光化學煙霧污染監測儀\黃文
圖：中國道路汽車污染嚴重
隨着現代工業和交通運輸的發展，人類向大氣中持續排放的物質數量越來越多，種類也越來越復雜，使大氣成分發生了急劇變化。而那些使空氣質量變壞的物質都被稱為大氣污染物。近些年來，在世界範圍內時常出現空氣中有「藍霧」，伴隨着該現象的出現，人們會覺得頭疼、眼睛疼。這種污染有一個重要的指示劑，那就是PAN。
PAN和PPN的概念
PAN即過氧乙酰硝酸酯（Peroxyacetyl Nitrate）。這種物質不是人類活動或自然活動的直接排放物，而是在光的參與下，由直接排放到空氣中的污染物（通常是乙醛和氮氧化物）通過反應形成的。它在常溫下呈氣體，容易分解，是一種強氧化劑，還會分解出硝酸。不僅會刺激人的眼睛，還可能造成皮膚的癌變，尤其對運動員的心肺等呼吸器官具有很大的危害。另外，也會使動植物基因發生突變，從而造成農作物減產。除了這些，它還能進行遠距離傳輸，危害遠方沒有被污染的空氣。而PPN（過氧丙酰硝酸酯）的化學性質與PAN相似，但是毒性卻比PAN高5倍，也是一種危害性很大的有毒氣體。
由於PAN的產生沒有天然源，都是人為因素造成的。如果能在大氣中測出PAN，那就得到了發生光化學煙霧污染的依據。所以，大氣中PAN的濃度水平就成為了衡量光化學煙霧污染程度的重要指標之一，也是發布光化學煙霧污染預警的依據。因此如何才能更準確的測出大氣中的PAN濃度水平，已經成為近些年來眾多科學家的研究課題。
光化學煙霧污染
早在二十世紀40年代初，居住在美國西南海岸的港口城市洛杉磯的人們發現，原本風景宜人的地方卻出現了奇怪的現象：每年從夏季至早秋，只要是晴朗的日子，城市上空就會出現一種彌漫天空的淺藍色煙霧，使整座城市上空變得渾濁不清。這種煙霧使人眼睛發紅，咽喉疼痛，呼吸憋悶、頭昏、頭痛。1943年以後，煙霧更加肆虐，以致遠離城市100公里以外的海拔2000米高山上的大片松林也因此枯死，柑橘減產。直到二十世紀50年代，人們才正式查明這種新型大氣污染的來源，並將其稱為「光化學煙霧」。
光化學煙霧主要是由汽車尾氣和工業廢氣排放造成的。汽車尾氣中的烯烴類碳氫化合物和二氧化氮（NO2）被排放到大氣中後，在強烈的陽光紫外線照射下，會吸收太陽光所具有的能量。這些吸收了太陽光能量的分子隨之變得不穩定，其原有的化學鏈也相應遭到破壞，形成了新的物質。這種化學反應被稱為光化學反應，其產物就是含劇毒的光化學煙霧。
除美國外，世界上其他國家和地區也相繼出現了此類事件。日本、加拿大、前聯邦德國、澳洲、荷蘭等國的一些大城市都發生過光化學煙霧污染。面對日益嚴重的光化學煙霧問題，各國都在探索解決方法。目前把PAN的水平作為判斷大氣環境質量的標準之一，並將其作為發布光化學煙霧的預警，已成為一項公認的標準。
20世紀90年代之後，隨着工業的迅猛發展，中國汽車油耗增高，污染控制水平較低，以致造成汽車污染日益嚴重。部分大城市交通幹道氮氧化物和一氧化碳嚴重超過國家標準，汽車污染已成為主要的空氣污染物，一些城市汽車排放濃度嚴重超標，已具有發生光化學煙霧的潛在危險。1995年上海市中心就出現了藍色的光化學煙霧。更有甚至，近年來已經發現光化學煙霧污染有朝鄉村擴展的趨勢。
PANs在線監測儀
臭氧也曾作為光化學煙霧的重要指標因素之一，但科學家們發現，臭氧除了光化學反應產生之外，還會自然形成。因此將臭氧作為判斷光化學煙霧污染的指標，還存在着不確定性。而PAN不能從自然界直接產生，基本上都是人為污染形成的。所以通過監測其在空氣中的濃度，以及根據當時的大氣條件，就能準確推算出是否發生光化學煙霧污染。
當然，由於夏天天氣熱，在光照下污染物形成的速度也較快，因此，無論是PAN還是PPN污染都是夏天高於冬天。另外，在靜風等氣象條件下，污染的濃度也會比較高。這些因素都是在監測時要考慮到的。要測量PAN和PPN這樣的空氣污染物，就必須有相應的儀器。因此，研發監測儀就成了當務之急。從上世紀80年代開始，北京大學就開始了PANs的監測工作。但當時主要採取冷凍、富集等方式進行手工監測。不但時間周期長、過程損失大，而且人力成本也很高。況且，作為重要的空氣污染指標物，需要對PANs進行長時間的連續採樣監測，這樣才能獲得長期的污染數據來研究大氣污染問題。因此，研發出性能優良的在線監測儀器就顯得尤為重要。
在「2009中國國際節能減排和新能源科技博覽會」上，由張劍波領導的科研團隊研發的PANs在線監測儀器引起了許多專家學者的注意。這種儀器能夠自動抽入空氣，並將空氣樣品進行分離，捕獲其中的污染物進行分析，最終自動得出污染物的氣譜峰值表，而這整個過程只需要短短五分鐘的時間。
為了驗證儀器的穩定性和可靠性，2008年5月和7—9月間，該課題組在北京運行監測儀對PANs進行了監測。通過初步分析發現，與機動車限行前的PANs污染水平相比，其中PAN和PPN分別下降了18%和14%，由此可見，機動車限行措施在一定程度上可以緩解空氣污染的加劇。此外，2008年10月至11月，該儀器在珠江三角洲大氣觀測的技術示範活動中表現良好，實現了對PANs污染過程的完整捕捉，表現出了典型的光化學污染特徵，日變化明顯，與美國大氣海洋局的儀器具有較好的一致性。不過儀器還存在體積較大，穩定性有待加強等缺點。如果能夠更加便攜，並將監測範圍擴大到PANs的其他同系物，將對光化學煙霧污染的預警提供更大的幫助。
