这篇发表于2016年《Atmospheric Measurement Techniques》的论文由芬兰、爱沙尼亚科研团队联合撰写，核心是制定中性团簇和空气离子谱仪（NAIS）检测大气分子团簇与成核模态粒子的标准操作程序（SOP），实现全球NAIS测量的标准化与数据可比性，为大气气溶胶形成机制研究、气候模型参数化提供可靠的实验方法和数据支撑。论文系统阐述了NAIS的仪器原理、校准验证、安装维护、数据处理、故障排除，并展示了其在大气粒子研究中的应用结果与科学价值，以下是各核心部分的详细总结：

一、研究背景与核心目的

1.大气粒子研究的重要性

大气新粒子形成始于分子团簇的成核与活化，气溶胶粒子对全球气候（云凝结核形成）和区域空气质量具有关键影响，减少气溶胶-云相互作用的科学不确定性是大气气溶胶研究的核心目标。

2.NAIS的应用现状

作为新一代多通道气溶胶迁移率谱仪，NAIS已在全球各大陆、多环境（边界层、对流层、极地、城市/乡村/偏远地区）、多海拔开展短期野外观测和长期实验，是直接检测亚3nm分子团簇和亚25nm成核模态粒子的核心工具，但缺乏统一的操作与数据处理标准，导致测量结果可比性差。

3. 研究目的

结合NAIS用户与制造商（爱沙尼亚Airel Ltd.）的技术和科学经验，制定NAIS的SOP，涵盖仪器校准、安装操作、维护、数据反演与处理全流程；同时明确测量中的关键考量（小粒子充电概率低、采样中易发生理化转化、入口扩散/电损失、校准验证的必要性），为全球NAIS测量提供统一规范。

二、NAIS仪器核心原理与设计

NAIS是基于电迁移率分类的多通道粒径谱仪，可同时检测荷电粒子/离子的迁移率分布和总粒子的尺寸分布，核心设计与功能如下：

1.   测量范围：可测荷电粒子/离子的电迁移率为3.2~0.0013 cm²V⁻¹s⁻¹，总粒子的尺寸为2.0~42nm，聚焦亚3nm分子团簇和亚25nm成核模态粒子。

2.   气流系统：分1/3/4风机三种构型，风机自动控制流量，文丘里管与压差传感器测量鞘气流量和样品流量，3/4风机系统的流量稳定性远优于1风机系统，更适用于高海拔/飞行测量。

图 1 中性团簇与空气离子谱仪（NAIS）的结构示意图：(c) 四风机气流系统。

3.   四种核心测量模式

●   离子模式：测自然荷电粒子/离子，样品无预处理；

●   粒子模式：测所有粒子（含中性），通过电晕充电器对中性粒子充电，后置过滤器去除充电产生的离子；

●   交替充电模式：粒子模式基础上开启放电器，中和样品电荷分布，提升非稳态下的测量性能；

●   偏移模式：测静电计的零信号和噪声水平，为数据校准提供基线，是测量精度的关键。

表 1 NAIS 推荐的测量模式与测量周期

4.   推荐测量周期：地面测量为偏移模式30s+、离子模式90s+、粒子模式90s，总周期2~5min；飞行/高海拔测量可缩短粒子/离子模式至45s，偏移模式保持30s。

5.   样品预处理单元：采用单极电晕放电电离（充电效率高于传统双极放射性充电器），含放电器和主充电极，搭配电气后置过滤器（电压30~150V），用于去除电晕离子避免检测通道饱和；电晕离子的尺寸为1.0~1.6nm，决定了NAIS粒子模式的最低检测限约2nm。

图 2 老一代（左列）与新一代（右列）NAIS 的气溶胶预处理单元及迁移率分析仪上部的横截面示意图。图中直观展示了各部件的接地设计。

三、NAIS标准操作程序（SOP）

分为仪器校准、验证、安装、环境参数监测、维护、数据反演、数据处理7个关键环节，明确了各环节的操作方法、关键控制点和不同场景的适配方案。

1. 仪器校准：保障测量精度的基础

校准是野外观测/短期实验前、长期运行中（每年）的必要操作，核心为流量、电压、尺寸精度与损失三方面校准，且校准前需完成仪器清洁和检漏：

●   流量校准：1风机系统通过压差传感器验证文丘里管的压差，3/4风机系统用外部流量计（如TSI 4000系列）测量排气和鞘气流量，流量偏差需通过阀门调整至标称值；

