一种自由基活性测量系统及其应用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种自由基活性测量系统及其应用方法，涉及大气环境监测设备技术领域，测量系统包括反应模块、光路和光强探测模块、进气模块、出气模块、自由基检测模块；其中，反应模块包括主反应管以及与主反应管相连通的进气端、采样接口；光路和光强探测模块向主反应管中发射光解激光和吸收激光；进气模块通过进气端向主反应管中通入气体；自由基检测模块通过采样接口获取主反应管中的自由基，并测量自由基的荧光光子信号。应用方法为对荧光光子信号的衰减曲线进行单指数拟合得到自由基活性的值。本发明专利技术可以实时地监测并自主动态调控自由基前体物浓度，实现对复杂外场环境下自由基活性的准确测量，有着高灵敏度和低探测限的优势。优势。优势。

【技术实现步骤摘要】
一种自由基活性测量系统及其应用方法


[0001]本专利技术涉及大气环境监测设备
，尤其是一种自由基活性测量系统及其应用方法。

技术介绍

[0002]以臭氧、硝酸盐、硫酸盐和二次有机气溶胶污染物为特征的大气二次污染呈现快速上升和蔓延趋势，二次污染成为制约空气质量持续改善的瓶颈问题之一。在大气光化学过程中，自由基具有极强的大气氧化能力，能与绝大多数痕量物质发生反应，促使人为活动排放的一次污染物向二次污染物转化，是形成大气复合污染的驱动力，光化学烟雾、灰霾和酸雨等污染现象都是大气复合污染在不同时空条件下的表象。而为了更深入研究大气氧化能力，提高对大气污染过程成因的认识，我们不仅需要知道自由基浓度，自由基的活性也是一大重要参数。
[0003]自由基活性一般可以通过下列步骤计算获得：首先测量与自由基反应的化合物浓度，其次通过实验室测量化合物与自由基的双分子反应速率常数，最后将各种化合物浓度与其对应的双分子反应速率常数的乘积相加后得到自由基活性。由于大气中能与自由基反应的化合物种类繁多，目前的技术无法测量大气中所有的反应物种的浓度，另外有些双分子反应速率常数还无法测量，因此这些不确定因素使得自由基活性的计算产生了很大的偏差，极大地影响了大气二次污染的防治。
[0004]因此，需要研发一种能够直接测量自由基活性的系统和方法来实时获取环境大气中的自由基活性，从而准确定量化的研究大气氧化能力。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种自由基活性测量系统，能够实时在线的对样品气体即环境大气中的自由基活性进行直接测量。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案，包括：
[0007]一种自由基活性测量系统，包括：反应模块、光路和光强探测模块、进气模块、出气模块、自由基检测模块；
[0008]所述反应模块包括：主反应管，以及分别与主反应管相连通的进气端、采样接口；
[0009]所述光路和光强探测模块包括：用于向主反应管中发射光解激光的第一光源；所述光解激光用于对自由基前体物进行光解产生自由基；
[0010]所述进气模块与进气端相连通，用于向主反应管中通入气体；所述进气模块向主反应管中通入含有自由基前体物的样品气体；
[0011]所述自由基检测模块与采样接口相连通，通过采样接口获取主反应管中的自由基，并发射检测激光对自由基进行激发产生荧光，所述自由基检测模块用于测量自由基的荧光光子信号。
[0012]优选的，所述光路和光强探测模块还包括：用于向主反应管中发射吸收激光的第
二光源、第二探测器；所述吸光激光被主反应管中的自由基前体物吸收后穿过主反应管射出至第二探测器，所述第二探测器用于检测经主反应管后射出的吸光激光的出射光强。
[0013]优选的，所述主反应管的两端分别设有照射窗口即第一照射窗口和第二照射窗口，用于密封主反应管并透射光线：所述主反应管中靠近第一照射窗口的位置处设有第一中空球面反射镜，靠近第二照射窗口的的位置处设有第二中空球面反射镜；所述第一中空球面反射镜和第二中空球面反射镜为中空结构的球面反射镜，球面反射镜的中间设有中间通孔，且球面反射镜的边缘处还设有边缘通孔；
[0014]所述第一光源发射的光解激光经过扩束装置准直并扩束后，依次经第一照射窗口的中心和第一中空球面反射镜的中间通孔进入主反应管，穿过主反应管的中心并经依次第二中空球面反射镜的中间通孔和第二照射窗口的中心射出；
