في هذا العمل يتم توفير دليل عملي، واصفا الخطوات المختلفة لإنشاء اقتران نظم سمبس و إكبمس، وكيفية استخدامها. وتقدم ثلاثة أمثلة وصفية.
وهناك مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأساليب التحليلية المتاحة لتوصيف الجسيمات في الأيروسولات والتعليقات. يعتمد اختيار التقنية المناسبة على الخصائص التي سيتم تحديدها. في العديد من المجالات المعلومات حول حجم الجسيمات والتكوين الكيميائي هي ذات أهمية كبيرة. بينما في تقنيات الهباء الجوي يتم تحديد توزيعات حجم الجسيمات من الجسيمات التي تنتقل عن طريق الغاز على الانترنت، ويتم تحليل تكوين عنصري بشكل غير متصل حاليا بعد إجراء أخذ العينات وإعداد المناسبة. للحصول على كلا النوعين من المعلومات على الانترنت وفي وقت واحد، تم تطوير الإعداد الواصلة مؤخرا، بما في ذلك المسح الضوئي التنقل الجسيمات الحجم (سمبس) ومطياف الكتلة البلازما على نحو حثي (إكبمس). وهذا يسمح أولا لتصنيف الجسيمات فيما يتعلق قطرها التنقل، ومن ثم لتحديد تركيز عدد وتكوين عنصري في موازاة ذلك. يتم استخدام ديوتر القرص ديلوتر (ردد) ونظام إدخال، وإعطاء المزيد من فلعدم إمكانية استخدام مصادر مختلفة من الهباء الجوي. في هذا العمل، يتم تقديم دليل عملي يصف الخطوات المختلفة لإنشاء هذه الأداة، وكيفية استخدام أداة التحليل هذه. وتنعكس براعة هذه التقنية الواصلة في قياسات مثلا على ثلاثة أيروسولات مختلفة ولدت من أ) محلول ملحي، ب) تعليق، ج) تنبعث من عملية حرارية.
في العديد من المجالات، توصيف الجسيمات في الأيروسولات والتعليقات – بما في ذلك تحديد التركيب الكيميائي وتوزيع الحجم – مسألة هامة. وتستخدم مجموعة متنوعة من التقنيات التحليلية لتحديد خصائص الجسيمات في تطبيقات بيئية وصناعية وبحثية مختلفة، مثل قياس / رصد الجسيمات المنبعثة عن طريق الهواء أو الجسيمات المنبعثة من الاحتراق، وتوصيف الأجسام النانوية المهندسة المهندسة، ودراسة آثارها الصحية والبيئية.
يتم تحليل معلومات حجم الجسيمات والجسيمات التي تنقلها الغاز في المعلقات تقليديا من قبل سيزر مختلف الجسيمات، مثل مقياس الجسيمات الهوائية (أبس)، أجهزة تشتت الضوء الديناميكي (دلس)، أو المسح الضوئي للجسيمات المتحركة (سمبس) 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 . الوهي عبارة عن أداة قياس راسخة للهباء الجوي – تتألف من جزأين، محلل تحليلي تفاضلي (دما) ومكثف للجسيمات التكثيف (كيك). يتم تركيب كل من الصكوك في سلسلة. أول واحد يسمح لتصنيف الجسيمات الهباء الجوي وفقا لأقطار التنقل في تيار الهواء من خلال تغيير الجهد بين اثنين من الأقطاب الكهربائية 6 . في الحزب الشيوعي الصيني، دخول الجسيمات النانوية بمثابة نوى التكثيف، يتم تشكيل قطرات "كبيرة"، ومن ثم يتم عد بصريا 6 . وتمثل بيانات الإخراج سمبس معلومات عن حجم المقاس عن الجسيمات المقاسة وتعطى كتسويات حجم الجسيمات (بسد).
من ناحية أخرى، وعادة ما يتم توصيف الكيميائية من الجسيمات التي تنقلها الغاز والجسيمات في تعليق حاليا 7 . مطلوب إجراء جمع وإعداد العينات المناسبة قبل التحليل. هذا حالياوعادة ما تشمل التحقيقات تطبيق تقنية طيفية، مثل قياس الطيف الكتلي (إكبمس). هذا هو طريقة راسخة في عنصر وتحليل أثر عنصر من العينات السائلة مع حساسية عالية جدا وحدود الكشف المنخفضة 8 . في إكبمس، والبلازما الأرجون يخدم لتجف وتحلل العينات المقدمة في الأيونات الذرية. ثم يتم تصنيف هذه وفقا الكتلة إلى نسبة الاتهام (م / ض) وأخيرا تحسب في وضع التناظرية أو نابض. وإلى جانب العينات السائلة، تستخدم هذه التقنية أيضا لتحليل الغاز والجسيمات. على سبيل المثال، يمكن إدخال الغاز مباشرة في إكبمس وتحليلها 9 ، 10 ، 11 . في تحليل الانصهار، ويستخدم جهاز كروماتوجراف الغاز (غ) إلى إكبمس لفصل وكشف المركبات المتطايرة 12 . تم تطوير إكبمس إلى ما يسمى إكبمس الجسيمات واحد (سب-إكبمس) من أجل شارا كتريز مونوديسبيرز الجسيمات في تعليق 13 ، 14 . وتستخدم الأساليب التحليلية السطحية و / أو السائبة إما لتحقيق توصيف كامل، و / أو للحصول على مزيد من المعلومات عن خصائص الجسيمات. وتستخدم تقنيات التصوير، مثل المسح الضوئي المجهري الإلكتروني (سيم) والإرسال المجهري الإلكتروني (تيم)، على نطاق واسع لهذا الغرض 15 ، 16 ، 17 .
وللحصول على معلومات كيميائية وحجمية في الوقت نفسه، يمكن الجمع بين تقنيتين تحليليتين مختلفتين، مثل تقنية سمبس وتقنية الطيف البلازمي، في إعداد واحد 18 . يمكن لهذا المفهوم قياس على الانترنت تجنب المشاكل المتعلقة جمع العينات وإعداد وإجراء التحليل حاليا. وأبلغ هيس وآخرون عن نظرة عامة قصيرة على المحاولات السابقة لتطوير مثل هذا الإعداد المشترك."كريف"> 19.
في هذا العمل، ويرد وصف مفصل لترتيب القياس سمبس-إكبمس مجتمعة والإجراءات. يتم استخدام ديوتر القرص ديلوتر (ردد) واجهة مقدمة. تطوير هذه التقنية الواصلة وثلاث دراسات تطبيق يمكن العثور عليها في الأدب 19 ، 20 ، 21 . أرقام الجدارة التي قدمها هيس وآخرون. 2 0 أن أداء أجهزة سمبس-إكبمس المتقدمة يمكن مقارنتها بأداء الأنظمة المنفصلة للدولة. هذه الدراسة مكملة للمنشورات السابقة 19 و 20 و 21 وتعطي ممارسة مختبرية تصف كيف يمكن استخدام هذا الإعداد. يتم وصف تطبيقات التطبيقات على الأيروسول من مصدرين مختلفين في وقت قصير، لإظهار براعة من يقترن system.
قبل وصف بروتوكول القياس، يجدر تلخيص المكونات الفردية واستراتيجية اقتران الإعداد الواصلة. ويمكن الاطلاع على وصف أكثر تفصيلا في مكان آخر 19 . المكونات الرئيسية للإعداد المقترن هي: مصدر الهباء الجوي، ردد، دما، كيك، و إكبمس.
لتوليد جزيئات الهباء الجوي المجفف من تعليق أو محلول السائل، يتم استخدام مولد الهباء الجوي مجهزة فوهة وهلام السيليكا أكثر جفافا. ويمكن الاطلاع على وصف تفصيلي في مكان آخر 19 . ولتحقيق العمليات الحرارية، يتم استخدام أداة التحليل الحراري (تغا أو فرن أنبوبي).
