2011—2020,年单颗粒气溶胶质谱仪技术及应用研究进展

邰姗姗 祖彪

（1. 辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；
2. 辽宁省生态环境监测中心，辽宁 沈阳 110161）

近年来，大气细颗粒物（PM2.5）成为引发我国大气污染的主要污染物，特别是对重污染过程具有重要贡献，阐明PM2.5主要来源及贡献是科学合理制定控制对策的重要前提［1-2］。为应对大气污染问题，满足PM2.5实时在线监测需要，2010 年我国成功研制SPAMS。该设备融合了国内外最先进的单颗粒气溶胶在线检测技术和飞行时间质谱分析法的核心原理，并实现所有关键部件国产化［3-4］，具有高灵敏、高速度、高分辨率特点［5］。相比离线分析，SPAMS 在时效性上具有不可替代的作用［6］。

经过10 年的技术发展和应用研究，SPAMS 在大气环境等领域取得了丰富研究成果，特别是对确定大气污染治理重点和评估治理效果起到重要指导意义［7-8］，但SPAMS 在应用中仍存在一定的局限性，例如其原理中对“单个颗粒单一来源”的假设可能会给颗粒物来源解析结果带来一定的不确定性［9］。为反映SPAMS 在国内研究进展，提升研究水平，推动研究成果在国内产出，响应“把论文写在祖国大地上”的号召［10］，本文从受关注度特征、研究热点、技术和应用研究进展等方面对2011—2020 年收录在中国知网（CNKI）的SPAMS 相关成果进行综述分析，为今后开展相关研究提供更科学深入的研究思路，并为进一步推动SPAMS 发展和应用、提高大气污染成因分析的准确度和时效性提供参考。

2.1 发文量时空分布特征

发文量的时空分布及变化反映研究领域受关注程度和发展速度。2011—2020 年CNKI 共收录SPAMS 相关论文179 篇（见图1），包括156 篇期刊论文和23 篇学位论文，分别占总数的87.2%和12.8%。2011 年和2012 年发文量均少于5 篇，2013年开始增加，2017 年最多，为35 篇。各年学位论文数均少于5 篇。由此可见，SPAMS 研究发展迅速，发展趋势与我国大气污染状况和治理形势有关。2013—2017 年是我国《大气污染防治行动计划》实施主要时期，大气污染的研究关注度较高。通过实施《大气污染防治行动计划》，我国空气质量得到改善，但污染形势仍不乐观［11］。2018 年后相关研究数量虽有减少，但仍维持较高水平。

图1 2011—2020 年SPAMS 发文量年度变化

SPAMS 研究成果覆盖22 个省（区、市）。在广东省内开展研究最多，发表文章为24 篇，覆盖7 个市，主要在广州，为10 篇；
在江苏、河北和北京开展的研究发表文章为11～19 篇，江苏和河北的研究主要在南京和石家庄展开，分别为8 篇和13 篇；
其余18 个省（区、市）发表文章数量均少于10 篇。由此可见，SPAMS 研究区主要集中在珠三角、长三角、京津冀等区域和省会城市，多为我国大气污染防治重点区域或第一阶段大气颗粒物来源解析研究要求城市［12-13］，说明SPAMS 相关研究关注区结合了我国大气环境污染问题的现实需求和环境管理需求。

2.2 研究机构贡献特征

研究机构发文量一定程度上反映研究机构对研究领域的关注度和科研实力。从成果所属第一单位性质来看，生态环境监测单位和高校是开展SPAMS研究的主体，分别发表文章73 篇和67 篇，占文章总数量的40.8%和37.4%；
科研单位、企业和其他性质的单位（包括政府机构、社会团体等）分别发表文章23 篇、11 篇和5 篇。发文量前15 个机构包括7 所高校、5 个监测单位和3 个科研单位，共发文96 篇，占成果总数53.6%。其中，暨南大学和南京信息工程大学发文量超过10 篇，其他单位均少于10 篇。监测单位以省级（辽宁、广东）和市级监测机构（太原、石家庄和汕头）为主。科研单位为中国科学院广州地球化学研究所、中国环境科学研究院和国家海洋局第三海洋研究所，文章总数占科研单位总发文量的56.5%。由此可以看出，SPAMS 的研究成果的贡献主体较为集中，研究的主体范围仍有较大的发展空间；
高校和生态环境监测单位对SPAMS 研究的关注度较高，但结合学位论文的产出数量较少来看，SPAMS的研究可进一步深入和拓展，以提高研究的深度和广度。

