氣體被動式采樣器的研究進展 - 圖文-

1、作者簡介尹洪銀(1982-,男, 碩士生,主要從事勞動衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生工作。3通訊聯(lián)系人【綜述】氣體被動式采樣器的研究進展尹洪銀1,2,邵華13,高希寶2(11山東省職業(yè)衛(wèi)生與職業(yè)病防治研究院,濟南250062;21山東大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院勞動衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生研究所,濟南250012關(guān)鍵詞被動式采樣器;氣體中圖分類號R134文獻標識碼A文章編號1004-8685(200703-0569-03被動式采樣是基于分子擴散原理或滲透原理采集溶媒中氣態(tài)或蒸汽態(tài)污染物的一種采樣方法,與主動式采樣器相比,其主要特點在于不需要任何電源和抽氣動力,因此又稱為無泵采樣器,這種采樣器具有體積小、質(zhì)量輕、操作簡便、易維護和安

2、全可靠的特點,可以做成徽章樣或鋼筆樣,佩戴于人們的上衣口袋處,跟蹤人們活動,走到哪里采到哪里,用作個體接觸量評價的檢測,也可以放在欲測場所,連續(xù)采樣,用于環(huán)境空氣質(zhì)量的評價。它充分體現(xiàn)了采樣過程的簡單化、快速化的發(fā)展趨勢,現(xiàn)已經(jīng)成為環(huán)境衛(wèi)生學(xué)、勞動衛(wèi)生學(xué)、分析化學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點。1被動式采樣的提出與發(fā)展隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展,對環(huán)境的衛(wèi)生分析和監(jiān)測費用越來越高,這主要是由于環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量標準的提高與被測的物質(zhì)含量極低,因此,亟需一種快速、高效、價廉的產(chǎn)品使我們不僅能夠監(jiān)測致命有害物質(zhì)及其含量,而且還能夠做出這些物質(zhì)對環(huán)境和人體健康的危險評價1。而被動式采樣裝置,正是由于其特有的一些優(yōu)點:方便輕巧

3、、價格低、無需復(fù)雜的設(shè)備、無需動力、無人操作、結(jié)果準確等,完全滿足以上的要求,它集采樣、分離、預(yù)濃縮的測定于一體,可以很便捷準確的完成樣品的采集2,節(jié)省大量的時間和經(jīng)費。Gordon等在1927年首次使用被動式采樣器半定量分析空氣中的C O的濃度,但真正的用于化學(xué)污染物的定量分析是在1973年, Pal m es、Reiszner等使用被動式采樣定量分析空氣中NO2和S O2的濃度3,4。繼以上各種被動式采樣器出現(xiàn)之后,隨著技術(shù)的發(fā)展,對被動式采樣的研究越來越多,2003年,Yuska等使用Oga wa公司生產(chǎn)的被動式采樣器測定賓西法尼亞州中北部地區(qū)的臭氧的濃度,研究表明被動式采樣器與膜封閉硅

4、膠樹脂采集器的測定效果一樣,并且得出一些典型植物的損害并不僅僅是由于臭氧濃度的變化引起的結(jié)果5。與此同時一些新型的被動式采樣器也不斷出現(xiàn),如Rupp recht&Patashnick公司生產(chǎn)的3310型被動式采樣器,該被動式采樣器的最大特點:采用了軸心對稱設(shè)計,采樣時氣體是從采樣管的柱面擴散進入的,軸心對稱的設(shè)計使得吸收層與擋風(fēng)層之間的距離即氣體的擴散距離可以很小,利用多孔聚乙烯材料作為擴散體的側(cè)面材料,又大為增加了擴散面積,在保持管式采樣器體積小,方便攜帶優(yōu)點的同時,又使得其具有較大的采樣速率,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。此外還有固相微萃取技術(shù)68(s olid-phase m icr o e

5、xtracti on,SP ME,圖2亦是一種被動式采樣技術(shù),基本構(gòu)造像一支微量注射器,在不銹鋼針頭里面有一根纖維,它與推桿相連,通過推桿可以從針頭里面伸出和縮進,纖維表面涂漬上固相涂層形成固相薄膜制成萃取頭,這樣就構(gòu)成了一個微型“管型被動式采樣器”,針頭的半徑?jīng)Q定了費克擴散定律的擴散層的截面積(A,可以通過伸出和縮進萃取頭來改變擴散層的長度(L。該采樣器的最大特點在于集采樣、萃取、富集和進樣于一體,采樣完成后收進萃取頭,然后將針頭插進高效液相色譜儀或氣相色譜儀,伸出萃取頭,熱解吸或者溶劑解吸放出所吸附的化合物,進行分離測定 。圖13310 型被動式采樣器剖面圖圖2固相微萃取頭剖面圖2被動式采

