大气颗粒物监测PM2.5

大气颗粒物监测PM2.5

台州学院 医药化工学院 09化学制药（2） 卢梦 0932220056 摘要:PM2. 5由于其较小的粒径、 巨大的比表面积、 较大的危害性等特点受到世界各国 的广泛关注。本文总结了国内外有关细颗粒物 PM2. 5的研究现状 , 主要围绕细颗粒物 PM2. 5的化学物质组成与分析方法、 毒性效应、 来源解析等方面进行了论述 , 并对其研究动向进行了展望。

关键词:细颗粒物 毒性效应 来源解析

通过研究发现 PM2. 5这种小颗粒物里含有很多有毒的有机和无机化合物 , 其中有很多有机化合物是对人体有致死效应的 , 因此 PM2. 5已经成为了目前各国研究的重点大气颗粒物。人们研究它的物质组成、 它的污染现状、 分布特点和规律、 它的毒性机理、 同时还剖析它的来源。但是我国对 PM2. 5的研究起步教晚 , 还没有比较系统的研究它的各种规律 , 同时也没有制定出PM2. 5的质量浓度标准 , 因此需要加强 PM2. 5的基本污染特征、 健康效应和来源分析等方面的研究 , 为 PM2. 5的质量浓度标准制定和控制提供更多的理论基础。本文就 PM2. 5的化学物质组成和分析方法、 毒性效应、 来源分析等方面进行总结 , 最后对 PM2. 5的研究动向作了展望。

1 PM2. 5的定义

大气颗粒物(Suspended Particles) 是一种重要的空气污染物 , 它包括固态和液态的气溶胶颗粒 , 是一种复杂的多分散相混合物 , 按类型可分为粉尘、 烟尘和雾等。大气悬浮颗粒物的粒径通常是用空气的动力学直径来表示的 , 总悬浮颗粒物(TSP)是指粒径小于等于 100 μm 颗粒物组成的 , 可吸入颗粒物(PM10)是指粒径小于等于10 μm 的颗粒物组成的 , 细颗粒物(PM2. 5)是指粒径小于等于2. 5 μm 的颗粒物组成的 , 能进入人体肺泡的颗粒物。 2 PM2. 5的化学组成物质

环境空气中细小颗粒物 PM2 ,中的成分非常复杂 , 而且与地域不同又很大的差别 , 它一般有各种无机盐类、 有机物和微生物组成 , 无机盐类主要包括硫酸盐、硝酸盐等各种阴离子和各种重金属; 有机物主要是各种饱和的和不饱和的烃类物质; 微生物主要是各种病毒、 细菌。

目前世界各国对 PM2. 5中化学组成物质的研究主要集中在无机物质和有机物质。其中对无机物质的研究主要集中在一些常规的元素 , 对有机物质的研究主要集中在挥发性有机物质。其中杨复沫、 贺克斌等[1 ]采集了北京冬季环境大气中的 PM2. 5的样品 , 利用离子色谱( IC)分析了其中的水溶性离子 , 采用 X 射线荧光(XRF)标准方法 , 分析了其中的 40 多种无机元素的含量 , 采用热光反射(TOR)法分析了其中的有机碳(OC)和无机碳(EC) , 研究表明 , 无机含碳组分和可溶性离子是 PM2. 5中的主要成分。叶翠杏 , 王新红等人[2 ]采集了厦门市冬季不同功能区大气 PM2. 5的样品 , 测定了其中的13 种 PAHs , 研究表明 , 在厦门市环境大气 PM2. 5中PAHs 以菲、 芘的含量相对较高 , 其中菲占优势。 3 PM2. 5化学成分分析方法

由于环境空气细颗粒物 PM2. 5的来源非常复杂 , 从而它含有的物质种类也很多 , 有无机的 , 也有有机的 , 同时还含有一定的细菌和病毒 , 对于不同的物质可以采取不同的分析方

法。现在随着科技的发展 , 对环境空气中颗粒物的化学组成成分的分析手段也日渐丰富。主要的分析方法有:

3. 1 带能谱的扫描电镜和透射电镜 , 用来观测单个颗粒物的形貌、 结构并分析颗物的元素组成;

3. 2 X 射线荧光光谱(XRF) 、 电子微探针、 仪器中子活化分析( INAA) 、 原子吸收光谱(AAS) , 特别是石墨炉原子吸收光谱(G ASS) 、 电感耦合等离子体原子发射光谱( ICP - AES) 、 电感耦合等离子体质谱( ICP - MS)等仪器分析技术高速、 可靠、 自动化程度高 , 可以用于测定颗粒物中的微量和痕量元素。每一种分析方法的原理都不相同 , 从而使得各种分析方法都有一定的局限性。像 X 射线荧光分析很难测出比钾轻的元素; 原子吸收光谱一次只能分析一种元素 , 每分析一种元素要更换一种光源 , 而且还破坏样品; 电感耦合等离子体质谱法几乎对所有元素均有较高的检测灵敏度 , 但由于分析过程中化合物分子结构已经被破坏 , 所以仅使用于元素分析;

3. 3 离子色谱( IC)技术分析颗粒物水溶性物种(无机离子 , 如 SO2 -4 、 NO3-、 NH+4 等以及一些有机酸) ;

3. 4 液相色谱(LC)或色质联用(GC - MS)等分析手段研究颗粒物上吸附的多环芳烃等有机物质; 也有一些直接分析方法如红外光谱分析法和质谱法 , 但是由于气溶胶中有机物浓度很低 , 通常的红外光谱分析技术的灵敏度不足以进行定量分析 , 只能定性识别某些有机物。质谱分析要求质量分析器一般要有很高的真空度 , 离子源也需要保持高真空 , 给定量分析造成困难;

3. 5 热/光反射法(TOR)分析方法测定颗粒物中的有机碳和元素碳。

4 PM2. 5毒性机理

4. 1 对心血管的毒性机制[3 - 11 ]

环境空气中细小颗粒物 PM2. 5对心血管疾病的毒性机制主要体现在以下四个方面:一是改变血液成分组成与数量; 二是改变心脏的功能状态; 三是自由基的损害作用; 四是对心血管内皮细胞 NOS 的影响。国外环境空气中细小颗粒物 PM2. 5对血液成分组成与数量的影响。其中 S orensen以人群为研究对象 , 他们的研究发现 , 个体 PM2. 5的接触量与血中血小板数和纤维蛋白原浓度没有关系 , 但是与红细胞、 血红蛋白浓度只在女性中发现有明显关系(PM2. 5每上升 10 μg/ m3,红细胞数上升2. 3 % ,P

4. 2 对哮喘的毒性机制

对哮喘的毒性机制主要是环境空气中 PM2. 5对肺组织细胞和生物膜的造成严重的损伤。曲红梅 , 牛静萍等人探讨大气中细颗粒物(PM2. 5) 对大鼠呼吸道的急性损伤及其机制 , 他们的研究发现 PM2. 5可导致肺组织细胞和生物膜的损伤 , 且引起体液免疫应答和局部粘 膜免疫。孟紫强 , 张全喜等人运用单细胞凝胶电泳技术 , 研究了太原市大气细颗粒物(PM2. 5 )对分离的大鼠肺泡巨噬细胞DNA 的损伤作用 , 通过这个实验他们得出 ,PM2. 5可引起大鼠肺泡巨噬细胞 DNA 的损伤 , 且随着 PM2. 5浓度的增加及染毒时间的延长而加剧 , 呈明确的剂量 — 效应关系和时间 - 效应关系。

5 PM2. 5的来源解析

由于环境空气中 PM2. 5的来源非常复杂 , 它的形成方式主要有3种:直接以固定形式排出的一次粒子; 在高温状态下以气态形式排出、 在烟羽的稀释和冷却过程中凝结成固态的一次可凝结粒子; 由气态前体污染物通过大气化学反应而生成二次粒子。PM2. 5中的一次粒子主要产生于化石燃烧(主要是石油和煤炭) 和生物质燃料的燃烧 , 但在一些地区某些工业过程也能产生大量的一次 PM2. 5 , 一次粒子的源还包括道路场尘、 矿物质的加工和精炼过程 , 而建筑、 农田耕作、 风蚀等的地表尘对环境 PM2. 5的贡献则相对较小。可凝结粒子主要由可在环境温度凝结而形成颗粒物的半挥发性有机物组成。二次 PM2. 5由多相(气 →粒) 化学反应而形成 , 在大多数地区 ,s 和N 为所观察到的二次 PM2. 5的主要组分 , 而二次有机气溶胶在一些地区也可能是重要的组成部分。

PM2. 5源解吸技术主要有两种模型 , 扩散模型和受体模型。目前国内外主要是应用受体模型来分析它的来源 , 其中应用比较多的主要是:富集因子( EF) 法、 化学质量平衡法(CMB 或 CEB) 、 因子分析(FA)法等。而其中主要是化学质量平衡 (CMB) 应用比较多 , 因为CMB 受体模型具有原理简单易懂 , 可以定量地给出各类排放源的分担率的优点。 6 结语

由于 PM2. 5对人体健康有的很大的影响 , 其的研究已经逐渐成为大气环境研究的热点。未来 PM2. 5的研究应主要在以下几方面展开:

6. 1 大气细粒子采样和分析的核心技术方面。采样和分析技术是分析细颗粒物的重要环节 , 在采样技术方面需要研究大气细粒子分级采样器(nm量级) , 以便于研究粒径与数量浓度和化学性质的关系; 对细颗粒物的分析方面 , 应更注重于高分辨率、 高放大倍数的显设备的研究。

6. 2 大气细粒子来源解析方面。以后主要集中在对环境空气中 PM2. 5的有机物的来源解析 , 其中包括研究它的特征污染物质等。

6. 3 要加大对 PM2. 5中的化学组成和其他的组分搞清楚 , 这样便于深入研究它的毒理性。

6. 4 应加快对 PM2. 5的研究 , 尽快制订适合我国国情的PM2. 5空气质量标准。 参考文献

[1 ]杨复沫 , 贺克斌 , 等. 北京大气细粒子 PM2. 5的化学组成[J ] . 清华

[2 ]叶翠杏 , 王新红 , 等. 厦门市大气 PM2. 5中多环芳烃的昼夜变化特征[J ] .环境化学. 2006 , 25 (3) .

[3 ] S orensen M,Daneshvar B ,Hansen M,et al . Pers onalPM2. 5 exposure and markers of oxidative stressinblood[J ] . En2vironHealthPerspect ,2003 ,111 (2) : 161 - 166.

[4 ] Os ornio2Vargas AR ,Bonner JC ,Al faro2Moreno E ,etal . Proin flammatory and cytotoxic effects of Mexico City airpollution particulate matter in vitroare on particle size andcomposition

[ J ] . composition [ J ] . EnvironHealthPerspect ,2003 ,111 (10) : 1289 - 1293.

[5 ] Nemmar A ,Hoet PHM,Dinsdale D ,et al . Diesel Ex2haust particles in lung aculely enhance experimental peripheralthrombosis [J ] . Circulation , 2003 ,107 :1202 - 1208.

[6 ] Peters A ,Dochery DW,Muller J E ,et al . Increased par2ticulate air pollution and the triggering of my ocardial in farction[J ] . Circulation ,2001 ,103 :810 - 815.

[7 ] Nemmar A ,V anbilloen H ,Hoylaerts MF ,et al . Passageof intratracheally instilled ultrafine particles from the lung intothe systemic circulation in hamster [J ] . AmJ Respir Cdt

CareMed ,2001 ,164 :1665 - 1668.

[8 ] Nemmar A ,Hoet PHM,Vanquickenborne B ,et al ; Pas2sage of inhaled particles into the blood circulation in humans[J ] . Circulation ,2002 ,105 :411 - 414.

[9 ] Donalds on K,Stone V ,Seaton A ,et al . Ambient particleinhalation and the c ardiovascular system:potential mechanisms[J ] . Environ Health Perspect ,2001 ,109 ( supple 4) : 523 -527.

[10 ] Magari SR ,Schwartz J ,Williams P L ,et al . The ass o2ciation between pers onal measurements of environmental expo2sure to particulates and heart ratevariability[J ] . Epidemiology,2002 ,13 (3) :305 - 310.

[ 11 ] Liao D ,Creas on J ,Shy C ,et al . Daily variation of par2ticulate air pollution and poor cardiac autonomic control in theelderly[J ] . Environ Health Perspect ,1999 ,107 (7) : 521 -525.