DOI: https://doi.org/10.5194/amt-18-6435-2025
تاريخ النشر: 2025-11-12
المؤلف: Laura Cadeo وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تقيّم هذه الدراسة أداء جهاز قياس الفلورية بالأشعة السينية (ED-XRF) Xact ® 625i عبر الإنترنت لقياس التركيب العنصري لجزيئات الهواء (PM) بدقة زمنية عالية تبلغ ساعة واحدة. أجريت الدراسة على مدى ستة أشهر في ميلانو، إيطاليا، وشملت مراقبة مستمرة لـ 36 عنصرًا، من الألمنيوم (Al) إلى البزموت (Bi)، باستخدام Xact ® 625i، الذي تم مقارنته بتحليلات ED-XRF غير المتصلة لعينات PM 10 لمدة 24 ساعة من نفس الموقع. ركزت المقارنة على 16 عنصرًا كانت دائمًا فوق حدود الكشف الدنيا (MDLs)، مما يكشف عن ارتباط قوي بين الطريقتين (قيم R² تتراوح من 0.67 إلى 0.99) مما يشير إلى أن Xact ® 625i هو أداة موثوقة لقياسات PM 10.
تصنف النتائج العناصر إلى ثلاث مجموعات بناءً على ارتباطها وموثوقية قياسها. أظهرت عناصر المجموعة A (مثل K، Ca، Ti، Fe، Zn، Br، Sr، و Pb) ارتباطًا ممتازًا (R² > 0.95) وانحدارات قريبة من 1، بينما أظهرت عناصر المجموعة B (Si، S، Mn، و Cu) ارتباطًا جيدًا ولكن مع انحدارات غير متوافقة مع 1. كانت عناصر المجموعة C (Al، Cl، Cr، و Ni) أقل موثوقية، وغالبًا ما كانت تقع تحت حدود الكشف الدنيا (MDLs) وتظهر ارتباطات أضعف (R² تتراوح من 0.67 إلى 0.87). من الجدير بالذكر أن قياس Al كان مشكلة، مما يشير إلى الحاجة إلى دراسات معايرة مستقبلية لتعزيز دقة القياس. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانيات أجهزة القياس عبر الإنترنت مثل Xact ® 625i لدراسات توزيع المصادر عالية الدقة، على الرغم من قيودها في الحساسية مقارنةً بتقنيات أخرى مثل ICP-MS.
مقدمة
تؤكد المقدمة على الدور الحاسم لقياس وتحديد التركيب الكيميائي لجزيئات الهواء (PM) في مراقبة جودة الهواء. تبرز التأثير المزدوج لجزيئات PM: على المستوى العالمي، تؤثر على تكوين السحب وميزانية الإشعاع على الأرض، بينما على المستوى المحلي، تشكل مخاطر صحية كبيرة على البشر. ترتبط الآثار السلبية لجزيئات PM ارتباطًا وثيقًا بتكوينها الكيميائي، مما يستلزم فهمًا أعمق للمكونات المحددة التي تسهم في هذه النتائج السلبية. علاوة على ذلك، فإن تحديد تركيب PM بدقة أمر ضروري لإجراء دراسات توزيع المصادر، التي تهدف إلى تحديد مصادر الانبعاثات التي تسهم في تلوث الهواء.
النتائج
تكشف نتائج المقارنة بين القياسات غير المتصلة وعبر الإنترنت لتركيزات العناصر في PM10 عن رؤى مهمة حول أداء جهاز Xact® 625i. قامت الدراسة بتصنيف 16 عنصرًا إلى ثلاث مجموعات بناءً على خصائص قياسها. أظهرت المجموعة A، التي تشمل K، Ca، Ti، Fe، Zn، Br، Sr، و Pb، ارتباطًا ممتازًا (R² > 0.95) بين الطريقتين، مع انحدارات قريبة من الواحد وقطع متوافقة مع الصفر. في المقابل، أظهرت المجموعة B (Si، S، Mn، Cu) أيضًا ارتباطًا قويًا ولكن مع انحدارات غير متوافقة مع الواحد، مما يشير إلى وجود اختلافات محتملة بسبب تحديات القياس المرتبطة بالعناصر الأخف. أظهرت المجموعة C (Al، Cl، Cr، Ni) قابلية مقارنة أقل (R² تتراوح من 0.67 إلى 0.87)، مع العديد من القياسات بالقرب من أو تحت حد الكشف للطريقة (MDL).
