Том 37, номер 06, статья № 8

Аннотация:

Измерительное оборудование, способное в режиме реального времени определять характеристики частиц в газовой фазе, необходимо при проведении широкого спектра исследований, включая изучение влияния антропогенных загрязнений на климатические изменения и здоровье человека, а также при разработке новых способов доставки лекарственных средств и синтезе нанокомпозитных материалов. Представлен разработанный и созданный в ИХКГ СО РАН измерительный комплекс, включающий диффузионный аэрозольный спектрометр, оптический аэрозольный спектрометр и измеритель массовой концентрации аэрозоля. Проведены лабораторные испытания приборов измерительного комплекса с использованием стандартных тестовых систем. Cопоставление показало хорошее согласие измеренных размеров частиц с данными, полученными независимыми методами (просвечивающая электронная микроскопия, измерение скорости седиментации частиц). Приборы комплекса позволяют измерять концентрацию и размер аэрозольных частиц в широком диапазоне значений с представлением результатов в реальном времени. Измерительный комплекс может быть использован в лабораторных и полевых исследованиях в области химии, физики и медицины, а также на станциях мониторинга состояния воздуха окружающей среды.

Ключевые слова:

городской аэрозоль, аэрозоль, концентрация частиц, оптический спектрометр аэрозоля, диффузионный спектрометр аэрозоля, средний размер частиц

Список литературы:

1. Сафатов А.С., Агафонов А.П., Аршинов М.Ю., Бакланов А.М., Белан Б.Д., Буряк Г.А., Фофонов А.В., Генералов В.М., Козлов А.С., Лаптева Н.А., Малышкин С.Б., Марченко Ю.В., Олькин С.Е., Резникова И.К., Сергеев А.Н., Симоненков Д.В., Терновой В.А., Туманов Ю.В., Шмаргунов В.П. Комплексная оценка атмосферного воздуха в г. Геленджике // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 5. С. 403–416; Safatov A.S., Agafonov A.P., Arshinov M.Yu., Baklanov A.M., Belan B.D., Buryak G.A., Fofonov A.V., Generalov V.M., Kozlov A.S., Lapteva N.A., Malyshkin S.B., Marchenko Yu.V., Olkin S.E., Reznikova I.K., Sergeev A.N., Simonenkov D.V., Ternovoi V.A., Tumanov Yu.V., Shmargunov V.P. Complex assessment of atmospheric air quality in the city of Gelendzhik // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 5. P. 519–531. DOI: 10.1134/S1024856018050159.
2. Иноземцев А.А., Саженков А.Н., Сипатов А.М., Цатиашвили В.В., Абрамчук Т.В., Петров А.К., Малышкин С.Б., Куйбида Л.В., Козлов А.С., Панченко М.В., Козлов В.С. Измерение фракционного и химического состава нелетучих частиц в продуктах эмиссии камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 6. С. 503–507. DOI: 10.15372/AOO20160609.
3. Yong Zha, Jay Gao, Jianjun Jiang, Heng Lyu, Jiazhu Huang. Monitoring of urban air pollution from MODIS aerosol data: Effect of meteorological parameters // Tellus B. 2010. V. 62, N 2. P. 109–116. DOI: 10.1111/j.1600-0889.2010.00451.x.
4. Onischuk A., Dubtsov S., Baklanov A., Valiulin S., Koshlyakov P., Paleev D., Mitrochenko V., Zamashchikov V., Korzhavin A. Organic nanoaerosol in coal mines: Formation mechanism and explosibility // Aerosol Air Qual. Res. 2017. V. 17, N 7. P. 1735–1745. DOI: 10.4209/aaqr.2016.12.0533.
