大气气溶胶单粒子粒径和化学成分的LDI测量

介绍了当前应用较为广泛的大气气溶胶单粒子粒径与化学成分实时在线测量技术－激光解吸附电离（LDI）飞行时间质谱技术的原理和在气溶胶单粒子化学成分测量领域的应用。此外，还对气溶胶单粒子进样系统和气溶胶单粒子粒径的测量方法作了详细阐述。     

用激光解吸附电离飞行时间质谱法检测悬浮土壤颗粒物

在自行研制的气溶胶飞行时间激光质谱仪(ATOFLMS)上实时探测单个悬浮土壤颗粒的粒径和化学成分.利用双束连续激光对单个粒子的空气动力学粒径进行测量,并用266 nm的Nd:YAG激光器对气溶胶单粒子进行解吸附电离作用,产物离子通过飞行时间质谱仪的无场漂移区后完成单粒子化学成分的检测.本实验中使用了4个不同地区的土壤样本,在实验室内对分析的样本进行预处理和再悬浮,通过导管引入ATOFLMS进行测量,得到大量单粒子的粒径和质谱数据.发现在众多的单粒子的阳离子质谱中,金属成分以地壳元素(Fe,K,Al,Ca)为主,在其他阳离子质谱中包含了Mg和.Na等.对悬浮土壤粒子的粒径进行实时检测的结果表明这些粒子多以粗粒子为主,粒径主要集中在1～2μm.实验结果表明该仪器在大气气溶胶环境监测及相关研究领域具有重要的实用价值.     

基质与分析物的摩尔比和激光能量对分析物离子信号的影

介绍了一种基质辅助激光解吸电离的进样方法-气溶胶进样方法．包含基质和分析物的气溶胶粒子在大气压力下直接进入气溶胶飞行时间质谱仪,粒子产生的散射光信号由光电倍增管收集,通过外部的时序电路,给出气溶胶粒子粒径的信息并触发266 nm Nd:YAG激光器,可以同时获得气溶胶粒子的粒径和基质辅助激光解吸电离质谱与其他的液体进样方式相比,它可以实现单粒子进样,因而样品消耗较少．主要研究了基质与分析物的摩尔比和激光能量对分析物离子信号的影响,合适的摩尔比和激光能量分别为50-110:1和200-400μJ．     

基于模糊聚类算法的大气粒子激光电离质谱数据分析

实验室自行研制了一台大气气溶胶飞行时间激光质谱仪(ATOFLMS),它可以在线地对气溶胶单粒子进行物理和化学特性分析,利用双束连续激光对单个粒子的空气动力学粒径进行测量,并通过飞行时间完成单粒子化学成分的检测.该仪器在运行过程中将产生海量的实验数据,对这些数据的快速、自动处理并提取有价值的信息是整机系统的关键之一.文章介绍模糊聚类算法FCM(fuzzy c-means)在大气气溶胶单粒子聚类分析中的成功运用.利用该算法对连续24 h采集的室内空气气溶胶单粒子质谱数据进行了聚类分析,在得到的5个聚类结果中包含了无机的海盐粒子、矿物质粒子以及其他的三种二次气溶胶成分粒子类型.在对室内空气气溶胶粒子的粒径进行实时检测的结果表明室内可吸人颗粒物以细粒子为主,其中大于1μm的粒子所占比重较小.小于1 μm的粒子均占95%以上,在0.4～O.8 μm之间的粒子占据主要部分.     

