Method Article
מאמר זה מתאר מבצע הליכים כדי להפוך את הרווארד סביבתיים קאמרית (HEC) קשורים אינסטרומנטציה עבור מדידת גז ומינים של חלקיקים. תא סביבתיים משמש כדי לייצר וללמוד משני מינים אורגני המופק את סימנים מקדימים אורגני, במיוחד הקשורים אטמוספרי חלקיקים אורגניים.
את הייצור ואת התפתחות האטמוספירה אורגניים חלקיקים (PM) מובנים מספיק עבור הדמיות מדויקות של האטמוספירה כימיה ואת האקלים. מנגנוני הייצור מורכבים מסלולים התגובה להפוך את נושא המחקר מאתגר. כדי לטפל בבעיות אלה, חדר סביבתיים, מתן זמן מגורים מספיק קרוב להסביבה ריכוזי מבשרי משני חומרים אורגניים, יש צורך. הרווארד סביבתיים קאמרית (HEC) נבנה כדי לשרת את הצורך הזה, המדמה את הייצור של החלקיקים והגז שלב מינים של תרכובות אורגניות נדיפות (Voc). האק יש נפח של 4.7 מ'3 זמן מגורים אכזרי של h 3.4 בתנאים הפעלה טיפוסית. זה מופעל כמו כור זרימה מעורב לחלוטין (CMFR), מתן אפשרות לא מוגדר מצב יציב מבצע על פני ימים עבור איסוף הדגימה וניתוח נתונים. ההליכים מבצע מתוארים בפירוט במאמר זה. מספר סוגי מכשור משמשים כדי לאפיין את החלקיקים והגז המיוצר. רזולוציה גבוהה זמן-של-הקרב תרסיס מסה ספקטרומטר (HR-תוף-AMS) משמש לאפיון חלקיקים. ספקטרומטר מסה פרוטון-העברה-תגובה (PTR-MS) משמשת לניתוח גזי. דוגמה התוצאות מוצגים כדי להראות את השימוש תא סביבתיים במגוון רחב של יישומים הקשורים physicochemical מאפייני מנגנוני התגובה חומר אורגני אטמוספרי.
האטמוספירה אורגניים חלקיקים (PM) מופק חמצון חומרים אורגניים נדיפים (Voc) הנפלטת הביוספרה של פעילויות אנתרופוגניים1,2. למרות השפעות חשובות אלה תרסיס חלקיקים על האקלים, בריאות האדם, ואת ניראות3, את מנגנוני הייצור נותרים שהיישום הבין, מאופיין, שניהם איכותית, באופן כמותי. אתגר אחד במחקרי מעבדה, אשר בהכרח מצומצמת, הזמן, היא לדמות את התפתחות המינים שלב החלקיקים והגז אטמוספרי. מגורים פעמים בטח מספיק זמן. כי תרכובות בשלבים גזים וחלקיקים יכול לעבור חמצון ותגובה טורבולנטית רב פזית כפי שהיו ב סביבות אמביינט4,5,6,7, 8. אתגר נוסף היא לעבוד במעבדה בריכוזים מספיק נמוך המייצגים את טמפרטורת הסביבה9,10,11. תהליכים חשובים רבים את קנה המידה עם ריכוזים. למשל, ריכוז מסה גבוהה בצורה מוגזמת של PM אורגני בניסוי מעבדה ניתן בטעות להעביר את חלוקת המינים semivolatile מהשלב גז לשלב חלקיקים. ההרכב של שלבי החלקיקים והגז יכול להיות בלתי מייצג של תנאים אטמוספיריים. תא סביבתיים הרווארד תוכנן כדי לתת מענה לאתגרים הללו, בעיקר באמצעות הגישה של תצורה של זרימה רציפה פעלו תחת ציר הזמן לא מוגדר, ובכך לאפשר ריכוזים נמוכים והשעות אינטגרציה רב עבור אות זיהוי. התא חוגגת מיילסטון של 12 שנים של תגלית מדעית ב-2018.