5. Valiulin S.V., Onischuk A.A., Baklanov A.M., An’kov S.V., Dubtsov S.N., Alekseev A.A., Shkil N.N., Nefedova E.V., Plokhotnichenko M.E., Tolstikova T.G., Dolgov A.M., Dultseva G.G. Aerosol inhalation delivery of ceftriaxone in mice: Generation procedure, pharmacokinetics, and therapeutic outcome // Antibiotics. 2022. V. 11, N 10. P. Art. 1310. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2021.121013.
6. Бажина А.А., Валиулин С.В., Бакланов А.М., Дубцов С.Н., Аньков С.В., Плохотниченко М.Е., Толстикова Т.Г., Онищук А.А. Метод генерации аэрозоля антибактериального лекарственного вещества цефазолина // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 6. С. 459–462; Bazhina A.A., Valiulin S.V., Baklanov A.M., Dubtsov S.N., An’kov S.V., Plokhotnichenko M.E., Tolstikova T.G., Onischuk A.A. A method for generating an aerosol of the antibacterial medicine cefazolin // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 5. P. 555–558.
7. Valiulin S.V., Onischuk A.A., Pyryaeva A.P., An’kov S.V., Baklanov A.M., Shkil N.N., Nefedova E.V., Ershov K.S., Tolstikova T.G., Dultseva G.G. Aerosol inhalation delivery of Ag nanoparticles in mice: Pharmacokinetics and antibacterial action // Antibiotics (Basel). 2023. V. 12, N 10. DOI: 10.3390/antibiotics12101534.
8. Vons V., Yurteri C.U., Schmidt-Ott A. Generation and sizing of particles for aerosol-based nanotechnology // KONA Pow. Part. J. 2008. N 26. P. 13–35. DOI: 10.14356/kona.26.2008006.
9. Virgil A. Marple. History of impactors – the first 110 years // Aerosol Sci. Technol. 2004. V. 38, N 3. P. 247–292. DOI: 10.1080/02786820490424347.
10. Валиулин С.В., Дубцов С.Н. Диффузионный спектрометр аэрозоля: особенности и применение // Природа. 2016. № 11. С. 90–91.
11. Heim M., Mullins B.J., Umhauer H., Kasper G. Performance evaluation of three optical particle counters with an efficient “multimodal” calibration method // J. Aerosol Sci. 2008. V. 39. P. 1019–1031. DOI: 10.1016/j.jaerosci.2008.07.006.
12. Huanling Hu, Xuebin Li, Yinchao Zhang, Tao Li. Determination of the refractive index and size distribution of aerosol from dual-scattering-angle optical particle counter measurements // Appl. Opt. 2006. V. 45, N 16. P. 3864–3870. DOI:10.1364/AO.45.003864.
13. Renard J.-B., Dulac F., Berthet G., Lurton T., Vignelles D., Jégou F., Tonnelier T., Jeannot M., Couté B., Akiki R., Verdier N., Mallet M., Gensdarmes F., Charpentier P., Mesmin S., Duverger V., Dupont J.-C., Elias T., Crenn V., Sciare J., Zieger P., Salter M., Roberts T., Giacomoni J., Gobbi M., Hamonou E., Olafson H., Dagsson-Waldhauserova P., Camy-Peyret C., Mazel C., Décamps T., Piringer M., Surcin J., Daugeron D. LOAC: A small aerosol optical counter/sizer for ground-based and balloon measurements of the size distribution and nature of atmospheric particles – Part 1: Principle of measurements and instrument evaluation // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. P. 1721–1742. DOI: 10.5194/amt-9-1721-2016.
14. Knutson E.O., Whitby K.T. Aerosol classification by electric mobility: Apparatus, theory, and applications // J. Aerosol Sci. 1975. V. 6. P. 443–451. DOI: 10.1016/0021-8502(75)90060-9.
15. Intra P., Tippayawong N. An overview of differential mobility analyzers for size classification of nano-meter-sized aerosol particles // Songklanakarin J. Sci. Technol. 2008. V. 30, N 2. P. 243–256.
