一种用于检测大气中酸性超细微粒子的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及大气采样领域，具体涉及一种用于检测大气中酸性超细微粒子的方法及装置。
【背景技术】
[0002]大气中中直径小于0.1微米的可吸入颗粒物被称作UFPs(超细微粒子)，UFPs占大气污染物细粒子(直径小于2.5微米的颗粒物，PM2.5)总质量分数的90%，是国内外许多大中城市环境空气中的首要污染物。由于颗粒物的直径越小，其进入呼吸道的部位越深，因而UFPs能够进入人体肺泡甚至血液系统，会导致心血管病等疾病。
[0003]目前，空气中的UFPs主要通过以下两种途径形成:a、由高温下排放的过饱和气态物质冷凝，再经碰撞、凝聚、吸附而形成，如汽车尾气的排放;b、由环境空气中硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机化合物及其它化合物经过复杂的多相化学反应转化而形成，如光化学烟雾，由于汽车尾气和光化学烟雾中含有大量酸性的化学成分如硫酸离子或硝酸离子，导致UFPs的酸性较高。
[0004]在过去十年中，流行病学专家开始研究含酸性气溶胶的毒理学，例如，早期在1989年Morton Lippmann曾在学术期刊《Environmental Health Perspectives》上报道称酸性气溶胶与支气管炎和肺功能衰减的患病率之间可能存有密切联系。由于UFPs粒径小数量多的特征，其在肺泡上沉积率很高，会损伤肺泡和粘膜，引起肺组织的慢性纤维化，导致肺心病，加重哮喘病，引起慢性鼻咽炎、慢性支气管炎等一系列病症，严重的可危及生命。
[0005]因此，深入研究空气中UFPs尤其是含酸性成分的UFPs对人体健康的危害可能比目前研究的PMlO(直径小于ΙΟμπι的颗粒)和PM2.5有更重要的意义。
[0006]但是，由于酸性超微粒子在细粒子中的质量浓度比例较小，检测难度较大，目前，主要通过实时测量和离线分析来测试UFPs的浓度和粒径谱。
[0007]实时测量是用扫描迀移率粒度仪(SMPS)和凝结粒子计数器(CPC)来测量粒子数和粒径分布。SMPS在使用时，通过逐步地增加电场，将不同粒径的颗粒物进行分离，并通过CPC测量粒子的数量浓度来得到颗粒物数量和粒径分布。但是，目前实时测量技术只能用于测量总UFPs的数量浓度和粒径谱，不能单独针对酸性UFPs进行测量。
[0008]离线分析先将颗粒物收集在承载物上，再利用光学仪器分析单一颗粒的形状尺寸和化学组分。进行离线分析需要使用收集装置和分析仪器，由于UFPs粒径小，目前商业化的收集装置主要是利用高压静电进行采样，一般收集时间较短，只能进行短期UFPs浓度水平的收集和测量，不适用于研究长期慢性暴露的毒理学研究，而且收集装置的价格较高，能耗较大，操作难度较大。
[0009]对于分析仪器，在过去的十年中电子显微镜的分辨率和分析能力的发展增强了它在研究超细颗粒方面的应用性，场发射扫描电子显微镜(FESEM)和原子力显微镜(AFM)技术的发展，使分析颗粒物的技术进一步达到了纳米级。根据文献调查，在过去的五六十年里，断断续续地有一些科学家试图通过对收集颗粒物的承载体进行改性用来辨别载体上的酸性颗粒物。例如 1967年Horstman和Wagman在《American Industrial Hygiene Associat1njournal》学术期刊上提出了用铁金属涂覆载体并暴露于酸性粒子中，通过电子显微镜观察酸性粒子在载体表层的形态。但是目前这些关于酸性颗粒物测量方法的研究都只是处于试验的初级阶段，而且都未能达到纳米级，难以准确测定大气中酸性超微粒子数量浓度和粒径分布。
【发明内容】
[0010]针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于检测大气中酸性超细微粒子的方法及装置，该装置成本较低，能耗较小，操作难度较小，而且能够准确测定大气中酸性超微粒子数量浓度和粒径分布。
[0011 ]为达到以上目的，本发明采取的技术方案是:
[0012]—种用于检测大气中酸性超细微粒子的装置，其特征在于:所述装置包括采样器和石英晶体微天平，所述采样器用于采集带有酸性超细微粒子的气体，所述石英晶体微天平包括带有晶振片的探头，所述晶振片上涂覆有铁纳米膜，且所述晶振片位于采样器内。
[0013]在上述技术方案的基础上，所述铁纳米膜的厚度为15?20nm。
[0014]在上述技术方案的基础上，所述石英晶体微天平的灵敏度为0.02ng。
[0015]—种用于检测大气中酸性超细微粒子的装置的制备方法，通过磁控溅射向铁耙上喷派铁纳米膜，所述铁把的厚度小于1mm，所述铁纳米膜的厚度为15?20nm。
[0016]在上述技术方案的基础上，所述磁控溅射的条件为:加速电压为800V、磁场为300G、气压为8mTorr、电流密度为40mA/cm、沉淀速率为100nm/min。
[0017]一种检测大气中酸性超细微粒子的方法，包括以下步骤:
[0018]S1、向采样器的进气端通入带有酸性超细微粒子的气体，所述晶振片3的铁纳米膜上沉积带有酸性超细微粒子的微粒子并形成细微粒子膜；
