谢 飞 时志强

（1 江苏省环境监测中心 江苏南京 214500 2 江苏省苏协环境技术研究院 江苏南京 214500）

引言

近年随着我国城市化进程加快、工业化水平提高、交通运输业的发展等，环境空气PM2.5 现在已经成为我国大部分城市的首要污染物。相关研究表明，对大气能见度和人体健康影响最大的是粒径为0.1-2.5μm 之间的粒子，搞清区域PM2.5 的分布和组成，不仅是环境管理需求也是民生需要[1-2]。环保部发布了《关于开展第一阶段大气颗粒物来源解析研究工作的通知》、《大气颗粒物来源解析技术指南（试行）》和《环境空气颗粒物来源解析技术路线（试行）》等文件，对我国大气颗粒物源解析技术方法进行了明确规定。

对于环境空气PM2.5 源解析，规范推荐了源清单法、源模型法和受体模型法，并分别对几种源解析方法的使用条件和优缺点进行了对比。通过源解析工作的实际开展过程发现，环境空气PM2.5 受产业布局、地理条件、气象条件等影响较大。在大的时空尺度上结合区域环境资料、实地采样、气象特点等，采用手工源解析能够较好的反映区域PM2.5 各类排放源的贡献及来源等信息。但对于局地、短时间尺度上的雾霾天气，大型活动空气管控等，手工源解析由于时间过程长，很难保证PM2.5 的及时解析和重污染天气形成的捕捉。《大气颗粒物来源解析技术指南（试行）》中也明确规定，针对重污染过程，推荐应用基于在线高时间分辨率的监测和模拟技术，发展快速源识别和解析方法。因此，如何对颗粒物进行及时采样分析，并对来源进行解析，以方便管理部门制定相应的管控政策，来补充手工源解析的不足，已经成为了区域PM2.5 管控的短板。车载在线单颗粒气溶胶质谱PM2.5 源解析系统，能通过质谱细分析系统，结合大数据算法实现快速的区域源解析的目的[5]。

1 车载在线单颗粒气溶胶质谱源解析系统及原理

PM2.5 的组成主要包括无机元素、水溶性矿物质、有机化合物和含碳组分等[3]。高时空单颗粒气溶胶质谱仪主要由气溶胶进样系统、气溶胶测径系统，离子化系统、质谱分析系统、特征谱库以及大数据算法系统组成。单颗粒气溶胶质谱（SPAMS）通过对环境大气中单个细颗粒物的成分和粒径大小进行实时检测，获取颗粒物的物理化学特性，包括颗粒物的粒径、化学组成甚至光学性质，等并将其特征通过大数据算法与仪器内置污染源特征谱库进行比对，实时得出颗粒物的污染来源组成情况，从而实现PM2.5 的 源 解 析[4]。

图1 单颗粒气溶胶质谱系统图

单颗粒气溶胶质谱系统采用空气动力学透镜进样、双光束测径、单步激光解析电离以及双极飞行时间质谱的技术组合，仪器每秒可测最多19 个颗粒物，具有极高的时间分辨率，可提供小时级别的颗粒物成分和来源解析结果。由于环境空气中的颗粒物粒径大小不一且呈不规则状，在不改变颗粒物组成的情况下，通过空气动力学透镜进入真空进样系统中，聚焦颗粒物至中轴线。进入系统的颗粒物通过双光束空气动力学测径方法，这种方法的原理是基于不同空气动力学直径的颗粒物在进样出口处获得了不同的加速速度。在通过相距一定距离的两束激光时，颗粒物所需的飞行时间是不一致的，通过标准的样品进行标定即可对每一个大气粒子进行测径。

测径系统测量后，通过光电倍增管转变成电信号精确触发266nm 激光，激光束将单颗粒电离，单颗粒被电离成各种正负离子。质谱分析系统同时检查正负离子，从而获得单个颗粒物的全谱信息。分析内容包括：有机碳：有机胺类、有机酸类、多环芳烃类；元素碳：柴油车排放、生物质燃烧排放等；无机盐：无机盐类（硫酸盐、硝酸盐、铵盐、氯盐等）；金属/重金属：Ca、Ti、V、Mn、Fe、Cu、Zn、Cr 等约70 多种。

2 PM2.5 特征谱库建立及解析

针对PM2.5 源解析，在《大气颗粒物来源解析技术指南（试行）》中建议使用排放清单、扩散模型、受体模型及模型联合使用等。在线源解析的理论基础也是基于受体模型原理，依据分析数据结合示踪粒子及大数据算法来实现PM2.5 的源解析。

不同城市PM2.5 的来源也存在着一定的差别，因此建立区域PM2.5 组成的特征源谱库，能够更准确的实现区域PM2.5 的朔源。根据区域工业布局和环境特点，对固定源、移动源、开放源、餐饮油烟源、生物质燃烧源以及二次粒子的前体物排放源等，选择能代表区域污染源排放的时空分布特征样品的种类和数量。对所采集代表性样品进行再悬浮，通过进样系统将所采集样品输送入单颗粒气溶胶质谱系统进行分析。

分析结果通过基于Matlab 平台的软件名为YAADA 数据分析软件进行数据处理，YAADA 中主要包含了数据导入、搜寻、作图、定量分析函数，用户可以通过Matlab 自己修改或编写函数来扩展其应用。该软件可以对数据通过自适应共振理论神经网络算法（ART-2a），该算法可通过大量的分析数据进行分类处理，通过离子谱图相似性进行归类。不同来源的气溶胶颗粒所含有的特征离子不同，这一点已有大量的实验结果证明。因此，根据大气气溶胶中的组成特征情况就能够推断出颗粒的可能来源以及颗粒在空气中发生的各种变化过程。若一类数据落在已存在的数据的相似程度之外，那么ART 就会新增加一类。运用这种方法，他能够鉴定新的一类数据，同时不影响已存在的类别。通过软件的算法，对数据进行归类后，形成区域PM2.5 特征谱库。通过在线单颗粒气溶胶质谱设备对区域大气颗粒物进行采样分析，根据分析结果，使用示踪离子法及自适应共振神经网络算法（ART-2A）结合区域PM2.5 特征谱库，对环境空气中颗粒物的来源进行在线解析，从而获取区域PM2.5来源。

3 单颗粒气溶胶质谱的应用

与传统的离线采样分析源解析相比，单颗粒气溶胶质谱在线源解析避免了离线采样、运输及分析过程中的造成气溶胶损失，且在线源解析采用高时间质谱分析仪，分析效率较高，利用单颗粒质谱高时间分辨率的优势，可分析污染过程中逐小时的颗粒物成分及来源随颗粒物浓度变化情况，结合气象条件、污染源分布及现场巡查，结合PM2.5 谱库能够实现快速的识别PM2.5 来源。SPAMS 在线源解析系统目前已在全国多个城市进行了实际应用，特别是重污染天气应急监测、气团跟踪、大型活动保障等。利用在线源解析系统能够实现区域污染物或污染源变化规律、城市重点点位PM2.5 污染源构成情况。通过源解析结果可以实现，城市层面重点区域/重点源差异化管控，帮助管理部门制定快速、科学、有效、可行的解决方案。在冬季北方期间加强观测，实时获取污染情况，指导对应措施的制定[6]。

由于大颗粒质谱单机运行模式下即可同时提供无机元素和有机物种的信息，并且能够发现单个颗粒物上各化学物种之间的联系，无需前处理，可实现大气颗粒物的实时采样和分析，具有极高时间分辨率（小时级别），能够发现污染源的细微变化特征。大颗粒气溶胶质谱结合大数据算法系统，可集成于一部机动车上，不仅机动性好，在重污染天气下的颗粒物源解析应急响应、措施评估、污染成因分析，以及精细化管理上有独特优势。

结语

大颗粒气溶胶质谱目前虽然实现了车载，但只能进行定点监测，并不能实现走航，由于区域小环境也可能导致PM2.5 来源的变化，因此想要获取精确地PM2.5 来源解析结果，应解决大颗粒质谱的供电问题，实现走航监测，通过多点监测分析，实现区域源解析的精细化，进一步提高源解析效率。同时通过走航过程PM2.5 来源的变化，实现重点PM2.5 来源的确认，也可以通过多点的源解析为城市PM2.5 来源进行画像，确定区域PM2.5 控制策略，为政府区域大气管控决策提供支撑数据。

由于大颗粒气溶胶质谱源解析系统依赖示踪离子及大数据算法结合区域源谱库进行的源解析，区域源谱库的建立直接决定了在线源解析的准确性。为了保证在线源解析的应用的有效性，应在正常天气条件下，对区域PM2.5 进行定期、连续的监测，建立区域PM2.5 源谱档案，为区域PM2.5 来源精确解析提供数据基础。区域PM2.5 受温度、风速风向、光照、地理地形等影响也会有较大的变化，在分析精确、大数据系统完善的条件下，在解析系统上合理的融合环境地形、气象参数系统能进一步提高PM2.5 的精度。在走行车上，安装气象测量装置进行区域气象数据采集，实现实时传输，同时结合GIS 系统提供的地形状况，结合现有大颗粒质谱解析系统能够实现区域环境中PM2.5 的精确解析。