यह कागज हार्वर्ड पर्यावरण चैंबर (एचईसी) और गैसीय और कण प्रजातियों को मापने के लिए संबंधित इंस्ट्रूमेंटेशन के लिए आपरेशन प्रक्रियाओं का वर्णन । पर्यावरण चैंबर का उत्पादन करने के लिए और माध्यमिक कार्बनिक कार्बनिक पुरोगामी से उत्पादित प्रजातियों का अध्ययन, विशेष रूप से वायुमंडलीय कार्बनिक बात कण से संबंधित का प्रयोग किया जाता है ।
उत्पादन और वायुमंडलीय कार्बनिक बात कण (प्रधानमंत्री) के विकास अपर्याप्त वायुमंडलीय रसायन विज्ञान और जलवायु के सटीक सिमुलेशन के लिए समझ रहे हैं । जटिल उत्पादन तंत्र और प्रतिक्रिया रास्ते यह एक चुनौतीपूर्ण अनुसंधान विषय बनाते हैं । इन मुद्दों को संबोधित करने के लिए, एक पर्यावरण चैंबर, पर्याप्त निवास समय और करीब प्रदान करने वाली माध्यमिक कार्बनिक पदार्थों के लिए अग्रदूतों के परिवेश सांद्रता, की जरूरत है । हार्वर्ड पर्यावरण चैंबर (एचईसी) के लिए इस की जरूरत की सेवा का निर्माण किया गया था, अस्थिर कार्बनिक यौगिकों (VOCs) से गैस और कण चरण प्रजातियों के उत्पादन का अनुकरण । एचईसी ने ४.७ एम3 की मात्रा और ठेठ ऑपरेटिंग परिस्थितियों के तहत ३.४ एच का एक निकृष्ट निवास समय दिया है. यह एक पूरी तरह से मिश्रित प्रवाह रिएक्टर (CMFR), नमूना संग्रह और डेटा विश्लेषण के लिए दिन भर में अनिश्चितकालीन स्थिर राज्य आपरेशन की संभावना प्रदान करने के रूप में संचालित है । इस आलेख में विवरण में कार्रवाई कार्यविधियां बताई गई हैं । उपकरण के कई प्रकार उत्पादित गैस और कणों को चिह्नित करने के लिए उपयोग किया जाता है । एक उच्च संकल्प समय की लड़ाई एयरोसोल मास स्पेक्ट्रोमीटर (HR-तोफ-एंस) कणों की विशेषता के लिए प्रयोग किया जाता है । एक प्रोटॉन-हस्तांतरण-प्रतिक्रिया मास स्पेक्ट्रोमीटर (PTR-MS) गैसीय विश्लेषण के लिए प्रयोग किया जाता है । उदाहरण के परिणाम भौतिक गुण और कार्बनिक वायुमंडलीय बात कण की प्रतिक्रिया तंत्र से संबंधित आवेदनों की एक विस्तृत विविधता में पर्यावरण चैंबर के उपयोग को दिखाने के लिए प्रस्तुत कर रहे हैं ।
वायुमंडलीय कार्बनिक बात कण (प्रधानमंत्री) अस्थिर कार्बनिक यौगिकों (VOCs) जैव मंडल और anthropogenic1,2द्वारा उत्सर्जित के ऑक्सीकरण से उत्पादित है । जलवायु पर इन एयरोसोल कणों के महत्वपूर्ण प्रभाव के बावजूद, मानव स्वास्थ्य, और दृश्यता3, उत्पादन तंत्र को पूरी तरह से समझ और विशेषता, दोनों गुणात्मक और मात्रात्मक रहते हैं । प्रयोगशाला के अध्ययन के लिए एक चुनौती है, जो सीमित गुंजाइश और समय के