关键词出现的频次对于研究该领域的学科热点具有重要作用［14-15］。2011—2020 年SPAMS 研究中，单颗粒气溶胶质谱（仪）、SPAMS、源解析、化学组成、污染特征、雾霾、重污染等词汇的出现频次较高（见表1），表明研究主要集中在仪器设备技术和采用SPAMS 开展大气气溶胶理化特征分析、大气污染来源和污染过程分析等方面。代表颗粒物的关键词中除了细颗粒物外，沙尘、气溶胶、大气颗粒物等关键词也出现了较高的频次，香烟烟气、呼出气溶胶、细菌气溶胶、活性生物气溶胶等也有出现［16-19］，说明采用SPAMS 开展研究的关注点以大气颗粒物为主，但在与人体健康相关的特定领域研究中也得到了一定的应用。

表1 2011—2020 年发表文章中主要关键词出现频次

2011—2014 年除“单颗粒气溶胶质谱（仪）、SPAMS”出现频率较高外，无其他明显高频词，研究集中于仪器性能。2014 年起“源解析”和“PM2.5”等表征应用研究的关键词开始出现［20-22］，2015 年起应用研究迅速发展，“（来）源解析”和“污染来源”的总出现频率在各年均超过50%，采用SPAMS 开展大气污染来源研究成为主要研究热点，且SPAMS 多为唯一或主要研究方法。此外，颗粒物理化特征、大气污染排放源谱、颗粒物的混合状态、沙尘等也成为研究热点［23-26］。颜金培等［27］和郭晓霜等［28］利用SPAMS 分别对我国东南沿海和南黄海的海洋气溶胶进行在线观测和理化特性及来源分析，SPAMS 的应用领域向海洋气溶胶拓展。2018 年后应用研究趋于平稳，后向轨迹、激光雷达等表征技术手段的关键词出现频率增加［29-30］，学者还通过将SPAMS 与其他颗粒物源解析方法或监测方法联用进行大气污染过程分析［7，31］。这些成果表明，研究逐步注重将SPAMS 与气象分析、雷达分析或其他来源解析方法相结合，多方法联用以加深对大气污染特征和成因的解析程度。

4.1 技术研究

2011—2020 年共检索到关于SPAMS 设备技术方面的相关研究成果11 篇，占成果总数6.1%，集中发表于2011—2014 年。关于设备性能的代表性研究为黄正旭等［3］的综述介绍和李磊［32-33］、张莉［34］学位论文中的阐述。付怀于等［35］在比较国内外飞行时间质谱对PM2.5主要组分的典型提取条件基础上，结合SPAMS 的图谱特征，改进SPAMS 组分示踪离子提取方法，为完善SPAMS 在PM2.5在线源解析中的应用奠定了基础。2015 年后关于设备的研究较少，仅围绕设备分析功能、提高设备故障排查效率和设备对环境的适应能力等方面展开［36-38］。

有研究发现，SPAMS 在应用中存在一些技术问题。例如采集的颗粒数量随着颗粒物质量浓度的升高达到一定水平后趋于平稳［39-40］、与其他模型联用的在线解析方式不够成熟［4］，SPAMS 原理是基于颗粒物数量浓度，在数量浓度与质量浓度之间的耦合方法方面研究较少［9］，因此需要开展相关技术研究，提高结果准确性和在国内业务化应用的适用性。

