2011—2020 年單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

邰姍姍 祖彪

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 沈陽 110161）

1 引言

近年來，大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）成為引發(fā)我國大氣污染的主要污染物，特別是對重污染過程具有重要貢獻(xiàn)，闡明PM2.5主要來源及貢獻(xiàn)是科學(xué)合理制定控制對策的重要前提［1-2］。為應(yīng)對大氣污染問題，滿足PM2.5實(shí)時(shí)在線監(jiān)測需要，2010 年我國成功研制SPAMS。該設(shè)備融合了國內(nèi)外最先進(jìn)的單顆粒氣溶膠在線檢測技術(shù)和飛行時(shí)間質(zhì)譜分析法的核心原理，并實(shí)現(xiàn)所有關(guān)鍵部件國產(chǎn)化［3-4］，具有高靈敏、高速度、高分辨率特點(diǎn)［5］。相比離線分析，SPAMS 在時(shí)效性上具有不可替代的作用［6］。

經(jīng)過10 年的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用研究，SPAMS 在大氣環(huán)境等領(lǐng)域取得了豐富研究成果，特別是對確定大氣污染治理重點(diǎn)和評估治理效果起到重要指導(dǎo)意義［7-8］，但SPAMS 在應(yīng)用中仍存在一定的局限性，例如其原理中對“單個(gè)顆粒單一來源”的假設(shè)可能會給顆粒物來源解析結(jié)果帶來一定的不確定性［9］。為反映SPAMS 在國內(nèi)研究進(jìn)展，提升研究水平，推動研究成果在國內(nèi)產(chǎn)出，響應(yīng)“把論文寫在祖國大地上”的號召［10］，本文從受關(guān)注度特征、研究熱點(diǎn)、技術(shù)和應(yīng)用研究進(jìn)展等方面對2011—2020 年收錄在中國知網(wǎng)（CNKI）的SPAMS 相關(guān)成果進(jìn)行綜述分析，為今后開展相關(guān)研究提供更科學(xué)深入的研究思路，并為進(jìn)一步推動SPAMS 發(fā)展和應(yīng)用、提高大氣污染成因分析的準(zhǔn)確度和時(shí)效性提供參考。

2 研究受關(guān)注度特征

2.1 發(fā)文量時(shí)空分布特征

發(fā)文量的時(shí)空分布及變化反映研究領(lǐng)域受關(guān)注程度和發(fā)展速度。2011—2020 年CNKI 共收錄SPAMS 相關(guān)論文179 篇（見圖1），包括156 篇期刊論文和23 篇學(xué)位論文，分別占總數(shù)的87.2%和12.8%。2011 年和2012 年發(fā)文量均少于5 篇，2013年開始增加，2017 年最多，為35 篇。各年學(xué)位論文數(shù)均少于5 篇。由此可見，SPAMS 研究發(fā)展迅速，發(fā)展趨勢與我國大氣污染狀況和治理形勢有關(guān)。2013—2017 年是我國《大氣污染防治行動計(jì)劃》實(shí)施主要時(shí)期，大氣污染的研究關(guān)注度較高。通過實(shí)施《大氣污染防治行動計(jì)劃》，我國空氣質(zhì)量得到改善，但污染形勢仍不樂觀［11］。2018 年后相關(guān)研究數(shù)量雖有減少，但仍維持較高水平。

圖1 2011—2020 年SPAMS 發(fā)文量年度變化

SPAMS 研究成果覆蓋22 個(gè)?。▍^(qū)、市）。在廣東省內(nèi)開展研究最多，發(fā)表文章為24 篇，覆蓋7 個(gè)市，主要在廣州，為10 篇；在江蘇、河北和北京開展的研究發(fā)表文章為11～19 篇，江蘇和河北的研究主要在南京和石家莊展開，分別為8 篇和13 篇；其余18 個(gè)?。▍^(qū)、市）發(fā)表文章數(shù)量均少于10 篇。由此可見，SPAMS 研究區(qū)主要集中在珠三角、長三角、京津冀等區(qū)域和省會城市，多為我國大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域或第一階段大氣顆粒物來源解析研究要求城市［12-13］，說明SPAMS 相關(guān)研究關(guān)注區(qū)結(jié)合了我國大氣環(huán)境污染問題的現(xiàn)實(shí)需求和環(huán)境管理需求。

2.2 研究機(jī)構(gòu)貢獻(xiàn)特征

研究機(jī)構(gòu)發(fā)文量一定程度上反映研究機(jī)構(gòu)對研究領(lǐng)域的關(guān)注度和科研實(shí)力。從成果所屬第一單位性質(zhì)來看，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測單位和高校是開展SPAMS研究的主體，分別發(fā)表文章73 篇和67 篇，占文章總數(shù)量的40.8%和37.4%；科研單位、企業(yè)和其他性質(zhì)的單位（包括政府機(jī)構(gòu)、社會團(tuán)體等）分別發(fā)表文章23 篇、11 篇和5 篇。發(fā)文量前15 個(gè)機(jī)構(gòu)包括7 所高校、5 個(gè)監(jiān)測單位和3 個(gè)科研單位，共發(fā)文96 篇，占成果總數(shù)53.6%。其中，暨南大學(xué)和南京信息工程大學(xué)發(fā)文量超過10 篇，其他單位均少于10 篇。監(jiān)測單位以省級（遼寧、廣東）和市級監(jiān)測機(jī)構(gòu)（太原、石家莊和汕頭）為主。科研單位為中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所、中國環(huán)境科學(xué)研究院和國家海洋局第三海洋研究所，文章總數(shù)占科研單位總發(fā)文量的56.5%。由此可以看出，SPAMS 的研究成果的貢獻(xiàn)主體較為集中，研究的主體范圍仍有較大的發(fā)展空間；高校和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測單位對SPAMS 研究的關(guān)注度較高，但結(jié)合學(xué)位論文的產(chǎn)出數(shù)量較少來看，SPAMS的研究可進(jìn)一步深入和拓展，以提高研究的深度和廣度。

3 研究熱點(diǎn)和趨勢分析

關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次對于研究該領(lǐng)域的學(xué)科熱點(diǎn)具有重要作用［14-15］。2011—2020 年SPAMS 研究中，單顆粒氣溶膠質(zhì)譜（儀）、SPAMS、源解析、化學(xué)組成、污染特征、霧霾、重污染等詞匯的出現(xiàn)頻次較高（見表1），表明研究主要集中在儀器設(shè)備技術(shù)和采用SPAMS 開展大氣氣溶膠理化特征分析、大氣污染來源和污染過程分析等方面。代表顆粒物的關(guān)鍵詞中除了細(xì)顆粒物外，沙塵、氣溶膠、大氣顆粒物等關(guān)鍵詞也出現(xiàn)了較高的頻次，香煙煙氣、呼出氣溶膠、細(xì)菌氣溶膠、活性生物氣溶膠等也有出現(xiàn)［16-19］，說明采用SPAMS 開展研究的關(guān)注點(diǎn)以大氣顆粒物為主，但在與人體健康相關(guān)的特定領(lǐng)域研究中也得到了一定的應(yīng)用。

表1 2011—2020 年發(fā)表文章中主要關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次

2011—2014 年除“單顆粒氣溶膠質(zhì)譜（儀）、SPAMS”出現(xiàn)頻率較高外，無其他明顯高頻詞，研究集中于儀器性能。2014 年起“源解析”和“PM2.5”等表征應(yīng)用研究的關(guān)鍵詞開始出現(xiàn)［20-22］，2015 年起應(yīng)用研究迅速發(fā)展，“（來）源解析”和“污染來源”的總出現(xiàn)頻率在各年均超過50%，采用SPAMS 開展大氣污染來源研究成為主要研究熱點(diǎn)，且SPAMS 多為唯一或主要研究方法。此外，顆粒物理化特征、大氣污染排放源譜、顆粒物的混合狀態(tài)、沙塵等也成為研究熱點(diǎn)［23-26］。顏金培等［27］和郭曉霜等［28］利用SPAMS 分別對我國東南沿海和南黃海的海洋氣溶膠進(jìn)行在線觀測和理化特性及來源分析，SPAMS 的應(yīng)用領(lǐng)域向海洋氣溶膠拓展。2018 年后應(yīng)用研究趨于平穩(wěn)，后向軌跡、激光雷達(dá)等表征技術(shù)手段的關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率增加［29-30］，學(xué)者還通過將SPAMS 與其他顆粒物源解析方法或監(jiān)測方法聯(lián)用進(jìn)行大氣污染過程分析［7，31］。這些成果表明，研究逐步注重將SPAMS 與氣象分析、雷達(dá)分析或其他來源解析方法相結(jié)合，多方法聯(lián)用以加深對大氣污染特征和成因的解析程度。

4 SPAMS 技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

4.1 技術(shù)研究

2011—2020 年共檢索到關(guān)于SPAMS 設(shè)備技術(shù)方面的相關(guān)研究成果11 篇，占成果總數(shù)6.1%，集中發(fā)表于2011—2014 年。關(guān)于設(shè)備性能的代表性研究為黃正旭等［3］的綜述介紹和李磊［32-33］、張莉［34］學(xué)位論文中的闡述。付懷于等［35］在比較國內(nèi)外飛行時(shí)間質(zhì)譜對PM2.5主要組分的典型提取條件基礎(chǔ)上，結(jié)合SPAMS 的圖譜特征，改進(jìn)SPAMS 組分示蹤離子提取方法，為完善SPAMS 在PM2.5在線源解析中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2015 年后關(guān)于設(shè)備的研究較少，僅圍繞設(shè)備分析功能、提高設(shè)備故障排查效率和設(shè)備對環(huán)境的適應(yīng)能力等方面展開［36-38］。

有研究發(fā)現(xiàn)，SPAMS 在應(yīng)用中存在一些技術(shù)問題。例如采集的顆粒數(shù)量隨著顆粒物質(zhì)量濃度的升高達(dá)到一定水平后趨于平穩(wěn)［39-40］、與其他模型聯(lián)用的在線解析方式不夠成熟［4］，SPAMS 原理是基于顆粒物數(shù)量濃度，在數(shù)量濃度與質(zhì)量濃度之間的耦合方法方面研究較少［9］，因此需要開展相關(guān)技術(shù)研究，提高結(jié)果準(zhǔn)確性和在國內(nèi)業(yè)務(wù)化應(yīng)用的適用性。

4.2 應(yīng)用研究

SPAMS 的研發(fā)和利用為快速定位主要大氣污染源及污染物特征變化提供了有力手段［41］，因此圍繞污染過程中來源組成的研究較多。檢索文獻(xiàn)中屬于源解析研究共104 篇，占總成果數(shù)的58.1%，其中有53 篇針對污染過程進(jìn)行研究，占比51.0%。研究的采樣時(shí)長多為中長時(shí)間尺度，50%以上的文獻(xiàn)采樣時(shí)長大于10 d，3 d 以內(nèi)研究僅10 篇，主要為針對短時(shí)污染過程的分析。說明SPAMS 可以很好地實(shí)現(xiàn)中長時(shí)間尺度的顆粒物來源解析研究，得到長時(shí)間且高時(shí)間分辨率的動態(tài)結(jié)果，對追蹤來源的時(shí)間變化具有重要意義。此外，學(xué)者也將SPAMS 采集的數(shù)據(jù)與濃度權(quán)重軌跡方法（CWT）和后向軌跡模型結(jié)合，對顆粒物污染的潛在源區(qū)進(jìn)行探索［42-43］，拓展了SPAMS 在源解析中的應(yīng)用范圍。

采用SPAMS 開展顆粒物源解析研究的季節(jié)多集中于冬季，這可能與冬季更易出現(xiàn)大氣污染問題有關(guān)。春季是沙塵多發(fā)季節(jié)，檢索文獻(xiàn)中有5 篇圍繞沙塵過程展開。秋季研究除了開展顆粒物污染過程分析外，張瓊瑋等［44］還將SPAMS 應(yīng)用到鶴山市首要污染物分別為PM2.5和O3的兩種典型污染時(shí)段的PM2.5特征和來源研究，進(jìn)一步探究O3濃度變化對PM2.5中有機(jī)物組分和混合狀態(tài)的影響。夏季研究成果少于其他季節(jié)，可能與夏季空氣質(zhì)量相對較好有關(guān)。此外，針對我國傳統(tǒng)節(jié)日和重大活動等特定事件的大氣污染成因分析與空氣質(zhì)量保障需求，SPAMS也提供了重要的技術(shù)支持［7，45］。

SPAMS 能夠從單顆粒尺度識別顆粒粒徑大小及所對應(yīng)的化學(xué)成分信息［3］，從而在氣溶膠理化特性研究方面也得到了廣泛應(yīng)用，研究成果共39 篇，占總文獻(xiàn)數(shù)的21.8%，特別是對重污染過程的顆粒物特征分析中［46-47］，SPAMS 提供了高分辨率的數(shù)據(jù)結(jié)果，在解析顆粒物主要化學(xué)組分的形成機(jī)制、探究灰霾期間顆粒物的混合狀態(tài)等方面發(fā)揮了重要作用。近年來，隨著O3污染問題的出現(xiàn)，SPAMS 也在探索氣溶膠光學(xué)性質(zhì)變化、PM2.5污染和O3污染之間的相互關(guān)系方面提供了動態(tài)解析手段［44，48］。此外，含有重金屬的氣溶膠對人體健康有著重要的影響，SPAMS也能實(shí)現(xiàn)針對重金屬顆粒污染特征的解析［49-50］。

4.3 排放源譜研究

SPAMS 根據(jù)采集顆粒物的成分譜圖特征與在線解析模型中的排放源譜進(jìn)行比對，從而解析顆粒物來源。要真正利用SPAMS 實(shí)現(xiàn)在線顆粒物源解析，就必須全面深入地明確顆粒物排放源的主要質(zhì)譜特征［33］。然而檢索文獻(xiàn)中關(guān)于大氣顆粒物排放源譜的研究只有12 篇（見表2），僅桂林、石家莊、淮安、天津、廣州和煙臺6 個(gè)城市開展了部分類別排放源的源譜研究［24，51-59］。因此，應(yīng)加強(qiáng)對源譜本地化研究和成果發(fā)表，為同區(qū)域研究和應(yīng)用提供參考。

表2 2011—2020 年SPAMS 的大氣排放源源譜研究成果

5 結(jié)論與展望

（1）近10 年SPAMS 技術(shù)和應(yīng)用研究在國內(nèi)快速發(fā)展，成果數(shù)量自2013 年迅速增加。京津冀、長三角、珠三角等重點(diǎn)區(qū)域和省會城市是主要研究區(qū)域，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測單位和高校是主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)，暨南大學(xué)、南京信息工程大學(xué)是主要貢獻(xiàn)單位，科研單位以中國科學(xué)院成果居多，而企業(yè)特別是作為大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)重要組成部分的社會監(jiān)測機(jī)構(gòu)的研究成果較少，未來可進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)對此的研究，以拓展SPAMS 的研究主體。

（2）SPAMS 原理和性能等方面的技術(shù)探討、采用SPAMS 開展大氣氣溶膠理化特征分析、顆粒物源解析等方面的研究是近10 年SPAMS 研究熱點(diǎn)。技術(shù)研究成果主要發(fā)表于2014 年前，2015 年后應(yīng)用研究迅速發(fā)展，成果頗豐，2018 年研究開始向O3污染、顆粒物光學(xué)特性等方面拓展，但見刊成果仍較少。與人類健康相關(guān)的特定領(lǐng)域氣溶膠研究中，SPAMS 也發(fā)揮了較好的作用。

（3）顆粒物來源解析是SPAMS 應(yīng)用最多的研究方向，圍繞污染過程開展的研究成果占比超過50%，采樣時(shí)長以中長時(shí)間尺度為主，冬季是主要研究季節(jié)。顆粒物潛在源區(qū)、沙塵過程、特定事件過程等方面源解析研究也取得了一定的成果。而源譜研究的見刊成果較少，源譜本地化應(yīng)是未來源譜研究的關(guān)注點(diǎn)。