大氣奈米微粒的特性及其監測檢測技術

以下本團隊將對典型的都會區及交通排放源的奈米微粒(nanoparticles, NPs，指 粒徑小於100 nm 以下的微粒，或以 PM0.1示之)特性之相關文獻進行回顧，這些文 獻的實驗方法及數據結果均可作為本研究參考之用。

19

典型都會區排放

Cass et al. (2000)利用 SMPS、電子式氣膠分析儀(electrical aerosol analysers, EAA)及兩台 MOUDI 在加州七個都會區進行採樣。研究結果顯示，以 MOUDI 第 10 階衝擊器所採集到的 NPs(dp = 56-100 nm)的質量濃度介於 0.55-1.16 μg/m³ (ave.

0.8 μg/m³)，這些微粒的成分分別為 32-67%的有機碳(OC, ave. 50%)、3.5~17.5%的 元素碳(EC, ave. 8.7 %)、1-18%的硫酸鹽(SO42-, ave. 8.2 %)、0-19%的硝酸鹽(NO3-, ave. 6.8 %)、0-9%的銨根離子(NH4+ ave. 3.7 %)。佔較大量、對人體有毒性的指標 金屬有Fe (186 ng/m³)、Ti (43 ng/m³)、 Cr (6.7 ng/m³)、Zn (3.8 ng/m³)及 Ce (1 ng/m³)。另外 Cass et al. (2000)也推算出加州洛杉磯每日的奈米微粒排放量約為 13 公噸，其中約43.1 %為車輛排放所貢獻，32.2 %為燃料燃燒(電力廠等)，10 %為非 路上行駛車輛引擎及冷氣冰箱等馬達所排放，其餘為工業、垃圾焚燒排放等所貢 獻。

Sardar et al. (2005)這篇研究則是在不同的季節於洛杉磯內四個不同的測站進 行UPs 的採樣與即時量測，以探討都會區內 UPs 特性的季節性變化。研究結果顯 示，4 個測站 NPs 的質量濃度為 0.86-3.5 μg/m³，其中最高濃度發生在秋天。化學 成分分析的結果則顯示，夏天時粒徑較小的 NPs (18-56 nm)有較高含量的 OC 成 分，且其數目濃度的變化趨勢和臭氧(O3)濃度的變化趨勢相近，表示這些微粒的主 要來源為光化學反應所生成的二次有機氣膠(secondary organic aerosol, SOA)。分析 粒徑較大之NPs (56-180 nm)的化學成分則發現，其主要成分為 NO3-跟SO42，且其 數目濃度變化的趨勢和一氧化碳(CO)及氮氧化物(NOx) 濃度的變化趨勢有良好的 相關性，因此Sardar et al. (2005)推測這些微粒的主要係由交通排放源所貢獻。

由於 NPs 質量濃度佔總微粒質量濃度的比率非常低，造成採樣及秤重上的困 難，因此也有相當多的學者會以即時儀器來探討 UPs 的數目濃度或是粒徑分佈在 都會區環境下的特性。例如Lonati et al. (2011)利用一部 SMPS 以及一部 OPC，在 義大利米蘭的一個都市背景監測點量測粒徑範圍介於10 至 20000 nm 的微粒粒徑 分佈。研究結果顯示，每日的總微粒(Total Particle, TP)數目濃度均在 10⁴ #/cm³數量 級之內，且冬天的微粒數目濃度日平均值高於夏天，此結果和過去許多於都會地 區進行微粒量測的結果相符。每日的微粒數目分佈結果則顯示，峰值濃度(10⁵ #/cm³) 主要發生在交通尖峰時刻，而最低濃度則是發生在夜晚，且上午交通顛峰時刻的

20

微粒濃度約為下午時的兩倍。週末的微粒數目濃度則較週間的結果低30 %，且由 於週末的主要排放源及前驅物排放源較少，使其 NPs 的濃度也較週間的濃度低。

在所有的微粒數目分佈數據中，NPs 及次微米級微粒分別占 TP 的 80 %和 20 %，

而超微米級微粒所佔的比例極低，可被忽略。

Lonati et al. (2011)進一步分析這些微粒數目濃度的資料也發現，微粒數目分佈 主要為含有一個核化艾肯模式(nucleation Aitken mode, 20 至 100 nm)及兩個累積模 式(accumulative mode, 100 至 1000 nm)的三峰分佈。在交通尖峰時刻時，微粒分佈 主要為核化艾肯模式，表示新鮮的一次交通排放源為都會區 NPs 的主要來源且會 嚴重影響都會區的背景空氣品質。在夜晚時，微粒則會藉由核化模式成長為較小 的累積模式，此現象在冬季更為顯著。

