Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

قياس الجسيمات العضوية في قاعة جامعة هارفارد البيئية والإنتاج

Published: November 18, 2018 doi: 10.3791/55685
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 1, 1, 1, 3, 1,4
1School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, 2Department of Environmental Science and Engineering, Gillings School of Global Public Health, University of North Carolina, 3Department of Chemistry, Northwestern University, 4Department of Earth and Planetary Sciences, Harvard University

Summary

وتصف هذه الورقة الإجراءات العملية للدائرة البيئية من "جامعة هارفارد" (الانتخابات) والأجهزة ذات الصلة لقياس الغازات والجسيمات من الأنواع. يتم استخدام الدائرة البيئية لإنتاج ودراسة الأنواع العضوية الثانوية المنتجة من السلائف العضوية، لا سيما المتصلة بالغلاف الجوي الجسيمات العضوية.

Abstract

الإنتاج وتطور الجسيمات العضوية الغلاف الجوي (م) مفهومة غير كاف لمحاكاة دقيقة لكيمياء الغلاف الجوي والمناخ. آليات الإنتاج المعقدة ومسارات رد فعل جعل هذا موضوع بحث صعبة. لمعالجة هذه القضايا، هناك حاجة إلى تشكيل دائرة البيئة، توفير ما يكفي من الوقت الإقامة وتركيزات إغلاق إلى المحيط من السلائف للمواد العضوية الثانوية،. بني الدائرة البيئية جامعة هارفارد (الانتخابات) لخدمة هذه الحاجة، محاكاة إنتاج الغاز والجسيمات المرحلة الأنواع من المركبات العضوية المتطايرة (VOCs). اللجنة العليا للانتخابات بحجم 4.7 م3 ووقت إقامة يعني ح 3.4 تحت ظروف التشغيل المعتادة. هي تعمل كمفاعل تدفق مختلط تماما (إعلاميون)، توفير إمكانية عملية إلى أجل غير مسمى للحالة المستقرة عبر الأيام لتحليل البيانات وجمع العينات. الإجراءات العملية التي ترد بالتفصيل في هذه المقالة. وتستخدم عدة أنواع من الأجهزة لتوصيف إنتاج الغاز والجسيمات. يستخدم مطياف كتلة الهباء الجوي (HR-ToF-مقياس الدعم الكلي) وقت للكفاح عالية الدقة لوصف الجسيمات. "مطياف الكتلة" بروتون--نقل--رد الفعل (PTR-MS) يستخدم لتحليل الغازية. وترد نتائج المثال لإظهار استخدام الدائرة البيئية في مجموعة متنوعة واسعة من التطبيقات المتعلقة بالخصائص الفيزيائية واليات رد الفعل للعضوية جسيمات الغلاف الجوي.

Introduction

ويتم إنتاج الجسيمات العضوية الغلاف الجوي (م) من أكسدة المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) المنبعثة من محميات المحيط الحيوي، والأنشطة البشرية1،2. على الرغم من الآثار الهامة لهذه الأيروسول الجسيمات في المناخ، والصحة البشرية، والرؤية3، آليات الإنتاج يبقى غير كامل مفهومة وتتسم، كمياً ونوعيا. أحد التحديات للدراسات المختبرية، التي بالضرورة محدودة النطاق والوقت، لمحاكاة تطور الغلاف الجوي من الغازات والجسيمات من الأنواع المرحلة. يجب أن تكون أوقات الإقامة طويلة بما يكفي أن المركبات في مراحل الغازات والجسيمات يمكن الخضوع للأكسدة ورد متعدد المراحل كما يفعلون في البيئات المحيطة4،5،،من67، 8. تحد آخر للعمل في المختبر بتركيزات منخفضة بما فيه الكفاية التي تمثل البيئة المحيطة9،،من1011. مقياس العديد من العمليات الهامة مع التركيزات. على سبيل المثال، يمكن أن تحول تركيز الشامل مفرطة في الارتفاع بعد الظهر العضوية في تجربة مختبرية خطأ تقسيم الأنواع المتطايرة من الطور الغازي إلى مرحلة الجسيمات. تكوين مراحل الغازات والجسيمات يمكن أن تصبح غير ممثلة للأحوال الجوية. صمم "الدائرة البيئية في جامعة هارفارد" للاستجابة لهذه التحديات، أساسا باستخدام نهج لتكوين تدفق مستمر تعمل تحت مقياس الوقت إلى أجل غير مسمى، مما يسمح لتركيزات منخفضة وأزمنة طويلة التكامل الكشف عن إشارة. قاعة يحتفل معلما لأثني عشر عاماً الاكتشافات العلمية في عام 2018.

