[發(fā)明專利]一種實(shí)現(xiàn)納米尺寸大氣細(xì)顆粒物的監(jiān)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410742102.0
• 申請(qǐng)日: 2014-12-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104458523A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱殷;陳浩;劉曉龍;杜志貴;何洋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院光電研究院
• 主分類(lèi)號(hào): G01N15/06
• 分類(lèi)號(hào): G01N15/06;G01N15/02;G01N15/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;賈玉忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種實(shí)現(xiàn)納米尺寸大氣細(xì)顆粒物的監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)

PM2.5是指針對(duì)尺寸為2.5微米以下細(xì)顆粒濃度的監(jiān)測(cè)。然而由于觀測(cè)手段的限制，目前對(duì)更小尺寸：特別是針對(duì)納米級(jí)顆粒的監(jiān)測(cè)方法和其毒性的研究鮮有報(bào)道。一方面，比微米級(jí)顆粒更小的納米尺寸的顆粒具有更高的生物毒性：除了可以透過(guò)細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，還可以進(jìn)入細(xì)胞核等更微觀細(xì)胞器并發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，影響DNA的合成，具有更強(qiáng)的生物毒性，因此需要針對(duì)這一尺寸的顆粒進(jìn)行更加深入細(xì)致的研究。另一方面，目前的大氣顆粒檢測(cè)手段過(guò)于籠統(tǒng)，難以做到納米級(jí)顆粒與微米級(jí)顆粒的分離研究，缺乏一種方便快捷的針對(duì)顆粒濃度和微觀物理化學(xué)特性的檢測(cè)方法。由于納米級(jí)顆粒尺寸更小，這增加了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和探測(cè)精度。

β射線吸收法是歐盟認(rèn)證的測(cè)量PM2.5的方法。β射線穿過(guò)顆粒物后被衰減，根據(jù)β射線的衰減量就可算出PM2.5的重量，根據(jù)相同時(shí)段內(nèi)采集樣品的體積，得出PM2.5的濃度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，有利于遠(yuǎn)程觀測(cè)和自動(dòng)控制；然而缺點(diǎn)是結(jié)果準(zhǔn)確性存在爭(zhēng)議，受成分、濃度、環(huán)境濕度等因素的影響，生產(chǎn)成本高，并且檢測(cè)過(guò)程中伴有β射線輻射。

散射光譜法是通過(guò)測(cè)量材料對(duì)入射光的散射光譜判斷材料成分和濃度一種方法，目前廣為應(yīng)用的散射光譜法為激光散射和白光散射，并未應(yīng)用于對(duì)大氣細(xì)顆粒物濃度的監(jiān)測(cè)。熒光光譜和拉曼光譜是最普遍應(yīng)用的激光光譜，可通過(guò)材料對(duì)激光的散射信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定量分析。另外，高強(qiáng)度激光能夠使吸收物種中相當(dāng)數(shù)量的分子提升到激發(fā)量子態(tài)，因此極大地提高了散射光譜的靈敏度，例如用氮分子激光泵浦的可調(diào)染料激光器對(duì)熒光素鈉的單脈沖檢測(cè)限已達(dá)到10^-10摩爾/升。1964年，美國(guó)的Winefordner等首次成功地用原子熒光光譜測(cè)定了Zn、Cd、Hg。然而，以(強(qiáng))激光為光源的散射光譜的檢測(cè)提高了檢測(cè)成本和操作難度，因此在大氣細(xì)顆粒物檢測(cè)領(lǐng)域沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)納米尺寸大氣細(xì)顆粒物的監(jiān)測(cè)方法，能夠采用暗場(chǎng)散射光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)納米尺寸細(xì)顆粒物濃度、尺寸和成分的監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為：一種實(shí)現(xiàn)納米尺寸大氣細(xì)顆粒物的監(jiān)測(cè)方法，包括：該方法的步驟如下：

步驟1、利用暗場(chǎng)散射成像原理獲得大氣細(xì)顆粒物樣品的高信噪比的具有納米精度的暗場(chǎng)圖像和暗場(chǎng)散射光譜；

步驟2、利用光點(diǎn)提取算法，自動(dòng)讀取暗場(chǎng)圖像中顆粒個(gè)數(shù)，獲得測(cè)量區(qū)域顆粒濃度；

步驟3、選取暗場(chǎng)圖像中的某一亮點(diǎn)即細(xì)顆粒，通過(guò)對(duì)該顆粒的暗場(chǎng)光譜的測(cè)量獲得其散射光譜數(shù)據(jù)；

步驟4、通過(guò)對(duì)選定目標(biāo)的暗場(chǎng)散射光譜的分析，獲得該顆粒的尺寸和成分信息。

進(jìn)一步的，利用暗場(chǎng)散射成像原理獲得大氣細(xì)顆粒物樣品的高信噪比的具有納米精度的暗場(chǎng)圖像和暗場(chǎng)散射光譜。

進(jìn)一步的，利用光點(diǎn)提取算法，自動(dòng)讀取暗場(chǎng)圖像中顆粒個(gè)數(shù)，獲得測(cè)量區(qū)域顆粒濃度。

進(jìn)一步的，利用暗場(chǎng)散射光譜紅移和細(xì)顆粒物尺寸的線性依賴關(guān)系，又光譜信息推斷細(xì)顆粒物的尺寸信息。

進(jìn)一步的，利用暗場(chǎng)散射光譜推斷細(xì)顆粒物的成分信息。

進(jìn)一步的，還包括：通過(guò)改變下面中的一種或多種組合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣納米尺寸細(xì)顆粒物的監(jiān)測(cè)

(1)入射光的波長(zhǎng)；

(2)入射光束的聚光方式；

(3)探測(cè)的散射光譜的機(jī)制；

(4)暗場(chǎng)照明的方式；

(5)暗場(chǎng)散射成像系統(tǒng)散射光收集的方式。

進(jìn)一步的，還包括：探測(cè)大氣細(xì)顆粒物的尺寸為100納米至2.5微米。

本發(fā)明提供的一種實(shí)現(xiàn)納米尺寸大氣細(xì)顆粒物的監(jiān)測(cè)方法的原理進(jìn)一步說(shuō)明如下：

利用暗場(chǎng)成像技術(shù)獲得(通過(guò)配有PM2.5切割頭的采樣器采集)顆粒物樣品的高信噪比的具有納米精度的暗場(chǎng)圖像；利用光點(diǎn)提取算法，自動(dòng)讀取暗場(chǎng)圖像中顆粒個(gè)數(shù)，獲得測(cè)量區(qū)域顆粒濃度；選取暗場(chǎng)圖像中的某一亮點(diǎn)(細(xì)顆粒)，通過(guò)對(duì)該顆粒的暗場(chǎng)光譜的測(cè)量獲得其散射光譜數(shù)據(jù)；通過(guò)對(duì)固定目標(biāo)的散射光譜的分析，獲得該顆粒的尺寸和成分信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米尺寸大氣顆粒的物理化學(xué)特性的監(jiān)測(cè)。

優(yōu)選的上述方法有以下特點(diǎn)：