交通排放源

由於都會區內的主要微粒來源係由交通排放所貢獻，故本研究也特別針對了 近期所發表和交通排放相關的文獻進行回顧，並在以下作介紹。Kudo et al. (2012) 在日本及德國的道路旁進行NPs 及細微粒(fine particles, FPs，指粒徑小於 2.5 µm 以下的微粒，或以 PM2.5 示之)的採樣，並分析樣本中的化學成分，以探討這兩個 汽車工業大國都會區內空氣品質受交通排放源影響的問題。該研究中用來採集NPs 與 FPs 的儀器分別為慣性纖維濾紙採樣器(Inertial Fibrous Filter Sampler, INF sampler, Kanomax Japan, Inc., Osaka, Japan)以及 URG 旋風器採樣器(URG, Chapel Hill, NC, USA)。研究結果顯示，在日本及德國 FPs 樣本內的 OC 成分中大約分別 有34.5 及 25.0 %存在於 NPs，而 FPs 樣本內的 EC 成分中則分別有 3.3 及 6.4 %存 在於 NPs。由此可知，相較於德國，日本的交通排放特性會造成 NPs 成分內含有 較高比例的OC 以及較低比例的 EC。Kudo et al. (2012)認為造成此現象之主因為日 本的汽機車大多添加汽油，然而德國的汽機車則是較常使用柴油，其中汽油引擎 會排放較大比例的OC 而柴油引擎則會排放較大比例的 EC 所致。

為了探討交通排放源之 NPs 的化學成分日夜變化，以及和交通排放源間距離 的關係，該研究團隊也進一步地在日本崎玉縣內的一條交通繁忙的道路旁的四個 距離附近的一個交岔路口分別為5、30、80 及 150 m 的採樣點採集 NPs 和 FPs，

並分析其有機與無機化學成分(Kim et al. 2013)。研究結果顯示，在白天時，NPs

21

中的EC 和 OC 占總炭(total carbon, TC)的比例分別為 83-86 %和 14-17 %；而在夜 晚上述的比例則會變為87-90 %和 10-13 %。FPs 樣本中也有類似的趨勢，在白天 時，EC/TC 和 OC/TC 值分別為 65-75 %和 25-35 %；而在夜晚時兩種比例會分別改 變為71-78 %和 22-29 %。Kim et al. (2013)指出，造成 NPs 及 FPs 樣本中白天 EC/TC 的比例高於夜晚的主要因素和白天的汽機車排放源較為相關，而夜晚OC/TC 比例 高於白天的主因除了汽機車排放量較低之外，夜晚溫度較低使得氣態OC 凝結成微 粒也是另一項重要因素。另外觀察不同採樣點中的微粒成分也可發現，EC 在總微 粒成分中所佔的比例會隨著採樣點和交叉路口之間的距離增加而減少，顯示汽機 車的排放源對於NPs 及 FPs 的成分有相當大的影響。該研究也提出另外一項較特 別的發現，在其中一個附近的交通特性為車輛常怠速或加速的採樣點，相較於其 他三個採樣點，其NPs 中所含的 OC 成分會較低，而 FPs 中的 EC1 成分則是最高，

