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[摘 要]利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪（SPAMS）对汕头市PM2.5扬尘源颗粒物和化学成分进行分析，结果表明：道路、建筑、城市扬尘颗粒正谱图含铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）、氧化钙（CaO+）、铁（Fe+）等地壳元素，负谱图含硅酸盐（SiO2-、SiO3-、HSiO3-）、磷酸盐（PO3-）和元素碳等；堆场扬尘正谱图含铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）等信号峰，负谱图含元素碳等。这些特征为大气扬尘源颗粒物的源解析提供了技术支持。
[关键词]单颗粒气溶胶质谱 源解析 扬尘源
中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0257-02
近年来，随着我国经济发展和城市化进程加快，各地区的空气污染现象也日益严重，其中，由大气颗粒物浓度增加引起的城市灰霾污染不仅能造成空气能见度降低，给人们的生产生活带来诸多不便，还直接影响人体健康。研究表明[1][2]，我国有较多城市存在严重的大气颗粒物污染，污染程度与悬浮细颗粒物（PM2.5） 的浓度直接相关[3]。扬尘是城市悬浮细颗粒物（PM2.5）的重要来源之一，交通道路建设速度的提升，城市机动车保有量的增加，房地产等城市建筑项目的不断开展，城市中的裸露堆场问题等均是城市扬尘污染的重要来源[4]。控制扬尘污染逐步成为城市空气颗粒物污染治理和提高局部空气质量的重点，因此对汕头地区开展PM2.5扬尘源特征研究及来源解析，对全面了解汕头扬尘排放具有重要意义。
本研究使用广州禾信分析仪器有限公司生产的在线单颗粒气溶胶质谱仪研究汕头市4种不同类型扬尘污染源PM2.5排放颗粒物的化学成分组成，以期从单颗粒角度解析汕头市扬尘污染源中的气溶胶理化特征，从而为进一步开展大气细颗粒物源解析工作提供提供科学的基础数据支持和为有关部门制定汕头扬尘源污染物排放控制对策提供依据。
1 实验部分
1.1 仪器设备及原理
本次实验使用的测试仪器为在线单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS0515，广州禾信分析仪器有限公司），SPAMS的工作原理是将采集到的扬尘样品气溶胶颗粒通过一进样管进入仪器，在三级差动真空条件下，不同颗粒由于质量的不同导致不同的速度，然后颗粒在空气动力学透镜的作用下聚焦成为准直颗粒束，在离开空气动力学透镜后进入测径区，在测径区颗粒连续经过两束532nm测径激光器发射的激光束，产生的散射光分别被椭球面镜反射聚焦到光电倍增管（PMT）上得以检测，通过时序电路测量两个PMT信号的时间间隔，就可以计算颗粒的飞行速度，进而换算出颗粒的空气动力学直径，另外颗粒的速度还用来控制当颗粒到达电离区中心的时候电离激光出射激光将颗粒电离。颗粒进入电离区后，被266nm Nd：YAG紫外脉冲激光电离产生正负离子，然后离子被双极型飞行时间质量分析器检测，可同时得到细颗粒物的正负离子信息。通过SPAMS可以同时获取單个细颗粒物的粒径大小和化学组成，从而达到对每个细颗粒物来源的精确判别。
1.2 样品的采集
扬尘源作为开放源，其具有排放面大、强度低、受周边环境干扰强，实地采样难以获得具有代表性样品的特点，本此实验中，采取实地直接采集构成源的物质，利用再悬浮采样器，进行PM2.5源样品采集和分析的方法[5]。
本次实验将扬尘源分为：道路扬尘、建筑扬尘、城市扬尘以及堆场扬尘4种不同类型，根据《环境空气颗粒物来源解析监测方法指南》的选点原则：道路扬尘采样点位分别选择在了汕头市大型货物运输车辆来往较多的泰山路及大学路，日常车流量较大的324国道及城市中心主干道金砂东路，以及选择具有电子产品加工处理产业特色的贵屿镇中的草南路，各路段均选择避开施工工地附近的路段；建筑扬尘采样点位选择在正在施工的东海岸新城建筑工地以及贵屿镇草南路建筑工地的施工现场，收集散落在施工作业面上的建筑扬尘混合样品；城市扬尘采样点位选择在临黄山路西边的汕头市环保局、采集停放于地上1层的废旧车辆表面积尘；堆场扬尘采样点位选择在汕头市港务四公司的煤堆场，采用梅花布点法采集堆场表层（1～2 cm）样品，以四分法混合为一个样品。
