專(zhuān)利名稱(chēng)：一種測(cè)量大氣納米粒子粒譜的方法及專(zhuān)用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大氣納米粒子的分析，特別涉及到一種測(cè)量大氣納米粒子粒譜的新方
法及專(zhuān)用裝置，這種方法能夠?qū)崟r(shí)快速地測(cè)量大氣中的納米粒子，為全面理解大氣污染機(jī)理及其對(duì)氣候變化影響奠定基礎(chǔ)。
背景技術(shù)：
氣溶膠是指空氣中懸浮的液體、固體或固液混合物顆粒物，它降低大氣能見(jiàn)度，影響大氣輻射平衡，關(guān)系到全球氣候變化，并對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成威脅[Science, 1997， 278 :827-830 ;Science， 2000， 288 :301-305]。如何測(cè)量大氣中的亞納米尺寸的粒子(0. 5_5nm)，以及其化學(xué)組成，是認(rèn)識(shí)大氣新粒子產(chǎn)生機(jī)理和演變的關(guān)鍵。 典型的電學(xué)納米粒子分析儀是差分電遷移率分析儀(DifferentialMobilityAnalyzer, DMA) 。 DMA是利用帶電粒子電遷移運(yùn)動(dòng)的差異來(lái)進(jìn)行粒徑分析的。DMA的核心部件是圓柱型不銹鋼外圓筒地電極和圓筒中心的高壓電極。中心電極的電壓一定時(shí)，只有特定粒徑的粒子能通過(guò)圓筒一端的微孔出口，其余粒子將撞擊到中心電極被中和后被泵抽走。電壓不同時(shí)，能夠從微孔出來(lái)的粒子也不同，通過(guò)改變高壓電極的電壓可以實(shí)現(xiàn)粒徑的選擇。DMA中電場(chǎng)方向垂直與粒子流動(dòng)方向，粒子穿越遷移管時(shí)間，完全由粒子的氣流速度決定， 一般需要數(shù)秒或數(shù)十秒達(dá)到采樣孔。這么長(zhǎng)時(shí)間將導(dǎo)致粒子的熱擴(kuò)散很?chē)?yán)重，能達(dá)到采樣孔的幾率很低。盡管遷移管的長(zhǎng)度縮短到5cm，目前nano-DMA的測(cè)量下限也僅僅能達(dá)到3nm。離子遷移譜(Ion Mobility Spectrometer, IMS)同樣是利用離子的電遷移率進(jìn)行分離的技術(shù)。與DMA不同，IMS中電場(chǎng)方向與離子流動(dòng)方向一致，電場(chǎng)可以使離子速度增大減小遷移時(shí)間，而遷移時(shí)間的減小可以減少擴(kuò)散影響。IMS可以測(cè)量從小分子離子到生物大分子，與質(zhì)譜結(jié)合已經(jīng)成為研究生物大分子的組成和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力的工具。本發(fā)明將提供氣_粒轉(zhuǎn)化初始過(guò)程和氣溶膠的演化的新信息，為全面理解大氣污染機(jī)理及其對(duì)氣候變化影響做出貢獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大氣納米粒子粒譜測(cè)量的新方法，本發(fā)明采用離子遷
移譜，通過(guò)使用微進(jìn)樣分流器，減小遷移管長(zhǎng)度，提高遷移場(chǎng)強(qiáng)，降低遷移管內(nèi)壓強(qiáng)等措施，
來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量大氣納米粒子粒譜的測(cè)量。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為 —種測(cè)量大氣納米粒子粒譜的方法，采用離子遷移管，大氣以微孔進(jìn)樣，在離子遷移管的漂移區(qū)內(nèi)形成發(fā)散性小的離子束，同時(shí)在漂移區(qū)內(nèi)施以負(fù)壓，其壓力為0. 1-0. 5大氣壓，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量大氣納米粒子粒譜的目的。 采用常規(guī)的帶有法拉第盤(pán)的離子遷移管，在法拉第盤(pán)的外側(cè)設(shè)置一與真空泵相連的管路，通過(guò)真空泵使漂移區(qū)內(nèi)形成0. l-0.5大氣壓的負(fù)壓；同時(shí)，在漂移區(qū)的前端離子進(jìn)行口處設(shè)置一中部帶有突起的擋板作為氣體分流器，在擋板的突起部位設(shè)置有小孔，形成
