Name: 流管反应器中有机颗粒物的生产与测定 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-12-15T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 29 s
Description: 了解流管反应器中α-蒎烯臭氧分解生成有机颗粒物的实验方法。该方案通过SMPS、APM和SEM等技术测定颗粒物尺寸分布、形貌及生长机制，为大气化学与环境科学研究提供可控合成平台。

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本材料基于美国国家科学基金会化学学部环境化学科学项目（资助号：1111418）、美国国家科学基金会（NSF）大气-地球科学学部（资助号：1524731）以及哈佛大学教师出版奖支持的工作。我们感谢Mona Shrestha、Adam Bateman、Pengfei Liu和Mikinori Kuwata在实验方面的有益讨论和协助。

1. 流管反应器的气相注入
<ol>
	<li>有机前体注入 
	注意：实验过程中使用的所有设备和软件均可在&#160;材料表中找到。根据实验目的，可选用多种挥发性有机化合物作为实验的有机前体。本文以α-蒎烯为例，说明将有机前体注入流动管反应器的操作流程。
	<ol>
		<li>使用微量移液器取1.00 mL的α-蒎烯，转移至50.00 mL容量瓶中。</li>
		<li>用2-丁醇定容至50.00 mL，使α-蒎烯稀释比例为1:50。振荡容量瓶，使溶剂与溶质充分混合。</li>
		<li>使用注射器（5.00 mL）吸取α-蒎烯溶液。先用该溶液冲洗注射器三次，然后装满溶液。</li>
		<li>将注射器连接至一根锐利针头（25号，2英寸长），并将注射器安装到注射泵上。将针头尖端插入汽化用圆底烧瓶（25 mL）中。使用加热带将汽化烧瓶预热至135 ± 1 °C。</li>
		<li>通入0.5 sLpm的净化空气，以汽化并携带从注射器注入的α-蒎烯。将净化空气发生器与加热带连接至同一电源，以防止在停止供气时继续加热圆底烧瓶。</li>
		<li>启动注射泵，并调节注入速率为适当值。通过气体流速、目标VOC浓度和注射器体积，结合克劳修斯-克拉佩龙方程计算注入速率。例如，在总流速为4.5 sLpm时，若需达到125 ppb的α-蒎烯浓度，则α-蒎烯与2-丁醇混合液的注入速率应为11.7 μL/h。确保圆底烧瓶中丁醇或α-蒎烯的体积浓度低于1%，以避免有机物达到可燃极限。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>臭氧注入
	<ol>
		<li>以4.00 sLpm的空气流速通过臭氧发生器。</li>
		<li>开启臭氧发生器。通过调节发生器内部紫外灯外玻璃管的长度，控制臭氧浓度至适当水平。臭氧与VOC的比例可根据实验目的变化达两个数量级。若需在实验中完全反应VOC，则臭氧浓度应约为VOC浓度的10倍，以确保臭氧过量。</li>
		<li>开启臭氧浓度监测仪，并将其连接至计算机。使用终端读取软件获取臭氧监测仪的数据输出，并保存所采集的臭氧浓度数据（图2）。待臭氧浓度稳定后开始实验。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 流动管式反应器的颗粒物生成
<ol>
	<li>调整停留时间
	<ol>
		<li>拧开流动管式反应器末端的盖帽，以调节流动管式反应器内可移动取样管的位置。依次改变可移动取样管的不同位置，从而实现从 3 s 到 38 s 的不同停留时间10。</li>
		<li>在每次实验过程中，调节可移动取样管的位置，以调整颗粒在流动管式反应器内生成过程中的停留时间。</li>
		<li>将可移动取样管置于流动管式反应器起始端（距气体入口 0.10 m 处），以获得最短停留时间（3 s）；将可移动取样管置于流动管式反应器末端（距气体入口 1.30 m 处），以获得最长停留时间（38 s）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>颗粒生成的温度控制
	<ol>
		<li>将流动管式反应器置于一个带有双层壁、水夹套的不锈钢温控箱内。每次实验前需进行气密性检查和水位检查。</li>
		<li>将循环水浴的恒温器温度设定为 20.0 °C。 
		注：实验过程中温度波动不超过 0.1 °C。</li>
		<li>启动主计算机上的温度记录软件，并将数据采样时间设置为 10 s（图 3）。温度传感器位于流动管的中心位置。点击&#160;记录&#160;按钮时，开始记录温度传感器测得的温度数据。</li>
		<li>记录温度 4 至 6 小时，在实验开始前确保温度已稳定。 
		注：流动管式反应器的温度在 24 小时内的波动小于 ± 0.1 °C。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>压力监测系统
	<ol>
		<li>通过 ¼ 英寸接头将压力监测仪连接至流动管出口，并连接至主计算机。</li>
		<li>启动压力监测软件（图 4），然后点击&#160;文件&#160;|&#160;新建&#160;|&#160;时间/采样间隔&#160;，将采样间隔设置为 10 s。</li>
		<li>点击&#160;总数据点数&#160;，将采样长度设置为 36,000 个数据点。点击&#160;确定&#160;以开始记录数据。 
		注：出口压力在 24 小时内保持在 ± 0.01 atm 范围内，表明流动管内部压力稳定。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 流动管反应器生成颗粒物群的表征
<ol>
	<li>粒径分布数量
	<ol>
		<li>使用抗静电管将流动管反应器的出口连接至扫描迁移率粒径谱仪（SMPS）。也可使用类似仪器替代 SMPS 来测量粒径分布数量。 
		注：SMPS 的详细操作步骤或故障排除方法请参见其使用手册。</li>
		<li>启动记录粒径分布数量的软件。点击&#160;创建新文件以新建一个文件。设置&#160;图5中所示的各项参数。点击&#160;确定&#160;按钮，记录从流动管反应器出口排出的颗粒物的粒径分布数量。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>相对湿度控制
	<ol>
		<li>将水鼓泡器的两个入口分别连接至两个质量流量控制器（MFC），以调节流动管中鞘气的湿度。将两个入口的流速调节范围设为 0–10 sLpm，以使鞘气的相对湿度从&#60;5% 变化至&#62;95%。</li>
		<li>将水鼓泡器的出口连接至渗透膜管的鞘气入口。将流动管反应器的出口连接至同一渗透膜管的主要采样入口。</li>
		<li>将相对湿度（RH）传感器连接至渗透膜管的出口，以测量采样空气的相对湿度。</li>
		<li>点击&#160;开始&#160;按钮，输入文件名，再点击&#160;保存&#160;按钮，启动相对湿度测量程序并记录 RH 数据。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>SOM 颗粒的质量与动力学形貌因子
	<ol>
		<li>使用一段三英尺长的抗静电管，将相对湿度控制装置的出口连接至差分迁移率分析仪（DMA）的入口。使用一段一英尺长的抗静电管，将 DMA 的出口连接至 APM 仪器的入口。将 APM 的出口连接至冷凝粒子计数器（CPC）。 
		注：DMA 和 CPC 的详细操作步骤或故障排除方法请参见其使用手册。</li>
		<li>按下 APM 仪器及其控制箱上的电源按钮，开启设备。在 APM 控制箱上点击&#160;远程&#160;按钮，使仪器可通过计算机上的软件界面进行操作。</li>
		<li>启动 APM 控制软件。通过点击&#160;文件&#160;和&#160;加载&#160;按钮（图6），加载预设的扫描文件。</li>
		<li>点击 APM 控制软件中的&#160;开始&#160;按钮，使 APM 仪器开始采集数据。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>从流动管反应器中采集颗粒物
	<ol>
		<li>使用一段三英尺长的抗静电管，将流动管出口连接至纳米气溶胶采样器（NAS）。</li>
		<li>依次使用甲醇、水和甲醇对硅基底（优等品，电阻率 1–10 Ω∙cm）进行清洗。使用温和的氮气流吹干基底。</li>
		<li>将清洗后的基底放置于 NAS 的电极上。用胶带固定基底边缘，以确保采集过程中基底稳定22。</li>
		<li>开启 NAS。将电压设置为 -9.9 kV，流速设置为 1.8 Lpm。</li>
		<li>启动采样仪器，运行 12–36 小时。之后，从 NAS 中取出载有采集颗粒的硅基底。对基底上的颗粒进行进一步分析，例如通过 SEM7&#160;分析形貌或进行表面分析9。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者声明不存在竞争性财务利益。

