持续监测有害颗粒物和气溶胶的空气质量
2025年2月24日
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世界卫生组织（WHO）将空气污染定义为“任何改变大气自然特性的化学、物理或生物制剂对室内或室外环境的污染”[1]。工业空气污染监测至关重要，因为呼吸高度污染的空气会导致呼吸系统疾病、心脏病、癌症和其他严重的健康问题。它还会引起酸雨，破坏作物，降低植物生长和生产力，并危害野生动物。由于全球99%的人口呼吸的空气超过世卫组织质量指南限制 [1,2]，这是一个普遍存在的问题。在各种空气污染物中，颗粒物和气溶胶尤其令人关注。这篇博客文章讨论了这些造成空气污染的因素，并重点介绍了两种持续监测环境空气质量的仪器。
微粒物质和气溶胶有什么区别？
颗粒物（PM）通常被定义为悬浮在气体中的小固体颗粒，而气溶胶是悬浮在气体中很长一段时间的更细的液滴或固体颗粒。两者都会对人体健康产生负面影响，尤其是当它们的直径小于2.5µm时（PM2.5，图1）。
气溶胶和PM可以来自火山爆发等自然来源，也可以来自工业运营和运输等人为活动。因此，工业空气质量监测在确定排放源、了解化学成分和制定减少暴露策略方面发挥着关键作用。
如何进行PM和气溶胶分析？
传统上，PM和气溶胶分析包括两个步骤：样品收集和分析。为了收集有代表性的样本，使用合适的采样设备和技术是很重要的。
样品采集通常采用过滤过程。用过滤器将颗粒收集在过滤膜上，在一定时间后将用去离子水萃取，从过滤膜上除去，用于后续分析[4]。但是，这种方法只能测定24小时或更长时间内的平均值。此外，该方法繁琐且不精确。这使得连续在线测量变得不可能。
对气溶胶成分进行连续采样对于理解和应对空气质量挑战至关重要。实时数据为气溶胶成分的快速变化提供了有价值的见解，允许对污染事件做出更快的反应，并支持对大气过程进行更准确的科学调查。
为了克服传统采样方法的局限性，需要先进的技术来进行连续气溶胶分析。蒸汽收集设备，如Metrohm瑞士万通气溶胶采样器（MARS）和2060环境空气中气溶胶和气体监测仪（MARGA）（图2），提供实时、连续的气溶胶成分监测。这些仪器利用先进的技术收集和分析气溶胶，为空气质量评估和研究提供有价值的数据。
使用2060 MARGA，从同一气团中取样的气体和气溶胶通过选择性地将其溶解在水中来分离。得到的溶液每小时提供一次，然后使用带电导检测器的离子色谱进行分析。这种分离可以检测气溶胶中存在的关键前体气体和离子，从而更全面地了解空气质量。
MARS（图3）是专门为分析气溶胶而设计的。在化学分析方面，MARS设备通常与外部湿化学分析仪相结合，例如用于阳离子和/或阴离子分析的离子色谱仪（IC）或伏安极谱（VA）系统。与内部集成阴阳离子色谱的2060 MARGA相比，这种模块化方法提供了更大的灵活性和适应性，以适应更广泛的分析要求。
这两种仪器（2060 MARGA和MARS）都包括气体气蚀器（旋转液膜气蚀器“WRD”；图4，左），冷凝颗粒生长采样器（蒸汽发生气溶胶收集器“SJAC”；图4，右），以及输送泵和控制装置。这些仪器采用在过饱和水蒸气环境中将气溶胶颗粒转化为液滴的方法。将收集到的液滴与载体水混合后，连续送入样品环或预浓缩柱进行分析。
MARS vs. 2060 MARGA——哪个是正确的选择？
MARS被设计为只采样气溶胶，但2060 MARGA也可以检测水溶性气体。与传统的气蚀器（从气溶胶收集器（生长室）上游的空气样品中去除气体）相比，2060 MARGA在WRD中收集气体物种进行在线分析。与气体相比，气溶胶具有较低的扩散速度，因此可以不受干扰地通过WRD。
2060 MARGA有两种配置：R（研究版本）和M（业务版本）。2060年的MARGA R版本用于研究活动，例如季节性空气质量变化的研究。当不使用时，离子色谱仪可以解耦并重新用于其他实验室研究。
对于更持久的解决方案和24/7空气质量监测，2060 MARGA M更适合。
| MARS | 2060 MARGA | |
|---|---|---|
| 空气流量 | 大体积取样： 0.5–1.0 m3/h | 大体积取样：0.5–1.0 m3/h |