जरूरी हैं, के लिए गैस और कण चरण प्रजातियों के वायुमंडलीय विकास अनुकरण है । निवास टाइंस काफी लंबी है कि दोनों गैस और कणों चरणों में यौगिकों ऑक्सीकरण और बहुत अवस्थायां प्रतिक्रिया से गुजरना कर सकते है के रूप में वे परिवेश वातावरण में होगा4,5,6,7, 8. एक और चुनौती के लिए प्रयोगशाला में पर्याप्त रूप से कम है कि परिवेश9,10,11का प्रतिनिधित्व सांद्रता पर काम है । सांद्रता के साथ कई महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं पैमाने । उदाहरण के लिए, अधिक से अधिक एक प्रयोगशाला प्रयोग में कार्बनिक पीएम के उच्च जन एकाग्रता ग़लती से गैस चरण से semivolatile प्रजातियों के विभाजन के कण चरण में बदलाव कर सकते हैं । गैस और कण चरणों की संरचना गैर वातावरण स्थितियों के प्रतिनिधि बन सकता है । हार्वर्ड पर्यावरण चैंबर के लिए इन चुनौतियों का जवाब डिजाइन किया गया था, मुख्य रूप से एक सतत प्रवाह एक अनिश्चित टाइमस्केल के तहत संचालित विंयास के दृष्टिकोण का उपयोग करके, जिससे कम सांद्रता और लंबे समय के एकीकरण के लिए समय की अनुमति संकेत पता लगाना । चैंबर २०१८ में वैज्ञानिक खोज के बारह साल की एक मील का पत्थर की सालगिरह मनाता है ।
पर्यावरण मंडलों प्रकाश स्रोत के आधार पर बदलती हैं, प्रवाह मिश्रण प्रणाली, आकार, और एक साथ संचालन कक्षों की संख्या । वहां आउटडोर कक्षों कि प्राकृतिक सूरज की रोशनी12,13 के रूप में के रूप में अच्छी तरह से इनडोर चैंबर किकृत्रिम प्रकाश14,15,16,17,18 के साथ संचालित प्राप्त कर रहे है ,19,20,21. बाहरी कक्षों को भी अपेक्षाकृत बड़े बनाया जा सकता है, कलाकृतियों है कि दीवार के प्रभाव से पेश किया जा सकता है ंयूनतम, हालांकि चुनौतियों बादलों की वजह से रोशनी की भिंनता के रूप में के रूप में अच्छी तरह से तापमान में विचरण शामिल हैं । हालांकि इनडोर चैंबर ध्यान से तापमान और सापेक्षिक आर्द्रता, तीव्रता और कृत्रिम प्रकाश से स्पेक्ट्रम को नियंत्रित कर सकते हैं आम तौर पर प्राकृतिक सूरज की रोशनी से अलग कर रहे हैं, जो कुछ photochemical प्रतिक्रियाओं को प्रभावित कर सकते हैं14. चैंबर भी बैच रिएक्टरों या पूरी तरह से मिश्रित प्रवाह रिएक्टरों (CMFR)22के रूप में संचालित किया जा सकता है । बैच रिएक्टरों आम तौर पर संचालित करने के लिए आसान कर रहे हैं और बनाए रखने लेकिन CMFR सप्ताह के लिए संचालित किया जा सकता, के रूप में जरूरत, संकेत एकीकरण के लिए अनुमति देने और इस तरह कम, वायुमंडलीय प्रासंगिक सांद्रता पर काम.