激光解吸电离技术在线测量苯水相二次有机气溶胶

利用气溶胶激光飞行时间质谱仪激光解吸电离技术开展了苯水相二次有机气溶胶在线测量研究。实验结果表明,苯水相光氧化反应形成的二次有机气溶胶粒子粒径小于1.0μm,激光解吸电离质谱中存在醛类m/z 29(CHO~+)、57(CHOCO~+),羧酸m/z 44(COO~+),苯环m/z 77(C_6H~+_5)、65(C_5H~+_5)和酚类化合物m/z 93(C_6H_5O~+)特征裂解碎片峰。醛类、羧酸和酚类化合物是苯水相SOA粒子的化学组分,各类型组分含量大小关系为:醛类化合羧酸酚类化合物。气溶胶激光飞行时间质谱仪激光解吸电离技术能够用于水相SOA粒子化学组分的在线测量,可用于水相SOA形成机理和过程的研究。     

Influence Factors on Particle Growth for On-line Aerosol Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-flight Mass Spectrometry

利用自行研制的蒸发/冷凝实验装置作为基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱仪的特种接口，通过冷凝方式在线添加基质，冷凝管出口处的最终粒子直接引入空气动力学粒径分析仪或自行研制的飞行时间质谱仪，可对实验室产生的生物气溶胶粒子进行实时检测. 同时研究了最终粒子粒径大小的决定因素：加热池温度、初始粒子大小及其粒子数浓度及基质种类，获得了探测分析物分子离子峰所需的实验条件.     

利用APD对大气气溶胶空气动力学直径测量分析

详细介绍了气溶胶大气粒子经过两个激光束后通过雪崩二极管（APD）探测其形成的双峰信号，从而得到气溶胶粒子飞行时间的方法，利用标准粒子对飞行时间进行校准后，实现了对大气气溶胶粒子直径的实时监测.通过不同粒径多组的实验数据进行分析组成专家模式，代入系统进行空气测量或标准粒子测量，得到的实验值与理论值一致.     

基于自适应共振神经网络的单粒子激光电离质谱数据分析

气溶胶激光飞行时间质谱仪(ALUOFMS)可以在线地对气溶胶单粒子进行物理和化学特性分析,利用双束连续激光对单个粒子的空气动力学粒径进行测量,并通过飞行时间完成单粒子化学成分的检测.该仪器在运行过程中将产生海量的实验数据,对这些数据快速、自动处理并提取有价值的信息是整机系统的关键之一.文章介绍了基于神经网络的自适应共振算法(ART-2a)在随机混和的氯化钠、氯化钙、邻苯二甲酸二正辛酯(DOP)和2,5二羟基苯甲酸(DHB)气溶胶单粒子聚类分析中的成功运用.同以往的质谱分析方法相比,ART-2a可以实现对任意多和任意复杂的输入模式进行自组织,自适应和自稳定的快速识别,更有利于质谱数据的分析.实验结果表明,当警戒值为0.40,学习速率为0.05以及迭代次数为6时,ART-2a可以成功地对这四种物质进行分类,同时得到4类物质的聚类中心,每类的聚类中心都能很好的代表该类物质的特征.     

单粒子气溶胶的基质辅助激光解吸电离研究

单粒子气溶胶的基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱技术具有快速在线检测环境大气生物气溶胶的潜力.以a-环糊精为分析物,实验研究了吡啶羧酸、2,5-二羟基苯甲酸、芥子酸、阿魏酸四种常用基质材料的效果,考察基质与分析物的摩尔比对分析物单粒子激光质谱信号的影响.实验结果表明阿魏酸做基质时质谱命中率及分析物质谱信号峰检测效率最高,吡啶羧酸做基质时的分析物质谱信号峰激发率最高,信号峰强度最强.吡啶羧酸对分析物摩尔比为100:1时,分析物质谱信号检测效率最高.     

单粒子气溶胶的基质辅助激光解吸电离研究

单粒子气溶胶的基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱技术具有快速在线检测环境大气生物气溶胶的潜力．以α-环糊精为分析物,实验研究了吡啶羧酸、2,5-二羟基苯甲酸、芥子酸、阿魏酸四种常用基质材料的效果,考察基质与分析物的摩尔比对分析物单粒子激光质谱信号的影响．实验结果表明阿魏酸做基质时质谱命中率及分析物质谱信号峰检测效率最高,吡啶羧酸做基质时的分析物质谱信号峰激发率最高,信号峰强度最强．吡啶羧酸对分析物摩尔比为100:1时,分析物质谱信号检测效率最高．     