بشكل عام، وجدت الدراسة أن متوسط R² هو 0.93 وانحدار 1.11 عبر جميع العناصر، مما يدل على ارتباط قوي بين القياسات عبر الإنترنت وغير المتصلة. يتناقض هذا مع العمل السابق الذي قام به بارك وآخرون (2014)، الذي أبلغ عن ارتباط أقل وانحدارات أعلى. تؤكد النتائج على التقدم في تقنيات القياس وأهمية تنسيق مجموعات البيانات لتقييمات دقيقة عالية الدقة زمنياً. كما تسلط الدراسة الضوء على المصادر المحتملة للاختلافات، بما في ذلك اختلافات المعايرة وعدم اليقين في القياس، خاصة بالنسبة للعناصر القريبة من حدود الكشف الخاصة بها. يُقترح تحسينات إضافية على جهاز Xact® 625i لتعزيز الكشف عن العناصر الصعبة مثل Al و Cl.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم أداء جهاز Xact® 625i لقياس التركيب العنصري لجزيئات PM10 في ميلانو، إيطاليا، على مدى فترة ستة أشهر من يوليو إلى ديسمبر 2023. تم تصميم الجهاز للمراقبة المستمرة، وقادر على الكشف عن 36 عنصرًا بدقة زمنية تبلغ ساعة واحدة. كانت الدراسة تهدف إلى مقارنة القياسات عبر الإنترنت من Xact® 625i مع التحليلات غير المتصلة التي أجريت باستخدام جهاز ED-XRF على عينات PM10 اليومية. تم تحليل ما مجموعه 16 عنصرًا، مما كشف عن ارتباط قوي بين الطريقتين (قيم R² تتراوح من 0.67 إلى 0.99)، على الرغم من أن الانحدارات اختلفت، مما يشير إلى بعض الاختلافات في التقدير.
تشير النتائج إلى أنه بينما يكون Xact® 625i أقل حساسية من تقنيات مثل مطيافية الكتلة بالتحليل الطيفي المتصل (ICP-MS)، فإن قوته واستقراره يجعله مناسبًا للاستخدام في شبكات مراقبة جودة الهواء. حددت الدراسة ثلاث مجموعات من العناصر بناءً على خصائص ارتباطها: أظهرت المجموعة A (K، Ca، Ti، Fe، Zn، Br، Sr، و Pb) ارتباطًا ممتازًا وانحدارات قريبة من الواحد، بينما أظهرت المجموعة B (Si، S، Mn، و Cu) ارتباطًا جيدًا ولكن مع انحدارات غير متوافقة مع الواحد. أظهرت عناصر المجموعة C أداءً أقل، مما يبرز الحاجة إلى اعتبار دقيق للتقنيات التحليلية بناءً على العناصر المحددة ذات الاهتمام. بشكل عام، يوفر Xact® 625i بيانات قيمة عالية الدقة زمنياً يمكن أن تعزز دراسات توزيع المصادر وتحسن فهم انبعاثات PM.
DOI: https://doi.org/10.5194/amt-18-6435-2025
Publication Date: 2025-11-12
Author(s): Laura Cadeo et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
This study evaluates the performance of the Xact ® 625i online energy dispersive X-ray fluorescence (ED-XRF) spectrometer for measuring the elemental composition of atmospheric particulate matter (PM) at a high temporal resolution of 1 hour. Conducted over six months in Milan, Italy, the study involved continuous monitoring of 36 elements, from aluminum (Al) to bismuth (Bi), using the Xact ® 625i, which was compared to offline ED-XRF analyses of 24-hour PM 10 samples from the same location. The intercomparison focused on 16 elements consistently above their minimum detection limits (MDLs), revealing a strong correlation between the two methods (R² values ranging from 0.67 to 0.99) and indicating that the Xact ® 625i is a reliable instrument for PM 10 measurements.
