空气采样实用手册：采样链、采样头、滤膜、校准与设备选型

一、引言

许多工业与建筑作业场所，都存在让员工接触有害粉尘、蒸气和气体的可能。吸入通常是最主要的进入人体的途径，因此监测员工所吸入的空气至关重要。

本文的目标是介绍空气采样的应用与所需设备。采样头与流量的正确选择，应由当地法规与相应方法（通常由属地职业卫生与安全机构发布）决定。

二、个体采样：粉尘与烟尘

采样链的构成

基本原理是：用采样泵以一定流量、通过适用的采样介质抽取一定体积的空气。对颗粒物与烟尘而言，这个介质就是滤膜。个体监测的采样链应如下构成：

1. 采样泵佩戴在作业者身上（通常在腰部，也可用背带或胸挂固定在背部或胸部）；
2. 采样头（内含适用滤膜）必须置于呼吸带内，否则样品无效；
3. 泵与采样头之间用软管连接。

粉尘是直径小于 1 微米至 100 微米的固体颗粒，更大的颗粒太重无法悬浮。烟尘（fume）是由气体冷凝形成的固体颗粒，粒径通常小于 1 微米。

粉尘的粒径分数

粉尘可进一步分为三个粒径分数：

• 总吸入性尘（Total Inhalable）——呼吸时进入口鼻的全部颗粒（最大至 100 微米），可沉积在呼吸道各处；
• 胸尘（Thoracic）——能穿透至喉部以下的颗粒；
• 呼尘（Respirable）——小于 4 微米，可深入肺泡进行气体交换的部位。这一分数危害相对更大，因为这类颗粒无法被人体自身的防御机制排出。

操作流程与浓度计算

使用预先称重的滤膜，以设定流量经滤膜抽取一定体积的空气。流程为：

1. 使用有代表性的采样介质设定流量，采样前校准；
2. 采样；
3. 采样后再次核查流量；
4. 滤膜重新称重，记录增重；
5. 按下式计算浓度（mg/m³）。

Apex2 个体空气采样泵

Apex2 是新一代个体采样泵，支持通过 Airwave 应用在手机或平板（Android 与 iOS）上远程监控，无需打扰佩戴者（Plus 与 Pro 型号支持蓝牙 4.0 连接）。不具备远程连接功能的型号，则在泵的 LED 屏上清晰显示全部运行参数。

• 动作感应——可确认泵是否确实处于佩戴状态；
• 符合人体工学的纤薄设计，佩戴接受度高；
• IP65 防护等级，可防止粉尘与水汽侵入，光滑表面更便于去污；
• 最大流量 5 L/min，背压承受能力较强，可配合多种滤膜介质可靠运行；
• 持续感知进气压力，用于判断滤膜负载情况并辅助故障诊断；
• 配合相应附件也可采集气体与蒸气；
• 满电状态下可支持约 3 个 8 小时班次；电量表显示电量水平，Plus 与 Pro 型号还显示剩余运行时间。

三、采样头类型

总吸入性采样头

总吸入性采样头收集呼吸时进入口鼻的所有颗粒分数（即空气中所有可吸入的部分）。部分采样头可配合 PUF 滤膜做粒度选择，但若只关注呼尘分数，优先使用旋风分离头。

IOM 型采样头与滤膜盒（P109009A & P109010）

IOM 型吸入性采样器由职业医学研究所开发，是总吸入性尘采样中最常用的采样头。配合滤膜盒使用，确保样品不会损失在采样器内壁上。整个滤膜盒（含滤膜）作为一个整体进行前、后称重，确保全部样品都被计入。

• 使用 25mm 滤膜，整体作为一个单元预先称重；
• 工作流量 2.0 L/min；
• 配合 PUF 滤膜可同时采集不同粒径分数。

锥形吸入性采样器 CIS（P118200）

主要用于需要采集高浓度颗粒物的场合，因此采用更大尺寸的滤膜（37mm）。锥体设计使采集的粉尘在滤膜上均匀分布。整个滤膜盒（含 37mm 滤膜）作为整体预先称重。工作流量 3.5 L/min。同样可通过 PUF 滤膜同时采集不同粒径分数。

