散采样器的工作原理是污染物分子沿浓度梯度移动。简单来说，空气中的污染物从工作场所环境中浓度较高的区域扩散到收集装置中浓度较低（或为零）的区域。Fick菲克是一位先驱研究人员，他因定义化学物质扩散的速率而受到赞誉。Fick菲克第一扩散定律由以下公式表示:

请注意：扩散系数 (D) 特定于所采样的污染物。每种污染物都有自己的扩散系数，由其独特的化学和物理特性决定。参数 (A/L) 特定于采样设备，并由采样器的几何形状决定。D X (A/L) 的乘积是扩散采样器对特定化合物的理论采样或吸收率。

近年来，已有许多举措在测试实验室中通过实验验证采样或吸收率，并验证采样器在不同环境条件下的性能。这可以更可靠地评估采样设备的整体准确性和精确度。具有记录验证研究的采样器应用于合规或合法应用。

目前市场上有两大类被动采样器，它们采用扩散原理：(a) 需要实验室分析的采样器和 (b) 直读设备。直读被动采样器通常基于比色技术。色带的长度或颜色变化的强度可在刻度上读取或与图表作比较，以确定浓度水平。

被动式比色管是直读式被动采样器的一个很好的例子。这些管子只需插入支架并夹在工人的翻领上即可。目标化合物扩散到管子的开口端，与试剂结合并产生颜色变化，该变化以百万分之一小时 (ppm-hrs) 为单位从管刻度上读取。用户只需将读数除以采样的小时数即可确定 ppm 暴露量。

需要实验室分析的被动采样器通常使用固体吸附材料或经过化学处理的纸来收集空气中的污染物。经验证后，这一些方法可以与主动采样方法一样可靠。

如今，含有固体吸附剂的被动采样器被大范围的使用在工作场所采样。最流行的采样器含有木炭吸附剂，用于收集苯、甲苯和二甲苯等有机蒸气。采样后，分析实验室可以去除固体吸附剂，提取收集的污染物并通过气相色谱做多元化的分析。目前正在研究使用含有固体吸附剂的被动采样器在室内空气质量和环境空气研究中进行低浓度测定。对这些应用，采样和分析方法必须允许测量十亿分之一以下 (sub-ppb) 的水平。

在被动采样器中，使用经过化学处理的滤纸是一种日益流行的趋势。在这些采样器中，滤纸只是作为化学试剂的基质。目标化合物扩散到经过处理的滤纸上，与化学试剂结合，产生稳定的化合物以供后续分析。基于此操作原理的被动采样器通常用于未处理吸附剂无法有效捕获的化学物质。例如，2004 年 ISO 16000-4 标准规定了一种被动采样器，它包含用 2,4-二硝基苯肼 (2,4-DNPH) 处理的过滤材料，用于收集甲醛蒸气。

热解吸的工作原理是将吸附剂置于高温下，从而将污染物从吸附剂上分离出来。由于污染物不会被解吸溶剂稀释，因此能将收集到的全部污染物直接引入分析仪器（而不是溶液的一小部分）。

因此，热解吸可用于测量非常低的空气浓度，通常为十亿分之一以下。事实上，EPA 方法TO-17中规定热解吸用于测量用吸附管收集的室内和环境空气中的低浓度挥发性有机化合物。

目前，大多数已发表的热解吸方法都是针对用吸附管采集的样品。毫无疑问，未来在使用扩散吸附采样器采集样品后，热解吸技术的应用将会增加。

SKC推出新款Ultra徽章采样器现在提供被动采样器的便利性和热解吸灵敏度。它旨在随时间对ppb和ppt级VOC进行有人值守或无人值守的短期和长期采样。该产品很适合蒸汽入侵研究，其中埋藏的废物中的挥发性化学物质会散发蒸汽，这些蒸汽可能会通过地下迁移到上层建筑物的空气空间中。在大多数情况下，这些“室内化学浓度”很低，但在大多数情况下要进行测量。

被动采样器对于用户来说是一个格外的简单的选择，对于佩戴者来说是一种不显眼的设备。然而，在选择被动采样器用于合规或法律应用时应谨慎行事。被动采样器的性能会受到许多外因的影响。停滞的空气（即表面速度小于22 ml/min）会明显降低被动采样器的采样率。或者，高空气速度可能会干扰不包含风障的采样器的正常扩散。目标化合物或干扰化合物的浓度非常高和/或高湿度也可能限制采样器吸附或保留污染物以供后续分析的能力。逆扩散也可能是一个因素，一些化学物质会扩散到吸附剂上，但不能充分保留。这在瞬时峰值暴露区域可能是一个问题。

使用被动采样器时，采样时间也是一个重要的考虑因素。用户应严格遵循供应商对最小和最大采样时间的建议。这些指导原则将有利于确保采样时间足以收集足够的污染物以供实验室检测，而不会使采样器过载。

被动采样器经过制造商、OSHA职业安全与健康管理局或外部实验室的测试和评估，并按照操作指南使用，是一种可靠的采样工具。这些设备的整体采样和分析误差与主动采样方法相当。

被动采样器已针对指定化合物进行了验证，是一种可靠、经济高效且简单的评估 8 小时暴露水平的方法。它们省去了泵和相关配件的费用和培训、校准和维护的时间。

OSHA认证的被动采样方法通常规定最短采样时间为 5分钟。这允许使用被动采样器来评估指定化合物的短期暴露限值 (STELs)。

一些被动采样器经过评估，发现可用于室内空气采样。由于该环境中的污染物水平较低，最短采样时间为24小时。如果采样器悬挂在某个区域，用户应确保有足够的空气流动，以避免采样器缺气（如上所述）。

EN 838：工作场所大气 - 用于测定气体和蒸汽的扩散采样器 - 要求和测试方法。

EN 1232：工作场所大气 - 化学剂个人采样泵 - 要求和测试方法。

EN 1076：工作场所大气 – 用于测定气体和蒸汽的泵吸吸附管 – 要求和测试方法。

EN 13528 – 1/2：环境空气质量 – 用于测定气体和蒸汽浓度的扩散采样器。