本次实验扬尘样品采集是同通过直接扫取尘样进入采样袋，收集的扬尘样品不进行研磨，保持采样时的初始状态，过150目标准筛以获取粒径<100 μm的组分，过筛后的样品通过自然干燥、过筛、再悬浮后外接单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪分析， 仪器保存相应的细颗粒物成分信息，样品进样前检查仪器进样压力以及质漂范围在允许范围内，如超过仪器质控范围则进行仪器校正。每测完一种污染源后，对进样用重悬浮用器具清洗干净，避免污染下一个源谱的检测。检测出来的结果将和在线单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）原有的谱库图相结合，建立汕头市细颗粒物扬尘源谱库。
1.3 数据分析
采集到的颗粒信息输入到禾信公司自主开发的数据处理软件中进行处理.软件基于Matlab 平台，利用自适应共振理论神经网络算法（ART-2a）对颗粒物进行分类{Song，1999#8123}，该算法能够根据颗粒质谱相似度自动将相似的颗粒归为同一类.本研究中使用以下算法参数：警戒因子0.80，学习效率0.05，迭代次数20迭代完成后，所有的颗粒被分为数百类，然后依据化学成分特征手动将这些颗粒类型合并，颗粒类别以平均谱图中最富含的离子种类命名.
2 结果与讨论
2.1 道路扬尘结果
扫取道路扬尘样品，自然晾干过筛后再悬浮测定，5个不同路段扬尘样品中测径颗粒数及电离颗粒数如表1所示；由5个不同路段扬尘源颗粒物中最富含颗粒类型的平均质谱图可知道路扬尘正谱图含有铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）、氧化钙（CaO+）、铁（Fe+）等地壳元素，负谱图中含硅酸盐（SiO2-、SiO3-、HSiO3-）、磷酸盐（PO3-）和元素碳等。 2.2 建筑扬尘
收集散落在施工作业面上的建筑扬尘混合样品，自然晾干过筛后再悬浮测定，建筑扬尘样品中测径颗粒数及电离颗粒数如表2所示；2个不同建筑地点扬尘源颗粒物中最富含顆粒类型的平均质谱图如图1所示.由图中可知建筑扬尘正谱图含有铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）、氧化钙（CaO+）、铁（Fe+）等地壳元素，负谱图中含硅酸盐（SiO2-、SiO3-、HSiO3-）、磷酸盐（PO3-）和元素碳等。
2.3 城市扬尘
扫取停放于汕头市环保局内的废旧车辆的表面积尘样品，自然晾干过筛后再悬浮测定，测径颗粒数为11413个，电离颗粒数为2726个，积尘颗粒物中最富含颗粒类型的平均质谱图如图2所示.由图中可知城市扬尘正谱图含铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）、氧化钙（CaO+）、铁（Fe+）等地壳元素，负谱图含硅酸盐（SiO2-、SiO3-、HSiO3-）、磷酸盐（PO3-）和元素碳等。
2.4 堆场扬尘
采用梅花布点法采集港务四公司煤堆场表层（1～2 cm）样品，以四分法混合为一个样品，自然晾干过筛后再悬浮测定，堆场扬尘样品测径颗粒数为14028个，电离颗粒数为3006个，堆场扬尘颗粒物中最富含颗粒类型的平均质谱图如图3所示.由图中可知堆场扬尘正谱图含铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）等信号峰，负谱图含元素碳等。
将道路扬尘、建筑扬尘、城市扬尘以及堆场扬尘4种不同类型扬尘源的结果进行对比，研究表明，来自于地表土壤的气溶胶往往含有 Fe、Ca、Al、Si、Na、Mg、Ti 等元素[6][7]，冯银厂等对济南市和石家庄市扬尘的化学组成的研究结果[10]中亦表明济南市及石家庄扬尘中的主要的化学成分为Ca、Si、Al、Fe、Mg、K，本次实验的结果与其他研究结果基本一致。因此，可以选取硅酸盐、矿物质元素（铝、铁、钙）等作为汕头市扬尘源的示踪离子。
