【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、密實狀，酷似一個張開手臂的人形……在中國環(huán)境科學(xué)研究院大氣顆粒物電鏡分析聯(lián)合實驗室（以下簡稱聯(lián)合實驗室），通過智能電鏡技術(shù)，成千上萬個大氣顆粒物活靈活現(xiàn)地出現(xiàn)在屏幕上，圖像清晰可見。

近年來，我國空氣質(zhì)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(guān)鍵。在聯(lián)合實驗室，通過智能電鏡技術(shù)，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(shù)據(jù)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(xué)依據(jù)。記者近日來到中國環(huán)境科學(xué)研究院，了解相關(guān)技術(shù)的最新進展及應(yīng)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(tǒng)、BSE模式下）

手動測試，人工識別顆粒物，手動采集并處理數(shù)據(jù)……這些是傳統(tǒng)電鏡的操作步驟。然而，隨著污染防治攻堅戰(zhàn)向縱深推進，傳統(tǒng)電鏡測試效率低、獲取數(shù)據(jù)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(yīng)運而生。智能電鏡實現(xiàn)了軟硬件深度融合，顆粒物測試效率大幅提高，可達數(shù)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(tài)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(shè)點位收集完成后，寄回到實驗室分析，完成測試并獲得結(jié)果只需要數(shù)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(shù)據(jù)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(jié)合被動式采樣技術(shù)進行網(wǎng)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(huán)境科學(xué)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(chǎn)生于高溫熔融過程，環(huán)境空氣中的鐵球顆粒物大部分來自工業(yè)生產(chǎn)、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(yè)活動排放的金屬顆粒類。通過智能電鏡技術(shù)，聯(lián)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(tài)等。

“你看，鐵球顆粒物出現(xiàn)了，這一樣品來自河北省唐山市，結(jié)合唐山市采樣點周邊情況，表明唐山市鋼鐵工業(yè)對周邊的影響較大。”中國環(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，而智能電鏡近年來在我國應(yīng)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(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?shù)臋跅U上時，UNC被動式采樣儀即開始了它的采樣任務(wù)。

UNC被動式采樣儀不需要動力，顆粒物依據(jù)重力、擴散和慣性作用進入遮擋器內(nèi)，穿過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，可根據(jù)顆粒物環(huán)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(lián)合實驗室測試。

為了更好地發(fā)揮智能電鏡溯源方法的優(yōu)勢，中國環(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)合實驗室應(yīng)運而生。

樣品被送到聯(lián)合實驗室后，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)過設(shè)置參數(shù)—檢測顆粒—收集單個顆粒圖像—測量顆粒（旋轉(zhuǎn)框法45次箱式測量）—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(huán)境顆粒物分析系統(tǒng)）獲得了一百多萬個單顆粒數(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。

“百萬顆粒物計劃”正在進行中

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。大尺度對應(yīng)著區(qū)域范圍內(nèi)，例如“2+26”城市。中尺度對應(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。

談及智能電鏡未來發(fā)展的目標，高健認為，智能電鏡在國內(nèi)的發(fā)展?jié)摿薮�，特別是在我國空氣質(zhì)量逐年改善的背景下，藍天白云成為常態(tài)，我國大氣污染治理進入深水區(qū)，實現(xiàn)“一微克”地減污降碳，亟需更精細、更先進的大氣觀測技術(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)測不到的顆粒物類型，對完善顆粒物數(shù)據(jù)庫非常有幫助。截至目前，通過不少項目試點，已經(jīng)總結(jié)出詳細的單顆粒“指紋”源譜數(shù)據(jù)庫。（“百萬顆粒物計劃”）

隨著聯(lián)合實驗室的建設(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、樣品采集、智能電鏡測試、數(shù)據(jù)預(yù)處理、單顆粒智能識別及分類等方法，下一步將相關(guān)技術(shù)方法體系以專利、技術(shù)方法、標準及規(guī)范等形式產(chǎn)出。

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