DMT SP2單顆粒黑碳光度計

儀器概述

單顆粒黑碳光度計（英文名： Soot-Particle Photodiameter；英文縮寫：SP2）是目前世界上唯一一臺直接測量單個粒子中黑碳的精密儀器。該儀器由位于美國科羅拉多州博德市（Boulder, Colorado, USA）的粒子測量技術公司（Droplet Measurement Technologies, Inc.）制造。該儀器靈敏度高，響應迅速，針對（黑碳）性強。可用于空氣污染源和大氣層結污染的特征分析，也是研究雪、冰、水中黑碳和標定其它測量黑碳儀器的良好設備。

應用案例

孫天樂、何凌燕等于2009 年 1 月 10 日至 2 月 17 日利用SP2 在北京大學深圳研究院進行項目觀測。結果分別對黑碳（BC）的質量濃度、數濃度及混合態的比例進行統計，表明深圳外混態黑碳濃度隨時間波動范圍較大，而內混態黑碳的濃度變化相對較小；說明內混態黑碳分布在大氣中更均勻,呈現出區域污染的特征。1 月10 日至20 日外混態BC 和內混態BC 濃度均高于其他時段.此段時間的天氣圖顯示,深圳地區受弱冷高壓控制,風速較低,不利于大氣污染物的擴散和稀釋。外混態BC 濃度變化范圍為0.15~16.2 μg·m-3,平均為2.24±2.30 μg·m-3；內混態BC 濃度變化范圍0.04~6.89 μg·m-3,平均為1.03±0.95 μg·m-3。

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圖1. 觀測期間內、外混態BC 質量濃度(127~264 nm)的時間變化序列

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圖2 可以看出, BC 質量濃度、數濃度、表面積濃度的粒徑分布均為單峰型。混合態比例隨粒徑的分布也呈現單峰分布,且當BC 顆粒粒徑為165nm 時,內混態BC 顆粒所占比例最高.可以看出,內混態BC 比例隨粒徑變化曲線與BC 表面積濃度隨粒徑變化曲線的趨勢最為接近,說明內混態BC 的形成過程很可能與其表面積有關.研究結果例證了大氣中內混態BC 的生成過程可能與其表面積密切相關,為模擬BC 氣溶膠在大氣中的傳輸轉化過程提供了啟示.

圖2 黑碳（BC）顆粒粒徑分布曲線及混合態變化曲線

應用范圍：

該儀器既可安裝在固定地點，也可以安裝在汽車、船舶、飛機等移動平臺上研究氣溶膠的光學特性。用于污染特征研究，空氣質量和能見度監測，大氣科學、氣候和健康研究，燃燒源排放及生物質燃燒等研究。

SP2的靈敏度高，響應速度快，元素碳特殊性使其成為首屈一指的儀器,成為空氣污染的來源和大氣層污染記錄薄。這也是理想的測量煙塵在雪地，冰或水和校準,其他的黑碳測量儀器像Aethalometer。

技術優勢：

測量單個氣溶膠中的黑碳(soot)質量；

采用Nd:YAG 在模具內產生氣溶膠可吸收的白熾光(LII), 不依賴于氣溶膠的混合狀態，可獲得更精確的測量結果；

可測量每分鐘的黑碳含量(低于10 ng/m3)；

根據光的散射特性計算氣溶膠的大小；

允許氣溶膠數濃度上限：25,000 particles/sec (12,500 particles/cm3 at 120 vccm)

提供單個氣溶膠的全方位信息；

技術指標

同時測量氣溶膠的散射光和白熾光

記錄溫度和大氣壓力

黑碳質量及氣溶膠數濃度的粒徑分布

采樣速率為0-12500 個/m3(120vccm)，0-25000 個/秒

散射光，200-430nm（此粒徑段包含大部分粒子所屬的積聚模態，利用后期處理可以擴展至700nm）；白熾光，視粒子濃度而定，一般70-500nm 當量的黑碳粒子濃度為1.8g/cm3

響應時間：< 10 秒

采樣流量：30-180vccm/min

Nd:YAG Laser: 1064 nm, 3 MW/cm2，Pump Laser: 808 nm, 4 W

檢測限，10 ng/m3 或0.3 fg/particle

主機尺寸：48 x 61 x 26 cm

主機重量：26.1 kg

工作環境：溫度： 0 – 40 C; 相對濕度：0–100 %（無凝結）

工作原理

SP2利用模具內Nd:YAG激光器產生高能激光。含有黑碳或者元素碳的氣溶膠具有較強的光吸收能力，并被加熱直到發出白熾光；然后結合Aquadag或者富勒烯的標定結果從測量到的白熾光中分析出氣溶膠中的黑碳含量。SP2也安裝有散射光探測器，測量波段為1064nm。散射光用于推斷單個氣溶膠大小和黑碳的混合狀態。散射光還可以用于測量不含黑碳的氣溶膠數量和質量濃度。

包括項目

儀器與內部數據存儲

數據回放和存檔軟件

硬體運輸箱

操作手冊

一年保修

在DMT工廠一天的訓練

電子郵件和電話技術支持

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配件（需單獨購買）

束掃描相機和軟件

YAG光學套件（備用YAG晶體和輸出耦合器）

激光準直板凳

噴霧器液體樣品與可選自動取樣

飛機氣溶膠入口（見下圖）

DMT SP2單顆粒黑碳光度計原版資料下載

參考文獻

孫天樂,何凌燕,黃曉鋒,曾立武,胡敏,張遠航. 深圳市冬季黑碳氣溶膠的粒徑分布和混合態特征. 科學通報, 56(21), 1703-1710, 2011.

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Bisiaux, M., R. Edwards, A. C. Heyvaert, J. M. Thomas, B. Fitzgerald, R. B. Susfalk, S. G. Schladow, and M. Thaw. "Stormwater and Fire as Sources of Black Carbon Nanoparticles to Lake Tahoe." Environmental Science & Technology. Feb 2011.