图 3 左侧：在南非马里卡纳运行的 NAIS 仪器中，脏污的文丘里管及其滤网、脏污的流量调节阀特写。在流量校验前，二者均需彻底清洁。右侧：使用外部压差传感器进行流量检查的装置示例，传感器连接至 5 个文丘里管，可同时记录所有数值，包括风机两端的压差。

图 4 四风机系统的简易鞘气流量检查方法：将 TSI 流量计直接安装在鞘气过滤器后方进行测量。

●   电压校准：DMA内电极的高压（HV）对小粒子尺寸分类至关重要，不同版本NAIS的电极电压不同（2014年前版本为±9/±25/±220/±800V，2014年后版本为±9/±35/±150/±700V），需用超低阻抗高压探针验证；

●   尺寸精度与损失校准：需结合H-DMA、单迁移率分子标准、Hauke DMA等仪器，离子模式下NAIS尺寸精度极高，但浓度低估15~30%，经修正后测量不确定度可降至10%。

2. 仪器验证：确保测量可靠性

测量前需检查静电计背景水平和正负测量柱的浓度平衡，更换测点时必须验证，每年与参考仪器（如凝结核计数器、差分迁移率粒子谱仪）比对；正负柱浓度偏差在10~20%为正常，验证方法有3种：

●   剥柑橘释放D-柠檬烯，诱导室内气溶胶成核（快速、低成本）；

●   室内外采样对比，分别验证小离子和大离子/粒子的平衡；

●   外部放射源产生双极离子，验证宽浓度范围的离子平衡。

3. 仪器安装：减少采样损失，适配不同场景

核心是入口设计和采样位置/模式的优化，避免扩散、电损失和样品理化转化，不同测量场景（地面/高海拔/飞行/实验室）的安装要求不同：

●   入口设计：推荐50cm金属管（不锈钢），带90°下弯和1mm金属网，水平安装、良好接地，减少降水进入和静电损失；高湿/高温环境需加热/干燥入口，高污染环境需核心采样和样品稀释；

图 5 匈牙利 K-puszta 野外观测站所用 NAIS 仪器的气溶胶采样入口示例。上方图片中采样管末端缺少滤网；下方为仪器野外安装实景。

●   采样场景适配：地面测量用默认流量，高海拔测量需3/4风机系统自动调整鞘流，飞行测量需改装供电/入口/仪器密封性，实验室/舱室测量可采用样品气循环系统减少消耗。

4. 环境参数监测与调整

NAIS自动监测流量、风机控制信号、充电电流、过滤器电压等参数，通过反馈回路自动调节，用户需每日检查，关键控制点为：

●   反馈控制电压需在0.1~4.9V之间，超出则表明参数偏离目标值；

●   电晕放电控制：电晕针电压保持2~3kV，通过反馈回路维持充电电流恒定，避免气溶胶沉降导致针磨损；

图 6 建议使用 NAIS 测量软件（Spectops.exe 或 Retrospect.exe），按照图中所列步骤检查仪器是否正常运行。

●   后置过滤器电压：40~100V，需根据环境优化，平衡电晕离子去除和小粒子穿透率。

图 7 粒子测量模式下后置过滤器的调节：(a) 对异常通道（此处为负极性）调节后置过滤器电压时的观察要点；(b) 调节完成后粒子数粒径分布应呈现的形态。

5. 仪器维护：长期稳定运行的关键

维护的核心是避免气溶胶沉积导致的流量偏差、信号噪声和充电效率下降，明确了各部件的清洁/更换周期和方法：

●   入口清洁：1~3周，擦拭金属管和网；

●   常规仪器清洁：1~3月，用异丙醇擦拭样品/鞘流接触表面，文丘里管金属网用超声清洗；

●   静电计及DMA清洁：当偏移模式下电流超数±几十个fA时，通过“抬升预处理单元”或“打开DMA”两种方法擦拭，避免噪声和电晕放电；

●   电晕针清洁/更换：1~3月，用尖刀刮擦或溶剂溶解污垢，损坏则更换；

●   风机更换：无法维持流量时更换，更换后需密封并重新检漏、校准流量。

图 8 取下样品预处理单元（NAIS 的顶部组件），使用长清洁杆擦拭外电极表面，以清洁静电计环

图 9 打开迁移率分析仪，用洁净擦拭布清洁静电计环。

图 10 拆卸并清洁放电器（上排）与充电器（下排）。

图 11 拆卸并清洁鞘气过滤器。部分最新款 NAIS 的鞘气过滤器内部不配备电晕针。

图 12 用尖刀清洁电晕针（左）、用溶剂冲洗清洁（中），以及用镊子更换电晕针（右）。

6. 数据反演：从原始信号到分布的转换

NAIS的原始信号为静电计测量的电流，需通过数学模型反演为离子/粒子的尺寸/迁移率分布，核心步骤和假设为：

●   迁移率→直径转换：采用Millikan-Fuchs等效电迁移率直径，遵循ISO15900标准，考虑气压、温度对空气粘度和分子平均自由程的影响；

●   电流→浓度转换：基于静电计电流与气溶胶浓度的定量关系，结合样品流量和元电荷计算；

●   关键假设：平衡电荷分布（Fuchs扩散充电理论）、单电荷离子/粒子（20nm以上因多电荷存在测量不确定性）；

●   仪器传递函数：通过矩阵法求解分布，考虑粒子的扩散/静电损失、充电概率、DMA的电场和流量特性。

7. 数据处理：质量控制与结果修正

原始数据需经过清洗、校准、修正后才能用于分析，核心步骤为：

●   数据清洗与质量检查：去除故障谱（如静电计噪声、接地不良、电缆故障导致的异常分布），合格数据需满足“正负分布一致、团簇离子峰1nm、非成核事件时23nm粒子浓度200~700cm⁻³”等标准；

图 13 清洁及质量检查前（左列，问题区域用方框标出）和检查后（右列）的典型异常离子数粒径分布。通过 MATLAB 脚本筛选出异常或缺失的数据，并将其替换为 - 999.99。这些异常数据的成因包括：(a) 静电计持续存在噪声；(b) 差分迁移率分析仪（DMA）顶部接地不良（团簇离子部分缺失）；(c) DMA 底部积尘（高噪声）；(d) 因 BNC（卡口 - 尼尔 - 康塞尔曼）电缆连接故障，导致 DMA 内部的分级电场异常（中离子缺失）。

●   离子数据处理：将迁移率分布转换为尺寸分布，计算各尺寸段的绝对浓度；

●   粒子数据处理：确定最低检测限（2~3nm），去除电晕离子的干扰，选择优选极性（低背景、无短期波动、可见小离子背景）作为最终结果；

●   损失修正：对采样线的扩散损失（弯管/长管导致）进行定量修正，遵循Hinds气溶胶技术理论和Wang等的弯管损失模型。

四、故障排除

论文通过表格系统列出了NAIS测量中6类典型问题（粒子/离子分布异常、预处理单元故障、DMA故障、静电计故障、气流问题、软件问题）的可能原因和解决方案，为用户提供快速排查指南，例如：

●   无离子检测：仪器/入口未良好接地或入口过长，需重新接地、缩短入口；

●   静电计饱和：分析仪内沉积污垢/纤维，需清洁对应静电计环；

●   电晕电流波动：电晕针脏污，需清洁/更换；

●   流量偏差：仪器泄漏或风机磨损，需检漏、更换风机。

图 14 利用 NAIS 测得的新粒子形成期间的典型负离子数粒径分布（上图）；以及 2007 年 5 月 5 日于许蒂埃拉（Hyytiälä）测得的负团簇离子（0.8–2.0 nm）、中离子（2.0–7.0 nm）、大离子（7.0–20 nm）浓度与气相硫酸浓度（下图）。

五、NAIS测量的预期结果与科学价值

论文展示了NAIS在大气粒子研究中的应用结果，明确了其对大气气溶胶科学和气候模型的核心价值：

1.   直接观测大气粒子形成与生长

●   将荷电粒子按尺寸分为小离子（0.8~2nm，团簇离子）、中离子（2~7nm，二次气溶胶形成强指标）、大离子（7~20nm，Aitken模态荷电粒子），小离子在除云外的所有环境中存在，中离子是新粒子形成的关键信号；

