Production and Measurement of Organic Particulate Matter in the Harvard Environmental Chamber

Yue Zhang; Zhaoheng Gong; Suzane de Sa; Adam P. Bateman; Yingjun Liu; Yongjie Li; Franz M. Geiger; Scot T. Martin

doi:10.3791/55685

JoVE Journal > Environment

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

환경과학

ייצור, מדידה של חלקיקים אורגניים בבית הבליעה סביבתיים הרווארד

Published: November 18, 2018

doi:

10.3791/55685

Yue Zhang^1,2, Zhaoheng Gong¹, Suzane de Sa¹, Adam P. Bateman¹, Yingjun Liu¹, Yongjie Li¹, Franz M. Geiger³, Scot T. Martin^1,4

¹School of Engineering and Applied Sciences,Harvard University, ²Department of Environmental Science and Engineering, Gillings School of Global Public Health,University of North Carolina, ³Department of Chemistry,Northwestern University, ⁴Department of Earth and Planetary Sciences,Harvard University

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

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 הגדרת פרמטרים, הזרקת חמצון הגדר פרמטרים פיזיים של תא סביבתיים על ידי מערכת משוב (PID). מוגדר על לחץ ההפרש 4 הרשות הפלסטינית (30 mTorr). כאשר הלחץ גבוה מדי או נמוך מדי, הברז פותח או סוגר כדי להתאים את הלחץ של השקית בטווח קבוע. הפעל את מחולל אוזון כדי ליצור זרימה האוזון על ידי העברת האוויר יבש דרך מנורת אולטרה סגול. הגדר את קצב הזרימה sLpm 0.1 להגיע ppb 100 ריכוז האוזון הסופי בתוך האק. כבה את המסך האוזון ולהפעיל את התוכנה המתאימה. הגדר את הלחות היחסית של התיק הערכים המיועדים לכך. בניסוי מסוים זה, להשתמש 40% לחות יחסית אך רמת לחות יחסית יכולים לשנות < 5% עד 80%. החיישן RH ומערכת בקרת משוב לשמור על הלחות היחסית בתיק יציב על-ידי התאמת היחס של זרמי אוויר יבש ולח. אספקת אוויר יבש מסופק על ידי הגנרטור אוויר טהור, אשר מפיק אפס אוויר חופשית של פחמימנים, מים (RH < 1%), תחמוצות של חנקן. זרימה של אוויר לח נערכת על ידי אוויר יבש מבעבעים דרך מים טוהר גבוהה (MΩ 18 ס מ) כדי ליצור זרימת אוויר רווי ליד. הגדר את הטמפרטורה של החדר ±0.1 25.0 מעלות צלזיוס. מליאת מיזוג פנימי מפיץ את האוויר אחיד דרך תקרה נירוסטה עם מערכות בקרת משוב זה לשמור על הטמפרטורה בתוך הערכים המיועדים לכך. המתן לקבלת פרמטרים סביבתיים אחרים יציב ובתוך דרישות העיצוב. לחבר את פתחי הכניסה של מכשירים תא סביבתיים. הפעל את התוכנה בפיתוח עצמי על-ידי לחיצה על לחצן התחל . בדוק את הנתונים בזמן אמת המוצגים על התוכנה בפיתוח עצמי המשלבת את הפקד משוב (איור 2). להפעיל את כל הכלים ולחכות להם להתחמם לגמרי. 2. זרעים של חלקיקים הפקה הערה: לפני הזרקת זרע חלקיקים, ריכוז החלקיקים הראשונית היא מתחת 1 ס מ-3. הפקה של חלקיקי סולפט זרע להזריק חלקיקי סולפט יבש המעין-monodisperse לתוך השקית, כדאי לדמות את תנאי הסביבה והן גם לשמש אמצעי לצמיחה condensational של חומרים אורגניים משני. ההזרקה של חלקיקים זרע מבוצעת כדלקמן. להמיס אמוניום סולפט (0.01 גרם) במים טוהר גבוהה (18 MΩ∙cm) 100 מ ל סטריליות להכין פתרון (NH4) 2SO4 (0.1 g∙L-1). השתמש atomizer ב כדי לייצר (NH4) 2SO4 תרסיס חלקיקים בספיקה של 3 sLpm. עוברים את תרסיס הזרימה דיפוזיה מייבש (סיליקה ג’ל) להביא את הלחות היחסית עד 10%. זרע חלקיקים הבחירה ו שק הזרקה להעביר את הזרימה תרסיס מטען הפרעה דו קוטבית (85Kr), דיפרנציאלית ניידות