1.   引言

气溶胶生成在环境监测、排放检测、仪器校准等多个领域均发挥着基础性作用。然而，实现气溶胶生成的可重复性、稳定性与精准度长期以来都是一大难题，传统的燃烧法、管式炉法等生成方式往往会引入较大变异性，且操作流程复杂。为解决上述问题，德国Catalytic公司研发出一款操作便捷的一键式气溶胶发生器，能够以极低的操作成本提供稳定、可控的银颗粒气溶胶源。

SPG开发的初衷，是打造一款符合国际标准与法规框架要求、稳定性强且耐高温的银气溶胶发生装置。该设备的重要性在国际标准中尤为凸显：一方面契合凝结核计数器（CPC）校准的国际标准ISO 27891:2015，另一方面也适配欧洲日趋严格的排放法规——该法规将颗粒物数量（PN）排放阈值从23nm下调至10nm。

2.   技术规格

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。

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：

3.   基本原理

SPG是一款立式管式炉设备，通过蒸发高纯度银（99.99%）生成气溶胶颗粒。银蒸汽由载气（通常为氮气或空气）输送并冷凝形成颗粒，这类颗粒因具备优异的稳定性与可重复性，成为仪器校准的理想选择，且完全符合ISO 27891:2015与ISO 15900:2020的标准要求（后者规定了利用差分迁移率分析仪（DMA）测定粒径分布的方法）（哈默等人，2022年）。

3.1.  操作模式

SPG配备2组预设操作模式和1组自定义模式，具体如下：

●     模式1（1000℃）：生成粒径小于10nm的颗粒，且以氮气为载气时，颗粒主要呈球形（见图10）；

●         模式2（1100℃）：生成粒径大于10nm的颗粒，以氮气为载气并经400℃烧结处理后，可将颗粒重塑为均匀的球形；

●         自定义模式：用户可自行预设颗粒的粒径与数浓度参数。

SPG可生成高数密度的气溶胶（最高达1×10⁷个/立方厘米），是气溶胶生成高精度要求应用场景的理想选择，例如需符合《空气质量监测设备性能测试要求》（EN 16976:2024）标准的车辆排放检测（吉查斯基尔等人，2020年）。

图1：SPG系统结构示意图：展示了气溶胶生成的核心组件。以加压氮气或空气为载气，通过质量流量控制器（MFC）调控系统内气体流量；在立式管式炉中加热高纯度银，银蒸汽冷凝形成气溶胶颗粒，整个过程由比例积分微分（PID）温度控制器精准调控（哈默等人，2022年）。

3.2.  气溶胶特性与稳定性

研发SPG的核心目的是解决传统气溶胶生成方法存在的一致性差、可重复性低、稳定粒径制备困难等关键问题。本节将从气溶胶稳定性、稀释调控气溶胶浓度两方面分析其性能表现。

3.2.1.生成气溶胶的稳定性

SPG生成气溶胶的稳定性是其核心性能指标，尤其在凝结核计数器（CPC）、差分迁移率分析仪（DMA）等仪器校准应用中至关重要。SPG可在长时间内生成粒径一致的高稳定性气溶胶，为仪器校准提供可靠、可重复的结果。

一系列测试表明，SPG连续运行时的气溶胶生成稳定性表现优异，几何平均迁移粒径（GMD）的波动极小。在数小时的测试中，模式1生成气溶胶的GMD波动小于1.3%，这一指标充分证明SPG能够对生成颗粒的粒径分布实现精准调控。

例如，在连续三天的多次测试中，记录到的GMD数值如下：

●     模式1：生成气溶胶的GMD为5.48nm±0.73nm；

●         模式2：以氮气为载气并经烧结处理后，生成气溶胶的GMD为8.10nm±0.15nm。

上述结果充分印证了SPG长期生成粒径一致颗粒的可靠性。这种高稳定性大幅降低了因粒径波动导致的校准误差，让CPC、DMA等气溶胶仪器的校准工作更具可信度。

此外，SPG的日间稳定性同样表现出色。在数日的测试中，其生成气溶胶的GMD几乎无波动，无论运行时长、环境条件如何，均能持续生成符合目标粒径范围的气溶胶。

图2：模式1与模式2气溶胶6小时长期稳定性测试：GMD波动始终低于1.3%，表明设备长时间运行时稳定性优异（哈默等人，2022年）。

SPG在连续多日的测试中，气溶胶生成的粒径变异性极小，这一稳定性使其成为保障CPC和DMA校准测量结果准确、可重复的最优工具。

3.2.2.  稀释控制与气溶胶浓度

SPG搭载的内部稀释功能，可实现气溶胶浓度与粒径的精准调控。稀释在颗粒团聚控制中发挥关键作用——颗粒团聚会影响生成气溶胶的粒径与稳定性，通过调整内部稀释比，SPG可生成粒径更小、稳定性更高的颗粒，满足高精度校准任务的需求。

