声波团聚-旋风耦合技术提升孢子生物气溶胶采样效率的研究

《Powder Technology》：Improving the capture efficiency of spore bioaerosols in a sampling device by combining acoustic agglomeration-cyclone technology

本文开发了一种新型声波团聚-旋风采样装置（AACS），通过结合声波团聚技术有效增大孢子等生物气溶胶颗粒粒径，显著提升了灵芝孢子（GLS）的捕获效率。实验表明，在声压级（SPL）135 dB、频率1000 Hz条件下，采样液体中孢子浓度达8.0×106 spores/mL，较单一旋风采样提升15.4%，为环境花粉及生物气溶胶采样提供了创新性解决方案。

　　

亮点（Highlights）

声场中生物气溶胶团聚机制分析

声场中的团聚机制主要包括同向团聚机制和流体动力学机制。对于极细颗粒物（<1 μm），还存在依赖温度的布朗团聚机制。同向团聚机制描述了声波在流体中传播时，通过声压梯度和黏性效应诱导周围颗粒或二次流体运动，导致颗粒间碰撞并团聚的现象。

材料（Materials）

灵芝孢子（Ganoderma lucidum spores, GLS）是一种常见的空气过敏原，对人体有害。灵芝子实体每年持续产生大量孢子，据报道每平方厘米子实体表面日均释放孢子达120万至430万个。本实验所用GLS由北京晶诚生物技术有限公司提供，为灵芝成熟时弹射出的孢子粉，其粒径范围主要集中在2.5–4.0 μm，适用于模拟细颗粒生物气溶胶。

风机转速（Fan speed）

在风机转速21,000–31,500 r/min范围内测试AACS的捕获效率，结果如图4所示。当转速为31,500 r/min时，孢子浓度达8.56×10⁶ spores/mL。随着转速从31,500 r/min降至21,000 r/min，采集的孢子浓度从8.56×10⁶ spores/mL降至1.81×10⁶ spores/mL，降幅达78.9%。由于采样杯与排气口构成旋风分离器，气流旋转产生的离心力是颗粒捕获的关键动力。转速越高，离心力越强，更多孢子被甩向管壁并落入采样液，从而提升浓度。

结论（Conclusion）

研究了风机转速、采样时间、采样液体积等操作参数对AACS捕获效率的影响，以及声压级（SPL）和声波频率在声波团聚条件下对颗粒动力学行为和捕获效率的作用。实验结果表明，当转速维持在28,000–31,500 r/min区间时，AACS达到最佳捕获效率。在采样液体积为12 mL、采样时间120 s、SPL 135 dB、声频1000 Hz的优化条件下，GLS浓度显著提升，较传统旋风采样效率提高15.4%，证实了声波团聚技术对生物气溶胶采样的协同增强效应。