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家用实时大气污染物传感器平台的研制以及其对社区使用的影响
摘要
空气污染暴露特征受到许多限制。这些技术包括导致空间和/或时间覆盖不足的技术，以充分准确和精确地描述个人或社区层面的暴露。然而，现在有能力使用相对便宜的实时传感器连续监测许多空气污染物。关键问题仍然是，这些传感器是否能充分发挥各种潜在的最终用途，性能是否随时间或环境条件而变化。通过实验室和现场测试和校准在传感器的整个寿命期内对传感器进行性能审查是解释数据所必需的，对最终用户具有重要影响，包括成本效益和易用性。我们开发了一个成本相对较低的便携式家用空气采样平台和一个指导性的开发和维护工作流程，实现了以高灵敏度和合理精度来表征一些关键室内污染物的目标。在此，我们描述了环境多污染物监测装置（EMMA）E平台的选择、验证、校准和维护过程。我们强调必要的资源，并考虑对开发此类平台感兴趣的社区或研究人员的影响，重点关注PM2.5、NO和NO2传感器。我们的研究结果强调，考虑到财务和资源成本大大超过传感器成本，应谨慎部署低成本传感器，但选定的社区目标可以以较低的成本得到支持，基于社区的参与性研究策略可以用于更广泛的目标。
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介绍
- 低成本传感器的使用
在精确的时空尺度上测量空气污染物浓度可用于许多目的，包括法规遵从性、暴露评估、流行病学和社区使用。后勤、技术和财务方面的限制影响了环境暴露的特征，这通常导致被动或综合的监测活动，不允许进行更精细的污染测量，以促进来源归属或识别与健康相关的短期事件。测量噪声、热条件和空气污染物的低成本便携式设备的可用性方面的最新进展为改变暴露评估的格局提供了新的机会。现在有能力使用相对便宜的实时传感器连续监测许多空气污染物，包括二氧化氮（NO2）和空气动力学直径为2.5 mm（PM2.5）的细颗粒物。虽然这些传感器已经在职业环境中使用了一段时间，但直到最近，它们才达到精度/精度标准，并且具有足够的成本效益，能够同时在许多位置进行采样。低成本的传感器技术允许大量、快速和广泛分布的实时测量，这些测量可以适应“公民科学”运动。美国环保署已将“低成本”认定为成本低于2500美元的设备；这是通常由公民定义的资本投资限额。这些设备在实际环境采样条件下面临性能方面的挑战，这会限制利益相关者数据的准确性和可解释性（Cross等人，2017年）。此外，确保数据准确性和可解释性的方法通常需要个人或社区无法访问的技术资源（例如校准设备、计算机软件）。
选择传感器和性能属性的过程取决于研究目标、优先措施以及测量精度。确定空气污染物浓度超过监管标准（如美国国家环境空气质量标准）或将浓度分类为“高”或“低”可能就足够了，但在其他情况下，可能需要在低浓度下进行准确的连续测量，并保证具体标准。其他研究目标可能包括：i）信息和教育，i i）补充网络监测，以及i i i）个人接触监测。对于研究人员和社区来说，首要任务应该是在考虑成本、维护和其他限制的同时，最大限度地提高预先定义的最终用途的数据质量。
1.2研究目标
作为全生命周期住房环境和社会压力研究中心（CRESH）的一部分，我们的研究团队开发了环境多污染物监测组件E EMMA E，用于家庭研究，调查两个不同住房类型环境社区的空气污染暴露差异——Helsea和Dorchester（位于美国马萨诸塞州）。我们正在使用测量方法确定小空间尺度（如公寓）内室内污染暴露（如活动模式、源使用、环境-室外浓度）的关键决定因素，以最终告知缓解目标。因此，我们的传感器选择过程需要以足够低的成本进行高灵敏度和合理精度的精细连续测量，以允许同时监测大量家庭。开发EMMA是为了衡量和协助实现上述研究目标。在此，我们描述了在我们目前的研究过程中选择、验证、校准和维护传感器平台的过程，并为寻求开发和部署此类平台的其他人提供指导。
- 材料和方法
2.1 包装要求
