空气中超细颗粒物检测方法的研究进展

王 玮

(太原市环境保护局晋源分局环境监测站，山西 太原 030025)

引 言

随着城市化建设的不断深入，城市空气质量的好坏将会对人们的身体健康造成直接的影响。近年来，城市空气质量不断恶化，人们感染各类疾病的风险有所增加，这与空气中的颗粒物有一定的关系，在这些颗粒物中，粒径越小，对人们的身体健康危害越大。但是，我国目前没有超细颗粒物的检测方法与标准，对空气中超细颗粒物的检测工作造成了不利影响，需要研究并采用新的检测方法。

1 环境中超细颗粒物的主要来源

环境中超细颗粒物的主要来源包括以下两个方面：第一，自然界中的物质燃烧、海水溅沫、植物花粉末以及超细粉尘等。第二，人们生产及生活过程中的工业加工、燃料燃烧、机动车尾气排放等，以及一次排放出的有二氧化硫、氮氧化物、氨气以及挥发性有机物等污染物转化为的硫酸盐、硝酸盐以及有机气溶胶等二次颗粒物。环境中超细颗粒物的来源广、数量多，会对人们的健康造成极大的影响[1]。

2 国内外的检测方法、仪器及策略

2.1 检测方法与仪器

在以往对颗粒物的检测工作中，主要采用质量浓度法，但是由于超细颗粒物的粒径极小，以往通过过滤采集的方式会对捕集效率造成一定的影响，无法准确的体现超细颗粒物的暴露水平。目前对于超细颗粒物的检测仍然没有形成统一的检测方法与标准，主要采用质量浓度法、数量浓度法、表面积浓度法以及理化分析结合的综合检测方法[2]。第一，质量浓度法需要使用多级切割分层采样器与在线多通道实时检测仪器。其中多级切割分层采样器能够根据不同直径颗粒物具有不同的运动规律完成采样。而在线多通道实时质量浓度检测仪器主要包括便携型气溶胶检测仪，例如Mini-WRAS、DustTrak等，其中Mini-WRAS通过光学散射粒径分析技术、法拉第电杯静电检测技术以及递进式电迁移率粒径分级技术的应用，可以实现多通道全谱粒径的实时检测，能够对颗粒物的粒径分布以及质量浓度进行实时显示。第二，由于数量浓度比质量浓度的灵敏度更高，能够提高体现超细颗粒物暴露水平的准确性，更适合应用在超细颗粒物的检测中。根据是否能对颗粒物记性分段计数，可以使用以下仪器进行数量浓度检测：对于不可分段计数的颗粒物，可以使用冷凝颗粒计数仪对粒径为10 nm～1 μm的颗粒物的数量浓度进行实时检测，获取用范围内所有颗粒物的实时浓度与变化趋势，但是这种仪器无法实现数量浓度的粒径分级计数检测[3]。对于可分段计数的颗粒物，可以使用电子低压冲击仪、Mini-WRAS粒径谱仪以及法拉利杯静电计等仪器对颗粒物的粒径分布、浓度以及变化趋势进行实时检测，实现对每个分段范围内的颗粒物数量浓度进行实时检测。第三，由于二氧化钛等超细颗粒物的表面积会直接影响颗粒物的毒性效应，并与数量浓度相关，因此，可以将数量浓度法与表面积浓度法结合，对超细颗粒物进行检测。在检测中可以使用粒子气溶胶监测仪进行颗粒物表面积检测，9000型仪器能够对粒径为10 nm～1 000 nm的颗粒物总表面积浓度进行实时检测，但无法实现对颗粒物表面积浓度的粒径分级检测。第四，由于颗粒物粒径会对其毒性以及健康损伤效应产生较大影响，并且会影响采样检测方法与指标的选择，在颗粒物粒径为纳米级别时，数量浓度与表面积浓度具有较强的相关性，可以体现出超细颗粒物的浓度[4]。在对超细颗粒进行粒径分布检测时，可以使用描电迁移率粒径谱仪、宽范围气溶胶粒径测量仪以及发动机废气排放颗粒物粒径谱仪等设备对不同粒径范围的颗粒物浓度进行实时检测。第五，超细颗粒物的形态与成分是影响生物毒性的重要因素，因此，对超细颗粒物进行理化分析，能够确定其与生物学效应的关系。目前对超细颗粒物进行理化分析的仪器与方法主要包括：扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、能量色散X射线光谱仪以及色谱法等。

2.2 检测策略

由于目前对于超细颗粒物的检测没有形成统一的检测方法与标准，因此，在检测过程中，可以采用不同的检测策略。例如，我们可以使用便携式实时颗粒物计数器确定有无超细颗粒物的释放，如果检测结果与背景值无明显差异，就不需要进一步检测，否则需要进一步检测，采样进行质量浓度检测、粒径分布、成分分析等，根据相应的检测结果对超细颗粒物进行综合评价。在这种检测策略中，数据的收集大部分是通过定点或静态检测实现的，并且采样过程中存在一定的不确定因素，可能会对检测结果产生影响。为了解决这方面的问题，可以采用层级法进行超细颗粒物的检测，分为以下几个阶段：第一阶段进行信息收集，对调查获取基础信息，如果需要检测，则进入第二阶段。第二阶段需要进行基础暴露评估，检测超细颗粒物的浓度与背景值或是否超过干扰值，如果检测值高于背景颗粒物浓度值或超过干扰值，则需要进入第三级阶段。第三阶段需要进行专业暴露评估阶段，通过现场检查与实验室分析判断超细颗粒物的暴露情况[5]。

3 超细颗粒物浓度检测的影响因素

3.1 气候因素

在超细颗粒物浓度检测中，空气的温度、湿度、气流以及辐射等因素会对检测结果造成一定的影响。如果成核模式粒子粒径<30 nm，检测会受到温度的显著的影响，这是由于粒子处于半挥发状态或气体-固体粒子转换状态，可能会提高40%的颗粒物。如果有气流或新风进入，能够有效的降低超细颗粒物浓度。

3.2 背景物因素

在对超细颗粒物进行检测时，选择的背景物不同，最终的检测结果也存在较大的差异。目前主要采用时间序列法、空间法以及对比法等对背景物进行区分与辨别。也可以通过时间序列法与化学/形貌分析法对碳纳米管和碳纳米颗粒进行辨别。

3.3 仪器因素

尽管超细颗粒物检测中使用的仪器已经具有较高的检测精度，但是这些检测仪器仍然存在一定的不足，会对检测结果造成一定的影响。例如，仪器长时间未使用，会造成仪器的稳定性降低，检测结果可重复性较差，与此同时，由于不同检测仪器采用的检测原理不同，检测结果的可比性较差，影响检测结果。

4 结论

总而言之，在空气中超细颗粒物检测工作中，为了有效的提高检测结果的准确性，需要根据实际情况选择合适的检测方法，使用适合的检测仪器，采取正确的检测策略，提高超细颗粒物检测水平。