应用案例

Picarro G2103（ES&T ǀ 应用Picarro G2103揭秘城市大气氨浓度的早高峰）

发表时间：2024-04-17

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不管是烟雾箱实验还是数值模拟，高浓度氨气对PM2.5污染的影响都已被证实。然而，由于测量数据的缺乏，我国大气氨浓度的时空变化特征依然不是十分清楚。中科院大气物理研究所研究员潘月鹏团队在环境领域顶级期刊ES&T上发表的最新文章，应用Picarro G2103高精度氨气分析仪揭示了城市大气氨浓度的日变化特征，并对其来源进行了追踪。相关研究结果对从事全球氮循环、大气污染、氨氮沉降等监测领域的专家学者具有借鉴意义。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acs.est.1c05884

研究概述

我国氨气（NH₃）排放量居全球之首，超过了欧洲和北美之和。高浓度的NH₃是造成我国城市霾污染的关键前体物，通过大气传输和干湿沉降也会对自然生态系统产生不利影响。我国正在制定相关减排政策，准确开展NH₃测量是重中之重。

NH₃在大气中的停留时间很短，其日变化特征明显。以往在农田或者草地的观测发现，NH₃在早晨7-10点常出现一个峰值。但以往的观测资料主要是在某个季节，全年连续的测量数据非常少，这使得我们难以判断NH₃早高峰是否普遍存在，尤其是在大气污染严重的城市地区。

观测地点

中国科学院大气物理研究所某办公楼顶，位于北京市中心以北，三环和四环之间，周边每天的交通量约为10万辆，交通流量从05:00开始迅速增加，在上午11:00左右达到峰值。

潘月鹏研究员团队使用Picarro公司在线光学法测量仪器G2103对NH₃浓度日变化进行一整年的观测，发现北京大气环境中NH₃早高峰是一种普遍现象：一年中共有267天出现NH₃浓度早高峰，出现频率为73.0%。特别是在冬季，不仅NH₃浓度早高峰出现的频率大，浓度的增长速度也很快，涨幅超过了20%，是NH₃浓度早高峰最为典型的季节。

图1. NH₃早高峰的出现频率和浓度的增幅

为了研究冬季NH₃浓度早高峰，该研究还同时使用传统的湿化学方法（ChemComb 3500采样系统）测量了NH₃的日变化特征。结果发现，ChemComb与Picarro光学法测量的NH₃浓度日变化特征相似，均与机动车流量日变化特征一致。观测期间，Picarro和ChemComb测量的NH₃浓度分别为15.9 ± 12.5和14.1 ± 7.5 μg m^−3，没有显著性差异。这一结果证实了光学仪器测量结果的可靠性。

图2. Picarro和ChemComb

观测NH₃浓度时间序列对比

该研究最后还提取了冬季样品中的NH₄+，使用离子色谱法（ICS-90, Dionex Corporation, Sunnyvale, CA）测定了NH₄+浓度。随后，基于自主发展的化学测量方法，在中国科学院应用生态研究所稳定同位素生态实验室通过同位素比率质谱仪（IsoPrime100，IsoPrime limited，英国）测定分析NH₄+的δ¹⁵N值。同位素数据确认了机动车排放对NH₃浓度早高峰的贡献高达40%，是需要重点管控的排放源。

研究意义

以往研究发现，早晨大量NH₃排放会导致HONO和气溶胶硝酸盐和硫酸盐的爆发性增长，诱发霾污染。因此，精准认识NH₃浓度早高峰的来源对控制光化学和气溶胶污染都有重要意义。本研究通过小时尺度同位素示踪技术，完美再现了NH₃同位素的日变化特征，从一个新的视角解读了北京冬季氨气浓度早高峰的形成过程，发现了机动车排放对NH₃浓度早高峰的重要贡献，为城市大气NH₃精准减排提供了科学依据。

通讯作者简介

潘月鹏，中国科学院大气物理研究所研究员、博士生导师。承担国家级科研课题20余项，发表学术论文百余篇，获省部级奖励奖4项，担任6个期刊编委，入选全球前2%顶尖科学家榜单。