3 结论
本研究采集了汕头市道路扬尘、建筑扬尘、城市扬尘以及堆场扬尘4种不同类型扬尘源的颗粒物，利用气溶胶单颗粒飞行时间质谱仪对其化学成分和质谱特征进行了测定，结果表明：道路、建筑、城市扬尘颗粒正谱图含铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）、氧化钙（CaO+）、铁（Fe+）等地壳元素，负谱图含硅酸盐（SiO2-、SiO3-、HSiO3-）、磷酸盐（PO3-）和元素碳等；堆场扬尘正谱图含铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）等信号峰，负谱图含元素碳等，将这些特征和在线单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）原有的谱库图相结合，建立汕头市细颗粒物扬尘源谱库，未来可以用于对汕头市细颗粒物扬尘源进行识别，为大气扬尘源颗粒物的源解析提供技术支持。另外，对于各其他污染源的单颗粒质谱特征研究，例如固定源、移动源、生物质燃烧源、餐饮油烟源、工业工艺源等，均可以在下一步的工作中开展。
致谢：本研究开展期间得到了广州禾信分析仪器有限公司的大力协助，在此表示感谢！
参考文献
[1] He K， Yang F， Ma Y， et al. 2001. The characteristics of PM2.5 in Beijing， China. Atmos. Environ.，35：4959-4970.
[2] Wang Y， Zhuang G， Zhang X， et al. 2006， The ion chemistry， seasonal cycle， and sources of PM2.5 and TSP aerosol in Shanghai， Atmos. Environ. 40： 2935–2952.
[3] 周刚，夏慧.2013.我国灰霾天气的成因分析及研究进展综述[J].广州化工，41（12）：168-170；192.
[4] 黄玉虎，田刚，秦建平，等.不同施工阶段扬尘污染特征研究[J].环境科学，2007，28（12）：2885-2888.
[5]环境空气颗粒物来源解析监测方法指南.
[6] Salma I， Maenhaut W， Bobvos J，et al.Multi-elemental composition and sources of size-fractionated aerosols in Budapest[J].Journal of Aerosol Science， 1998， 29（Supplement（1）：S67-S68.
[7] Braga CF，Teixeira EC， Yoneama ML， et al.Study of the elemental composition of aerosols in the Candiota region of Brazil using the PIXE technique[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B： Beam Interactions with Materials and Atoms， 2004， 225（4）：561-571.
[关键词]单颗粒气溶胶质谱 源解析 扬尘源
中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0257-02
近年来，随着我国经济发展和城市化进程加快，各地区的空气污染现象也日益严重，其中，由大气颗粒物浓度增加引起的城市灰霾污染不仅能造成空气能见度降低，给人们的生产生活带来诸多不便，还直接影响人体健康。研究表明[1][2]，我国有较多城市存在严重的大气颗粒物污染，污染程度与悬浮细颗粒物（PM2.5） 的浓度直接相关[3]。扬尘是城市悬浮细颗粒物（PM2.5）的重要来源之一，交通道路建设速度的提升，城市机动车保有量的增加，房地产等城市建筑项目的不断开展，城市中的裸露堆场问题等均是城市扬尘污染的重要来源[4]。控制扬尘污染逐步成为城市空气颗粒物污染治理和提高局部空气质量的重点，因此对汕头地区开展PM2.5扬尘源特征研究及来源解析，对全面了解汕头扬尘排放具有重要意义。