الدوائر البيئية تختلف استناداً إلى مصدر الضوء، تدفق خلط النظام وحجم وعدد الدوائر العاملة معا. وهناك دوائر في الهواء الطلق التي تتلقى أشعة الشمس الطبيعية12،13 ، فضلا عن الدائرة الداخلية التي تعمل مع الضوء الاصطناعي14،،من1516،17،18 ،19،،من2021. كما يمكن أن يبني الدوائر في الهواء الطلق كبيرة نسبيا، والتقليل إلى أدنى حد من التحف التي يمكن الأخذ بها آثار الجدار، على رغم أن التحديات تشمل تباين الإضاءة بسبب الغيوم، فضلا عن الفرق في درجة الحرارة. على الرغم من أن الدوائر داخلي بدقة التحكم في درجة الحرارة والرطوبة النسبية، الكثافة والطيف من الضوء الاصطناعي عموما مختلفة من أشعة الشمس الطبيعية، التي قد تؤثر على بعض التفاعلات الكيميائية الضوئية14. يمكن أيضا تشغيل الدوائر كمفاعلات دفعة أو التدفق المختلط تماما المفاعلات (إعلاميون)22. مفاعلات دفعة أسهل عموما لتشغيل وصيانة ولكن يمكن تشغيلها إعلاميون لأسابيع، حسب الحاجة، للسماح بدمج الإشارات والعمل وبالتالي في تركيزات منخفضة، وذات صلة تحللت.

هنا، والأجهزة، وتشغيل الدائرة البيئية من "جامعة هارفارد" (الانتخابات)7،،من2324،25 يرد بالتفصيل. اللجنة العليا للانتخابات يتكون من كيس تفلون PFA3 م 4.7 يقع داخل دائرة درجة الحرارة ثابت (2.5 × 2.5 × 2.75 م3)26. صفائح الألومنيوم العاكسة تغطي الجدران الداخلية للدائرة السماح للإضاءة المتعددة عن طريق الحقيبة ومن ثم زيادة معدل الكيمياء الضوئية. اللجنة العليا للانتخابات هو مقام فلبينيين، استخدام معدل تدفق إجمالي 21 sLpm والمقابلة لفترة إقامة يعني 3.4 ح27. يتم الاحتفاظ بدرجة الحرارة والرطوبة، وتركيز الأوزون بعناصر التغذية المرتدة. تستخدم كبريتات الأمونيوم الجسيمات كجسيمات البذور لتقليد تكثيف المكونات العضوية على الجزيئات غير العضوية في البيئة المحيطة. يتم تحديد وضع القطر من الجزيئات غير العضوية سلفات ليكون 100-200 نانومتر لمحاكاة أحجام الجسيمات التي تقاس في الميدان28. يتم وصف الإجراءات العملية في المقطع بروتوكول هذه الاتفاقية، بما في ذلك عرض مرئي، تليها مناقشة موجزة لتطبيقات ونتائج البحوث للجنة العليا للانتخابات.

Protocol

ملاحظة: تشمل البارامترات البيئية الرئيسية التي يقاس الأوزون (محلل الأوزون)، لا و NO2 (محلل أكاسيد النيتروجين)، الرطوبة النسبية (RH الاستشعار) ودرجة الحرارة (الحرارية نوع K) والضغط التفاضلي بين الحقيبة والدائرة. الماركات صك مدرجة في "الجدول للمواد". يجب أن تكون المعلمات البيئية تقاس بالصكوك مستقرة وضمن متطلبات التصميم قبل البدء التجارب. قاعة البيئية يستخدم نظام التغذية مرتدة باستمرار رصد وضبط عناصر التحكم حتى تظل البارامترات البيئية ضمن متطلبات طوال فترة التجربة.