16. Ankilov A., Baklanov A., Colhoun M., Enderle K.-H., Gras J., Julanov Yu., Kaller D., Lindner A., Lushnikov A., Mavliev R., McGovern F., O’Connor T.C., Podzimek J., Preining O., Reischl G.P., Rudolf R., Sem G.J., Szymanski W.W., Vrtala A.E., Wagner P.E., Winklmayr W., Zagaynov V. Particle size dependent response of aerosol counters // Atmos. Res. 2002. V. 62, N 3–4. P. 209–237. DOI: 10.1016/S0169-8095(02)00011-X.
17. Анкилов А.Н., Бакланов А.М., Власенко А.Л., Козлов А.С., Малышкин С.Б. Определение концентрации аэрозолеобразующих веществ в атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2000. Т. 13, № 6–7. С. 644–648.
18. Валиулин С.В., Бакланов А.М., Дубцов С.Н., Митроченко В.Г., Моисеенко П.П., Онищук А.А. Диффузионный спектрометр аэрозоля для измерения распределения по размерам и концентрации нано- и субмикронных частиц // Приборы и техника эксперимента. 2019. № 1. С. 145–146. DOI: 10.1134/S0032816219010269.
19. Onischuk A.A., Valiulin S.V., Baklanov A.M., Moiseenko P.P., Mitrochenko V.G. Determination of the aerosol particle size distribution by means of the diffusion battery: Analytical inversion // Aerosol Sci. Technol. 2018. V. 52, N 8. P. 841–853. DOI: 10.1080/02786826.2018.1473839.
20. Onischuk A.A., Baklanov A.M., Valiulin S.V., Moiseenko P.P., Mitrochenko V.G. Aerosol diffusion battery: The retrieval of particle size distribution with the help of analytical formulas // Aerosol Sci. Technol. 2018. V. 52, N 2. P. 165–181. DOI: 10.1080/02786826.2017.1387642.
21. Onischuk A.A., Valiulin S.V., Baklanov A.M., Moiseenko P.P., Mitrochenko V.G., Dultseva G.G. Aerosol diffusion battery: Analytical inversion from noisy penetration // Measurement. 2020. V. 164. P. 108049-1–10. DOI:10.1016/j.measurement.2020.108049.
22. Cheng Y.S., Yeh H.C. Theory of a screen-type diffusion battery // J. Aerosol Sci. 1980. V. 11. P. 313–320. DOI: 10.1016/0021-8502(80)90105-6.
23. Cheng Y.S., Yeh H.C., Brinsko K.J. Use of wire screens as a fan model filter // Aerosol Sci. Technol. 1985. V. 4. P. 165–174. DOI: 10.1080/02786828508959046.
24. Pollak L.W., Metnieks A.L. On the determination of the diffusion coefficient of heterogeneous aerosols by the dynamic method // Geofisica Pura e Applicata. 1957. V. 37. P. 183–190. DOI: 10.1007/BF01988861.
25. Fuchs N.A., Stechkina I.B., Starosselskii V.I. On the determination of particle size distribution in polydisperse aerosols by the diffusion method // Brit. J. Appl. Phys. 1962. V. 13. P. 280–281. DOI: 10.1088/0508-3443/13/6/307.
26. Sansone E.B., Weyel D.A. A note on the penetration of a circular tube by an aerosol with a log-normal size distribution // J. Aerosol Sci. 1971. V. 2. P. 413–415. DOI: 10.1016/0021-8502(71)90044-9.
27. Kravchenko I.I., Lekhtmakher S.O., Ruzer L.S. Calculation of particle diffusional deposition for aerosol with the lognormal size distribution in cylindrical channels // Colloid J. USSR. 1971. V. 33. P. 923–924.
28. Lee K.W., Connick P.A., Gieseke J.A. Extension of the screen type diffusion battery theory // J. Aerosol Sci. 1981. V. 12. P. 385–386. DOI: 10.1016/0021-8502(81)90027-6.
