4. 采样器类型与工作原理

环境空气颗粒物采样器的选型，本质上要同时回答两个问题：抽多大流量，以及用什么方式把颗粒物按粒径分开。前者决定能采到多少质量、能否满足方法检出限；后者决定拿到的是TSP、PM10还是PM2.5。本节把流量等级与分级原理放在一起讲，是因为二者在实际采样中相互约束——分级切割器的切割粒径依赖入口流量，流量偏离设计值，切割粒径就会漂移，数据随之失真。

一、按流量划分的三类采样器

国内环境空气监测习惯按采样流量把采样器分为大流量、中流量和小流量三档，这一划分直接对应滤膜尺寸、切割器结构和适用场景。

大流量采样器通常以1.1～1.7 m³/min（约60～100 m³/h）工作，配20 cm×25 cm（8 in×10 in）石英或玻璃纤维滤膜，单张滤膜可采集数百微克至毫克级颗粒物。它的优势是富集量大、称重相对误差小，适合TSP和PM10的日均值监测，也适合后续做元素分析、碳组分分析等需要较大样品量的项目。缺点是体积大、噪声高、功耗大，需要固定站房或专用支架，且大流量下滤膜负荷重，采样时间一般控制在24 h以内。

中流量采样器常见流量为100 L/min（0.1 m³/min），配直径90 mm或80 mm的滤膜，是PM10和PM2.5手工监测的主力机型。它兼顾了样品量与便携性，可做成便携式或半固定式，适合例行监测、比对监测和临时点位。中流量采样器对流量控制精度要求较高，一般要求流量偏差在±5%以内，因为切割器的切割粒径对流量敏感。

小流量采样器流量多在1～30 L/min，常见16.7 L/min（1 m³/h）和5 L/min等规格，配37 mm或47 mm滤膜。它的特点是体积小、功耗低、可用电池供电，适合个体暴露监测、网格化布点、车载走航和长期无人值守观测。小流量采样单张滤膜富集量小，对天平称重精度（通常要求0.1 mg或0.01 mg）和滤膜本底一致性要求更高，采样时间往往需要延长到24 h甚至更长。

二、三种分级原理：冲击式、旋风式、滤膜式

颗粒物分级依靠切割器实现，常见原理有三类，其分离机制和适用流量各不相同。

冲击式（惯性撞击式）分级器让气流经加速喷嘴形成高速射流，正对喷嘴下方放置一块涂有收集介质的撞击板。惯性大的粗颗粒来不及随气流偏转，撞在板上被截留；惯性小的细颗粒随气流绕过撞击板进入下游。改变喷嘴直径、喷嘴到板的距离和下游流量，就能设定不同的切割粒径。冲击式的优点是切割曲线陡、分级明确，可做成多级串联实现粒径谱分级（如安德森级联撞击器）；缺点是对流量非常敏感，撞击板需要涂脂或涂油，维护要求高，高浓度下易过载。

旋风式（气旋式）分级器使气流沿圆筒内壁高速旋转，粗颗粒在离心力作用下甩向壁面并沿壁面下落进入收集瓶，细颗粒随中心上升气流从顶部排出。旋风式的优点是结构简单、无运动部件、容量大、不易堵塞，适合高浓度或长时间采样；缺点是切割曲线相对平缓，切割粒径受流量和内部几何尺寸影响明显，小流量下旋风体尺寸很小，加工精度要求高。

滤膜式分级并非真正意义上的“分级”，而是用不同孔径的滤膜直接截留。例如用孔径0.3 μm或0.45 μm的滤膜采集细颗粒物，或用带孔径梯度的膜做粗分级。严格说，滤膜截留是“过滤”而非“按空气动力学粒径切割”，其截留效率随粒径渐变，不能等同于PM10或PM2.5的切割定义。因此滤膜式多用于总悬浮颗粒物采集或作为采样系统的终端收集介质，而不是标准意义上的粒径切割器。

三、适用条件与选型判断

把流量和分级原理组合起来，选型就有了清晰的判断路径。做TSP或PM10日均值、需要较大样品量做组分分析，优先选大流量配冲击式或旋风式切割器；做PM2.5手工监测、需要与标准方法比对，选中流量100 L/min配冲击式或旋风式切割器；做个体暴露、走航或网格化布点，选小流量配小型旋风式或冲击式切割器。若只是采集总悬浮颗粒物、不要求严格粒径切割，可用滤膜式直接截留，但报告中必须说明这是过滤采集而非切割分级。

实际选型还要核对三个参数：一是切割粒径与流量是否匹配，切割器的设计流量是固定的，不能随意调低或调高；二是滤膜尺寸与称重能力是否匹配，小流量滤膜富集量小，实验室天平感量要够；三是现场供电与噪声条件，大流量设备不适合居民区近距离长时间运行。以某城市例行监测点为例（示例假设）：该点需同时报出PM10和PM2.5日均值，选用中流量100 L/min采样器两台，分别配PM10和PM2.5切割器，滤膜为φ90 mm石英膜，采样24 h，流量偏差控制在±5%以内，采样前后在恒温恒湿间平衡24 h后称重。这一配置既满足方法要求，又便于与自动监测数据比对。

四、流量控制与分级效果的关联

无论哪种分级原理，切割粒径都与入口流量存在确定的对应关系。冲击式的斯托克斯数、旋风式的离心沉降速度，都随流量变化而改变。因此采样器必须配备流量控制装置：大流量多用孔板或文丘里配压差传感器，中流量多用质量流量控制器或转子流量计加恒流泵，小流量多用微型质量流量计。采样前要用标准流量计校准，采样中记录流量，采样后核对累计体积。若流量记录出现明显波动，该样品应判为无效或降级使用。

理解“流量—切割粒径—滤膜负荷”这条链，就能明白为什么采样器不能随意混用配件，也能明白为什么方法标准对流量偏差、校准周期和滤膜规格都有明确规定。选型不是挑一台能抽气的泵，而是让流量、切割器和滤膜三者形成匹配的采样系统。