一種用于檢測(cè)大氣中酸性超細(xì)微粒子的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣采樣領(lǐng)域，具體涉及一種用于檢測(cè)大氣中酸性超細(xì)微粒子的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣中中直徑小于0.1微米的可吸入顆粒物被稱作UFPs(超細(xì)微粒子)，UFPs占大氣污染物細(xì)粒子(直徑小于2.5微米的顆粒物，PM2.5)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的90%，是國內(nèi)外許多大中城市環(huán)境空氣中的首要污染物。由于顆粒物的直徑越小，其進(jìn)入呼吸道的部位越深，因而UFPs能夠進(jìn)入人體肺泡甚至血液系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致心血管病等疾病。
[0003]目前，空氣中的UFPs主要通過以下兩種途徑形成:a、由高溫下排放的過飽和氣態(tài)物質(zhì)冷凝，再經(jīng)碰撞、凝聚、吸附而形成，如汽車尾氣的排放;b、由環(huán)境空氣中硫氧化物、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)化合物及其它化合物經(jīng)過復(fù)雜的多相化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化而形成，如光化學(xué)煙霧，由于汽車尾氣和光化學(xué)煙霧中含有大量酸性的化學(xué)成分如硫酸離子或硝酸離子，導(dǎo)致UFPs的酸性較高。
[0004]在過去十年中，流行病學(xué)專家開始研究含酸性氣溶膠的毒理學(xué)，例如，早期在1989年Morton Lippmann曾在學(xué)術(shù)期刊《Environmental Health Perspectives》上報(bào)道稱酸性氣溶膠與支氣管炎和肺功能衰減的患病率之間可能存有密切聯(lián)系。由于UFPs粒徑小數(shù)量多的特征，其在肺泡上沉積率很高，會(huì)損傷肺泡和粘膜，引起肺組織的慢性纖維化，導(dǎo)致肺心病，加重哮喘病，引起慢性鼻咽炎、慢性支氣管炎等一系列病癥，嚴(yán)重的可危及生命。
[0005]因此，深入研究空氣中UFPs尤其是含酸性成分的UFPs對(duì)人體健康的危害可能比目前研究的PMlO(直徑小于ΙΟμπι的顆粒)和PM2.5有更重要的意義。
[0006]但是，由于酸性超微粒子在細(xì)粒子中的質(zhì)量濃度比例較小，檢測(cè)難度較大，目前，主要通過實(shí)時(shí)測(cè)量和離線分析來測(cè)試UFPs的濃度和粒徑譜。
[0007]實(shí)時(shí)測(cè)量是用掃描迀移率粒度儀(SMPS)和凝結(jié)粒子計(jì)數(shù)器(CPC)來測(cè)量粒子數(shù)和粒徑分布。SMPS在使用時(shí)，通過逐步地增加電場，將不同粒徑的顆粒物進(jìn)行分離，并通過CPC測(cè)量粒子的數(shù)量濃度來得到顆粒物數(shù)量和粒徑分布。但是，目前實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)只能用于測(cè)量總UFPs的數(shù)量濃度和粒徑譜，不能單獨(dú)針對(duì)酸性UFPs進(jìn)行測(cè)量。
[0008]離線分析先將顆粒物收集在承載物上，再利用光學(xué)儀器分析單一顆粒的形狀尺寸和化學(xué)組分。進(jìn)行離線分析需要使用收集裝置和分析儀器，由于UFPs粒徑小，目前商業(yè)化的收集裝置主要是利用高壓靜電進(jìn)行采樣，一般收集時(shí)間較短，只能進(jìn)行短期UFPs濃度水平的收集和測(cè)量，不適用于研究長期慢性暴露的毒理學(xué)研究，而且收集裝置的價(jià)格較高，能耗較大，操作難度較大。
[0009]對(duì)于分析儀器，在過去的十年中電子顯微鏡的分辨率和分析能力的發(fā)展增強(qiáng)了它在研究超細(xì)顆粒方面的應(yīng)用性，場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)和原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)的發(fā)展，使分析顆粒物的技術(shù)進(jìn)一步達(dá)到了納米級(jí)。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查，在過去的五六十年里，斷斷續(xù)續(xù)地有一些科學(xué)家試圖通過對(duì)收集顆粒物的承載體進(jìn)行改性用來辨別載體上的酸性顆粒物。例如 1967年Horstman和Wagman在《American Industrial Hygiene Associat1njournal》學(xué)術(shù)期刊上提出了用鐵金屬涂覆載體并暴露于酸性粒子中，通過電子顯微鏡觀察酸性粒子在載體表層的形態(tài)。但是目前這些關(guān)于酸性顆粒物測(cè)量方法的研究都只是處于試驗(yàn)的初級(jí)階段，而且都未能達(dá)到納米級(jí)，難以準(zhǔn)確測(cè)定大氣中酸性超微粒子數(shù)量濃度和粒徑分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種用于檢測(cè)大氣中酸性超細(xì)微粒子的方法及裝置，該裝置成本較低，能耗較小，操作難度較小，而且能夠準(zhǔn)確測(cè)定大氣中酸性超微粒子數(shù)量濃度和粒徑分布。
[0011 ]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0012]—種用于檢測(cè)大氣中酸性超細(xì)微粒子的裝置，其特征在于:所述裝置包括采樣器和石英晶體微天平，所述采樣器用于采集帶有酸性超細(xì)微粒子的氣體，所述石英晶體微天平包括帶有晶振片的探頭，所述晶振片上涂覆有鐵納米膜，且所述晶振片位于采樣器內(nèi)。
[0013]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述鐵納米膜的厚度為15?20nm。
[0014]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述石英晶體微天平的靈敏度為0.02ng。
[0015]—種用于檢測(cè)大氣中酸性超細(xì)微粒子的裝置的制備方法，通過磁控濺射向鐵耙上噴派鐵納米膜，所述鐵把的厚度小于1mm，所述鐵納米膜的厚度為15?20nm。
[0016]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述磁控濺射的條件為:加速電壓為800V、磁場為300G、氣壓為8mTorr、電流密度為40mA/cm、沉淀速率為100nm/min。
[0017]一種檢測(cè)大氣中酸性超細(xì)微粒子的方法，包括以下步驟:
[0018]S1、向采樣器的進(jìn)氣端通入帶有酸性超細(xì)微粒子的氣體，所述晶振片3的鐵納米膜上沉積帶有酸性超細(xì)微粒子的微粒子并形成細(xì)微粒子膜；
[0019]S2、石英晶體微天平實(shí)時(shí)稱量鐵納米膜表面沉積的微粒子重量，并記錄通氣完成后的吸附重量為Gl;
[0020]S3、使用惰性氣體吹洗帶有微粒子的鐵納米膜至非酸性超細(xì)微粒子脫落，得到僅帶有酸性超細(xì)微粒子的鐵納米膜并稱量，記錄重量為G2，G2為晶振片上吸附的酸性超細(xì)微粒子的重量。
[0021]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述步驟SI中向裝置中通入帶有酸性超細(xì)微粒子氣體的時(shí)間為4h，氣體流速為0.03L mirT1。
[0022]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述步驟S2和步驟S3之間還包括以下步驟:將帶有微粒子的鐵納米膜放置至少12h至酸性超細(xì)微粒子與鐵納米膜緊密結(jié)合。
[0023]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述步驟S3中使用惰性氣體吹洗，所述惰性氣體的流速為5?40m/s，吹洗時(shí)間為5s。
[0024]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述步驟S3中使用惰性氣體吹洗，所述惰性氣體的流速為15m/s。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0026](I)本發(fā)明用于檢測(cè)大氣中酸性超細(xì)微粒子的裝置，包括采樣器和石英晶體微天平，所述采樣器用于采集帶有酸性超細(xì)微粒子的氣體，所述石英晶體微天平包括帶有晶振片的探頭，晶振片上涂覆有鐵納米膜，晶振片位于采樣器內(nèi)，鐵納米膜能夠吸附大氣中的超細(xì)微粒子，石英晶體微天平能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量晶振片的質(zhì)量變化，進(jìn)而準(zhǔn)確測(cè)量鐵納米膜上吸附的超細(xì)微粒子，由于鐵納米膜與酸性超細(xì)微粒子結(jié)合的緊密度遠(yuǎn)大于其他超細(xì)微粒子，因此，通過惰性氣體洗脫后的鐵納米膜上僅吸附酸性超細(xì)微粒子，石英晶體微天平能夠準(zhǔn)確測(cè)量超細(xì)微粒子的質(zhì)量，本發(fā)明中的采樣器和石英晶體微天平的結(jié)構(gòu)均較簡單，攜帶比較方便，成本較低，且該裝置操作難度較低，能耗較小。
