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气溶胶测量原理、技术及应用南开大学环境科学与工程学院2009.10气溶胶测量方法概述粒度范围采样与分析方法直读方法测量气溶胶气溶胶的测量误差气溶胶测量方法—概述通常情况下，测量气溶胶所用的仪器仅仅可以间接测量所需信息，大部分仪器也只能在一个有限的粒径范围内进行操作，最简单或最复杂的仪器都可能在测量中引入误差。因此，从事气溶胶研究的人员必须分析和评价不同测量方法得到的数据的意义和有用性，以实现一种或多种特定目标。在选择测量仪器时的难点就是，要把质量保证原则应用到气溶胶测量方法中，以确保获得准确、有意义的数据。气溶胶测量方法---粒度范围选择气溶胶测量仪器时，考虑的首要因素之一是气溶胶的粒度范围。在粒度谱图中的微小粒子端，气溶胶粒子可能在（光）化学反应、凝结核和凝结生长以及凝结或凝聚中形成。在谱图上端的粒子很可能由于机械作用而形成，如磨损和挤压，而飞沫可以通过喷雾和起泡形成。气溶胶小粒子与大粒子间的典型分隔线大约是1μm，前者很少能生长到显著超过几μm，而后者很少有低于0.5μm。气溶胶测量方法两种普遍使用的气溶胶测量方法分别是收集和分析法、直读感应器法。前者的资金投入较少，但耗费时间较长，能进行完整的浓度测量，可以定性、定量测量气溶胶；后一种方法要昂贵得多，通常能够给出粒径分布信息以及近于实时的测量结果，同时允许一段时间之后再进行一些测量。气溶胶测量方法--采样与分析方法最普遍的收集技术是用滤膜收集空气中的粒子。分级采样装置，通常用的是惯性分级装置粒子可以通过多种方法分析整个滤膜上的样品：重量分析、化学分析、生物分析或放射性分析滤膜中的单个粒子：显微分析、光谱分析或者形态分析几台分级器串联起来作为“串级式”设备以分级气溶胶或测量粒径分布。包括串级冲击式采样器、串级向心采样器、串级旋风采样器或浸提器组。气溶胶测量方法--直读方法测量粒子质量的直读法测量表面积的直读法测量单个气溶胶粒子的直读法测量粒径分布的直读仪器测量粒子质量的直读法测量质量的最直接方法是让粒子沉积到振动表面，并测量共振频率的变化第一类使用压电晶体作为收集表面另一类振动感应器是锥形元件震荡微天平另一种测量质量的方法利用的是所收集的物质中散射的β射线使用电荷来测量串级冲击式采样器的每个单级中的粒子浓度（电低压冲击式采样器）浊度计或光度计利用来自较大区域（大于光学粒子计数器中的区域）的光散射测量粒子类型和粒径分布信号的累计散射函数。在气溶胶不随时间显著变化的情况下进行自动校准而测定粒子质量测量表面积的直读法一种方法是将气溶胶暴露在离子场中，测量离子上累积的静电荷。ELPIEpiphaniometer将气溶胶暴露在衰减成放射性金属原子的放射性气体之中，这些原子弥散在气溶胶粒子的表面。在检测之前，移走这种气体，所测到的辐射结果就可以表示粒子的总表面积。第三种测量表面积的方法是使用短波光使气溶胶粒子表面发出电子。检测到的电量是表面积的函数测量单个气溶胶粒子的直读法光学粒子计数器（OPC）、激光粒子计数器（LPC）在一定的角度范围内，它可以检测到每个粒子的散射光，并将其转变成电脉冲。电脉冲是一个复杂函数，但一般是粒径的递增函数。OPC可以获得单个粒子的信息，或者测定总的粒子浓度优点：光散射为粒子检测提供了一种相对较便宜的、非破坏性的、高速的技术。缺点：每个粒子的散射光与光源、检测角度的范围、粒径、形状以及粒子的折射率都有复杂的关系。在实际情况下，预测或抵消后两个因素通常是比较困难的，因此OPC测量的粒径通常只是近似值。对小粒子的检测灵敏度低，在最佳的条件下最低检出限为0.1μm。CNC能够检测出几nm的微粒，在一定条件下，甚至能检测出1~3nm范围内的微粒测量粒径分布的直读仪器小粒径范围几种形式的电分级器可以分离亚微米级的粒子，通CPC检测。能得到几nm到0.5μm粒径范围内的高分辨率信息，但不能准确测量较大的粒子，因为大粒子很可能留有多重电荷。浸提器组（diffusionbatteries）也可以作为直读仪器，它检测经过CPC扩散收集部件的粒子。浸提器组比其他电分级器的分辨率要低得多，主要是作为累计采样仪器测量粒径分布的直读仪器大粒径范围粒径测量最常用的仪器是OPC和LPC，这两种仪器可以在一个相对较宽的浓度和粒径范围内工作。飞行时间粒度分级器根据测量粒子通过感应区的飞行时间可以得到粒子速度，粒子的速度是其空气动力学直径的函数。行时间质量分析仪飞行时间分级原理与激光消融系统和质谱结合，从而得出与气溶胶粒径有关的化学信息。气溶胶的测量误差采样和传输感应器的灵敏度与重合效应粒子统计校正密度和其他物理性质粒径分布数据的表示方法粒径选择气溶胶监测中存在的一些重要的偏差气溶胶的测量误差---采样和传输随着气溶胶进入气溶胶测量装置的采样口，环境空气速度与采样速度的比率、空气湍流以及粒径、形状和采样口方向都会影响到采样效率采样口与收集装置（如滤膜）或感应器（如光度计的检测区）的连接部分，在这些管道中会发生粒子损失，主要是由静电引力、冲击或重力沉淀以及气溶胶进一步凝结缩小等原因造成的，这通常发生在一些粒径值较大的粒径范围内，对于用以采集亚微米级粒子的装置来说，扩散也可能极大地影响粒子损失气溶胶的测量误差---采样和传输随着采样器布置位置的不同，粒子浓度的测量值要小于相应的真实浓度气溶胶的测量误差---感应器的灵敏度与重合效应直读气溶胶监控器的感应器有一个检测下限，粒径小于检测下限的粒子将不能被检测到，因此原始气溶胶粒度分布中的小粒子就不被计入光学粒度分级仪器中可以产生进一步的偏差，这种仪器的基础是每次在检测器观察区内只能有一个粒子。如果观察区内有几个相互重叠的粒子，那么感应器只能记录一个粒子，而且很可能测定出粒径较大的粒子；重叠效应使粒度分布向较大粒径区发生微小偏移，同时也减少了在该粒径范围内的粒子观察数。重叠效应随粒子数量浓度的增大而增大。气溶胶的测量误差---感应器的灵敏度与重合效应空气动力学粒度分级器（APS3300）的感应器偏差数据气溶胶的测量误差---感应器的灵敏度与重合效应气溶胶的测量误差---粒子统计如果采集的粒子太少，出于统计学的考虑，显示的粒径分布可能不能反映出真实的粒径分布。因为粒子体积与粒径的立方有关，少数大粒子的质量比一些小粒子的总质量还要大。因此在描述一些气溶胶小粒子粒径时，通常采用数量粒径分布，而不用体积和质量分布。当研究某一粒径范围内的粒子时，必须在该粒径范围内采集足够多的粒子。气溶胶的测量误差---粒子统计气溶胶的测量误差---粒子统计每个粒径的表面积和体积乘以在各自的粒径范围内的粒子数量，若知道粒子密度，就可以将粒子的粒径分布转化为质量分布。这些附加参数（数量、表面积或体积）表示出的气溶胶粒径分布也可以生成一条平滑曲线。当总计数减少时，数量分布曲线仍可近似认为是呈对数正态分布的。表面积分布主要是针对粒径较大的粒子，而它们的数量通常较少。在大粒子计数中，这些变量是很大的。生成的体积分布曲线或质量分布曲线不理想，这是因为体积或质量分布（阴影部分）更注重大粒子。因此，如果粒子总数较少，将粒子的数量分布转化为体积或质量分布时可能会产生很大偏差。气溶胶的测量误差---校正密度和其他物理性质粒子的空气动力学直径可以转化为物理直径，方法是将粒子的空气动力学直径除以粒子密度的平方根。已知物理直径的粒子与物理直径比它大而密度比它小的粒子沉降在呼吸道中相同区域内光学粒子计数器利用单个粒子的光学特性判别粒径，因此需要校准仪器，通常，这些计数器及光度计是利用球形不吸光的气溶胶校准的，一般是邻苯二甲酸二辛酯（DOP）或聚苯乙烯橡胶（PSL）的球形粒子气溶胶的测量误差---校正密度和其他物理性质气溶胶的测量误差---粒径分布数据的表示方法微分图（柱状图法）可以更好地表示分布形状：模态直接呈现，偏差产生的任何影响只限制在一个狭窄的粒径范围内累积图可以更好地估计出气溶胶的中值直径，不使用计算机就可以对数据进行较简单的绘图描述。气溶胶的测量误差---粒径分布数据的表示方法气溶胶的测量误差---粒径选择应当根据采样目的选择气溶胶监测器。用一种气溶胶进行过校准的光度计，如果测量另一种化学成分和粒径分布完全不同的气溶胶时，将出现偏差。这种偏差可以针对特定的气溶胶而调整，方法是：使气溶胶通过位于感应器下方或与感应器平行的滤膜，并调整感应器的读数使之等于滤膜上的浓度测量值。只要气溶胶的种类和粒径分布保持不变，这种调整过程就是有效的。