例如，模式1下，稀释比为1（无内部稀释）时颗粒粒径为7.38nm，稀释比提升至6时，粒径降至5.2nm；同理，模式2下，稀释比为1时GMD为16.25nm，稀释比为6时降至11.5nm。这种通过稀释精细调控气溶胶粒径与浓度的能力，让SPG能适配各类校准需求，包括ISO 15900（粒径分布测定——气溶胶的差分迁移率分析）与ISO 27891（气溶胶颗粒数浓度——凝结核计数器校准）规定的校准要求。

内部稀释比与气溶胶浓度的关联对团聚控制尤为重要：稀释比越高，颗粒团聚现象越弱，生成的颗粒单分散性越好，这一点对颗粒测量设备的校准至关重要。SPG的设计可实现稀释比的精准调控，确保生成的气溶胶长期保持稳定与可重复性。

图3 内部稀释对模式1（<10nm）和模式2（>10nm）气溶胶粒径分布的影响：稀释比越高，颗粒粒径越小，气溶胶的稳定性与单分散性越好。图中展示了不同内部稀释比（1~6）下，模式1和模式2气溶胶的迁移粒径分布；数据已校正外部稀释因子，未校正粒径小于15nm时CPC的计数效率偏差；各模式的最终GMD数值均标注了至少三次独立测量的不确定度（哈默等人，2022年）。

图3核心研究发现

1.     模式1（小颗粒，<10nm）

○         稀释比为1（无内部稀释）时，SPG生成气溶胶的GMD为7.38nm±0.12nm；

○         稀释比提升至6时，GMD降至5.2nm±0.01nm，这一变化主要源于高稀释比下颗粒团聚现象减少，进而生成粒径更小、稳定性更高的颗粒。

2.        模式2（大颗粒，>10nm）

○      稀释比为1时，GMD为16.25nm±0.05nm，稀释比为6时降至11.5nm±0.04nm，与模式1一致，粒径降低的原因是稀释比提升后颗粒团聚减少；

○         气溶胶浓度：模式1稀释比为1时，气溶胶浓度（dN/dlogdp）为6.10×10¹⁰个/立方厘米，且随稀释比提升而降低；模式2稀释比为1时，气溶胶浓度为4.18×10⁸个/立方厘米。

图4 模式1与模式2的GMD随内部稀释比的变化关系：GMD是衡量气溶胶单分散性的重要指标，数值越低表明粒径分布越均匀。如图所示，GMD随内部稀释比的提升而降低，模式1中高稀释比下GMD可降至1.2以下（哈默等人，2022年）。

（标注：图中坐标轴为稀释比（DR1~DR6）、几何标准偏差（GSD），展示模式1（<10nm）、模式2（≥10nm）的测试结果，同时对比TSI、GRIMM两款扫描迁移率粒径谱仪（SMPS）的测量数据，浅蓝色区域为欣兹（1982年）定义的单分散气溶胶阈值）

该图同时对比了TSI（DMA 3085+CPC 3776）与GRIMM（M-DMA+CPC 5.403）两款扫描迁移率粒径谱仪的测量结果，均证实稀释比越高，气溶胶的单分散性越好。这一趋势在模式2中虽不显著，但GMD数值仍处于校准可接受范围内。根据欣兹（1982年）的定义，GSD小于1.2的气溶胶为单分散气溶胶，是校准工作的理想选择。

3.2.3.  生成气溶胶的重复性

SPG可生成不同粒径的单分散颗粒，这一核心特性进一步提升了其在仪器校准中的适用性。SPG生成的气溶胶具备热稳定性与非挥发性，是高精度、高一致性要求校准场景的理想选择。

●     模式1通常生成粒径更小的球形颗粒，这类颗粒特别适用于需亚10nm粒径的仪器校准；

●         模式2生成粒径更大的颗粒，经800℃烧结处理后，可重塑为均匀的球形颗粒，适用于对颗粒形状均匀性要求高的应用场景（如车辆排放检测、环境监测）。

图5 SPG生成气溶胶粒径分布的长期稳定性箱线图：模式1以空气为载气、稀释比为6时，GMD中位数约为5.48nm，且变异性极小；模式2以空气为载气时，GMD中位数约为13.99nm，以氮气为载气并经800℃烧结处理后，GMD中位数约为8.10nm。箱线图中，箱体中线为50百分位，箱体上下沿为25和75百分位，须线代表10和90百分位，直观体现了颗粒粒径的可重复性（哈默等人，2022年）。