通过调节流动管反应器中的条件，可生成具有明确数浓度和质量浓度的多种二次有机气溶胶（SOA）颗粒。还可以在凝结生长和凝聚生长模式之间改变其生长机制，从而形成不同形态的颗粒。实验方案中的关键步骤包括维持流动管反应器内相对稳定的温度，以及稳定臭氧发生器输出的臭氧浓度。此外，每次实验均需仔细记录可移动注射器的位置，以确保重复实验时停留时间保持一致。
如果流动管反应器产生的颗粒浓度与预期不符，可进行多项故障排查。首先应对流动管反应器进行气密性检查。完成气密性检查后，需检查粒径-数量测量仪器，以排除所有可能的故障，例如进样口堵塞或CPC用1-丁醇溶液耗尽等问题。
因此，上述流动管反应器是研究跨越广泛浓度范围的有机气溶胶理化性质及其演化的有效工具。与其他气溶胶发生系统相比，流动管反应器能够快速生成适用于多种粒子数浓度和质量浓度的气溶胶颗粒13，在高负载质量采样中尤为有用。该反应器还配备可移动采样器，可用于研究气溶胶颗粒的演化与生长过程。然而，该反应器的滞留时间相对较短，前体物浓度相对较高，这限制了其模拟接近环境条件反应的能力。未来针对流动管反应器的研究工作将包括在内壁增加紫外光照，以便在反应器内开展光氧化反应。此外，还计划研究其他挥发性有机化合物（VOC）反应物，例如β-石竹烯和柠檬烯24。

生物圈和人类活动释放的挥发性有机化合物（VOCs）在大气中与氧化剂（如臭氧或羟基自由基）发生反应，生成二次含氧有机化合物1,2。其中部分化合物由于挥发性较低，最终会贡献于大气PM1,3,4的质量浓度。大气颗粒物对气候、人类健康和能见度具有重要影响5。然而，目前对于有机颗粒物的生成机制，无论在定性还是定量方面，仍缺乏充分的表征与理解，难以准确预测其数量浓度、质量浓度以及物理和化学性质。弥补这一知识空白的一种方法是开展实验室研究，利用流动管反应器模拟大气中有机颗粒物的生成过程，从而推动对颗粒物的机理、过程及性质的深入研究6,7,8,9,10,11,12。流动管反应器能够快速合成气溶胶颗粒，适用于多种粒子数浓度和质量浓度条件下的实验研究13。
本研究通过视频资料描述了利用臭氧氧化大气中主要单萜类化合物生成亚微米级有机颗粒物（PM）的过程即 α-蒎烯）在流动管反应器中的反应，该方法最初由 Shrestha 描述 等13 简而言之，流动管由玻璃制成，内径为48.2 mm，长度为1.30 m。流动管在略高于环境压力的条件下运行，处于层流状态（雷诺数为9.4 ± 0.5），停留时间为38 ± 1 s。 14使用循环冷却器将水通入容纳流动管反应器的双层定制箱中，以将温度设定为25 ± 1 °C。
流动管反应器系统的示意图如图1所示。使用纯空气发生器产生超纯空气，该空气通过臭氧发生器，生成200–500 ppm的臭氧。另有一路流速为0.50 sLpm的纯空气用于蒸发通过注射器进样器注入圆底烧瓶中的α-蒎烯。在抽取至注射器进样器之前，α-蒎烯预先与2-丁醇按1:5015,16,17的稀释比例混合，因为2-丁醇可作为OH自由基清除剂，以确保在流动管内仅发生臭氧分解反应。圆底烧瓶被加热至135 ± 1 °C，以促进注入的有机化合物快速蒸发。α-蒎烯和臭氧的进气口相互垂直布置，以在进样点诱导湍流并实现快速混合。流动管的出口被分为几路，分别用于样品采集、粒径分布测量（通过扫描迁移率粒径谱仪-SMPS）、颗粒密度测量以及尾气排放。通过调节反应条件，可控制凝结作用相对于凝聚作用在颗粒生长过程中的相对贡献。流动管出口必须至少连接一条通向开放空气排风罩的管路，以确保即使在实验条件错误的情况下，流动管和圆底烧瓶内部也不会产生压力积聚。由此可对所生成颗粒物群体的特性进行精细调控。该流动管反应器配备可移动采样装置，可在颗粒生成过程中的不同时间点采集有机颗粒物样品。在流动管的不同长度位置测量所生成颗粒物群体的粒数-粒径分布。气溶胶粒子质量分析仪（APM）用于测量颗粒物的质量分布和动态形状因子7,18,19，从而提供有关所生成颗粒物群体形貌及其他物理性质的信息20,21。此外，颗粒物也被收集在纳米颗粒采样器上，以便后续通过扫描电子显微镜（SEM）进行离线成像分析7,22。这表明，流动管反应器是开展臭氧分解实验以及对所生成颗粒物进行快速在线和离线分析的适宜介质。

<table><tbody><tr><td>(-)-&amp;alpha;-蒎烯&amp;nbsp;</td><td>西格玛-奥德里奇</td><td>305715</td><td></td></tr><tr><td>2-丁醇&amp;nbsp;</td><td>西格玛-奥德里奇</td><td>294810</td><td></td></tr><tr><td>5.00 mL 注射器&amp;nbsp;</td><td>哈密尔顿</td><td>201300</td><td></td></tr><tr><td>气溶胶粒子质量分析仪</td><td>加诺马克</td><td>3600</td><td></td></tr><tr><td>冷凝式粒子计数器</td><td>TSI</td><td>3022</td><td></td></tr><tr><td>差分迁移率分析仪</td><td>TSI</td><td>3081</td><td></td></tr><tr><td>加热套</td><td>科尔-帕尔默</td><td>WU-36225-10</td><td></td></tr><tr><td>质量流量控制器</td><td>MKS</td><td>M100B</td><td></td></tr><tr><td>纳菲恩管</td><td>Perma Pure</td><td>MD-700-24F-1</td><td></td></tr><tr><td>纳米气溶胶采样器</td><td>TSI</td><td>3089</td><td></td></tr><tr><td>臭氧发生器</td><td>Jelight</td><td>600</td><td></td></tr><tr><td>臭氧监测仪</td><td>Ecosensors</td><td>UV-100</td><td></td></tr><tr><td>压力传感器</td><td>欧米伽</td><td>PX409</td><td></td></tr><tr><td>相对湿度传感器</td><td>罗特隆</td><td>60587161</td><td></td></tr><tr><td>圆底三颈烧瓶</td><td>Aceglass</td><td>6944-04</td><td></td></tr><tr><td>扫描电子显微镜</td><td>蔡司</td><td>N/A</td><td>Ultra plus FESEM</td></tr><tr><td>扫描迁移率粒径谱仪</td><td>TSI</td><td>3071A+3772</td><td>静电分类器型号为 3071A，冷凝粒子计数器型号为 3772</td></tr><tr><td>硅基底</td><td>University Wafer</td><td>1707</td><td></td></tr><tr><td>注射器针头</td><td>哈密尔顿</td><td>90025</td><td>25 G，2 英寸</td></tr><tr><td>注射泵</td><td>Chemyx</td><td>Fusion Touch 200</td><td></td></tr><tr><td>温度传感器及软件</td><td>国家仪器</td><td>USB-TC01</td><td></td></tr><tr><td>水循环器</td><td>Brinkmann</td><td>RC6</td><td></td></tr></tbody></table>

流动管反应器中有机颗粒物的生成与测量

Production and Measurement of Organic Particulate Matter in a Flow Tube Reactor

有机颗粒物（PM）对地球气候系统以及城市地区公共健康的重要性日益受到关注，而为实验室研究合成颗粒物已成为普遍需求。本文的实验方案展示了在流动管反应器中通过α-蒎烯臭氧分解生成气溶胶态有机颗粒物的方法。文中描述了测量气溶胶粒子尺寸分布和形貌的方法。视频演示了流动管反应器及相关仪器的基本操作。视频的第一部分展示了气相反应物的制备、臭氧分解反应以及有机颗粒物的生成过程。第二部分展示了对所生成颗粒群体特性进行表征的操作流程。颗粒数浓度-直径分布揭示了颗粒生长的不同阶段，即冷凝、凝聚，或二者结合，具体取决于反应条件。颗粒形貌通过气溶胶颗粒质谱分析仪（APM）和扫描电子显微镜（SEM）进行表征。结果证实，在特定反应条件下，由凝聚作用生长的非球形颗粒确实存在。实验结果还表明，流动管反应器可用于在相对较高浓度和较短时间内研究有机颗粒物的物理和化学性质。

