空氣中PM2.5分析方法及研究進展

雋超 陳志偉 李偉

摘要：指出了PM2.5可長時間懸浮在空中，攜帶大量有毒有害物質。以研究空氣中PM2.。的組成成分、來源為目的，通過CNKl數據庫檢索的文獻對比發現：大部分學者采用電子掃描電鏡和水溶性離子組分分析兩種分析手段進行探究，掃描電鏡得出空氣中PM2.。呈不規則形狀且不同環境下顆粒物形狀有明顯差異，可根據顆粒物形貌并結合能譜分析推斷其主要來源;而使用水溶性離子分析法，文獻表明多數情況下會存在N03、SO2-、N04三種離子。

關鍵詞：PM2.5;電子掃描電鏡;水溶性離子組分分析

中圖分類號：X52

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2019）24-0092-03

1 引言

當前，環境污染問題日益加重，近年的研究表明，PM2.5是d≤2.5μm的大氣顆粒物，由于PM2.5直徑較小，身體器官無法將它阻留在外部，因此可以進入肺部，引發心血管病、呼吸道疾病甚至肺癌，嚴重影響人類的身體健康。

按照粉塵性質分類[1]：①無機性粉塵，具體又分為金屬礦物粉塵、非金屬礦物粉塵以及人工無機粉塵。如石棉、鐵粉、水泥等粉塵。②有機性粉塵，具體又分為植物性粉塵、動物性粉塵以及人工有機粉塵。如煙草、毛發、塑料等。③混合型粉塵，即上述兩種及兩種以上粉塵共同存在。按照粉塵在空氣中停留的時間分類：①降塵：直徑大于10 μm的顆粒物，在空氣中停留的時間較短。②飄塵：直徑小于10 μm的顆粒物，能夠長時間漂浮在空氣中，其中在0. 25～10μm范圍內的顆粒物稱為云塵;小于0.1μm的顆粒物稱為浮塵。自然源和人為源是顆粒物的主要來源。自然源主要分為土壤揚塵、花粉、細菌等;人為源包括固定源和流動源，固定源主要是工廠、家庭在工作和生活中所燃燒的煤炭、燃氣、燃油等活動排放的煙塵。流動源主要是交通工具使用燃料所排放的尾氣。

宿舍粉塵的來源也眾多，如外界進入的沙塵，抽煙生成的煙塵，衣服床上用品產生的細小纖維等。研究表明[2]：心肌梗死、冠心病、心力衰竭都與PM2.5有一定關聯。同時還對呼吸、循環、中樞神經、人體的代謝以及免疫、泌尿生殖系統、血液、消化系統、皮膚、眼睛都有不同程度的影響。如，骨髓微環境在受到PM2.5的影響可能會導致白血病。李娟等[3]研究發現，PM2.5會使小鼠淚膜功能發生變化，從而導致小鼠角膜上皮的組織的結構破壞，從而造成視力下降。粉塵對環境方面也有重大的影響，粉塵若累積到一定數量，環境將無法完成自身凈化從而導致一系列環境以及生態問題。目前，我國是PM2.5污染較為嚴重的國家之一。按照我國《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）[4]中的規定，環境空氣質量中PM2.5的標準如表1。因此保護環境，降低大氣顆粒物刻不容緩。青少年一代無論是學習還是休息大部分活動都在室內進行，雖然許多學者對室內PM2.5進行了分析與研究并提出了相應的改善措施，但是室內可吸人顆粒對人體健康的影響仍然是目前較為嚴峻的問題。

3 用電子掃描電鏡分析大氣中的顆粒物

掃描電鏡[5]由真空系統、電子束系統以及成像系統三大部分組成，可以直觀觀察樣品的形貌。因此，掃描電鏡在研究大氣顆粒物成分有很大的效果。下面是部分學者運用電鏡分析顆粒物的研究現狀。

掃描電鏡原理[6]：以1 - 30keV電子束作為激發源.，掃描試樣，通過對產生的物理信息接收、放大和顯示成像，獲得表面形貌以及顆粒物粒徑。

劉合凡[7]等人在SEM（電子掃描電鏡）下對PM2.5分析并觀察隨時間積累下其形狀與數目的變化。所用器材：PM2.5切割器、抽氣泵、離子濺射儀、電子掃描電鏡;實驗地點在同一個房間，并且每天采集一組PM2.5相關數據。通過抽取不同體積的空氣得到不同數目的PM2.5，圖像當中顏色的深淺可表明抽量體積與圖形顏色呈正相關[7]。根據所得PM2.5的圖像，可以看出顆粒物形狀雜亂無章，多數為片狀與棱角狀。因此，單憑顆粒物形狀我們可能無法具體分析其主要組成部分以及來源，不同的結構可能對應不同的物質。利用能譜分析可以獲得相關信息。郭明明[8]等人研究了煤礦粉塵的微觀形貌。他們使用了聚碳酸酯濾膜進行了采集，在真空條件下鍍金，使用掃描電鏡拍攝了樣品的形貌。并對粉塵顆粒物進行能譜分析，得到其元素組成及其含量。掃描電鏡所拍攝的顆粒物形貌：煤巷中粉塵的顆粒形狀多樣，有柱狀、片狀和棱角狀;噴射混凝土現場粉塵多為球狀，且具明顯的黏聚現象;巖巷中粉塵大多為單顆粒，有明顯的棱角且粒徑相對較小。能譜分析結果表明[8]三種樣品中均含有0、Si、Al三種元素，其中噴射混凝土中發現了Ca，挖進巖巷中發現了K元素。

