创新点
针对目前行业内缺乏统一、可溯源的移动污染源颗粒物数浓度（PN）监测现场校准技术，导致数据一致性与可靠性不足、国Ⅵ标准落地支撑不足等问题，本研究自主设计并研制了一套超细颗粒物“可控发生-稳定分级-精准测量”全流程校准系统。创新点如下：
突破了横向淬火式扩散火焰燃烧技术，实现了10~100 nm范围内真实机动车尾气的标准碳烟颗粒模拟可控、稳定发生；
提出了X射线荷电-平板型差分电迁移率分级技术，实现了宽粒径段筛分误差小于2.0%，显著优于国家计量标准（JJF 2215-2025）要求；
设计多层玻璃纤维滤芯结构的法拉第杯静电计，攻克了颗粒物微弱带电量测量难题，将颗粒物数量浓度直接溯源至国际单位制，其响应线性系数优于99.6%。
本文研发的超细颗粒物校准系统实现了PN检测仪的现场快速、高精度校准，有效支撑了我国现行国Ⅵ排放标准对PN检测设备的校准与溯源需求。
通讯作者简介
长期从事大气细颗粒物监测技术研究工作，研发系列技术装备，批量应用于国家环境空气质量和地面气象自动观测站网，以及移动源排放监测监管。主持了国家重点研发计划项目2项、国家自然科学重点基金1项、科技部与澳门联合资助项目1项、国家重大科学仪器设备开发专项和国家重大科技专项课题各1项等重要科研任务。在Nature Communications、ACS Nano等学术期刊发表论文80余篇，获中国发明专利60余项。获国家科学技术进步二等奖1项（排名3），安徽省科学技术一等奖1项（排名3）。
基于碳烟的超细颗粒物PN检测仪校准系统设计与研制
作者
单位
1. 合肥综合性科学中心环境研究院
2. 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所
基金项目
1. 国家自然科学基金民航联合基金重点资助项目（U2133212）
2. 合肥综合性科学中心环境研究院科研团队建设资助项目（HYKYTD2024006）
3. 国家环境保护机动车污染控制与模拟重点实验室开放基金（VECS2021S05）
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摘要
研究背景
随着全国机动车保有量突破4.53亿辆，移动源污染已成为我国大气污染的主要来源，其贡献率接近60%。生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报（2024年）》显示，2023年全国机动车颗粒物（Particulate Matter, PM）排放量仍高达4.4万吨。需特别关注的是，机动车排放的颗粒物主要由超细颗粒物（粒径≤100nm）构成。这些颗粒物不仅数浓度（Particle Number, PN）远高于同等质量浓度下的工业排放颗粒，而且由于粒径极小（通常小于2.5μm），能够长期悬浮于大气中，穿透人体生理屏障，对人体健康构成严重威胁。
为应对这一挑战，我国已全面实施机动车国六排放标准，并对23nm以上颗粒物的数量浓度进行严格管控。法规的严格实施对机动车尾气PN检测仪的测量准确性提出了更高要求，使得对这类仪器的定期标定与校准变得至关重要。然而，PN检测设备在长期运行过程中，会因颗粒物沉积等因素导致采样流量、稀释比及计数效率发生变化，从而影响测量结果的可靠性。目前，该领域面临的核心问题：国际上缺乏统一的计量校准方法，也缺少专用的现场校准设备。各生产厂商仅依据内部标准在实验室内进行“出厂校准”，无法保证不同品牌、不同批次仪器之间测量结果的一致性。尽管国内已有研究机构搭建了基于差分电迁移分析仪（Differential Mobility Analyzer, DMA）和凝结核粒子计数器（Condensation Particle Counter, CPC）等进口仪器的固定式校准装置，但其存在体积庞大、成本高昂、操作复杂及送检周期长等问题，难以满足日常现场校准与快速维护的迫切需求。
在此背景下，国家市场监督管理总局于2025年3月正式发布了《移动源排放颗粒物数量检测仪校准规范》（JJF 2215—2025）。该规范明确规定了23~200nm粒径区间内仪器的计数效率、计数线性等量化指标，并强调校准结果必须溯源至国家计量基准。因此，开发一套能够现场应用、测量结果可溯源的超细颗粒物PN检测仪校准系统，已成为当前环境监测计量领域的紧迫任务。
实现准确校准的关键之一在于选择能够真实模拟机动车尾气颗粒物物理化学特性的标准颗粒源。移动源尾气颗粒物主要成分为碳烟，具有粒径分布宽、数浓度高的特征。现有的颗粒物发生方案（如雾化法、高温煅烧法、电喷雾法等）产生的颗粒物，在组分、结构及浓度等方面与真实尾气颗粒物存在显著差异，难以满足高精度校准的需求。基于不完全燃烧原理的碳烟颗粒物，因其生成机理与内燃机燃烧过程最为接近，被认为是校准移动源PN检测仪的最优颗粒源。
在碳烟发生技术中，研究人员已探索多种路径。早期采用内燃机压燃方式直接产生颗粒，但发生粒径与浓度未知，且稳定性和重复性差，不适用于标定研究。火花烧蚀与激光烧蚀法能产生粒径和浓度可控的碳烟，稳定性较好，但其生成的颗粒物在理化性质上与真实发动机燃烧产生的碳烟存在本质区别。由瑞士联邦计量研究所提出的淬火式火焰燃烧法，通过有机燃料的不完全燃烧生成碳烟，其过程与发动机内燃烧高度相似，最能反映真实尾气颗粒物的特征，因而目前应用最为广泛。然而，该方法在火焰燃烧过程中存在闪烁现象，导致生成颗粒的浓度和峰值粒径稳定性不佳，浓度偏差最高可达2倍，粒径偏差可达10%，这严重制约了其在精确计量校准中的应用，此外，该方法产生的颗粒粒径主要集中在61~311nm范围内，无法覆盖10nm等更小粒径的颗粒，因而难以满足未来国七标准对10nm颗粒检测的技术要求。
针对以上问题，本文攻克了横向淬火式扩散火焰燃烧的碳烟颗粒发生技术，研制了一套超细颗粒物PN检测仪校准系统。该系统能够稳定产生低粒径下限、宽粒径范围的标准碳烟颗粒，并采用研制的法拉第杯气溶胶静电计，通过测量带电颗粒的感应微电流，将颗粒物数量浓度直接溯源至国际单位（A），确保了量值的准确传递与现场可溯源性。整套设备采用一体化集成设计，具有操作便捷、检测快速的优点，为填补我国在移动源PN浓度测量仪器溯源校准领域的空白提供了有效的技术解决方案。
部分图表
注：VPR为挥发性粒子去除器，HEPA为高效空气过滤器
图1 超细颗粒物PN检测仪校准系统
图2 碳烟颗粒物发生器粒径分布图
图3 不同气体配比下发生碳烟颗粒粒径分布图