反应条件矩阵总结于表1。根据所选择的α-蒎烯和臭氧浓度，可产生不同数量和质量浓度的有机颗粒物13。例如，如表1所示，当臭氧浓度为43 ppm时，将α-蒎烯浓度从0.125–100 ppm变化，可分别产生(4.4 ± 0.6) × 105 至 (9.1 ± 0.3) × 106 个颗粒∙cm3，以及101 至 104 µg∙m-3的质量浓度。
可在流动管反应器内研究颗粒物群体动态特征的演变过程。通过视频演示，开展了一项实验，使用了50 ± 1 ppm的臭氧和125 ppb的α-蒎烯。颗粒物采样器在流动管内的轴向位置允许在3.0 ± 0.2至38 ± 1 s的不同时间点进行采样。图7展示了该实验中气溶胶颗粒物群体的粒径-数量分布。随着停留时间的延长，颗粒物的总数量浓度和众数直径均有所增加。当停留时间为3 s时，未检测到颗粒物；而在更长的停留时间下，可获得并测量到颗粒物群体。当停留时间从17 ± 0.5 s增加至38 ± 1 s时，众数直径从小于10 nm增长至约50 nm。相应的数量浓度从(8.6 ± 0.5) × 104 cm-3增加至(2.56 ± 0.07) × 105 cm-3。
APM装置在三次重复实验中记录的数浓度-质量分布示例显示于 图8利用颗粒物的质量直径和迁移直径计算动态形状因子， χ 在不同颗粒亚群中，动态形状因子χ定义为实际颗粒所受阻力与体积等效球体所受阻力之比。23接近球形的颗粒的形状因子趋近于1，而高度非球形的颗粒则具有显著更大的形状因子。 图9 显示了在不同迁移率直径和湿度水平下从流动管中排出的颗粒物的动态形状因子。相应的 χ 值用于 &lt;5% 相对湿度下的值分别为 1.21 ± 0.02、1.09 ± 0.02 和 1.08 ± 0.02（一倍标准差不确定度），表明颗粒物群体主要由非球形颗粒组成。
随着相对湿度的增加，三个种群的χ值均下降，在35%相对湿度下达到最终值1.02 ± 0.01，该值在不确定度范围内对应于球形颗粒。 图10 显示暴露于条件下的颗粒的扫描电镜图像 &lt;5% 相对湿度（左列）和 80% 相对湿度（右列）。图像表明，非球形颗粒在暴露于高相对湿度后变为圆形，具体讨论见 Zhang 等7上述结果表明，流动管式反应器能够进行多种类型的在线和离线分析。
<img alt="显示α-蒎烯的臭氧反应系统示意图，包括流动管和颗粒物分析装置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55684/55684fig1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1。流动管反应器系统的示意图。 红色线条表示含有臭氧的气流，浅蓝色线条表示含有α-蒎烯的气流，深蓝色线条表示有机颗粒物的气流。APM系统由DMA、APM和CPC组成，并相互连接。该图先前出现在Shreatha et al.13中，经许可在此转载。
<img alt="Tera Term VT 设置；串行连接配置；COM1 端口通信参数。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55684/55684fig2v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2。臭氧监测与记录程序的图形用户界面。
<img alt="NI USB-TC01 温度记录、热电偶数据图、温度稳定性分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55684/55684fig3v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 3"> 
图 3。温度监测与记录程序的图形用户界面。
<img alt="压力测量的数据记录界面；显示通道选择、时间间隔设置和实时绘图选项。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55684/55684fig4v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 4"> 
图4。用于压力监测与记录程序的图形用户界面。
<img alt="动态光散射分析；SMPS装置；粒径分布图；数据分析表。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55684/55684fig5v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 5"> 
图5。粒径分布数量分析程序的图形用户界面。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/55684/55684fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="用于设置作用时间、输出电压和速度控制的颗粒计数装置界面。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55684/55684fig6v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 6"> 
图6。APM程序的图形用户界面。
<img alt="气溶胶粒径分布图，迁移直径与浓度关系，显示随时间增长的趋势。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55684/55684fig7v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图7"> 
图7．流动管中不同停留时间下颗粒群的粒径分布。 各粒径分布对应的总颗粒数浓度分别为：停留时间为3、10、17、25、32和38秒时，浓度依次为1.69 × 10-1、7.50 × 103、8.58 × 104、2.00 × 105、2.33 × 105 和 2.56 × 105 颗粒/cm-3。阴影区域表示粒径分布的标准偏差。该图此前出现在 Shreatha et al.13 中，经许可在此转载。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/55684/55684fig7large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="粒子质量与归一化浓度关系图，来自三次实验的结果，数据对比。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55684/55684fig8v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图8"> 
图8．使用DMA-APM系统测得的粒子数-质量分布示例。 展示了三次重复实验的结果，以证明可重复性。误差棒表示两倍标准差的不确定度，其大小约与数据标记点相同。线条代表对数据进行的正态分布拟合。横坐标根据APM的旋转速度以及APM圆筒壁间施加的电压计算得出。图中所示粒子由700 ppb的α-蒎烯和14 ppm的臭氧生成。DMA选择的中心迁移率直径为126.0 nm。该图此前曾发表于Zhang et al.7，经许可在此转载。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/55684/55684fig8large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="动态形状因子与湿度关系图；粒径分析；126、175、190 nm处的数据点。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55684/55684fig9v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图9"> 
图9. 相对湿度升高时的动态形状因子。 面板A：由700 ppb α-蒎烯和14、25及30 ppm臭氧生成的颗粒物，其对应粒群的中心迁移直径分别为126.0、175.0和190.0 nm。相对湿度暴露时间为310 s。各面板中的误差棒表示标准差的两倍σ。该图此前曾发表于Zhang et al.7，经许可在此转载。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/55684/55684fig9large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="通过电子显微镜研究纳米颗粒聚集；A1-C2示意图；比例尺200 nm。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55684/55684fig10v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图10"> 