4.2 应用研究

SPAMS 的研发和利用为快速定位主要大气污染源及污染物特征变化提供了有力手段［41］，因此围绕污染过程中来源组成的研究较多。检索文献中属于源解析研究共104 篇，占总成果数的58.1%，其中有53 篇针对污染过程进行研究，占比51.0%。研究的采样时长多为中长时间尺度，50%以上的文献采样时长大于10 d，3 d 以内研究仅10 篇，主要为针对短时污染过程的分析。说明SPAMS 可以很好地实现中长时间尺度的颗粒物来源解析研究，得到长时间且高时间分辨率的动态结果，对追踪来源的时间变化具有重要意义。此外，学者也将SPAMS 采集的数据与浓度权重轨迹方法（CWT）和后向轨迹模型结合，对颗粒物污染的潜在源区进行探索［42-43］，拓展了SPAMS 在源解析中的应用范围。

采用SPAMS 开展颗粒物源解析研究的季节多集中于冬季，这可能与冬季更易出现大气污染问题有关。春季是沙尘多发季节，检索文献中有5 篇围绕沙尘过程展开。秋季研究除了开展颗粒物污染过程分析外，张琼玮等［44］还将SPAMS 应用到鹤山市首要污染物分别为PM2.5和O3的两种典型污染时段的PM2.5特征和来源研究，进一步探究O3浓度变化对PM2.5中有机物组分和混合状态的影响。夏季研究成果少于其他季节，可能与夏季空气质量相对较好有关。此外，针对我国传统节日和重大活动等特定事件的大气污染成因分析与空气质量保障需求，SPAMS也提供了重要的技术支持［7，45］。

SPAMS 能够从单颗粒尺度识别颗粒粒径大小及所对应的化学成分信息［3］，从而在气溶胶理化特性研究方面也得到了广泛应用，研究成果共39 篇，占总文献数的21.8%，特别是对重污染过程的颗粒物特征分析中［46-47］，SPAMS 提供了高分辨率的数据结果，在解析颗粒物主要化学组分的形成机制、探究灰霾期间颗粒物的混合状态等方面发挥了重要作用。近年来，随着O3污染问题的出现，SPAMS 也在探索气溶胶光学性质变化、PM2.5污染和O3污染之间的相互关系方面提供了动态解析手段［44，48］。此外，含有重金属的气溶胶对人体健康有着重要的影响，SPAMS也能实现针对重金属颗粒污染特征的解析［49-50］。

4.3 排放源谱研究

SPAMS 根据采集颗粒物的成分谱图特征与在线解析模型中的排放源谱进行比对，从而解析颗粒物来源。要真正利用SPAMS 实现在线颗粒物源解析，就必须全面深入地明确颗粒物排放源的主要质谱特征［33］。然而检索文献中关于大气颗粒物排放源谱的研究只有12 篇（见表2），仅桂林、石家庄、淮安、天津、广州和烟台6 个城市开展了部分类别排放源的源谱研究［24，51-59］。因此，应加强对源谱本地化研究和成果发表，为同区域研究和应用提供参考。

表2 2011—2020 年SPAMS 的大气排放源源谱研究成果

（1）近10 年SPAMS 技术和应用研究在国内快速发展，成果数量自2013 年迅速增加。京津冀、长三角、珠三角等重点区域和省会城市是主要研究区域，生态环境监测单位和高校是主要产出机构，暨南大学、南京信息工程大学是主要贡献单位，科研单位以中国科学院成果居多，而企业特别是作为大气环境监测网络重要组成部分的社会监测机构的研究成果较少，未来可进一步加强企业对此的研究，以拓展SPAMS 的研究主体。

（2）SPAMS 原理和性能等方面的技术探讨、采用SPAMS 开展大气气溶胶理化特征分析、颗粒物源解析等方面的研究是近10 年SPAMS 研究热点。技术研究成果主要发表于2014 年前，2015 年后应用研究迅速发展，成果颇丰，2018 年研究开始向O3污染、颗粒物光学特性等方面拓展，但见刊成果仍较少。与人类健康相关的特定领域气溶胶研究中，SPAMS 也发挥了较好的作用。

（3）颗粒物来源解析是SPAMS 应用最多的研究方向，围绕污染过程开展的研究成果占比超过50%，采样时长以中长时间尺度为主，冬季是主要研究季节。颗粒物潜在源区、沙尘过程、特定事件过程等方面源解析研究也取得了一定的成果。而源谱研究的见刊成果较少，源谱本地化应是未来源谱研究的关注点。

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