採樣方法

一般生物氣膠的採樣皆是藉由可控制空氣流量的抽氣馬達，將室內空氣 抽引至生物氣膠收集系統，再根據收集系統原理計算出生物氣膠濃度。目前 市面上流通之收集系統大致上可分為慣性與非慣性，前者係利用粒子的慣性，

使粒子從氣流中分離，被液態或固態收集介質捕捉，這類型的採樣器又可根 據分離機制不同，分為衝擊式 (impaction)、撞擊式 (impingement)、離心式 (centrifugation) 等三類；而非慣性收集系統則是直接使氣流通過多孔介質，

達到分離微粒與氣流的效果，另外也可利用電力來捕捉氣膠微粒，此類收集 系統常見的有過濾式 (filtration) 採樣器 (Martinez, 2004)。然而這些採樣器 所收集的生物氣膠微粒不一定具有生命現象 (也就是具新陳代謝機制或是 繁殖作用)，如花粉、死細菌、微生物片段等，我們稱這些不具有生命現象 的生物氣膠為 nonviable bioaerosols，反之則稱為 viable bioaerosols，這兩種 微粒性質的差異，會導致在採樣器的選擇及定量技術的選用上有所不同。

而 viable bioaerosols 雖然具有生命現象，為可繁殖的微生物，但並不是 所有微生物皆可以在實驗室中培養，尚需根據微生物的生長條件如溫濕度、

營養成分等決定，若因無法達到微生物生長條件，導致無法在實驗室培養下 繁殖的微生物稱 nonculturable organisms，反之可在實驗室中培養的微生物 則稱為 culturable organisms，這類可培養的微生物除了可計量微生物濃度，

尚可用來鑑定空氣中微生物種類分佈，但因培養上的限制，計量上常會出現 低估情形 (Jensen and Millie, 1998)。因此根據欲收集的生物氣膠種類、粒徑、

濃度以及採樣環境的特性，從多樣化的採樣器中挑選出適合的採樣器也是一 大課題，目前世界各國的標準方法或是環保法規中，皆未強制規定採樣器的

型式，僅由檢測人自行判斷選用，以下僅針對市面上常見的幾項生物氣膠採 樣器作概略介紹。

1. Impaction

衝擊式採樣器構造通常包含一至多個噴孔 (nozzle，圓孔形或狹縫型) 與衝擊目標，其收集效率與生物微粒的氣動直徑 (aerodynamic diameter, d_ae) 有關，dae定義為當某粒子和 1 g/cm³密度的圓球粒子沉降速度相同時，則此 1 g/cm³圓粒直徑即為該粒子之氣動直徑，當生物氣膠隨著氣流衝撞到噴孔 時，d_ae大於噴孔截取粒徑 (cut-off diameter, d₅₀) 的微粒會被截留，小於噴孔 d50 的微粒則會通過噴孔，進而被衝擊目標所收集，而收集微粒的衝擊目標 通常是培養皿，其內可盛裝濾紙、油脂或是培養基等，視欲收集微粒性質來 決定 (Jensen and Millie, 1998)。目前市面上的衝擊式採樣器型式相當多種，

以下就文獻中較常見的採樣器，分成 culturable 與 nonculturable 兩類簡單介 紹，並將採樣器的截取粒徑範圍列於圖 2-1。

(1) culturable

Andersen (1958) 改 良 了 原 來 的 衝 擊 式 多 孔 階 層 採 樣 器 (multi-hole cascade impactor aerosol collector)，將衝擊目標改為盛裝培養基 (agar) 的培 養皿，藉由培養後計算菌落數，便可測量空氣中可培養的細菌或真菌濃度，

而多階採樣器的主要功用為利用每階噴孔的截取粒徑不同，可用來採集不同 粒徑的微生物，得知空氣中微生物的粒徑分布，此種採樣器便是至今仍被經 常使用的 Andersen six-stage viable sampler (Andersen 6-STG)，其各階層收集 粒徑以及微粒對人體呼吸系統的貫穿程度均列於表 2-6。隨後有人以 Andersen 6-STG 為原型，發展出 Andersen two stage viable sampler (Andersen 2-STG) 與 Andersen single stage viable particle sampler (Andersen 1-STG, or Andersen N6 single stage viable impactor)，前者的兩階分別收集無法吸入人 體以及可吸入人體的生物微粒，而後者則取自 Andersen 六階採樣器的第六