图10. 由700 ppb α-蒎烯生成、中心迁移直径为180.0 nm的颗粒的扫描电镜（SEM）图像。 气溶胶颗粒在二氧化硅基底上收集12小时，随后镀上5 nm厚的Pt/Pd层。电子束电压为5 kV，工作距离为2.3 mm。第1列显示在<5%相对湿度（RH）条件下形成的由颗粒状单体构成的二聚体、三聚体及更高阶的聚集体，红色圆圈标示出单体。第2列显示在暴露于80% RH后干燥至<5% RH条件下收集到的近球形颗粒。该图此前发表于Zhang et al.7，经许可在此转载。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>O3 (ppm)</td>
			<td rowspan="4"></td>
			<td colspan="2" rowspan="4">0.15±0.02</td>
			<td rowspan="4">0.9±0.1</td>
			<td rowspan="4">5.7±0.2</td>
			<td rowspan="4">43±1</td>
			<td rowspan="4">194±2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>α-蒎烯</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>(ppm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="4">0.125 ± 0.003</td>
			<td>数量浓度</td>
			<td colspan="2">0</td>
			<td>(1±1)×102</td>
			<td>(1.0±0.6)×105</td>
			<td>(4.4±0.6)×105</td>
			<td>(3.2±0.2)×105</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>质量浓度</td>
			<td colspan="2">0</td>
			<td>(3±5)×10-2</td>
			<td>15±5</td>
			<td>11±3</td>
			<td>20±2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>众数直径</td>
			<td colspan="2">0</td>
			<td>22±4</td>
			<td>60±5</td>
			<td>35±3</td>
			<td>34±2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>几何标准偏差</td>
			<td colspan="2">N/A</td>
			<td>1.2</td>
			<td>1.3</td>
			<td>1.3</td>
			<td>1.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="4">1.00 ± 0.03</td>
			<td>数量浓度</td>
			<td colspan="2">0</td>
			<td>(3.1±0.9)×102</td>
			<td>(1.5±0.2)×105</td>
			<td>(5.5±0.2)×105</td>
			<td>(5.8±0.4)×105</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>质量浓度</td>
			<td colspan="2">0</td>
			<td>(9±3)×10-3</td>
			<td>61±9</td>
			<td>(52±0.1)×102</td>
			<td>(66±0.1)×102</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>众数直径</td>
			<td colspan="2">0</td>
			<td>33±7</td>
			<td>86±6</td>
			<td>84±3 </td>
			<td>85±19 </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>几何标准偏差</td>
			<td colspan="2">N/A</td>
			<td>1.3</td>
			<td>1.4</td>
			<td>1.5</td>
			<td>1.7</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="4">10.0 ± 0. 3</td>
			<td>数量浓度</td>
			<td colspan="2">(2±2)×101</td>
			<td>(4.0±0.2)×105</td>
			<td>(6.0±0.7)×105</td>
			<td>(6.3±0.7)×105</td>
			<td>(1.8±0.2)×106</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>质量浓度</td>
			<td colspan="2">0*</td>
			<td>(1.6±0.2)×102</td>
			<td>(2.5±0.2)×103</td>
			<td>(1.19±0.02)×104</td>
			<td>(1.57±0.02)×104</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>众数直径</td>
			<td colspan="2">8±9</td>
			<td>81±2</td>
			<td>147±9</td>
			<td>245±38</td>
			<td>155±5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>几何标准偏差</td>
			<td colspan="2">1</td>
			<td>1.4</td>
			<td>1.4</td>
			<td>1.4</td>
			<td>1.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="4">100 ± 3</td>
			<td>数量浓度</td>
			<td colspan="2">(4.4±0.3)×105</td>
			<td>(8.3±0.3)×105</td>
			<td>(8.3±0.4)×106</td>
			<td>(9.1±0.2)×106</td>
			<td>(1.3±0.02)×107</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>质量浓度</td>
			<td colspan="2">35±3</td>
			<td>(8.6±0.1)×102</td>
			<td>(1.3±0.1)×104</td>
			<td>(1.6±0.04)×105</td>
			<td>(4.0±0.1)×105</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>众数直径</td>
			<td colspan="2">48±2</td>
			<td>88±5 </td>
			<td>134±8</td>
			<td>262±12</td>
			<td>334±4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>几何标准偏差</td>
			<td colspan="2">1.4</td>
			<td>1.6</td>
			<td>1.5</td>
			<td>1.7</td>
			<td>1.9</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1. 由α-蒎烯臭氧分解生成的颗粒物的数浓度（cm-3）、质量浓度（µg m-3）、主模式直径（nm）及几何直径标准偏差。 将材料密度设为1200 kg∙m3，用于将体积浓度转换为质量浓度，所有实验的停留时间均为38 s。*尽管存在颗粒物，但其质量浓度低于检测限。本表此前曾发表于Shreatha et al.13，经许可在此转载。