本研究使用广州禾信分析仪器有限公司生产的在线单颗粒气溶胶质谱仪研究汕头市4种不同类型扬尘污染源PM2.5排放颗粒物的化学成分组成，以期从单颗粒角度解析汕头市扬尘污染源中的气溶胶理化特征，从而为进一步开展大气细颗粒物源解析工作提供提供科学的基础数据支持和为有关部门制定汕头扬尘源污染物排放控制对策提供依据。
1 实验部分
1.1 仪器设备及原理
本次实验使用的测试仪器为在线单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS0515，广州禾信分析仪器有限公司），SPAMS的工作原理是将采集到的扬尘样品气溶胶颗粒通过一进样管进入仪器，在三级差动真空条件下，不同颗粒由于质量的不同导致不同的速度，然后颗粒在空气动力学透镜的作用下聚焦成为准直颗粒束，在离开空气动力学透镜后进入测径区，在测径区颗粒连续经过两束532nm测径激光器发射的激光束，产生的散射光分别被椭球面镜反射聚焦到光电倍增管（PMT）上得以检测，通过时序电路测量两个PMT信号的时间间隔，就可以计算颗粒的飞行速度，进而换算出颗粒的空气动力学直径，另外颗粒的速度还用来控制当颗粒到达电离区中心的时候电离激光出射激光将颗粒电离。颗粒进入电离区后，被266nm Nd：YAG紫外脉冲激光电离产生正负离子，然后离子被双极型飞行时间质量分析器检测，可同时得到细颗粒物的正负离子信息。通过SPAMS可以同时获取單个细颗粒物的粒径大小和化学组成，从而达到对每个细颗粒物来源的精确判别。
1.2 样品的采集
扬尘源作为开放源，其具有排放面大、强度低、受周边环境干扰强，实地采样难以获得具有代表性样品的特点，本此实验中，采取实地直接采集构成源的物质，利用再悬浮采样器，进行PM2.5源样品采集和分析的方法[5]。
本次实验将扬尘源分为：道路扬尘、建筑扬尘、城市扬尘以及堆场扬尘4种不同类型，根据《环境空气颗粒物来源解析监测方法指南》的选点原则：道路扬尘采样点位分别选择在了汕头市大型货物运输车辆来往较多的泰山路及大学路，日常车流量较大的324国道及城市中心主干道金砂东路，以及选择具有电子产品加工处理产业特色的贵屿镇中的草南路，各路段均选择避开施工工地附近的路段；建筑扬尘采样点位选择在正在施工的东海岸新城建筑工地以及贵屿镇草南路建筑工地的施工现场，收集散落在施工作业面上的建筑扬尘混合样品；城市扬尘采样点位选择在临黄山路西边的汕头市环保局、采集停放于地上1层的废旧车辆表面积尘；堆场扬尘采样点位选择在汕头市港务四公司的煤堆场，采用梅花布点法采集堆场表层（1～2 cm）样品，以四分法混合为一个样品。
本次实验扬尘样品采集是同通过直接扫取尘样进入采样袋，收集的扬尘样品不进行研磨，保持采样时的初始状态，过150目标准筛以获取粒径<100 μm的组分，过筛后的样品通过自然干燥、过筛、再悬浮后外接单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪分析， 仪器保存相应的细颗粒物成分信息，样品进样前检查仪器进样压力以及质漂范围在允许范围内，如超过仪器质控范围则进行仪器校正。每测完一种污染源后，对进样用重悬浮用器具清洗干净，避免污染下一个源谱的检测。检测出来的结果将和在线单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）原有的谱库图相结合，建立汕头市细颗粒物扬尘源谱库。
1.3 数据分析
采集到的颗粒信息输入到禾信公司自主开发的数据处理软件中进行处理.软件基于Matlab 平台，利用自适应共振理论神经网络算法（ART-2a）对颗粒物进行分类{Song，1999#8123}，该算法能够根据颗粒质谱相似度自动将相似的颗粒归为同一类.本研究中使用以下算法参数：警戒因子0.80，学习效率0.05，迭代次数20迭代完成后，所有的颗粒被分为数百类，然后依据化学成分特征手动将这些颗粒类型合并，颗粒类别以平均谱图中最富含的离子种类命名.
