透過(guò)這面“鏡子”，就可看到正在“作妖”的顆粒物是啥
【谷騰環(huán)保網(wǎng)訊】有的形狀呈橢圓，四周有絨毛狀突起；有的形狀呈球形、立方體、薄片狀、柱狀；有的由不規(guī)則的小球聚合在一起，形狀呈鏈狀、簇狀、密實(shí)狀，酷似一個(gè)張開(kāi)手臂的人形……在中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院大氣顆粒物電鏡分析聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室），通過(guò)智能電鏡技術(shù)，成千上萬(wàn)個(gè)大氣顆粒物活靈活現(xiàn)地出現(xiàn)在屏幕上，圖像清晰可見(jiàn)。
近年來(lái)，我國(guó)空氣質(zhì)量逐年改善，PM2.5濃度逐年降低，開(kāi)展低濃度下顆粒物精細(xì)化溯源，是進(jìn)一步降低PM2.5濃度的關(guān)鍵。在聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)智能電鏡技術(shù)，可快速獲得單個(gè)顆粒物的詳細(xì)信息，進(jìn)一步識(shí)別顆粒物類型，解析不同源類顆粒物的貢獻(xiàn)，了解哪類顆粒物占比較高、哪些顆粒物粒徑較大。這些多維大數(shù)據(jù)可為城市尺度下大氣顆粒物污染防治對(duì)策的制定提供科學(xué)依據(jù)。記者近日來(lái)到中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，了解相關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展及應(yīng)用情況。
為顆粒物源解析提供新途徑
圖為CCSEM自動(dòng)測(cè)試獲取的典型大氣顆粒物SEM圖像。（IntelliSEMEPAS系統(tǒng)、BSE模式下）
手動(dòng)測(cè)試，人工識(shí)別顆粒物，手動(dòng)采集并處理數(shù)據(jù)……這些是傳統(tǒng)電鏡的操作步驟。然而，隨著污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)向縱深推進(jìn)，傳統(tǒng)電鏡測(cè)試效率低、獲取數(shù)據(jù)慢、工作量大，且采樣布點(diǎn)少、成本高、代表性不強(qiáng)、空間分辨率低等問(wèn)題被逐步放大。
為了彌補(bǔ)這些局限性，計(jì)算機(jī)控制掃描電子顯微鏡（以下簡(jiǎn)稱智能電鏡）應(yīng)運(yùn)而生。智能電鏡實(shí)現(xiàn)了軟硬件深度融合，顆粒物測(cè)試效率大幅提高，可達(dá)數(shù)千個(gè)/小時(shí)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，智能電鏡就像是一個(gè)智能控制的巨型放大鏡，能夠自動(dòng)獲得顆粒的形貌、成分、粒徑、混合狀態(tài)和表面特征等詳細(xì)信息，基于這些信息可以分析顆粒的來(lái)源和老化過(guò)程。顆粒物樣品從布設(shè)點(diǎn)位收集完成后，寄回到實(shí)驗(yàn)室分析，完成測(cè)試并獲得結(jié)果只需要數(shù)小時(shí)。
“智能電鏡溯源方法適用于顆粒物低濃度水平下城市精準(zhǔn)治污研究，將有助于開(kāi)展基于大數(shù)據(jù)的顆粒物精細(xì)化源解析研究，提高源解析的源類精細(xì)化程度。結(jié)合被動(dòng)式采樣技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格化布點(diǎn)，能有效提高城市顆粒物源解析的時(shí)空分辨率。”中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院大氣研究所副所長(zhǎng)高健表示。
例如文章開(kāi)頭提到的呈球形的顆粒物就是鐵球顆粒物，它來(lái)自人為源排放，產(chǎn)生于高溫熔融過(guò)程，環(huán)境空氣中的鐵球顆粒物大部分來(lái)自工業(yè)生產(chǎn)、燃料燃燒，少量來(lái)自機(jī)動(dòng)車(chē)排放，可歸屬于人為排放顆粒物中工業(yè)活動(dòng)排放的金屬顆粒類。通過(guò)智能電鏡技術(shù)，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室掌握了它更為詳細(xì)的理化信息，包括鐵球顆粒的形貌特征、元素組成、粒徑大小、混合狀態(tài)等。
“你看，鐵球顆粒物出現(xiàn)了，這一樣品來(lái)自河北省唐山市，結(jié)合唐山市采樣點(diǎn)周邊情況，表明唐山市鋼鐵工業(yè)對(duì)周邊的影響較大。”中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院大氣研究所助理研究員李文君告訴記者。
目前，掃描電鏡和透射電鏡現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各類大氣環(huán)境中的氣溶膠單顆粒研究，而智能電鏡近年來(lái)在我國(guó)應(yīng)用廣泛，特別是大氣顆粒物研究，例如北京、濟(jì)南、吉林、山東等城市。