6、樣器的類型和基本原理被動式采樣器的種類繁多,具體說來有3種分類方法,一種是按照分子進入吸收層途徑的不同,可分為擴散型被動式采樣器(D iffusi on Passive Sa mp ler和滲透型被動式采樣器(Per meati on Passive Sa mp ler兩類。一種是按照被動式采樣器形狀的不同,可以分為管式被動式采樣器(Tube Passive Sa m2p ler 和徽章式被動式采樣器(Badge Passive Sa mp ler 兩類。還有一種是按照采樣的樣品種類不同,可以分為氣體被動式采樣器、液體被動式采樣器、固體被動式采樣器三類,這三類采樣器分別適用于采集氣體、液體和固

7、體中的污染物。擴散型被動式采樣器和滲透型被動式采樣器的基本原理是根據(jù)費克擴散定律,物質(zhì)分子在空氣中沿著濃度梯度而運動,即由高濃度向低濃度擴散,其質(zhì)量傳遞速度與物質(zhì)的濃度梯度、分子擴散系數(shù)及擴散層的截面積成正比,與擴散層的長度成反比,用公式表示為:W =DAL(C 1-C 0W 質(zhì)量傳遞速度或分子擴散速度,ng/s;D 分子擴散系數(shù),c m 2/s;A 擴散層的截面積,c m 2;L 擴散層的長度,c m;C 1空氣中物質(zhì)的濃度,ng/c m 3;C 0吸附介質(zhì)表面處物質(zhì)的濃度,ng/cm 3。C 1-C 0表示在整個擴散層長度L 上的濃度變化,即濃度梯度,若使用的吸附劑能夠有效地吸附到達其表面

8、的全部物質(zhì)分子,則C 0=0,再將上面的公式乘以無泵型采樣器的時間t,就可以得到擴散到吸附劑上的物質(zhì)的總量M (ng 。即:M =DAL C 1t 公式表明:無泵式采樣器采集毒物的總量與無泵式采樣器的本身構(gòu)造(A 、L 、毒物在空氣中的濃度(C 1及其分子的擴散系數(shù)(D 、采樣時間有關(guān)(t 。從以上原理可以看出決定被動式采樣器效能的主要是采樣器的擴散層的面積和長度,因為對于任何一種毒物而言,它的擴散系數(shù)都是確定的。根據(jù)此原理設(shè)計采樣器主要考慮的是其形狀,現(xiàn)有的采樣器主要有管式和徽章式兩種,管式采樣器的原理如圖3所示,采樣管的長度決定了費克擴散定律的擴散層的長度(L ,采樣管的半徑?jīng)Q定了費克擴散

9、定律的擴散層的截面積(A 。徽章式采樣器的原理如圖4所示,半透膜的厚度決定了費克擴散定律的擴散層的長度(L ,半透膜的所有孔的總面積決定了費克擴散定律的擴散層的截面積(A 。 圖3管式擴散式被動式采樣器 圖4徽章式滲透式被動式采樣器根據(jù)以上原理,對于被動式采樣器設(shè)計和性能要求都有一定的標準要求,既要保證被動式采樣器的體積小、重量輕、易攜帶等硬件要求,還要保證采樣器的響應(yīng)時間、采樣流量、吸附容量等軟件要求也要符合采樣器的性能要求9,具體要求內(nèi)容如表1所示:表1被動式采樣器的性能要求性能指標性能要求性能指標性能要求響應(yīng)時間30s 采樣范圍(015-510×T WA采樣流量25m l/m