בדיקות גניקולוגיות משתנה בהתאם מקור האור, הזרם ערבוב המערכת, גודל, ואת המספר של צ'יימברס הפועלים יחד. ישנם צ'יימברס חיצונית לקבל אור שמש טבעי12,13 , כמו גם לשכת מקורה הפועלות עם אור מלאכותי14,15,16,17,18 ,19,20,21. צ'יימברס חיצונית ניתן גם לבנות חפצים גדולים יחסית, מזעור זה יכול להיות מוצג על ידי קיר אפקטים, למרות האתגרים כוללים את הווריאציה של תאורה בגלל העננים, כמו גם בשונות טמפרטורה. למרות מקורה צ'יימברס יכול לשלוט בקפידה טמפרטורה, לחות יחסית, את עוצמת ואת הספקטרום של האור המלאכותי שונים בדרך כלל אור השמש הטבעי, אשר עשוי להשפיע על התגובות פוטו אטמוספרי מסוימים14. גם יכול להיות מופעל צ'יימברס כורים אצווה או זרימה מעורב לחלוטין כורים (CMFR)22. אצווה כורים בדרך כלל קל יותר לתפעול ולתחזוקה, אבל CMFR יכול להיות מופעל במשך שבועות, בהתאם לצורך, כדי לאפשר לשילוב אות ולעבוד ובכך בריכוזים נמוך, atmospherically רלוונטיים.
במסמך זה, את החומרה ואת פעולת24,25 23,7,הרווארד סביבתיים קאמרית (HEC) מתוארים בפירוט. HEC מורכב משקית PFA טפלון3 4.7 מ' שוכן בתוך תא בטמפרטורה קבועה (2.5 × 2.5 × 2.75 מ'3)26. יריעות אלומיניום רפלקטיביים לכסות את הקירות הפנימיים של התא כדי לאפשר תאורה מרובה נתיבים באמצעות התיק, ובכך להגביר את הקצב של פוטוכימיה. HEC מופעל כמו CMFR, המקביל זמן מגורים אכזרי של 3.4 h27ושימוש קצב זרימה מוחלטת של 21 sLpm. טמפרטורה, לחות, ריכוז האוזון נשמרים על-ידי משוב הורים. . אמוניום סולפט חלקיקים משמשים כחלקיקים זרע לחקות את עיבוי של רכיבים אורגניים על גבי חלקיקים אורגניים בסביבה אמביינט. הקוטר מצב של חלקיקי סולפט אורגניים נבחרה להיות 100-200 ננומטר כדי לדמות את גודל החלקיקים נמדד של שדה28. מבצע הליכים מתוארים בסעיף פרוטוקול במסמך זה, כולל מצגת חזותית, ולאחריו דיון קצר על תוצאות מחקר HEC ויישומים.
הערה: הפרמטרים הסביבתיים נמדדו מפתח כוללים אוזון (אוזון מנתח), לא של NO2 (NOx מנתח), לחות יחסית (חיישן לחות יחסית), טמפרטורה (צמד תרמי מסוג K), על לחץ ההפרש בין התיק לבין התא. המותגים כלי מפורטים בטבלה של החומרים. הפרמטרים הסביבתיים נמדדו לפי כלי הנגינה חייב להיות יציב ובתוך דרישות עיצוב לפני התחלת הניסויים. תא סביבתי משתמשת מערכת משוב כדי כל הזמן לעקוב ולהתאים את הפקדים כך הפרמטרים הסביבתיים יישאר בתוך דרישות במהלך ניסוי.
1. הפעלת נהלים
2. זרעים של חלקיקים הפקה
הערה: לפני הזרקת זרע חלקיקים, ריכוז החלקיקים הראשונית היא מתחת 1 ס מ-3.
3. הזרקה של דלק שלב מבשרי
4. כלי מדידה
הערה: השילוב של איזופרן, אור UV מוביל לייצור של חומר אורגני משני על גבי חלקיקי סולפט זרע.
5. סוף הניסוי וניקוי התיק
דוגמה של סדרת הזמן של ריכוז מסה אורגני שהוקלט על ידי HR-תוף-AMS במהלך ניסוי אחד מוצג באיור 6. תנאי הניסוי היו ppb 490 של איזופרן עם נורות UV הפעלת לספק או קיצוני כמו חמצון. ריכוז PM אורגני גדל בהתמדה לאחר תחילת הניסוי עד לאחר כ- 4 מצב יציב h הגיעו המוני. האבולוציה של תרכובות אורגניות גז-שלב בו זמנית היה למד באמצעות ההצגות PTR-תוף-גב' איור 7 סדרת הזמן של4H ג6O+ אות בעוצמה תחת אותו ניסוי, אשר נובעת איזופרן הגדולות מוצרים חמצון (למשל, מתיל ויניל קטון, methacrolein ומספר hydroperoxides אורגניות). לאחר החל תאורה, עוצמת האות C O+ 64H גדל והתמיד בכך עד מצב יציב הושג לאחר 50 דקות.
