昂贵的分析仪器
2016年，雾霾成为了我们关心的话题，因为这关系到我们的健康。所以我们买净化器，买口罩，就是为了呼吸干净的空气。很多人为了关心自己居家环境，所以都买了测量PM2.5的测试设备，从几百到上千元都有。那么问题来了，标准化的测试仪器是什么样的？今年我们通过复印机横评横评环保项目测试的过程，了解到了很多定量定性分析的办法，在此就和中关村在线的读者一起探讨。
昂贵的分析仪器
凡是要对目标进行定量、定性分析的设备，一般都是实验室等机构使用，都非常昂贵。这个昂贵是普通人根本不可能去考虑的那种昂贵。并且精度越高、价格越贵这是定律。比如我们几十块钱就能买一个精度10克左右的体重秤，显示你的体重大约是80.86公斤。但是，如果你想精确测量一小粒钻石的重量，到0.0001克，也就是万分之一克，就要几千上万元的微量天平了。十万分之一克的微量调平就要几万元……精度向后一个小数点、仪器价格加个0算是业内常态。
万分之一克的微量天平价格在千元的档次上
精度达到十万分之一克的微量天平价格普遍万元以上
分析有两个方向，定性与定量。定性解决是什么的问题，定量解决有多少的问题。比如PM2.5这种小颗粒，我们普通的设备只能知道有多少，但是颗粒的成份是什么？这就需要定性分析。不过在定性分析之前，定量分析其实能做到很准确也并不是一件容易的事情……
所以今天我们就来揭开空气中颗粒物测量方法的秘密。
标准化与重量法：
做空气的定量测量，必须要设定好条件，否则空气这种受热就膨胀的气体，大家测量的标准不一样，数据也就失去了意义。我国的国标设定的标准是0摄氏度、101.3kPa，如果在其它条件下测量的，就要查表进行转换。
空气采样切割器，旁边的瓶子是除湿用的
条件已有，那么就需要一定量的空气采样了。这个设备叫做空气采样切割器。如图所示，是一个很大的设备。这个设备用来定量的采集气体样本。看到旁边有个小瓶子吗？这个瓶子的作用是分离出空气中的水份，进而得到尽可能干燥的气体。
分析用的滤膜虽是耗材，但并不便宜
微量天平：空气采样、天平称重，可得滤纸上颗粒物的重量
重量法，就是先用前面说过的高精度微量天平测量滤膜的重量，然后让一定体积的空气通过滤膜，得到过滤后的总重量，进而得出PM2.5、PM10含量的重量。可以看到，滤膜本身就不便宜。但要指出的是，重量法虽然测量麻烦，但是所有其它测量空气颗粒物含量办法的基础，是最准确、最科学、最直接的办法。其它的测量办法的检测检验要依照重量法来进行。
重量法检测的缺点明显：手动进行操作麻烦，所以需要开发能够持续进行检测的办法。
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微量震荡天平法
微量震荡天平（TEOM）是一个一头粗一头细的锥形玻璃管。截取的空气要求以1立方米每小时的速度从粗头进、细头出，细头装有过滤的滤芯，PM2.5就被截留在滤芯上。这个玻璃管在电场的作用下会来回摇摆振荡。
颗粒物质量算法
微量遮挡天平的原理
图中可以看到不同用途的TEOM，分别测量PM2.5和PM10
当不同质量的PM2.5颗粒被过滤后，其震荡频率也发生变化，再根据气体的体积反推PM2.5的重量值。由于可以不断的累积过滤的PM2.5的重量，所以微量震荡天平法可以实现持续的测量，只要定期更换滤纸即可。
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β射线法
β射线有超强的穿透力。很快人们就把这种射线运用到了测量空气颗粒物上。这种方法的原理是，先让滤纸过滤PM2.5，然后让射线照射有PM2.5的滤纸与没有PM2.5滤纸，进行分别测量，这样就可以得到滤纸上有多少颗粒物。
使用β射线法的检测设备
看上图，可以看到这一办法可以使用大盘的连续滤纸，因此可以很长世间才更换一次耗材，能够进行持续的监测。一般来说放射源使用辐射剂量很小人畜无害的碳14.
写文章的时候，北京即将迎来一次跨年的雾霾，橙色预警
这些都是很昂贵、精密的仪器进行空气中颗粒物含量的测试，他们共同的特点就是体积大。而且微量震荡天平法和β射线法测量一样的空气，都与标准化的重量法有出入，震荡天平法的测量数值偏低、β射线法的数值偏高，一度造成中国的环境监测数据与美使馆的数据出入不小，现在双方都进行了修正，数据已经差不多了，平息了争议。
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家用设备：散射法
前面的几种办法，体积大、价格贵甚至还有放射源，显然不适合家用，那么我们平时看到的几百页、几千元的手持式空气质量测量PM2.5的设备都是什么原理呢？
设备原理
激光PM2.5检测设备的模块解剖，其实并不算大
这种原理叫做散射法。其直接结果是测量光线的折射率。在不同的PM2.5、PM10环境下，光的折射率并不相同，那么就可以通过测量折射率的值来获得颗粒物的量。因为这种办法并未做到将颗粒物过滤到滤纸上，所以精度并不算高，但优势也非常明显：测量模块淘宝批发价就几十块钱，所以可以做到整体的价格不高。
PM2.5检测设备成品，淘宝很多，价格几百元
由于激光的波长比较准确，因此现在都流行激光的测量模块。品牌产品由于转换数值做的更精确一下，也更贵。如果仅仅看一个大概的范围，几百元的各种产品都可以考虑。
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气体组分如何测量？
我们知道空气中不仅仅有氮气、氧气、二氧化碳，可能还有SO2、NOx、O3等等各种其它其它成份，它们可能由于燃煤、汽车尾气等排放而来。而家里装修又可能有不少甲醛，对于健康来说，知道这些组分有多少也很重要。尤其是家里或是办公环境，还非常重视TVOC，也就是有机物总体含量。
安捷伦科技的气相色谱系统仪器
这种设备叫做气相色谱仪，是很昂贵的分析仪器，上图安捷伦的产品淘宝便宜的二手货都要几万块……通过比较复杂的办法（不详细展开了，可以自己去查询），得到一个个吸收峰，通过峰的高度和位置来定性判断组份，通过峰的面积来确定含有多少。可以说气相色谱仪解决了混合气体的定量、定性两个问题，因此价格也比较昂贵。
色谱仪的检测结果：采样的峰表示成份、峰的面积表示含量
当然气相色谱仪的体积不允许移动检测，因此对于特定的组分，会有单独的传感器或是成品检测设备，比如测量燃煤发电的SO2气体含量的仪器，由于是针对特定气体的，所以传感器和成品测量设备都价格不菲。
空气检测的设备与方法基本就介绍到这里了，因此想用很低成本实现多参数的检验，普遍都不靠谱，如果严格检验，检测设备的价格又不允许，也没什么意义。所以，该怎么选室内空气检测设备，你应该已经心里有数了。