一种微型手持式纳米级颗粒物检测装置及检测方法

1.本发明涉及超细颗粒物暴露检测技术领域，具体涉及一种微型手持式纳米级颗粒物检测装置及检测方法。


背景技术：

2.大气中的纳米颗粒物是雾霾等大气环境污染问题的重要成因之一。生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室发现，在普通人群血液和胸腔积液中发现外源性超细颗粒物。超细颗粒物经鼻呼吸后，可以沉积在全肺、鼻、咽、喉、支气管、气管、肺泡以及大脑等组织器官。尽管大量流行病学和毒理学研究将接触纳米级颗粒物与有害健康影响联系起来，但颗粒物数量和粒径分布浓度这两种有毒气溶胶的重要指标仍未受到直接监管。
3.在不同的燃烧源、化学过程和气溶胶反应器的废气中，均存在亚微米和纳米范围的颗粒。例如柴油和喷气发动机的废气，燃煤发电厂的排放物以及焊接烟雾，这种纳米物质被定义为环境污染。另外，随着纳米技术工业和半导体行业的发展，不同材料的纳米颗粒在化学反应器中合成出来，用于各种现代工业应用。与此同时，纳米颗粒物会影响半导体工艺水平，因此对半导体生产车间中纳米颗粒物粒径分布情况的监测尤为重要。
4.现阶段，气溶胶的商业检测仪器主要有基于光散射原理的激光散射强度检测法，基于运动学性质的空气动力学粒径检测法和基于粒子电迁移率的电迁移率检测法等。空气动力学和光散射方法多适用于微米级颗粒物的测量，基于电迁移率原理的仪器适用于测量纳米和亚微米级的颗粒物。但是当前基于电迁移率原理的仪器体型较大，成本较高，不适用于便携测量和大范围的布点测量。同时，基于电迁移率原理的仪器的荷电模块多采用扩散荷电、电晕荷电等，该类方法在放电过程中容易产生臭氧，且需要定期更换钨针；粒子采集模块多采用法拉第杯静电计，不适用于在低浓度环境测量。
5.因此，开发一种低检测下限、低成本、微型化纳米级的便携超细颗粒物粒径谱仪是有必要的。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种微型手持式纳米级颗粒物检测装置及检测方法，该检测装置及检测方法能够解决现有技术中的不足，具有测量设备结构简单、体积小、低检测下限等特点，能够实现超细颗粒物粒径谱的直接测量和大范围的布点测量。
7.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
8.在本发明的第一方面，公开了一种微型手持式纳米级颗粒物检测装置。
9.一种微型手持式纳米级颗粒物检测装置，该装置包括依次设置的气溶胶光致荷电器、气溶胶沉淀器和气溶胶混合型凝结粒子计数器；
10.所述气溶胶光致荷电器包括荷电壳体以及安装于所述荷电壳体上的uvc发光装置和金属电子收集网；
11.所述气溶胶沉淀器包括沉淀器主体和套设在所述沉淀器主体外侧的电绝缘垫片；所述沉淀器主体包括依次设置的第一金属板、金属盘和第二金属板；所述金属盘上开设有若干个通孔；所述第一金属板与所述金属盘之间留有第一间隙，该间隙与所述电绝缘垫片的内壁形成第一流动室；所述第二金属板与所述金属盘之间留有第二间隙，该间隙与所述电绝缘垫片的内壁形成第二流动室；所述通孔，用于连通所述第一流动室与第二流动室；
12.所述气溶胶混合型凝结粒子计数器包括依次设置的粒子增长模块和光电检测模块。
13.进一步的，所述荷电壳体具有同轴设置的荷电器气溶胶入气口和荷电器气溶胶出气口；
14.所述荷电壳体在所述uvc发光装置的两侧安装有密封胶圈；
15.所述荷电壳体下端呈45
°
斜坡状。
16.进一步的，所述uvc发光装置发出的光垂直于气溶胶流动方向。
17.进一步的，所述金属电子收集网固定在所述荷电壳体的内部，且与所述uvc发光装置分别位于气溶胶气流的两侧。
