PM2.5检测仪质量控制探讨*

陈　玲　莫　凡　阳金勇　郭　欢

(广东省计量科学研究院，广州 510300)

0　引言

PM2.5指环境空气中空气动力学当量直径≤2.5μm的颗粒物，也称为细颗粒物或可入肺颗粒物，随呼吸道进入肺部并沉积。虽然是空气中含量较小的组分，但相比于PM10(粒径≤10μm)和TSP(粒径≤100μm)，PM2.5更易吸附大量的有毒、有害物质，是空气中各种有毒物质的载体，是灰霾天气的能见度降低的主要原因[1]。PM2.5的来源复杂，成分自然也很复杂。对PM2.5的检测，目前国家标准方法还是采用重量法，技术依据主要是2011年环境保护部颁布的HJ618-2011环境空气PM10和PM2.5测定的方法行业标准[2,3]。国家环境保护部也对采样器和检测方法提出了技术要求[4-5]。但实际操作时，费时繁琐。但为了便于操作，很多检测部门采用PM2.5监测仪进行直接检测，采集和测量都由仪器自动完成，方便快捷。包括重量法，PM2.5测试仪主要有微振荡天平法、β-射线衰减法和光散射浊度法[6]。虽然我国测量标准方法是重量法，但在实际应用中，快速测量法是大家常用的测量方法，即微振荡天平法和β-射线衰减法的仪器占主流。

目前PM2.5检测仪还没有明确的检测认证方法，国家也还没有出台该类仪器的国家标准和相关的计量检定规程，PM2.5检测仪的质量控制依据缺失。本文从测试仪的结构和检测原理出发，探讨PM2.5检测仪的计量认证即质量控制方案。

1　PM2.5测试仪的结构和质量控制

PM2.5测试仪主要由气路系统、采样系统(预捕集器)、感应系统(测量系统)和显示系统组成。采样系统的核心部件为预捕集器，预捕集器主要有水平淘析器、惯性冲击器、旋风分离器和向心分离器等类型。测量仪的简易结构如图1所示。

图1　PM2.5测试仪简易结构图

所有PM2.5的测试均分为两步，第一步是样品的分离采集，第二步是分离采集得到样品的测试。对于第一步样品的分离采集，国内外所采用的方法基本一致,均由具有特殊结构的切割器及其产生的特定空气流速达到分离效果。其基本原理是：在抽气泵的作用下，空气以一定的流速流过切割器，较大的颗粒因为惯性大而被涂了油的部件截留，惯性较小的细颗粒绝大部分随着空气流而通过进入测试系统。区别只是第二步的浓度测试，分类也是根据第二步来分的。

气路系统的核心为采样泵，采样系统主要包括切割器和采样头，测量系统则主要包括感应装置和辅助部件。工作时，采样泵抽取环境空气，抽取的环境空气以准确流量流经捕集系统里的采样头和切割系统，得到符合技术要求的颗粒物样品，仪器测量系统得到准确颗粒物质量，然后根据收集这些颗粒物所采环境空气的体积得到准确浓度。从仪器结构和工作原理来看，PM2.5检测仪测量误差来源主要有三个，包括流量示值的准确性、切割误差和感应系统测量准确性。

1.1　气路系统

气路系统是控制采样流速来抽取环境空气的，用来保证采样体积的准确性。该部分的计量校准可依据JJG 520—2005粉尘采样器计量检定规程和HJ 618—2011环境空气PM10和PM2.5的测定环境保护部行业标准。规程中明确了检定项目包括采样流量误差、采样流量稳定性、采样时间误差和采样体积误差[4,7]。主要检定设备为流量标准设备。参照该规程和HJ 618—2011中对PM2.5对采样器的要求，主要技术指标如表1所示。

表1　PM2.5测试气路系统校准项目和技术指标

1.2　捕集系统

捕集系统的核心为切割器，将PM2.5与空气中其他颗粒物切割分离，进行PM2.5的捕集。分离效果是影响测量结果的一个非常重要参数。PM2.5是飘尘中颗粒较小的部分，测量时首先要使PM2.5与较大颗粒物切割分离。因此，对PM2.5测试仪的切割效果，要有明确的技术指标，主要包括切割粒径Da50值和捕集效率的几何标准偏差σg[3-4]。

Da50指切割器对颗粒物的捕集效率为50％时所对应的粒子空气动力学当量直径。切割器对颗粒物的捕集效率则有两种表达形式：1)捕集效率为16％时对应的粒子空气动力学直径与捕集效率为50％时对应的粒子空气动力学直径的比值；2)捕集效率为50％时所对应颗粒物的空气动力学直径与捕集效率为84％时对应的空气动力学直径直径的比值，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中，σg为捕集效率的几何标准差；Da16为切割器对颗粒物捕集效率为16％时所对应粒子的空气动力学直径；Da50为切割器对颗粒物捕集效率为50％时所对应粒子的空气动力学直径；Da84为切割器对颗粒物捕集效率为84％时所对应粒子的空气动力学直径。

