银颗粒发生器（SPG）—气溶胶生成标准化的探索

背景（BACKGROUND）

管式炉自20世纪80年代起便已得到应用，但目前市面上能够产生稳定、超高浓度nm级气溶胶的商用设备寥寥无几。这类气溶胶源不仅可用于设备校准，还能为更复杂的实验持续提供种子气溶胶。

一般而言，气溶胶相关的校准及各类实验，耗时基本都在一小时以上。而如今市面上，想要找到高浓度的稳定气溶胶源仍是一大难题。

德国Catalytic公司推出银颗粒发生器（SPG），这是一款可稳定输出粒径在2-200nm范围内高浓度气溶胶的银颗粒气溶胶发生装置。

银颗粒发生器从设计之初，就定位为一款一键式气溶胶发生器，具备高重复性与高精准度的特点。

图1：扫描迁移率粒径谱仪（SMPS）的图像图谱，展示了SPG连续多小时生成气溶胶的过程；下侧为银气溶胶颗粒的透射电子显微镜（TEM）图像

设计（DESIGN）

图2：银气溶胶的生成原理示意图。碳化硅（SiC）制成的加热元件将固定放置的银储罐加热至其熔点以上，氮气（N₂）或压缩空气掠过熔融的银面，携带银离子沿反应管向上移动。气流上升过程中会自然冷却，促使银离子均匀冷凝，形成成核模态气溶胶，该气溶胶还可通过选配的稀释流进行稀释处理

图3：银颗粒发生器（SPG）

技术规格（SPECIFICATIONS）

SPG的设计旨在满足科研与工业应用的严苛需求，可对气溶胶生成过程实现高级别调控，其核心技术规格如下：

1)    预热时间短：预热耗时不足15分钟；

2)       粒径范围广：可生成粒径2~200nm的气溶胶颗粒（高温版可至300nm）；

3)       浓度含量高：气溶胶浓度可超过1×10⁷个/立方厘米；

4)   数浓度稳定且可重复：14小时内数浓度稳定性保持在±1%以内，一周内反复开关机的数浓度波动低于15%；

5)       粒径分布稳定且可重复：14小时内粒径分布稳定性保持在±1%以内，一周内反复开关机的粒径分布波动低于10%；

6)       几何平均粒径（GMD）：以空气为载气时，1000℃下GMD为15nm，1100℃下为55nm；

7)   几何标准偏差（GSD）：以空气为载气时，1000℃下GSD为1.15，1100℃下为1.4；

8)       远程监控：可通过通用串行总线（USB）或局域网（LAN）实现数据远程记录；

9)       一键预设：支持粒径模式快速选择，参数可自定义，含2组工厂预设参数和1组可编程自定义参数；

10)    材料兼容性广：可生成多种材料的颗粒，包括四十四烷、各类盐类（锂离子、钠离子、钾离子与氟离子、氯离子、溴离子、碘离子的任意组合）、各类金属（如银，只要该金属可在1100℃以下蒸发）；

11)    气体兼容性广：可采用氮气、压缩空气，或其他适用于蒸发-冷凝过程的气体作为载气；

12)    烧结功能：可选配烧结模块，用于制备球形颗粒；

13)  滞留室：可选配滞留室，实现颗粒的生长调控；

14)    稀释功能：可选配稀释模块，降低颗粒数浓度；

15)    流量范围宽：通过高精度流量控制器实现0.1~15升/分钟的精准流量调控。

粒径（SIZE）

图4：不同温度设定下，SPG产生的气溶胶进行的三次扫描迁移率粒径谱仪（SMPS）扫描结果。用户可自主精准控制加热温度，调节范围为室温至1100℃。

气溶胶的最终粒径分布受取样装置配置的影响：与短差分迁移率分析仪（DMA）搭配高取样流的配置相比，长差分迁移率分析仪（DMA）搭配低取样流的配置会因扩散损失导致更多颗粒流失。

图5：经差分迁移率分析仪（DMA）筛选出单一粒径后，下游凝结核计数器（CPC）检测到的气溶胶浓度数据

通过调节温度与气流参数，可精细调控气溶胶的生成粒径，既能生成粒径约2nm的超细气溶胶，也可生成粒径约200nm的气溶胶，其几何平均粒径（GMD）的可控范围为1-70nm。

图表中的红色区域为依据国际标准化组织（ISO）标准，凝结核计数器（CPC）校准时的目标粒径区间；黑色区域为定期测试检验（PTI）的适用粒径区间；绿色区域为颗粒浓度降低系数（PCRF）的相关测试区间，该指标也是欧6、欧7排放标准的重要组成部分。

稳定性（STABILITY）

设备的运行参数可通过高分辨率触摸屏控制器进行输入，用户既可自行微调运行参数，也可将设备设置为该参数模式启动，实现设备的快速、可重复操作。

图6：SPG的高性能稳定性曲线，该图谱为各粒径区间的平均值。连续15小时的测试结果显示，SPG生成气溶胶的浓度与几何平均粒径（GMD）的波动幅度均低于2%。

SPG从冷启动状态到生成稳定的气溶胶，仅需约15分钟，这一时长与市面上大多数商用凝结核计数器（CPC）的启动耗时相当。

重复性（REPEATABILITY）

研究人员在不同日期、一天中的不同时段，以不同模式（不同温度设定、不同气流参数）对SPG进行了测试。测试结果显示，设备日内使用的气溶胶生成参数波动幅度约为2%，日间的浓度波动幅度约为10%。

图7： 箱线图展示了SPG随时间产生的气溶胶粒径分布稳定性

对于模式 1，采用空气且稀释比为DR6时，几何平均直径（GMD）中位数约为5.48 nm，波动极小。

对于模式 2，使用空气时，几何平均直径（GMD）中位数增至约13.99 nm；采用氮气（N₂）并在 800℃下烧结处理时，该值为8.10 nm。

图中以箱体中心表示第 50 百分位数，箱体边缘分别为第 25 和第 75 百分位数；须线表示第 10 和第 90 百分位数，体现了粒径的重现性（Hammer et al., 2022）。

优势（BENEFITS）

1.    冷启动15分钟内即可生成稳定气溶胶

2.        气溶胶几何平均粒径可控范围为1-70nm

3.        可生成粒径超200nm的气溶胶

4.        气溶胶稳定性优异，波动幅度约1%

5.        可输出高浓度气溶胶

6.        生成的气溶胶颗粒形成类烟炱聚集体

7.        支持用户自主设定运行参数

8.        配备一键式气溶胶生成功能

参考文献（References）

[1] 哈默·T、欧文·M、斯旺森·J、伯杰·V、松坎布尔·U、博伊斯·A、舒尔茨·H、瓦西拉图·K（2022）。银颗粒发生器的表征研究——气溶胶生成标准化的探索路径，《气溶胶科学期刊》，2022年。