يستخدم ردد لإدخال عينة الهباء الجوي 22 . وهو يتألف من كتلة فولاذية قابلة للحرارة مجهزة بقناتين، و قرص دوار يضم عدة تجاويف. يتم مسح القنوات مع تخفيف الغاز والهباء الخام من الهباء الجويمصدر. اعتمادا على تدفق الغاز وسرعة دوران القرص، يتم إضافة كمية معينة من الهباء الخام إلى غاز التخفيف، مما أدى إلى نسبة التخفيف محددة. يستخدم الأرجون كما الغاز التخفيف، بسبب انخفاض التسامح الهواء من إكبمس. ومع ذلك، ينبغي تعيين حد الجهد دما أقل من ذلك دما تعمل الهواء، من أجل تجنب الانحناء الكهربائي. وبما أن تدفق عينة الهباء المخفف في منفذ ردد يمكن التحكم فيه بشكل مستقل بشكل مستقل عن تدفق الهباء الجوي الخام، يمكن استخدام مفهوم أخذ العينات ردد لمصادر مختلفة من الهباء الجوي. يتم تركيب أنبوب ساخن (حتى 400 درجة مئوية) بين ردد و سمبس، لتتبخر جزيئات متطايرة، و / أو لزيادة تمييع الهباء الجوي. هناك حاجة إلى هذه الخطوة لتحقيق استنساخ جيدة عند معالجة العينات التي تحتوي على المواد العضوية. ومع ذلك، قد يؤدي هذا أيضا إلى تفاعلات كيميائية. الانحلال الحراري، على سبيل المثال، يبدأ في درجات حرارة أقل بكثير، ويمكن أن تتحلل ليس فقط الجسيمات ولكن أيضا لحث بعض التفاعلات الكيميائية. يستخدم سمبس طيتكون هذا العمل من أنبوب دما (على غرار دما الطويل؛ انظر جدول المواد)، وتكلفة النقرة التجارية. قبل الدخول إلى دما، يجب أن يمر الهباء الجوي المخفف بمصدر إشعاعي يدعى محايد الأيروسول، من أجل إنشاء توازن شحنة معروف (بافتراض توزيع شحنة بولتزمان) 6 . ثم يتم تصنيف الجسيمات وفقا لقطر حركتها من خلال تغيير الجهد في غم دما معين وتدفقات غاز الهباء الجوي. يتم تقسيم الانسياب في منفذ دما بحيث يتم توجيه 30٪ من الهباء الجوي إلى الحزب الشيوعي الصيني، و 70٪ أخرى إلى إكبمس. يتم تحديد تركيز عدد من الجسيمات المصنفة من قبل الحزب الشيوعي الصيني. أما الجزء الآخر من الهباء الجوي فيجري تحليله بواسطة أداة تجارية إكبمس، مما يسمح بالتحليل العنصري للجزيئات المحملة بالهباء الجوي. وبما أنه لم يتم التحقيق في أي سوائل، يتم إزالة نظام إدخال العينات التقليدي ويتصل منفذ دما مباشرة بالمركز الدولي للرصد البيئي. و ردد ثانية وغيرها من سمب التجارية التي تديرها الهواءS تستخدم كأدوات مرجعية للتحقق من صحة مديرية الأمن العام يقاس الإعداد سمبس-إكبمس المقترنة. ويرتبط النظام المرجعي ردد-سمبس بمخرج الهباء الجوي الخام من ردد للنظام المقترن.
وبالمقارنة مع أحدث الأساليب التحليلية القائمة للهباء الجوي، مثل جزيئات الجسيمات، فإن تجميع ردد-سمبس-إكبمس ليس فقط قادرا على الحصول على معلومات كيميائية وحجم في وقت واحد، ولكن إشارة إكبمس حل الوقت أيضا يسمح لل تحديد مساهمة كل عنصر في شعبة القطاع الخاص ككل. ومع ذلك، فقط الجسيمات التي يقل قطرها عن 500 نانومتر يمكن قياسها من قبل أرغون تعمل حاليا سمبس-إكبمس. وعلاوة على ذلك، لتوصيف كامل للجسيمات الهباء الجوي، وهناك حاجة حاليا تقنيات أخرى لتحديد خصائص أخرى، بما في ذلك التشكل والهيكل الجزيئي.
قياس كلوريد الصوديوم هو مثال بسيط يوضح أن عملية حالة مستقرة يمكن السيطرة عليها / رصدها بشكل جيد مع نظام سمبس-إكبمس المقترنة. ويمكن أيضا استخدام هذا الإعداد في مثل هذه التجارب كأداة تحليلية على الانترنت للكشف عن آثار المعلمات التجريبية المختلفة على خصائص الجزئي ولدتCLES. ويمكن تتبع أي تغيير في حجم الجسيمات، وفي الجسيمات أو تركيز عنصري، كما هو الحال في حالة المعالجة الحرارية لكوكل 2 عينة على الانترنت من قبل سمبس-إكبمس.