3喇叭口狀的分流器進(jìn)樣，進(jìn)樣口小孔的直徑為1 6mm。 其遷移管內(nèi)漂移區(qū)的壓強(qiáng)和電離反應(yīng)區(qū)壓強(qiáng)不同，電離反應(yīng)區(qū)壓強(qiáng)為大氣壓，遷移管內(nèi)的壓強(qiáng)為0. 1 0. 5atm ;所述遷移管的漂移區(qū)長(zhǎng)度為1 6cm，內(nèi)徑10 30mm ;在所述遷移管的漂移區(qū)施加高于傳統(tǒng)遷移管的場(chǎng)強(qiáng)，施加場(chǎng)強(qiáng)為400V/cm 1000V/cm ;在提高遷移場(chǎng)強(qiáng)同時(shí)，縮短遷移管相對(duì)長(zhǎng)度。 上述離子遷移管可稱(chēng)之為差分離子遷移管，從右至左沿一軸線依次包括電離區(qū)、反應(yīng)區(qū)、離子門(mén)、遷移區(qū)、柵網(wǎng)、法拉第盤(pán)，所述漂移區(qū)是由絕緣環(huán)和電極環(huán)同軸交替疊加構(gòu)成的筒狀空間結(jié)構(gòu)；沿筒狀空間結(jié)構(gòu)的軸線方向，于漂移區(qū)的一端依次設(shè)置有離子門(mén)和電離區(qū)，在離子門(mén)與電離源區(qū)之間設(shè)置有絕緣環(huán)和電極環(huán)，絕緣環(huán)和電極環(huán)內(nèi)部的筒狀空間結(jié)構(gòu)作為反應(yīng)區(qū)；在靠近離子門(mén)的反應(yīng)區(qū)的絕緣環(huán)上設(shè)置有出氣口 ；在電離源區(qū)外側(cè)端設(shè)置有載氣入口 ；于漂移區(qū)的另一側(cè)依次設(shè)置有柵網(wǎng)和法拉第盤(pán)，法拉第盤(pán)；法拉第盤(pán)通過(guò)導(dǎo)線與放大器信號(hào)連接；由法拉第盤(pán)和放大器構(gòu)成信號(hào)接收和檢測(cè)系統(tǒng)；于法拉第盤(pán)的外側(cè)設(shè)置有法拉第盤(pán)屏蔽筒，在法拉第盤(pán)屏蔽筒上設(shè)置有抽氣口 ，所述抽氣口通過(guò)管路與一真空泵相連，在反應(yīng)區(qū)靠近離子門(mén)處設(shè)置有分流器，分流器為中部帶有突起的板狀結(jié)構(gòu)，在突起上設(shè)置有小孔，分流器處于出氣口和離子門(mén)之間。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明 圖1差分離子遷移譜的原理示意圖。
圖2差分離子遷移譜儀測(cè)量煙氣粒子的遷移譜圖。
具體實(shí)施例方式
由于納米粒子質(zhì)量要比氣體分子大上千倍，其離子的遷移率很低，濃度小而且電離效率要比氣體小，用離子遷移譜技術(shù)來(lái)測(cè)量帶電的氣溶膠粒子的關(guān)鍵是如何減少離子在遷移管中的擴(kuò)散損失。采用以下手段減少離子的擴(kuò)散損失(a)使用微進(jìn)樣分流器使分流器前后形成壓差，離子進(jìn)入遷移區(qū)后形成發(fā)散性小的離子束；(b)縮短遷移管長(zhǎng)度；(c)提高遷移區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度。遷移區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度不能無(wú)限提高，因?yàn)槌^(guò)一定的電壓會(huì)導(dǎo)致電暈放電，燒毀儀器。電場(chǎng)強(qiáng)度的上限隨氣壓的減小而減小，因此氣壓和電場(chǎng)強(qiáng)度之間有一個(gè)最佳值。氣溶膠離子在電場(chǎng)中的遷移率K與粒徑d的關(guān)系，一般可以用Millikan公式來(lái)描述，
〖=e^^-^——^ ，遷移率K = E/ u ， n是氣體的粘質(zhì)系數(shù)，a， b， c是滑移系數(shù)，
1是氣體的平均自由程，因此測(cè)量氣溶膠離子的遷移率可以反推其粒徑分布。 氣溶膠的電離主要靠與氣體離子間的粘貼締合反應(yīng)，帶電氣溶膠粒子的濃度由反應(yīng)離子的熱平衡反應(yīng)決定，氣溶膠粒子的帶電效率與電離室(或中和器)離子濃度成正比，高氣壓有利于碰撞和電離發(fā)生，但低壓有利于氣溶膠粒子縮短遷移時(shí)間，本發(fā)明提出差分離子遷移譜的設(shè)計(jì)，并且研制了一套測(cè)量氣溶膠粒徑分布的遷移譜裝置，通過(guò)使用微