18.进一步的，所述第一金属板上开设有入口管，所述入口管与所述荷电壳体内部相连通；
19.所述第二金属板上开设有出口管，所述出口管与所述气溶胶混合型凝结粒子计数器相连。
20.进一步的，所述金属盘接高压电，所述第一金属板和所述第二金属板接地或者偏置到相对于所述金属盘的单独电势，在所述第一流动室及所述第二流动室中分别建立一个电场，形成一个单独电场，不与仪器其他电子设备共地。
21.进一步的，所述粒子增长模块包括气溶胶生长腔壳体以及与所述气溶胶生长腔壳体相连通的储液槽；所述气溶胶生长腔壳体的外壁上设置有加热套件、制冷套件和绝热套件；所述气溶胶生长腔壳体上开设有第一气溶胶进气口、气溶胶出气口和工作液入口；所述第一气溶胶进气口与所述气溶胶沉淀器的出口相连；所述工作液入口与储液槽相连；所述加热套件，用于加热工作液使其变成蒸汽；所述制冷套件，用于降低气溶胶温度；所述绝热套件，用于隔温、使热蒸汽与冷气溶胶进行绝热混合；所述储液槽，用于储存工作液；
22.所述光电检测模块包括光电检测腔体以及安装于所述光电检测腔体上的光电发射器和光电探测器；所述光电检测腔体上开设有第二气溶胶出气口。
23.进一步的，该装置还包括主控制模块；
24.所述主控制模块包括控制器、真空泵、扫描电压模块、电源模块和光电信号处理模块；
25.所述控制器的输出端分别接所述扫描电压模块的输入端和所述真空泵的输入端；
26.所述扫描电压模块的输出端分别与所述第一金属板、第二金属板和金属盘相连；
27.所述光电信号处理模块与光电探测器相连；
28.所述真空泵分别与所述第一气溶胶出气口、所述第二气溶胶出气口相连。
29.在本发明的第二方面，公开了一种上述检测装置的检测方法。
30.该方法包括：
31.(1)气溶胶样气以一定流速进入气溶胶光致荷电器。
32.(2)气溶胶光致荷电器中的uvc发光装置发射出uvc光线，uvc光线与气溶胶碰撞使气溶胶丢失电子，逸出的电子被金属电子收集网收集，使得气溶胶样气中的超细颗粒物带上正电荷，得到带电颗粒物。
33.(3)带电颗粒物被引入气溶胶沉淀器的第一流动室中，带电颗粒物沿径向向外移动，穿过金属盘上的通孔，进入到第二流动室中并径向会聚到出口管处；当在第一流动室或者第二流动室上建立固定电场时，带电颗粒物的轨迹发生偏转，满足设定电迁移率的带电颗粒物沉积在第一金属板或第二金属板上，其余带电颗粒物将部分或全部从气溶胶沉淀器离开进入到气溶胶混合型凝结粒子计数器中。
34.(4)进入到气溶胶混合型凝结粒子计数器中的超细颗粒物与经过制冷套件降温及加热套件加热后的工作液蒸汽混合，实现超细颗粒物的凝结增长；凝结增长后的超细颗粒物经过光电检测腔体，最终由气溶胶出气口离开。工作液是存储在储液槽中的，工作液通过加热套件加热形成工作液蒸汽，超细颗粒物(气溶胶)与工作液蒸汽在气溶胶生长腔壳体的丁字口处混合。热的工作液蒸汽与冷的颗粒物混合时就会开始增长，热的蒸汽会包裹在颗粒物上，从而使得颗粒物的体积变大，达到光电检测模块能够检测到的大小。
35.(5)凝结增长后的超细颗粒物经过光电检测腔体时会使光电探测器产生脉冲，脉冲通过光电信号处理模块处理后得到相应扫描电压下对应粒径的超细颗粒物数量，确定该粒径下的超细颗粒物浓度。
36.进一步的，该方法还包括：在样气气流流速稳定的情况下，改变金属盘与第一金属板、第二金属板之间的扫描电压，分级检测不同粒径下的超细颗粒物浓度，根据不同粒径下的超细颗粒物浓度绘制出粒径谱。
37.和现有技术相比，本发明的优点为：
38.(1)本发明中的微型气溶胶光致荷电器采用uvc光源照射的方法使气溶胶带电，与传统的电晕放电相比，uvc光源照射法对20nm以下的气溶胶荷电效率更高，并且运行稳定，不易产生臭氧。与uv(～5ev)照射相比，软x射线照射下的扩散充电速率有所提高。然而，软x射线光源的高成本和有限的使用寿命使其难以使用。
39.(2)本发明将粒径检测模块的鞘气结构去除，相比于传统的电迁移检测方法相比，降低了颗粒物损失，大大提高了超细颗粒物检测浓度的下限。本发明所述的检测装置结构简单、体积小，可实现10nm～200nm小粒径范围的超细颗粒物分级检测。去掉鞘气循环虽然会减少粒径分级通道数，但是影响很小，因为在浓度较低的情况下粒径分级通道没必要太多，但是去掉鞘气循环会大大降低被测颗粒物损失，从而提高低浓度环境下超细颗粒物的检测灵敏度。
40.(3)本发明采用基于平板电迁移检测方法，相比于传统圆柱电迁移检测方法，结构更加简单，体积更加轻便，检测效果和检测结果的准确性更高。
41.(4)本发明采用混合式凝结粒子增长方法，相比于传统热传导型凝结粒子增长方法，该方法将冷的颗粒物与过量的热湿工作液蒸汽混合，通过使混合区高度湍流来促进快速，近乎绝热的混合，能够使气溶胶在小空间内快速增长，且扩散损失小。湍流混合可以快速实现成分均匀性且颗粒物扩散损失很小。采用这种方法不到100毫秒就可以实现10微米级粒度的增长。
42.(5)本发明中的纳米级颗粒物检测装置具有成本低、体积小等特点，适用于多种场
合布点监测。本发明采用光致荷电器、气溶胶沉淀器和气溶胶混合型凝结粒子计数器集成的超细颗粒物检测粒径谱仪，由于采用了光学检测方法，可针对低浓度环境下的超细颗粒物进行粒径分布测量。
附图说明
43.图1是本发明中检测装置的结构示意图；
44.图2是本发明中金属盘的俯视图；
45.图3是本发明中检测方法的方法流程图。
46.其中：
47.1、气溶胶光致荷电器，111、荷电器气溶胶入气口，112、荷电器气溶胶出气口，12、荷电器盖板，13、荷电器壳体，14、uvc发光装置固定架，15、uv发光装置，16、金属电子收集网，2、微型盘式气溶胶沉淀器，21、第一金属板，221、入口管，222、出口管，23、电绝缘垫片，24、第一流动室，25、多孔金属圆盘，26、第二流动室，27、第二金属板，3、气溶胶混合型凝结粒子计数器，311、气溶胶生长腔壳体，312、光电检测腔体，32、制冷套件，33、光电探测器，34、光电发射器，35、加热套件，36、储液槽，37、绝热套件，38、粒子增长模块，39、光电检测模块，4、主控制模块，41、控制器，42、真空泵，43、扫描电压模块，44、电源模块。
具体实施方式
48.下面结合附图对本发明做进一步说明：
49.如图1所示的一种微型手持式纳米级颗粒物检测装置，包括微型气溶胶光致荷电器1、微型盘式气溶胶沉淀器2、气溶胶混合型凝结粒子计数器3和主控制模块4。本发明所述的检测装置在保证对10-200nm纳米颗粒物检测精度的同时，还能极大缩小整体设备的体积和重量，确保了该纳米级颗粒物检测仪的微型化，以至于能够实现手持式设计，并能够实现以模块的形式集成到其他环境监测仪器中。
50.所述气溶胶荷电器1为微型气溶胶光致荷电器，该气溶胶荷电器包括荷电壳体13和uv发光装置15。荷电器盖板12上设置有气溶胶入气口111。样气气流从气溶胶入气口111流入气溶胶光致荷电器1，所述金属电子收集网16固定在荷电壳体13的内部，与所述uvc发光装置15分别位于气溶胶气流两侧，气溶胶光致荷电器1中的uvc发光装置15发射出uvc光线，uvc光线与气溶胶碰撞会使气溶胶丢失电子，逸出的电子被电子收集金属网16收集使得样气中的超细颗粒物带上正电荷，得到带电颗粒物；所述荷电壳体13下端呈45
°
斜坡状，可有效降低颗粒物损失。
