1. 大气重金属在线分析仪EHM-X200简介

EHM-X200大气重金属在线分析仪是天瑞仪器全球首创的双功能全自动在线分析仪器。它创新地将专利技术——X射线荧光（XRF）无损检测技术、β射线吸收检测技术与空气颗粒物自动富集技术完美结合，不仅可以监测空气颗粒物质量浓度, 还可以同时对颗粒物中元素成分进行定量分析。该仪器具有pg/m3 量级的检出限，处于世界先进水平，广泛应用于空气质量监测、污染溯源及源解析、环境评价等领域。

图1 天瑞仪器EHM-X200大气重金属在线分析仪图片（从左到右分别为仪器主机、站房机柜上的仪器和车载仪器）

1.1 测量原理

仪器以恒定的工况流量将空气吸入颗粒物切割器中，以PM2.5为例，动力学直径在2.5um附近及以下的颗粒污染物进入到仪器的富集系统中。经过一段时间的富集后，富集系统自动切换成β射线分析系统，利用β射线的衰减与颗粒物的质量浓度成指数的关系，对颗粒物的质量浓度进行分析。然后卷膜系统精确地将富集有空气颗粒物的滤纸移动到X射线荧光分析系统，分别利用X射线荧光的能量和强度对颗粒物中的元素成分进行定性和定量的分析。

图2 天瑞仪器 EHM-X200大气重金属监测示意图

X射线荧光光谱技术（XRF）的原理见图3所示，可以直接检测固体或液体样品中ppm量级的元素成分。采用富集后再检测的办法，使得XRF技术对空气颗粒物中的重金属成分的检测限优于0.001ug/m3。而常规实验室的检测技术，由于预处理消解过程中需要将微克量级的样品溶解到几十克的液体中，而使得浓度被稀释百万倍，从而多数仪器（譬如ICP-AES、或原子吸收光谱仪）无法检出元素含量低于10ug/m3量级的空气颗粒物样品。

图3 X射线荧光光谱技术原理图

1.2 性能特点

（1）空气颗粒物浓度、大气重金属浓度一体式协同测量，为污染溯源及源解析提供更精准数据；
（2）TSP、PM10、PM2.5三种切割器可供用户选择，应用于不同的环境评价场合；
（3）铅、镉、砷等30多种重金属含量精确测量，最低检出限在pg/m3量级；
（4）从光管、探测器、数字多道分析器（DCMA）到整机，数十项XRF核心技术发明专利；
（5）具有国家级技术证书和测试报告，仪器的可靠性、准确性得到充分验证。

1.3 技术参数

以下列出了大气重金属在线分析仪的一些重要技术参数（表1）。

表1 天瑞仪器 EHM-X200大气重金属监测仪技术参数

2. 大气重金属在线监测能给我们带来什么？

2.1 及时获知大气颗粒物有害金属浓度，确保公众知情权

正如十年前我们认识中的大气颗粒物只有PM10和TSP而完全没有PM2.5的概念一样，现如今我们也仅仅是简单地关注PM2.5的浓度值，而忽视PM2.5中具体的有毒有害物质是什么，有多少。《柴静雾霾调查：穹顶之下》中多次强调控制PM2.5中重金属元素浓度的必要性，“PM2.5颗粒物进入人体后，巨噬细胞难以消化大气颗粒物中的重金属，使得巨噬细胞破裂而死，从而降低了人们的免疫力”。通过大气重金属在线分析，能够快速有效的了解当地的PM2.5中所含有的重金属和非重金属物质的种类和浓度，就像如今实时获取PM2.5的浓度一样，公众可以及时知道居住地的大气重金属浓度值，合理安排自己的工作生活，及时采取措施保护自身受到污染伤害。

2.2 有利于研究部门分析大气重金属日变化趋势

常规大气重金属监测手段只监测重金属元素的日平均浓度的测量，但是大气重金属随着气象参数与温度在每天的不同时间段有着较大的变化，日平均浓度无法反应这些变化。大气重金属实时在线监测可以实现每天重金属浓度的小时值测定，有利于分析总结大气重金属和非重金属元素的日变化规律。

