DMT SP2单颗粒黑碳光度计

仪器概述

单颗粒黑碳光度计（英文名： Soot-Particle Photodiameter；英文缩写：SP2）是目前世界上唯一一台直接测量单个粒子中黑碳的精密仪器。该仪器由位于美国科罗拉多州博德市（Boulder, Colorado, USA）的粒子测量技术公司（Droplet Measurement Technologies, Inc.）制造。该仪器灵敏度高，响应迅速，针对（黑碳）性强。可用于空气污染源和大气层结污染的特征分析，也是研究雪、冰、水中黑碳和标定其它测量黑碳仪器的良好设备。

应用案例

孙天乐、何凌燕等于2009 年 1 月 10 日至 2 月 17 日利用SP2 在北京大学深圳研究院进行项目观测。结果分别对黑碳（BC）的质量浓度、数浓度及混合态的比例进行统计，表明深圳外混态黑碳浓度随时间波动范围较大，而内混态黑碳的浓度变化相对较小；说明内混态黑碳分布在大气中更均匀,呈现出区域污染的特征。1 月10 日至20 日外混态BC 和内混态BC 浓度均高于其他时段.此段时间的天气图显示,深圳地区受弱冷高压控制,风速较低,不利于大气污染物的扩散和稀释。外混态BC 浓度变化范围为0.15~16.2 μg·m-3,平均为2.24±2.30 μg·m-3；内混态BC 浓度变化范围0.04~6.89 μg·m-3,平均为1.03±0.95 μg·m-3。

图1. 观测期间内、外混态BC 质量浓度(127~264 nm)的时间变化序列

图2 可以看出, BC 质量浓度、数浓度、表面积浓度的粒径分布均为单峰型。混合态比例随粒径的分布也呈现单峰分布,且当BC 颗粒粒径为165nm 时,内混态BC 颗粒所占比例最高.可以看出,内混态BC 比例随粒径变化曲线与BC 表面积浓度随粒径变化曲线的趋势最为接近,说明内混态BC 的形成过程很可能与其表面积有关.研究结果例证了大气中内混态BC 的生成过程可能与其表面积密切相关,为模拟BC 气溶胶在大气中的传输转化过程提供了启示.

图2 黑碳（BC）颗粒粒径分布曲线及混合态变化曲线

应用范围：

该仪器既可安装在固定地点，也可以安装在汽车、船舶、飞机等移动平台上研究气溶胶的光学特性。用于污染特征研究，空气质量和能见度监测，大气科学、气候和健康研究，燃烧源排放及生物质燃烧等研究。

SP2的灵敏度高，响应速度快，元素碳特殊性使其成为首屈一指的仪器,成为空气污染的来源和大气层污染记录薄。这也是理想的测量烟尘在雪地，冰或水和校准,其他的黑碳测量仪器像Aethalometer。

技术优势：

测量单个气溶胶中的黑碳(soot)质量；

采用Nd:YAG 在模具内产生气溶胶可吸收的白炽光(LII), 不依赖于气溶胶的混合状态，可获得更精确的测量结果；

可测量每分钟的黑碳含量(低于10 ng/m3)；

根据光的散射特性计算气溶胶的大小；

允许气溶胶数浓度上限：25,000 particles/sec (12,500 particles/cm3 at 120 vccm)

提供单个气溶胶的全方位信息；

技术指标

同时测量气溶胶的散射光和白炽光

记录温度和大气压力

黑碳质量及气溶胶数浓度的粒径分布

采样速率为0-12500 个/m3(120vccm)，0-25000 个/秒

散射光，200-430nm（此粒径段包含大部分粒子所属的积聚模态，利用后期处理可以扩展至700nm）；白炽光，视粒子浓度而定，一般70-500nm 当量的黑碳粒子浓度为1.8g/cm3

响应时间：< 10 秒

采样流量：30-180vccm/min

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

检测限，10 ng/m3 或0.3 fg/particle

主机尺寸：48 x 61 x 26 cm

主机重量：26.1 kg

工作环境：温度： 0 – 40 C; 相对湿度：0–100 %（无凝结）

工作原理

SP2利用模具内Nd:YAG激光器产生高能激光。含有黑碳或者元素碳的气溶胶具有较强的光吸收能力，并被加热直到发出白炽光；然后结合Aquadag或者富勒烯的标定结果从测量到的白炽光中分析出气溶胶中的黑碳含量。SP2也安装有散射光探测器，测量波段为1064nm。散射光用于推断单个气溶胶大小和黑碳的混合状态。散射光还可以用于测量不含黑碳的气溶胶数量和质量浓度。

包括项目

仪器与内部数据存储

数据回放和存档软件

硬体运输箱

操作手册

一年保修

在DMT工厂一天的训练

电子邮件和电话技术支持

配件（需单独购买）

束扫描相机和软件

YAG光学套件（备用YAG晶体和输出耦合器）

激光准直板凳

喷雾器液体样品与可选自动取样

飞机气溶胶入口（见下图）

DMT SP2单颗粒黑碳光度计原版资料下载

参考文献

孙天乐,何凌燕,黄晓锋,曾立武,胡敏,张远航. 深圳市冬季黑碳气溶胶的粒径分布和混合态特征. 科学通报, 56(21), 1703-1710, 2011.

Baumgardner, D., G. L. Kok, and G. B. Raga, "On the diurnal variability of particle properties related to light absorbing carbon in Mexico City," Atmospheric Chemistry and Physics, 7, 2517-2526, 2007.

McConnell, J., R. Edwards, G. Kok, M. Flanner, C. Zender, E. Saltzman, J. Banta, D. Pasteris, M. Carter, J. Kahl, "20th-Century Industrial Black Carbon Emissions Altered Arctic Climate Forcing," Science, 317,1381-1384, 2007.

Subramanian, R., G. L. Kok, D. Baumgardner, A. Clarke, Y. Shinozuka, T. L. Campos, C. G. Heizer, and B. B. Stephens, "Black carbon over Mexico: the effect of atmospheric transport on mixing state, mass absorption cross-section, and BC/CO ratios," Atmospheric Chemistry and Physics, 10, 219-237, 2010.

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.