基于單顆粒氣溶膠質譜技術的南寧市細顆粒物污染初探

唐利利，陳家寶，郭昆興，侯紅霞，龐曉明

(1.南寧市環境保護監測站，廣西 南寧 530012；2.廣州禾信分析儀器有限公司，廣東 廣州 510000)

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基于單顆粒氣溶膠質譜技術的南寧市細顆粒物污染初探

唐利利1，陳家寶1，郭昆興1，侯紅霞2，龐曉明1

(1.南寧市環境保護監測站，廣西 南寧 530012；2.廣州禾信分析儀器有限公司，廣東 廣州 510000)

單顆粒；化學組成；混合狀態；單顆粒氣溶膠飛行時間質譜

1　引言

PM2.5也稱細顆粒物，是指空氣動力學直徑小于或等于2.5μm的大氣顆粒物。與粗顆粒物(空氣動力學直徑2.5～10μm)相比，PM2.5直徑更小、比表面積大，易于富集空氣中的有毒重金屬、酸性氧化物、有機污染物、細菌和病毒，并可進入人的肺部和心血管等組織，對人體健康的危害遠比粗顆粒物大。大氣PM2.5是由直接排入空氣中的一次微粒和空氣中的氣態污染物通過一系列復雜的光化學轉化生成的二次微粒組成，其來源主要可分為自然源、人為源和二次粒子。由于PM2.5對人體健康的危害性及其復雜的來源，同時對大氣能見度、氣候條件有不利影響，因此對空氣中PM2.5濃度的監測并對其來源進行解析顯得尤為重要。單顆粒氣溶膠質譜技術可以在線采用分析單個氣溶膠粒子的粒徑及其化學成分，具有時間分辨率高、信息量大、可靠性強等優點。研究利用單顆粒氣溶膠飛行時間質譜(SPAMS)測量南寧市冬季中單顆粒細顆粒物的粒徑分布和化學組成，從單個顆粒物的角度解釋南寧市細顆粒物污染特征及來源構成。

2　試驗

2.1儀器

單顆粒氣溶膠飛行時間質譜儀(廣州禾信分析儀器有限公司)與國際上流行的氣溶膠質譜儀原理一致：采用個空氣動力學透鏡聚焦進樣，通過雙激光測徑系統以及雙極飛行時間質量分析器可實現對氣溶膠顆粒空氣動力學直徑和化學組成的同時檢測。

2.2樣品采集

采樣時間為2014年1月7日～2014年1月13日。采樣點設置在南寧市環境保護監測站實驗大樓頂層，地處市中心。可基本代表南寧市內商業、居住和交通稠密的混合監測區域，采樣點距地面約高16m，大氣氣溶膠通過直徑約為1cm的銅管運輸到單顆粒氣溶膠飛行時間質譜儀(SPAMS)。

2.3數據處理

采集數據使用YAADA(version2.1版本，運行在matlab平臺上，專門用來分析單顆粒質譜數據的軟件包進行分析。

3　結果與討論

采樣過程中SPAMS共檢測到2508053個粒徑在0.25～1.2 μm的顆粒物，其中含有譜圖信息的顆粒物共有1463751個，總打擊率為58.3%。

3.1粒徑分布

由圖1可知，南寧市區細顆粒物粒徑范圍主要集中在0.25～1.2 μm，峰值在0.65 μm左右。

圖1　顆粒物粒徑分布

3.2顆粒物成分分析

圖2　顆粒物平均質

離子成分Na+Mg+K+NH+4Fe+Pb+Cd+V+Mn+Li+Al+監測站47.961.4099.6580.3316.701.500.020.251.142.814.82廣州55.886.0194.8138.418.137.400.262.633.287.403.32離子成分Ca+Cu+Zn+Cr+CN-PO-3NO-2NO-3Cl-SulfateSiO-3監測站0.900.270.040.0755.5417.7089.1595.3621.0993.425.91廣州5.698.130.943.9251.4810.8353.9247.9310.1882.802.55

2.3顆粒物分類

利用自適應共振神經網絡分類方法(Art-2a)對整體顆粒物進行了分類，分類過程中使用的分類參數為：相似度0.65，學習效率0.05。分類后，再經過人工合并，最終確定了10類顆粒物，分別為：有機碳、元素碳、有機碳元素碳、芳香烴、礦物質、富鉀顆粒、鈉鉀顆粒、高分子有機物、重金屬和有機胺。10種顆粒物在總被擊中有譜圖數的粒子比例分別為14.39、29.09%、12.19%、9.8%、4.93%、23.81%、2.8%、2.05%、9.8%、0.29%、0.65%。有機碳、元素碳、有機元素碳及礦物質粒子所占比例較高，而重金屬和有機胺粒子所占的比例則較低。

圖3為不同分類顆粒物成分的平均譜圖，在不同顆粒物的正譜圖中，有機碳的正譜圖中主要含有有機物的碎片峰；元素碳含有一系列碳簇離子，而且C3-/C4-/C5-有較高的信號強度；有機碳元素碳是由有機物的碎片峰和碳簇離子混合而成；富鉀顆粒物中正譜圖中只有K+的信號明顯；芳香烴顆粒物中有一系列苯環的碎片峰；高分子有機物中m/z在115以上有一些列碳氫化合物的碎片峰，初步判斷是一些多環芳烴類物質；有機胺中有含氮的有機物碎片峰；礦物質中含有Ca+、Fe+、SiO3-的離子峰；重金屬中Cu+和Pb+的信號明顯；鈉鉀顆粒中正譜圖Na+、K+的信號明顯，負譜圖中硫酸鹽和硝酸鹽的信號明顯。而經過分類的10類顆粒物負譜圖中都出現了SO3- 、HSO4-、NO2-、NO3-等二次粒子的質譜峰，說明測得的顆粒絕大部分經歷了不同的二次反應過程或與二次組分進行了不同程度的混合(圖4)。

圖3　南寧市監測站點位不同分類顆粒物成分的平均譜

圖4　不同顆粒物成分的平均譜

4　結論

(1)在連續7 d的采樣中，南寧市監測站點位采集到有譜圖信息的顆粒物共有1463751個，粒徑范圍主要集中在0.25～1.2 μm之間。

(2)單顆粒氣溶膠飛行質譜(SPAMS)的測量結果發現，南寧市冬季期間主要有機碳、元素碳、有機碳元素碳、芳香烴、礦物質、富鉀顆粒、鈉鉀顆粒、高分子有機物、重金屬和有機胺10種粒子，有機碳、元素碳、有機元素碳及礦物質粒子所占比例較高，而重金屬和有機胺粒子所占的比例則較低,表明南寧市區大氣幾乎不受重金屬的影響。這10種顆粒中均含有硫酸根、硝酸根等二次組分，說明這些顆粒均經歷了不同的二次過程或與二次組分進行了不同程度的混合過程。

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Preliminary Study on Ambient Particles Pollution in Nanning Based on the Single Particle Aerosol Mass Spectrometer(SPAMS)

Tang Lili1,Chen Jiabao1,Guo KunXing1,Hou HongXia2,Pang Xiaoming1

(1.GuangxiProvincialNanningEnvironmentalMonitoringStation，Nanning,Guangxi530012,China;2.GuangzhouHexinAnalyticalInstrumentCo.Ltd.,Guangzhou,Guangdong510000,China)

single particle; chemical component; mixing state; SPAMS

2016-05-24

唐利利(1985—)，女，壯族，工程師，碩士，主要從事環境監測工作。

X51

A

1674-9944(2016)16-0047-04