基于EPICS的颗粒传热实验测控系统应用研究

颗粒传热实验测控系统是为颗粒换热平台设计的测控系统。该系统基于分布式系统EPICS架构设计，通过对NI硬件平台、红外热像仪设备以及Oracle数据库进行集成，实现了颗粒换热平台实验的在线采集、监测、控制与实时存储。由于红外热像仪具有灵敏度高、测温范围广、非接触测温等优点，因此在该测控系统中用于测量颗粒在换热器出口处的温度。本文使用SDK将其集成到EPICS系统中，利用红外图像更加直观地呈现出颗粒的实时温度分布，并提取红外图像中的数据，与热电偶的测量数据对比，进一步检测利用红外热像仪作为一种颗粒实时温度测量设备的可行性。实验结果表明，集成后的红外热像仪操作软件能够实时提取并存储红外图像中的温度数值，并且采用EPICS架构设计、开发的颗粒传热实验测控系统完全可以满足颗粒换热平台的数据采集与存储需求。     

How to statistically analyze nano exposure measurement results: using an ARIMA time series approach

Measurement strategies for exposure to nano-sized particles differ from traditional integrated sampling methods for exposure assessment by the use of real-time instruments. The resulting measurement series is a time series, where typically the sequential measurements are not independent from each other but show a pattern of autocorrelation. This article addresses the statistical difficulties when analyzing real-time measurements for exposure assessment to manufactured nano objects. To account for autocorrelation patterns, Autoregressive Integrated Moving Average (ARIMA) models are proposed. A simulation study shows the pitfalls of using a standard t-test and the application of ARIMA models is illustrated with three real-data examples. Some practical suggestions for the data analysis of real-time exposure measurements conclude this article.     

Method and device for the nonperturbative diagnostics of a high-current beam of low-energy neutral particles using photoionization electrons

A diagnostic method is proposed wherein the momentum distribution of electrons emanating essentially in a single plane from a photoionization zone of small geometrical dimensions is measured at two different angles relative to the beam axis. To implement the method for a high-current beam of low-energy neutral particles (tens to hundreds of kiloelectron-volts for hydrogen or deuterium atoms), a device is proposed which is capable of real-time, nonperturbative measurement of the distributions of the particles with respect to momentum, over the beam cross section, and in transverse phase space. Zh. Tekh. Fiz. 68, 133–135 (October 1998)     

基于单目视觉的航天器位姿测量

鉴于实时高精度航天器位姿测量不仅是航天器实时监控和跟踪的重要技术保证，同时也是实时调整和补偿航天器姿态的主要依据，提出一种基于单目视觉的航天器实时位姿测量方法，利用高精度旋转平台几何摄像机的方式对被测目标进行位姿解算。该方法不需要对被测目标进行几何约束，同时也不用进行转站测量，因而可以进行动态实时的在线位姿检测。航天器位姿实验结果表明:该单目视觉测量方法姿态测量误差小于0.05°，位置测量误差小于0.02 m，满足实际工程0.1°和0.05 m的精度需求。     

激光诱导2024铝合金表面动态应变检测

采用PVDF贴片传感器对脉冲激光作用下2024铝合金表面的动态应变进行了测量,分析了动态应变曲线的特性。结果表明,PVDF贴片传感器在动态应变测量中动态响应快,灵敏度高,可有效应用于脉冲激光诱导材料表面动态应变的实时测量。脉冲激光作用过程中,2024铝合金冲击光斑周围材料先受挤压,后压应变减小。脉冲激光作用结束后,2024铝合金冲击光斑周围材料表面粒子在卸载稀疏波和表面稀疏波的作用下不断往复运动,冲击光斑周围材料甚至受到了拉应变的作用。最后随着时间的推移,材料表面粒子的动态响应经反复震荡后逐渐衰弱形成最终的稳定状态。     

Measuring surface area of airborne titanium dioxide powder agglomerates: relationships between gas adsorption,diffusion and mobility-based methods

