PM2.5檢測技術研究進展

張艷艷

國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100160

一、引言

近年來，我國多地霧霾天氣頻發，不僅降低大氣能見度，影響民眾的出行，還對民眾的健康造成了嚴重的威脅，引起了社會對空氣質量的廣泛關注。

空氣中的PM2.5指的是環境空氣中空氣動力學當量直徑＜ 2.5 μm的顆粒，是形成霧霾天氣的關鍵因素之一，對空氣中的PM2.5進行檢測和控制，是解決我國當前區域性的霾污染現狀的根本有效手段[1]。

近年來PM2.5的檢測原理主要是基于顆粒物的力學、光學、電學等物理性質及其數量、質量或其他參數之間的關系，常用檢測方法有基于力學性質的濾膜稱重法（重量法）、微量振蕩天平法、振動檢測法和壓電晶體法，基于光學性質的光散射法、對射型光強檢測法和激光誘導熒光法，以及其它原理的β射線吸收法和電荷法等。本文對這些常用的PM2.5檢測方法的工作原理及特點進行介紹。

二、PM2.5檢測方法

1、基于顆粒物力學性質的檢測方法

（1）濾膜稱重法

濾膜稱重法是國際普遍認可的基準法，我國以及歐美國家的顆粒物濃度測量標準中均采用此種方法。它是在規定的流量下采樣，由濾膜捕集空氣中的PM2.5，在恒溫恒濕條件下使用天平稱量濾膜采樣前后的質量，計算質量差以獲得捕集的PM2.5的質量，結合采樣流量計算空氣中的PM2.5的濃度[2-5]。

這種顆粒物測量方法可以保留顆粒物樣品，用于進行化學成分分析，以獲得PM2.5中各污染物的組成，是目前公認的最準確的基準法。其優點是原理簡單，測定數據準確可靠，不受顆粒物形狀、大小、顏色等的影響，缺點是不能實時檢測，操作費時，一般檢測時間為3h～24h，采樣儀笨重，噪聲大，該方法具有一定的不確定性和較低的時間分辨率。

（2）微量振蕩天平法

微量振蕩天平法的工作原理是在質量傳感器內使用一個振蕩空心錐形管，該振蕩空心錐形管一頭粗，一頭細，粗頭固定，細頭裝有濾芯。工作時，空氣從粗頭進，細頭出，PM2.5被濾芯截流，細頭在電場的作用下以一定的頻率振蕩，該頻率和細頭重量的平方根成反比，依靠顆粒物在濾膜上的集聚對天平振蕩系數的改變來計算顆粒物質量濃度[3-5]。

這種測量方法是最近幾年發展起來的，優點是實時性好、準確度高，缺點是在測量時儀器受溫度、濕度影響較大，工作環境要求在50℃以上，加熱管容易使顆粒物中的揮發性物質損失從而導致測量濃度損失，測量數據偏低。

（3）振動檢測法

振動檢測法的工作原理比較簡單，可以實現PM2.5濃度的在線檢測，所采用的儀器如圖2所示。整個系統包括檢測腔體，腔體底部設有放有濾紙的透氣孔，腔體底部連接一個彈簧—阻尼系統。其檢測過程為：一定量的空氣由管道進入檢測腔體內，進入腔體內空氣通過透氣孔流出腔體，空氣中的顆粒物被透氣孔上的濾紙捕獲，腔體的質量增加，激振器以一定頻率將腔體起振，拾振器接收到與腔體質量有關的頻率輸出，從而獲得PM2.5的濃度[6]。

（4）壓電晶體法

壓電晶體法是一種PM2.5濃度的實時在線檢測方法。測量敏感元件采用石英諧振器，工作原理是空氣以恒定流量通過切割器進入靜電采樣器，采樣器內包括高壓放電針和石英諧振器電極，在高壓電暈放電的作用下，氣流中的顆粒物沉降于諧振器電極表面上，電極上增加的顆粒物的質量使諧振器的振蕩頻率發生變化，根據該頻率變化可計算出PM2.5的質量濃度[4]。

