氣象論文大氣細(xì)顆粒物檢測(cè)技術(shù)

　　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(huán)境污染危害，建立覆蓋城鄉(xiāng)的PM2.5全天候在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，形成檢測(cè)數(shù)據(jù)庫，為研究空氣污染物中PM2.5對(duì)人群健康的影響奠定基礎(chǔ);同時(shí)，加大對(duì)PM2.5檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)儀器的研發(fā)及推廣應(yīng)用，確保PM2.5的監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠真實(shí)反映空氣受污染的程度，為環(huán)境治理和決策提供科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)支持�！�氣象與環(huán)境科學(xué)》(CN41-1386/T，ISSN1673-7148)是由河南省氣象局主辦、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)等4單位協(xié)辦的自然科學(xué)綜合性學(xué)術(shù)刊物，每期免費(fèi)為農(nóng)大師生提供10個(gè)版面，主要刊載有關(guān)氣象與環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域(如氣象與環(huán)境、氣象與農(nóng)業(yè)、氣象與園藝、氣象與病蟲害、氣象與生態(tài)、氣象與林業(yè)、氣象與畜牧和氣象與減災(zāi)等)的具有創(chuàng)新性的、高水平的、有重要意義的研究成果和有獨(dú)到見解的綜述性論文，為氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)和環(huán)保等部門的科研和業(yè)務(wù)人員搭建一個(gè)學(xué)術(shù)交流的平臺(tái)。

　　大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)又稱可入肺顆粒物，是空氣動(dòng)力學(xué)直徑在2.5μm及以下的細(xì)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(duì)老人、兒童和心肺疾病患者等敏感人群風(fēng)險(xiǎn)較大，會(huì)誘發(fā)呼吸系統(tǒng)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(jiān)測(cè)情況是當(dāng)前社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)。因此，在2012年新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中，PM2.5質(zhì)量濃度被納入空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一[2]。2015年《中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，全國338個(gè)城市開展空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的空氣質(zhì)量超標(biāo)天數(shù)中，以PM2.5為首要污染物占超標(biāo)天數(shù)的66.8%，PM2.5年均濃度為11~125μg/m3，平均為50μg/m3(超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.43倍);日均值超標(biāo)天數(shù)占監(jiān)測(cè)天數(shù)的17.5%[3]。PM2.5成分復(fù)雜，但主要成分包括元素碳、各種鹽類及有機(jī)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(cè)技術(shù)進(jìn)展

　　PM2.5檢測(cè)主要有3個(gè)方面：(1)對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的檢測(cè)技術(shù)，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(duì)PM2.5化學(xué)組分的檢測(cè)技術(shù);(3)對(duì)PM2.5在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)[6]。1.1PM2.5質(zhì)量濃度檢測(cè)技術(shù)1.1.1β射線吸收法基本原理是放射源14C發(fā)出的β射線粒子穿過一定厚度的濾紙時(shí)，β粒子被吸收，即β粒子的強(qiáng)度會(huì)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(zhì)量濃度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過流量恒定控制及PM2.5切割器、動(dòng)態(tài)加熱、原位檢測(cè)、濾紙傳動(dòng)后，檢測(cè)出PM2.5的質(zhì)量濃度，該方法提出原位連續(xù)檢測(cè)的方式，從根本上解決了紙帶移動(dòng)帶來的測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)采樣和檢測(cè)的同時(shí)進(jìn)行，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)在線自動(dòng)控制。該方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)、準(zhǔn)確度、可靠性等均滿足方法學(xué)的要求，但具有一定的局限性，檢測(cè)結(jié)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(yàn)證其他方法是否準(zhǔn)確的標(biāo)桿，也是國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)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(zhì)量，計(jì)算顆粒物質(zhì)量濃度。

　　某些極細(xì)的顆�？赡艽┻^濾膜，但只要濾膜對(duì)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(fèi)時(shí)，多用于進(jìn)行單點(diǎn)、某時(shí)間段內(nèi)的采樣與監(jiān)測(cè)，或作為其他方法的比對(duì)方法[9]。劉巍等[10]建立重量法檢測(cè)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并找到影響重量法檢測(cè)結(jié)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(zhì)量傳感器內(nèi)安裝一個(gè)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(zhì)量[8]。該方法屬于重量法，方法較經(jīng)典，能客觀反映顆粒物的真實(shí)濃度，是目前國內(nèi)大部分PM2.5在線監(jiān)測(cè)設(shè)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(huán)境空氣PM2.5在線監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用情況，研究得出，用微量振蕩天平法準(zhǔn)確性較β射線法高，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、市場(chǎng)價(jià)位低，可滿足一般檢測(cè)需求，但對(duì)環(huán)境要求高，不適合潮濕地區(qū)和污染嚴(yán)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(cè)中的對(duì)比試驗(yàn)研究，2種方法檢測(cè)的一致性相對(duì)較好，但在高相對(duì)濕度情況下，微量振蕩天平法的檢測(cè)穩(wěn)定性相對(duì)較差[12]。

