悬浮颗粒物是悬浮于大气中的固体、液体颗粒状物质的总称，根据其粒径大小，将空气动力学当量直径小于等于100μm的颗粒物称为总悬浮颗粒物(TSP)。其中，空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物，称为细颗粒物(PM2.5)，或可吸入肺颗粒物。PM2.5 产生的主要来源，是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒物质。研究表明，颗粒越小对人体健康的危害越大。PM2.5能飘到较远的地方，因此，影响范围较大。此外，PM2.5对人体健康的危害要更大，因为直径越小，进入呼吸道的部位越深。10μm直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，2μm以下的可深入到细支气管和肺泡。细颗粒物进入人体到肺泡后，直接影响肺的通气功能，使机体容易处在缺氧状态。而且这种细颗粒物一旦进入肺泡，吸附在肺泡上很难掉落，这种吸附是不可逆的。
为此，在我国新版《GB 3095-2012 环境空气质量标准》中，增设了颗粒物(粒径小于等于2.5μm)浓度限值，并规定了PM2.5的分析方法。本文旨在对手工分析方法(重量法)和自动分析方法的差异，以及手工分析方法的天平选型进行探讨。
手工分析方法vs自动分析方法
自动分析方法，包括微量振荡天平法和β射线法两种。
所谓振荡天平法，又称微量石英振荡天平法。该方法是在质量传感器内使用一个石英空心锥形管，在空心锥形管振荡端上安放可更换的滤膜，振荡频率取决于石英锥形管特性和它的质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜质量变化导致振荡频率变化，通过测量振荡频率的变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据采样流量、采样现场环境温度和气压计算出该时段的颗粒物标态质量浓度。这种技术的优点是定量关系明确，缺点是目前的技术无法解决样品加热后挥发性和半挥发性物质的损失，导致测定结果被认为偏低，也正因为如此该技术需要加装膜动态测量系统(Filter Dynamic Measurement System，以下简称FDMS)对偏低的结果进行校准。
另一种自动分析方法称之为β射线法，其基本原理是利用堆积在石英滤膜上的颗粒物对碳-14释放的β射线衰减量的变化检测大气颗粒物质量的变化。环境空气由采样泵经切割器吸入采样管，经过滤膜后排出。颗粒物沉淀在条状石英滤膜上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，β射线强度发生衰减，通过对衰减量的测定计算出颗粒物的浓度。这一方法是基于两个假设，其一是仪器的石英采样滤膜条带均一，其二是采集下来的PM2.5粒子物理特性均一，对β射线强度衰减率相同。而上述两个在现实条件下，假设往往并不成立，因此测定数据一般被认为也存在偏差，在相对干净和干燥的地区故障率低，而在潮湿高温区域故障率很高。
无论是振荡天平法还是β射线法在实践中都各有优劣，其使用必须与手工分析方法(又称重量法)进行校准。此外，《环境空气质量监测规范》也明确规定：“国家环境空气质量背景点上的环境空气质量监测还应具备手动完善的手动监测能力，并可用于手工监测方法进行非常规项目监测。”
手工分析方法的电子天平(以下简称天平)选型
在《HJ618-2011 环境空气PM10和PM2.5的测定 重量法》中规定，需要选择感量0.1mg或0.01mg的分析天平。何为感量？感量为指针从平衡 位置偏转到标尺1分度所需的最大质量。通常感量是机械天平的指标之一，或以检定分度值(e)表示。由于现在越来越多的用户选择电子天平用于称量。电子天平以实际分度值(d)来表示，而电子天平的检定分度值(e)规定：d≤e≤10d，所以，为了满足标准对于分析天平准确性的要求，通常需要选择实际分度值为0.01mg或0.001mg的电子天平，用于PM2.5称量。
究竟该如何选择符合标准的电子天平？以下内容，将为您进行探究。
2.1 称量不确定度计算
2.1.1 称量不确定度
表征合理地赋予被称量值的分散性，与称量结果相联系的参数4]。称量不确定度，即称量某个样品时的不确定度，可以根据天平的规格指标或者测试称量仪器，或同时根据天平规格指标和测试称量仪器来确定。
