单颗粒气溶胶真实密度和形状系数的在线检测

The density and shape factor of aerosol particle play crucial roles in determining its aerodynamic properties and affecting its surface area, where many atmospheric heterogeneous reactions would take place. They can also be used as the indicators of aerosol’s production mechanisms, chemical compositions and possible aging pathways in the atmosphere. However, it is difficult to measure particle’s real density and shape factor. The existing method can measure effective density, which is not real density but a function of real density and shape factor. Thus, here we propose a novel online method that can measure the real density and shape factor of single aerosol particle. This method is based on the measurement of aerosol’s aerodynamic size, electrical mobility size and online single particle measurement (including using single particle aerosol mass spectrometer and single particle soot photometer). It will be tested by aerosols with known densities. After tests, we will investigate densities and shape factors of various laboratory generated primary aerosols. Combining density, shape factor and single particle chemical composition measurements, the aging processes of atmospheric aerosol will be studied in greater details.

密度和形状系数决定了气溶胶的空气动力学性质，影响其在大气中的停留时间和参与非均相反应的表面积。它们的数值可以反映气溶胶的化学组分、产生过程以及在大气中的老化程度。但目前对于气溶胶密度和形状系数的测量方法尚不成熟，相关的测量技术主要是针对颗粒物的有效密度，然而有效密度并不是真实密度，它只是真实密度和形状系数的一个函数。因此本项目拟开发一套基于气溶胶空气动力学粒径、真空空气动力学粒径以及电迁移粒径的测量和单颗粒在线检测（单颗粒气溶胶质谱和单颗粒黑碳光度计）的新方法来测量气溶胶的真实密度和形状系数，并利用已知密度和形状的标准气溶胶测试这套系统的准确性和适用范围。该系统首先用来研究典型新鲜一次源气溶胶的真实密度和形状，建立数据库。然后在外场采样中应用该系统，研究气溶胶的密度和形状在大气中的变化，并与一次源气溶胶密度形状数据库进行比对，结合单颗粒化学成分的在线检测，探索气溶胶的老化过程。

大气气溶胶对于环境空气质量，气候和人体健康具有重要影响。新鲜排放的气溶胶在大气中会经历凝结碰并、气-粒分配、化学反应等过程，其混合状态随之不断发生变化。形状和密度是气溶胶的两大重要性质，能够为研究气溶胶的化学成分、混合状态和老化机理提供关键信息。许多研究使用动力学形状系数（χ）来反映颗粒物偏离球形的程度，然而通常测量χ需已知颗粒物的密度信息，而大气气溶胶的密度往往未知。此外，颗粒物的χ与气体的克努森数有关，该值会随着颗粒物所处气压的改变而改变。.为此，本研究提出一种将空气动力学粒径筛分仪（AAC，空气动力学粒径，Da）、差分静电迁移率分析仪（DMA，电迁移率粒径，Dm）和单颗粒飞行时间质谱仪（SPAMS，真空动力学粒径，Dva）联用测量颗粒物的定向平均投影面积（A_P），流体动力半径（R_H）以及有效密度的方法。其中，A_P/(pi*R_H^2)的开方被定义为颗粒物的指示形状系数S，该系数用来表征颗粒物的不规则程度，若颗粒物为球形则S为1。不同于动力学形状系数，由于A_P和R_H仅与颗粒物几何性质有关，因此指示形状系数S不受气压的影响。此外，为了验证AAC-DMA-SPAMS测量系统的性能，本研究在实验室应用该系统测量了9种密度已知、形状不同的颗粒物的S和χ，其中有3类颗粒物被证实在测量系统中发生了定向排列效应，因此出现χ小于1的情况，根据其余6类颗粒物的S和χ，本研究建立了常温常压条件下χ（1< χ <1.05）与S（1< S <1.5）的定量关系，结果显示二者存在高度线性相关。最后，本研究将AAC-DMA-SPAMS测量系统与单颗粒黑碳光度计（SP2）联用初步研究了上海市黑碳气溶胶的形状、密度特征，主要研究对象是由AAC和DMA筛选出来的Mode（D_(a )=200 nm，D_(m )=135 nm），Mode（D_(a )=350 nm，D_(m )=260 nm）和Mode（D_(a )=500 nm，D_(m )=359 nm）的颗粒物，研究结果有助于阐明上海市黑碳气溶胶的混合状态和老化机理。