呼尘采样头

呼尘通常用旋风分离头采集。采样头的形状使吸入的空气迅速循环，较大颗粒被甩至气流外侧落入集尘罐中被丢弃，较小颗粒则沉积在滤膜上待分析。

其他采样头

• 铅采样头（B8221/Z）——为采集放射性颗粒物与铅而开发，使用 25mm 滤膜，2 L/min；
• 开放面滤膜（P109104 & B7632/Z）——滤膜夹持器，有 25mm 与 37mm 两种规格；
• 焊锡烟尘采样头（P109049）——用于电气电子行业松香芯焊料产生的烟尘，长期采样用 13mm 滤膜 1 L/min，短期采样 2 L/min；
• 石棉采样头——石棉纤维采样与一般粉尘采样方式相同（定量空气通过膜滤膜），但不做重量法，而是计数：将滤膜固定在显微镜载玻片上，用溶剂溶解膜，再用相差显微镜（PCM）计数滤膜一定面积上的纤维数，从而计算空气中的纤维浓度。需要配开放面滤膜夹持器（带导电圆罩）与带印刷网格的 MCE 滤膜；预装石棉滤膜盒提供 0.8μm 与 0.45μm 两种孔径。

采样头的维护保养

采样头使用后应清洗，除非另有说明，使用温水加洗涤剂。旋风头的集尘罐同样应倒空并以相同方式清洗。

四、滤膜与滤膜介质

滤膜有多种材质可选。最常见的是玻璃纤维膜，仅做重量法分析。若需要进一步分析、被采物质具腐蚀性，或玻璃纤维会产生干扰，则应选择其他类型。请查阅所采用的标准方法确认应使用哪种滤膜。滤膜也有预先称重和预装滤膜盒两种供货形式。

五、滤膜盒

IOM 型采样头与 Higgins-Dewell 旋风头的设计中已包含滤膜盒；Dorr Oliver 等其他采样头则需另配滤膜盒。

滤膜盒的便利之处在于：不仅在采样过程中保护滤膜，也便于运输。主要有两类结构：两片式与三片式。

• 两片式用于闭口面采样（仅取下封堵、进样口保留）。原因是滤膜盒本身会产生静电，把污染物吸附到盒壁上；两片式盒表面积更小，污染物附着的"墙"更少，更多会被滤膜截留；
• 三片式多一圈结构，对滤膜保护更好，用于开放面采样（进样口与封堵均取下），也常与旋风头配合使用。

四种滤膜盒形式

• 空白滤膜盒外壳——两片式或三片式，25mm 或 37mm。便于自行装入预先称重的滤膜（用于重量法的标准 GF/A 滤膜，或用于进一步分析的专用介质）。最常见材质为透明苯乙烯，视野好；样品怕光可选不透明款；需防溶剂则选聚丙烯款；需降低静电干扰可选碳载聚碳酸酯款。
  • 滤膜支撑垫置于滤膜背面，防止滤膜塌陷同时保持空气自由通过，共三种：纤维素垫（100%纯纤维素，滤膜盒中最常用）、多孔塑料支撑（适用于与纤维素不相容的化学物质）、不锈钢网（适用于多种滤膜夹持器，易清洗可重复使用）。
• 预装滤膜盒——预先装好 PVC、MCE 或 PTFE 等滤膜介质，适用于采样后需对滤膜做化学分析或提取的场合，取下封堵即可采样。只需重量法结果时，应选预称重或配对称重款。有 25mm 与 37mm 两种，请查阅标准方法确认所需介质。
• 预称重滤膜盒——由检测实验室预先装好 PVC 膜，采样后送回同一实验室复称，称重过程已包含在价格内。为符合规范，必须送回与皮重同一实验室，且二次称重须在同一台微量天平、相同环境条件下进行。环境条件对称重结果影响显著，而滤膜称重精度到 0.01mg，天平之间的差异与校准也成了重要因素。每个滤膜盒均贴有重量与序列号用于标识。
• 配对称重滤膜盒（Match Weighed）——兼具预称重滤膜的便利：滤膜已装好，取下封堵即可开始采样，且无须送回同一实验室。每个滤膜盒含两片滤膜，称重差值控制在容差内（MCE 滤膜 50μg，PVC 滤膜 20μg）。空气由进样口进入并沉积在测试滤膜上，其下方的第二片滤膜作为空白。采样后两片同时平衡并复称，重量差即为污染物量。