切割Da50值偏大，则切割粒子中较大的粒子偏多，直接导致了测量结果偏大；切割效率较低的话又会导致测量结果比真实值偏小等。HJ 618—2011环境空气PM10和PM2.5的测定重量法中明确规定了PM2.5测试仪切割器切割粒子Da50=(2.5±0.2)μm，捕集效率的几何标准偏差为σg=1.2±0.1，上述两个公式均应符合。此时，可选择静态箱实验方法[8]，选择采用八种不同粒径单分散相(σg≤1.1)聚苯乙烯微球或荧光素铵作为实验粒子对采样器的粒子捕集特性进行计量，实验粒子的七种粒径要求如表2。

表2　PM2.5测试仪切割器性能校准所需粒子

对每一种粒径的实验粒子Dai(i=1～8)，采样三次(k=3)，经分析后得出采样器该粒径下的三个捕集效率值ηDaik，按照式(3)和式(4)分别计算ηDaik的平均捕集效率ηDai和相对标准偏差Cvi。

(3)

(4)

式中：Cvi为某种粒径下捕集效率的相对标准偏差；ηDai为某种粒径下的捕集效率平均值；ηDaik为某种粒径下的捕集效率。

当Cvi≤15％时，ηDaik为该粒径下的捕集效率，否则，该粒径的捕集效率应该重做。

将实验粒子的八种粒径(Dai)及所对应的采样器八个捕集效率值(ηDai)采用多项式回归方法给出回归方程，求出A、B、C、D四个系数。采样器的粒子捕集特性由多项式回归方程式(5)表示。

(5)

由回归方程求出采样器捕集效率为16％，50％，84％时所对应的空气动力学当量直径Da16，Da50，Da84，计算切割粒径Da50值和几何标准偏差σg[6]。

1.3　感应系统

同样，感应系统的质量控制也可采用静态实验的方法[8-9]。感应系统是独立的系统，此时，可以不装切割头。感应系统的质量控制包括测量准确性和测量重复性。

首先进行示值误差的校准。可以采用聚苯乙烯微球形标准粒子(无大于2.5μm的颗粒)，将其均匀分布控制于一个实验箱体中，模拟大气中颗粒物分布。在实验箱体中均匀分布的一个采样点上分别接上待测仪器(不带切割头)以得到仪器的测量值，测量时可以取3次测量值的平均值,必要时进行修正；另一个采样点上用滤膜收集得到标准值，测量值与标准值的相对误差即为仪器的测量误差即式(6)。

(6)

将待检仪器连接于采样口，开机稳定后，重复测量6次按照式(7)计算仪器示值重复性。

(7)

2　结论

PM2.5测试仪在环境监测中扮演了日益重要的作用，该类仪器计量性能的优劣直接影响了研究结果和监测结果的正确与否。目前还没有相关的国家计量法规，本文从计量学角度对该类仪器的质量控制方法方法进行了研究探讨，依据该类仪器的结构原理提出了该类仪器的计量检测方法。参考粉尘采样器国家计量检定规程、环境空气PM10和PM2.5的测定环境保护部行业标准和环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)采样器技术要求及检测方法，通过控制气路系统部分的流量示值误差、流量稳定性，捕集系统的切割粒子Da50值和捕集效率的几何标准偏差σg以及感应系统的示值误差和稳定性对PM2.5检测仪进行质量控制。

[1]孙志豪，崔燕平.PM2.5对人体健康研究概述[J]，环境科技，2013，26(4)

[2]GB 3095—2012环境空气质量标准[S].北京：中国环境科学出版社，2012

[3]HJ 618—2011环境空气PM10和PM2.5的测定[S].北京：中国环境科学出版社，2011

[4]HJ/T 93—2013 PM10环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)采样器技术要求及检测方法环境保护部行业标准

[5]HJ 656—2013环境空气颗粒物(PM2.5)手工监测方法(重量法)技术规范[S].北京：中国环境科学出版社

[6]乔玉霜，王静，王建英.城市大气可吸入颗粒物研究进展[J].中国环境监测，2011，27(2)

[7]JJG 520—2005粉尘采样器计量检定规程[S].北京：中国计量出版社，2005

[8]刘俊杰，张文阁.可吸入颗粒物采样器准确性计量检测方法的设计研究[J].中国粉体技术，2005(5)

[9]牛红亚，邵龙义，孙玉壮，等.室内可吸入颗粒物中的部分有机化合物[J].中国环境监测，2009，25(3)