51.所述气溶胶沉淀器2为微型盘式气溶胶沉淀器，该气溶胶沉淀器包括第一金属板21、第二金属板27、金属盘25和电绝缘垫片23。将多孔金属盘25夹在对称设置的第一金属板21和第二金属板27之间，使用电绝缘垫片23套设在第一金属板21、金属盘25和第二金属板27形成的金属结构的中段外侧。第一金属板21与金属盘25之间有间隙，第二金属板27与金属盘25之间有间隙。电绝缘垫片23与两个间隙分别形成两个相同的流动室：第一流动室24和第二流动室26。金属盘25上开设有多个通孔，通孔用于连接第一流动室24和第二流动室26。通过设置在第一金属板21的中间的入口管221，将带电气溶胶样气引入第一流动室24。连接到第二金属板27的出口管222作为气溶胶流出口。电压可以通过连接到中间多孔金属
圆盘25外缘的高压电线施加。第一金属板21和第二金属板27可以电接地或偏置到相对于中间金属盘25的单独电势，从而在任一流动室中建立独立的电场。气溶胶从入口管221进入气溶胶沉淀器，径向向外移动，穿过金属盘上的通孔，径向会聚到出口管222。当在任一腔室上建立固定电场时，带电粒子的轨迹会发生偏转，所有具有足够大的电迁移率的颗粒物将沉积在第一金属板21和第二金属板27上，而那些具有较低迁移率的粒子将部分或全部逸出并离开气溶胶沉淀器。
52.所述气溶胶混合型凝结粒子计数器3包括粒子增长模块38和光电检测模块39。粒子增长模块38包括气溶胶生长腔壳体，安装于气溶胶生长腔壳体311的加热套件35、制冷套件32、储液槽36以及光电检测腔体312，安装于光电检测腔体312的光电发射器34和光电探测器33。经过分级的粒子进入到气溶胶混合型凝结粒子计数器3中，被制冷套件32降温后，与经过加热套件35加热的工作液蒸汽混合，实现超细颗粒物粒子的凝结增长，粒子增长后进入到光电检测模块39，光电发射器34发射光线，部分光线被增长的粒子遮挡，其余光线被光电探测器33接收，所述光电检测模块39上的激光探测器33与所述主控制模块4相连，主控制模块4的光电信号处理模块接收光电信号。所述主控制模块4包括控制器41、电源模块44、扫描电压模块43和真空泵42。所述控制器41的输出端分别接高压恒流模块45输入端、扫描电压模块43输入端和真空泵42输入端；所述电源模块44的输出端接uv发射装置15；所述扫描电压模块43接带孔金属盘25和第一金属板21、第二金属板27；所述真空泵42的输出端接样气出气口。
53.如图3所示，本发明还涉及一种上述微型手持式纳米级颗粒物检测装置的检测方法，该方法包括以下步骤：
54.(1)控制器41通过真空泵42控制样气气流以一定流速通过径向入口管111进气口进入微型气溶胶光致荷电器1。
55.(2)由电源模块44控制气溶胶光致荷电器中的uvc发光装置15发射出uvc光线，uvc光线与气溶胶碰撞会使气溶胶丢失电子，逸出的电子被电子收集金属网16收集，使得样气中的超细颗粒物带上正电荷，得到带电颗粒物。
56.(3)带点气溶胶由微型盘式气溶胶沉淀器2的顶板的中心管221将带电气溶胶样气引入第一流动室24，分级电压可以通过连接到中间金属圆盘25外缘的高压电线施加。第一金属板21和第二金属板27可以电接地或偏置到相对于中间盘的单独电势，从而在任一流动室中建立独立的电场。带电颗粒物从中心入口管221进入装置，径向向外移动，穿过孔口，并径向会聚到相对的中心出口管222。当在任一腔室上建立固定电场时，带电粒子的轨迹会发生偏转。所有具有足够大的电迁移率的颗粒物将沉积在板上，而那些具有较低迁移率的粒子将部分或全部逸出并离开微型盘式气溶胶沉淀器2。
57.(4)从微型盘式气溶胶沉淀器2进入到气溶胶混合型凝结粒子计数器3中的超细颗粒物被制冷套件32降温后，与经过加热套件35加热的工作液蒸汽混合，实现超细颗粒物粒子的凝结增长，粒子增长后进入到光电检测模块。光电发射器34发射光线，部分光线被增长的粒子遮挡，其余光线被光电探测器33接收。所述光电检测模块上的激光探测器33与所述主控制模块4相连，主控制模块4的光电信号处理模块接收光电信号，对光电信号进行处理。
