作业场所气溶胶职业接触测定中采样器选用推荐依据的研究

《Journal of Occupational and Environmental Hygiene》：The basis for recommending the selection of samplers in determining occupational exposures to aerosols

　　

测量被视为用于判定工人风险之接触评估的基础。吸入接触对大多数空气传播化学物质构成最大风险，而测量基于采集（采样）与分析空气样品。气溶胶采样器（Sampler）的开发已有120余年历史，每一代新设计均旨在修正前代设计所识别出的缺陷。用户在种类繁多之采样器中面临选择困难——因采样器性能测试直至近期才标准化且未得到一致应用。现有大量研究表明：多数采样器在实验室受控条件下对测试气溶胶表现良好，但现场进一步测试显示并非所有采样器在各情境下均表现等同（如不同风速风向或具异常物理特性之气溶胶）。不存在适用于所有情境之单一气溶胶采样器；此外，采样器设计及操作方式对其结果有巨大影响。制造质量、材质、成本、可重复使用性、易用性、流量设定、运输问题及佩戴者接受度均影响同类性能采样器间之选择。可用采样器构成工具箱（Toolkit），可从中针对特定情境选取最合适者。本文结合设计制造史、已验证之性能研究、环境因素及实际操作，评述常用可吸入（Inhalable）与呼吸性（Respirable）气溶胶采样器，并通过行业或任务特异性推荐弱化上述考量对选型之影响。目前正开发基于网页之Sampler Selection Tool（采样器选择工具），将利用本文信息为用户特定情境提供适用采样器排序列表。

论文解读：《作业场所气溶胶职业接触测定中采样器选用推荐依据的研究》

研究背景与意义

自19世纪以来气溶胶采样器即被开发应用，ISO 7708:1995确立了可吸入（Inhalable，上限100 μm AED）、胸区（Thoracic）与呼吸性（Respirable，D₅₀≈4.25 μm AED）粒径分级 convention后，专为匹配这些 convention 设计的采样器陆续问世。然而市场上仍并存早期"总尘（Total Particulate Matter / Total Dust）"采样器（如37 mm闭面盒式采样器 Closed-Face Cassette, CFC）与新一代可吸入采样器（如IOM、Button、CIP-10(I)等），且同类产品历经设计变更却缺乏重新验证。现存问题包括：①性能测试标准（EN 13205）执行不一致；②壁沉积（Wall Deposit）是否纳入分析影响结果可比性；③风速/方向、大投射粒子（Projectile Particles）、静电效应及湿度对采样效率之干扰未被普遍认知；④化学分析时常忽略滤膜以外之壁沉积导致低估接触浓度；⑤复用采样器清洁与交叉污染、一次性采样器成本权衡等实际问题亦左右选型。为此，研究人员系统梳理主流 inhalable 与 respirable 气溶胶个人采样器之设计沿革、实验室与现场验证数据、环境敏感性及实操要点，给出情境化选型建议，并预告正在开发之在线Sampler Selection Tool，以填补职业卫生实践中采样器选型指引之空白。本文发表于Journal of Occupational and Environmental Hygiene。

关键技术方法概述

研究人员采用文献循证综述法，检索并整合气溶胶科学与职业卫生产学领域核心期刊（如Journal of Aerosol Science、Annals of Work, Exposures and Health、NIOSH/OSHA方法及报告等）中有关各采样器设计图纸、风洞与静室实验室标定（Aspiration Efficiency、Bias Performance Criterion BPC、Accuracy Performance Criterion APC、D₅₀测定）、现场并排（Side-by-Side）配对采样、CALTOOL（模拟呼吸人偶标定工具）与WAM（Workplace Atmosphere Multi-Sampler旋转转盘）比对研究、壁沉积定量（擦拭法/内置胶囊Internal Capsule法）及重量稳定性（LOQ按ISO 15767计算）等数据，按 inhalable 与 respirable 两大类分别评述IOM、DIS（Disposable Inhalable Sampler）、CFC（配内置胶囊）、Button、GSP（Gesamststaubprobenahme）/CIS（Conical Inhalable Sampler）、PAS-6、CIP-10(I)、七孔采样器（Seven-Hole Sampler, SHS）、Higgens-Dewell（HD）旋风（Casella/SKC塑料及铝制）、BGI 4L/4CP、Dorr-Oliver尼龙旋风（含GS-1/GS-3导电版）、GK2.69、RASCAL（GK4.162）、FSP10、CIP-10(R)、平行颗粒撞击器（Parallel Particle Impactor, PPI）、IOM MultiDust（配泡沫插件）及DIS+泡沫/DRS（Disposable Respirable Sampler）等，归纳其适用边界。

研究结果（按原文小节浓缩）

Inhalable（and total）particle samplers（可吸入及总尘采样器）

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  IOM sampler：首款按ISO 7708inhalable convention 从第一性原理设计之个人采样器，2 L/min运行。不锈钢（IOM SS）与导电塑料（IOM CP）两版本；CP受潮重漂致LOQ偏高（~191 μg），SS较稳但重。壁沉积占捕集质量20%~55%（粒径依变），化学分析若无壁沉积回收规程会低估——故不建议用于需化学分析之样品，仅限重量法且须整体称量内盒。风洞显示对风向敏感：迎风过采样大粒子（70 μm AED过采样因子1.8@0.5 m/s，达7@2 m/s），侧风欠采样（因子0.2）；静风略过采样。大前向入口易捕集>100 μm AED投射粒子（工人鼻向下不吸入此类），研磨等场景慎用。组装不当致旁路泄漏（Bayonet闭合不严），校准接头易漏，建议硅胶适配器。运输中橡胶帽吸附粒子致损失，应连帽称量或擦回。结论：有气流无强定向风、无非人体吸入之大/投射粒子之重力分析可用IOM SS；CP重力分析需长平衡；两者在未建立壁沉积化学回收前不用于元素分析。
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  DIS（Disposable Inhalable Sampler）：尺寸近IOM，2 L/min。PVC胶囊重量稳、快平衡（LOQ~103 μg），适合重力及酸消解金属分析（除Sn干扰Ag）；MCE-纤维素胶囊易溶酸适合金属但本底略高。现场与IOM比浓度偏高（因含壁沉积），CV≈15%。同IOM受风向/大投射粒子影响。导电塑料帽少吸附。单次使用免清洗交叉污染。结论：无强定向风、无非吸入大粒子之重力或金属分析推荐PVC-DIS；MCE-DIS用于需消解之金属；不用于全风向或强投射粒子工况。
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  Closed-face cassette（CFC）sampler：37 mm盒式，传统1~4 L/min，廉价一次性。非导电致壁沉积（静电+弹跳+沉降+拦截），若只用滤膜会低估。配内置PVC/纤维素胶囊（Internal Capsule）并前向（0°，开口朝前）放置可包含壁沉积，实验室及现场（Demange et al. 2002）显示前向CFC+胶囊至约45 μm AED匹配inhalable convention，与IOM（含壁沉积时）相当。下向（90°）排除>100 μm粒子但欠采样inhalable。按压密合与滤膜旁路泄漏需查。结论：前向+内置胶囊CFC尤适于存大/投射粒子（木工尘）且低成本；小入口限制>45 μm AED粒子吸入；易接流量计；单次使用。
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  Button sampler：多孔金属圆顶覆盖25 mm滤膜，4 L/min优化匹配ISO 7708inhalable。对风向不敏感、小孔挡大投射粒子防堵塞但黏性/大尘（木粉、面粉）堵孔致低流或泵停。仅分析滤膜（O形环壁沉积未量化）。静气略优于动气，对小焊接烟粒可能低估。不适合液溶胶（Koehler et al.）。金属部件可能污染Cr(VI)等分析。结论：需排除大投射粒子且风向多变之环境可用，但木尘等易堵孔不推荐；须玻璃纤滤膜防过早过载；需清洁复用。
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  GSP（Gesamststaubprobenahme）sampler and CIS（Conical Inhalable Sampler）：GSP金属锥形入口8 mm@3.5 L/min（入口速≈1.16 m/s），CIS为塑料版。欧标互较中GSP至25 μm AED符合inhalable，含至50 μm AED平均欠采样21%；壁沉积可达总捕集24%~42%（圆锥内壁）。现场与IOM SS密切相关但未含壁沉积时偏低。风洞显示顺风向微过采样，侧风严重欠采样；CIS静风（0.1 m/s）过采样。结论：需进一步验证壁沉积纳入后性能；金属漆面磨损产污染粒；较重需固定；复用需清洁程序。
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  PAS-6（Personal Air Sampler-6）：荷兰TNO设计，6 mm入口@2 L/min（入口速≈1.18 m/s），通常45°下倾。风洞0.5 m/s至约40 μm AED符合inhalable，高速欠采样；CALTOOL现场略欠采样。只称滤膜，锥壁沉积未评。结论：仅特定条件（低风速、含壁沉积假定可忽略）近似符合，需更多验证不推荐作为首选。
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  CIP-10(I)：法国CDL-Tecora产，环形缝隙吸气@10 L/min（≈0.6 m/s），旋转多孔泡沫收集，v.2改良后内壁抛光减损失。风洞旋转人偶1 m/s与IOM相当（BPC 81%，APC 100%），静气略降（帽微遮入口），全向头减风向影响，下倾避沉落/投射粗粒。流率靠厂配台定转速，现场用转速计核检，自带电池无外泵。结论：多情境表现良，但需清洁复用、独特体积计量及泡沫分析规程是推广障碍。
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  Seven-hole sampler（SHS）：原英AERE单孔改七孔降入口速，已基本淘汰（澳放射矿除外）。风洞0.5 m/s符合，高速欠采样且精密度最低；壁沉积<10%（至50 μm AED）但大粒可变。结论：已停产不推荐。
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  25 mm open-face cassette：壁沉积可达总捕集19%~62%（Pb/Zn/Fe工场），须擦拭内表面——操作繁琐且未标准化，不推荐。
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  Summary of inhalable samplers：IOM常被作参比但受风向/静气过采样/超大粒过采集/壁沉积化学未标准化/CP吸湿/接头难连等限用；DIS避吸湿但同受大入口影响；CFC+前向+内置胶囊在多数工业气溶胶（≤45 μm AED）近匹配inhalable且方差低，小入口拒超大粒但也拒>45 μm inhalable粒子；Button抗风拒大粒但堵孔/限滤膜；GSP/PAS-6欠研；CIP-10(I)v.2多功能但独特技术门槛。无单一万能采样器。

Respirable particle sampling（呼吸性采样器）

强调所有旋风（Cyclone）须配导电盒（Conductive Cassette）以控壁损失（非导体内壁沉积可达总质15%~40%，导电≤5%），并需无脉动泵（ISO 13137pulsation test）。D₅₀接近4.25 μm AED不等于整体偏差最小——EN 13205要求≥67%测试气溶胶分布组合在±10%内。

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  Higgens-Dewell type samplers: Plastic HD cyclones（Casella HD & SKC塑料旋风）、Aluminum cyclone：Casella HD（原SIMPEDS衍生）导电塑@2.2 L/min匹配ISO 7708 respirable，现场CV低（重力2.7%，金属6%~8%）。SKC塑料旋风部分批次D₅₀偏高需3.0 L/min（与原标称2.2 L/min不符），密封问题致变异大——建议停用待再验证。铝制旋风（37/25 mm盒）@2.2 L/min匹配，旧版曾用2.5 L/min（NIOSH 0600/7500），新证2.2 L/min正确；须配导电盒，入口外露受风影响大于HD。结论：Casella HD可靠；SKC塑料存质量疑虑；铝旋风用2.2 L/min+导电盒。
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  BGI 4L and 4CP：全金属或导电塑涡流管HD型，配通用盒@2.2 L/min，性能同Casella HD。可用普通盒（应选导电）。
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  Nylon（"Dorr-Oliver"）cyclone（and GS-1 and GS-3 conductive plastic versions）：美煤监传统10 mm尼龙旋风@1.7 L/min匹配ISO 7708 respirable（原AEC convention@1.7~2.0 L/min）。须导电盒或内置胶囊（OSHA MSHA用）。风向/方位有影响（水平vs垂直、顺逆风过/欠采样），高风速偏差增大——GS-3三入口@2.75 L/min减此影响。积尘（尤其非导）及荷电尘致偏差，导电版（GS-1）缺验证。流率校准传统用"校准罐（Calibration Jar）"，OSHA另授jarless压差法。结论：严格按1.7 L/min+导电盒/内置胶囊+校准罐或jarless法；注意风向局限。
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  GK2.69 cyclone：BGI产金属（钢/铝）@4.2~4.4 L/min最佳匹配ISO 7708respirable，与Casella HD对RCS（可吸入结晶硅）可比甚至对大粒更好拟合。配37 mm导电盒。风洞1~2 m/s无显著取向差。中高流率提敏感度适低OELV（如RCS）。结论：兼顾泵体大小与灵敏度之优选，推荐4.4 L/min+导电盒。
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  RASCAL（GK4.162）cyclone：GK族高流版@9 L/min用47 mm滤膜，匹配ISO 7708respirable。风洞无显著取向差。需大流量泵较重。结论：短时长低浓适；待现场接受度验证。
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  FSP10：德制金属@10 L/min原匹配BMRC，ISO 7708 respirable需提至11.2 L/min（原10 L/min边际合格但偏保保守高估浓）。风洞有取向差。需高流泵较重，工人接受度较低。结论：调至11.2 L/min可用，注意取向效应。
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  CIP-10(R)：同CIP-10(I)机身但配respirable选择器@10 L/min，聚氨脂泡沫分级——细粒（<4 μm AED）穿透泡沫致对ISO 7708respirable细粒端欠采（不适于纯烟态fume按ISO 7708评价，但模拟沉积剂量ISO 13138角度或生物相关）；粗粒端较匹合。泡沫需严格温湿平衡称（LOQ需>2~3 mg直接称重）或洗脱/消解。结论：特例——不推荐按ISO 7708 respirable测纯细粒气溶胶；独特操作与分析规程限推广。
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  Parallel Particle Impactor（PPI）：多喷嘴冲击式@2/4/8 L/min分档覆盖respirable曲线。部分型号（PPI4可弃版、PPI2）符合设计，PPI4复用及PPI8复用加工偏差致高CV——制造商建议流率待重评。现场金属CV>11%，实验室部分欠/过采样。需防过载（未充分研究）。结论：需进一步验证后方推荐。
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  IOM with foam（IOM MultiDust）：IOM盒内加支撑环嵌聚氨脂泡沫（孔径选定），穿透泡沫抵滤膜为respirable，泡沫+壁为inhalable。加载至20 mg工场尘D₅₀降幅<5%。早年批次泡沫切割点漂移致欠采样报告——需批次质控（压降简易测）。CP吸湿同前述。结论：可双份同步获inhalable+respirable（重力/金属），须批次验证泡沫性能及壁沉积化学回收。
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  DIS with foam and DRS（Disposable Respirable Sampler）：DIS胶囊嵌异于IOM配方之泡沫匹配ISO 7708 respirable。DIS+泡沫（胶囊一体）与DRS（滤膜不粘合可拆）两种处理流程——均单次使用。现场respirable浓度略高于Casella HD（泡沫D₅₀略高待修正）。泡沫可酸消解法金属。结论：单次用双份同步采样有前景，泡沫规格待再确认。
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  Summary of respirable samplers：低流（DO 1.7 L/min、HD 2.2 L/min、铝2.2 L/min）灵敏度受限低OELV（如RCS）；GK2.69（4.4 L/min）较优平衡点；RASCAL/FSP10更高流但重；PPI待验证；CIP-10(R)细粒欠采限用；IOM/DIS+泡沫可双份但需泡沫质控。均须导电盒+无脉动泵+流率核准。

讨论与结论（浓缩原文Conclusions节）

不存在单一适用于所有工况之 inhalable 或 respirable 气溶胶采样器，可用采样器构成工具箱（Toolkit）按需选配。可吸入采样：细粒（如炭黑<1 μm AED）各采样器均可；至约40 μm AED前向CFC+内置胶囊偏差小适用广；更大粒或未知粒径宜IOM/DIS（注意风向/大粒过采样及壁沉积问题）；强定向风或需排大投射粒/ >100 μm AED用Button；GSP/PAS-6/CIP-10(I)v.2需补充验证。呼吸性采样：除SKC塑料旋风质量存疑外旋风基本符预期——低流(<2.5 L/min)灵敏度不足低OELV时建议GK2.69(4.4 L/min)+导电盒；更高流RASCAL(9 L/min)/FSP10(11.2 L/min)需权衡便携；CIP-10(R)不适纯细粒按ISO 7708评价；IOM/DIS+泡沫可同步获双份但需泡沫批次验证。双份同步采样（泡沫插件IOM MultiDust或DIS/DRS）允同一采样得inhalable与respirable重力/金属结果——待进一步确认尺寸选择稳定性。复用采样器须建去污/磨损核查QA；一次性免此但增废——成本含分析费及工卫师工时方为决策主导。研究人员呼吁资助完善采样器性能与测试议题之研究，提升职业卫生界认知；ISCG（International Sampler Comparison Group）正建基于本评述之在线Sampler Selection Tool助用户情境化选型。

（全文完，严格依据原文内容浓缩，无推测增补）