　　1.1.4光散射法該方法是在一定環(huán)境條件下，當(dāng)光照射在空氣中懸浮顆粒物時(shí)產(chǎn)生散射光，顆粒物質(zhì)量濃度與散射光強(qiáng)度成正比，通過計(jì)算出微粒的散射光強(qiáng)度來確定顆粒質(zhì)量濃度。該方法具有測(cè)量速度快、靈敏度高、重復(fù)性好、在線非接觸測(cè)量、適用性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前測(cè)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(cè)原理設(shè)計(jì)了光電采集、控制處理、顯示預(yù)警和電源4個(gè)模塊，通過優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和完善光路結(jié)構(gòu)等措施，實(shí)現(xiàn)PM2.5的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，具有一定的測(cè)量準(zhǔn)確度、實(shí)時(shí)性及成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。葉金晶等[14]用激光散射法及粒子計(jì)數(shù)原理設(shè)計(jì)了基于Arduino的PM2.5和溫濕度實(shí)時(shí)檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，每2.5秒更新1次檢測(cè)數(shù)據(jù)，間隔時(shí)間短，并有空氣質(zhì)量等級(jí)報(bào)告功能。

　　2、PM2.5的組分含量檢測(cè)技術(shù)

　　PM2.5中含有各種鹽類、有機(jī)碳化合物、重金屬等有毒、有害物質(zhì)，對(duì)于PM2.5中有毒、有害物質(zhì)檢測(cè)研究也常見報(bào)道。其中，周穎等[15]通過預(yù)處理石英纖維濾膜進(jìn)行空氣樣品采集，樣品經(jīng)二氯甲烷和甲醇超聲萃取、濃縮、定容后，再利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀聯(lián)用DB-5彈性石英毛細(xì)柱進(jìn)行測(cè)定，對(duì)調(diào)節(jié)檢測(cè)參數(shù)條件，檢出大氣顆粒物PM2.5中27種多環(huán)芳烴(PAHS)類污染物。該方法的空白加標(biāo)和基質(zhì)加標(biāo)回收率、精密度滿足實(shí)驗(yàn)分析方法的要求。劉保獻(xiàn)等[16]建立了超聲提取氣相色譜-聯(lián)質(zhì)譜法，并對(duì)PM2.5中16種PAHS進(jìn)行檢測(cè)分析，研究了離子源溫度對(duì)測(cè)定和方法性能指標(biāo)的影響，通過優(yōu)化碰撞電壓，對(duì)實(shí)際樣品的測(cè)定驗(yàn)證了方法的適應(yīng)性。研究表明，PM2.5中16種PAHS在高、低濃度標(biāo)準(zhǔn)線的線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)(r)在0.995~0.999時(shí)方法的準(zhǔn)確度和精密度較高，通過對(duì)PAHS濃度范圍為0.04~1.04ng/m3的夏季實(shí)際樣品和0.2～30.0ng/m3的冬季實(shí)際樣品的檢測(cè)分析，證明了該方法具有較低的檢出限及較強(qiáng)的復(fù)雜基質(zhì)抗干擾能力，能很好地滿足PM2.5中PAHS的測(cè)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(cè)的優(yōu)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(zhǔn)確度、加標(biāo)回收率;從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，索氏提取法的提取效率較高，但萃取的穩(wěn)定性差，超聲提取操作方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定較好，導(dǎo)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(lián)質(zhì)譜測(cè)定法對(duì)大氣PM2.5中15種鄰苯二甲酸酯(PAEs)的檢測(cè)。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(dòng)相，以質(zhì)譜多反應(yīng)監(jiān)測(cè)(MRM)模式檢測(cè)，以外標(biāo)法進(jìn)行定量。研究結(jié)果顯示，大多數(shù)PAEs在0.1~450.0μg/L內(nèi)線性關(guān)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(biāo)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(qiáng)，適用于PM2.5中15種PAEs含量的測(cè)定。王秦等[19]針對(duì)霧霾天氣下，用電感耦合等離子體質(zhì)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(duì)元素濃度特征進(jìn)行分析。該方法可以同時(shí)檢測(cè)霧霾天氣下PM2.5多種主、痕量金屬元素，精密度和準(zhǔn)確性良好，并且可以檢測(cè)出霧霾天氣發(fā)生時(shí)，有毒重金屬元素的來源。劉合凡等[20]用波長(zhǎng)色散X熒光光譜法對(duì)室內(nèi)PM2.5樣品進(jìn)行無機(jī)元素組分分析。該方法可實(shí)現(xiàn)多元素的快速、準(zhǔn)確、低成本分析，同時(shí)省去樣品預(yù)處理，與原子吸收、ICP-MS等方法相比較，具有簡(jiǎn)單快速、無須樣品前處理、非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)無機(jī)元素進(jìn)行定性和定量分析。