Kim et al. (2013)認為交通壅塞以及附近經常有怠速或加速的交通特性為造成此微 粒特性的主因。無機鹽類成分的分析結果則顯示，NPs 樣本中的 SO4

2-與NO3

-濃度 有明顯的日夜變化趨勢，但在 FPs 樣本中的卻僅看得出長期的季節性變化趨勢，

Kim et al. (2013)指出這是由於小微粒較易受到環境因素的影響所致，例如大氣中的 氧化與解離作用等等。

由於交通排放源的微粒特性易受交通流量影響且變化甚大，故有部分的研究 會利用較高時間解析度的監測儀，如快速電移動度粒徑分析儀(Fast Mobility Particle Sizer, FMPS)來探討交通排放源所產生的微粒數目濃度變化的情形。近期類 似的研究有Klems 等學者的研究團隊在路邊進行的微粒數目濃度監測研究。Klems et al. (2010)於美國德拉威州威明頓內一個位於十字路口旁的空氣品質監測點以凝 結微粒計數器(Condensation Particle Counter, CPC)及 FMPS 分別紀錄每秒鐘環境的 微粒數目濃度及粒徑分佈，以觀察交通匯及路口 NPs 的瞬時變化特性。量測結果 顯示，微粒數目濃度呈現許多幾秒至幾十秒長的瞬時峰值，而這些峰值的發生週 期約為 106 至 118 秒，此週期和採樣點旁十字路口交通號誌的 108 秒週期相當接 近，表示微粒數目濃度峰值和該十字路口的交通流量有關。另外由部分較窄的峰 值也可看出這些峰值是由停在十字路口的汽機車在交通號誌由紅燈轉綠燈時，由 原本停止狀態轉成瞬間加速時所排放的微粒所造成。

該研究團隊進一步地將上述研究中所測得之CPC濃度和FMPS所取得的微粒

22

粒徑分佈，在峰值事件發生時和奈米氣膠質譜儀(nano aerosol mass spectrometer, NAMS)所測得粒徑範圍在19-25 nm之間的微粒成分進行相關分析，以評估汽機車 汙染排放源在總超細微粒質量中的貢獻比例(Klems et al. 2011)。研究結果顯示，

NAMS測得的微粒中，低O/C比的含碳物質(O/C原子比小於0.25)含量和FMPS數據 中粒徑介於18至25 nm時呈現的相對峰值強度(relative spike intensity)有高度的正相 關，表示造成這些峰值事件的微粒主要是由排氣管所排放的低O/C比的含碳物質所 貢獻。此外，相較於NAMS所測得的粒徑範圍(19-25 nm)，在CPC所測得的總粒徑 範圍之中，其微粒成分中的SO42-所占比例相較於低O/C比的含碳物質會有些微增加 的趨勢。相較於一般火星塞式引擎車輛，硫的排放和柴油引擎車輛較為相關，因 此由上述結果可推知柴油車比火星塞式車輛在NAMS所量測的範圍(19-25 nm)之外 貢獻了較多的微粒數目濃度及化學成份。此結果也和火星塞式車輛所排放出之微 粒粒徑分布較柴油車小的結果一致。

沙塵暴對奈米微粒的影響

台灣為海島型國家，其大氣微粒特性除了受到當地都會區交通及工廠等人為 旁放影響之外，也常受到境外傳輸微粒如沙塵暴的影響。故本研究也針對了一篇 探討沙塵暴影響都會區內微粒特性的研究進行回顧。

Jayaratne et al. (2011)在2009年9月23日澳洲發生沙塵暴期間，在澳洲布里斯本 監測微粒的數目濃度、粒徑分佈、能見度、PM10及PM2.5質量濃度與各種氣候條件，

以探討沙塵暴對環境所造成的影響。研究結果顯示此時的PM2.5及PM10質量濃度每 小時平均分別為高達814及6460 μg/m³ (澳洲PM10質量濃度標準為50 μg/m³)。微粒光 散射係數(coefficient of light scattering by particles, Bsp)在沙塵暴高峰期達到1000 M/m(平日為22 M/m)，能見度也迅速下降，直到深夜Bsp仍高達83 M/m。由APS所 量測到的氣動粒徑數目濃度分佈顯示在下午4點時氣動粒徑在0.5-20 μm的微粒總 數目濃度為17.3 #/cm³，數目濃度分佈呈幾合常態分佈，其眾數與幾合平均粒徑分 別為1.6及1.9 μm。另外由APS量測的體積濃度分佈顯示微粒質量主要由2.5 μm以上 的微粒所貢獻，PM2.5微粒質量佔總微粒質量的比例不到10%，而PM10則佔68%。

SMPS量測的結果顯示在早上11點沙塵暴尚未影響前超細微粒(PM0.1)的數目濃度

SMPS量測的結果顯示在早上11點沙塵暴尚未影響前超細微粒(PM0.1)的數目濃度