1 引言
大氣污染中的粉塵污染日益被人們重視。粉塵是在大氣飄塵、降塵、地面揚(yáng)塵等各種塵源的共同作用下形成的。在各種粉塵顆粒物中，PM10（空氣動(dòng)力學(xué)直徑Dp小于10um的顆粒物）已被證實(shí)是危害人類健康的主要物質(zhì)；PM2.5(Dp小于2.5um) 因能夠進(jìn)入人體肺部導(dǎo)致肺泡發(fā)炎而被認(rèn)為是具有更大的危害性。 而當(dāng)粉塵顆粒中含有鉛、汞、鉻等金屬元素機(jī)器氧化物時(shí)，其生物危害更高。
植物對(duì)一定范圍內(nèi)空氣中粉塵有凈化作用，植物葉片因其表面特征對(duì)大氣顆粒物有吸附或附著作用。根據(jù)植物滯塵能力選擇城市綠化樹種、優(yōu)化綠化方案對(duì)凈化空氣、改善環(huán)境質(zhì)量、維護(hù)城市生態(tài)平衡和美化景觀具有重要意義。
目前國(guó)內(nèi)外的研究主要通過測(cè)定植物的滯塵量來評(píng)價(jià)城市植物群落滯塵能力及生態(tài)效應(yīng)，而對(duì)滯塵的基本理化特性研究相當(dāng)缺乏。只有對(duì)葉片滯留的粉塵進(jìn)行成份鑒定，才能進(jìn)一步分析植物對(duì)粉塵的滯留是否存在選擇性。因此，植物滯塵應(yīng)該與大氣顆粒物、地表灰塵結(jié)合起來研究，通過對(duì)比分析顆粒物的形態(tài)、組分，才能更深地了解植物滯塵機(jī)理，為研究城市植物、森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧、降溫增濕、大氣凈化等生態(tài)服務(wù)功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為污染控制技術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

2 分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 目標(biāo)
J200 植物滯塵理化特性分析系統(tǒng)采用激光光譜元素分析方法對(duì)植物葉片和樹干滯塵做微區(qū)分析，獲取葉片和樹干滯塵的元素組分及分布。同時(shí)對(duì)滯塵的物理參數(shù)，如滯塵的粒形和粒徑分布及隨時(shí)間的變化，進(jìn)行測(cè)量，從而可精確確定大氣顆粒物的遷移路徑、葉面滯塵的選擇性，若同時(shí)測(cè)定植物葉綠素、植物脅迫、水勢(shì)和氣孔導(dǎo)度等參數(shù)，還可確定粉塵對(duì)植物生理生化的影響。
2.2 分析內(nèi)容
植物不同高度的葉面塵、樹干塵的元素組成成分、滯塵顆粒粒徑、粒形，葉綠素含量、熒光、植物水勢(shì)、氣孔導(dǎo)度等。
2.3 分析系統(tǒng)組成與特性
J200 植物滯塵理化特性分析系統(tǒng)由元素分析單元、粒子特性分析單元和植物生理監(jiān)測(cè)單元組成。
元素分析單元源自美國(guó)加州大學(xué)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室年多年科學(xué)研究成果，采用激光在樣品表面形成等離子體，然后由光譜檢測(cè)單元對(duì)等離子體的光譜進(jìn)行分析，進(jìn)而得到樣品的元素組分、含量以及指紋光譜信息。
無需樣品制備，數(shù)秒內(nèi)即可同時(shí)、快速得到土壤、泥沙、巖層、礦石、植物、氣溶膠等樣品中70多種元素的含量。
該單元配置的系統(tǒng)軟件，可讓用戶任意選取光譜線及背景，自動(dòng)去除背景強(qiáng)度、自動(dòng)計(jì)算峰值下的面積，提供譜線的“凈”強(qiáng)度；還可優(yōu)化選擇原子/離子發(fā)射譜線作不同的分析，在光譜標(biāo)樣基礎(chǔ)上制作定量分析標(biāo)定曲線，并提供了PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析等數(shù)據(jù)分析工具，方便將隨機(jī)樣品的譜線與數(shù)據(jù)庫中的譜線比較，得到復(fù)雜的、多組分樣品的定量分析結(jié)果。
粒子特性分析單元采用針對(duì)旋轉(zhuǎn)的激光光束遮蔽時(shí)間的粒徑分析技術(shù)，在600個(gè)不連續(xù)的時(shí)間間隔進(jìn)行粒徑測(cè)量，得到高分辨率的粒徑分布。利用該技術(shù)，顆粒粒徑是直接測(cè)出來的，而不是通過粒徑的二級(jí)特點(diǎn)推算出來的，因此不受折射率指數(shù)、粘度變化、布朗運(yùn)動(dòng)、熱傳導(dǎo)和其它物理現(xiàn)象的影響，具有高精度和的可靠性與重復(fù)性。
該單元還可收集顆粒的原位數(shù)字圖像來分析顆粒的大量形狀參數(shù)，從而進(jìn)行粒形特征分析。
植物生理監(jiān)測(cè)單元，測(cè)量葉綠素含量、熒光參數(shù)、水勢(shì)、氣孔導(dǎo)度等參數(shù)，用戶根據(jù)研究需要，可選擇配置。
2.4 性能指標(biāo)
2.4.1 元素分析單元
l 基本配置：激光、等離子體發(fā)射檢測(cè)模塊、光閘延遲調(diào)節(jié)控制器模塊、激光燒蝕及采樣行程模塊、顯示主機(jī)
l 測(cè)量參數(shù)：土壤中地球化學(xué)組成元素種類、含量及其特征指紋光譜
l 操作系統(tǒng)：硬件控制，預(yù)選或自制激光燒蝕采樣模式，發(fā)射譜線數(shù)據(jù)庫，元素分布、深度分析等功能，多閃累積LIBS信號(hào)，多譜線對(duì)比顯示
l 光譜數(shù)據(jù)庫：UV-NIR 全光譜，TrueLIBS 發(fā)射光譜數(shù)據(jù)庫
l 采樣方法：全采樣，夾雜物和微光斑分析，深度分布，元素分布
l 分析工具：去除發(fā)射峰背景，PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析
l 光譜范圍：190-1000nm
2.4.2 粒子特性分析單元
l 基本配置：主機(jī)、激光測(cè)量頭和視頻測(cè)量頭、測(cè)量池、樣品分散系統(tǒng)
l 測(cè)量參數(shù)：粒徑、粒形、顆粒濃度
l 測(cè)量原理：激光視頻雙通道，模塊化配置。激光通道采用激光光阻法（又稱時(shí)間轉(zhuǎn)換理論），視頻通道采用動(dòng)態(tài)圖像分析法
l 激光通道測(cè)量范圍：0.1-2000μm，分辨率：全量程的0.33%，小可達(dá)0.2μm
l 視頻通道測(cè)量范圍：2-3600μm
l 濃度測(cè)量范圍：高達(dá)109顆粒/cm3(對(duì)1μm顆粒)
l 測(cè)量池模塊：液體、乳液/不透明液體、干粉、纖維、磁性顆粒、加熱液體及氣溶膠可選
l 樣本分散系統(tǒng)：自動(dòng)液體循環(huán)、干粉分散器、粉料送樣器、溫度控制器、氣溶膠控制器可選

