对Sensirion SEN66、Piera IPS-7100、PurpleAir PIXEL以及OPC-N3低成本气溶胶传感器在不同气溶胶类型和浓度范围内的实验室评估

《Atmospheric Pollution Research》：Laboratory Evaluation of Sensirion SEN66, Piera IPS-7100, PurpleAir PIXEL, and OPC-N3 Low-Cost Aerosol Sensors Across Aerosol Types and Concentration Ranges

　　

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摘要
低成本颗粒物（PM）传感器越来越多地被用于空气质量监测和暴露评估，但其在不同气溶胶类型、粒径分数和浓度范围内的性能对于新型传感器型号而言仍不确定。研究人员使用四种低成本传感器（OPC-N3、IPS-7100、SEN66和PurpleAir PIXEL）、一台光度计（pDR-1500）以及参考仪器（SMPS和APS），在环境浓度（0–40 μg/m3）和职业性高浓度（50–2,500 μg/m3）下，测量了三种气溶胶（盐、亚利桑那road dust和煤油）的浓度。使用单分散DEHS颗粒（0.1–5.0 μm）来评估检测效率和颗粒物粒径测量准确性。在环境浓度下，所有传感器在不同气溶胶类型下与参考仪器均表现出高度线性（R2 > 0.93），其中SEN66展现出最高的传感器间精度（CV < 10%）。在职业性浓度下，IPS-7100在PM1盐气溶胶测试中与参考仪器表现出高度一致性（斜率 = 1.26, R2 = 0.99, 偏差 = ?20.6%），而OPC-N3在PM10煤油气溶胶（斜率 = 1.20, R2 = 1.00, 偏差 = ?0.6%）和PM4煤油气溶胶（斜率 = 1.39, R2 = 1.00, 偏差 = 1.8%）测试中性能接近理想值。基于数浓度评估的检测效率在大多数传感器和粒径组合中低于50%，而OPC-N3在2.5和4.0 μm处超过了100%。气溶胶类型强烈影响传感器响应，这强调了在低成本传感器用于空气质量监测、室内或近源暴露评估或高浓度应用之前，进行气溶胶特异性校准的必要性。在多种传感器-气溶胶组合中观察到的高度线性表明，进行气溶胶特异性校准是可行的。

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**低成本气溶胶传感器性能的实验室综合评估：一项针对SEN66、IPS-7100、PurpleAir PIXEL和OPC-N3的研究解读**

**1. 研究背景与目的**
空气污染暴露与心血管疾病、呼吸系统疾病及预期寿命缩短等多种不良健康结局密切相关。空气中的颗粒物（Particulate Matter, PM）因其空气动力学直径不同，可分别以PM1、PM2.5、PM4（可吸入性粉尘）和PM10等形式对人体健康构成差异化风险。为管控这些风险，美国环境保护署（EPA）和国家职业安全与健康研究所（NIOSH）等机构制定了严格的空气质量标准。然而，用于合规监测的联邦参考方法（FRM）和联邦等效方法（FEM）仪器，以及职业卫生领域常用的光度计（如pDR-1500），通常价格昂贵，限制了其在许多社区和小型企业的普及。

近年来，基于光学粒子计数器（OPC）或光度测量原理的低成本传感器因其经济性和可获得性而广受欢迎。尽管已有研究对部分传感器进行了评估，但对于PurpleAir PIXEL和Sensirion SEN66这类新型号，尚缺乏独立的实验室性能验证。同时，针对Piera Systems IPS-7100在受控条件下的研究也相对有限。此外，现有研究多集中于环境浓度，对职业性高浓度场景的探讨不足。因此，本研究旨在通过实验室对照实验，系统评估四种低成本传感器在不同气溶胶类型、粒径分数和浓度范围内的性能极限，探讨其在不同监测场景下的适用性，并为后续的校准和应用提供科学依据。

**2. 主要技术方法**
本研究在实验室内可控的气溶胶暴露舱中，系统评估了四种低成本传感器（Alphasense OPC-N3, Piera Systems IPS-7100, Sensirion SEN66, PurpleAir PIXEL）和一台中成本光度计（Thermo Fisher Scientific pDR-1500）的性能。研究人员使用了三台同型号低成本传感器以评估传感器间一致性，并以扫描移动粒子粒径谱仪（SMPS 3938）和空气动力学粒子粒径谱仪（APS 3321）的合并数据作为参考。研究选用了三种多分散气溶胶：氯化钠（NaCl）盐、亚利桑那road dust（ARD）和煤油，分别代表了环境、职业和特定暴露场景。每种气溶胶均在环境浓度（0–40 μg/m3）和职业浓度（50–2,500 μg/m3）下进行测试。此外，使用凝聚单分散气溶胶发生器（CMAG）产生0.1至5.0 μm的单分散DEHS颗粒，以评估各传感器的粒径检测效率和粒径测量准确性。所有传感器的质量浓度数据均与SMPS+APS参考数据进行了时间配对和线性回归分析，以评估其相关性、斜率和偏差。