劉偉明[5]等人論述了掃描電鏡在微量物證檢驗中的應用。對射擊殘留物、粉塵、汽車汽油等無法直接分析的物證可進行掃描，有效地提高了辦事效率。

4 水溶性離子分析法研究大氣中顆粒物的組成

水溶性離子分析法：將采集的樣品處理后，控制相關條件后利用離子分析儀進行分析。南京理工大學姜立乾[9]的研究方法：先進行樣品采集，采集裝置為TSP采樣儀。然后進行水溶性離子組分分析，進行樣品的前處理，分析分為三大塊，離子色譜儀分析無機陰離子;ICP- OES分析金屬陽離子;納氏試劑分光光度法分析;測量地點在學生宿舍，且區分夏季（梅雨期、入伏期）、冬季;離子色譜法測：F-、CI-、NO2、N03、SO4;ICP- OES測：Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Zn2+;納氏試劑光度法分析測：N04+;數據分析運用單方面因素方差分析、T檢驗、相關性分析。同時實驗是在不同季節進行，因此分析了室內外PM2.5的變化特征。所得結論是冬天比夏天的污染程度要高，可能與冬季氣溫以及植物生存狀況有關。通過分析質量濃度以及1/0分析不同時期的PM2.5狀況。實驗表明[9]：無論在冬季還是夏季，室內外PM2.5最主要的3種水溶性離子均為N03、SO2-和N04+，冬季室內外N03離子濃度最高，而夏季SO2-離子濃度最高。冬季室外大氣水溶性離子組分濃度占總水溶性離子比重由高到低依次為;N03 >SO2->N04+> CI-> K+> Ca2+> Mg2 >Na+> N02>2n2+>F- >Fe2+;夏季室外大氣水溶性離子組分濃度占總水溶性離子比重由高到低依次為：SO2- >N04+ >N03>CI- >Ca2-> N02>K+> Zn2+> Na+> Mg2+> Fe2+>F-，冬季中的水溶性離子N03離子濃度較高，這與杜青清[1O]等人的研究結果一致。

嚴宙寧[11]等人通過對PM2.5質量濃度以及PM2.5成分進行研究（多環芳烴測量、水溶性離子測量、重金屬測量、）并進行統計性分析進行源解析。主要器材：大氣可吸入顆粒物切割器PM2.5 - 100型、玻璃纖維濾膜、石英纖維濾膜、Elan DRC7r型電感耦合等離子體質譜儀、Di- onex ICS- 200型高效液相儀;設置地點為機關單位（污染較重）和某小學（污染較輕）樓頂。采樣時間為一年，在每個月10～16日（7 d）進行采集。不同的濾膜用于不同的分析方法。其中，多芳香烴采用高效液相色譜法進行測定;通過離子色譜法測定水溶性離子;采用電感耦合等離子體質譜法測定重金屬元素。作者運用統計學分析，通過SPSS 16.0軟件包整理分析.實驗表明[11]：水溶性離子主要有SO2-、N03、N04+、Cl-。與姜立乾[9]所得實驗結果相符。重金屬檢測結果：PM2.5含有As、Be、Cd、Sb、Hg、Se、Tl、Pb、Mn、Ni、Al、Cr等重金屬元素。

4 結語

通過對上面幾組實驗方案以及結果相對比，電子掃描電鏡可以直接觀察樣品形貌，若結合能譜可以分析其元素組成與含量。我們可以通過顆粒物形貌以及元素組成推斷其主要來源。水溶性離子分析法是通過離子分析儀檢測樣品中水溶性離子的組成及含量。通過分析與比較我們可以推斷其主要來源。如：一個地區N03含量過多，可能與出行方式有關。顆粒物的構成與地區、時間之間相互聯系，不同的地區與時間都會產生不同的顆粒物。因此在采樣過程中我們可以通過不同時間地點進行采樣，同時與其他地區檢測結果相比較。

參考文獻：

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[3]李娟，丁小艷，王亞虹，等.PM2.5對小鼠淚膜功能和角膜上皮組織結構的影響[J].眼科新進展.2017，37（3）：201-204.

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[9]姜立乾，大學宿舍室內PMz. 5水溶性離子污染特征及來源解析[D].南京：南京理工大學，2017.

[10]杜青清，吳麗萍，趙雪艷，等，臨沂市冬季環境空氣PM2.5中水溶性離子污染特征及來源分析[J].環境科學研究，2019，32（8）：1348- 1357.

[11]嚴宙寧，牟敬鋒，嚴燕，等.2017年深圳市大氣PM2.j污染狀況及其來源解析研究[J].實用預防醫學，201 9·26（ 10）：1172 -1176.

收稿日期：2019-11-14

基金項目：西藏大學大學生創新項目基金（編號：2019XCXOIO）;西藏大學培育基金項目（編號：ZDCZJHl8- 08）

作者簡介：雋 超（1999-），男，西藏大學理學院學生。

通訊作者：李偉（1986-），男，講師，碩士，主要從事基礎化學教學實驗及科研工作。