“以往的人工電鏡解決微觀問(wèn)題，如今的智能電鏡是微觀和宏觀之間的橋梁，兼顧微觀及宏觀，但會(huì)有所取舍。”李文君說(shuō)，未來(lái)，借助網(wǎng)格化智能電鏡技術(shù)體系，單顆粒分析方法將應(yīng)用于更多區(qū)域。
智能電鏡能得到什么信息？
圖為UNC-PAS被動(dòng)式采樣儀組成及采樣示意圖
被動(dòng)式采樣是眾多采樣方法的一種，當(dāng)一個(gè)長(zhǎng)約五六十厘米的銀色長(zhǎng)柄（固定裝置），形狀酷似加長(zhǎng)版平底鍋（樣品釘遮擋器）的儀器（UNC被動(dòng)式采樣儀）被固定在樓頂?shù)臋跅U上時(shí)，UNC被動(dòng)式采樣儀即開(kāi)始了它的采樣任務(wù)。
UNC被動(dòng)式采樣儀不需要?jiǎng)恿，顆粒物依據(jù)重力、擴(kuò)散和慣性作用進(jìn)入遮擋器內(nèi)，穿過(guò)SEM樣品釘網(wǎng)帽后沉積到內(nèi)置的聚碳酸酯膜上，采樣頻率一般為1-2周/個(gè)，可根據(jù)顆粒物環(huán)境濃度靈活制定采樣周期。UNC被動(dòng)式采樣儀完成采樣后，采樣人員將SEM樣品釘取出后并將其寄送到聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。
為了更好地發(fā)揮智能電鏡溯源方法的優(yōu)勢(shì)，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院、北京邁特高科技術(shù)有限公司等單位決定攜手共建，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。
樣品被送到聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室后，先置于干燥柜恒溫恒濕環(huán)境中平衡，隨后將樣品釘從網(wǎng)帽中取出，鍍上一層鈀薄膜后，不做任何前處理，直接置于樣品倉(cāng)中，最大程度保留了顆粒物采集到樣品膜上的原始狀態(tài)。樣品在真空環(huán)境下，經(jīng)過(guò)設(shè)置參數(shù)—檢測(cè)顆粒—收集單個(gè)顆粒圖像—測(cè)量顆粒（旋轉(zhuǎn)框法45次箱式測(cè)量）—收集能譜數(shù)據(jù)—自定義分類規(guī)則—數(shù)據(jù)導(dǎo)出等程序，通過(guò)軟硬件調(diào)整，盡可能地獲得大部分顆粒物數(shù)據(jù)，顆粒物類型盡可能全面。
“去年北京冬奧會(huì)及冬殘奧會(huì)期間，我們圍繞北京及周邊15個(gè)重點(diǎn)城市進(jìn)行多點(diǎn)位布點(diǎn)采樣，歷時(shí)兩個(gè)月，利用IntelliSEMEPAS（智能掃描電鏡環(huán)境顆粒物分析系統(tǒng)）獲得了一百多萬(wàn)個(gè)單顆粒數(shù)據(jù)，這也是EPAS系統(tǒng)近期成功應(yīng)用的案例之一。”李文君告訴記者。
“百萬(wàn)顆粒物計(jì)劃”正在進(jìn)行中
圖為IntelliSEMEPAS智能掃描電鏡環(huán)境顆粒物分析系統(tǒng)
大尺度、中尺度、微尺度代表了智能電鏡系統(tǒng)在網(wǎng)格化源解析中扮演的角色。大尺度對(duì)應(yīng)著區(qū)域范圍內(nèi)，例如“2+26”城市。中尺度對(duì)應(yīng)著城市區(qū)域內(nèi)，例如北京等城市。而微尺度則代表著城市微環(huán)境，例如街區(qū)、道路尺度等。
談及智能電鏡未來(lái)發(fā)展的目標(biāo)，高健認(rèn)為，智能電鏡在國(guó)內(nèi)的發(fā)展?jié)摿薮，特別是在我國(guó)空氣質(zhì)量逐年改善的背景下，藍(lán)天白云成為常態(tài)，我國(guó)大氣污染治理進(jìn)入深水區(qū)，實(shí)現(xiàn)“一微克”地減污降碳，亟需更精細(xì)、更先進(jìn)的大氣觀測(cè)技術(shù)方法，而智能電鏡能快速獲取大量多維度、高精度數(shù)據(jù)，未來(lái)將在“一市一策”等大氣污染防治工作中大顯身手。
此外，智能電鏡的數(shù)據(jù)眾多，能得到大量傳統(tǒng)電鏡監(jiān)測(cè)不到的顆粒物類型，對(duì)完善顆粒物數(shù)據(jù)庫(kù)非常有幫助。截至目前，通過(guò)不少項(xiàng)目試點(diǎn)，已經(jīng)總結(jié)出詳細(xì)的單顆粒“指紋”源譜數(shù)據(jù)庫(kù)。（“百萬(wàn)顆粒物計(jì)劃”）
隨著聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)完成并投入使用，目前已初步建立了基于智能電鏡的單顆粒源解析技術(shù)方法體系，包括網(wǎng)格化布點(diǎn)、樣品采集、智能電鏡測(cè)試、數(shù)據(jù)預(yù)處理、單顆粒智能識(shí)別及分類等方法，下一步將相關(guān)技術(shù)方法體系以專利、技術(shù)方法、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范等形式產(chǎn)出。
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