**3. 主要研究结果**
**3.1. 检测效率**
该部分通过单分散DEHS颗粒实验，评估了OPC-N3、IPS-7100和SEN66的粒子计数效率。结果显示，所有传感器在0.1 μm处均无法检测到颗粒。除OPC-N3在1.0 μm（61.9%）、2.5 μm（173.8%）和4.0 μm（186.6%）处表现出较高或超过100%的效率外，其余大多数传感器与粒径组合的检测效率均低于50%。IPS-7100和SEN66对大于1.0 μm的颗粒的计数效率随粒径增大而显著下降。这表明各传感器在亚微米和粗粒子范围内的计数能力存在显著差异，OPC-N3的过度计数可能与其粒子误分类有关。

**3.2. 质量浓度测量准确性与偏差**
在环境浓度下，所有传感器与参考仪器均表现出高度线性（R2 > 0.93），但普遍存在显著偏差。对于盐气溶胶，所有传感器均低估了PM2.5、PM4和PM10。对于ARD，所有传感器均大幅低估了PM2.5及更大粒径的质量浓度。对于煤油，IPS-7100在PM1测量中表现出最佳偏差（?9.5%），而pDR-1500则高估了PM2.5。在职业浓度下，传感器性能普遍下降。对于盐气溶胶，IPS-7100在PM1和PM2.5测量中表现最佳。值得注意的是，SEN66在盐气溶胶高浓度下出现异常行为，其读数接近上限并产生高正偏差。对于ARD，IPS-7100在PM1和PM4测量中表现相对较好。传感器在煤油职业浓度下的PM1和PM2.5测量性能最差，但OPC-N3在PM4（斜率 = 1.39, 偏差 = 1.8%）和PM10（斜率 = 1.20, 偏差 = ?0.6%）测量中表现出近乎理想的性能。SEN66在所有试验中均展现出最高的传感器间精度（CV < 10%）。

**3.3. 粒径分布与质量中值直径（MMD）**
对质量粒径分布的分析揭示了不同传感器的系统偏差。与SMPS+APS参考相比，OPC-N3的粒径分布持续向更大粒径方向偏移，而IPS-7100则向更小粒径方向偏移。SEN66的粒径分布最窄，主要集中在0.7–1.0 μm范围内，这与其有限的粒径通道数量有关。对于MMD，SEN66在不同气溶胶类型的环境浓度下均报告了约2.5 μm的值，未能反映参考MMD的变化。在煤油环境浓度下，OPC-N3和IPS-7100报告的MMD远低于参考值，表明其无法准确表征该气溶胶的粒径分布。

**4. 讨论与结论**
本研究表明，尽管低成本传感器在环境浓度下表现出良好的线性，但其绝对准确性受到气溶胶类型的强烈影响，且无一能在出厂状态下完全满足EPA和NIOSH的联合验收标准。传感器的检测效率、粒径分辨率和质量浓度响应均表现出局限性。SEN66展现出优异的制造一致性，但其有限的粒径分辨率和在高浓度下的饱和行为限制了其应用。OPC-N3在检测粗颗粒物方面具有优势，表现出对液态烃类气溶胶（如煤油和PAO-4）在职业浓度下的准确响应。IPS-7100在PM1测量方面表现最佳，但传感器间差异大。PurpleAir PIXEL因仅输出PM2.5，其性能受气溶胶类型影响显著。

研究结论明确指出，低成本传感器在进行合规或监管监测前，必须依据特定气溶胶类型和浓度范围进行校准。尽管当前结果显示了校准的潜力，但尚未开发出经验证的校准模型。未来研究应致力于开发并验证气溶胶特异性的校准方法，并在更广泛的现场条件下对这些传感器进行评估，特别是要覆盖至OSHA规定的可吸入颗粒物允许暴露限值（PEL），以全面界定其适用范围。本研究的发现为低成本传感器在不同场景下的合理选择和科学应用提供了重要的实证依据，相关成果发表于《Atmospheric Pollution Research》。