个人主页：

http://people.ucas.ac.cn/~panyuepeng

核心仪器介绍

Picarro G2103是一款高精度在线氨气分析仪。其业内领先的性能优势主要体现在以下方面：

1. 低检测限：该分析仪具有很高的灵敏度,其检测下限在 ppt 级别。

2. 低漂移：一整月的连续工作中仅漂移了 ±0.5 ppb。

3. 低吸附快响应：G2103 分析仪部件在重要的气体过道上应用了涂层( SilcoNert® )，这能减小氨气 ( NH₃ ) 分子在过道表面上的吸附倾向性，加快测量的响应时间并消除测量偏差。

响应时间原始数据结果展示

4. 抗干扰气：Picarro’s (CRDS) 光腔衰荡光谱，在光谱中的相邻气体分子之间的高度选择性，常见的挥发性有机化合物对氨气测量没有干扰 (Ref. Kamp et al. 2018, Atm. Meas. Tech.)

5. 水汽校准：英国国家物理实验室对 G2103 的独立验证表明，G2103 分析仪可报告准确的干摩尔分数，适用于潮湿环境条件，无需校正水的影响

该图显示了 G2103 对一系列加湿（相对湿度= 60％）空气样品的线性行为，并准确报告干摩尔分数。（Ref. Martin et al., 2016, Appl. Phys. B）

6. 便携性：该分析仪尺寸小，功耗要求低，可在几分钟内进行拆装(无论是在实验室还是在野外)，操作简便，运行数月无需维护或消耗品。

Picarro氨气分析仪性能卓越，大量实验室采用Picarro的CRDS技术测量NH₃：

MetNH3 - 欧洲环境空气中氨的计量，ENV55 的联合研究项目(JRP)
旨在开发用于测量空气中氨的计量溯源性，从初级气体混合物和仪器标准水平到现场水平。Picarro 是该项目的技术合作方
EMPA - 瑞士联邦材料科学与技术实验室
自2006年以来，Picarro G2103 分析仪在瑞士国家空气质量监测网络（Nabel）中使用，被认为是NH₃报告的参考方法
AGROSCOPE - 瑞士农业联邦部
为了满足与农业相关的环境目标（AEO），瑞士的氨（NH₃）总排放量必须减少约 40％。
NPL – 英国国家物理实验室
英国的国家测量标准实验室，总部设在英国伦敦 Teddington 的 Bushy Park。是英国最大的应用物理组织
PTB -德国联邦物理技术研究院
Physikalisch-Technische Bundesanstalt（PTB）是德国国家计量机构， PTB 测量具有最高的准确性和可靠性
METAS - 瑞士国家计量研究所
瑞士联邦计量研究所（METAS）以必要的准确度实现和传播国际统一和认可的计量单位。
INTEL – 英特尔公司
英特尔是全球最大，价值最高的半导体芯片制造商之一。Picarro 分析仪用于其半导体制造工厂
FMI - 芬兰气象研究所
当前和预测条件，包括动画卫星图像，气候统计和研究和定制服务说明
UBA Germany - 德国环境部
德国的主要环境保护机构，UBA 的任务是确保同胞们拥有健康的环境，最大限度地保护他们免受空气，水和其它污染物的侵害
NOAA - 美国国家海洋和大气管理局
美国国家海洋和大气管理局（NOAA）是一个专注于海洋和大气条件的联邦机构

我国科研院所、高校及高新技术企业也应用Picarro G2103 氨气高精度分析仪进行相关领域的研究，包括但不限于以下单位：

国内应用Picarro G2103分析仪机构不完全概况

Picarro G2103分析仪具体参数信息请点击链接或发送“G2103”至任意以下邮箱获取：

https://www.picarro.com/zh-hans/support/library/documents/g2103_analyzer_datasheet?language=zh-hans

韩工：hyx@cen-sun.com

陈工：chenxf@cen-sun.com

高工：gaoch@cen-sun.com