2 结果与讨论
2.1 道路扬尘结果
扫取道路扬尘样品，自然晾干过筛后再悬浮测定，5个不同路段扬尘样品中测径颗粒数及电离颗粒数如表1所示；由5个不同路段扬尘源颗粒物中最富含颗粒类型的平均质谱图可知道路扬尘正谱图含有铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）、氧化钙（CaO+）、铁（Fe+）等地壳元素，负谱图中含硅酸盐（SiO2-、SiO3-、HSiO3-）、磷酸盐（PO3-）和元素碳等。 2.2 建筑扬尘
收集散落在施工作业面上的建筑扬尘混合样品，自然晾干过筛后再悬浮测定，建筑扬尘样品中测径颗粒数及电离颗粒数如表2所示；2个不同建筑地点扬尘源颗粒物中最富含顆粒类型的平均质谱图如图1所示.由图中可知建筑扬尘正谱图含有铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）、氧化钙（CaO+）、铁（Fe+）等地壳元素，负谱图中含硅酸盐（SiO2-、SiO3-、HSiO3-）、磷酸盐（PO3-）和元素碳等。
2.3 城市扬尘
扫取停放于汕头市环保局内的废旧车辆的表面积尘样品，自然晾干过筛后再悬浮测定，测径颗粒数为11413个，电离颗粒数为2726个，积尘颗粒物中最富含颗粒类型的平均质谱图如图2所示.由图中可知城市扬尘正谱图含铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）、氧化钙（CaO+）、铁（Fe+）等地壳元素，负谱图含硅酸盐（SiO2-、SiO3-、HSiO3-）、磷酸盐（PO3-）和元素碳等。
2.4 堆场扬尘
采用梅花布点法采集港务四公司煤堆场表层（1～2 cm）样品，以四分法混合为一个样品，自然晾干过筛后再悬浮测定，堆场扬尘样品测径颗粒数为14028个，电离颗粒数为3006个，堆场扬尘颗粒物中最富含颗粒类型的平均质谱图如图3所示.由图中可知堆场扬尘正谱图含铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）等信号峰，负谱图含元素碳等。
将道路扬尘、建筑扬尘、城市扬尘以及堆场扬尘4种不同类型扬尘源的结果进行对比，研究表明，来自于地表土壤的气溶胶往往含有 Fe、Ca、Al、Si、Na、Mg、Ti 等元素[6][7]，冯银厂等对济南市和石家庄市扬尘的化学组成的研究结果[10]中亦表明济南市及石家庄扬尘中的主要的化学成分为Ca、Si、Al、Fe、Mg、K，本次实验的结果与其他研究结果基本一致。因此，可以选取硅酸盐、矿物质元素（铝、铁、钙）等作为汕头市扬尘源的示踪离子。
3 结论
本研究采集了汕头市道路扬尘、建筑扬尘、城市扬尘以及堆场扬尘4种不同类型扬尘源的颗粒物，利用气溶胶单颗粒飞行时间质谱仪对其化学成分和质谱特征进行了测定，结果表明：道路、建筑、城市扬尘颗粒正谱图含铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）、氧化钙（CaO+）、铁（Fe+）等地壳元素，负谱图含硅酸盐（SiO2-、SiO3-、HSiO3-）、磷酸盐（PO3-）和元素碳等；堆场扬尘正谱图含铝（Al+）、镁（Mg+）、钙（Ca+）等信号峰，负谱图含元素碳等，将这些特征和在线单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）原有的谱库图相结合，建立汕头市细颗粒物扬尘源谱库，未来可以用于对汕头市细颗粒物扬尘源进行识别，为大气扬尘源颗粒物的源解析提供技术支持。另外，对于各其他污染源的单颗粒质谱特征研究，例如固定源、移动源、生物质燃烧源、餐饮油烟源、工业工艺源等，均可以在下一步的工作中开展。
致谢：本研究开展期间得到了广州禾信分析仪器有限公司的大力协助，在此表示感谢！
参考文献
[1] He K， Yang F， Ma Y， et al. 2001. The characteristics of PM2.5 in Beijing， China. Atmos. Environ.，35：4959-4970.
[2] Wang Y， Zhuang G， Zhang X， et al. 2006， The ion chemistry， seasonal cycle， and sources of PM2.5 and TSP aerosol in Shanghai， Atmos. Environ. 40： 2935–2952.
[3] 周刚，夏慧.2013.我国灰霾天气的成因分析及研究进展综述[J].广州化工，41（12）：168-170；192.
[4] 黄玉虎，田刚，秦建平，等.不同施工阶段扬尘污染特征研究[J].环境科学，2007，28（12）：2885-2888.
[5]环境空气颗粒物来源解析监测方法指南.
[6] Salma I， Maenhaut W， Bobvos J，et al.Multi-elemental composition and sources of size-fractionated aerosols in Budapest[J].Journal of Aerosol Science， 1998， 29（Supplement（1）：S67-S68.
[7] Braga CF，Teixeira EC， Yoneama ML， et al.Study of the elemental composition of aerosols in the Candiota region of Brazil using the PIXE technique[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B： Beam Interactions with Materials and Atoms， 2004， 225（4）：561-571.