空氣中超細顆粒物檢測方法的研究進展

王 瑋

(太原市環境保護局晉源分局環境監測站，山西 太原 030025)

引 言

隨著城市化建設的不斷深入，城市空氣質量的好壞將會對人們的身體健康造成直接的影響。近年來，城市空氣質量不斷惡化，人們感染各類疾病的風險有所增加，這與空氣中的顆粒物有一定的關系，在這些顆粒物中，粒徑越小，對人們的身體健康危害越大。但是，我國目前沒有超細顆粒物的檢測方法與標準，對空氣中超細顆粒物的檢測工作造成了不利影響，需要研究并采用新的檢測方法。

1 環境中超細顆粒物的主要來源

環境中超細顆粒物的主要來源包括以下兩個方面：第一，自然界中的物質燃燒、海水濺沫、植物花粉末以及超細粉塵等。第二，人們生產及生活過程中的工業加工、燃料燃燒、機動車尾氣排放等，以及一次排放出的有二氧化硫、氮氧化物、氨氣以及揮發性有機物等污染物轉化為的硫酸鹽、硝酸鹽以及有機氣溶膠等二次顆粒物。環境中超細顆粒物的來源廣、數量多，會對人們的健康造成極大的影響[1]。

2 國內外的檢測方法、儀器及策略

2.1 檢測方法與儀器

在以往對顆粒物的檢測工作中，主要采用質量濃度法，但是由于超細顆粒物的粒徑極小，以往通過過濾采集的方式會對捕集效率造成一定的影響，無法準確的體現超細顆粒物的暴露水平。目前對于超細顆粒物的檢測仍然沒有形成統一的檢測方法與標準，主要采用質量濃度法、數量濃度法、表面積濃度法以及理化分析結合的綜合檢測方法[2]。第一，質量濃度法需要使用多級切割分層采樣器與在線多通道實時檢測儀器。其中多級切割分層采樣器能夠根據不同直徑顆粒物具有不同的運動規律完成采樣。而在線多通道實時質量濃度檢測儀器主要包括便攜型氣溶膠檢測儀，例如Mini-WRAS、DustTrak等，其中Mini-WRAS通過光學散射粒徑分析技術、法拉第電杯靜電檢測技術以及遞進式電遷移率粒徑分級技術的應用，可以實現多通道全譜粒徑的實時檢測，能夠對顆粒物的粒徑分布以及質量濃度進行實時顯示。第二，由于數量濃度比質量濃度的靈敏度更高，能夠提高體現超細顆粒物暴露水平的準確性，更適合應用在超細顆粒物的檢測中。根據是否能對顆粒物記性分段計數，可以使用以下儀器進行數量濃度檢測：對于不可分段計數的顆粒物，可以使用冷凝顆粒計數儀對粒徑為10 nm～1 μm的顆粒物的數量濃度進行實時檢測，獲取用范圍內所有顆粒物的實時濃度與變化趨勢，但是這種儀器無法實現數量濃度的粒徑分級計數檢測[3]。對于可分段計數的顆粒物，可以使用電子低壓沖擊儀、Mini-WRAS粒徑譜儀以及法拉利杯靜電計等儀器對顆粒物的粒徑分布、濃度以及變化趨勢進行實時檢測，實現對每個分段范圍內的顆粒物數量濃度進行實時檢測。第三，由于二氧化鈦等超細顆粒物的表面積會直接影響顆粒物的毒性效應，并與數量濃度相關，因此，可以將數量濃度法與表面積濃度法結合，對超細顆粒物進行檢測。在檢測中可以使用粒子氣溶膠監測儀進行顆粒物表面積檢測，9000型儀器能夠對粒徑為10 nm～1 000 nm的顆粒物總表面積濃度進行實時檢測，但無法實現對顆粒物表面積濃度的粒徑分級檢測。第四，由于顆粒物粒徑會對其毒性以及健康損傷效應產生較大影響，并且會影響采樣檢測方法與指標的選擇，在顆粒物粒徑為納米級別時，數量濃度與表面積濃度具有較強的相關性，可以體現出超細顆粒物的濃度[4]。在對超細顆粒進行粒徑分布檢測時，可以使用描電遷移率粒徑譜儀、寬范圍氣溶膠粒徑測量儀以及發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀等設備對不同粒徑范圍的顆粒物濃度進行實時檢測。第五，超細顆粒物的形態與成分是影響生物毒性的重要因素，因此，對超細顆粒物進行理化分析，能夠確定其與生物學效應的關系。目前對超細顆粒物進行理化分析的儀器與方法主要包括：掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射、能量色散X射線光譜儀以及色譜法等。

2.2 檢測策略

由于目前對于超細顆粒物的檢測沒有形成統一的檢測方法與標準，因此，在檢測過程中，可以采用不同的檢測策略。例如，我們可以使用便攜式實時顆粒物計數器確定有無超細顆粒物的釋放，如果檢測結果與背景值無明顯差異，就不需要進一步檢測，否則需要進一步檢測，采樣進行質量濃度檢測、粒徑分布、成分分析等，根據相應的檢測結果對超細顆粒物進行綜合評價。在這種檢測策略中，數據的收集大部分是通過定點或靜態檢測實現的，并且采樣過程中存在一定的不確定因素，可能會對檢測結果產生影響。為了解決這方面的問題，可以采用層級法進行超細顆粒物的檢測，分為以下幾個階段：第一階段進行信息收集，對調查獲取基礎信息，如果需要檢測，則進入第二階段。第二階段需要進行基礎暴露評估，檢測超細顆粒物的濃度與背景值或是否超過干擾值，如果檢測值高于背景顆粒物濃度值或超過干擾值，則需要進入第三級階段。第三階段需要進行專業暴露評估階段，通過現場檢查與實驗室分析判斷超細顆粒物的暴露情況[5]。

3 超細顆粒物濃度檢測的影響因素

3.1 氣候因素

在超細顆粒物濃度檢測中，空氣的溫度、濕度、氣流以及輻射等因素會對檢測結果造成一定的影響。如果成核模式粒子粒徑<30 nm，檢測會受到溫度的顯著的影響，這是由于粒子處于半揮發狀態或氣體-固體粒子轉換狀態，可能會提高40%的顆粒物。如果有氣流或新風進入，能夠有效的降低超細顆粒物濃度。

3.2 背景物因素

在對超細顆粒物進行檢測時，選擇的背景物不同，最終的檢測結果也存在較大的差異。目前主要采用時間序列法、空間法以及對比法等對背景物進行區分與辨別。也可以通過時間序列法與化學/形貌分析法對碳納米管和碳納米顆粒進行辨別。

3.3 儀器因素

盡管超細顆粒物檢測中使用的儀器已經具有較高的檢測精度，但是這些檢測儀器仍然存在一定的不足，會對檢測結果造成一定的影響。例如，儀器長時間未使用，會造成儀器的穩定性降低，檢測結果可重復性較差，與此同時，由于不同檢測儀器采用的檢測原理不同，檢測結果的可比性較差，影響檢測結果。

4 結論

總而言之，在空氣中超細顆粒物檢測工作中，為了有效的提高檢測結果的準確性，需要根據實際情況選擇合適的檢測方法，使用適合的檢測儀器，采取正確的檢測策略，提高超細顆粒物檢測水平。