0 引言

大气中的生物气溶胶可引发人类的急慢性疾病及动植物疾病，目前各国十分重视大气生物气溶胶实时探测技术与仪器开发等研究^[1-4]。活性生物粒子特有的发光物质--辅酶Ⅱ和核黄素在320~385 nm紫外光照射下，会在420~580 nm波段内激发出较强的本征荧光峰^[5-6]。根据这一荧光特性，利用光学方法对生物气溶胶进行检测具有快速、灵敏、可在线检测等优点^[7-9]，近年来得到了快速发展。

本文设计1套生物气溶胶荧光激发检测装置，利用365 nm波长的紫外光源照射样品，对激发出的本征荧光进行检测。分2种情况对该装置的检测下限和报警响应时间2个关键指标进行实验测定：一是以纯度99.99%的合成空气为本底进行测定；二是以实际空气环境为本底进行测定。

1 材料与方法 1.1 生物气溶胶荧光激发检测装置

设计的生物气溶胶荧光激发检测装置，由365 nm紫外光源（含光源滤光片）、滤纸（富集生物气溶胶）、透镜、荧光滤光片、光电倍增管、进气管路等器件组成，如图 1所示。紫外光源发出的紫外光照射在富集有1~10 μm粒径生物气溶胶样品的滤纸上，激发出的荧光经透镜聚光、滤光片滤光后进入光电倍增管，将荧光信号转换为电信号。

1.2 实验方案与步骤

结合文献[10]附录B，设计如图 2所示的实验方案并搭建实验平台，先以纯度99.99%的合成空气为本底进行指标测定。其中，TSI-3330型光学颗粒物粒径谱仪用作精密粒子计数器。

图 2中，“纯净空气→减压阀→流量计”气路用于提供纯净空气，流量约为16.7 L/min且可调，保证缓冲瓶内为正压；“空压机→空气净化器→气溶胶发生器”气路用于产生模拟气溶胶，气溶胶发生器中核黄素溶液质量浓度为0.02%。2路气体进入缓冲瓶底部，被混合、稀释成稳定的气溶胶，然后分3路排出：第1路进入生物气溶胶荧光激发检测装置（吸入流量约16.7 L/min），进行检测下限和响应时间等指标的测试；第2路进入TSI-3330型光学颗粒物粒径谱仪（吸入流量约1 L/min），完成生物气溶胶粒子计数（浓度标定）；第3路为多余的气溶胶，排到室外。

合成空气不再进行测试。先测试“空压机-空气净化器”气路的气体本底和核黄素气溶胶粒径分布情况，再测定生物气溶胶荧光激发检测装置的检测灵敏度和响应时间。具体步骤如下：

1）开启合成空气钢瓶的减压阀、流量计、空压机、粒径光谱仪，切断缓冲瓶与生物气溶胶荧光激发检测装置的气路；

2）调节合成空气钢瓶的减压阀，利用TSI-4040型质量流量计实时观测该气路流量，并保持在16.7 L/min；

3）开启空压机，调节空气净化器输出端减压阀，不断降低缓冲瓶中核黄素气溶胶粒子的浓度，直至1 000个/L（空气）以下，具体浓度值由TSI-3330型光学颗粒物粒径谱仪测得；

4）开启生物气溶胶荧光激发检测装置，测量环境荧光本底值；

5）上述设备运转5 min之后，待光学颗粒物粒径谱仪读数相对稳定之后，接通缓冲瓶与生物气溶胶荧光激发检测装置的气路，并开始计时；

6）观察生物气溶胶荧光激发检测装置荧光值变化情况，如有报警记录报警时间；

7）调节缓冲瓶中核黄素气溶胶粒子浓度，重复上述步骤，记录不同浓度下的报警时间。

1.3 实验材料与仪器

所用实验材料及仪器清单如下：

1）纯净空气：钢瓶内灌装20%的O₂和80%的N₂（纯度99.99%），北京市亚南气体科技有限公司；

2）生物气溶胶模拟剂：核黄素+蒸馏水，质量浓度0.02%（0.2 mg/g）；

3）YQD-6型减压阀，上海天川仪表厂；

4）OTS-550型无油空气压缩机，台州市奥突斯工贸有限公司；

5）空气净化器：压缩空气过滤系统（8002N-1A1-BX型滤芯），科艺仪器；

6）气溶胶发生器：BGI, INC. WALTHAM MA., USA；

7）质量流量计：TSI-4040型，美国TSI公司；

8）光学颗粒物粒径谱仪：TSI-3330型，美国TSI公司；

9）缓冲瓶：球形，30 L，定制，北京东兴泽商贸有限公司。

2 实验结果及分析 2.1 空气净化器本底测试

利用TSI-3330型光学颗粒物粒径谱仪测试“空压机-空气净化器”气路的粒子计数情况，在0.3~10 μm之间基本测不到数据。多次测量结果表明，该气路净化效果较好（计数 < 0.02个/cm³），可为气溶胶发生器提供洁净空气。图 3为其中1次测量结果。