（标注：图中含四组子图，分别为模式1（DR1/空气）、模式1（DR6/空气）、模式2（DR1/空气）、模式2（DR6/氮气+烧结），坐标轴为电动迁移粒径（nm）、GMD（nm），同时标注测试次数（RUN））

SPG的操作灵活性允许操作人员根据应用场景调整颗粒的粒径与形状，使其成为气溶胶科学、排放控制、环境监测等多个领域的多功能工具。

上述数据充分证实，SPG能提供稳定、可重复、可靠的银气溶胶源，多次实验中生成的气溶胶粒径分布均保持一致。在不同操作条件下，SPG仍能保证GMD的可重复性，这一特性使其成为气溶胶测量校准工作的理想选择——此类工作对精度与一致性的要求极高。

4.   不同工况对设备的影响

4.1.  烧结对校准精度的影响

SPG在模式2运行时，生成的颗粒易形成团聚体，可能影响CPC校准精度。为获得粒径一致的球形颗粒，需对颗粒进行800℃烧结处理，将团聚体重塑为均匀的球形。

图8展示了模式2下不同条件生成银颗粒的三张透射电子显微镜（TEM）图像：

a) 以空气为载气生成的颗粒，呈非球形；

b) 以氮气为载气生成的颗粒，形状有所改善，但仍不均匀；

c) 以氮气为载气并经800℃烧结处理的颗粒，重塑为均匀的球形，这对校准精度至关重要（哈默等人，2022年）。

图8 烧结前后银颗粒的TEM图像：展示了颗粒向球形的转变过程（哈默等人，2022年）。

（标注：图中三幅图像分别为a空气载气、b氮气载气、c氮气载气+烧结+稀释比6）

烧结的影响：烧结过程通过生成均匀的球形颗粒，显著提升了校准精度；团聚颗粒的计数效率分布离散度较大，而烧结后该离散度明显降低（哈默等人，2022年）。

4.2.  载气与稀释的影响

SPG可灵活选择载气（空气/氮气）并调控稀释比，这两个因素对颗粒生成及后续校准精度影响显著。采用氮气作为载气可防止银氧化物的生成——银氧化物会改变颗粒表面特性，导致校准结果偏差。

图9 载气（空气vs氮气）与烧结对CPC校准的影响：氮气可生成粒径更均匀的颗粒，提升校准一致性（哈默等人，2022年）。

（标注：图中含两组子图，坐标轴为电动迁移粒径（nm）、粒径数浓度谱，对比不同载气与烧结条件的测试结果）

氮气与空气的对比：模式1（亚10nm颗粒）下，氮气可生成粒径更小、分布更均匀的颗粒，提升了低粒径范围内CPC校准的精度；模式2下，氮气结合烧结处理可生成粒径一致的球形颗粒，降低了计数效率的整体不确定度（哈默等人，2022年）。

表 载气为氮气、800℃烧结对模式2（>10nm）气溶胶粒径分布的影响

（测试条件：内部稀释比1/6、低气溶胶流量模式（0.3升/分钟）、CPC 3076）（哈默等人，2022年）

环境监测、排放检测、仪器校准等多个领域均发挥着基础性作用。然而，实现气溶胶生成的可重复性、稳定性与精准度长期以来都是一大难题，传统的燃烧法、管式炉法等生成方式往往会引入较大变异性，且操作流程复杂。为解决上述问题，德国Catalytic公司研发出一款操作便捷的一键式气溶胶发生器，能够以极低的操作成本提供稳定、可控的银颗粒气溶胶源。

SPG开发的初衷，是打造一款符合国际标准与法规框架要求、稳定性强且耐高温的银气溶胶发生装置。该设备的重要性在国际标准中尤为凸显：一方面契合凝结核计数器（CPC）校准的国际标准ISO 27891:2015，另一方面也适配欧洲日趋严格的排放法规——该法规将颗粒物数量（PN）排放阈值从23nm下调至10nm。

