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日本科学家坂本教授看到的PM2.5

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发表于2014-6-25 11:59
来源: GEO视界
作者: 温宏伟
所属分类:GEO计划

坂本教授


去日本进行采访的起因是在网上看到的一条消息称:日本科学家“为PM2.5的研究投来了一束希望之光”。这条消息说,日本工学院大学的坂本哲夫教授研发出了一种新型的电子显微镜,可以对PM2.5颗粒进行独立观察,并通过离子束将PM2.5颗粒分开,研究其内部的结构和组成。

PM2.5切开? 

坂本教授的实验室让我们非常惊讶:我们眼前的这套设备和常规电子显微镜相比颇有擎天柱和电动自行车放在一起的感觉:一人多高的机柜上是各种指示灯闪烁着的设备,放置显微镜的平台上下到处都是密密匝匝的线缆(为了防止震动,这个平台的台面甚至使用了气动的减震系统),仿佛被蜘蛛侠施加了保护。

据介绍,这套设备的研发过程长达十年,即使投产,每套设备的价格也要在两亿日元(大约1200万人民币)左右,而这套系统的很多设备包括软件都是坂本教授自己开发的。不过,价格与我们无关,而我们的注意力更多地还是集中在了实验室的两块显示屏上。首先,我发现,这套设备的分辨率并不是特别高,屏幕上看着并不是特别清晰的颗粒非但没有让我感到很惊喜,甚至还有些失望。

坂本教授貌似也看出了我以貌取人的心态,不紧不慢地开始介绍他的宝贝发明和常规的扫描电子显微镜之间的区别。首先,这台显微镜除了拥有常规的扫描电子显微镜的功能之外,还可以向被扫描对象发射离子束,并由此测定被测物体表面不同位置的物质的原子量。其次,这套设备还可以通过发射直径40纳米的离子束对被测物体进行“扫射”,像机关枪发射的子弹一样将被测物体——比如PM2.5颗粒——一层层地“磨”开,从而露出其内部。于是我知道了,之前看到的新闻报道多少有点失误,坂本教授的设备不是像切西瓜一样地将颗粒切开,而是用一把无形的砂轮将其打磨至需要的状态。

通过对颗粒进行质谱分析


据坂本教授介绍,现在流行的对PM2.5进行成分分析的方法是用化学的方式来获取一定量样本的化学成分谱,它可以测得其中各种化学元素所占的比例,但却无法精确到个体,更无法分析每个颗粒具体的来源。就像是一碗用秘方调制、经过过滤的神秘老汤,你可以用化学的方法分析出里面有多少化学成分,但你却无法确定里面的每种成分来自哪些原料,也不知道它是怎么调制的。而在坂本的这台机器眼中,“这碗汤”却是所有原料的浓缩版,每个颗粒都可以被拿来看看外面,然后再切开看看里面,并最终彻底判断它是由什么成分组成。

通过这种新型仪器坂本教授发现,即使是直径在1微米左右的粒子,其内部和外部的化学成分也会有所不同。他曾利用这套研究过来自日本西南地区的长崎县的PM2.5颗粒。这些颗粒的表面由硫酸盐组成,这是汽车尾气中的主要元素,但在“切开”这些颗粒后他发现,粒子中还有未完全燃烧的炭黑存在。这样的结果通过大规模的化学分析是无法获得的。

同样,在分析PM2.5的来源时,传统的方法也更多依靠比对和笼统的分析判断。这一方面需要大量的用来比对参照的“源颗粒”,另一方面,当PM2.5的来源非常相似时,就无法进行更进一步的判断了。比如,如果一粒黄砂来自蒙古,在飞过污染严重的中国时会在汽车尾气中的硝酸盐的帮助下与空气中的海盐发生作用,而如果这粒黄砂从日本南部向北飞,虽然也会和海盐相遇,但却因为没有硝酸盐的作用而不会与之产生化学反应,这些变化用传统的化学分析法是无法区分开的。

“眼见为实。人们因为无法看到PM2.5、无法了解它真正的成因而不知该如何是好。传统的分析方法确实有效,但这种新型显微镜可以帮助我们更有效地解决这方面的问题。”能够用自己的设备给PM2.5“开刀”的坂本教授说道。

为了防止引起不必要的误解和麻烦,坂本教授没有对中国的PM2.5进行分析,我们也无法信誓旦旦地带着一口袋分析结果回来和读者们分享。不过这可能也是好事,毕竟在科学面前,没有百分百确定的结论。

但我们终于知道了,该如何去“看”PM2.5,该如何利用上天赋予每个人的了解真相的权利:我们可以通过扫描电子显微镜了解PM2.5到底长什么样子,可以通过朱听和他的团队的独特方式了解其中的微生物部分还算友好,也可以借助坂本教授的离子束为PM2.5做个解剖分析,但要真的为PM2.5拍一组标明其成分的全家福,目前,这三种方法哪个都不能少。

这是科学的局限,也正是真实的科学的乐趣。


摄影:张驰

PM2.5图片提供:李天元,李英




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