इसके साथ ही हार्वर्ड पर्यावरण चैंबर (एचईसी) के7,23,24,25 के हार्डवेयर और ऑपरेशन का विस्तार से वर्णन किया गया है । एचईसी एक ४.७ एम3 पीएफए Teflon एक निरंतर तापमान चैंबर (२.५ × २.५ × २.७५ एम3)26के अंदर रखे बैग के होते हैं । चिंतनशील एल्यूमीनियम शीट चैंबर के भीतरी दीवारों को कवर करने के लिए बैग के माध्यम से multipath रोशनी की अनुमति है और इस तरह photochemistry की दर में वृद्धि । एचईसी एक CMFR के रूप में संचालित है, 21 sLpm की कुल प्रवाह दर का उपयोग और ३.४ ज27का एक मतलब निवास समय के लिए इसी । तापमान, आर्द्रता, और ओजोन एकाग्रता प्रतिक्रिया नियंत्रण द्वारा बनाए रखा जाता है । अमोनियम सल्फेट कणों परिवेश वातावरण में अकार्बनिक कणों पर कार्बनिक घटकों के संघनित्र नकल करने के लिए बीज कणों के रूप में उपयोग किया जाता है । कार्बनिक सल्फेट कणों के मोड व्यास के कण आकार28क्षेत्र में मापा अनुकरण करने के लिए 100-200 एनएम होना करने के लिए चुना जाता है । प्रचालन प्रक्रियाओं का वर्णन प्रोटोकॉल अनुभाग में किया गया है, जिसमें एक दृश्य प्रस्तुतिकरण शामिल है, जिसके बाद एचईसी के आवेदनों और अनुसंधान परिणामों की संक्षिप्त चर्चा की गई.
गठन और कार्बनिक एयरोसोल्स के विकास को समझने में बढ़ती महत्व के लिए एक अच्छी तरह से नियंत्रित सेटिंग में ऐसी प्रक्रियाओं अनुकरण करने के लिए पर्यावरण मंडलों का निर्माण करने के लिए आग्रह करता है की ओर जाता है । वर्तमान में, पर्यावरण मंडलों के अधिकांश बैच रिएक्टर मोड19,31,३२,३३,३४ पर आधारित है, जबकि वहां बहुत कुछ कक्षों है कि लगातार मिश्रण का उपयोग किया गया है रिएक्टर मोड15,३५। लगातार प्रवाह रिएक्टर मोड में पर्यावरण चैंबर ऑपरेटिंग दिन या परिवेश में भी सप्ताह के लिए सतत एयरोसोल नमूना की सुविधा प्रदान करता है-सांद्रता की तरह । यह ध्यान देने योग्य है कि परिवेश की स्थिति बहुत अच्छी तरह से नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग्स से अधिक जटिल है लायक है । उदाहरण के लिए, परिवेश के तापमान में उतार चढ़ाव है, जबकि चैंबर में यह एक स्थिर मूल्य पर बनाए रखा है । गैसों और चैंबर में कणों की प्रतिक्रिया समय नियंत्रित और चैंबर के निवास द्वारा सीमित हो जाएगा, बल्कि वास्तविक दुनिया में प्रतिक्रिया समय के दिनों तक पहुँचने से । blacklights के बजाय प्राकृतिक सौर विकिरण के उपयोग, भी ओह कण उत्पंन कर सकते है और परिवेश में प्रतिक्रियाओं अनुकरण । लेकिन blacklight कई बार ओह radicles के ऊपर एकाग्रता के लिए नेतृत्व कर सकते है परिवेश वातावरण है, जो कार्बनिक अणुओं के ऑक्सीकरण राज्य को प्रभावित कर सकते है और ध्यान से जांच की जरूरत में उन लोगों के साथ तुलना में । हालांकि, केवल एक या दो चर ट्यूनिंग और पर्यावरण चैंबर के माध्यम से अन्य सभी चर को नियंत्रित करने से, हम व्यवस्थित इन रासायनिक/शारीरिक प्रक्रियाओं का अध्ययन कर सकते हैं ।