29. Mercer T.T., Greene T.D. Interpretation of diffusion battery data // J. Aerosol Sci. 1974. V. 5. P. 251–255. DOI: 10.1016/0021-8502(74)90060-3.
30. Sinclair D., Countes R.J., Liu B.Y.H., Pui D.Y.H. Automatic analysis of submicron aerosols // Aerosol Measurement. Florida: University Presses of Florida Gainesville, 1979. P. 544–563.
31. Nolan P.J., Scott J.A. Observations on the heterogeneity of condensation nuclei // Proc. Roy. Irish Acad. Sect. A: Math. Phys. Sci. 1963/1964. V. 63. P. 35–47.
32. Lushnikov A.A., Zagaynov V.A. On diffusion dynamical method of the particle size analysis // J. Aerosol Sci. 1990. V. 21. P. S163–S165. DOI: 10.1016/0021-8502(90)90213-H.
33. Способ измерения спектра размеров ядер конденсации аэрозольных частиц и устройство для его реализации: Пат. 2340885. Россия, G 01 N 15/2. Загайнов В.А., Бирюков Ю.Г., Лушников А.А.; ФГУП Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова. № 2006137791/28; Заявл. 26.10.06; Опубл. 10.12.08. Бюл. № 34.
34. Twomey S. Comparison of constrained linear inversion and an iterative nonlinear algorithm applied to the indirect estimation of particle size distributions // J. Comput. Phys. 1975. V. 18. P. 188–200. DOI: 10.1016/0021-9991(75)90028-5.
35. Reineking A., Porstendorfer J. High-volume screen diffusion batteries and a-spectroscopy for measurement of the radon daughter activity size distributions in the environment // J. Aerosol Sci. 1986. V. 17. P. 873–879. DOI: 10.1016/0021-8502(86)90040-6.
36. Ferri F., Bassini A., Paganini E. Modified version of the Chahine algorithm to invert spectral extinction data for particle sizing // Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 5829–5839. DOI: 10.1364/AO.34.005829.
37. Bashurova V.S., Dreiling V., Hodger T.V., Jaenicke R., Koutsenogii K.P., Koutsenogii P.K., Kraemer M., Makarov V.I., Obolkin V.A., Potjomkin V.L., Pusep A.Y. Measurements of atmospheric condensation nuclei size distributions in Siberia // J. Aerosol Sci. 1992. V. 23. P. 191–199. DOI: 10.1016/0021-8502(92)90054-Y.
38. Wang Y., Yangm Ch. Regularizing active set method for retrieval of the atmospheric aerosol particle size distribution function // J. Opt. Soc. Am. A. 2008. V. 25. P. 348–356. DOI: 10.1364/josaa.25.000348.
39. Voutilainen A., Kolehmainen V., Stratmann F., Kaipio J.P. Computational methods for the estimation of the aerosol size distributions // Mathematical Modeling. Problems, Methods, Applications. New York: Springer Science + Business Media Llc, 2001. P. 219–230. DOI: 10.1007/978-1-4757-3397-6_22.
40. Fierz M., Weimer S., Burtscher H. Design and performance of an optimized electrical diffusion battery // J. Aerosol Sci. 2008. V. 40. P. 152–163. DOI: 10.1016/ j.jaerosci.2008.09.007.
41. Yee E. On the interpretation of diffusion battery data // J. Aerosol Sci. 1989. V. 20. P. 797–811. DOI: 10.1016/0021-8502(89)90091-8.
42. Eremenko S., Ankilov A. Conversion of the diffusion battery data to particle size distribution: Multiple Solutions Averaging algorithm (MSA) // J. Aerosol Sci. 1995. V. 26. P. 749–750. DOI: 10.1016/0021-8502(95)97282-J.
43. Gulak Y., Jayjock E., Muzzio F., Bauer A., McGlynn P. Inversion of Andersen cascade impactor data using the maximum entropy method // Aerosol Sci. Technol. 2010. V. 44. P. 29–37. DOI: 10.1080/02786820903338280.