這種方法的缺點是需要定期維護測試儀器。因為石英諧振器對其表面質量的變化十分敏感，因此使用一段時間后需要對電極進行清潔。

2、基于顆粒物光學性質的檢測方法

（1）光散射法

根據Mie 散射理論，在溫度和濕度較穩定的潔凈環境下，當光照射在空氣中懸浮的PM2.5上時，產生與其質量濃度成正比的散射光[3-5]。

光散射法正是基于這種理論設計的一種實時在線檢測法，采用的儀器一般包括光源、集光鏡、傳感器、放大器和分析電路等。光源發出光照射在PM2.5上，產生散射，并通過集光鏡到達傳感器上，傳感器將接收到的光信號轉換成電信號，經過放大和分析電路計算出PM2.5的濃度。

光散射法的優點是體積小、重量輕、操作簡便且噪音低、穩定性好，可直讀測定結果。缺點是測定結果與PM2.5 粒徑、顏色、成分、形狀及密度等因素有關，易受到環境中各種因素如相對濕度的影響。

（2）對射型光強檢測法

對射型光強檢測法采用的儀器如圖4所示，激光源發出激光，經過透鏡1和透鏡2后照射在光敏感區，通過光敏感區的光經過透鏡3后由雪崩光電二極管接收。當有PM2.5通過光敏感區時，PM2.5就會遮蔽光線而導致進入雪崩光電二極管的光量減少，雪崩光電二極管產生與顆粒物的大小呈比例的電脈沖信號，進而可以獲得PM2.5的濃度[8]。

對射型光強檢測法的優點是穩定性高、響應快，物體的顏色、光澤等因素對顆粒物檢測的影響比較小。

（3）激光誘導熒光法

激光誘導熒光法的工作原理是利用特定波長的激光束，將大氣中的PM2.5激發到較高能級，然后當其由較高能級躍遷回基態時，就會以熒光的形式將能量釋放出來，熒光的強度與PM2.5在空氣中的含量成正比，從而可通過對熒光強度的檢測來獲知PM2.5的含量[9]。

該方法具有靈敏度高、響應速度快的優點，可以實現對很低濃度PM2.5的檢測。其缺點是所采用的設備過于精密，測試成本高，目前多用于科學研究。

3、基于顆粒物其他性質的檢測方法

（1）β射線吸收法

β射線在通過顆粒物時會被吸收，當能量恒定時，顆粒物對β射線的吸收量與顆粒物的質量成正比，并只與顆粒質量有關，與種類、粒徑、形狀、顏色和化學組成均無關。β射線吸收法就是將含有PM2.5的空氣通過切割器后由濾膜收集，然后對其照射一束β射線，通過測量β射線的透過強度即可以獲得空氣中PM2.5的濃度[9-10]。圖5所示為β射線吸收法檢測PM2.5的系統結構示意圖。

該方法操作簡單，需要樣品的量較少，能實現實時自動監測，可以采用間斷或連續測量模式，與光學測定法相比，由于測量結果只與PM2.5顆粒質量有關，避免了顆粒粒徑大小及其分布對測量結果的影響，缺點是響應速度比較慢。

（2）電荷法

電荷法是直接測量顆粒物靜電感應所帶的電荷量來間接確定其質量。將測量探頭置入到含有PM2.5的空氣中，儀器的探頭可以探測PM2.5顆粒在對探頭的撞擊、摩擦和靜電感應而產生的電荷變化，其中大部分來自靜電感應，基于對靜電荷的測量獲得PM2.5的濃度[4]。

該方法測量速度快，可以對PM2.5進行在線監測，缺點是由于不同的顆粒材料會產生不同的感應、摩擦電流，此類設備使用前需要標定。

三、總結

上述幾種常用的PM2.5檢測方法具有各自的優缺點，在對PM2.5進行檢測時可以綜合考慮檢測精度以及成本限制，選擇合適的PM2.5檢測方法，以實現對PM2.5的準確檢測，并基于PM2.5檢測結果，實現對PM2.5污染的有效控制。