5.   气溶胶测量仪器的校准

5.1.  以银颗粒为测试气溶胶的凝结核计数器（CPC）校准及校准方法

凝结核计数器（CPC）广泛应用于空气质量监测与排放检测中的颗粒浓度测量，其精准校准是保障符合法规标准的关键，而SPG正是实现该校准的理想气溶胶源。

SPG严格遵循ISO 27891:2015标准开展CPC校准工作，确保颗粒计数仪器的可溯源校准。本研究通过对比三款CPC（TSI 3775、TSI 3752、GRIMM 5.412）与法拉第杯气溶胶静电计（FCAE）的计数效率，完成CPC校准。结果证实，SPG生成的银气溶胶是CPC校准的理想源，其计数效率结果可靠，且与各设备的d50截止值高度一致（哈默等人，2022年）。

校准装置设置：采用四路分流器将SPG生成的气溶胶流分流，实现三款CPC（TSI 3775、TSI 3752、GRIMM 5.412）与法拉第杯气溶胶静电计的同步测量；采用nm级DMA（TSI 3085）将气溶胶粒径分布调控在3~15nm范围内（哈默等人，2022年）。

图6 利用参考仪器（法拉第杯气溶胶静电计）开展CPC校准的简化示意图

（标注：图中含SPG、DMA、静电计、三款CPC、多余气溶胶出口，标注各设备型号：DMA3085/3080、CPC3775/3752/5.412）

CPC校准严格按照ISO 27891标准开展（该标准规定了气溶胶颗粒数浓度的校准流程）：通过DMA对SPG生成的银气溶胶进行粒径筛选，对比CPC与法拉第杯气溶胶静电计的计数效率，完成CPC校准。

图7 三款CPC相对参考仪器法拉第杯气溶胶静电计的计数效率曲线（依据ISO 27891:2015校准方法）：计数效率曲线以颗粒迁移粒径为横坐标绘制，通过S型拟合确定各设备的d50截止值；图中同时标注了经透射电子显微镜（TEM）校正的DMA测量不确定度（哈默等人，2022年）。

（标注：图中坐标轴为电动迁移粒径（nm）、计数效率，展示TSI 3775、TSI 3752、GRIMM 5.412三款设备的拟合曲线）

本研究测量了不同粒径下CPC的计数效率，并确定了各设备的d50截止值（仪器计数效率为50%时对应的颗粒粒径，是定义CPC最低检测限的关键指标，依据ISO 27891:2015）：

●         TSI 3775：4.65nm；

●         TSI 3752：4.24nm；

●         GRIMM 5.412：4.14nm。

上述d50数值与各设备的标称截止值高度一致，进一步证实了SPG在CPC校准中的适用性（哈默等人，2022年）。

总结

银颗粒发生器（SPG）是一款体积小巧、性能可靠、稳定性强的气溶胶源，成功解决了传统气溶胶生成方法的诸多难题。该设备最初由瑞士联邦计量研究院完成表征，目前已在多家计量机构投入使用，应用于科研、校准、法规检测等场景，并持续迭代升级以满足新的市场需求。

本应用笔记总结了哈默等人（2022年）研究的核心发现，重点凸显了SPG通过生成高稳定性单分散银气溶胶，在气溶胶生成标准化中发挥的关键作用。SPG符合凝结核计数器校准的ISO 27891:2015、差分迁移率分析仪的ISO 15900:2020等国际标准，确保了各应用场景下测量结果的可溯源性与可重复性。

SPG可在不同操作模式下生成稳定的气溶胶，现已成为排放检测、环境监测、仪器校准领域的必备工具，且设备的性能与适配性仍在持续优化。

随着SPG在各大顶尖机构的逐步推广，其已成为实现精准、可靠气溶胶生成的重要工具。如需了解最新的产品更新、技术升级与专业研究见解，可访问官网：https://catalytic-instruments.com/silver-particle-generator-spg/。

参考文献

1.    哈默T等.（2022）.银颗粒发生器的表征研究——银气溶胶生成标准化的探索路径[J].气溶胶科学期刊,163:105978.

2.        ISO 27891:2015.气溶胶颗粒数浓度——凝结核计数器的校准[S].国际标准化组织.

3.        ISO 15900:2020.粒径分布的测定——气溶胶的差分迁移率分析[S].国际标准化组织.

4.        CEN 16976:2020.空气质量——空气质量监测设备的性能测试要求[S].欧洲标准化委员会.

5.        吉查斯基尔B, 拉德T, 苏亚雷斯-贝尔托亚R, 巴尔韦德V, 克莱罗特M.（2020）.欧盟颗粒物数量（PN）排放限值与测量方法[J].气溶胶科学与技术,54(9):1009-1022.

注：本文中烧结温度标注的800℃为研究测试温度，依据顾等人（2006年）的建议，实际应用中推荐400℃烧结。