| 污染物种类 | 适用于气溶胶分析 气溶胶: Cl-, NO3-, SO42-, F-, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+, K+ | 适用于气溶胶和气体分析 气溶胶: Cl-, NO3-, SO42-, F-, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+, K+ 气体: HCl, HNO3, HONO (HNO2), SO2, NH3, HF |
| MARS可以测量各种污染物，如硫酸盐、硝酸盐和铵离子。 | MARGA可以测量各种污染物，如硫酸盐，硝酸盐和铵离子，以及微量气体，包括二氧化硫和氨。 | |
| 分析方法 | 可与不同的分析技术配套使用（如IC、VA等） | 集成两台离子色谱 |
| 单一或多种分析技术的可能性 | 单一分析技术 | |
| 时间分辨率 | 连续空气监测 | 连续空气监测 |
| 样品收集方法 | SJAC | WRD and SJAC |
| 尺寸 mm (W/H/D) | 660/605/605 | 2060 MARGA R: 660/930/605 2060 MARGA M: 660/1810/605 |
| 预期用途 | 研究 | 2060 MARGA R – 研究项目 2060 MARGA M – 业务化连续运行 |
以下是对结果的比较，以确定2060 MARGA和MARS气溶胶取样和测量之间是否有任何相关性。由于已知2060MARGA对气溶胶的测量结果是精确的，因此良好的相关性表明MARS对气溶胶的测量也具有类似的精度。
下图显示了2022年6月6日至9日期间，使用2060 MARGA和MARS系统使用离子色谱法测量的荷兰Schiedam环境空气的气溶胶结果（图5）。2060 MARGA的周期时间为60分钟（正常周期时间），而MARS的周期时间为30分钟。这两个系统的数据显示了相似的趋势，但由于MARS产生的数据是MARGA的两倍，所以它的气溶胶浓度数据比2060MARGA数据要高。如果使用移动平均线将数据修正为60分钟，则MARS给出的浓度与2060MARGA给出的浓度相似。
结论
监测空气污染至关重要，因为它可以让我们了解我们呼吸的空气中污染物的类型和水平。暴露在空气污染中会导致许多健康问题，包括呼吸系统疾病、心血管疾病，甚至癌症。它还会造成酸雨、臭氧消耗和气候变化，从而损害环境。使用Metrohm Process Analytics的2060 MARGA或MARS等工具来测量空气质量非常重要，这样可以了解各种污染物的影响，并制定有效的策略来减少暴露。通过这样做，我们可以努力为所有人创造一个更健康和更可持续的环境。
参考资料：
[1] World Health Organization. Air pollution - Overview. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (accessed 2025-02-06).
[2] WHO Global Air Quality Guidelines: Particulate Matter (PM2.5 and PM10), Ozone, Nitrogen Dioxide, Sulfur Dioxide and Carbon Monoxide; World Health Organization: Geneva, 2021. https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228
[3] US EPA. Particulate Matter (PM) Basics. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics (accessed 2025-02-06).
[4] Wang, D.; Jiang, J.; Deng, J.; et al. A Sampler for Collecting Fine Particles into Liquid Suspensions. Aerosol Air Qual. Res. 2020, 20 (3), 654–662. DOI:10.4209/aaqr.2019.12.0616
[5] Läubli, M. Air Monitoring by Ion Chromatography – a Literature Reference Review, 2018. https://www.metrohm.com/en/products/a/ir_m/air_monitoring_icv2.html