58.(5)在样气气流流速稳定的情况下，控制器41通过扫描电压模块43改变带孔金属盘25和第一金属板21、第二金属板27之间的扫描电压，分级检测不同粒径下的超细颗粒物
浓度，根据不同粒径下的超细颗粒物浓度绘制出粒径谱。
59.本发明所述的检测装置是由气溶胶光致荷电器、气溶胶沉淀器和微电流检测模块气溶胶混合型凝结粒子计数器组成，目前市面上没有类似产品。当前主流的粒径谱仪的荷电模块多采用软x射线荷电、扩散荷电和电晕放电，本发明采用的uvc照射法与传统的电晕放电相比，uvc光源照射法对20nm以下的气溶胶荷电效率更高，并且运行稳定，不易产生臭氧。与uv(～5ev)照射相比，软x射线照射下的扩散充电速率有所提高。然而，软x射线光源的高成本和有限的使用寿命使其难以使用。当前粒径谱仪的分级模块多采用带鞘气循环的电迁移分析仪，其穿透效率低，粒子损失大，无法适用于低浓度环境下气溶胶分级检测。当前低浓度粒径谱仪的粒子检测模块多使用热传导型凝结粒子计数器，该类型仪器粒子生长速度较慢，因此体积较大，无法进行微型化设计，本发明采用混合型凝结粒子计数器，粒子生长快，扩散损失小。综上所述，本发明可在微型化设计的前提下，实现低浓度环境下的10nm～200nm小粒径范围气溶胶粒径分布监测。
60.以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种微型手持式纳米级颗粒物检测装置，其特征在于，该装置包括依次设置的气溶胶光致荷电器、气溶胶沉淀器和气溶胶混合型凝结粒子计数器；所述气溶胶光致荷电器包括荷电壳体以及安装于所述荷电壳体上的uv发光装置和金属电子收集网；所述气溶胶沉淀器包括沉淀器主体和套设在所述沉淀器主体外侧的电绝缘垫片；所述沉淀器主体包括依次设置的第一金属板、金属盘和第二金属板；所述金属盘上开设有若干个通孔；所述第一金属板与所述金属盘之间留有第一间隙，该间隙与所述电绝缘垫片的内壁形成第一流动室；所述第二金属板与所述金属盘之间留有第二间隙，该间隙与所述电绝缘垫片的内壁形成第二流动室；所述通孔，用于连通所述第一流动室与第二流动室；所述气溶胶混合型凝结粒子计数器包括依次设置的粒子增长模块和光电检测模块。2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述荷电壳体具有同轴设置的荷电器气溶胶入气口和荷电器气溶胶出气口；所述荷电壳体在所述uvc发光装置的两侧安装有密封胶圈；所述荷电壳体下端呈45
°
斜坡状。3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述uvc发光装置发出的光垂直于气溶胶流动方向。4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述金属电子收集网固定在所述荷电壳体的内部，且与所述uvc发光装置分别位于气溶胶气流的两侧。5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述第一金属板上开设有入口管，所述入口管与所述荷电壳体内部相连通；所述第二金属板上开设有出口管，所述出口管与所述气溶胶混合型凝结粒子计数器相连。6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述金属盘接高压电；所述第一金属板和所述第二金属板接地或者偏置到相对于所述金属盘的单独电势，在所述第一流动室及所述第二流动室中分别建立一个电场，形成一个单独电场，不与仪器其他电子设备共地。