[0015]所述第二光源发射的吸收激光依次经第一照射窗口的边缘和第一中空球面反射镜的边缘通孔进入主反应管，经主反应管后射至第二中空球面反射镜上，并在第二中空球面反射镜和第一中空球面反射镜之间多次反射后，再经第一中空球面反射镜的边缘通孔和第二照射窗口的边缘射出并照射在第二探测器上；
[0016]其中，主反应管中的光解激光和吸收激光互不干扰。
[0017]优选的，所述自由基检测模块包括：检测腔体、检测激光源、检测激光扩束装置、检测激光探测器；
[0018]所述主反应管中的自由基经采样接口进入检测腔体中，所述检测激光源用于发射检测激光，检测激光经检测激光扩束装置扩束后射入检测腔体，对检测腔体中的自由基进行激发产生荧光，随后检测激光经检测腔体射出后照射至检测激光探测器上；检测激光探测器用于采集检测激光的出射能量；检测腔体中设有用于检测荧光光子信号的装置。
[0019]优选的，所述进气端包括进气主通道；所述出气端包括出气主通道；
[0020]所述进气主通道垂直连接在主反应管的靠近一侧端面的上侧壁上；所述出气主通道垂直连接在主反应管的靠近另一侧端面的上侧壁上；所述采样接口连接在主反应管的靠近出气主通道的下侧壁上；
[0021]所述采样接口为锥形，锥口即为采样嘴伸入主反应管中，锥底与自由基检测模块相连通；
[0022]所述出气主通道与气泵相连接；所述出气主通道上还设有插入口，所述插入口与温湿度检测模块相连接，用于实时检测主反应管中气体的温湿度。
[0023]优选的，所述进气模块还包括用于提供自由基前体物的第一进气组件；
[0024]所述第一进气组件包括：自由基前体物合成气瓶、自由基前体物发生器、第二零空气瓶、加湿瓶；
[0025]所述自由基前体物合成气瓶的输出管通过质量流量计与自由基前体物发生器的输入端相连接；所述自由基前体物发生器中设有可调光源，用于对自由基前体物合成气进行光解产生自由基前体物；
[0026]所述第二零空气瓶的输出管分别通过两个质量流量计与两个并联的支管路相连接，其中一个支管路上设有用于产生水汽的加湿瓶，两个支管路相汇合后先与自由基前体物发生器的输出端相连接，再一并与进气端连接，水汽与自由基前体物合并成一路后通过进气端进入主反应管内。
[0027]优选的，所述进气模块还包括：用于提供稀释气/零空气的第二进气组件；
[0028]所述第二进气组件包括：第三零空气瓶，稀释气瓶；所述第三零空气瓶的输出管通过质量流量计与进气端连接，第三零空气瓶中的零空气通过进气端进入主反应管内；所述稀释气瓶的输出管通过质量流量计与进气端连接，稀释气瓶中的稀释气通过进气端进入主反应管内。
[0029]本专利技术还提供一种自由基活性测量系统的其应用方法，具体如下所示：
[0030]S11，通过进气模块向主反应管内通入样品气体；
[0031]S12，打开第一光源并向主反应管中照射光解激光，对主反应管内样品气体中的自由基前体物进行光解并产生自由基；
[0032]S13，自由基检测模块通过采样接口实时获取主反应管中所产生的自由基，并实时测量自由基的荧光光子信号；
[0033]S14，对实时测量的自由基的荧光光子信号进行单指数拟合，得到荧光光子信号的单指数拟合公式，根据单指数拟合公式得到样品气体中的自由基活性 k
radical
1；所述单指数拟合公式如下所示：
[0034][0035]其中，S(radica本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自由基活性测量系统，其特征在于，包括：反应模块、光路和光强探测模块、进气模块、出气模块、自由基检测模块；所述反应模块包括：主反应管(1)，以及分别与主反应管(1)相连通的进气端、采样接口(8)；所述光路和光强探测模块包括：用于向主反应管(1)中发射光解激光的第一光源(9)；所述光解激光用于对自由基前体物进行光解产生自由基；所述进气模块与进气端相连通，用于向主反应管(1)中通入气体；所述进气模块向主反应管(1)中通入含有自由基前体物的样品气体；所述自由基检测模块与采样接口(8)相连通，通过采样接口(8)获取主反应管(1)中的自由基，并发射检测激光对自由基进行激发产生荧光，所述自由基检测模块用于测量自由基的荧光光子信号。2.根据权利要求1所述的一种自由基活性测量系统，其特征在于，所述光路和光强探测模块还包括：用于向主反应管(1)中发射吸收激光的第二光源(14)、第二探测器(16)；所述吸光激光被主反应管(1)中的自由基前体物吸收后穿过主反应管(1)射出至第二探测器(16)，所述第二探测器(16)用于检测经主反应管(1)后射出的吸光激光的出射光强。