進(jìn)樣分流器，減小遷移管長(zhǎng)度(4cm)，提高遷移區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度(400V/cm)，減小遷移區(qū)氣壓(0.2atm)，實(shí)現(xiàn)大氣中納米氣溶膠的檢測(cè)。圖l是差分壓離子遷移譜的原理示意圖，圖2為用本發(fā)明的差分離子遷移譜檢測(cè)得到的香煙燃燒時(shí)氣溶膠譜圖，實(shí)驗(yàn)條件氣壓O. 2atm，遷移管長(zhǎng)度4cm，電場(chǎng)強(qiáng)度400V/cm，離子門(mén)脈寬100 y s。 本發(fā)明的方法為一種測(cè)量大氣納米粒子粒譜的方法，采用常規(guī)的帶有法拉第盤(pán)的離子遷移管，在法拉第盤(pán)的外側(cè)設(shè)置一與真空泵相連的管路，通過(guò)真空泵使漂移區(qū)內(nèi)形成O. l-0.5大氣壓的負(fù)壓；同時(shí)，在漂移區(qū)的前端離子進(jìn)行口處設(shè)置一中部帶有突起的擋
板作為氣體分流器，在擋板的突起部位設(shè)置有小孔，形成喇叭口狀的分流器進(jìn)樣，進(jìn)樣口小孔的直徑為1 6mm。大氣以微孔進(jìn)樣，在離子遷移管的漂移區(qū)內(nèi)形成發(fā)散性小的離子束，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量大氣納米粒子粒譜的目的。 其遷移管內(nèi)漂移區(qū)的壓強(qiáng)和電離反應(yīng)區(qū)壓強(qiáng)不同，電離反應(yīng)區(qū)壓強(qiáng)為大氣壓，遷移管內(nèi)的壓強(qiáng)為0. 1 0. 5atm ;所述遷移管的漂移區(qū)長(zhǎng)度為1 6cm，內(nèi)徑10 30mm ;在所述遷移管的漂移區(qū)施加高于傳統(tǒng)遷移管的場(chǎng)強(qiáng)，施加場(chǎng)強(qiáng)為400V/cm 1000V/cm ;在提高遷移場(chǎng)強(qiáng)同時(shí)，縮短遷移管相對(duì)長(zhǎng)度。 本發(fā)明采用的離子遷移管如圖1所示，從右至左沿一軸線依次包括電離區(qū)2、反應(yīng)區(qū)3、離子門(mén)4、遷移區(qū)5、柵網(wǎng)6、法拉第盤(pán)7，所述漂移區(qū)5是由絕緣環(huán)和電極環(huán)9同軸交替疊加構(gòu)成的筒狀空間結(jié)構(gòu)；沿筒狀空間結(jié)構(gòu)的軸線方向，于漂移區(qū)6的一端依次設(shè)置有離子門(mén)4和電離區(qū)2，在離子門(mén)4與電離源區(qū)2之間設(shè)置有絕緣環(huán)和電極環(huán)，絕緣環(huán)和電極環(huán)內(nèi)部的筒狀空間結(jié)構(gòu)作為反應(yīng)區(qū)3 ;在靠近離子門(mén)4的反應(yīng)區(qū)3的絕緣環(huán)上設(shè)置有出氣口 ；在電離源區(qū)2外側(cè)端設(shè)置有載氣入口 1 ;于漂移區(qū)5的另一側(cè)依次設(shè)置有柵網(wǎng)6和法拉第盤(pán)7，法拉第盤(pán)7 ;法拉第盤(pán)7通過(guò)導(dǎo)線與信號(hào)放大器12連接；由法拉第盤(pán)7和放大器12構(gòu)成信號(hào)接收與檢測(cè)系統(tǒng)10 ;于法拉第盤(pán)7的外側(cè)設(shè)置有法拉第盤(pán)屏蔽筒，在法拉第盤(pán)屏蔽筒上設(shè)置有抽氣口 ，其特征在于所述抽氣口通過(guò)管路與一真空泵8相連，在反應(yīng)區(qū)3靠近離子門(mén)4處設(shè)置有分流器ll，分流器11為中部帶有突起的板狀結(jié)構(gòu)，在突起上設(shè)置有小孔，分流器11處于出氣口和離子門(mén)4之間。
權(quán)利要求
一種測(cè)量大氣納米粒子粒譜的方法，其特征在于采用離子遷移管，大氣以微孔進(jìn)樣，在離子遷移管的漂移區(qū)內(nèi)形成發(fā)散性小的離子束，同時(shí)在漂移區(qū)內(nèi)施以負(fù)壓，其壓力為0.1-0.5大氣壓，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量大氣納米粒子粒譜的目的。
