气象论文大气细颗粒物检测技术

　　本篇气象论文为更好地治理雾霾，减轻因颗粒物所造成的环境污染危害，建立覆盖城乡的PM2.5全天候在线监测网络体系，形成检测数据库，为研究空气污染物中PM2.5对人群健康的影响奠定基础;同时，加大对PM2.5检测技术和检测仪器的研发及推广应用，确保PM2.5的监测结果能够真实反映空气受污染的程度，为环境治理和决策提供科学可靠的数据支持。《气象与环境科学》(CN41-1386/T，ISSN1673-7148)是由河南省气象局主办、河南农业大学等4单位协办的自然科学综合性学术刊物，每期免费为农大师生提供10个版面，主要刊载有关气象与环境应用领域(如气象与环境、气象与农业、气象与园艺、气象与病虫害、气象与生态、气象与林业、气象与畜牧和气象与减灾等)的具有创新性的、高水平的、有重要意义的研究成果和有独到见解的综述性论文，为气象、农业、林业和环保等部门的科研和业务人员搭建一个学术交流的平台。

　　大气细颗粒物(PM2.5)又称可入肺颗粒物，是空气动力学直径在2.5μm及以下的细颗粒物，鼻毛和呼吸道的绒毛均不能将其挡住，直接影响肺部气体交换，对老人、儿童和心肺疾病患者等敏感人群风险较大，会诱发呼吸系统疾病、慢性阻塞性肺疾病、哮喘等，甚至还可能致癌[1]。PM2.5的污染治理及监测情况是当前社会各界关注的热点。因此，在2012年新修订的《环境空气质量标准》中，PM2.5质量浓度被纳入空气质量监测指标之一[2]。2015年《中国环境状况公报》显示，全国338个城市开展空气质量新标准监测的空气质量超标天数中，以PM2.5为首要污染物占超标天数的66.8%，PM2.5年均浓度为11~125μg/m3，平均为50μg/m3(超过国家二级标准0.43倍);日均值超标天数占监测天数的17.5%[3]。PM2.5成分复杂，但主要成分包括元素碳、各种盐类及有机碳化合物、重金属，主要来源为地壳中含量丰富的钠、镁、钙、铝、铁等自然元素源，化石燃料燃烧排放及汽车等交通工具的尾气排放[4]。

　　1、PM2.5检测技术进展

　　PM2.5检测主要有3个方面：(1)对PM2.5质量浓度的检测技术，有β射线吸收法、重量法、微震荡天平法、光散射法4种[5];(2)对PM2.5化学组分的检测技术;(3)对PM2.5在线自动监测[6]。1.1PM2.5质量浓度检测技术1.1.1β射线吸收法基本原理是放射源14C发出的β射线粒子穿过一定厚度的滤纸时，β粒子被吸收，即β粒子的强度会随着滤纸吸收PM2.5增多而逐渐减弱[5]。梁艳等[6]用β射线法的原理研究出新型PM2.5质量浓度的自动监测系统，通过流量恒定控制及PM2.5切割器、动态加热、原位检测、滤纸传动后，检测出PM2.5的质量浓度，该方法提出原位连续检测的方式，从根本上解决了纸带移动带来的测量误差，实现采样和检测的同时进行，还可实现远程监测在线自动控制。该方法的相对标准偏差(RSD)、准确度、可靠性等均满足方法学的要求，但具有一定的局限性，检测结果易受自然放射源、气体流量、湿度、滤膜与PM2.5粒子均一性的影响。1.1.2重量法又称手工法，是最直接、最可靠的方法之一，是验证其他方法是否准确的标杆，也是国家环境空气质量标准中的规定方法[7]。该方法是指PM2.5直接截留在滤膜上，然后用天平称质量，计算颗粒物质量浓度。

　　某些极细的颗粒可能穿过滤膜，但只要滤膜对0.3μm以上的颗粒截留效率大于99%就算合格[8]。但其操作烦琐而费时，多用于进行单点、某时间段内的采样与监测，或作为其他方法的比对方法[9]。刘巍等[10]建立重量法检测参数的数学模型，并找到影响重量法检测结果不确定度的主要原因是天平称量和流量控制带来的不确定。1.1.3微量振荡天平法该法基于锥形元件振荡微量天平原理，是在质量传感器内安装一个振荡空心锥形管，在空心锥形管振荡端上安放可更换的滤膜，振荡频率取决于锥形管特性和质量[8]。该方法属于重量法，方法较经典，能客观反映颗粒物的真实浓度，是目前国内大部分PM2.5在线监测设备使用的方法。赵美等[11]用β射线法和微量振荡天平法比较环境空气PM2.5在线监测设备应用情况，研究得出，用微量振荡天平法准确性较β射线法高，并且结构简单、维护方便、市场价位低，可满足一般检测需求，但对环境要求高，不适合潮湿地区和污染严重的城市。也有研究者采用微量振荡天平法与激光散射单粒子法在气溶胶观测中的对比试验研究，2种方法检测的一致性相对较好，但在高相对湿度情况下，微量振荡天平法的检测稳定性相对较差[12]。

　　1.1.4光散射法该方法是在一定环境条件下，当光照射在空气中悬浮颗粒物时产生散射光，颗粒物质量浓度与散射光强度成正比，通过计算出微粒的散射光强度来确定颗粒质量浓度。该方法具有测量速度快、灵敏度高、重复性好、在线非接触测量、适用性强等诸多优点，是目前测定PM2.5浓度的常用方法。周向阳等[13]基于光散射法的PM2.5检测原理设计了光电采集、控制处理、显示预警和电源4个模块，通过优化数学模型和完善光路结构等措施，实现PM2.5的实时监控和预警，具有一定的测量准确度、实时性及成本低廉的优点。叶金晶等[14]用激光散射法及粒子计数原理设计了基于Arduino的PM2.5和温湿度实时检测器，实现实时检测，每2.5秒更新1次检测数据，间隔时间短，并有空气质量等级报告功能。

　　2、PM2.5的组分含量检测技术

　　PM2.5中含有各种盐类、有机碳化合物、重金属等有毒、有害物质，对于PM2.5中有毒、有害物质检测研究也常见报道。其中，周颖等[15]通过预处理石英纤维滤膜进行空气样品采集，样品经二氯甲烷和甲醇超声萃取、浓缩、定容后，再利用气相色谱-质谱联用仪联用DB-5弹性石英毛细柱进行测定，对调节检测参数条件，检出大气颗粒物PM2.5中27种多环芳烃(PAHS)类污染物。该方法的空白加标和基质加标回收率、精密度满足实验分析方法的要求。刘保献等[16]建立了超声提取气相色谱-联质谱法，并对PM2.5中16种PAHS进行检测分析，研究了离子源温度对测定和方法性能指标的影响，通过优化碰撞电压，对实际样品的测定验证了方法的适应性。研究表明，PM2.5中16种PAHS在高、低浓度标准线的线性关系良好，相关系数(r)在0.995~0.999时方法的准确度和精密度较高，通过对PAHS浓度范围为0.04~1.04ng/m3的夏季实际样品和0.2～30.0ng/m3的冬季实际样品的检测分析，证明了该方法具有较低的检出限及较强的复杂基质抗干扰能力，能很好地满足PM2.5中PAHS的测定要求。有研究者比较分析了索氏与超声法2种前处理方法在PM2.5中PAHS检测的优劣[17]。

　　通过用乙腈作为萃取溶液，并且比较2种前处理方法的精密度、准确度、加标回收率;从实验结果分析得出，索氏提取法的提取效率较高，但萃取的稳定性差，超声提取操作方法简单、稳定较好，导致样品损失较少。王肖红等[18]建立用超声提取-超高效液相色谱串联质谱测定法对大气PM2.5中15种邻苯二甲酸酯(PAEs)的检测。该方法以丙酮、甲醇为提取液，以ACQUITYCSHTMFluoro-Phenyl柱分离，以甲醇和水为流动相，以质谱多反应监测(MRM)模式检测，以外标法进行定量。研究结果显示，大多数PAEs在0.1~450.0μg/L内线性关系良好，r均大于0.996，15种PAEs的定量限为0.006~3.530ng/m3，14种PAEs加标回收率在80.3%~113.0%。该方法能消除空白干扰问题，溶剂用量少、灵敏度高、选择性强，适用于PM2.5中15种PAEs含量的测定。王秦等[19]针对雾霾天气下，用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析PM2.5样品中36种元素总量，并采用富集因子对元素浓度特征进行分析。该方法可以同时检测雾霾天气下PM2.5多种主、痕量金属元素，精密度和准确性良好，并且可以检测出雾霾天气发生时，有毒重金属元素的来源。刘合凡等[20]用波长色散X荧光光谱法对室内PM2.5样品进行无机元素组分分析。该方法可实现多元素的快速、准确、低成本分析，同时省去样品预处理，与原子吸收、ICP-MS等方法相比较，具有简单快速、无须样品前处理、非破坏性等优点，可对无机元素进行定性和定量分析。

