張艷艷

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100160

一、引言

近年來，我國多地霧霾天氣頻發(fā)，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(zhì)量的廣泛關(guān)注。

空氣中的PM2.5指的是環(huán)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(guān)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(qū)域性的霾污染現(xiàn)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(zhì)及其數(shù)量、質(zhì)量或其他參數(shù)之間的關(guān)系，常用檢測方法有基于力學性質(zhì)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(zhì)的光散射法、對射型光強檢測法和激光誘導(dǎo)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(zhì)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(guī)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(zhì)量，計算質(zhì)量差以獲得捕集的PM2.5的質(zhì)量，結(jié)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(yōu)點是原理簡單，測定數(shù)據(jù)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(zhì)量傳感器內(nèi)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(shù)的改變來計算顆粒物質(zhì)量濃度[3-5]。

這種測量方法是最近幾年發(fā)展起來的，優(yōu)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(huán)境要求在50℃以上，加熱管容易使顆粒物中的揮發(fā)性物質(zhì)損失從而導(dǎo)致測量濃度損失，測量數(shù)據(jù)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(xiàn)PM2.5濃度的在線檢測，所采用的儀器如圖2所示。整個系統(tǒng)包括檢測腔體，腔體底部設(shè)有放有濾紙的透氣孔，腔體底部連接一個彈簧—阻尼系統(tǒng)。其檢測過程為：一定量的空氣由管道進入檢測腔體內(nèi)，進入腔體內(nèi)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(zhì)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(zhì)量有關(guān)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(nèi)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(zhì)量使諧振器的振蕩頻率發(fā)生變化，根據(jù)該頻率變化可計算出PM2.5的質(zhì)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(zhì)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(zhì)的檢測方法

（1）光散射法

根據(jù)Mie 散射理論，在溫度和濕度較穩(wěn)定的潔凈環(huán)境下，當光照射在空氣中懸浮的PM2.5上時，產(chǎn)生與其質(zhì)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(shè)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(fā)出光照射在PM2.5上，產(chǎn)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(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大和分析電路計算出PM2.5的濃度。

光散射法的優(yōu)點是體積小、重量輕、操作簡便且噪音低、穩(wěn)定性好，可直讀測定結(jié)果。缺點是測定結(jié)果與PM2.5 粒徑、顏色、成分、形狀及密度等因素有關(guān)，易受到環(huán)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(fā)出激光，經(jīng)過透鏡1和透鏡2后照射在光敏感區(qū)，通過光敏感區(qū)的光經(jīng)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(qū)時，PM2.5就會遮蔽光線而導(dǎo)致進入雪崩光電二極管的光量減少，雪崩光電二極管產(chǎn)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(yōu)點是穩(wěn)定性高、響應(yīng)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(dǎo)熒光法

激光誘導(dǎo)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(fā)到較高能級，然后當其由較高能級躍遷回基態(tài)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(yīng)速度快的優(yōu)點，可以實現(xiàn)對很低濃度PM2.5的檢測。其缺點是所采用的設(shè)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(zhì)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(zhì)量成正比，并只與顆粒質(zhì)量有關(guān)，與種類、粒徑、形狀、顏色和化學組成均無關(guān)。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(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

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

（2）電荷法

電荷法是直接測量顆粒物靜電感應(yīng)所帶的電荷量來間接確定其質(zhì)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(yīng)而產(chǎn)生的電荷變化，其中大部分來自靜電感應(yīng)，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(jiān)測，缺點是由于不同的顆粒材料會產(chǎn)生不同的感應(yīng)、摩擦電流，此類設(shè)備使用前需要標定。

三、總結(jié)

上述幾種常用的PM2.5檢測方法具有各自的優(yōu)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(xiàn)對PM2.5的準確檢測，并基于PM2.5檢測結(jié)果，實現(xiàn)對PM2.5污染的有效控制。