本文介绍了流动管式反应器的操作流程及相关数据采集方法。展示了实验设置、数据记录以及生成粒径分布和颗粒物质量信息的方案，这些信息可提供有关有机气溶胶化学和物理特性的有用数据。

有机颗粒物（PM）对地球气候系统以及城市地区公共健康的重要性正日益受到关注，且……

流动管式反应器用于模拟大气中有机颗粒物的生成过程，以研究颗粒物的形成机制、过程及其表征。使用流动管式反应器的优势在于，能够在较宽的颗粒数浓度和质量浓度范围内快速合成气溶胶颗粒。本文所介绍的装置中，流动管式反应器配备了一个可移动的取样探针，可在反应器内部不同时间点采集有机颗粒物样品。通过多种在线和离线技术（包括扫描电迁移粒径谱仪和气溶胶粒子质谱仪）对从流动管中排出的颗粒物进行分析，并将颗粒物采集到颗粒物滤膜上。该流动管是一种适用于开展后续分析实验以及对生成的颗粒物进行快速在线和离线分析的反应器平台。大气颗粒物对气候、人类健康和能见度具有重要影响。然而，有机颗粒物的生成机制至今仍缺乏充分的表征，认识尚不清晰。解决这一问题的一种方法是利用流动管式反应器开展实验室研究，以帮助我们理解有机颗粒物的形成过程及其反应机制。流动管反应器由三个部分组成。流动管实验的第一部分是有机前体的注入。注入系统由三个部分构成。一个注射泵、一个玻璃注射器和一个三通玻璃泡。使用注射泵将有机溶液持续注入玻璃泡中，随后溶液汽化。然后蒸气被导入流动管中，在其中发生反应以生成颗粒群。流动管反应器的第二部分包括流动管本身以及一个可移动的采样器。该可移动采样器能够调节粒子在流动管内的停留时间，范围从3秒到42秒，从而帮助我们研究这些有机颗粒的腐蚀机制，并有助于在团聚与冷凝增长之间的整体机制切换。流动管反应器系统的最后一部分是用于分析有机颗粒物的仪器。我们使用扫描电迁移粒径谱仪和气溶胶粒子质量分析仪来研究颗粒物的数量浓度和质量浓度，并分析从流动管中排出的颗粒物的形态。进行流动管实验的操作步骤如下：流动管反应器的气相注入。根据实验目的，可使用多种挥发性有机化合物作为实验中的有机前体。本实验以α-蒎烯为例，说明将有机前体注入流动管反应器的操作步骤。使用微量移液器吸取1 mL α-蒎烯液体，然后将其转移至50 mL容量瓶中。使用丁醇将容量瓶定容至50 mL，从而将α-蒎烯按1:49的比例稀释。振荡容量瓶，使溶剂与溶质充分混合。用5 mL注射器吸取α-蒎烯溶液。用溶液冲洗注射器三次，然后将注射器完全充满。去除注射器内的任何气泡。将注射器连接至一根锐利的针头，然后将注射器安装到注射器推进器上。将针尖插入圆底烧瓶以汽化溶液。通过调节加热带的功率，将汽化烧瓶预热至135 ± 1 °C。将质量流量控制器的流速设定为5标准升每分钟。目的是引入5标准升/分钟的纯净空气，以温和地气化并带走从注射器注入的α-蒎烯。打开注射器注入装置，并将喷射速率调节至用户设定的数值。通过臭氧发生器以4标准升/分钟的速率进行空气的被动流动。打开臭氧发生器。通过调节发生器内屏蔽紫外灯的玻璃管长度，将臭氧浓度控制在适当范围内。开启臭氧浓度监测仪。在臭氧浓度稳定后进行实验。流动管反应器的颗粒物生成。拧开流动管反应器末端的盖子，以调节流动管反应器内可移动采样管的位置。依次改变可移动取样管的位置，以实现不同的停留时间。将可移动取样器置于流动管反应器的起始端，以获得最短的停留时间；将可移动取样器置于流动管反应器的末端，以获得最长的停留时间。将流动管式反应器置于温控双层不锈钢水夹套箱中。每次实验前进行泄漏检查和水位检查。将循环水浴的恒温器温度设定为20摄氏度。打开主计算机中的温度记录软件，并将数据采样时间设置为 10 秒。点击记录按钮时，开始记录温度传感器测得的温度。启动压力监测软件，并将采样间隔设置为 10 秒。将采样长度设置为 36,000 个点。对流动管反应器产生的颗粒物群体进行表征。使用抗静电管路将流动管反应器的出口连接至扫描电迁移颗粒粒径谱仪。启动记录粒径分布数量的软件。创建一个新文件，并将每个参数设置为适当值。通过点击“确定”按钮，记录从流动管反应器出口流出的颗粒的粒径分布数量。将水鼓泡器的两个入口连接至两个面罩流量控制器，以调节流管中鞘气的湿度。将两个入口的流速从零调节至每分钟10标准升，使鞘气的相对湿度从低于5%调节至高于95%。将水鼓泡器的出口连接至Nafion管的鞘气入口。将流管反应器的出口连接至Nafion管的主要采样入口。将相对湿度传感器连接到Nafion管的出口端，用于测量采样空气的相对湿度。将相对湿度控制装置的出口端连接至差分迁移率分析仪的进样口。使用抗静电管将差分迁移率分析仪的出口连接到APM仪器的入口。将APM的出口连接至冷凝粒子计数器。按下相应的电源按钮，开启APM仪器和APM控制箱。单击APM控制箱上的远程按钮，以便能够通过计算机中的软件界面操作仪器。启动APM控制软件。如视频所示，单击“文件”和“加载”按钮，载入预设的扫描文件。点击 APM 控制软件的开始按钮，使 APM 仪器开始采集数据。使用甲醇-水-甲醇的清洗循环清洁硅基底，以去除任何污染物。使用温和的氮气流吹干基底。将洁净的基底放置在纳米气溶胶采样器的电极上。用胶带固定基底边缘，以确保采集过程中基底稳定。开启纳米气溶胶采样器。将电压设置为负9.9千伏。将流速设置为每分钟1.8升。随后，从纳米气溶胶采样器中取出负载有采集颗粒的硅基底。通过扫描电子显微镜或表面分析等方法对基底上的颗粒物进行进一步分析，例如形貌分析。代表性结果：根据所选的α-蒎烯和臭氧浓度，可产生不同数量浓度和质量浓度的有机颗粒物。如本表所示，这些条件产生了 (4.4 ± 6) 至 (6.3 ± 7) × 10⁵ 个/立方厘米的粒子数浓度，以及分别为 10¹ 至 10⁴ 微克/立方米的质量浓度。可在流动管反应器内研究粒子群动态特性的演变过程。该图显示了本实验中气溶胶粒子群的粒径数量分布。颗粒物的总数量浓度和众数直径随停留时间增加而增大。利用颗粒物的质量直径和迁移率直径，计算了不同颗粒亚群的动态形状因子kai。该图展示了在不同迁移率直径和湿度条件下，从流动管中排出的颗粒物的动态形状因子。随着相对湿度的增加，三个种群的kai均下降，在35%相对湿度下达到最终值1.02 ± 0.01，与球形颗粒的不确定性相对应。上述流动管反应器是研究有机颗粒物理或化学性质及其演化过程的有力工具。然而，由于停留时间相对较短以及前体物浓度较高，该装置在模拟近环境条件下生成的有机颗粒物研究方面存在一定局限性。我们已证明，该流动管能够在很宽的质量浓度和数浓度范围内合成颗粒物，非常适合区分由凝并形成与由冷凝形成的大颗粒物。该流动管也适用于在相对较高的质量条件下收集有机颗粒物。