Inhalation toxicology studies generally use the Brunauer, Emmett, and Teller (BET) gas adsorption method to measure total surface area of particles whereas occupational exposures are more readily measured by real-time mobility-based surface areas or active surface area measured with diffusion charger-based instruments. Three surface area measurement methods were studied: filter-based inert gas adsorption (BET method), diffusion charging, and mobility-based methods. The goal of the project was to investigate and develop a correlation between the measurement methods. The experimental design consisted of measuring surface area in a series of five trials for each of two powder types, fine and ultrafine titanium dioxide with primary particle sizes of 440 and 20 nm, respectively, and two aerosol concentrations. Diffusion charger instruments tended to underestimate the total particle surface area measured by the BET, but were well correlated with mobility-based surface areas obtained from a scanning mobility particle sizer. Filter-based gas adsorption methods and diffusion charging methods provide different but valuable information on total and active surface areas of particles, respectively. Results indicate they should not be used as predictors of one another.     

基于模糊聚类算法的苯系物二次有机气溶胶质谱数据分析

OH自由基启动苯系物光氧化形成的二次有机气溶胶能够影响气候变化，降低大气能见度，危害人类健康。我们实验室自行研制的气溶胶飞行时间质谱仪能够用于二次有机气溶胶的实时检测研究。该仪器在检测过程中产生大量的实验数据，对这些数据快速、自动处理并提取有价值的信息是整机系统的关键之一。本文介绍模糊聚类算法在苯系物二次有机气溶胶单粒子聚类分析中的成功运用。利用该算法对OH自由基启动1,3,5-三甲苯光氧化形成的二次有机气溶胶单粒子质谱数据进行了聚类分析，在得到的五个聚类中包含了芳香醛、酚类化合物、硝基酚和羧酸等重要的光氧化产物，为研究苯系物光氧化机理提供了新的信息。     

一种用于辉光放电光谱深度分析的激光实时测量新方法

辉光放电原子发射光谱仪可用于物质表面化学成分随深度分布的分析,在镀层分析、金属材料检验等领域有着广泛的应用。文章介绍了辉光深度分析的传统方法和局限性以及实时深度测量技术的近期研究,提出了一种用于辉光放电光谱深度分析的激光实时测量新方法。文章采用激光位移传感器和根据激光测量方法设计的辉光放电光源构成实时深度测量系统,详细阐述了系统的设计方案和技术原理。系统的设计结构能够实现在辉光光谱分析的同时进行激光实时溅射深度的测量。通过实验验证和分析了激光实时测量样品溅射深度过程中产生的光源位移现象。采用双激光器实时深度测量系统对锌合金标准样品进行了溅射深度的实时测量,给出了实时深度测量曲线。通过将溅射面测量曲线与参考面曲线进行叠加,得到了样品溅射坑深度的实际值,与Dektak8型表面形貌仪测量结果一致。     

Real-time optical imaging and tracking of micron-sized particles

We report real-time imaging and dynamics monitoring of micrometer predefined and random sized particles by time-space-wavelength mapping technology using a single-detector. Experimentally, we demonstrate real-time line imaging of a 5 μm polystyrene microsphere, glass powder particles and patterns such as fingerprints with up to 5 μm resolution at 1 line/50 ns capture rate. By using the same setup, real-time displacement tracking of micrometer-size glass particles with 50 ns temporal resolution and up to 5 μm spatial resolution is achieved. We also show that existing correlation spectroscopy algorithms can be adopted to extract dynamic information in a complex environment.     

Real-time displacement measurement with large range and high accuracy using sinusoidal phase modulating laser diode interferometer

To resolve the conflict of large measurement range and high accuracy in the existing real-time displacement measurement laser diode (LD) interferometers, a novel real-time displacement measurement LD interferometry is proposed and its measurement principle is analyzed. By use of a new phase demodulation algorithm and a new phase compensation lgorithm of real-time phase unwrapping, the measurement accuracy is improved, and the measurement range is enlarged to a few wavelengths. In experiments, the peak-to-peak amplitude of the speaker vibration was 2361.7 nm, and the repeatability was 2.56 nm. The measurement time was less than 26μs.