一種依據(jù)電導(dǎo)率測(cè)量的大氣固態(tài)顆粒物[顆粒2．5]指數(shù)的表征方法
【技術(shù)領(lǐng)域】 本發(fā)明公開(kāi)了一種依據(jù)電導(dǎo)率測(cè)量的大氣固態(tài)顆粒物"顆粒2.5(PM2.5)"指數(shù)的表征方 法。其"基于電導(dǎo)率突變感知的固態(tài)或凝聚態(tài)顆粒物大數(shù)計(jì)量原理"可作為一種普適方法而 直接標(biāo)定"單位體積氣體或液體中懸浮的、可作球形近似的、固態(tài)或凝聚態(tài)顆粒物的大數(shù)量 不粘連聚集體樣品"中的顆粒物的諸多物理參數(shù):數(shù)目，表觀直徑，表觀密度，質(zhì)量，顆粒d (PMd)指數(shù)，等效質(zhì)量豐度，等效數(shù)量豐度，等效表面積豐度，等效體積豐度。本發(fā)明技術(shù)及 其應(yīng)用設(shè)及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)、微電子技術(shù)、納米技術(shù)與生物醫(yī)藥技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】 地表環(huán)境大氣里漂浮著多種來(lái)源的顆粒物：（1)沙粒、上壤塵上顆粒(娃氧化物，娃酸 鹽，硫酸鹽，硝酸鹽，碳酸鹽，憐酸鹽，醋酸鹽，其它）；（2)海鹽(NaCl等）；（3)燃燒或閃電所致 無(wú)機(jī)與有機(jī)煙塵；（4)碳顆粒；（5)火山灰(金屬顆粒、無(wú)機(jī)鹽顆粒、單質(zhì)硫顆粒等）；（6)花粉； (7)微生物；（8)〇3,5〇2/50、，^。（9)揮發(fā)性化學(xué)有機(jī)物(￥0(：。來(lái)源包括工廠、研究單位化學(xué) 廢氣、汽車(chē)飛機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)工作廢氣、生物體揮發(fā)物、自然生物質(zhì)腐敗揮發(fā)物等）；（10)化工 廠、各類(lèi)工廠生產(chǎn)過(guò)程揮發(fā)物顆粒；（11)水滴與含各類(lèi)雜質(zhì)水滴、冰晶；（12)其它上述未注 明顆粒。運(yùn)些顆粒物可W隨著大氣流動(dòng)而充斥于地表上人和動(dòng)物的呼吸環(huán)境。通常用一種 空氣質(zhì)量指數(shù)[顆粒dgg (英文簡(jiǎn)稱(chēng)：PM ]來(lái)標(biāo)定環(huán)境大氣的人體呼吸安全性:單位體積 大氣里所包含的"空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑di小于等于人體呼吸安全標(biāo)定值(?淀W下所有顆粒 物"的總質(zhì)量&空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑可W理解為顆粒結(jié)構(gòu)體的"表觀直徑"，即顆粒結(jié) 構(gòu)體的外接球直徑。對(duì)于人體而言，由滿有兩個(gè)典型值:其一為lOwn，其二為2.5皿。大量研究 表明，表觀直徑小于等于IOwii的顆?？山?jīng)過(guò)呼吸而直接進(jìn)入肺部，而吸入肺中的表觀直徑 小于等于2.5WI1的顆粒存在通過(guò)人體肺泡膜直接進(jìn)入血液的可能性，而運(yùn)些直接進(jìn)入血液 的顆粒物是人屯、腦血管疾患與諸多癌癥的主要誘因之一。顯然2.5WI1是呼吸安全與否的大 氣顆粒物表觀直徑上限(由滿=dss = 2.5皿)。有鑒于此，[顆粒10(英文簡(jiǎn)稱(chēng):PMio)]與[顆粒2.5 (英文簡(jiǎn)稱(chēng):PM2.5)]指數(shù)指數(shù)可W作為衡量環(huán)境空氣是否嚴(yán)重危害人體健康的一個(gè)關(guān)鍵指 標(biāo)。例如，大氣質(zhì)量報(bào)告中所述"今日PM2.5的值為75"，其含義為今日每立方米大氣里表觀直 徑小于等于2.5微米的所有顆粒物的總質(zhì)量為75微克。1<1;2.5?=75蛇/111 3)。一般呼吸防護(hù) 可通過(guò)不同過(guò)濾等級(jí)的口罩來(lái)粗略濾除吸入大氣里表觀直徑大于5-10皿的顆粒物，但如果 口罩濾網(wǎng)孔徑過(guò)小，例如小于2.