من ناحية أخرى، فإن الجمع بين سمبس-إكبمس يسمح ليس فقط لقياس، ولكن أيضا للتمييز بين الغاز وأنواع الجسيمات. والواقع أن الجزء من الإشارة المتعلقة بالجسيمات يمكن تمييزه بسهولة عن المركبات الغازية، لأن إشارة النظام إكبمس للأخير تغطي نطاق الحجم بأكمله ولا تتبع شكلا للتوزيع مثل إشارة الإشارة إلى الجسيمات . ويرجع ذلك إلى حقيقة أن المسح سمبس ليس له تأثير على الأنواع الغازية، ويقيس إكبمس الكثافة الكلية لنظير معين. ويتجلى هذا السلوك من خلال قياس كل، الذي يتبخر ليس فقط كما الجسيمات، ولكن أيضا كما الأنواع الغازية ( الشكل 4D-4E ). في الواقع، تظهر الحسابات الحرارية أن تحت كونديتي المؤكسدةيتم تبخير أونس كوكل 2 في حوالي 450 درجة مئوية كما الغاز كل 2 وكأنواع التكثيف كوكل 2 ، النحاس 3 كل 3 والنحاس 4 كل 4 (لا تظهر البيانات).
وعلاوة على ذلك، فإن استخدام النظام إكبمس بدون سمبس يوفر إمكانية قياس إشارة إكبمس الشاملة التي تنشأ إما من الأنواع الغازية أو الجسيمات. باستخدام هذا الترتيب لقياس تبخر ثاني أكسيد الكربون 2 ( الشكل 4F )، على سبيل المثال، يدل على أن الكيمياء المتكافئة بين النحاس تبخر و كل لا يتغير خلال فترة التسخين، بسبب شكل إشارة مماثلة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن قياس الأنواع الغازية حصرا من خلال الإعداد نفسه عن طريق تركيب مرشح الجسيمات في منفذ ردد.
في بروتوكول القياس هناك نوعان من النقاط الحرجة. من ناحية، وانخفاض إكبمس منحنى شدة، مقارنة بسد الخامس في مجموعة قطرها الجسيمات الكبيرة (على سبيل المثال فيالشكل 2B)، يمكن تفسير ذلك من حقيقة أن النظر في رسوم الجسيمات متعددة لم تنفذ بعد في إجراء تقييم البيانات (العمل الجاري). في حين أن التصحيح واحد تهمة يعطي علاقة جيدة بين سمبس و إكبمس البيانات عند قياس الجسيمات الصغيرة (ما يصل إلى 200 نانومتر)، ينبغي وضع التصحيح للحصول على رسوم متعددة على جسيمات كبيرة وتنفيذها لتحسين نوعية المعلومات الناتجة عن الجسيمات فوق 200 نانومتر. تفسير آخر لهذا التأثير يمكن أن يكون أن الجزيئات الكبيرة لا تتحلل تماما وتأين في البلازما.
النقطة الحرجة الثانية هي اختيار عامل التخفيف ردد المناسب. في الواقع، مثل تحليل العينات السائلة، ومستوى كثافة إكبمس من النظائر المختلفة يعتمد على حساسية المقابلة. إشارة النحاس على سبيل المثال حوالي ثلاثة أوامر من حجم أعلى من ذلك من كل. لذلك، يجب أن تكون القيمة المناسبة لتخفيف الهباء الجويمجموعة النظر في حساسية إكبمس من العناصر المقاسة. وهذا يمثل حدا للتحليل المتعدد العناصر للهباء الجوي. ومع ذلك، يمكن تغيير قيمة تخفيف الهباء الجوي خلال نفس التجربة إذا كانت عملية توليد الهباء الجوي معروفة. على سبيل المثال، يمكن تخفيض عامل التخفيف خلال الفترة التي يتم فيها توليد كمية منخفضة من الجسيمات. ومع ذلك، ينبغي تفادي إطعام الهباء الجوي المحمل بالجسيمات العالية في دما لحماية أجهزة التصنيف المركزي للمنتجات وأجهزة النظام الدولي للرصد البيئي. باختصار، اعتمادا على الهباء الجوي العينة، ينبغي إيجاد حل وسط بين التخفيف ردد، تحميل مصفوفة، والحساسية إكبمس للنظائر ذات الاهتمام. وعلاوة على ذلك، وقرار الوقت من الإعداد سمبس-إكبمس محدودة من قبل مدة المسح سمبس، والذي هو في مجموعة من بضع دقائق. ومع ذلك، بالنسبة لمجموعة ثابتة أو ضيقة من حجم الجسيمات، يمكن تعزيز دقة الوقت.