图4 天瑞仪器 EHM-X200大气重金属监测仪监测重金属污染物的小时变化图

2.3 为监管部门提供污染源解析数据，助力决策制定

通过主成分分析与相关性分析等模型处理，可以告诉政策制订者污染来自哪里、贡献比率，为源解析工作提供辅助成果。天瑞仪器EHM-X200大气重金属监测仪对北方某城市长时间段大气重金属在线分析仪测量的数据进行主成分分析后，得到表1。

表1 EHM-X200大气重金属监测仪监测数据组成分分析

为了进一步研究PM2.5与大气重金属之间的关联，并为PM2.5的控制提供方向，我们通过已经划分的三个组分与大气PM2.5浓度进行相关性分析。结果如图5，发现该地区主要影响PM2.5的污染源为组分2（冶金工业废气）。

图5 EHM-X200大气重金属监测仪监测数据各组分与PM2.5的相关性。图例中颜色的深浅表示相关性数值的大小。组分2与PM2.5的相关性最强，这说明影响该地区PM2.5浓度的主要污染源为冶金工业废气。

通过风向与PM2.5中三组分的关系图可以确定各组分污染物的来源方向（图6）。

图6 EHM-X200大气重金属监测仪监测数据PM2.5中元素主成分分析得到的各组分与风向关系图。图A是组分1（工业、生活燃料燃烧）的浓度与风向关系图，从图中可以看出组分1主要来源于监测点位的西南方向（深色区域）；图B是组分2（冶金工业废气）的浓度与风向关系图，从图中可以看出组分2来源于监测点自身范围内（深色区域）；图C是组分3（扬尘）的浓度与风向关系图，从图中可以看出组分3主要来源于监测点位的东方及北方（深色区域）。图中颜色深浅由浅到深代表污染的程度由小到大。

2.4 实时监测大气重金属浓度，提高监测人员工作效率

现有的常规大气重金属监测手段还是原始的手工采样+实验室分析方法，工作量大且效率低。由于常规实验室分析技术重金属浓度检测需要样品预处理消解，从样品称量到样品消解完成大约需要花费2个小时。而XRF技术无需样品预处理，每个样品重金属浓度检测可以在10分钟以内完成，同时还可以实现无人值守、24小时实时监测大气中的30种重金属元素，节省了大量的人力成本，且相对实验室测量方法而言，耗材少价格低，维护量低，无二次污染。

综上所述，通过江苏天瑞仪器的EHM-X200大气重金属监测仪不仅可以准确监测大气颗粒物浓度，还可以实现大气颗粒物中重金属元素浓度的监测，为大气颗粒物重金属元素的污染监测和控制提供科学依据。

仪器主机

包括颗粒物富集系统、卷膜系统、β射线吸收检测模块、X荧光分析系统（大功率X光管、SDD X荧光探测器、多滤光片切换装置、数字多道分析器、FP算法分析软件）和控制系统。整套系统除了颗粒物切割器和采样泵以外，均集成在一个机箱内，运输安装方便。

重金属工作站

硬件配置：
(1） 内嵌一体化触屏式工控机，可存储十年以上数据。（也可外接工控机，根据客户要求定制）
(2） 多种对外接口：RS232/485，口，4-20mA，TTL输入/输出等。
软件配置:
（1）EHM-X200 控制及综合分析软件，中文操作界面，触摸显示屏操作，显示实时状态信息；并有自我诊断及设定功能，实时状态监控功能；软件采用先进的分层模块化设计，具有强大、灵活的数据设置、校准、保存、显示、查询、分析、传输等功能。
（2）数据符合《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》（HJ/T 212-2005）。开放的通讯协议，可接入数采平台，能够保证与省站、国家站联。
（3）提供监测数据的储存文件能以TXT文本或EXCEL表格输出；软件可保存每次测量或校准时的能谱扫描谱图，并可检索查询。

颗粒物切割器

可以选择使用TSP、PM10、PM2.5切割器，从而实现不同动力学直径颗粒物中重金属含量的测量。切割器通过权威机构认证。同时还配有室外温度传感器，含百叶护罩以及雷击保护隔离器。
配有屋顶专用防水固定法兰，可将切割器固定在屋顶上。用户还可选配车载平台，将切割器固定在车顶上。

DHS动态加热系统

通过动态调节采样空气的温度来控制空气的湿度，可消除空气中水分对测试的影响。

采样泵及风机

采用高效率进口隔膜泵，最大流量168 L/min，最低真空度60 Torr。
通过高压风机将空气通过波纹管引入主机内部，为X射线光管散热，利用光管稳定并延长使用寿命。