[0027](2)本發(fā)明中檢測(cè)大氣中酸性超細(xì)微粒子的方法，通過吸附超細(xì)微粒子后洗脫非酸性超細(xì)微粒子，并經(jīng)由石英晶體微天平稱量得到酸性超細(xì)微粒子的質(zhì)量，經(jīng)過計(jì)算即可得到空氣中酸性超細(xì)微粒子的濃度，方法比較簡單，且經(jīng)過試驗(yàn)生成酸性氣體進(jìn)行校正，得到鐵納米膜表面吸附的酸性超細(xì)微粒子的質(zhì)量與酸性氣體的濃度成正比，且遵循:m = Ax+B，m為鐵納米膜表面吸附的酸性超細(xì)微粒子的質(zhì)量，X為酸性氣體的濃度，A為質(zhì)量濃度系數(shù)，對(duì)于粒徑為20.7，32.5，51.5，75.4，101.4和153.9(單位均為nm)的酸性超細(xì)粒子，A分別為1.55，2.25，3.60，5.20，6.99和10.5，B為質(zhì)量濃度斜率，B為零，將該結(jié)果與現(xiàn)有的氣相色譜儀檢測(cè)結(jié)果比較后，一致性較高，說明本發(fā)明的方法結(jié)果比較準(zhǔn)確，能夠準(zhǔn)確測(cè)定大氣中酸性超微粒子數(shù)量濃度和粒徑分布。
[0028](3)本發(fā)明中的采樣器采樣器，包括篩分防護(hù)裝置，篩分防護(hù)裝置固定在進(jìn)氣口上，篩分防護(hù)裝置的長度為L為L=lgyQ/pPgWdmin2，該條件下的篩分防護(hù)裝置能夠使得大顆粒在進(jìn)入空氣通道前沉降，起到篩分作用，且能夠保持進(jìn)氣口處氣流的穩(wěn)定度，實(shí)現(xiàn)超細(xì)顆粒物的均勻擴(kuò)散沉降，且超細(xì)顆粒物能夠完全進(jìn)入采樣管中，能夠提高測(cè)試的準(zhǔn)確度。且篩分防護(hù)裝置的內(nèi)壁設(shè)置有干燥劑，空氣通道的內(nèi)壁設(shè)置有鋼絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠降低進(jìn)入采樣器內(nèi)的空氣濕度，且篩分防護(hù)裝置呈扁平的廣口形，使得待測(cè)空氣與干燥劑有足夠的接觸面積，且傳輸?shù)木嚯x較小，降低了超細(xì)顆粒物在進(jìn)入采樣器前的擴(kuò)散損失。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中用于檢測(cè)大氣中酸性超細(xì)微粒子的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為圖1的側(cè)面視圖；
[0031]圖3為圖2中A的放大圖。
[0032]圖中:1_篩分防護(hù)裝置，2-密封圈，3-晶振片，4-空氣通道，5-出氣口，6_進(jìn)氣口，7-干燥劑，8-安裝板，9-安裝槽，I O-石英晶體微天平。
【具體實(shí)施方式】
[0033]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0034]參見圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種用于檢測(cè)大氣中酸性超細(xì)微粒子的裝置，該裝置包括采樣器和石英晶體微天平10，石英晶體微天平10的靈敏度為0.02ng，采樣器用于采集帶有酸性超細(xì)微粒子的氣體，石英晶體微天平10包括帶有晶振片3的探頭，晶振片3上涂覆有鐵納米膜，鐵納米膜的厚度為15?20nm，且晶振片3位于采樣器內(nèi)。
[0035]本發(fā)明還提供一種用于檢測(cè)大氣中酸性超細(xì)微粒子的裝置的制備方法，該方法先通過磁控濺射向鐵耙上噴濺鐵納米膜，然后將帶有鐵納米膜的鐵耙固定至探頭的晶振片3上，磁控濺射的條件為:加速電壓為800V、磁場為300G、氣壓為8mTorr(毫托)、電流密度為40mA/cm、沉淀速率為100nm/min，噴派得到鐵把表面的鐵納米膜的厚度為15?20nm，在此條件下的鐵納米膜緊密平整，且不會(huì)影響石英晶體微天平1的檢測(cè)靈敏度。
[0036]由于鐵耙為磁性材料，對(duì)磁場有屏蔽作用，在進(jìn)行磁控濺射時(shí)，鐵耙的磁性會(huì)減弱或者磁場分布會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響濺射效率，導(dǎo)致鐵納米膜在鐵耙的表面分布不均勻，當(dāng)鐵耙的厚度小于Imm時(shí)，鐵耙的磁場對(duì)噴濺效率影響較小，噴濺后的