EMMA的设计考虑因素包括：i）一个小的物理足迹，允许在主要生活空间中不显眼的位置；ii）低操作噪音;iii）有限的耗电量；iv）美观；v）内部组件的安全性；vi）数据上传、检索和调整的方便性。我们在图形摘要中绘制了所描绘的工作流程图，以便选择传感器以满足我们的研究目标，同时考虑到我们确定暴露驱动因素的目标以及科学研究界从整合到实时空气污染测量的转变。我们的传感器选择还涉及其他关键考虑因素：i）回顾截至2016年6月的现有文献；ii）同事的指导；iii）研究目标；iv）性能参数；v）预算限制；vi）尺寸；以及vii）电源要求。
作为EMMA一部分的最终传感器如下所示，包括污染物测量细节、时间分辨率和单位（图1）：
(1)一氧化碳（CO）：alphasense cob4（1分钟，ppm）二氧化碳（CO2）：netatmo气象站（5分钟，ppm）
(2)一氧化氮（NO）：alphasense nob4（1分钟，ppb）
(3)二氧化氮（NO2）：alphasense no2b43f（1分钟，ppb）
(4)颗粒物lt;2.5 mm（PM2.5）：alphasense opc-n2颗粒监测仪（1.4-s，mg/m3），Harvard Minipem（集成，mg/m3）
(5)温度：Netatmo气象站（5分钟，C）和开始
(6)空气/水/土壤温度传感器（1-min，c）相对湿度（rh）：netatmo气象站（5-min，%）噪声：netatmo气象站（5-min，分贝[db]）。
有关污染物和所选传感器的详细信息将在以下章节中讨论。
图1 EMMA的内部（1L）和外部（1R）组件。
2.1.1 感兴趣的污染物
考虑到我们对室内环境、空气污染暴露对健康的影响以及实时传感器的可用性，我们的主要感兴趣传感器测量PM2.5、NO、NO2、CO和二氧化碳。大量文献支持PM2.5暴露与不良健康影响的关系（Shah等人，2013；Cohen等人，2017；Dominici等人，2006；Ito等人，2011）。值得注意的室内PM2.5来源包括吸烟、烹饪和蜡烛燃烧（Evans等人，2008年；Lanki等人，2007年；Logue等人，2014年；Russo等人，2014年；Spilak等人，2014年）。NO、NO2和CO排放与使用燃气炉和其他室内燃烧源以及不良健康结果有关（Kornarti等人，2010年；Faustini等人，2014年；Logue等人，2014年；Townsend和Maynard，2002年；Raub等人，2000年；Brauer等人，1990年；Franklin等人，2006年；Goldstein等人，1986年；Dennekamp等人，2001年；Bernstein等人等人，2008年）。二氧化碳是通风的一个重要指标，并与通风不良的室内空间的认知能力直接相关（Allen等人，2016年）。我们还对表征噪音、温度和相对湿度感兴趣，以了解热舒适性和室内污染物浓度的预测因素。本手稿主要关注PM2.5、NO和NO2传感器的结果，因为它们在选择、维护和测试过程中遇到了更为资源密集的过程，尽管CO和CO2传感器方法的信息可在补充信息（SI）文件（表S2和S3）中找到。
2.2 实时PM传感器选择过程
对于PM2.5传感器的考虑，尺寸和成本是影响因素，以及我们研究领域中预期的相对低浓度下的传感器性能。前一年波士顿环境PM2.5浓度范围为lt;1至约23 mg/m3（Massdep，2015年），在存在二手烟的情况下，预计室内浓度大于100 mg/m3（He等人，2004年；Tunno等人，2015年；Dacto等人，2013年）。Dylos DC1100粒子计数器是一种价格约为300美元的光学设备，由于E尺寸太大，无法装在0.19 m（h）0.13 m（w）0.09 m（d）的中小型采样箱中，因此被排除在外。此外，底部后部的颗粒入口位置与我们的取样箱配置不一致。Dylos没有PM2.5浓度的内部算法，我们没有可生成的资源（即校准参考仪器）。Thermo PDR-1500的价格太高，为5000美元，与并列的个人模块化冲击器相比，发现存在系统和比例偏差（Wang等人，2016年）。