空气中PM2.5分析方法及研究进展

隽超 陈志伟 李伟

摘要：指出了PM2.5可长时间悬浮在空中，携带大量有毒有害物质。以研究空气中PM2.。的组成成分、来源为目的，通过CNKl数据库检索的文献对比发现：大部分学者采用电子扫描电镜和水溶性离子组分分析两种分析手段进行探究，扫描电镜得出空气中PM2.。呈不规则形状且不同环境下颗粒物形状有明显差异，可根据颗粒物形貌并结合能谱分析推断其主要来源;而使用水溶性离子分析法，文献表明多数情况下会存在N03、SO2-、N04三种离子。

关键词：PM2.5;电子扫描电镜;水溶性离子组分分析

中图分类号：X52

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2019）24-0092-03

1 引言

当前，环境污染问题日益加重，近年的研究表明，PM2.5是d≤2.5μm的大气颗粒物，由于PM2.5直径较小，身体器官无法将它阻留在外部，因此可以进入肺部，引发心血管病、呼吸道疾病甚至肺癌，严重影响人类的身体健康。

按照粉尘性质分类[1]：①无机性粉尘，具体又分为金属矿物粉尘、非金属矿物粉尘以及人工无机粉尘。如石棉、铁粉、水泥等粉尘。②有机性粉尘，具体又分为植物性粉尘、动物性粉尘以及人工有机粉尘。如烟草、毛发、塑料等。③混合型粉尘，即上述两种及两种以上粉尘共同存在。按照粉尘在空气中停留的时间分类：①降尘：直径大于10 μm的颗粒物，在空气中停留的时间较短。②飘尘：直径小于10 μm的颗粒物，能够长时间漂浮在空气中，其中在0. 25～10μm范围内的颗粒物称为云尘;小于0.1μm的颗粒物称为浮尘。自然源和人为源是颗粒物的主要来源。自然源主要分为土壤扬尘、花粉、细菌等;人为源包括固定源和流动源，固定源主要是工厂、家庭在工作和生活中所燃烧的煤炭、燃气、燃油等活动排放的烟尘。流动源主要是交通工具使用燃料所排放的尾气。

宿舍粉尘的来源也众多，如外界进入的沙尘，抽烟生成的烟尘，衣服床上用品产生的细小纤维等。研究表明[2]：心肌梗死、冠心病、心力衰竭都与PM2.5有一定关联。同时还对呼吸、循环、中枢神经、人体的代谢以及免疫、泌尿生殖系统、血液、消化系统、皮肤、眼睛都有不同程度的影响。如，骨髓微环境在受到PM2.5的影响可能会导致白血病。李娟等[3]研究发现，PM2.5会使小鼠泪膜功能发生变化，从而导致小鼠角膜上皮的组织的结构破坏，从而造成视力下降。粉尘对环境方面也有重大的影响，粉尘若累积到一定数量，环境将无法完成自身净化从而导致一系列环境以及生态问题。目前，我国是PM2.5污染较为严重的国家之一。按照我国《环境空气质量标准》（GB3095-2012）[4]中的规定，环境空气质量中PM2.5的标准如表1。因此保护环境，降低大气颗粒物刻不容缓。青少年一代无论是学习还是休息大部分活动都在室内进行，虽然许多学者对室内PM2.5进行了分析与研究并提出了相应的改善措施，但是室内可吸人颗粒对人体健康的影响仍然是目前较为严峻的问题。

3 用电子扫描电镜分析大气中的颗粒物

扫描电镜[5]由真空系统、电子束系统以及成像系统三大部分组成，可以直观观察样品的形貌。因此，扫描电镜在研究大气颗粒物成分有很大的效果。下面是部分学者运用电镜分析颗粒物的研究现状。

扫描电镜原理[6]：以1 - 30keV电子束作为激发源.，扫描试样，通过对产生的物理信息接收、放大和显示成像，获得表面形貌以及颗粒物粒径。

刘合凡[7]等人在SEM（电子扫描电镜）下对PM2.5分析并观察随时间积累下其形狀与数目的变化。所用器材：PM2.5切割器、抽气泵、离子溅射仪、电子扫描电镜;实验地点在同一个房间，并且每天采集一组PM2.5相关数据。通过抽取不同体积的空气得到不同数目的PM2.5，图像当中颜色的深浅可表明抽量体积与图形颜色呈正相关[7]。根据所得PM2.5的图像，可以看出颗粒物形状杂乱无章，多数为片状与棱角状。因此，单凭颗粒物形状我们可能无法具体分析其主要组成部分以及来源，不同的结构可能对应不同的物质。利用能谱分析可以获得相关信息。郭明明[8]等人研究了煤矿粉尘的微观形貌。他们使用了聚碳酸酯滤膜进行了采集，在真空条件下镀金，使用扫描电镜拍摄了样品的形貌。并对粉尘颗粒物进行能谱分析，得到其元素组成及其含量。扫描电镜所拍摄的颗粒物形貌：煤巷中粉尘的颗粒形状多样，有柱状、片状和棱角状;喷射混凝土现场粉尘多为球状，且具明显的黏聚现象;岩巷中粉尘大多为单颗粒，有明显的棱角且粒径相对较小。能谱分析结果表明[8]三种样品中均含有0、Si、Al三种元素，其中喷射混凝土中发现了Ca，挖进岩巷中发现了K元素。