六、PUF 滤膜与粒度选择

需要注意：职业卫生与环境监测的粒度选择标准不同。两者都测量空气中的颗粒物，但定义与评估方法各不相同：

• 职业卫生采样的是总吸入性、胸尘、呼尘三个分数；
• 环境监测指的是 PM10 与 PM2.5。

一般来说，PM10 与胸尘较为接近，PM2.5 与高风险呼尘相对应。但两者的采样规范虽相似，却并不完全相同。

PUF（聚氨酯泡沫）滤膜可以装入标准的 IOM 型采样头或 CIS，把它们变成多用途采样器，可单独或同时采集可吸入与呼尘分数。呼尘颗粒沉积在滤膜盒后端的滤膜上，可单独分析；较大颗粒被 PUF 收集。总吸入性尘的结果为 PUF 与滤膜两者重量分析之和。IOM 型采样头工作于 2 L/min，CIS 工作于 3.5 L/min。

七、气体与蒸气采样

与颗粒物不同，溶剂、气体与蒸气需要不同的采样策略。

• 气体——在常温常压下既非液体也非固体的物质；
• 蒸气——在常温常压下为固体或液体，但在该条件下以气态存在的物质。例如溶剂在常温下是液体，但其中一部分会挥发进入气相。

收集气体与蒸气最常用的方法是吸附管，也可使用吸收瓶/吸收管（见后文）。吸附管两端掰断后插入管座，再连接个体采样泵。流量通常较低（常见 20—200 mL/min），因此需要专用低流量泵，或使用中流量泵（如 Apex2）加装低流量适配器。流量须在采样前后各设定并核查一次。

VAPex 低流量采样泵

VAPex 是新一代用于气体与蒸气采样的个体采样泵。Pro 型号支持 Airwave 应用与蓝牙 4.0 连接，可在手机或平板上远程监控而无需打扰佩戴者；不具备远程功能的型号则在 LED 屏上清晰显示全部运行参数。

• 动作感应可确认泵是否处于佩戴状态；纤薄人体工学设计，佩戴接受度高；
• IP65 防护等级，光滑表面便于去污；
• 流量范围 20—500 mL/min，背压承受能力较强，可配合多种吸附管介质；
• 持续感知进气压力，判断吸附管负载并辅助诊断；
• 可通过气体袋出口与袋装模式采集气体袋；
• 满电可支持约 4 个 8 小时班次。

低流量适配器与恒压模式

气体与蒸气采样一般设 20—200 mL/min 的流量。可选专用低流量泵，或用标准中流量泵（1—5 L/min）加装低流量适配器与恒压控制器。使用标准个体采样泵时，实际上可同时接 1 支、2 支甚至 4 支吸附管。

设定流量的操作

1. 把采样泵流量设在约 1.5 L/min；
2. 接上恒压调节器、低流量适配器与吸附管（管座中，两端已剪断），接入流量计；
3. 用适配器侧面的螺钉把流量调到目标值（20—200 mL/min）。低流量适配器的作用本质上是限制流经吸附管的流量；
4. 流量设定完成后，取下吸附管，换上新管开始采样。