מנתח (DMA) לגודל בחר החלקיקים ולהכין התפלגות קוואזי-monodisperse על ידי ניידות חשמלית. פונקציית תמסורת מורחב באמצעות זרם נדן-כדי-תרסיס ב DMA של 10:3. ניידות חשמלית שנבחר מקוטר החלקיקים היציאה של DMA משתנה בין 50 ל-150 ננומטר בהתאם הניסוי. טיפוסי מספר ריכוז נעה בין 4,000 ל 8,000 ס מ-3. להאכיל את תרסיס קוואזי-monodisperse לשקית עם קצב זרימה של 3 sLpm. לפקח על החלקיקים היציאה את התיק על-ידי שימוש של סריקה ניידות חלקיקים סייזר (SMPS). המתן התפלגות גודל החלקיקים זרע להיות יציב. ההפסד של חלקיקים בשל כמו גם חיובים סטטי על התיק היא מינימלית, במיוחד עבור חלקיקים בגדלים אבובים כיפוף השתמשו בניסוי זה (גדול יותר מ- 100 ננומטר)29,30. 3. הזרקה של דלק שלב מבשרי הזרקה של סימנים מקדימים גז-פאזי השתמש מזרק לסגת 1.00 מ של הפתרון איזופרן. יש לשטוף את המזרק שלוש פעמים עם הפתרון לפני הנסיגה הסופית. מקם את המזרק לתוך מזרק במזרק. הכנס את מחט דרך חותמת גומי לתוך בקבוקון סיבוב המדרגה (25 מ ל). מחממים מראש את הבקבוק כדי ±1 90 ° C על ידי חימום הקלטת. הפעלת את הזריקה מזרק ולהגדיר אותו ערך מתאים (1.1 ל 4.4 μL∙min-1). ריכוז גז-פאזי למבשר מותאמת לניסוי שונים על ידי שליטה קצב הזרקת מזרק. לניסויים זמן, לרענן את המזרק כנדרש. להציג את זרם של 2 sLpm של אוויר מטוהר לאדות ולשאת משם איזופרן מזריקים את הבקבוק העגול-התחתון. הזרימה של האוויר הוא גדול מספיק כי ה-droplet sessile על קצה המזרק הוא מתאדה במקום לטפטף לתוך הבקבוק. כתוצאה מכך הריכוז של גז שלב מבשר נשאר יציב. להפעיל את המתג של אורות אולטרה סגול בתוך האק. 4. כלי מדידה הערה: השילוב של איזופרן, אור UV מוביל לייצור של חומר אורגני משני על גבי חלקיקי סולפט זרע. קוטר מספר הפצה של החלקיק יוצא מהשק לטעום זרימה החוצה מתוך התיק באמצעות הצנרת אלקטרוסטטית עמיד. להפעיל את תוכנת המדידה תרסיס וליצור קובץ חדש על ידי לחיצה על צור קובץ חדש. לכל פרמטר מוגדר כפי שמוצג באיור3. להקליט קוטר מספר חלוקות של חלקיקים היציאה את התיק על ידי לחיצה על לחצן אישור . אפיון כימי של חלקיקים אורגניים. . פתח את הברז דגימה של נירוסטה בתוך השקית. הזרם תרסיס שנדגמו ב ברזולוציה גבוהה זמן-של-טיסה תרסיס מסה ספקטרומטר (HR-תוף-AMS). הפעל את התוכנה רכישת נתונים על-ידי לחיצה על הלחצן ידרשו בפינה הימנית התחתונה של החלונית ‘ ‘ (איור 4). ספקטרום המוני ברזולוציה גבוהה של ראש הממשלה אורגני נרשמים במהלך הזמן הניסויים. ריכוז מסה אורגני הכולל גם מתקבל. אפיון של גז-פאזי מינים . פתח את הברז דגימה של צינור טפלון PTFE בתוך השקית. הזרם שנדגמו מונחה כדי ספקטרומטר מסה זמן-של-טיסה פרוטון-העברה-תגובה (PTR-תוף-MS). ספקטרום המונית של גזי מינים שיש משיכה פרוטונים גבוה יותר מאשר מים מתקבלים. השתמש בהגדרות פרמטר של יון מקור PTR-תוף-MS שמוצג באיור 5 התוכנה PTR-מנהל. התחל את חדרי קירור והקפאה לגשת לתפריט הנפתח רכישה בתוכנה TofDAQ Viewer ולאחר מכן הקשה על התחל. להקליט סדרת הזמן של כל יון באמצעות תוכנה זו. 5. סוף הניסוי וניקוי התיק עוצרים את הזריקה של סימנים מקדימים את שלב גז, חלקיקי אירוסול זרע. במשך כמה ימים ברציפות להחדיר אוויר טהור ב- L∙min 40-1 לתוך השקית. הפעל את כל אורות אולטרה סגול. הגדר את ריכוז האוזון 600 ppb והגדר את הטמפרטורה 40 ° C. בדרך זו, סביבה חמצון אגרסיבי נשמר במשך מספר ימים לקרצף את התיק. כאשר ריכוז החלקיקים בתוך החדר מספר ס מ פחות מ 0.2-3, החדר הוא נחשב נקי, יכול לשמש את הניסוי הבא.