1-بدء الإجراءات

  1. معلمات الإعداد وحقن التأكسد
    1. تعيين المعلمات المادية لدائرة البيئة بنظام التغذية المرتدة (PID). تعيين الضغط التفاضلي إلى 4 السلطة الفلسطينية (30 متور). عندما يتم الضغط عالية جداً أو منخفضة جداً، صمام الملف اللولبي فتح أو إغلاق لضبط ضغط الكيس داخل النطاق المحدد.
    2. قم بتشغيل مولد الأوزون توليد تدفق الأوزون عن طريق تمرير الهواء الجاف من خلال مصباح الأشعة فوق البنفسجية. تعيين معدل التدفق إلى 0.1 sLpm للوصول إلى 100 جزء في البليون من تركيز الأوزون النهائي داخل اللجنة العليا للانتخابات. بدوره على رصد الأوزون وتنشيط البرامج المناظرة.
    3. تعيين الرطوبة النسبية من الحقيبة إلى القيم المعينة. في هذه التجربة خاصة، استخدام 40% رطوبة نسبية ولكن يمكن تغيير مستوى الصحة الإنجابية من < 5% إلى 80%. أجهزة الاستشعار RH ونظام مراقبة التغذية المرتدة الاحتفاظ بالرطوبة النسبية في الحقيبة مستقرة بضبط نسبة تدفق الهواء الجافة والرطبة. الإمداد بالهواء الجاف يتم توفيرها من قبل مولد الهواء النقي، الذي يولد صفر الهواء خال من المواد الهيدروكربونية، والمياه (RH < 1%)، وأكاسيد النيتروجين. تستعد تدفق الهواء الرطبة بالهواء الجاف محتدما عبر المياه عالية النقاء (18 MΩ سم) لإنشاء تدفق الهواء المشبعة بالقرب.
    4. ضبط درجة حرارة الغرفة إلى 25.0 هو درجة مئوية. يوزع الجلسة المكتملة داخلية تكييف الهواء بالتساوي من خلال سقف الفولاذ المقاوم للصدأ مع نظم مراقبة التغذية المرتدة التي تحافظ على درجة الحرارة داخل القيم المعينة.
    5. الانتظار للمعلمات البيئية الأخرى لتكون مستقرة وضمن متطلبات التصميم.
  2. قم بتوصيل المداخل للصكوك دائرة البيئة. بدء تشغيل البرنامج نمواً ذاتيا عن طريق النقر فوق الزر ابدأ . التحقق من صحة البيانات في الوقت الحقيقي عرض على البرمجيات المتقدمة النمو الذاتي الذي يدمج مراقبة التغذية المرتدة (الشكل 2).
  3. قم بتشغيل جميع الصكوك وننتظر منهم أن الاحماء تماما.

2-بذور إنتاج الجسيمات

ملاحظة: قبل حقن الجسيمات البذور، تركيز الجسيمات الأولية أدناه سم 1-3.

  1. إنتاج كبريتات البذور الجسيمات
    1. حقن جزيئات كبريتات الجافة أو شبه مونوديسبيرسي في الكيس، سواء لمحاكاة أفضل الظروف المحيطة، وأيضا بمثابة المتوسطة للنمو كوندينساشونال للمواد العضوية الثانوية. حقن جزيئات البذور يتم كما يلي.
    2. تذوب كبريتات الأمونيوم (0.01 g) في المياه عالية النقاء (18 MΩ∙cm) في قارورة حجمية 100 مل إعداد حل (NH4) 2SO4 (0.1 g∙L-1).
    3. استخدام رذاذ لإنتاج (NH4) 2SO4 جسيمات الهباء الجوي بمعدل تدفق 3 sLpm.
    4. تمرير تدفق الهباء الجوي من خلال انتشار مجفف (هلام السليكا) جلب الرطوبة النسبية وصولاً إلى 10%.
  2. حقن التحديد وحقيبة الجسيمات البذور
    1. تمرير تدفق الهباء الجوي من خلال شاحن ثنائي القطب (85كرونة) والتفاضلية التنقل محلل (DMA) لحجم تحديد الجزيئات وإعداد توزيعاً شبه مونوديسبيرسي التي تنقل الكهرباء. يتم توسيع وظيفة الإرسال باستخدام تدفق غمد للهباء الجوي في DMA من 10:3. يختلف القطر التنقل الكهربائية المحدد من الجسيمات تغادرها DMA من 50 إلى 150 نيوتن متر اعتماداً على التجربة. نموذجي عدد تركيز يتراوح من 4000 إلى سم 8,000-3.
    2. تغذية الأيروسول أو شبه مونوديسبيرسي بكيس بمعدل تدفق 3 sLpm. رصد الجسيمات تخرج الحقيبة باستخدام مسح حركة الجسيمات تحجيم (المكاتب الصغيرة). الانتظار لتوزيع حجم الجسيمات البذور لتصبح مستقرة. فقدان الجسيمات بسبب الانحناء الأنابيب، فضلا عن رسوم ثابتة على الكيس الحد الأدنى، خاصة بالنسبة لأحجام الجسيمات المستخدمة في هذه التجربة (أكبر من 100 nm)29،30.

3-حقن الغاز المرحلة السلائف

  1. حقن السلائف المرحلة الغازية
    1. استخدم حقنه لسحب 1.00 مل الحل أيسوبرين. شطف المحاقن ثلاث مرات مع الحل قبل الانسحاب النهائي.
    2. ضع المحاقن في حاقن المحاقن. إدراج تلميح إبرة عن طريق ختم المطاطي قارورة مستديرة القاع (25 مل). قبل الحرارة قارورة إلى 90 ± 1 درجة مئوية بتدفئة الشريط. بدوره على حقن حقنه وتعيينها إلى قيمة مناسبة (μL∙min 1، 1 إلى 4-4-1). يتم ضبط تركيز الغاز-المرحلة تمهيدا لتجربة مختلفة بالتحكم في معدل حقن حقنه. لإجراء تجارب طويلة، تحديث المحاقن حسب الحاجة.
    3. يعرض تدفق sLpm 2 لتنقية الهواء لتبخير وحمل أيسوبرين حقن في قارورة مستديرة القاع. تدفق الهواء كبيرة بما يكفي أن الحبرية لاطئة في غيض المحاقن تبخيرها بدلاً من نازف إلى قارورة. نتيجة لذلك تركز السلائف المرحلة الغاز لا تزال مستقرة.
  2. تشغيل التبديل مصابيح الأشعة فوق البنفسجية داخل اللجنة العليا للانتخابات.

