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花粉 / 生物氣溶膠自動監(jiān)測儀（上）

作者：氣象-地基遙感「北時間：2025-05-12

背景

生物氣溶膠顆粒在地球系統(tǒng)，特別是在大氣、生物圈和氣候的相互作用中，起著至關重要的作用，而花粉作為生物氣溶膠顆粒的重要組成部分，所導致的過敏性疾病被認為是一種在很大程度上被低估的疾病，且在公共衛(wèi)生領域、空氣污染和氣候變化的相互作用下，正導致越來越多的花粉過敏患者。

因此生物氣溶膠包括花粉顆粒的實時在線監(jiān)測，正日益受到醫(yī)學、環(huán)境科學、氣候學等多領域科研人員的重視。

什么是氣溶膠

氣溶膠是指懸浮在氣體介質（主要是空氣）中的固態(tài)或液態(tài)微小粒子所組成的多相體系。這些粒子大小通常在納米到微米級別。

丨氣溶膠顆粒大小通常在0.001μm（1 納米）至100μm（100 微米）之間。

丨固體氣溶膠顆粒

0.001 - 0.1 微米

0.1 - 1 微米

1 - 10 微米

10 - 100微米

丨液體氣溶膠顆粒

0.001 - 0.1 微米

0.1 - 1 微米

1 - 10 微米

10 - 100 微米

氣溶膠的分類

氣溶膠的分類

按粒徑大小分類

總懸浮顆粒物（TSP）粒徑≤100um

可吸入顆粒物（PM10）顆粒物≤10um

細顆粒物（PM2.5）顆粒物≤2.5um

超細顆粒物（PM0.1）粒徑≤0.1um

按來源分類

天然氣溶膠（自然來源）例如火山噴發(fā) 、植物花粉孢子等

人為氣溶膠（人為來源）例如工業(yè) 排放、建筑施工揚塵等

按物理狀態(tài)分類

固態(tài)氣溶膠：如灰塵、花粉、煙塵等

液態(tài)氣溶膠：如霧、云、噴霧等

混合態(tài)氣溶膠：包含固態(tài)和液態(tài)成分

按化學組成分類

有機氣溶膠：含有有機化合物，如碳氫化合物、多環(huán)芳烴等；

無機氣溶膠：由無機化合物組成，如硫酸鹽、硝酸鹽等

生物氣溶膠:生物性粒子如細菌,病毒、真菌孢子、花粉等

生物氣溶膠

生物氣溶膠是含有生物性粒子，屬于大氣氣溶膠的范疇。生物氣溶膠種類很多，包括細菌、真菌、塵螨、病毒、花粉、霉菌孢子、蕨類孢子、寄生蟲卵以及動植物碎裂分解體等具有生命活性的微小粒子。

生物氣溶膠

以花粉為例

花粉是生物氣溶膠顆粒的重要組成部分，粒徑范圍一般為10~100微米。其在空氣中飄散極易被人吸入呼吸道。所導致的疾病例如哮喘，皮膚過敏等被認為是一種在很大程度上被低估的疾病，在空氣污染和氣候變化的相互作用下，全球正涌現越來越多的花粉過敏患者。

SwisensPoleno花粉/生物氣溶膠自動監(jiān)測儀原理

SwisensPoleno 通過對進入分析儀的氣流中的單個粒子進行光學識別，可在數秒內直接識別和測量其中的粒子，提供生物氣溶膠和其他粒子的局部濃度和實時信息，用戶可根據需要，下載實時的花粉濃度、花粉分類、單個粒子的全息圖像、物理參數等數據。

粒子進入儀器后，依次經過：

• 數字全息測量：兩個垂直 90°高分辨率相機進行全息測量，確定粒子的絕對尺寸、形狀、面積、周長、球度等參數，通過人工智能進行精確的粒子識別（SwisenPoleno Mars 和 SwisenPoleno Jupiter ）

• 熒光光譜測量：測量單個粒子的化學組成，通過收集的熒光光譜強度和熒光壽命數據（SwisenPolenoJupiter），進一步確定粒子種類；

• 散射光和偏振測量：對粒子表面進行激光照射，通過兩個光電檢測器的信號比值確定粒子表面的額外信息（SwisenPoleno Jupiter）。

數字全息和熒光光譜測量的結合是獨一無二的，它會生成系統(tǒng)測量的每個粒子的數字指紋。這個豐富的數據集（也稱為數字指紋）包含形態(tài)數據和有關粒子化學成分的數據，然后通過機器學習算法對其進行處理和分類。從粒子的檢測和測量到算法輸出的分類只需要幾秒鐘。

數字全息測量原理

熒光光譜測量原理

• 激發(fā)過程

當用一定波長的光（激發(fā)光）照射物質時，物質分子吸收光子的能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。但是處于激發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定，短時間會通過各種方式回到基態(tài)。

• 發(fā)射熒光

其中一種回到基態(tài)的方式是通過發(fā)射光子（產生熒光）。不同的物質吸收特定波長的光并發(fā)射出特定波長的熒光，這是熒光測量技術用于物質定性分析的基礎。

• 測量參數

熒光強度與物質濃度有關，一定條件下遵循朗伯-比爾定律（熒光強度與物質濃度呈線性關系）。通過測量熒光的波長，可以確定物質發(fā)射熒光的特征光譜，對物質進行定性識別。熒光壽命是指激發(fā)態(tài)分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)平均所需的時間，不同物質的熒光壽命也不同，因此可作為區(qū)分不同物質的參數。

• 儀器原理

熒光測量儀器通常由激發(fā)光源、樣品池、單色器、檢測器等部分組成。激發(fā)光源提供特定波長的激發(fā)光，照射樣品池中的樣品。單色器用于選擇特定波長的激發(fā)光和分離出熒光信號，將不同波長的光分開，以便檢測特定波長的熒光。檢測器負責檢測熒光信號的強度，并將其轉化為電信號或數字信號進行記錄和分析。