ولا تزال هناك حاجة إلى تطوير أساليب القياس الكمي للإعداد العام (السقوط المستمرك). للعمليات الحرارية، يمكن استخدام تغا كأداة للتقدير الكمي 25 . يمكن إجراء القياس الكمي للسوائل أو تعليق باستخدام الحلول القياسية المناسبة. وعلاوة على ذلك، وتصميم مفهوم إعادة تدوير للأرجون، وتشغيل دما مع الهواء وتبادل هذا إلى الأرجون – على سبيل المثال عن طريق جهاز تبادل الغاز 26 – سيسمح باستخدام أعلى دما الجهد وبالتالي زيادة في نطاق الجسيمات قياسها. وأخيرا أتمتة إعداد المعلمات المختلفة ودمج احتياجات سمبس و إكبمس في مفهوم واحد بشأن حالة التشغيل سوف يقلل إلى حد كبير خطوات بروتوكول القياس. هذه الخطوات تساعد على جعل سمبس-إكبمس إعداد قوي على الانترنت للتحليل الكمي أو النوعي لأنواع مختلفة من الهباء الجوي المتولدة من مصادر السائل، تعليق، أو الانبعاثات.
The authors have nothing to disclose.
وقدم الدعم المالي من قبل مركز الكفاءة لعلوم وتكنولوجيا المواد (كسمكس، مشروع نانوير)، والمؤسسة السويسرية للعلوم الوطنية (المشروع 139136)، والمعهد السويسري للعلوم النانوية (أرغوفيا، مشروع نانوفيل)، ومركز الكفاءة السويسري لبحوث الطاقة الحيوية ( سسر بيوسويت). يشكر المؤلفون ألبرت شولر على دعمه في تشغيل تغا، وأديلايد كالبري موزيكا لمراجعة هذه المخطوطة.
ICPMS | Agilent Technologies, USA | 7700x | Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer |
DMA tube | similar to 3081 long DMA from TSI |
||
Aerosol Neutralizer | TSI Inc., USA | 85Kr radiation source | |
CPC | TSI Inc., USA | 3010 | Condensation Particle Counter |
RDD | Matter Aerosol AG, Switzerland | MD193E | Rotating Disk Diluter; |
Evaporation Tube | Matter Aerosol AG, Switzerland | ASET 15-1 | Heated Tube |
Aerosol Generator | Topas GmbH, Germany | ATM 220 | aerosol generator |
Silica Gel Drier | Topas GmbH, Germany | DDU570/H | silica gel diffusion drier |
TGA | Mettler-Toledo Internat. Inc., CH | TGA/DCS1 | Thermogravimetric analyzer |
Gilibrator 2 | Sensidyne, USA | primary flow calibrator | |
MFC | Sierra Instruments Inc., USA | Smart-Trak 50 | mass flow controller |
MFC | Brooks Instrument, Netherlands | 4850 | mass flow controller |
MFC | Bronkhorst AG, Netherlands | F-201C-FAC-33-V | mass flow controller |
In-Line Filter | Headline Filters, UK | DIF-LN30 | disposable in-line filter |
HEPA Filter | MSA (Mine Safety Appliances), USA | H cartridge #95302 | High-Efficiency Particulate Air |
Conductive tubing | Advanced Polymers Ltd Worthing, UK. |
carbon impregnated silicone tubing, inner/outer diameters 6.0/12.0mm |
|
Name | Company | Catalog number | Comments |
ZnO | Auer-Remy | 5810MR, 1314-13-2 | Nanopowder, 50 nm |
NaCl | Merck | 106406 | Powder (>99.99%) |
CuCl2 | Merck | 102733 | Powder (>99.0%) |
Poly-Acrylic Acid | SigmaAldrich | 535931 | solution (50 wt. % in H2O) |