恒压控制器的作用

恒压控制器用于维持流量：它保持泵与样品座之间管路内的低压力水平恒定。（部分泵（如 Apex2）内置该功能，具体请查阅厂家说明书。）当检测到压力发生变化（例如因样品负载导致），泵的电机转速会自动调整以维持正确的压力水平。

低流量适配器的两种配置

• 单口低流量适配器（P109032）——含保护性管座、螺旋流量调节与恒压控制器；
• 双口采样器（P109074）——可同时采集两支吸附管，每个口的流量可独立设定。既可同时测两种不同化合物，也可对同一种化合物以不同流量采样（用于关注穿透时的情况）。还可在相同流量下做平行采样以验证结果一致性。

吸附管的类型

吸附管内含吸附材料，采样时将蒸气或气体吸附到其表面，随后在实验室解吸分析，得到暴露计算所需的结果。典型的吸附管由泡沫或玻璃棉隔开的多层吸附材料组成。第二层较小的吸附层是后备层，实验室同样会分析它——如果第一层发生穿透（即被样品完全饱和，部分样品渗入后备层），则必须重新采样。

• 活性炭管——用于有机蒸气的标准吸附管，适用于大多数芳香烃和醇类；
• 硅胶管——适用于极性烃类、甲醇、胺类、无机酸和低分子硫醇；部分管型经预处理（如用 2,4-二硝基苯肼），用于特定化学危害物的采样。

八、吸收瓶与瞬时采样

吸收瓶与冲击式吸收管

某些场合必须使用冲击式吸收管（例如氯气）。吸收瓶是装有液体的玻璃管，空气被抽吸穿过液体，样品被溶液捕获，随后由实验室分析该溶液中的污染物。与吸附管一样，通常在低流量下进行，因此同样需要低流量适配器与恒压控制器，或专用低流量泵。吸收瓶可安装在采样泵侧面，或放入专用套中置于作业者呼吸带内。

瞬时采样（Grab Sampling）

瞬时采样是一种筛查技术，用于给出某一特定时间与位置处污染物的浓度，或用于确认某种疑似污染物的存在。

气体采样通常使用 Tedlar® 等化学惰性薄膜材料制成的采样袋。用合适的软管与鲁尔接头（如 TUC12）把采样袋接到泵的出口。部分泵具备自动袋装模式——泵启动运行后，感知到袋子装满会自动停止。若泵没有此功能，需自行计算装满所需时间，注意不要装得过满。

九、校准

标准方法（如 NIOSH、OSHA、MDHS 方法）会推荐特定流量，该流量须在采样前用校准器设定、采样后再核查一次。现场可用简单的转子流量计，也可用数字流量计。

Flow Detective 数字流量校准器

Flow Detective 是新一代数字流量计，用于个体采样泵等设备的精确校准。体积小、坚固耐用、无活动部件，内置锂电池在两次充电之间可运行 70 小时。

• Standard 型号——中流量采样泵用流量计（0.5—5 L/min）；
• Plus 型号——支持蓝牙连接 Airwave 应用，校准后数据可通过邮件发送便于记录。用于校准 Apex2 时，Airwave 可同时控制 Apex2 与 Flow Detective 并自动完成校准，效率很高。Plus 型号还可对更低的流量（20 mL—0.5 L/min）进行校准，用于吸附管的气体与蒸气采样。

现场校准

对一般粉尘采样（流量通常设在 2—2.2 L/min），使用刻度管式流量计即可：读数来自刻度管内的浮子。读数时须与管口平视，并从浮子中部对应位置读数。为获得较佳准确度，应选择量程与目标流量匹配、且在目标流量附近刻度间距清晰的流量计。

低流量应用（0—200 mL）同样可使用流量计，量程以目标流量为中心，Dry-Flo 型流量计最为适合这类测量。电子校准器是另一选择（见初级校准）。

初级校准（Primary Calibration）

MESA Defender 是一台初级校准器，通过电子方式检测并计时通过测量腔的活塞，在 LCD 屏上显示流量。市场也有质量流量型初级校准器，使用同样简便。初级校准器常用于核查二级校准器（如 Flow Detective 或转子流量计）的准确性。