2. 按照權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于采用常規(guī)的帶有法拉第盤(pán)(7)的離子遷移管，在法拉第盤(pán)(7)的外側(cè)設(shè)置一與真空泵相連的管路，通過(guò)真空泵使漂移區(qū)內(nèi)形成0. l-0.5大氣壓的負(fù)壓；同時(shí)，在漂移區(qū)的前端離子進(jìn)行口處設(shè)置一中部帶有突起的擋板作為氣體分流器，在擋板的突起部位設(shè)置有小孔，形成喇叭口狀的分流器進(jìn)樣，進(jìn)樣口小孔的直徑為1 6mm。
3. 按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述遷移管的漂移區(qū)長(zhǎng)度為1 6cm，內(nèi)徑10 30mm。
4. 按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在所述遷移管的漂移區(qū)施加高于傳統(tǒng)遷移管的場(chǎng)強(qiáng)，施加場(chǎng)強(qiáng)為400V/cm 1000V/cm ;在提高遷移場(chǎng)強(qiáng)同時(shí)，縮短遷移管相對(duì)長(zhǎng)度。
5. —種權(quán)利要求l所述方法的專(zhuān)用裝置，其特征在于所述專(zhuān)用裝置為離子遷移管，從右至左沿一軸線依次包括電離區(qū)(2)、反應(yīng)區(qū)(3)、離子門(mén)(4)、遷移區(qū)(5)、柵網(wǎng)(6)、法拉第盤(pán)(7)，所述漂移區(qū)(5)是由絕緣環(huán)和電極環(huán)(9)同軸交替疊加構(gòu)成的筒狀空間結(jié)構(gòu)；沿筒狀空間結(jié)構(gòu)的軸線方向，于漂移區(qū)(5)的一端依次設(shè)置有離子門(mén)(4)和電離區(qū)(2)，在離子門(mén)(4)與電離源區(qū)(2)之間設(shè)置有絕緣環(huán)和電極環(huán)，絕緣環(huán)和電極環(huán)內(nèi)部的筒狀空間結(jié)構(gòu)作為反應(yīng)區(qū)(3);在靠近離子門(mén)(4)的反應(yīng)區(qū)(3)的絕緣環(huán)上設(shè)置有出氣口 (13);在電離源區(qū)(2)外側(cè)端設(shè)置有載氣入口 (1);于漂移區(qū)(5)的另一側(cè)依次設(shè)置有柵網(wǎng)(6)和法拉第盤(pán)(7)，法拉第盤(pán)(7);法拉第盤(pán)(7)通過(guò)導(dǎo)線與信號(hào)放大器(12)連接；由法拉第盤(pán)(7)和放大器(12)構(gòu)成信號(hào)接收和檢測(cè)系統(tǒng)(10);于法拉第盤(pán)(7)的外側(cè)設(shè)置有法拉第盤(pán)屏蔽筒，在法拉第盤(pán)屏蔽筒上設(shè)置有抽氣口，其特征在于所述抽氣口通過(guò)管路與一真空泵(8)相連，在反應(yīng)區(qū)(3)靠近離子門(mén)(4)處設(shè)置有分流器(ll)，分流器(11)為中部帶有突起的板狀結(jié)構(gòu)，在突起上設(shè)置有小孔，分流器(11)處于出氣口 (13)和離子門(mén)(4)之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量大氣納米粒子粒譜的方法，采用離子遷移管，大氣以微孔進(jìn)樣，在離子遷移管的漂移區(qū)內(nèi)形成發(fā)散性小的離子束，同時(shí)在漂移區(qū)內(nèi)施以負(fù)壓，其壓力為0.1-0.5大氣壓，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量大氣納米粒子粒譜的目的。本發(fā)明采用離子遷移譜，通過(guò)設(shè)計(jì)微進(jìn)樣的分流器，縮短遷移管長(zhǎng)度，提高遷移場(chǎng)強(qiáng)，減小帶電離子的擴(kuò)散損失，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣納米粒子粒譜的實(shí)時(shí)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N15/00GK101750264SQ200810229879
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者李海洋, 杜永齋, 王衛(wèi)國(guó), 董璨 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所