《基於前向小角度散射的氣溶膠單粒子形態分類》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由方黎擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於前向小角度散射的氣溶膠單粒子形態分類
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：方黎
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
大氣顆粒物的形態（尺寸與形狀）在氣候效應、大氣物理化學過程、人類健康以及大氣輻射轉移中都起著關鍵性作用。空間角分辨彈性散射光測量是獲取顆粒物形態信息的主要方法，但由於散射強度圖樣的複雜性使得形態反演非常困難，難以獲取理想的形態參數和測量速度。顆粒物形態與其來源或化學組分密切相關，有潛力用於大氣顆粒物的種類識別。本項目以發展大氣顆粒物快速識別方法為目的，以實現氣溶膠單粒子快速形態分類為目標，深入研究單粒子形態與光散射空間強度分布的關係，建立可同時測量氣溶膠單粒子近前向角分辨光散射分布和空氣動力學直徑的實驗裝置，實驗研究已知形態顆粒物的光散射性質，基於統計分析方法，探索顆粒物形態特徵的反演算法及甄別能力，為大氣科學與氣溶膠科學等領域提供新的研究手段。本項目研究的技術方法，具有連續、快速以及線上檢測的特點，並容易與雷射螢光等其他光學探測技術集成，在大氣顆粒物監測與識別方面具有很大的套用潛力。
基於形狀與尺寸的光散射技術廣泛用作顆粒分類的工具。氣溶膠粒子的尺寸與形狀決定了它們在空氣中的行為，包括產生與消失、輸運與沉降，有助於追溯其來源或評估污染程度。快速測量尺寸與形狀的方法可以用於從背景氣溶膠中識別冰晶、灰塵、纖維及生物氣溶膠等。 為了快速獲取氣溶膠粒子尺寸與形狀特性的目的，研製了能夠同時測量單粒子空氣動力學直徑和形狀參數的實驗裝置（可稱為氣溶膠動力學尺寸和形狀分析器）。顆粒物形狀通過三個光電倍增管對間隔120度方位角的近前向散射光回響的差異值獲取，空氣動力學直徑由粒子通過雙雷射束的飛行時間獲取。 為了獲得更好的粒子計數效率和形狀識別能力，研究了兩種氣溶膠進樣結構和多種光學結構（參數）。實驗測量了球形、立方形和細長形的氣溶膠顆粒物樣本，初步結果表明實驗裝置具有較好的區別球形與不規則形狀粒子的能力，如從球形液滴中識別結晶NaCl的靈敏度和特異度分別達0.85和0.86，空氣動力學直徑有助於識別粒子的形狀。 嘗試進行了若干生物氣溶膠的測試實驗，如大腸桿菌，枯草芽孢桿菌，都可以較好地與球形粒子區別。初步測量了多種氣候條件下室內、室外環境大氣氣溶膠粒子，觀察到各種情況下的非球形粒子數量具有差異，暗示了顆粒物的組成與大氣水汽含量的關係。 基於實驗裝置的光學結構，計算了三個近前向探測器的回響強度與粒子尺寸、折射率、取向以及形狀特徵的關係。結果表明，該實驗裝置適合區分直徑大於1.0 微米的球形和長形粒子。 若干種類氣溶膠粒子的計算分析顯示，結合空氣動力學粒徑，枯草芽孢桿菌、類鼻疽伯克氏菌等生物氣溶膠顆粒可以被區分。對長形結晶核黃素顆粒的散射圖樣計算進行了分析，顯示了與實驗結果很好的相似性。 實驗裝置有很大的潛力發展為大氣氣溶膠監測套用儀器，因為形狀與尺寸信息的結合可以更好地區別顆粒物種類。如套用於雲層研究中的水滴與冰晶區別，及大氣生物氣溶膠監測等。