The findings categorize the elements into three groups based on their correlation and measurement reliability. Group A elements (e.g., K, Ca, Ti, Fe, Zn, Br, Sr, and Pb) exhibited excellent correlation (R² > 0.95) and slopes close to 1, while Group B elements (Si, S, Mn, and Cu) showed good correlation but with slopes not compatible with 1. Group C elements (Al, Cl, Cr, and Ni) were less reliable, often falling below MDLs and demonstrating weaker correlations (R² ranging from 0.67 to 0.87). Notably, the quantification of Al was problematic, suggesting the need for future calibration studies to enhance measurement accuracy. Overall, the study underscores the potential of online spectrometers like the Xact ® 625i for high-resolution source apportionment studies, despite their limitations in sensitivity compared to other techniques such as ICP-MS.
Introduction
The introduction emphasizes the critical role of measuring and quantifying the chemical composition of atmospheric particulate matter (PM) in air quality monitoring. It highlights the dual impact of PM: globally, it influences cloud formation and Earth’s radiative budget, while locally, it poses significant health risks to humans. The adverse effects of PM are closely linked to its chemical composition, necessitating a deeper understanding of the specific components that contribute to these negative outcomes. Furthermore, accurately determining PM composition is essential for conducting source apportionment studies, which aim to identify the sources of emissions contributing to air pollution.
Results
The results of the intercomparison between offline and online measurements of PM10 elemental concentrations reveal significant insights into the performance of the Xact® 625i instrument. The study categorized 16 elements into three groups based on their measurement characteristics. Group A, which includes K, Ca, Ti, Fe, Zn, Br, Sr, and Pb, exhibited excellent correlation (R² > 0.95) between the two methods, with slopes close to unity and intercepts compatible with zero. In contrast, Group B (Si, S, Mn, Cu) also showed strong correlation but with slopes not aligning with unity, suggesting discrepancies likely due to measurement challenges associated with lighter elements. Group C (Al, Cl, Cr, Ni) demonstrated poorer comparability (R² ranging from 0.67 to 0.87), with many measurements near or below the method detection limit (MDL).
Overall, the study found a mean R² of 0.93 and a slope of 1.11 across all elements, indicating a robust correlation between online and offline measurements. This contrasts with previous work by Park et al. (2014), which reported a lower correlation and higher slopes. The findings underscore the advancements in measurement techniques and the importance of harmonizing datasets for accurate high-temporal-resolution assessments. The study also highlights potential sources of discrepancies, including calibration differences and measurement uncertainties, particularly for elements near their MDLs. Further improvements in the Xact® 625i instrument are suggested to enhance the detection of challenging elements like Al and Cl.
Discussion
In this study, the performance of the Xact® 625i online energy dispersive X-ray fluorescence (ED-XRF) spectrometer was evaluated for measuring the elemental composition of PM10 in Milan, Italy, over a six-month period from July to December 2023. The instrument was designed for continuous monitoring, capable of detecting 36 elements with a temporal resolution of one hour. The study aimed to compare the online measurements from the Xact® 625i with offline analyses conducted using a benchtop ED-XRF spectrometer on daily PM10 samples. A total of 16 elements were analyzed, revealing a strong correlation between the two methods (R² values ranging from 0.67 to 0.99), although the slopes varied, indicating some discrepancies in quantification.
The findings suggest that while the Xact® 625i is less sensitive than techniques like inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), its robustness and stability make it suitable for deployment in air quality monitoring networks. The study identified three groups of elements based on their correlation characteristics: Group A (K, Ca, Ti, Fe, Zn, Br, Sr, and Pb) demonstrated excellent correlation and slopes near unity, while Group B (Si, S, Mn, and Cu) showed good correlation but with slopes not compatible with unity. Group C elements exhibited poorer performance, highlighting the need for careful consideration of analytical techniques based on the specific elements of interest. Overall, the Xact® 625i provides valuable high-temporal-resolution data that can enhance source apportionment studies and improve understanding of PM emissions.