लगातार मिश्रण मंडलों के संचालन में महत्वपूर्ण कदम से एक एक इष्टतम रेंज के भीतर चैंबर के आंतरिक दबाव रखने के लिए है । कक्ष के भीतर एक उच्च दबाव गैसों और कणों के चैंबर से लीक होने का कारण होगा, जबकि चैंबर के भीतर एक कम दबाव कक्ष में प्रयोगशाला से हवा और कणों चूसना और प्रदूषण के कारण होगा । एक दबाव नापने का यंत्र के लिए सुरक्षित मूल्यों के भीतर चैंबर के दबाव (< 5 Pa) प्रयोगों के दौरान निगरानी की जरूरत है । पर्यावरण चैंबर के लिए एक और आम मनाया मुद्दा अप्रत्याशित कार्बनिक कण स्वयं nucleation है । या तो एक कम VOC/ऑक्सीडेंट इंजेक्शन दर या उच्चतर बीज कण एकाग्रता इस घटना से बचने के लिए आवश्यक है । प्रयोगों के प्रयोजन पर निर्भर करता है, ओजोन की सांद्रता, VOC, और बीज कणों परिमाण के एक आदेश के द्वारा भिन्न हो सकते हैं. निंनलिखित समीकरण प्रवाह की दर, एफइंजेक्शनकी गणना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, प्रत्येक प्रजातियों के चैंबर में इंजेक्शन ।
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जहां सीलक्ष्य और सीप्रारंभिक प्रत्येक कक्ष के अंदर प्रतिक्रिया के अंतिम लक्ष्य एकाग्रता प्रतिनिधित्व करते है और प्रतिक्रिया है कि स्रोत से उत्पंन होता है की प्रारंभिक एकाग्रता । प्रतीक एफकुल सभी प्रजातियों कि चैंबर में इंजेक्शन थे की कुल प्रवाह का प्रतिनिधित्व करते हैं ।
सफलतापूर्वक पर्यावरण चैंबर संचालन और परिणाम प्राप्त करने के लिए तीसरे महत्वपूर्ण कदम के प्रयोगों से पहले प्रत्येक उपकरण जांचना है । एसएमपीएस प्रणाली पीएसएल कणों३६के ज्ञात आकार इंजेक्शन द्वारा नपे किया जा सकता है । कोईएक्स और ओजोन विश्लेषक एक 5 पीपीएम कोई एन2द्वारा पतला सिलेंडर का उपयोग करके तुले हैं, और 10 एन2, क्रमशः26द्वारा पतला ओजोन के पीपीएम । एंस के लिए अंशांकन प्रक्रियाओं और PTR-MS जटिल है और साधन नियमावली या पिछले साहित्य में पाया जा सकता है27,३७।
पर्यावरण चैंबर सेटअप ऊपर वर्णित केवल उत्पादन और कार्बनिक एयरोसोल्स के विकास के अध्ययन के लिए उपयुक्त नहीं है, लेकिन यह भी कार्बनिक कोटिंग के साथ विभिंन कणों कोटिंग के रूप में गैस इंजेक्शन द्वारा गैस चरण प्रतिक्रियाओं की जांच के रूप में अच्छी तरह से लागू पुरोगामी फक्त. इन कई दिशाओं पर्यावरण चैंबर अनुसंधान हवा की गुणवत्ता, जलवायु परिवर्तन से संबंधित क्षेत्रों की एक किस्म का अध्ययन करने में लचीलापन प्रदान करते हैं, और मानव स्वास्थ्य विषयों ।
The authors have nothing to disclose.
यह सामग्री अमेरिकी राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (NSF) के रसायन विज्ञान के प्रभाग में पर्यावरण रासायनिक विज्ञान कार्यक्रम द्वारा समर्थित काम पर आधारित है अनुदान संख्या ११११४१८ के तहत, वायुमंडलीय-भूविज्ञान अमेरिका के राष्ट्रीय विज्ञान प्रभाग फाउंडेशन (NSF) के तहत अनुदान संख्या १५२४७३१, साथ ही हार्वर्ड संकाय प्रकाशन पुरस्कार. हम Pengfei लियू, क्वी चेन, और Mikinori Kuwata उपयोगी विचार विमर्श और प्रयोगों के साथ सहायता के लिए स्वीकार करते हैं, साथ ही एरिक Etcovitch के लिए वीडियो के voiceover जा रहा है ।
(-)-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 |