　　也有研究者通過改進(jìn)型色譜法測(cè)定PM2.5中六價(jià)鉻含量[21]。趙巖[22]用離子色譜法檢測(cè)PM2.5中水溶性離子。該方法簡(jiǎn)單易于操作，穩(wěn)定性好、重現(xiàn)性好，檢出限低、精密度高、RSD、加標(biāo)回收率滿足質(zhì)控要求，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。古金霞等[23]也采用離子色譜檢測(cè)技術(shù)對(duì)天津市PM2.5中8種水溶性無機(jī)離子(Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42-、NO3-和Cl-)組分進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)NO3-/SO42-比值分析表明，機(jī)動(dòng)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(duì)廣州市某區(qū)域室內(nèi)外環(huán)境中PM2.5濃度水平及PM2.5中金屬元素的污染特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，室內(nèi)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(guān)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(yè)區(qū)、交通源及燃燒源。

　　韓曉鷗等[25]在遼寧省霧霾嚴(yán)重區(qū)域設(shè)定固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用種離子色譜電導(dǎo)檢測(cè)法對(duì)PM2.5中的5種水溶性無機(jī)陽離子(Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，各組分均在各自的線性范圍內(nèi)，峰面積與質(zhì)量濃度呈良好的線性關(guān)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(shí)該方法的靈敏度高、檢出限低，回收率、精密度均符合方法學(xué)要求，可作為霧霾天氣中5種陽離子的檢測(cè)。張向云等[26]針對(duì)大氣氣溶膠中有機(jī)質(zhì)組分的復(fù)雜性，建立了PM2.5中總有機(jī)碳質(zhì)組分的13C固體核磁共振檢測(cè)分析方法，該方法使樣品無須進(jìn)行前處理即可進(jìn)行檢測(cè)，并利用該方法獲得了太原、新鄉(xiāng)、廣州冬季PM2.5樣品中總有機(jī)物的化學(xué)組分。有檢測(cè)結(jié)果顯示，該方法操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)快速準(zhǔn)確，可以滿足大氣氣溶膠總有機(jī)成分的檢測(cè)，為大氣霧霾污染治理提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為大氣沉降物、土壤有機(jī)質(zhì)、頁巖等環(huán)境和地質(zhì)樣品中的總有機(jī)成分檢測(cè)提供了參考。

　　3、PM2.5在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

　　科研機(jī)構(gòu)與相關(guān)科研人員關(guān)于PM2.5的檢測(cè)儀器研發(fā)也有報(bào)道，其中，王路等[27]以STC90C51單片機(jī)為核心控制器，采用GP2Y1050AUOF灰塵傳感器和DS18B20溫度傳感器對(duì)空氣中PM2.5濃度和環(huán)境溫度同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，完成了數(shù)據(jù)采集、計(jì)算與處理，實(shí)現(xiàn)了PM2.5質(zhì)量濃度、溫度、時(shí)間實(shí)時(shí)顯示的多功能檢測(cè)。夏普公司初推出PM2.5檢測(cè)模塊DN7C3JA001，該檢測(cè)模塊將分流器高精度傳感器結(jié)合使其體積明顯減小，并且在實(shí)際檢測(cè)操作過程中可以對(duì)PM2.5等細(xì)顆粒污染物進(jìn)行檢測(cè);同時(shí)也能夠?qū)�PM10等更大的懸浮物顆粒進(jìn)行檢測(cè)，其操作便捷、檢測(cè)用時(shí)短，10s即可[5]。也有研究者提出，在互動(dòng)APP環(huán)境下霧霾檢測(cè)的研究設(shè)計(jì)，方便用戶直觀地了解霧霾[28]。

　　綜上所述，PM2.5在大氣中的質(zhì)量濃度及組成成分是霧霾天氣的主要污染物，嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量和危害人體健康，PM2.5檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度越來越受到關(guān)注�？蒲泄ぷ髡邔�(duì)PM2.5的檢測(cè)原理、檢測(cè)方法、檢測(cè)儀器及相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行大量的探索研究，取得了重要的研究成效。

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