刘伟明[5]等人论述了扫描电镜在微量物证检验中的应用。对射击残留物、粉尘、汽车汽油等无法直接分析的物证可进行扫描，有效地提高了办事效率。

4 水溶性离子分析法研究大气中颗粒物的组成

水溶性离子分析法：将采集的样品处理后，控制相关条件后利用离子分析仪进行分析。南京理工大学姜立乾[9]的研究方法：先进行样品采集，采集装置为TSP采样仪。然后进行水溶性离子组分分析，进行样品的前处理，分析分为三大块，离子色谱仪分析无机阴离子;ICP- OES分析金属阳离子;纳氏试剂分光光度法分析;测量地点在学生宿舍，且区分夏季（梅雨期、入伏期）、冬季;离子色谱法测：F-、CI-、NO2、N03、SO4;ICP- OES测：Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Zn2+;纳氏试剂光度法分析测：N04+;数据分析运用单方面因素方差分析、T检验、相关性分析。同时实验是在不同季节进行，因此分析了室内外PM2.5的变化特征。所得结论是冬天比夏天的污染程度要高，可能与冬季气温以及植物生存状况有关。通过分析质量浓度以及1/0分析不同时期的PM2.5状况。实验表明[9]：无论在冬季还是夏季，室内外PM2.5最主要的3种水溶性离子均为N03、SO2-和N04+，冬季室内外N03离子浓度最高，而夏季SO2-离子浓度最高。冬季室外大气水溶性离子组分浓度占总水溶性离子比重由高到低依次为;N03 >SO2->N04+> CI-> K+> Ca2+> Mg2 >Na+> N02>2n2+>F- >Fe2+;夏季室外大气水溶性离子组分浓度占总水溶性离子比重由高到低依次为：SO2- >N04+ >N03>CI- >Ca2-> N02>K+> Zn2+> Na+> Mg2+> Fe2+>F-，冬季中的水溶性离子N03离子浓度较高，这与杜青清[1O]等人的研究结果一致。

严宙宁[11]等人通过对PM2.5质量浓度以及PM2.5成分进行研究（多环芳烃测量、水溶性离子测量、重金属测量、）并进行统计性分析进行源解析。主要器材：大气可吸入颗粒物切割器PM2.5 - 100型、玻璃纤维滤膜、石英纤维滤膜、Elan DRC7r型电感耦合等离子体质谱仪、Di- onex ICS- 200型高效液相仪;设置地点为机关单位（污染较重）和某小学（污染较轻）楼顶。采样时间为一年，在每个月10～16日（7 d）进行采集。不同的滤膜用于不同的分析方法。其中，多芳香烃采用高效液相色谱法进行测定;通过离子色谱法测定水溶性离子;采用电感耦合等离子体质谱法测定重金属元素。作者运用统计学分析，通过SPSS 16.0软件包整理分析.实验表明[11]：水溶性离子主要有SO2-、N03、N04+、Cl-。与姜立乾[9]所得实验结果相符。重金属检测结果：PM2.5含有As、Be、Cd、Sb、Hg、Se、Tl、Pb、Mn、Ni、Al、Cr等重金属元素。

4 结语

通过对上面几组实验方案以及结果相对比，电子扫描电镜可以直接观察样品形貌，若结合能谱可以分析其元素组成与含量。我们可以通过颗粒物形貌以及元素组成推断其主要来源。水溶性离子分析法是通过离子分析仪检测样品中水溶性离子的组成及含量。通过分析与比较我们可以推断其主要来源。如：一个地区N03含量过多，可能与出行方式有关。颗粒物的构成与地区、时间之间相互联系，不同的地区与时間都会产生不同的颗粒物。因此在采样过程中我们可以通过不同时间地点进行采样，同时与其他地区检测结果相比较。

参考文献：

[1]苌翠粉，姚晓玲，杨会玲，等.粉尘及其危害因素和预防措施分析[J].临床合理用药杂志，2013，6（25）：144.

[2]索丹凤，曾三武.空气细颗粒物PM2.5对人体各系统危害的研究[J].医学信息，2019，32（18）：32～34.

[3]李娟，丁小艳，王亚虹，等.PM2.5对小鼠泪膜功能和角膜上皮组织结构的影响[J].眼科新进展.2017，37（3）：201-204.

[4]中华人民共和国环境保护部.GB3095 - 2012，环境空气质量保护标准[S].北京：中国环境科学出版社.2012.

[5]刘伟明.滕傲雪.扫描电镜/能谱法在微量物证检验中的应用[J].微量元素与健康研究，2014，31（4）：56-57.

[6]钟宇红，房春生，邱立民，等.扫描电镜分析在大气颗粒物源解析中的应用[J].吉林大学学报（地球科学版），2008（3）：473-478.

[7]刘合凡，葛良全，罗耀耀，等.室内可吸人肺颗粒物PM2.5采集实验与SEM观察J].分析试验室.2015，34（6）：600-653.

[8]郭明明.扫描电镜下煤矿粉尘的微观形貌特征研究[J].能源与环保，2017（2）：113～115， 120.

[9]姜立乾，大学宿舍室内PMz. 5水溶性离子污染特征及来源解析[D].南京：南京理工大学，2017.

[10]杜青清，吴丽萍，赵雪艳，等，临沂市冬季环境空气PM2.5中水溶性离子污染特征及来源分析[J].环境科学研究，2019，32（8）：1348- 1357.

[11]严宙宁，牟敬锋，严燕，等.2017年深圳市大气PM2.j污染状况及其来源解析研究[J].实用预防医学，201 9·26（ 10）：1172 -1176.

收稿日期：2019-11-14

基金项目：西藏大学大学生创新项目基金（编号：2019XCXOIO）;西藏大学培育基金项目（编号：ZDCZJHl8- 08）

作者简介：隽 超（1999-），男，西藏大学理学院学生。

通讯作者：李伟（1986-），男，讲师，硕士，主要从事基础化学教学实验及科研工作。