3.根据权利要求2所述的一种自由基活性测量系统，其特征在于，所述主反应管(1)的两端分别设有照射窗口即第一照射窗口和第二照射窗口，用于密封主反应管(1)并透射光线：所述主反应管(1)中靠近第一照射窗口的位置处设有第一中空球面反射镜，靠近第二照射窗口的的位置处设有第二中空球面反射镜；所述第一中空球面反射镜和第二中空球面反射镜为中空结构的球面反射镜，球面反射镜的中间设有中间通孔，且球面反射镜的边缘处还设有边缘通孔；所述第一光源(9)发射的光解激光经过扩束装置(11)准直并扩束后，依次经第一照射窗口的中心和第一中空球面反射镜的中间通孔进入主反应管(1)，穿过主反应管(1)的中心并经依次第二中空球面反射镜的中间通孔和第二照射窗口的中心射出；所述第二光源(14)发射的吸收激光依次经第一照射窗口的边缘和第一中空球面反射镜的边缘通孔进入主反应管(1)，经主反应管(1)后射至第二中空球面反射镜上，并在第二中空球面反射镜和第一中空球面反射镜之间多次反射后，再经第一中空球面反射镜的边缘通孔和第二照射窗口的边缘射出并照射在第二探测器(16)上；其中，主反应管(1)中的光解激光和吸收激光互不干扰。4.根据权利要求1所述的一种自由基活性测量系统，其特征在于，所述自由基检测模块包括：检测腔体(13
‑
1)、检测激光源(13
‑
2)、检测激光扩束装置(13
‑
3)、检测激光探测器(13
‑
4)；所述主反应管(1)中的自由基经采样接口(8)进入检测腔体(13
‑
1)中，所述检测激光源(13
‑
2)用于发射检测激光，检测激光经检测激光扩束装置(13
‑
3)扩束后射入检测腔体(13
‑
1)，对检测腔体(13
‑
1)中的自由基进行激发产生荧光，随后检测激光经检测腔体(13
‑
1)射出后照射至检测激光探测器(13
‑
4)上；检测激光探测器(13
‑
4)用于采集检测激光的出射能量；检测腔体(13
‑
1)中设有用于检测荧光光子信号的装置。5.根据权利要求1所述的一种自由基活性测量系统，其特征在于，所述进气端包括进气主通道(3)；所述出气端包括出气主通道(6)；
所述进气主通道(3)垂直连接在主反应管(1)的靠近一侧端面的上侧壁上；所述出气主通道(6)垂直连接在主反应管(1)的靠近另一侧端面的上侧壁上；所述采样接口(8)连接在主反应管(1)的靠近出气主通道(6)的下侧壁上；所述采样接口(8)为锥形，锥口即为采样嘴伸入主反应管(1)中，锥底与自由基检测模块相连通；所述出气主通道(6)与气泵(22)相连接；所述出气主通道(6)上还设有插入口(7)，所述插入口(7)与温湿度检测模块(21)相连接，用于实时检测主反应管(1)中气体的温湿度。6.根据权利要求1所述的一种自由基活性测量系统，其特征在于，所述进气模块还包括用于提供自由基前体物的第一进气组件；所述第一进气组件包括：自由基前体物合成气瓶(17
‑
1)、自由基前体物发生器(19)、第二零空气瓶(17
‑
2)、加湿瓶(20)；所述自由基前体物合成气瓶(17
‑
1)的输出管通过质量流量计与自由基前体物发生器(19)的输入端相连接；所述自由基前体物发生器(19)中设有可调光源，用于对自由基前体物合成气进行光解产生自由基前体物；所述第二零空气瓶(17
‑
2)的输出管分别通过两个质量流量计与两个并联的支管路相连接，其中一个支管路上设有用于产生水汽的加湿瓶(20)，两个支管路相汇合后先与自由基前体物发生器(19)的输出端相连接，再一并与进气端连接，水汽与自由基前体物合并成一路后通过进气端进入主反应管(1)内。7.根据权利要求1所述的一种自由基活性测量系统，其特征在于，所述进气模块还包括：用于提供稀释气/零空气的第二进气组件；所述第二进气组件包括：第三零空气瓶(17
‑
3)，稀释气瓶(17
‑
4)；所述第三零空气瓶(17
‑
3)的输出管通过质量流量计与进气端连接，第三零空气瓶(17
‑
3)中的零空气通过进气端进入主反应管(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡仁志，汪悦，蔡浩天，张国贤，谢品华，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：