3 數(shù)據(jù)分析
3.1 元素組成及光譜特征數(shù)據(jù)分析
系統(tǒng)配置的系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了將復(fù)雜的光譜測(cè)量數(shù)據(jù)直接變成測(cè)量結(jié)果。強(qiáng)大的光譜分析工具可讓用戶任意選取光譜線及背景，自動(dòng)計(jì)算峰值下的面積，提供譜線的“凈”強(qiáng)度。在系統(tǒng)軟件中可優(yōu)化選擇原子/離子發(fā)射譜線作不同的分析，在光譜標(biāo)樣基礎(chǔ)上制作標(biāo)定曲線，完成高精度定量分析。軟件提供多種數(shù)據(jù)分析工具，如：PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析等。讓用戶將隨機(jī)樣品的譜線與數(shù)據(jù)庫中的譜線比較，得到復(fù)雜的、多組分樣品的定量分析結(jié)果。

3.2 粒徑粒形特性數(shù)據(jù)分析
系統(tǒng)軟件包含存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)的SQL數(shù)據(jù)庫，可輸出采用報(bào)表生成器來生成包括各種類型粒徑粒形分布、平均值和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的報(bào)表，具有強(qiáng)大的自定義編輯和處理功能，易于數(shù)據(jù)讀取和分析。 目標(biāo)數(shù)據(jù)庫含有分布中單個(gè)顆粒的粒徑和圖像信息。只要輕輕點(diǎn)擊，每一顆粒的詳細(xì)信息都會(huì)被顯示。



4 系統(tǒng)應(yīng)用
流域侵蝕元素遷移分析系統(tǒng)基于成熟的光譜技術(shù)和激光遮蔽時(shí)間理論，大大縮短了常規(guī)分析方法所需的較長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)周期。能夠進(jìn)行多種類型樣品多種元素成分的組成和含量對(duì)比分析，并可實(shí)現(xiàn)元素的指紋識(shí)別。
美國(guó)Russo科研小組采用該系統(tǒng)快速分析了包括粘土、壤土、沙土在內(nèi)的7種樣品中C、K、Ca、Mn、Al等5種元素的含量，通過疊加各元素的光譜譜圖，并比較特征譜線的強(qiáng)度，可清晰地看出不同樣品不同元素的相對(duì)含量情況。

美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用該系統(tǒng)獲得巖石和沙粒的指紋光譜，通過比對(duì)來自不同地域的樣品指紋光譜特征，從而應(yīng)用于沙塵暴的精確溯源和痕量元素指紋識(shí)別的深入研究。


美國(guó)加利福尼亞州大學(xué)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室環(huán)境科學(xué)部也將該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于不同礦石樣品不同區(qū)域的元素組成特點(diǎn)及具體含量分析、金屬材料的組成成分分析、土壤中總碳含量等的研究。

目前該系統(tǒng)基于的技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)較為成熟的商品化，相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)利用相關(guān)技術(shù)和儀器設(shè)備還處于起步階段，尚有著廣闊的科研空間。隨著激光技術(shù)及檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，該系統(tǒng)必將在流域侵蝕泥沙來源的確定、流域元素的遷移路徑分析、土壤污染及修復(fù)、土壤和植物元素分布、沙塵溯源分析及其顆粒粒徑等級(jí)和粒形特性研究等生態(tài)地球化學(xué)領(lǐng)域展示更加深入的應(yīng)用前景。
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