0.1 1 10 Biotest RCS

ACE AGI-30

Personal Volumetric Air Sampler Burkard Spore trap (1,7-Day) Mattson-Garvin STA

PBI SAS

Andersen 1-STG Andersen 2-STG Andersen 6-STG

0 1

II I III V IV

VI

Cut-off Diameter, d₅₀ (µm)

階，其收集粒徑範圍相當於一整臺 Andersen 六階採樣器，此兩種生物氣膠 採樣器均為 NIOSH 所推薦使用來採集可培養微生物 (Lonon, 1998; Martinez et al., 2004)。

圖 2-1 市面上常見的生物氣膠採樣器之截取粒徑

表 2-6 Andersen 6-STG 各階收集粒徑與人體呼吸道貫穿程度 階層 收集粒徑 (µm) 呼吸系統貫穿程度

1 7 以上 無法吸入 (nonrespirable) 2 4.7-7 咽喉 (Pharynx)

3 3.3-4.7 氣管 (Trachea) 與主支氣管 (primary bronchi) 4 2.1-3.3 次級支氣管 (secondary bronchi)

5 1.1-2.1 終末細支氣管 (terminal bronchi)

6 0.65-1.1 肺泡

資料來源：Martinez et al., 2004

上述 Andersen 系列採樣器，使用上均為固定在定點測量，採樣所得數 值為環境空氣中微生物濃度，對於評估個人的生物氣膠暴露情形較不夠準確，

故因 Surface Air Sampler (SAS) 使用內建以電池為動力的抽氣幫浦，屬便攜 式 (portable) 多孔採樣器，可應用於個體生物氣膠暴露情形測量，其衝擊目 標 為 盛 裝 培 養 基 的 RODAC 培 養 皿 (Replicate organism detection and counting plate)。另外尚有 slit-to-agar sampler (STA)，其以一個 1 mm 的狹縫 取代多噴孔，衝擊目標為放置在旋轉底座上的培養皿，使培養基表面可均勻 接觸氣流，可用於稍長時間的採樣 (約 20-60 分鐘) ( Martinez et al., 2004)。

(2) nonculturable

nonculturable 採樣器通常用來收集供顯微鏡分析的生物氣膠，可作為計 數或鑑定用途，常用來研究空氣中花粉與真菌孢子種類，以供疾病傳播與治 療研究。Hirst (1952) 設計了吸捕式採樣器 (suction trap)，其透過一狹孔吸 捕空氣中真菌孢子，使孢子隨氣流衝擊到塗佈凡士林的玻璃載玻片上，便可 應用於顯微鏡觀察，目前市面上常見的此類型採樣器有 Burkard volumetric spore trap，其優勢在於能有效收集室外生物氣膠並計量濃度。若將上述採樣 器改良成體積較小及使用電池做為能源的幫浦，便為方便攜帶的 Burkard personal volumetric air sampler，其保存了 suction trap 採集效率高的優點，但 不適用於長時間採樣 (Martinez et al., 2004)。

2. Impingement - culturable

impinger 其實就是以液體最為衝擊目標的一種特殊 impactor，其以高速 抽引空氣，使粒子產生慣性力撞擊到底盤緩衝液，便可為液體所收集，此類 型採樣器為增加所收集微生物的活性、提升微生物收集種類、預防緩衝液產 生泡沫或濺起、降低對微生物的傷害等作用，會添加蛋白質、去泡劑、防凍 劑等添加物，對於乾燥的易感染性微生物，以 impingers 採樣可使微生物的 存活率較高。然而採樣器的高速抽引空氣也會使粒子高速衝擊緩衝液，對微

生物造成額外的壓力、使粒子彈出緩衝液外或使緩衝液產生泡沬，進而降低 採集效率(Lonon, 1998; Martinez et al., 2004)。

大部分 impinger 為玻璃製的一階採樣器，文獻中常見的型號為 All-Glass Impinger (AGI)，優點為價格低廉、易於操作與消毒，其噴嘴 (jet) 為一彎曲 的短毛細管，此構造不但可以減少微生物衝擊到緩衝液時所產生的損害，且 其機制與人體鼻腔吸入微粒的情形相似，較大的微粒 (無法吸入人體，

nonrespirable) 會因慣性力滯留在毛細管壁上，而其他可吸入人體(respirable) 的較小微粒 則通過毛細管被緩衝液收集，此作用使 AGI 可有效應用於感 染性微生物的研究上，而緩衝液通常為簡單的鹽類溶液如磷酸鹽溶液所構成，

若量測目標為空氣中總微生物濃度，採樣結束會使用已知體積的緩衝液衝洗 毛細管，以得到 nonrespirable 微粒，之後收集緩衝液以 0.45 µm 濾紙過濾，