4-أداة القياس

ملاحظة: تركيبة أيسوبرين والأشعة فوق البنفسجية يؤدي إلى إنتاج المواد العضوية الثانوية على الجسيمات البذور كبريتات.

  1. توزيع القطر عدد الجسيمات الخروج من الحقيبة
    1. نموذج التدفق من الحقيبة باستخدام أنابيب مقاومة للكهرباء.
    2. بدء تشغيل البرنامج قياس الهباء الجوي وإنشاء ملف جديد بالنقر فوق إنشاء ملف جديد. يتم تعيين كل معلمة كما هو موضح في الشكل 3. سجل توزيعات القطر عدد الجسيمات التي تخرج الحقيبة بالنقر فوق الزر "موافق" .
  2. توصيف المواد الكيميائية العضوية الدقائقية.
    1. فتح صمام أخذ العينات الفولاذ المقاوم للصدأ داخل الكيس. تدفق عينات الأيروسول في مطياف كتلة الهباء الجوي (HR-ToF-مقياس الدعم الكلي) وقت طيران ذات الدقة عالية.
    2. بدء تشغيل البرنامج الحصول على البيانات بالضغط على زر الحصول على الزاوية اليسرى السفلي من لوحة (الشكل 4). وتسجل الأطياف أسلحة عالية الدقة من الساعة العضوية أثناء وقت للتجارب. كما يتم الحصول على التركيز الشامل العضوي الكلي.
  3. وصف الأنواع المرحلة الغازية
    1. فتح صمام أخذ العينات من أنبوب تفلون PTFE داخل الكيس. ويسترشد تدفق عينات مطياف كتلة وقت طيران بروتون--نقل--رد فعل (PTR TOF-مللي ثانية). يتم الحصول على الأطياف أسلحة من الأنواع الغازية وجود ارتباط بروتون أعلى من المياه.
    2. استخدام إعدادات المعلمة لمصدر أيون PTR-TOF-MS هو موضح في الشكل 5 في PTR-مديرالبرنامج. بدء الحصول على البيانات بالوصول إلى القائمة المنسدلة اقتناء البرمجيات عارض توفداق ثم الضغط على ابدأ. سجل السلسلة الزمنية لكل أيون من خلال هذا البرنامج.

5-نهاية التجربة وتنظيف كيس

  1. إيقاف حقن السلائف المرحلة الغازية والجسيمات البذور الهباء الجوي.
  2. لعدة أيام باستمرار ضخ الهواء النقي في 40 L∙min-1 في الكيس. قم بتشغيل كافة أضواء الأشعة فوق البنفسجية. تعيين تركيز الأوزون إلى 600 جزء في البليون وتعيين درجة الحرارة إلى 40 درجة مئوية. بهذه الطريقة، يتم الاحتفاظ ببيئة أكسدة عدوانية لعدة أيام لفرك الحقيبة. عندما يكون تركيز الجسيمات داخل الدائرة رقم 3 سم أقل من 0.2، الدائرة تعتبر نظيفة ويمكن استخدامها في التجربة المقبلة.

Representative Results

ويرد مثال للسلسلة الزمنية للتركيز الشامل العضوية المسجلة بالموارد البشرية، ToF هيئة علماء المسلمين خلال تجربة واحدة في الشكل 6. وكانت ظروف تجريبية 490 جزء في البليون من أيسوبرين مع مصابيح الأشعة فوق البنفسجية تحول على تقديم أوه الراديكالي كما الأكسدة. كتلة تركز م العضوية باطراد بعد بداية التجربة حتى بعد التوصل إلى حالة مستقرة ح حوالي 4. تطور المركبات العضوية المرحلة الغازية في نفس الوقت درس استخدام يظهر PTR-TOF-السيدة الشكل 7 إشارة السلسلة الزمنية لل ج4ح6س+ كثافة تحت التجربة نفسها التي تنشأ من أيسوبرين الرئيسية منتجات أكسدة الميثيل الفينيل كيتون (مثلاً، ميثاكرولين، و hydroperoxides العضوية عدة). بعد أن بدأت الإضاءة، ج4ح6س+ إشارة كثافة زادت وواصلت القيام بذلك حتى يتم التوصل إلى حالة مستقرة بعد 50 دقيقة.

