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（空氣動力學直徑Dp小于10um的顆粒物）已被證實是危害人類健康的最主要物質；PM2.5(Dp小于2.5um) 因能夠進入人體肺部導致肺泡發炎而被認為是具有更大的危害性。 而當粉塵顆粒中含有鉛、汞、鉻等金屬元素機器氧化物時，其生物危害更高。
植物對一定范圍內空氣中粉塵有凈化作用，植物葉片因其表面特征對大氣顆粒物有吸附或附著作用。根據植物滯塵能力選擇城市綠化樹種、優化綠化方案對凈化空氣、改善環境質量、維護城市生態平衡和美化景觀具有重要意義。
目前國內外的研究主要通過測定植物的滯塵量來評價城市植物群落滯塵能力及生態效應，而對滯塵的基本理化特性研究相當缺乏。只有對葉片滯留的粉塵進行成份鑒定，才能進一步分析植物對粉塵的滯留是否存在選擇性。因此，植物滯塵應該與大氣顆粒物、地表灰塵結合起來研究，通過對比分析顆粒物的形態、組分，才能更深地了解植物滯塵機理，為研究城市植物、森林生態系統的固碳釋氧、降溫增濕、大氣凈化等生態服務功能提供基礎數據，為污染控制技術提供數據支撐。

2 分析系統設計
2.1 目標
J200 植物滯塵理化特性分析系統采用激光光譜元素分析方法對植物葉片和樹干滯塵做微區分析，獲取葉片和樹干滯塵的元素組分及分布。同時對滯塵的物理參數，如滯塵的粒形和粒徑分布及隨時間的變化，進行測量，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，若同時測定植物葉綠素、植物脅迫、水勢和氣孔導度等參數，還可確定粉塵對植物生理生化的影響。
2.2 分析內容
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、氣孔導度等。
2.3 分析系統組成與特性
J200 植物滯塵理化特性分析系統由元素分析單元、粒子特性分析單元和植物生理監測單元組成。
元素分析單元源自美國加州大學國家能源技術實驗室年多年科學研究成果，采用激光在樣品表面形成等離子體，然后由光譜檢測單元對等離子體的光譜進行分析，進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，數秒內即可同時、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。
該單元配置的系統軟件，可讓用戶任意選取光譜線及背景，自動去除背景強度、自動計算峰值下的面積，提供譜線的“凈"強度；還可優化選擇原子/離子發射譜線作不同的分析，在光譜標樣基礎上制作定量分析標定曲線，并提供了PCA、PLS、多參數線性回歸、化學統計分析等數據分析工具，方便將隨機樣品的譜線與數據庫中的譜線比較，得到復雜的、多組分樣品的定量分析結果。
粒子特性分析單元采用針對旋轉的激光光束遮蔽時間的粒徑分析技術，在600個不連續的時間間隔進行粒徑測量，得到高分辨率的粒徑分布。利用該技術，顆粒粒徑是直接測出來的，而不是通過粒徑的二級特點推算出來的，因此不受折射率指數、粘度變化、布朗運動、熱傳導和其它物理現象的影響，具有高精度和優秀的可靠性與重復性。
該單元還可收集顆粒的原位數字圖像來分析顆粒的大量形狀參數，從而進行粒形特征分析。
植物生理監測單元，測量葉綠素含量、熒光參數、水勢、氣孔導度等參數，用戶根據研究需要，可選擇配置。
2.4 性能指標
2.4.1 元素分析單元
l 基本配置：激光、等離子體發射檢測模塊、光閘延遲調節控制器模塊、激光燒蝕及采樣行程模塊、顯示主機
l 測量參數：土壤中地球化學組成元素種類、含量及其特征指紋光譜
l 操作系統：硬件控制，預選或自制激光燒蝕采樣模式，發射譜線數據庫，元素分布、深度分析等功能，多閃累積LIBS信號，多譜線對比顯示
l 光譜數據庫：UV-NIR 全光譜，TrueLIBS 發射光譜數據庫
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：去除發射峰背景，PCA、PLS、多參數線性回歸、化學統計分析
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、激光測量頭和視頻測量頭、測量池、樣品分散系統
l 測量參數：粒徑、粒形、顆粒濃度
l 測量原理：激光視頻雙通道，模塊化配置。激光通道采用激光光阻法（又稱時間轉換理論），視頻通道采用動態圖像分析法
l 激光通道測量范圍：0.1-2000μm，分辨率：全量程的0.33%，最小可達0.2μm
l 視頻通道測量范圍：2-3600μm
l 濃度測量范圍：高達109顆粒/cm3(對1μm顆粒)
l 測量池模塊：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：自動液體循環、干粉分散器、粉料送樣器、溫度控制器、氣溶膠控制器可選

3 數據分析
3.1 元素組成及光譜特征數據分析
系統配置的系統軟件實現了將復雜的光譜測量數據直接變成測量結果。強大的光譜分析工具可讓用戶任意選取光譜線及背景，自動計算峰值下的面積，提供譜線的“凈"強度。在系統軟件中可優化選擇原子/離子發射譜線作不同的分析，在光譜標樣基礎上制作標定曲線，完成高精度定量分析。軟件提供多種數據分析工具，如：PCA、PLS、多參數線性回歸、化學統計分析等。讓用戶將隨機樣品的譜線與數據庫中的譜線比較，得到復雜的、多組分樣品的定量分析結果。

3.2 粒徑粒形特性數據分析
系統軟件包含存儲所有數據的SQL數據庫，可輸出采用報表生成器來生成包括各種類型粒徑粒形分布、平均值和統計數據的報表，具有強大的自定義編輯和處理功能，易于數據讀取和分析。 目標數據庫含有分布中單個顆粒的粒徑和圖像信息。只要輕輕點擊，每一顆粒的詳細信息都會被顯示。



4 系統應用
流域侵蝕元素遷移分析系統基于成熟的光譜技術和激光遮蔽時間理論，大大縮短了常規分析方法所需的較長實驗周期。能夠進行多種類型樣品多種元素成分的組成和含量對比分析，并可實現元素的指紋識別。
美國Russo科研小組采用該系統快速分析了包括粘土、壤土、沙土在內的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度，可清晰地看出不同樣品不同元素的相對含量情況。

美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室利用該系統獲得巖石和沙粒的指紋光譜，通過比對來自不同地域的樣品指紋光譜特征，從而應用于沙塵暴的精確溯源和痕量元素指紋識別的深入研究。


美國加利福尼亞州大學國家能源技術實驗室、美國橡樹嶺國家實驗室環境科學部也將該系統廣泛應用于不同礦石樣品不同區域的元素組成特點及具體含量分析、金屬材料的組成成分分析、土壤中總碳含量等的研究。

目前該系統基于的技術在國外已經實現較為成熟的商品化，相對而言，國內利用相關技術和儀器設備還處于起步階段，尚有著廣闊的科研空間。隨著激光技術及檢測技術的快速發展，該系統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、土壤和植物元素分布、沙塵溯源分析及其顆粒粒徑等級和粒形特性研究等生態地球化學領域展示更加深入的應用前景。
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