再將濾紙放置在適合的培養基裡培養，便可用於計量濃度及鑑定菌種(Lonon, 1998; Martinez et al., 2004)。

3. Centrifugation - culturable

離心式採樣器如 Biotest Reuter Centrifugal bioaerosol sampler (RCS)，為 使用電池能源幫浦的便攜式採樣器，進流空氣會旋轉然後利用離心力使較大 的生物微粒撞擊到培養基表面，但是此類型採樣器不適用於採樣真菌，因其 含有孢子構造，可能會造成真菌生長過多導致測量濃度偏高。而離心式採樣 器對於進流空氣流量計算與其他類型採樣器較為不同，可分為採樣空氣總體 積 (sample volume) 與分離生物氣膠的氣流體積 (separation volume)，前者 在採樣器葉輪 (impeller) 轉速 4096 rpm 下，建議流量為 280 L/min，後者則 由製造廠商根據進流氣體在指定半徑上的速度剖面圖，以數學方式計算，作 為微生物定量計算時的空氣體積 (Martinez et al., 2004)。

4. Filtration

過濾式採樣器顧名思義為利用濾紙來收集生物微粒，這些濾紙材質大致 上可分為由纖維層疊覆蓋產生孔隙的多孔纖維 (porous fibrous)、由膠體疊蓋 產生孔隙的多孔膠膜 (porous gel membrane) 以及由單層均勻大小孔洞所構 成的毛細管膜 (capillary pore membrane) 三大類，此三類中常應用於生物氣 膠收集的材質包含玻璃纖維、混和纖維素酯 (MCE)、聚氯乙烯、聚碳酸酯、

聚四氟乙烯 (PTFE或稱鐵氟龍)、明膠等 (Martinez, 2004)，選用上需根據目 標汙染物的種類或是採用的分析方法而定，例如欲應用於測重分析，需選擇 不吸濕的玻璃纖維或聚氯乙烯濾紙；欲應用於顯微鏡分析，選擇MCE或聚 碳酸酯濾紙 (Lonon, 1998)；欲收集真菌孢子，可選擇毛細管膜類濾紙，再 使用掃描式電子顯微鏡、螢光顯微鏡、流式細胞儀或直接培養分析；明膠濾 紙則可以溶化於營養素中，應用於培養分析 (Eduard and Heederik, 1998)。

濾紙主要是藉由衝擊與阻截作用 (interception) 來捕集微粒，衝擊作用 為當較大較重的微粒流經濾紙時，會因慣性而脫離氣流撞向濾紙；阻截作用 則發生在當微粒流入濾孔後，彎曲的孔洞會破壞微粒流速平衡，微粒進而因 慣性力附著在孔洞彎曲處，其他如因濾紙與微粒之間靜電力產生的沉澱作用 (electrostatic deposition)、地心引力造成微粒沉澱 (Gravitational settling)、

Brownian motion導致細小微粒附著濾紙的機會大增 (diffusion) 等，皆是造 成微粒被捕集的原因之一。因此一般濾紙孔徑雖在0.1-10 µm之間，當微粒 粒徑大於所選的濾紙孔徑時，捕集效率可達100%；若微粒粒徑小於孔徑時，

也會因上述作用達到良好的捕集效率 (Lonon, 1998; Martinez et al., 2004)。

採樣時濾紙通常裝設在open-face或closed-face plastic filter cassettes，使 用真空馬達抽引空氣，使用的濾紙直徑為37或47 mm，因為在一定的空氣流 量下，濾紙面積越大可使氣流通過濾紙時的壓降減低，壓降通常與濾紙的收 集效率成負相關；而濾紙面積越小則會使微粒集中沉澱，導致濾紙單位面積

的顆粒密度提高，可應用於顯微鏡分析空氣中濃度較低的微生物。此類型採 樣器最常使用的規格為37 mm closed-faced cassette，空氣流量為2 L/min，但 是其常因組裝過程不當或是微粒不均勻沉澱導致滲漏。這些過濾式採樣器在 生物氣膠採樣上，經常用於收集可抗乾燥的真菌或內芽孢 (endospore) 型態

的顆粒密度提高，可應用於顯微鏡分析空氣中濃度較低的微生物。此類型採 樣器最常使用的規格為37 mm closed-faced cassette，空氣流量為2 L/min，但 是其常因組裝過程不當或是微粒不均勻沉澱導致滲漏。這些過濾式採樣器在 生物氣膠採樣上，經常用於收集可抗乾燥的真菌或內芽孢 (endospore) 型態