Speck是卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的一种光学粒子传感器，售价约为150美元，底部有一个入口，可防止轻易封闭在取样箱中，但在5分钟的水平上与Grimm模型EDM180 PM2.5参考监视器（r2frac14;lt;0.01；r2lt;0.1）的相关性较差（Williams等人，2015年）。由于成本和物理特性，额外的传感器被排除在EMMA中。最终我们选择了opc-n2，因为已经证明它具有很好的相关性。
2.2.1 alphasense OPC-N2颗粒监测仪评估
尽管opc-n2符合我们的基本标准，但在现场使用之前，必须进行实验室和/或现场测试、校准或标准化，并进行必要的标准化，以消除对实时数据偏差的一些担忧。为了使opc-n2数据正常化，emma包括一个泵和过滤系统，该系统由哈佛微型个人环境监测器（minipem）和带有斜绕电机的施瓦泽旋转叶片泵组成。Minipem由一个经过润滑的入口撞击板组成，用于去除粗颗粒并将颗粒反弹降至最低，并配由于现场没有可用的FRM监视器与OPC-N2S进行比较，因此我们使用RTI Micropem？（规格如SI所示）。SCAQMD原始数据的初步结果表明，将MicroPemtrade;与两个FRM进行比较是有希望的：MicroPemtrade;（nfrac14;3）与Grimm在浓度范围为1至100mg/m3时显示r2gt;0.81（平均5分钟）；MicroPemtrade;（nfrac14;2）与Bam（平均24小时）显示r2gt;0.90（SCAQMD，2015b）。由于研究表明，在浓度小于3 mg/m3的情况下，micropemtrade;的测量结果不稳定，且RTI描述了已知的限制条件，因此从现场数据比较中删除了与micropemtrade;测量结果小于3 mg/m3的值相匹配的opc-n2（99884个1分钟数据点中的nfrac14;5662在平均5分钟之前删除了5.6%的数据e）（Sloan等人，2016年）。
2.2.2.RTI Micropemtrade;评估
由于现场没有可用的FRM监视器与OPC-N2S进行比较，因此我们使用RTI MicropemTM。SCAQMD原始数据的初步结果表明，将MicroPemtrade;与两个FRM进行比较是有希望的：MicroPemtrade;（nfrac14;3）与Grimm在浓度范围为1至100mg/m3时显示r2gt;0.81（平均5分钟）；MicroPemtrade;（nfrac14;2）与Bam（平均24小时）显示r2gt;0.90（SCAQMD，2015b）。由于研究表明，在浓度小于3 mg/m3的情况下，micropemtrade;的测量结果不稳定，且RTI描述了已知的限制条件，因此从现场数据比较中删除了与micropemtrade;测量结果小于3 mg/m3的值相匹配的opc-n2（99884个1分钟数据点中的nfrac14;5662在平均5分钟之前删除了5.6%的数据。（Sloan等人，2016年）。
2.2.3.PM实验室测试
两次PM传感器测试活动是在约23.9摄氏度（75华氏度）和30%相对湿度的室外环境实验室条件下进行的，且在所有设备的工作范围内。由于没有可供比较的校准参考仪器，TSI SidePaktrade;AM510个人气溶胶监测仪被用于比较PM浓度的趋势，因为它广泛用于测定室内和室外PM浓度（Klepeis等人，2007年，Hyland等人，2008年，Richmond Bryant等人，2009年，Park等人，2009，Laumbach等人，2009年，Jiang等人，2011年）。201
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资料编号：[2153]
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