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作者： 氣象-地基遙感「北時(shí)間：2025-05-12
背景
生物氣溶膠顆粒在地球系統(tǒng)，特別是在大氣、生物圈和氣候的相互作用中，起著至關(guān)重要的作用，而花粉作為生物氣溶膠顆粒的重要組成部分，所導(dǎo)致的過(guò)敏性疾病被認(rèn)為是一種在很大程度上被低估的疾病，且在公共衛(wèi)生領(lǐng)域、空氣污染和氣候變化的相互作用下，正導(dǎo)致越來(lái)越多的花粉過(guò)敏患者。
因此生物氣溶膠包括花粉顆粒的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，正日益受到醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、氣候?qū)W等多領(lǐng)域科研人員的重視。
什么是氣溶膠
氣溶膠是指懸浮在氣體介質(zhì)（主要是空氣 ）中的固態(tài)或液態(tài)微小粒子所組成的多相體系 。這些粒子大小通常在納米到微米級(jí)別。
丨氣溶膠顆粒大小通常在0.001μm（1 納米）至100μm（100 微米）之間。
丨固體氣溶膠顆粒
0.001 - 0.1 微米
0.1 - 1 微米
1 - 10 微米
10 - 100微米
丨液體氣溶膠顆粒
0.001 - 0.1 微米
0.1 - 1 微米
1 - 10 微米
10 - 100 微米
按粒徑大小分類(lèi)
總懸浮顆粒物（TSP）粒徑≤100um
可吸入顆粒物（PM10）顆粒物≤10um
細(xì)顆粒物（PM2.5）顆粒物≤2.5um
超細(xì)顆粒物（PM0.1）粒徑≤0.1um
按來(lái)源分類(lèi)
天然氣溶膠（自然來(lái)源）例如火山 噴 發(fā) 、 植 物 花 粉 孢 子 等
人為氣溶膠（人為來(lái)源）例如工 業(yè) 排 放 、 建 筑 施 工 揚(yáng) 塵 等
按物理狀態(tài)分類(lèi)
固態(tài)氣溶膠：如灰塵、花粉、煙塵等
液態(tài)氣溶膠：如霧、云、噴霧等
混合態(tài)氣溶膠：包含固態(tài)和液態(tài)成分
按化學(xué)組成分類(lèi)
有機(jī)氣溶膠：含有有機(jī)化合物，如碳?xì)浠衔铩⒍喹h(huán)芳烴等；
無(wú)機(jī)氣溶膠：由無(wú)機(jī)化合物組成，如 硫 酸 鹽 、 硝 酸 鹽 等
生物氣溶膠:生物性粒子如細(xì)菌,病 毒 、真菌孢子、花 粉 等
生物氣溶膠
生物氣溶膠是含有生物性粒子，屬于大氣氣溶膠的范疇。生物氣溶膠種類(lèi)很多，包括細(xì)菌、真菌、塵螨、病毒、花粉、霉菌孢子、蕨類(lèi)孢子、寄生蟲(chóng)卵以及動(dòng)植物碎裂分解體等具有生命活性的微小粒子。
以花粉為例
花粉是生物氣溶膠顆粒的重要組成部分，粒徑范圍一般為10~100微米。其在空氣中飄散極易被人吸入呼吸道。所導(dǎo)致的疾病例如哮喘，皮膚過(guò)敏等被認(rèn)為是一種在很大程度上被低估的疾病，在空氣污染和氣候變化的相互作用下，全球正涌現(xiàn)越來(lái)越多的花粉過(guò)敏患者。
SwisensPoleno花粉/生物氣溶膠自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀原理
• 數(shù)字全息測(cè)量：兩個(gè)垂直 90°高分辨率相機(jī)進(jìn)行全息測(cè)量，確定粒子的絕對(duì)尺寸、形狀、面積、周長(zhǎng)、球度等參數(shù)，通過(guò)人工智能進(jìn)行精確的粒子識(shí)別（SwisenPoleno Mars 和 SwisenPoleno Jupiter ）
• 熒光光譜測(cè)量：測(cè)量單個(gè)粒子的化學(xué)組成，通過(guò)收集的熒光光譜強(qiáng)度和熒光壽命數(shù)據(jù)（SwisenPolenoJupiter），進(jìn)一步確定粒子種類(lèi)；
• 散射光和偏振測(cè)量：對(duì)粒子表面進(jìn)行激光照射，通過(guò)兩個(gè)光電檢測(cè)器的信號(hào)比值確定粒子表面的額外信息（SwisenPoleno Jupiter）。
數(shù)字全息和熒光光譜測(cè)量的結(jié)合是獨(dú)一無(wú)二的，它會(huì)生成系統(tǒng)測(cè)量的每個(gè)粒子的數(shù)字指紋。這個(gè)豐富的數(shù)據(jù)集（也稱(chēng)為數(shù)字指紋）包含形態(tài)數(shù)據(jù)和有關(guān)粒子化學(xué)成分的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)其進(jìn)行處理和分類(lèi)。從粒子的檢測(cè)和測(cè)量到算法輸出的分類(lèi)只需要幾秒鐘。
數(shù)字全息測(cè)量原理
熒光光譜測(cè)量原理
• 激發(fā)過(guò)程
當(dāng)用一定波長(zhǎng)的光（激發(fā)光）照射物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)分子吸收光子的能量， 從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。但是處于激 發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定，短時(shí)間會(huì)通過(guò) 各種方式回到基態(tài)。
• 發(fā)射熒光
其中一種回到基態(tài)的方式是通過(guò)發(fā)射光子（產(chǎn)生熒光）。不同的物質(zhì)吸收特定波長(zhǎng)的光并發(fā)射出特定波長(zhǎng)的熒光，這是熒光測(cè)量技術(shù)用于物質(zhì)定性分析的基礎(chǔ)。
• 測(cè)量參數(shù)