7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述粒子增长模块包括气溶胶生长腔壳体以及与所述气溶胶生长腔壳体相连通的储液槽；所述气溶胶生长腔壳体的外壁上设置有加热套件、制冷套件和绝热套件；所述气溶胶生长腔壳体上开设有气溶胶进气口、第一气溶胶出气口和工作液入口；所述第一气溶胶进气口与所述气溶胶沉淀器的出口相连；所述工作液入口与储液槽相连；所述加热套件，用于加热工作液使其变成蒸汽；所述制冷套件，用于降低气溶胶温度；所述绝热套件，用于隔温、使热蒸汽与冷气溶胶进行绝热混合；所述储液槽，用于储存工作液；所述光电检测模块包括光电检测腔体以及安装于所述光电检测腔体上的光电发射器和光电探测器；所述光电检测腔体上开设有第二气溶胶出气口。8.根据权利要求7所述的检测装置，其特征在于，
该装置还包括主控制模块；所述主控制模块包括控制器、真空泵、扫描电压模块、电源模块和光电信号处理模块；所述控制器的输出端分别接所述扫描电压模块的输入端和所述真空泵的输入端；所述扫描电压模块的输出端分别与所述第一金属板、所述第二金属板和所述金属盘相连；所述光电信号处理模块与所述光电探测器相连；所述真空泵分别与所述第一气溶胶出气口和所述第二气溶胶出气口相连。9.根据权利要求1～8任意一项所述的检测装置的检测方法，其特征在于，该方法包括：(1)气溶胶样气以一定流速进入气溶胶光致荷电器；(2)气溶胶光致荷电器中的uvc发光装置发射出uvc光线，uvc光线与气溶胶碰撞使气溶胶丢失电子，逸出的电子被金属电子收集网收集，使得气溶胶样气中的超细颗粒物带上正电荷，得到带电颗粒物；(3)带电颗粒物被引入气溶胶沉淀器的第一流动室中，带电颗粒物沿径向向外移动，穿过金属盘上的通孔，进入到第二流动室中并径向会聚到出口管处；当在第一流动室或者第二流动室上建立固定电场时，带电颗粒物的轨迹发生偏转，满足设定电迁移率的带电颗粒物沉积在第一金属板或第二金属板上，其余带电颗粒物将部分或全部从气溶胶沉淀器离开进入到气溶胶混合型凝结粒子计数器中；(4)进入到气溶胶混合型凝结粒子计数器中的超细颗粒物与经过制冷套件降温及加热套件加热后的工作液蒸汽混合，实现超细颗粒物的凝结增长；(5)凝结增长后的超细颗粒物经过光电检测腔体时会使光电探测器产生脉冲，脉冲通过光电信号处理模块处理后得到相应扫描电压下对应粒径的超细颗粒物数量，确定该粒径下的超细颗粒物浓度。10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，该方法还包括：在样气气流流速稳定的情况下，改变金属盘与第一金属板、第二金属板之间的扫描电压，分级检测不同粒径下的超细颗粒物浓度，根据不同粒径下的超细颗粒物浓度绘制出粒径谱。

技术总结
本发明涉及一种微型手持式纳米级颗粒物检测装置及检测方法。该装置包括气溶胶光致荷电器、气溶胶沉淀器和气溶胶混合型凝结粒子计数器；气溶胶光致荷电器包括荷电壳体、UVC发光装置和金属电子收集网；气溶胶沉淀器包括沉淀器主体和电绝缘垫片；沉淀器主体包括第一金属板、金属盘和第二金属板；第一金属板与金属盘之间留有第一间隙，该间隙与电绝缘垫片的内壁形成第一流动室；第二金属板与金属盘之间留有第二间隙，该间隙与电绝缘垫片的内壁形成第二流动室；气溶胶混合型凝结粒子计数器包括气溶胶生长模块和光电检测模块。本发明具有测量设备结构简单、体积小等特点，能够实现低浓度超细颗粒物粒径谱的直接测量和大范围的布点测量。量。量。


技术研发人员：王焕钦 周纪彤 黄舸航 陈大仁 刘金鑫 孙强 虞发军
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/9/14