2.2 核黄素气溶胶粒径分布测试

每次测量时间1 min，测量5次，记录5次测量的粒径分布（见图 4）。可以看出，由气溶胶发生器产生的核黄素气溶胶的粒径基本分布在1.5 μm以上。根据TSI3330型光学颗粒物粒径谱仪的计数结果统计，粒径 > 1 μm粒子分别占该次测量粒子总计数的98.13%，97.34%，96.04%，94.65%和93.51%。对于粒径 < 0.3 μm的粒子，认为可自由穿过滤纸（平均孔径1 μm）而不被采集。实验过程中，设置TSI-3330型光学颗粒物粒径谱仪的通道数为11通道，仪器自动给出的粒子总计数（粒径 > 0.3 μm粒子总数）记为N_t；第1通道记录粒径0.3~1 μm的粒子总数（ < 0.3 μm粒子计数仪器不予记录），记为N₁；第2~11通道分别记录1~10 μm粒子数的分布，总计数记为N₂。那么对于粒径 > 1 μm的生物气溶胶粒子总数N₂=N_t-N₁。

2.3 检测灵敏度和响应时间测定

生物气溶胶荧光激发检测装置采用“动态阈值”报警算法，即不断计算当前荧光值前面3 min内的平均荧光值，并以该平均值的1.25倍为报警阈值，见图 5。调节纯净空气气路（ > 16.7 L/min）和核黄素气溶胶气路的流量，获得不同浓度的核黄素气溶胶粒子，待浓度稳定后从接通缓冲瓶和生物气溶胶荧光激发检测装置时刻开始计时，记录报警响应时间（见表 1）。

由表 1可见，该装置对“1 000个生物气溶胶粒子/L（空气）”浓度水平的生物气溶胶粒子可以正常响应，且报警时间在1 min以内。

2.4 空气中报警响应时间的测定

为测定生物气溶胶荧光激发检测装置的检测下限，表 1对纯净空气中不同浓度气溶胶粒子进行了报警响应时间测量。为检验以真实空气为本底时该设备的检测能力，将图 2中第3路排气管路封住，并调节核黄素气溶胶粒子浓度至1 000个/L以下，TSI-3330型光学颗粒物粒径谱仪中粒子浓度稳定在790个/L左右时，于09:27:13时将缓冲瓶的第1路排气管对准生物气溶胶荧光激发检测装置进气口，喷发气溶胶粒子（其浓度被外部空气进一步稀释），荧光值从460开始缓慢增长，至09:27:30时出现拐点并开始显著上升，到09:28:06时荧光值为640（约为本底值460的1.4倍，耗时53 s），直至09:29:51时荧光值达到1 421（约为本底值460的3.1倍，耗时2 min 38 s），整个过程的荧光值变化情况见图 6。

可见，以大气为荧光本底值时，该装置对浓度 < 790个/L的核黄素气溶胶完全可以响应，且报警响应时间 < 1 min。

3 结语

检测下限和报警响应时间是生物气溶胶检测设备的2个重要技术指标。本文测试结果表明，所设计生物气溶胶荧光检测设备具有较高的检测灵敏度，不管是对浓度水平“≤1 000/L（纯净空气）”的生物气溶胶模拟粒子，还是对“≤1 000/L（真实空气）”均可响应，报警响应时间 < 1 min。

报警阈值的设定对报警响应时间有一定影响，阈值太低，易受荧光值波动而引起误报警，反之，会延长报警响应时间。另外，生物气溶胶模拟剂中核黄素的浓度对其本征荧光峰的峰位（所处波段）和峰值（信号强度）有一定影响：当浓度较低时（0.48 μg/g~1 mg/g范围内），峰值随着核黄素浓度增加而增大；在1 mg/g（0.1%）~20 mg/g（2%）范围内，随着浓度增加峰位出现红移现象（约红移15 nm）；当浓度超过5 mg/g（0.5%）时，随着浓度增加，峰值有所下降，可能是高浓度荧光发生了淬灭^[11]。测试实验中配置为0.02%（0.2 mg/g），是根据文献[12]中给出的芽孢杆菌、芽孢孢子、大肠杆菌等生物粒子中核黄素所占干重比（0.01%~0.04%）而设置。

气溶胶态生物粒子的检测，目前未见有相关标准。图 2所示实验方案，对于空气中生物气溶胶粒子或其它粒子的计数测量具有一定借鉴意义。为检验设备对纯正生物气溶胶粒子的检测能力，需保证缓冲瓶中为纯净的生物气溶胶粒子，采取如下措施：