הדמויות להמחיש את התפתחות הזמן המשני חומר אורגני ב- HEC. אחרי הזרקה, התגובה ו ספין עד מצב יציב, הנתונים AMS מציינים כי החלקיקים מורכבים של תרכובות אורגניות ומגביר הריכוז של הרכיבים אורגני עם הזמן. הנתונים PTR-MS להציג למבשר האב נמצא לאיבוד מהשלב גז מינים דור ראשון המוצר מופיעים לאחר התגובה מאותחלת. ניתוח נתונים של מדידות במצב מקוון ולא מקוון להתמקד בדרך כלל תקופת מצב יציב. יש הזדמנות לערוך ניסויים הדורשים ימים לסיים כי הריכוזים של השלב החלקיקים והגז מינים נותרים יציבים ללא הגבלת זמן על ידי שימוש של הפעולה CMFR עם פקדים משוב על פרמטרים חשובים קאמרית. לסיכום, HEC משמש כדי לדמות האטמוספירה כימיה, ובכך לבחון השערות ומשפיע על הבנה בנושאים חשובים להבנת זיהום האוויר, האקלים של חלקיקים, אפילו השפעות בריאותיות של אירוסולים.
איור 1 . תרשים זרימה כללי לשכת סביבתיים הרווארד (HEC). הקווים מייצגות את זרימת תרסיס. הלוחות שמאל מראים על כלי הנגינה המשמשים לניטור תנאי ריאקציה. הלוחות נכון לפרט אותם כלים המשמשים כדי לאפיין את החלקיקים והגז שלב מינים. נתון זה ממאמרו של המלך et al. 26 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2 . ממשק משתמש גרפי עבור התוכנית בפיתוח עצמי נהגתי צג טמפרטורה, אוזון, לחות יחסית, לחץ, בין מינים אחרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3 . ממשק המשתמש הגרפי של התוכנה ששימשה כדי להקליט את התפלגות מספר-קוטר באמצעות של SMPS. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4 . ממשק המשתמש הגרפי של התוכנה לפעול ספקטרומטר מסה של תרסיס. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 5 . ממשק המשתמש הגרפי של התוכנה כדי לשלוט ספקטרומטר מסה של פרוטון-העברה-תגובה (PTR-MS) אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 6 . דוגמה מידות עבור PM אורגני, לפי המאופיינת ספקטרומטר מסה תרסיס. הקו האדום מייצג את עוצמת אות סה עבור יונים אורגני. הנתונים המוצגות תואמות זמן קצר לאחר איזופרן הוזרק והחלה תאורה אולטרה סגולה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 7 . דוגמה של עוצמת האות C 4 H 6 O+ יון, מוצר העיקריים של איזופרן צילום-חמצון המדידה היא על ידי פרוטון-העברה-תגובה ספקטרומטריית. עוצמת האות החלו להגדיל 8 דקות לאחר תאורה והגיע מצב יציב-50 דק אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
החשיבות הגוברת להבין את ההיווצרות וההתפתחות של אירוסולים אורגני מוביל הדחף לבנות בדיקות גניקולוגיות לחקות תהליכים כאלה באווירה ומבוקרות היטב. כיום, רוב התאים סביבתיים מבוססים על אצווה הכור מצב19,31,32,33,34 בזמן היו מעט מאוד צ'יימברס לנצל ללא הרף ערבוב הכור מצב15,35. הפעלה תא הסביבה במצב ללא הרף זרימה הכור מספק את הנוחות של תרסיס רציפה דגימה עבור ימים ואפילו שבועות בריכוזים דמוי תאורת הסביבה. ראוי לציין כי התנאים המקומיים הם מורכבים הרבה יותר מאשר ההגדרות מעבדה ומבוקרות היטב. לדוגמא, הטמפרטורה של הסביבה תנודות בזמן בבית הבליעה היא מתוחזקת על ערך קבוע. זמן התגובה של גזים וחלקיקים בבית הבליעה להיות נשלט, מוגבל על ידי המגורים של התא, יותר מאשר להשיג ימים של זמן התגובה, בעולם האמיתי. השימוש blacklights, במקום קרינת השמש הטבעי, ניתן גם ליצור או רדיקלים, לדמות את התגובות של הסביבה. אבל blacklight לפעמים יכול להוביל ריכוז גבוה של radicles הו לעומת אלו בסביבת אמביינט, אשר עשוי להשפיע על מצב חמצון של מולקולות אורגניות, צריך להיבדק בקפידה. עם זאת, על-ידי כוונון במשתנה אחד או שניים בלבד ושליטה על כל שאר המשתנים באמצעות לשכת סביבתיים, אנחנו יכולים באופן שיטתי ללמוד תהליכים כימיים/פיזי אלה.
