黑碳和二次气溶胶作为大气颗粒物的重要成分,因其对灰霾形成的重要作用受到国内外广泛关注。为深入研究大气环境中黑碳和二次气溶胶的形貌特征和转化规律,采用低原子序数颗粒物电子探针微区分析技术(low-Z particle EPMA)对山西省太原市和武乡县城灰霾与非灰霾期间不同粒径大气气溶胶进行了单颗粒分析并进行归类,在分析各类型颗粒物特点的同时,重点对黑碳和二次气溶胶的形状、大小、混合状态、化学成分等进行了检测,比较它们在不同年份、不同季节、不同时段中的差异,为探究它们的来源与环境危害奠定理论基础。在太原市的采样时间为2011/12/30 08:00~2012/01/01 04:00和2018/11/2508:00~2018/11/27 04:00灰霾发生期间,使用MAY七级冲击式颗粒采样器在山西大学环境与资源学院楼顶每隔4小时采集空气动力学直径分别为0.25~0.5μm、0.5~1.0μm以及1~2μm的大气单颗粒样品。武乡县城采样地点为县城中心地带(S1)和城边地区(S2),使用Dekati三级冲击式颗粒采样器在2014/10/24~2014/10/29和2015/1/16~2015/1/22期间采集空气动力学直径范围10~2.5μm、2.5~1.0μm的大气单颗粒样品。之后采用带超薄窗口能谱仪的扫描电镜测量选定的单颗粒的二次电子像及X射线能谱,通过基于蒙特卡罗模拟程序的定量电子探针微区分析技术对每个颗粒的元素原子浓度进行了计算,依据颗粒物形貌与元素组成对其进行鉴别和分类,结果如下:(1)黑碳(soot)气溶胶由串珠状碳质小球组成,碳与氧的原子浓度之和大于90%,且C含量是O的三倍以上,依照不同老化程度分为伸展型、支链型、嵌入或粘附型、团聚型4种,每种的伸长率(E)、纵横比(R)、C与O以及C与S的原子浓度比均有显著性差异(P<0.05);(2)黑碳气溶胶的数量相对丰度介于10%~40%之间,粒径1μm以下的占75%以上,城中心的丰度大于城边、冬季大于秋季;(3)2018年灰霾期间,伸展型和嵌入型黑碳颗粒多于团聚型和支链型,且嵌入型多在白天出现,2011年灰霾程度严重,团聚型和支链型黑碳颗粒较多,且多出现在夜间,化学成分复杂;(4)二次气溶胶的X射线能谱主要由C、N、O、S四种元素的谱峰构成(有时N峰观察不到),在X射线测量后较明亮的圆形或椭圆形颗粒会消失或发生形状改变;其形貌和C、N、O、S的元素原子浓度随灰霾状况,类型等发生变化,在灰霾严重期间,C、S含量增加,二次电子像呈现发黑的液滴状,且较多出现在正午和午夜时刻;(5)二次气溶胶的相对丰度随粒径减少而增加,粒径0.5μm以下的数量>粒径0.5~1μm>粒径1~2μm,,且城中心地带大于城边,灰霾期大于非灰霾期间。以上结果表明低原子序数颗粒物电子探针微区分析技术可以较好地分析黑碳和二次气溶胶的形貌与元素原子浓度,从它们的理化特征与含量可推断其污染特征,揭示了颗粒物的产生与相互作用规律及转化机制,为大气污染的治理提供科学依据。