Representative Results

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.

Discussion

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, f_הזרקה, של כל מין מוזרק לתוך החדר.

(1)

איפה c_המטרה c_{הראשוני} כל מייצגים את ריכוז היעד הסופי מגיבים בתוך החדר, הריכוז ההתחלתי של מגיבים שמופק מן המקור. סמל f_סך 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. במנתח_x 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.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

(-)-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

References

Hallquist, M., et al. The formation, properties and impact of secondary organic aerosol: current and emerging issues. Atmospheric Chemistry and Physics. 9, 5155-5236 (2009).
Fehsenfeld, F., et al. Emissions of volatile organic compounds from vegetation and the implications for atmospheric chemistry. Global Biogeochemical Cycles. 6, 389-430 (1992).
Seinfeld, J. H., Pandis, S. N. . Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change. , (2006).
Zaveri, R. A., Easter, R. C., Shilling, J. E., Seinfeld, J. H. Modeling kinetic partitioning of secondary organic aerosol and size distribution dynamics: representing effects of volatility, phase state, and particle-phase reaction. Atmospheric Chemistry and Physics. , 5153-5181 (2014).
Shiraiwa, M., Berkemeier, T., Schilling-Fahnestock, K. A., Seinfeld, J. H., Pöschl, U. Molecular corridors and kinetic regimes in the multiphase chemical evolution of secondary organic aerosol. Atmospheric Chemistry and Physics. 14, 8323-8341 (2014).
Ziemann, P. J., Atkinson, R. Kinetics, products, and mechanisms of secondary organic aerosol formation. Chemical Society Reviews. 41, 6582-6605 (2012).
Chen, Q., Liu, Y., Donahue, N. M., Shilling, J. E., Martin, S. T. Particle-Phase Chemistry of Secondary Organic Material: Modeled Compared to Measured O:C and H:C Elemental Ratios Provide Constraints. Environmental Science and Technology. 45, 4763-4770 (2011).
Liu, P., et al. Highly Viscous States Affect the Browning of Atmospheric Organic Particulate Matter. ACS Central Science. 4 (2), 207-215 (2018).
Jimenez, J. L., et al. Evolution of organic aerosols in the atmosphere. Science. 326, 1525-1529 (2009).
Goldstein, A. H., Galbally, I. E. Known and unexplored organic constituents in the earth’s atmosphere. Environmental Science and Technology. 41, 1514-1521 (2007).
Martin, S. T., et al. Sources and properties of Amazonian aerosol particles. Review of Geophysics. 48, RG2002 (2010).
Zhang, H., Surratt, J. D., Lin, Y. H., Bapat, J., Kamens, R. M. Effect of relative humidity on SOA formation from isoprene/NO photooxidation: enhancement of 2-methylglyceric acid and its corresponding oligoesters under dry conditions. Atmospheric Chemistry and Physics. 11, 6411-6424 (2011).
Rohrer, F., et al. Characterisation of the photolytic HONO-source in the atmosphere simulation chamber SAPHIR. Atmospheric Chemistry and Physics. 5, 2189-2201 (2005).
Cocker, D. R., Flagan, R. C., Seinfeld, J. H. State-of-the-art chamber facility for studying atmospheric aerosol chemistry. Environmental Science and Technology. 35, 2594-2601 (2001).
Shilling, J. E., et al. Loading-dependent elemental composition of α-pinene SOA particles. Atmospheric Chemistry and Physics. 9, 771-782 (2009).
Presto, A. A., Huff Hartz, K. E., Donahue, N. M. Secondary organic aerosol production from terpene ozonolysis. 1. effect of UV radiation. Environmental Science and Technology. 39, 7036-7045 (2005).
Epstein, S. A., Blair, S. L., Nizkorodov, S. A. Direct photolysis of α-pinene ozonolysis secondary organic aerosol: effect on particle mass and peroxide content. Environmental Science and Technology. 48, 11251-11258 (2014).
Boyd, C. M., et al. Secondary organic aerosol formation from the β-pinene+NO3 system: effect of humidity and peroxy radical fate. Atmospheric Chemistry and Physics. 15, 7497-7522 (2015).
Xu, L., Kollman, M. S., Song, C., Shilling, J. E., Ng, N. L. Effects of NOx on the volatility of secondary organic aerosol from isoprene photooxidation. Environmental Science and Technology. 48, 2253-2262 (2014).
