便携式灵敏空气污染监测仪

2018-03-09

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纳米光子学
便携式灵敏空气污染监测仪
一种能够实地监测100nm颗粒物的微型纳米纤维光学传感器,这种装置的时空分辨率高,可提高我们跟踪空气质量的能力。
Judith Su
亚利桑那大学生物工程系及光学科学院(Department of Biomedical Engineering andCollege of Optical Sciences,University of Arizona)
 
Tucson, AZ85721, USA
 
根据世界卫生组织(WHO)和世界银行最近的数据,全球由于空气污染造成的巨大健康损害和经济成本估计分别为每年7百万例死亡和2013年的2,250亿美元。2并且,空气污染程度还在继续加剧,世界上92%的人口居住在达不到WHO空气质量准则要求的环境中。3在美国,环保局(EPA)对六种空气污染物标准做出了规定,其中一种为颗粒物(PM)。4虽然已经有了便携式传感器,用于监测直径小于2.5微米的颗粒物,即:PM 2.5,但用于监测直径小于100nm的超细颗粒的微型传感器开发却很落后。EPA未对这种颗粒物予以监测。这种颗粒物由于颗粒很小,因此能够直接进入肺部或大脑,并与癌症和老年痴呆症、以及其他疾病存在联系。5超细颗粒的主要来源为汽车、燃烧和工业排放。6尽管细颗粒和超细颗粒导致的空气污染程度7存在局部差异,但在美国达到或超过一百万人的城市中,空气监测系统太少,大约只有2-3个站点。另外,这种监测系统的体积庞大(图1),安装起来很笨重,也很昂贵,大约需要$6,000-$36,0009,并且受到诸如树木等局部因素的影响,使其测量值可能无法代表仅有几个街区之遥的地方的空气质量。有必要采用一种个人可用、低成本、便携、灵敏且能够在实际中长期、连续、定期监测环境的系统。
 
图1:美国亚利桑那州图森市的一个空气监测站。这种监测站吸入空气,利用一个撞击取样机确定颗粒物尺寸,通过一个过滤器收集PM 2.5颗粒物,对过滤器称重,确定空气样本中的PM 2.5颗粒物质量。由于空气污染存在很大的时空差异,因此需要一种能够全天监测环境的便携式传感器。
尽管存在对个人传感器的这种需求,但往往需要在传感器的尺寸和灵敏度之间进行权衡。9与移动便携式系统相比,大型固定式监测站提供的监测数据更精确。来自北京大学的肖云峰(Yun-Feng Xiao)团队发明了一种灵敏蛇形微型纳米光纤传感器,能够用于开放环境中。10这种传感器能够对小于100nm的颗粒计数并确定其尺寸,这种颗粒属于超细颗粒。另外,肖的传感器的尺寸分辨率达到10nm,这意味着这种传感器能够监测较小的颗粒。由于纳米纤维传出的光量与颗粒之间能够相互影响,因此,传感器能监测到的颗粒尺寸上限为1µm,这使得这种传感器能够监测PM1.0全范围内的颗粒,试验得出的经验表明,这种颗粒与PM 2.5颗粒物的浓度存在关联。
随着颗粒的沉降,在光线中传输的光学功率逐步减低,蛇形纳米光纤传感器通过监测这种光学功率的逐步降低,测量颗粒物浓度。这种功率变化与沉降在光纤上的颗粒尺寸有关,这种关系遵守瑞利-甘斯散射理论。11纳米光纤的蛇形结构有助于提高传感器的捕获面积。除了监测和计数特定尺寸范围内的颗粒(PM2.5, PM1.0等),肖的传感器还能提供高精度颗粒信息,有助于更好地确定污染成分和健康危害之间的关系,为未来的环境监管提供信息。
利用这种传感器在北京监测颗粒物,几个月的使用显示,其结果与北京市环境监测中心的官方数据吻合良好,这表明,这种传感器可用于在现实中长期用于监测。在试验中,每几个小时采集一次测量值。与其他精密颗粒监测系统不同12,肖云峰(Yun-Feng Xiao)的传感器不需要采用可调谐激光器,因此这种传感器价格更低、更易于携带。
未来的空气污染监测技术趋势是:低成本,具有化学特异性,灵敏,全天候,移动传感器阵列,可穿戴、或者能够连接在现有基础设施上(图2)。如果一起组合使用,这种传感器能够通过一幅室外污染物水平“众包”地图,形成预警网络。这种传感器能耗低,能够在动态且恶劣的环境中连续长期实时监测污染物。另外,还需要解决诸如数据存储、管理、发布和隐私等问题。这种传感器能够提供充分的超本地空气质量信息,如:使用家用化学品产生的污染物,或者汽车驾驶舱内的空气污染物。采集的数据可用作健康指标数据,并可用于迅速告知公众相关的疾病风险,如:哮喘、支气管炎、癌症和阿尔茨海默症。
 
图2 超细颗粒能够直接进入肺部和大脑,导致癌症和老年痴呆症。a. 一种微型蛇形纳米光纤传感器,能够监测100nm的颗粒达一个月。b. 一种未来可穿戴空气污染监测系统,能够做成臂章或智能手表,跟踪个人污染物暴露水平。
参考文献
1. WHO | 7 million premature deaths annually linked to air pollution. WHO Available at: http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2014/air-pollution/en/. (Accessed: 7th March 2018)
2. Air pollution’s hidden impacts | Science. Available at: http://science.sciencemag.org/content/359/6371/39.full. (Accessed: 28th February 2018)
3. WHO | Ambient (outdoor) air quality and health. WHO Available at: http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs313/en/. (Accessed: 9th March 2018)
4. US EPA, O. Air Pollution Monitoring. Available at: https://www3.epa.gov/airquality/montring.html. (Accessed: 8th March 2018)
5. Brain pollution: Evidence builds that dirty air causes Alzheimer’s, dementia. Science | AAAS (2017). Available at: http://www.sciencemag.org/news/2017/01/brain-pollution-evidence-builds-dirty-air-causes-alzheimer-s-dementia. (Accessed: 28th February 2018)
6. Ultrafine particles in cities - ScienceDirect. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016041201400018X. (Accessed: 8th March 2018)
7. Nieuwenhuijsen, M. J. et al. Variability in and Agreement between Modeled and Personal Continuously Measured Black Carbon Levels Using Novel Smartphone and Sensor Technologies. (2015). doi:10.1021/es505362x
8. e-CFR: TITLE 40—Protection of Environment. Electronic Code of Federal RegulationsTITLE 40—Protection of Environment,
9. Castell, N. et al. Can commercial low-cost sensor platforms contribute to air quality monitoring and exposure estimates? Environ. Int.99, 293–302 (2017).
10. Yu, X.-C. et al. Optically sizing single atmospheric particulates with a 10-nm resolution using a strong evanescent field. Light Sci. Appl. doi:10.1038/lsa.2018.3
11. Bohren, C. F. & Huffman, D. R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. (Wiley-VCH, 1998).
12. Label-free detection of single nanoparticles and biological molecules using microtoroid optical resonators
Light: Science & Applications. Available at: https://www.nature.com/articles/lsa20161. (Accessed: 9th March 2018)