被动采样器的核心价值在于"以空间密度换取监测精度"——无需电源、无需泵驱动，仅靠分子扩散即可捕获空气中的氨气（NH₃）。但采样器并非"黑箱"，其数据可信度完全取决于一组可追溯的物理参数：扩散系数、几何因子和采样速率。本文从菲克定律出发，系统解析四款主流氨气被动采样器的技术参数，并提供完整的浓度计算流程。
1. 理论基础：从菲克定律到采样速率方程
被动采样的物理学基础是菲克第一扩散定律（Fick's First Law）。在稳态条件下，单位时间内通过扩散屏障的气体质量与浓度梯度、扩散面积成正比，与扩散路径长度成反比：
J = D × A × (C₁ − C₀) / L
其中：J 为扩散通量（单位时间通过的质量），D 为扩散系数（m²/s），A 为有效扩散截面积（m²），C₁−C₀ 为浓度梯度，L 为扩散路径长度（m）。
在被动采样器中，吸附剂表面浓度 C₀ ≈ 0（被持续吸收），因此浓度梯度即等于环境浓度 C。将扩散通量转换为采样速率 ϑ（uptake rate，单位 m³/h），得到核心方程：
ϑ = D × A × 3600 / L [m³/h]
该方程揭示了被动采样的三个关键参数：扩散系数 D（由目标气体种类和环境温度决定）、几何因子 A/L（由采样器结构决定）、以及将秒转换为小时的系数 3600。任何一款被动采样器的性能，本质上由这三个参数的乘积决定。
公式框：菲克第一定律及其在被动采样器中的应用推导
2. 关键参数详解
2.1 扩散系数 D —— 温度决定的气体属性
扩散系数 D 表征气体分子在空气中扩散的能力，它不是采样器的属性，而是目标气体（NH₃）在特定温度下的物理常数。根据 Massman (1998) 的权威综述，NH₃ 在空气中的扩散系数为：
| 温度条件 | D 值 (m²/s) | 来源 |
|---|---|---|
| 10°C (283 K) | 2.09 × 10⁻⁵ | CEH ALPHA 说明书引用值 |
| 20°C (293 K) | 2.25 × 10⁻⁵ | Massman (1998)，由 298K 校正至 293K |
| 25°C (298 K) | 2.32 × 10⁻⁵ | Massman (1998) 原始文献值 |
⚠️ 关键注意事项：D 值的参考温度因产品而异。ALPHA 说明书将 D = 2.09×10⁻⁵ 明确标注为 "at 10°C"，其采样速率也以 10°C 为基准。而 BH800 和 Analyst PAS06 的采样速率以 20°C 为基准。在实际应用中，必须确认每个产品采样速率对应的参考温度，不可混用。
温度对 D 的影响遵循幂函数关系：D ∝ T^1.81（EN 17346:2020 推荐指数）。这意味着温度每升高 1°C，扩散系数增加约 0.6%——在夏季高温（35°C vs 10°C基准）条件下，未经温度修正的浓度计算可能产生约 13% 的系统偏差。
2.2 几何因子 A/L —— 采样器的"身份证"
几何因子由采样器的物理结构决定，包含有效截面积 A 和扩散路径长度 L 两个参数。以 BH800 为例，其 4 层扩散结构（防尘网→疏水膜→层流层→扩散腔）的总等效路径 Σ(L/ε) = 12.165 mm，有效截面积 A = 3.142×10⁻⁴ m²。对于采用多孔膜或多层屏障的采样器，需考虑每层的孔隙率 ε——这解释了为什么相同外形尺寸的采样器，采样速率可能存在显著差异。
3. 四款主流氨气被动采样器参数对比
下表汇总了四款具有代表性的氨气被动采样器的核心参数。所有数据均来源于各产品官方说明书或已发表文献。
| 参数 | ALPHA® | Ogawa | Analyst PAS06 | BH800 |
|---|---|---|---|---|
| 制造商 | UKCEH（英国） | Ogawa & Co.（日本） | Envint（意大利） | BelleHan® / 鹏豪 |
| 采样器类型 | 轴向扩散（PTFE膜） | 双腔对称扩散 | 轴向扩散（不锈钢防风网筛） | 管式多层扩散 |
| 吸收剂 | 柠檬酸（Citric Acid） | 柠檬酸或磷酸 | 亚磷酸（H₃PO₃）或柠檬酸 | 甲基磺酸（MSA）+ 甘油 |
| 扩散系数 D | 2.09×10⁻⁵ @ 10°C | —（内置校准因子） | —（内置校准因子） | 2.25×10⁻⁵ @ 20°C |
| 采样速率 SR | 0.003241 m³/h @ 10°C | ~0.00097 m³/h | 0.001026 m³/h @ 20°C | 0.001936 m³/h @ 20°C |
| 温度修正公式 | ϑ_T = 0.003241×(T/283)^1.81 | — | ϑ_T = 0.001026×(T/293)^1.81 | ϑ_T = 0.001936×(T/293)^1.81 |
| 高湿适应性 | ⚠ RH>70% 潮解风险 | — | — | ✅ 20–90% RH（甘油保湿） |
关键差异解读：ALPHA 的采样速率最高（0.003241），约为 BH800 的 1.7 倍、Analyst 的 3.2 倍。更高的采样速率意味着在相同暴露时间内捕获更多氨气，有利于低浓度场景的检测灵敏度。BH800 的独特优势在于甘油保湿机制——在 RH 20-90% 范围内保持吸收剂液态酸膜稳定，不受环境湿度波动影响，适合中国全境各类气候条件。ALPHA 以柠檬酸为吸收剂（无保湿剂），在 RH > 70% 的潮湿环境中柠檬酸可能潮解液化，导致有效表面积减小、采样效率下降。