وتوضح الأرقام تطور الوقت الثانوي المواد العضوية في اللجنة العليا للانتخابات. بعد الحقن، ورد الفعل، وتدور ما يصل إلى حالة مستقرة، تشير البيانات مقياس الدعم الكلي إلى أن الجزيئات تتكون من المركبات العضوية، ويزيد من تركيز المكونات العضوية مع مرور الوقت. إظهار بيانات PTR-مرض التصلب العصبي المتعدد أن السلائف الأصل المفقود من الطور الغازي وتظهر الأنواع المنتج من الجيل الأول بعد بدء رد الفعل. تحليل بيانات لقياسات متصلاً بشبكة الإنترنت عادة ما تركز على فترة حالة ثابتة. وهناك فرصة لإجراء التجارب التي تتطلب يوما لإنهاء لأن تركيزات الغازات والجسيمات المرحلة الأنواع تظل مستقرة إلى أجل غير مسمى باستخدام عملية فلبينيين مع عناصر التغذية المرتدة على البارامترات الدائرة الهامة. وباختصار، تستخدم اللجنة العليا للانتخابات لمحاكاة كيمياء الغلاف الجوي، وبالتالي اختبار الفرضيات والتفاهم على المواضيع الهامة المتعلقة بفهم تلوث الهواء والمناخ يؤثر على الجسيمات، وحتى الآثار الصحية للهباء الجوي.

Figure 1
الشكل 1 . الرسم تخطيطي تدفق من الدائرة البيئية جامعة هارفارد (الانتخابات)- تمثل الخطوط تدفق الهباء الجوي. إظهار لوحات اليسار والأدوات المستخدمة لرصد رد فعل شروط. قائمة لوحات حق تلك الأدوات المستخدمة لوصف الجسيمات والغاز المرحلة الأنواع. وهذا الرقم مقتبس من الملك et al. 26 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- 

Figure 2
الشكل 2 . واجهة المستخدم الرسومية لبرنامج الذاتية المتقدمة المستخدمة لرصد درجة الحرارة والأوزون، والرطوبة النسبية والضغط، من بين الأنواع الأخرى. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3 . واجهة المستخدم الرسومية للبرمجيات المستخدمة لتسجيل توزيع القطر عدد من المكاتب الصغيرة باستخدام- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4 . واجهة المستخدم الرسومية للبرنامج ليعمل "مطياف الكتلة الهباء الجوي". الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
الشكل 5 . واجهة المستخدم الرسومية للبرنامج للتحكم في "مطياف الكتلة" بروتون--نقل--رد الفعل (PTR-MS) الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
الرقم 6 . قياسات مثال للعضوية بعد الظهر، كما تتسم "مطياف الكتلة الهباء الجوي". الخط الأحمر يمثل كثافة الإشارات الإجمالية للايونات العضوية. وتناظر البيانات تظهر بعد وقت قصير تم حقن أيسوبرين وبدأ الضوء فوق البنفسجي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 7
الشكل 7 . مثال لكثافة إشارة ج 4 ح 6 س+ أيون، منتج رئيسي أيسوبرين التأكسد القياس "قياس الطيف الكتلي" بروتون-نقل-رد فعل. كثافة إشارة بدأ بزيادة 8 دقيقة بعد الإضاءة والتوصل إلى حالة مستقرة في 50 دقيقة الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Discussion

ازدياد أهمية في فهم تشكيل وتطور من الهباء الجوي العضوية يؤدي إلى الرغبة في بناء الدوائر البيئية لمحاكاة هذه العمليات في إعداد التي تسيطر عليها جيدا. في الوقت الحاضر، تقوم معظم الدوائر البيئية على دفعة المفاعل وضع19،31،32،،من3334 في حين كان هناك عدد قليل جداً من الدوائر التي تستخدم باستمرار خلط مفاعل وضع15،35. تعمل الدائرة باستمرار تدفق مفاعل الوضع البيئي يوفر الراحة لأخذ العينات الهباء الجوي المستمر لأيام أو حتى أسابيع في تركيزات المحيطة مثل. تجدر الإشارة إلى أن الظروف المحيطة أكثر تعقيداً من إعدادات المختبر التي تسيطر عليها جيدا. على سبيل المثال، درجة حرارة المحيط يتقلب بينما في الدائرة هو الحفاظ على قيمة ثابتة. سوف تسيطر وقت رد الفعل من الغازات والجسيمات في الدائرة ومحدودة بمقر الدائرة، بدلاً من أيام التوصل إلى رد فعل الزمن في العالم الحقيقي. كما يمكن استخدام بلاكلايتس، بدلاً من الإشعاع الشمسي الطبيعي، تولد الهيدروكسيل ومحاكاة ردود الفعل في المحيط. ولكن blacklight في بعض الأحيان يمكن أن يؤدي إلى تركيز مرتفعة من راديكليس يا بالمقارنة مع تلك الموجودة في البيئة المحيطة، والتي قد تؤثر على حالة أكسدة الجزيئات العضوية ويحتاج إلى دراسة متأنية. بيد بضبط المتغيرات فقط واحد أو اثنين، والسيطرة على جميع المتغيرات الأخرى من خلال دائرة البيئة، ونحن بصورة منهجية دراسة هذه العمليات الكيماوية/الفيزيائية.

إحدى الخطوات الحاسمة في التشغيل باستمرار خلط الدوائر إبقاء الضغوط الداخلية الدائرة داخل مجموعة أمثل. سوف يتسبب ضغط العالي داخل قاعة تسرب الغازات والجسيمات من الدائرة، بينما ضغط منخفض داخل الدائرة سوف امتصاص الهواء وجزيئات من المختبر إلى الدائرة وتسبب التلوث. مطلوب مقياس ضغط لمراقبة ضغط الدائرة ضمن القيم الآمنة (< 5 باسكال) طوال فترة التجارب. مسألة الملاحظة مشتركة أخرى لدائرة البيئة هو التنو الذاتي الجسيمات العضوية غير متوقعة. أما معدل حقن المركبات العضوية المتطايرة/أكسدة أقل أو أعلى تركيز جسيمات بذور ضروري لتجنب هذه الظاهرة. استناداً إلى الغرض من هذه التجارب، يمكن أن تختلف تركيزات الأوزون والمركبات العضوية المتطايرة، والجسيمات البذور بحجم واحد. يمكن استخدام المعادلة التالية لحساب معدل التدفق، والحقن، من كل الأنواع التي تحقن في الدائرة.

Equation 1(1)

حيث تمثل جالمستهدف و جالأولى كل تركيز الهدف النهائي مادة التفاعل داخل الدائرة، وتركيز مادة التفاعل التي يتم إنشاؤها من المصدر الأولى. وتمثل الرمز وإجمالي التدفق الإجمالي لجميع الأنواع التي تم ضخها في الدائرة.

الخطوة الثالثة الحاسمة لنجاح تشغيل الدائرة البيئية والحصول على النتائج لمعايرة كل صك قبل التجارب. يمكن معايرة نظام المكاتب الصغيرة عن طريق حقن معروفة حجم الجسيمات البولندي36. محللx والأوزون لا محسوب باستخدام 5 صفحات في الدقيقة لا اسطوانة تمييع ن2و 10 أجزاء من المليون من الأوزون تمييع ن2، على التوالي في26. إجراءات المعايرة لمقياس الدعم الكلي ومرض التصلب العصبي المتعدد-PTR معقدة ويمكن العثور في كتيبات الصك أو27،الآداب السابق37.

إعداد دائرة البيئة المذكورة أعلاه ليس فقط مناسبة لدراسة الإنتاج وتطور العضوية الهباء الجوي، ولكن تنطبق أيضا في طلاء مختلف الجسيمات مع طلاء العضوية كذلك دراسة تفاعلات المرحلة الغازية عن طريق حقن الغاز السلائف فقط. هذه اتجاهات متعددة توفر دائرة البيئة بالمرونة في دراسة مجموعة متنوعة من المجالات البحثية المتعلقة بنوعية الهواء وتغير المناخ، ومواضيع الصحة البشرية.

Disclosures

الكتاب يعلن لا تضارب المصالح المالية.

Acknowledgments

هذه المواد ويستند إلى العمل المدعوم من "برنامج العلوم البيئية الكيميائية" في "شعبة الكيمياء" من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) تحت رقم المنحة 1111418، "شعبة" علوم الأرض الجوي في العلوم الوطنية في "الولايات المتحدة" مؤسسة (NSF) تحت رقم المنحة 1524731، فضلا عن جائزة نشرة كلية هارفارد. ونعترف ليو بنغفي المساهمة، وتشن تشي، وكوتى ميكينوري للمناقشات المفيدة والمساعدة مع التجارب، فضلا عن إريك اتكوفيتش لكونها صوتية للفيديو.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
(-)-α-pinene  Sigma-Aldrich 305715
2-butanol  Sigma-Aldrich 294810
5.00 mL syringe  Hamilton 201300
Aerosol particle mass analyzer Kanomax 3600
Condensational particle counter TSI 3022
Differential mobility analyzer TSI 3081
Heating mantle Cole-parmer WU-36225-10
Mass flow controller MKS M100B
Nafion tube Perma Pure MD-700-24F-1
Nanometer aerosol sampler TSI 3089
Ozone generator Jelight 600
Ozone monitor Ecosensors UV-100
Pressure sensor Omega PX409
RH sensor Rotronic 60587161
Round-bottom, three neck flask Aceglass 6944-04
Scanning electron microscope Zeiss N/A Ultra plus FESEM
Scanning mobility particle sizer TSI 3071A+3772 electrostatic classifier is model 3071A and the condensational particle ocunter is 3772
Silicon substrate University Wafer 1707
Syringe Needle Hamilton 90025 25 G, 2 inch
Syringe pump Chemyx Fusion Touch 200
Temperature sensor National Instrument USB-TC01
water circulator Brinkmann RC6

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hallquist, M., et al. The formation, properties and impact of secondary organic aerosol: current and emerging issues. Atmospheric Chemistry and Physics. 9, 5155-5236 (2009).
  2. Fehsenfeld, F., et al. Emissions of volatile organic compounds from vegetation and the implications for atmospheric chemistry. Global Biogeochemical Cycles. 6, 389-430 (1992).
  3. Seinfeld, J. H., Pandis, S. N. Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change. , John Wiley, Sons. (2006).
  4. Zaveri, R. A., Easter, R. C., Shilling, J. E., Seinfeld, J. H. Modeling kinetic partitioning of secondary organic aerosol and size distribution dynamics: representing effects of volatility, phase state, and particle-phase reaction. Atmospheric Chemistry and Physics. , 5153-5181 (2014).
  5. Shiraiwa, M., Berkemeier, T., Schilling-Fahnestock, K. A., Seinfeld, J. H., Pöschl, U. Molecular corridors and kinetic regimes in the multiphase chemical evolution of secondary organic aerosol. Atmospheric Chemistry and Physics. 14, 8323-8341 (2014).
  6. Ziemann, P. J., Atkinson, R. Kinetics, products, and mechanisms of secondary organic aerosol formation. Chemical Society Reviews. 41, 6582-6605 (2012).
  7. Chen, Q., Liu, Y., Donahue, N. M., Shilling, J. E., Martin, S. T. Particle-Phase Chemistry of Secondary Organic Material: Modeled Compared to Measured O:C and H:C Elemental Ratios Provide Constraints. Environmental Science and Technology. 45, 4763-4770 (2011).
  8. Liu, P., et al. Highly Viscous States Affect the Browning of Atmospheric Organic Particulate Matter. ACS Central Science. 4 (2), 207-215 (2018).
  9. Jimenez, J. L., et al. Evolution of organic aerosols in the atmosphere. Science. 326, 1525-1529 (2009).
  10. Goldstein, A. H., Galbally, I. E. Known and unexplored organic constituents in the earth's atmosphere. Environmental Science and Technology. 41, 1514-1521 (2007).
  11. Martin, S. T., et al. Sources and properties of Amazonian aerosol particles. Review of Geophysics. 48, RG2002 (2010).
  12. Zhang, H., Surratt, J. D., Lin, Y. H., Bapat, J., Kamens, R. M. Effect of relative humidity on SOA formation from isoprene/NO photooxidation: enhancement of 2-methylglyceric acid and its corresponding oligoesters under dry conditions. Atmospheric Chemistry and Physics. 11, 6411-6424 (2011).
  13. Rohrer, F., et al. Characterisation of the photolytic HONO-source in the atmosphere simulation chamber SAPHIR. Atmospheric Chemistry and Physics. 5, 2189-2201 (2005).
  14. Cocker, D. R., Flagan, R. C., Seinfeld, J. H. State-of-the-art chamber facility for studying atmospheric aerosol chemistry. Environmental Science and Technology. 35, 2594-2601 (2001).
  15. Shilling, J. E., et al. Loading-dependent elemental composition of α-pinene SOA particles. Atmospheric Chemistry and Physics. 9, 771-782 (2009).
  16. Presto, A. A., Huff Hartz, K. E., Donahue, N. M. Secondary organic aerosol production from terpene ozonolysis. 1. effect of UV radiation. Environmental Science and Technology. 39, 7036-7045 (2005).
  17. Epstein, S. A., Blair, S. L., Nizkorodov, S. A. Direct photolysis of α-pinene ozonolysis secondary organic aerosol: effect on particle mass and peroxide content. Environmental Science and Technology. 48, 11251-11258 (2014).
  18. Boyd, C. M., et al. Secondary organic aerosol formation from the β-pinene+NO3 system: effect of humidity and peroxy radical fate. Atmospheric Chemistry and Physics. 15, 7497-7522 (2015).
  19. Xu, L., Kollman, M. S., Song, C., Shilling, J. E., Ng, N. L. Effects of NOx on the volatility of secondary organic aerosol from isoprene photooxidation. Environmental Science and Technology. 48, 2253-2262 (2014).
  20. Loza, C. L., et al. Characterization of vapor wall loss in laboratory chambers. Environmental Science and Technology. 44, 5074-5078 (2010).
  21. Lin, Y. H., et al. Isoprene epoxydiols as precursors to secondary organic aerosol formation: acid-catalyzed reactive uptake studies with authentic compounds. Environmental Science and Technology. 46, 250-258 (2012).
  22. Martin, S. T., Kuwata, M., Smith, M. L. An analytic equation for the volume fraction of condensationally grown mixed particles and applications to secondary organic material produced in continuously mixed flow reactors. Aerosol Science and Technology. 48, 803-812 (2014).
  23. Bateman, A. P., Bertram, A. K., Martin, S. T. Hygroscopic Influence on the Semisolid-to-Liquid Transition of Secondary Organic Materials. Journal of Physical Chemistry A. 119, 4386-4395 (2015).
  24. Shilling, J. E., King, S. M., Mochida, M., Worsnop, D. R., Martin, S. T. Mass spectral evidence that small changes in composition caused by oxidative aging processes alter aerosol CCN properties. The Journal of Physical Chemistry A. 111, 3358-3368 (2007).
  25. Smith, M. L., Kuwata, M., Martin, S. T. Secondary Organic Material Produced by the Dark Ozonolysis of alpha-Pinene Minimally Affects the Deliquescence and Efflorescence of Ammonium Sulfate. Aerosol Science and Technology. 45, 244-261 (2011).
  26. King, S. M., Rosenoern, T., Shilling, J. E., Chen, Q., Martin, S. T. Increased cloud activation potential of secondary organic aerosol for atmospheric mass loadings. Atmospheric Chemistry and Physics. 9, 2959-2971 (2009).
  27. Shilling, J. E., et al. Particle mass yield in secondary organic aerosol formed by the dark ozonolysis of α-pinene. Atmospheric Chemistry and Physics. 8, 2073-2088 (2008).
  28. Nguyen, T. K. V., et al. Trends in particle-phase liquid water during the Southern Oxidant and Aerosol Study. Atmospheric Chemistry and Physics. 14, 10911-10930 (2014).
  29. Nah, T., McVay, R. C., Pierce, J. R., Seinfeld, J. H., Ng, N. L. Constraining uncertainties in particle-wall deposition correction during SOA formation in chamber experiments. Atmospheric Chemistry and Physics. 17, 2297-2310 (2017).
  30. Reineking, A., Porstendörfer, J. Measurements of Particle Loss Functions in a Differential Mobility Analyzer (TSI, Model 3071) for Different Flow Rates. Aerosol Science and Technology. 5, 483-486 (1986).
  31. Kroll, J. H., Seinfeld, J. H. Chemistry of secondary organic aerosol: Formation and evolution of low-volatility organics in the atmosphere. Atmospheric Environment. 42, 3593-3624 (2008).
  32. Surratt, J. D., et al. Reactive intermediates revealed in secondary organic aerosol formation from isoprene. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 107, 6640-6645 (2010).
  33. Surratt, J. D., et al. Effect of Acidity on Secondary Organic Aerosol Formation from Isoprene. Environmental Science and Technology. 41, 5363-5369 (2007).
  34. Isaacman-VanWertz, G., et al. Chemical evolution of atmospheric organic carbon over multiple generations of oxidation. Nature Chemistry. 10, 462-468 (2018).
  35. Docherty, K. S., et al. Trends in the oxidation and relative volatility of chamber-generated secondary organic aerosol. Aerosol Science and Technology. , 1-13 (2018).
  36. Wiedensohler, A., et al. Mobility particle size spectrometers: Calibration procedures and measurement uncertainties. Aerosol Science and Technology. 52, 146-164 (2018).
  37. Warneke, C., de Gouw, J. A., Kuster, W. C., Goldan, P. D., Fall, R. Validation of Atmospheric VOC Measurements by Proton-Transfer- Reaction Mass Spectrometry Using a Gas-Chromatographic Preseparation Method. Environmental Science and Technology. 37, 2494-2501 (2003).

Tags

العلوم البيئية، العدد 141، الدائرة البيئية، الجسيمات (بعد الظهر)، المواد العضوية الثانوية (SOM)، الأيروسول العضوية الثانوية (SOA)، مطياف كتلة الهباء الجوي (هيئة علماء المسلمين)، وبروتون نقل رد فعل جماعي مطياف (PTR-MS)
قياس الجسيمات العضوية في قاعة جامعة هارفارد البيئية والإنتاج
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Zhang, Y., Gong, Z., Sa, S. d.,… More

Zhang, Y., Gong, Z., Sa, S. d., Bateman, A. P., Liu, Y., Li, Y., Geiger, F. M., Martin, S. T. Production and Measurement of Organic Particulate Matter in the Harvard Environmental Chamber. J. Vis. Exp. (141), e55685, doi:10.3791/55685 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter