智能电镜让大气颗粒物精准显形

本文转自：中国环境报

空气中的颗粒物长啥样？来自哪？有多大？

智能电镜让大气颗粒物精准显形

◆本报记者 孙浩

有的形状呈椭圆，四周有绒毛状突起；有的形状呈球形、立方体、薄片状、柱状；有的由不规则的小球聚合在一起，形状呈链状、簇状、密实状，酷似一个张开手臂的人形……在中国环境科学研究院大气颗粒物电镜分析联合实验室（以下简称联合实验室），通过智能电镜技术，成千上万个大气颗粒物活灵活现地出现在屏幕上，图像清晰可见。

近年来，我国空气质量逐年改善，PM2.5浓度逐年降低，开展低浓度下颗粒物精细化溯源，是进一步降低PM2.5浓度的关键。在联合实验室，通过智能电镜技术，可快速获取单个颗粒物的详细信息，进一步识别颗粒物类型，解析不同源类颗粒物的贡献，了解哪类颗粒物占比较高、哪些颗粒物粒径较大。这些多维大数据可为城市尺度下大气颗粒物污染防治对策的制定提供科学依据。记者近日来到中国环境科学研究院，了解相关技术的最新进展及应用情况。

为颗粒物源解析提供新途径

手动测试，人工识别颗粒物，手动采集并处理数据……这些是传统电镜的操作步骤。然而，随着污染防治攻坚战向纵深推进，传统电镜测试效率低、获取数据慢、工作量大，且采样布点少、成本高、代表性不强、空间分辨率低等问题被逐步放大。

为了弥补这些局限性，计算机控制扫描电子显微镜（以下简称智能电镜）应运而生。智能电镜实现了软硬件深度融合，颗粒物测试效率大幅提高，可达每小时数千个。

简单来说，智能电镜就像是一个智能控制的巨型放大镜，能够自动获得颗粒的形貌、成分、粒径、混合状态和表面特征等详细信息，基于这些信息可以分析颗粒的来源和老化过程。颗粒物样品从布设点位收集完成后，寄回到实验室分析，完成测试并获得结果只需要数小时。

“智能电镜溯源方法适用于颗粒物低浓度水平下城市精准治污研究，将有助于开展基于大数据的颗粒物精细化源解析研究，提高源解析的源类精细化程度。结合被动式采样技术进行网格化布点，能有效提高城市颗粒物源解析的时空分辨率。”中国环境科学研究院大气研究所副所长高健表示。

例如，球形颗粒物就是铁球颗粒物，它来自人为源排放，产生于高温熔融过程，环境空气中的铁球颗粒物大部分来自工业生产、燃料燃烧，少量来自机动车排放，可归属于人为排放颗粒物中工业活动排放的金属颗粒类。通过智能电镜技术，联合实验室掌握了它更为详细的理化信息，包括铁球颗粒的形貌特征、元素组成、粒径大小、混合状态等。

“你看，铁球颗粒物出现了，这一样品来自河北省唐山市，结合唐山市采样点周边情况，表明唐山市钢铁工业对周边的影响较大。”中国环境科学研究院大气研究所助理研究员李文君告诉记者。

目前，扫描电镜和透射电镜已被广泛应用于各类大气环境中的气溶胶单颗粒研究。而智能电镜近年来在我国应用广泛，特别是大气颗粒物研究，例如北京、济南等城市。

“以往的人工电镜解决微观问题，如今的智能电镜架起了微观和宏观之间的桥梁，兼顾微观及宏观，但会有所取舍。”李文君说，未来，借助网格化智能电镜技术体系，单颗粒分析方法将应用于更多区域。

智能电镜能得到什么信息？

被动式采样是众多采样方法的一种，当一个长五六十厘米的银色长柄（固定装置）、形状酷似加长版平底锅（样品钉遮挡器）的仪器（UNC被动式采样仪）被固定在楼顶的栏杆上时，UNC被动式采样仪即开始了它的采样任务。

UNC被动式采样仪不需要动力，颗粒物依据重力、扩散和惯性作用进入遮挡器内，穿过SEM样品钉网帽后沉积到内置的聚碳酸酯膜上，采样频率一般为1—2周/个，可根据颗粒物环境浓度灵活制定采样周期。UNC被动式采样仪完成采样后，采样人员将SEM样品钉取出后并将其寄送到联合实验室测试。

为了更好地发挥智能电镜溯源方法的优势，中国环境科学研究院、北京迈特高科技术有限公司等单位决定携手共建，联合实验室应运而生。

样品被送到联合实验室后，先置于干燥柜恒温恒湿环境中平衡，随后将样品钉从网帽中取出，镀上一层钯薄膜后，不做任何前处理，直接置于样品仓中，最大程度保留了颗粒物采集到样品膜上的原始状态。样品在真空环境下，经过设置参数—检测颗粒—收集单个颗粒图像—测量颗粒（旋转框法45次箱式测量）—收集能谱数据—自定义分类规则—数据导出等程序，通过软硬件调整，尽可能地获得大部分颗粒物数据，颗粒物类型尽可能全面。

“北京冬奥会及冬残奥会期间，我们围绕北京及周边15个重点城市进行多点位布点采样，历时两个月，利用IntelliSEM EPAS（智能扫描电镜环境颗粒物分析系统）获得了一百多万个单颗粒数据，这也是EPAS系统近期成功应用的案例之一。”李文君告诉记者。

“百万颗粒物计划”正在进行中

大尺度、中尺度、微尺度代表了智能电镜系统在网格化源解析中扮演的角色。大尺度对应着区域范围内，例如京津冀及周边地区“2+26”城市。中尺度对应着城市区域内，例如北京等城市。而微尺度则代表着城市微环境，例如街区、道路等。

谈及智能电镜未来发展的目标，高健认为，智能电镜在国内的发展潜力巨大，特别是在我国空气质量逐年改善的背景下，蓝天白云成为常态，我国大气污染治理进入深水区，实现“一微克”地减污降碳，亟须更精细、更先进的大气观测技术方法，而智能电镜能快速获取大量多维度、高精度数据，未来将在“一市一策”等大气污染防治工作中大显身手。

此外，智能电镜的数据众多，能得到大量传统电镜监测不到的颗粒物类型，对完善颗粒物数据库非常有帮助。截至目前，通过不少项目试点，已经总结出详细的单颗粒“指纹”源谱数据库（即“百万颗粒物计划”）。

随着联合实验室的建设完成并投入使用，目前已初步建立了基于智能电镜的单颗粒源解析技术方法体系，包括网格化布点、样品采集、智能电镜测试、数据预处理、单颗粒智能识别及分类等方法，下一步会将相关技术方法体系以专利、技术方法、标准及规范等形式产出。