十、采样泵的性能指标

个体暴露空气采样需要使用者选择正确的采样头与介质，但采样链中最关键的部分是采样泵本身。ISO 13137 是公认的个体采样泵性能标准——首先要确保泵完全满足该标准。但采样泵的工作条件随介质与环境变化，这些因素都会影响最终结果的质量。理解采样泵的设计指标，能帮助职业卫生人员做出明智的选型决策。

电池

电池的主要功能是在整个监测期间驱动电机。它必须有足够动力来应对不断上升的背压（介质负载增加后，泵需要更用力地抽吸）。近期设计多采用锂离子电池替代镍氢电池，优势在于运行时间更长、无记忆效应（电池只能放出部分容量的现象），以及体积更小——从而使采样泵本身更小。

脉动

ISO 13137 规定"脉动不得超过流量的 10%"。脉动是什么，为什么重要？采样泵每个工作循环都同时进气与排气，这一往复运动使流经采样链的气流不均匀。脉动就是各循环之间流量的差异。脉动值偏大会影响旋风头的粒径切割性能（其性能依赖流量），同时脉动明显的泵采集到的样品量更少。

背压能力

采样链中所用的滤膜介质是影响背压的主要因素。泵的电机必须比抽吸空气时更用力才能把空气拉过滤膜。滤膜的孔径越小、直径越小、流量越大，背压越高；而且采样过程中介质逐渐负载，背压还会进一步上升。背压不仅消耗电池，泵也必须有足够动力克服这股阻力。

空气采样中的背压通常以英寸或厘米水柱表示。下表为不同未负载 MCE 滤膜在不同流量下的近似背压（采样过程中滤膜负载后，背压会高于这些数值）：

恒压控制

恒压控制是另一种流量控制方式，主要用于低流量、多路采样场景。可通过分流量器接入最多 4 个采样器（通常为吸附管）。该方式通过维持采样器与泵之间管路内的压力恒定来控制流量：

如果某路采样器堵塞或完全关闭，管路内的压力仍被维持，其他各路的流量保持不变。而在恒流控制下，泵会感知总流量下降并提速补偿。

对多数泵而言，恒压控制器是作为低流量适配器套件的一部分单独采购的。如果要做大量低流量测量，投资一台内置恒压模式的泵（如 Apex2）是值得的。

尺寸、重量、佩戴性与动作感应

对工人来说，佩戴个体采样泵未必是件情愿的事——事实上曾出现工人把泵摘下、班末交还，导致样品无效的情况。新一代采样泵都加入了动作传感器，以确认泵确实处于佩戴状态、样品有效。

选型时应考虑佩戴者因素：佩戴在腰部还是胸前？作业者是体型较大的男性还是较小的女性？什么设计能带来更高的佩戴依从性？泵是否需要去污？若是，则外壳表面须光滑。需要多高的防水等级？作业环境是否恶劣到需要额外的橡胶护套？

连接与数据下载

整个监测项目的逻辑是获取受测对象的暴露数据，而数据的报告呈现同样重要。你更倾向于使用厂家配套软件，还是把结果导入 Excel？你的报告流程是怎样的？

智能手机与移动设备已相当普及，这一趋势自然会传导到监测设备上。采用 蓝牙低功耗（BLE）技术后，可以将其纳入泵的设计而不会像经典蓝牙（BR/EDR）那样大量消耗电池。职业卫生人员因此可以在手机或平板上监控与控制泵，无需打扰工人，并可把数据连同照片与备注从现场直接邮件发出。

