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.
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.
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.
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.
(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.
The authors have nothing to disclose.
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.
(-)-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 |