化m，那么因?yàn)V孔過(guò)小所致呼吸阻力過(guò)大將會(huì)造成呼吸困 難，所W指望通過(guò)人自主呼吸加口罩過(guò)濾的方式來(lái)預(yù)防顆粒物污染危害不具備廣泛適用 性。也就是說(shuō)對(duì)于大氣中表觀直徑小于等于2.5wiiW下的顆粒物，低成本有效濾除且不影響 人的呼吸順楊體驗(yàn)一般難W實(shí)現(xiàn)。目前大氣顆粒物污染預(yù)警是通過(guò)適時(shí)監(jiān)測(cè)[顆粒10 (PMio)]與[顆粒2.5(PM2.5)]指數(shù)而做到的：當(dāng)[顆粒IO(PMio)]指數(shù)超標(biāo)時(shí)佩戴相應(yīng)口罩即可； 而[顆粒2.5(PM2.5)]指數(shù)超標(biāo)，最好的防護(hù)措施就是閉口不出，或者佩戴專(zhuān)用的顆粒物2.5防 護(hù)口罩或呼吸器W應(yīng)對(duì)。
[000；3][顆粒IO(PMiO)]與[顆粒.5(PM2.5)]指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法主要有立種:重量法、微量 振蕩天平法和城機(jī)法。根據(jù)[顆粒,,,,(PM心）]指數(shù)的物理定義，所有上述測(cè)量設(shè)備中都要 用到一類(lèi)具備一個(gè)相同物理參數(shù)的過(guò)濾膜:即過(guò)濾膜與空氣接觸的外露面上所有孔的直徑 均小于等于由滿(理想的參數(shù)是過(guò)濾膜所有過(guò)濾孔道與過(guò)濾膜外露面的交接面為圓形且該 圓直徑為曲淀)。測(cè)量中首先利用該過(guò)濾網(wǎng)濾除待測(cè)大氣里所有表觀直徑大于曲淀的顆粒物， 然后用重量法、微量振蕩天平法或e射線法之一來(lái)測(cè)量所有表觀直徑小于等于曲淀的顆粒物 的總質(zhì)量，從而得到大氣懸浮顆粒物相應(yīng)的等效質(zhì)量豐度(濃度）。
[0004] [顆粒IG(PMlG)]與[顆粒2.5(PM2.5)]指數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)專(zhuān)利多屬歐美，設(shè)備主流供應(yīng)商 包括美國(guó)I'hermo Fisher Scientific公司，美國(guó)Met One公司，美國(guó)API公司、法國(guó)ESA公司 等。這些檢測(cè)設(shè)備視配件不同在中國(guó)市場(chǎng)的售價(jià)在5~10萬(wàn)美元/臺(tái)數(shù)量級(jí)。所^就是對(duì)于 歐美發(fā)達(dá)國(guó)家而言，運(yùn)種價(jià)格也是妨礙建立[顆粒指數(shù)全國(guó)監(jiān)測(cè)網(wǎng)、W及廣泛 實(shí)施更為重要的室內(nèi)空氣[顆粒,/K ]全時(shí)監(jiān)測(cè)的主要障礙。因此開(kāi)發(fā)一類(lèi)低廉造價(jià)的環(huán)境 空氣[顆粒4。）]指數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備從而做到能象溫度計(jì)的使用一樣而大規(guī)模實(shí)施家用 電器式[顆粒指數(shù)監(jiān)測(cè)的推廣應(yīng)用，對(duì)空氣污染適時(shí)預(yù)警W提醒民眾采取相應(yīng) 措施具有重大社會(huì)價(jià)值。
[0005] 大氣懸浮顆粒（atmospheriC aerosols)即大氣顆粒物（APM: atmospheriC paticulate matter)的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑（表觀直徑）（APD:aerodynamic particle diameter)的典型分布區(qū)間為O.l-lOOwn，其中環(huán)境監(jiān)測(cè)中所指總懸浮顆粒物（TSP: total suspended pai^ticles)的尺度分布區(qū)間為[0. l]im，40-100]im] D從上述大氣中懸浮顆粒物的 典型尺度可知，[顆粒,M)]指數(shù)檢測(cè)的主要難點(diǎn)有二:其一，準(zhǔn)確選取單位體積內(nèi)所 有表觀直徑小于等于曲旋的顆粒物，運(yùn)取決于具有過(guò)濾孔徑闊值曲淀的過(guò)濾膜，所Wcfe定較小 過(guò)濾膜的制造是設(shè)備成本高企的原因之一；其二，微量質(zhì)量的測(cè)量。要么使用微量天平，要 么使用復(fù)雜的光電響應(yīng)譜探測(cè)手段間接獲得質(zhì)量信息，無(wú)疑相關(guān)檢測(cè)手段的硬件實(shí)現(xiàn)都不 便宜。