אחד הצעדים הקריטיים בתפעול ברציפות ערבוב צ'יימברס הוא לשמור את הלחץ הפנימי של התא בטווח האופטימלית. לחץ בתוך התא יגרום דולף של גזים, חלקיקים מן החדר, בעוד בלחץ נמוך בתוך החדר למצוץ אוויר וחלקיקים מהמעבדה לחדר ולגרום לזיהום. מד לחץ יש צורך לנטר את הלחץ של התא בתוך ערכים בטוחים (< 5 הרשות הפלסטינית) לאורך כל הקורס הניסויים. עוד נושא נצפתה הנפוץ עבור תא סביבתי הוא התגרענות עצמית חלקיקים אורגניים לא צפוי. קצב נמוך יותר של הזרקת VOC/חמצון או ריכוז גבוה יותר של חלקיקים זרע יש צורך למנוע תופעה זו. בהתאם למטרת הניסויים, ריכוזי אוזון, VOC וחלקיקים זרע יכול להשתנות לפי סדר גודל אחד. ניתן להשתמש במשוואה הבאה כדי לחשב את קצב הזרימה, fהזרקה, של כל מין מוזרק לתוך החדר.
(1)
איפה cהמטרה cהראשוני כל מייצגים את ריכוז היעד הסופי מגיבים בתוך החדר, הריכוז ההתחלתי של מגיבים שמופק מן המקור. סמל fסך מייצגים הזרם הכולל של כל המינים זה הוזרקו לתוך החדר.
הצעד השלישי קריטי בהצלחה הפועלים תא סביבתית וקבלת התוצאות הוא לכיול לכל מכשיר לפני הניסויים. מערכת SMPS התפקיד על ידי הזרקת ידוע גודל חלקיקים PSL36. במנתחx ו האוזון לא מכוילים על-ידי שימוש ppm 5 אין גליל מדולל על ידי N2ו- 10 עמודים לדקה של אוזון מדולל ב- N2, בהתאמה26. כיול נהלי AMS ו- PTR-MS מסובכים, ניתן למצוא מכשיר מדריכים או ונמוג הקודם27,37.
ההגדרה קאמרית סביבתיים שתוארו לעיל תהיה מתאימה ללמוד את הייצור והאבולוציה של אירוסולים אורגני אלא ישים גם ב ציפוי חלקיקים שונים עם אורגני ציפוי כמו גם בחינת גז שלב תגובות על ידי הזרקת דלק סימנים מקדימים בלבד. כיוונים אלו מרובים לספק תא סביבה מבוקרת את הגמישות בלימוד מגוון רחב של תחומי מחקר הקשורות את איכות האוויר, האקלים של נושאי בריאות האדם.
המחברים מצהירים אין אינטרסים כלכליים מתחרים.
חומר זה מתבסס על עבודה הנתמכות על ידי התוכנית מדעי הסביבה כימי בתוך המחלקה לכימיה של ארה ב הלאומית למדע קרן (NSF) תחת גרנט מספר 1111418, החטיבה אטמוספרי-מדעי של המדע הלאומי ארה ב קרן (NSF) תחת גרנט מספר 1524731, כמו גם פרס הפרסום הפקולטה הרווארד. אנו להכיר ליו Pengfei, צ'י צ'ן, Mikinori Kuwata עבור דיונים שימושי וסיוע עם הניסויים, כמו גם אריק Etcovitch על היותך קריינות של הוידאו.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
(-)-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 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved