[发明专利]一种雪冰样品中黑碳浓度及混合态比例测量方法

说明书

一种用于雪冰样品中黑碳浓度及混合态比例测量的进样处理装置，包括真空泵、三通元件、活动转接头、石英冻干容器、压缩空气源、累积流量计以及柔性采样袋，真空泵和压缩空气源通过三通元件与活动转接头连接，其中活动转接头靠近真空泵和压缩空气源的一端设有第一阀门，压缩空气源的气路上连接有累积流量计用于测量压缩空气源输出的空气流量，活动接头连接石英冻干容器，石英冻干容器远离活动接头的一端设有第二阀门，石英冻干容器通过第二阀门连接到柔性采样袋。进样处理装置接入单颗粒黑碳光度计对样本进行检测，能够保留雪冰中黑碳的原始形态，更加准确地测定黑碳浓度和混合态比例。

技术领域

本发明涉及一种雪冰样品中颗粒的测量装置和方法，尤其涉及一种冰雪样品中黑碳浓度及混合态比例测量装置和方法。

背景技术

大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称,非常之轻,足以悬浮于空气之中,当前主要包括6大类7种气溶胶粒子，即：沙尘气溶胶、碳气溶胶(黑碳和有机碳气溶胶)、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶。其中，黑碳是大气气溶胶中常见的成分，是含碳物质不完全燃烧的产物，一般占大气中气溶胶质量浓度的20％左右，因其特殊的性质，无论在大气辐射、气候学、云物理学、 环境学，还是毒物学等领域中都具有重要的意义，因而黑碳气溶胶的研究引起了科学工作者的极大重视。大气中的黑碳是仅次于二氧化碳的大气增温组分，在区域气候变化中扮演重要角色。一方面，黑碳颗粒可以强烈吸收包括红外和可见光波段的太阳辐射，对其周围空气加热从而对大气有增温效应；另一方面，黑碳颗粒沉降到冰川和积雪表面，将显著降低雪冰表面反照率，加速冰川和积雪消融，从而对区域气候环境产生重要影响。 因此，迫切需要一种不对黑碳产生影响的进样处理方法和装置，避免融化、雾化等处理过程破坏黑碳颗粒原始的赋存状态，实现雪冰中黑碳浓度和混合态比例的精确测定，为进一步准确评估雪冰黑碳的气候环境意义提供可能。

研究表明，大气中相当一部分气溶胶粒子并非是以单颗粒形式存在的，黑碳颗粒可能以与其他颗粒、比如硫酸盐颗粒等多种成分混合的形式存在。混合态的黑碳及其混合形式直接影响到颗粒的吸光、散射等光学特性。大气中的气溶胶粒子通过大气传输与高原的冰冻圈联系在一起，因此，高原地区的雪冰中的黑碳粒子同样会包含以混合态存在的黑碳。

雪冰中黑碳气溶胶的检测方法是由大气黑碳气溶胶的检测方法发展而来的。传统的热光法分析仪在雪冰样品应用上有很大的局限性，存在样品消耗量大、干扰多、前处理复杂等诸多缺点。美国DMT公司于2003年推出的单颗粒黑碳光度计是一种新型高灵敏度的黑碳测试仪器，可以直接测定融化后的雪冰样品，在雪冰样品黑碳分析中呈现出很大优势，是目前国际上用于雪冰中黑碳测量的主要仪器之一。单颗粒黑碳光度计的基本原理是利用连续高能激光束加热气溶胶粒子，气溶胶粒子吸热后产生激光诱导燃烧,发出白炽光，通过分析气溶胶粒子的散射信号和白炽光信号来测量黑碳的数量、质量浓度及混合状态，测量粒径范围包含了大部分的黑碳粒子。单颗粒黑碳光度计的核心部件是掺钕钇铝石榴石激光器，如果气溶胶粒子是纯散射粒子（比如硫酸盐颗粒等），通常不会吸收激光，只会发生散射，因此谱图中呈现单一的散射信号。如果气溶胶粒子是黑碳粒子，它会吸收激光能量，瞬间加热燃烧，发出白炽光，因此可以看到不对称的散射信号和叠加的白炽光信号，同时利用宽带和窄带白炽光检测器信号的比值来进一步确定白炽光信号是否来自黑碳。如果粒子以散射颗粒和黑碳的混合态存在，通常需要比纯黑碳颗粒相对较长的时间来吸收激光能量，产生白炽光信号，因此可以用延迟时间来分辨混合态气溶胶颗粒。然而，单颗粒黑碳光度计针对的是大气气溶胶中的黑碳检测，对于雪冰样品进行检测前，需要将样品融化，即检测融化后的雪冰样品，融化后的样品经过雾化再进入去溶装置去除水蒸气，转化为气溶胶进行测量。研究表明，雪冰固体样品进样前经过的融化、雾化等过程，都会对黑碳的测量产生很大的影响，甚至破坏黑碳颗粒原始的赋存状态。尤其是对于以黑碳与硫酸盐等其他成分混合态存在的颗粒，融化、雾化等过程可能会严重破坏雪冰固体样品黑碳的原始状态，从而使测量结果严重失真，最终导致不能准确评估雪冰中黑碳的实际作用效果。