基于单颗粒气溶胶质谱技术的南宁市细颗粒物污染初探

2016-10-11唐利利陈家宝郭昆兴侯红霞庞晓明

绿色科技 2016年16期

关键词：监测站气溶胶南宁市

唐利利，陈家宝，郭昆兴，侯红霞，庞晓明

(1.南宁市环境保护监测站，广西南宁 530012；2.广州禾信分析仪器有限公司，广东广州 510000)

基于单颗粒气溶胶质谱技术的南宁市细颗粒物污染初探

唐利利1，陈家宝1，郭昆兴1，侯红霞2，庞晓明1

(1.南宁市环境保护监测站，广西南宁 530012；2.广州禾信分析仪器有限公司，广东广州 510000)

单颗粒；化学组成；混合状态；单颗粒气溶胶飞行时间质谱

1　引言

PM2.5也称细颗粒物，是指空气动力学直径小于或等于2.5μm的大气颗粒物。与粗颗粒物(空气动力学直径2.5～10μm)相比，PM2.5直径更小、比表面积大，易于富集空气中的有毒重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌和病毒，并可进入人的肺部和心血管等组织，对人体健康的危害远比粗颗粒物大。大气PM2.5是由直接排入空气中的一次微粒和空气中的气态污染物通过一系列复杂的光化学转化生成的二次微粒组成，其来源主要可分为自然源、人为源和二次粒子。由于PM2.5对人体健康的危害性及其复杂的来源，同时对大气能见度、气候条件有不利影响，因此对空气中PM2.5浓度的监测并对其来源进行解析显得尤为重要。单颗粒气溶胶质谱技术可以在线采用分析单个气溶胶粒子的粒径及其化学成分，具有时间分辨率高、信息量大、可靠性强等优点。研究利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱(SPAMS)测量南宁市冬季中单颗粒细颗粒物的粒径分布和化学组成，从单个颗粒物的角度解释南宁市细颗粒物污染特征及来源构成。

2　试验

2.1仪器

单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(广州禾信分析仪器有限公司)与国际上流行的气溶胶质谱仪原理一致：采用个空气动力学透镜聚焦进样，通过双激光测径系统以及双极飞行时间质量分析器可实现对气溶胶颗粒空气动力学直径和化学组成的同时检测。

2.2样品采集

采样时间为2014年1月7日～2014年1月13日。采样点设置在南宁市环境保护监测站实验大楼顶层，地处市中心。可基本代表南宁市内商业、居住和交通稠密的混合监测区域，采样点距地面约高16m，大气气溶胶通过直径约为1cm的铜管运输到单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS)。

2.3数据处理

采集数据使用YAADA(version2.1版本，运行在matlab平台上，专门用来分析单颗粒质谱数据的软件包进行分析。

3　结果与讨论

采样过程中SPAMS共检测到2508053个粒径在0.25～1.2 μm的颗粒物，其中含有谱图信息的颗粒物共有1463751个，总打击率为58.3%。

3.1粒径分布

由图1可知，南宁市区细颗粒物粒径范围主要集中在0.25～1.2 μm，峰值在0.65 μm左右。

图1　颗粒物粒径分布

3.2颗粒物成分分析

图2　颗粒物平均质

离子成分Na+Mg+K+NH+4Fe+Pb+Cd+V+Mn+Li+Al+监测站47.961.4099.6580.3316.701.500.020.251.142.814.82广州55.886.0194.8138.418.137.400.262.633.287.403.32离子成分Ca+Cu+Zn+Cr+CN-PO-3NO-2NO-3Cl-SulfateSiO-3监测站0.900.270.040.0755.5417.7089.1595.3621.0993.425.91广州5.698.130.943.9251.4810.8353.9247.9310.1882.802.55

2.3颗粒物分类

利用自适应共振神经网络分类方法(Art-2a)对整体颗粒物进行了分类，分类过程中使用的分类参数为：相似度0.65，学习效率0.05。分类后，再经过人工合并，最终确定了10类颗粒物，分别为：有机碳、元素碳、有机碳元素碳、芳香烃、矿物质、富钾颗粒、钠钾颗粒、高分子有机物、重金属和有机胺。10种颗粒物在总被击中有谱图数的粒子比例分别为14.39、29.09%、12.19%、9.8%、4.93%、23.81%、2.8%、2.05%、9.8%、0.29%、0.65%。有机碳、元素碳、有机元素碳及矿物质粒子所占比例较高，而重金属和有机胺粒子所占的比例则较低。

图3为不同分类颗粒物成分的平均谱图，在不同颗粒物的正谱图中，有机碳的正谱图中主要含有有机物的碎片峰；元素碳含有一系列碳簇离子，而且C3-/C4-/C5-有较高的信号强度；有机碳元素碳是由有机物的碎片峰和碳簇离子混合而成；富钾颗粒物中正谱图中只有K+的信号明显；芳香烃颗粒物中有一系列苯环的碎片峰；高分子有机物中m/z在115以上有一些列碳氢化合物的碎片峰，初步判断是一些多环芳烃类物质；有机胺中有含氮的有机物碎片峰；矿物质中含有Ca+、Fe+、SiO3-的离子峰；重金属中Cu+和Pb+的信号明显；钠钾颗粒中正谱图Na+、K+的信号明显，负谱图中硫酸盐和硝酸盐的信号明显。而经过分类的10类颗粒物负谱图中都出现了SO3- 、HSO4-、NO2-、NO3-等二次粒子的质谱峰，说明测得的颗粒绝大部分经历了不同的二次反应过程或与二次组分进行了不同程度的混合(图4)。

图3　南宁市监测站点位不同分类颗粒物成分的平均谱

图4　不同颗粒物成分的平均谱

4　结论

(1)在连续7 d的采样中，南宁市监测站点位采集到有谱图信息的颗粒物共有1463751个，粒径范围主要集中在0.25～1.2 μm之间。

(2)单颗粒气溶胶飞行质谱(SPAMS)的测量结果发现，南宁市冬季期间主要有机碳、元素碳、有机碳元素碳、芳香烃、矿物质、富钾颗粒、钠钾颗粒、高分子有机物、重金属和有机胺10种粒子，有机碳、元素碳、有机元素碳及矿物质粒子所占比例较高，而重金属和有机胺粒子所占的比例则较低,表明南宁市区大气几乎不受重金属的影响。这10种颗粒中均含有硫酸根、硝酸根等二次组分，说明这些颗粒均经历了不同的二次过程或与二次组分进行了不同程度的混合过程。

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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)