Loza, C. L., et al. Characterization of vapor wall loss in laboratory chambers. Environmental Science and Technology. 44, 5074-5078 (2010).
Lin, Y. H., et al. Isoprene epoxydiols as precursors to secondary organic aerosol formation: acid-catalyzed reactive uptake studies with authentic compounds. Environmental Science and Technology. 46, 250-258 (2012).
Martin, S. T., Kuwata, M., Smith, M. L. An analytic equation for the volume fraction of condensationally grown mixed particles and applications to secondary organic material produced in continuously mixed flow reactors. Aerosol Science and Technology. 48, 803-812 (2014).
Bateman, A. P., Bertram, A. K., Martin, S. T. Hygroscopic Influence on the Semisolid-to-Liquid Transition of Secondary Organic Materials. Journal of Physical Chemistry A. 119, 4386-4395 (2015).
Shilling, J. E., King, S. M., Mochida, M., Worsnop, D. R., Martin, S. T. Mass spectral evidence that small changes in composition caused by oxidative aging processes alter aerosol CCN properties. The Journal of Physical Chemistry A. 111, 3358-3368 (2007).
Smith, M. L., Kuwata, M., Martin, S. T. Secondary Organic Material Produced by the Dark Ozonolysis of alpha-Pinene Minimally Affects the Deliquescence and Efflorescence of Ammonium Sulfate. Aerosol Science and Technology. 45, 244-261 (2011).
King, S. M., Rosenoern, T., Shilling, J. E., Chen, Q., Martin, S. T. Increased cloud activation potential of secondary organic aerosol for atmospheric mass loadings. Atmospheric Chemistry and Physics. 9, 2959-2971 (2009).
Shilling, J. E., et al. Particle mass yield in secondary organic aerosol formed by the dark ozonolysis of α-pinene. Atmospheric Chemistry and Physics. 8, 2073-2088 (2008).
Nguyen, T. K. V., et al. Trends in particle-phase liquid water during the Southern Oxidant and Aerosol Study. Atmospheric Chemistry and Physics. 14, 10911-10930 (2014).
Nah, T., McVay, R. C., Pierce, J. R., Seinfeld, J. H., Ng, N. L. Constraining uncertainties in particle-wall deposition correction during SOA formation in chamber experiments. Atmospheric Chemistry and Physics. 17, 2297-2310 (2017).
Reineking, A., Porstendörfer, J. Measurements of Particle Loss Functions in a Differential Mobility Analyzer (TSI, Model 3071) for Different Flow Rates. Aerosol Science and Technology. 5, 483-486 (1986).
Kroll, J. H., Seinfeld, J. H. Chemistry of secondary organic aerosol: Formation and evolution of low-volatility organics in the atmosphere. Atmospheric Environment. 42, 3593-3624 (2008).
Surratt, J. D., et al. Reactive intermediates revealed in secondary organic aerosol formation from isoprene. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 107, 6640-6645 (2010).
Surratt, J. D., et al. Effect of Acidity on Secondary Organic Aerosol Formation from Isoprene. Environmental Science and Technology. 41, 5363-5369 (2007).
Isaacman-VanWertz, G., et al. Chemical evolution of atmospheric organic carbon over multiple generations of oxidation. Nature Chemistry. 10, 462-468 (2018).
Docherty, K. S., et al. Trends in the oxidation and relative volatility of chamber-generated secondary organic aerosol. Aerosol Science and Technology. , 1-13 (2018).
Wiedensohler, A., et al. Mobility particle size spectrometers: Calibration procedures and measurement uncertainties. Aerosol Science and Technology. 52, 146-164 (2018).
Warneke, C., de Gouw, J. A., Kuster, W. C., Goldan, P. D., Fall, R. Validation of Atmospheric VOC Measurements by Proton-Transfer- Reaction Mass Spectrometry Using a Gas-Chromatographic Preseparation Method. Environmental Science and Technology. 37, 2494-2501 (2003).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Zhang, Y., Gong, Z., Sa, S. d., Bateman, A. P., Liu, Y., Li, Y., Geiger, F. M., Martin, S. T. Production and Measurement of Organic Particulate Matter in the Harvard Environmental Chamber. J. Vis. Exp. (141), e55685, doi:10.3791/55685 (2018).