氣象論文大氣細顆粒物檢測技術

　　本篇氣象論文為更好地治理霧霾，減輕因顆粒物所造成的環境污染危害，建立覆蓋城鄉的PM2.5全天候在線監測網絡體系，形成檢測數據庫，為研究空氣污染物中PM2.5對人群健康的影響奠定基礎;同時，加大對PM2.5檢測技術和檢測儀器的研發及推廣應用，確保PM2.5的監測結果能夠真實反映空氣受污染的程度，為環境治理和決策提供科學可靠的數據支持。《氣象與環境科學》(CN41-1386/T，ISSN1673-7148)是由河南省氣象局主辦、河南農業大學等4單位協辦的自然科學綜合性學術刊物，每期免費為農大師生提供10個版面，主要刊載有關氣象與環境應用領域(如氣象與環境、氣象與農業、氣象與園藝、氣象與病蟲害、氣象與生態、氣象與林業、氣象與畜牧和氣象與減災等)的具有創新性的、高水平的、有重要意義的研究成果和有獨到見解的綜述性論文，為氣象、農業、林業和環保等部門的科研和業務人員搭建一個學術交流的平臺。

　　大氣細顆粒物(PM2.5)又稱可入肺顆粒物，是空氣動力學直徑在2.5μm及以下的細顆粒物，鼻毛和呼吸道的絨毛均不能將其擋住，直接影響肺部氣體交換，對老人、兒童和心肺疾病患者等敏感人群風險較大，會誘發呼吸系統疾病、慢性阻塞性肺疾病、哮喘等，甚至還可能致癌[1]。PM2.5的污染治理及監測情況是當前社會各界關注的熱點。因此，在2012年新修訂的《環境空氣質量標準》中，PM2.5質量濃度被納入空氣質量監測指標之一[2]。2015年《中國環境狀況公報》顯示，全國338個城市開展空氣質量新標準監測的空氣質量超標天數中，以PM2.5為首要污染物占超標天數的66.8%，PM2.5年均濃度為11~125μg/m3，平均為50μg/m3(超過國家二級標準0.43倍);日均值超標天數占監測天數的17.5%[3]。PM2.5成分復雜，但主要成分包括元素碳、各種鹽類及有機碳化合物、重金屬，主要來源為地殼中含量豐富的鈉、鎂、鈣、鋁、鐵等自然元素源，化石燃料燃燒排放及汽車等交通工具的尾氣排放[4]。

　　1、PM2.5檢測技術進展

　　PM2.5檢測主要有3個方面：(1)對PM2.5質量濃度的檢測技術，有β射線吸收法、重量法、微震蕩天平法、光散射法4種[5];(2)對PM2.5化學組分的檢測技術;(3)對PM2.5在線自動監測[6]。1.1PM2.5質量濃度檢測技術1.1.1β射線吸收法基本原理是放射源14C發出的β射線粒子穿過一定厚度的濾紙時，β粒子被吸收，即β粒子的強度會隨著濾紙吸收PM2.5增多而逐漸減弱[5]。梁艷等[6]用β射線法的原理研究出新型PM2.5質量濃度的自動監測系統，通過流量恒定控制及PM2.5切割器、動態加熱、原位檢測、濾紙傳動后，檢測出PM2.5的質量濃度，該方法提出原位連續檢測的方式，從根本上解決了紙帶移動帶來的測量誤差，實現采樣和檢測的同時進行，還可實現遠程監測在線自動控制。該方法的相對標準偏差(RSD)、準確度、可靠性等均滿足方法學的要求，但具有一定的局限性，檢測結果易受自然放射源、氣體流量、濕度、濾膜與PM2.5粒子均一性的影響。1.1.2重量法又稱手工法，是最直接、最可靠的方法之一，是驗證其他方法是否準確的標桿，也是國家環境空氣質量標準中的規定方法[7]。該方法是指PM2.5直接截留在濾膜上，然后用天平稱質量，計算顆粒物質量濃度。

　　某些極細的顆粒可能穿過濾膜，但只要濾膜對0.3μm以上的顆粒截留效率大于99%就算合格[8]。但其操作煩瑣而費時，多用于進行單點、某時間段內的采樣與監測，或作為其他方法的比對方法[9]。劉巍等[10]建立重量法檢測參數的數學模型，并找到影響重量法檢測結果不確定度的主要原因是天平稱量和流量控制帶來的不確定。1.1.3微量振蕩天平法該法基于錐形元件振蕩微量天平原理，是在質量傳感器內安裝一個振蕩空心錐形管，在空心錐形管振蕩端上安放可更換的濾膜，振蕩頻率取決于錐形管特性和質量[8]。該方法屬于重量法，方法較經典，能客觀反映顆粒物的真實濃度，是目前國內大部分PM2.5在線監測設備使用的方法。趙美等[11]用β射線法和微量振蕩天平法比較環境空氣PM2.5在線監測設備應用情況，研究得出，用微量振蕩天平法準確性較β射線法高，并且結構簡單、維護方便、市場價位低，可滿足一般檢測需求，但對環境要求高，不適合潮濕地區和污染嚴重的城市。也有研究者采用微量振蕩天平法與激光散射單粒子法在氣溶膠觀測中的對比試驗研究，2種方法檢測的一致性相對較好，但在高相對濕度情況下，微量振蕩天平法的檢測穩定性相對較差[12]。

　　1.1.4光散射法該方法是在一定環境條件下，當光照射在空氣中懸浮顆粒物時產生散射光，顆粒物質量濃度與散射光強度成正比，通過計算出微粒的散射光強度來確定顆粒質量濃度。該方法具有測量速度快、靈敏度高、重復性好、在線非接觸測量、適用性強等諸多優點，是目前測定PM2.5濃度的常用方法。周向陽等[13]基于光散射法的PM2.5檢測原理設計了光電采集、控制處理、顯示預警和電源4個模塊，通過優化數學模型和完善光路結構等措施，實現PM2.5的實時監控和預警，具有一定的測量準確度、實時性及成本低廉的優點。葉金晶等[14]用激光散射法及粒子計數原理設計了基于Arduino的PM2.5和溫濕度實時檢測器，實現實時檢測，每2.5秒更新1次檢測數據，間隔時間短，并有空氣質量等級報告功能。

　　2、PM2.5的組分含量檢測技術

　　PM2.5中含有各種鹽類、有機碳化合物、重金屬等有毒、有害物質，對于PM2.5中有毒、有害物質檢測研究也常見報道。其中，周穎等[15]通過預處理石英纖維濾膜進行空氣樣品采集，樣品經二氯甲烷和甲醇超聲萃取、濃縮、定容后，再利用氣相色譜-質譜聯用儀聯用DB-5彈性石英毛細柱進行測定，對調節檢測參數條件，檢出大氣顆粒物PM2.5中27種多環芳烴(PAHS)類污染物。該方法的空白加標和基質加標回收率、精密度滿足實驗分析方法的要求。劉保獻等[16]建立了超聲提取氣相色譜-聯質譜法，并對PM2.5中16種PAHS進行檢測分析，研究了離子源溫度對測定和方法性能指標的影響，通過優化碰撞電壓，對實際樣品的測定驗證了方法的適應性。研究表明，PM2.5中16種PAHS在高、低濃度標準線的線性關系良好，相關系數(r)在0.995~0.999時方法的準確度和精密度較高，通過對PAHS濃度范圍為0.04~1.04ng/m3的夏季實際樣品和0.2～30.0ng/m3的冬季實際樣品的檢測分析，證明了該方法具有較低的檢出限及較強的復雜基質抗干擾能力，能很好地滿足PM2.5中PAHS的測定要求。有研究者比較分析了索氏與超聲法2種前處理方法在PM2.5中PAHS檢測的優劣[17]。

　　通過用乙腈作為萃取溶液，并且比較2種前處理方法的精密度、準確度、加標回收率;從實驗結果分析得出，索氏提取法的提取效率較高，但萃取的穩定性差，超聲提取操作方法簡單、穩定較好，導致樣品損失較少。王肖紅等[18]建立用超聲提取-超高效液相色譜串聯質譜測定法對大氣PM2.5中15種鄰苯二甲酸酯(PAEs)的檢測。該方法以丙酮、甲醇為提取液，以ACQUITYCSHTMFluoro-Phenyl柱分離，以甲醇和水為流動相，以質譜多反應監測(MRM)模式檢測，以外標法進行定量。研究結果顯示，大多數PAEs在0.1~450.0μg/L內線性關系良好，r均大于0.996，15種PAEs的定量限為0.006~3.530ng/m3，14種PAEs加標回收率在80.3%~113.0%。該方法能消除空白干擾問題，溶劑用量少、靈敏度高、選擇性強，適用于PM2.5中15種PAEs含量的測定。王秦等[19]針對霧霾天氣下，用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)分析PM2.5樣品中36種元素總量，并采用富集因子對元素濃度特征進行分析。該方法可以同時檢測霧霾天氣下PM2.5多種主、痕量金屬元素，精密度和準確性良好，并且可以檢測出霧霾天氣發生時，有毒重金屬元素的來源。劉合凡等[20]用波長色散X熒光光譜法對室內PM2.5樣品進行無機元素組分分析。該方法可實現多元素的快速、準確、低成本分析，同時省去樣品預處理，與原子吸收、ICP-MS等方法相比較，具有簡單快速、無須樣品前處理、非破壞性等優點，可對無機元素進行定性和定量分析。

　　也有研究者通過改進型色譜法測定PM2.5中六價鉻含量[21]。趙巖[22]用離子色譜法檢測PM2.5中水溶性離子。該方法簡單易于操作，穩定性好、重現性好，檢出限低、精密度高、RSD、加標回收率滿足質控要求，取得了較好的實驗效果。古金霞等[23]也采用離子色譜檢測技術對天津市PM2.5中8種水溶性無機離子(Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42-、NO3-和Cl-)組分進行檢測，根據NO3-/SO42-比值分析表明，機動車排放和燃煤是天津PM2.5的主要來源。朱鳳芝等[24]在2014年6月對廣州市某區域室內外環境中PM2.5濃度水平及PM2.5中金屬元素的污染特征進行監測分析，監測結果顯示，室內外PM2.5平均濃度為22.35～111.51pg/m3;PM2.5中的金屬元素占1.28%～5.74%，并利用相關分析和因子分析得出PM2.5中大部分金屬元素主要來自周邊的工業區、交通源及燃燒源。

　　韓曉鷗等[25]在遼寧省霧霾嚴重區域設定固定監測點，利用種離子色譜電導檢測法對PM2.5中的5種水溶性無機陽離子(Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+)進行監測分析，各組分均在各自的線性范圍內，峰面積與質量濃度呈良好的線性關系，r均大于0.999，Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+的檢出限分別為0.0008、0.0025、0.0020、0.0020、0.0014μg/m3，各組分的回收率為91.9%～108.0%，RSD為0.2%～3.5%，該方法的分離度高，在空氣中陽離子干擾少;同時該方法的靈敏度高、檢出限低，回收率、精密度均符合方法學要求，可作為霧霾天氣中5種陽離子的檢測。張向云等[26]針對大氣氣溶膠中有機質組分的復雜性，建立了PM2.5中總有機碳質組分的13C固體核磁共振檢測分析方法，該方法使樣品無須進行前處理即可進行檢測，并利用該方法獲得了太原、新鄉、廣州冬季PM2.5樣品中總有機物的化學組分。有檢測結果顯示，該方法操作簡單，檢測快速準確，可以滿足大氣氣溶膠總有機成分的檢測，為大氣霧霾污染治理提供科學依據，同時也為大氣沉降物、土壤有機質、頁巖等環境和地質樣品中的總有機成分檢測提供了參考。

　　3、PM2.5在線自動監測技術

　　科研機構與相關科研人員關于PM2.5的檢測儀器研發也有報道，其中，王路等[27]以STC90C51單片機為核心控制器，采用GP2Y1050AUOF灰塵傳感器和DS18B20溫度傳感器對空氣中PM2.5濃度和環境溫度同時進行檢測，經A/D轉換，完成了數據采集、計算與處理，實現了PM2.5質量濃度、溫度、時間實時顯示的多功能檢測。夏普公司初推出PM2.5檢測模塊DN7C3JA001，該檢測模塊將分流器高精度傳感器結合使其體積明顯減小，并且在實際檢測操作過程中可以對PM2.5等細顆粒污染物進行檢測;同時也能夠對PM10等更大的懸浮物顆粒進行檢測，其操作便捷、檢測用時短，10s即可[5]。也有研究者提出，在互動APP環境下霧霾檢測的研究設計，方便用戶直觀地了解霧霾[28]。

　　綜上所述，PM2.5在大氣中的質量濃度及組成成分是霧霾天氣的主要污染物，嚴重影響空氣質量和危害人體健康，PM2.5檢測數據的準確度越來越受到關注。科研工作者對PM2.5的檢測原理、檢測方法、檢測儀器及相關監測系統進行大量的探索研究，取得了重要的研究成效。

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