●   NAIS粒子模式无法检测亚2nm中性团簇，仅能检测其“肩部”，20nm以上粒子浓度因多电荷效应被高估，建议仅使用20nm以内的测量结果；

●   大气边界层中中性粒子形成主导，离子诱导的成核贡献较小，粒子生长率随尺寸增加而提升，离子对生长的增强作用可忽略。

图 15 2007 年 5 月 5 日于许蒂埃拉（Hyytiälä）观测结果：上图为 NAIS 测量的 2.5–20 nm 粒径范围、DMPS 测量的 20–1000 nm 粒径范围的粒径分布示例；下图为 NAIS 测量的 2–3 nm 颗粒浓度、DMPS 测量的 3–6 nm 颗粒浓度及硫酸浓度。

图 16 2007 年 4 月 23 日在芬兰许蒂埃拉（Hyytiälä）将 NAIS 测量的 2.5–40 nm 粒径分布与 DMPS 测量的 40–1000 nm 粒径分布进行合并的结果。

图 17 利用离子谱仪在不同环境与条件下测得的典型负离子数粒径分布：(a) 2008 年 10 月 17 日，菲诺卡利亚（Finokalia），无核化模态粒子，仅观测到团簇离子；(b) 2008 年 10 月 25 日，菲诺卡利亚，观测到艾肯核模态粒子下限与团簇离子；(c) 2008 年 12 月 28 日，菲诺卡利亚，大雨期间观测到中离子爆发；(d) 2008 年 11 月 28 日，少女峰（Jungfraujoch），暴风雪期间观测到中离子；(e) 2008 年 9 月 15 日，卡鲍（Cabauw），出现不明粒子生成现象；(f) 2008 年 8 月 3 日，梅尔皮茨（Melpitz），气团变化与粒子生成；(g) 2009 年 4 月 13 日，梅尔皮茨，区域性粒子生成；(h) 2008 年 10 月 16 日，梅斯黑德（Mace Head），局地新粒子生成羽流。

2.   不同环境的典型离子/粒子尺寸分布

NAIS测量的分布在不同环境中差异显著：清洁环境中团簇离子为主要特征，污染环境中成核模态粒子占比高，雨天/雪天会出现中离子爆发，成核事件多发生在白天，可分为区域成核、局地成核、未定义成核等多种类型。

NAIS测量的附加价值：

●   模型参数化：基于NAIS数据集，开发了离子-离子复合、离子诱导成核、亚20nm纳米粒子生长的半经验参数化方案，验证了气溶胶动力学箱模型，为大气模型提供了可靠的实验约束；

●   大气电学关联：可从离子尺寸分布直接计算大气极电导率，建立了大气粒子形成与大气电学参数的联系；

●   数据标准化：SOP推动了全球NAIS数据的可比性，为ACTRIS（气溶胶、云、痕量气体研究基础设施网络）提供了标准化测量方法

六、讨论与结论

1.   本研究制定的NAIS-SOP实现了大气分子团簇和成核模态粒子测量的标准化，解决了全球NAIS数据不可比的问题，为大气气溶胶形成机制的跨区域研究提供了统一方法；

2.   NAIS作为直接检测亚3nm粒子的核心仪器，其测量结果显著提升了对大气离子/气溶胶动力学的理解，为减少气候模型中气溶胶效应的不确定性提供了可靠的野外观测数据；

3.   目前基于NAIS数据的成核参数化方案尚未应用于全球气候模型，未来需将NAIS整合到国际研究网络中，充分利用现有海量数据集，进一步完善气溶胶-气候相互作用的模型参数化；

4.   随着NAIS仪器的持续发展，其SOP需根据技术更新不断修订，后续应加强仪器的实验室表征和跨仪器比对，提升测量精度。

综上，该论文是NAIS仪器使用的权威操作指南，不仅系统梳理了仪器的操作与数据处理流程，还结合大量实验和野外观测结果，明确了测量中的关键控制点和误差来源，为大气气溶胶新粒子形成研究提供了标准化的实验方法，同时也为气候模型的参数化和验证提供了重要的科学支撑。

参考论文：

Manninen, H. E., Mirme, S., Mirme, A., Petäjä, T., and Kulmala, M.: How to reliably detect molecular clusters and nucleation mode particles with Neutral cluster and Air Ion Spectrometer (NAIS), Atmos. Meas. Tech., 9, 3577–3605, https://doi.org/10.5194/amt-9-3577-2016, 2016.