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本文介绍了哈佛环境舱（HEC）及其相关仪器的操作流程，用于测量气体和颗粒物种类。该环境舱用于生成和研究由有机前体物产生的二次有机物，尤其与大气中的有机颗粒物相关。...

哈佛环境舱中有机颗粒物的生成与测量

本文介绍了一种利用停止-流动微管（SFMT）反应器进行有机反应筛选的实验方案，该方案适用于使用气态反应物和/或可见光介导的反应。...

利用停流微管反应器开发有机转化反应

通过定量物种分布数据的比较，研究了新型生物燃料、燃料组分或航空燃料的氧化燃烧化学。这些数据可用于动力学模型的验证，并支持燃料评估策略。本文描述了常压高温流动反应器，并展示了其功能。...

燃料燃烧化学：利用耦合分子束质谱仪的大气压高温流动反应器获取定量物种数据

已开发出一种用于测量实验室规模垫料式粪便堆中气体、气味和营养成分的方案，该方案可用于研究如何利用深垫料式粪便堆改善商业养牛场的空气质量。...

用于评估深床畜粪排放臭气与气体浓度的实验室规模模型

本文介绍了一种用于评估实际驾驶条件下亚23 nm颗粒物汽车排放的便携式排放测量系统——DownToTen...

使用便携式DownToTen采样系统测量低于23纳米的实际驾驶颗粒物数量排放

本文介绍了一种构建和测试简单且高效低成本粒子探测器的实验方案。...

低成本粒子探测器的增材制造技术实现

了解流管反应器中α-蒎烯臭氧分解生成有机颗粒物的实验方法。该方案通过SMPS、APM和SEM等技术测定颗粒物尺寸分布、形貌及生长机制，为大气化学与环境科学研究提供可控合成平台。

流动管反应器中有机颗粒物的生成与测量

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