2.1.2 天平的称量不确定度
天平的绝对不确定度(Uabs)可通过以下公式进行计算：
uabs = ······ 公式D2.1
式中：uTotal = 绝对不确定度；
uRP = 重复性误差；
uSE = 示值误差；
uNL = 非线性误差；
uEC = 偏载误差；
如果确保滤膜能始终放置在秤盘中心位置，那么偏载误差uEC即可忽略；此外，当称量样品的质量较小时，那么重复性将成为影响天平称量结果的主要因素，如图D2.1。因而绝对不确定度可用重复性误差取代，即：
uabs = uRP ······ 公式D2.2
如将天平的绝对不确定度除以加载的样品量w，则得到在该样品量情况下的相对不确定度(Urel)，即：
urel = uabs / w ······ 公式D2.3
将公式D2.2代入公式D2.3，即得到：
urel = uRP / w ······ 公式D2.4
式中：w = 加载量；
图D2.1 天平的影响因素 图D2.2 称量不确定度和最小称量值
如图D2.2所示，红色虚线是天平的绝对称量不确定度，随着样品量的增大，绝对称量不确定度也随之变大，红色实线是相对称量不确定度，从图中可以看到，随着样品量的减少，在小量程段，相对称量不确定度会越来越大，我们会找到一个称量点，在该点，其相对称量不确定度正好等于要求的称量允许误差，那么该点就是这台天平在该称量允许误差要求下的最小称量值，即天平所能够称量的最小的样品量。质量大于最小称量值的样品，其获得的相对称量不确定度必定小于要求的称量允许误差；质量小于最小称量值的样品，其获得的相对称量不确定度必定大于要求的称量允许误差。天平的最小称量值是根据用户的称量要求而设定出来的值，用以保证用户的称量质量，获得可靠的称量数据，并且与天平的称量不确定度有密不可分的关系。
2.1.3 扩展因子K
称量不确定度通过标准不确定度u(对应于统计方法中的标准偏差)或者扩展不确定度(也称为“不确定度区间”)U来表示。将标准不确定度乘以扩展因子K，即得到扩展不确定度，即：
U =u x K ······ 公式D2.5
式中，扩展因子K为统计学中正态分布(高斯分布)的置信水平。如果置信水平为68.3%，则扩展因子K=1；如果置信水平为95.5%，则扩展因子K=2；如果置信水平为99.7%，则扩展因子K=3。
2.1.4 称量不确定度计算实例
以小流量采样器PM2.5采样为例：采样流量为16.67 L/min，24小时的采样体积为：
16.67 x 60 x 24 = 24019 cm3 = 24.019 m3
按PM2.5在一类区域24小时平均浓度限值计算，颗粒物总采样量为：
24.019 x 35 = 840.672 µg ≈ 0.841 mg ······ 公式D2.6
按置信水平95.5%为例，取扩展因子K=2，综合公式D2.4、D2.5、D2.6，即得：
Urel = uRP x 2 / 0.841 ······ 公式D2.7
下面，以德国赛多利斯各款电子天平的技术参数为例，分别计算使用不同实际分度值的天平能获得的称量不确定度。
实际分度值0.0001 mg：MSE2.7S-0CE-DF超微量天平重复性误差(uRP)为0.00025 mg，按公式D2.7即得：
Urel = 0.00025 x 2 / 0.841 = 0.0005 ≈ 0.05%
实际分度值0.001 mg：MSE6.6S-0CE-DF微量天平重复性误差(uRP)为0.0008 mg，按公式D2.7即得：
Urel = 0.0008 x 2 / 0.841 = 0.0019 ≈ 0.19%
实际分度值0.01 mg：MSE225S-0CE-DU分析天平重复性误差(uRP)为0.015 mg，按公式D2.7即得：
Urel = 0.015 x 2 / 0.841 = 0.0356 ≈ 3.56%
实际分度值0.1 mg：MSE224S-0CE-DU分析天平重复性误差(uRP)为0.07 mg，按公式D2.7即得：
Urel = 0.07 x 2 / 0.841 = 0.1189 ≈ 16.65%
2.1.5总结
根据上述实例，如果采用实际分度值为0.1mg的天平，将会获得>10%的称量不确定度，往往已超出了实验室要求的误差范围。如需将不确定度控制在1%以内，从而提供准确的监测结果，实际分度值为0.001 mg的MSE6.6S-0CE-DF微量天平才是您的最佳选择。