　　也有研究者通过改进型色谱法测定PM2.5中六价铬含量[21]。赵岩[22]用离子色谱法检测PM2.5中水溶性离子。该方法简单易于操作，稳定性好、重现性好，检出限低、精密度高、RSD、加标回收率满足质控要求，取得了较好的实验效果。古金霞等[23]也采用离子色谱检测技术对天津市PM2.5中8种水溶性无机离子(Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42-、NO3-和Cl-)组分进行检测，根据NO3-/SO42-比值分析表明，机动车排放和燃煤是天津PM2.5的主要来源。朱凤芝等[24]在2014年6月对广州市某区域室内外环境中PM2.5浓度水平及PM2.5中金属元素的污染特征进行监测分析，监测结果显示，室内外PM2.5平均浓度为22.35～111.51pg/m3;PM2.5中的金属元素占1.28%～5.74%，并利用相关分析和因子分析得出PM2.5中大部分金属元素主要来自周边的工业区、交通源及燃烧源。

　　韩晓鸥等[25]在辽宁省雾霾严重区域设定固定监测点，利用种离子色谱电导检测法对PM2.5中的5种水溶性无机阳离子(Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+)进行监测分析，各组分均在各自的线性范围内，峰面积与质量浓度呈良好的线性关系，r均大于0.999，Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+的检出限分别为0.0008、0.0025、0.0020、0.0020、0.0014μg/m3，各组分的回收率为91.9%～108.0%，RSD为0.2%～3.5%，该方法的分离度高，在空气中阳离子干扰少;同时该方法的灵敏度高、检出限低，回收率、精密度均符合方法学要求，可作为雾霾天气中5种阳离子的检测。张向云等[26]针对大气气溶胶中有机质组分的复杂性，建立了PM2.5中总有机碳质组分的13C固体核磁共振检测分析方法，该方法使样品无须进行前处理即可进行检测，并利用该方法获得了太原、新乡、广州冬季PM2.5样品中总有机物的化学组分。有检测结果显示，该方法操作简单，检测快速准确，可以满足大气气溶胶总有机成分的检测，为大气雾霾污染治理提供科学依据，同时也为大气沉降物、土壤有机质、页岩等环境和地质样品中的总有机成分检测提供了参考。

　　3、PM2.5在线自动监测技术

　　科研机构与相关科研人员关于PM2.5的检测仪器研发也有报道，其中，王路等[27]以STC90C51单片机为核心控制器，采用GP2Y1050AUOF灰尘传感器和DS18B20温度传感器对空气中PM2.5浓度和环境温度同时进行检测，经A/D转换，完成了数据采集、计算与处理，实现了PM2.5质量浓度、温度、时间实时显示的多功能检测。夏普公司初推出PM2.5检测模块DN7C3JA001，该检测模块将分流器高精度传感器结合使其体积明显减小，并且在实际检测操作过程中可以对PM2.5等细颗粒污染物进行检测;同时也能够对PM10等更大的悬浮物颗粒进行检测，其操作便捷、检测用时短，10s即可[5]。也有研究者提出，在互动APP环境下雾霾检测的研究设计，方便用户直观地了解雾霾[28]。

　　综上所述，PM2.5在大气中的质量浓度及组成成分是雾霾天气的主要污染物，严重影响空气质量和危害人体健康，PM2.5检测数据的准确度越来越受到关注。科研工作者对PM2.5的检测原理、检测方法、检测仪器及相关监测系统进行大量的探索研究，取得了重要的研究成效。

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