10、in 解析效率75%吸附容量2×T WA ×8h用前穩(wěn)定性10d樣品穩(wěn)定性14d3被動式采樣器的環(huán)境影響因素10311風(fēng)向和風(fēng)速風(fēng)速是影響被動式采樣器的最重要因素,風(fēng)速小于10c m /s 或者靜止狀態(tài),可能會造成“饑餓”,從而造成欠樣采樣,風(fēng)速太大可能會引起擴散腔內(nèi)氣流紊動,破壞了分子靜態(tài)擴散層,造成超量采樣。這兩種情況都會直接影響采樣器的采樣效率,應(yīng)該予以避免。在采樣器內(nèi)設(shè)置擋風(fēng)層的目的就是為了克服風(fēng)速較大對采樣速率的影響,但是同時也增加了擴散層的厚度,減小了采樣速率。這對于低濃度采樣不利,因此擋風(fēng)層的設(shè)計,應(yīng)該既保證足夠的采樣效率又要保證在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)不受影響。3

11、12溫度溫度也是影響被動式采樣器的一個重要因素,分子擴散速率隨著溫度的升高而增加,因此可以通過提高溫度來增加樣品的采樣速率。動力學(xué)理論預(yù)測擴散系數(shù)與溫度成正比例關(guān)系,每下降1采樣速率將降低012%。對于滲透性擴散器溫度的影響有的可能較大,有的可能較小,這主要是由滲透膜的性質(zhì)決定的。313濕度濕度可能影響采樣容量,尤其是吸水性大的材料,由于被測物質(zhì)和水分子在吸收層有競爭吸收,使得采樣容量下降,再一種就是有些污染物分子與空氣中的水分子結(jié)合,形成新的水結(jié)合化學(xué)物,不易被吸附層吸收,當相對濕度較大時,對一些易溶的污染物能產(chǎn)生明顯的影響,在這種情況下采樣器不能使用。4被動式采樣器的在氣體分析中的應(yīng)用空氣

12、中的各種有機化合物和無機化合物的測定是被動式采樣器的主要應(yīng)用領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟與社會現(xiàn)代化的發(fā)展,各種氣態(tài)污染物的排放增加,直接威脅著人們的健康,因此,生存環(huán)境和廠礦企業(yè)的空氣質(zhì)量的監(jiān)測逐漸成為環(huán)境衛(wèi)生、職業(yè)衛(wèi)生工作的重要部分,對于評價空氣環(huán)境對人的健康危害有重要意義。Chongdee 等使用玻璃瓶式的被動式采樣器采樣測定空氣中的苯、甲苯、二甲苯3種易揮發(fā)性有機物,以TenaxT A 作為吸附劑,用氣相色譜法(GC 分析定量,3種物質(zhì)的檢出限分別達到:013mg/m 3、012mg/m 3、017mg/m 3的水平11。Cooper等使用被動式采樣測定空氣中放射性物質(zhì)14C O2的含量,以氫氧化鈣

13、、氫氧化鈣/氫氧化鈉混合物為吸附劑,其采樣時間可達1000h,若采用最新的環(huán)境保護裝置,可以使被動式采樣器的采樣時間延長到3個月,并可有效地避免濕度、氣流對采樣的影響12。Judi等使用被動式采樣器研究森林中臭氧濃度隨著高度的變化的關(guān)系,原理是利用O3與NO2反應(yīng)生成NO3,然后離子色譜法測定NO2轉(zhuǎn)化率來測定臭氧的含量,研究表明臭氧濃度與高度呈現(xiàn)明顯的相關(guān),到達地面時臭氧的濃度可以減少31%47%13。5氣體被動式采樣器的發(fā)展前景被動式采樣器作為一種新型的采樣儀器,在方便輕巧、價格低、無需復(fù)雜的設(shè)備、無需動力、無人操作、結(jié)果準確等方面有著獨特的優(yōu)點,使其有著廣泛的應(yīng)用前景,隨著技術(shù)的發(fā)展,被

14、動式采樣器不僅僅應(yīng)用于空氣中的采樣,而且還被應(yīng)用于液體、固體的采樣。雖然在采樣時受到溫度、濕度、空氣流動等因素的影響,但是相對于傳統(tǒng)的采樣裝置,仍然不失為一種最好的選擇。盡管被動式采樣有較長的歷史,但它仍然是一門發(fā)展著的學(xué)科,需要不斷的發(fā)展完善。參考文獻1Agata Kot,Boczena Zabiega,Jacek Na m ieèsnik1Passive sa mp ling forl ong-ter m monit oring of organic pollutants in waterJ1Trends Analy Che m,2000,19(7:447-46112Tadeus

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