[0019]S2、石英晶体微天平实时称量铁纳米膜表面沉积的微粒子重量，并记录通气完成后的吸附重量为Gl;
[0020]S3、使用惰性气体吹洗带有微粒子的铁纳米膜至非酸性超细微粒子脱落，得到仅带有酸性超细微粒子的铁纳米膜并称量，记录重量为G2，G2为晶振片上吸附的酸性超细微粒子的重量。
[0021]在上述技术方案的基础上，所述步骤SI中向装置中通入带有酸性超细微粒子气体的时间为4h，气体流速为0.03L mirT1。
[0022]在上述技术方案的基础上，所述步骤S2和步骤S3之间还包括以下步骤:将带有微粒子的铁纳米膜放置至少12h至酸性超细微粒子与铁纳米膜紧密结合。
[0023]在上述技术方案的基础上，所述步骤S3中使用惰性气体吹洗，所述惰性气体的流速为5?40m/s，吹洗时间为5s。
[0024]在上述技术方案的基础上，所述步骤S3中使用惰性气体吹洗，所述惰性气体的流速为15m/s。
[0025]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0026](I)本发明用于检测大气中酸性超细微粒子的装置，包括采样器和石英晶体微天平，所述采样器用于采集带有酸性超细微粒子的气体，所述石英晶体微天平包括带有晶振片的探头，晶振片上涂覆有铁纳米膜，晶振片位于采样器内，铁纳米膜能够吸附大气中的超细微粒子，石英晶体微天平能够实时测量晶振片的质量变化，进而准确测量铁纳米膜上吸附的超细微粒子，由于铁纳米膜与酸性超细微粒子结合的紧密度远大于其他超细微粒子，因此，通过惰性气体洗脱后的铁纳米膜上仅吸附酸性超细微粒子，石英晶体微天平能够准确测量超细微粒子的质量，本发明中的采样器和石英晶体微天平的结构均较简单，携带比较方便，成本较低，且该装置操作难度较低，能耗较小。
[0027](2)本发明中检测大气中酸性超细微粒子的方法，通过吸附超细微粒子后洗脱非酸性超细微粒子，并经由石英晶体微天平称量得到酸性超细微粒子的质量，经过计算即可得到空气中酸性超细微粒子的浓度，方法比较简单，且经过试验生成酸性气体进行校正，得到铁纳米膜表面吸附的酸性超细微粒子的质量与酸性气体的浓度成正比，且遵循:m = Ax+B，m为铁纳米膜表面吸附的酸性超细微粒子的质量，X为酸性气体的浓度，A为质量浓度系数，对于粒径为20.7，32.5，51.5，75.4，101.4和153.9(单位均为nm)的酸性超细粒子，A分别为1.55，2.25，3.60，5.20，6.99和10.5，B为质量浓度斜率，B为零，将该结果与现有的气相色谱仪检测结果比较后，一致性较高，说明本发明的方法结果比较准确，能够准确测定大气中酸性超微粒子数量浓度和粒径分布。
[0028](3)本发明中的采样器采样器，包括筛分防护装置，筛分防护装置固定在进气口上，筛分防护装置的长度为L为L=lgyQ/pPgWdmin2，该条件下的筛分防护装置能够使得大颗粒在进入空气通道前沉降，起到筛分作用，且能够保持进气口处气流的稳定度，实现超细颗粒物的均匀扩散沉降，且超细颗粒物能够完全进入采样管中，能够提高测试的准确度。且筛分防护装置的内壁设置有干燥剂，空气通道的内壁设置有钢丝网状结构，能够降低进入采样器内的空气湿度，且筛分防护装置呈扁平的广口形，使得待测空气与干燥剂有足够的接触面积，且传输的距离较小，降低了超细颗粒物在进入采样器前的扩散损失。
【附图说明】
[0029]图1为本发明实施例中用于检测大气中酸性超细微粒子的装置的结构示意图；
[0030]图2为图1的侧面视图；
[0031]图3为图2中A的放大图。
[0032]图中:1_筛分防护装置，2-密封圈，3-晶振片，4-空气通道，5-出气口，6_进气口，7-干燥剂，8-安装板，9-安装槽，I O-石英晶体微天平。
【具体实施方式】
[0033]以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
[0034]参见图1所示，本发明实施例提供一种用于检测大气中酸性超细微粒子的装置，该装置包括采样器和石英晶体微天平10，石英晶体微天平10的灵敏度为0.02ng，采样器用于采集带有酸性超细微粒子的气体，石英晶体微天平10包括带有晶振片3的探头，晶振片3上涂覆有铁纳米膜，铁纳米膜的厚度为15?20nm，且晶振片3位于采样器内。
[0035]本发明还提供一种用于检测大气中酸性超细微粒子的装置的制备方法，该方法先通过磁控溅射向铁耙上喷溅铁纳米膜，然后将带有铁纳米膜的铁耙固定至探头的晶振片3上，磁控溅射的条件为:加速电压为800V、磁场为300G、气压为8mTorr(毫托)、电流密度为40mA/cm、沉淀速率为100nm/min，喷派得到铁把表面的铁纳米膜的厚度为15?20nm，在此条件下的铁纳米膜紧密平整，且不会影响石英晶体微天平1的检测灵敏度。
[0036]由于铁耙为磁性材料，对磁场有屏蔽作用，在进行磁控溅射时，铁耙的磁性会减弱或者磁场分布会发生改变，进而影响溅射效率，导致铁纳米膜在铁耙的表面分布不均匀，当铁耙的厚度小于Imm时，铁耙的磁场对喷溅效率影响较小，喷溅后的