[0006] 任何一種環(huán)境空氣[顆粒Sg)]指數(shù)的監(jiān)測(cè)設(shè)備必須能夠?qū)崿F(xiàn)"待標(biāo)定顆 粒"的過(guò)濾篩選W及被篩選顆粒的質(zhì)量測(cè)量。所W [顆粒]指數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的適用 價(jià)值(或相關(guān)發(fā)明專(zhuān)利或帶授權(quán)專(zhuān)利申請(qǐng)的"專(zhuān)利"價(jià)值)取決于"具有濾過(guò)闊值d|旋的過(guò)濾 膜制造"、"顆粒濾過(guò)方法"、"濾過(guò)顆粒計(jì)數(shù)"W及"濾過(guò)顆粒質(zhì)量測(cè)量"的協(xié)同技術(shù)實(shí)現(xiàn)。例 如，對(duì)于一種環(huán)境空氣[顆粒]指數(shù)的測(cè)量設(shè)備而言，其測(cè)量所依據(jù)的物理原理 決定了其所用顆粒物過(guò)濾膜材料的基本物理形態(tài)(材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)與濾過(guò)功能相關(guān)的主要 參數(shù)）。因此其所用濾膜的應(yīng)用有效性及其技術(shù)創(chuàng)新的實(shí)用價(jià)值主要體現(xiàn)在=方面:其一： 其所用過(guò)濾膜能否有效實(shí)現(xiàn)[顆粒/,,(PM,,,,)]指數(shù)的表征直接決定了該過(guò)濾膜技術(shù)及其 關(guān)聯(lián)制備路線是否具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值的"專(zhuān)利"意義;其二:該過(guò)濾膜能否被高性價(jià)比地大規(guī)模 工業(yè)化制造;其=:成旋的確定而所決定的材料本身的制造路線及其下游衍生產(chǎn)品的應(yīng)用范 式。例如本發(fā)明所提及的材料之一"大氣固態(tài)顆粒物尺度梯度濾過(guò)膜"適用于一種地表環(huán)境 大氣顆粒物監(jiān)測(cè)設(shè)備，它尤其是為本發(fā)明所指的一種依據(jù)電導(dǎo)率測(cè)量原理的地表環(huán)境大氣
[顆粒指數(shù)測(cè)量新方法而專(zhuān)口設(shè)計(jì)的。也就是說(shuō)，如果只是孤立地提出一種籠 統(tǒng)的材料、方法或器件W及運(yùn)些材料與器件的制造路線就說(shuō)其"可用于 [顆粒,/SS)]指數(shù)的監(jiān)測(cè)設(shè)備往往是似是而非的。
[0007]基于上述考慮，本發(fā)明提出了一種基于電導(dǎo)率突變感知原理的"地表環(huán)境大氣固 態(tài)顆粒物[顆粒指數(shù)"標(biāo)定的技術(shù)路線，其出發(fā)點(diǎn)在于考慮到任何基于一般精 度電導(dǎo)率測(cè)量的設(shè)備均能W "低廉價(jià)格"實(shí)現(xiàn)，從而期待基于電導(dǎo)率測(cè)量的大氣顆粒物 [顆粒]指數(shù)監(jiān)測(cè)能在將來(lái)成為一種典型的家用電器。

【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明提出了一種地表環(huán)境大氣固態(tài)顆粒物[顆粒指數(shù)測(cè)量的一種方法， 該技術(shù)路線的物理邏輯如下所述：
[3.01 ]尺度梯度濾過(guò):大氣固態(tài)顆粒物的尺度分選；
[3.02]分選顆粒計(jì)數(shù):基于表觀電導(dǎo)率或電阻突變測(cè)量的計(jì)數(shù)原理；
[3.02.01] 所需關(guān)注的大氣顆粒物類(lèi)別簡(jiǎn)析；
[3.02.02] 絕緣顆粒感知："導(dǎo)電液體溝道表觀電阻突變"描述；
[3.02.03 ]絕緣顆粒感知："導(dǎo)電液體溝道表觀電導(dǎo)率突變"描述；
[3.02.04]導(dǎo)電液體溝道:顆粒嵌入后多余液體的處理；
[3.02.0引導(dǎo)電液體溝道:結(jié)構(gòu)尺度的設(shè)計(jì)考量；
[3.02.06 ]導(dǎo)電液體溝道結(jié)構(gòu)尺度與顆粒分選精度的關(guān)聯(lián)限制；
[3.02.07]導(dǎo)電液體溝道:基于導(dǎo)電液體溝道電導(dǎo)率突變的大數(shù)計(jì)數(shù)；
[3.02.0引表觀直徑位于尺度區(qū)間(dx- A d，山+ A d]的顆粒物平均密度Pdx;
[3.02.09] 大氣固態(tài)顆粒物[顆粒,，1。種^1,，^)]指數(shù)的標(biāo)定；
[3.02.10] 大氣固態(tài)顆粒物[顆粒SS)]指數(shù)的標(biāo)定；
[3.02.11] 大氣固態(tài)顆粒物[顆粒指數(shù)的標(biāo)定：[顆粒IO(PMio)]與[顆粒2.5 (P版己)];
[3.02.12] 大氣固態(tài)顆粒物[顆粒,,,5(?^[,。3)]指數(shù)的標(biāo)定:結(jié)論；
[3.03]大氣固態(tài)顆粒物[顆粒W)]指數(shù)標(biāo)定的誤差分析；
[3.03.01] 主要系統(tǒng)誤差來(lái)源；
[3.03.02] 主要偶然誤差來(lái)源；
[3.03.03] 不確定性。
[3.04]小結(jié)與說(shuō)明。
[0009] [3.01]尺度梯度濾過(guò):大氣固態(tài)顆粒物的尺度分選。顆粒篩分是顆粒尺度分選的 標(biāo)準(zhǔn)方法，分選是用篩網(wǎng)孔徑遞次減小的篩網(wǎng)進(jìn)行顆粒篩過(guò)操作。我們利用【圖1】所示"尺 度梯度分選膜"進(jìn)行大氣固態(tài)顆粒物的分選。
[0010] [3.01.01]采用顆粒篩分原理對(duì)大氣顆粒物進(jìn)行尺度分選，即通過(guò)【圖1】所示的一 類(lèi)具有孔徑=級(jí)減小的過(guò)濾膜(我們稱(chēng)之為"尺度梯度分選膜"）而選定所有表觀直徑dn位 于[dn- A d<dn < dn+ A d]尺度區(qū)間的固態(tài)顆粒物，其中2 A d( ± A d)為尺度分選精度。
[0011] [3.01. 02]大氣[顆粒,gs(PMysg)〕指數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備需要重點(diǎn)檢測(cè)的是[顆粒10 (PMio)]與[顆粒2.5(PM2.5)]指數(shù)。所W顆粒物過(guò)濾篩網(wǎng)需要選定所有表觀直徑d位于0.1皿< d< 10皿之間的所有顆粒。因?yàn)樗P(guān)注顆粒表觀直徑的下限是0.1 Mi(IOOnm)，所W，所設(shè)計(jì) 的"尺度梯度分選膜"的尺度分選精度可W設(shè)定為±0 .OSwn(SOnm)。從目前已知的加工手段 可知，運(yùn)一精度幾乎是實(shí)際可操作的分選精度極限。當(dāng)選擇尺度分選精度為±0.05wii (5化m)時(shí)，需要101組尺度梯度分選膜SFm(m = 0000^0100)，其中，各膜的理論厚度為分選 尺寸山的3倍(參閱【圖2】）。
[0012] [3.01.03]上述分選精度屬于定標(biāo)級(jí)別的測(cè)試設(shè)計(jì)，真要運(yùn)么做，檢測(cè)設(shè)備會(huì)因所 用膜的數(shù)量過(guò)多而致監(jiān)測(cè)成本高昂。因此，對(duì)于一般精度的測(cè)量，可選用±0.50皿的分選精 度，運(yùn)樣需要10組尺度梯度分選膜SFm(m=0001^0010)，各膜的典型分選尺度與膜厚如下： SFoooi[9.000皿<(10001(9.500皿）< 10.00皿]，膜厚：28.50皿； SFoo〇2[8.000皿<(10002(8.500皿）< 9.000皿]