本质安全

如果作业环境属于潜在爆炸性环境（例如石油天然气或化工行业），则采样泵必须具备本质安全认证——即在潜在爆炸性气氛中不构成点火源。请确认采样泵符合相应国际标准。

十一、区域采样与环境采样

区域采样的用途

前文聚焦于个体暴露监测方法。但有时你需要了解背景水平或进行定点采样，以掌握区域内污染物的整体水平。如果某物质背景浓度很高，就说明必须做个体暴露测量，以确认工人不处于风险中。进行区域采样的理由包括：

• 证明污染从某源头扩散的范围；
• 测量附近区域或不直接参与该工艺的工人的可能暴露；
• 验证控制措施的有效性；
• 调查污染来源；
• 作为普查工具；
• 进入受限空间前检查空气质量。

Vortex3 大流量采样泵

Vortex3 是新一代静态大流量采样泵，Pro 型号支持通过 Airwave 应用在手机或平板上远程控制与监控；其余型号在泵的全彩 OLED 屏上清晰显示全部运行参数。

• IP65 防护等级，可防粉尘/纤维与水汽侵入，光滑表面便于去污；
• 最大流量 12 L/min，背压承受能力较强，可配合多种滤膜介质可靠运行；
• 持续感知进气压力，判断滤膜负载并辅助诊断；
• 满电可运行约 2.5 小时，也可接市电运行。

CEL-712 Microdust Pro 实时粉尘仪

这是一台手持式实时粉尘监测仪，适合测量粉尘、烟、雾、花粉以及燃烧、材料加工、制造、发电、机动车尾气、建筑施工等过程产生的颗粒物浓度。这类污染物会降低能见度、扩散污染，并可因吸入有毒物质而致病、降低工人效率，还被公认为多种慢性与急性疾病（哮喘、支气管炎、肺癌）的诱因之一。

与需要较长采样时间、不适合评估浓度变化趋势的传统重量法不同，Microdust Pro 是评估实时颗粒物浓度（mg/m³）的理想普查仪器。全便携式、可拆卸探针使其能进入较难抵达的区域，兼顾定点与流动普查用途，数据亦可下载做完整分析。

仪器采用成熟的前向光散射原理，提供以下标准功能：

• 浓度趋势的图形化呈现；
• 内置数据记录；
• 简洁清晰的彩色用户界面；
• 宽广的测量浓度范围，适配多种粉尘监测应用。

Dust Detective 静态空气采样箱

随着对细颗粒物污染的认识加深、环境法规执行趋严，短至中期时长的区域与周界监测需求持续上升。这正是 Dust Detective 静态空气采样箱的设计初衷。它为 Microdust Pro 与 Apex2 采样泵提供了一套简便的短期至中期定点监测方案，主要为室内应用设计，也可用于部分短期室外周界采样。使用内置电池可在现场连续运行最长 13 小时。

可通过 Dust Detective 获得重量法结果，并可使用 PUF 泡沫填片实现环境分数 PM10 与 PM2.5 的粒度选择。数据同样可下载做完整分析与时间历程查看。IP65 防护箱体可容纳标准的 Microdust Pro，也可容纳提供精确进气流量的 Apex2 采样泵。

Guardian2 场界监测系统

Guardian2 是一套基于网络的、远程的长期粉尘排放监测系统，用于确保符合监管限值。适用于拆除与施工监测、道路与交通沿线监测、废弃物场站等场景，帮助现场管理者制定粉尘管理策略或开展常规合规监测。

• 数据自动推送至专属平台，通过独立账号登录，全年每天 24 小时实时访问；
• 可轻松生成用于合规用途的报告；
• 超限时通过短信或邮件报警；
• 同时测量 PM1.0、PM2.5 与 PM10，提供 1 分钟、5 分钟、15 分钟与 1 小时滚动平均值，灵敏度 1 μg/m³；
• 进气口加热，降低湿度对测量的影响；
• 可测量风速与风向，用于判断粉尘来源与监测场站排放；
• 可增加噪声或振动等附加参数，扩展为综合场界监测系统。

十二、术语表