熒光強(qiáng)度與物質(zhì)濃度有關(guān)，一定條件下遵循朗伯-比爾定律（熒光強(qiáng)度與物質(zhì)濃度呈線性關(guān)系）。通過(guò)測(cè)量熒光的波長(zhǎng)，可以確定物質(zhì)發(fā)射熒光的特征光譜，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性識(shí)別。熒光壽命是指激發(fā)態(tài)分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)平均所需的時(shí)間，不同物質(zhì)的熒光壽命也不同，因此可作為區(qū)分不同物質(zhì)的參數(shù)。
• 儀器原理
熒光測(cè)量?jī)x器通常由激發(fā)光源、樣品池、單色器、檢測(cè)器等部分組成。激發(fā)光源提供特定波長(zhǎng)的激發(fā)光，照射樣品池中的樣品。單色器用于選擇特定波長(zhǎng)的激發(fā)光和分離出熒光信號(hào)，將不同波長(zhǎng)的光分開(kāi)，以便檢測(cè)特定波長(zhǎng)的熒光。檢測(cè)器負(fù)責(zé)檢測(cè)熒光信號(hào)的強(qiáng)度，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行記錄和分析。
• 熒光測(cè)量技術(shù)的原理主要涉及物質(zhì)的熒光產(chǎn)生機(jī)制和對(duì)熒光信號(hào)的檢測(cè)分析；
• 熒光測(cè)量技術(shù)主要測(cè)量熒光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、壽命等參數(shù)。
• 從粒子的檢測(cè)和測(cè)量到算法輸出的分類(lèi)只需要幾秒鐘。
• 數(shù)字全息+熒光光譜測(cè)量，會(huì)生成系統(tǒng)測(cè)量的每個(gè)粒子的數(shù)字指紋（數(shù)據(jù)集）
左側(cè)列為全息圖像和熒光光譜對(duì)測(cè)量事件的可視化表示；
右側(cè)列為不同模型的精確度對(duì)比：
(a) 僅全息圖像模型，平均精確度 0.968；
(b) 僅熒光光譜測(cè)量，平均精確度 0.878；
(c) 全息圖像和熒光光譜測(cè)量組合，平均精確度 0.992。
測(cè)量熒光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、熒光壽命等參數(shù)（SwisenPoleno Jupiter）
Jupiter全息測(cè)量：波長(zhǎng)：405nm；
熒光測(cè)量波長(zhǎng)：280nm，365nm和405nm；
散射和偏振測(cè)量波長(zhǎng)：405nm。
Mars全息測(cè)量波長(zhǎng)：405nm。
光是一種電磁波，具有偏振特性。對(duì)光的偏振特性進(jìn)行分析和測(cè)量，可以獲取關(guān)于粒子的結(jié)構(gòu)、成分等信息，有助于對(duì)不同類(lèi)型的花粉或生物氣溶膠進(jìn)行區(qū)分和識(shí)別。
生物氣溶膠測(cè)量新方法
花粉/生物氣溶膠自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)環(huán)境中的每個(gè)未知的單個(gè)花粉/氣溶膠顆粒通過(guò)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生獨(dú)立的數(shù)字指紋 ，對(duì)各種粒子進(jìn)行識(shí)別及分類(lèi)并實(shí)時(shí)輸出粒子信息?？筛鶕?jù)情況構(gòu)建花粉/生物氣溶膠樣本庫(kù) ，利用先進(jìn)的人工智能算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)展。
SwisensPoleno Jupiter
花粉/生物氣溶膠自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀
• 數(shù)字全息測(cè)量• 熒光光譜測(cè)量• 散射光和偏振測(cè)量
SwisensPoleno Mars
花粉自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀
• 數(shù)字全息測(cè)量
• SwisensPoleno 花粉/ 生物氣溶膠自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)與識(shí)別；
• 輸出的數(shù)據(jù)包括：花粉濃度（可自定義采樣時(shí)間間隔，最小間隔 10 分鐘）、花粉類(lèi)別（屬，部分到科）、單個(gè)粒子的全息圖像、熒光強(qiáng)度、壽命（Jupiter獨(dú)有）以及物理參數(shù)等數(shù)據(jù)。
• Jupiter 主機(jī)
利用人工智能和深度機(jī)器學(xué)習(xí)，可自主識(shí)別并測(cè)量空氣中的花粉、孢子、生物氣溶膠以及固體顆粒等。
• Mars 主機(jī)
先進(jìn)的數(shù)字全息影像測(cè)量技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)花粉濃度長(zhǎng)期、穩(wěn)定、自動(dòng)的測(cè)量與分類(lèi)。
• 用戶(hù)可構(gòu)建本地花粉數(shù)據(jù)庫(kù)
• 允許所有用戶(hù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)擴(kuò)展識(shí)別以前未知的粒子。
• 本地?cái)?shù)據(jù)只存在國(guó)內(nèi)
• 歷史數(shù)據(jù)可以復(fù)原，分類(lèi)
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