透過這面“鏡子”，就可看到正在“作妖”的顆粒物是啥
【谷騰環保網訊】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；有的由不規則的小球聚合在一起，形狀呈鏈狀、簇狀、密實狀，酷似一個張開手臂的人形……在中國環境科學研究院大氣顆粒物電鏡分析聯合實驗室（以下簡稱聯合實驗室），通過智能電鏡技術，成千上萬個大氣顆粒物活靈活現地出現在屏幕上，圖像清晰可見。
近年來，我國空氣質量逐年改善，PM2.5濃度逐年降低，開展低濃度下顆粒物精細化溯源，是進一步降低PM2.5濃度的關鍵。在聯合實驗室，通過智能電鏡技術，可快速獲得單個顆粒物的詳細信息，進一步識別顆粒物類型，解析不同源類顆粒物的貢獻，了解哪類顆粒物占比較高、哪些顆粒物粒徑較大。這些多維大數據可為城市尺度下大氣顆粒物污染防治對策的制定提供科學依據。記者近日來到中國環境科學研究院，了解相關技術的最新進展及應用情況。
為顆粒物源解析提供新途徑
圖為CCSEM自動測試獲取的典型大氣顆粒物SEM圖像。（IntelliSEMEPAS系統、BSE模式下）
手動測試，人工識別顆粒物，手動采集并處理數據……這些是傳統電鏡的操作步驟。然而，隨著污染防治攻堅戰向縱深推進，傳統電鏡測試效率低、獲取數據慢、工作量大，且采樣布點少、成本高、代表性不強、空間分辨率低等問題被逐步放大。
為了彌補這些局限性，計算機控制掃描電子顯微鏡（以下簡稱智能電鏡）應運而生。智能電鏡實現了軟硬件深度融合，顆粒物測試效率大幅提高，可達數千個/小時。
簡單來說，智能電鏡就像是一個智能控制的巨型放大鏡，能夠自動獲得顆粒的形貌、成分、粒徑、混合狀態和表面特征等詳細信息，基于這些信息可以分析顆粒的來源和老化過程。顆粒物樣品從布設點位收集完成后，寄回到實驗室分析，完成測試并獲得結果只需要數小時。
“智能電鏡溯源方法適用于顆粒物低濃度水平下城市精準治污研究，將有助于開展基于大數據的顆粒物精細化源解析研究，提高源解析的源類精細化程度。結合被動式采樣技術進行網格化布點，能有效提高城市顆粒物源解析的時空分辨率。”中國環境科學研究院大氣研究所副所長高健表示。
例如文章開頭提到的呈球形的顆粒物就是鐵球顆粒物，它來自人為源排放，產生于高溫熔融過程，環境空氣中的鐵球顆粒物大部分來自工業生產、燃料燃燒，少量來自機動車排放，可歸屬于人為排放顆粒物中工業活動排放的金屬顆粒類。通過智能電鏡技術，聯合實驗室掌握了它更為詳細的理化信息，包括鐵球顆粒的形貌特征、元素組成、粒徑大小、混合狀態等。
“你看，鐵球顆粒物出現了，這一樣品來自河北省唐山市，結合唐山市采樣點周邊情況，表明唐山市鋼鐵工業對周邊的影響較大。”中國環境科學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已被廣泛應用于各類大氣環境中的氣溶膠單顆粒研究，而智能電鏡近年來在我國應用廣泛，特別是大氣顆粒物研究，例如北京、濟南、吉林、山東等城市。
“以往的人工電鏡解決微觀問題，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，但會有所取舍。”李文君說，未來，借助網格化智能電鏡技術體系，單顆粒分析方法將應用于更多區域。
智能電鏡能得到什么信息？
圖為UNC-PAS被動式采樣儀組成及采樣示意圖
被動式采樣是眾多采樣方法的一種，當一個長約五六十厘米的銀色長柄（固定裝置），形狀酷似加長版平底鍋（樣品釘遮擋器）的儀器（UNC被動式采樣儀）被固定在樓頂的欄桿上時，UNC被動式采樣儀即開始了它的采樣任務。
UNC被動式采樣儀不需要動力，顆粒物依據重力、擴散和慣性作用進入遮擋器內，穿過SEM樣品釘網帽后沉積到內置的聚碳酸酯膜上，采樣頻率一般為1-2周/個，可根據顆粒物環境濃度靈活制定采樣周期。UNC被動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合實驗室測試。
為了更好地發揮智能電鏡溯源方法的優勢，中國環境科學研究院、北京邁特高科技術有限公司等單位決定攜手共建，聯合實驗室應運而生。
樣品被送到聯合實驗室后，先置于干燥柜恒溫恒濕環境中平衡，隨后將樣品釘從網帽中取出，鍍上一層鈀薄膜后，不做任何前處理，直接置于樣品倉中，最大程度保留了顆粒物采集到樣品膜上的原始狀態。樣品在真空環境下，經過設置參數—檢測顆粒—收集單個顆粒圖像—測量顆粒（旋轉框法45次箱式測量）—收集能譜數據—自定義分類規則—數據導出等程序，通過軟硬件調整，盡可能地獲得大部分顆粒物數據，顆粒物類型盡可能全面。
“去年北京冬奧會及冬殘奧會期間，我們圍繞北京及周邊15個重點城市進行多點位布點采樣，歷時兩個月，利用IntelliSEMEPAS（智能掃描電鏡環境顆粒物分析系統）獲得了一百多萬個單顆粒數據，這也是EPAS系統近期成功應用的案例之一。”李文君告訴記者。
“百萬顆粒物計劃”正在進行中
圖為IntelliSEMEPAS智能掃描電鏡環境顆粒物分析系統
大尺度、中尺度、微尺度代表了智能電鏡系統在網格化源解析中扮演的角色。大尺度對應著區域范圍內，例如“2+26”城市。中尺度對應著城市區域內，例如北京等城市。而微尺度則代表著城市微環境，例如街區、道路尺度等。
談及智能電鏡未來發展的目標，高健認為，智能電鏡在國內的發展潛力巨大，特別是在我國空氣質量逐年改善的背景下，藍天白云成為常態，我國大氣污染治理進入深水區，實現“一微克”地減污降碳，亟需更精細、更先進的大氣觀測技術方法，而智能電鏡能快速獲取大量多維度、高精度數據，未來將在“一市一策”等大氣污染防治工作中大顯身手。
此外，智能電鏡的數據眾多，能得到大量傳統電鏡監測不到的顆粒物類型，對完善顆粒物數據庫非常有幫助。截至目前，通過不少項目試點，已經總結出詳細的單顆粒“指紋”源譜數據庫。（“百萬顆粒物計劃”）
隨著聯合實驗室的建設完成并投入使用，目前已初步建立了基于智能電鏡的單顆粒源解析技術方法體系，包括網格化布點、樣品采集、智能電鏡測試、數據預處理、單顆粒智能識別及分類等方法，下一步將相關技術方法體系以專利、技術方法、標準及規范等形式產出。
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