耗材

滤膜：PTFE滤膜卷（具有极低背景元素含量）。在每小时一次采样分析的情况下，一卷滤膜可以使用一个月。

空气过滤器：供高压风机使用，通常情况下建议每月更换一次。

工作条件

测量环境温度：-40℃~50℃

测量环境湿度：0%RH~90%RH
主机工作环境温度：5℃~40℃
主机工作环境湿度：30%RH~60%RH
供电电源：220V AC±10%，50Hz±1Hz

性能特点

空气颗粒物质量浓度&重金属浓度一体式协同测量，可分析空气颗粒物中成分分布规律。
配有多种颗粒物切割器供用户选择，实现重金属颗粒物在不同动力学直径上的分布测量。
铅、镉、铬、砷等30种重金属含量精确测量，最佳探测灵敏度pg/m3量级，元素种类可扩展。
主机采用国际标准19”机箱，既可安装在移动监测车上，也可以安装在空气自动站的标准机柜上。
20年XRF技术积累，防雷工业级电子电气设计，仪器具备极高的运行可靠性与稳定性，24小时/365天无故障运行，同时还具有智能的故障诊断与自排除功能。
无杂峰光路设计，内置多档滤光片，自动切换实现低背景测量。
内置校准模块，XRF谱横纵坐标同时自动校准，校准频率可任意设置，还内置了特定金属内标源，可实现自动质控及报警。
通过质流量控制器及温度、压力传感器精确稳定控制采样的工况流量，同时可实现流量自动校准。
具有RS232/485、USB、GPRS、ADSL、以太等多种数据传输方式，可以实现运行参数、状态以及数据的远程传输、监控和检验。
系统软件采用先进的分层模块化设计，具有强大、灵活的数据设置、校准、保存、显示、查询、分析、传输等功能。数据符合《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》（HJ/T 212-2005）。同时用户还可以快速、方便地定制扩展其他任何自定义功能。
专业的多重防辐射处理，测量时仪器全方位无任何辐射泄漏。

应用领域

EHM-X200可以连续测量并分析空气中多种颗粒物质量浓度及重金属浓度，并有如下应用：

1. 空气质量监测
2. 空气颗粒物特征分析
3. 空气背景测量
4. 环境评价、许可
5. 污染源定位、溯源
6. 污染预测预警

技术参数

监测指标：TSP / PM10 / PM2.5质量浓度，并可同时监测Pb（铅）、Cd（镉）、Hg（汞）、As（砷）、Cr（铬）、Cu（铜）、Zn（锌）、Ni（镍）、Ba（钡）、Fe（铁）、Ag（银）、Se（硒）、Br（溴）、Te（碲）、Sb（锑）、Sn（锡）、Ti（钛）、Co（钴）、Mn（锰）、Pd（钯）、Tl（铊）、Sc（钪）、 Mo（钼）、V（钒）、Cs（铯）、Ga（镓）、Ca（钙）、K（钾）、Sr（锶）、Cl（氯）等30种元素（其它元素可根据用户后续需求扩展）
适用标准：HM：US EPA IO-3.3 标准方法《X射线荧光光谱法检测环境颗粒物中重金属》
PM：《环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续监测系统技术要求及检测方法》
测量范围：HM：0～100 μg/m3
PM：0～10 mg/m3
最低检出限：HM：10 pg/m3量级（采样时间4小时、流速16.7L/min）
PM：<0.5 μg/m3（24小时平均值）
准确度：HM：<15%（Pb，与国标实验室方法对比，采样时间大于1小时）
PM：±5 μg/m3（24小时）以内
安全保护：HM：多重X射线辐射安全保护装置，辐射剂量低于2.5 μGy/h（距机箱5 cm处）；仪器门打开自动关闭X光管以保护人员安全
PM：仪器内部电离辐射接近空气背景值
工作方式：连续自动监测；一年的无故障运行，以及故障自恢复功能
控制方式：计算机控制，并有自我诊断及设定功能、实时状态监控功能，并可存储十年以上监测数据
操作界面：中文或英文操作界面，触摸屏操作，显示实时采样流量、采样时间、测量状态、重金属浓度值（标准状态或非标准状态可选择设置）、含量曲线等信息
安装方式：固定站房标准机柜安装或移动车载式安装