4. 浓度计算完整流程与实例
从采样滤膜到环境浓度，完整的计算流程包括三个步骤：
步骤一：从离子色谱到铵离子质量
实验室使用离子色谱仪（IC）分析滤膜提取液中的铵离子（NH₄⁺）浓度。通过标准曲线将色谱峰面积转换为溶液中 NH₄⁺ 浓度，再乘以提取液体积，得到滤膜捕获的铵离子质量 m(NH₄⁺)，单位 μg。需扣除实验室空白值。
步骤二：铵离子质量换算为氨气质量
铵离子（NH₄⁺，摩尔质量 18.04 g/mol）与氨气（NH₃，摩尔质量 17.03 g/mol）之间的换算系数为：
m(NH₃) = m(NH₄⁺) × 0.944
步骤三：计算环境浓度
根据 EN 17346:2020 标准方法，采样期间空气中氨气的平均质量浓度 C（μg/m³）按下式计算：
C = m(NH₃) / (ϑ_T × t)
其中 ϑ_T 为采样期间平均温度校正后的采样速率（m³/h），t 为暴露时间（h）。
计算实例（以 BH800 为例）
假设在华北某养殖场夏季布设 BH800 被动采样器，暴露时间 14 天（336 小时），期间平均气温 28°C。实验室测得滤膜 NH₄⁺ 质量为 12.5 μg（已扣空白）。
① 温度修正采样速率：
T = 28 + 273 = 301 K
ϑ_T = 0.001936 × (301/293)^1.81 = 0.001936 × 1.046 = 0.002025 m³/h
② 铵离子→氨气质量换算：
m(NH₃) = 12.5 × 0.944 = 11.80 μg
③ 浓度计算：
C = 11.80 / (0.002025 × 336) = 11.80 / 0.6804 = 17.34 μg/m³
若未做温度修正（直接用 20°C 的 ϑ = 0.001936），计算结果为 18.09 μg/m³，偏差约 4.3%。对于中国南方夏季平均 35°C 的场景，未修正偏差可达 8% 以上。
5. 温度修正速查表
以下为 BH800 和 ALPHA 在不同温度下的采样速率速查表，可直接用于现场浓度计算：
| 温度 (°C) | BH800 ϑ_T (m³/h) | ALPHA ϑ_T (m³/h) |
|---|---|---|
| 0°C | 0.001717 | 0.003038 |
| 10°C | 0.001830 | 0.003241 ← 基准值 |
| 20°C | 0.001936 ← 基准值 | 0.003452 |
| 30°C | 0.002073 | 0.003672 |
| 35°C | 0.002136 | 0.003785 |
关于 Ogawa：Ogawa 采样器在公开文献中通常以经验系数 α 进行浓度反算（αₙₕ₃ = 43.8 ppb·min/ng @ 20°C, 70% RH），其采样速率物理模型未公开披露。因此在上表中以等效 SR 值供参考。
6. 选型建议
| 应用场景 | 推荐产品 | 理由 |
|---|---|---|
| 低浓度背景监测 | ALPHA | 采样速率高，低浓度灵敏度好；UK NAMN 网络长期验证 |
| 养殖场边界排放监测 | BH800 / ALPHA | BH800高湿环境稳定；ALPHA适合干燥/温和气候 |
| 中国南方高湿地区 | BH800 | 甘油保湿，RH 20-90%稳定，无潮解风险 |
| 科研多点位网格化 | BH800 / Ogawa | 成本可控，参数可追溯/文献支持丰富 |
| 与国际研究数据对标 | ALPHA / Ogawa | 全球最多文献和监测网络数据支持 |
了解更多：
· 氨气被动采样原理科普｜从菲克定律到无动力扩散采样
· 氨气监测方法全面对比：被动采样 vs 主动采样 vs 遥感
· 查看PaSampler被动采样器产品线
参考文献：
[1] Massman, W.J. (1998). A review of the molecular diffusivities of H₂O, CO₂, CH₄, CO, O₃, SO₂, NH₃, N₂O, NO, and NO₂ in air, O₂ and N₂ near STP. Atmospheric Environment, 32(6), 1111–1127.
[2] EN 17346:2020. Ambient air — Standard method for the determination of the concentration of ammonia using diffusive samplers.
[3] Stephens, A. (2017/2024). ALPHA Sampler — Standard Operating Procedure. UK Centre for Ecology & Hydrology.
[4] Martin, N.A. et al. (2019). Validation of ammonia diffusive and pumped samplers. Atmospheric Environment, 199, 453–462.
[5] BelleHan® BH800 氨气被动采样器技术说明书（2026版）
[6] Analyst® PAS06 氨气被动采样器操作说明（2026版）