2017年12月28日

更好的便携式空气质量监测仪

贡献:Rob古蒂

摄像头传感器和机器学习可能会使便携式空气质量监测更具成本效益和准确性。

有没有想过，笼罩在城市天际线上的棕色雾霾有多少也在客厅里?那片薄雾里究竟是什么?也许很快就会有一种廉价的方法来找到答案。一种名为c-Air的新型手持式空气质量监测仪目前处于早期测试阶段，与价格昂贵得多的仪器相比，它的性能更加优越。

该设备基于CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，与一些数码相机中的图像传感器相同。加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles)的艾德安·奥兹坎(Aydogan Ozcan)博士和他的团队发明了一种监测仪，可以收集空气中的微观颗粒样本，并将其直接放置在传感器上方。不需要镜头。研究人员称这项技术为“无透镜计算显微镜”。

到今天结束时，你们将会吸入超过10亿个病毒。因此，我们需要低成本、便携的技术，以与高端设备相同的精度来量化这些数据——加州大学洛杉矶分校的Ayogan Ozcan博士说

操作员通过手机应用程序控制设备。扫描样品后，通过远程服务器上的分析算法进行处理。其结果是一种比市售空气质量监测仪更准确、能够采样更大体积空气的设备。它的成本可能是价格的十分之一甚至百分之一。Ozcan博士及其同事于2017年9月8日在《光:科学与应用》杂志上在线发表了他们的研究结果。

“在我们的空气中，我们不断吸入霉菌、花粉、细菌和病毒。到今天结束时，你们中的许多人将吸入超过10亿个病毒，”奥兹坎博士在2016年6月华盛顿特区举行的社会创新峰会上对听众说。“因此，我们需要能够在移动、经济高效的平台上测量和量化这些因素的技术。具有与高端政府机构设备相同的灵敏度、精度和准确性。”

空气污染的致命代价

“由于其成本效益和准确性，c-Air为空气质量监测提供了一个独特的平台。除了美国和其他发达国家的新兴需求外，空气质量监测和量化在发展中国家也非常重要，”Ozcan博士告诉E4C。开云体育官方

为什么这么重要?根据世界卫生组织(world Health Organization)的数据，室内外空气污染每年导致650万人死亡，占全球死亡人数的11.6%。其中近90%的死亡发生在低收入和中等收入国家。世卫组织

世卫组织助理总干事弗拉维亚·布斯特罗博士在一份声明中说:“空气污染继续对最脆弱人群——妇女、儿童和老年人——的健康造成损害声明。“为了保持健康，人们必须从头到尾呼吸干净的空气。”

世卫组织Flavia Bustreo博士说:“空气污染继续对最脆弱人群——妇女、儿童和老年人——的健康造成损害

c-Air设备计数和测量空气中的微观颗粒，称为颗粒物，或PM。了解PM浓度，以及空气中有哪些颗粒，可以帮助估计污染可能造成的损害。直径为10μm的颗粒物(PM 10μm，即百万分之一米)可以进入肺部，导致心血管疾病，而直径为2.5μm的颗粒物则会导致癌症。

造成空气污染的罪魁祸首是一些常见的问题，包括冒烟的排气管、垃圾焚烧、燃煤发电厂和污染严重的工业。一些自然污染源也会造成雾霾，比如沙尘暴和火山爆发。任何一个特定城市的空气质量究竟有多好或多坏?为了回答这个问题，世界卫生组织推出了一个与全球3000个城市的数据库相关联的在线工具。在字段at中输入城市名称BreathLife2030.org。

在演示c-Air的一种用途时，奥兹坎博士的团队使用该设备来可视化野火附近城市地区PM浓度的增加。结果如下所示。

c-Air与现有的相比如何?

世卫组织的数据来自卫星和地面空气采样装置。正如Ozcan博士和他的团队在他们的论文中解释的那样，空气采样站要么使用β衰减监测，要么使用锥形元件振荡微平衡仪器。它们不是很便携，重约30公斤(66磅)，成本从5万美元到10万美元不等，并且需要训练有素的技术人员进行维护。

市售的便携式空气颗粒计数器的价格要低得多，大约为2000美元，但有些可以卖到8000美元。但它们处理的空气量较低，精度可能不如新的c-Air设备高。商业计数器每分钟可以采样3-4L的空气，在分析污染物浓度极高或极低的空气时，其准确性受到影响。

相比之下，c-Air每分钟可过滤13L空气，大批量生产时成本低至50美元，小批量生产时成本约为200美元。该设备还能产生粒子的图像，这是其他便携式计数器无法做到的。通过对颗粒进行成像，研究人员可以识别它们的类型，从而绘制出每个地区空气中污染物种类的图片。在c-Air之前，便携式计数器只能收集空气样本送到实验室进行成像。

专业部件、高昂的价格以及维护和实验室支持的要求使得许多商用空气监测仪在发展中国家的许多地区不切实际。但c-Air似乎已经解决了其中的许多问题。

“今天，没有任何设备可以提供空气颗粒计数的准确性和范围
确认我们的移动技术可以提供，并且具有成本效益的接口，”Ozcan博士说。“此外，现有的纳米尺度测量工具和空气质量评估技术甚至无法在这些地区(发展中国家服务不足的社区)使用，因为它们的设备和运行成本高、体积大、可及性有限。”

c-Air是如何工作的?

该设备可以以93%的准确率生成粒度和浓度的统计数据。为了测试它，Ozcan博士和他的团队将c-Air与一个beta衰减监测空气采样站一起运行。为了收集空气样本，c-Air将空气泵到一个粘性的盖子上，盖子上可以捕获颗粒。盖盖固定在CMOS传感器上方，如下图所示。

通过移动数据连接，设备将图像发送到服务器进行处理。该软件可以调整以检测特定种类的粒子。例如，该系统可以通过识别室内空气样本中的霉菌和花粉来帮助减少家中的过敏原。随着时间的推移，分析软件可以适应和学习，可能会提高其准确性，并加深其可识别颗粒的数据库。

接下来是什么?

如果奥兹坎博士的名字或他的CMOS传感器成像技术听起来耳熟，那么他在手机显微镜上的工作可能会让人对他有所认识。芯片成像和移动显微镜研究为奥兹坎博士的团队赢得了数十个奖项，其中一些最知名的奖项来自IEEE、麻省理工学院、比尔和梅林达·盖茨基金会、大众机械、大众科学、国家地理等机构。

与奥兹坎实验室的其他一些项目一样，空气质量监测器也处于开发阶段。自9月份发表他们的研究结果以来，奥兹坎博士的研究小组又有了一些新项目要报告。

“通过将c-Air技术与机器学习技术相结合，我们在相同的c-Air技术上取得了一些重要进展，可以对模具颗粒进行无标签检测。一项类似的花粉检测工作正在进行中。由于这种方法是基于显微镜的，我们利用每个粒子的一些独特的光谱和空间特征，将c-Air平台转换为智能传感器，而无需使用任何外部标签。”

该平台的下一步计划是什么?

“我们希望通过将c-Air技术与深度学习方法相结合，将其建立为一个强大的生物气溶胶量化平台，”Ozcan博士说。

欲了解更多信息，请参阅文章使用移动显微镜和机器学习进行空气质量监测。”

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